EP0925911B2 - Vorrichtung zum Satinieren einer Folie, Anwendung dieser Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Satinieren einer Folie gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung gemäss Oberbegriff von Anspruch 7. Eine derartige Vorrichtung ist in der US-A-5 598 774 beschrieben, wobei die bewegliche Aufhängung einer der Walzenachsen eine Synchronisation beider Walzen erlaubt. Über die Anordnung und Ausgestaltung der Zähne wird in diesem Dokument nichts offenbart.
• Aus der US-A-5 007 271 ist eine Vorrichtung zum Satinieren einer Folie bekannt, in welcher die pyramidenförmigen Zähne einen quadratischen Grundriss aufweisen, wobei die Seiten parallel, bzw. senkrecht zu den Walzenachsen ausgerichtet sind und in Umfangrichtung die Zähne der einen Walze um eine halbe Zahnbreite gegenüber den Zähnen der anderen Walze versetzt sind. Dieser bekannten Satiniervorrichtung lag das Problem zugrunde, trotz der verhältnismässig feinen Verzahnung der Satinierwalzen sowohl eine hohe Qualität der Satinierung als auch insbesondere eine gegenseitige Synchronisierung der Satinierwalzen in dem Sinne zu erzielen, dass nur eine der Walzen angetrieben wird und die andere Walze mitnimmt. Es hatte sich gezeigt, dass die geforderten Bedingungen nicht ohne weiteres zu erfüllen sind, wenn beide Walzen gleichartig mit gehärteten Zähnen versehen wurden, um auch ansprechende Standzeiten der Walzen zu erzielen.
• Um das Erfordernis der gegenseitigen Synchronisierung der Satinierwalzen zu erfüllen, wurden die Walzen so ausgerichtet, dass die in Umfangsrichtung verlaufenden Zahnreihen der beiden Walzen in der gleichen Ebene liegen, womit die Zähne im Eingriffsbereich der Walzen je Flanke an Flanke gegeneinander liegen, womit sozusagen eine zwangsläufige Mitnahme der frei drehenden Walze durch die angetriebene Walze erzielt wird.
• Die erwähnte Anordnung bzw. gegenseitige Ausrichtung der Satinierwalzen hat sich bewährt, so lange die zu satinierenden Folien, insbesondere Verpakkungsfolien, vorwiegend aus Aluminium bestanden. Neuerdings sind jedoch in zunehmendem Masse Folien im Einsatz oder gar vorgeschrieben, die vorwiegend aus Papier bestehen. Diese Folien sind wesentlich steifer als Aluminiumfolien, und es hat sich gezeigt, dass die bekannten Satinierwalzen den Anforderungen nicht mehr genügen, denn derhöhere Papieranteilführtdazu, dass die Neigung der Folie, sich nach dem Satinieren zu verformen, z.B. sich einzurollen, stark zunimmt.
• Aus der GB-A-2 311 949 ist bekannt, flexibles Verpackungsmaterial zu satinieren, wobei die Walzen derart angeordnet sind, dass ein Zahn einer Walze jeweils zwischen vier Zähnen der anderen Walzer zu liegen kommt, wobei jedoch die Zähne schräg zur Walzenachse angeordnet sind und somit durch diese Schrägverzahnung eine Verriegelung der Walzen notwendig ist.
• Eine Anordnung gattungsgemäßer Art ergibt sich aus einer bereits vor dem Prioritätstag erfolgten offenkundigen Vorbenutzung der Anmelderin. Dabei sind die pyramidenförmigen Zähne am oberen Ende abgesehen von der Kantenbrechung spitz ausgebildet. Zum Satinieren von Verpackungsfolien müssen die Walzen aneinander angepresst werden, was zu einer Abnutzung der Zähne führt.
• Die US-A 5 036 758 zeigt eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines aus Polypropylenfäden stehenden Spinnvlieses mit einer Walze, die mit Prägevorsprüngen versehen ist. Diese sind schräg zur Walzenachse angeordnet und besitzen eine von einem Pyramidenstumpf ausgehende Form, wobei die Ecken der Kopfflächen dreieckförmig abgenommen sind.
• Die DE-OS 2 040 042 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung von beidseitig geprägten Produkten vorzugsweise aus Papier, wie Servietten etc.. Die hierzu miteinander zusammenwirkenden Prägewalzen besitzen radiale Vorsprünge. Diese sind schräg zur Walzenachse angeordnet und besitzen plane Topflächen mit abgerundeten Übergängen zu den Seitenflanken, die ihrerseits eine konvexe Abwicklerkonfiguration aufweisen.
• Von diesem bekannten Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, die den neuen Anforderungen genügt, d. h. die es gestattet, jede Art von Folien optimal zu satinieren, wobei sich die Folie nach dem Satinieren so wenig verformen soll, dass eine reibungslose Weiterverarbeitung möglich ist. Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch 1. gelöst.
• Die abhängigen Ansprüche umschreiben besondere Merkmale eines Ausführungsbeispiels.
• Die Lösung gemäss Anspruch 1 ist eine Kombination von teilweise an sich bekannten Massnahmen, die zusammen eine sehr präzise Bearbeitung ohne wesentliche Verformung an sich sehr problematischer Folien gestattet und nicht nur eine stabile gegenseitige Mitnahme und Synchronisierung der Walzendrehung, sondern auch eine optimale Satinierung unabhängig von dem zu satinierenden Material gewährleistet.
• Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Figur 1

