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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Drehgießverfahren und eine Vorrichtung
zum Beschichten eines Substrats, das um eine Achse rotiert, und
das zu einem beschichteten Gegenstand führt. Insbesondere ist diese
Erfindung auf Drehgießverfahren
und eine Vorrichtung gerichtet, die in der Lage sind, dicke Schichten
aufzubringen, in dem der reaktive Strom geteilt wird, der auf ein
Substrat in mehreren Strömen
aufgebracht wird, und durch Aufbringen dieser Ströme auf das
Substrat in einer wendelförmigen,
sich überlappenden
Art.
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2. Beschreibung der einschlägigen Technik
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Es
sind Verfahren zum Beschichten zahlreicher Substrate bekannt, z.B. übliche Gießtechnik, Sprühtechnik
usw.. Gegenwärtig
ist eine Drehgießtechnik
dazu verwendet worden, Polyurethan-Elastomerzusammensetzungen auf
steife Substrate aufzubringen. Diesem Verfahren wohnen mehrere Vorteile
gegenüber
den anderen bekannten Beschichtungsverfahren inne. Beispielsweise
ergibt das Drehgießverfahren
eine kürzere
Produktionszeit, wobei im Vergleich zum konventionellen Gießverfahren
keine Form benötigt
wird und auch weniger Materialien im Vergleich zum Sprühverfahren
verwendet wird, wo im Allgemeinen ein Übersprühen stattfindet.
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Der
Aufsatz von Ruprecht et al., "Roll
Covering by Rotational Casting with Fast-reacting PUR Systems", Polyurethanes World
Congress 1991 (Sept. 24-26), Seiten 478-481 beschreibt Drehgießtechniken,
die zur Erzeugung von Walzenüberzügen nützlich sind
und schnell reagierende Polyurethan-Elastomersysteme verwenden.
In diesen Systemen wird das Polyurethan-Reaktionsgemisch durch einen
beweglichen Mischkopf dosiert, der mit konstanter Geschwindigkeit
in axialer Richtung längs des
sich drehenden Walzenkerns in geringer Entfernung über dessen
Oberfläche
läuft.
Das Polyurethan-Reaktionsgemisch verfestigt sich sehr schnell (innerhalb
von Sekunden), um eine Polyurethanschicht mit einem Dickenaufbau
von 4 bis 5 mm zu ergeben. Zusätzliche
Schichten aus dem Polyurethan-Reaktionsgemisch werden aufgebracht,
bis die gewünschte
Dicke der Polyurethanschicht erreicht ist.
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Das
US-Patent 5 895 806 beschreibt
eine Polyurethanzusammensetzung, die zwei thixotrope Wirkstoffe
enthält,
und das
US-Patent 5 895 609 beschreibt
ein Drehgießverfahren
zum Beschichten eines zylindrischen Gegenstandes unter Verwendung der
Polyurethanzusammensetzung des erstgenannten Patents. Durch Verwendung
der Polyurethanzusammensetzung, die zwei thixotrope Wirkstoffe enthält, kann
eine dickere Beschichtung bei jedem Durchlauf erzielt werden, ohne
dass eine Tropfen- oder Gratbildung auftritt. Diese Polyurethan-Beschichtungszusammensetzungen
haben breiten wirtschaftlichen Einsatz auf starren Substraten, z.B.
Metallen, Kunststoffen und Kompositen in Bereichen gefunden, wie
beispielsweise Papier- und Stahlherstellungswalzen, industriellen
Walzen und graphischen Druckwalzen.
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Das
US-Patent 5 601 881 und
das
Europäische Patent 0 636 467 von
Grimm et al. beschreiben die Verwendung eines "Folienspritzkopfes", um noch dickere Schichten aufbringen
zu können.
Der Spritzkopf ist parallel zur Drehachse des Körpers unter einem Winkel Alpha
angeordnet, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit des Reaktionsgemischs
und die Relativbewegung mit der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden
Körpers
derart synchronisiert sind, dass die aufeinanderfolgenden Wendelgänge sich
wie Schuppen überlagern
und sich nahtlos miteinander verbinden.
