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Dokumentenidentifikation DE102004035369A1 16.03.2006
Titel Herstellung von Papiermaschinenstoffen
Anmelder Voith Fabrics Patent GmbH, 89522 Heidenheim, DE
Erfinder Sayers, Ian, Lancs, GB
DE-Anmeldedatum 21.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004035369
Offenlegungstag 16.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.03.2006
IPC-Hauptklasse D21F 7/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse D21F 1/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Papiermaschinenbespannung mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen einer ausgedehnten Arbeitsfläche;
- Bedecken der Arbeitsfläche mit aufeinander folgenden Lagen des sich ergebenden Materials;
- der Reihe nach Behandeln jeder folgenden Lage mit einer Energiequelle in Übereinstimmung mit vorgegebenen Anweisungen vor der Zugabe der nächstfolgenden Lage, um eine dreidimensionale Stoffstruktur aufzubauen.

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft die Herstellung von Papiermaschinenstoffen, wie Formungsstoffen, Pressfilzen, Trocknerstoffen, Durchströmtrocknerstoffen ("throughair dryer fabrics" – TAD-Stoffen) und anderen industriellen Stoffen, wie hydraulischen Verschlingungssieben und Übertragungsstoffen zur Verwendung in einer Papiermaschine. Die Stoffe der Erfindung finden auch als Übertragungs-/Förderstoffe in anderen Maschinen als Papiermaschinen Anwendung und können zum Beispiel als Förderstoffe oder als Siebe für eine Lateximprägnierung herkömmlicher luftabgelegter Materialien, als Stütz- oder Formungssiebe, die beim Schmelzblasen oder in der Herstellung eines spinngebundenen Vliesstoffs verwendet werden, benutzt werden.

Papier wird üblicherweise hergestellt, indem ein Papierfaserstoff, der für gewöhnlich aus einer Ausgangsaufschlämmung von Zellulosefasern besteht, auf einem Formungsstoff oder zwischen zwei Formungsstoffen in einem Formungsabschnitt befördert wird, wobei die naszierende Schicht dann durch einen Pressabschnitt und schließlich durch einen Trocknungsabschnitt einer Papiermaschine geleitet wird. Im Falle von standardmäßigen Tissue-Papiermaschinen wird die Papierbahn von dem Pressstoff auf einen Yankee-Trocknungszylinder übertragen und dann gekreppt, oder aber die Bahn wird auf moderneren Maschinen mit Hilfe eines Monofilamentgewebegitter-Trocknerstoffes vom Formungsstoff zu einem Durchströmtrockner befördert, wonach ein Yankee-Zylinder folgt.

Eine Papiermaschinen-Bespannung wird im Wesentlichen dazu verwendet, die Papierbahn durch diese verschiedenen Stufen der Papierherstellungsmaschine zu befördern und die kontrollierte Entfernung von Wasser aus der Bahn zu erleichtern. Im Formungsabschnitt wird der Faserstoff nass auf einen sich bewegenden Formungsdraht abgelegt und Wasser wird mit Hilfe von Saugkästen und Folien abgeleitet. Dann wird die Papierbahn auf einen Pressstoff übertragen, der sie durch den Pressabschnitt befördert, wo sie für gewöhnlich durch eine Reihe von Druckwalzenspalten läuft, die durch drehende, zylindrische Druckwalzen gebildet werden. Wasser wird aus der Papierbahn und in den Pressstoff gequetscht, während die Bahn und der Stoff gemeinsam durch den Walzenspalt laufen. In der Endstufe wird die Papierbahn entweder auf einen Yankee-Trockner übertragen, wenn es sich um eine Tissue-Papierherstellung handelt, oder auf einen Satz von Trocknungszylindern, auf welchen mit Unterstützung der Klemmwirkung des Trocknerstoffes der Großteil des verbleibenden Wassers verdampft wird.

Papiermaschinenstoffe bestehen traditionell aus einem Gewebe. Wenn Kett- und Schussgarne verwoben werden, bildet sich ein sogenannter "Höcker" an ihrem Kreuzungspunkt. Diese Höcker neigen dazu, die Papierschicht, die auf dem Stoff gebildet wird, zu prägen. Dieses Problem ist besonders am nassen Ende der Papiermaschine zu erkennen, wo die Bahn noch sehr plastisch ist. In den letzten Jahren wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um Papiermaschinenvliesstoffe herzustellen, um das Problem, das mit der Höckerprägung verbunden ist, zu lösen, insbesondere für Anwendungen im Press- und Trocknerabschnitt. Für viele von diesen war eine kommerzielle Herstellung nicht möglich.

GB 1,053,954 beschreibt einen Vliespapierstoff, der zwei Lagen aus parallelen polymeren Filamenten umfasst, wobei die Lagen derart aneinander befestigt sind, dass die Filamente einer Lage in einem Winkel in Bezug auf die Filamente in einer anderen Lage angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist nicht dauerhaft und folglich ist dieser Stoff kommerziell nicht brauchbar.

