WO2024078765A1 - Vorrichtung und verfahren zum beschichten eines zylindrischen körpers mit einem polymer - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum beschichten eines zylindrischen körpers mit einem polymer Download PDF

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WO2024078765A1
WO2024078765A1 PCT/EP2023/070722 EP2023070722W WO2024078765A1 WO 2024078765 A1 WO2024078765 A1 WO 2024078765A1 EP 2023070722 W EP2023070722 W EP 2023070722W WO 2024078765 A1 WO2024078765 A1 WO 2024078765A1
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substrate
smoothing
coating
blade
force
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PCT/EP2023/070722
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Christoph Gschoßmann
Oliver Fechner
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Maschinenfabrik Kaspar Walter Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to a coating device for coating a cylindrical substrate with a flowable material.
  • 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.
  • the requirements for the surface quality of the polymer coating are high, as this can directly affect the print quality if the cylindrical substrate is a printing cylinder, such as a gravure cylinder. An uneven polymer surface would result in a poor print image.
  • roller doctor blade, slot die coating or printing processes can be used.
  • the invention is based on the object of specifying a device and a method with which a format and circumference-independent, but at the same time efficient, precise and seamless coating of various cylindrical substrates with a flowable material is possible.
  • a coating device is specified for coating a cylindrical substrate with a flowable material, with a feed nozzle for applying the material to a substrate; with a smoothing squeegee that is arranged downstream of the feed nozzle and is designed to smooth a surface of the material applied to the substrate; and with a force generating device for applying a force to the smoothing squeegee and thus deflecting the smoothing squeegee from a rest position and moving the smoothing squeegee in the direction of the surface of the material applied to the substrate; wherein the force that can be applied to the smoothing squeegee by the force generating device is variable; and wherein the force generating device has a force control for adjusting the force that can be applied to the smoothing squeegee by the force generating device.
  • the cylindrical substrate to be coated 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 flowable material can in particular be a flowable polymer material.
  • 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, TiC>2 or (Sn, Sb)C>2, wherein the nanoscale filler is metal and/or semi-metal oxides selected from Al2
  • the smoothing blade is arranged downstream of the feed nozzle and is suitable for smoothing the layer of material applied to the substrate and, in particular, for closing gaps and gaps that have arisen between adjacent layers of material when the material was applied.
  • the smoothing blade is pressed onto the material layer using the force generating device, whereby the contact pressure is ideally regulated. Too much contact pressure leads to a large change in the layer thickness distribution, while too little contact pressure prevents the transition gap between the adjacent layers from closing. It has been shown that due to different viscosities, surface tensions and other Different surface pressures should be possible with the smoothing blade depending on the material variables.
  • the smoothing blade can consist of a thin plastic sheet that can be suitably deformed so that it adapts to the surface of the material to be smoothed.
  • the force generating device is designed to deflect and move the smoothing blade from its rest position.
  • the rest position is a starting position in this respect.
  • the layer thickness of the material can be, for example, 10 to 500 fim, in particular 10 to 250 /zm as the target layer thickness.
  • the deviation from the target layer thickness should be slight and, for example, in a range of up to +5% or up to ⁇ 3%.
  • a conveying device can be provided for conveying the flowable material from a material supply to the feed nozzle.
  • Flowable polymer in particular requires sophisticated conveying. This can be achieved, for example, by a syringe pump, an eccentric screw pump or a dispenser. If necessary, a sieve or a filter can be interposed at a suitable location.
  • the material flow should be pulsation-free, constant and adjustable with sufficient precision to achieve the layer thickness with the desired accuracy and quality.
  • the permissible deviations in material feed can be small depending on the requirements and can be up to ⁇ 3% or, better, up to +1%.
  • the feed nozzle can have a cylindrical feed and a material outlet connected to it in the direction of flow.
  • the material outlet then ends at the nozzle opening of the feed nozzle.
  • the material outlet or nozzle opening can have a slot-shaped cross-section that tapers over a certain angle.
  • the slot-shaped cross-section can be essentially square or rectangular.
  • the width of the slot-shaped cross-section can be significantly larger than the depth.
