EP1363034A1 - Elastische Glättwalze und Verfahren zur Herstellung einer solchen - Google Patents

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EP1363034A1
EP1363034A1 EP03009548A EP03009548A EP1363034A1 EP 1363034 A1 EP1363034 A1 EP 1363034A1 EP 03009548 A EP03009548 A EP 03009548A EP 03009548 A EP03009548 A EP 03009548A EP 1363034 A1 EP1363034 A1 EP 1363034A1
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EP
European Patent Office
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layer
plastic
outer layer
elastic
roller
Prior art date
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EP03009548A
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English (en)
French (fr)
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EP1363034B1 (de
Inventor
Jose Rodal
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Paper Patent GmbH
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
    • D21G1/00—Calenders; Smoothing apparatus
    • D21G1/02—Rolls; Their bearings
    • D21G1/0233—Soft rolls

Definitions

  • the present invention relates to an elastic smoothing roller, in particular for smoothing paper webs, with a hard roller core and one provided on the outside of the roll core, multilayered trained elastic matrix material comprising elastic matrix layer. Furthermore, the invention relates to a method for manufacturing directed such an elastic smoothing roller.
  • Elastic rollers of this type are used, for example, when satinizing paper webs.
  • An elastic roller forms a press nip together with a hard roller through which the paper web to be processed is passed. While the hard roller has a very smooth surface, for example made of steel or cast iron, and is responsible for smoothing the side of the paper web facing it, the elastic roller acting on the opposite side of the paper web causes the paper web to be evened out and compressed in press nip.
  • the size of the rollers is 3 to 12 meters in length and 450 to 1500 millimeters in diameter. They withstand line forces of up to 600 N / mm and compressive stresses of up to 130 N / mm 2 .
  • plastic coverings maximum temperature differences of about 20 ° C over the Width of the roller permitted and on the other hand have that for the coating
  • plastics used are much higher Thermal expansion coefficients than those commonly used Steel rollers or chill cast rollers, so that by an increase in temperature high axial tensions between the steel roller respectively Chilled cast roller and the plastic coating connected to it occur.
  • powdery fillers and / or fibers in the matrix material contribute.
  • the elastic reference layer of the fillers or Fibers dominate or influence. Due to the powdery or fibrous fillers is often the smoothness of the Surface of the elastic roller deteriorated. This is undesirable because the paper quality directly from the smoothness of the surface of the smoothing roller depends.
  • reference layers made of plastic material have a relative low abrasion resistance, so the life of the corresponding Smoothing rolls are often not sufficient. Because of the used There is also the risk that plastics for the reference layer in operation due to the existing friction between the plastic roller and the elastic smoothing roller is statically charged to the paper web to be smoothed which creates the risk of being charged attracted particles, such as dust particles or the like, on the surface of the smoothing roller and thus a reduction in the smoothing quality or in the worst case, even damage to the roller coating cause.
  • a smoothing roller is known from DE 199 25 419 A1, in which additionally to the outer plastic layer a covering this plastic layer metallic reference layer is provided.
  • the metallic Outer layer by winding up coated with liquid metal Fibers created on the elastic plastic layer. Because of the used Fibers as a carrier for the metal coating is the smoothness of this Roller depending on the fiber diameter used.
  • the part of the task relating to the smoothing roller is invented based on a smoothing roller of the type mentioned solved that the elastic reference layer has a radially inner, with Fibers reinforced base layer, the coefficient of thermal expansion and the elastic modulus of the base layer through the Fibers the coefficient of thermal expansion and the modulus of elasticity of the roll core are approximated that an elastic middle layer is provided whose modulus of elasticity is smaller than the modulus of elasticity the base layer that a radially outer layer is provided is made from a mixture of molten metal and molten metal Plastic is made, and that the coefficient of thermal expansion and the modulus of elasticity of the middle layer at least in its radially outer area to the coefficient of thermal expansion and the elastic modulus of the outer layer are approximated.
  • the inventive method is characterized in that the from a mixture of molten metal and molten metal Plastic existing outer layer by a spray, pour, brush or Painting process is applied to the middle layer.
  • the advantages of the different known methods combined, by firstly the outer layer made of a mixture of metal and plastic is produced and the other by a corresponding Design of the remaining shifts occurring in the company Longitudinal stresses between the individual layers of the reference layer can be reduced or, in the best case, completely avoided.
  • Farther are in addition to the pure combination of metal and plastic to form the outer layer both the metal and the plastic each melted together on the surface applied to the roll core, which achieves significant advantages become.
  • powdery Metal particles with a liquid plastic matrix material has a mixture of molten metal and molten plastic a much more homogeneous structure and thus increased strength. Furthermore, it is avoided that in particles arranged in the matrix material Crystallization points for hot spots arise, which lead to destruction of the roll cover layer could.
  • the physical properties of the reference layer are like For example, abrasion resistance and smoothness are optimally homogeneous across the entire reference layer available.
  • the smoothness of the reference layer can be extremely high, for example by grinding and subsequent Polishing can be set as there are no particles, whether in Powder form, in fiber form or in another form, in the matrix material are present that ultimately increase on the surface of the reference layer an undesirable roughness.
