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Die
Erfindung betrifft ein Vorhang-Auftragswerk gemäß Oberbegriff von Anspruch
1.
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Aus
DE 100 57 733 A1 ist
bekannt, dass ein solches Vorhang-Auftragswerk eine Düsenkammer umfasst,
der das Auftragsmedium über
eine Zufuhrleitung zugeführt
wird, und die das Auftragsmedium durch eine Austrittsöffnung als
Vorhang bzw. Schleier abgibt. Das Vorhang-Auftragswerk befindet
sich dabei in einem Abstand vom Untergrund, wodurch sich der Vorteil
des kontaktlosen Auftragens ergibt.
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Es
ist schwierig, über
die gesamte Arbeitsbreite einen gleichmäßig dicken Auftragsmedium-Vorhang
zu erzielen, insbesondere je größer die Arbeitsbreite
ist. Hohe Bahngeschwindigkeiten stellen eine weitere hohe Belastung
für die
Stabilität
des Auftragsmedium-Vorhangs dar, da dieser beim Kontakt mit dem
Untergrund aufgrund des Unterschieds zwischen der Geschwindigkeit
kurz vor dem Auftreffen auf dem Untergrund und der Laufgeschwindigkeit des
sich bewegenden Untergrundes gestreckt wird. Zur Erzielung eines
qualitativ hochwertigen Auftragsergebnisses ist deshalb die Gleichmäßigkeit
des Auftragsmedium-Vorhangs,
mit der dieser die Austrittsöffnung
der Abgabedüse
verlässt,
von großer
Bedeutung. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Auftragsmedium
im Wesentlichen fertig dosiert auf den Untergrund gebracht werden
soll, d. h. ein „1:1”-Auftrag
ist, und wenn zudem nur sehr geringe Mengen an Auftragsmedium auf
den Untergrund aufgebracht werden sollen, d. h. geringes Strichgewicht.
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Um
eine möglichst
homogene Verteilung bei einer großen Variation der Volumenströme und der Stoffparameter
zu erreichen, ist zudem ein Verteilersystem mit zwei Kammern, die
sogenannte Side-fed Dual Cavity Die, bekannt (vgl. Stephan F. Kistler,
Peter M. Schweizer, Liquid Film Coating, Scientific principles and
their technological implications, Chapman & Hall, New York 1997, S. 752 bis
767). Nach der Verteilung in einer ersten Verteilerkammer wird die Streichmasse
durch einen ersten Verteilerkammerspalt in eine zweite Verteilerkammer
geleitet. Der Verteilerkammerspalt muss einen hohen Strömungswiderstand
erzeugen. Der daraus resultierende Druck in der ersten Verteilerkammer
ist wesentlich größer als
der transversale Druckverlust in Fließrichtung. Die Druckunterschiede
in Strömungsrichtung der
ersten Verteilerkammer sind im Vergleich zum Gesamtdruck in der
ersten Verteilerkammer sehr gering. Die Druckverteilung und damit
die Verteilung der Volumenstromdichte über den Verteilerkammerspalt sind
dadurch annähernd
gleichmäßig bei
großen
Variationen der Volumenströme
und der Stoffparameter. Die restlichen Abweichungen werden in der
zweiten Verteilerkammer ausgeglichen. Damit ein hoher Strömungswiderstand
erzeugt wird, muss der Verteilerkammerspalt in kleinen Abmessungen
hergestellt werden, die im Bereich von 200 bis 500 μm liegen. Die
Volumenstromabweichungen über
die Auslaufbreite dürfen
einen Streubereich von 1 bis 2% nicht überschreiten. Dafür müssen die
flachen Teile, die den Verteilerkammerspalt bilden, mit einer Abweichung
von der Parallelität
in einem Bereich von ±1
bis 3 μm
gefertigt werden. Die Länge
des Verteilerkammerspaltes beträgt üblicherweise
20 bis 40 mm. Der Fertigungsaufwand von flachen Teilen in solchen
Dimensionen mit der geforderten Präzision, insbesondere bei großen Auslaufbreiten
von 10 bis 12 m, ist sehr groß und
mit erheblichen Kosten verbunden.
