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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Beschichtungsdüsen. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung Montagevorrichtungen für Beschichtungsdüsen.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Beschichtungsdüsen sind
allgemein bekannt, und es gibt viele Variationen. Eine typische Beschichtungsdüse enthält einen
stromaufwärtigen Steg
und einen stromabwärtigen
Steg, die miteinander verbunden sind. Eine stromaufwärtige Düsenlippe
gehört
zum stromaufwärtigen
Steg, und eine stromabwärtige
Düsenlippe
gehört
zum stromabwärtigen
Steg. Ein Verteiler ist in einem oder in beiden Stegen ausgebildet
und führt
in einen Schlitz, der an der Düsenlippe
aus der Düse
austritt. Dem Verteiler wird durch einen Kanal Beschichtungsfluid
zugeführt, die
durch den Schlitz verteilt und auf eine sich bewegende Bahn oder
auf eine andere zu beschichtende Oberfläche aufgebracht wird. Das Beschichtungsfluid kann
einen durchgängigen
Beschichtungsstrom zwischen der stromaufwärtigen Düsenlippe, der stromabwärtigen Düsenlippe
und der zu beschichtenden Oberfläche
(wie beispielsweise einem sich bewegenden Substrat oder einer sich
bewegenden Bahn) bilden. Bei dem Beschichtungsfluid kann es sich
um eine von zahlreichen Flüssigkeiten
oder um eines von zahlreichen sonstigen Fluiden handeln. Mit einer Vakuumkammer
kann stromaufwärts
des Beschichtungsstromes ein Unterdruck angelegt werden, um den
Beschichtungsstrom zu stabilisieren. Das Beschichtungsfluid kann
in freier Spannweite oder gegen eine Stützwalze auf die Bahn aufgetragen
werden.
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Es
wird eine breite Vielfalt von Fluiden mittels verschiedener Beschichtungsdüsen auf
Oberflächen ausgetragen.
Die Beschichtungsdüsen
selbst werden für
einen bestimmten Anwendungszweck dergestalt modifiziert, dass das
Auftragen eines Fluids auf die Oberfläche optimiert wird. Verschiedene
andere äußere Merkmale,
wie beispielsweise die Härte
der Stützwalzen,
können
die Beschichtung ebenfalls optimieren. Innerhalb einer bestimmten
Düsenkonfiguration
kann die Beschichtungsqualität
stark verändert werden,
indem man geringfügige
Winkeländerungen und
Höhenänderungen
zwischen der Teilungslinie der Beschichtungsdüse und einer radialen Linie,
die sich von der Mitte der Stützwalze
auswärts
erstreckt, vornimmt. Trotzdem kommt es immer wieder zu ungleichmäßigen Beschichtungen,
was auf Faktoren wie beispielsweise Unwuchten oder die Geradheit der
Gummiwalze, Vibrationen in der Linie der Bahn, Schwankungen bei
der Dicke und Oberflächenbeschaffenheit
der Bahn, Nichtlinearität
der Düsenlippen
und die Notwendigkeit einer präzisen
Anordnung der Düsenlippe
auf der Bahn zurückzuführen ist.
Beschichtungen sind mitunter über
ihrer Breite hinweg ungleichmäßig, was
auf einen ungleichmäßigen Düsendruck
quer zur Bahn zurückzuführen ist.
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Die
Montagesysteme für
die Beschichtungsdüsen
werden ebenfalls im Hinblick auf eine optimierte Beschichtung modifiziert.
Beschichtungsdüsen werden
an einer Stelle montiert, manchmal die Beschichtungsstation genannt,
an der das Beschichtungsfluid auf eine Oberfläche aufgetragen werden soll.
Die Montagevorrichtungen nach dem Stand der Technik sind starr oder
unbeweglich. Das heißt,
die Düse
wird exakt an einer bestimmten Stelle neben der zu beschichtenden
Oberfläche
dergestalt positioniert und befestigt, dass die Beschichtung optimiert wird.
Diese Position kann verändert
und an verschiedene Fluide und Beschichtungsbedingungen angepasst
werden. Während
des Beschichtens bleibt die Düse
jedoch ortsfest in ihrer Haltevorrichtung.
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In
einigen Fällen
werden Beschichtungen auf die Bahn aufgetragen, ohne dass an der
Stelle des Beschichtungsauftrags ein Stützelement auf der Rückseite
der Bahn vorhanden ist. Ein Beispiel dafür ist die Mayerstabbeschichtung,
wobei die Bahn zwischen zwei Walzen gestützt wird und ein Beschichtungsstab
so abgeordnet ist, dass die Bahn teilweise um den Stabumfang herum
verläuft.
Die Gleichmäßigkeit
der Beschichtung wird unter anderem durch die Geradheit des Stabes,
den Winkel, in dem die Bahn um den Stab herum verläuft, die
Gesamtspannung der Bahn und die Gleichmäßigkeit der Bahnspannung von
einem Punkt zum nächsten
eingestellt. Wenn die Bahn an einer Stelle durchhängt, so hat
dieser Abschnitt der Bahn eine schwerere Beschichtung als ein benachbarter
Bereich ohne Durchhang mit einer höheren entsprechenden Bahnspannung.
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In ähnlicher
Weise kann eine für
vordosierte Beschichtung ausgelegte Düse gegen eine Bahn in freier
Spannweite zwischen zwei Walzen gedrückt werden. Unter der Maßgabe, dass
die Beschichtungsdüse
für die
Beschichtungsflüssigkeit
die richtige ist und eine vollkommen gleichmäßige Verteilung in Querrichtung
zur Bahn erzeugt, ohne dass eine Bahn entlang geführt wird,
hängt die
letztendliche Gleichmäßigkeit
der Beschichtung von der örtlichen Bahnspannung
ab. Eine hohe Bahnspannung in einem Bereich der Düse bewirkt,
dass sich die Flüssigkeit
zu einem Bereich mit einer geringeren örtlichen Bahnspannung bewegt.
