Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aufwärtsprojektionsverfahren (upwards projection) zur Abscheidung von Feststoffteilchen auf einem Substrat, umfassend das Erzeugen eines Projektionsfeldes unter Verwendung eines Festkörper-Funktionsgenerators, der zur Erzeugung einer Reihe von Wellenformen und/oder Frequenzen geeignet ist, das Auswählen eines Signals mit der gewünschten Wellenform und/oder Frequenz und dem Zuführen des Signals zu einem Festkörperverstärker, um ein Aufwärtsprojektionsfeld zu erzeugen, und Verwendung des Projektionsfeldes, um eine Abscheidung der Festkörperteilchen auf dem Substrat zu bewirken. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Abscheidungsbedingungen einfach und schnell an die abzuscheidenden Festkörperteilchen sowie die abzuscheidende Stoffmenge angepasst werden und so Defekte bei der Abscheidung vermieden werden. Das Verfahren ist besonders zur elektrostatischen Abscheidung von Schleifkörnern geeignet.
Beschreibung[de]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrostatisches Verfahren zur Abscheidung von
Schleifmittelmaterialien sowie die zu dieser Abscheidung verwendeten Geräte.
Bei der Herstellung von beschichteten Schleifmitteln mittels Verfahren, in denen ein
Schleifkorn auf einem ungehärteten oder teilweise gehärteten Bindemittel abgeschieden wird,
beeinhaltet die am häufigsten angewendete Abscheidungstechnik das elektrostatische
Abscheiden, bei dem das Korn unter dem Einfluss eines elektrostatischen Feldes aufwärts
projiziert bzw. geschleudert und so in Kontakt mit dem Bindemittel gebracht wird. Diese
Verfahren werden üblicherweise als UP-Verfahren bezeichnet, wobei UP für "upwards
projection" steht, und was sinngemäß mit Aufwärtsprojektionsverfahren bzw.
Aufwärtsschleuderverfahren übersetzt werden kann. Das Korn wird aus einem
Beschickungstrichter auf ein laufendes Band gespeist, das durch eine Abscheidestation
geführt wird, die durch eine geladene Platte definiert wird, die unterhalb des laufenden Bands
und direkt gegenüber, parallel zu einer oberhalb des laufenden Bands angeordneten geerdeten
Platte angeordnet ist. Das Substrat, auf dem das Korn abgeschieden werden soll, folgt einem
Weg, der parallel zu dem laufenden Band und oberhalb des laufenden Bands verläuft,
während diese beiden die Abscheidestation durchlaufen. Durch das elektrische Feld zwischen
der geladenen und der geerdeten Platte wird das Korn aufwärts, in Richtung der nach unten
zeigenden Oberfläche des Substrats projiziert bzw. geschleudert, wo es an einem darauf
angebrachten ungehärteten oder teilweise gehärteten Bindemittel haftet.
Die Gleichmäßigkeit der Beschichtung hängt daher offensichtlich von der Gleichmäßigkeit
des elektrostatischen Feldes ab, durch welches das Korn auf das Substrat aufgebracht wird. In
einem typischen, vorbekannten Verfahren wird das Feld durch einen Transformator erzeugt,
der zur Erzeugung von Hochspannungswechselstromsignalen von 0 bis 60 Kilovolt (kV)
verwendet wird und die Möglichkeit besitzt, die Frequenz von einigen wenigen bis 30 oder 40
Hz zu variieren. Bei einem üblichen Aufbau besteht die Strom-/Spannungsversorgung aus
einem motorgetriebenen Generator, der einen Hochspannungstransformator zur Erzeugung
eines Hochspannungsausgangssignal speist. Der Transformator liefert das Ausgangssignal
mittels eines Satzes von primären und sekundären Selbstinduktionsspulen. In einem
"Autotransformator" (autotransformer) sind die Spulen übereinanderliegend angeordnet.
Aufgrund der Gestaltung solcher Strom-/Spannungsversorgungsvorrichtungen wird ein
geschlossener, nicht-veränderbarer Typ von Wellenform erzeugt und dieser ist üblicherweise
rechteckig oder sinusförmig. Meistens ist aufgrund einer exzessiven Verzerrung des
Hochspannungssignals bei hohen Frequenzen nur ein enger Frequenzbereich von etwa Null
bis zu etwa 30-40 Hz verfügbar. Diese Beschränkung führt oft zu Defekten in der
Gleichmäßigkeit des Beschichtungsmusters. Solche Ungleichmäßigkeiten sind dort kein
ernsthaftes Problem wo relativ grobes Korn und hohe Korngewichte abgeschieden werden, da
der hohe Zusatz jegliche Unregelmäßigkeit (sog. "Verschmieren") verbirgt. Wenn die Körner
aber relativ klein sind, beispielsweise bei einer Korngröße von 220 (220 grit) oder feiner, und
das abgeschiedene Korngewicht relativ gering ist, können Defekte, sogenannte Schleifriefen
(chatter marks), auftreten und das Produkt für den Kunden als ungenügend erscheinen lassen.
