WO2024078764A1 - Device and method for curing a polymer layer on a cylindrical body - Google Patents

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WO2024078764A1
WO2024078764A1 PCT/EP2023/070718 EP2023070718W WO2024078764A1 WO 2024078764 A1 WO2024078764 A1 WO 2024078764A1 EP 2023070718 W EP2023070718 W EP 2023070718W WO 2024078764 A1 WO2024078764 A1 WO 2024078764A1
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curing
inert gas
light
gap
substrate
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PCT/EP2023/070718
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Christoph Gschossmann
Oliver Fechner
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Maschinenfabrik Kaspar Walter Gmbh & Co. Kg
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    • B05D3/06—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation
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    • B05D3/065—After-treatment
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    • B05C9/14—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important for applying liquid or other fluent material and performing an auxiliary operation the auxiliary operation involving heating or cooling
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    • B05D2254/00—Tubes
    • B05D2254/02—Applying the material on the exterior of the tube

Definitions

  • the invention relates to a curing device for curing a polymer layer on a cylindrical substrate.
  • Such a substrate can be, for example, a printing form that can be coated with a polymer coating material.
  • the term substrate or printing form is used below in particular as a generic term for gravure printing forms, relief printing forms or structural forms for embossing, but also for coating rollers or inking rollers.
  • a printing form and a polymer coating material for it are known from WO 2021/052641 Al.
  • the coating material is a polymer nanocomposite that can be built up as a single layer for printing forms.
  • the polymer nanocomposite is applied in flowable form to the cylindrical outside of the printing form and subsequently cured by irradiation with UV light.
  • the resulting polymer layer can be structured, for example, using infrared lasers to create a surface structure that has, for example, cells or structures for absorbing ink or for embossing, as is also described in WO 2021/052641 Al.
  • UV LEDs are increasingly being used, which rely on inerting the surface due to the predominant oxygen inhibition of the surface of the radical polymerization.
  • UV radiation curing should be provided regardless of format and size, while at the same time minimizing inert gas consumption.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a hardening tool that can be used flexibly for different circumferences and format widths of cylindrical substrates.
  • the object is achieved according to the invention by a hardening device having the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
  • a curing device for curing a polymer layer on a cylindrical substrate, with a UV light device for generating UV light and providing the UV light at a light opening; with a curing gap arranged in front of the light opening; with an inert gas supply device for supplying inert gas to the curing gap upstream of the light opening; with an inert gas flow through the curing gap; and with an oxygen measuring device for measuring the oxygen content in the inert gas downstream of the light opening.
  • the coated substrates can be rollers of all kinds, in particular printing forms, such as gravure forms or cylinders, structural forms or cylinders, embossing forms or cylinders and relief printing forms or cylinders or coating rollers as well as inking rollers, e.g. for flexographic printing.
  • printing forms such as gravure forms or cylinders, structural forms or cylinders, embossing forms or cylinders and relief printing forms or cylinders or coating rollers as well as inking rollers, e.g. for flexographic printing.
  • the polymer material was suitably applied to the outer surface of the substrate before the curing process and is still flowable in this state, i.e. before curing.
  • the polymeric coating material can, for example, be the material described in WO 2021/052641 Al.
  • the polymer can be a coating material for coating a printing form, comprising a liquid starting material that is polymerizable by UV light to form a polymer matrix, a filler that has a sub-microscale size, wherein the coating material contains a further filler in addition to the sub-microscale filler, wherein the sub-microscale filler is in particle form and its size is in a range between 100 nm and 999 nm, wherein the further filler is a nanoscale filler, such that the further filler has filler particles with a nanoscale size in a range between 1 nm and 99 nm, wherein the sub-microscale filler consists of at least one metal oxide and/or a semi-metal oxide selected from metal oxide-coated mica, TiO2 or (Sn, Sb)C>2, wherein the nanoscale filler is metal and/or semi-metal oxides selected from Al2O
  • the UV light device generates UV light that exits the light opening and from there can reach the polymer layer to be cured on the substrate directly.
  • the curing gap is arranged in front of the light opening and forms a narrow inerting and irradiation channel. The formation of the curing gap or channel can be ensured by means of precise positioning of the curing device relative to the polymer surface (and thus the substrate surface), as will be explained later.
  • the curing gap is at least partially open to the polymer layer to be cured.
  • the curing gap is at least partially open on its side facing the substrate.
  • the curing gap can have a gas inlet for letting in the inert gas and a gas outlet for discharging the inert gas.
  • the light opening is arranged opposite the polymer layer in order to enable curing of the polymer layer by irradiation with UV light.
  • the oxygen measuring device is used to measure the oxygen content in the inert gas discharged from the light opening.
  • the residual oxygen content in the inert gas is measured.
  • the inert gas In order to achieve the desired protective effect of the inert gas on the polymer layer, the inert gas must have a certain concentration, which can be determined indirectly by measuring the residual oxygen content in the inert gas stream.
  • the oxygen measuring device can have a lambda probe (Z probe). Based on the measurement results of the residual oxygen measurement, the required amount of inert gas can be set and supplied at the upstream end via the inert gas supply device. This ensures that there is always a sufficient supply of inert gas in the curing gap during UV irradiation. On the other hand, it can also prevent too much inert gas from being consumed, so that the curing process can be carried out economically and in a way that conserves resources.
  • Nitrogen is particularly suitable as an inert gas, as it provides sufficient inerting effect.
  • the curing device allows curing of a polymer layer on a cylindrical substrate, regardless of the shape or format of the substrate.
  • the light opening on the UV light device can be covered with UV-transparent quartz glass.
  • This quartz glass cover in front of the UV light device seals the gas flow in the curing gap so that inert gas cannot escape into the rest of the work area.
  • the UV light device can in particular be an LED-based light device in which UV light is generated with the help of LEDs.
  • a positioning device can be provided for positioning the UV light device.
  • positioning means holding and/or moving the curing device or the UV light device relative to the polymer layer to be cured or the substrate.
  • the desired curing gap should be maintained as precisely as possible in order to reliably ensure the supply of inert gas.
  • a distance measurement can be provided, which uses, for example, an inductive, capacitive or laser-based measuring principle.
  • the distance can be variably controlled or mechanically precisely set. This depends on the respective conditions when positioning the curing device relative to the substrate.
  • the positioning device can have a distance control device, wherein the distance control device has a distance measuring device for measuring the distance between the UV light device and a surface of the polymer layer and/or a surface of the substrate.
  • the distance control device can have a distance setting device for setting the distance of the UV light device to the surface of the polymer layer and/or the surface of the substrate such that the distance corresponds to a predetermined value.
  • a gas conveying device can be provided to generate the inert gas flow through the hardening gap.
  • the gas conveying device can be arranged in particular downstream of the hardening gap, whereby the gas conveying device can also be arranged downstream of the oxygen measuring device.
  • the inert gas flow can be generated by the action of the gas conveying device from the inert gas supply device through the hardening gap and the oxygen measuring device. device.
  • the gas conveying device can in particular have a fan with which a corresponding flow effect can be generated by sucking in the air and the inert gas.
  • the inert gas supply device can be designed to supply inert gas from an inert gas source to a gas inlet of the hardening gap, wherein the inert gas supply device can have a flushing nozzle for introducing the inert gas into the hardening gap, and wherein the inert gas supply device can have a calming section upstream of the gas inlet for reducing turbulent flows in the supplied inert gas.
  • the inert gas source can be, for example, a tank or a gas bottle.
  • the inert gas should be introduced over the entire width of the curing gap if possible in order to achieve a uniform, ideally laminar inert gas flow through the curing gap. This is possible with the help of the injector nozzle, which spreads the inert gas out accordingly.
  • a calming section can be provided as part of the inert gas supply device or the injector nozzle immediately before the inert gas enters the curing gap, with which the flow calms down and becomes largely laminar.
  • the injector nozzle can be implemented as a type of slot nozzle.
  • the inert gas supply device can have a mass flow controller for controlling the flow of inert gas from the inert gas source.
  • the mass flow controller can be used to precisely adjust the amount of inert gas that is supplied to the curing gap per unit of time.
  • a gas outlet Downstream of the hardening gap, a gas outlet can be provided through which inert gas exits the hardening gap, wherein a gas discharge device can be provided downstream of the gas outlet, wherein the gas discharge device can have a measuring chamber feed which is arranged at the gas outlet and via which inert gas exiting the hardening gap can be guided to a measuring chamber, and wherein the oxygen measuring device is designed to measure the oxygen content in the measuring device.
  • the gas outlet defines the end of the hardening gap.
  • part of the inert gas can be captured and discharged by the gas discharge device.
  • the remaining inert gas that is not captured escapes into the environment.
  • the part of the inert gas captured and discharged by the gas discharge device is led into the measuring chamber, where the oxygen measuring device measures the (residual) oxygen level. content in the inert gas.
  • a residual oxygen control device can be provided which has the oxygen measuring device and is designed to keep the oxygen content measured by the oxygen measuring device within a predetermined range. In this way, the inert gas content in the gas stream is also indirectly determined.
  • the residual oxygen control device can be coupled to the mass flow controller to control the supply of inert gas.
  • the gas conveying device e.g. the fan
  • the gas conveying device can be provided at the downstream end of the gas discharge device.
  • the curing gap, the gas inlet and the gas outlet can be at least partially sealed from the environment by a non-contact seal.
  • the non-contact seal can, for example, have one or more layered sheet metal or plastic elements.
  • the non-contact seal can also be implemented using a scraper blade.
  • the scraper blade or the associated sheet metal or plastic elements generate a turbulent flow to prevent inert gas from escaping. This enables an almost laminar inert gas flow between the gas inlet and the gas outlet.
  • the turbulent flow in the area of the non-contact seal represents a flow obstacle, so that only a reduced amount of inert gas can escape to the environment there.
  • a curing system for curing a polymer layer on a cylindrical substrate comprising a curing device according to one of the preceding claims; a substrate holder for carrying the cylindrical substrate; a translation device for moving the curing device in a translation direction; a rotation device for moving the substrate carried by the substrate holder in a rotation direction; and a movement control which is designed to control the movement by the To coordinate the translation device with the movement of the rotation device such that the curing device performs a spiral movement relative to the substrate.
  • the curing device can be moved relative to the rotating substrate to cure the polymer.
  • the direction of translation can be in particular the longitudinal direction of the substrate, e.g. its central axis, while the substrate itself is rotated about its main axis or central axis.
  • the desired relative spiral movement can be achieved through the superimposed movement with the rotation of the substrate and the translation of the curing device. This allows the polymer to be cured evenly on the surface of the substrate. In particular, the polymer can be cured seamlessly and effectively due to the spiral path of the UV radiation that is established.
  • a method for curing a polymer layer on a cylindrical substrate comprising the steps:
  • Fig. 1 shows a coating system for applying a polymer layer to a cylindrical substrate
  • Fig. 2 shows a coating device as part of the coating system of Fig. 1, for coating a cylindrical substrate with a polymer;
  • Fig. 3 is a sectional side view of the device of Fig. 2;
  • Fig. 4 is an enlarged detail “C” from Fig. 2;
  • Fig. 5 shows a curing system for curing a polymer layer on a cylindrical substrate;
  • Fig. 6 shows a curing device as part of the curing system of Fig. 5;
  • Fig. 7 is an enlarged detail of the hardening device of Fig. 6;
  • Fig. 8 is a partial sectional side view of the hardening device of Fig. 6.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a coating system as part of a layer production system for producing a polymer layer on a cylindrical substrate 1.
  • the substrate 1 is a printing form, namely a gravure cylinder for use in gravure printing.
  • the gravure cylinder is to be coated with a flowable polymer.
  • a flowable polymer This can, for example, be the nanocomposite known from WO 2021/052641 Al.
  • the polymer coating of the gravure cylinder is suitable for creating small depressions, so-called cells, by laser treatment, in particular with a near-field infrared laser (NIR), which can absorb the printing ink and transfer it to the object to be printed.
