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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines
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Hohlzylinders von selbsttragender wandstSrke durch elektrolytische
Ablagerung sowie nach dem Verfahren und mit der Vorrichtung hergestellter Hohlzylinder.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtuns zur Herstellung
eines mit einem bestimmten Raster oder Muster versehenen perforierten Hohlzylinders
durch elektrolytische Ablagerung. Sie betrifft den gesamten Herstellungsvorgang
eines solchen Hohlzylinders mit dicker Wandung sowie auch die durch die besondere
Struktur des erhaltenen Zylinders ermöglichten Anwendungsgebiete.
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Es ist bekannt, wie man durch Elektrolyse eine dicke Metallablagerung
auf einer leitenden zylindrischen Matrize herstellen kann. Die Stärke dieser Ablagerung
ist praktisch unbegrenzt, solange es sich um einen festhaftenden und gleichinäßigen
Ueberzug handelt. Dies ist der Fall, wenn es darum geht, eine zylindrische Matrize
zwecks Veränderung ihres Durchmessers zu beschichten.
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Dagegen tauchen schwer überwindbare Schwierigkeiten bei der Herstellung
eines perforierten Hohlzylinders auf.
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Bekannt sind Verfahren zur Sensibilisierung einer Matrize
mit
Hilfe einer lichtempfindlichen Harzschicht, auf der durch photographische Aufnahme
und Belichtung ein Raster reproduziert wird, worauf die Schicht entwickelt wird.
Die nicht helichteten Flächenbereiche werden von der Schicht befreit, und die Metall
fläche der Matrize wird in diesen Bereichen bloßgelegt, während die lichtempfindliche
isolierende Schicht in den belichteten Bereichen haften bleibt, wo sie eine Schutzschicht
sowohl seren chemische als auch gegen elektrische Einflüsse darstellt. Die elektrolytische
Ablagerung auf einer so behandelten Matrize ist theoretisch oft von großem Nutzen
sie ermbglicht nmlich die Herstellung eines nahtlosen Hohlzylinders (im Gegensatz
zu aufgewickelten Folien). Praktisch ist dieses elektrolytische Verfahren jedoch
infolge der unüberwindlichen Nachteile bei dem jetzigen Stand der Technik kaum entwickelt.
ußer der oft unsicheren und mit der Dauer des Ablagerungsprozesses abnehmenden Haftung
der in einem elektrolytischen Bad aufgebrachten Schutzschicht bestehen die wesentlichen
Nachteile in: - der Veränderung der Konturen und besonders der Verringerung der
Fläche der Rasterpunkte sowie folglich der Perforierungen bei zunehmender Stärke
der Ablagerung - diese Wirkung wird hauptsächlich durch den "pitzeneffekt" des elektrischen
Stroms verursacht; - dem Entformen des Zylinders, d.h. dessen Trennung von der Matrize;
um ein einwandfreies Entformen zu ermbglichen, müssen die Flexibilitt der Ablagerung
, die Länge der Matrize und die Stärke der abgelagerten Schicht so sein, daß der
Ring sich elastisch verformen und sich auf diese Weise von der Matrize abheben läßt.
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Bei dem augenblicklichen Stand der Technik besteht ein elektrolytisch
hergestellter perforierter und gerasteter Zylinder aus einer dünnen Folie, die kaum
stärker ist als die lichtempfindliche Harzschicht. Wenn man die Stärke
der
Ablagerung erhöht, verformt sich das Pastermuster schnell und ungleichmäPig, die
Perforierungen verstopfen sich, und es wird praktisch unmöglich, den immer steifer
werdenden Hohlzylinder von der Form zu trennen (diese Forderung für die Entformbarkeit
begrenzt somit erheblich die Länge des Zylinders). Die Anwendung des bekannten Verfahrens
beschrSnkt sich deshalb auf die Herstellung von Zylindern zum Drucken. Die Dünne
der Wände (maximal o,2mm) der geringe Flächenanteil der Perforierungen (maximal
1o% der Gesamtfläche) und die Größe des Rasters ermöglicht es nicht, dieses elektrolytisch
niedergeschlagene Metall lang anhaltenden Belastungen auszusetzen, und auch nicht,
eine feine Reproduktion in der Art einer Heliosravur zu erhalten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die
Herstellung eines Hohlzylinders zu ermbalichen, der entweder auf seiner GesamtflFche
oder nur partiell perforiert ist, aus einer dicken Wanduna besteht und durch elektrolytische
Ablagerung auf einer Matrize hergestellt werden kann, von der er danach wieder abgenommen
wSrd Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe und damit zur Herstellung
eines perforierten Hohlzylinders durch elektrolytische Ablagerung besteht voraussetzungsgem5B
darin, eine Matrize durch Überziehen mit einer lichtempfindlichen Harzschicht zu
sensibilisieren, einen Raster auf diese Harzschicht, die dann entwickelt wird, zu
kopieren und schließlich eine elektrolytische Ablagerung auf dieser Matrize herzustellen,
wobei dieses Verfahren erfindunqsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Umrisse
und die Dichte der Rasterpunkte, die Stärke und die Behandlung der lichtempfindlichen
Herzschicht und die Ablagerungsgedingungen in Abhängigkeit von der Wandstärke, die
man ohne merkliche Verformung jedes Rasterpunktes, d.h. der Perforierungen eines
solchen Hohlzylinders mit dicker Wandung, erhalten möchte, untersucht werden, so
daß dann
der Zylinder von der Matrize mit Hilfe eines Vorgangs
abgenommen werden kann, der sich die Wirkung der inneren Spannungen in dem abgelagerten
Metall zu Nutze macht, wobei in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung das Ausmaß
dieser Spannungen während des Ablagerungsvorgangs ständig kontrolliert und in einem
Bereich zwischen einem Maximalwert, der das Abheben hereits während der Ablagerung
verursacht, und einem Minimalwert aufrechterhalten wird, der das Fntformen ohne
plastische Verformung und Beschädiqung des erhaltenen Überzugs unmöglich macht.