US 3,617,442 beschreibt einen Formungsstoff, der eine Bahn aus synthetischem, offenzelligem, flexiblem Schaum, wie Polyurethan, umfasst. Dieser wird durch eine Reihe von Polyesterkabeln, ein grobes Drahtgitter oder eine dünne, flexible Metall- oder Kunststoffschicht verstärkt. Eine solche Anordnung würde bei einer etwaigen Kommerzialisierung eine schlechte Abriebbeständigkeit aufweisen.

GB 2,051,154 betrifft ein sogenanntes "Verbindungsband" in dem ein Basisstoff aus einer Reihe ineinander übergreifender Spiralen gebildet wird, die durch Steckdrähte miteinander verbunden sind. Verbindungsbänder sind wegen der Einschränkungen hinsichtlich Dicke und Material nur für bestimmte Anwendungen geeignet.

US 4,541,895 beschreibt einen Papierstoff, der aus mehreren Vliesschichten besteht, die zur Bildung eines Stoffes oder Bandes aneinander laminiert sind. Die Vliesschichten werden durch Laserbohrung perforiert. Solche Schichten bestehen aus einem nicht orientierten Polymermaterial, und wenn sie in der Feinheit erzeugt werden, die für Papierherstellungsanwendungen erforderlich ist, würde es ihnen an einer ausreichenden dimensionalen Stabilität mangeln, um als Endlosbänder auf Papiermaschinen verwendet werden zu können.

Als Gegenstand der Erfindung von GB 2,235,705 wird ein Basisstoff für Pressfilze beschrieben. Hier wird eine Anordnung von Hülle-Kern-Garnen, von welchen der Kern einen höheren Schmelzpunkt aufweist als die Hülle, in einer beabstandeten, parallelen Anordnung zu Umfangsnuten einer Druckrolle geleitet, die in einem spaltbildenden Verhältnis zu einer Presswalze angeordnet ist. Das Material der Hülle wird dann geschmolzen, während sich die Garne in und durch den Walzenspalt bewegen, und überschüssiges, geschmolzenes Hüllenmaterial wird in seitliche und leere Umfangsnuten in der Rolle gepresst, um Strukturelemente zwischen benachbarten Garnen zu bilden. Durch Verbindung gleicher Streifen kann ein breites Band gebildet werden. Anschließend wird eine Fasermatte an den Basisstoff genadelt, um einen Pressfilz zu bilden. Perforierungen durch den gitterförmigen Basisstoff verlaufen gerade durch den Stoff. Dies ist für eine Adaptierung an eine Papierschichtbildung unerwünscht, wo eine kontrollierte Entwässerung erforderlich ist, insbesondere während der heiklen Bahnbildungsphase.

GB 2,241,915 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Papierstoffes, in dem eine Lage aus photopolymerem Harz auf ein sich bewegendes Band aufgebracht wird. Eine sich bewegende, selektiv transparente Maske ist über dem Harz positioniert und das Harz wird durch die Maske bestrahlt, um wenigstens eine teilweise Härtung der Teile der Harzlage zu bewirken, die mit den transparenten Bereichen der Maske ausgerichtet sind. Nach der Bestrahlung werden ungehärtete Bereiche des Harzes durch Druckflüssigkeitsströme entfernt, und eine Endhärtung des Harzes wird entweder thermisch oder mittels aktinischer Bestrahlung erreicht. Die so gebildete löchrige Schicht kann mit Garnen oder Fasern verstärkt werden. Auch hier verlaufen Löcher gerade durch den Stoff. Dies ist für die Papierbahnbildung unerwünscht und ermöglicht zusätzlich das Auftreten einer schädlichen "Rückextraktion", die durch hydraulische Impulse entsteht, die von der Maschinenseite durch den Stoff gehen. Der direkte Durchgang dieser Impulse stört das fragile Zellulosefasernetz.

GB 2,283,991 betrifft eine Papiermaschinen-Bespannung, die aus teilweise geschmolzenen Partikeln hergestellt wird. Eine Verstärkungsstruktur ist in der Struktur eingebettet. Diese Papiermaschinen-Bespannung ist für Pressanwendung und möglicherweise spezielle Formungsanwendungen geeignet.

Die Prozesse, die in dem Herstellungsverfahren von Papiermaschinenstoffen verwendet werden, beruhen auf einer Stereolithographie, wobei ein dreidimensionales Objekt durch die Wirkung eines Lasers auf ein durch Strahlung härtbares Polymer erzeugt wird, wobei das Objekt schichtenförmig auf einem Träger aufgebaut wird, der langsam nach jeder Laserabtastung in ein Bad des Polymers gesenkt wird, während aufeinanderfolgende Schichten an der Oberfläche des Polymers aufgebaut werden. Der Laser wird von einem CAD-Programm gesteuert, das auf einer STL-Datei gespeichert ist und das die Bewegungen des Lasers lenkt, um die richtige Form für jede Schicht zu erzeugen. Ein selektives Laser-Sintern ist ein eng verwandter Prozess, der auch als stereolithographischer Prozess kategorisiert werden kann, wobei ein pulverförmiger Thermokunststoff allmählich in einem Aufbauzylinder aufgebaut wird, wobei jede Schicht selektiv durch thermoplastische Fusion mit Hilfe eines IR-Lasers gesintert wird, um das dreidimensionale Objekt aufzubauen. US Patent 4,575,330 beschreibt die wesentlichen Punkte dieses Prozesses.