Bereiche mit einer geringeren örtlichen
Bahnspannung während
des Beschichtens haben höhere
Beschichtungsdicken, und Bereiche mit höherer Spannung haben geringere
Beschichtungsdicken. In Extremfällen
dominiert die Bahnspannung die Beschichtungsqualität und verursacht
Lücken
und Streifen in der Beschichtung.
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US-Patent
Nr. 3,854,441 lehrt die Verwendung einer Presswalze zum Anlegen
einer Kraft von der Rückseite
der Bahn her gegen die Düsenlippen und
das Fluid, das aus dem Düsenschlitz
austritt. Druckluftzylinder erzeugen einen Druck gegen die Bahn
und heben die Presswalze von der Bahn fort. Jedoch lassen sich sehr
leichte Drücke
nicht zuverlässig
erzeugen, was auf die Reibung in. den Druckluftzylindern zurückzuführen ist,
die dafür
bemessen sind, das Gewicht der Walze anzuheben.
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Die
britische Patentschrift Nr. 1,190,324 veranschaulicht die Verwendung
einer flexiblen Rakel zum Anlegen von Druck zwischen der Bahn und
der Beschichtungsdüse.
Je nach der Flexibilität
der Rakel können
damit sehr feine Drücke
angelegt werden. Doch die Rakel reibt an der Bahn und kann diese
zerkratzen.
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US-Patent
Nr. 3,609,810 offenbart eine Düsenbeschichtung,
wobei Lufthubbälge
gegen die Düse
und ihr Streichmesser drücken
und sie nahe der Bahn auf einer Stützwalze in Position halten.
Der Spalt zwischen der Düsenlippe
wird geschlossen, indem man die Düse und die Montagehalterungen
gegen Endanschläge
drückt,
die verstellt werden können,
um den Spalt zu justieren. Wenn bei dieser Konfiguration die Stützwalze
nicht vollkommen rund ist, so verändert sich der Spalt mit jeder
Umdrehung. Wenn man die Düse
gegen feste Endanschläge drückt, so
ist damit kein Selbstausgleich bei Unrundheit möglich, und es werden auch keine
Schwankungen der Bahndicke, welche den Spalt verändern, ausgeglichen.
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Das
in US-A-4,520,049 offenbarte System betrifft eine Beschichtungsvorrichtung.
Dabei kann das Maß eines
Spaltes, der zwischen einer Beschichterdüse und einer Ausgangsmaterial-Zufuhrwalze definiert
wird, in Abhängigkeit
von der Veränderung des
Drucks, mit dem das viskose Material, wie beispielsweise ein heißschmelzender
thermischer Klebstoff, von der Beschichterdüse auf das Ausgangsmaterial
abgegeben wird, eingestellt werden.
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Des
Weiteren wird in WO-A-9,615,860 eine Vorrichtung zum Beschichten
eines Streifenartikels, wie beispielsweise eines Bleches, offenbart.
Die Vorrichtung umfasst einen starren Beschichtungskopf und einen
beweglichen Beschichtungskopf, die einander über einen Spalt hinweg, der
den zu beschichtenden Streifenartikel aufnimmt, zugewandt sind. Beide
Beschichtungsköpfe
haben einen länglichen offenseitigen
Schlitz, der die Köpfe
innerhalb des Spaltes dergestalt durchdringt, dass das Beschichtungsmaterial
aus dem Inneren der Beschichtungsköpfe auf die Hauptseite des
Streifenartikels extrudiert werden kann, während dieser sich durch den Spalt
schiebt. Die Köpfe
haben des Weiteren verlängerte
Flächen
auf den gegenüberliegenden
Seiten der Köpfe
innerhalb des Spaltes. Diese Oberflächen dienen dem Steuern der
Dicke des Beschichtungsmaterials, während es durch die Schlitze
auf den Streifenartikel aufgetragen wird. Die Kräfte, die durch das Beschichtungsmaterial
in den Spalten auf diese verlängerten
Flächen
ausgeübt
werden, bewirken ein Aufwärts-
oder Abwärtsbewegen
des oberen Beschichtungskopfes, wenn diese Kräfte nicht mit der Belastungskraft,
die durch die Lastanlegevorrichtung angelegt wird, im Gleichgewicht
stehen.
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In
JP-A-62 140670 wird eine Beschichtungsvorrichtung mit einer schwimmenden
Düse offenbart. Dabei
ist die Düse
der Vorrichtung zum Auftragen der Farbe auf das Bahnmaterial auf
einer Transportwalze eine Düse
vom schwimmenden Typ, für
die ein Ausgleichsgewicht verwendet wird. Des Weiteren ist ein Abstandshaltermittel
vorgesehen, um einen bestimmten Abstand zwischen der Oberfläche des
Ausgangsmaterials und einem schlitzförmigen Austragsport beizubehalten,
indem die Oberfläche
des Materials berührt
wird.
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Zur
Streifenbildung kann es häufiger
kommen, wenn Kontaktextrusionsdüsensysteme
(anstatt kontaktfreier Systeme) verwendet werden, um dünne Beschichtungen
oder Fluide aufzutragen. Beim Kontaktextrusionsbeschichten richtet
sich die Düsenposition
danach, ob Fluid aus der Düse
austritt. Wenn kein Fluid durch die Düse tritt, so berührt die
Düse das
Substrat. Wenn Fluid durch die Düse
tritt und durch den Düsenschlitz
austritt, so übt
der Fluidstrom einen hydrodynamischen Druck aus, der die Düse vom Substrat
fortbewegt, wodurch sich ein Spalt zwischen der Düsenlippe
und dem Substrat öffnet.
Diesen Spalt nennt man den Trennungsspalt.
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Dies
steht im Gegensatz zu dem Dosierspalt, bei dem es sich um einen
fest eingestellten Spalt zwischen einer Beschichterkomponente (wie
beispielsweise einer Messerkante) und der Bahn handelt. Er wird
durch Justieren und Feststellen der Montagevorrichtung vor dem Beschichten
eingestellt. Darum ist der Spalt auch dann noch da, wenn kein Fluid
aufgetragen wird. Wenn Fluid aufgetragen wird, ist der Spalt noch
immer da.