  • the width can be 5 to 30 mm, while the depth can be 1 to 3 mm. This makes it possible to produce a material strand with a small thickness but sufficient width. A sufficient width is necessary in order to be able to coat the substrate quickly, economically and efficiently.
  • the taper angle at the material outlet can be, for example, 1 to 7°.
  • the taper angle therefore causes an increasing flow velocity, which is advantageous for the production of the material layer.
  • the distance between the feed nozzle or the material outlet of the feed nozzle and the substrate can be in the range of e.g. 1 S to 4 S, where S is the desired layer thickness.
  • the smoothing blade can have a front side that can be brought into contact with the material to be smoothed, as well as a rear side opposite the front side.
  • the rear side of the smoothing blade can be supported by a support blade, with the force generating device acting on the support blade.
  • the smoothing squeegee can consist of a plastic sheet and thus be unstable in terms of its shape.
  • a direct effect of the force generating device, e.g. a pressure piston, on the unstable smoothing squeegee would disturb the shape of the smoothing squeegee, so that the smoothing squeegee could no longer fulfil its task of evenly smoothing the surface of the material to be smoothed.
  • the supporting squeegee behind it is dimensionally stable and can consist of a spring sheet or spring steel, for example. It is able to absorb the force from the force generating device and transfer it evenly across the entire back of the smoothing squeegee, or at least part of it. The supporting squeegee thus ensures that the smoothing squeegee retains its flat shape and cannot be deformed when force is applied by the force generating device.
  • the force generating device can have a pressure piston that acts against the back of the smoothing squeegee or against the back of the supporting squeegee. As already explained above, it is particularly advantageous if the force generating device acts on the back of the supporting squeegee so that the force of the force generating device can be transferred evenly and over a large area from the supporting squeegee to the smoothing squeegee.
  • the pressure piston can be actuated pneumatically, for example, which allows good controllability.
  • At least part of the smoothing blade can be supported on its front side by a return blade.
  • the return blade can consist of a sheet or spring sheet and can extend, for example, only half or only a third of the front surface of the smoothing blade. It should be ensured that the return blade does not come into contact with the substrate or the flowable material to be smoothed. Contact should only be made via the smoothing blade.
  • the return squeegee Due to its spring action, the return squeegee generates a counterforce to the force of the force generating device, which is introduced via the support squeegee.
  • the return squeegee can move the smoothing squeegee together with the support squeegee back to their starting position or rest position, particularly when the force of the force generating device is reduced or switched off completely.
  • a coating system for coating a cylindrical substrate with a flowable material comprising a coating device of the type described above; a substrate holder for supporting the cylindrical substrate; a translation device for moving the coating device in a translation direction; a rotation device for moving the substrate supported by the substrate holder in a rotation direction; and a motion controller which is designed to coordinate the movement by the translation device with the movement of the rotation device such that the coating device performs a spiral movement relative to the substrate.
  • the coating device can be moved relative to the rotating substrate.
  • the translation direction 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 by superimposing the rotation of the substrate and the translation of the coating device. This allows the flowable material to be applied evenly to the surface of the substrate, taking up a spiral path.
  • the path elements should be placed next to each other without gaps so that the remaining small gap can be easily closed by the action of the smoothing blade.
  • the spiral movement can be set so precisely that practically no gaps arise between the adjacent layers.
  • a positioning device can be provided for positioning the coating device relative to the substrate in the radial direction of the substrate.
  • the feed nozzle and the smoothing blade can be positioned, i.e. held and/or moved, relative to the substrate.
  • the positioning device can comprise a distance control device, wherein the distance control device can comprise a distance measuring device for measuring the distance between the coating device and the substrate, and wherein the distance control device can comprise a distance setting device for adjusting the distance of the coating device to the substrate such that the distance corresponds to a predetermined value.
  • the distance measurement can be carried out inductively, capacitively or laser-based, so that the distance can be adjusted variably and mechanically precisely.
  • the distance measuring device therefore represents a distance sensor.
  • a method for coating a cylindrical substrate with a flowable material 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 be, for example, the nanocomposite known from WO 2021/052641 Al.
  • the polymer coating of the gravure cylinder is suitable for small depressions to be created by laser treatment, in particular with a near-field infrared laser (NIR). so-called cells are created which can absorb the printing ink and transfer it to the object to be printed.