  • the roller produced according to the invention has one opposite a roller with a plastic layer, significantly improved thermal conductivity, so that the heat occurring during operation is dissipated very quickly and thus further reduces the risk of hot spots occurring can be.
  • the outer layer is essentially fiber-free.
  • the smoothness can go through Grinding and / or polishing the surface can be optimized.
  • Prefers the surface of the outer layer has an Ra value that is less than 0.05 ⁇ m, in particular less than 0.03 ⁇ m.
  • the outer layer uses an abrasion resistant metal.
  • abrasion resistant metal used, the longer the lifespan of a corresponding one trained roller, so the profitability of such Roller can be significantly improved.
  • a plastic High-performance plastic i.e. a plastic with a high melting point, in particular a polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyetherimide (PEI), Polysulfone (PSU, PES), polyether sulfone (PESU) or a polyphene sulfone (PPSU), a mixture of one or more high-performance plastics with other plastics or a mixture of high-performance plastics used.
  • PI polyimide
  • PAI polyamideimide
  • PEI polyetherimide
  • PSU Polysulfone
  • PES polyether sulfone
  • PPSU polyphene sulfone
  • a plastic for the outer layer or a plastic mixture with a melting point of more than approx. 300 ° C, in particular more than approx. 400 ° C, preferably approx. 500 ° C or more and / or with a modulus of elasticity of less than about 4 GPa, preferably of about 3.5 GPa or less is used.
  • the Middle layer much thicker than the outer layer and / or than that Base layer formed.
  • an appropriate thickness of the middle layer is a "soft" course of the essential physical properties such as coefficient of thermal expansion and modulus of elasticity the radial thickness of the reference layer is adjustable. This prevents that due to voltages or temperature differences occurring during operation individual layers are detached from one another.
  • the outer layer has a high thermal conductivity. This ensures that heat occurring during operation quickly and reliably from the respective overheating point can be derived.
  • the middle layer at least in some areas fibers. It is about preferably fibers with a relatively high thermal conductivity, the Number within the middle layer can be so radially variable that the Thermal conductivity of the middle layer increases radially outwards until it at the transition to the outer layer almost equal to the thermal conductivity the outer layer is. Furthermore, the elasticity module can be used with the fibers increasing radially outwards and / or the coefficient of thermal expansion can be adjusted to decrease radially outward to achieve an alignment with the outer layer. For example achieved by using carbon fibers in the middle layer become.
  • the fibers of the base layer are at least partially aramid and / or Glass fibers.
  • the fibers are preferred as rovings on the roll core wrapped and embedded in the elastic matrix material of the base layer.
  • the material and the amount of fibers are selected so that the temperature coefficient and the elastic model in the radial inside lying area of the base layer to the corresponding parameters of the Roll core are approximated.
  • the amount of the Fibers chosen so that a smooth transition of these parameters to the Middle class is given.
  • the matrix material can preferably be designed as a resin-hardener combination be and include, for example, epoxy resin.
  • the roller core can be made of metal or in particular fiber-reinforced plastic.
  • the use of a plastic roller as a roller core has the advantage that the weight and thus the Inertia of the smoothing roller compared to the use of a metal core can be significantly reduced. Especially those that occur during operation high rotational speeds is the reduction of the roller weight advantageous.
  • the use of in particular fiber-reinforced Plastic rollers especially for so-called wide nip calenders advantageous because a plastic roller core over a metallic Roll core has a certain flexibility, which is an evenness causes the paper web in the nip.
  • the outer layer is processed using a flame or plasma spraying process applied to the roll core.
  • a flame or plasma spraying process applied to the roll core.
  • Flame or plasma spraying can be very high quality Creates outer layers and a very firm connection of these outer layers be made with the middle class.
  • the metal and / or the plastic during the flame or Plasma spraying melted.
  • the metal and / or the Plastic as a starting material, for example in powder form are present and only in liquid during flame or plasma spraying Condition to be transferred. In principle, however, it is also possible that the metal and plastic before being applied to the roll core melted and mixed together.
  • the method according to the invention is also a very good one Possibility to repair the smoothing rollers. So the outer layer after corresponding damage to the surface, for example simply by spraying a mixture of molten material according to the invention Metal and molten plastic - optionally via the entire surface of the roller or only in the area of damage - in can be easily repaired. Removing the roller from the Calender, which would be associated with correspondingly long downtimes, is not necessary, so that also through the possibility of repair the economy of a corresponding calender significantly improved can be.
  • the figure shows a schematic cross section through an inventive trained smoothing roller.
  • the smoothing roller shown includes one for example made of metal or fiber-reinforced plastic, for example Polymer, existing roll core 1, which is rotatable about an axis of rotation 2 is stored.
  • metal or fiber-reinforced plastic for example Polymer
  • existing roll core 1 which is rotatable about an axis of rotation 2 is stored.
  • carbon, aramid, Glass fibers or other suitable fibers are used.
  • a relatively thin base layer 3 On the outside of the roll core 1 is a relatively thin base layer 3 provided, which is made of a fiber-reinforced elastic matrix material consists.
