Seitenberandung (1) für ein Vorhangbeschichtungsverfahren mit einer Berandungsfläche (2a,2b) dadurch gekennzeichnet, dass die Berandungsfläche (2a,2b) ein Profil gemäss einer Funktion y=p(x) aufweist, wobei die Funktion y=p(x) in einem Intervall konkav ist und ihre Steigung in dem Intervall nicht konstant ist.
Das Vorhangbeschichten ist eines von vielen Verfahren zur Beschichtung von flexiblen, endlosen Bahnen mit einem dünnen Flüssigkeitsfilm. Das Verfahren eignet sich zum Auftragen von einer Schicht einer einzigen Flüssigkeit oder gleichzeitig mehreren Schichten verschiedener Flüssigkeiten. Das Vorhangbeschichtungsverfahren ist seit vielen Jahren bekannt und erforscht. Eine detaillierte Beschreibung liefern beispielsweise
Zur Bildung eines Flüssigkeitsvorhangs kann insbesondere eine Schlitzdüse oder eine Kaskadendüse verwendet werden, wie sie beispielhaft von Miyamoto und Katagiri beschrieben werden. Bei einer Schlitzdüse bildet sich der Vorhang unmittelbar am Auslass des Düsenschlitzes. Bei einer Kaskadendüse hingegen fliesst die Flüssigkeit nach Austritt aus dem Düsenschlitz zuerst in Form eines ein- oder mehrschichtigen Flüssigkeitsfilms auf der Düsenoberfläche bis zur Düsenlippe. Erst an der Düsenlippe verwandelt sich die Filmströmung in eine Vorhangströmung.
Die Fallkurve des Vorhangs ist von der für die Erzeugung des Vorhangs verwendeten Düsenart abhängig. Wird eine Schlitzdüse verwendet, so fällt der Vorhang im Wesentlichen vertikal in der Verlängerung des Düsenschlitzes, insbesondere wenn der Vorhang aus einer einzigen Flüssigkeit besteht. Wird hingegen eine Kaskadendüse zur Vorhangerzeugung verwendet, dann ergibt sich in der Umgebung der Düsenlippe ein unsymmetrisches Strömungsfeld, das zu einer Ablenkung der Vorhangfallkurve von der Vertikalen führt. Insbesondere krümmt sich der Vorhang unterhalb der Düsenlippe nach hinten, was als "teapot effect" bezeichnet wird (
In industriellen Anwendungen ist der Vorhang in der Regel breiter oder schmaler als die zu beschichtende Bahn. Falls ein Flüssigkeitsvorhang entlang seiner Falllinie seitlich nicht geführt wird, zieht er sich als Folge von Oberflächenspannungskräften zusammen. Dadurch geht die Kontrolle über die Vorhangbreite und deshalb auch über die Giessbreite beim Auftreffpunkt des Vorhangs auf der zu beschichtenden Bahn verloren. Aus diesen Gründen ist ein nicht geführter Vorhang in industriellen Anwendungen in der Regel nur dann interessant, wenn der Vorhang wesentlich breiter ist als die zu beschichtende Bahn und nur aus einer einzigen Flüssigkeit besteht. In diesem Fall kann die Überschussflüssigkeit aufgefangen und wiederverwendet werden.
In anderen Anwendungen, insbesondere wenn der Vorhang aus mehreren Flüssigkeitsschichten besteht, ist es sinnvoll, den Vorhang auf beiden Seiten vertikal zu führen, um die Vorhangbreite konstant und Flüssigkeitsverluste klein zu halten. Für die seitliche Führung eines frei fallenden Flüssigkeitsvorhangs wird ein Berandungssystem verwendet. Ein Berandungssystem umfasst ein Berandungselement. Es kann weiterhin Mittel umfassen, welche Hilfsflüssigkeiten dem Berandungselement zuführen oder davon entfernen. Die Begriffe Berandungselement oder Seitenberandung meinen hier Führungselemente zur seitlichen Führung des frei fallenden Vorhangs einer Vorhangbeschichtungsanlage. Die dem Vorhang zugewandte Seite des Berandungselements ist die Berandungsfläche. Der Vorhang wird durch die Berandungsfläche begrenzt und geführt.