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Der Vorgang der Passivierung der sensibilisierten, kopierten und entwickelten
Matrize bewirkt, daß die Haftunq zwischen dem Metall der Matrize und dem Metall
der Ablagerung so klein wie möglich gehalten wird.
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Die Richtung und die Werte der inneren Spannungen in dem abgelagerten
Metall werden mit Hilfe einer als Spannungsmesser hezeichneten Vorrichtung gemessen,
kontrolliert und eingestellt. Diese Vorrichtung wird unter fUr die elektrolytische
Ablagerung genau bestimmten Bedingunqen geeicht, und zwar durch Ablagerung einer
Metallschicht auf einem Stahlstreifen, dessen Reaktion auf die inneren Spannungen
vorherbestimmt wurde.
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Das Entformen des durch elektrolytische Ablagerung erhaltenen dicken
und daher steifen hohlzylindrischen Überzugs - die Stärke der Ablagerung kann o,6mm
überschreiten -erfolgt dadurch, daß der Zylinder auf einem schmalen Randbereich
von der Matrize abgehoben wird. Dieses anfängliche Abheben löst die inneren Spannungen
in der Ablagerung und bewirkt ein leichtes Dehnen des Überzugs, das sich als eine
Welle fortschreitenden Abhebens äußert. Die Ausbreitung dieser Welle kann noch dadurch
gefördert werden, daß vor Entnahme des elektrolytisch gebildeten Hohlzylinders
z.B.
eine Walze auf der Ablagerung an der Matrize entlansgeführt wird.
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Die Stärke des Zylinders verändert die Oherflch und die Genauigkeit
der ursprünglichen Konturen der durch den photographischen Raster bestimmten Locher
oder Perforierungen. Die Merkmale des Rasters werden deshalb in Abh.inq keit von
der gewünschten Ablagerung und besonders von der Endstärke ausgewählt, wobei der
Raster von einen' herkEmmlichen Raster auf photographischem qe hergestellt wird.
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Jedesmal wird also fÜr einen bestimmten Zylinder ein besonderer Raster
angefertigt, der durch den Umriß des Rasterpunktes, die Anzahl der Punkte pro Qundratzentimeter
und die Breite der Brücken oder Stege zwischen zwei nebeneinanderliegenden Rasterpunkten
bestimmt ist.
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Vorzugsweise wird ein Raster vervendet, dessen Punkte einen sechseckigen
Umriß aufweisen, um Stege von praktisch konstanter Breiter zu erhalten. Die Breite
zwischen den Ecken der Rasterpunkte ist kaum größer als die der Stege, während der
Eckenwinkel zwischen zwei angrenzenden Seiten eines sechseckigen Rasterpunktes größer
ist als der Eckenwinkel eines quadratischen Punktes. Dadurch entsteht eine Ablagerung,
bei welcher der Spitzeneffekt auf einen Minimalwert beschränkt ist.
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Die Matrize wird mit einer lichtempfindlichen Harzschicht sensibilisiert,
deren Stärke und C,leichmMBigkeit je nach der gewünschten Ablagerung genau kontrolliert
werden. Der gerasterte Film mit konstanten Maßen wird auf die Harzschicht gelegt
und durch Belichtung der empfindlichen Schicht in deren ganzer Stärke kopiert, worauf
die Schicht entwickelt wird; die Matrize stellt dann das Negativ des kopierten Rasters
dar.
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Die Widerstandseigenschaften des Harzes werden durch eine gleichmäPige
thermische Behandlung auf dessen qanzer Flasche verbessert. Auf diese Weise verbessert
man solche Figenschaften wie die elektrische Isolation, den Widerstand gegen chemische
EinflÜsse und die Haftung zwischen Matrize und Harz, so daß eine dicke elektrolytische
Ablagerung hergestellt werden kann, ohne auf die Festigkeit des in einem elektrolytischen
Bad eingetauchten Harzes, die Fintauchdauer oder die Stromdichte achten zu mf5ssen.
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Das Bad muß während der ganzen Dauer des Pblagerunqsprozesses auf
einer v6llig konstanten Temperatur gehalten werden. Diese Temperatur wird je nach
Größe und Richtung der inneren Spannungen des abgelagerten Metalls festgelegt.
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Ebenso wird die Stromdichte während der ganzen Dauer der Ablagerung
konstant gehalten. Zu diesem Zweck wird die nicht isolierte Fläche exakt herechnet,
um die ursprf0ngliche Stromstärke zu bestimmen. Diese Starke wird dann regelmäßig
in dem Maße korrigiert, wie die Fläche der Ablagerung durch fortschreitende tmberdeckunq
des Harzes zunimmt, wenn die Dicke des abgelagerten Metalls größer wird als die
der isolierenden Harzschicht, die den ursprünglichen Umriß der Perforierungen bestimmt.
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Ein Hohlzylinder gemäß der Erfindung besteht aus einem zylindrischen
Ring mit dicker Wandung, der durch elektrolytische Metallablagerung auf einer leitenden
zylindrischen Matrize gebildet worden ist, die zuvor mit einer lichtempfindlichen
Schicht überzogen worden ist, welche die Rasterpunkte eines Films wiedergibt. Der
zylindrische Ring weist Perforierungen auf, die jeweils einem Rasterpunkt entsprechen.
Der Umriß dieser Perforierungen besteht aus konvex gekrUmmten Seiten, die durch
den Spitzeneffekt während der Ablagerung und der partiellen Uberdeckung der
Harzschicht
entstanden sind. Dieser Zvlinder ist inneren Spannungen ausgesetzt, die versuchen,
den Zylinder zu dehnen und dadurch von der durch die Matrize gebildeten Form zu
trennen.
