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Dokumentenidentifikation DE102004012634A1 13.10.2005
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden und Verfestigen schichtweise aufgebauter Flächenwerkstoffe
Anmelder Mattil, Klaus, Prof. Dipl.-Ing., 66989 Höheinöd, DE
Erfinder Mattil, Klaus, Prof. Dipl.-Ing., 66989 Höheinöd, DE
DE-Anmeldedatum 16.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004012634
Offenlegungstag 13.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.10.2005
IPC-Hauptklasse C08J 5/12
IPC-Nebenklasse C14B 9/00   D06M 17/00   B32B 7/12   B05C 9/08   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung schichtweise aufgebauter Flächenwerkstoffe, wie ein- oder mehrlagige Leder oder Leder-Textil-Kombinationen, derart, dass durch Injektion eines niederviskosen Klebstoffes oder Haftvermittlers in den Flächenwerkstoff ortsgenau eine schichtübergreifende Verbindung hergestellt wird und hierdurch eine durchgehende Verbindung zwischen allen benetzten Schichten entsteht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung schichtweise aufgebauter Flächenwerkstoffe, wie ein oder mehrlagige Leder oder Leder-Textil-Kombinationen, derart, dass durch Injektion eines niederviskosen Klebstoffes oder Haftvermittlers in den Flächenwerkstoff eine Schicht übergreifende Verbindung hergestellt wird und hierdurch höhere Haftkräfte erzielt werden können, als bei einer üblichen Klebung, welche nur auf den äußeren Schichten wirksam ist.

In vielen Bereichen der produzierenden Industrie werden flächige Werkstoffe verarbeitet, welche einen geschichteten Aufbau aufweisen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die einzelnen Schichten über unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften verfügen und die Verbindungen der einzelnen Schichten untereinander unterschiedlich hohe Haftkräfte aufweisen. Ein Beispiel hierfür ist Leder, bei welchem die äußere Schicht, der Narben, eine zähe Oberschicht aufweist, die Haftkraft der Narbenschicht auf der darunter liegenden Faserschicht jedoch geringer ist, als die Haftkräfte, welche bei einer Klebung auf der Narbenoberfläche erzielt werden können. Dies führt zum Beispiel bei der Schuhherstellung dazu, dass vor einer Klebung der Laufsohle oder Direktbesohlung, die oberste Schicht, die Narbenschicht, in dem zu klebenden Bereich aufgebrochen oder abgetragen werden muss. In der Schuhherstellung wird der Vorgang des Aufbrechens der oberen Lederschicht vor dem Aufbringen des Klebstoffes als Rauhen bezeichnet. Der Vorgang des Rauhens in der Produktion ist kostenaufwändig und birgt dabei auch die Gefahr, dass das Schuhoberteil irreparabel beschädigt wird.

Eine Klebung auf die geschlossene Narbenschicht des Leders würde bei den während des Tragegebrauchs auftretenden Beanspruchungen dazu führen, dass sich z.B, die Sohle mitsamt der ersten Schicht des Leders von der darunter liegenden Faserschicht lösen würde.

Aus der Gerbereitechnik ist ein Verfahren bekannt, bei welchem Gerbstoffe durch Anwendung von Hochdruck in Rohhäute injiziert wird, was zu einer schnellen Durchdringung der Rohhäute mit Gerbstoff und hierdurch zu beschleunigten Gerbvorgängen führt.

Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, mit welchem durch Einbringung von geeigneten Substanzen (Klebstoffe, Haftvermittler, reaktive Stoffe) ein wesentlich besserer Verbund in der Schichtstruktur der Flächenwerkstoffe erzielt wird und eine Klebung auf der Oberfläche der Flächenwerkstoffe durch die äußere Schicht auf die inneren Lagen durchgreift. Für Leder bedeutet dies, dass die äußere Schicht nicht entfernt werden muss, sondern ebenfalls zur Klebung beitragen kann, der Arbeitsgang des Rauhens kann entfallen.