US 5 601 881 unterscheidet sich jedoch von
der vorliegenden Erfindung dadurch, dass dieser Stand der Technik
die Synchronisierung der Reaktionsgeschwindigkeit eines Reaktionsgemischs
und einer Relativgeschwindigkeit zwischen einem drehenden Körper und
einem Folienspitzkopf mit der Umfangsgeschwindigkeit des drehenden
Körpers
beschreibt. Weiterhin offenbart der letztgenannte Stand der Technik
nicht einen Spritzkopf, die ein inneres Netzwerk aus Y-förmigen Kanälen aufweist,
die einen Einlassstrom eines polymeren Reaktionsgemischs aus dem
Einlasskanal in mehrere Auslassströme in mehreren Auslasskanälen aufteilt,
die jeweils einen Durchmesser haben, der kleiner als der des Einlasskanals
ist, wobei diese Auslasskanäle
im Wesentlichen parallel zueinander sind.
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Mit
der Verwendung eines solchen Folienspritzkopfs gehen jedoch Probleme
einher. Ein solches Problem besteht darin, dass ein solcher Folienspritzkopf,
der einen Materialfilm mit einem Verhältnis von Länge zu Breite von 10 bis 300
erzeugt, eine gleichmäßige Flussgeschwindigkeit über den
Auslass schwierig aufrechterhalten kann. Unterschiede im Fluss können von
Randeffekten kommen, weil die Ränder
des Spritzkopfes einen größeren Strömungswiderstand
aufweisen, oder von der Kanalisierung der Ströme in zahlreiche Bereiche.
Die Kanalisierung kann von einer Teilverstopfung oder einer Viskositätszunahme
in einem Bereich des Spritzkopfs kommen, was dazu führt, dass
das frischere Material geringerer Viskosität den Weg des geringsten Widerstandes
um diesen Bereich herum nimmt.
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Folglich
muss, wenn der Fluss weniger gleichmäßig wird, die Produktion ggf.
unterbrochen werden, um den Spitzkopf reinigen zu können. Dieses
kann ein ernstes Problem sein, beispielsweise bei der Herstellung
großer
Walzen, wo die höchste Qualität gefordert
wird, beispielsweise bei Walzen für die Papierindustrie. Auch
kann das Starten und Anhalten des Walzenbeschichtungsvorgangs zu
einem merklichen Defekt in der Oberfläche der Walze an dem Punkt
führen,
an dem die Produktion angehalten wurde, was weiter dazu führt, dass
die Walzenschicht ausgesondert wird.
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Ein
weiteres Problem beim Folienspritzkopfbetrieb besteht darin, dass
die Folie selbst ein wellenförmiges
Bewegungsmuster nach dem Verlassen des Spritzkopfs bilden kann,
was zu einer ungleichmäßigen Aufbringung
auf dem Substrat führt.
Um dieses zu vermeiden, muss der Spritzkopf sehr nahe an der Walze
und unter einem Winkel angeordnet sein, der die Distanz zu dem sich
bildenden Walzenüberzug
auf einem absoluten Minimum hält.
Beim Betrieb des Spritzkopfs in engem Abstand zu dem sich bildenden Überzug treten
jedoch andere Probleme auf, weil das Risiko einer Berührung der
Walze entweder durch den Spritzkopf selbst oder durch voll ausreagiertes
Material, das vom Spritzkopf herabhängt und einen Stalaktit-ähnlichen
Vorsprung bildet, auftritt. Die Bildung eines solchen Stalaktiten
aus ausgehärtetem
Material ist bei solchen Beschichtungsvorgängen nicht unüblich.
