Die Erfindung betrifft ein Auftragsystem für eine Vorrichtung zum Beschichten einer Papier- oder Kartonbahn gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Beschichtungsvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Auftragsystem.
Zum Beschichten von Papier- oder Kartonbahnen werden Vorrichtungen mit einem Auftragsystem eingesetzt, von dem das Beschichtungsmaterial direkt auf die Bahn oder zunächst auf eine Walze aufgetragen wird, die anschließend den Film an Beschichtungsmaterial an die Bahn übergibt.
Die Vorrichtungen zum direkten Beschichten weisen eine die Bahn umlenkende Gegenwalze auf. Das Auftragsystem ist in dem von der Bahn umschlungenen Bereich der Gegenwalze angeordnet und trägt Beschichtungsmaterial im Überschuß auf die Bahn auf. In Bahnlaufrichtung mit Abstand hinter dem Auftragsystem ist ein Dosiersystem mit einem Rakelelement angeordnet, das den Überschuß bis auf das gewünschte Strichgewicht wieder abstreift.
Als Walzenauftragwerke bezeichnete Auftragsysteme enthalten eine mittels eines Antriebs drehbare Auftragwalze, deren Mantelfläche im Betrieb mit der Gegenwalze ein Auftragspalt bildet, dem von der Bahneinlaufseite her Beschichtungsmaterial im Überschuß zugeführt wird. Bei dem aus der DE-A-36 23 402 bekannten Walzenauftragwerk besteht ein fester Spalt zwischen der Gegenwalze und der Auftragwalze, die Gegenwalze wird somit nicht gegen die Bahn gedrückt.
Die als Filmpressen bezeichneten Beschichtungsvorrichtungen weisen zwei gegeneinander schwenkbare Preßwalzen auf, die einen Preßspalt bilden, durch den die Bahn geführt wird. An einer oder beiden Preßwalzen sind Auftragsysteme angeordnet, die einen dosierten Film von Beschichtungsmaterial auf die Mantelfläche auftragen, der anschließend im Preßspalt an die Bahn übergeben wird. Die DE-A-40 33 521 beschreibt eine derartige Beschichtungsvorrichtung mit einer als Übergabewalze dienenden Preßwalze, an der ein Auftragsystem mit einer Düsenkammer angeordnet ist.
Ebenso ist es bei Beschichtungsvorrichtungen mit einem Luftmesser als Dosierelement bekannt, das Beschichtungsmaterial zunächst auf eine Übergabewalze aufzutragen, die es anschließend an die Bahn übergibt (DE-A-40 14 463).
Bei sehr großen Arbeitsbreiten (Bahnbreiten 8 m und mehr) und hohen Produktionsgeschwindigkeiten (800 m/min und mehr) ist es schwierig, die gewünschte Menge mit dem Auftragwerk auf die Bahn oder eine Walze aufzutragen, ohne daß die Beschichtung ungleichmäßig wird. Beim direkten Auftrag auf die Bahn soll das Beschichtungsmaterial dem Auftragspalt mit möglichst geringem Druck in möglichst geringer Überschußmenge zugeführt werden, damit keine zu große Menge in die Bahn gedrückt wird, die später nicht mehr abgerakelt werden kann. Stabilität und Dynamik erfordern Auftragwalzen mit großem Durchmesser, deren den Auftragspalt begrenzende Mantelfläche demgemäß nicht mehr so gekrümmt verlaufend gestaltet werden kann, wie es sich für optimale hydrodynamische Verhältnisse im Auftragspalt für erforderlich gezeigt hat.