Der Prozess zum Modellieren eines dreidimensionalen Objekts durch selektives Laser-Sintern, das heißt, die Verwendung von Laserenergie zum Sintern ausgewählter Teile einer Reihe von Schichten aus sinterbarem, teilchenförmigem Material, wie Thermokunststoff, ist zum Beispiel im einleitenden Teil von WO 92/08567 und WO 93/08928 beschrieben.

Keiner der Prozesse wurde bei ausgedehnten planaren Produkten angewendet und jeder scheint bisher nur für eine Prototypierung und Bereitstellung von Gieß- und Formvorlagen Verwendung gefunden zu haben. Die vorliegende Erfindung betrifft die notwendige Anpassung dieser Prozesse an die Herstellung von Artikeln mit ausgedehnter Oberfläche aber relativ geringer Dicke, wie Papiermaschinenstoffe.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Papiermaschinenvliesstoffes bereitzustellen, das Techniken dieser Art an die Herstellung planarer Artikel anpasst.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Papiermaschinenstoffs bereitgestellt, das das Bereitstellen einer ausgedehnten Arbeitsfläche; das Bedecken der Arbeitsfläche mit aufeinanderfolgenden Lagen des sich ergebenden Materials; das der Reihe nach Behandeln jeder folgenden Lage mit einer Energiequelle in Übereinstimmung mit vorgegebenen Anweisungen vor der Zugabe der nächstfolgenden Lage umfasst, um eine dreidimensionale Stoffstruktur aufzubauen.

Die Behandlung jeder Lage wird vorzugsweise selektiv ausgeführt, das heißt, einige Teile der Schicht werden behandelt, während andere unbehandelt bleiben.

Die Energiequelle kann eine oder mehrere Vorrichtungen, wie zum Beispiel Laser, umfassen, um konzentrierte, zum Beispiel UV- oder IR-, Strahlen oder Strahlungsbündel zu erzeugen.

Das Kunststoffmaterial kann ein UV-härtbares Harz umfassen, wobei in diesem Fall die Energiequelle einen oder mehrere UV-Laser umfassen kann. Solche Harze werden für gewöhnlich aus einem flüssigen Zustand gehärtet und es könnten passende Eingrenzungsvorrichtungen erforderlich sein, zum Beispiel könnte die Arbeitsfläche in einen Trog oder ein Bad eingelegt werden, der/das das flüssige Harz enthält, oder sie könnte mit Eingrenzungszäunen versehen sein. Zur Vermeidung oder Verhinderung einer Oxidation kann das von den Zäunen umschlossene Volumen eine inerte Atmosphäre, wie CO2, enthalten. Die aufeinanderfolgenden Lagen können durch Anheben der Abgabevorrichtungen und von Teilen der Eingrenzungsvorrichtung nach jeder Behandlungsstufe um eine Höhe, die der erforderlichen Schichtdicke entspricht, gebildet werden. Die Verwendung einer Streichvorrichtung könnte notwendig sein, um Abweichungen der Arbeitsfläche von einer wahren Ebene auszugleichen, die von derselben Größenordnung wie die Lagendicke sein können. Wenn das Harz in jeder Lage als Fluidfilm aufgetragen wird, zusammengehalten durch die Oberflächenspannung, wären komplexe Eingrenzungsmittel, wie Dämme, oder eine präzise Nivellierung nicht erforderlich. Das UV-vernetzbare Harz könnte ein acryliertes Epoxidprodukt umfassen.

Als Alternative kann das Kunststoffmaterial ein teilchenförmiges thermoplastisches Material, wie PPS, PEEK, Polyolefin oder Polyamid, umfassen, das durch Erwärmung geschmolzen werden kann. In diesem Fall kann die Energiequelle einen oder mehrere IR-Laser umfassen. Das thermoplastische Material wird vorzugsweise in einer trockenen, fein verteilten Form bereitgestellt, wie als Mikrokügelchen oder Submillimeter-Partikel, wie pulvrige Pressmasse. Das Eingrenzen des Materials und eine absolute Ebenheit der Arbeitsfläche sind nicht so sehr ein Problem wie bei Verwendung flüssiger Harze, aber zur Gewährleistung, dass jede Schicht gleichmäßig verteilt ist, kann die Bereitstellung einer speziellen Streichvorrichtung erforderlich sein, die imstande ist, eine gleichförmige Pulverschicht über eine weite Fläche von mehreren Quadratmetern zu garantieren.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise so angeordnet, dass eine relative vertikale Bewegung zwischen dem Laser und der Arbeitsfläche, im Falle einer Behandlungsstufe für ein thermoplastisches Material, über eine Strecke erfolgt, die der erforderlichen Lagendicke gleich ist, um die nächste Lage aus teilchenförmigem oder pulvrigem, thermoplastischem Material aufzunehmen. Für gewöhnlich kann jede Lage eine Dicke von etwa 0,1 mm aufweisen und ein fertiger Stoff eine Gesamttiefe bis zu 2 mm.

