Hülse aus thermisch verformbarem Material sowie Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hülse aus thermisch verformbarem Material sowie auf ein Verfahren zu deren Herstellung und einen Trägerkern zu deren Einsatz, insbesondere in der Druckindustrie.
In der Druckindustrie werden hauptsächlich zwei Verfahren, die mit Rotationsdruckformen arbeiten, unterschieden. Beim Tiefdruck kommen vorwiegend metallische Zylinder zum Einsatz, auf deren Oberfläche ein Funktionspro fil eingebracht ist. Üblicherweise werden Stahlwalzen galvanisch mit einer Kupferschicht überzogen, in die dann ein Funktionsprofil eingebracht wird.
Beim Flexodruck kommen häufig Hülsen zum Einsatz, die galvanisch hergestellt werden (zum Beispiel Nickelhülsen) oder aus faserverstärkten duroplastischen Materalien bestehen. Auch hier befindet sich auf der äußeren Oberfläche der Hülsen das Funktionsprofil. Die Hülsen werden in der Regel auf metallische Walzenkerne pneumatisch aufgezogen.
In allen anderen technischen Bereichen werden im wesentlichen metallische Zylinder mit einer technischen Oberfläche, zum Beispiel einer PTFE-Beschichtung, metallische Hülsen oder Hohlzylinder mit einer technischen Oberfläche oder gewickelte, faserverstärkte duroplastische Hülsen mit einer technischen Oberfläche eingesetzt. Die technischen Hülsen können auf Walzenkernen pneumatisch aufgezogen, als Rohre eingesetzt oder als Halbzeuge für die Zylinderfertigung eingesetzt werden.
Die nichtmetallischen Hülsen werden, wie oben bereits erwähnt, durch ein Wickeln eines Streifenmateriales um einen Herstellungskern herum hergestellt. Dieses Verfahren ist zum einen sowohl zeitlich als auch technisch extrem aufwendig, zum anderen führt das Wickelverfahren dazu, daß an den Stoßkanten bzw. den Überlappungskanten des Streifenmaterials ungewollte Stufen oder Unebenheiten entstehen, die die Oberfläche der Druckhülsen uneben machen, was insbesondere bei feinen Druckstrukturen zu Problemen führt. Insbesondere für sehr hochwertige Oberflächen ist es aus diesem Grunde erforderlich, weitere kostenaufwendige Oberflächenbehandlungen durchzuführen, um die qualitativen Ansprüche zu erfüllen.
Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hülse zur Verfügung zu stellen, deren Oberfläche und Gesamtqualität höchsten Anforderungen genügt und die schnell und einfach auf einen Trägerkern aufgesetzt werden kann, wobei ein preiswertes und produktionstechnisch günstiges Herstellungsverfahren eingesetzt werden kann. Es ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Trägerkern zum Einsatz der erfindungsgemäßen Hülse zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch eine Hülse gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Hülse gemäß Anspruch 15 und einen Trägerkern gemäß Anspruch 27 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 14 zeigen besonders bevorzugte Ausführungsformen der Hülse gemäß Anspruch 1, die Ansprüche 16 bis 26 betreffen besonders bevorzugte Ausgestaltungen eines Verfahrens gemäß Anspruch 15 und die Ansprüche 28 bis 32 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des Trägerkerns nach Anspruch 27.
Die erfindungsgemäße Hülse besteht aus einem im wesentlichen rohrförmigen, einstückigen Grundkörper, wodurch eine glatte und qualitativ einwandfreie Oberfläche sichergestellt ist, was insbesondere im Hinblick auf die auf die Oberfläche einzubringenden Funktionspro file von hoher Bedeutung ist. Die Hülse weist einen zylindrischen Außenumfang mit einem im wesentlichen konstanten Radius auf, was im Hinblick auf den Einsatz in der Druckindustrie wichtig ist, während die Innenstruktur der Hülse einen in einer axialen Richtung sich konisch verjüngenden zylindrischen Umfang aufweist. Dadurch wird die Montage bzw. der Aufsatz auf einen entsprechenden Trägerkern mit einer ebenfalls konisch verlaufenden Außenoberfläche wesentlich erleichtert. Die Produktionsanlage kann so schnell an wechselnde Anforderungen und Aufgaben angepaßt werden, so daß die Flexibilität erhöht wird.