Die WO-A-94/23126 beschreibt ein gattungsgemäßes Auftragsystem mit einer Auftragwalze, die einen Durchmesser von 5 mm bis 200 mm aufweist und an ihrer der Gegenwalze abgewandten Rückseite von einem Halter über die gesamte Arbeitsbreite gegen Durchbiegung abgestützt ist. Aufgrund des geringen Durchmessers der Auftragwalze kann das Dosiersystem in kurzem Abstand hinter dem Auftragsystem angeordnet werden, um die Penetrationsstrecke zwischen Auftragen und Abrakeln gering zu halten. Die Abstützung der Auftragwalze vermindert Durchbiegungseffekte, die aus dem Eigengewicht oder dem hydrodynamischen Druck im Auftragspalt resultieren, erheblich, so daß kleinere Spaltweiten eingestellt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Auftragsystem so zu verbessern, daß Beschichtungsmaterial mit unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften gleichmäßig und mit einstellbarer Menge direkt auf die Bahn oder auf eine Walze aufgetragen werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Auftragsystem kann mit der Auftragwalze ein einstellbarer Gegendruck zum hydrodynamischen Druck im Auftragspalt zwischen Auftragwalze und der von der Bahn umschlungenen Gegenwalze oder einer Übergabewalze ausgeübt werden, um die hydrodynamischen Verhältnisse zu beeinflussen. Dies kann genutzt werden, um einen gleichmäßigeren Auftrag zu erreichen und/oder die Auftragsmenge einschließlich der Penetrationsrate in die Bahn zu beeinflussen.
Da die Auftragwalze über ihre gesamte Länge abgestützt ist, steht ihr Durchmesser als frei wählbarer Parameter zur Optimierung der hydrodynamischen Verhältnisse im Auftragspalt und zur Verminderung von negativen Effekten, z. B. Filmsplitting, zur Verfügung.
Die Unteransprüche enthalten bevorzugte, da besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft auch Beschichtungsvorrichtungen.
Die Zeichnung dient zur Erläuterung der Erfindung anhand eines vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiels.
Nachfolgend wird eine Beschichtungsvorrichtung beschrieben, bei der das Auftragsystem das Beschichtungsmaterial direkt auf eine Papier- oder Kartonbahn aufträgt. Die Verwendung zum direkten Auftragen auf eine Bahn ist besonders vorteilhaft, da sich mit dem Auftragsystem der hydrodynamische Druck im Auftragspalt beeinflussen läßt, von dem die Penetration des Beschichtungsmaterials in die Bahn entscheidend abhängt.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Auftragsystems ist jedoch nicht auf das direkte Auftragen beschränkt. Es läßt sich auch zum Auftragen von Beschichtungsmaterial auf eine Preßwalze einer Filmpresse, eine Übergabewalze einer Luftmessermaschine oder andere Walzen vorteilhaft einsetzen, um auf der Walze einen Film gewünschter Stärke und Gleichmäßigkeit zu erzeugen, der anschließend an die Papier- oder Kartonbahn abgegeben wird.
Die Beschichtungsvorrichtung weist ein Auftragsystem 1 und in Laufrichtung der Papier- oder Kartonbahn 2 mit Abstand dahinter angeordnet ein Dosiersystem 3 mit einem Dosierelement, vorzugsweise einem Schabermesser 4 als Rakelelement auf. Vom Auftragsystem 1 wird Streichfarbe als Beschichtungsmaterial im Überschuß auf die Papier- oder Kartonbahn 2 aufgetragen und anschließend von dem Dosierelement (Schabermesser 4) des Dosiersystems 3 bis auf das gewünschte Strichgewicht wieder abgerakelt. Alternativ zu einem Schabermesser 4 sind als Dosierelemente auch drehbare Rakelstangen, Rakelleisten oder ein Luftmesser einsetzbar. Ein Luftmesser besteht aus einer sich über die Bahnbreite erstreckenden Schlitzdüse, aus der ein Druckluftstrahl gegen den Überschußfilm geleitet wird.
Sowohl beim Auftragen als auch beim Dosieren wird die Bahn 2 von einer Gegenwalze 5, 22 über ihre gesamte Breite abgestützt. Bei der Ausführungsform nach Figur 1 sind das Auftragsystem 1 und das Dosiersystem 3 an einer gemeinsamen, die Bahn 2 umlenkenden, angetriebenen Gegenwalze 5 angeordnet. Bei der Ausführungsform nach Figur 5 ist dem Auftragsystem 1 und dem Dosiersystem 3 jeweils eine eigene Gegenwalze 5, 22 zugeordnet.
