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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorhangbeschichtung eines
bewegten Substrats, vorzugsweise einer flexiblen, endlos geförderten Bahn.
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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
Miyamoto und Katagiri, Curtain Coating, in Liquid Film Coating,
Chapter 11c, Chapman & Hall,
New York 1997. In industriellen Anwendungen ist der Vorhang entweder
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 höchstens 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 allen 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
geführte
Flüssigkeitsvorhänge ist
ein Berandungssystem vorteilhaft.
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Eine
Vorbedingung für
die erfolgreiche Anwendung des Vorhangbeschichtungsverfahrens ist ein
stabiler Flüssigkeitsvorhang.
Ein stabiler Vorhang zeichnet sich durch Robustheit gegenüber internen und
externen Störungen
aus, d. h. er kann durch die Störungen
nicht permanent zerstört
werden. Theoretische und experimentelle Untersuchungen der Stabilität von Flüssigkeitsvorhängen finden
sich beispielsweise in Brown, D.R., 1961, A study of the behaviour of
a thin sheet of moving liquid, J. Fluid Mechanics 10, Seiten 297–305 und
Taylor, G.I. 1959, The dynamics of thin sheets of fluid, part III:
Disintegration of fluid sheets, Proc. Roy. Soc. London A, Seiten 253–313.
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Brown
hat für
Flüssigkeitsvorhänge das
folgende Stabilitätskriterium
definiert: Der Vorhang ist stabil, wenn die Fallgeschwindigkeit
größer ist
als die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Störungen im Vorhang. Unter dieser
Bedingung können
sich Störungen
nicht entgegen der abwärts
gerichteten Fallbewegung ausbreiten, sondern werden nach unten weggeschwemmt
und können
deshalb den Vorhang höchstens
lokal und temporär,
aber nicht katastrophal aufreißen.
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Ebenfalls
herrscht die Erkenntnis, dass die Stabilität von Flüssigkeitsvorhängen gefördert wird durch:
Lange Vorhänge,
dicke Vorhänge,
geringe Oberflächenspannung
der Flüssigkeit,
hohe Dichte der Flüssigkeit,
hohe Fallgeschwindigkeit, hoher Volumenstrom im Vorhang. In gleicher
Weise kann geschlossen werden, dass die Vorhangstabilität gefährdet ist
oder gar verloren geht, wenn die Strömung im Vorhang die vorstehenden
Eigenschaften nicht aufweist. Vorhangstabilität ist bereits gefährdet, wenn obige
Eigenschaften auch nur lokal, zum Beispiel entlang einer Vorhangseitenführung, nicht
vorhanden sind.
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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.
Damit die Filmströmung
auf der Düsenoberfläche in ihrer
Breite wohl bestimmt bleibt, sollte sie seitlich mittels einer Düsenseitenberandung
geführt
werden. Wenn eine Flüssigkeit
mit freier Oberfläche
seitlich durch eine Wand begrenzt wird, befindet sich die Benetzungslinie
je nach Benetzungseigenschaften zwischen Flüssigkeit und Wandmaterial in
Folge von Kapillarkräften
bei guter Benetzung entweder oberhalb oder bei schlechter Benetzung
unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche, wie beispielsweise Weinstein,
S.J. und Palmer, A.J., Capillary hydrodynamics and interfacial phenomena,
Chapter 2, in Liquid Film Coating, Chapman & Hall, New York 1997, beschreiben.
Die Form der Flüssigkeitsoberfläche ändert sich
deshalb entlang der Berandung. Die Veränderungen können besonders stark sein,
wenn die Flüssigkeit
entlang der Seitenberandung strömt.
Dies wird beispielsweise von Schweizer, P.M., 1988, Visualisation
of coating flows, J. Fluid Mechanics 193, Seiten 285–302, gezeigt.
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Vorhangbeschichter
und insbesondere deren Düsenseitenberandungen
werden beispielsweise in der
DE 30 37 612 C2 und der WO 94/08272 A1 beschrieben.