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Aus
DE 197 55 625 A1 ist
ein Vorhang-Auftragswerk bekannt, bei dem der Düsenkörper aus zwei wandförmigen Teilen
besteht, die eine der gewünschten
Arbeitsbreite entsprechende Länge
besitzen. In eine Längsseite
eines der Teile ist eine Längsnut
eingearbeitet, die nach dem Zusammenfügen der beiden Teile eine Verteilerkammer
bildet. An die Verteilerkammer ist ein über die Arbeitsbreite sich
erstreckender Austrittskanal angeschlossen, aus dem die Streichfarbe
austritt. Um auf Papier- oder Kartonbahnen mit großer Breite
auch geringe Mengen an Streichfarbe unter schwankenden Bedingungen,
z. B. schwankender Viskosität
oder sich ändernden Auftragsmengen,
gleichmäßig über die
Arbeitsbreite störungsfrei
auftragen zu können,
werden die Strömungsverhältnisse
in der Verteilerkammer über
die zugeführten
Volumenströme
beeinflusst. An die Verteilerkammer sind dazu mindestens zwei Zuführkanäle angeschlossen,
die jeweils eine Einrichtung zur Einstellung des zugeführten Volumenstroms
an Streichfarbe aufweisen. Bevorzugt werden Schlauchklemm- oder
Membranventile für
die Volumenstromeinstellung verwendet. Die Volumenströme eines
jeden Zuführkanals
werden also separat eingestellt. Für eine weitere Vergleichmäßigung ist
zwischen der Verteilerkammer und dem Austrittskanal eine zweite Verteilerkammer
angeordnet. Zwischen der dann ersten Verteilerkammer und der zweiten
Verteilerkammer befindet sich ein zusätzlicher Strömungskanal.
Nachteilig ist wiederum das Erfordernis zusätzlicher Stellglieder für die Querprofileinstellung.
Der damit verbundene Kostenaufwand ist dementsprechend groß.
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Zur
Bildung eines Vorhangs kann eine Schlitzdüse oder eine Kaskadendüse verwendet
werden. Bei einer Schlitzdüse,
auch als Slot Die bezeichnet, eines einschichtigen Vorhang-Auftragswerks
bildet sich der Vorhang unmittelbar am Austritt aus dem Düsenspalt.
Vorhang-Auftragswerke mit einer Schlitzdüse sind beispielsweise aus
DE 197 16 647 A1 bekannt.
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Aus
DE 102 31 276 A1 ist
ein Beschichtungskopf bekannt, in dem eine rohrförmige Farbkammer ausgebildet
ist. Nach oben ist die Farbkammer mit kegelförmigen Ausbuchtungen erweitert.
Die Ausbuchtungen verjüngen
sich nach oben hin und münden
in Entlüftungsöffnungen.
Nach unten ist die Farbkammer über
die gesamte Rohrlänge
geschlitzt und über
den Schlitz verbunden mit einem Spalt. Der Spalt ist nach oben begrenzt
durch den Schlitz in der Farbkammer und nach unten durch eine Düse. Unterhalb
der Düse
in Verlängerung
des Spaltes ist ein Flüssigkeitsvorhang
gebildet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Vorhang-Auftragswerk zu schaffen,
das eine hohe Gleichmäßigkeit
der Verteilung eines Auftragsmediums über eine Auslaufbreite gewährleistet
und dabei kostengünstig
herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Hierdurch
wird ein Vorhang-Auftragswerk geschaffen, das ohne regeltechnischen
Aufwand betrieben werden kann. Erfindungsgemäß wird ein Strömungsspalt
ersetzt durch eine Vielzahl von Führungskanälen. Ein jeder Führungskanal umfasst
einen Rohrabschnitt, der vorzugsweise ein Teil mit einem kreisförmigen Querschnitt
ist, und eine in Strömungsrichtung
anschließende
Erweiterung der Kanalströmung,
den sogenannten Diffusor des Führungskanals.
Die Führungskanäle erzeugen
einen annähernd
gleichen Strömungswiderstand
wie ein Strömungsspalt.
Die strömungstechnischen
Vorteile sind darin zu sehen, dass die Rohrabschnitte in Länge und Öffnungsweite
anpassbar sind an eine in Ausgabebreite des Vorhangs sich verjüngende erste
Verteilerkammer, wodurch im Wesentlichen gleiche Strömungswiderstände sichergestellt
werden. Eine Vergleichmäßigung der
Druck- und/oder Mengenverteilung des Auftragsmediums in Querrichtung
des Auftragswerks wird so gewährleistet.
