DE10236929A1 - Beschichtungsverfahren für eine Rolle oder einen Zylinder - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Verbundzylinders. Auf diesen Zylinder (1) wird eine Metallummantelung (2) gezogen oder extrudiert, dessen Metalloberfläche durch ein Metallbearbeitungsverfahren modifiziert wird und/oder mit einer Überzugsschicht überzogen wird.

Description

• Die Erfindung betrifft das Beschichten eines länglichen, zylindrischen Teiles aus einem Verbundmaterial sowie die Nach- und Fertigbearbeitung der Oberfläche mittels einer Metallbeschichtung.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen harten Metallüberzug auf einer nichtmetallischen Verbundrolle oder einem nichtmetallischen Verbundzylinder bereitzustellen. Ein Beispiel für die Verbundrolle stellen Kohlefaserverbundrollen und -wellen dar.
• Der Stand der Technik umfasst in diesem Zusammenhang das Präzisionsschleifen einer Verbundrolle und das Beschichten derselben, beispielsweise durch Gasphasenbeschichten im Vakuum, wobei das Beschichten danach elektrolytisch fortgesetzt werden kann. Diese Beschichtungsart wird beispielsweise beim Verchromen von Wasserhähnen aus Kunststoff und ähnlichen Einrichtungsgegenständen verwendet. Ein anderes Beispiel stellen die verchromten Kunststoffteile eines Kraftfahrzeugs dar. Es wurden auch verschiedene Metallspritztechniken mit unterschiedlichem Erfolg erprobt. Obwohl Kohlefasern selbst elektrisch leitend sind, sind diese als solche für die elektrolytische Abscheidung nicht geeignet, da das Matrixmaterial, das solche Kohlefasern überzieht, nicht elektrisch leitend ist.
• Im Verlauf der Herstellung einer Papiermaschinen-Präzisionsrolle durch herkömmliche Verfahren, ist es beispielsweise notwendig, vor dem Beschichten eine Präzisionsschleifbearbeitung durchzuführen, wobei die Beständigkeit und die Lebensdauer der Beschichtung eine Hauptproblem war. In der nicht beschichteten Form jedoch, waren die Beständigkeit und die Glattheit sowie die verfahrenstechnischen Eigenschaften der Kohlefasern und des Matrixmaterials nicht immer ausreichend gut.
• Diese Erfindung stellt eine Verbundrolle, einen Verbundzylinder oder eine Ummantelung bereit, die die vorteilhaften Eigenschaften einer Metallummantelung und beispielsweise einem Kohlefaserverbundrohr vereint. Eine Metallummantelung kann beispielsweise mit Hartchrom beschichtet, mit einer profilierten Oberfläche versehen, geschweisst, mittels eines Laser graviert oder mit herkömmlicheren Verfahren graviert werden. Andererseits ist eine Verbundrolle bezüglich der Schwingungseigenschaften und des Gewichtes besser als eine Metallrolle. Die Eigenschaften einer Verbundrolle können eingestellt werden, indem die Faserwinkel und das Material für die Matrix und die Fasern variiert wird. Ein bevorzugtes Material für eine Verbundrolle einer Papiermaschine ist eine kohlefaserhaltige Epoxymatrix. Die erfindungsgemässe Lösung kann beispielsweise eine Verbundrolle für eine Papiermaschine bereitstellen, die beinahe so leicht ist wie eine Verbundrolle, jedoch Oberflächeneigenschaften aufweist, die denjenigen einer hartverchromten Metallrolle entsprechen. Selbstverständlich kann die selbe erfindungsgemässe Lösung auch zum Beschichten von anderen zylindrischen Teilen verwendet werden. Das Überziehen eines Verbundteiles mit einem Metall, das als Grundierung oder Unterlage für das endgültige Beschichten dient, kann, wie im Folgenden beschrieben, entweder während der Herstellung des Verbundteiles durchgeführt werden oder um eine bereits fertiggestellte und formbeständige Verbundrolle erfolgen.
• Die Wirkungsweise einer Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
• Fig. 1 zeigt das erfindungsgemässe Ziehen einer Metallbeschichtung auf eine Verbundrolle.
• Fig. 2 zeigt eine Detailansicht des Ziehdorns gemäss Fig. 1 und eine bevorzugte Anordnung möglicher weiterer Oberflächenbearbeitungsgeräte.
