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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, wie sie im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 näher
umrissen ist. Als Schmelze dient vorzugsweise ein Kunststoff, insbesondere
von thermoplastischer Art, der über
seinen Schmelzpunkt erhitzt wurde. Die Erhitzung kann vorzugsweise
in einem Extruder oder in einem Durchlaufofen durchgeführt sein.
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Eine
solche Vorrichtung ist im Prinzip beispielsweise aus der
DE 199 43 604 C2 vorbekannt. Dort
ist eine Reihe von Vorrichtungen vorgeschlagen worden, welche die
vielschichtigen Probleme bei der Herstellung einer flachen geprägten Bahn
lösen sollen.
Insbesondere bei der Herstellung von scharfkantigen Gravuren besteht
ein wesentliches Problem darin, dass während der Abkühlung einer
erhitzten Kunststoffschmelze spitze Erhebungen dazu neigen, sich
zusammen zu ziehen, mit der Folge, dass an der fertigen Bahn, am
Produkt, keine wirklich scharfen Kanten mehr vorhanden sind. Dieses
Ergebnis ist insbesondere bei präzisen
optischen Platten, z. B. aus PMMA oder dergleichen, oft nicht zu
tolerieren und führt
dort zu einer außerordentlich
hohen Ausschussquote, welche die Fertigung erheblich verteuert.
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Ein
weiteres Problem ist die Sicherstellung der erforderlichen Temperaturverhältnisse:
Zum Einen muß sicher
gestellt werden, dass zu Beginn der Prägung die Kunststoffschmelze
eine ausreichende Temperatur hat, damit die Prägeform gut ausgefüllt wird.
Diese Prägetemperatur
ist abhängig
vom Schmelzpunkt des jeweiligen Kunststoffs und kann z. B. bei etwa
200°Celsius
liegen. Diese Prägetemperatur
muss folglich im Walzenspalt der Vorrichtung, also zwischen der
Einlaufwalze und der Gravurhülse, ständig vorhanden
sein.
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Zum
Zweiten muss die geprägte
und noch weiche Bahn so schnell wie möglich, z. B. auf 70°Celsius,
abgekühlt
werden, damit sie im erstarrten und stabilen Zustand abgezogen oder
weiter verarbeitet werden kann. Beim Abzug muss sie soweit verfestigt sein,
dass sie sich bei der weiteren Behandlung nicht mehr plastisch verformen
kann; denn nach einer plastischen Verformung würde sie unbrauchbar werden.
Je schneller die Abkühlung
bei akzeptablem Ergebnis der Prägestruktur
verläuft,
desto höher
ist somit der Ausstoß pro
Zeiteinheit, die Produktivität
der Vorrichtung.
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Bei
den verschiedenen Vorschlägen
nach der genannten Druckschrift ist einerseits zu finden, dass die
relativ dünne
Gravurhülse
aus Stabilitätsgründen auf
den Mantel einer Zylinderwalze aufgebracht wird. Dies führt jedoch
zu einer Massenanhäufung
mit der Folge, dass eine relativ große Masse vor dem Walzenspalt
schnell aufgeheizt und danach aber möglichst schnell wieder abgekühlt werden muß. Um diesen
abrupten Temperaturwechsel am Umfang der Gravurhülse überhaupt durchführen zu können, ist
einerseits eine große
Heizleistung und andererseits eine unmittelbar nachgeschaltete große Kühlleistung
erforderlich. Dies führt
zwangsweise zu einem sehr hohen vorrichtungstechnischen und ernergetischen
Aufwand, zum Beispiel zu einer kombinierten inneren und äußeren Kühlung, wobei
aber immer noch eine relativ große Verweilzeit der erstarrenden
und sich dabei verfestigenden Kunststoffschmelze an der Gravurhülse erforderlich
ist.
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In
der älteren
DE 199 00 381 A1 ist
die Gravurhülse
radial auf zwei seitlichen massiven Walzenscheiben gelagert und
ist eine sehr große
Innendruckrolle angeordnet, so dass sich ein relativ großer flächiger Kontakt
zwischen der Innendruckrolle und der Gravurhülse ergibt.