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Vorzugsweise
ersetzen die Vielzahl Führungskanäle einen
Strömungsspalt
zwischen zwei Verteilerkammern. Eine erste und eine zweite Verteilerkammer
sind dann in Strömungsrichtung
hintereinander angeordnet, und zwischen diesen erstreckt sich ein
zusätzlicher
Strömungsspalt,
der erfindungsgemäß ersetzt
ist durch eine Vielzahl Führungskanäle.
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Die
Rohrabschnitte der Führungskanäle sind vorzugsweise
als Drehteile in einfacher Weise herstell- und einsetzbar. Aufwändige hochpräzise flache maschinenbreite
bzw. ausgabebreite Teile können durch
Drehteile ersetzt werden.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung
und den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch einen Schnitt eines Düsenkörpers eines Vorhang-Auftragswerks in
Querrichtung des Auftragswerks nach dem Stand der Technik,
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht des Düsenkörpers gemäß 1,
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3 zeigt
schematisch einen Schnitt eines Düsenkörpers eines Vorhang-Auftragswerks in
Querrichtung des Auftragswerks nach der Erfindung,
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4 zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht des Düsenkörpers gemäß 3,
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5 zeigt
den Ausschnitt Z gemäß 3 in vergrößerter Darstellung,
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6 zeigt
den Ausschnitt Y gemäß 3 in vergrößerter Darstellung,
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7 zeigt
den Ausschnitt W nach A-A gemäß 3 in
vergrößerter Darstellung,
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8 zeigt
schematisch Strömungslinien
für einen
Führungskanal,
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9 zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht des Düsenkörpers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Die
Erfindung betrifft ein Vorhang-Auftragswerk zum Abgeben von Auftragsmedium
in Form eines sich im Wesentlichen schwerkraftbedingt bewegenden
Vorhangs an eine bewegte Papier- oder Kartonbahn.
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Wie 1 und 2 zeigen,
umfasst das Vorhang-Auftragswerk nach dem Stand der Technik dazu
einen Düsenkörper, der
eine erste, längs
einer Aufgabebreite sich erstreckende Verteilerkammer 1 aufweist.
Dieser Verteilerkammer 1 wird über mindestens eine Zufuhrleitung
(nicht dargestellt) das Auftragsmedium zugeführt. Die Strömungsrichtung
S des zuzuführenden
Auftragsmediums kann von einem Ende der Verteilerkammer 1 her
ausgehen, wie dies in 1 dargestellt ist. Der Düsenkörper umfasst
ferner eine zweite Verteilerkammer 3, die das Auftragsmedium über einen
Auslaufspalt 4 als Vorhang abgibt. Zwischen der ersten 1 und
zweiten Verteilerkammer 3 ist ein zusätzlicher Strömungskanal 2 vorgesehen,
der als Strömungsspalt
ausgebildet ist. Die Strömungsrichtung
S erfolgt senkrecht zur Querrichtung des Vorhang-Auftragswerks.
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Die
Länge lh und die Höhe 2h des als Strömungsspalt
ausgebildeten Strömungskanals
bestimmen einen Strömungswiderstand,
der in Querrichtung der Ausgabebreite im Wesentlichen gleich ist, da
der Strömungsspalt
ein durchgehender Raum ist. Vorraussetzung hierfür ist allerdings eine hohe
Präzision
hinsichtlich Parallelität
der Strömungsspaltwände, damit
die Spalthöhe
2h über
die Spaltlänge
lh gleich bleibt. Die eingangs zum Stand
der Technik dargelegten Probleme treten bei der Fertigung des Düsenkörpers auf,
auch dann wenn dieser wie üblich aus
zwei Hälften
zusammengesetzt ist.