  • the material, the number and the orientation of the fibers are chosen so that the temperature expansion coefficient of the Base layer 3 at least approximately in its radially inner region is as large as the thermal expansion coefficient of the roll core 1.
  • the base layer 3 is followed by a middle layer 4, which is essential is thicker than the base layer 3.
  • This middle layer 4 can as a continuation of the base layer 3 also made of fiber reinforced Matrix material exist. Because of the thickness of the middle layer 4 essentially determines the elasticity of the entire reference layer the number of fibers within the middle layer 4 is opposite the base layer 3 is usually significantly reduced, so that the modulus of elasticity the middle layer 4 is lower than the elastic modulus Base layer 3.
  • the middle layer 4 is in turn in a radially inner region 5 and divided a radially outer region 6, which in the figure are separated from one another by a dashed line 7. While through the matrix material used and the fibers embedded in it radially inward area 5 the ultimate elasticity of the Whole roll is essentially determined, forms the radially outside lying area 6 a transition area to a surface 8 of the Roller-forming outer layer 9.
  • the area 6 of the middle layer 4 is formed significantly thinner than area 5 and contains fibers embedded in the matrix material, by approximating the modulus of elasticity and the coefficient of thermal expansion to the corresponding parameters of the outer layer 9 takes place.
  • the fibers can vary radially outwards, in particular, be increasingly distributed in order to be as continuous as possible To achieve approximation of the parameters mentioned.
  • the outer layer 9 is designed as a thin elastic layer, the according to the invention from a mixture of molten metal and molten plastic.
  • the outer layer 9 is therefore continuous homogeneous and has, for example, due to a performed grinding and / or polishing an extremely smooth Surface 8.
  • the mixture of molten metal and molten plastic can, for example, as indicated schematically, by a Flame spray device 10 applied to the surface of the middle layer 4 become.
  • the coating can be applied by rotating the roller core 1 and the flame spray device 10 slowly in the axial direction parallel to the axis of rotation 2 is moved.
  • Starting materials metal / plastic
  • Heat is converted into a liquid state and mixed together
  • the two starting materials already exist in a liquid state through pretreatment and by a simple spraying, pouring or painting process on the surface of the roller core are applied.

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  • Rolls And Other Rotary Bodies (AREA)
  • Paper (AREA)

Abstract

Es wird eine elastische Glättwalze, insbesondere für die Glättung von Papierbahnen, beschrieben. Die Glättwalze umfasst einen harten Walzenkern (1) und eine an der Außenseite des Walzenkerns (1) vorgesehene, mehrschichtig ausgebildete, elastisches Matrixmaterial umfassende elastische Bezugsschicht. Die elastische Bezugsschicht umfasst eine radial innen liegende, mit Fasern verstärkte Basisschicht (3), wobei der Temperaturausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul der Basisschicht (3) durch die Fasern dem Temperaturausdehnungskoeffizienten und dem Elastizitätsmodul des Walzenkerns (1) angenähert sind. Weiterhin ist eine elastische Mittelschicht (4) vorgesehen, deren Elastizitätsmodul kleiner ist als der Elastizitätsmodul der Basisschicht (3), sowie eine radial außen liegende Außenschicht (9), die aus einer Mischung von geschmolzenem Metall und geschmolzenem Kunststoff besteht. Der Temperaturausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul der Mittelschicht (4) sind zumindest in deren radial außen gelegenem Bereich an den Temperaturausdehnungskoeffizient und den Elastizitätsmodul der Außenschicht (9) angenähert. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elastische Glättwalze, insbesondere für die Glättung von Papierbahnen, mit einem harten Walzenkern und einer an der Außenseite des Walzenkerns vorgesehenen, mehrschichtig ausgebildeten, elastisches Matrixmaterial umfassenden elastischen Bezugsschicht. Weiterhin ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen elastischen Glättwalze gerichtet.
Elastische Walzen dieser Art werden beispielsweise bei der Satinage von Papierbahnen verwendet. Dabei bildet jeweils eine elastische Walze zusammen mit einer harten Walze einen Pressspalt, durch den die zu bearbeitende Papierbahn hindurchgeführt wird. Während die harte Walze eine beispielsweise aus Stahl oder Hartguss bestehende sehr glatte Oberfläche besitzt und für die Glättung der ihr zugewandten Seite der Papierbahn zuständig ist, bewirkt die auf die gegenüberliegende Seite der Papierbahn einwirkende elastischen Walze eine Vergleichmäßigung und Verdichtung der Papierbahn in Pressnip. Die Größenordnung der Walzen liegt bei Längen von 3 bis 12 Metern bzw. Durchmessern von 450 bis 1500 Millimetern. Sie halten Linienkräften von bis zu 600 N/mm und Druckspannungen bis 130 N/mm2 stand.