Die Hülse besteht bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, wodurch ein sehr kostengünstiger Herstellungsprozeß sichergestellt wird, wobei gleichzeitig die charakteristischen Eigenschaften des Materials, insbesondere geringes Gewicht bei ausreichender Stabilität, benutzt werden können. Je nach Anwendungsgebiet können auch Verbundwerkstoffe eingesetzt werden, wodurch die Hülse auf besondere Anwendungsbereiche angepaßt werden kann, in denen zum Beispiel eine noch höhere Festigkeit erforderlich ist oder bestimmte Materialien
aufgrund der zu bearbeitenden bzw. zu bedruckenden Materialien nicht eingesetzt werden sollen.
Auf der Hülsenoberfläche ist ein Funktionsprofil eingebracht oder es ist eine zusätzliche Funktionsschicht aufgebracht. Die zusätzliche Funktionsschicht kann aus PU, PTFE, Kupfer oder weiteren geeigneten Materialien bestehen. Die Funktionsschicht kann mit allen gängigen Methoden mit der Hülse verbunden sein, es ist insbesondere auch möglich, die Funktionsschichten auf die Hülsenoberfläche aufzukleben.
Die Hülse weist bevorzugt auf ihrer Innenseite Befestigungs- oder Verriegelungsvorrichtungen auf, damit eine sichere Befestigung und Positionierung auf dem Trägerkern während des Druckeinsatzes sichergestellt ist. Solche Befestigungs- oder Verriegelungsvorrichtungen können verschiedene Strukturen aufweisen, so daß eine formschlüssige Verbindung zwischen Hülse und Trägerkern sichergestellt ist. Diese Strukturen sind bevorzugt aus dem gleichen Material wie die Hülse und mit dieser integral ausgebildet, so daß eine exakte Position und eine ausreichende Stabilität der Strukturelemente gewährleistet ist.
Bei einer Ausführungsform besteht die Hülse aus einem starren Material, so daß sie eine besonders stabile Struktur im Hinblick auf den Druckeinsatz aufweist.
Insbesondere in diesem Falle ist es vorteilhaft, eine Dehnschicht auf der Innenseite der Hülse vorzusehen. Die Dehnschicht ist kompressibel und sorgt für eine besonders gute reibschlüssige Verbindung zwischen dem Komplex Hülse/Dehnschicht und dem Trägerkern. Die Dehnschicht kann elektrisch leitfähig sein, was zum Beispiel durch das Einbringen von leitfähigen Partikeln ermöglicht wird.
Vorteilhaft wird die Dehnschicht mit mindestens einer Nut versehen, in die ein Teil des Materials der Dehnschicht beim Aufbringen auf einen Trägerkern verdrängt werden kann. Dadurch wird das Aufbringen auf den Trägerkern erleichtert und die für die reibschlüssige Verbindung notwendige Reibungskraft eingestellt.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird als Rohmaterial thermisch verformbares Material in Form eines Rohres oder Schlauches verwendet. Diese Rohre oder Schläuche
werden unter Wärmezufuhr auf einen Herstellungskern aufgezogen oder aufgeschoben, wobei dieser Herstellungskern einen sich in einer axialen Richtung konisch verjüngenden zylindrischen Außenumfang aufweist. Das Aufziehen auf den Herstellungskern findet zweckmäßigerweise von der verjüngten Seite des Herstellungskerns statt. Nach dem Aufziehen läßt man die thermisch verformbaren Rohre oder Schläuche bzw. die Gesamtanlage abkühlen, so daß das thermisch verformbare Material konsolidiert. Das nun verfestigte Material hat damit auf einfache und schnelle Weise die gewünschte Form angenommen, wobei eine extrem glatte Oberfläche, die höchsten Ansprüchen genügt, hergestellt worden ist. Die so hergestellte und konsolidierte Hülse wird nach dem Erkalten von dem Herstellungskern abgezogen.
