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Anwendungsgebiet und Stand
der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Walze, wie sie beispielsweise als Kalanderwalze
für die Papierbehandlung verwendet werden kann, sowie ein
Verfahren zum Herstellen einer solchen Walze.
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Es
ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 019 306 A1 bekannt, Walzen mit
einem festen Kern mit einem Bezug aus Stoff oder Stoffscheiben zu
versehen, welche bearbeitet werden, um damit eine Struktur zu schaffen,
die rundsymmetrisch ist und in Längsrichtung der Achse
aus Zacken und Vertiefungen dazwischen besteht.
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Aufgabe und Lösung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Walze
sowie ein Herstellungsverfahren zu schaffen, mit denen Probleme
des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere
eine Walze mit vorteilhaften Eigenschaften auch hinsichtlich Temperaturbeständigkeit bzw.
Temperaturschwankungen sowie Eigenspannun gen bei unterschiedlichen
Schichten oder Belägen nach der Herstellung geschaffen
werden kann.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Walze mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Walze mit den Merkmalen
des Anspruchs 12 oder 13. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und
werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut
der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum
Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die
Walze weist einen Belagaufbau auf mit einem Walzenkern, der sehr
starr bzw. aus Metall sein kann. Erfindungsgemäß wird
auf den Walzenkern eine Struktur aufgebracht, die abwechselnd angeordnete
Erhebungen und Vertiefungen aufweist. Die Struktur besteht dabei
aus einem Material mit höherer Duktilität als
das Material des Walzenkerns bzw. als das Material, auf welches
die Struktur direkt aufgebracht ist. Auf diese Struktur wiederum
wird ein äußerer Belag als Funktionsbelag bzw.
Oberfläche aufgebracht. Vorteilhaft weist die Struktur
eine höhere Duktilität als der Belag auf, um so
dessen Bewegung oder Schrumpfung gegenüber einem Stahlkern auszugleichen,
der sozusagen überhaupt keine Bewegung erfährt.
Diese Duktilität ist vor allem in Längsrichtung
der Walze wichtig.
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Mit
der Erfindung wird es möglich, dass durch die spezielle
geometrische Ausbildung mit den Erhebungen und Vertiefungen einerseits
eine sehr hohe Druckfestigkeit erreicht werden kann für
die enormen Liniendrücke, die vor allem bei Kalanderwalzen
auftreten. Gleichzeitig bewirken die Erhebungen und Vertiefungen
Eigenschaften der Walze in Längsrichtung der Walze, welche
zwischen den Temperaturausdehnungseigenschaften eines metallischen
Walzenkerns und denjenigen eines vielfach aus Harz bestehenden Belags
ausgleichend wirken. So kann verhindert werden, dass bei starken
Temperaturschwankungen Beschädigungen oder sogar Risse
im Belag entstehen, welche diesen beschädigen könnten
und beim Betrieb der Walze Unfälle bewirken könnten
mit entsprechender Gefährdung des Bedienungspotentials
und Maschinenstillstandzeiten aufgrund Reparatur. Auch hier stellen
Eigenspannungen im Belag ein Problem dar.
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In
Ausgestaltung der Erfindung können sich die Erhebungen
und Vertiefungen in Längsrichtung der Walze abwechseln,
insbesondere direkt aneinander anschließend. Beispielsweise
kann dies eine zackenartige Struktur sein. Weiters können
sich die Erhebungen und Vertiefungen jeweils ringartig um den Walzenkern
erstrecken, wobei insgesamt sämtliche Erhebungen und sämtliche
Vertiefungen vorteilhaft ähnlich bzw. gleich ausgebildet
sind.
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Erhebungen
und/oder Vertiefungen sind bevorzugt spitz bzw. spitzwinklig ausgebildet,
vor allem dann, wenn sie direkt aneinander anschließen.