• Auf ein Verbundrohr oder -rolle 1 wird eine Metallummantelung 2 durch die Öffnung eines Ziehwerkzeuges oder Ziehsteins 3 gezogen. Der Ziehstein 3 wird zur Verringerung des Ummantelungsdurchmessers durch Formpressen auf eine solche Art und Weise angewendet, dass die Innenfläche der Ummantelung 2 festsitzend mit der Aussenfläche des Verbundrohres oder -rolle 1 in Kontakt kommt. Die Rolle und die darüber zuziehende Ummantelung werden mittels einer Haltevorrichtung 5 und beispielsweise einer Seilwinde 6 gezogen. Im Inneren des Verbundrohres oder der Verbundrolle kann zusätzlich ein Dorn angeordnet sein, der das Verbundrohr oder die Verbundrolle versteift, wodurch die Massbeständigkeit des Rohres während des Ziehvorgangs erhalten wird. Vorzugsweise ist das Matrixmaterial einer kohlefaserverstärkten Rolle während des Ziehvorgangs noch nicht ausgehärtet und härtet aufgrund der durch die Bearbeitung erzeugten Wärme teilweise aus. Folglich muss keine separate Verklebung durchgeführt werden und die Verbindung beruht zudem auf der Adhäsion und nicht nur auf der durch das Zusammendrücken der Überzugsschicht resultierenden Reibung. Die Verklebung oder ein entsprechendes Verfahren, beispielsweise Erwärmen im Fall einer thermoplastischen Matrix, kann ebenfalls angewendet werden.
• Das Ziehen einer Ummantelung 2 um ein durchgehend nicht gehärtetes Verbundrohr 1 führt zu dem weiteren Vorteil, dass gleichzeitig die genauen Rollenabmessungen eingehalten werden und die Oberfläche ohne separates Präzisionsschleifen glatt wird. In diesem Fall ist es im Allgemeinen notwendig, einen Innendorn zu verwenden, um die Massbeständigkeit einer Rolle beizubehalten und um diese von innen her in ihre Form zu drücken. Wenn die Beschichtung auf eine Rolle aufgetragen wird, die bereits vollständig ausgehärtet oder fest ist, kann die Verbindung verstärkt werden, indem ein geeigneter Klebstoff, beispielsweise ein Epoxyharz oder ein warmabbindender thermoplastischer Kunststoff, verwendet wird, der während des Ziehvorganges als Folge der durch die Bearbeitung erzeugten Wärme oder des Erwärmens des Rohres durch andere Mittel weich wird. Ein Epoxyharz wird entweder als Folge der Wärmeaktivierung oder aufgrund eines Katalysators fest. Wenn das Ziehen nur nach dem Härten der Kohlefasermatrix oder dergleichen durchgeführt wird, ist es im Allgemeinen durch einen Einzelvorgang nicht möglich, eine Erhöhung der Massgenauigkeit zu erreichen. Folglich ist es notwendig, vor dem Beschichten eine Schleifbearbeitung durchzuführen, wenn eine hohe Genauigkeit oder hohe Präzision erreicht werden soll. Eine noch nicht ausgehärtete Rolle kann im weichen Zustand gezogen werden, wodurch die durch eine darüber gezogene Ummantelung festgelegten Abmessungen dauerhaft erhalten bleiben und gleichzeitig das nicht gehärtete Harz zusammen mit der während des Ziehvorgangs erzeugten Wärme eine wirksame Verbindung zwischen der darüber gezogenen Ummantelung und der tatsächlichen Rolle herstellt.
• Das ansonsten schwierige Herstellungsverfahren einer Rolle aus einer thermoplastischen Matrix kann durch das erfindungsgemässe Verfahren bezüglich der Oberflächeneigenschaften und der Massgenauigkeit vereinfacht werden, da das Ziehen einer Metallummantelung zu einer hochwertigen Beschichtung auf der Kunststoffoberfläche führt und es desweiteren ermöglicht, genaue Abmessungen zu erhalten, indem die entsprechend heisse thermoplastische Verbundrolle 1 gleichzeitig mit der Metallummantelung 2 bis zur Massgenauigkeit gezogen wird.
