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Die
Erfindung betrifft Walzen und Walzenelemente mit verstärktem Elastomermantel,
die insbesondere zum Führen
laufender Folien- oder anderer Materialbahnen oder von laufenden
Werkstücken, zum
Auftragen von Klebstoffen, Farben, Lacken und ähnlichem auf laufende Bahnen
oder Werkstücke oder
zum Anlegen oder Andrücken
laufender Bahnen oder Werkstücke
geeignet sind.
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In
zahlreichen Herstellungs- und Verarbeitungsprozessen werden Materialbahnen
aus Folien (z. B. Kunststoff- oder Aluminiumfolien), Papier, Textil usw.
aber auch Werkstücke,
insbesondere flächige, über Walzen
und Rollen transportiert. Dabei kommen einerseits Walzen und Rollen
zum Einsatz, die diese Bahnen bzw. Werkstücke führen und leiten, sogenannte
Leit- und Führungswalzen,
sowie bei laufenden Bahnen insbesondere auch sogenannte Breitstreckwalzen,
die eine Spreizkraft auf die darüber laufende
Bahn ausüben.
Häufig
besitzen solche Leit-, Führungs-
und Breitstreckwalzen einen Mantel aus elastischem Material, der
umfänglich
ringförmig oder
in Spiralen mit Einschnitten oder Einschliffen versehen ist. Die
ring- oder spiralförmigen
umfänglichen
Aussparungen sind dabei so gestaltet, dass die dadurch generierten
Lamellen des Walzenbezuges durch die Andruck- oder Auflagekraft
der laufenden Bahn oder des Werkstücks in Achsrichtung der Walze
verformt werden, wobei bei Wirkung in eine Richtung ein seitlicher
Verschiebeeffekt auf die Bahn oder das Werkstück entsteht. Bei gleichzeitiger
Wirkung in beide Achsrichtungen wird bei Bahnen ein Spreizeffekt
bewirkt, der zum Glätten
und zur Vermeidung von Faltenbildungen genutzt wird. Nachteile dieser Walzentypen
bestehen darin, dass sie sich schlecht reinigen lassen und dass
sich bei sehr dünnen
Bahnen und empfindlichen Werkstückoberflächen die
Lamellen und Aussparungen abbilden.
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Zur
Lösung
dieses Problems wird in
EP 0663363
A1 eine Breitstreckwalze auf Basis von elastischen Lamellenringen
vorgestellt, die wahlweise mit einem flexiblen, glatten Belag, beispielsweise einem
Schlauch, umhüllt
werden kann, wodurch eine geschlossene Oberfläche entsteht. Eine ähnliche
Lösung
wird in
DE 202004007333
U1 vorgeschlagen, wobei hier die Breitstreckwalze aus einer
Bürstenrolle
mit schrägen
Borsten besteht, die wahlweise mit einem elastischen Überzug versehen
werden kann. In beiden Fällen
besteht ein Problem darin, den Belag bzw. Überzug zu fixieren. Bezüglich der
Lamellenwalze wird dazu empfohlen, den schlauchförmigen flexiblen Belag mit
nach innen weisenden Vorsprüngen
zu versehen, die in die Zwischenräume zwischen den Lamellenringen
einrasten. Dies ist technisch aufwändig und kostspielig. Bezüglich der Bürstenrolle
wird ohne nähere
Angaben vorgeschlagen, den elastischen Überzug leicht vorzuspannen. Dies
ohne Verrutschen des elastischen Überzugs auf den sich verformenden
Borsten und ”ohne
eine zusätzliche
Kraft auf die Borsten auszuüben” zu bewerkstelligen,
erscheint technisch nahezu unmöglich.
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Es
bestand somit die Aufgabe, eine Breitstreckwalze mit geschlossener
Oberfläche
zu entwickeln, die nicht die vom Stand der Technik bekannten Nachteile
aufweist. Nach mehreren vergeblichen Versuchen, eine geeignete Hülle zu finden,
die sich einfach und rutschfest um eine Lamellen- oder Bürstenwalze
legen lässt
und eine ausreichende Spreizwirkung auf darüber laufende Materialbahnen ermöglicht,
wurde die Lösung
schließlich
darin gefunden, dass der Walzenkörper
einer Breitstreck-Bürstenwalze
vollständig
mit einem Weichelastomer ausgefüllt
wurde. Durch Variation des Weichelastomers und der zugrunde liegenden
Bürstenelemente
konnte dabei die Wirkung auf verschiedene Bahnmaterialien angepasst
werden. Überraschend
zeigte sich, dass derart aufgebaute Walzen in entsprechender Ausgestaltung
auch vorteilhaft zum Auftrag von Klebstoffen, Farben und Lacken
sowie zum Andrücken
laufender Bahnen an mitlaufende Oberflächen geeignet sind.