Die Behandlung der Kunststoffmateriallage kann eine Vernetzung eines flüssigen, UV-härtbaren Harzes in den Teilen hervorrufen, die für eine Bestrahlung mit UV-Laser – eingestellt z.B. auf 365 nm – ausgewählt wurden, beziehungsweise ein Schmelzen oder Sintern eines thermoplastischen Materials in den Teilen, die für eine Bestrahlung mit IR-Laser – z.B. CO2-Laser, die bei 50 bis 200 W arbeiten – ausgewählt wurden. Ungehärtetes oder ungeschmolzenes Material kann nach Fertigstellung der lagenförmigen Struktur durch Drainage oder Ausspülen entfernt werden, oder im Falle feiner Partikel mit Gebläsewind oder einer Saugvorrichtung ausgeblasen oder abgezogen werden. Die Laserstrahlen können konzentriert sein, um eine Punktauflösung von zum Beispiel 0,01 bis 0,1 mm zu erzeugen.

Die Entfernung des unbehandelten Kunststoffmaterials lässt den gewünschten Artikel auf der Arbeitsfläche zurück.

Die ausgedehnte Arbeitsfläche muss groß genug sein, um eine Bildung von Papiermaschinenstoffen voller Größe zu ermöglichen, deren Maße bis zu 11 m mal 30 m betragen können. Die Arbeitsfläche kann ein Endlosband umfassen, das vorzugsweise mit einer nicht klebenden PTFE-Beschichtung beschichtet ist und eine Breite hat, die gleich groß wie oder etwas größer als der herzustellende Papiermaschinenstoff ist. Der Stoff kann in Zonen aufgebaut werden, die sich über die Breite des Bandes erstrecken, wobei jede Zone durch den Abscheidungs- und Behandlungsprozess mit der vorangehenden Zone verbunden ist, wobei der lagenweise Aufbau in jeder Zone der Reihe nach wiederholt wird, um einen Stoff gewünschter Länge herzustellen. Der Stoff kann von dem Endlosband abgezogen und für ein späteres Säumen aufgewickelt werden, oder das Säumungsproblem kann vermieden werden, indem der Stoff als Endlosband mit gleichen Dimensionen wie das Arbeitsflächenband hergestellt wird und von dem Arbeitsflächenband entfernt wird.

Die Energiequelle kann einen einzigen UV- oder IR-Laser oder eine Gruppe solcher Laser umfassen, die entweder verbunden sind, so dass sie miteinander arbeiten, oder unabhängig betrieben und gesteuert werden.

Die Laser, egal ob einer, mehrere, verbunden oder unabhängig, werden vorzugsweise in Bezug auf ihren Betrieb (feuern/nicht feuern) und ihre Bewegung (links/rechts und vorwärts/rückwärts und hoch/tief) von einer Steuervorrichtung gesteuert, die vorzugsweise einen Computer umfasst, der ein CAD-System enthält oder an dieses angeschlossen ist, in dem eine Darstellung des Stoffabschnittes vorprogrammiert ist, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung reproduziert wird.

Während des Aufbringens der Lagen auf die Arbeitsfläche können Verstärkungsgarne entweder in oder quer zur Bandrichtung abgelegt werden.

Mit Hilfe des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung ist es vorzugsweise möglich, Papiermaschinenvliesstoffe nach fast jedem traditionellen oder innovativen Design herzustellen, oder Vliesbahnen zur Verwendung als Komponenten in Verbundstoffen herzustellen, zum Beispiel als Grundschichten in Pressfilzen.

Die Erfindung stellt von einem anderen Aspekt aus eine Vorrichtung zur Verwendung in der Herstellung von Papiermaschinenstoffen bereit, die eine ausgedehnte Arbeitsfläche, Mittel zum Bedecken der Arbeitsfläche mit aufeinanderfolgenden Lagen aus Kunststoffmaterial, eine Energiequelle zum der Reihe nach Behandeln jeder folgenden Schicht, und Mittel zum Steuern der Energiequelle in Übereinstimmung mit vorgegebenen Anweisungen umfasst.

Die ausgedehnte Arbeitsfläche kann ein Endlosband umfassen und das Mittel zum Bedecken der Oberfläche mit aufeinanderfolgenden Schichten aus Kunststoffmaterial kann Mittel zum Zuführen und Verteilen des Materials in flüssiger oder teilchenförmiger Form auf der Oberfläche umfassen.