ist eine schematische Darstellung der Abwicklung der Verzahnung einer Satinierwalze,

Figuren 2 und 3

zeigen eine Eingriffsstellung der Verzahnungen der Satinierwalzen bei Inbetriebnahme der Vorrichtung,

Figuren 4 und 5

zeigen die stabile Eingriffsstellung der Verzahnungen der Satinierwalzen,

Figur 6

veranschaulicht den Einfluss einer durchgeführten Folie auf die Selbststabilisierung der gegenseitigen Walzenstellung,

Figur 7

zeigt schematisch die erfindungsgemässe stabilisierte gegenseitige Stellung der Walzenverzahnungen, und

Figur 8

ist eine entsprechende Darstellung für eine stabile gegenseitige Walzenstellung.

• Zum grundsätzlichen Aufbau der Satiniervorrichtung wird auf die oben erwähnte US-Patentschrift Nr. 5,007,271 verwiesen. Ein Folienband wird zwischen zwei gezahnten Satinierwalzen durchgeführt, von welchen die eine fest gelagert ist und angetrieben wird, während die andere frei drehbar auf einer Achse gelagert ist und durch Federkraft, pneumatisch oder sonstwie nachgiebig mit einstellbarem Druck gegen die angetriebene Walze angedrückt werden kann.
• Beide Satinierwalzen weisen eine gleichartige Oberflächenverzahnung auf, die in Figur 1 in Abwicklung schematisch dargestellt ist. Es handelt sich um pyramidenförmige Zähne, die in Umfangsrichtung bzw. durch den Pfeil angegebenen Drehrichtung und in Achsrichtung rechtwinklig dazu in Reihen angeordnet sind. Wie erwähnt ist Figur 1 eine schematische Darstellung, d. h. die pyramidenförmigen Zähne sind so dargestellt, als ob sie die genaue geometrische Form einer Pyramide mit scharfer Spitze hätten. So waren die Zähne auch bei der erwähnten bekannten Ausführung ausgebildet.
• Neu ist nun, dass gemäss Figuren 2 bis 5 die Zahnspitzen abgeflacht sind, d. h. die Zähne sind gekürzt um einen Betrag ΔA (Figur 3), wobei in der Praxis diese Kürzung 5% bis 25 % der theoretischen geometrischen Zahnhöhe beträgt. Ausserdem sind die Kanten der pyramidenstumpfförmigen Zähne gebrochen, was beispielsweise dadurch geschehen kann, dass nach erfolgter spanabhebender Bearbeitung der Verzahnung eine Nachbearbeitung durch allgemeinen Materialabtrag, beispielsweise durch Aetzen oder galvanischen Abtrag, derart erfolgt, dass vorwiegend an den Zahnkanten ein Abtrag erfolgt.
• Ein weiterer Unterschied zur bekannten Ausführung, wo die gegenseitige axiale Stellung der Satinierwalzen vorbestimmt war, besteht darin, dass die Walzen mit einem relativen axialen Spiel von mindestens einer halben Zahnteilung, vorzugsweise das 0,75fache der Zahnteilung, gegenseitig verschiebbar sind, damit sie sich gegenseitig in eine stabile Position verschieben können, wie noch erläutert wird.
• Wenn die Satinierwalzen bei Inbetriebnahme mit zwischengelegtem Folienband erstmals gegeneinandergeführt und -gepresst und angetrieben werden, besteht eine grosse Wahrscheinlichkeit dafür, dass die gegenseitige Zahnstellung der Walzen in deren Eingriffsbereich gemäss Figuren 2 und 3 eintritt. Figur 2 zeigt die gegenseitige Zahnstellung in Umfangsrichtung gesehen, Figur 3 zeigt die gegenseitige Zahnstellung in Axialrichtung gesehen. Dabei liegen die Zähne gemäss Figur 3 mit ihren Flanken aufeinander, womit sich eine gegenseitige Eingriffshöhe E_H1 ergibt.