  • NIR near-field infrared laser
  • the polymer layer must have a relatively small thickness (layer thickness) of e.g. 10 /zm to 500 /zm, in particular 10 /zm to 250 /zm.
  • the substrate 1 or the gravure cylinder is held rotatably in a rotation direction R in a holder (not shown).
  • a coating device 2 is provided on the outside of the substrate 1 and can be moved in a translation direction X along the outside of the substrate 1.
  • the coating device 2 is used to apply the still flowable polymer material to the cylindrical surface of the substrate 1.
  • the coating device 2 When the translational movement of the coating device 2 in the translation direction X and the rotation of the substrate 1 in the rotation direction R are superimposed, the coating device 2 performs a spiral movement relative to the outside of the substrate 1, as shown in Fig. 1 by an arrow S.
  • flowable polymer material with a width of e.g. several millimeters, e.g. 5 mm to 30 mm, can be applied to the outside of the substrate 1.
  • one polymer layer Due to the spiral-shaped relative movement, one polymer layer can be applied next to the other in a spiral or screw shape, so that ultimately the entire surface of the substrate or part of it is uniformly covered with a polymer layer.
  • smoothing elements which will be explained later, a gap that arises between the adjacent polymer layers can be uniformly closed, so that a uniform, homogeneous polymer layer is created.
  • the coating device 2 In order to apply the polymer material, it is necessary for the coating device 2 to maintain a uniform, very close distance from the substrate surface.
  • the coating device 2 can be moved in the radial direction Z of the substrate 1 by a coating positioning device (not shown).
  • the coating positioning device can have a distance control device with a distance measuring device 3.
  • the distance measuring device 3 can work inductively, capacitively or laser-based as a distance sensor and support the distance control.
  • Fig. 2 to 4 show the coating device 2 in detail, wherein Fig. 2 shows a main section, Fig. 3 shows a sectional side view of Fig. 2 and Fig. 4 shows an enlarged detail C of Fig. 2.
  • the coating device 2 has a carrier body 5.
  • a feed nozzle 6 is held in the carrier body 5, to which coating material 7 is fed in the form of flowable polymer material.
  • the coating material 7 can be fed by a continuous, pulsation-free and precise material feed, e.g. with the help of syringe pumps or eccentric screw pumps (dispensers).
  • the feed nozzle 6 has a cylindrical material feed 8 which tapers conically towards an outlet opening 9.
  • the outlet opening 9 can have a depth T of e.g. 1 to 3 mm and a width B of 5 to 30 mm, although other dimensions are also possible.
  • the feed nozzle 6 can taper towards the outlet opening 9 (material outlet) with a taper angle.
  • a taper angle a of e.g. 1 ° to 7 ° ensures a laminar flow and an increasing fluid velocity of the coating material 7 shortly before the material emerges.
  • a smoothing blade 10 is attached to the carrier body 5 in order to smooth the surface of the polymer material applied to the substrate 1.
  • the smoothing blade 10 can be a plastic sheet, for example.
  • the plastic surface of the smoothing blade 10 is well suited to achieving the desired surface quality on the smoothed polymer.
  • a support squeegee 11 is arranged on the back of the smoothing squeegee 10 over the entire back surface of the smoothing squeegee 10.
  • the support squeegee 11 can be made of spring steel. The support squeegee 11 thus supports the shape of the smoothing squeegee 10 and ensures that the smoothing squeegee 10 exerts a sufficiently large pressure on the polymer to be smoothed or spread.
  • Fig. 4 shows the smoothing squeegee 10 and the supporting squeegee 11 in an enlarged view.
  • a return squeegee 12 also made of steel or spring steel, is provided on the front side of the smoothing squeegee 10 and extends over a partial surface of the smoothing squeegee 10 (Fig. 4).
  • the return squeegee 12 can extend over half or a third of the surface of the smoothing squeegee 10.
  • the squeegees 10, 11, 12 are jointly attached laterally to a squeegee attachment 13 on the carrier body 5.
  • a pressure piston 14 is provided on the back of the smoothing squeegee 10, which is actuated and moved by a pneumatic cylinder 15, which in turn is controlled by compressed air via a pneumatic supply 16.
  • the compressed air in the pneumatic cylinder 15 can press the pressure piston 14 downwards against the support squeegee 11 and thus against the smoothing squeegee 10, thus pressing the support squeegee 11 with the smoothing squeegee 10 against the reset squeegee 12.
  • the reset squeegee 12 exerts a counterforce against the effect of the pressure piston 14, so that a balance of forces is established depending on the applied air pressure. This allows the contact pressure of the smoothing blade 10 against the polymer material to be smoothed to be precisely adjusted.
  • the contact pressure of the smoothing blade 10 on the applied polymer layer can be adjusted using a control system. Too much contact pressure leads to a large change in the layer distribution, while too little contact pressure prevents the transition gap between the individual spiral coatings from closing. It has been shown that due to different viscosities, surface tensions and other material variables, a range of surface pressures of the smoothing blade 10 on the polymer material must be feasible.
  • the width of the smoothing blade 10 can be two to three times or up to five times or up to ten times the width of a spiral layer in order to ensure a large contact surface and uniform layer homogenization.
  • Fig. 5 shows a curing system as a further part of the layer production system for producing a polymer layer on a cylindrical substrate.
  • the components shown in Fig. 5 can in particular represent a supplement to the components shown in Fig. 1, so that the entire layer production system combines the components of Figs. 1 and 5, i.e. first the application of a layer of a flowable polymer on the substrate 1 and then the curing of the polymer layer on the substrate 1.
  • the curing system of Fig. 5 assumes that the substrate 1 is already covered with a flowable polymer layer, which now has to be cured in order to become dimensionally stable and to be able to serve its actual purpose, e.g. as a gravure printing roller.
  • the substrate 1, e.g. the gravure roller, is - as in the system of Fig. 1 - still held in the holder, not shown, and rotated in the direction of rotation R.
  • a curing device 20 is arranged on the circumference of the substrate 1, which cures the polymer layer with the aid of UV light.
  • the entire layer production system formed with components of Fig. 1 and 5 can thus comprise the coating device 2 shown in Fig. 1 and the Hardening device 20.
  • This allows a polymer layer to be applied to the outer surface of the substrate 1 by the coating device 2 and then hardened by the hardening device 20 using UV light irradiation.
  • the substrate 1 can be rotated about its main or longitudinal axis, while the coating device 2 on the one hand and the hardening device 2 on the other hand are moved along the outer surface.
  • the curing device 20 has not only a UV light device 21, but also an inert gas supply device 22.
  • the curing device 20 also has a curing translation device (not shown) with which the curing device 20 can be moved in a translation direction X along the longitudinal axis of the substrate 1. In parallel, the substrate rotates in the direction of rotation R, resulting in the spiral movement S. In this way, the curing device 20 can use the UV light device 21 to cover the entire surface of the polymer layer applied to the outer surface of the substrate 1 and thus cure the polymer.
  • the curing device 20 also has a curing positioning device (not shown) with a distance control device in order to be able to adjust the distance of the curing device 20 in the Z direction, i.e. in the direction of the surface of the substrate 1 (radial direction of the substrate 1).
  • a distance measuring device 23 is provided for this purpose. Precise maintenance of the distance is important in order to be able to achieve a satisfactory curing result.
  • Fig. 6 shows the curing device 20 in an enlarged sectional view.
  • the curing device 20 is shown in relation to two substrates 1a, 1b of different sizes in order to illustrate that the curing device 20 can be used for substrates 1 with significantly different diameters.
  • the curing device 20 has the UV light device 21, which is arranged vertically in the example shown and on the underside of which the UV Light can exit through a light opening 21a (Fig. 7), as will be explained later.
  • the inert gas supply device 22 arranged to the right of the UV light device 21 in Fig. 6 has a gas supply line 24 through which inert gas is supplied from a storage device, e.g. a gas bottle or a gas tank. Nitrogen is particularly suitable as an inert gas.
  • the flow of the inert gas to the light opening 21a of the UV light device 21 is regulated by a mass flow controller 25. This will be explained in more detail later.
  • Fig. 7 shows the area below the UV light device 21 in an enlarged view compared to Fig. 6.
  • the light opening 21a which serves as the exit opening of the UV light device 21 and from which the UV light exits in order to irradiate the polymer material, is covered by a UV-transparent quartz glass cover 26.
  • a curing gap 27 is formed between the UV light device 21 or the quartz glass cover 26 on the one hand and the spaced-apart surface of the substrate 1 covered with the polymer layer on the other hand.
  • the inert gas supply device 22 Upstream of the quartz glass cover 26 and the curing gap 27, the inert gas supply device 22 has a flushing nozzle 28, via which the inert gas can be introduced into the curing gap 27 via a gas inlet 29.
  • the flushing nozzle 28 is arranged at the end of a flushing funnel 30, which is followed by a flushing channel 31, as shown in Fig. 8.
  • Fig. 8 shows a section through the flushing channel 31 of Fig. 7. It is clearly visible that the inert gas supplied via a gas line 32 from the mass flow controller 25 is fanned out in the flushing funnel 30 and subsequently calmed in the narrow flushing channel 31.
  • the flushing channel 31 which also serves as a calming section, an essentially laminar flow of the inert gas can be achieved, so that the inert gas can be discharged over the entire width of the flushing nozzle 28 and can cover polymer material on the substrates 1a, 1b before this region of the polymer material, which is then protected by inert gas, reaches the light opening 21a on the quartz glass cover 26 in the curing gap 27, where the UV irradiation takes place.
  • the inert gas After leaving the injection nozzle 28, it is to be expected that the inert gas will partially mix with atmospheric oxygen, since the area of the gas inlet 29 into the curing gap 27 cannot be completely sealed from the environment.
  • the hardening gap 27 is therefore not flowed through by pure inert gas, but by a gas mixture which, in addition to inert gas, will also contain residual oxygen components.
  • the sealing measures provided to reduce the ingress of ambient air and the measures to achieve a predetermined proportion of inert gas in the gas mixture will be explained later.
  • the hardening gap 27 Downstream of the quartz glass cover 26 or the hardening gap 27, i.e. after UV irradiation, the hardening gap 27 ends at a gas outlet 33.
  • a gas discharge device 34 with a measuring chamber 35 arranged downstream is provided there.
  • the gas discharge device 34 can in particular be designed as a gap and create a connecting channel from the end of the hardening gap 27 (gas outlet 33) to the measuring chamber 35. Part of the inert gas is thus discharged via the gas discharge device 34 or to the measuring chamber 35, while another part of the inert gas not captured by the gas discharge device 34 can escape to the environment.
  • the hardening gap 27 is sealed on all sides, i.e. on all four sides, by contactless seals, which are designed in particular in the form of doctor seals 36.
  • the doctor seals 36 have one or more sheet metal elements that are arranged in a staggered manner and represent flow obstacles so that the inert gas cannot flow out unhindered. In this way and in conjunction with a gas conveying device explained later, it can be achieved that only a relatively small part of the inert gas escapes into the environment, while the other part is sucked off via the measuring chamber.
  • a lambda probe (X probe) 37 is provided in the measuring chamber 35 as part of an oxygen measuring device.
  • the oxygen measuring device With the help of the oxygen measuring device, the (residual) oxygen content in the inert gas downstream of the location of the UV irradiation at the light opening 21a can be measured.
  • the inflow amount of inert gas or the ratio of inert gas to oxygen can thus be regulated using the mass flow controller 25 in order to keep the residual oxygen content in a predetermined range on the one hand and thus also the inert gas content in a predetermined range on the other hand in order to ensure effective protection of the polymer surface against oxidation during UV irradiation.
  • the inert gas flow is effected with the aid of a gas conveying device 38, which has an exhaust fan 39.
  • the exhaust fan 39 generates a negative pressure with which the gas mixture is extracted from the inert gas supply device 22 via the hardening gap 27.
  • the gas flow thus takes place via the gas supply line 24, the mass flow regulator 25, the gas line 32, the induction funnel 30, the induction nozzle 28, the hardening gap 27, the gas discharge device 34, the measuring chamber 35 and the exhaust fan 39.