Da üblicherweise die selbe UP-Kornabscheidungsvorrichtung für einen Bereich verschiedener
Korngrößen und Korngewichtsabscheidungsstufen verwendet wird, stellt die endgültige
Gestaltung häufig einen Kompromiß dar, der nur sehr wenige Vorgaben sehr gut erfüllt.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem UP-Abscheidungsverfahren, das an Verfahren zur
Abscheidung schwerer und leichter Körner bei hohem oder geringem abzuscheidenden
Korngewicht einfach anpassbar ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein UP-Verfahren, also ein
Aufwärtsprojektionsverfahren bzw. Aufwärtsschleuderverfahren, zur Abscheidung von
Festkörperteilchen bereitzustellen, mit dem die oben genannten Nachteile ganz oder teilweise
vermieden bzw. verringert werden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ein Aufwärtsprojektionsverfahren bzw. Aufwärtsschleuderverfahren (UP-process)
bereitzustellen, das an beliebige abzuscheidende Korngewichte angepasst werden kann und
dabei sehr feine Schleifpartikel ohne das Auftreten von Defekten, wie beispielsweise
Schleifriefen, verwenden kann.
Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen
Patentanspruch 1. Weitere bevorzugte Ausführungsformen, Aspekte und Variationen der
vorliegenden Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung
hervor.
Erfindungsgemäß wird ein Aufwärtsprojektionsverfahren (UP-process) zur Abscheidung von
Feststoffteilchen auf einem Substrat bereitgestellt, umfassend das Erzeugen eines
Projektionsfeldes bzw. Aufschleuderfeldes unter Verwendung eines Festkörper-
Funktionsgenerators, der zur Erzeugung einer Reihe von Wellenformen und/oder Frequenzen
geeignet ist, das Auswählen eines Signals mit der gewünschten Wellenform und/oder
Frequenz und dem Zuführen des Signals zu einem Festkörperverstärker, vorzugsweise einem
nicht-invertierenden Festkörperverstärker, um ein Aufwärtsprojektionsfeld bzw.
Aufwärtsschleuderfeld zu erzeugen, und Verwendung dieses Projektionsfelds bzw.
Aufschleuderfeldes, um eine Abscheidung der Festkörperteilchen auf dem Substrat zu
bewirken. Vorzugsweise werden sowohl die Wellenform als auch die Frequenz variiert. Es ist
aber auch möglich, dass lediglich die Wellenform oder die Frequenz variiert werden.
Die Erfindung wird vorzugsweise zur Abscheidung von Schleifkörnern auf einem Substrat
eingesetzt und in diesem Zusammenhang wird die Erfindung auch im Wesentlichen
beschrieben. Die der Erfindung zu Grunde liegenden allgemeinen Prinzipien sind aber nicht
auf diese Anwendung beschränkt.
Durch die Verwendung eines Festkörpergenerators mit einem unbeschränkt variablen
Ausgang bezüglich der Wellenform sogar im Betrieb, im Gegensatz zu einem Transformator,
dessen ausgehende Wellenform zu einem bestimmten Grad durch die
Transformatorgestaltung bestimmt wird und der keine oder nur eine geringe Möglichkeit zur
Variation während des Betriebes bietet, eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren die
Möglichkeit, die Abscheidung der Feststoffteilchen an die jeweils verwendete Korngröße und
das abzuscheidende Korngewicht anzupassen. Die Verwendung eines nicht-invertierenden
Festkörperverstärkers zusammen mit dem Festkörpergenerator erlaubt es dem
Ausgangssignal, die nötige Wechselspannung zu erreichen, um ein geeignetes Projektionsfeld
bzw. Schleuderfeld (projection field) zu erzeugen. Dies ist völlig unerwartet, da das
üblicherweise verwendete, durch den Transformator generierte Feld Spannungen von 50-60
kV verwendet, wohingegen die maximal zugängliche Spannung bei Verwendung der
vorliegenden Erfindung nur +/- 30 kV beträgt und doch macht die Gleichmäßigkeit und die
Kontrollierbarkeit des Systems das bei diesen Spannungen generierte Feld völlig ausreichend,
um exzellente Ergebnisse zu erzielen.
Die Möglichkeit, die Wellenform und/oder die Frequenz zu variieren, erlaubt es dem
Anwender eine Wellenform zu gestalten, die für das zu erzeugende Produkt geeignet ist und
welche die Bildung von Defekten, wie beispielsweise Schleifriefen, verhindert, die auf eine
ungleichmäßige Abscheidung aufgrund von Inhomogenitäten im elektrostatischen Feld
hinweisen.