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Die Struktur des erhaltenen gerasterten Hohlzviinders zeichnet sich
einerseits durch die Art und die Dichte der Perforierungen und andererseits durch
die Wandstärke aus, die so ausgewählt ist, daß ein starrer Ring entsteht und daß
das Verhältnis der Fläche der Perforierungen zur Fläche der Stege der Art und Menge
des abzulagernden Materials entspricht.
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Die Entwicklung der Struktur des Zylinders im Zusammenhang mit der
Wandung wird an späterer Stelle beschrieben.
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In einer ersten Ausführungsform weist der dicke Zylinder auf seiner
ganzen Fläche regelmäßig verteilte Perforierungen auf, so daß er, ähnlich wie eine
Anstrichvorrichtung, zur Herstellung einer dicken und regelmäßigen Ablagerung eines
pastenartigen Materials wie beispielsweise eines Plastisols (Polyvinylchlorid) verwendet
werden kann.
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In einer anderen AusfÜhrung weist der elektrolytisch gebildete Hohlzylinder
mehrere Rastermuster auf. Dabei ist jedes Muster durch die Form der Perforierunvene
deren Durchmesser und das Verhältnis der Fläche der Löcher zur Fläche der Stege
bestimmt. In diesem Fall wird eine dicke Ablagerung reliefförmig mit einer je nach
dem Muster variablen Stärke gebildet, Zum Beispiel läßt sich auf die Matrize ein
Raster kopieren, der einen Steg von fort gesetzt zunehmender Breite aufweist0 Auf
dem erhaltenen Zylinder variiert nur das Verhältnis der perforierten Flächen zu
den vollen Flächen, und die Ablagerung oder der Uberzug wirkt an der Oberfläche
wie ein sich ab
schwSchendes Relief.
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Bei noch weiteren Ausführungsformen ermöglicht der dicke Hohlzylinder
eine Veränderung des Oberflächenzustandes und der Struktur eines Materials und die
Herstellung von Ausschnitten eines Trägers. Er kann ebenfalls als Druckwalze verwendet
werden.
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Die Ablagerung, das Ausschneiden und die Flächenveränderuno eines
Materials oder Trägers sind punktspezifische Vorgänge, die durch die Struktur der
Wanduna, die Form, die Fläche und die Anordnung der Perforierungen bestimmt werden.
Es ist ersichtlich, daß alle Anwendungen des dicken Zylinders nämlich mit der Verarbeitunq
eines oder mehrerer Materialien verbunden sind, die durch die den Rasterpunkten
der sensibilisierten Matrize entsprechenden Löcher hindurchtreten.
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Eine Vorrichtung zur Anfertigung und Entformung eines dicken, auf
wenigstens einen Teil seiner Fläche perforierten Zvlinders, der durch elektrolytische
Ablagerung gebildet wird, besteht aus einem photographischenApparat zur Herstellung
eines Rasters, einem System zum Sensibilisieren der leitenden zylindrischen Matrize,
einer Vorrichtuns zum Kopieren und Entwickeln des Rasters auf der die Matrize ilberdeckenden
lichtempfindlichen Schicht und einem elektrolytischen Bad, in welches die sensibilisierte
Matrize eingetaucht wird. Sie umfaßt in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
eine als Spannungsmesser bezeichnete Meßvorrichtung, die dazu dient, Große und Richtung
der inneren Spannungen der elektrolytischen Ablagerung durch Vergleich zu messen.
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Diese Spannungen werden so eingestellt, daß sie ein Abheben des Zylinders
durch eine leichte Dehnung beqnstigen, was dadurch ausgelöst wird, daß die inneren
Spannungen mit einer Vorrichtung auf eine Weise freigesetzt werden, die eine Verformung
zumindest an einem Ende des Zylinders auf einem schmalen Streifen seines Umfangs
ermöglicht, wozu
eine Vorrichtung zur Ausbreitung der so entstandenen
Welle auf der ganzen Fläche der Ablagerung vorgesehen ist. Der perforierte Zylinder
wird dann von der Matrize getrennt.
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Die Vorrichtung enthält Elemente zum Erwärmen, Regeln; Kontrollieren
und Messen der Eigenschaften des elektrolytischen Bades; diese Elemente dienen dazu,
festgeleqte Petriebsbedingungen sehr genau und konstant während der ganzen Dauer
des Ablagerungsprozesses einzuhalten.
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Der Spannungsmesser besteht aus einem schraubenfFrmig aufgewickelten
Metallband, dessen eines Ende gegenüber einer Grundplatte festgelegt ist. Das entgegengesetzte
Pnde des Metallbandes ist auf einem im Verhältnis zur Grundplatte frei drehbaren
Lager befestigt. Dieses Lager ist durch eine Übersetzungsvorrichtung mit einem Zeiger
verbunden, der sich längs einer Skala bewegt, die nach einer Reihe von Versuchen
mit numerischen Werten geeicht ist. Diese Werte entsprechen den an das Metallband
übertragenen Spannungen, die durch die elektrolytische Ablagerung während einer
hestimmten Zeitdauer und unter bestimmten Temperaturs und stromdichte Bedingungen
entstanden sind0 Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachstehend an Hand
eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine vergrößerte Teilansicht
eines Rasters zum Kopieren auf eine zylindrische Matrize bei der erfindungsgemäßen
Herstellung eines Zylinders durch elektrolytische Ablagerung, Fig, 2, 3 und 4 die
aufeinanderfolgenden Stufen der Vorbereitung der Matrize und der photogratischen
Reproduktion des Rasters auf der lichtempfindlichen Harzschicht,
Fig.