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Es
wäre daher
erwünscht,
ein Drehgießverfahren
und eine Vorrichtung zum Erzeugen von dicken Schichten anzugeben,
wie es bei bekannten Systemen möglich
ist, jedoch mit breiteren Verarbeitungsgrenzwerten, um größere Laufzeiten,
geringere Ausschussraten und Erzeugnisse höherer Qualität zu ermöglichen.
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ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats entsprechend
dem Anspruch 1 angegeben.
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Weiter
wird gemäß der Erfindung
eine Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrats gemäß Anspruch
10 angegeben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
hervor, die im Zusammenhang mit dem begleitenden Zeichnungen zu
lesen ist.
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1 ist
eine teilweise geschnittene Ansicht des Spritzkopfes der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Ansicht des Spritzkopfes von unten;
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3 ist
eine Seitenansicht, die die Aufbringung einer Beschichtung auf ein
Substrat unter Verwendung des Spritzkopfs der vorliegenden Erfindung zeigt;
und
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4 ist
ein Blockschaltbild eines Systems zum Steuern des Beschichtungsvorgangs.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Während die
Erfindung hier im Zusammenhang mit einem Polyurethan-Reaktionsgemisch
beschrieben wird, liegt jedes andere aushärtbare polymere Reaktionsgemisch
ebenfalls innerhalb des Umfangs der Erfindung. Beispielsweise umfassen
andere aushärtbare
polymere Reaktionsgemische zur Verwendung hierbei Epoxidharze, Polyharnstoffe und
silikonhaltige Materialien.
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Das
neue Verfahren und die Vorrichtung sind speziell zum Beschichten
von Walzen, Rohren, Gürtel,
Stanzformen und eine Vielzahl anderer zylindrischer Substrate gut
geeignet. Die Substrate können aus
Metall, Kunststoff, Keramik, Glas oder jedem anderen geeigneten
Material hergestellt sein. Diese umfassen Substrate, die den gleichen
Durchmesser über
die Länge
des Zylinders aufweisen, sowie auch solche, die unterschiedliche
Durchmesser an verschiedenen Stellen längs des Zylinders aufweisen. Es
kann auch zur Herstellung von Schläuchen oder zur Beschichtung
der Innenseite von Rohren verwendet werden. Es ist auch bei der
Verwendung von Armierungsstoffen oder –fäden bei der Herstellung des Überzugs
geeignet.
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Das
neue Verfahren und die Vorrichtung arbeiten überraschend gut, weil sie in
hervorragender Weise vom Vorteil des ansteigenden Viskositätsprofils
des Polyurethan-Reaktionsgemischs Gebrauch machen. Wenn das Material
vom Spritzkopf abgegeben wird, ist die Viskosität zunächst niedrig und fließt das Gemisch
gut, d.h. die Viskosität
(nach Brookfield) liegt im Bereich von etwa 100 Centipoise ("cps") bis etwa 5.000
cps. Die Strömung
erlaubt es bei dieser niedrigen Viskosität, nur eine relativ geringe
Dicke (beispielsweise 4-5 mm, wie bei Ruprecht at al. beschrieben)
ohne Tropfenbildung aufzubringen. Bei der vorliegenden Erfindung
wird es den aufgeteilten und in geeigneter Weise beabstandeten Strömen auch
möglich,
leicht und sofort über
eine relativ breite Fläche
des Substrats zusammenzufließen.
In den nachfolgenden Umdrehungen des Substrats ist dann die Viskosität bereits
beachtlich gestiegen, z.B. auf eine Viskosität im Bereich von etwa 5.000
cps bis 500.000 cps, was es ermöglicht,
eine zweite Gruppe Polyurethanströme überlappend anzubringen, die dann
wieder leicht zusammenfließen
und die gewünschte
nahtlose Kombination mit dem früheren Material
bilden.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung werden
nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben.