Die Energiequelle umfasst vorzugsweise einen oder mehrere UV- oder IR-Laser, deren Projektoren zur Bewegung auf allen drei Achsen relativ zu der Arbeitsfläche montiert sind. Ein UV-Laser wird für gewöhnlich in Verbindung mit UV-härtbaren Harzen in flüssiger Form verwendet, und ein IR-CO2-Laser in Verbindung mit thermoplastischem Material, das in teilchenförmiger oder pulvriger Form aufgebracht wird.

Das Steuerungsmittel umfasst vorzugsweise Mittel zum Bewegen der Laserprojektoren auf allen drei Achsen, das heißt, den beiden horizontalen Achsen und zu und weg von der Arbeitsfläche, die von einem Computer gesteuert werden, der mit einem CAD-Programm programmiert ist, das Anweisungen für die erforderlichen Bewegungen des Laserkopfs enthält und eine Sequenz aus Entladen und Nicht-Entladen des Lasers.

Einige Beispiele des Verfahrens zur Herstellung von Papiermaschinenstoffen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von welchen:

1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Ausführung von Verfahren zur Herstellung eines Papiermaschinenstoffs gemäß der Erfindung ist;

2 eine vergrößerte fragmentarische Ansicht eines Teils der Vorrichtung von 1 ist;

3 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung von 1 ist;

4 eine vergrößerte fragmentarische Ansicht ist, die einen Schritt in der Herstellung eines Stoffes durch ein erstes Verfahren gemäß der Erfindung zeigt;

5 eine Ansicht ähnlich 4 ist, die einen Schritt in der Herstellung eines Stoffes durch ein zweites Verfahren gemäß der Erfindung zeigt;

6 eine Schnittansicht eines membranartigen Stoffes mit konisch zulaufenden Perforierungen ist, der durch ein Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wird;

7 eine Schnittansicht eines zweiten perforierten, membranartigen Stoffes ist, der Verstärkungsgarne enthält, die in der Membran eingebettet sind, und der auch durch ein Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wird;

8 eine fragmentarische Ansicht einer Verbindungszone in einem Säumungsverfahren für den Stoff ist; und

9 eine Schnittansicht der Verbindungszone von 8 ist.

1, 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform einer Vorrichtung, die in einem Verfahren gemäß der Erfindung für die Herstellung von Papiermaschinenstoffen verwendet werden kann, entweder durch die Verwendung eines UV-härtbaren Harzes oder durch Sintern eines teilchenförmigen, thermoplastischen Materials.

Die Vorrichtung umfasst ein Endlosband 10, das auf Endwalzen 11, 12 bereitgestellt ist. Andere Führungs-, Antriebs- und Trägerwalzen wurden der Einfachheit wegen weggelassen. Das Band 10 ist mit einem Fluorpolymermaterial beschichtet, um eine gute Trennoberfläche bereitzustellen, und bildet eine ausgedehnte Arbeitsfläche für die Herstellung von Papiermaschinenstoffen. Eine Herstellungszone 15 ist bereitgestellt, die sich über die Breite des oberen Durchlaufs des Bandes 10 und in die Laufrichtung des Bandes 10 über eine relativ kurze Strecke erstreckt. Die Zone 15 ist begrenzt von Eingrenzungswänden oder -zäunen, welche die Form von Seitenwänden 16 an den Rändern des Bandes annehmen, die auf Kolben 17 zur Höheneinstellung befestigt sind, eine Vorderwand 18, die in die Richtung weist, in der sich das Band 10 nähert, und die in gleitendem Eingriff mit der Oberfläche des Bandes steht, und eine Rückwand 19, die mit Zwischenraum über das Band 10 angehoben werden kann, so dass ein gebildeter Stoff 20 auf der Bandoberfläche, mitgeführt von dem Band, auslaufen kann.

Der Stoff 20 wird von dem Band 10 abgenommen und einer weiteren Bearbeitung zugeführt.

Der Stoff ist aus aufeinanderfolgenden Lagen mit zum Beispiel 0,1 mm Dicke gebildet, die zu einer Stoffdicke von zum Beispiel 2 mm aufgebaut sind, was für gewöhnlich das aufeinanderfolgende Aufbringen von etwa 20 Materiallagen bedeutet.

Die Zeichnungen sind daher nicht maßstabgetreu, da die Wände 16, 18 und 19 nicht mehr als 10 mm hoch sein mögen, während die Breite des Bandes zum Beispiel etwa 11 Meter betragen kann und das Längenmaß (in Bezug auf das Band) der Zone 15 in der Größenordnung von 100 mm sein kann.

Das Material wird von mehreren Abgabeköpfen 21 (in 1 oder 3 nicht dargestellt) entweder in Form eines flüssigen, UV-härtbaren Harzes oder als fein verteiltes, teilchenförmiges oder pulvriges, thermoplastisches Material in die Zone abgegeben, um eine Abfolge gleichmäßiger Lagen von etwa 0,1 mm Tiefe zu bilden. Es kann eine Messerrakel oder Streichmaschine (nicht dargestellt) verwendet werden.