  • the polymer layer must have a relatively low thickness (layer thickness) of eg 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.
  • This allows flowable polymer material with a width of e.g. a few millimeters, e.g. 5 mm to 30 mm, to be applied to the outside of the substrate 1 using the coating device 2.
  • the spiral relative movement allows one polymer layer to be applied next to the other in a spiral or helical manner, so that ultimately the entire surface of the substrate or part of it is uniformly covered with a polymer layer.
  • smoothing elements 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 supporting blade 11 is arranged over the entire back surface of the smoothing blade 10.
  • the supporting blade 11 can be made of spring steel. The supporting blade 11 thus supports the shape of the smoothing blade 10 and ensures a sufficiently large pressing force of the smoothing blade 10 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 rear 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 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 force of the smoothing squeegee 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 be a supplement to those shown in Fig. 1 shown components, so that the entire layer production system combines the components of Fig. 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 have the coating device 2 shown in Fig. 1 and the curing 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 cured by the curing 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 curing 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 rotation direction R, resulting in the spiral movement S. In this way, the curing device 20 with the UV light device 21 can cover the entire surface of the polymer layer applied to the outer surface of the substrate 1 and in this way 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 at the bottom of which the UV light can exit via 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 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 is introduced via a gas inlet 29 can be introduced into the hardening gap 27.
  • the induction nozzle 28 is arranged at the end of an induction funnel 30, which is connected to an induction 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 hardening gap 27 cannot be completely sealed off 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 curing gap 27 is sealed on all sides, ie 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 which 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 (described later), it is possible to ensure that only a relatively small portion of the inert gas escapes into the environment, while the other portion is sucked out via the measuring chamber.
  • a lambda probe (Z 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 sucked out of 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.

Landscapes

  • Coating Apparatus (AREA)

Abstract

Es wird eine Beschichtungsvorrichtung (2) zum Beschichten eines zylindrischen Substrats (1) mit einem fließfähigen Material angegeben, mit einer Zuführdüse (6) zum Aufbringen des Materials auf das Substrat (1); mit einem Glättrakel (10), das stromab von der Zuführdüse (6) angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, um eine Oberfläche des auf dem Substrat (1) aufgebrachten Materials zu glätten; und mit einer Krafterzeugungseinrichtung (14, 15) zum Aufbringen einer Kraft auf das Glättrakel (10) und damit Auslenken des Glättrakels (10) aus einer Ruhestellung und Bewegen des Glättrakels (10) in Richtung der Oberfläche des auf dem Substrat (1) aufgebrachten Materials; wobei die von der Krafterzeugungseinrichtung (14, 15) auf das Glättrakel (10) aufbringbare Kraft veränderbar ist; und wobei die Krafterzeugungseinrichtung (14, 15) eine Kraftsteuerung aufweist, zum Einstellen der durch die Krafterzeugungseinrichtung auf das Glättrakel (10) aufbringbaren Kraft.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Beschichten eines zylindrischen Körpers mit einem Polymer
Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem fließfähigen Material.
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.
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.
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.
Die Anforderungen an die Oberflächenqualität der Polymerbeschichtung sind hoch, da diese unmittelbar die Druckqualität beeinflussen kann, wenn es sich bei dem zylindrischen Substrat um einen Druckzylinder, wie z.B. einem Tiefdruckzylinder handelt. Eine ungleichmäßige Polymeroberfläche würde sich in einem schlechten Druckbild niederschlagen.
Für dünne metallische Verschleißschutzschichten haben sich galvanische Verfahren sowie Vakuumverfahren wie PVD oder CVD etabliert. Bei dickeren Hartstoffschichten sind unter anderem Flammspritzverfahren wie das HVOF-Verfahren bekannt. Dünne Kunststoffüberzüge können z.B. mittels Sprühverfahren, z.B. bei niedrig viskosen Lacken oder Pulvern, aufgetragen werden.
Bei Bahnbeschichtungen können Walzen-, Rakel-, Schlitzdüsenbeschichtungen oder Druckverfahren verwendet werden.
Dickere Kunststoffschichten werden häufig mittels Extruder aufgebracht. Dabei kommt es zu Überlappungen, die zu großen Schichtdickenschwankungen führen können.