Dabei sind die Flanken vorteilhaft gerade ausgebildet und besonders
vorteilhaft sind sie in einem gleichen Winkel zur Längsachse
der Walze angeordnet bzw. sind die Vertiefungen und/oder Erhebungen
symmetrisch. Im Wesentlichen kann eine derartige Struktur aussehen
wie in der eingangs genannten
DE 10 2004 019 306 A1 beschrieben. Breite
und/oder Höhe der Erhebungen können wenige mm
betragen, wobei vorteilhaft die Erhebungen und/oder Vertiefungen
höher sind als breit.
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Die
Struktur bzw. die Erhebungen können aus Harz hergestellt
sein, beispielsweise Epoxyharz. In Ausgestaltung der Erfindung kann
auf die Struktur eine Schicht bzw. ein Belag bzw. Bezug aufgebracht werden,
der aus Verbundmaterial besteht mit Fasern und einem Einbett-Material
für die Fasern, beispielsweise Harz. Dabei können
die Fasern in Form von Rovings auf die Struktur aufgewickelt werden.
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Zum
Herstellen einer erfindungsgemäßen Walze mit der
Struktur ist es einerseits möglich, dass die Struktur bzw.
das Material für die Struktur bereits so auf einen Walzenkern
oder Unterbau aufgebracht wird, dass die Form der fertigen Struktur
mit den Erhebungen und Vertiefungen vorliegt.
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren
sieht vor, dass das Material für die Struktur, beispielsweise
Harz, als durchgehende und etwa gleichmäßig dicke
Schicht aufgebracht wird. Anschließend wird das Material
in die für die Struktur gewünschte bzw. bestimmte
Form gebracht, wozu eine Art Schablone mit der Negativform der fertigen Struktur
angesetzt werden kann und Schablone und Walze in Umfangsrichtung
relativ zueinander bewegt werden. Eine solche Schablone kann entweder
nur eine oder wenige Erhebungen gleichzeitig herstellen, vorteilhaft
erstreckt sich die Schablone über einen wesentlichen Teil
der Länge der Walze bzw. über die gesamte Walze,
sodass sowohl in einem Arbeitsgang durch Relativdrehung die Struktur
aus dem Material herausgearbeitet werden kann als auch ein genau definierter
und gleichmäßiger Herstellungsvorgang gewährleistet
wird.
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In
Ausgestaltung der Erfindung kann die durchgängige Schicht
mit einer Höhe auf den Walzenkern bzw. den Unterbau aufgebracht
werden, die der Höhe der Erhebungen entspricht. Somit wird
das Material aus den zu schaffenden Vertiefungen herausgenommen
und entfernt. Alternativ kann die durchgängige Schicht
mit einer Dicke auf den Walzenkern bzw. den Unterbau aufgebracht
werden, die deutlich unterhalb der Höhe der Erhebung liegt,
beispielsweise etwas mehr als halb so dick sein. Beim Ansetzen der
Schablone, die vor allem in diesem Fall sich über die Länge
der Walze erstrecken sollte, wurde das Material aus den Vertiefungen
entfernt bzw. in die Erhebungen umgeformt. So erfolgt ein effizienter Umgang
mit dem Material und vor allem braucht kein aus den Vertiefungen
entferntes Material auf sonstige Art und Weise gesammelt und entfernt
werden. Es wird also nur wenig mehr Material für die Struktur
auf den Walzenkern bzw. den Unterbau aufgebracht als nachher in
der fertigen Struktur vorliegt.