5 eine vereinfachte Darstellung der Wanne für die elektrolytische Ablagerung des
Metalls auf den nichtisolierten Flachen der Matrize, Fig. 6 in perspektivischer
und vergrößerter Darstellung einen Teil der auf der zylindrischen Fläche der Matrize
erhaltenen Ablagerung, Fig. 7 und 8 im Schnitt die Entwicklung der Struktur der
elektrolytisch abgelagerten Metallschicht mit Zunahme ihrer Dicke, Fig. 9 eine Innenansicht
des Umrisses einer Perforieruno, die einem anfSngli.ch sechseckigen Rasterpunkt
entspricht, Fig. lo, 11 und 12 das Entformen des dicken zylindrischen Rings durch
Aufweiten im Verhältnis zur Matrize, Fig. 13 eine Darstellung der Bestandteile eines
Spannungsmessers zur Kontrolle der inneren Spannungen des abgelagerten Metalls und
Fig. 14 die Anwendung dieses Spannungsmessers, um die optimalen Bedinaunqen für
eine elektrolytische Ablagerung festzulegen.
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Wie ersichtlich, ist die Erfindung dazu bestimmt, ein Verfahren zur
Herstellung eines dicken perforierten Hohlzylinders zu schaffen. Dieser Zylinder,in
Wirklichkeit ein zylindrischer Ring, wird durch elektrolytische Ablagerung eines
Metalls in einem leitenden Bad hergestellt, das von elektrischem Strom durchflossen
wird und unter sehr genau festgelegten Bedingungen arbeitet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zielt darauf ah, eine Reihe von Vorbereitungsvorgängen
auszuführen und BetrieDsbedingungen festzulegen, die regelmäßige Perforierungen
und ein Entformen ohne Verformung zu gewährleisten.
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Die aufeinanderfolgenden Vorgänge lassen sich wie folgt zusammenfassen:
1) Herstellun- des Rasters (a) Durch ein normales photographisches Verfahren wird
ein Raster, bestehend aus einem flexiblen durchsichtigen Träger von konstanten Abmessunsen
hergestellt, der von einer lichtempfindlichen Harzschicht bedeckt ist, auf welche
der Raster reproduziert wird. Der Raster wird durch ein Netz von Punkten 3 gehildet.
Fig. 1 stellt einen Raster von Punkten 3 dar, die einen sechseckigen Umriß 4 aufweisen.
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(b) Die Wahl dieses Rasters ist nicht zufällig. Ihr ist eine Untersuchung
vorausegangen, welche die Stärke 5 des gewünschten Zylinders 6 (Fig. 12), die Eigenschaften
der Perforierungen 7 dieses Zylinders und die Art der Verwendung berücksichtigt,
für welche dieser Zylinder bestimmt ist. Beispielsweise für einen Hohlzylinder zur
Herstellung eines dicken Überzugs in gleichmäßiger Bedeckung wird der Raster zunSchst
von der Anzahl der Punkte 3 pro Einheitsfläche, der Fläche (oder dem Durchmesser)
8 jedes einzelnen Punktes und dem Abstand zwischen zwei benachbarten Punkten definiert.
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Dieser Abstand wird durch die Breite 9 der Brücke oder des Steges
lo zwischen zwei Seiten gekenn; zeichnet (Fig. 1).
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Diese Maße werden so errechnet, daß das tlberzugsmaterial (ein Plastisol)
eine gleichmäßige Schicht auf dem Träger bildet, nachdem es durch den perforierten
Zylinder durchgegegangen ist und bevor es geliert hat. Die Eigenschaften der Rasterpunkte,
die jeweils die Löcher des Zylinders hilden, werden je nach der Wandstärke verSndert.
Es ist nämlich bekannt, daß eine elektrolytische Ablagerung unvermeidlich mit einem
Spitzeneffekt verbunden ist, der durch eine unregelmäßiqe Verteilung des magnetischen
Feldes verursacht wird.
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Die Perforierungen 7 der Metallablagerung sind verformte Abbilder
der Rasterpunkte 3 (Fig. 7). Diese Verformung ändert sich mit der Dicke der Ablagerung
infolge Überdeckung der den Rasterpunkten entsprechenden Isolierenden Flächen, sobald
die Metallablagerung bezüglich ihrer Dicke stärker als die isolierende Harzschicht
wird.
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(c) Ein Rasterfilm kann ein oder mehrere Muster oder Formen von Rasterpunkten
haben. Nach Festlegung all dieser Eigenschaften wird ein Raster auf der Matrize
11 mit genau denselben Massen hergestellt, die das Negativbild der vom Film getragenen
Rasterzeichnung erhalten soll.
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Im Falle von sechseckigen Rasterpunkten ist ersichtlich, daß die
halbe Breite der Abstände 13 in den Eckenbereichen 12 die gleiche ist wie die halbe
2 Breite des Steges multipliziert mit s-, während der Eckenwinkel jedes Rasterpunktes
3 1200 beträgt.
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Es ist ersichtlich, daß die Breite der streifenförmigen Ablagerungen,
die von den Abständen zwischen den Punkten 3 gebildet sind, regelmäßiger ist als
mit
einem klassischen Raster mit quadratischen Punkten (in diesem
Fall wäre der Ahstand 13 gleich der Breite des Steges multipliziert mit Die Verformung
der Winkel ist nicht so qroR wie im Fall des herk8mmlichen Rasters (rechte Winkel).
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Selbstverständlich stellt der sechseckige Umriß keine Beschränkung
dar, und die Form der Punkte bestimmt sich nach dem gewünschten Ergehnis.
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2) Sensibilisierung der zylindrischen Matrize (a) Es handelt sich
hier auch um einen Vorgang, dessen Grundprinzip bekannt ist.
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Die zylindrische Metalloberfläche 14 der Matrize wird mit einer dünnen
lichtempfindlichen Harzschicht 15 überzogen. Im Falle einer verhXltnismäßig dicken
Ablagerung, wie sie hier erfolgen soll, muß jedoch berücksichtigt werden, daß die
Gleichmäßigkeit und die Stärke dieser Schicht sowie die Festigkeit des Harzes in
dem elektrolytischen Bad von wesentlicher Pedeutung sind. Zum Beispiel wahre für
einen herkömmlichen Hohlzylinder mit einer Wandstärke von o,o6 bis o,o8 mm eine
Harzschicht von einigen Mikron ausreichend. Für einen dicken Zylinder von o,5 bis
o,7 mm Wandstärke muß die Schichtdicke demgegenüber leicht erhöht werden (o,o4 bis
o,o5mm).