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Hingegen
zeigt der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, vergleiche
12 der
DE 199 43 604 C2 , schon eine Vorrichtung,
bei der die Gravurhülse
ohne weitere tragenden Teile nur auf einer relativ großen Stützwalze
gelagert ist. Die Stützwalze
hat dort einen Durchmesser, der jedoch noch größer ist als der Radius der
Gravurhülse.
Hier ist im Prinzip nur eine geringe Massenanhäufung vorhanden. Um jedoch
die Stabilität
einer derart einseitig gelagerten Gravurhülse sicher zu stellen, muss
sie eine gewisse Wanddicke haben, was wiederum ihre Masse zwangsläufig vergrößert. Offenbar
ist daher auch hier einerseits eine Beheizung der Gravurhülse über einen
größeren Umfangsbereich
und andererseits eine innere und äußere Kühlung der Gravurhülse über einen
größeren Umfangsbereich
vorgesehen. Außerdem
wird ausdrücklich
die Beheizung auch der Stützwalze
empfohlen, vergleiche dortigen Anspruch 14, was zu einem wesentlich
erhöhten
vorrichtungstechnischen Aufwand führt, zu dem diese Schrift jedoch
keine Ausführungen
macht.
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Ausgehend
von den zuvor geschilderten Gegebenheiten und Anforderungen liegt
der Erfindung das Bestreben zu Grunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art
zu schaffen, mit der aus einer erhitzten Schmelze qualitativ hochwertige
geprägte Produkte
bei hoher Produktivität
herstellbar sind.
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Um
dies zu erreichen, sieht die Erfindung vor, dass bei einer Vorrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Gravurhülse in ihrem
Innern nicht nur auf zumindest einer Druckrolle gelagert ist, sondern
dass die Gravurhülse über ihren sonstigen
inneren Umfang auf einer Vielzahl von Tragrollen gelagert ist.
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Diese
Lagerung der Gravurhülse
stellt zunächst
sicher, dass durch die Druckrolle im Bereich des Walzenspalts die
erforderliche Prägekraft
zur Herstellung von scharfkantigen Ausprägungen aufgebracht wird. Gleichzeitig
kann die Gravurhülse
sich über
eine Vielzahl von Punkten radial abstützen. Diese radiale Abstützung führt zwangsläufig zu
einem gleichmäßigen, stabilen
Rundlauf der Gravurhülse, die
nun trotz ihrer wechselnden Temperaturbelastung über ihren Umfang sehr dünnwandig
ausgebildet sein kann und ihre runde Form während des Prägevorgangs
dennoch weitgehend beibehält.
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Infolge
ihrer nun geringen eigenen Masse und infolge ihres nur linienförmigen Kontakts
mit weiteren Massen, nämlich
nur mit der Druckrolle und ihren Tragrollen, kann sie nun an ihrem
jeweiligen massearmen Umfangsbereich sehr schnell aufgeheizt bzw.
wieder abgekühlt
werden. Mit anderen Worten: Die ansonsten vorliegenden Verluste,
die durch die Aufheizung bzw. Kühlung
von bisher vorhandenen großen,
sich zumindest berührenden
Massen zwangsläufig
entstehen, sind entscheidend minimiert worden.
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Die
vorstehend erläuterten
neuen Gegebenheiten führen
letztendlich dazu, dass die Produktionsgeschwindigkeit der Vorrichtung
wesentlich erhöht
werden kann, ohne dass darunter die Qualität der Produkte leidet. Der
schnelle Temperaturwechsel, sozusagen nach Art eines „thermisches
Wanderfelds", über den
Umfang der Gravurhülse
führt nun
zu einer ausgesprochen scharfkantigen Ausbildung der Prägungen,
die bei einer Prismenform unter 10 μ liegen.
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Außerdem wird
der Energieaufwand zur Aufheizung und Abkühlung der Vorrichtung entscheidend
vermindert, was wiederum die Produktionskosten erheblich senkt.