Bezugnehmend nun auf die 1 und 2 umfasst
der Spritzkopf 100 der vorliegenden Erfindung einen Körper 110 mit einem
hinteren Stutzen 111 und einer länglichen, flachen, nach vorne
weisenden Applikatorfläche 112. Der
Körper 110 kann
ggf. seitliche Gewindebohrungen 114 aufweisen, um Befestigungsschrauben
aufzunehmen. Beispielsweise kann der Spritzkopf in zwei Hälften hergestellt
sein, die in die gewünschte Form
spanabhebend bearbeitet und anschließend zusammengefügt sind,
um den einheitlichen Spritzkopf zu bilden. Das Zusammenfügen kann
ggf. durch Befestigungsschrauben, Bolzen oder jede andere geeignete
Art in der Technik bekannter Verbindungen erreicht werden. Ggf.
vorhandene Löcher 116 sind
für Passstifte
bestimmt, die die Positionierung erleichtern. Der Spritzkopf hat
ein inneres Netzwerk aus verzweigten Kanälen, um das Reaktionsgemisch
vom hinteren Einlass 121 zur Applikatorfläche 112 zu
leiten.
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Das
Kanalnetzwerk 120 hat einen geradlinigen Einlassabschnitt 122,
der sich durch den Stutzen 111 erstreckt, so dass das Polyurethan-Reaktionsgemisch
hindurch und in den Kanal 123 strömt. Die Zweige des Y-förmigen Kanals 123 verzweigen
sich weiter in Y-förmige
Kanäle 124,
die einen kleineren Durchmesser als die Y-förmigen Kanäle 123 haben. Jeder
der Y-förmigen
Kanäle 124 verzweigt
sich weiter in Y-förmige
Kanäle 125,
die einen engeren Durchmesser als die Y-förmigen Kanäle 124 haben. Jeder
der Y-förmigen
Kanäle 125 führt zu einem
der Auslasskanäle 126,
die im Wesentlichen parallel zueinander und mit der Applikatorfläche 112 in
Verbindung sind. Die Auslasskanäle 126 haben
einen kleineren Durchmesser als die Y-förmigen Kanäle 125. Wie man sehen
kann, verdoppelt jede Verzweigung die Anzahl der Kanalabschnitte,
um parallele Auslasskanäle 126 zu
bilden, die in einer linearen Reihe ausgerichtet sind.
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In
Fig. ist der Kanal 123 mit Y-förmigen Zweigen dargestellt,
die den Reaktionsgemischstrom nach links und rechts leiten. Wie
der Fachmann leicht erkennt, sind die Ströme in kürzest möglicher Zeit abzugeben, was
zu einer Steigerung des Druckabfalls pro Kanalabschnitt führt. Dieses
Merkmal tendiert zu einem Ausgleich der Strömungsraten unter den Reaktionsgemischströmen im Spritzkopf.
Dementsprechend sollten die Durchmesser der Auslasskanäle 126 und
des linearen Einlassabschnitts 122 so gewählt sein,
dass die Reaktionsgemischströme
durch den Fluss einander angeglichen werden. Außerdem sollten die Strömungsraten
so gewählt
sein, dass die Reaktionsgemischströme nicht gelieren, was zu einem
Verstopfen der Auslasskanäle 126 führen würde.
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Es
ist auch wichtig, die Ströme
zu teilen und sie in kürzest
möglicher
Zeit abzugeben, sofern der zwischen den Reaktionsgemischströmen gewünschte Abstand
gegeben ist. Dieses hilft weiter sicherzustellen, dass der Aufbau
an gehärtetem
Material, der eventuell das Reinigen des Gerätes erfordert, minimal gehalten
wird.
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Gemäß nun 3 ist
der Spritzkopf 100 mit einem Dosiermischkopf 30 verbunden,
in dem die Komponenten des Polyurethan-Reaktionsgemischs gemischt
werden. Das Reaktionsgemisch wird dann als ein Strom unter Druck
zum Einlass 121 des Spritzkopfs für die Verteilung durch das
Kanalnetzwerk 120 des Spritzkopfs auf die Applikatorfläche 112 gesandt.