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Die Viskosität des Harzes und die Geschwindigkeit der Sensibilisierung
unterliegen dann sehr genauen Gesetzen.
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(b) Da die Stärke der Metallablagerung etwas größer ist als die der
Harzschicht 15 (Fig. 7 und 8), ist es verständlich, daß die Fläche der Perforierungen
7
für eine bestimmte Wandung von dem Zeitpunkt ahhängt, bei dem
die Harzschicht anfMnat, bedeckt zu werden, d.h. von der Dicke der Schicht 15. Je
größer diese wird, umso qeringer wird die tlberdeckuna.
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Infolgedessen werden ftir eine bestimmte Matrize nur dann gleichmäRiqe
Perforierungen erhalten, wenn die Stärke der Harzschicht auf der ganzen Oberfläche
gleichmäßig ist.
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(c) Die Harzschicht 15 verbleibt im elektrolytischen Bad (Fig. 5)
während einer bestimmten Zeitspanne.
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Während des ganzen Ablagerungsvorgangs muß die Harzschicht an der
Matrize einwandfrei haften. Dies setzt vor dem Überziehen der Matrize eine besonderes
sorgfältige Reinigung und Aktivierung ihrer Oberfläche 14 (Fig. 2) sowie die Verwendung
eines Harzes mit ausgezeichneten Isoliereigenschaften und einer guten Peständigkeit
gegen chemische Einflüsse voraus.
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3) Abbildung des Rasters auf der Matrize (a) Nach Trocknung der lichtempfindlichen
Harzschicht wird der mit dem Raster 1 versehene Film, dessen Abmessunqen genau denen
der Matrize entsprechen, auf die Harzschicht 5 gelegt. Der Film 2 weist klare (durchsichtige)
Zonen auf, die z.E. genau der Form der Rasterpunkte entsprechen, und lichtundurchlässige
Zonen, welche die Abstände zwischen diesen Punkten bestimmen. Der Film 2 wird dann
auf die Schicht 15 kopiert. Um eine scharfe Kopie der Konturen der Rasterpunkte
zu gewährleisten, wird die Schicht in ihrer vollen Stärke helichtet.
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Unter den lichtundurchlässigen Zonen des Films, d.h. auf der ganzen
Fläche der Brücken oder Stege 10 bleibt das Licht ohne Wirkung auf die Harzschicht.
Um
ganz scharfe Konturen zu erzielen, wird vorzugsweise eine grelle Lichtquelle verwendet,
deren Strahlen 17 praktisch lotrecht auf die zu kopierenden Flächen fallen (Fig.
3).
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Es leuchtet ein, daß infolge der Stärke der Harzschicht die Belichtung
schwierig ist, da die Umrisse ganz scharf bleiben müssen. Daher sind erforderlich:
- ein einwandfrei auf der Matrize auflieqender und aufgepreßter Film; - eine mit
einer Blende versehene Lichtauelle.
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(b) Nach Herstellung der Kopie tragt die lichtempfindliche Harzschicht
das Negativhild des auf den Film vorhandenen Rasters. Der Film wird dann abgezogen,
und die sensibilisierte und kopierte Matrize wird in ein Entwicklerbad gestaucht.
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Auf allen belichteten Flächen bleibt bei der Ent wicklung die Harzschicht
15 an der Matrize haften, während alle Flächen, die den Lichtstrahlen nicht ausgesetzt
wurden, im Entwicklerhad auiaeldst und entfernt werden. Rei den unter 3)a) angegebenen
Beispiel bleibt das Harz bei 15 auf der Matrize bestehen, während alle den Lichtstrahlen
nicht aus gesetzten Flächen im Fntwicklerbad aufgelöst werden.
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In diesem Fall wird also das Harz in allen Pereichen aufgelöst, die
den Brücken oder Stegen des Rasters entsprechen. In diesen Bereichen wird die Metallfläche
bloßgelegt, während die Punkte 3 des Rasters von einer Isolierschicht geschützt
bleiben (Fig0 4)
(c) Die Dicke der Harzschicht muß so gemessen
sein, daß sie einen längeren Aufenthalt im Entwicklerbad zuläßt. Die tTmrisse bleiben
dadurch scharf, und der Überdeckungseffekt wird eingeschränkt.
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Allerdings ist eine große Schichtdicke mit Nachteilen verbunden,
die sich jedoch leicht ilherwlnden lassen, nämlich: schwierigere Bearbeitung der
Schicht, Verlängerung der Pehandlunaszeiten und hauptsächlich die Notwendiqkeit
einer strengen Kontrolle der inneren Spannungen beim Entformen des Zylinders, denn
das Spiel beim Entformen verringert sich mit zunehmender Dicke der Harzschicht.
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4) Behandlung nach dem Entwickeln (a) Um eine Verbesserung' des Widerstands
und der Festigkeit des Harzes zu erzielen, werden die Matrize 11 und die beim Fntwickeln
verbleibenden Riickstände 16 einer dem verwendeten Harz angepaßten thermischen Behandlung
unterworfen. Es handelt sich meistens um eine lanasame Erwärmung bis auf eine relativ
hohe Temperatur (100 bis 15o0C), die eine qewisse Zeit beibehalten wird, und dann
um eine Abkühlung auf Zimmertemperatur. tTm eine Beschädigung der Schicht zu vermeiden,
muß die Temperatur stufenlos geändert werden. Das Auftragen eines Schutzlacks von
Hand auf das Harz wird vermieden, um eine regelmäßige Stärke der Schicht beizubehalten.
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(b) Die freiliegende Metalloberfläche der Matrize 11 wird dann einem
Passivierungsvorgang ausgesetzt, um ein Anhaften und Durchdringen zwischen abgelagertem
Metall und Metall der Matrize zu unterbinden, was das Entformen erschweren würde.