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Die
Fallkurve des Vorhangs ist stark 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 „tea-pot effect" bezeichnet wird (Kistler,
S.F. und Scriven, L.E., 1994, The tea-pot effect: sheet forming
flows with deflection, wetting and hysteresis, J. Fluid Mechanics
263, Seiten 19–62). Bei
der Gestaltung der Vorhangseitenberandung sollte dieser Effekt berücksichtigt
werden.
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Aus
der
EP 0 977 636 B1 ist
eine Vorrichtung zum Auftragen von Dispersionen auf eine Materialbahn
bekannt, bei welcher stromabwärtig
von einer Seitenführung
und unmittelbar über
der Bahn beidseitig in den Vorhang verstellbar einfahrbare Trennelemente
zur Verfügung
gestellt werden, um Beschichtungsbreiten einstellen zu können.
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Aus
der
EP 0 145 648 A1 ist
eine Beschichtungsvorrichtung für
eine Transportbahn bekannt, die einen Gießkopf zur Erzeugung eines frei
fallenden Gießvorhangs
sowie zwei seitlich verstellbare Trennorgane zur Abkantung des Gießvorhangs
aufweist. Um zu verhindern, dass sich entlang einer Kantenführung ein
nennenswerter Randwulst ausbildet, wird das Trennorgan nur wenig
oberhalb der Transportbahn angeordnet.
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Die
DE 697 11 089 T2 offenbart
das Trennen eines Beschichtungsvorgangs mit der Kante einer Auffang-
und Ablaufvorrichtung; die
DE
199 62 844 A1 zeigt eine Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung
in Wannenform. Aus der
DE
103 16 999 A1 geht eine Beschichtungsvorrichtung mit einer
verstellbaren Seitenberandung an der Düsenvorrichtung hervor.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung eine optimierte Breitenverstellbarkeit
für einen
gattungsgemäßen Vorhangbeschichter
zur Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Vorhangbeschichter gemäß dem Anspruch
1 gelöst.
Die Unteransprüche
beschreiben bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung.
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Mit
anderen Worten wird erfindungsgemäß nicht wie beim Stand der
Technik nach der
EP
0 977 636 B1 eine separate und von der Vorhangführung unabhängige Abkantung
des fallenden Vorhangs von außen
her vorgenommen, sondern Abkantung und Führung werden zusammenwirkend
vorgenommen, auch in unterschiedlich einstellbaren, abgekanteten Breiten
für den
Vorhang. Ein großer
Vorteil hiervon liegt schon einfach darin, dass für jede eingestellte Vorhangbreite
auch eine gleich mit eingestellte optimale Stellung der Führung bereitgestellt
wird. Dabei können
die Seitenabkantungsvorrichtung und die Vorhangführungsstruktur zusammen über gleiche Strecken
verstellt werden; es bleibt aber auch die Möglichkeit offen, die Vorhangführungsstruktur
zwar zu verstellen wenn auch die Seitenabkantungsvorrichtung verstellt
wird, jedoch eventuell in anderem Maße, wenn dies der optimalen
Vorhangführung dienlich
ist.
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Vorteilhafterweise
vermeidet die vorliegende Erfindung damit Probleme, die mit lediglich
separat verstellbaren Abkantungsvorrichtungen entstehen, da bei
einer solchen Einzelbetätigung
der Seitenabkantungsvorrichtungen wieder Strömungssituationen entstehen
können,
welche die Stabilität
des beschichtenden Vorhangabschnittes gefährden oder einschränken. In
diesem Sinne ist die vorliegende Erfindung auch als ein Verfahren
ansehbar, das die hierin beschriebenen körperlichen Merkmale des Vorhangbeschichters
schrittweise umsetzt, um eine optimale Beschichtung durchführen zu
können.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung betreffen
das bessere Ablaufen auf einer oder beiden Seiten der Abkantung
des Vorhangs und die Tatsache, dass eine Grenzflüssigkeit schneller beim Auftreffpunkt
am Substrat ankommen kann. Ferner besteht eine größere Freiheit
bei der Gestaltung der Seitenberandung; diese muss am unteren Ende
(der Vorhangführungsstruktur/Führung) nicht
flach sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Seitenabkantungsvorrichtung im Strömungsverlauf
der Beschichtungsflüssigkeit
nach der Düsenvorrichtung
und vor der Vorhangführungsstruktur
angeordnet, und so folgt die Vorhangführungsstruktur funktionell
der Abkantungsvorrichtung, so dass immer eine ausreichende Führung des
Vorhangs gewährleistet
und damit die Stabilität
gegeben ist.