Da die Tendenz bei der Papierherstellung dahin geht, dass die Satinage im Online-Betrieb erfolgt, d. h. dass die die Papiermaschine oder Streichmaschine verlassende Papierbahn unmittelbar durch die Papierglättvorrichtung (Kalander) geführt wird, werden an die Walzen der Glättvorrichtung insbesondere bezüglich der Temperaturbeständigkeit höhere Anforderungen als bisher gestellt. Durch die im Online-Betrieb erforderlichen hohen Transportgeschwindigkeiten der Papierbahn und die damit verbundenen hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Kalanderwalzen wird deren Nipfrequenz, das ist die Frequenz, mit der der Bezug komprimiert und wieder entlastet wird, erhöht, was wiederum zu erhöhten Walzentemperaturen führt. Diese im Online-Betrieb entstehenden hohen Temperaturen führen zu Problemen, die bei bekannten elastischen Walzen bis zur Zerstörung des Kunststoffbelages führen können. Zum einen sind bei bekannten Kunststoffbelägen maximale Temperaturdifferenzen von ca. 20°C über die Breite der Walze zulässig und zum anderen besitzen die für die Beschichtung üblicherweise verwendeten Kunststoffe einen wesentlich höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten als die üblicherweise verwendeten Stahlwalzen beziehungsweise Hartgusswalzen, so dass durch eine Temperaturerhöhung hohe axiale Spannungen zwischen der Stahlwalze beziehungsweise Hartgusswalze und der mit ihr verbundenen Kunststoffbeschichtung auftreten.
Durch diese hohen Spannungen verbunden mit insbesondere punktuell auftretenden Erhitzungsstellen innerhalb oder an der Oberfläche der Kunststoffbeschichtung können so genannte Hot-Spots auftreten, an denen ein Ablösen oder sogar ein Aufplatzen der Kunststoffschicht erfolgt.
Diese Hot-Spots treten insbesondere dann auf, wenn zusätzlich zu den mechanischen Spannungen und der relativ hohen Temperatur Kristallisierungspunkte in Form von beispielsweise fehlerhaften Verklebungen, Ablagerungen oder überdurchschnittlichen Einbuchtungen des elastischen Belages, beispielsweise durch Falten oder Fremdkörper an der Papierbahn, vorhanden sind. In diesen Fällen kann die Temperatur an diesen Kristallisierungspunkten von üblichen 80° C bis 90° C bis auf über 150° C steigen, wodurch die erwähnte Zerstörung der Kunststoffschicht erfolgt.
Zur Steuerung der Eigenschaften der elastischen Bezugsschicht ist es bekannt, pulverförmige Füllstoffe und/oder Fasern in das Matrixmaterial einzubringen. Je nach Menge und physikalischer Eigenschaft dieser Füllstoffe beziehungsweise Fasern werden die physikalischen Eigenschaften der elastischen Bezugsschicht von den Füllstoffen beziehungsweise den Fasern dominiert beziehungsweise beeinflusst. Durch die pulverförmigen beziehungsweise faserigen Füllstoffe wird jedoch oftmals die Glätte der Oberfläche der elastischen Walze verschlechtert. Dies ist unerwünscht, da die Papierqualität unmittelbar von der Glätte der Oberfläche der Glättwalze abhängt.
Weiterhin haben Bezugsschichten aus Kunststoffmaterial eine relativ geringe Abriebfestigkeit, so dass die Lebensdauer der entsprechenden Glättwalzen oftmals nicht ausreichend ist. Aufgrund der verwendeten Kunststoffe für die Bezugsschicht besteht darüber hinaus die Gefahr, dass im Betrieb durch die vorhandene Reibung zwischen der Kunststoffwalze und der zu glättenden Papierbahn die elastische Glättwalze statisch aufgeladen wird, wodurch die Gefahr besteht, dass sich durch diese Aufladung angezogene Teilchen, wie Staubpartikel oder dergleichen, an der Oberfläche der Glättwalze absetzen und damit eine Verringerung der Glättqualität oder schlimmstenfalls sogar eine Beschädigung der Walzenbeschichtung bewirken.
Aus der DE 199 25 419 A1 ist eine Glättwalze bekannt, bei der zusätzlich zu der äußeren Kunststoffschicht eine diese Kunststoffschicht bedeckende metallische Bezugsschicht vorgesehen ist. Dabei wird die metallische Außenschicht durch Aufwickeln von mit flüssigem Metall beschichteten Fasern auf die elastische Kunststoffschicht erzeugt. Aufgrund der verwendeten Fasern als Träger für die Metallbeschichtung ist die Glätte dieser Walze von den verwendeten Faserdurchmessern abhängig.
Aus der DE 199 25 418 A1 ist es bekannt, bei einer Glättwalze die elastische Bezugsschicht nicht aus Kunststoff, sondern ausschließlich aus einem weichen Metall auszubilden. Derart ausgebildete Walzen besitzen eine sehr glatte Oberfläche und eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Allerdings sind diese Walzen aufgrund der reinen Metalloberfläche nicht für alle Papierarten geeignet, da die Elastizität dieser Walzen geringer als die Elastizität von Glättwalzen mit einer Kunststoffbeschichtung ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elastische Glättwalze der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Glättwalze anzugeben, bei der die Gefahr des Auftretens von Hot-Spots verringert wird, wobei die Oberfläche gleichzeitig eine sehr gute Abriebbeständigkeit und eine extrem hohe Glätte aufweist.