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Um
das Material für die Struktur besser bearbeiten bzw. vor
allem besser formen zu können, sollte es zähflüssig
oder pastös vorliegen. Ein Harz kann beispielsweise in
gelierter Form aufgebracht werden, sodass es durch Bearbeiten umgeformt
werden kann und die Form behält.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Material der Struktur
eine geringere Glas-Übergangstemperatur, auch Tg genannt,
als dasjenige des Belags aufweisen. Diese Glas-Übergangstemperatur
kann nach der DSC-Messmethode ermittelt werden. Sie kann auch als
Erweichungstemperatur bezeichnet werden und ist allgemein als Begriff
gebräuchlich, da ab dieser Temperatur die Steifigkeit stark
abfällt. Dies bedeutet an sich, dass bei den hier verwendeten
Harzmaterialien die Struktur bei einer niedrigeren Temperatur weich
wird als der Belag. Diese Glas-Übergangstemperatur kann
bei der Struktur bei etwa 120°C liegen bzw. in einem Bereich
zwischen 110°C und 130°C. Die Glas-Übergangstemperatur
für den Belag kann deutlich höher gewählt
werden, beispielsweise zwischen 150°C und 170°C,
vorteilhaft bei etwa 160°C. Somit ist es möglich,
nach Fertigstellung der Walze bzw. Aufbringen des Belags die gesamte
Walze bei etwa 140°C zu tempern. Dabei können
Spannungen im Belag abgebaut werden. Da aufgrund der niedrigeren Glas-Übergangstemperatur
die Struktur bei dieser Temperatur bereits recht weich wird und
noch einmal sehr viel duktiler, kann der Belag seine Eigenspannungen
sehr gut abbauen im Vergleich zu dem inneren Walzenkern aus Stahl.
Beim Tempern sollte die Glas-Übergangstemperatur des Belags
nicht erreicht werden, da sonst dessen Form zu stark beeinträchtigt
werden würde.
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Diese
und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren
in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der
Erfindung und auf ande ren Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für sich schutzfähige Ausführungen
darstellen können, für die hier Schutz beansprucht
wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie
Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen
gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und
werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 verschiedene
Verfahrensschritte 1 bis 4 zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Walze mit einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren,
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2 eine
Variation des zweiten Schritts des Verfahrens gemäß 1 mit
dicker aufgebrachter Epoxyharzschicht vor dem Strukturieren und
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3 eine
weitere alternative Ausbildung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens mit Aufbringen eines fertig hergestellten Mantels mit
Strukturen auf einen Walzenkern.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
in einem Schritt dargestellt, wie auf einen Walzenkern 15,
der beliebig aufgebaut sein kann wie bei üblichen Walzen,
vorteilhaft aus Metall besteht, mittels längs des Walzenkerns 15 verteilter Düsen 17 Epoxyharz 19 aufgebracht
wird. Dabei dreht sich der Kern 15, so dass das Epoxyharz 19 im Ergebnis
eine Schicht bildet. Dies ist in der zweiten Darstellung in 1 rechts
oben zu sehen, wobei die Schicht aus Epoxyharz 19 nicht
zwangsläufig völlig gleichmäßig
dick und glatt an der Oberfläche sein muss, es jedoch vorteilhaft
ist. Anschließend wird zumindest von einer Seite eine Art
kammartige Schablone 21 an den sich weiterhin drehenden
Walzenkern 15 mit der noch formbaren Schicht aus Epoxyharz 19 herangeführt.
Die Schablone 21 weist Zacken 22 und Vertiefungen 23 auf,
die gleichmäßig und abwechselnd nebeneinander
entlang der Schablone vorgesehen sind. Durch das Ansetzen der Schablone 21 an
die Schicht aus Epoxyharz 19 greifen zuerst die Zacken 22 in
die Schicht ein und verformen diese entsprechend ihrer Form. So übertragen
sie die Form bzw. Kontur der Schablone 21 mit den Zacken 22 und den
Vertiefungen 23 auf die Schicht aus Epoxyharz 19.
Unter Umständen kann dies auch durch mehrere Schablonen
an verschiedenen Stellen erfolgen, was jedoch nicht zwingend notwendig
ist.
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In
der dritten Darstellung links unten in 1 ist zu
sehen, wie mittels der Schablone 21 in der Schicht aus
Epoxyharz 19 auf dem Walzenkern 15 eine Struktur 25 erzeugt
worden ist. Diese Struktur 25 weist nicht nur abwechselnde
und nebeneinander liegende Erhebungen 26 und Vertiefungen 27 auf.