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5) Das elektrolytische Bad und die Bedingungen für die Ablagerung
Zwei Faktoren sind wesentlich, nämlich: die Temperatur des Bades und die Stromdichte.
Insbesondere wird die Größe dieser Faktoren aufgrund der Ergebnisse von Versuchsreihen
im Ilinblick auf optimale Petriebsh bedingungen festaelegt, und sie dürfen während
der ganzen Dauer nicht variieren.
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(a) Die Temperatur des Bades wird konstant gehalten, beispielsweise
auf 6o0C. Dieser Werft wird so festgelegt, daß die inneren Spannungen des abgelagerten
Metalls in der ganzen Stärke der Ablagerung eine sorgfältig bestimmte Größe und
tiberall gleiche Richtung beibehalten.
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(b) Während der elektrolytischen Ablagerung muß die Stromdichte konstant
bleiben, um die kritalline Struktur und die mechanischen Eigenschaften des Zylinders
im Verhältnis zu seiner Wandstärke nicht zu verändern.
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Die Anfangs fläche der Ablagerung auf der von der Matrize unter Bericksichtigung
der bloßgelegten Flächen gebildeten Kathode wird genau berechnet.
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Die Stärke der Ablagerung wird mit Hilfe eines Zählers durch einfaches
Ablesen der Strommenge gemessen, die durch das Bad seit Beginn der Ablagerung eines
bestimmten Metalls (z.R. Nickel) hindurchgeflossen ist. Wenn diese Stärke die der
lichtempfindlichen Harzschicht erreicht hat, vergrößert sich die Oberfläche der
Ablagerung zunehmend (Fig. 7 und8). Dann muß gleichzeitig die Gesamtstromstärke
geändert werden, um die Stromdichte konstant zu halten.
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(c) Die Stärke der Metallablagerung kann z.P. o,6mm erreichen oder
Überschreiten, während die Dicke der isolierenden Harzschicht sich bei einigen loostel
Millimetern bewegt (das Verhältnis von 1:1o kann Überschritten werden).
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Der Spitzeneffekt, den das magnetische Feld und die Form der leitenden
Oberfl9chen entstehen lassen, verursacht eine partielle Überdeckung der Rückstände
16 und demzufolge eine Verringerung der Flächenqroße der Löcher oder Perforierungen
7 und eine Verbreiteruna der Brflcken 18. Diese Fntwicklung nimmt mit der Stärke
der Ablageruna zu. Ein Loch 7 weist dann in der Draufsicht eine qrundsZitzlich serhseckige
Form auf, die von qekrfimmten R<9ndern begrenzt ist, und seine Flächengröße ist
geringer als die des ursprünglichen Rasterpunktes 3, der sich auf der Innenseite
der Zylinderwanduna im Relief wiederfindet (Umriß 20 von gleicher Stärke wie die
Harzschicht, die den Rückstand 16 bildet, in den Fig. 6, 7, 8 und 9). Die Ränder
19 stellen die sichtbaren Seiten der Brücken oder Stege 18a dar, welche die dicke
Wandung des Zylinders hilden.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen die Entwicklung der Ablagerung, nämlich den
Ouerschnitt einer Brücke: - Ist die Stärke kaum größer als die Dicke der Harzschicht,
Überwiegt der Spitzeneffekt, und die Überdeckung verursacht seitliche Wulste 21
und 22 aus abgelagertem Metall. Der ursprüngliche Rasterpunkt bestimmt dabei die
mittlere Stärke 20 (Fig. 2).
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- Nimmt die Stärke der metallischen Ablagerung zu, fÜllt sich die
konkave Form der Außenseite allmählich
auf, und am Ende der Ablagerung
bleibt nur eine schmale Linie 23 in konkaver Form auf dieser Außenseite 24 (Fig.
8).
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(d) Das elektrolytische Bad 25 ist in einer Pohandlunnswanne 26 enthalten.
Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung, in der die Matrize 11 völlig eingetaucht ist und
dabei um eine waagerechte Achse gedreht wird. Die kathodenseitigen Laqer 27 des
Bades sind mit Kohlebürsten 28 versehen, die mit dem Minuspol eines (nicht gezeigten)
Gleichrichters verbunden sind Die sensibilisierte Matrize dreht sich vor den Anoden
29, die z.B. an einer Schiene 30 oberhalb des Pfades aufgehNngt sind, welche mit
dem Pluspol des Gleichrichters verhunden ist. Wenn an den Klemmen des Gleichrichters
eine Spannung erzeugt wird, geht der Strom von der Kathode zu den Anoden durch das
qleitende Bad (z.B. auf Chlorid- oder Nickelsulfamatbasis). Die positiven Metallionen
(Ni++) laaern sich auf den leitenden Flächen der Minuselektrode ab, d.h. auf den
nichtisolierten Bereichen der Matrize 11. Die fr die Behandlung notwendigen Ceräte
(Pumpe, Filter, Geräte zum Erwärmen und Regeln der Temperatur, elektrische Zähler...)
sind bekannt und daher nicht dargestellt.
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6) Kontrolle der inneren Spannungen - Entformen Die Bedingungen zur
Vorbereitung des Rasters, zur SensJbilisierung der Matrize und zur Herstellung einer
starken Metallablagerung ermöglichen die Anfertigung eines Hohlzylinders, dessen
Perforierungen dem erstrebten Ergebnis entsprechen. Wenn dieser elektrolytisch gebildete
Zylinder für die gleichmäßige Beschichtung eines Trägers für einen Bodenbelag angewendet
wird, sind die Perforierungen unter
einander nahezu identisch,
da ihre Form und ihre Abmessungen je nach Art und Stärke des Schichtmaterials vorher
berechnet wurden.
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Um den Hohlzylinder mit starker und daher steifer Wandung benutzen
zu können, muß er sich von der zylindrischen Matrize 11, die ihm als Form gedient
hat, abheben lassen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, diese Schwierigkeit
unabhängig von der Länge des hergestellten Zylinders zu überwinden und ihn ohne
Verformung von der Matrize zu trennen.