Wenn eine Streichmaschine zum Verteilen des Harzes verwendet wird, kann dies zu einer molekularen Orientierung in eine bevorzugte Richtung beitragen. Ein Trägermaterial ist nicht unbedingt erforderlich, um Überhänge zu stützen, wenn eine obere Schicht nicht direkt von dem darunter liegenden Material gestützt wird, sondern über einem Hohlraum liegt, wenn der Modul des gehärteten Harzes so ist, dass es in dem fraglichen Maßstab selbsttragend ist, so dass ungestütztes Material nicht in den darunter liegenden Hohlraum absackt. Wenn die Eigensteifheit des gehärteten Harzmaterials unzureichend ist, um in dem fraglichen Maßstab garantiert selbsttragend zu sein, muss eine bestimmte Art von "Gerüst" in Form eines Opfermaterials bereitgestellt werden, das die Hohlräume füllt und später nach der vollständigen Vernetzung und Härtung des Harzes entfernt wird.

Das Material wird von einer Gruppe von Lasern 22 behandelt, die im Falle eines flüssigen, UV-härtbaren Harzes UV-Laser sind, die bei einer Wellenlänge von z.B. 365 nm arbeiten, und an einem Schlitten 23 befestigt sind, so dass sie quer zu dem Band 10 oder rückwärts und vorwärts in die Bewegungsrichtung des Bandes, wie auch hoch und tief in Bezug auf das Band bewegt werden können. Die letztgenannte Bewegung erfordert ein Anheben der Laser 22 um eine Lagendicke nach Beendigung der Behandlung jeder aufeinanderfolgenden Lage, und dann das Zurückstellen der Laser auf ihre geringste Höhe für den nächsten Stoffabschnitt, sobald das Förderband den Stoff um die Breite der Zone 15 nach rechts bewegt hat. Diese Bewegungen und der Betrieb der Laser werden von einem Computer 19 gesteuert, der ein CAD-Programm laufen lässt. Im Falle der Verwendung von thermoplastischem Pulver oder Partikeln sind die Laser 22 IR-Laser, die bei einem Leistungsausgang im Bereich von 50 bis 200 W arbeiten und die Partikel auf eine ausreichende Temperatur erwärmen, um die Oberflächen der Partikel wenigstens ausreichend zu erweichen, damit die Partikel an ihre Kontaktzonen schmelzen können. Die verwendeten Partikel haben einen Durchmesser in der Größenordnung von 50 Mikron. Eine Druckwalze, nicht dargestellt, kann zum Feststampfen des Pulvers auf ein gleichförmiges Niveau verwendet werden, was auch die Schmelzbindung der Partikel begünstigt. Für gewöhnlich wird beim Sintern von thermoplastischen Kunststoffen die Herstellungskammer bei einer Temperatur gerade unter dem Schmelzpunkt des Pulvers gehalten, so dass der Laser nur eine minimale Menge an zusätzlicher Energie zuführen muss, um ein Schmelzen zu bewirken. Ebenso muss der Betrieb in einer inerten N2- oder CO2-Atmosphäre ausgeführt werden, um eine Oxidation zu vermeiden, die zu Eingrenzungsproblemen führen kann.

Die Laser 22 werden selektiv betrieben, um gehärtete/geschmolzene und ungehärtete/ungeschmolzene Flächen auf der Lage zu erhalten, wobei die gehärteten/geschmolzenen Flächen als Teil der Stoffstruktur zurückbleiben und die ungehärteten/ungeschmolzenen Flächen nach dem Aushärten des Harzes oder thermoplastischen Kunststoffes entfernt werden, um Hohlräume, Perforierungen oder Poren in der Stoffstruktur zu bilden.

Wenn der Stoff 20 vom Band 10 abgenommen wird, läuft er durch eine Spülstation 24, wo ungehärtetes oder ungeschmolzenes Material von dem Stoff 20 entfernt wird, wodurch Hohlräume oder Poren in der gehärteten oder geschmolzenen Stoffstruktur verbleiben. Dieses Spülen kann durch Wasser oder ein anderes Lösemittel oder eine Waschflüssigkeit erfolgen, insbesondere im Falle von UV-härtbarem Harz, oder durch einen Gebläsewind oder eine Saugwirkung im Falle von teilchenförmigen Materialien.

Nach der Spülstation wird das verbleibende Bandmaterial im Falle von UV-härtendem Harz einem allgemeinen Bad von UV-Strahlung ausgesetzt, um eine vollständige Härtung an der Härtungsstation 25 zu gewährleisten. Im Falle von thermoplastischen Partikeln kann diese durch eine Kühlstation ersetzt werden, in der gekühlte Luft verwendet wird, um ein Aushärten des thermoplastischen Materials zu gewährleisten.

Das UV-härtbare Harz kann eine Formulierung umfassen, die einen Initiator enthält, der durch Absorption von UV-Strahlung aktiviert wird.