Von der Applikatorfläche 112 wird
das Reaktionsgemisch als ein Fluid auf die Oberfläche 11 des
rotierenden zylindrischen Substrats 10 aufgebracht und
härtet
anschließend
aus, um einen festen Überzug 20 zu
bilden. Der Spritzkopf und der Mischkopf sind an einer Halterung 35 befestigt,
die an dem Element 36 angebracht ist. Der Spritzkopf 100 ist
derart positioniert, dass die Applikatorfläche 112 unter einem
Winkel α gegen
die Oberfläche 11 des
Substrats 10 gerichtet ist, wobei α vorzugsweise zwischen etwa
5° und etwa
40° liegt,
am besten zwischen etwa 8° und
etwa 25°.
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Das
Substrat 10 und/oder die Halterung 35 sind relativ
zueinander beweglich, um eine lineare Verschiebung des Spritzkopfs
gegenüber
dem Substrat 10 in einer Richtung parallel zur Drehachse
Z des Substrats 10 auszuführen. In einer Ausführungsform
ist das Substrat auf Rollen gehalten, um in einer durch den Pfeil
X angegebenen Richtung beweglich zu sein. In einer anderen Ausführungsform
kann das Element 36 eine Schiene sein, wobei die Halterung 35 längs des
Elements 36 in der Richtung linear verschiebbar ist, die
durch den Pfeil Y parallel zu Achse Z des Substrats angegeben ist.
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Die
relative Linearbewegung zwischen dem Spritzkopf und dem Substrat
wird hervorgebracht, indem der Spritzkopf und/oder das Substrat
in einer linearen Richtung parallel zur Achse Z des Substrats bewegt
wird. Daher erzeugt jede Umdrehung des Substrats eine wendelförmige Spur
des Beschichtungsmaterials, die gegenüber der vorangehenden Spur
leicht versetzt ist, jedoch mit ihr in überlappendem Kontakt ist. Auf
diese Weise kann die Beschichtung längs der Oberfläche des
Substrats fortschreiten, so wie die relative translatorische Bewegung
des Kopfes fortschreitet. Das Polyurethan-Reaktionsgemisch ist so
ausgesucht und gemischt, dass es eine Reaktionsgeschwindigkeit hat,
die niedrig genug ist, dass die aufeinanderfolgenden Spuren aufgebrachten
Beschichtungsmaterials nahtlos zusammenschmelzen, jedoch schnell
genug, dass die Beschichtung anschließend bald aushärtet. Die
Zusammensetzung des Polyurethan-Reaktionsgemischs und die Mischbedingungen
sind typischerweise so eingestellt, dass eine Topfzeit (d.h. die
Zeit, während der
das reagierende Gemisch nach dem Mischen flüssig bleibt) zwischen etwa
0,1 s und etwa 5 min und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 s und etwa
60 s liegt.
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Obgleich 3 die
Aufbringung einer Beschichtung auf eine Außenfläche eines zylindrischen Substrats
zeigt, kann das Substrat auch auf einer Innenfläche beschichtet werden. Wenn
beispielsweise das Substrat ein Rohr ist, das eine axiale Bohrung aufweist,
dann können
das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung dazu verwendet
werden, die Innenfläche
des Rohrs, die die Bohrung begrenzt, zu beschichten.