Die Wärme beim Aufbringen des Materials wird bevorzugt über den Herstellungskern zugeführt, wobei der Herstellungskern durch einen vorgeschalteten Aufheizprozeß aufgeheizt werden kann. Bevorzugt wird dem Herstellungskern aber auch während des Aufschiebens des thermisch verformbaren Materials Wärme zugeführt. Dadurch wird ein besonders gleichmäßiger und leichtgängiger Prozeß ermöglicht.
Die Größe der Kraft, die für den Reibschluß zwischen der fertiggestellten Hülse und dem zum Einsatz notwendigen Trägerkern verantwortlich ist, kann durch die regelbaren Prozeßparameter bei der Herstellung, insbesondere die Temperatur, wesentlich beeinflußt werden, so daß der Herstellungskern auch als Trägerkern dienen kann.
Bei einem bevorzugten Verfahren wird der Herstellungskern mittels einer Wärmetransport- flüssigkeit oder eines Wärmetransportgases geheizt oder gekühlt. Die Flüssigkeit oder das Gas wird über Durchgänge bzw. Öffnungen in Hohlräume des Herstellungskerns gepumpt und diesem wieder entnommen. Dadurch wird zum einen eine sehr exakte Kontrolle der Temperatur, zum anderen ein schneller Wechsel der Temperatur, also insbesondere ein Wechseln vom Heizen des Herstellungskerns zum Kühlen des Herstellungskerns, nachdem der entsprechende Formvorgang abgeschlossen ist, ermöglicht.
Das Aufschieben des rohrförmigen Halbzeugs auf den Herstellungskern wird bevorzugt mit einer Au reßvorrichtung, insbesondere einer automatisch betätigten mechanischen Schubvorrichtung, durchgeführt, während die fertige Hülse mit Hilfe eines Abstreifers nach der
Konsolidierung von dem Herstellungskern abgestreift wird. Diese Vorgänge werden vorteilhafterweise automatisiert durchgeführt.
Auf die fertige Hülse kann danach ein Funktionsprofil eingebracht oder eine Funktionsschicht aufgeklebt werden. Das Funktionsprofil wird insbesondere mittels einer Direktstrukturierung durch einen Laserstrahl, ein Abtragen aus dem ionisierten Zustand oder eine mechanische Bearbeitung eingebracht, während die Funktionsschichten aus verschiedenen Materialien, insbesondere PU, PTFE, Kupfer oder Kunststoffen bestehen können, die bevorzugt auf die Hülse aufgeklebt werden, allerdings auch mit allen anderen gängigen Methoden an der Oberfläche der Hülse befestigt werden können.
Ferner kann in einem nachträglichen Schritt auf der Innenseite der Hülse eine Dehnschicht angebracht werden. Die Dehnschicht besteht aus einem kompressiblen Material, bevorzugt werden Schäume, elastische Materialien mit einer gasförmigen Füllung, zum Beispiel expandierte Polystyrolperlen, oder elastische Materialien mit einer Strukturierung verwendet, wobei die Strukturierung ähnlich wie die gasförmige Füllung Volumen zur Verfügung stellt, in das Material verdrängt werden kann, sobald die Hülse aufgeschoben wird, wodurch eine besondere Nachgiebigkeit und Elastizität und eine erhöhte Kompressibilität zur Verfügung gestellt wird.
Die Dehnschicht übernimmt in der Regel mehrere wesentliche Funktionen: zum einen sorgt sie durch die Energie, die durch die Kompression in ihr gespeichert ist, für die für eine reibschlüssige Verbindung notwendige Kraft bzw. den notwendigen Druck zwischen Dehnschicht und Trägerkern, zum anderen sorgt sie für eine gleichmäßige Verteilung des Druckes, was insbesondere beim Aufziehen bzw. Abziehen der Hülse auf dem oder von dem Trägerkern Beschädigungen vermeidet. Des weiteren kann die Dehnschicht notwendig werden, wenn die Hülse pneumatisch von dem Trägerkern, zum Beispiel durch Einblasen von Preßluft zwischen die Außenschicht des Trägerkerns und die Innenschicht der Hülse bzw. der Dehnschicht, abgezogen wird. Schließlich gleicht die Dehnschicht auch eventuell vorhandene Unebenheiten auf der Innenseite der rohrförmigen Grundkörper aus.