Abstract

The invention relates to a curing device (20) for curing a polymer layer on a cylindrical substrate (1), comprising a UV lighting device (21) for generating UV light and providing the UV light at a light opening (21a); a curing gap (27) which is arranged in front of the light opening (21a); an inert gas supply device (22) for supplying inert gas to the curing gap (27) upstream of the light opening (21a); a flow of inert gas through the curing gap (27); and an oxygen measuring device (37) for measuring the oxygen content in the inert gas downstream of the light opening (21a).

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Körper Apparatus and method for curing a polymer layer on a cylindrical body
Die Erfindung betrifft eine Härtungsvorrichtung zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat. The invention relates to a curing device for curing a polymer layer on a cylindrical substrate.
Ein derartiges Substrat kann z.B. eine Druckform sein, die mit einem polymeren Beschichtungsmaterial beschichtet werden kann. Der Begriff Substrat bzw. Druckform soll nachfolgend insbesondere als Oberbegriff für Tiefdruckformen, Hochdruckformen oder Strukturformen zum Prägen, aber auch für Beschichtungswalzen oder Einfärbewalzen verwendet werden. Such a substrate can be, for example, a printing form that can be coated with a polymer coating material. The term substrate or printing form is used below in particular as a generic term for gravure printing forms, relief printing forms or structural forms for embossing, but also for coating rollers or inking rollers.
Aus der WO 2021 /052641 Al ist eine Druckform und ein polymeres Beschichtungsmaterial dafür bekannt. Bei dem Beschichtungsmaterial handelt es sich um ein polymeres Nanokomposit, das als Einzelschicht für Druckformen aufgebaut werden kann. Das polymere Nanokomposit wird in fließfähiger Form auf die zylindrische Außenseite der Druckform aufgetragen und nachfolgend durch Bestrahlung mit UV- Licht ausgehärtet. Die dadurch entstandene Polymerschicht kann z.B. mithilfe von Infrarotlasern strukturiert werden, um eine Oberflächenstruktur zu erzeugen, die z.B. Näpfchen oder Strukturen zur Farbaufnahme oder zur Prägung aufweist, wie dies auch in der WO 2021 /052641 Al beschrieben ist. A printing form and a polymer coating material for it are known from WO 2021/052641 Al. The coating material is a polymer nanocomposite that can be built up as a single layer for printing forms. The polymer nanocomposite is applied in flowable form to the cylindrical outside of the printing form and subsequently cured by irradiation with UV light. The resulting polymer layer can be structured, for example, using infrared lasers to create a surface structure that has, for example, cells or structures for absorbing ink or for embossing, as is also described in WO 2021/052641 Al.
Das Aufträgen und Aushärten eines noch fließfähigen Polymers, wie z.B. des oben genannten Nanokomposits ist aufwändig. Die Aushärtung soll insbesondere mit UV- Licht erfolgen. Um eine effiziente und emissionsarme, d.h. ozonfreie, Aushärtung zu realisieren, werden dabei zunehmend UV-LEDs eingesetzt, die aufgrund der vorherrschenden Sauerstoffinhibierung der Oberfläche der radikalischen Polymerisation auf eine Inertisierung der Oberfläche angewiesen sind. Applying and curing a polymer that is still flowable, such as the nanocomposite mentioned above, is complex. Curing should be carried out using UV light in particular. In order to achieve efficient and low-emission, i.e. ozone-free, curing, UV LEDs are increasingly being used, which rely on inerting the surface due to the predominant oxygen inhibition of the surface of the radical polymerization.
Da die Polymerbeschichtung auf Substraten mit unterschiedlichen Abmessungen, insbesondere unterschiedlichen Längen und Durchmessern, erfolgen soll, sollte eine UV-Strahlungshärtung format- und umfangsunabhängig bereitgestellt werden, mit einem gleichzeitig minimalen Inertgasverbrauch. Since the polymer coating is to be applied to substrates with different dimensions, in particular different lengths and diameters, UV radiation curing should be provided regardless of format and size, while at the same time minimizing inert gas consumption.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Härtungswerkzeug anzugeben, das flexibel für unterschiedliche Umfänge und Formatbreiten von zylinderförmigen Substraten zum Einsatz kommen kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Härtungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. The invention is therefore based on the object of specifying a hardening tool that can be used flexibly for different circumferences and format widths of cylindrical substrates. The object is achieved according to the invention by a hardening device having the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Es wird eine Härtungsvorrichtung angegeben, zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat, mit einer UV-Lichteinrichtung zum Erzeugen von UV- Licht und Bereitstellen des UV-Lichts an einer Lichtöffnung; mit einem vor der Lichtöffnung angeordneten Härtungsspalt; mit einer Inertgaszuführeinrichtung zum Zuführen von Inertgas zu dem Härtungsspalt stromauf von der Lichtöffnung; mit einem Inertgasstrom durch den Härtungsspalt; und mit einer Sauerstoffmesseinrichtung zum Messen des Sauerstoffgehalts in dem Inertgas stromab von der Lichtöffnung. A curing device is specified for curing a polymer layer on a cylindrical substrate, with a UV light device for generating UV light and providing the UV light at a light opening; with a curing gap arranged in front of the light opening; with an inert gas supply device for supplying inert gas to the curing gap upstream of the light opening; with an inert gas flow through the curing gap; and with an oxygen measuring device for measuring the oxygen content in the inert gas downstream of the light opening.
Bei den beschichteten Substraten kann es sich um Walzen aller Art handeln, wie insbesondere Druckformen, wie Tiefdruckformen oder -Zylinder, Strukturformen oder -Zylinder, Prägeformen oder -Zylinder sowie Hochdruckformen oder -Zylinder oder Beschichtungswalzen sowie Einfärbewalzen, z.B. für den Flexodruck. The coated substrates can be rollers of all kinds, in particular printing forms, such as gravure forms or cylinders, structural forms or cylinders, embossing forms or cylinders and relief printing forms or cylinders or coating rollers as well as inking rollers, e.g. for flexographic printing.
Das Polymermaterial wurde vor dem Härtungsprozess in geeigneter Weise auf die Außenfläche des Substrats aufgetragen und ist aber in diesem Zustand, also vor der Härtung, noch fließfähig. The polymer material was suitably applied to the outer surface of the substrate before the curing process and is still flowable in this state, i.e. before curing.
Bei dem polymeren Beschichtungsmaterial kann es sich z.B. um das in der WO 2021 /052641 Al beschriebene Material handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Polymer als Beschichtungsmaterial zum Beschichten einer Druckform handeln, aufweisend ein flüssiges Ausgangsmaterial, das durch UV-Licht polymerisierbar ist, um eine Polymermatrix zu bilden, einen Füllstoff, der eine sub-mikroskalige Größe aufweist, wobei das Beschichtungsmaterial zusätzlich zu dem sub-mikros- kaligen Füllstoff einen weiteren Füllstoff enthält, wobei der sub-mikroskalige Füllstoff in Partikelform vor liegt und dessen Größe in einem Bereich zwischen 100 nm und 999 nm liegt, wobei der weitere Füllstoff ein nanoskaliger Füllstoff ist, derart, dass der weitere Füllstoff Füllstoffpartikel mit einer nanoskaligen Größe in einem Bereich zwischen 1 nm und 99 nm aufweist, wobei der sub-mikroskalige Füllstoff aus wenigstens einem Metalloxid und/oder einem Halbmetalloxid besteht, ausgewählt aus metalloxidbeschichtetem Glimmer, TiÜ2 oder (Sn, Sb)C>2, wobei es sich bei dem nanoskaligen Füllstoff um Metall- und/oder Halbmetalloxide handelt, ausgewählt aus AI2O3, SiO2, TiC>2, ZrÜ2 oder metallorganischen Partikeln, wobei der sub-mikroskalige Füllstoff kovalent in eine Polymermatrix des Ausgangsmaterials einbindbar ist, wobei der nanoskalige Füllstoff zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit enthalten ist, der kovalent in die Polymermatrix des Ausgangsmaterials einbindbar ist, und wobei durch den sub-mikroskaligen Füllstoff in dem Ausgangsmaterial eine Absorption von IR-Strahlung bewirkbar ist, die höher ist als eine Absorption ohne Füllstoff. The polymeric coating material can, for example, be the material described in WO 2021/052641 Al. In particular, the polymer can be a coating material for coating a printing form, comprising a liquid starting material that is polymerizable by UV light to form a polymer matrix, a filler that has a sub-microscale size, wherein the coating material contains a further filler in addition to the sub-microscale filler, wherein the sub-microscale filler is in particle form and its size is in a range between 100 nm and 999 nm, wherein the further filler is a nanoscale filler, such that the further filler has filler particles with a nanoscale size in a range between 1 nm and 99 nm, wherein the sub-microscale filler consists of at least one metal oxide and/or a semi-metal oxide selected from metal oxide-coated mica, TiO2 or (Sn, Sb)C>2, wherein the nanoscale filler is metal and/or semi-metal oxides selected from Al2O3, SiO2, TiC>2, ZrÜ2 or organometallic particles, wherein the sub-microscale filler can be covalently incorporated into a polymer matrix of the starting material, wherein the nanoscale filler is used to increase the Wear resistance is included, which can be covalently bound into the polymer matrix of the starting material, and wherein the sub-microscale filler in the starting material can cause an absorption of IR radiation which is higher than an absorption without filler.
Die UV-Lichteinrichtung erzeugt UV-Licht, das an der Lichtöffnung austreten und von dort direkt auf die zu härtende Polymerschicht auf dem Substrat gelangen kann. Zu diesem Zweck ist der Härtungsspalt vor der Lichtöffnung angeordnet und bildet einen schmalen Inertisierungs- und Bestrahlungskanal. Die Bildung des Härtungsspalts bzw. des Kanals kann mit Hilfe einer genauen Positionierung der Härtungsvorrichtung relativ zu der Polymeroberfläche (und damit der Substratoberfläche) sichergestellt werden, wie später noch erläutert wird. The UV light device generates UV light that exits the light opening and from there can reach the polymer layer to be cured on the substrate directly. For this purpose, the curing gap is arranged in front of the light opening and forms a narrow inerting and irradiation channel. The formation of the curing gap or channel can be ensured by means of precise positioning of the curing device relative to the polymer surface (and thus the substrate surface), as will be explained later.
Der Härtungsspalt ist zu der zu härtenden Polymerschicht wenigstens teilweise offen. Insbesondere ist der Härtungsspalt an seiner zu dem Substrat gerichteten Seite wenigstens teilweise offen. Der Härtungsspalt kann einen Gaseinlass zum Einlassen des Inertgases und einen Gasaustritt zum Abführen des Inertgases aufweisen. In dem Härtungsspalt selbst ist die Lichtöffnung gegenüber von der Polymerschicht angeordnet, um eine Aushärtung der Polymerschicht durch Bestrahlen mit UV-Licht zu ermöglichen. The curing gap is at least partially open to the polymer layer to be cured. In particular, the curing gap is at least partially open on its side facing the substrate. The curing gap can have a gas inlet for letting in the inert gas and a gas outlet for discharging the inert gas. In the curing gap itself, the light opening is arranged opposite the polymer layer in order to enable curing of the polymer layer by irradiation with UV light.