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(a) Zu diesem Zweck wird die Wirkung der im Metall entstandenen Spannungen
benutzt. Diese Kräfte messen deshalb vollstFndig heherrscht werden, und zwar während
der ganzen Dauer des Ablagerunasprozesses.
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Die Fig. 13 und 14 stellen ein als Spannungsmesser bezeichnetes Gerät
31 dar, das die inneren Spannungen einer elektrolytischen Ablagerung quantitativ
und ihrer Richtung nach wiedergibt.
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(b) Der Spannungsmesser 31 enthält: - eine Grundplatte 32 aus massivem
nichtleitendem Material, - eine starre Stange 33, die senkrecht auf der Grundplatte
befestigt ist und an ihrem freien Ende eine Befestigungsvorrichtung 34 ftlr ein
Metallband 35 trägt, - einen Ring 36, der auf die Stange 33 in der Nähe des Sockels
32 drehbar aufgeschoben ist und ein zylindrisches Drehsegment 37 trägt, dessen Außenrand
38 verzahnt ist,
- eine lermnhlse 39 mit einer Klemmschraube 40
zum Festklemmen am Ring 36 und - ein Zahnrad 41 mit einem damit drehenden Zeiger
42, der sich vor einer Skala 43 bewegt, wenn das Zahnrad 41 vom gezahnten Drehsegment
37 übersetzt angetrieben wird (Fig. 13).
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Alle diese Teile, mit Ausnahme des Metallbandes 35 bestehen aus nichtleitendem
Material.
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(c) Der Einsatz und die Funktion des Spannunnsmessers 31 sind folgende:
- das Band 35, z.R. ein Band aus Federstahl, wird an seinen Enden'35a und 35h einerseits
an der Stange 33 mittels der Pefestigungsvorrichtung 34 und andererseits an dem
Ring 36 mittels der Klemmeinrichtung 39, 40 festgelegt.
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- Beim Auftreten einer inneren Kraft in dem schraubenförmig aufgewickelten
Band 35 dreht sich dessen unteres Ende 35 wie im Vergleich zum oberen Ende 35a um
die Schraubenachse.
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Diese Drehbewegung -nimmt den Rina 3fi, das Drehsegment 37 und her
die Zahnilbersetzunq 38-41 den Zeiger 42 mit, der sich dadurch an der festen Skala
43 entlangbewegt.
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- Die Richtung der Kraft wird durch die Rewegungsrichtung des Zeigers
42 angegehen, während ihr absoluter Wert proportional den Zeigerausschlag an der
Skala 43 ist.
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(d) Es leuchtet ein, daß eine solche Vorrichtung nach Eichung der
Skala 42 die Möglichkeit schafft, die
inneren Spannungen der elektrolytischen
Ablagerung zu kontrollieren, zu messen und zu korrigieren, wenn sich die Vorrichtuna
innerhalb des elektrolytischen Pfads 25 befindet und mit den Fnden 35a, 35b des
metallischen Bandes 35 an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist (Fig. 14). Fs
geneigt, einerseits die Reaktion des Metallhandes 35 auf eine hestimmte innere Kraft
und andererseits den Wert der gewünschten inneren Spannunaen zu kennen. Nach einer
Reihe von Metallablagerunqsvorganven auf einem solchen Band kann die Skala 43 direkt
in Werten qeeicht werden, welche die Richtung und die Ausschlaqshreite der inneren
Spannungen in dem abgelaaerten Metall unter genau festgelegten Bedingungen angeben.
Die Skala 43 wird beispielsweise einen mittleren Punkt als Nullwert (keine Kraft)
und zumindest eine Nerativskala für die Spannungen, die bei Dehnung auftreten, aufweisen.
Die Eichung des Geräts ermöglicht eine unmittelbare und ständige Ab lesung von Richtung
und Größe der inneren Spannung (sel-bstverstä.ndlich unter der Bedingung, daß die
Bänder 35 stets die gleichen mechanischen Eigenschaften haben).
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(e) Richtung und Große der inneren Spannungen in dem abgelagerten
Metall ändern sich je nach der 7.usammensetzung des elektrolytischen Bades, der
Stromdichte und besonders der Betriebstemperatur. Diese Parameter werden so eingestellt,
daß die inneren Spannungen eine Dehnung des Zylinders 6 bewirken. Ihre Größe muß
dabei ausreichen, um das Fntformen des metallischen Hohlzylinders von der Matrize
zu erleichtern, gleichzeitig aber so gering bleiben, daß nicht ein Abheben des Metalls
während des Ablagerungsvorgangs auftritt.
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(f) Die Fig. lo, 11 und 12 geben schematisch don Vorgang des Entformens
wieder. Filr einen Hohlzylinder von beispielsweise 2 Meter Lnge und o,6 mm Wandstärke
wird eine Ablagerung auf einer zylindrischen Matrize 11 von etwa 2,5 Meter Länge
hergestellt.
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Am Ende des Ablagerungsvoraanges wird der Zylinder von der Matrize
abgehoben, indem man z.B. eine dünne Platine 44 zwischen die beiden Metalloberflächen
der Matrize und des Hohlzylinders schiebt (Fig. 10). Die Platine wird nur an einem
Ende der Matrize und nicht tief eingeführt.
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Dieser Vorgang hat den Zweck, die inneren Spannunaen in dem abgelagerten
Metall freizusetzen und eine leichte Dehnung des Zylinders 6 im Vergleich zur Matrize
hervorzurufen, wobei die vorangegangene Passivierung der Matrize die Entstehung
der Dehnung erleichtert. Im Grunde wird eine "Abhebewelle" ausgelöst, die man dadurch
verantrelbt, daß man einerseits die Platine auf der Leitlinie des Zvlinders entlanaschiebt
und andererseits eine Walze 45 unter Druck auf der Außenseite der Ablagerung auf
der ganzen Länge des Zylinders entsprechend den Pfeilen 46 und 47 (Fig. 10 und 11)
abrollt. Wenn der Hohlzylinder auf seiner ganzen Fläche ahqehoben ist, kann er von
der Matrize 11 getrennt werden, indem man ihn längs der Matrizenachse in Pfeilrichtung
48 (Fig. 12) gleiten läßt.