Das Dosiersystem 3 nach den Ausführungsbeispielen ist auf bekannte Weise aufgebaut: Das Schabermesser 4 ist mit seinem Fuß in einem Klemmbalken 7 festgeklemmt, der in Richtung zur Gegenwalze 5 verschiebbar in einem Schaberbalken 8 gelagert ist. Der Schaberbalken 8 ist um die Schabermesserspitze schwenkbar zwischen zwei Seitenteilen 9 im Gestell der Vorrichtung aufgehängt, so daß sich die Anpreßkraft des Schabermessers 4 und der Bladewinkel (= Winkel des Schabermessers 4 zur Tangente an die Gegenwalze 5) einstellen lassen.
Das Auftragsystem 1 enthält bei allen Ausführungsformen eine mit einem Drehantrieb verbundene Auftragwalze 10 mit glatter Mantelfläche, die sich über die gesamte Arbeitsbreite, i. e. die maximale Bahnbreite, erstreckt. Die Auftragwalze 10 weist einen Durchmesser von 40 mm bis 600 mm, vorzugsweise zwischen 100 mm und 400 mm, auf und ist an ihren beiden Enden radial zur Gegenwalze 5 begrenzt beweglich gelagert, um die Weite des Auftragspalts zwischen ihr und der Gegenwalze 5 variieren zu können. Bevorzugt ist die Auftragwalze 10 auf ihrer Mantelfläche mit einem gummielastischen Material beschichtet.
An ihrer der Gegenwalze 5 abgewandten Rückseite ist die Auftragwalze 10 von einem sich über ihre gesamte Länge - also über die gesamte Arbeitsbreite - reichenden Stützelement abgestützt, das in Richtung zur Auftragwalze 10 begrenzt beweglich an einem starren Halter gelagert ist. Das Stützelement ist mittels eines sich am Halter abstützenden, sich über die Arbeitsbreite erstreckenden Druckschlauchs 14 in Richtung zur Auftragwalze 10 drückbar.
Bei den Ausführungsformen nach den Figuren 1 bis 3 ist das Stützelement ein Stab 11 mit kreisförmigem Querschnitt. Der Durchmesser des Stabs 11 ist geringer als der der Auftragswalze 10, im vorliegenden Beispiel beträgt er ca. 25 mm. Falls erforderlich, wird an einer Seite mit einem Drehantrieb verbunden. Er ist in einem zur Auftragwalze 10 offenen Bett 12 aus einem begrenzt elastischen, gummiähnlichen Material frei drehbar gelagert, das in eine entsprechend gestaltete Nut eines starren Halters 13 eingesetzt ist und über die gesamte Arbeitsbreite reicht. In den unteren, am Grund der Halternut aufliegenden Teil des Betts 12 ist der Schlauch 14 eingearbeitet, der mit Druckluft beaufschlagt werden kann, um den Stab 11 gegen die Auftragwalze 10 zu drücken. Der obere Teil des Betts 12 verbreitert sich schwalbenschwanzförmig, um den Halter 13 abzudichten. Damit sich der Stab 11 möglichst reibungsarm im Bett 12 drehen kann, liegen die Innenwände des Betts 12 nur abschnittsweise, von Kanälen 15 für Kühl- und Schmiermittel unterbrochen, an dem Stab 11 an. Der Halter 13 ist an zwei seitlichen Schwenkarmen 16 festgeschraubt, die mittels einer Kolben-Zylinder-Einheit 17 in Richtung zur Gegenwalze 5 und von dieser weg geschwenkt werden können. Die Schwenkbewegung zur Gegenwalze 5 kann durch einen einstellbaren Anschlag 18 begrenzt werden, um eine bestimmte Arbeitsposition der Auftragwalze 10 relativ zur Gegenwalze 5 einzustellen.
Alternativ zu dem Stab 11 kann als Stützelement auch eine in einem Bett gelagerte, von einem Druckschlauch abgestützte Leiste eingesetzt werden, wie sie in der DE-A-33 38 323 beschrieben ist.