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Die
Seitenabkantungsvorrichtung kann mittels einer Schienenvorrichtung
verstellbar sein, und diese Schienenvorrichtung ist insbesondere
an der Düsenvorrichtung
anordenbar. Dabei besteht die Möglichkeit,
die Seitenabkantungsvorrichtung und/oder die Formführungsstruktur über einen
Schienenangriff gleitbar und feststellbar mit der Schienenvorrichtung
zu verbinden.
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Die
Verstellbarkeit kann auf unterschiedliche Weise gewährleistet
werden. Eine manuelle Verstellbarkeit bzw. Verschiebbarkeit ist
ohne Weiteres für solche
Fälle denkbar,
wo über
lange Zeit eine bestimmte Breiteneinstellung für den Vorhang bleibend eingestellt
werden soll. Eine motorische Verstellbarkeit eignet sich dagegen
für Systeme,
die öfter
unterschiedliche Beschichtungsbreiten erfordern. Ebenfalls kann
die Seitenabkantungsvorrichtung mechanisch oder motorisch feststellbar
sein, je nach den Anforderungen und der Häufigkeit der Verstellvorgänge.
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Die
Seitenabkantungsvorrichtung kann eine solche sein, die eine Trennkante
und eine Auffang- und Ablaufvorrichtung für die abgekantete Beschichtungsflüssigkeit
an der Außenseite
aufweist.
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Die
Düsenvorrichtung
des erfindungsgemäßen Vorhangbeschichters
kann die folgenden Bauteile umfassen: eine zur horizontalen geneigte
Düsenoberfläche; eine
Austrittsöffnung,
durch die die Beschichtungsflüssigkeit
der Düsenoberfläche so zuführbar ist,
dass die Beschichtungsflüssigkeit
auf der Düsenoberfläche einen
abwärts
strömenden
Film bildet; eine Düsenlippe,
die ein stromabwärtiges
Ende der Düsenoberfläche bildet;
und eine Düsenberandung
zur seitlichen Begrenzung der Filmströmung. Dabei ist es gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung möglich,
die Düsenseitenberandung
in Breitenrichtung ebenfalls verstellbar zu machen, und diese Verstellbarkeit
kann funktional mit der Verstellbarkeit der Seitenabkantungsvorrichtung/Vorhangführungsstruktur
in Zusammenwirkung stehen, um die Formeigenschaften und damit die
Beschichtung optimal zu gestalten.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Hierin und
insbesondere auch an den Ausführungsbeispielen
offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination
die vorstehend beschriebenen Ausführungen vorteilhaft weiter.
Es zeigen:
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1 einen
Vorhangbeschichter mit einer als Schlitzdüse gebildeten Düsenvorrichtung
(Stand der Technik);
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2 einen
Vorhangbeschichter mit einer als Kaskadendüse gebildeten Düsenvorrichtung (Stand
der Technik);
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3 einen
Abschnitt eines erfindungsgemäßen Vorhangbeschichters
mit verstellbarer Seitenabkantungsvorrichtung/Formführungsstruktur;
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4 eine
Führungsstruktur
und die Schiene, mit der sie an der Düsenvorrichtung angeordnet ist,
und
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5 die
Schienenbefestigung für
die Führungsstruktur
von der anderen Seite und mit ihren Einzelteilen.
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1 zeigt
einen Vorhangbeschichter mit einer Düsenvorrichtung 4,
die in einem lichten Abstand vertikal über einer Walze 3 angeordnet
ist. Die Walze 3 dient als Umlenkeinrichtung, oder allgemeiner
ausgedrückt
als Abstützeinrichtung,
für ein
zu beschichtendes Substrat 1, das umschlingend über die
Walze 3 gefördert
wird. Das Substrat 1 ist eine endlos geförderte,
flexible Bahn. Die Düsenvorrichtung 4 ist
eine Schlitzdüse,
in der getrennte Zuführungen
für mehrere,
im Ausführungsbeispiel
zwei, verschiedene Beschichtungsflüssigkeiten gebildet sind. Die
Zuführungen
laufen an einem dem Substrat 1 zugewandten unteren Ende
der Düsenvorrichtung 4 in
einer Düsenaustrittsöffnung zusammen.