Die Erfindung basiert auf der Hohdruck-Injektionstechnik, derart, dass flüssige Substanzen, wie Klebstoffe, Haftvermittler oder reaktive Stoffe mit entsprechender Viskosität durch die oberste Schicht oder von der Rückseite in den Flächenwerkstoff injiziert werden und sich nach dem Abbinden oder Ausreagieren der Substanzen eine Verfestigung des Materialverbundes einstellt. Die zur Umsetzung dieser Technik notwendigen Komponenten und Rohstoffe, wie Hochdruckpumpen, Ventile, Klebstoffe, Haftvermittler sind dem Stand der Technik entsprechend verfügbar.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass die Injektion der infrage kommenden Substanzen lokal begrenzt und mit hoher örtlicher Auflösung vorgenommen werden kann. So kann beispielsweise bei der Schuhherstellung exakt und konturgenau die Kontaktfläche zur Sohlenklebung am Schuhoberteil behandelt werden. Durch entsprechende Führung des Applikationselementes können auch dreidimensionale Oberflächen, welche mit einem Rauhwerkzeug nur schwer zu erreichen sind, behandelt werden. Die Mengendosierung der injizierten Flüssigkeit lässt sich über den Druck, den Strahlquerschnitt, die Pulsdauer und die Frequenz bei gepulstem Flüssigkeitseintrag gut steuern. Eine Anpassung an das Material kann durch die Düsenform und den Injektionsdruck erfolgen. Das Verfahren eignet sich sehr gut für eine automatisierte Lösung: Die Düse kann mit einem Handlingseinheit oder einem Roboter geführt werden und auch die Prozessparameter, wie Druck, Pulsdauer, Pulsfrequenz sind einer rechnergesteuerten Einstellung zugänglich.

Falls es die Anordnung des flächenhaften Werkstoffes zulässt, kann die Applikation der injizierten Flüssigkeit auch von der Rückseite erfolgen und von dieser bis zu der äußersten Schicht des Flächenmaterials vordringen. Ein solches Vorgehen bringt den Vorteil, dass die äußerste Schicht nicht verletzt werden muss und sonst unter Umständen entstehende Beschädigungen oder Verschmutzungen vermieden werden können.

Eine Vorrichtung zur Umsetzung des in der Erfindung vorgestellten Verfahrens wird im Folgenden anhand des in den Prinzipskizzen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Die in 1 vorgestellte Vorrichtung stellt im Wesentlichen ein Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl-System dar, ähnlich der entsprechenden Einrichtung einer Wasserstrahl-Schneidanlage wobei der mengenmäßige Ausstoß der Vorrichtung eher einer Einspritzanlage eines Verbrennungsmotors entspricht.

Aus einem Vorratsbehälter (1) wird die flüssige Substanz (2) über eine Saugleitung (4) und eine durch einen Elektromotor (6) angetriebene Pumpe (5) und einen Filter (7) in eine Niederdruck-Versorgungsleitung (10) gefördert, wobei der Druck auf der Eingangsseite der Hochdruckpumpe (9) sich durch den Rückstau aus Fördermenge und Stellung des Drosselventils (8) ergibt. Über eine Rückleitung (20) fließt die nicht benötigte Flüssigkeitsmenge in den Vorratsbehälter (1) zurück, welcher durch eine Öffnung (3) entlüftet wird. Anstelle des Drosselventils (8) kann auch ein Druckbegrenzungsventil eingesetzt werden.

Aus der Niederdruck-Versorgungsleitung (10) entnimmt eine Hochdruckpumpe, welche zum Beispiel eine ein- oder mehrzylindrige Kolbenpumpe sein kann, die Flüssigkeit und erhöht den Druck auf einen an der Pumpe einstellbaren Ausgangsdruck, welcher an das zu bearbeitende Material angepasst ist und je nach Düsenform, bzw. Sprühstrahldurchmesser und Material zwischen 100 bar und 1500 bar liegen kann. Die Steuerung der Fördermenge erfolgt dabei beispielsweise über Überströmventile oder Nuten im Kolben der Pumpe und Überströmöffnungen in der Pumpe. Die aus der Überströmöffnung entweichende Flüssigkeit wird in die Rückleitung (20) des Niederdruck-Flüssigkeitsstromes abgeführt. Ausgangsseitig wird die Flüssigkeit in eine Hochdruckleitung (12) gefördert, welche über eine flexible Leitung (13) mit einer Hochdruckdüse (14) verbunden ist. Durch das Antreiben der Hockdruckpumpe (9) mit einem Drehzahlgesteuerten Antrieb (11) kann die Förderfrequenz und damit auch die Fördermenge zusätzlich beeinflusst werden.