In Bahnlaufrichtung unmittelbar vor dem Bett 12 ist an den Schwenkarmen 16 eine bis in den Bereich der Auftragwalze 10 reichende Farbkammer 19 befestigt, die sich über die gesamte Arbeitsbreite erstreckt und zur Auftragwalze 10 hin offen ist. Die Farbkammer 19 wird über eine Zufuhrleitung 20 mit Beschichtungsmaterial versorgt. An ihre obere Begrenzungswand schließt sich ein Leitblech 21 an, das annähernd parallel zur Mantelfläche der Auftragwalze 10 mit geringem Abstand von dieser verläuft und mit geringem Abstand von der Gegenwalze 5 endet, so daß nur ein schmaler Überlaufkanal zur Gegenwalze 5 frei bleibt. Das überlaufende Beschichtungsmaterial wird in die Farbkammer 19 zurückgeführt.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, wird die Öffnung der Farbkammer 19 vom Bett 12 des Stabs 11, dem Stab 11 und der Auftragwalze 10 abgeschlossen, wobei nur ein schmaler Leitkanal zwischen der Auftragwalze 10 und dem Leitblech 21 frei bleibt, durch den das Beschichtungsmaterial dem Auftragspalt zwischen der Gegenwalze 5 und der Auftragwalze 10 zugeführt wird.
Bei der Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 ist das Stützelement eine Stützleiste 24 mit glatter Oberfläche, von der die Auftragwalze 10 über ihre gesamte Länge abgestützt wird. Die Stützleiste 24 weist einen über ihre Länge gleichmäßigen Querschnitt und eine konvex gekrümmte Oberfläche auf, mit der sie gegen die Auftragwalze 10 drückbar ist. Als starrer Halter, an dem die Stützleiste 24 begrenzt in Richtung zur Auftragwalze 10 beweglich gelagert ist, dient die untere Begrenzungswand 25 der Farbkammer 19. Ebenso wie bei der Ausführungsform nach Figur 1 wird so die Farbkammer 19 von dem Stützelement an der Bahnauslaufseite abgeschlossen.
Die Stützleiste 24 weist an beiden Längsseiten nach innen abgewinkelte Schenkel auf, von denen jeder eine nach außen abgewinkelte Führungsschiene 26 umgreift, die parallel mit Abstand voneinander auf der Wand 25 der Farbkammer 19 befestigt sind. Die Führungsschienen 26 und die umgreifenden Schenkel der Stützleiste 24 sind so gestaltet, daß ausreichend Spiel für die gewünschte Beweglichkeit der Stützleiste 24 in Richtung zur Gegenwalze 10 vorhanden ist. Zwischen den Führungsschienen 26 ist der Druckschlauch 14 angeordnet, der somit die Stützleiste 24 bei Druckluftzufuhr in Richtung zur Auftragwalze 10 drückt. Die Bewegungsmöglichkeit der Stützleiste 24 radial zur Auftragwalze 10 wird so zum einen durch den nach außen abgewinkelten Teil der Führungsschienen 26, zum anderen durch die Wand 25 begrenzt. Diese Teile wirken als Anschläge, die eine weitere Bewegung abstoppen.
Eine Stützleiste 24 als Stützelement hat gegenüber einem drehbaren Stützstab 11 den Vorteil, daß kein seitlicher Drehantrieb notwendig ist. Die seitliche Abdichtung der Farbkammer 19 wird so vereinfacht.
Falls es erforderlich ist, das Stützelement (Stützstange 11, Stützleiste 24) über die Arbeitsbreite lokal unterschiedlich gegen die Auftragwalze 10 zu drücken, z. B. um Unregelmäßigkeiten im Auftragspalt zwischen der Auftragwalze 10 und der Gegenwalze 5 auszugleichen, ist der Druckschlauch 14 über die Arbeitsbreite in mehrere, getrennt mit Druckluft beaufschlagbare Druckkammern unterteilt. Dann wird die Druckluftzufuhr 27 für jede Kammer durch den Halter nach außen geführt; im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 und 4 durch die als Halter dienende Farbkammerwand 25.
Bis auf das Stützelement mit seinem Halter entspricht das Auftragsystem nach den Figuren 3 und 4 in seinem Aufbau dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Figur 1; so ist auch ein Leitblech 21 vorhanden, durch den das Beschichtungsmaterial den Auftragspalt zwischen der Gegenwalze 5 und der Auftragwalze 10 zugeführt wird.