Die Verwendung der Feldgeneratorenausstattung, wie sie in der vorliegenden Erfindung
beschrieben wird, erlaubt die Erzeugung von jeder geeigneten Wellenform wie beispielsweise
Gleichspannung, gepulste Gleichspannung, rechteckige, sinusförmige, dreieckige oder sogar
individuell, an eine spezielle Anwendung angepasster Wellenformen. Die ausgewählte
Wellenform kann verstärkt werden, um auf diese Weise hohe Spannungen in einer sehr
weiten Frequenzbandbreite zu liefern. Dies steht im scharfen Gegensatz zu der Technologie
auf Transformatorbasis, die eine einzige Wellenform in einem schmalen Frequenzbereich,
üblicherweise bis zu 30-40 Hz, liefert.
Die Variabilität der Frequenz ist ein sehr wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, da
festgestellt wurde, dass unter den Bedingungen unter denen Defekte wie Schleifriefen
entstehen, diese durch das Arbeiten bei einer Feldfrequenz von 40 bis 60 Hz, insbesondere 45
bis 60 Hz, im Gegensatz zu den 30 bis 40 Hz der auf einem Transformator basierenden
Technik, eliminiert werden können.
Zur Verdeutlichung sei gesagt, dass ein geeigneter nicht-invertierender Verstärker, wie
beispielsweise das von der Firma Trek Inc. vertriebene Model 30/20, das einen festen
Verstärkungsfaktor von 3000 V/V aufweist, der zusammen mit einem Standard-IMHz-
Funktionsgenerator, Model FG3B der Firma Wavetek, eingesetzt wird, Ausgangsspannungen,
für einen Bereich verschiedener Wellenformen, im Bereich von 0 bis +/-30 kV
Gleichspannung oder Maximalwert der Wechselspannung für Frequenzen variierend von 1 bis
1 MHz liefern kann.
Zusätzlich und am wichtigsten kann die Wellenform und die Frequenz schnell und
unproblematisch, quasi "im Vorbeigehen" (on the fly), geändert werden, um es so dem
Anwender zu ermöglichen, das Hochspannungssignal und damit das erzeugte Feld an ein
bestimmtes Produkt oder an einen Satz Betriebsbedingungen anzupassen. Dies führt
idealerweise zu einer verbesserten Kontrolle der Abscheidung und somit zu einer verbesserten
Produktqualität, insbesondere wenn bei geringen Korngewichtsabscheideraten gearbeitet
wird. Es wird weiterhin eine verbessere Wirtschaftlichkeit erreicht, da Spannungen bis zu
etwa 30 kV verwendet werden, anstatt der üblicherweise bei der auf der Verwendung von auf
Transformatoren basierenden Technologie angewendeten Spannungen von 50 bis 60 kV.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist wesentlich weniger kostenintensiv in der
Verwendung, da es ein Maximum von 2 kVA verbraucht, im Gegensatz zu dem
Leistungsverbrauch von 5-6 kVA bei typischen Transformatoren.
Die vorliegende Erfindung soll nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen näher
erläutert werden.
Um das Wesen der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen wurden mehrere verschiedene
Abscheidungstechniken verwendet und mit den Techniken der vorliegenden Erfindung
verglichen, wobei besonders Bezug auf das Auftreten von Schleifriefen genommen wurde.
Die Vergleichsbeispiele 1 und 2 verwendeten einen konventionelle Autotransformator
(autotransformer), um eine Wellenform mit einer Spannung von +/-20 kV und einer Frequenz von
30 Hz zu erzeugen. Im Vergleichsbeispiel Nr. 1 war die Wellenform rechteckig und das Korn
war Aluminiumoxid mit einer Korngröße von 220 (220 grit), in dem Vergleichsbeispiel Nr. 2
war die Wellenform rechteckig und das Korn war P 1500 Aluminiumoxid (P 1500 alumina).
Diese Anordnungen wurden mit den Wellenform-erzeugenden Vorrichtungen gemäß der
vorliegenden Erfindung verglichen. In allen diesen Fällen wurde ein Wavetek F3GB
Funktionsgenerator als Basis-Stromversorgung verwendet und der Verstärker war ein
nichtinvertierender Verstärker der Firma Trek, Modell 30/20.
Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.