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Wie 3 und 4 zeigen,
unterscheidet sich das erfindungsgemäße Vorhang-Auftragswerk gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
vom Stand der Technik dadurch, dass der zusätzliche Strömungskanal 2 zerlegt
ist in eine Vielzahl einzelner Führungskanäle, die
einlaufseitig und längs
der Aufgabebreite mit zueinander beabstandeten Rohrabschnitten 2.1 an
die erste Verteilerkammer 1 anschließen. Die Längen und Öffnungsweiten der Rohrabschnitte 2.1 sind
zur Vergleichmäßigung des
Strömungswiderstandes
längs der
Aufgabebreite wählbar.
In Strömungsrichtung
S gehen die Rohrabschnitte 2.1 jeweils in einen Diffusor 2.2 für ein auslaufseitiges
Zusammenführen
der Sektionsströme
der Führungskanäle über. Zwischen
die auslaufseitigen Enden der Diffusoren 2.2 der Führungskanäle und die zweite
Verteilerkammer 4 kann noch eine restliche Teilhöhe des Strömungskanals 3 in
Form eines maschinenbreiten Strömungsspaltes
ausgebildet sein, um die einzelnen Sektionsströme aus den einzelnen Führungskanälen wieder
zusammenzuführen,
bevor der Eintritt in die zweite Verteilerkammer 4 erfolgt. Die
zweite Verteilerkammer 4 gibt das Auftragsmedium über einen
Auslaufspalt 5 als Vorhang ab. Die Führungskanäle sind vorzugsweise in einem
Grundkörper 2.4 des
Düsenkörpers angeordnet.
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Die
Führungskanäle mit Rohrabschnitt 2.1 und
Diffusor 2.2 erstrecken sich von der ersten Verteilerkammer 1 senkrecht
zur Querrichtung des Auftragswerks, d. h. vorzugsweise senkrecht
zur Maschinenquerrichtung (CD) der bewegten Papier- oder Kartonbahn.
Die Führungskanäle sind
dazu vorzugsweise in einer Zeile angeordnet.
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Die
Strömungswiderstände der
Führungskanäle längs der
Ausgabebreite sind im Wesentlichen gleich und betragen mindestens
1 mWS. Die Rohrabschnitte 2.1 der Führungskanäle weisen vorzugsweise einen
kreisförmigen
Querschnitt auf. Wie 3 zeigt, kann die erste Verteilerkammer 1 über die
Aufgabebreite keine gleiche Länge
aufweisen. Bei einer Zuführung
des Auftragsmediums von einem Ende her verjüngt sich die Verteilerkammer 1 zu
dem diesem Aufgabeende gegenüberliegenden
anderen Aufgabeende hin. Eine Vergleichmäßigung der Volumenströme wird
hier verbessert, wenn die Längen
lr und/oder die Durchmesser der Rohrabschnitte 2.1 und/oder
die Abstände
x zwischen jeweils zwei Führungskanälen entlang
der Auslaufbreite unterschiedlich sind. Wie 3 zeigt,
geht beispielsweise eine Verkürzung
der Länge
lr der Rohrabschnitte 2.1 einher
mit einer Verkürzung
der Länge
der ersten Verteilerkammer 1. Die Anzahl der Führungskanäle pro Meter
der Ausgabebreite bzw. Auslaufbreite ist wählbar. Vorzugsweise liegt die
Anzahl der Führungskanäle im Bereich
zwischen 10 und 33. Um Randströmungen
entgegen zu wirken, ist es vorteilhaft, den Abstand x zwischen den
Führungskanälen über die Auslaufbreite
variabel zu gestalten.
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Die 5 bis 7 zeigen
bevorzugte Einzelheiten eines Führungskanals
gemäß der Erfindung.
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Wie 5 zeigt,
sind die Rohrabschnitte 2.1 vorzugsweise als austauschbare
Einsätze
ausgebildet. Diese Einsätze
können
einlaufseitig eine Fase und/oder eine Rundung R.1 aufweisen.
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Wie 6 zeigt,
weisen die Führungskanäle im Bereich
des Auslaufendes eine Stegbreite b ≤ 0,3 mm auf. Die Führungskanäle können zudem
an dem jeweiligen Diffusor 2.2 abgerundete Auslaufenden aufweisen.
Unter strömungstechnischen
Aspekten ist es vorteilhaft, die Führungskanäle so zu gestalten, dass sie
in ihrem Endbereich, in Strömungsrichtung S
gesehen, ein stumpfes Ende mit einer Stegbreite unter 0,3 mm oder
ein abgerundetes Ende aufweisen, um die Bildung von unerwünschten
Wirbelablösungen
an den Endkanten zu vermeiden.