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7) Anwendungen des perforierten Hohlzylinders Der Anwendungsbereich
eines perforierten Hohlzylinders mit dicker Wandung ist sehr groß. Es seien nur
einige Anwendungsmöglichkeiten als nichteinschränkende Beispiele genannt:
(a)
Ein auf seiner ganzen Fläche perforierter Zylinder ermöglicht die Herstellung eines
gleichmäßigen Anstrichs von großer Stärke durch Ablagerung eines Anstrichmaterials
durch die Perforierungen hindurch.
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Auf diese Weise kann ein Träger gestrichen werden oder eine Materialschicht
hergestellt werden, die nach dem Erstarren selbst den Träger bildet.
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(b) Wenn der Zylinder unterschiedliche Formen oder Muster von Perforierungen
aufweist, ermöglicht er die Herstellung einer eliefahlaserung von sich ändernder
Dicke: Man kann z.R. mit einem einzigen Zylinder Ablagerungsstärken mit Plastisol
(Polyvinvlchlorid) erreichen, die Materialmengen zwischen loo g/m2 2 und 1 kg/m
entspreqhen. Zu diesem Zweck werden von einem Bereich zum nächsten auf dem Zylinder
folaende Faktoren geändert: Durchmesser und Form der Perforierungen oder Verhältnis
der Fläche der Perforierungen zu derjenigen der Stege. Ein hesonderer Fall besteht
darin, eine Ablagerung mit sich abschwHchendem Relief zu erzielen; dabei wird nur
der zweite Faktor verändert.
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(c) Der Zylinder ermöglicht die Veränderung des Oberflächenzustandes
oder der Struktur eines Erzeuanisses und die Perforierungen werden wie Düsen verwendet,
durch die ein Fluid (gasförmig oder fliissiq) hindurchtritt. Die Art des Fluids
und die Figenschaften der Perforierunaen werden je nach dem angestrebten Ergebnis
untersucht. Die Stärke und die Steifigkeit der Wandung läßt die Verwendung von pastenartigen
festen oder gelatineartigen Erzeugnissen zu.
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(d) Der Zylinder ermöglicht es, einen beliebigen Harztvp, z.B. ein
thermoklebendes Material, Punkt fr Punkt durch die Perforierungen hindurch abzulaqern.
Filr den Raster und den elektrolytischen Ablagerunqsprozeß
werden
dann die Korngrößen, Bestimmuna des Materials, seine Viskosität, die Menge und die
Stärke der thlagerung sowie die Anordnuna der Ablaqerungsrunkte (Klebepunkte auf
Parallellinie) berücksichtigt. Fine interessante Variante dieser punktartigen Ablagerung
ist die Herstellung von Schnittlinien für Waren aus nichtgewebtem Material (beispielsweise
Chirurqenkittel).
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(e) Der dickwandige Hohlzylinder kann wegen seiner Steifigkeit als
Gegenwalze zu einem Vollzylinder verwendet werden, der eine klebende Izarzschicht
durch die Perforierungen abgelagert wird, um zwei Träger zu kleben, die zwischen
den zwei Zylindern hindurchgeführt werden.
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(f) Der Hohlzylinder kann selbstverständlich auf herkömmliche Weise
als Druckwalze verwendet werden. Fr kann auch im Anschluß an eine Druckmaschine
aufsestellt werden, um auf dem Druckereierzeugnis eine Reliefwirkung zu erzielen
oder ein vorher in mehreren Farben gedrucktes Muster mit einem Schutzlack zu überziehen.
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8) Numerisches und quantitatives Beispiel Nachstehend werden die numerischen
Werte der verschiedenen Herstellungsvorgänae eines dickwandigen Hohlzylinders ansegeben:
- Stärke der lichtempfindlichen Schicht: o,o5mm - Dichte der Rasterpunkte pro Flächeneinheit:
Sie ist in großem Maße variabel unter der Bedingung, daß sie einen Rasterpunkt von
größerem Durchmesser als die Überdeckung des Harzes bewirkt;
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Wandstärke des gewünschten Hohlzylinders: o,6mm; - Ablagerungsbedingunaen: - Matrizen,
die sich gänzlich im Bad befinden und um eine waagerechte Achse mit ca. 3o U/Min.
drehen; - Das Bad: - Auf Nickelsufamatbasis - keine Veränderung des Bades während
des Ablagerungsvorgangs; Korrekturen können zwischen zwei Behandlungen ausgeffihrt
werden, - Zusätze (für Spannungen): Ein Zusatz zur Erzielung von Schrumpfspannungen
(Plankmacher) und ein anderer für Dehnuncsspannunqen (Saccharin), beide werden mit
Hilfe des Spannungsmessers dosiert; - andere Zusätze: Borsäure Nickelch lorür -
pH-Wert ca. 4,5 - Anoden: Nickelkugeln in Filtriersäcken; - Geschwindigkeit der
Ablagerung: Hängt von der Stromdichte ab; ca. o,l2mm pro Stunde bei 12 Ampere/dm2
- Dauer der Ablagerung: 5 Stunden Diese Werte werden nur als Hinweis angegeben.
Der Rahmen der Erfindung wird durch eine Veränderuna der verwendeten Erzeugnisse,
deren Dosierung usw. nicht verlassen. Fflr einen bestimmten Raster z.B. wird das
Verhältnis Steg/Loch verändert, indem man die Stärke der Harzschicht verändert.
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Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung erhält man
bis zu 80% perforierte Fläche auf einer Wandung von o,5mm Stärke. Die bekannten
Verfahren lassen nur Werte von 9 bis 1o% zu.