• Die Metallummantelung 2 kann die Oberfläche auch mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit versehen. Dies ist vorteilhaft, um die durch die statische Elektrizität verursachten Nachteile zu vermeiden. Statische Elektrizität stellt ein Problem in Zusammenhang mit Kohlefaserrollen dar, da, obwohl die eigentlichen Fasern eine vergleichsweise hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die zwischen den Fasern verwendete Matrix üblicherweise ein hoch wirksames Dielektrikum ist.
• Bei Papiermaschinen führt die Metalloberfläche der Ummantelung 2 auch zu thermischen Vorteilen. Da viele Matrixmaterialien nicht sehr beständig gegenüber gleichzeitigen hohen Temperaturen und Temperaturschwankungen und einer gleichzeitigen hohen mechanischen Beanspruchung sind, führt selbst ein verhältnismässig dünner Metallüberzug zu einer längeren Lebensdauer, da die Temperaturschwankungen unter der Oberfläche der Verbundrolle verringert werden und der mechanische Oberflächendruck ebenfalls vermindert wird, und auch die Tatsache, dass die Oberfläche des Matrixmaterials darunter brüchig wird, führt zu keinen Schwierigkeiten, solange nicht die gesamte Rolle beginnt, ihre Stabilität und Massgenauigkeit zu verlieren.
• Das eigentliche Ziehen einer Ummantelung um ein anderes Metallrohr oder eine andere Metallwelle ist ein im Stand der Technik bekanntes Verfahren. Der in Fig. 1 gezeigte Mechanismus kann zum Ziehen der Ummantelung 2 und der darin befindlichen Rolle 1 durch eine Öffnung verwendet werden, die durch den Ziehstein 3 und möglicherweise einen Innendorn gebildet wird. Im Falle eines ortsfesten Innendorns, ist die Öffnung ringförmig. Der Innendorn kann mit fortschreitendem Ziehvorgang auch beweglich sein, wodurch er anschliessend entfernt oder als Teil des resultierenden Zylinders oder der Rolle beibehalten werden kann. Während des Bearbeitungsverlaufs wird die Metallummantelung 2 auf einen ausreichend geringen Durchmesser gebracht, um einen Druck zwischen der Oberflächenummantelung 2 und der Rolle 1 aufzubauen. Zum Aufbau eines Drucks trägt auch ein Innendorn bei, der gleichzeitig den Innendurchmesser der Rolle aufweiten kann. Die schlussendlich darüber gezogene Ummantelung wird beispielsweise durch Verbinden mit noch nicht gehärtetem Harz festgelegt. Zusätzlich zum Röhrenziehen kann diese Oberflächenummantelung auch mittels einigen anderen Arten von Erstanwendungen, wie beispielsweise Extrudieren oder Folienziehen, hergestellt werden.
• Bei Papiermaschinen liegt die geeignete Materialdicke für die Oberflächenummantelung 2 im Bereich von erheblich unter einem Millimeter bis zu einer Dicke von mehreren Millimetern im Falle einer verhältnismässig dicken Ummantelung. Die Wahl des Materials und der Beschichtungsdicke hängt stark von der Beschichtung oder dem Überzug ab, die oder der auf die Metallummantelung aufgebracht wird. Bezüglich der hartverchromten Oberfläche ist ein bevorzugtes Material für die Metallummantelung 2 ein säurebeständiger oder rostfreier Stahl wie auch Kupfer und dessen Legierungen. Aluminium ist ein für das Ziehen geeignetes Material, weist jedoch eine geringe Eignung für das Hartverchromen auf, andererseits kann es einfach mittels Oxidation und beispielsweise mit einer Diamantbeschichtung überzogen werden und Aluminium stellt auch eine hochwertige Unterlage, beispielsweise für eine Teflonbeschichtung, bereit. Eine dünne Schicht ist kostengünstig und ausreichend, wenn beispielsweise nur eine Hartverchromung ohne Oberflächenprägung benötigt wird. Eine dicke Materialschicht ist von Vorteil, wenn beispielsweise das Einwalzen einer Prägung 4 oder möglicherweise eines Gewindes auf der Rollenoberfläche benötigt wird. Die Bezugszahl 7 steht für eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung der Metallummantelung 2. Die Wahl eines geeigneten Metalls und einer geeigneten Dicke berücksichtigt beinahe all diejenigen Möglichkeiten der Oberflächenbearbeitung, die auf eine reine Metallrolle anwendbar sind. Zusätzlich kann das Oberflächenmetall geschweisst werden, beispielsweise durch Laserstrahlschweissen, was zu gasundurchlässigen und festen Verbindungen zum Verbinden der Rohre oder zum Verbinden von beispielsweise einem Endstück oder sogar einem Anschluss für das Abführen statischer Elektrizität führt.