Im Betrieb wird bei entlüftetem Druckschlauch 14 über den Anschlag 18 ein Spalt von 0,01 mm bis 2 mm, bevorzugt von ca. 0,8 mm zwischen der Auftragwalze 10 und der Bahn 2 eingestellt. In die Farbkammer 19 wird Beschichtungsmaterial im Überschuß und unter Druck zugeführt, das von dem Leitblech 21 in den Auftragspalt zwischen Gegenwalze 5 und Auftragwalze 10 geführt und dort an die Bahn 2 übergeben wird. Der Überschuß an Beschichtungsmaterial läuft auf der Rückseite des Leitblechs 21 ab und wird in die Farbkammer 19 zurückgeführt. Im Auftragspalt wird der Auftrag auf die Bahn 2 von der mit- oder gegenläufig angetriebenen Auftragwalze 10 vergleichmäßigt. Die aufgetragene Menge an Beschichtungsmaterial kann dabei über den Druck im Druckschlauch 14 beeinflußt werden. Die vom Druckschlauch 14 erzeugte Kraft drückt die Auftragwalze 10 in Richtung zur Gegenwalze 5 und wirkt somit der resultierenden hydrodynamischen Kraft im Auftragspalt entgegen. Von der hydrodynamischen Kraft im Auftragspalt wird die Benetzung der Bahn 2 und die Farbpenetration in die Bahn 2 entscheidend beeinflußt. Nach der Erfindung kann sie mit dem Druck im Druckschlauch 14 als Stellgröße eingestellt werden. Gleichzeitig wird mit dem Druck in Richtung zur Gegenwalze 5 eine Vergleichmäßigung des Überschußauftrages erreicht.
Die Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 mit der Stützleiste 24, deren Bewegungsmöglichkeit durch Anschläge begrenzt ist, hat den Vorteil, daß das Auftragsystem 1 auch so betrieben werden kann, daß ein fester Spalt zwischen der Auftragwalze 10 und der Gegenwalze 5 eingestellt wird. Dazu wird im Druckschlauch 14 kein Druck aufgebaut. Die als Halter dienende Wand 25 wird in Richtung zur Auftragwalze 10 nach oben bewegt, bis sich die Schenkel der Stützleiste 24 auf ihr abstützen. Die Stützleiste 24 wird anschließend weiter nach oben bewegt und drückt die Auftragwalze 10 in die vertikale Position mit dem gewünschten festen Abstand zur Gegenwalze 5, 22. Die Auftragwalze 10 ist bei dieser Betriebsweise inelastisch gegen den Flüssigkeitsdruck im Auftragspalt abgestützt.
Bei der Ausführungsform nach Figur 5 wird die Bahn 2 zwischen dem Auftragen und Dosieren im wesentlichen geradlinig geführt, um die von der Bahn 2 weggerichteten, auf den Überschußfilm wirkenden Zentrifugalkräfte zu minimieren. Beim Beschichten mit sehr hohen Bahngeschwindigkeiten von mehr als 1000 m/min wirken bei einer gekrümmten Bahnführung zwischen dem Auftragen und Dosieren erhebliche Zentrifugalkräfte auf den Überschußfilm ein, die von der Bahn 2 weggerichtet sind. Die Zentrifugalkräfte führen zum Abspritzen von Beschichtungsmaterial und/oder zu Ungleichmäßigkeiten im Überschußfilm, z. B. zur Bildung von Spannunglinien, die beim Dosieren nicht mehr ausgeglichen werden. Mit der in Figur 5 dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausgestaltung einer Beschichtungsvorrichtung läßt sich bei sehr hohen Bahngeschwindigkeiten eine Beschichtung mit einem sehr gleichmäßigen Strichbild erzielen.