Der die Glättwalze betreffende Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß ausgehend von einer Glättwalze der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die elastische Bezugsschicht eine radial innen liegende, mit Fasern verstärkte Basisschicht umfasst, wobei der Temperaturausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul der Basisschicht durch die Fasern dem Temperaturausdehnungskoeffizienten und dem Elastizitätsmodul des Walzenkern angenähert sind, dass eine elastische Mittelschicht vorgesehen ist, deren Elastizitätsmodul kleiner ist als der Elastizitätsmodul der Basisschicht, dass eine radial außen liegende Außenschicht vorgesehen ist, die aus einer Mischung von geschmolzenem Metall und geschmolzenem Kunststoff besteht, und dass der Temperaturausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul der Mittelschicht zumindest in deren radial außen gelegenem Bereich an den Temperaturausdehnungskoeffizient und den Elastizitätsmodul der Außenschicht angenähert sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die aus einer Mischung von geschmolzenem Metall und geschmolzenem Kunststoff bestehende Außenschicht durch ein Spritz-, Gieß-, Streichoder Lackierverfahren auf die Mittelschicht aufgebracht wird.
Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Glättwalze werden somit die Vorteile der unterschiedlichen bekannten Verfahren miteinander kombiniert, indem zum einen die Außenschicht aus einer Mischung aus Metall und Kunststoff hergestellt wird und zum anderen durch eine entsprechende Ausgestaltung der restlichen Schichten im Betrieb auftretende Längsspannungen zwischen den einzelnen Schichten der Bezugsschicht verringert bzw. im optimalen Fall völlig vermieden werden. Weiterhin werden zusätzlich zu der reinen Kombination von Metall und Kunststoff zur Bildung der Außenschicht sowohl das Metall als auch der Kunststoff jeweils in geschmolzenem Zustand miteinander vermischt auf die Oberfläche des Walzenkerns aufgebracht, wodurch wesentliche Vorteile erreicht werden. Im Gegensatz zu einer Vermischung von beispielsweise pulverförmigen Metallteilchen mit einem flüssigen Matrixmaterial aus Kunststoff besitzt eine erfindungsgemäße Mischung aus geschmolzenem Metall und geschmolzenem Kunststoff einen wesentlich homogeneren Aufbau und damit eine erhöhte Festigkeit. Weiterhin wird vermieden, dass durch in dem Matrixmaterial angeordnete Teilchen Kristallisierungspunkte für Hot-Spots entstehen, die zu einer Zerstörung der Walzenbezugsschicht führen könnten.
Gleichzeitig sind die physikalischen Eigenschaften der Bezugsschicht, wie beispielsweise Abriebfestigkeit und Glätte optimal homogen über die gesamte Bezugsschicht vorhanden. Insbesondere die Glätte der Bezugsschicht kann extrem hoch, beispielsweise durch Abschleifen und anschließendes Polieren, eingestellt werden, da keinerlei Teilchen, sei es in Pulverform, in Faserform oder in einer sonstigen Form, in dem Matrixmaterial vorhanden sind, die an der Oberfläche der Bezugsschicht letztlich zu einer unerwünschten Rauhigkeit führen könnten.
Durch die Vermischung des geschmolzenen Kunststoffes mit geschmolzenem Metall wird weiterhin eine antistatische Wirkung erreicht, so dass im Betrieb elektrostatische Aufladungen der Walze verhindert werden. Dies führt dazu, dass keine Ablagerungen an der Oberfläche der Glättwalze durch elektrostatische Anziehung entstehen, die zu einer Verringerung der Glättqualität der zu behandelnden Papierbahn und im schlimmsten Falle zu Hot-Spots und damit zu einer Zerstörung der Walzenbezugsschicht führen könnten.
Letztlich besitzt die erfindungsgemäß hergestellte Walze einen gegenüber einer Walze mit Kunststoffschicht deutlich verbesserten Wärmeleitkoeffizienten, so dass die im Betrieb auftretende Wärme sehr schnell abgeführt und damit die Gefahr für das Auftreten von Hot-Spots weiter verringert werden kann.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Außenschicht im Wesentlichen faserfrei ausgebildet. Dadurch wird zum einen eine optimale Homogenität der Außenschicht und zum einen einer extrem glatte Oberfläche der Außenschicht erreicht. Die Glätte kann dabei durch Schleifen und/oder Polieren der Oberfläche optimiert werden. Bevorzugt besitzt die Oberfläche der Außenschicht einen Ra-Wert, der kleiner als 0.05 µm, insbesondere kleiner als 0.03 µm ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird für die Außenschicht ein abriebfestes Metall verwendet. Je abriebfester das verwendete Metall ist, desto größer ist die Lebensdauer einer entsprechend ausgebildeten Walze, so dass die Wirtschaftlichkeit einer solchen Walze deutlich verbessert werden kann.