Schließlich
führt die
nun mögliche
Verkleinerung der Heizungs- und Kühlvorrichtungen zu einer kompakten
Bauweise der Vorrichtung insgesamt. Diese ermöglicht eine Einsparung von Ausgaben,
die nun für
die Anordnung der Tragrollen eingesetzt werden können, so dass im Ergebnis die Herstellkosten
der Vorrichtung entweder praktisch gleich bleiben oder sich sogar
noch vermindern, während
sich die laufenden Herstellkosten infolge der verminderten Energiekosten
in jedem Fall vermindern.
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Ähnlich wie
die Druckrolle in der Regel als bahnbreite Druckwalze mit ebener
Mantelfläche
ausgebildet ist, kann auch eine Tragrolle ebenfalls als derartige,
zumindest bahnbreite Tragwalze ausgebildet sein. In der Regel kann
es genügen,
wenn die Gravurhülse
auf einer einzigen, relativ großen
Druckrolle gelagert ist. Was nicht ausschließt, dass auch zwei oder mehrere
relativ kleine Druckrollen möglich sind.
Relativ groß bedeutet
hier, dass der Durchmesser der Druckrolle(n) jedoch möglichst
kleiner ist als der innere Radius der Gravurhülse. Zu beachten ist hier,
dass infolge der beteiligten elastischen Verformungen der Werkstoffe
und Bauteile eine große Druckrolle
auch zu einer entsprechend großen
Kontaktfläche
mit der Gravurhülse
führt.
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Eine
gute Anpassung an den idealen Durchmesser der Gravurhülse ist
erzielbar, indem die Lagerachsen der Tragrollen und/oder der Druckrolle(n), über Verstellmittel
radial verstellbar sind. Zudem kann der die Gravurhülse tragende „Durchmesser", gebildet durch
die Tragrollen und Druckrolle(n), vermindert werden. Dies hat auch
zur Folge, dass die Gravurhülse
leicht montiert und demontiert werden kann, was einen Austausch
oder Wechsel der Gravurhülse
sehr erleichtert. Ein solcher Wechsel kann z. B. erforderlich sein,
wenn ein übermäßiger Verschleiß vorliegt,
oder wenn eine andere Prägestruktur
gewünscht
wird. Solche Verstellmittel können
rein mechanischer Art sein und beispielsweise Hebeleinrichtungen umfassen.
Sehr bequem und gut steuerbar sind jedoch insbesondere Verstellmittel,
die als druckmittelbetätigte
Kolben ausgebildet sind.
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Um
eine unerwünschte
Wärmeleitung
von der Gravurhülse
auf die Tragrollen und eventuell ihren Antrieb, und umgekehrt, weitgehend
zu unterbinden, kann vorgesehen werden, dass zumindest die Tragrollen
zumindest überwiegend
aus einem hochwarmfesten und Wärme
schlecht leitenden Material bestehen. Darüber hinaus kann auch die Druckrolle zumindest
außen
oder überwiegend
aus derartigem Material bestehen. Vorzugsweise ist ein solches Material
auf der Basis von Phenol, Melamin oder Epoxy aufgebaut. Der Fachmann
kann hierzu auch auf weitere Werkstoffe zurückgreifen, die in der Bremsen- und
Kupplungstechnik oder beim Wärmeschutz
eingesetzt werden.
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Um
eine gute Lagerung der Gravurhülse
sicher zu stellen, genügt
es in der Regel, die Anzahl der Tragrollen auf fünf bis zwölf zu begrenzen, wobei die
maximale Anzahl durch die Größe des Durchmessers
der einzelnen Tragrolle im Verhältnis
zur Größe des Durchmessers
der Gravurhülse
begrenzt ist. Der Einfluss des Durchmessers auf den Wärmeübergang
wurde oben schon zur Druckrolle erläutert. Die Tragrollen können aus
Gründen
der Rationalisierung alle den gleichen Durchmesser haben.