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Gegenstand
der Erfindung sind daher Walzen und Walzenelemente mit elastomerer
Beschichtung gemäß dem Anspruch
1.
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Zur
Herstellung des Erfindungsgegenstands kann in einfachster Weise
eine Bürstenrolle
oder ein Bürstenrollenelement
mit einer zylindrischen Hülse umgeben
und diese vollständig
mit einem Schaum- oder Gießelastomer
ausgefüllt
werden. Nach dem Aushärten
des Elastomers wird dann der erhaltene Elastomermantel entsprechend
den bei der Herstellung elastomer beschichteter Walzen bekannten Techniken
bearbeitet und fertiggestellt werden.
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Der
Erfindungsgegenstand umfasst einen zylindrischen Walzenkern, einen
diesen umgebenden zylindrischen Walzenmantel aus einem elastischen
und komprimierbaren Material sowie in diesem Walzenmantel befindliche
Borsten und/oder Borstenbüschel,
die gegen die Achsrichtung und die Umfangsrichtung des Walzenkerns
geneigt sind. Zur Verwendung wird dieser Grundkörper gewöhnlich stirnseitig mit Zapfen
und/oder Lager versehen oder wahlweise starr oder frei drehend auf
eine Walzenachse aufgebracht.
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Der
Erfindungsgegenstand kann zum Führen,
Umlenken und Spreizen von laufenden Bahnen, zum Auftragen flüssiger Medien,
z. B. Leimen, Klebstoffen, Farben oder Lacken, auf laufende Bahnen oder
Werkstücke,
oder zum Andrücken
von Bahnmaterialien an statische oder bewegte Oberflächen verwendet
werden. Mögliche
Ausführungsformen
betreffen daher Breitstreckwalzen, Bahnleit-, Bahnführungs-
und Umlenkwalzen, Auftragwalzen allgemein sowie Leim- und Lackierwalzen,
Laminier- und Kaschierwalzen sowie Anklebe-, Andrück- und Anlegewalzen.
Für jede
dieser und ähnlicher
Anwendungsformen kann durch entsprechende Gestaltung des Erfindungsgegenstands
eine geeignete Walze oder Rolle erhalten werden.
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Die
Oberfläche
des Elastomerbezugs ist zylindrisch. Gelegentlich kann es aber auch
vorteilhaft sein, dass sie in Achsrichtung etwas gekrümmt ist,
d. h. dass der Durchmesser des Walzenmantels insbesondere in der
Mitte größer oder
kleiner ist, als an den Seiten. Vorzugsweise weist der Elastomermantel eine
glatte und geschlossene Oberfläche
auf. Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Oberfläche gleichmäßig oder
ungleichmäßig mit
Vertiefungen oder Aussparungen zu versehen. Insbesondere in der
Verwendung als Auftragwalze kann es nützlich sein, die Walzenoberfläche ring-
oder spiralförmig
mit feinen Rillen von wenigen Millimeter oder einigen 10tel Millimeter
Tiefe zu versehen. Grundsätzlich
ist es auch möglich,
den elastomeren Bezug wie bei anderen Breitstreckwalzen bekannt
mit ring- oder spiralförmigen
tiefen Aussparungen, beispielsweise Einschliffen oder Einschnitten,
zu versehen, so dass eine lamellenartige Struktur entsteht. Hauptsächlich besitzen
die erfindungsgemäßen Walzen
oder Walzenelemente jedoch eine geschlossene Oberfläche. Diese
kann beispielsweise auch dadurch erhalten werden, dass die Zwischenräume einer
lamellenartigen Struktur mit einem anderen Material, insbesondere
einem Elastomer oder einem Schaum ausgefüllt werden. Dabei können beispielsweise
die Borsten oder Borstenbüschel
mit einem Material umgeben werden, das härter ist als in den Zwischenräumen oder
umgekehrt. Die Lamellen können
auch so weit mit einem anderen Material verfüllt werden, dass die Lamellen
vollständig
vom anderen Material überdeckt
werden. Auch bei einer Ausführung
ohne Lamellenstruktur kann es vorteilhaft sein, den Elastomermantel
einfach oder mehrfach mit zusätzlichen Schichten
gleicher oder unterschiedlicher Härte zu umhüllen.