Das teilchenförmige, thermoplastische Material kann die Form eines Pulvers, wie einer pulverförmigen Pressmasse oder thermoplastischer Mikrokügelchen, aufweisen, und kann aus jedem geeigneten thermoplastischen Material, wie Polyolefin, PEEK, Polyesterpolyamid oder dergleichen, bestehen.

4 zeigt als einfachen Fall eine Herstellung einer perforierten Membran aus einem UV-härtbaren Harz. Eine erste Lage 45 aus Harz wurde abgelegt und selektiv unter Verwendung eines Lasers 48 gehärtet. Gehärtete Flächen 46 sind in der Zeichnung schraffiert dargestellt und diese bilden die Stege der Membran. Ungehärtete Flächen 47 sind unschraffiert dargestellt und diese bilden die Öffnungen durch die Membran, wenn diese fertiggestellt und das ungehärtete Harz 47 durch Spülung entfernt ist. Eine zweite Lage 49 wird gerade fertiggestellt, indem ein weiterer Flüssigkeitsfilm aus ungehärtetem Harz von den Düsen 50 des Verteilerkopfes aufgetragen wird. Ein Laserprojektor 48 sendet ein Bündel 52 UV-Strahlung aus, das auf die obere, in diesem Fall zweite Lage 49 einwirkt, wobei die UV-Strahlung die Härtung des Harzes in der zweiten Lage in den Zonen einleitet, in welchen der Laser arbeitet, während er abtastet. Es gibt eine gewisse Überlappung der Tiefe, in die Strahlung in die erste Lage 45 und auch in den Kantenbereich des vorangehenden Streifens eindringt, um eine Bindung zwischen aufeinanderfolgenden Lagen zu gewährleisten.

5 zeigt die Herstellung einer einfachen Struktur, wieder einer perforierten Membran, in dem Herstellungsprozess unter Verwendung eines Sinterns thermoplastischer Partikel. Eine untere Partikellage 60 wurde bereits behandelt, wobei schraffierte Zonen 61 durch einen Laser 62 geschmolzen wurden und unschraffierte Zonen 63 ungeschmolzen blieben; diese bilden die Perforierungen in der Membran nach Entfernung der ungeschmolzenen Partikel. Ein Laserbündel 64 beginnt eine zweite, neu verteilte Lage 65 aus ungeschmolzenen, thermoplastischen Partikeln zu behandeln, wobei es zu einem Schmelzen in der Zone 66 kommt, auf die das Laserbündel 64 direkt einwirkt, das in den oberen Teil der bereits behandelten unteren Lage 60 eindringt, diese wieder erweicht und eine Bindung zwischen den Lagen gewährleistet. "Bögen", wo Material in einer oberen Lage über einem Hohlraum in einer unteren Lage liegt, werden von ungeschmolzenem Material gestützt, das später entfernt wird.

6 und 7 zeigen schematisch zwei relativ einfache Strukturen, die durch die Verfahren hergestellt werden können, die in 1, 2 und 3 dargestellt sind. Andere, komplexere Strukturen sind natürlich möglich.

6 zeigt eine Membran, die Stege 70 und Öffnungen 71 umfasst, wobei die Stege 70 übereinander gelegte Lagen umfassen und die Öffnungen 71 so angeordnet sind, dass sie nach oben zu der papiertragenden (oberen) Seite der Membran schmäler werden. Solche konisch zulaufenden Öffnungen können zum Beispiel für die Verwendung in Entwässerungsfilzen erwünscht sein, sind aber mit anderen Verfahren nicht einfach herzustellen, die Formen mit einem Bett aus konisch zulaufenden Stiften benötigen, deren maschinelle Herstellung teuer ist.

7 zeigt einen Abschnitt einer weiteren Membran, die Stege 85 und Öffnungen 86 umfasst, wobei die letztgenannten wie üblich quadratisch, rechteckig oder kreisförmig sind. Verstärkungsgarne 87 sind in den Stegen 85 eingearbeitet, die auf dem Band in Längsrichtung (Maschinenrichtung) während des Strukturaufbaus durch eines der beschriebenen Verfahren abgelegt wurden. Als Alternative könnten die Verstärkungsgarne quer zu dem Band in der Zone 15 abgelegt werden, bevor jeder Streifen hergestellt wird.

Eine weitere Möglichkeit (nicht dargestellt) ist, dass ein Stoff unter Verwendung sowohl des Verfahrens mit UV-härtbarem Harz als auch desjenigen mit gesinterten Partikeln gebildet oder hergestellt werden könnte, wobei z.B. eine Membran oder ein Gitter aus einem UV-gehärteten Harz hergestellt werden kann und dann eine gesinterte Struktur aus thermoplastischem Material auf der Oberseite des Gitters oder der Membran aufgebaut werden kann.

Die Papiermaschinenstoffstrukturen, die unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung geschaffen werden können, können die Eigenschaften bestehender einfacher oder komplexer Strukturen nachahmen oder es können neue Strukturen geschaffen werden. Eine Struktur, die vorteilhaft sein kann, umfasst eine poröse Membran mit regellos verteilten und dimensionierten, durchgehenden Poren mit integrierten Stützstegen an der Maschinenseite, die Verstärkungsgarne in Maschinenrichtung aufweisen. Die Stege können die Form eines Netzes oder Gitters haben oder als Rippen in Maschinenrichtung an der Maschinenseite der Membran gebildet sein.