Die genannten Verfahren können jedoch entweder die geforderte Oberflächenqualität und Gleichmäßigkeit der Schichtdicke nicht erreichen oder nicht wirtschaftlich betrieben werden.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen eine format- und umfangsunabhängige, gleichzeitig aber auch effiziente, genaue und nahtlose Beschichtung von verschiedenen zylinderförmigen Substraten mit einem fließfähigen Material ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Beschichtungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem fließfähigen Material angegeben, mit einer Zufuhrdüse zum Aufbringen des Materials auf ein Substrat; mit einem Glättrakel, das stromab von der Zuführdüse angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, um eine Oberfläche des auf dem Substrat aufgebrachten Materials zu glätten; und mit einer Krafterzeugungseinrichtung zum Aufbringen einer Kraft auf das Glättrakel und damit Auslenken des Glättrakels aus einer Ruhestellung und Bewegen des Glättrakels in Richtung der Oberfläche des auf dem Substrat aufgebrachten Materials; wobei die von der Krafterzeugungseinrichtung auf das Glättrakel aufbringbare Kraft veränderbar ist; und wobei die Krafterzeugungseinrichtung eine Kraftsteuerung aufweist, zum Einstellen der durch die Krafterzeugungseinrichtung auf das Glättrakel aufbringbaren Kraft.
Bei dem zu beschichtenden zylindrischen Substrat kann es sich um Walzen aller Art handeln, insbesondere um Druckformen, wie Tiefdruckformen oder -Zylinder, Strukturformen oder -Zylinder, Prägeformen oder -Zylinder sowie Hochdruckformen oder -Zylinder oder Beschichtungswalzen sowie Einfärbewalzen, z.B. für den Flexodruck.
Bei dem fließfähigen Material kann es sich insbesondere um ein fließfähiges Polymermaterial handeln.
Z.B. kann es sich um ein polymeres Beschichtungsmaterial handeln, wie es z.B. in der WO 2021 /052641 Al beschrieben ist. Insbesondere kann es sich bei dem Polymer um ein 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-mikroskaligen Füllstoff einen weiteren Füllstoff enthält, wobei der sub-mikroskalige Füllstoff in Partikelform vorliegt 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, TiC>2 oder (Sn, Sb)C>2, wobei es sich bei dem nanoskaligen Füllstoff um Metall- und/oder Halbmetalloxide handelt, ausgewählt aus AI2O3, SiO2, iC>2, ZrC>2 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.
Das Glättrakel ist stromab von der Zuführdüse angeordnet und eignet sich dazu, die auf das Substrat aufgebrachte Materialschicht zu glätten und dabei insbesondere Zwischenräume und Spalte, die beim Aufträgen des Materials zwischen benachbarten Materiallagen entstanden sind, zu schließen.
Dazu wird das Glättrakel mit Hilfe der Krafterzeugungseinrichtung auf die Materialschicht aufgedrückt, wobei die Anpresskraft idealerweise geregelt ist. Eine zu große Anpresskraft führt zu einer großen Veränderung der Schichtdickenverteilung, während eine zu geringe Anpresskraft ein Schließen des Übergangsspalts zwischen den benachbarten Schichten verhindert. Es hat sich dabei gezeigt, dass aufgrund von unterschiedlichen Viskositäten, Oberflächenspannungen und anderen Materialvariablen verschiedene Flächenpressungen durch das Glättrakel realisierbar sein sollten.
Das Glättrakel kann aus einem dünnen Kunststoffblatt bestehen, das sich in geeigneter Weise verformen lässt, so dass es sich an die Oberfläche des zu glättenden Materials anpasst.
Die Krafterzeugungseinrichtung ist dazu ausgebildet, um das Glättrakel aus seiner Ruhestellung auszulenken und zu bewegen. Die Ruhestellung ist insoweit eine Ausgangsstellung. Mit Hilfe der Krafterzeugungseinrichtung und der damit gekoppelten Kraftsteuerung kann, die durch die Krafterzeugungseinrichtung auf das Glättrakel aufgebrachte Kraft präzise eingestellt werden, damit das Glättrakel seinerseits mit der entsprechenden Kraft auf das zu glättende Material aufgedrückt wird.