Den obigen Ausführungen kann entnommen werden, dass, wenn man das Vergleichsbeispiel
Nr. 1 mit dem erfindungsgemäßen Beispiel 1 vergleicht, beim Wechsel der Wellenform von
rechteckig nach sinusförmig ein Verringerung des Aufbringungsgewichts an Korn eintrat und
die Bildung von Schleifriefen eliminiert wurde. Die erfindungsgemäßen Beispiele 2 und 3
zeigen, das wenn man bei gleichen Bedingungen wie im Vergleichsbeispiel 1 arbeitet, auch
Schleifriefen gebildet werden, deren Bildung aber durch die Erhöhung der Frequenz von 30
auf 50 Hz eliminiert wurde. Diese ersten vier Tests zeigen daher, dass die Bildung von
Schleifriefen durch die Veränderung der Wellenform und/oder durch die Erhöhung der
Frequenz eliminiert werden kann. Beide Veränderungen können unter Verwendung der
technischen Lehre der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, während die
Abscheidung im Gang ist.
Das gleiche Ergebnis wird bei dem Vergleich des Vergleichsbeispiels Nr. 2 mit dem
erfindungsgemäßen Beispiel Nr. 4 festgestellt. In diesem Fall war hatte das Aluminiumoxid
eine Korngröße von P 1500 (P 1500 grit size), bei der Schleifriefen wesentlich schwerer zu
vermeiden und/oder zu verbergen sind. Dieser Vergleich zeigt, dass bei Verwendung der
Geräte gemäß der vorliegenden Erfindung und bei einer Erhöhung der Frequenz von 30 Hz
auf 50 Hz oder höher, beispielsweise 55 Hz oder 60 Hz, das Auftreten von Defekten wie
Schleifriefen eliminiert werden konnte.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann zur Abscheidung von Schleifkörnern
auf solch einem Substrat wie beispielsweise einer mit einer Grundbeschichtung beschichteten
flexiblen Trägerschicht verwendet werden. Es kann aber auch zur Abscheidung anderer
funktionaler Pulver auf der Oberfläche eines strukturierten Schleifmittels (engineered
abrasive) verwendet werden. Ein strukturiertes Schleifmittel ist ein Schleifmittel, in dem der
Oberfläche ein Muster umfassend Strukturen aus einer Mischung aus in einem aushärtbaren
Bindemittel dispergierten Schleifpartikeln gegeben wird. Ein funktionales Pulver kann auf
einer solchen Oberfläche abgeschieden werden, beispielsweise um es zu erleichtern, die
Oberfläche in die gewünschten Strukturen zu formen, oder um der Oberfläche eine
gewünschte Charakteristik zu verleihen. Üblicherweise handelt es sich bei dem funktionalen
Pulver um ein feines Schleifkorn. Es kann aber auch eine Mischung eines solchen
Schleifkorns mit einem Schleifhilfsmittel oder einem anderen Additiv sein, beispielsweise
einem Additiv, um dem Schleifmittel anti-statische Eigenschaften zu verleihen oder ein
Additiv gegen das Verschmieren.
Anspruch[de]
1. Aufwärtsprojektionsverfahren zur Abscheidung von Feststoffteilchen auf einem
Substrat, umfassend das Erzeugen eines Projektionsfeldes unter Verwendung eines
Festkörper-Funktionsgenerators, der zur Erzeugung einer Reihe von Wellenformen
und/oder Frequenzen geeignet ist, das Auswählen eines Signals mit der gewünschten
Wellenform und/oder Frequenz und dem Zuführen des Signals zu einem
Festkörperverstärker, um ein Aufwärtsprojektionsfeld zu erzeugen, und Verwendung
des Projektionsfeldes, um eine Abscheidung der Festkörperteilchen auf dem Substrat
zu bewirken.
2. Aufwärtsprojektionsverfahren gemäß Anspruch 1, in dem die Feststoffteilchen
Schleifkörper sind.
3. Aufwärtsprojektionsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der
Festkörperverstärker ein nicht-invertierender Verstärker ist.
4. Aufwärtsprojektionsverfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem
die Frequenz der erzeugten Wellenform mindestens 30, vorzugsweise zwischen 40 bis
60 Hz beträgt.
5. Aufwärtsprojektionsverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, welches zur
Abscheidung von Feststoffteilchen mit einer Partikelgröße der Korngröße 180 (180
grit) oder feiner verwendet wird.
6. Aufwärtsprojektionsverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das
Substrat eine Oberflächenbeschichtung aus einem nicht-ausgehärteten, aushärtbaren
Harz aufweist.
7. Aufwärtsprojektionsverfahren gemäß Anspruch 6, in dem das aushärtbare Harz ein
wärmeaushärtbarer Kunststoff ist.
8. Aufwärtsprojektionsverfahren gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, in dem der
wärmeaushärtbare Kunststoff in der Form einer auf ein flexibles Trägermaterial
aufgebrachten Grundschicht vorliegt.
9. Aufwärtsprojektionsverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
Wellenform sinusförmig ist.
10. Aufwärtsprojektionsverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
Wellenform rechteckförmig ist.
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