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Es
besteht Bedarf an einem Montagesystem für eine Kontaktdüsenbeschichtungsvorrichtung,
wobei der Trennungsspalt während
des Beschichtens so eingestellt werden kann, dass die Beschichtungsqualität maximiert
wird.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Es
wird eine Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt,
die ein einstellbares Montagesystem für Düsen, die für eine vordosierte Kontaktbeschichtung
ausgelegt sind, aufweist, wobei das Montagesystem eine Basis und
einen Düsenaufnahmeabschnitt,
der beweglich mit der Basis verbunden ist, enthält. Während der Beschichtung kann
die Düse
in einem Abstand von der gerade beschichteten Oberfläche auf
der Grundlage des Gleichgewichts von Kräften zwischen der Düse und der
beschichteten Oberfläche
schwimmen. Dadurch entsteht ein variabler Trennungsspalt, und es
wird ein automatischer Selbstausgleich für Veränderungen in den Bahn- oder
Fluideigenschaften ermöglicht.
Dies wiederum optimiert die Beschichtungsmerkmale, indem die Position
des Düsenaufnahmeabschnitts
in der Nähe
der zu beschichtenden Oberfläche
präzise variiert
wird.
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Der
Düsenaufnahmeabschnitt
kann entweder über
ein flexibles Element oder ein Präzisionsscharnierelement mit
der Basis verbunden sein.
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Die
Bewegung des Düsenaufnahmeabschnitts
kann durch einen Endanschlagmechanismus begrenzt werden. Man kann
die Düse
schwimmen lassen, indem man zwischen der Beschichtungsdüse und der
Basis drückt,
gegen die Beschichtungsdüse,
den Düsenaufnahmeabschnitt
und das flexible Element drückt
oder zwischen dem Düsenaufnahmeabschnitt
und der Basis drückt,
zwischen dem flexiblen Element und der Basis drückt und zwischen dem flexiblem
Element und dem Endanschlagmechanismus drückt.
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Die
Basis kann einen unteren Abschnitt und einen Fußabschnitt enthalten, und der
Düsenaufnahmeabschnitt kann
einen Montageabschnitt und einen Fußabschnitt enthalten, die starr
miteinander verbunden sind. Der Fußabschnitt der Basis kann allgemein parallel
zu dem Fußabschnitt
des Düsenaufnahmeabschnitts
angeordnet sein. Der Düsenaufnahmeabschnitt
kann außerdem
einen krafterzeugenden Arm enthalten, der starr mit dem Fußabschnitt
verbunden ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann das Montagesystem außerdem
eine Umhüllung
enthalten, um wenigstens das flexible Element und den fluidbeladenen
Balg, der zur Positionierung der Düse dient, zu schützen. Die
Umhüllung
und der kraftausübende
Arm des Düsenaufnahmeelements
können jeweils Öffnungen
enthalten, um eine Fluidzufuhrleitung zum Zuführen von Fluid zu der Düse aufzunehmen.
Alternativ kann der Düsenaufnahmeabschnitt so
geformt sein, dass er den fluidbeladenen Balg, der zur Positionierung
der Düse
dient, und das flexible Element abschirmt, indem er als eine Umhüllung dient.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Seitenansicht eines anderen erfindungsgemäßen Montagesystems.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines anderen erfindungsgemäßen Montagesystems.
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3 ist
eine Seitenansicht eines anderen erfindungsgemäßen Montagesystems.
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4 ist
eine Seitenansicht eines anderen erfindungsgemäßen Montagesystems.
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Detaillierte
Beschreibung
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Bei
der Erfindung handelt es sich um ein Montagesystem für Düsen, die
für eine
vordosierte Kontaktbeschichtung ausgelegt sind, wie beispielsweise
Extrusions- und Schlitzdüsen,
die eine vordosierte Menge Beschichtungsmaterial auf eine Oberfläche auftragen.
(Anders als beispielsweise bei der Rakelstreichbeschichtung, wobei
eine Übermenge an
Beschichtungsmaterial aufgetragen wird, die während des Beschichtungsprozesses
entfernt wird.) Die Erfinder haben festgestellt, dass Düsenmontagevorrichtungen,
welche die Beschichtungsdüse
in der Nähe
der Bahn (oder einer anderen gerade beschichteten Oberfläche) positionieren
und bei denen die Kraft der Düse
gegen die Bahn während
der Beschichtung präzise
eingestellt werden kann, die Beschichtung deutlich verbessern. Das
Montagesystem ermöglicht
es der Düse,
auf der Beschichtung zu schwimmen. Das Montagesystem kann die Düse zuverlässig und
wiederholt so positionieren, dass eine gleichbleibende Kraft gegen
die Bahn ausgeübt
wird.
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Bei
der Kontaktbeschichtung mit dem Montagesystem hängt die Düsenposition davon ab, ob Fluid
aus der Düse
austritt. Wenn Fluid durch den Düsenschlitz
austritt, so bewirkt der Fluidstrom einen hydrodynamischen Druck,
der die Düse
von dem Substrat fortbewegt, wodurch sich zwischen der Düsenlippe
und dem Substrat ein Trennungsspalt öffnet. Das Montagesystem gestattet
das Einstellen eines gewünschten
Drucks zwischen dem Fluid, das auf die Bahn aufgetragen wird, und
der Düse,
indem es gleichbleibend niedrige Kräfte (auf der Grundlage der
Fluidrheologie) an die Düse
anlegt, die ausreichen, um ein Fluid auf die Bahn aufzubringen.
Das Montagesystem stellt gegenüber
Systemen nach dem Stand der Technik eine Verbesserung dar, weil es "schwimmen" kann. Sie gestattet
der Düse,
sich zur Bahn hin und von der Bahn weg zu bewegen, wenn sich Veränderungen
in der Bahn oder im Beschichtungsfluid an der Düse vorbeibewegen. Die Düse bewegt
sich unter dem Druck, der vom Montagesystem ausgeübt wird,
zu der Bahn hin, und die Düse
bewegt sich in Reaktion auf Kräfte,
die von der beschichteten Bahn ausgehen, von der Bahn weg. Dadurch
kann der Beschichtungsauftrag gleichmäßiger erfolgen und kann die
gewünschten
Eigenschaften erhalten.