Die Sauerstoffmesseinrichtung dient zum Messen des Sauerstoffgehalts in dem von der Lichtöffnung abgeführten Inertgas. Dabei wird insbesondere der Restsauerstoffgehalt in dem Inertgas gemessen. Um die gewünschte Schutzwirkung des Inertgases auf der Polymerschicht zu erreichen, muss das Inertgas eine bestimmte Konzentration aufweisen, die indirekt durch Messen des Restsauerstoffgehalts in dem Inertgasstrom erfasst werden kann. Zu diesem Zweck kann die Sauerstoffmesseinrichtung eine Lambdasonde (Z-Sonde) aufweisen. Anhand der Messergebnisse der Restsauerstoffmessung kann am stromauf liegenden Ende über die Inertgaszuführeinrichtung die jeweils notwendige Menge an Inertgas eingestellt und zugeführt werden. Dies gewährleistet eine stets ausreichende Inertgasversorgung im Härtungsspalt während der UV-Bestrahlung. Andererseits kann auch verhindert werden, dass zu viel Inertgas verbraucht wird, so dass der Härtungsprozess wirtschaftlich und ressourcenschonend realisiert werden kann. The oxygen measuring device is used to measure the oxygen content in the inert gas discharged from the light opening. In particular, the residual oxygen content in the inert gas is measured. In order to achieve the desired protective effect of the inert gas on the polymer layer, the inert gas must have a certain concentration, which can be determined indirectly by measuring the residual oxygen content in the inert gas stream. For this purpose, the oxygen measuring device can have a lambda probe (Z probe). Based on the measurement results of the residual oxygen measurement, the required amount of inert gas can be set and supplied at the upstream end via the inert gas supply device. This ensures that there is always a sufficient supply of inert gas in the curing gap during UV irradiation. On the other hand, it can also prevent too much inert gas from being consumed, so that the curing process can be carried out economically and in a way that conserves resources.
Als Inertgas eignet sich vor allem Stickstoff, der eine ausreichende Inertisierungswirkung ermöglicht. Die Härtungsvorrichtung erlaubt eine Härtung einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat, unabhängig von Form oder Format des Substrats. Nitrogen is particularly suitable as an inert gas, as it provides sufficient inerting effect. The curing device allows curing of a polymer layer on a cylindrical substrate, regardless of the shape or format of the substrate.
Die Lichtöffnung an der UV-Lichteinrichtung kann mit einem UV-lichtdurchlässigen Quarzglas bedeckt sein. Diese Quarzglasabdeckung vor der UV-Lichteinrichtung bewirkt eine Abdichtung der Gasströmung in dem Härtungsspalt, so dass Inertgas nicht in den restlichen Arbeitsraum ausweichen kann. The light opening on the UV light device can be covered with UV-transparent quartz glass. This quartz glass cover in front of the UV light device seals the gas flow in the curing gap so that inert gas cannot escape into the rest of the work area.
Bei der UV-Lichteinrichtung kann es sich insbesondere um eine LED-basierte Lichteinrichtung handeln, bei der UV-Licht mit Hilfe von LEDs erzeugt wird. The UV light device can in particular be an LED-based light device in which UV light is generated with the help of LEDs.
Es kann eine Positionierungseinrichtung vorgesehen sein, zum Positionieren der UV-Lichteinrichtung. Positionieren bedeutet in diesem Fall das Halten und/oder Bewegen der Härtungsvorrichtung bzw. der UV-Lichteinrichtung relativ zu der zu härtenden Polymerschicht bzw. dem Substrat. Der dabei gewünschte Härtungsspalt sollte möglichst präzise eingehalten werden, um die Versorgung mit Inertgas zuverlässig sicherstellen zu können. A positioning device can be provided for positioning the UV light device. In this case, positioning means holding and/or moving the curing device or the UV light device relative to the polymer layer to be cured or the substrate. The desired curing gap should be maintained as precisely as possible in order to reliably ensure the supply of inert gas.
Zu diesem Zweck kann eine Abstandsmessung vorgesehen sein, die z.B. ein induktives, kapazitives oder lasergestütztes Messprinzip nutzt. Der Abstand kann dabei variabel geregelt oder auch mechanisch präzise eingestellt sein. Dies hängt von den jeweiligen Gegebenheiten bei der Positionierung der Härtungsvorrichtung relativ zu dem Substrat ab. For this purpose, a distance measurement can be provided, which uses, for example, an inductive, capacitive or laser-based measuring principle. The distance can be variably controlled or mechanically precisely set. This depends on the respective conditions when positioning the curing device relative to the substrate.
Die Positionierungseinrichtung kann eine Abstandsregeleinrichtung aufweisen, wobei die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsmesseinrichtung zum Messen des Abstands zwischen der UV-Lichteinrichtung und einer Oberfläche der Polymerschicht und/oder einer Oberfläche des Substrats aufweist. Die Abstandsregeleinrichtung kann eine Abstandsstelleinrichtung aufweisen, zum Einstellen des Abstands der UV-Lichteinrichtung zu der Oberfläche der Polymerschicht und/oder der Oberfläche des Substrats, derart, dass der Abstand einem vorgegebenen Wert entspricht. The positioning device can have a distance control device, wherein the distance control device has a distance measuring device for measuring the distance between the UV light device and a surface of the polymer layer and/or a surface of the substrate. The distance control device can have a distance setting device for setting the distance of the UV light device to the surface of the polymer layer and/or the surface of the substrate such that the distance corresponds to a predetermined value.
Es kann eine Gasfördereinrichtung vorgesehen sein, zum Erzeugen des Inertgasstroms durch den Härtungsspalt. Die Gasfördereinrichtung kann insbesondere stromab von dem Härtungsspalt angeordnet sein, wobei die Gasfördereinrichtung auch stromab von der Sauerstoffmesseinrichtung angeordnet sein kann. Der Inertgasstrom kann durch die Wirkung der Gasfördereinrichtung ausgehend von der Inertgaszuführeinrichtung durch den Härtungsspalt und die Sauerstoffmess- einrichtung geführt werden. Die Gasfördereinrichtung kann insbesondere einen Ventilator aufweisen, mit dem man eine entsprechende Strömungswirkung durch Ansaugen der Luft und des Inertgases erzeugen kann. A gas conveying device can be provided to generate the inert gas flow through the hardening gap. The gas conveying device can be arranged in particular downstream of the hardening gap, whereby the gas conveying device can also be arranged downstream of the oxygen measuring device. The inert gas flow can be generated by the action of the gas conveying device from the inert gas supply device through the hardening gap and the oxygen measuring device. device. The gas conveying device can in particular have a fan with which a corresponding flow effect can be generated by sucking in the air and the inert gas.
Die Inertgaszuführeinrichtung kann ausgebildet sein, um Inertgas von einer Inertgasquelle zu einem Gaseintritt des Härtungsspalts zu führen, wobei die Inertgaszuführeinrichtung eine Einspüldüse aufweisen kann, zum Einbringen des Inertgases in den Härtungsspalt, und wobei die Inertgaszuführeinrichtung stromauf von dem Gaseintritt eine Beruhigungsstrecke aufweisen kann, zum Mindern von turbulenten Strömungen in dem zugeführten Inertgas. Bei der Inertgasquelle kann es sich z.B. um einen Tank oder eine Gasflasche handeln. The inert gas supply device can be designed to supply inert gas from an inert gas source to a gas inlet of the hardening gap, wherein the inert gas supply device can have a flushing nozzle for introducing the inert gas into the hardening gap, and wherein the inert gas supply device can have a calming section upstream of the gas inlet for reducing turbulent flows in the supplied inert gas. The inert gas source can be, for example, a tank or a gas bottle.
Das Inertgas soll möglichst über die gesamte Breite des Härtungsspalts eingebracht werden, um einen gleichförmigen, idealerweise laminaren Inertgasstrom durch den Härtungsspalt zu erreichen. Dies ist mit Hilfe der Einspüldüse möglich, die das Inertgas entsprechend breit auffächert. Zudem kann als Teil der Inertgaszuführeinrichtung bzw. der Einspüldüse unmittelbar vor dem Gaseintritt des Inertgases in den Härtungsspalt eine Beruhigungsstrecke vorgesehen sein, mit der die Strömung beruhigt und weitgehend laminar wird. Die Einspüldüse kann als eine Art Schlitzdüse verwirklicht werden. The inert gas should be introduced over the entire width of the curing gap if possible in order to achieve a uniform, ideally laminar inert gas flow through the curing gap. This is possible with the help of the injector nozzle, which spreads the inert gas out accordingly. In addition, a calming section can be provided as part of the inert gas supply device or the injector nozzle immediately before the inert gas enters the curing gap, with which the flow calms down and becomes largely laminar. The injector nozzle can be implemented as a type of slot nozzle.
Die Inertgaszuführeinrichtung kann einen Massenflussregler aufweisen, zum Regeln des Zuflusses von Inertgas von der Inertgasquelle. Über den Massenflussregler lässt sich die Menge an Inertgas präzise einstellen, die pro Zeiteinheit dem Härtungsspalt zugeführt wird. The inert gas supply device can have a mass flow controller for controlling the flow of inert gas from the inert gas source. The mass flow controller can be used to precisely adjust the amount of inert gas that is supplied to the curing gap per unit of time.
Stromab von dem Härtungsspalt kann ein Gasaustritt vorgesehen sein, über den Inertgas aus dem Härtungsspalt austritt, wobei stromab von dem Gasaustritt eine Gasabführeinrichtung vorgesehen sein kann, wobei die Gasabführeinrichtung eine Messkammerzuführung aufweisen kann, die an dem Gasaustritt angeordnet ist und über die aus dem Härtungsspalt austretendes Inertgas zu einer Messkammer führbar ist, und wobei die Sauerstoffmesseinrichtung ausgebildet ist, um den Sauerstoffgehalt in der Messeinrichtung zu messen. Downstream of the hardening gap, a gas outlet can be provided through which inert gas exits the hardening gap, wherein a gas discharge device can be provided downstream of the gas outlet, wherein the gas discharge device can have a measuring chamber feed which is arranged at the gas outlet and via which inert gas exiting the hardening gap can be guided to a measuring chamber, and wherein the oxygen measuring device is designed to measure the oxygen content in the measuring device.
Dabei definiert der Gasaustritt das Ende des Härtungsspalts. Unmittelbar danach kann ein Teil des Inertgases von der Gasabführeinrichtung erfasst und abgeleitet werden. Der nicht erfasste Rest des Inertgases entweicht in die Umgebung. Der von der Gasabführeinrichtung erfasste und abgeleitete Teil des Inertgases wird in die Messkammer geführt, wo die Sauerstoffmesseinrichtung den (Rest-)Sauerstoffge- halt im Inertgas messen kann. Damit lässt sich die oben beschriebene Regelung der Inertgaszuführung verwirklichen, um stets eine ausreichende Menge an Inertgas in den Härtungsspalt zu führen, damit die Oberfläche des Polymers mit einem Gas beströmt wird, das nur einen entsprechend geringen Sauerstoffanteil aufweist, um Oxidationsprozesse bei der UV-Härtung des Polymers zu unterbinden. The gas outlet defines the end of the hardening gap. Immediately afterwards, part of the inert gas can be captured and discharged by the gas discharge device. The remaining inert gas that is not captured escapes into the environment. The part of the inert gas captured and discharged by the gas discharge device is led into the measuring chamber, where the oxygen measuring device measures the (residual) oxygen level. content in the inert gas. This enables the control of the inert gas supply described above to be implemented in order to always feed a sufficient amount of inert gas into the curing gap so that the surface of the polymer is flowed with a gas that has only a correspondingly low oxygen content in order to prevent oxidation processes during UV curing of the polymer.
Es kann eine Restsauerstoffregeleinrichtung vorgesehen sein, die die Sauerstoffmesseinrichtung aufweist und ausgebildet ist, um den durch die Sauerstoffmesseinrichtung gemessenen Sauerstoffgehalt in einem vorgegebenen Bereich zu halten. Auf diese Weise wird indirekt auch der Inertgasgehalt in dem Gasstrom bestimmt. A residual oxygen control device can be provided which has the oxygen measuring device and is designed to keep the oxygen content measured by the oxygen measuring device within a predetermined range. In this way, the inert gas content in the gas stream is also indirectly determined.
In der Praxis hat sich herausgestellt, dass ein Restsauerstoffgehalt von 0, 1 % bis 10% , insbesondere 0,5% bis 5% , abhängig vom Härtungsverhalten der Polymermischung, eingestellt werden sollte. In practice, it has been found that a residual oxygen content of 0.1% to 10%, in particular 0.5% to 5%, should be set, depending on the curing behavior of the polymer mixture.
Die Restsauerstoffregeleinrichtung kann mit dem Massenflussregler gekoppelt sein, um die Zuführung von Inertgas zu regeln. The residual oxygen control device can be coupled to the mass flow controller to control the supply of inert gas.