Sie ist auch umlaufend bzw. rotationssymmetrisch, und des weiteren
entspricht die Form der Erhebungen 26 und Vertiefungen 27 bzw.
der Struktur 25 derjenigen der Schablone 21. Es
ist auch zu erkennen, dass die Vertiefungen 27 bis auf
den Walzenkern 15 reichen.
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In
Verbindung mit der Darstellung rechts oben in 1 ist
nämlich zu sehen, dass die Höhe der Zacken 22 bzw.
Vertiefungen 23 der Schablonen 21 größer
ist als die Dicke der Schicht aus Epoxyharz 19, insbesondere
doppelt so dick. Dies bedeutet, dass durch das Ansetzen der Schablone 21 mit Übertragen
ihrer Kontur auf die Schicht aus Epoxyharz 19 kein Epoxyharz
von dem Walzenkern entfernt wird, sondern nur umverteilt bzw. umgeformt
wird in die Struktur 25. Das von den Spitzen der Zacken 22 sozusagen
abgenommene oder verdrängte Epoxyharz 19 wandert
zur Seite in die Vertiefungen 23 der Schablone 21 und
bildet dort die Erhebungen 26 der Struktur 25.
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Nach
dem Herstellen der Struktur 25 durch Umformen der Schicht
aus Epoxyharz 19 wird dieses bzw. die Struktur verfestigt
bzw. gehärtet. Anschließend wird gemäß der
vierten Darstellung in 1 rechts unten noch ein Zwischenbelag 29 aufgebracht,
beispielsweise wiederum aus Harz als Einbett-Material und Fasern,
die durch Rotieren gewickelt werden. Der Zwischenbelag 29 überragt
die Spitzen der Erhebungen 26 ein Stück. Auf diesen Zwischenbelag 29 kann
dann in üblicher Art und Weise ein weiterer Belag oder
eine Deckschicht aufgebracht werden.
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Somit
wird also bei dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen
Verfahren durch Umverteilen von Epoxyharz 19 in die Struktur 25 erreicht,
dass kein Epoxyharz entfernt werden muss und somit weder unnötig
Material gebraucht wird noch dieses aufgefangen und entsorgt werden
muss. Diese Umverteilung von Epoxyharz 19 mittels der Schablone 21 kann
auch durch spezielle Ausbildung der Zacken 22 und der Vertiefungen 23 an
der Schablone begünstigt werden, so dass sich die ausgebildete
Struktur schneller, mit weniger Druck oder besser herstellen lässt.
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In
der vierten Darstellung in 1 rechts
unten liegt am Ende eine Walze 11 vor, selbst wenn in aller
Regel noch weitere Beläge auf den Zwischenbelag 29 aufgebracht
werden. Hier ist gut zu erkennen, inwiefern die höhere
Duktilität der zackigen Struktur 25 einen Ausgleich
von dem Zwischenbelag 29 und damit auch darüber
befindlicher weiterer Beläge zu dem Walzenkern 15 schafft.
Dieser ist aus Stahl und weist somit im Gesamtsystem sozusagen gar
keine Duktilität und auch keine Wärmeausdehnung
auf.
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In 2 ist
eine Abwandlung eines Herstellungsverfahrens ähnlich 1 dargestellt.
Hier ist zu erkennen, dass die Zacken 122 und die Vertiefungen 123 der
Schablone 121 in etwa so hoch sind wie die Dicke einer
Schicht aus Epoxyharz 119 auf einem Walzenkern 115.