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In
Reaktion auf Veränderungen
der Position oder der Dicke der Bahn (wie beispielsweise im Fall von
Spleißen)
kann das Montagesystem die Düse
so bewegen, dass die Kraft justiert und das gewünschte Beschichtungserscheinungsbild
erhalten wird. Wenn sich die Kraft der Düse gegen das Fluid ändert, wirkt die
Bahn unabhängig
davon, ob sie gestützt
wird oder in freier Spannweite verläuft, der Düsenkraft dergestalt entgegen,
dass die Düse
schwimmen kann, um so die richtige Kraft gegen die Bahn auszuüben, damit
sich das gewünschte
Systemgleichgewicht einstellt.
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Das
Montagesystem kann eine gleichbleibende geringfügige Kraft von etwa 15 bis
30 g/mm Düsenbreite
gegen die Bahn anlegen. Diese Vorbelastung wird in Reaktion auf
Schwankungen wie beispielsweise Bahndicke, Walzenunwuchten und Maschinenvibrationen,
welche den Spalt zwischen Düse und
Bahn stören
würden,
konstant gehalten. Dies ermöglicht
es einem Maschinenbediener während
der Beschichtung, der hydrodynamischen Kraft entgegenzuwirken, die
durch Fluid verursacht wird, das durch den Spalt strömt, und
die andernfalls die Düse weiter
von der Bahn trennen würde.
Das Beibehalten dieser konstanten Vorbelastung hilft dabei, das
gewünschte
Beschichtungserscheinungsbild zu erhalten.
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Bei
einem Beschichtungssystem kann der angelegte Fluiddruck das Substrat
oder die Auftragsvorrichtung verformen. Dies ändert den Fluidstrom und verändert den örtlichen
hydrodynamischen Druck, der auf die Bahn oder die Auftragsvorrichtung einwirkt.
Diese Konkurrenz zwischen den hydrodynamischen Kräften und
den elastischen Rückstellkräften der
verformbaren Wände
des Kanals, welche das Fluid umgrenzen, wird durch die Theorie der
Elastohydrodynamik beschrieben. (Um einen hydrodynamischen Druck
in freier Spannweite zu erzeugen, wird eine Düse mit der entsprechenden Lippengeometrie in
Kontakt mit einer gespannten Bahn gebracht, welche den Spalt zwischen
zwei parallelen Walzen überbrückt. Der
Kontaktpunkt der Düse
muss von der Oberfläche
umwickelt werden und muss ideale Eintritts- und Austrittswinkel
zwischen der Oberfläche und
dem Düsenschlitz
bilden. In dieser Konfiguration bestimmt die Bahnspannung die elastische
Vorbelastung der Oberflächenseite
des konvergierenden Kanals, und Streifen mit niedriger oder hoher
Spannung beeinflussen die hydrodynamischen Kräfte und das Erscheinungsbild
der Beschichtung. In einigen Fällen,
wie beispielsweise bei deformierten Bahnen, wo die Ränder oder
innenliegende Streifen durchhängen,
wenn die Bahn insgesamt gespannt wird und flach ist, ist es schwierig, über die
ganze Düsenbreite eine
annehmbare Beschichtung herzustellen. Dies erfordert eine kontinuierliche
Justierung einiger Düsenparameter,
wie beispielsweise Penetration, Angriffswinkel und Spannweitendistanz,
um es zu kompensieren.) Das erfindungsgemäßen Montagesystem ermöglicht es
der Düse,
sich eine ausbalancierte Position zu suchen, welche die konkurrierenden
Kräfte
zwischen dem Fluid und dem Montagesystem stabilisieren.
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Weil
die Düse
eigentlich kaum auf die hydrodynamischen und elastischen Kräfte reagiert,
reagiert das Montagesystem nur auf relativ niederfrequente Störungen des
Kräftegleichgewichts,
wie beispielsweise Verlaufsänderungen
der Bahndicke und der Fluideigenschaften. Um höherfrequenten Störungen wie
beispielsweise Walzenunwuchten oder Maschinenvibrationen entgegenzuwirken,
können
freie Bahnspannweiten oder weiche Walzenhüllen, gegen die eine Bahn beschichtet
wird, verwendet werden, um diese Änderungen aufzufangen und auszugleichen.
Weichgummiwalzen verringern die Auswirkungen nicht-idealer Spannungsstreifen
in der Bahn auf die Beschichtungsqualität. Beim Beschichten gegen eine
metallische Stützwalze
widerspiegelte die Beschichtung die Defekte in der Stützwalzenoberfläche. Wie
die Bahn in freier Spannweite ist auch die Walzenhülle ein
System mit geringer Masse, das rasch auf Kräfte reagieren kann, die im
Frequenzbereich von Störungen
liegen, die sich als sichtbare Defekte in der Beschichtung manifestieren
können.
Durch Kombinieren eines Systems mit schwimmender Düse und einer
freien Spannweite oder einer Weichgummiwalze erhält man ein optimales Kontaktdüsenbeschichtungssystem:
eines, das sowohl niederfrequente als auch hochfrequente Störungen ausgleicht.
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Die
Justierung der Düsenposition
durch das Montagesystem kann mittels jeder bekannten Justiervorrichtung
erfolgen, die wenigstens einen fluidgeladenen Balg aufweist. Pneumatische
Vorrichtungen, die flexible, fluidgefüllte Behälter enthalten, können ebenfalls
verwendet werden, wenn sich das Dämpfungsvermögen des Fluids zum Vorteil
nutzen lässt.
Diese Systeme können
separat oder zusammen verwendet werden. Pneumatische Vorrichtungen
ermöglichen
das Beibehalten der Federkonstante und der gewünschten Düsenkraft auf einem fast konstanten
Wert, selbst wenn sich der stationäre Teil der Montagevorrichtung
bewegt. Mit dem Begriff "Balg" bezeichnen wir generisch
sämtliche
pneumatischen Konfigurationen, wie beispielsweise Schläuche und
fluidgeladene Membranen, welche die Düsenlippe gegen die sich bewegende
Bahn drücken. Es
kann jedes beliebige Fluid verwendet werden, einschließlich Luft.