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Für die elastomere
Beschichtung des Erfindungsgegenstands eignen sich Schaum- und Gießelastomere
mit einer Härte
bis zu 25 Shore A, vorzugsweise solche mit einer Nennhärte (±3 Shore
A) im Bereich von 10 bis 22 Shore A. Schaumelastomere, Elastomerschäume, Schaumgummi
und ähnliches sowie
gießbare
Elastomere wie Ein- und Mehrkomponentenpolyurethane und ähnliche
Systeme sind allgemein bekannt. In der einfachsten Form werden die
am Walzenkern fixierten Borsten oder Borstenbüschel vollständig mit
der elastomeren Beschichtung umhüllt.
Insbesondere wenn hierzu ein sehr weiches und nachgiebiges Material
verwendet wird, kann es beispielsweise zur Vermeidung von Bahnkanteneinschnitten
vorteilhaft sein, diese Beschichtung mit einer weiteren Schicht
oder Hülle
aus einem härteren Material
zu umgeben. Andererseits kann es vorteilhaft sein, den Walzenmantel
soweit herunter zu schleifen, dass die Borstenenden an der Oberfläche hervortreten.
Durch geeignete Auswahl des elastomeren Materials sowie durch Modifizierung
desselben durch entsprechende Zusätze, einschließlich Fasern,
Mikro- und Nanopartikeln, können
spezielle funktionelle Eigenschaften wie chemische Beständigkeit,
Reiß-
und Schnittfestigkeit, Steifigkeit und Kompressibilität, Glätte und
Adhäsion
sowie elektrostatische Eigenschaften der Anwendung entsprechend
optimiert werden.
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Borsten
und Borstenbüschel
sind von deren Verwendung in Bürsten
und Bürstenrollen
her eingehend bekannt. Erfindungsgemäß befinden sich diese innerhalb
einer elastomeren Schicht, wobei sie zum einen gegen die Achsrichtung
des Walzenkörpers geneigt
sind. Diese Neigung bis zu einem Winkel von 90° zur Achsrichtung, insbesondere
im Bereich von 35° bis
90° zur
Achsrichtung liegt insbesondere in radialer Walzenrichtung vor und
erfolgt zum anderen zusätzlich
in Umfangsrichtung. Dementsprechend kann die Neigung der Borsten
bezogen auf den Radius der Walze in Achsrichtung durch einen Winkel α < 90° und in Umfangsrichtung
durch einen Winkel β im Bereich
von 0° bis
90° beschrieben
werden. Vorzugsweise liegt der Winkel α im Bereich von 0° bis 55° und der
Winkel β im
Bereich von 0° bis
45°, wobei
die Neigungswinkel je nach Anwendungsfall entlang der Achse auch
variieren können.
Ebenso können
Form, Durchmesser, Länge,
Steifigkeit, Elastizität
und Material der Borsten oder Borstenbüschel entlang der Achse variieren.
Gleiches gilt für
deren Anordnung, die statistisch, willkürlich oder gleichmäßig verteilt sein
kann, vorzugsweise jedoch ring- oder spiralförmig ist. Bei spiralförmiger Anordnung
kann dies auch, von der Walzenmitte ausgehend, in gegenläufigen Spiralen
erfolgen, wobei diese zur Verstärkung
der Spreizwirkung zu den Stirnseiten hin zunehmend aufgeweitet sein
können.
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Anhand
der nachfolgenden Ausführungsbeispiele
soll der Erfindungsgegenstand weiter veranschaulicht werden.
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Beispiel 1. Breitstreckwalze
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An
einem Walzenkern sind von der Mitte ausgehend zu den Stirnseiten
hin geneigt in zwei gegenläufig
umlaufenden Spiralen Büschel
aus gleichlangen Borsten fixiert. Der Abstand der Spiralumwindungen
zueinander nimmt von 10 mm ausgehend zu den Stirnseiten hin pro
Umwindung um 1 mm zu. Die Neigung α der Borstenbüschel nimmt
von ca. 7° ausgehend
von der Mitte zu den Stirnseiten hin pro Umwindung um etwa 10% zu,
die Neigung β beträgt konstant
ca. 10°.