Sowohl beim Auftragen als auch beim Dosieren wird die Bahn 2 jeweils von einer Gegenwalze 5, 22 über ihre gesamte Breite abgestützt. Die Bahn 2 umschlingt zunächst die Gegenwalze 5 des Auftragsystems 1, wird anschließend geradlinig zu der Gegenwalze 22 des Dosiersystems 3 geführt und verläßt diese nach einer Umschlingung in einem bestimmten Winkel. Der Durchmesser d1 der Gegenwalze 5 des Auftragsystems 1 beträgt 300 mm bis 1000 mm, der Durchmesser d2 der Gegenwalze 22 des Dosiersystems 3 beträgt 500 mm bis 1500 mm. Der Abstand a der beiden Gegenwalzen 5, 22 voneinander ist möglichst gering gewählt, ohne daß sich die Gegenwalzen 5, 22 berühren. Er ist in jedem Fall kleiner als 500 mm, bevorzugt kleiner als 200 mm.
Innerhalb der vorstehenden Bereiche werden die Maße der Gegenwalzen 5, 22 in Abhängigkeit von der Maschinenbreite und -geschwindigkeit so gewählt, daß keine negativen dynamischen Effekte, z. B. Eigenfrequenzen, den Beschichtungsvorgang beeinträchtigen.
Die Gegenwalzen 5, 22 sind so im Gestell der Beschichtungsvorrichtung aufgehängt, daß die zwischen ihnen geradlinig verlaufende Bahnstrecke 23 unter einem Winkel α von 0° bis 90°, vorzugsweise 30° bis 60°, gegen die Horizontale steigend verläuft. Dieser Winkelbereich gewährleistet einen störungsfreien Rückfluß der vom Dosierelement abgerakelten Streichfarbe.
Damit die Bahn 2 den Bereich der Auftragszone möglichst geradlinig verläßt, ist die Auftragswalze 10 so angeordnet, daß der Winkel β1 zwischen dem Radius r1 der Gegenwalze 5 an das Ende des Auftragspalts und der geradlinigen Bahnstrecke 22 85° bis 95° beträgt. Bevorzugt beträgt der Winkel β1 90°, so daß die Bahn 2 den Auftragspalt geradlinig verläßt. Die auf die Gegenwalze 5 auflaufende Bahn 2 ist so geführt, daß der Umschlingungswinkel γ1 bis zum Ende der Auftragszone 0° bis 135°, bevorzugt 90° bis 135°, beträgt. Bei dem bevorzugten Winkelbereich wird die Bahn 2 sicher glatt an der Gegenwalze 5 anliegend beim Auftragen geführt.
Das Dosiersystem 3 ist an seiner Gegenwalze 22 so angeordnet, daß sich die Dosierlinie des Dosierelements - in Figur 3 die Schabermesserspitze - in dem Bereich befindet, wo die geradlinige Bahnstrecke 23 auf die Gegenwalze 22 aufläuft. So wird gewährleistet, daß die Bahn 2 vor dem Dosieren geradlinig oder nur unwesentlich gekrümmt verläuft. Der Winkel β2 zwischen der geradlinigen Bahnstrecke 23 und dem Radius r2 der Gegenwalze 22 an die Dosierlinie beträgt 85° bis 95°. Hinter der Dosierlinie wird die Gegenwalze 22 von der Bahn 2 in einem Winkel γ2 umschlungen, der 0° bis 90°, vorzugsweise 3° bis 60°, beträgt.
Die Gegenwalzen 5, 22 sind auf ihrer Mantelfläche mit Gummi beschichtet, bevorzugt mit einer Shore-Härte von ca. 80.
Nach einer nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform wird die geradlinige Bahnstrecke 23 an der unbeschichteten Rückseite von einem die beiden Gegenwalzen 5, 22 umlaufenden Stützband abgestützt. Bei dieser Ausführungsform brauchen die Gegenwalzen 4, 5 nicht beschichtet zu sein, da das Stützband aus einem Material gefertigt ist, das die für das Auftragen und Dosieren geforderte Elastizität und Härte aufweist. Das Abstützen der Bahn 2 beim Auftragen und Dosieren mit zwei getrennten Gegenwalzen 5, 22 hat den weiteren Vorteil, daß sich ein kontrollierter Bahnzug zwischen dem Auftragen und dem Dosieren einstellen läßt. Dies ermöglicht eine Minimierung des Risikos, daß eine Bahn beim Beschichten reißt.