Die Schichtstärke des Materials kann z.B. 10 bis 500 fim, insbesondere 10 bis 250 /zm als Soll-Schichtstärke betragen. Die Abweichung von der Soll-Schichtstärke sollte geringfügig sein, und z.B. in einem Bereich von bis zu +5% oder bis zu ±3% liegen.
Es kann eine Fördereinrichtung vorgesehen sein, zum Fördern des fließfähigen Materials von einem Materialvorrat zu der Zuführdüse. Insbesondere fließfähiges Polymer erfordert eine anspruchsvolle Förderung. Diese kann z.B. durch eine Spritzenpumpe, eine Exzenterschneckenpumpe bzw. einen Dispenser verwirklicht werden. Gegebenenfalls kann ein Sieb oder ein Filter an geeigneter Stelle zwischengeschaltet sein.
Der Materialfluss sollte pulsationsfrei, konstant und hinreichend genau einstellbar sein, um die Schichtstärke in der gewünschten Genauigkeit und Qualität zu erreichen. Die zulässigen Abweichungen bei der Materialförderung können je nach Anforderung gering sein und z.B. bis zu ±3% oder besser bis zu +1 % betragen.
Die Zuführdüse kann eine zylindrische Zuführung und einen sich in Fließrichtung daran anschließenden Materialauslass aufweisen. Der Materialauslass endet dann an der Düsenöffnung der Zuführ düse.
Der Materialauslass bzw. die Düsenöffnung kann einen schlitzförmigen Querschnitt aufweisen, der sich über einen bestimmten Winkel verjüngt. Der schlitzförmige Querschnitt kann im Wesentlichen viereckig bzw. rechteckig sein. Um eine Beschichtung mit geringer Schichtdicke auf dem Substrat zu erzeugen, sollte dabei die Breite des schlitzförmigen Querschnitts deutlich größer als die Tiefe sein. Z.B. kann die Breite 5 bis 30 mm betragen, während die Tiefe 1 bis 3 mm betragen kann. Damit kann ein Materialstrang mit geringer Dicke aber ausreichender Breite erzeugt werden. Eine ausreichende Breite ist notwendig, um das Substrat wirtschaftlich und effizient schnell beschichten zu können.
Der Verjüngungswinkel am Materialauslass kann z.B. 1 bis 7° betragen. Der Verjüngungswinkel bewirkt dadurch eine zunehmende Fließgeschwindigkeit, die für die Erzeugung der Materialschicht vorteilhaft ist.
Der Abstand zwischen der Zuführdüse bzw. dem Materialauslass der Zuführdüse und dem Substrat kann im Bereich von z.B. 1 S bis 4 S liegen, wobei S die gewünschte Schichtstärke ist.
Das Glättrakel kann eine Vorderseite aufweisen, die mit dem zu glättenden Material in Kontakt bringbar ist, sowie eine zu der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite. Dabei kann die Rückseite des Glättrakels durch ein Stützrakel abgestützt sein, wobei die Krafterzeugungseinrichtung auf das Stützrakel wirkt.
Das Glättrakel kann, wie oben bereits erläutert, aus einem Kunststoffblatt bestehen und damit hinsichtlich seiner Form instabil sein. Eine direkte Einwirkung der Krafterzeugungseinrichtung, z.B. eines Druckkolbens, auf das instabile Glättrakel würde die Form des Glättrakels stören, so dass das Glättrakel nicht mehr seine Aufgabe einer gleichmäßigen Glättung der Oberfläche des zu glättenden Materials erfüllen könnte. Das dahinterliegende Stützrakel hingegen ist formstabil und kann z.B. aus einem Federblech bzw. Federstahl bestehen. Es ist in der Lage, die Kraft von der Krafterzeugungseinrichtung aufzunehmen und gleichmäßig flächig auf die gesamte Rückseite oder jedenfalls einen Teil davon des Glättrakels zu übertragen. Das Stützrakel bewirkt somit, dass das Glättrakel seine ebene Form behält und nicht bei Krafteinwirkung durch die Krafterzeugungseinrichtung verformt werden kann.