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Üblicherweise
hat die Druckrolle einen größeren Durchmesser
als eine Tragrolle, insbesondere, wenn nur eine Druckrolle angeordnet
ist. Insbesondere ist der Durchmesser einer einzigen Druckrolle
in der Regel mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser einer
Tragrolle. Je größer der
Durchmesser der Druckrolle ist, desto weniger Raum steht für die Tragrollen,
bezüglich
ihres Durchmessers und ihrer Anzahl, zur Verfügung. Daher ist eine Abstimmung
im Einzelfall erforderlich.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird vorgesehen, dass zumindest die
Tragrollen angetrieben sind. Was nicht ausschließt, dass auch die Druckrolle
angetrieben ist.
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Zum
Antrieb dient bevorzugt ein ringförmiges Antriebsglied, das beispielsweise
als Zahnriemen oder Kette ausgebildet ist und vorzugsweise über ein entsprechendes
Antriebsritzel angetrieben wird.
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Eine
Tragrolle kann zwei unterschiedliche Durchmesser haben, die von
axial unterschiedlicher Breite sein können. Wird die Tragrolle angetrieben, so
kann vorgesehen sein, dass der größere Durchmesser über eine
große
Breite zum Tragen der Gravurhülse
und der kleinere Durchmesser über
eine kleine Breite zu ihrem Antrieb ausgebildet ist. Der kleinere
Durchmesserbereich der Tragrolle dient dann z. B. der Aufnahme des
Zahnriemens oder der Kette, ist also als passendes Ritzel ausgebildet.
Das Ritzel der Tragrolle kann aber auch außerhalb der Breite der Gravurhülse angeordnet
sein.
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Um
die Gravurhülse
bequem austauschen zu können,
wird vorgeschlagen, dass die Achse des Antriebsritzels zwischen
der Achse der Druckrolle und der Achse der Gravurhülse angeordnet
ist. Eine Variante hierzu besteht darin, dass Antriebsritzel und Gravurhülse sich
um dieselbe Achse drehen.
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Bei
der Erfindung wird des weiteren vorgeschlagen, dass die Kühlvorrichtung
ganz oder doch zumindest überwiegend
am Glättband
angeordnet ist. Damit ist ein gezieltes und energiesparendes Aufbringen
der Kühlung über das
Glättband
auf die glatte Seite der erstarrenden Bahn möglich.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, dass vor dem Walzenspalt eine auf die Schmelze
und/oder die Gravurhülse
gerichtete Heizvorrichtung angeordnet ist. Hierdurch ist nicht nur
ein gezieltes, sondern infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung und Lagerung der
Gravurhülse
auch energiesparendes Aufbringen der Heizwärme möglich, da Verlustwärme weitgehend
vermieden ist.
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Zum
gleichmäßigen Transport
des Produkts dient es, wenn an dem Glättband zusätzlich eine Spannwalze angeordnet
ist, die synchron zu dem Antriebsritzel angetrieben ist.
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Montage
und Austausch werden sehr erleichtert, wenn die Vorrichtung einen
Lagerkörper umfaßt, an dem
zumindest eine Gravurhülse
fliegend gelagert ist. Infolge ihrer einseitigen Lagerung kann nicht
nur die Gravurhülse
leicht montiert und ausgetauscht werden, sondern sind auch die von
ihr umfassten Bauteile leicht zugänglich. Hierzu kann vorgesehen
sein, dass an dem Lagerkörper
zwei Lagerschilde angebracht sind, an denen die Druckrolle(n) und
Tragrollen mitsamt der Gravurhülse
gelagert sind.
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Besonders
wirtschaftlich ist die vorgenannte Lagerung, wenn an dem Lagerkörper zwei
Gravurhülsen
in spiegelsymmetrischer Anordnung fliegend gelagert sind. Dann können z.
B. einerseits beide Antriebsritzel und andererseits beide Spannwalzen
von je einem gemeinsamen Motor angetrieben werden. Die Kunststoffschmelze
kann dann z. B. in zwei Bahnen unmittelbar von einem Doppelschlitz-Extruder oder
von zwei Extrudern zugeführt
werden.