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Gemäß 4 enthält ein Steuersystem
für das
vorliegende Verfahren ein Steuergerät C, das die Reaktionsgemischströmungsrate
M, die Drehgeschwindigkeit R des Substrats und die relative translatorische
Geschwindigkeit des Spritzkopfes steuert. Diese Bewegungsparameter
M, R und T sollten während
des Betriebs des Beschichtungsvorgangs synchronisiert sein, um ein
optimales Verschmelzen der aufeinanderfolgenden Spuren des Reaktionsgemischs
zu erzielen, um einen nahtlosen, festen, durchgehenden Überzug zu
erhalten. Beispielsweise liegt die Reaktionsgemischströmungsrate
M typischerweise zwischen etwa 0,5 und etwa 20 Pfund/min und vorzugsweise
zwischen etwa 1 und 10 Pfund/min; die Drehzahl R des Substrats liegt
typischerweise zwischen etwa 2 und etwa 60 U/min und vorzugsweise
zwischen etwa 3 und etwa 30 U/min; und die relative translatorische
Geschwindigkeit des Spritzkopfes liegt typischerweise zwischen etwa
1 Zoll/min und etwa 60 Zoll/min und vorzugsweise zwischen etwa 3
und 35 Zoll/min. Diese Bereiche sind nur beispielhaft angegeben,
und Parameter außerhalb
dieser Bereiche können
angewendet werden, wenn immer es geeignet ist. Einrichtungen zum
Drehen des Substrats, zum linearen Bewegen des Spritzkopfes und/oder
des Substrats und um das Reaktionsgemisch unter Druck zu setzen,
um sein Strömen
durch den Spritzkopf zu verursachen, sind in der Technik bekannt.
Das Steuergerät
C kann eine Mikroprozessor-gesteuerte Einheit sein, die in der Technik bekannt
ist und beispielsweise von Quellen wir State Industries (Winnepeg,
Kanada), Max Machineries (Healdsburg, CA) und Edge Sweets Co. (Grand
Rapids, MI) erhältlich
sind.
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Die
vorliegende Erfindung hat eine Anzahl Vorteile gegenüber dem
Folienspritzkopfsystem des Standes der Technik. Zunächst, da
diskrete, individuelle Ströme
aufgebracht werden, kann jeder veranlasst werden, die gleiche Strömungsrate
zu liefern, und kein Strom hat mehr oder weniger die "Randeffekte", die man von Folienspritzköpfen kennt.
Zweitens, da die geteilten Ströme
keine so hohen Verhältnisse
von Länge
zu Breite haben, ist die Möglichkeit einer
Kanalbildung stark reduziert. Wenn Material im Spritzkopf dick zu
werden beginnt, hat das System die Tendenz, es hindurchzudrücken, anstatt
einen Kanal außen
herum zu bilden. Dies wiederum ist Ursache für einen weiteren wichtigen
Vorteil – die
Fähigkeit, über eine
längere
Betriebsperiode ohne Unterbrechung zu laufen.
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Eine
Sorge bei dem neuen System bestand darin, dass die einzelnen Ströme zur Folge
haben könnten,
dass mehr Luft eingeschlossen bleibt, als bei dem Folienspritzkopfsystem.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die kleine Pfütze, die am Kontaktpunkt eines
jeden Stroms erzeugt wurde, gerade den entgegengesetzten Effekt
hatte: es wurde einfacher, blasenfrei zu arbeiten. Dies schien vor
allem daher zu rühren,
dass die kleinen Pfützen
Luft daran hindern, zu weit in den Spaltbereich zwischen dem Substrat und
dem aufgebrachten Material eingeschlossen zu werden.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die einzelnen Ströme nicht
durch den Fluss der anderen beeinflusst werden, so dass die Bildung
eines welligen Flusses, der beim Folienspritzkopf auftritt, fehlt. Es
besteht auch eine viel geringere Notwendigkeit, den Spritzkopf sehr
nah an dem sich formenden Überzug
zu halten oder ihn so im Winkel anzustellen, dass er zum Aufbringwinkel
des Überzugsmaterials passt.
Dieses ermöglicht
eine sehr viel größere Flexibilität im Betrieb.
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Indem
die unterteilten Ströme
im Durchmesser größer gemacht
werden, als die Breite des Folienspritzkopfs beträgt (dieses
ist der normale Fall, um die gleiche Strömungsrate zu erzielen), ist
das neue System auch besser für
die Verwendung von Füllmaterialien
und Fasern geeignet. Solche Zuschläge zum System verursachen weniger
leicht ein Verstopfen oder Kanalisieren, und können somit in höheren Anteilen
oder mit größeren Längen und
Durchmessern eingesetzt werden.