In die Dehnschicht wird bevorzugt eine Nut eingebracht, die sich zumindest über einen Teilbereich der radialen Ausdehnung der Dehnschicht erstreckt, bevorzugt weniger als 50 % der
radialen Ausdehnung der Dehnschicht. Die Nut schafft Volumen, in die zusätzlich Material der Dehnschicht verdrängt werden kann, so daß die Kompressibilität der Dehnschicht erhöht wird. Ferner kann die Nut, wie auch eventuell vorgesehene Strukturen an der Innenseite der Hülse, als Füge- und Einpaßhilfe verwendet werden, wenn die Hülse auf den Trägerkern aufgesetzt wird. Es kann lediglich eine Nut vorgesehen werden, ferner ist es möglich, verschiedene, bevorzugt sich in axialer Richtung erstreckende Nuten über den Gesamtinnenumfang der Hülse zu verteilen.
Ferner soll angemerkt werden, daß eine solche Dehnschicht nicht nur am Innenbereich der Hülse direkt befestigt werden kann, sondern auch an dem Trägerkern befestigt werden kann, was im Endeffekt zu vergleichbaren Ergebnissen führt.
Neben der mindestens einen Nut können auch Strukturen an der Innenseite der Hülse vorgesehen werden, die entweder als Füge- und Einpaßhilfe dienen, aber auch als Befestigungsund Verriegelungsvorrichtungen für eine sichere Befestigung der Hülse an dem Trägerkern sorgen.
Neben der Möglichkeit, als Rohstoffmaterial thermisch verformbare Rohre oder Schläuche als Halbzeuge zu verwenden, kann das thermisch verformbare Material auch direkt aus einem Extruder in Schlauch- oder Rohrform auf den Herstellungskern aufgebracht werden. In diesem Falle muß nahezu keine Wärmezufuhr durch den Herstellungkern aufgebracht werden, da das Material bereits eine ausreichende Temperatur aufweist. Dennoch kann eine Wärmezufuhr über den Herstellungskern sinnvoll sein, um z.B. den Konsolidierungsprozeß zeitlich zu dehnen, wodurch die durch Temperaturunterschiede hervorgerufenen Belastungen des Materials gesenkt werden. Die Kühlung kann dann in der oben beschriebenen Weise durchgeführt werden.
Ein erfindungsgemäßer Trägerkern für den Einsatz einer oben beschriebenen Hülle weist einen der Innenstruktur der Hülse entsprechenden, in einer axialen Richtung sich konisch verjüngenden zylindrischen Außenumfang auf, um ein genaues Zusammenwirken zwischen Trägerkern und Hülse zu ermöglichen. Der Trägerkern kann mit entsprechenden Gegenelementen zu den oben beschriebenen Strukturen an der Innenseite der Hülse versehen sein, so daß eine reibschlüssige und/oder eine formschlüssige Verbindung verwirklicht wird.
Ferner weist der Trägerkern bevorzugt wenigstens einen sich im wesentlichen in radialer Richtung nach außen durch den Trägerkern erstreckenden Kanal auf, durch den vorteilhafterweise von außerhalb des Trägerkerns ein Gas, bevorzugt Preßluft, oder auch eine Flüssigkeit zwischen den Trägerkern und die Hülse gepreßt werden kann, um ein Entformen der Hülse von dem Trägerkern zu erleichtern.