Die Krafterzeugungseinrichtung kann einen Druckkolben aufweisen, der gegen die Rückseite des Glättrakels oder gegen die Rückseite des Stützrakels wirkt. Wie oben bereits erläutert, ist es dabei insbesondere vorteilhaft, wenn die Krafterzeugungseinrichtung auf die Rückseite des Stützrakels wirkt, damit die Kraft der Krafterzeugungseinrichtung gleichmäßig und flächig vom Stützrakel auf das Glättrakel übertragen werden kann. Der Druckkolben kann dabei z.B. pneumatisch betätigt werden, was eine gute Steuerbarkeit erlaubt. Wenigstens ein Teil des Glättrakels kann an seiner Vorderseite durch ein Rückstellrakel abgestützt sein. Das Rückstellrakel kann aus einem Blech bzw. Federblech bestehen und sich z.B. nur bis zur Hälfte der Vorderfläche des Glättrakels oder nur bis zu einem Drittel erstrecken. Dabei sollte sichergestellt sein, dass das Rückstellrakel nicht in Kontakt mit dem Substrat oder dem zu glättenden fließfähigen Material gerät. Der Kontakt sollte ausschließlich über das Glättrakel erfolgen.
Das Rückstellrakel erzeugt aufgrund seiner Federwirkung eine Gegenkraft zu der Kraft der Krafterzeugungseinrichtung, die über das Stützrakel eingebracht wird. Dabei kann das Rückstellrakel insbesondere dann, wenn die Kraft der Krafterzeugungseinrichtung reduziert wird oder ganz abgeschaltet wird, das Glättrakel zusammen mit dem Stützrakel in deren Ausgangsstellung bzw. Ruhestellung zurückbewegen.
Es kommt auf diese Weise zu einem Zusammenwirken zwischen der Krafterzeugungseinrichtung und dem Rückstellrakel, so dass die Stellung und Position des Glättrakels mit dem Stützrakel stets definiert ist und durch die Krafterzeugungseinrichtung bestimmt werden kann. Je größer die Kraft von der Krafterzeugungseinrichtung ist, desto stärker wird das Glättrakel gegen die Wirkung des Rückstell- rakels ausgelenkt. Wird die Kraft von der Krafterzeugungseinrichtung hingegen reduziert, drängt das Rückstellrakel das Glättrakel wieder zurück in seine Ausgangsstellung.
Es wird weiterhin ein Beschichtungssystem zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem fließfähigen Material angegeben, mit einer Beschichtungsvorrichtung der oben beschriebenen Art; mit einer Substrataufnahme zum Tragen des zylindrischen Substrats; mit einer Translationseinrichtung zum Bewegen der Beschichtungsvorrichtung 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 Beschichtungsvorrichtung relativ zu dem Substrat eine Spiralbewegung vollzieht.
Auf diese Weise kann die Beschichtungsvorrichtung 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 Beschichtungsvorrichtung kann die gewünschte relative Spiralbewegung erreicht werden. Damit kann das fließfähige Material auf der Oberfläche des Substrats gleichmäßig aufgebracht werden und nimmt dabei eine spiralförmige Bahn ein, wobei die Bahnelemente lückenlos nebeneinander platziert sein sollten, so dass der verbleibende geringe Spalt problemlos durch die Wirkung des Glättrakels verschlossen werden kann. Im Idealfall lässt sich die Spiralbewegung derart präzise einstellen, dass praktisch keine Spalte zwischen den nebeneinanderliegenden Lagen entstehen.
Es kann eine Positionierungseinrichtung vorgesehen sein, zum Positionieren der Beschichtungsvorrichtung relativ zu dem Substrat in Radialrichtung des Substrats. Auf diese Weise können insbesondere die Zuführdüse und das Glättrakel relativ zu dem Substrat positioniert, also gehalten und/oder bewegt werden.
Die Positionierungseinrichtung kann eine Abstandsregeleinrichtung aufweisen, wobei die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsmesseinrichtung zum Messen des Abstands zwischen der Beschichtungsvorrichtung und dem Substrat aufweisen kann, und wobei die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsstelleinrichtung aufweisen kann, zum Einstellen des Abstands der Beschichtungsvorrichtung zu dem Substrat, derart, dass der Abstand einem vorgegebenen Wert entspricht.