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Wie 7 zeigt,
weisen die Diffusoren 2.2 vorzugsweise jeweils einlaufseitig
einen kreisförmigen
Querschnitt auf, der in einen rechteckigen Querschnitt am Austritt übergeht.
Der Erweiterungswinkel βd der die Strömung begrenzenden Wände der Diffusoren 2.2 liegen
vorzugsweise unter 8°,
um eine Rückströmung im
Diffusor 2.2 zu vermeiden. Die Spalthöhe des kreisförmigen Rohrabschnitts 2.1 des Führungskanals
ist mit 2r0 und eine Spalthöhe des Diffusors 2.2 ist
mit 2H bezeichnet. Es ist vorteilhaft, wenn der Diffusor 2.2 so
gestaltet ist, dass eine Erweiterung der die Strömung begrenzenden Wände vorgesehen
ist.
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8 zeigt
eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse in einem Führungskanal mit
Rohrabschnitt 2.1 und Diffusor 2.2. Der Öffnungswinkel
des Diffusors 2.2 ist mit αd bezeichnet.
Mit R ist ein radialer Abstand bezeichnet. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit
im Abstand R wird mit umax angegeben. Der
Diffusor 2.2 ist vorzugsweise so gestaltet, dass die Geschwindigkeitsverteilung
der Diffusorströmung
eine hohe Symmetrie aufweist und eine Rückströmung vermieden wird. Aufgrund
der hohen Viskosität
der Streichmasse und verhältnismäßig geringer
Geschwindigkeit handelt es sich dabei um eine divergente Jeffery-Hamel-Strömung. Der Winkel αd ist
vorzugsweise kleiner als 25°.
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Der
kritische Erweiterungswinkel α
dk der die Strömung begrenzenden Wände der
Diffusor
2.2 kann nach der Gleichung
bestimmt werden, wobei μ die Viskosität des Auftragsmediums, ρ die Dichte
des Auftragsmediums, 2b
0 = 2r
0 und
V der Volumstrom pro Meter Auslaufbreite ist.
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Die
strömungsberührten Teile
des Vorhang-Auftragswerks werden mechanisch und chemisch beansprucht.
Vorteilhaft ist deshalb, die Führungskanäle bzw.
die austauschbaren Einsätze 2.1 und
den Grundkörper 2.4,
in den die Diffusor 2.2 integriert sein können, aus
nicht rostenden Stählen
herzustellen, wie beispielsweise aus folgenden Werkstoffen wie molybdänfreie Cr-Ni-Stähle, molybdänhaltige
Cr-Ni-Stähle
oder ferritisch-austenistische Duplexstähle.
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Alternativ
kann der Grundkörper
aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen. Um hohe Anforderungen
an die Formstabilität,
chemische Beständigkeit,
Verhalten gegen Feuchtigkeit (Feuchtigkeitsaufnahme unter 1,5%),
Maßhaltigkeit
(geringe Quellung unter 0,1%) zu erfüllen, eignen sich die Hochleistungskunststoffe
(amorph und teilkristallin) wie beispielsweise PEI, PEEK, PPSU,
PTFE, PVDF, POM nach DIN EN ISO 1043-1 als Werkstoff zur Herstellung
des Düsenkörpers, insbesondere
des Grundkörpers 2.4.
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Der
erfindungsgemäß beschriebene
Düsenkörper kann
für ein
Vorhangstreichen nach dem Slide-Type-Verfahren oder einem Slot-Type-Verfahren
eingesetzt werden.
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9 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel des
Vorhang-Auftragswerks zum Abgeben von Auftragsmedium. Der Düsenkörper weist
hier nur eine erste, längs
einer Aufgabebreite sich erstreckende Verteilerkammer 1 und
einen Strömungskanal 2 auf, der
das Auftragsmedium über
den Auslaufspalt 5 als Vorhang abgibt. Der Strömungskanal 2 ist
zerlegt in eine Vielzahl einzelner Führungskanäle, wie vorstehend zum ersten
Ausführungsbeispiel
beschrieben. Die vorstehenden Ausführungen gelten hier entsprechend.