Vorteilhaft wird für die Mischung der Außenschicht als Kunststoff ein Hochleistungskunststoff, d.h. ein Kunststoff mit hohem Schmelzpunkt, insbesondere ein Polyimid (PI), Polyamidimid (PAI), Polyetherimid (PEI), Polysulfon (PSU, PES), Polyethersulfon (PESU) oder ein Polyphensulfon (PPSU), eine Mischung eines oder mehrerer Hochleistungskunststoffe mit anderen Kunststoffen oder eine Mischung von Hochleistungskunststoffen verwendet.
Um die gewünschten physikalischen Eigenschaften der Glättwalze zu erreichen ist es dabei vorteilhaft, wenn für die Außenschicht ein Kunststoff bzw. eine Kunststoffmischung mit einem Schmelzpunkt von mehr als ca. 300° C, insbesondere von mehr als ca. 400°C, bevorzugt von ca. 500°C oder mehr und/oder mit einem Elastizitätsmodul von weniger als ca. 4 GPa, bevorzugt von ca. 3,5 GPa oder weniger verwendet wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mittelschicht wesentlich dicker als die Außenschicht und/oder als die Basisschicht ausgebildet. Durch eine entsprechende Dicke der Mittelschicht ist ein "weicher" Verlauf der wesentlichen physikalischen Eigenschaften wie Wärmeausdehnungskoeffizient und Elastizitätsmodul über die radiale Dicke der Bezugsschicht einstellbar. Dadurch wird verhindert, dass durch im Betrieb auftretende Spannungen oder Temperaturunterschiede ein Ablösen einzelner Schichten voneinander erfolgt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besitzt die Außenschicht eine hohe thermische Leitfähigkeit. Dadurch ist gewährleistet, dass im Betrieb auftretende Hitze schnell und zuverlässig von der jeweiligen Überhitzungsstelle abgeleitet werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Mittelschicht zumindest bereichsweise Fasern. Dabei handelt es sich bevorzugt um Fasern mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit, deren Anzahl innerhalb der Mittelschicht radial so variabel sein kann, dass die Wärmeleitfähigkeit der Mittelschicht radial nach außen zunimmt, bis sie am Übergang zur Außenschicht annähernd gleich der Wärmeleitfähigkeit der Außenschicht ist. Weiterhin kann mit den Fasern der Elastizitätsmodul radial nach außen zunehmend und/oder der Temperaturausdehnungskoeffizient radial nach außen abnehmend eingestellt werden, um eine Angleichung an die Außenschicht zu erreichen. Dies kann beispielsweise durch Verwendung von Kohlefasern in der Mittelschicht erreicht werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfassen die Fasern der Basisschicht zumindest teilweise Aramid- und/oder Glasfasern. Bevorzugt sind die Fasern als Rovings auf den Walzenkern gewickelt und in das elastische Matrixmaterial der Basisschicht eingebettet. Weiterhin sind das Material sowie die Menge der Fasern so gewählt, dass der Temperaturkoeffizient und der Elastizitätsmodel im radial innen liegenden Bereich der Basisschicht an die entsprechenden Parameter des Walzenkerns angenähert sind. Radial nach außen wird die Menge der Fasern so gewählt, dass ein sanfter Übergang dieser Parameter zu der Mittelschicht hin gegeben ist.
Das Matrixmaterial kann bevorzugt als Harz-Härter-Kombination ausgebildet sein und beispielsweise Epoxydharz umfassen.
Je nach Anwendung kann der Walzenkern aus Metall oder aus insbesondere faserverstärktem Kunststoff bestehen. Die Verwendung einer Kunststoffwalze als Walzenkern hat den Vorteil, dass das Gewicht und damit die Trägheit der Glättwalze gegenüber einer Verwendung eines Metallkerns deutlich verringert werden kann. Insbesondere bei den im Betrieb auftretenden hohen Drehgeschwindigkeiten ist die Reduzierung des Walzengewichtes von Vorteil. Weiterhin ist die Verwendung von insbesondere faserverstärkten Kunststoffwalzen vor allem bei so genannten Breitnipkalandern vorteilhaft, da ein Walzenkern aus Kunststoff gegenüber einem metallischen Walzenkern eine gewisse Nachgiebigkeit besitzt, die eine Vergleichmäßigung der Papierbahn im Walzenspalt bewirkt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Außenschicht durch ein Flamm- oder Plasmaspritzverfahren auf den Walzenkern aufgebracht. Durch ein entsprechendes Flamm- oder Plasmaspritzverfahren können sehr hochwertige Außenschichten erzeugt und eine sehr feste Verbindung dieser Außenschichten mit der Mittelschicht hergestellt werden. Bevorzugt werden dabei das Metall und/oder der Kunststoff während des Flamm- oder Plasmaspritzens geschmolzen. Dabei können das Metall und/oder der Kunststoff als Ausgangsmaterial jeweils beispielsweise in Pulverform vorliegen und erst während des Flamm- oder Plasmaspritzens in flüssigen Zustand überführt werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass das Metall und der Kunststoff vor dem Aufbringen auf den Walzenkern geschmolzen und miteinander vermischt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine sehr präzise Herstellung von extrem glatten, abriebfesten, antistatischen Bezugsschichten mit hoher Wärmeleitfähigkeit möglich, wobei durch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch eine Vielzahl von solchen Schichten übereinander aufgetragen werden können.