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Das
neue System hat auch eine sehr viel größere Gestaltungsflexibilität, um den
Notwendigkeiten der Beschichtungsaufbringung zu genügen. Beispielsweise
kann die Dicke des aufgebrachten Materials an unterschiedlichen
Punkten im Spritzkopf unterschiedlich eingestellt werden, indem
lediglich der Abstand der individuellen Ströme verändert wird. Somit können dickere
Beschichtungen am Anfang und dünnere
Beschichtungen am Ende aufgebracht werden, oder die Dicke der Beschichtung
kann gesteigert werden, wenn die Walzendicke zunimmt, wodurch der
Vorteil des größeren Durchmessers
und der schnelleren Reaktivität
gegenüber
dem heißeren Substrat
ausgenutzt wird. Bei einem Folienspritzkopf ist dieses nicht möglich, weil
ein Spritzkopf, der am einen Ende breiter als am anderen ist, sofort
ein Kanalisierungsproblem haben würde, das zur Folge hat, dass
sich im engeren Abschnitt Material in sehr kurzer Zeit verfestigt.
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Die
Anzahl der Ströme,
in die das Reaktionsgemisch unterteilt wird, kann in großem Umfang
variieren, die praktische Grenze liegt jedoch vermutlich zwischen
2 und 32, wobei etwa 3-16 bevorzugt ist. Eine größere Anzahl Ströme erfordert
eine kompliziertere spanabhebende Bearbeitung, um die Strömungsraten
in geeigneter Weise auszugleichen, und erfordert auch, dass die
Ströme
kleiner sind, was somit zu höheren
Drücken
führt.
Diese große
Anzahl Ströme
ermöglicht
aber auch eine Verteilung über den
breitesten Bereich und ermöglicht
ferner, dass dickste Beschichtungen in kürzest möglicher Zeit hergestellt werden.
Nur zwei Ströme
können
verwendet werden, wenn die gewünschte
Dicke nicht zu groß ist
und wenn ein minimaler Druckabfall im Kopf verlangt wird.
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Ein
Beispiel eines Spritzkopfs dieser Erfindung kann aus 1 entnommen
werden, wie oben beschrieben. Der Strom wird in acht einzelne Ströme unterteilt,
die eine Aufbringbreite von etwa 75 mm überspannen. Die Durchmesser
der einzelnen Ströme
sind nahe der Abgabe derselben am kleinsten. Diese kleinen Abgabebereiche
nehmen den größten Druckabfall
in Kauf und sind daher beim Ausgleich der Strömungsraten unter den Strömen ziemlich wirksam.
Sie werden auch dazu verwendet, die Ströme einander parallel zu richten,
so dass das Material in geeignetem Abstand auf dem Substrat abgeschieden
wird, ohne Rücksicht
des Höhenabstandes
des Spritzkopfs vom Substrat.
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Wie
der Fachmann sehr leicht erkennen kann, könnten weitere Verbesserungen
an diesem Spritzkopf vorgenommen werden, indem man die Kanäle krümmt und
spanabhebend zu glatten Übergängen an
allen Verzweigungen bearbeitet. Dieses würde auch die Wahrscheinlichkeit
verringern, dass sich Strömungsschatten
in Ecken bilden, die zu einem Aufbau von ausgehärtetem Material führen können. Eine
spanabhebende Bearbeitung dieses Spritzkopfs in der gezeigten Weise
war jedoch einfacher, und weitere Verbesserungen in diesem Sinne
haben sich derzeit als nicht notwendig erwiesen.