Die Austrittsöffnung
erstreckt sich schlitzförmig
quer zu der Förderrichtung des
Substrats 1 über
eine Breite, die größer ist
als die zu erzielende Beschichtungsbreite des aus dem Substrat 1 und
der Beschichtung 2 gebildeten Produkts. Grundsätzlich kann
die Breite solch einer Austrittsöffnung
aber auch kleiner als die zu erzielende Beschichtungsbreite sein.
Die beiden Beschichtungsflüssigkeiten
verlassen die Austrittsöffnung
der Düsenvorrichtung 4 frei
fallend als zweischichtiger Flüssigkeitsvorhang
V. Die Düsenvorrichtung 4 ist
relativ zu der Walze 3 so angeordnet, dass der Vorhang
V mit einer Drehachse der Walze 3 eine vertikale Ebene
aufspannt, wenn der Vorhang V nicht gestört wird.
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2 zeigt
einen Vorhangbeschichter mit einer Düsenvorrichtung 4,
die als Kaskadendüse
gebildet ist. Sie weist eine Düsenoberfläche 5 auf,
die zur Horizontalen geneigt ist, so dass eine der Düsenoberfläche 5 zugeführte Beschichtungsflüssigkeit
auf der Düsenoberfläche 5 abwärts bis
zu einer das stromabwärtige
Ende der Düsenoberfläche 5 bildenden
Düsenlippe 6 strömt und über die
Düsenlippe 6 hinaus
strömend
in den frei fallenden Vorhang V übergeht.
Der Düsenoberfläche 5 werden über Austrittsöffnungen 7 der
Anzahl der Austrittsöffnungen 7 entsprechend
mehrere unterschiedliche Beschichtungsflüssigkeiten zugeführt, die
auf der Düsenoberfläche 5 in
bekannter Weise eine mehrschichtige Filmströmung F bilden, die über die
Düsenlippe 6 in den
Vorhang V abströmt.
Die Austrittsöffnungen 7 sind
schlitzförmig
und erstrecken sich quer über
die Breite der Düsenoberfläche 5.
Die Düsenoberfläche 5 ist
in ihrem sich über
die Austrittsöffnungen 7 erstreckenden,
stromaufwärtigen
Abschnitt plan, d. h. sie bildet dort eine schiefe Ebene. In einem
sich anschließenden
stromabwärtigen
Abschnitt ist die Düsenoberfläche 5 gekrümmt, wobei
ihre Neigung allmählich
zunimmt, um einen kontinuierlichen Übergang zu dem stromabwärtigen Ende
der Düsenlippe 6 zu
schaffen.
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Einen Überblick über einen
erfindungsgemäßen Vorhangbeschichter
gibt die 3 als perspektivische Ansicht.
In der 3 ist wiederum die Düsenvorrichtung 4 als
Kaskadendüse
gezeigt, wobei der Vorhang hier der besseren Übersicht wegen nicht dargestellt
ist. Unter der Düsenlippe 6 (Unterkante) der
Düsenvorrichtung 4 greift
von der linken Seite her die Seitenabkantungsvorrichtung 11 hinein.
Sie umfasst eine Trennkante 12, die den von der Düsenlippe 6 herabfallenden
Vorhang in zwei Teile trennt, nämlich
einen in der Zeichnung rechts zur Mitte der Düsenfläche hin herabfallenden Beschichtungs-Vorhangteil und einen
abgetrennten Vorhangteil, der links von der Kante 12 in
die Auffang- und
Ablaufwanne 13 eintritt und durch die Leitung 14 abgeführt wird.
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Der
rechts von der Trennkante 12 weiterströmende Vorhang wird durch die
Vorhangführungsstruktur 16 mit
der Führung 15 seitlich
geführt,
bevor er auf ein Substrat auftrifft, welches auf der Walze 3 gefördert wird.