Berandungssysteme sollen bewirken, dass die Vorhangströmung über die gesamte Breite eines frei fallenden Flüssigkeitsvorhangs möglichst die gleiche Dicke und einen konstanten Volumenstrom pro Breitenabschnitt aufweist.
Insbesondere in der Nähe des Randes kommt es aufgrund von Grenzschichteffekten zu Störungen der Strömung. Tatsächlich besteht zwischen der Seitenberandung und dem frei fallenden Vorhang eine Grenzschicht. Eine innerhalb der Grenzschicht fliessende Flüssigkeit weist einen hohen Geschwindigkeitsgradienten auf. Auf einer Seite der Grenzschicht haftet die Flüssigkeit an der ruhenden Seitenberandung, welche als Bremse wirkt. Mit zunehmendem Abstand von der Seitenberandung wachsen die Fallgeschwindigkeit des frei fallenden Vorhangs und sein Volumenstrom. Der Volumenstrom innerhalb der Grenzschicht beträgt etwa 2/3 des Volumenstromes des frei fallenden Vorhangs.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Seitenberandung zu schaffen, welche gegenüber bekannten Seitenberandungen eine verbesserte Führung des Vorhangs zur Folge hat. Die Vorteile ergeben sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Insbesondere ergeben sich die erfindungsgemässen Vorteile sowohl bei Vorhängen, welche aus nur einem Material bestehen, als auch bei mehrschichtigen Flüssigkeitsvorhängen.
Die Grenzschicht der Vorhangströmung kann nicht verhindert werden. Langjährige Produktionserfahrung mit dem Vorhangverfahren hat gezeigt, dass es wichtig ist, die Dicke dieser Grenzschicht so gut wie möglich zu reduzieren, weil diese Grenzschicht das Dickenprofil des Vorhangs in der Randzone negativ beeinflusst. Insbesondere verhindert die Grenzschicht durch ihren Bremseffekt, dass in der Randzone genügend Flüssigkeit in die Vorhangströmung einfliesst, was zu einer unerwünschten lokalen Verdünnung des Vorhangs führt.
Die erfindungsgemässe Seitenberandung minimiert die Grenzschicht der Vorhangströmung durch die optimale Formgebung der Berandungsfläche. Die Form der Berandungsfläche der Seitenberandung stellt das kennzeichnende Merkmal des Hauptanspruchs dar. Erfindungsgemäss verläuft die den Vorhang begrenzende Berandungsfläche in einer Richtung senkrecht zu der durch den Vorhang gebildeten Ebene gerade oder weist nur eine geringe Krümmung auf. Gleichzeitig ist die Form der Berandungsfläche derart, dass sie die Breite des fallenden Vorhangs von oben nach unten reduziert, wobei der Betrag der Steigung des Profils der Berandungsfläche mit der Fallstrecke des Vorhangs zunimmt oder zumindest nicht abnimmt.
In den Unteransprüchen enthaltene Ausführungsvarianten weisen verschiedene Vorteile in Bezug auf den Aufwand zur Herstellung der Seitenberandung auf.
Weitere in den Unteransprüchen enthaltene vorteilhafte Ausführungsvarianten weisen bezüglich ihrer Benetzungseigenschaften oder Rauigkeit modifizierte Berandungsflächen der erfindungsgemässen Seitenberandung auf.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung bestehen darin, dass die Form der Berandungsfläche der Seitenberandung einstellbar ist, wodurch eine weitere Optimierung bezüglich unterschiedlicher Vorhangflüssigkeiten bzw. Produktionssituationen möglich ist.
Ein Vorhang wird in der Regel beidseitig berandet, wobei die Profile der rechten und linken Seitenberandung spiegelsymmetrisch sind. Es ist aber auch denkbar, dass unterschiedliche, von der Symmetrie abweichende rechte und linke Seitenberandungen verwendet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung Anhand der
Mittels einer Kaskadendüse 11 wird ein aus mehreren Schichten bestehender Flüssigkeitsfilm gebildet. Am unteren Rand der Düsenlippe löst sich der Film von der Kaskadendüse 11 und bildet einen frei fallenden Vorhang 12. Der Vorhang wird seitlich durch ein Berandungssystem 1 geführt und fällt auf das Substrat 13. Das Substrat 13 bewegt sich in Pfeilrichtung unter dem Vorhang 12, auf der Oberfläche des Substrats bildet sich ein Flüssigkeitsfilm.