Weiterhin ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine sehr gute Reparaturmöglichkeit der Glättwalzen gegeben. So kann die Außenschicht nach einer entsprechenden Beschädigung der Oberfläche beispielsweise einfach durch Aufspritzen einer erfindungsgemäßen Mischung aus geschmolzenem Metall und geschmolzenem Kunststoff - wahlweise über die gesamte Oberfläche der Walze oder nur im Bereich der Beschädigung - in einfacher Weise repariert werden. Ein Entnehmen der Walze aus dem Kalander, das mit entsprechend langen Stillstandzeiten verbunden wäre, ist dabei nicht erforderlich, so dass durch die Reparaturmöglichkeit auch die Wirtschaftlichkeit eines entsprechenden Kalanders deutlich verbessert werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher beschrieben.
Die Figur zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Glättwalze. Die dargestellte Glättwalze umfasst einen beispielsweise aus Metall oder faserverstärktem Kunststoff, beispielsweise Polymer, bestehenden Walzenkern 1, der um eine Drehachse 2 drehbar gelagert ist. Als Fasern können dabei beispielsweise Kohlenstoff-, Aramid-, Glasfasern oder sonstige geeignete Fasern verwendet werden.
An der Außenseite des Walzenkerns 1 ist eine relativ dünne Basisschicht 3 vorgesehen, die aus einem mit Fasern verstärkten elastischen Matrixmaterial besteht. Das Material, die Anzahl und die Ausrichtung der Fasern sind dabei so gewählt, dass der Temperaturausdehnungskoeffizient der Basisschicht 3 zumindest in ihrem radial innen liegenden Bereich annähernd so groß ist, wie der Temperaturausdehnungskoeffizient des Walzenkerns 1.
An die Basisschicht 3 schließt sich eine Mittelschicht 4 an, die wesentlich dicker als die Basisschicht 3 ausgebildet ist. Diese Mittelschicht 4 kann als Fortsetzung der Basisschicht 3 ebenfalls noch aus mit Fasern verstärktem Matrixmaterial bestehen. Da durch die Dicke der Mittelschicht 4 im Wesentlichen die Elastizität der gesamten Bezugsschicht bestimmt wird, ist die Anzahl der Fasern innerhalb der Mittelschicht 4 gegenüber der Basisschicht 3 üblicherweise deutlich verringert, so dass der Elastizitätsmodul der Mittelschicht 4 geringer ist als der Elastizitätsmodul der Basisschicht 3.
Die Mittelschicht 4 ist wiederum in einen radial innen liegenden Bereich 5 und einen radial außen liegenden Bereich 6 aufgeteilt, die in der Figur durch eine gestrichelte Linie 7 voneinander getrennt sind. Während durch das verwendete Matrixmaterial und die darin eingebetteten Fasern im radial innen liegenden Bereich 5 die letztlich vorhandene Elastizität der Gesamtwalze im Wesentlichen bestimmt wird, bildet der radial außen liegende Bereich 6 einen Übergangsbereich zu einer die Oberfläche 8 der Walze bildenden Außenschicht 9.
Der Bereich 6 der Mittelschicht 4 ist dabei deutlich dünner ausgebildet als der Bereich 5 und enthält in das Matrixmaterial eingebettete Fasern, durch die eine Annäherung des Elastizitätsmoduls und des Temperaturausdehnungskoeffizienten an die entsprechenden Parameter der Außenschicht 9 erfolgt. Dabei können die Fasern radial nach außen variabel, insbesondere zunehmend verteilt sein, um eine möglichst kontinuierliche Annäherung der genannten Parameter zu erreichen. Weiterhin ist durch entsprechend gewählte Fasern, beispielsweise Kohlenstofffasern, gewährleistet, dass der Bereich 6 eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit besitzt, um die Aufbringung der Außenschicht 9 beispielsweise durch Plasma- oder Flammspritzen zu ermöglichen.
Die Außenschicht 9 ist als dünne elastische Schicht ausgebildet, die erfindungsgemäß aus einer Mischung von geschmolzenem Metall und geschmolzenem Kunststoff besteht. Die Außenschicht 9 ist daher durchgängig homogen ausgebildet und besitzt beispielsweise aufgrund eines durchgeführten Schleif- und/oder Poliervorganges eine extrem glatte Oberfläche 8.
Die Mischung aus geschmolzenem Metall und geschmolzenem Kunststoff kann dabei beispielsweise, wie schematisch angedeutet, durch eine Flammspritzvorrichtung 10 auf die Oberfläche der Mittelschicht 4 aufgebracht werden. Beispielsweise kann die Beschichtung aufgebracht werden, indem der Walzenkern 1 in Rotation versetzt wird und die Flammspritzvorrichtung 10 langsam in axialer Richtung parallel zur Drehachse 2 bewegt wird. Während es beim Flammspritzverfahren möglich ist, dass die Ausgangsmaterialien (Metall/Kunststoff) beispielsweise noch in Pulverform vorliegen und erst durch die beim Flammspritzverfahren verwendete Hitze in flüssigen Zustand überführt und miteinander vermischt werden, ist es grundsätzlich auch möglich, dass die beiden Ausgangsmaterialien bereits durch eine Vorbehandlung in flüssigem Zustand vorliegen und durch eine einfaches Spritz-, Gieß- oder Lackierverfahren auf die Oberfläche des Walzenkerns aufgebracht werden.