Die Hochdruckdüse (14) ist beweglich angeordnet und mit einer Bewegungseinheit (18) verbunden. Der Druck ab dem die Düsennadel der Hochdruckdüse öffnet und damit der Injektionsdruck, ist an der Düse (14) einstellbar. Die Düsenöffnung (15) ist in einem wechselbaren Element angeordnet und kann ausgetauscht werden, um verschiedene Strahldurchmesser, Strahlwinkel und Strahlarten zu erzeugen. Der aus der Düsenöffnung unter Hochdruck austretende Sprühstrahl (16) dringt durch die hohe Strahlenergie in das Material ein und benetzt alle durchdrungenen Schichten des zu bearbeitenden Flächenmaterials (19). Nach Ausreagieren, bzw. Abbinden oder Ablüften der Flüssigkeit entsteht ein die einzelnen Schichten des Flächenwerkstoffes übergreifender Materialverbund, von der Materialoberfläche bis zu der Schicht in welche der Strahl noch eindringen konnte.

Für den Fall, dass nach dem Verfahren ein Schmelzklebstoff injiziert werden soll, sind alle Komponenten der Injektionseinrichtung beheizbar und zweckmäßiger Weise gegenüber der Umgebung thermisch isoliert auszuführen.

Durch Bewegung der Hochdruckdüse (14) durch das Bewegungssystem (18) entlang einer Bahn, bei gleichzeitigem Ausstoß der Substanzen, entstehen frei programmierbare Bahnen (17) auf dem Flächenwerkstoff (19), längs derer eine Verfestigung, Verbindung oder Stabilisierung des Werkstoffes erreicht wird. Alternativ oder parallel zu der Bewegung der Düse kann auch eine Bewegung des Werkstückes erfolgen. Die Bewegungen sind auch keineswegs auf ebene Werkstoffe beschränkt, sondern können auch am verarbeiteten Flächenwerkstoff, wie zum Beispiel während der Schuhherstellung am aufgeleistetem Schuhoberteil durchgeführt werden.

Zur beschleunigten Stabilisierung eines Flächenwerkstoffes können auch mehrere Düsen mit den zugehörigen Komponenten parallel auf einem Träger angeordnet werden und so ein kompletter Düsenbalken gesteuert über den Flächenwerkstoff bewegt werden.

Die Aufgabe der Bewegungseinheit (18) kann hierbei von einem Handhabungssystem, einem CNC-System, einer Werkzeugmaschine oder einem Roboter übernommen werden.

Zur Vermeidung von Verunreinigungen des Werkstoffes durch Flüssigkeitsspritzer kann die Düse während der Injektionen auch direkt auf dem Flächenmaterial aufsetzend geführt werden. Falls dies nicht möglich ist, weil beispielsweise empfindliches Material eingesetzt wird, auf welchem sich die geführte Düse abzeichnen würde, kann eine mitgeführte, an der Düsenöffnung befestigte ringförmige Absaugeinrichtung die nicht in das Material eindringende Flüssigkeit unschädlich abtransportieren.