Für die Bildung des Vorhangs können auch andere Vorrichtungen als Kaskadendüsen eingesetzt werden, beispielsweise Schlitzdüsen. Ein Vorhang kann aus einem flüssigen Material bestehen, er kann aber auch aus zwei oder mehr Materialien bestehen.
Der auf einer Kaskadendüse 11 befindliche Flüssigkeitsfilm geht in den frei fallenden Vorhang 12 über und trifft auf das Substrat 13. Das Substrat 13 liegt im Bereich des Vorhangs auf einem Träger 14 und wird mit diesem bewegt. Der frei fallende Vorhang 12 wird seitlich durch eine erfindungsgemässe Seitenberandung 1 geführt. Die den Vorhang führende Berandungsfläche 2 weist ein Profil auf, welches in Fallrichtung steiler wird.
In unmittelbarer Nähe des Punktes an dem der Vorhang 12 auf die Berandungsfläche 2 trifft, befindet sich eine beispielsweise schlitzförmige Öffnung 4, welche zwischen der Berandungsfläche 2 und einer Abdeckung 3 gebildet wird. Durch die Öffnung 4 kann eine Hilfsflüssigkeit zugeführt werden, welche die Berandungsfläche 2 benetzt. Diese oder andere Mittel zum Zuführen einer Hilfsflüssigkeit können vorteilhaft zu der erfindungsgemässen Seitenberandung 1 gehören, tatsächlich begünstigt die Form der Berandungsfläche 2 der erfindungsgemässen Seitenberandung 1 auch die Führung einer Hilfsflüssigkeit der Oberfläche der Berandungsfläche 2. Mittel zum Entfernen der zugeführten Hilfsflüssigkeit am unteren Ende der Berandungsfläche 2 sind nicht dargestellt, können aber vorhanden sein.
Der Träger 14 kann flach sein, es kann sich aber auch beispielsweise um einen Zylinder handeln, dessen Rotationsachse parallel zur Düsenlippe verläuft. Das zu beschichtende Substrat 13 kann flexibel oder starr sein, es kann mehr oder weniger glatt sein, es kann eben sein oder Unebenheiten aufweisen, es kann geschlossen oder porös sein bzw. eine geschlossene oder poröse Oberfläche aufweisen.
Die Koordinaten x und y bilden dabei die Ebene des fallenden Vorhangs. Der Vorhang erstreckt sich seitlich in x-Richtung und fällt in Richtung der negativen γ-Achse.
Der von der Düsenlippe gelöste Vorhang trifft an dem Punkt (x0, y0) auf die Berandungsfläche, wird zwischen den Punkten (x0, y0) und (x2, y2) entlang der Berandungsfläche geführt. Das Profil wird mit zunehmender Falltiefe des Vorhangs steiler. Eine solche Funktion y=p(x) kann durch eine Parabel angenähert werden. Die Steigung y' =p'(x) der Funktion welche das Profil beschreibt fällt mit dem Abstand vom Ursprung 0 streng monoton, die Funktion y=p(x) ist im Intervall (x0, x2) streng konkav.
Ein Profil einer linken erfindungsgemässen Seitenberandung kann auch eine Funktion y= p(x) sein, die mehrere gerade Abschnitte aufweist. Eine solche Funktion kann beispielsweise eine durch stückweise Interpolation einer Parabel gebildet werden. In diesem Fall muss diese Funktion im Bereich zwischen dem Punkt an dem der Vorhang auftrifft (x0, y0) und dem Punkt (x2, y2), bis zu dem der Vorhang durch die Seitenberandung geführt wird, mindestens 2 Punkte mit unterschiedlicher Steigung aufweisen. Bevorzugt weist sie mindestens 3 Punkte mit unterschiedlicher Steigung auf. Dabei ist die Steigung umso negativer, je weiter die Punkte vom Ursprung entfernt sind. Die Funktion y=p(x) ist im Intervall (x0, x2) konkav, muss aber nicht streng konkav sein.