• Da die Satinierwalzen in Drehung versetzt sind, besteht eine Tendenz einer gegenseitigen axialen Verschiebung, und wenn dabei die gegenseitige Abstützung der Zähne der beiden Walzen auf Zahnflanken wegfällt, dringen die Walzen bzw. deren Verzahnungen tiefer ineinander ein, was eine geringere Eingriffshöhe E_H2 ergibt. Diese gegenseitige Zahnstellung ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt, wobei wiederum die Figur 4 die gegenseitige Zahnstellung in Umfangsrichtung und Figur 5 die gegenseitige Zahnstellung in Axialrichtung zeigt. Es ist ersichtlich, dass nun die Zähne gegenseitig so ineinandergreifen, dass jeder Zahn symmetrisch zwischen vier Zähnen der anderen Walze liegt, die Zähne sich also längs Zahnkanten berühren, und weil die Zahnkanten gebrochen und die Zahnspitzen abgeflacht sind, ergibt sich ein Absetzen oder Einrasten der Verzahnungen in eine tiefere, stabile Eingriffsstellung, aus welcher sie erfahrungsgemäss nicht mehr austreten. Die Verzahnungen sind also dynamisch selbststabilisierend in einer ganz bestimmten Lage. Durch die zwischen den Satinierwalzen durchgeführte Folie wird dieser Selbststabilisierungseffekt unterstützt, wie in Figur 6 dargestellt ist.
• Beim Ineinandergreifen der beiden Prägewalzen in beliebiger Position wird das zu prägende Medium um die Strukturkanten K1, K2 gepresst. Dies erzeugt eine Papierspannung, welche die Kräfte F1 und F2 an der freilaufenden Prägewalze erzeugt. Damit wird die Verschiebung dieser Prägewalze aus der astabilen Stellung gemäss Figur 6 in die stabile Stellung mit maximaler Eindringtiefe gemäss Figuren 4 und 5 begünstigt. Wie erwähnt, ist eine erhebliche Kraft erforderlich, um die Walzen aus ihrer gegenseitigen stabilisierten Stellung maximalen Eingriffs in Axialrichtung oder Umfangrichtung gegenseitig zu verschieben. Es ist damit eine sichere, stabile Mitnahme der frei laufenden Walze bei gleichbleibender gegenseitiger Zahnstellung im jeweiligen Eingriffsbereich gewährleistet. Zugleich ist damit eine optimale Satinierung, insbesondere auch von Papierfolien gewährleistet. Bei der anfänglichen Eingriffsstellung könnten die Zähne auch in Axialrichtung gegenseitig an den Flanken aufliegen, in welchem Fall eine Relativbewegung in Umfangsrichtung zum Einrasten in die stabile Eingriffsstellung erfolgen würde.
• Die Figuren 7 und 3 zeigen schematisch einen Vergleich des Prägevorgangs bei erfindungsgemässer Stellung (Figur 7) bzw herkömmlicher Zahnstellung (Figur 8). In den beiden Figuren sind die Zahnspitzen der einen Walze mit Dreiecken, die Zahnspitzen der anderen Walze mit Kreisen angedeutet. Die gestrichelten Linien sind die relevanten Brechungslinien, und es zeigt sich, dass die Prägungslänge bei erfindungsgemässer Zahnstellung wesentlich länger ist als bei herkömmlicher Zahnstellung, und die Foliennerven werden nicht nurspannungsneutral, sondern auch.zusätzlich.in symmetrischer diagonaler Richtung gebrochen.
• Für eine zuverlässige Arbeitsweise sind allerdings auch gewisse Minimalbedingungen zu erfüllen. So kann die Elastizität des metallisierten Papiers bei erfindungsgemässer Prägung gemäss Figur 7 auch einen gewissen Teilungsfehler ΔT der beiden Prägewalzen dynamisch durch seine Elastizität ausgleichen. Dies kann so ausgedrückt werden, dass wenn die Teilungsdifferenz ΔT grösser wird als ein bestimmter Selbstzentrierungsfaktor S_ZF, ein erfindungsgemässes Prägen nicht mehr möglich ist. Das Prägebild verändert sich jedenfalls nachteilig, denn die Selbstzentrierung bzw. -synchronisierung ist nicht gewährleistet. In den nachstehend angeführten Beziehungen bedeuten:

T1 =

radiale Zahnteilung der ersten Walze

T2 =

radiale Zahnteilung der zweiten Walze

ΔT =

Teilungsdifferenz

T_HT =

theoretische radiale Zahnteilung (Sollteilung)

S_ZF =

Selbstzentrierungsfaktor

E_F =

empirisch ermittelter Faktor = 98, 75

$${\mathrm{S}}_{\mathrm{Z}\mathrm{F}}=\frac{{\mathrm{T}}_{\mathrm{H}\mathrm{T}}}{{\mathrm{E}}_{\mathrm{F}}}\mathrm{\hspace{1em}\hspace{0.17em}}\mathrm{\Delta }\mathrm{T}=\mathrm{T}1-\mathrm{T}2\mathrm{\hspace{0.17em}\hspace{1em}}{\mathrm{S}}_{\mathrm{Z}\mathrm{F}}\ge \left|\mathrm{\Delta }\mathrm{T}\right|$$

• An einem Zahlenbeispiel erläutert bedeutet dies: $$\mathrm{T}1=0,402$$

  

  $$\mathrm{T}2=0,399$$

  

  $${\mathrm{T}}_{\mathrm{H}\mathrm{T}}=0,400$$

  

  $$\mathrm{\Delta }\mathrm{T}=0,402-0,399=0,003$$

  

  $${\mathrm{S}}_{\mathrm{Z}\mathrm{F}}=\frac{0,400}{98,75}=0,00405$$

  

  $$0,00405\ge 0,003$$

  