Falls die physikalischen Eigenschaften der zu stabilisierenden Flächenwerkstoffe wenig konstant sind, wie diese bei Leder häufig der Fall ist, so kann durch die Methode der digitalen Bildverarbeitung mit Hilfe einer oder mehrerer Kameras, welche mit dem Injektionssystem relativ zu dem Flächenwerkstoff bewegt werden und das Injektionsergebnis optisch aufnehmen und den entsprechenden Auswertegeräten ein Regelkreis geschlossen werden, durch den über die Einstellung der Verfahrensparameter wie Injektionsdruck, Bahngeschwindigkeit, Auftragsmenge eine Optimierung der Injektionsergebnisse und ein automatisches, schnelles Anpassen an variierende Flächenwerkstoffe erfolgen. Falls nötig, können der Injektionssubstanz zur sichereren Bilderfassung fluoreszierende Reagenzien beigegeben werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Erhöhung der Haftung zwischen den Lagen oder Verfestigen der Lagen schichtweise aufgebauter flächiger Werkstoffe durch lokale Injektion einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine klebetechnisch wirksame Substanz durch einen mit hohem Druck beschleunigten Flüssigkeitsstrahl durch die Oberfläche in das Flächenmaterial eingebracht wird und das Eindringen des Flüssigkeitsstrahls in das Material nur aufgrund der Strahlenergie, ohne mechanisch in den Flächenwerkstoff eindringende Hilfsmittel, erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsinjektion nicht von der Vorderseite, sondern von der Rückseite oder von beiden Seiten erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenmaterial durch eine Reihe von Injektionen längs einer oder mehrerer Bahnen behandelt wird und diese Injektionen in zeitlicher Abfolge während einer Bewegung der Injektionseinrichtung längs der Bahnen generiert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenmaterial räumlich als Körper geformt ist und die Bahnen im dreidimensionalen Raum, längs der Oberfläche des Körpers verlaufen und die Applikationsrichtung normal zur Oberfläche verläuft.
  5. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus mehreren getrennt oder gemeinsam ansteuerbaren als Injektionszeile linienförmig zusammengesetzten Einzelinjektionseinrichtungen, über das Flächenmaterial bewegt werden und während der Führung der Injektionszeile über die Materialoberfläche durch gleichzeitiges oder zeitlich versetztes Ein- und Ausschalten der einzelnen Injektionseinrichtungen eine parallele Bearbeitung des Flächenwerkstoffes ermöglichen.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenmaterial Leder ist.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitenden Bahnen Klebebereiche auf Oberleder herzustellender Schuhe, insbesondere Zwickeinschläge und Seitenkanten darstellen und diese hiermit für eine nachfolgende Klebung oder Direktbesohlung vorbereitet werden.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Kameras relativ zu der oder den Injektionsdüsen feststehend oder mitgeführt das Ergebnis des Injektionsprozesses auf dem Flächenwerkstoff optisch aufnehmen und mit den Bilddaten in Verbindung mit einem Auswertesystem die Güte des Injektionsprozesses erfassen und kontinuierlich überwachen und die Verfahrensparameter derart beeinflussen, dass eine Optimierung der Injektionsprozesses erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der klebetechnisch wirksamen Substanz eine optisch markierende, beispielsweise fluoreszierende Substanz beigemischt wird und hierdurch in Verbindung mit einer entsprechenden Beleuchtungsquelle die Bildaufnahme verbessert wird.
  10. Vorrichtung zur Erhöhung der Haftung zwischen den Lagen oder Verfestigen der Lagen schichtweise aufgebauter flächiger Werkstoffe durch lokale Injektion einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine klebetechnisch wirksame Substanz, z.B. in Lösungsmittel gelöstes Polyurethan, durch einen mit hohem Druck beschleunigten Flüssigkeitsstrahl durch die Oberfläche in das Flächenmaterial eingebracht wird und das Eindringen des Flüssigkeitsstrahls in das Material nur aufgrund der Strahlenergie, ohne mechanisch in den Flächenwerkstoff eindringende Hilfsmittel erfolgt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsinjektion nicht von der Vorderseite, sondern von der Rückseite oder von beiden Seiten in das Flächenmaterial eingebracht wird.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung relativ zum Flächenmaterial längs einer oder mehrerer Bahnen bewegt werden kann und während der Bahnbewegung eine gesteuerte zeitliche Abfolge von Injektionen generiert werden können.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnführung nicht in der Ebene sondern im Raum erfolgt und die Injektionen auf der Oberfläche eines Körpers gesetzt werden können.
  14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einzelinjektionseinrichtungen linienförmig zu einer Injektionszeile zusammengesetzt sind. Und die Injektionszeile über die Materialoberfläche bewegt werden kann und durch gleichzeitiges oder zeitlich versetztes Generieren von Injektionspulsen der einzelnen Injektionseinrichtungen eine parallele Bearbeitung des Flächenwerkstoffes ermöglicht.
  15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Injektionseinrichtungen derart aufgebaut sind, dass Flüssigkeit durch eine Hochdruckpumpe verdichtet wird und durch eine oder mehrere gesteuerte Düsen in einen oder mehrere Flüssigkeitsstrahlen hoher Strahlenergie geformt werden.
  16. Vorrichtung nach einem oder mehrerer der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an der Wirkstelle durch ein geschlossenes System der Überschuss der Substanz abgesaugt und in den Kreislauf zurückgeführt wird.
  17. Vorrichtung nach der Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Substanz ein Schmelzklebstoff ist und alle mit dem Schmelzklebstoff in Berührung kommenden Komponenten der Vorrichtung beheizbar und gegen die Umgebung thermisch isoliert sind.
  18. Vorrichtung nach einem oder mehrerer der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass relativ zu den Injektionsdüsen feststehend oder mitbewegt eine oder mehrere Kameras die Ergebnisse des Injektionsprozess auf dem Flächenwerkstoff erfassen und die Bilddaten über eine Auswerteeinheit in Signale umgeformt werden, mit denen Einstellparameter des Injektionsprozesses, wie Bahngeschwindigkeit, Injektionsdruck, Injektionsmenge beeinflusst werden und hierdurch das Injektionsergebnis optimiert wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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