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Die
nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispiele
sind für
die vorliegende Erfindung illustrativ:
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BEISPIEL
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Handelsübliche "Ribbon Flow"-Materialien wurden
in die Tanks "A" und "B" einer Spritztechnik-Dosiermischmaschine
eingegeben, die für
das Drehgießen
eingerichtet war. Adiprene RFA 1004 (ein MDI-Polyester-Polyurethan-Vorpolymer, das
von Crompton Corporation erhältlich
ist) wurde in den Tank "A" hinzugefügt und unter
Stickstoff auf 52°C
erwärmt,
und Adiprene RFB 4170 (ein Ester/Amin-basiertes Härtemittel,
das von Crompton Corporation erhältlich
ist und das sich ergebende Polyurethan-Reaktionsgemisch mit einer
Shore-A-Härte
von 70 versieht) wurde in den Tank "B" hinzugefügt und auf
30°C unter
Stickstoff erwärmt.
Beide Materialien wurden dann entgast, indem der Tank unter Unterdruck
gesetzt wurde, gefolgt von der Hinzufügung von Stickstoff bis zu
einem Druck von 20 psig. Ein Walzenkern mit einem Durchmesser von
etwa 20 cm wurde eingesetzt. Die Gesamtströmungsrate von A + B lag bei
etwa 2,0 kg/min. Der Mischer wurde auf 6.000 U/min gebracht, und
die Quergeschwindigkeit des Kopfes wurde auf 3 mm/s eingestellt.
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Der
in 1 gezeigte Spritzkopf wurde zunächst unter
den oben beschriebenen Bedingungen geprüft. Die Ströme flossen sämtlich parallel
und schienen alle von der gleichen Strömungsrate zu sein. Unter diesen
Bedingungen wurde ein hochqualitativer, blasenfreier Walzenüberzug mit
einer Dicke von etwa 2,3 cm hergestellt. Der Leitungsdruck während der
Walzenüberzugsherstellung
war 42 bar.
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Für Vergleichszwecke
wurde das Experiment mit einem Folienspritzkopf wiederholt (d.h.
mit dem im
US-Patent 5 601 881 gezeigten
Folienspritzkopf), bei dem die Abmessungen der Folienöffnung 2 mm × 75 mm
waren (wie üblicherweise
verwendet). Während
dieses relativ kurzen Laufs strömte
die Folie relativ gleichmäßig, und
der Abstand zur Walze wurde bei etwa 1 bis 5 mm gehalten, um einen
welligen Fluss zu vermeiden. Das Ergebnis war eine Walze gleichmäßiger Dicke,
jedoch konnten während des
Laufes durch Einstellungen der Höhe
oder andere Einstellungen einige Blasen nicht vollständig vermieden
werden. Der Folienspritzkopf war eindeutig schwieriger zu betreiben.
Auch lag der Druck höher, nämlich bei
52 bar.
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Nachdem
diese Versuche abgeschlossen waren, wurden die Spritzköpfe geöffnet und
untersucht. Der Mehrstrom-Spritzkopf der vorliegenden Erfindung
zeigte eine geringere Ansammlung von Material, das an den beiden
Enden des Folienspritzkopfs der Fall war, der außerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung liegt.
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Ein
weiterer Vorteil, der festgestellt wurde, bestand darin, dass der
Mehrstrom-Spritzkopf bei geringerem Druck lief – etwa 42 bar im Vergleich
zu 52 bar Leitungsdruck beim Betrieb des Folienspritzkopfs. Während des
Betriebsverlaufs wurde keine Druckzunahme festgestellt. Deshalb
und wegen des Nicht-Auftretens von Materialansammlungen wird erwartet,
dass dieser Spritzkopf unter diesen Bedingungen über lange Zeitperioden arbeiten
kann.
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Während die
obige Beschreibung viele genaue Angaben enthält, sollten diese Angaben doch nicht
als Einschränkungen
des Umfangs der Erfindung verstanden werden, sondern nur als Veranschaulichungen
bevorzugter Ausführungsformen derselben.
Der Fachmann kann viele andere mögliche
Variationen in Betracht ziehen, die durch die beigefügten Ansprüche bestimmt
werden.