Das Band 10 in den obengenannten Ausführungsformen kann mit einem Trennmittel beschichtet sein, das eine Abnahme des Papiermaschinenstoffes, der durch das Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurde, von dem Band ermöglicht, wonach es gereinigt und aufgerollt wird. Dieser Prozess würde fortgesetzt werden, bis eine Länge erzeugt ist, die einer bestimmten geplanten Stofflänge entspricht. Die Umformung des flachen Stoffes zu einer Endlosschleife wäre als eigener Schritt auszuführen, wie zum Beispiel in 8 und 9 dargestellt ist.

In der Ausführungsform des Stoffes 100, die in 8 und 9 dargestellt ist, umfasst der Stoff eine obere poröse Membran 101 mit mehreren regellos verteilten Poren, und eine ähnlich poröse untere Schicht mit Stegen 102, die sich in die Maschinenrichtung des Bandes erstrecken, in denen Verstärkungsgarne 103 in die Maschinenrichtung verlaufen. Der Stoff 100 ist mit einem Spalt zwischen den Enden 111, 112 des Stoffes angeordnet, der eine Formungszone 110 bildet, in der eine vorläufige Lage 105 durch eine Reihe von Operationen aufgebaut wird, in welchen aufeinanderfolgende Lagen aus vernetztem oder gesintertem Material abgelegt werden, um sich der Dicke des Materials unter den Garnen 103 anzupassen. Die Garne 103, die von den Enden 111, 112 des Stoffes herausragen, werden dann über die Lage 105 gelegt, und eine Stoffstruktur, die zu dem Stoff 100 passt, wird dann um und über den Garnen 103 aufgebaut, indem weitere Lagen aus vernetztem oder gesintertem Material abgelegt werden, wodurch die Garne eingebettet und die Enden des Stoffes verbunden werden, was mit der Strukturoberflächenveredelung und Porosität des Stoffes 100 zusammenpasst, um diesen als Endlosstoff fertig zu stellen. Die Ablege- und Vernetzungs-/Schmelzvorrichtungen sind schematisch als ein Kasten 120 in 9 dargestellt.

Es wird festgestellt werden, dass die Garne 103 an jedem Ende des Stoffes 100 abwechselnd lang und kurz geschnitten sind, so dass sie ineinander greifen können, wie in 8 dargestellt, so dass eine ausgesprochene Schwachlinie soweit wie möglich vermieden wird. Während die Garne 103 in den Zeichnungen gerade dargestellt sind, versteht sich, dass sie in der Verbindungszone zwischen den Enden 111 und 112 mechanisch gekräuselt sein können. Dies verringert das Risiko eines Rutschens zwischen Garnen und Matrix, da gekräuselte Garne einem Herausziehen aus der Matrix besser widerstehen als gerade Garne. Die Verbindung kann vor der Installation oder an der Papiermaschine unter Verwendung einer transportierbaren Vorrichtung erfolgen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung einer Papiermaschinenbespannung mit folgenden Schritten:

    – Bereitstellen einer ausgedehnten Arbeitsfläche;

    – Bedecken der Arbeitsfläche mit aufeinander folgenden Lagen des sich ergebenden Materials;

    – der Reihe nach Behandeln jeder folgenden Lage mit einer Energiequelle in Übereinstimmung mit vorgegebenen Anweisungen vor der Zugabe der nächstfolgenden Lage, um eine dreidimensionale Stoffstruktur aufzubauen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Behandlung jeder Lage selektiv ausgeführt wird, das heißt, dass einige Teile der Schicht werden behandelt, während andere unbehandelt bleiben.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die Energiequelle Lichtstrahlung erzeugt, insbesondere einen UV- oder IR- Laser umfasst.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass als Material ein Kunststoffmaterial Verwendung findet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass das Kunststoffmaterial ein UV-härtbares Harz umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass das UV-härtbare Harz ein UV-vernetzbares Harz ist und insbesondere ein acryliertes Epoxidprodukt umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet dass UV-härtbare Harz aus einem flüssigen Zustand gehärtet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass das Kunststoffmaterial zumindest zeitweise in einer inerten Atmosphäre verarbeitet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet dass das Kunststoffmaterial ein teilchenförmiges thermoplastisches Material, wie PPS, PEEK, Polyolefin oder Polyamid, umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass die die Energiequelle einen oder mehrere IR-Laser umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet dass das thermoplastische Material in einer trockenen, fein verteilten Form, bspw. als Mikrokügelchen oder Submillimeter-Partikel bereitgestellt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet dass während des Aufbringens der Lagen auf die Arbeitsfläche Verstärkungsgarne in und/oder quer zur beabsichtigten Maschinenrichtung des Papiermaschinenstoffs abgelegt werden.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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