Die Gasfördereinrichtung (z.B. der Ventilator) kann am stromabseitigen Ende der Gasabführeinrichtung vorgesehen sein. The gas conveying device (e.g. the fan) can be provided at the downstream end of the gas discharge device.
Der Härtungsspalt, der Gaseinlass und der Gasaustritt können wenigstens teilweise durch eine berührungslose Dichtung zur Umgebung hin abgedichtet sein. Die berührungslose Dichtung kann z.B. ein oder mehrere geschichtete Blech- oder Kunststoffelemente aufweisen. Z.B. kann die berührungslose Dichtung auch durch ein Schälrakel verwirklicht werden. Dabei erzeugen das Schälrakel bzw. die zugehörigen Blech- oder Kunststoffelemente eine turbulente Strömung, um einen Austritt von Inertgas zu verhindern. Dies ermöglicht eine annähernd laminare Inertgasströmung zwischen dem Gaseintritt und dem Gasaustritt. Die turbulente Strömung im Bereich der berührungslosen Dichtung stellt ein Strömungshindernis dar, so dass dort nur eine verminderte Menge an Inertgas zur Umgebung hin austreten kann. The curing gap, the gas inlet and the gas outlet can be at least partially sealed from the environment by a non-contact seal. The non-contact seal can, for example, have one or more layered sheet metal or plastic elements. For example, the non-contact seal can also be implemented using a scraper blade. The scraper blade or the associated sheet metal or plastic elements generate a turbulent flow to prevent inert gas from escaping. This enables an almost laminar inert gas flow between the gas inlet and the gas outlet. The turbulent flow in the area of the non-contact seal represents a flow obstacle, so that only a reduced amount of inert gas can escape to the environment there.
Es wird ein Härtungssystem zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat angegeben, mit einer Härtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche; mit einer Substrataufnahme zum Tragen des zylindrischen Substrats; mit einer Translationseinrichtung zum Bewegen der Härtungsvorrichtung in einer Translationsrichtung; mit einer Rotationseinrichtung zum Bewegen des von der Substrataufnahme getragenen Substrats in einer Rotationsrichtung; und mit einer Bewegungssteuerung, die ausgebildet ist, um die Bewegung durch die Translationseinrichtung mit der Bewegung der Rotationseinrichtung derart zu koordinieren, dass die Härtungsvorrichtung relativ zu dem Substrat eine Spiralbewegung vollzieht. A curing system for curing a polymer layer on a cylindrical substrate is provided, comprising a curing device according to one of the preceding claims; a substrate holder for carrying the cylindrical substrate; a translation device for moving the curing device in a translation direction; a rotation device for moving the substrate carried by the substrate holder in a rotation direction; and a movement control which is designed to control the movement by the To coordinate the translation device with the movement of the rotation device such that the curing device performs a spiral movement relative to the substrate.
Auf diese Weise kann die Härtungsvorrichtung zum Aushärten des Polymers relativ zu dem sich drehenden Substrat bewegt werden. Die Translationsrichtung kann dabei insbesondere die Längsrichtung des Substrats, also z.B. deren Mittelachse sein, während das Substrat selbst um seine Hauptachse bzw. Mittelachse gedreht wird. Durch die überlagerte Bewegung mit der Rotation des Substrats und der Translation der Härtungsvorrichtung kann die gewünschte relative Spiralbewegung erreicht werden. Damit kann das Polymer auf der Oberfläche des Substrats gleichmäßig ausgehärtet werden. Insbesondere kann das Polymer aufgrund der sich einstellenden spiralförmigen Bahn der UV-Bestrahlung lückenlos und effektiv gehärtet werden. In this way, the curing device can be moved relative to the rotating substrate to cure the polymer. The direction of translation can be in particular the longitudinal direction of the substrate, e.g. its central axis, while the substrate itself is rotated about its main axis or central axis. The desired relative spiral movement can be achieved through the superimposed movement with the rotation of the substrate and the translation of the curing device. This allows the polymer to be cured evenly on the surface of the substrate. In particular, the polymer can be cured seamlessly and effectively due to the spiral path of the UV radiation that is established.
Es wird ein Verfahren zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat angegeben, mit den Schritten: A method for curing a polymer layer on a cylindrical substrate is provided, comprising the steps:
Erzeugen von UV-Licht und Bereitstellen des UV-Lichts an einer Lichtöffnung; Generating UV light and providing the UV light at a light opening;
Zuführen von Inertgas zu einem vor der Lichtöffnung angeordneten Härtungsspalt stromauf von der Lichtöffnung; Supplying inert gas to a curing gap arranged in front of the light opening upstream of the light opening;
Erzeugen eines Inertgasstroms durch den Härtungsspalt; und Generating an inert gas flow through the curing gap; and
Messen des Sauerstoffgehalts in dem Inertgas stromab von der Lichtöffnung. Measuring the oxygen content in the inert gas downstream of the light aperture.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen: These and other features and advantages of the invention are explained in more detail below using examples with the aid of the accompanying figures. They show:
Fig. 1 ein Beschichtungssystem zum Aufträgen einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat; Fig. 1 shows a coating system for applying a polymer layer to a cylindrical substrate;
Fig. 2 eine Beschichtungsvorrichtung als Teil des Beschichtungssystems von Fig. 1 , zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem Polymer; Fig. 2 shows a coating device as part of the coating system of Fig. 1, for coating a cylindrical substrate with a polymer;
Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht zu der Vorrichtung von Fig. 2; Fig. 3 is a sectional side view of the device of Fig. 2;
Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung "C" aus Fig. 2; Fig. 5 ein Härtungssystem zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat; Fig. 4 is an enlarged detail “C” from Fig. 2; Fig. 5 shows a curing system for curing a polymer layer on a cylindrical substrate;
Fig. 6 eine Härtungsvorrichtung als Teil des Härtungssystems von Fig. 5; Fig. 6 shows a curing device as part of the curing system of Fig. 5;
Fig. 7 eine Ausschnittsvergrößerung zu der Härtungsvorrichtung von Fig. 6; und Fig. 7 is an enlarged detail of the hardening device of Fig. 6; and
Fig. 8 eine geschnittene seitliche Teilansicht zu der Härtungsvorrichtung von Fig- 6. Fig. 8 is a partial sectional side view of the hardening device of Fig. 6.
Fig. 1 zeigt in Perspektivansicht ein Beschichtungssystem als Teil eines Schichterzeugungssystems zum Erzeugen einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat 1. Fig. 1 shows a perspective view of a coating system as part of a layer production system for producing a polymer layer on a cylindrical substrate 1.
Bei dem Substrat 1 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine Druckform, nämlich um einen Tiefdruckzylinder zum Einsatz für den Tiefdruck. Der Tiefdruckzylinder soll mit einem fließfähigen Polymer beschichtet werden. Dabei kann es sich z.B. um den aus der WO 2021 /052641 Al bekannten Nanokomposit handeln. Die Polymerbeschichtung des Tiefdruckzylinders ist geeignet, dass durch Laserbehandlung, insbesondere mit einem Nahfeld-Infrarot-Laser (NIR) kleine Vertiefungen, sogenannte Näpfchen, erzeugt werden, die die Druckfarbe aufnehmen und auf das zu bedruckende Objekt übertragen können. Zu diesem Zweck muss die Polymerschicht eine nur relativ geringe Dicke (Schichtstärke) von z.B. 10 /zm bis 500 /zm, insbesondere 10 zm bis 250 /zm aufweisen. In the example shown, the substrate 1 is a printing form, namely a gravure cylinder for use in gravure printing. The gravure cylinder is to be coated with a flowable polymer. This can, for example, be the nanocomposite known from WO 2021/052641 Al. The polymer coating of the gravure cylinder is suitable for creating small depressions, so-called cells, by laser treatment, in particular with a near-field infrared laser (NIR), which can absorb the printing ink and transfer it to the object to be printed. For this purpose, the polymer layer must have a relatively small thickness (layer thickness) of e.g. 10 /zm to 500 /zm, in particular 10 /zm to 250 /zm.
Das Substrat 1 bzw. der Tiefdruckzylinder ist in einer nicht gezeigten Aufnahme in einer Rotationsrichtung R drehbar gehalten. The substrate 1 or the gravure cylinder is held rotatably in a rotation direction R in a holder (not shown).
An der Außenseite des Substrats 1 ist eine Beschichtungsvorrichtung 2 vorgesehen, die in eine Translationsrichtung X entlang der Außenseite des Substrats 1 bewegt werden kann. Die Beschichtungsvorrichtung 2 dient zum Aufträgen des noch fließfähigen Polymermaterials auf die zylinderförmige Mantelfläche des Substrats 1. A coating device 2 is provided on the outside of the substrate 1 and can be moved in a translation direction X along the outside of the substrate 1. The coating device 2 is used to apply the still flowable polymer material to the cylindrical surface of the substrate 1.
Bei Überlagerung der Translationsbewegung der Beschichtungsvorrichtung 2 in Translationsrichtung X und der Rotation des Substrats 1 in Rotationsrichtung R vollzieht die Beschichtungsvorrichtung 2 relativ zu der Außenseite des Substrats 1 eine spiralförmige Bewegung, wie in Fig. 1 durch einen Pfeil S gezeigt. Dadurch kann mithilfe der Beschichtungsvorrichtung 2 fließfähiges Polymermaterial mit einer Breite von z.B. einigen Millimetern, z.B. 5 mm bis 30 mm auf die Außenseite des Substrats 1 aufgetragen werden. Durch die spiralförmige Relativbewegung kann eine Polymerlage neben der anderen spiral- bzw. schraubenförmig aufgebracht werden, so dass schließlich die gesamte Mantelfläche des Substrats oder ein Teil davon gleichförmig mit einer Polymerschicht bedeckt ist. Mit Hilfe von später noch erläuterten Glättungselementen kann ein dabei entstehender Spalt zwischen den nebeneinander liegenden Polymerlagen gleichförmig verschlossen werden, so dass eine gleichmäßige homogene Polymerschicht entsteht. When the translational movement of the coating device 2 in the translation direction X and the rotation of the substrate 1 in the rotation direction R are superimposed, the coating device 2 performs a spiral movement relative to the outside of the substrate 1, as shown in Fig. 1 by an arrow S. As a result, With the help of the coating device 2, flowable polymer material with a width of e.g. several millimeters, e.g. 5 mm to 30 mm, can be applied to the outside of the substrate 1. Due to the spiral-shaped relative movement, one polymer layer can be applied next to the other in a spiral or screw shape, so that ultimately the entire surface of the substrate or part of it is uniformly covered with a polymer layer. With the help of smoothing elements, which will be explained later, a gap that arises between the adjacent polymer layers can be uniformly closed, so that a uniform, homogeneous polymer layer is created.
Für das Aufträgen des Polymermaterials ist es erforderlich, dass die Beschichtungsvorrichtung 2 einen gleichförmigen, sehr engen Abstand zu der Substratoberfläche einhält. Zu diesem Zweck kann die Beschichtungsvorrichtung 2 durch eine nicht dargestellte Beschichtungs-Positionierungseinrichtung in Radialrichtung Z des Substrats 1 bewegt werden. Die Beschichtungs-Positionierungseinrichtung kann für diesen Zweck eine Abstandsregeleinrichtung mit einer Abstandsmesseinrichtung 3 aufweisen. Die Abstandsmesseinrichtung 3 kann je nach Ausführungsform induktiv, kapazitiv oder lasergestützt als Abstandssensor arbeiten und die Abstandsregelung unterstützen. In order to apply the polymer material, it is necessary for the coating device 2 to maintain a uniform, very close distance from the substrate surface. For this purpose, the coating device 2 can be moved in the radial direction Z of the substrate 1 by a coating positioning device (not shown). For this purpose, the coating positioning device can have a distance control device with a distance measuring device 3. Depending on the embodiment, the distance measuring device 3 can work inductively, capacitively or laser-based as a distance sensor and support the distance control.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen die Beschichtungsvorrichtung 2 im Detail, wobei Fig. 2 einen Hauptschnitt darstellt, Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht zu Fig. 2 und Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung C von Fig. 2. Fig. 2 to 4 show the coating device 2 in detail, wherein Fig. 2 shows a main section, Fig. 3 shows a sectional side view of Fig. 2 and Fig. 4 shows an enlarged detail C of Fig. 2.