Im Vergleich zu der zweiten Darstellung in 1 rechts
oben ist also die Schicht aus Epoxyharz 119 in 2 erheblich
dicker, insbesondere etwa doppelt so dick. Wird hier die Schablone 121 an das
Epoxyharz 119 angesetzt und der Walzenkern 115 dabei
gedreht, kann entweder eine Struktur genau wie diejenige in der
dritten Darstellung in 1 links unten erzeugt werden,
also mit Erhebungen und Vertiefungen, wobei die Vertiefungen bis
auf den Walzenkern 115 hindurchgehen. Dann muss eine erhebliche
Menge an Epoxyharz 119 durch die Schablone 121 nicht
nur umverteilt, sondern vor allem entfernt werden, so dass eine
Menge Abfallmaterial anfällt. Dazu wird die Schablone 121 mit
den Spitzen der Zacken 122 ähnlich wie in 1 bis
an den Walzenkern 115 oder kurz davor angedrückt.
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Alternativ
dazu könnte bei einer dicken Schicht aus Epoxyharz 119 entsprechend 2 die Schablone 121 mit
den Zacken 122 nur soweit in die Schicht eingedrückt
werden, dass ähnlich wie bei dem Verfahren gemäß 1 das
Epoxyharz 119 nicht gänzlich entfernt wird, sondern
wiederum umverteilt wird. Dann erhält man eine Struktur,
die ähnlich der Struktur 25 aus 1 links
unten ausgebildet ist, allerdings reichen die Vertiefungen nicht
bis auf den Walzenkern, sondern es ist eine relativ dicke Schicht
aus Epoxyharz dazwischen. Je nach Verwendungszweck der fertigen
Walze kann dies auch vorteilhaft vorgesehen sein. Vor allem kann
durch einen gewissen Überschuss an Epoxyharz 119,
der dann eben abgetragen werden muss, sichergestellt werden, dass
eine gewünschte Struktur auf dem Walzenkern auch tatsächlich
erreicht wird mit Material bis in die gewünschten Erhebungen
hinein.
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Hier
ist gut zu erkennen, wie in weiterer Abwandlung der Erfindung aus
einer dicken Schicht, die auf den Walzenkern 115 aufgebracht
worden ist, die fertige Struktur 125 durch Drehen oder
Fräsen herausgearbeitet werden kann. Dies kann unter Umständen
vor einem vollständigen Aushärten des Epoxyharzes 119 erfolgen.
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Anschließend
kann auch bei dem Verfahren gemäß 2 ähnlich
der vierten Darstellung in 1 rechts
unten ein Zwischenbelag oder auch ein sonstiger weiterer Belag auf
die entstehende Struktur mit Erhebungen und Vertiefungen aufgebracht
werden.
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In 3 ist
ein anderes erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren
für eine erfindungsgemäße Walze dargestellt.
Hier wird auf einen ähnlich wie zuvor ausgebildeten Walzenkern 215 ein
sozusagen fertiger Mantel 231 aufgebracht. Der Mantel 231 weist
bereits die fertige Struktur 225 aus Erhebungen 226 und
Vertiefungen 227 auf. Die Form und Ausgestaltung der Struktur 225 am
Mantel 231 kann beispielsweise wiederum gemäß der
dritten Darstellung links unten in 1 sein. Ähnlich
wie zuvor beschrieben kann allerdings auch vorgesehen sein, dass
die Vertiefungen 227 mit einer dickeren Schicht aus Epoxyharz über
dem Kern 215 liegen, so dass hier die Schichtdicke ausreichend
groß ist für mechanische Stabilität.
Beim Aufbringen des Mantels 231 auf den Kern 215 kann
er darauf befestigt werden, vorteilhaft verklebt werden. Eine Weiterverarbeitung
beispielsweise durch Aufbringen eines Zwischenbelags entsprechend
der vierten Darstellung in 1 rechts
unten kann selbstverständlich ebenfalls erfolgen.
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Die
Herstellung des Mantels 231 kann beispielsweise durch Gießen
in einer entsprechenden Form erfolgen. Dabei ist besonders auf genaues Formmaß zu
achten. Wenn der Mantel 231 auf den Kern 215 aufgebracht
wird sollte er keine Spannungsrisse bekommen, so dass er nach dem
Verkleben fest darauf sitzt und sich nicht lockert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004019306
A1 [0002, 0008]