Die Abstandsmessung kann dabei induktiv, kapazitiv oder lasergestützt erfolgen, so dass der Abstand variabel und mechanisch präzise eingestellt werden kann. Die Abstandsmesseinrichtung stellt insoweit einen Abstandssensor dar.
Es wird ein Verfahren zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem fließfähigen Material angegeben, mit den Schritten:
Bereitstellen einer Beschichtungsvorrichtung, mit einer Zuführdüse zum Aufbringen des Materials auf ein Substrat und mit einem Glättrakel, zum Glätten einer Oberfläche des auf dem Substrat aufgebrachten Materials Bewegen des Substrats in eine Rotationsrichtung;
Bewegen der Beschichtungsvorrichtung entlang einer Oberfläche des Substrats parallel zu einer Achse des Substrats; während dem Bewegen des Substrats und der Beschichtungsvorrichtung: Aufbringen des Materials auf das Substrat durch die Zuführ düse;
Glätten einer Oberfläche des auf dem Substrat aufgebrachten Materials durch das Glättrakel; während des Glättens Aufbringen einer Kraft auf das Glättrakel; Regeln der durch auf das Glättrakel aufgebrachten Kraft auf einen voreingestellten Wert.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Beschichtungssystem zum Aufträgen einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat;
Fig. 2 eine Beschichtungsvorrichtung als Teil des Beschichtungssystems von Fig. 1 , zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem Polymer;
Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht zu der Vorrichtung von Fig. 2;
Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung "C" aus Fig. 2;
Fig. 5 ein Härtungssystem zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat;
Fig. 6 eine Härtungsvorrichtung als Teil des Härtungssystems von Fig. 5;
Fig. 7 eine Ausschnittsvergrößerung zu der Härtungsvorrichtung von Fig. 6; und
Fig. 8 eine geschnittene seitliche Teilansicht zu der Härtungsvorrichtung von Fig- 6.
Fig. 1 zeigt in Perspektivansicht ein Beschichtungssystem als Teil eines Schichterzeugungssystems zum Erzeugen einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat 1.
Bel 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 relativ geringe Dicke (Schichtstärke) von z.B. 10 /zm bis 500 zm, insbesondere 10 zm bis 250 /zm aufweisen.
Das Substrat 1 bzw. der Tiefdruckzylinder ist in einer nicht gezeigten Aufnahme in einer Rotationsrichtung R drehbar gehalten.
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.
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.
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. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
An der Rückseite des Glättrakels 10 ist ein Stützrakel 1 1 über die gesamte Rückenfläche des Glättrakels 10 angeordnet. Das Stützrakel 1 1 kann das 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.
Fig. 4 zeigt das Glättrakel 10 und das Stützrakel 1 1 in vergrößerter Darstellung.
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.
Die Rakel 10, 1 1 , 12 sind gemeinsam seitlich an einer Rakelbefestigung 13 an dem Trägerkörper 5 befestigt.
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 das Glättrakel 10 angepresst 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.
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.
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.
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 .
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.
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.
Am Umfang des Substrats 1 ist eine Härtungsvorrichtung 20 angeordnet, die die Polymerschicht mit Hilfe von UV-Licht härtet.
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-Lichtbestrahlung 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.
Bei der UV-Härtung von Polymeren mittels LED besteht die Gefahr, dass 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Quarzglasabdeckung 26 abgedeckt.
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.
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.
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.
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.
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.
In der Messkammer 35 ist eine Lambdasonde (Z-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.

Claims

Patentansprüche
1. Beschichtungsvorrichtung (2) zum Beschichten eines zylindrischen Substrats ( 1 ) mit einem fließfähigen Material, mit einer Zuführdüse (6) zum Aufbringen des Materials auf das Substrat ( 1 ); einem Glättrakel ( 10), das stromab von der Zuführdüse (6) angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, um eine Oberfläche des auf dem Substrat ( 1 ) aufgebrachten Materials zu glätten; und mit einer Krafterzeugungseinrichtung ( 14, 15) zum Aufbringen einer Kraft auf das Glättrakel ( 10) und damit Auslenken des Glättrakels ( 10) aus einer Ruhestellung und Bewegen des Glättrakels ( 10) in Richtung der Oberfläche des auf dem Substrat ( 1 ) aufgebrachten Materials; wobei die von der Krafterzeugungseinrichtung ( 14, 15) auf das Glättrakel ( 10) aufbringbare Kraft veränderbar ist; und wobei die Krafterzeugungseinrichtung ( 14, 15) eine Kraftsteuerung aufweist, zum Einstellen der durch die Krafterzeugungseinrichtung auf das Glättrakel ( 10) aufbringbaren Kraft.
2. Beschichtungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1 , mit einer Fördereinrichtung zum Fördern des fließfähigen Materials von einem Materialvorrat zu der Zuführdüse (6).
3. Beschichtungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zuführdüse (6) eine zylindrische Zuführung (8) und in einen sich in Fließrichtung daran anschließenden Materialauslass aufweist.
4. Beschichtungsvorrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Materialauslass einen schlitzförmigen Querschnitt aufweist, der sich über einen bestimmten Weg verjüngt.
5. Beschichtungsvorrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glättrakel ( 10) eine Vorderseite aufweist, die mit dem zu glättenden Material in Kontakt bringbar ist, und eine zu der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite; die Rückseite des Glättrakels ( 10) durch ein Stützrakel ( 1 1 ) abgestützt ist; und wobei die Krafterzeugungseinrichtung ( 14, 15) auf das Stützrakel ( 1 1 ) wirkt. . Beschichtungsvorrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Krafterzeugungseinrichtung einen Druckkolben ( 14) aufweist, der gegen die Rückseite des Glättrakels ( 10) oder gegen eine Rückseite des Stützrakels ( 1 1 ) wirkt. . Beschichtungsvorrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Teil des Glättrakels ( 10) an seiner Vorderseite durch ein Rückstellrakel ( 12) abgestützt ist. . Beschichtungssystem zum Beschichten eines zylindrischen Substrats ( 1 ) mit einem fließfähigen Material, mit einer Beschichtungsvorrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche; einer Substrataufnahme zum Tragen des zylindrischen Substrats ( 1 ); einer Translationseinrichtung zum Bewegen der Beschichtungsvorrichtung (2) in einer Translationsrichtung (X); einer Rotationseinrichtung zum Bewegen des von der Substrataufnahme getragenen Substrats ( 1 ) 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 Beschichtungsvorrichtung (2) relativ zu dem Substrat eine Spiralbewegung (S) vollzieht. . Beschichtungssystem nach Anspruch 8, wobei eine Positionierungseinrichtung vorgesehen ist, zum Positionieren der Beschichtungsvorrichtung (2) relativ zu dem Substrat ( 1 ) in Radialrichtung (Z) des Substrats ( 1 ). . Beschichtungssystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Positionierungseinrichtung eine Abstandsregeleinrichtung aufweist; die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsmesseinrichtung (3) zum Messen des Abstands zwischen der Beschichtungsvorrichtung und dem Substrat aufweist; und wobei die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsstelleinrichtung aufweist, zum Einstellen des Abstands der Beschichtungsvorrichtung zu dem Substrat, derart, dass der Abstand einem vorgegebenen Wert entspricht. 1. Verfahren zum Beschichten eines zylindrischen Substrats ( 1 ) mit einem fließfähigen Material, mit den Schritten: Bereitstellen einer Beschichtungsvorrichtung (2), mit einer Zuführdüse (6) zum Aufbringen des Materials auf das Substrat (1) und mit einem Glättrakel (10) zum Glätten einer Oberfläche des auf dem Substrat (1) aufgebrachten Materials; - Bewegen des Substrats (1) in eine Rotationsrichtung;
Bewegen der Beschichtungsvorrichtung (2) entlang einer Oberfläche des Substrats (1) parallel zu einer Achse des Substrats (1); während dem Bewegen des Substrats (1) und der Beschichtungsvorrichtung (2): Aufbringen des Materials auf das Substrat (1) durch die Zuführdüse (6); - Glätten einer Oberfläche des auf dem Substrat (1) aufgebrachten Materials durch das Glättrakel (10); während des Glättens Aufbringen einer Kraft auf das Glättrakel (10);
Regeln der durch auf das Glättrakel (10) aufgebrachten Kraft auf einen voreingestellten Wert.
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