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Der
Begriff "flexibel" umfasst sowohl lineare als
auch torsionale Bewegungen und hat vorzugsweise die Bedeutung von "elastisch". Wie beschrieben,
ist die x-Richtung die Richtung, welche die Beschichtungsdicke beschreibt,
eine Richtung senkrecht zur Bahn. Die y-Richtung ist die Richtung,
welche die Beschichtungsbreite beschreibt. Die z-Richtung ist die
Richtung, welche die Länge
der Bahn beschreibt. Die optimalen Abmessungen, Eigenschaften, Merkmale
und Materialien der einzelnen Komponenten des Montagesystems hängen von
verschiedenen weiteren Parametern ab, wie beispielsweise der Größe und Masse
der Düse,
den Fluideigenschaften, den vorgesehenen Eigenschaften der Beschichtung
und den Merkmalen der Bahn.
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1 zeigt
ein einfaches flexibles schwimmendes Montagesystem mit zwei Freiheitsgraden
(lineare Verschiebung in x- und y-Richtung). Dieses Montagesystem 300 enthält eine
unbewegliche untere Platte 302, die an einer unbeweglichen
Seitenstütze 304 befestigt
ist. Eine bewegliche obere Platte 306 nimmt eine Düse auf und
ist mit der unbeweglichen unteren Platte 302 durch wenigstens
zwei vertikale flexible Elemente 308 verbunden. Die Mitte
jedes flexiblen Elements 308 kann zwischen einem Paar dickerer
Klemmplatten 310 eingeklemmt werden, um ein Verwinden zu
vermeiden. Als flexible Elemente 308 können standardmäßige Beilagscheiben
aus Edelstahl mit einer Dicke von 0,0254 cm (0,010 Inch) bis 0,0762
cm (0,030 Inch) verwendet werden. Es kann aber auch dickeres Material
verwendet werden.
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Ein
unbeweglicher Block 312 ist an der unbeweglichen unteren
Platte 302 zwischen den beiden vertikalen flexiblen Elementen 308 montiert.
Der unbewegliche Block 312 dient als Endanschlag zur Begrenzung
der Bewegung der Klemmplatten 310 und der oberen Platte 306.
Es können
aber auch andere mechanische Endanschläge verwendet werden.
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Wenigstens
ein Fluidbalg 314 dient zur Einstellung der Position der
Düse 10.
Es können
ein oder mehrere Bälge 314 zwischen
der Klemmplatte 310, die näher an der Bahn liegt, und
dem unbeweglichen Block 312 oder zwischen der Klemmplatte 310, die
weiter von der Bahn entfernt liegt, und der unbeweglichen Seitenstütze 304 angeordnet
werden. Wie gezeigt, befindet sich der Balg 314 neben den Klemmplatten 310 auf
der Seite, die der unbeweglichen Seitenstütze 304 gegenüber liegt.
Dies ist dieselbe Seite wie die Vorderseite der Düse. In dieser Position
bewirkt ein Erhöhen
des Balgdrucks ein Bewegen der flexiblen Elemente 308 und
der Klemmplatten 310, die daraufhin die obere Platte 306 und die
Düse 10 zu
der gerade beschichteten Oberfläche hin
bewegen. Der Balg 314 (der 0,005 cm (0,002 Inch) bis 0,008
cm (0,003 Inch) dick ist) hatte eine Breite von etwas mehr als 1,27
cm (0,5 Inch) im abgeflachten Zustand und kann per Ultraschall entlang seiner
Hauptachse mit einem Überlappungsstoß angebondet
werden. Das Ende kann ebenfalls per Ultraschall verschlossen werden,
wenn der Schlauch abgeflacht ist.
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Wenn
das Druckzentrum des Balges 314 im Mittelpunkt zwischen
dem unteren und dem oberen Flexpunkt der flexiblen Elemente 308 liegt,
so misst der krafterzeugende Arm etwa die halbe Länge des Armes,
der die Düse
gegen die Bahn drückt.
Somit betrug die Kraft, die verfügbar
war, um die Düse
gegen die Bahn zu drücken,
infolge des Hebelarmverhältnisses
etwa die Hälfte
der Kraft, die am Balg 314 erzeugt wurde. Dieses Hebelarmverhältnis ist
die wirksame Länge
des krafterzeugenden Arms, geteilt durch die Länge zwischen seinem unteren
Flexpunkt und seinem oberen Flexpunkt (wenn es einen gibt) oder
die Düsenmittelachse.
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In
einer modifizierten Konfiguration kann ein Balg 314 zwischen
der unbeweglichen Seitenstütze 304 und
der oberen Platte 306 angeordnet werden. Wird der Balg 314 aufgeblasen,
um ihn zu vergrößern, so
werden die obere Platte 306 und die Düse 10 zu der gerade
beschichteten Oberfläche
hin bewegt. Der Balg 314 wurde mit seiner Hauptachse in einer
horizontalen Ebene zwischen der unteren rechten vertikalen Fläche der
Düse 10 und
der unbeweglichen Seitenstütze 304 angeordnet.
Die Nebenachse war vertikal. Dadurch entstand eine adäquate Düsenbelastung
für eine
erfolgreiche Beschichtung bei Drücken
oberhalb 50 cm (20 Inch) bis 77 cm (30 Inch) Wassersäule. Mit
größer werdendem
Spalt zwischen den Oberflächen
auf jeder Seite des Balges erhöhte sich
auch der erforderliche Mindestinflationsdruck, der für eine gute
Beschichtung nötig
war, was auf die verringerte Kontaktfläche des Balges und der angrenzenden
Oberflächen
zurückzuführen war.
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Bei
einer anderen Modifikation können
mehrere flexible Elemente 308 verwendet werden. Wenn mehrere
flexible Elemente nebeneinander festgeklemmt werden, so entsteht
bei der Bewegung der Montagevorrichtung infolge der Gleitreibungskraft der
flexiblen Elemente 308 gegeneinander eine Haftreibung.