Die Beschichtungsvorrichtung 2 weist einen Trägerkörper 5 auf. In dem Trägerkörper 5 ist eine Zuführdüse 6 gehalten, der Beschichtungsmaterial 7 in Form von fließfähigem Polymermaterial zugeführt wird. Das Beschichtungsmaterial 7 kann durch eine kontinuierliche, pulsationsfreie und genaue Materialförderung, z.B. mit Hilfe von Spritzenpumpen oder Exzenterschneckenpumpen (Dispenser) zugeführt werden. The coating device 2 has a carrier body 5. A feed nozzle 6 is held in the carrier body 5, to which coating material 7 is fed in the form of flowable polymer material. The coating material 7 can be fed by a continuous, pulsation-free and precise material feed, e.g. with the help of syringe pumps or eccentric screw pumps (dispensers).
Die Zuführdüse 6 weist eine zylindrische Materialzuführung 8 auf, die sich konisch zu einer Austrittsöffnung 9 hin verjüngt. Die Austrittsöffnung 9 kann eine Tiefe T von z.B. 1 bis 3 mm und eine Breite B von 5 bis 30 mm aufweisen, wobei auch andere Abmessungen möglich sind. The feed nozzle 6 has a cylindrical material feed 8 which tapers conically towards an outlet opening 9. The outlet opening 9 can have a depth T of e.g. 1 to 3 mm and a width B of 5 to 30 mm, although other dimensions are also possible.
Zudem kann sich die Zuführdüse 6 zur Austrittsöffnung 9 (Materialauslass) hin mit einem Verjüngungswinkel verjüngen. Ein Verjüngungswinkel a von z.B. 1 ° bis 7° stellt eine laminare Strömung und eine zunehmende Fluidgeschwindigkeit des Beschichtungsmaterials 7 kurz vor dem Austreten des Materials sicher. In addition, the feed nozzle 6 can taper towards the outlet opening 9 (material outlet) with a taper angle. A taper angle a of e.g. 1 ° to 7 ° ensures a laminar flow and an increasing fluid velocity of the coating material 7 shortly before the material emerges.
Es hat sich herausgestellt, dass bei Abständen der Zuführdüse 6 bzw. insbesondere der Austrittsöffnung 9 der Zuführdüse 6 zum Substrat 1 im Bereich von IxS bis 4xS, wobei S die gewünschte Schichtstärke auf dem Substrat 1 ist, ein ausreichend großer Meniskus bzw. eine ausreichend große Ferse am Düsenauslauf erzeugt wird, wodurch eine vollständige Benetzung über die gesamte Düsenbreite sichergestellt wird. Bei einem konstanten Abstand stellt sich somit auch eine konstante Schichtstärke ein. It has been found that at distances between the feed nozzle 6 or in particular the outlet opening 9 of the feed nozzle 6 and the substrate 1 in the range of 1xS to 4xS, where S is the desired layer thickness on the substrate 1, a sufficiently large meniscus or a sufficiently large heel is produced at the nozzle outlet, thereby ensuring complete wetting across the entire nozzle width. At a constant distance, a constant layer thickness is also achieved.
In Drehrichtung gesehen stromab von der Zuführdüse 6 ist an dem Trägerkörper 5 ein Glättrakel 10 befestigt, um die Oberfläche des auf dem Substrat 1 aufgebrachten Polymermaterials zu glätten. Das Glättrakel 10 kann z.B. ein Kunststoffblatt sein. Die Kunststoffoberfläche des Glättrakels 10 ist gut geeignet, um die gewünschte Oberflächenqualität auf dem glattgestrichenen Polymer zu erreichen. Downstream of the feed nozzle 6, as seen in the direction of rotation, a smoothing blade 10 is attached to the carrier body 5 in order to smooth the surface of the polymer material applied to the substrate 1. The smoothing blade 10 can be a plastic sheet, for example. The plastic surface of the smoothing blade 10 is well suited to achieving the desired surface quality on the smoothed polymer.
An der Rückseite des Glättrakels 10 ist ein Stützrakel 1 1 über die gesamte Rückenfläche des Glättrakels 10 angeordnet. Das Stützrakel 1 1 kann aus Federstahl bestehen. Das Stützrakel 1 1 stützt somit die Form des Glättrakels 10 und gewährleistet eine ausreichend große Andrückkraft des Glättrakels 10 auf das zu glättende bzw. zu verstreichende Polymer. A support squeegee 11 is arranged on the back of the smoothing squeegee 10 over the entire back surface of the smoothing squeegee 10. The support squeegee 11 can be made of spring steel. The support squeegee 11 thus supports the shape of the smoothing squeegee 10 and ensures that the smoothing squeegee 10 exerts a sufficiently large pressure on the polymer to be smoothed or spread.
Fig. 4 zeigt das Glättrakel 10 und das Stützrakel 1 1 in vergrößerter Darstellung. Fig. 4 shows the smoothing squeegee 10 and the supporting squeegee 11 in an enlarged view.
An der Vorderseite des Glättrakels 10 ist ein ebenfalls aus Stahl bzw. Federstahl bestehendes Rückstellrakel 12 vorgesehen, das sich über eine Teilfläche des Glättrakels 10 erstreckt (Fig. 4). Z.B. kann sich das Rückstellrakel 12 über die Hälfte oder ein Drittel der Fläche des Glättrakels 10 erstrecken. A return squeegee 12, also made of steel or spring steel, is provided on the front side of the smoothing squeegee 10 and extends over a partial surface of the smoothing squeegee 10 (Fig. 4). For example, the return squeegee 12 can extend over half or a third of the surface of the smoothing squeegee 10.
Die Rakel 10, 1 1 , 12 sind gemeinsam seitlich an einer Rakelbefestigung 13 an dem Trägerkörper 5 befestigt. The squeegees 10, 11, 12 are jointly attached laterally to a squeegee attachment 13 on the carrier body 5.
Rückseitig von dem Glättrakel 10 ist ein Druckkolben 14 vorgesehen, der durch einen Pneumatikzylinder 15 beaufschlagt und bewegt wird, der wiederum über eine Pneumatikzuführung 16 mit Druckluft angesteuert wird. Durch die Druckluft im Pneumatikzylinder 15 kann der Druckkolben 14 nach unten gegen das Stützrakel 1 1 und damit gegen das Glättrakel 10 gepresst werden und somit das Stützrakel 1 1 mit dem Glättrakel 10 gegen das Rückstellrakel 12 andrücken. Das Rückstellrakel 12 übt eine Gegenkraft gegen die Wirkung des Druckkolbens 14 aus, so dass sich ein Kräftegleichgewicht in Abhängigkeit von dem anliegenden Luftdruck einstellt. Damit lässt sich die Anpresskraft des Glättrakels 10 gegen das zu glättende Polymermaterial präzise einstellen. A pressure piston 14 is provided on the back of the smoothing squeegee 10, which is actuated and moved by a pneumatic cylinder 15, which in turn is controlled by compressed air via a pneumatic supply 16. The compressed air in the pneumatic cylinder 15 can press the pressure piston 14 downwards against the support squeegee 11 and thus against the smoothing squeegee 10, thus pressing the support squeegee 11 with the smoothing squeegee 10 against the reset squeegee 12. The reset squeegee 12 exerts a counterforce against the effect of the pressure piston 14, so that a balance of forces is established depending on the applied air pressure. This allows the contact pressure of the smoothing blade 10 against the polymer material to be smoothed to be precisely adjusted.
Die Anpresskraft des Glättrakels 10 auf die aufgebrachte Polymerschicht kann mit Hilfe einer Regelung eingestellt werden. Eine zu große Anpresskraft führt zu einer großen Veränderung der Schichtverteilung, während eine zu geringe Anpresskraft ein Schließen des Übergangsspalts zwischen den einzelnen Spiralbeschichtungen verhindert. Es hat sich gezeigt, dass aufgrund von unterschiedlichen Viskositäten, Oberflächenspannungen und anderen Materialvariablen eine Bandbreite von Flächenpressungen des Glättrakels 10 auf das Polymermaterial realisierbar sein muss. The contact pressure of the smoothing blade 10 on the applied polymer layer can be adjusted using a control system. Too much contact pressure leads to a large change in the layer distribution, while too little contact pressure prevents the transition gap between the individual spiral coatings from closing. It has been shown that due to different viscosities, surface tensions and other material variables, a range of surface pressures of the smoothing blade 10 on the polymer material must be feasible.
Die Breite des Glättrakels 10 kann das Zwei- bis Dreifache bzw. bis zum Fünffachen bzw. bis zum Zehnfachen der Breite einer Spiralschicht betragen, um eine große Auflagefläche und eine gleichmäßige Schichthomogenisierung sicherzustellen. The width of the smoothing blade 10 can be two to three times or up to five times or up to ten times the width of a spiral layer in order to ensure a large contact surface and uniform layer homogenization.
Fig. 5 zeigt ein Härtungssystem als weiteren Teil des Schichterzeugungssystems zum Erzeugen einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat. Die in Fig. 5 gezeigten Komponenten können insbesondere eine Ergänzung zu den in Fig. 1 gezeigten Komponenten darstellen, so dass das gesamte Schichterzeugungssystem die Komponenten der Fig. 1 und 5 zusammenfasst, also zunächst das Aufträgen einer Schicht aus einem fließfähigen Polymer auf dem Substrat 1 und danach das Aushärten der Polymerschicht auf dem Substrat 1 . Fig. 5 shows a curing system as a further part of the layer production system for producing a polymer layer on a cylindrical substrate. The components shown in Fig. 5 can in particular represent a supplement to the components shown in Fig. 1, so that the entire layer production system combines the components of Figs. 1 and 5, i.e. first the application of a layer of a flowable polymer on the substrate 1 and then the curing of the polymer layer on the substrate 1.
Bei dem Härtungssystem von Fig. 5 wird dementsprechend davon ausgegangen, dass das Substrat 1 bereits mit einer fließfähigen Polymerschicht bedeckt ist, die nun aber noch gehärtet werden muss, um formstabil zu werden und dem eigentlichen Zweck, z.B. als Tiefdruckwalze dienen zu können. Accordingly, the curing system of Fig. 5 assumes that the substrate 1 is already covered with a flowable polymer layer, which now has to be cured in order to become dimensionally stable and to be able to serve its actual purpose, e.g. as a gravure printing roller.
Das Substrat 1 , z.B. die Tiefdruckwalze, wird - wie bei dem System von Fig. 1 - weiterhin in der nicht dargestellten Aufnahme gehalten und in Rotationsrichtung R gedreht. The substrate 1, e.g. the gravure roller, is - as in the system of Fig. 1 - still held in the holder, not shown, and rotated in the direction of rotation R.
Am Umfang des Substrats 1 ist eine Härtungsvorrichtung 20 angeordnet, die die Polymerschicht mit Hilfe von UV-Licht härtet. A curing device 20 is arranged on the circumference of the substrate 1, which cures the polymer layer with the aid of UV light.
Das gesamte, mit Komponenten der Fig. 1 und 5 gebildete Schichterzeugungssystem kann somit die in Fig. 1 gezeigte Beschichtungsvorrichtung 2 und die Härtungsvorrichtung 20 aufweisen. Damit lässt sich zunächst durch die Beschichtungsvorrichtung 2 eine Polymerschicht auf der Mantelfläche des Substrats 1 auftragen und nachfolgend durch die Härtungsvorrichtung 20 mithilfe von UV-Licht- bestrahlung härten. Bei beiden Verfahrensschritten kann das Substrat 1 um seine Haupt- bzw. Längsachse gedreht werden, während die Beschichtungsvorrichtung 2 einerseits und die Härtungsvorrichtung 2 andererseits entlang der Mantelfläche bewegt werden. The entire layer production system formed with components of Fig. 1 and 5 can thus comprise the coating device 2 shown in Fig. 1 and the Hardening device 20. This allows a polymer layer to be applied to the outer surface of the substrate 1 by the coating device 2 and then hardened by the hardening device 20 using UV light irradiation. In both process steps, the substrate 1 can be rotated about its main or longitudinal axis, while the coating device 2 on the one hand and the hardening device 2 on the other hand are moved along the outer surface.