Die Borstenspiralen sind vollständig von
einem Polyurethanelastomer mit einer Härte von ca. 20 Shore A umgeben,
das den Walzenmantel bildet. Der Durchmesser des Walzenmantels nimmt
von der Mitte zu den Walzenenden hin geringfügig ab, so dass der geringfügige Abstand
der Borstenenden zur Walzenoberfläche konstant bleibt. Die Walze
wird so eingesetzt, dass die Borstenbüschel um den Winkel β gegen die
Laufrichtung der Materialbahn geneigt sind. Durch die Andruckkraft
der umlaufenden Materialbahn wird die elastomere Beschichtung komprimiert
und übt
dabei eine seitlich gerichtete Kraft auf die Borsten aus. Dies führt zu einer
entsprechenden Spreizbewegung der Borstenspiralen, die sich über den
elastischen Walzenmantel auf die umlaufende Bahn auswirkt. Die zunehmende
Steigung der Spiralen gleicht die zu den Stirnseiten des Walzenmantels hin
zunehmende Spreizung der Bahn aus, so dass diese gleichmäßig gestreckt
und somit geglättet
wird. Zur Verringerung von Bahnkanteneinschnitten ist die Manteloberfläche der
Breitstreckwalze in einer weiteren Ausführung aus einer dünnen Schicht
eines härteren
Elastomers gebildet.
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Beispiel 2. Führungsrolle
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Die
elastische Beschichtung eines Walzenelements weist statistisch verteilt
Borsten auf, die annähern
senkrecht zur Walzenachse stehen und in ihrem oberen Drittel derart
gebogen oder geknickt sind, dass die äußeren Borstenenden in Achsrichtung
einen Winkel α von
etwa 45° zum
Walzenradius aufweisen. Bei Umschlingung durch eine laufende Bahn oder
beim Darüberlaufen
eines Werkstücks
weicht die elastische Beschichtung unter dem dadurch hervorgerufenen
Druck im Bereich der Bezugsoberfläche in die durch die Krümmung der
Borsten vorgegebene Richtung aus und bewirkt somit einen seitlichen Versatz
der Bahn bzw. des Werkstücks.
Mitlaufend auf einer Achse montiert ergeben mehrere solcher Walzenelemente
eine Führungsrolle,
die insbesondere auf Teilstrecken eingesetzt werden kann. Die Walzenelemente
lassen sich einzeln austauschen, sodass bei partieller Abnutzung
oder Beschädigung nicht
die gesamte Rolle ersetzt werden muss.
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Beispiel 3. Anlegewalze
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Der
zylindrische Walzenmantel besteht aus einem Schaumelastomer und
weist in gleichmäßigen Abständen entlang
der Walzenachse verteilt in ringförmiger Anordnung annähern radial
ausgerichtet spiralförmig
gedrehte Borsten auf, wobei das Schaumelastomer die Borsten um einige
Millimeter überdeckt.
Durch die Borsten wird das an sich weiche Schaumelastomer versteift
und somit gegen eine übermäßige Verformung
geschützt.
Der über
die Borsten überstehende
Teil der Beschichtung wirkt dabei als Pufferzone, während die
gedrehten Borsten bei zu starker Verformung des Walzenmantels eine elastische
Rückstellkraft
bewirken und somit den Walzenmantel stets in Form halten. Walzen
dieser Art können
bei Anklebevorgängen
mit stoßartiger
Belastung verwendet werden, beispielsweise im Druckprozess beim
Ankleben einer neuen Papierbahn an das Bahnende einer leerlaufenden
Papierrolle. In einer weiteren Ausführung ist die Oberfläche des Schaumelastomers
zur Verringerung von Bahnkanteneinschnitten von einer dünnen Schicht
eines härteren
Elastomers umgeben.
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Beispiel 4. Auftragwalze
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In
einer weiteren Ausführung
des Beispiels 3 ist der Schaumelastomermantel von einer dünnen Schicht
aus einem 17 Shore A harten Neoprengummi umhüllt, deren Oberfläche in Umfangsrichtung
durchgehend mit wenigen 10tel Millimeter tiefen Rillen versehen
ist. Walzen dieser Art eignen sich beispielsweise zum regulierten
Auftrag von Leimen oder Klebstoffen auf laufende Bahnen oder unebene
Werkstückoberflächen.