Wenn die Düse 10 zu
unerwünschten
Bewegungen angeregt wird, die nicht der Bahnposition entsprechen,
so kann die Gleitreibung aus der geringfügigen relativen Scherbewegung
zwischen benachbarten flexiblen Elementen 308 die Düsenbewegungen
ausgleichen. Mit einer gebondeten viskoelastischen Materialschicht
zwischen benachbarten flexiblen Elementen verändert das Verschieben der Position
des viskoelastischen Materials auch den Dämpfungsgrad.
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Die
flexiblen Elemente 308 können Stücke aus Rakelmessermaterial
der Marke Esterlam (Esterlam International Limited, Ivybridge, Devon,
Großbritannien)
mit einer Dicke von 0,061 cm (0,024 Inch) sein. Neben einer geringfügigen Kraft
infolge der Durchbiegung der flexiblen Elemente erzeugt druckbeaufschlagtes
Fluid (wie beispielsweise Luft) die Düsenbelastungskraft. Die Düsenhöhe verändert sich
geringfügig,
während
sich die Düse
durch ihren Bewegungsbereich bewegt, der durch die Bögen der flexiblen
Elemente und die linke und rechte Klemmplatte definiert wird. Der
Düsenwinkel
bleibt in dieser Ausführungsform
nahezu konstant. Eine leichte Winkeländerung wurde dadurch erzeugt,
dass die linke Klemmplatte kürzer
war, um Platz für
einen Anschluss zu schaffen, der den Fluidbalg mit der unteren Druckverbindung
verbindet.
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Bei
anderen Modifikationen kann der Balg 314 ein Stück Gummischlauch
mit einem Außendurchmesser
von 0,64 cm (0,25 Inch) und einem Innendurchmesser von 0,30 cm (0,12
Inch) sein, der zwischen der unbeweglichen Seitenstütze 304 und der
oberen Platte 306 angeordnet ist. Weil die Düsenkraft
in nichtlinearer Beziehung zur Schlauchkompression durch die unbewegliche
Stütze
stand, erlangte die Position der unbeweglichen Stütze eine weitaus
größere Bedeutung.
Der Balg 314 kann aber auch eine kleine Membran aus einer
Beschleunigerpumpe aus einem Automobilvergaser mit einem wirksamen
Durchmesser von etwa 2,8 cm (1,1 Inch) sein.
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Die
Düsenbelastungskraft
kann durch ein einzelnes durchgängiges
lineares Element wie beispielsweise einen Balg oder mehrere diskrete
reibungsarme Bauteile, die entlang der Düse angeordnet werden, erzeugt
werden. In ähnlicher
Form kann die Düsenstütze ein
einzelnes Bauelement oder mehrere Bauteile sein, wie es für die Düsenlänge gewünscht ist.
Wenn die Beschichtungsdüse
durch eine reibungsarme Montagevorrichtung, die durch geringfügige Kräfte betätigt wird,
gestützt
wird, so kann die flexible Flüssigkeitszuleitung
zur Düse
des Weiteren unerwünschte
Kräfte
erzeugen, welche die Betätigungskraft
entweder verstärken
oder abschwächen. Bei
der Konstruktion eines effektiven Systems ist sorgfältig auf
die Position der Zuleitungsschläuche
zu achten, um unerwünschte
Schwankungen der Düsenkraft
gegen die Bahn zu vermeiden.
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Ein
schwimmendes Montagesystem 400 mit Schwenkarm und drei
Freiheitsgraden ist in 2 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform
ist ein fester Arm 402 mit einem Schlitten 404 verbunden.
Der Schlitten 404 weist eine schwalbenschwanzförmige Ausnehmung 406 auf.
Es können
ein oder mehrere Schlitten 404 einstellbar an verschiedenen
Stellen entlang einer (nicht gezeigten) Schiene angeordnet werden,
um Düsen 10 an
gewünschten
Positionen in Querrichtung zum Beschichten einer Oberfläche anzuordnen.
Eine Balghalterung 410 ist an einer Oberseite 412 des
Schlittens 404 befestigt. Ein Schwenkarm 414 ist
schwenkbar an dem festen Arm 402 angebracht. Der Schwenkarm 414 hat
eine Oberseite 416, die eine Beschichtungsdüse 10 aufnimmt,
und eine senkrechte Fläche 418,
die zu Balghalterung 410 weist. Wie gezeigt, verbindet
ein flexibles Element 420 den Schwenkarm 414 mit
dem festen Arm 402. Das flexible Element 420 kann
eine 0,0254 cm (0,010 Inch) dicke standardmäßige Beilagscheibe aus Edelstahl
sein, die zwischen vertikal getrennten Klemmplatten 422,
die einen Abstand von 0,3175 cm (0,125 Inch) zueinander haben, festgeklemmt
ist. Die Bälge 424 können an
jedem beliebigen Punkt zwischen dem Schwenkarm 414 und
dem festen Arm 402 und zwischen der Balghalterung 410 und
entweder dem Schwenkarm 414 oder der Beschichtungsdüse 10 angeordnet
sein.
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Die
Beschichtungsdüse 10 ist
auf der Oberseite 416 des Schwenkarmes 414 angebracht.
Der Schwenkpunkt des Schwenkarmes 414 liegt etwa 14 cm
(5,5 Inch) unter der Düsenteilungslinie.
Bei einer Ausführungsform
wird die Haltevorrichtung so eingestellt, dass die Düse 10 die
Bahn ungefähr
in der Mitte des Hubes des Schwenkarmes 414 berührt. Die Düse kann
sich über
Spleiße
und Falten in der gerade beschichteten Oberfläche hinwegbewegen. Vom Mittelpunkt
des Hubes aus ändert
sich der Düsenwinkel
etwa ± 0,9°. Es wurden
unterschiedliche Bälge 424 verwendet:
Ein Balg aus Polyesterschlauch wurde an vier verschiedenen Stellen
angeordnet, ein Gummischlauch wurde an verschiedenen Stellen angeordnet,
und eine Membran aus einer Beschleunigerpumpe wurde an zwei Stellen
angeordnet.