Bei der UV-Härtung von Polymeren mittels LED besteht die Gefahr das die durch die UVA Strahlung der LED freigesetzten freien Radikale des Photoinitiators durch den Luftsauerstoff gebunden werden und somit eine vollständige Oberflächenhärtung verhindert wird. Daher muss die UV-Bestrahlung unter Inertgasatmosphäre erfolgen. Um das zu erreichen, weist die Härtungsvorrichtung 20 nicht nur eine UV- Lichteinrichtung 21 , sondern auch eine Inertgaszuführeinrichtung 22 auf. When UV curing polymers using LEDs, there is a risk that the free radicals of the photoinitiator released by the UVA radiation of the LED will be bound by the oxygen in the air, thus preventing complete surface curing. Therefore, the UV irradiation must take place under an inert gas atmosphere. To achieve this, the curing device 20 has not only a UV light device 21, but also an inert gas supply device 22.
Analog zu der Beschichtungsvorrichtung 2 in Fig. 1 weist auch die Härtungsvorrichtung 20 eine nicht gezeigte Härtungs-Translationseinrichtung auf, mit der die Härtungsvorrichtung 20 in einer Translationsrichtung X entlang der Längsachse des Substrats 1 bewegt werden kann. Parallel dazu vollzieht das Substrat die Rotation in Rotationsrichtung R, so dass sich resultierend die Spiralbewegung S ergibt. Auf diese Weise kann die Härtungsvorrichtung 20 mit der UV-Lichteinrichtung 21 die gesamte Oberfläche der auf der Mantelfläche des Substrats 1 ausgebrachten Polymerschicht überstreichen und auf diese Weise das Polymer aushärten. Analogous to the coating device 2 in Fig. 1, the curing device 20 also has a curing translation device (not shown) with which the curing device 20 can be moved in a translation direction X along the longitudinal axis of the substrate 1. In parallel, the substrate rotates in the direction of rotation R, resulting in the spiral movement S. In this way, the curing device 20 can use the UV light device 21 to cover the entire surface of the polymer layer applied to the outer surface of the substrate 1 and thus cure the polymer.
Analog wie die oben beschriebene Beschichtungsvorrichtung 2 weist auch die Härtungsvorrichtung 20 eine nicht dargestellte Härtungs-Positionierungseinrichtung auf, mit einer Abstandsregeleinrichtung, um den Abstand der Härtungsvorrichtung 20 in Richtung Z, d.h. in Richtung der Oberfläche des Substrats 1 (Radialrichtung des Substrats 1 ) einstellen zu können. Zu diesem Zweck ist eine Abstandsmesseinrichtung 23 vorgesehen. Das präzise Einhalten des Abstands ist wichtig, um ein zufriedenstellendes Härtungsergebnis erreichen zu können. Analogous to the coating device 2 described above, the curing device 20 also has a curing positioning device (not shown) with a distance control device in order to be able to adjust the distance of the curing device 20 in the Z direction, i.e. in the direction of the surface of the substrate 1 (radial direction of the substrate 1). A distance measuring device 23 is provided for this purpose. Precise maintenance of the distance is important in order to be able to achieve a satisfactory curing result.
Fig. 6 zeigt die Härtungsvorrichtung 20 in vergrößerter Schnittdarstellung. Die Härtungsvorrichtung 20 wird in Relation zu zwei Substraten la, 1b mit unterschiedlicher Größe dargestellt, um zu verdeutlichen, dass die Härtungsvorrichtung 20 für Substrate 1 mit deutlich unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt werden kann. Fig. 6 shows the curing device 20 in an enlarged sectional view. The curing device 20 is shown in relation to two substrates 1a, 1b of different sizes in order to illustrate that the curing device 20 can be used for substrates 1 with significantly different diameters.
Etwa mittig weist die Härtungsvorrichtung 20 die UV-Lichteinrichtung 21 auf, die im gezeigten Beispiel senkrecht angeordnet ist und an deren Unterseite das UV- Licht über eine Lichtöffnung 21a (Fig. 7) austreten kann, wie später noch erläutert wird. Approximately in the middle, the curing device 20 has the UV light device 21, which is arranged vertically in the example shown and on the underside of which the UV Light can exit through a light opening 21a (Fig. 7), as will be explained later.
Die in Fig. 6 rechts von der UV-Lichteinrichtung 21 angeordnete Inertgas-Zuführeinrichtung 22 weist eine Gaszuleitung 24 auf, über die Inertgas von einem Speicher, z.B. einer Gasflasche oder einem Gastank zugeführt wird. Als Inertgas ist insbesondere Stickstoff gut geeignet. Der Zufluss des Inertgases zu der Lichtöffnung 21a der UV-Lichteinrichtung 21 wird durch einen Massenflussregler 25 geregelt. Dies wird später noch im Detail erläutert. The inert gas supply device 22 arranged to the right of the UV light device 21 in Fig. 6 has a gas supply line 24 through which inert gas is supplied from a storage device, e.g. a gas bottle or a gas tank. Nitrogen is particularly suitable as an inert gas. The flow of the inert gas to the light opening 21a of the UV light device 21 is regulated by a mass flow controller 25. This will be explained in more detail later.
Fig. 7 zeigt den Bereich unterhalb der UV-Lichteinrichtung 21 in einer gegenüber der Fig. 6 vergrößerten Darstellung. Die als Austrittsöffnung der UV-Lichteinrich- tung 21 dienende Lichtöffnung 21a, an der das UV-Licht austritt, um das Polymermaterial zu bestrahlen, ist durch eine UV-lichtdurchlässige Quarzglasabdeckung 26 abgedeckt. Fig. 7 shows the area below the UV light device 21 in an enlarged view compared to Fig. 6. The light opening 21a, which serves as the exit opening of the UV light device 21 and from which the UV light exits in order to irradiate the polymer material, is covered by a UV-transparent quartz glass cover 26.
Zwischen der UV-Lichteinrichtung 21 bzw. der Quarzglasabdeckung 26 einerseits und der davon beabstandeten Oberfläche des mit der Polymerschicht bedeckten Substrats 1 andererseits ist ein Härtungsspalt 27 ausgebildet. Stromauf von der Quarzglasabdeckung 26 und dem Härtungsspalt 27 weist die Inertgaszuführeinrichtung 22 eine Einspüldüse 28 auf, über die das Inertgas über einen Gaseintritt 29 in den Härtungsspalt 27 eingeleitet werden kann. Die Einspüldüse 28 ist am Ende eines Einspültrichters 30 angeordnet, an den sich ein Einspülkanal 31 anschließt, wie Fig. 8 zeigt. A curing gap 27 is formed between the UV light device 21 or the quartz glass cover 26 on the one hand and the spaced-apart surface of the substrate 1 covered with the polymer layer on the other hand. Upstream of the quartz glass cover 26 and the curing gap 27, the inert gas supply device 22 has a flushing nozzle 28, via which the inert gas can be introduced into the curing gap 27 via a gas inlet 29. The flushing nozzle 28 is arranged at the end of a flushing funnel 30, which is followed by a flushing channel 31, as shown in Fig. 8.
Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch den Einspülkanal 31 von Fig. 7. Dabei ist gut erkennbar, dass das über eine Gasleitung 32 von dem Massenflussregler 25 zugeführte Inertgas in dem Einspültrichter 30 aufgefächert und nachfolgend in dem schmalen Einspülkanal 31 beruhigt wird. In dem Einspülkanal 31 , der auch als Beruhigungsstrecke dient, kann eine im Wesentlichen laminare Strömung des Inertgases erreicht werden, so dass das Inertgas über die gesamte Breite der Einspüldüse 28 ausgelassen und dabei Polymermaterial auf den Substraten la, 1b abdecken kann, bevor dieser dann durch Inertgas geschützte Bereich des Polymermaterials die Lichtöffnung 21a an der Quarzglasabdeckung 26 im Härtungsspalt 27 erreicht, wo die UV-Bestrahlung stattfindet. Fig. 8 shows a section through the flushing channel 31 of Fig. 7. It is clearly visible that the inert gas supplied via a gas line 32 from the mass flow controller 25 is fanned out in the flushing funnel 30 and subsequently calmed in the narrow flushing channel 31. In the flushing channel 31, which also serves as a calming section, an essentially laminar flow of the inert gas can be achieved, so that the inert gas can be discharged over the entire width of the flushing nozzle 28 and can cover polymer material on the substrates 1a, 1b before this region of the polymer material, which is then protected by inert gas, reaches the light opening 21a on the quartz glass cover 26 in the curing gap 27, where the UV irradiation takes place.
Nach dem Verlassen der Einspüldüse 28 ist zu erwarten, dass sich das Inertgas teilweise mit Luftsauerstoff vermischen wird, da sich der Bereich des Gaseintritts 29 in den Härtungsspalt 27 nicht vollständig zur Umgebung hin abdichten lässt. Der Härtungsspalt 27 wird somit nicht von reinem Inertgas, sondern von einem Gasgemisch durchströmt, das außer Inertgas auch Restbestandteile von Sauerstoff enthalten wird. Die zur Verringerung des Eintretens von Umgebungsluft vorgesehenen Dichtungsmaßnahmen sowie die Maßnahmen zum Erreichen eines vorgegebenen Anteils von Inertgas in dem Gasgemisch werden später noch erläutert. After leaving the injection nozzle 28, it is to be expected that the inert gas will partially mix with atmospheric oxygen, since the area of the gas inlet 29 into the curing gap 27 cannot be completely sealed from the environment. The hardening gap 27 is therefore not flowed through by pure inert gas, but by a gas mixture which, in addition to inert gas, will also contain residual oxygen components. The sealing measures provided to reduce the ingress of ambient air and the measures to achieve a predetermined proportion of inert gas in the gas mixture will be explained later.
Stromab von der Quarzglasabdeckung 26 bzw. dem Härtungsspalt 27, also nach der UV-Bestrahlung, endet der Härtungsspalt 27 an einem Gasaustritt 33. Dort ist eine Gasabführeinrichtung 34 mit einer nachfolgend angeordneten Messkammer 35 vorgesehen. Die Gasabführeinrichtung 34 kann insbesondere als Spalt ausgebildet sein und einen Verbindungskanal vom Ende des Härtungsspalts 27 (Gasaustritt 33) zur Messkammer 35 herstellen. Ein Teil des Inertgases wird somit über die Gasabführeinrichtung 34 bzw. zu der Messkammer 35 abgeführt, während ein anderer, nicht von der Gasabführeinrichtung 34 erfasster Teil des Inertgases an die Umgebung entweichen kann. Downstream of the quartz glass cover 26 or the hardening gap 27, i.e. after UV irradiation, the hardening gap 27 ends at a gas outlet 33. A gas discharge device 34 with a measuring chamber 35 arranged downstream is provided there. The gas discharge device 34 can in particular be designed as a gap and create a connecting channel from the end of the hardening gap 27 (gas outlet 33) to the measuring chamber 35. Part of the inert gas is thus discharged via the gas discharge device 34 or to the measuring chamber 35, while another part of the inert gas not captured by the gas discharge device 34 can escape to the environment.