• Die Metalloberfläche kann mit irgendeiner elektrolytischen oder chemischen Beschichtung, wie einem Hartchromüberzug oder chemischem Nickel, überzogen werden. Die Metalloberfläche kann auch durch ein Spritz- oder Aufdampfverfahren beschichtet werden. Eine Beschichtung, welche die Verschleissfestigkeit erhöht, wird auch durch HVOF (Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, engl. High Velocity Oxygen Fuel) oder Detonationsspritzen oder Diamantbeschichten gebildet.
• Hartverchromen ist eine sehr bevorzugte Methode zur Beschichtung einer erfindungsgemässen Rolle oder Ummantelung, insbesondere bei ihrer Anwendung in Papiermaschinen. Die vorteilhaften Oberflächeneigenschaften einer Hartchrombeschichtung bei Rollen für Papiermaschinen sind in diesem Anwendungsbereich gut bekannt. Ausserdem ist ein Hartchromoberflächenüberzug sehr beständig, insbesondere im Vergleich mit bekannten Beschichtungen für Verbundrollen. Die so erhaltene Rolle weist ein Gewicht auf, das nur etwa 15% desjenigen einer Metallrolle beträgt, ist bezüglich der Schwingungseigenschaften besser als letztere und dennoch bezüglich ihrer Oberflächeneigenschaften vergleichbar mit einer Hartchrommetallrolle. Desweiteren erzeugen die bekannten Prägeverfahren keine sehr beständige Oberfläche auf einer Verbundrolle, da sich die Verstärkungsfasern während des Prägeverfahrens nicht unversehrt über die Rillen oder Vertiefungen hinweg erstrecken. Deshalb bestehen die Erhebungen oder Rippen in der Praxis entweder nur aus Matrix, wenn die Prägung auf einer nicht gehärteten Oberfläche erfolgt, oder die Fasern brechen an den Kanten der Erhebungen, wenn die Prägung durch Fräsen einer fertiggestellten, ausgehärteten Verbundrolle erfolgt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Beschichtung eines Verbundzylinders, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallummantelung (2) auf den Verbundzylinder (1) gezogen oder extrudiert wird, wobei seine Metalloberfläche durch ein Metallbearbeitungsverfahren modifiziert wird und/oder mit einer Überzugsschicht überzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundzylinder (1) einen Kohlefaserverbundzylinder umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial des Zylinders oder der Rolle (1) während des Vorganges des Ziehens oder Extrudierens der Metallummantelung (2) noch nicht ausgehärtet ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung einer Verbundrolle, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang des Ziehens oder Extrudierens der Metallummantelung (2) derart durchgeführt wird, dass Massgenauigkeit des Zylinders oder der Rolle (1) erreicht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbundzylinder oder der Verbundrolle (1) und die darüber zuziehende Metallummantelung (2) ein Aushärtungszusatzstoff eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche vor einer möglichen anderen Oberflächenbearbeitung mit einem Oberflächenmuster oder einer Einprägung versehen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche behandelt wird, indem ein gewindeartiges oder spiralförmiges Muster oder ein Rillenmuster in die Oberfläche der Ummantelung eingewalzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche elektrolytisch oder chemisch mit irgendeiner Beschichtung überzogen ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche durch ein Spritz- oder Dampfauftragsverfahren beschichtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine verschleissfeste Beschichtung, wie eine HVOF- oder Detonationsspritz- oder Diamantbeschichtung umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche hartverchromt oder mit chemischem Nickel überzogen ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallummantelung (2) einer Schweissbehandlung unterzogen wird, um die Ummantelung (2) zu verbinden oder eine Fuge abzudichten.

13. Verbundrolle oder -welle (1) für eine Papier- oder Kartonmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallummantelung (2) auf ihre Oberfläche gezogen ist, wobei deren Oberfläche modifiziert und/oder beschichtet ist, um die Oberflächeneigenschaften zu verbessern.

14. Verbundrolle oder -welle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbearbeitung der Metallummantelung (2) Hartverchromen umfasst.