Bezugszeichenliste
1
Walzenkern
2
Drehachse
3
Basisschicht
4
Mittelschicht
5
innen liegender Bereich der Mittelschicht
6
außen liegender Bereich der Mittelschicht
7
Trennlinie
8
Oberfläche
9
Außenschicht
10
Flammspritzvorrichtung

Claims (22)

  1. Elastische Glättwalze, insbesondere zum Glätten von Papierbahnen, mit einem harten Walzenkern (1) und einer an der Außenseite des Walzenkerns (1) vorgesehenen, mehrschichtig ausgebildeten, elastisches Matrixmaterial umfassenden elastischen Bezugsschicht,
    dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Bezugsschicht eine radial innen liegende, mit Fasern verstärkte Basisschicht (3) umfasst, wobei der Temperaturausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul der Basisschicht (3) durch die Fasern dem Temperaturausdehnungskoeffizienten und dem Elastizitätsmodul des Walzenkerns (1) angenähert sind,
    dass eine elastische Mittelschicht (4) vorgesehen ist, deren Elastizitätsmodul kleiner ist als der Elastizitätsmodul der Basisschicht (3),
    dass eine radial außen liegende Außenschicht (9) vorgesehen ist, die aus einer Mischung von geschmolzenem Metall und geschmolzenem Kunststoff besteht,
    und dass der Temperaturausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul der Mittelschicht (4) zumindest in deren radial außen gelegenem Bereich (6) an den Temperaturausdehnungskoeffizient und den Elastizitätsmodul der Außenschicht (9) angenähert sind.
  2. Walze nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (9) im Wesentlichen faserfrei ausgebildet ist.
  3. Walze nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (8) der Außenschicht (9) extrem glatt, insbesondere poliert ist.
  4. Walze nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (8) der Außenschicht (9) einen Ra-Wert besitzt, der kleiner als 0.05 µm, insbesondere kleiner als 0.03 µm ist.
  5. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das für die Mischung der Außenschicht (9) verwendete Metall ein abriebfestes Metall ist.
  6. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der für die Mischung der Außenschicht (9) verwendete Kunststoff ein Hochleistungskunststoff, d.h. ein Kunststoff mit einem hohen Schmelzpunkt, insbesondere ein Polyimid (PI), Polyamidimid (PAI), Polyetherimid (PEI), Polysulfon (PSU, PES), Polyethersulfon (PESU) oder ein Polyphensulfon (PPSU) ist.
  7. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der für die Mischung der Außenschicht (9) verwendete Kunststoff eine Mischung eines oder mehrerer Hochleistungskunststoffe mit anderen Kunststoffen oder eine Mischung von Hochleistungskunststoffen ist.
  8. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der für die Mischung der Außenschicht (9) verwendete Kunststoff bzw. die verwendete Kunststoffmischung einen Schmelzpunkt von mehr als ca. 300° C, insbesondere von mehr als ca. 400° C, bevorzugt von ca. 500° C oder mehr besitzt.
  9. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der für die Mischung der Außenschicht (9) verwendete Kunststoff einen Elastizitätsmodul von weniger als ca. 4 GPa, bevorzugt von ca. 3,5 GPa oder weniger besitzt.
  10. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelschicht (4) wesentlich dicker als die Außenschicht (9) ist.
  11. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelschicht (4) wesentlich dicker als die Basisschicht (3) ist.
  12. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (9) antistatisch ausgebildet ist.
  13. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (9) eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt.
  14. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelschicht (4) zumindest bereichsweise Fasern enthält.
  15. Walze nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der Mittelschicht (4) zumindest Kohlefasern umfassen.
  16. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der Basisschicht (3) zumindest teilweise Aramidund/oder Glasfasern umfassen.
  17. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial Epoxydharz umfasst.
  18. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Walzenkern (1) aus Metall oder aus insbesondere faserverstärktem Kunststoff besteht.
  19. Verfahren zum Herstellen einer elastischen Glättwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die aus einer Mischung von geschmolzenem Metall und geschmolzenem Kunststoff bestehende Außenschicht (9) durch ein Spritz-, Gieß-, Streich- oder Lackierverfahren auf die Mittelschicht (4) aufgebracht wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung durch ein Flamm- oder Plasmaspritzverfahren auf die Mittelschicht (4) aufgebracht wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Metall und/oder der Kunststoff während des Flamm- oder Plasmaspritzens geschmolzen wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Metall und der Kunststoff vor dem Aufbringen auf die Mittelschicht (4) geschmolzen und miteinander vermischt werden.
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