Wie oben bereits erwähnt, kann der Trägerkern auch eine Dehnschicht umfassen, die an seinen Außenstrukturen befestigt ist. Die Wirkungen sind analog zu der Dehnschicht, die an der Hülse befestigt ist. Auch das bevorzugte Material unterscheidet sich nicht von dem Material einer an der Hülse befestigten Dehnschicht. Darüberhinaus kann die Dehnschicht auch hier mit einer Nut versehen sein.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird durch die anhängenden Zeichnungen verdeutlicht, in denen
Figur 1 schematisch eine Ausführungsform einer Hülse im Querschnitt darstellt, die sich auf einem Trägerkern befindet;
Figur 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform einer zu fertigenden Hülse und einer Ausführungsform eines Herstellungskerns während des Herstellungsprozesses zeigt.
Figur 3 in Teilbild A schematisch ein rohrförmiges Halbzeug im Querschnitt vor und
in Teilbild B nach dem Aufschieben auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Herstellungskernes, sowie
in Teilbild C schematisch im Querschnitt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hülse im Einsatz auf einem Trägerkern zeigt.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer Hülse 1, die einen zylindrischen Außenumfang mit im wesentlichen konstanten Radius und einen sich nach rechts verjüngenden zylindrischen
Innenumfang aufweist. Die Hülse besteht aus thermoplastischem Material und hat eine durchschnittliche Wandstärke von 10 mm.
Im Innenbereich angebracht weist die Hülse eine Dehnschicht 3 auf, die aus einem elastome- ren Material besteht und eine Wandstärke von 1 mm aufweist. In die Dehnschicht eingebracht sind Nuten 4 (nur zwei ersichtlich), die sich in axialer Richtung im wesentlichen über den gesamten Bereich der Hülse erstrecken, während sie in radialer Richtung lediglich etwa 25 % der Dicke der Dehnschicht ausgenommen haben. Die Nuten sind hier an der Seite der Hülse angebracht, wodurch eine saubere und ununterbrochene Innenfläche der Dehnschicht sichergestellt ist, was zu einem besonders einfachen Aufschieben der Hülse auf dem Trägerkern führt. Es ist selbstverständlich auch denkbar, die Nuten 4 auf der gegenüberliegenden Seite der Dehnschicht 3, also zum Innenraum hin offen, anzubringen.
Die Dehnschicht 3 ist mittels eines konventionellen Klebstoffes an der Hülse 1 , besser aber am Trägerkern, wie im Zusammenhang mit Fig. 3C beschrieben, befestigt. Die Dehnschicht kann auch selbstklebend sein. In Figur 1 ist ebenfalls der hohle Trägerkern 2 ersichtlich, der eine sich nach links verjüngende zylindrische Außenstruktur aufweist. Der Zylinder besteht wahlweise aus Stahl und hat eine Dicke von 30 bis 500 mm. Der Trägerkern 2 weist einen Kanal 5 auf, der sich in radialer Richtung von innen nach außen durch den Trägerkern 2 erstreckt. Es sind weitere Kanäle in dem Trägerkern angebracht, die allerdings in dieser Querschnittszeichnung nicht ersichtlich sind.
Der Innenraum des Trägerkerns kann mittels Gas oder einer Flüssigkeit mit Druck beaufschlagt werden, wodurch das Gas oder die Flüssigkeit durch die Kanäle 5 nach außen dringt und sich zwischen Trägerkern 2 und Hülse 1 bzw. Dehnschicht 3 schiebt und die Hülse 1 bzw. Dehnschicht 3 leicht von dem Trägerkern abhebt bzw. den Anpreßdruck vermindert, wodurch ein leichtes Abstreifen der Hülse von dem Trägerkern erleichtert wird.
Figur 2 zeigt schematisch die Fertigung einer Hülse aus einem rohrförmigen Halbzeug, einem Rohr 9. Das Rohr 9 aus thermoplastischem Material hat eine Wandstärke von 10 mm und wird mit einer automatisch betätigten Metallplatte 10, die als Aufpreßvorrichtung dient, auf den Herstellungskern 6 geschoben. Der Herstellungskern 6 besteht aus Stahl und weist eine sich nach links konisch verjüngende zylindrische Außenstruktur auf. Durch das Aufschieben
des Rohres 9 auf den beheizten Herstellungskem 6 paßt sich das Rohr 9 der gewünschten Form an.