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Bei
einer Version wies ein Polyesterschlauch ein unteres Ende nahe der
flexiblen Platte auf und erstreckte sich um etwa 10 cm (4 Inch)
zwischen dem festen Arm und der angrenzenden Seite des Schwenkarmes
aufwärts.
Dies erforderte höhere Luftbelastungsdrücke, weil
das Hebelarmverhältnis etwa
0,36 betrug. Als der Balg horizontal, parallel zu den Düsenlippen
zwischen dem festen Arm und dem Schwenkarm unmittelbar unter der
Oberseite des festen Armes, ausgerichtet war, beschichtete die Düse effektiv
mit einem Hebelarmverhältnis
von etwa 0,72. Als der Balg zwischen der Düse 10 und der Balghalterung 410 angeordnet
war, lag seine Hauptachse parallel zu den Düsenlippen. Das effektive Hebelarmverhältnis lag
nahe 1,0, und es konnte ein kontinuierliches Beschichten bei niedrigeren
Mindestdrücken
erreicht werden.
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Bei
Verwendung des horizontalen Gummischlauchs veränderten längere oder kürzere Schlauchstücke die
Federkonstante des Schlauchs und die erzeugte Kraft bei gleicher
Durchbiegung. Dadurch erlangte die Position des festen Arms eine höhere Bedeutung,
weil die an der Beschichtungsdüse
erzeugte Kraft in nichtlinearer Beziehung zur Kompression des Schlauchs
stand. Der Schlauch befand sich außerdem zwischen der Balghalterung 410 und entweder
der Düse 10 oder
der Oberseite des Schwenkarms 414. Metall- oder Polymerfedern,
die zwischen dem festen Arm 402 und dem Schwenkarm 414 angeordnet
sind, können
die gleiche Funktion erfüllen.
Die Federfunktion könnte
auch in das flexible Element 420 hinein kombiniert werden,
indem man es mit einer höheren
Federkonstante versieht. Diese Ansätze erhöhen die Bedeutung der Position
des Schwenkarms relativ zu dem unbeweglichen Element. Wenn der Beitrag
des flexiblen Elements zur Gesamtkraft gering gehalten wird, so
wird das reibungsarme Betätigungselement
zum dominanten Mechanismus für
das Erzeugen einer Beschichtungskraft gegen die Düse, und
eine Druckeinstellung für
das Betätigungselement
lässt sich
leicht quantifizieren.
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Um
den Effekt zu untersuchen, der entsteht, wenn man die Düse um eine
vertikale Achse drehen lässt,
wurden die standardmäßigen flexiblen
Klemmplatten mit einem gleichmäßigen Spalt
dazwischen gegen ein Paar ausgetauscht, das den gleichen Spalt in
der Mitte aufwies, wobei der Spalt zu jeder Kante des flexiblen
Elements hin linear größer wurde.
Die verringerte Beschränkung
an den Kanten ermöglichte
es der Düse,
sich mit sehr geringer Kraft von einer Seite zur anderen zu drehen.
Das kann nützlich
sein, wenn die Oberfläche,
die der Düse
zum Beschichten dargeboten wird, relativ zum festen Arm oder zur
unbeweglichen Stütze
nicht parallel verläuft.
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3 ist
eine Modifikation des Schwenkarmsystems von 2. In dieser
Ausführungsform
kann ein fester Arm 502 an einem Schlitten befestigt werden.
Ein Balg 504 ist auf der Oberseite 506 des festen
Armes 502 angebracht. Ein Schwenkarm 508 ist schwenkbar
an dem festen Arm 502 angebracht. Der Schwenkarm 508 hat
eine Oberseite 510, die eine Beschichtungsdüse 10 aufnimmt,
und einen senkrechten länglichen
Abschnitt 512. Er enthält
des Weiteren einen krafterzeugenden Arm 514, der senkrecht
zu dem länglichen
Abschnitt 512 angeordnet ist. Der krafterzeugende Arm 514 ist
starr mit dem länglichen
Abschnitt 512 verbunden, und ein flexibles Element 516 verbinden
den Schwenkarm 508 mit dem festen Arm 502. Die
Position des flexiblen Elements 516 ist zwischen dem länglichen
Abschnitt 512 und dem krafterzeugenden Arm 514 dargestellt. Wenn
der Druck im Balg 504 steigt, so bewegt er den krafterzeugenden
Arm in 5 nach oben, wodurch der längliche Abschnitt 512 nach
links geschwenkt wird, um die Düse
zu justieren.
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Eine Öffnung 518 in
dem krafterzeugenden Arm 514 ermöglicht es, den Fluidzufuhrschlauch 520 (oder
eine andere Leitung) hindurchzuführen
und bis zur Düse 10 zu
verlegen, um der Düse
Fluid zuzuführen.
Der feste Arm 502 ist von einer Umhüllung 522 umgeben.
Die Umhüllung 522 verhindert,
dass unerwünschte
Materialien aus der Produktionsumgebung und sonstige Partikel Störungen des
Montagesystems verursachen. Der feste Arm 502 und die Umhüllung 522 haben
auch Öffnungen 524 bzw. 526,
durch die der Zufuhrschlauch 520 hindurchgeführt werden kann.
Der Spalt zwischen dem Schwenkarm 508 und der Umhüllung 522 könnte mit
gummiertem Tuch verschlossen werden, damit sich kein starres oder
viskoses Material in dem Spalt ablagern und auf lange Sicht die
Funktionstüchtigkeit
beeinträchtigen
kann. Analog dazu sollten auch alle Spalte zwischen dem Zufuhrschlauch
und der Öffnung 526 in
der Umhüllung 522 verschlossen
werden. (Alternativ kann die Öffnung 526 größer sein,
und ein Dichtungsschlauch kann die Umhüllung 522 mit dem
festen Arm 502 verbinden, damit kein vergossenes Material
die einzelnen Komponenten dieses Systems 500 berührt.) Diese
Konstruktion hat ein Hebelarmverhältnis von etwa 0,85. Der Mindestbelastungsdruck
zum Erreichen einer kontinuierlichen Beschichtung war mit den vorherigen
Beispielen vergleichbar.