Zum Reduzieren der Inertgasaustritte bzw. -Verluste in die Umgebung ist der Härtungsspalt 27 allseitig, d.h. an allen vier Seiten durch berührungslose Dichtungen abgedichtet, die insbesondere in Form von Rakeldichtungen 36 ausgebildet sind. Die Rakeldichtungen 36 weisen ein oder mehrere Blechelemente auf, die aneinander gestaffelt angeordnet sind und Strömungshindernisse darstellen, so dass das Inertgas nicht ungehindert nach außen abströmen kann. Damit und in Verbindung mit einer später noch erläuterten Gasfördereinrichtung kann erreicht werden, dass nur ein verhältnismäßig geringer Teil des Inertgases in die Umgebung entweicht, während der andere Teil über die Messkammer abgesaugt wird. To reduce the inert gas leaks or losses into the environment, the hardening gap 27 is sealed on all sides, i.e. on all four sides, by contactless seals, which are designed in particular in the form of doctor seals 36. The doctor seals 36 have one or more sheet metal elements that are arranged in a staggered manner and represent flow obstacles so that the inert gas cannot flow out unhindered. In this way and in conjunction with a gas conveying device explained later, it can be achieved that only a relatively small part of the inert gas escapes into the environment, while the other part is sucked off via the measuring chamber.
In der Messkammer 35 ist eine Lambdasonde (X-Sonde) 37 als Teil einer Sauerstoffmesseinrichtung vorgesehen. Mit Hilfe der Sauerstoffmesseinrichtung kann der (Rest-)Sauerstoffgehalt in dem Inertgas stromab von dem Ort der UV-Bestrahlung an der Lichtöffnung 21a gemessen werden. Damit kann die Zuflussmenge an Inertgas bzw. das Verhältnis von Inertgas zu Sauerstoff mithilfe des Massenflussreglers 25 geregelt werden, um einerseits dem Restsauerstoffgehalt in einem vorgegebenen Bereich und damit andererseits auch den Inertgasgehalt in einem vorgegebenen Bereich zu halten, um einen wirksamen Schutz der Polymeroberfläche vor Oxidation während der UV-Bestrahlung sicherzustellen. Hier hat sich ein Restsauerstoffgehalt von 0, 1% bis 10% , insbesondere von 0,5% bis 5% , abhängig vom Härtungsverhalten der Polymermischung, als geeignet erwiesen. Der Inertgasstrom wird mit Hilfe einer Gasfördereinrichtung 38 bewirkt, die einen Absaugventilator 39 aufweist. Der Absaugventilator 39 erzeugt einen Unterdrück, mit dem das Gasgemisch aus der Inertgaszuführeinrichtung 22 über den Härtungsspalt 27 abgesaugt wird. Der Gasfluss erfolgt somit über die Gaszuleitung 24, den Massenflussregler 25, die Gasleitung 32, den Einspültrichter 30, die Einspüldüse 28, den Härtungsspalt 27, die Gasabführeinrichtung 34, die Messkammer 35 und den Absaugventilator 39. A lambda probe (X probe) 37 is provided in the measuring chamber 35 as part of an oxygen measuring device. With the help of the oxygen measuring device, the (residual) oxygen content in the inert gas downstream of the location of the UV irradiation at the light opening 21a can be measured. The inflow amount of inert gas or the ratio of inert gas to oxygen can thus be regulated using the mass flow controller 25 in order to keep the residual oxygen content in a predetermined range on the one hand and thus also the inert gas content in a predetermined range on the other hand in order to ensure effective protection of the polymer surface against oxidation during UV irradiation. A residual oxygen content of 0.1% to 10%, in particular of 0.5% to 5%, depending on the curing behavior of the polymer mixture, has proven to be suitable here. The inert gas flow is effected with the aid of a gas conveying device 38, which has an exhaust fan 39. The exhaust fan 39 generates a negative pressure with which the gas mixture is extracted from the inert gas supply device 22 via the hardening gap 27. The gas flow thus takes place via the gas supply line 24, the mass flow regulator 25, the gas line 32, the induction funnel 30, the induction nozzle 28, the hardening gap 27, the gas discharge device 34, the measuring chamber 35 and the exhaust fan 39.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Härtungsvorrichtung (20) zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat ( 1 ), mit einer UV-Lichteinrichtung (21 ) zum Erzeugen von UV-Licht und Bereitstellen des UV-Lichts an einer Lichtöffnung (21a); einem vor der Lichtöffnung (21a) angeordneten Härtungsspalt (27); einer Inertgaszuführeinrichtung (22) zum Zuführen von Inertgas zu dem Härtungsspalt (27) stromauf von der Lichtöffnung (21a); einem Inertgasstrom durch den Härtungsspalt (27); und mit einer Sauerstoffmesseinrichtung (37) zum Messen des Sauerstoffgehalts in dem Inertgas stromab von der Lichtöffnung (21a). 1. Curing device (20) for curing a polymer layer on a cylindrical substrate (1), with a UV light device (21) for generating UV light and providing the UV light at a light opening (21a); a curing gap (27) arranged in front of the light opening (21a); an inert gas supply device (22) for supplying inert gas to the curing gap (27) upstream of the light opening (21a); an inert gas flow through the curing gap (27); and with an oxygen measuring device (37) for measuring the oxygen content in the inert gas downstream of the light opening (21a).
2. Härtungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1 , wobei die Lichtöffnung (21a) mit einem UV-lichtdurchlässigen Quarzglas (26) bedeckt ist. 2. Curing device (20) according to claim 1, wherein the light opening (21a) is covered with a UV-transparent quartz glass (26).
3. Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Positionierungseinrichtung vorgesehen ist, zum Positionieren der UV- Lichteinrichtung (21 a). 3. Curing device (20) according to one of the preceding claims, wherein a positioning device is provided for positioning the UV light device (21 a).
4. Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Positionierungseinrichtung eine Abstandsregeleinrichtung aufweist; die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsmesseinrichtung (23) zum Messen des Abstands zwischen der UV-Lichteinrichtung (21 ) und einer Oberfläche der Polymerschicht und/oder einer Oberfläche des Substrats ( 1 ) aufweist; und wobei die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsstelleinrichtung aufweist, zum Einstellen des Abstands der UV-Lichteinrichtung (21 ) zu der Oberfläche der Polymerschicht und/oder der Oberfläche des Substrats ( 1 ), derart, dass der Abstand einem vorgegebenen Wert entspricht. 4. Curing device (20) according to one of the preceding claims, wherein the positioning device has a distance control device; the distance control device has a distance measuring device (23) for measuring the distance between the UV light device (21) and a surface of the polymer layer and/or a surface of the substrate (1); and wherein the distance control device has a distance setting device for setting the distance of the UV light device (21) to the surface of the polymer layer and/or the surface of the substrate (1) such that the distance corresponds to a predetermined value.
5. Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Gasfördereinrichtung (38) vorgesehen ist, zum Erzeugen des Inertgasstroms durch den Härtungsspalt (27). 5. Curing device (20) according to one of the preceding claims, wherein a gas conveying device (38) is provided for generating the inert gas flow through the curing gap (27).
6. Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Inertgaszuführeinrichtung (22) ausgebildet ist, um Inertgas von einer Inertgasquelle zu einem Gaseintritt (29) des Härtungsspalts (27) zu führen; die Inertgaszuführeinrichtung (22) eine Einspüldüse (28) aufweist, zum Einbringen des Inertgases in den Härtungsspalt (27); und wobei die Inertgaszuführeinrichtung (22) stromauf von dem Gaseintritt (29) eine Beruhigungsstrecke (31 ) aufweist, zum Mindern von turbulenten Strömungen in dem zugeführten Inertgas. . Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Inertgaszuführeinrichtung (22) einen Massenflussregler (25) aufweist, zum Regeln des Zuflusses von Inertgas von der Inertgasquelle. . Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei stromab von dem Härtungsspalt (27) ein Gasaustritt (33) vorgesehen ist, über den Inertgas aus dem Härtungsspalt (27) austritt; stromab von dem Gasaustritt (33) eine Gasabführeinrichtung (34) vorgesehen ist; die Gasabführeinrichtung (34) eine Messkammerzuführung aufweist, die an dem Gasaustritt (34) angeordnet ist und über die aus dem Härtungsspalt (27) austretendes Inertgas zu einer Messkammer (35) führbar ist; und wobei die Sauerstoffmesseinrichtung (37) ausgebildet ist, um den Sauerstoffgehalt in der Messkammer zu messen. . Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Restsauerstoffregeleinrichtung vorgesehen ist, die die Sauerstoffmesseinrichtung (37) aufweist und ausgebildet ist, um den durch die Sauerstoffmesseinrichtung (37) gemessenen Sauerstoffgehalt in einem vorgegebenen Bereich zu halten. . Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gasfördereinrichtung (38) am stromabseitigen Ende der Gasabführeinrichtung (34) vorgesehen ist. 1. Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Härtungsspalt (27), der Gaseintritt (29) und der Gasaustritt (33) wenigstens teilweise durch eine berührungslose Dichtung (36) zur Umgebung hin abgedichtet sind. . Härtungssystem zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat ( 1 ), mit einer Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche; einer Substrataufnahme zum Halten des zylindrischen Substrats; einer Translationseinrichtung zum Bewegen der Härtungsvorrichtung in einer Translationsrichtung (X); einer Rotationseinrichtung zum Bewegen des von der Substrataufnahme getragenen Substrats in einer Rotationsrichtung (R); und mit einer Bewegungssteuerung, die ausgebildet ist, um die Bewegung durch die Translationseinrichtung mit der Bewegung der Rotationseinrichtung derart zu koordinieren, dass die Härtungsvorrichtung relativ zu dem Substrat eine Spiralbewegung (S) vollzieht. Verfahren zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat ( 1 ), mit den Schritten 6. Curing device (20) according to one of the preceding claims, wherein the inert gas supply device (22) is designed to supply inert gas from an inert gas source to a gas inlet (29) of the curing gap (27); the inert gas supply device (22) has a flushing nozzle (28) for introducing the inert gas into the hardening gap (27); and wherein the inert gas supply device (22) has a calming section (31) upstream of the gas inlet (29) for reducing turbulent flows in the supplied inert gas. . Hardening device (20) according to one of the preceding claims, wherein the inert gas supply device (22) has a mass flow controller (25) for regulating the inflow of inert gas from the inert gas source. . Hardening device (20) according to one of the preceding claims, wherein downstream of the hardening gap (27) a gas outlet (33) is provided through which inert gas exits the hardening gap (27); downstream of the gas outlet (33) a gas discharge device (34) is provided; the gas discharge device (34) has a measuring chamber feed which is arranged at the gas outlet (34) and via which inert gas emerging from the hardening gap (27) can be guided to a measuring chamber (35); and wherein the oxygen measuring device (37) is designed to measure the oxygen content in the measuring chamber. . Hardening device (20) according to one of the preceding claims, wherein a residual oxygen control device is provided which has the oxygen measuring device (37) and is designed to keep the oxygen content measured by the oxygen measuring device (37) within a predetermined range. . Hardening device (20) according to one of the preceding claims, wherein the gas conveying device (38) is provided at the downstream end of the gas discharge device (34). 1. Curing device (20) according to one of the preceding claims, wherein the curing gap (27), the gas inlet (29) and the gas outlet (33) are at least partially sealed from the environment by a contactless seal (36). . Curing system for curing a polymer layer on a cylindrical substrate (1), with a curing device (20) according to one of the preceding claims; a substrate holder for holding the cylindrical substrate; a translation device for moving the curing device in a translation direction (X); a rotation device for moving the substrate carried by the substrate holder in a rotation direction (R); and with a movement control which is designed to coordinate the movement by the translation device with the movement of the rotation device such that the curing device performs a spiral movement (S) relative to the substrate. Method for curing a polymer layer on a cylindrical substrate (1), with the steps
Erzeugen von UV-Licht und Bereitstellen des UV-Lichts an einer Lichtöffnung (21a); Generating UV light and providing the UV light at a light opening (21a);
Zuführen von Inertgas zu einem vor der Lichtöffnung (21a) angeordneten Härtungsspalt (27) stromauf von der Lichtöffnung (21a); Supplying inert gas to a curing gap (27) arranged in front of the light opening (21a) upstream of the light opening (21a);
Erzeugen eines Inertgasstroms durch den Härtungsspalt (27); und Generating an inert gas flow through the curing gap (27); and
Messen des Sauerstoffgehalts in dem Inertgas stromab von der Lichtöffnung (21a). Measuring the oxygen content in the inert gas downstream of the light aperture (21a).
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