Die 4 zeigt die Führung 15 der Vorhangführungsstruktur 16 deutlicher,
wobei die Führung 15 als
eine konvexe Führungsfläche ausgebildet
ist, um die Falllinie des Vorhangs exakt bestimmen zu können, Spannungskräfte im Vorhang
gering zu halten und Grenzzschichteffekte zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß bilden
die Seitenabkantungsvorrichtung 11 und die Vorhangführungsstruktur 16 in
der Hinsicht eine Einheit, dass sie miteinander in Breitenrichtung
verstellbar sind, und diese Breitenverstellbarkeit wird durch eine
Schiene 21 gewährleistet,
welche an der unteren schrägen
Fläche 8 der Düse angebracht
und in den 3, 4 und 5 zu
sehen ist. Mit Hilfe dieser Schiene kann die Seitenabkantungsvorrichtung 11 zusammen
mit der Vorhangführungsstruktur
verstellt werden, wodurch sich die Breite des Vorhangs einstellen
lässt und
wobei immer gewährleistet
ist, dass der abgekantete Vorhangrest gut abgeführt und der Beschichtungsvorhang
gut auf das Substrat herabgeführt
werden.
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Die
Schiene 21 an der unteren Düsenfläche 8 trägt ein Führungselement 22,
das in den 3, 4 und 5 als
durchsichtiges Bauteil dargestellt ist. Das Führungselement 22 bildet
sozusagen den "Übergang" zwischen der Schiene 21 und
einer Klammer 25, die schon als ein Halterungsteil auf
der Seite der Vorhangführungsstruktur 16 anzusehen
ist. Das Führungselement 22 ist
mit einzelnen und im Abstand zueinander angeordneten, versenkten
Schrauben 23 (mit Innensechskantkopf) an der Schiene 21 befestigt.
Die weiteren beschriebenen Bauteile sind am besten in der 5 zu
sehen. Die Klammer 25 und die Handradschraube 26 greifen
von oben bzw. von unten an dem Führungselement 22 an
und stellen somit eine feste Verbindung der Trägerstruktur 24 mit
dem Führungselement 22 zur
Verfügung.
Die Trägerstruktur 24 ist
wiederum über
Rändelschrauben, die
in den 3, 4 und 5 von außen zu sehen
sind, an der Vorhangführungsstruktur 16 befestigt
und somit erfolgt die Befestigung der Vorhangführungsstruktur 16 und
natürlich
auch der daran anschließenden
Seitenabkantungsvorrichtung 11 in folgender Reihenfolge:
Vorhangführungsstruktur 16, Trägerstruktur 24,
Handschraube 26 und Gegenklammer 25, Führungselement 22,
Befestigungsschrauben 23, Schiene 21 und Fläche 8 an
der Düse 4.
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Die
dargestellte Befestigungsweise hat den Vorteil einer großen Flexibilität. Einerseits
lässt sich mit
der Handschraube 26 die Befestigung am Führungselement 22 leicht
lösen und
wieder festziehen, so dass eine Verstellung der Vorhangbreite in
einfacher Weise erfolgen kann. Die Rändelschrauben wiederum, welche
die Vorhangführungsstruktur 16 an der
Trägerstruktur 24 anbringen,
sind ebenfalls leicht lösbar,
und so kann ein einfacher Austausch bzw. ein einfacher Abbau der
Vorhangführungsstruktur 16 zu Reinigungs-
oder Wartungszwecken erfolgen.
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Insgesamt
erlaubt die in den 3 bis 5 dargestellte
Ausführungsform
es, die Breitenverstellbarkeit des Vorhangs in einfacher und zuverlässiger Weise
durchzuführen,
obwohl natürlich
andere Befestigungs-, Verbindungs- und Verstelleinrichtungen im
Rahmen der vorliegenden Erfindung durchaus denkbar sind, beispielsweise
motorische Feststellung und Verschiebung oder schrittweise Verstellbarkeit
bzw. die Bereitstellung von Anschlägen für spezielle voreinzustellende
Vorhangbreiten.