  
  was bedeutet, dass Selbstzentrierung gewährleistet ist. Die obenstehenden Masse sind alle in mm angegeben.
• Die oben beschriebene, bevorzugte Ausführung zeichnet sich aus durch Einfachheit, Betriebssicherheit, hohe Standzeiten der Walzen, gute Satinierung unabhängig vom Folienmaterial und einfache Bedienung. In dieser Ausführung ist die beschriebene Zahnform, welche das dynamische Einrasten der Walzenzahnungen in die stabile, bevorzugte gegenseitige Zahnstellung bewirkt, vorteilhaft. Es sind jedoch auch Ausführungsvarianten möglich.
• Die Walzen können mit unterschiedlich oder gleich hohen Zähnen ausgebildet werden, d. h., die Zahnteilung muss natürlich in den oben angegebenen Grenzen übereinstimmen, aber die Abflachung kann variieren. Vorzugsweise wird bei einer unterschiedlichen Zahnhöhe die nicht angetriebene, freilaufende Walze mit niedrigeren Zähnen versehen, Sie wird dabei etwas schneller abgenützt, kann aber leichter ausgewechselt werden als die angetriebene Walze.
• Die Walzen können auch mit Mitteln zur Vor- oder Groborientierung versehen sein, z. B. mit einer Grobverzahnung am Walzenrand bzw. seitlich der Walzen, die beim Zusammenführen der Walzen bei Betriebsaufnahme ineinandergreifen und die Walzen grob vororientieren und damit das korrekte ineinandergreifen und anschliessende endgültige Ueberführen der Walzen in die stabile Stellung unterstützen. Dabei müssen die Orientierungsmittel genügend Spiel aufweisen, um die freie gegenseitige Bewegung der Walzen in die stabile Stellung zu gestatten.
• Es ist auch möglich, die gegenseitige Walzenstellung nach Erreichen der stabilen Eingriffsstellung zu verriegeln und damit jede Gefahr eines Umspringen der Walzen von einer stabilen Stellung in eine andere zu beseitigen. So könnte die axiale Stellung der frei mitdrehenden Walze nach dem Erreichen der stabilen Stellung durch Festklemmen der vorher axial beweglichen Walzenachse festgesetzt, und ein spielfreies Getriebe zwischen den beiden Walzen eingekuppelt werden, das vorher entkuppelt war. Entsprechend wäre es schliesslich denkbar, dass die Walzen von vornherein durch spielfreie Getriebe bzw. Anordnung so ausgerichtet sind, dass ein gegenseitiger Eingriff im Sinne der Erfindung vorbestimmt ist.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Satinieren einer Verpackungsfolie, mit einem Paar Satinierwalzen mit gleichartiger Zahnung, welche mit einem Antrieb verbunden und einzeln oder gemeinsam antreibbar sind, wobei die Walzen nachgiebig gegeneinander anpressbar sind und die pyramidenförmigen Zähne der Zahnung, deren Kanten gebrochen sind, mit einem rechteckigen Grundriss derart angeordnet sind, dass sie seitenparallel, bzw. rechtwinklig zur Längsachse der Walzen ausgerichtet sind, um einen selbststabilisierenden Betriebszustand zu erreichen, in welchem die Walzen gegenseitig beweglich und in gegenseitige Lagen mit bestimmter gegenseitiger Eingriffsstellung der Walzenzahnungen verschiebbar sind, so dass sich in stabiler gegenseitiger Lage jeder Zahn jeder Walze symmetrisch zwischen vier Zähnen der gegenüberliegenden Walze befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die gebrochene Kanten aufweisenden Zähne zusätzlich mit einer abgeflachten Spitze versehen sind, wobei die Abflachung 5 bis 25% der Zahnhöhe beträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eine Walze antreibbar und die andere frei drehbar und durch die eine durch Ineinandergreifen der Walzenzahnungen antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die frei drehbare Walze mit axialem Spiel angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen in den stabilen gegenseitigen Lagen mit maximaler Eingriffstiefe ineinandergreifen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen Zähne unterschiedlicher Höhe aufweisen, wobei vorzugsweise die frei drehbare Walze die niedrigeren Zähne aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur gegenseitigen Vororientierung der Walzen vorgesehen sind, die beim Zusammenführen der Walzen ineinandergreifen oder als Getriebe mit Spiel zwischen den beiden Walzen wirken.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Mittel zum Aufheben der gegenseitigen Beweglichkeit der Walzen bei erreichter bestimmter gegenseitiger Eingriffsstellung, z. B. zum Aufheben des axialen gegenseitigen Spiels oder zum Einkuppeln eines zwischen den Walzen angeordneten Getriebes.
7. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Walzen im stationären Dauerbetrieb in einer gegenseitigen Stellung betrieben werden, in der im Eingriffsbereich der Walzen sich jeder Zahn jeder Walze mindestens annähernd symmetrisch zwischen vier Zähnen der anderen Walze befindet und die Walzen mindestens während der Betriebsaufnahme in Drehung versetzt und gegeneinander geführt werden, um sie dabei in eine bestimmte, stabile gegenseitige Eingriffs stellung zu bringen, in der sie während des Dauer, betriebs verbleiben.
8. Verfahren nach Ansprüche 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen nach Erreichen der stabilen Eingrihssiellung in dieser gegenseitigen Stellung durch Aufheben des gegenseitigen Spiels in axialer und/oder Umfangsrichtung verriegelt werden.

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