Der Herstellungskem 6 weist an seinem einen Ende zwei Öffnungen 7 auf, die den Zugang zu einem Hohlraum 8 eröffnen, der sich im Inneren des Herstellungskerns 6 befindet. Durch diese Öffnungen 7 wird eine Wärmetransportflüssigkeit gepumpt, die den Herstellungskem 6 auf der gewünschten Temperatur hält. Für eine später erfolgende Abkühlung, während der das thermoplastische Material des Rohres 9 konsolidiert wird, wird eine Kühlflüssigkeit ebenfalls durch die beiden Öffnungen 7 und den Hohlraum 8 des Herstellungskerns 6 gepumpt.
Nach der Konsolidierung wird die aus dem Rohr 9 gebildete Hülse 1 mit Hilfe eines Abstreifers 11 automatisch von dem Herstellungskem 6 abgestreift.
Die nun fertiggestellte Hülse kann anschließend gegebenenfalls mit einer Oberflächenstruktu- rierung oder einer Funktionsschicht versehen werden, femer kann eine Dehnschicht angebracht werden.
Figur 3 zeigt zur Verdeutlichung das rohrformige Halbzeug 9 im ursprünglichen Zustand, nach Aufschieben auf einen Herstellungskem 6 und die fertiggestellte Hülse 1 auf einem Trägerkern zum Druckeinsatz.
Figur 3A zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein rohrförmiges Halbzeug 9, das eine Wanddicke von 10 mm aufweist. Der Innendurchmesser dl ist im Grundzustand vor Verarbeitung über die gesamte Länge des Halbzeuges konstant.
Figur 3B zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen auf einen Herstellungskem 6 aufgezogenes Halbzeug 9. Durch das Aufschieben bzw. Aufziehen des Halbzeuges 9 auf den Trägerkem paßt sich , wie oben bereits beschrieben, das Rohr 9 der gewünschten Form an und bildet die Hülse 1. Der Außen-Durchmesser d2 des Herstellungskernes 6 ist aufgrund der konischen Form je nach Schnittfläche unterschiedlich, weist aber immer einen Wert auf, der größer oder zumindest gleich groß wie der ursprüngliche Innendurchmesser dl des Halbzeuges ist, um ein definiertes Formen des Rohres 9 sicherzustellen.
Der Herstellungskem 6 weist eine in Längsrichtung verlaufende Nut 15 auf, die eine integral ausgebildete Befestigungsvorrichtung 16 an der Innenseite des Rohres 9 bzw. der zu fertigenden Hülse 1 ausformt.
In Figur 3C ist die fertiggestellte Hülse 1 dargestellt, die auf einem Trägerkem 20 zum Druk- keinsatz aufgezogen ist. Die Hülse 1 weist eine integral ausgebildete Befestigungsvorrichtung in Form eines Steges 16 auf, der in eine Nut 17 des Trägerkems eingreift. Damit ist eine sichere Positionierung sowohl während des Aufziehens der Hülse 1 auf den Trägerkem 20 als auch während des Druck- und Arbeitseinsatzes gewährleistet.
Der Trägerkem 20 weist einen als Dehnschicht fungierende elastomere Beschichtung 21 auf, die in dieser Ausführungsform direkt an dem Trägerkem 20 befestigt ist. Die Dehnschicht 21 erstreckt sich im wesentlichen über den gesamten Außenbereich des Trägerkems 20 und ist lediglich im Bereich der Nut 17 unterbrochen, um einen sicheren Eingriff des Steges 15 zu gewährleisten.
Ähnlich wie in der in Figur 1 dargestellten Ausfülrrungsform weist die Dehnschicht 21 sich in Längsrichtung erstreckende Nuten 4 auf, die in regelmäßigen Abständen um den Außenumfang der Dehnschicht 21 verteilt sind. Die Dehnschicht 21 ist hier im wesentlichen analog zu der in Figur 1 dargestellten Dehnschicht ausgebildet, nur daß sie in dieser Ausführungsform direkt an dem Trägerkem 20 und nicht an der Hülse 1 befestigt ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.