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Weitere
besondere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung sind
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels entnehmbar.
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1 zeigt
die Vorrichtung in der Seitenansicht und in schematisch vereinfachter
Darstellung.
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2 zeigt
die Vorrichtung nach 1 in der Draufsicht, ohne Heizvorrichtung.
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3 zeigt
das Innere der Gravurhülse.
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4 zeigt
eine detaillierte Seitenansicht der Gravurhülse, entsprechend der 1.
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5 zeigt
den Schnitt V-V in 4.
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6 zeigt
den Schnitt VI-VI in 4.
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Die
Vorrichtung 1 ist spiegelsymmetrisch aufgebaut und umfasst
einen mittleren Lagerkörper 2 und
zwei seitlich daran angebrachte identische Kalandriervorrichtungen 3.
Jede Kalandriervorrichtung 3 umfasst zwei seitlich angeflanschte
Lagerschilde 4 und 5 (3 bis 6)
und eine um eine horizontale Achse X-X drehbar gelagerte Gravurhülse 6.
Des weiteren ein endlos umlaufendes Glättband 7, das über eine
Einlaufwalze 8 mit der Drehachse Y-Y, über einen Teil 9 des
Umfangs der Gravurhülse 6 – hier die Hälfte – über eine
Ablaufwalze 10 mit der Drehachse Z-Z und über eine
angetriebene Spannwalze 11 wieder zur Einlaufwalze 8 geführt ist.
Die Laufrichtung des Glättbandes 7 ist
mit L7, das Drehmoment der Spannwalze 11 mit M11, und Drehrichtung
der Gravurhülse 6 ist
mit D6 bezeichnet.
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Zwischen
dem über
die Einlaufwalze 8 geführten
Teil des Glättbandes 7 und
dem Umfang der Gravurhülse 6,
d. h. in der radialen Verbindungslinie der beiden Drehachsen X-X
und Y-Y, ist ein Walzenspalt 12 angeordnet. Vor dem Walzenspalt 12 erstreckt
sich über
einen Teil 13 des Umfangs der Gravurhülse 6 eine Heizvorrichtung 14,
und nach dem Einlaufspalt 12 erstreckt sich über einen
Teil 15 des Umfangs der Gravurhülse 6 eine Kühlvorrichtung 16, die
auf den dazwischen durchlaufenden Abschnitt des Glättbands 7 gerichtet
ist.
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Die
Vorrichtung 1 dient zum Prägen einer flachen Bahn, die
zunächst
als heißes,
formbares Schmelzenband 17 von oben, z. B. von einem Extruder,
dem Walzenspalt 12 zugeführt wird. Das Schmelzenband 17 wird
im Walzenspalt 12 zwischen der Gravurhülse 6 einerseits und
dem Glättband 7 und
der Einlaufwalze 8 andererseits in die gewünschte Form
gebracht. Hierbei wird durch die Oberfläche der Gravurhülse 6 auf
der einen Seite des Schmelzenbands 17 eine strukturierte,
geprägte
Oberfläche und
durch das Glättband 7 auf
der anderen Seite eine ebene, glatte Oberfläche erzeugt. Das erstarrende Schmelzenband 17 wird
bei Weiterführung über den Umfang 15 unter
der Einwirkung der Kühlvorrichtung 16 von
dem Glättband 7 so
stark abgekühlt,
dass es schließlich
nach dem Umfang 9 über
die Ablaufwalze 10 als fertiges, flaches und formstabiles
Produkt 18 abgezogen werden kann.
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Um
die vorgenannte Prägung
durchführen zu
können,
ist die Gravurhülse 6 auf
besondere Art gelagert, was insbesondere aus den 3 bis 6 deutlich
wird. Die Gravurhülse 6 besteht
aus einem runden, walzenförmigen
Körper
aus Kupfer oder dergleichen, dessen Dicke nur wenige Millimeter,
z. B. 4 mm, beträgt.
Zu ihrer Lagerung dienen die seitlichen Lagerschilde 4 und 5,
die über
mehrere waagerechte, stabförmige
Halterungen 19 mit dem Lagerkörper 2 verbunden sind.