Das Profil der Berandungsfläche einer erfindungsgemässen Seitenberandung kann gekrümmte, konkave Abschnitte oder gerade Abschnitte aufweisen, es weist an mindestens 2 Stellen eine unterschiedliche Steigung auf. Bevorzugt weist die Berandungsfläche der erfindungsgemässe Seitenberandung mindestens 3 Stellen mit unterschiedlicher Steigung auf. Bevorzugt ist auch eine Ausführung bei der die Funktion y=p(x) auf einem Teilintervall des Intervalls (x0, x2) streng konkav ist. Wenn gilt x0<x1<x2 und y=p(x) im Intervall (x0, x1) streng konkav ist, dann ist die Steigung der Funktion y=p(x) an allen Stellen innerhalb des Intervalls (x0, x1) unterschiedlich, die Berandungsfläche ist dann kontinuierlich gekrümmt. Die Wahlmöglichkeit zwischen kontinuierlich gekrümmt Berandungsflächen oder solchen, die abschnittweise gerade sind erlaubt eine Optimierung hinsichtlich der Herstellkosten für die Seitenberandung.
Das Profil der Berandungsfläche einer erfindungsgemässen Seitenberandung ist im Bereich, in dem der Vorhang geführt wird, konkav, abgesehen von der Oberflächenrauigkeit der Berandungsfläche.
Tatsächlich kann die Oberfläche der Berandungsfläche 2 zur Beeinflussung der Benetzungseigenschaften durch mechanische, chemische oder physikalische Verfahren modifiziert werden. In den meisten Fällen ist es vorteilhaft, die Benetzungseigenschaften derart zu verändern, dass die Benetzung der Oberfläche der Berandungsfläche wässrigen Flüssigkeiten oder Alkohole verbessert wird. Beispiele für mechanische Verfahren dazu sind Sandstrahlen oder Prägeverfahren, dadurch kann die Oberfläche aufgeraut oder strukturiert werden. Beispiele für chemische Verfahren sind Ätzen oder Galvanisieren, dadurch kann die Oberfläche aufgeraut oder mit einem anderen Material beschichtet werden. Beispiele für physikalische Verfahren sind Plasmabeschichtung oder Bedampfen. Die Berandungsfläche einer erfindungsgemässen Seitenberandung kann eine feine Struktur, eine Mikrostruktur oder eine Nanostruktur aufweisen, um beispielsweise das Benetzungsverhalten einer Hilfsflüssigkeit oder die Adhäsion der Flüssigkeit des Vorhangs zu beeinflussen. Die konkave Form der erfindungsgemässen Seitenberandung ist makroskopisch zu verstehen, d.h. im Bereich eines Massstabs, der grösser ist als 1mm.
Die Berandungsfläche 2 hat ein konkaves Profil. Im oberen Abschnitt 2a der Berandungsfläche 2 ist das Profil streng konkav, im unteren Abschnitt 2b ist es gerade. Damit weist das Profil die in
Die Berandungsfläche 2 wird beispielsweise durch eine Folie oder einen Blechstreifen gebildet. Die Stellschraube 16 verstellt das untere Ende der Berandungsfläche, an dieser Stelle ist die Folie, welche die Berandungsfläche bildet, durch ein Befestigungselement 17 gehalten. Dadurch, dass das untere Ende des die Berandungsfläche 2 bildenden Blechfolie gehalten wird, kommt es zwangsläufig zu einer konkaven Form der Berandungsfläche 2, wenn die Schrauben 18 von der Rückseite des Blechstreifens gegen diesen drücken. Das Profil der Berandungsfläche 2 kann somit durch Stellschrauben 18 eingestellt werden. Mittels der Stellschraube 15 kann die Höhe der Seitenberandung eingestellt werden, bzw. die die Berandungsfläche 2 bildende Folie gespannt werden. Es können auch andere Mittel als Schrauben zur Einstellung verwendet werden, beispielsweise Stifte, Hebel, Keile, Federn oder irgendwelche mechanische, pneumatische oder sonstige Mittel. Es können eine oder mehrere Stellglieder zur Einstellung des Profils verwendet werden. Die Berandungsfläche 2 kann beschichtet oder strukturiert sein.
Es ist ein Anschluss 8 zur Zuführung einer Hilfsflüssigkeit vorgesehen. Zwar sind in diesem Beispiel keine Mittel zur Absaugung von Hilfsflüssigkeit dargestellt, diese können aber auch bei einer verstellbaren Seitenberandung vorgesehen werden.
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