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In 4 ist
das Montagesystem 600 von einer Umhüllung 602 umgeben.
In dieser Ausführungsform
dient die gesamte Umhüllung
als das bewegliche Element. Die Umhüllung 602 ist durch
ein flexibles Element 606 mit einem unbeweglichen Element 604 verbunden.
Der Balg 610, der nahe der Oberseite des unbeweglichen
Elements 604 neben der Düse 10 angeordnet ist,
hat ein Hebelarmverhältnis
von etwa 0,72. Die Umhüllung
schützt
den Fluidzufuhrschlauch 608 sowie den Fluidbalg 610 und
verhindert, dass unerwünschte
Materialien aus der Produktionsumgebung und sonstige Partikel Störungen der Bewegung
der Düse
verursachen.
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Der
Fluidzufuhrschlauch 608, der Fluid zu der Beschichtungsdüse 10 leitet,
kann die Kraft von der Haltevorrichtung verstärken oder abschwächen oder
das flexible Element 606 verdrehen. Der Grund dafür ist der
Innendruck, die Positionierung, die Steifigkeit, die Ausrichtung,
die Spannung entlang ihrer Länge
und der Mittelachsenpfad der Verbindung, wodurch eine unbekannte
Kraft auf die Düse
einwirkt. Dies kann verringert werden, indem man den Schlauch 608 an
der Umhüllung 602 näher an dem flexiblen
Element 606 befestigt, was die wirksame Hebelarmlänge für den Zufuhrschlauch 608 verkürzt. Wenn
man das andere Ende des Zufuhrschlauches 608 weiter von der
Düse 10 entfernt
befestigt, so verringert sich außerdem die Wahrscheinlichkeit,
dass Stöße oder
andere mechanische Unruhebewegungen sich auf die Beschichtungsqualität auswirken.
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Bei
einer weiteren Modifikation der Balgkonstruktion werden zwei Bälge verwendet,
die konzentrisch entlang einer Achse montiert sind, die senkrecht zu
dem Schwenkarm verläuft.
Die Bälge
können
an ihrem Außenumfang
an der festen Basis angeklemmt und durch einen Abstandsring voneinander
getrennt werden. Ein abgestufter Mittelstopfen befindet sich am
Innenumfang eines jeden Balges. Wird druckbeaufschlagtes Fluid zwischen
die Membranen geleitet, so wird eine Vortriebskraft in Richtung
der Seite mit dem Balg der größeren Fläche bewirkt,
um den Schwenkarm zu bewegen.
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Bei
den Schwenkarmsystemen befindet sich der Massenschwerpunkt der Beschichtungsdüse und der
Haltevorrichtung ungefähr
entlang einer vertikalen Linie über
dem flexiblen Element. Beim Beschichten gegen eine Walze am Punkt
der horizontalen Tangente wird die Düsenkraft gegen die Bahn nur
geringfügig
durch den horizontalen Versatz zwischen dem Massenschwerpunkt und
dem flexiblen Element beeinflusst. Wenn die Beschichtungsbaugruppe
entgegen der Uhrzeigerrichtung um die Walzenoberfläche herum
gedreht wird, so nimmt der horizontale Versatz des Massenschwerpunktes
der Düsen- und Schwenkarmbaugruppe
gegenüber
dem flexiblen Element zu, wobei die Kraft an der Düsenlippe
um die Masse der Düsenhalterung
verstärkt
wird. Wenn umgekehrt die Beschichtungsbaugruppe in Uhrzeigerrichtung um
die Walzenoberfläche
herum gedreht wird, so liegt der Massenschwerpunkt der Düsen- und Schwenkarmbaugruppe
rechts neben dem flexiblen Element, und die von dem Balg erzeugte
Kraft verringert sich um die Masse der Düsenhalterung. In unterschiedlichen
Graden trifft dies auch auf die anderen Montagesysteme zu. Dies
gilt auch für
die Beschichtung mit freier Spannweite.
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Die
flexiblen Elemente in den beschriebenen Konstruktionen stehen größtenteils
unter Druck. Ein dünneres
flexibles Element würde
stärker
zum Verwinden neigen. Ein Belasten der flexiblen Elemente unter
Spannung, wie beispielsweise, wenn das unbewegliche Element über der
Beschichtungsdüse
ist, beseitigt die Verwindungsneigung und würde den Einfluss der Federkonstante
des flexiblen Elements auf die Düsenkraft
verringern.
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Jedes
Montagesystem hat andere Merkmale, die für unterschiedliche Beschichtungsbedingungen
geeignet sind. Das Einschränken
der Freiheitsgrade verringert dynamische Wechselwirkungen. Dies
verringert die Komplexität,
erhöht
die Betriebszuverlässigkeit
und passt die Dynamik der Haltevorrichtung an die Dynamik des Beschichtungssystems an.
Das flexible Montagesystem von 1 mit zwei Freiheitsgraden
und einer einfachen Konstruktion lässt sich ohne Weiteres aus
Komponenten zusammensetzen. Bei dem Schwenkarm-Montagesystem der 2-4 ist
eines der flexiblen Elemente weggelassen. Sie können sich um die z-Achse winden
oder drehen und richten die Düse
auf die Vorderseite der Bahn aus. Die Schwenkarm-Haltevorrichtung hat frei Freiheitsgrade,
ist simpel und wenig störanfällig und
problemlos herzustellen.
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An
der Erfindung können
verschiedene Änderungen
und Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Geltungsbereich
der Erfindung zu verlassen. Diese Düsenmontagesysteme können modifiziert
werden, indem ihre Masse verringert wird und indem sie als monolithische
Haltevorrichtungen hergestellt werden, die aus einem einzelnen Stück Metall
oder einem anderen Material herausgearbeitet werden. Des Weiteren
können
die Montagesysteme und die Düsen
je nach Aufbau der Beschichtungskonfiguration in unterschiedlichen
Positionen ausgerichtet werden.