Im Inneren 20 der Gravurhülse 6 ist im Bereich
des Walzenspaltes 12 eine walzenförmige Druckrolle 21 gelagert,
deren Achse Y'-Y' sich an den Lagerschilden 4 und 5 abstützt und
deren Durchmesser etwa dem Durchmesser der Einlaufwalze 8 entspricht.
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Des
weiteren sind im Inneren 20 gleichmäßig verteilt elf walzenförmige Tragrollen 22 angeordnet. Diese
sind im Durchmesser etwas kleiner als die Druckrolle, stützen die
Gravurhülse 6 radial
linienförmig
ab und halten sie somit in ihrer kreisringförmigen Ausbildung. Die Tragrollen 22 sind
in Lagergehäusen 23 gehalten,
die sich an den Lagerschilden 4 und 5 nur mittelbar über druckmittelbetätigte Kolben 24 radial
verstellbar abstützen.
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Die
Tragrollen 22 sind beidseitig verdrehfest mit Zahnrädern 25 verbunden,
die mit einem endlosen Zahnriemen 26 kämmen. Zum Antrieb des Zahnriemens 26 dient
ein Antriebsritzel 27, dessen Drehachse X'-X' zwischen den Achsen
X-X und Y'-Y' angeordnet ist und
das von einem außen
am Lagerschild 5 angeflanschten Motor 28 angetrieben
wird. Der Motor 28 kann jedoch auch innerhalb des Lagerkörpers 2 angeordnet
sein. Der Zahnriemen 26 umschlingt alle Zahnräder 25 der
Tragrollen 22 und das Antriebsritzel 27 und überträgt ein Drehmoment
M27 auf die Tragrollen 22. Dies hat zur Folge, dass die Tragrollen 22 die
Gravurhülse 6 in
die Drehrichtung D6 verdrehen, und zwar gleichlaufend zu der Bewegungsrichtung 17 und
der Geschwindigkeit des Glättbandes 7.
Die Drehmomente M11 und M27 sind daher genau aufeinander abzustimmen,
damit das Schmelzenband 17 gleichmäßig zum Produkt 18 geformt
werden kann.
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Zumindest
die Tragrollen 22, aber eventuell auch die Druckrolle 21,
bestehen zumindest an ihrem äußerem Umfang
oder überwiegend
aus einem hochwarmfesten und schlecht wärmeleitenden Material. Derartige
Materialien sind aus der Wärmetechnik sowie
bei Reibungsbremsen und Reibungskupplungen bekannt und können z.
B. als Basis Phenol, Melamin oder Epoxy haben und z. B. mit geeigneten, auch
mechanisch verschleißfesten
Materialien kombiniert sein.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Lagerkörper
- 3
- Kalandriervorrichtung
- 4
- Lagerschild
- 5
- Lagerschild
- 6
- Gravurhülse
- 7
- Glättband
- 8
- Einlaufwalze
- 9
- Teil
des Umfangs von 6
- 10
- Ablaufwalze
- 11
- Spannwalze
- 12
- Walzenspalt
- 13
- Teil
des Umfangs von 6
- 14
- Heizvorrichtung
- 15
- Teil
des Umfangs von 6
- 16
- Kühlvorrichtung
- 17
- Schmelzenband
- 18
- Produkt
- 19
- Halterung
- 20
- Inneres
von 6
- 21
- Druckrolle
- 22
- Tragrollen
- 23
- Lagergehäuse
- 24
- Kolben
- 25
- Zahnrad
- 26
- Zahnriemen
- 27
- Antriebsritzel
- 28
- Motor
- D6
- Drehrichtung
- L7
- Bewegungsrichtung
- M11
- Drehmoment
- M27
- Drehmoment
- X-X
- Drehachse
von 6
- X'-X'
- Drehachse
von 27
- Y-Y
- Drehachse
von 8
- Y'-Y'
- Drehachse
von 21
- Z-Z
- Drehachse
von 10