Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines flächigen Substrats, insbesondere einer Folie aus ein- oder mehreren Lagen, mittels zumindest einer Walze, über welche eine Dicke des flächigen Substrats bestimmt wird, sowie eine Vorrichtung hierfür.

Stand der Technik

Flächige Substrate werden in vielen Fällen in sogenannten Kalandern hergestellt. Ein Kalander ist ein System aus mehreren aufeinander angeordneten, beheizten und polierten Walzen, durch deren Walzenspalte eine Schmelze oder andere Materialien hindurchgeführt werden. Sie dienen vor allem zur Herstellung von Folien aus Kunststoff, Gummi, Metall und Papier. Dabei findet natürlich nicht nur eine Formänderung statt, sondern auch eine Verdichtung bzw. Strukturverschiebung. Insofern hängt eine Güte des Kalandrierens eines flächigen Substrats im wesentlichen von der Ausgestaltung des Walzenspaltes und dessen Spaltkräfte ab, und diese wiederum auch von einer Biegelinie oder Bombierung der Walzen, die sich zunehmend während der Herstellung infolge der Temperaturänderung von Substrat, Walze und Umgebung ebenfalls ändern kann. Gewünscht ist aber die weitgehende Beibehaltung der gleichen Dicke des Substrats über die Länge und die Breite der Bahn hin.

In der DE 691 15 339 T2 wird beispielsweise für eine Leimpresse zur Herstellung von Papier beschrieben, dass zumindest eine der Walzen eine Walze mit variabler Bombierung oder eine Walze bildet, die in Zonen einstellbar ist und zwar mittels Wärme von der Innenseite der Walze, so dass durch Regulierung der Durchbiegung der Walze mit variabler Bombierung oder durch Regulierung der Temperatur der thermisch einstellbaren Walze in Zonen die lineare Kontaktfläche zwischen einer Beschichtungsstange und der Walze geradlinig eingestellt wird. Ähnliches, ebenfalls für die Papierherstellung, beschreibt die DE 68906 175 T2.

Zur allgemeineren Verwendung beschreibt die DE 10 2004 035 630 A1 eine Kalanderwalze mit einem Walzenmantel, der mehrere Heizkanäle aufweist, die in Umfangsrichtung verteilt sind und einer Heizmittelanschlussanordnung zur Zufuhr und Abfuhr eines Heizmittels, wobei jeder Heizmittelkanal Bestandteil eines Strömungspfades ist, der mit der Heizmittelanschlussanordnung in Verbindung steht.

Die US 3 182 587 beschreibt bereits allgemein einen Kalander zur Herstellung eines deformierbaren Werkstoffes. Hierunter versteht die Schrift insbesondere Gummi, Papier oder Metall. Voraussetzung ist, dass eine einheitliche Dicke über die Breite des Materials in sehr engen Bereichen eingehalten wird, vor allem, wenn das Endprodukt sich in einem sehr dünnen Bereich bewegt. Als sehr dünner Bereich wird ein Bereich von wenigen 1.OOOstel oder 10.000stel Inch betrachtet. Dabei wird eine Anordnung von Heizeinrichtungen beschrieben, die in der Walze oder axial getrennt voneinander angeordnet sind.

Die DE 27 13 917 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung einer Kunststofffolie. Dabei wird die Stärke der Folie an einer Stelle oder an mehreren, auf einer Linie quer zur Bewegungsrichtung verteilten Stellen und/oder die Auslenkung bzw. Belastung an einer oder mehreren Walzen ermittelt und die Einstelllage einer verstellbaren Walze oder mehrerer verstellbarer Walzen relativ zur gemeinsamen Ebene durch die Walzenachsen in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Ermittlung in der Weise verändert, so dass die Achse oder die Achsen dieser Walze bzw. dieser Walzen parallel zu den benachbarten Walzenachsen bleibt bzw. bleiben.

Aufgabe

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine sehr genaue und gleichbleibende Herstellung eines flächigen Substrats sowohl über eine vorgegebene Länge als auch eine vorgegebene Breite erfolgt.

Lösung der Aufgabe

Zur Lösung der Aufgabe führt, dass

- die Walze mit einer reflexionsarmen Oberfläche versehen wird, die von einer über die Breite der Walze angeordneten Temperiereinrichtung von aussen her mit Wärme beaufschlagt wird;

- die Wärme in der Walze aktiv abgeführt wird;

- eine Bombierung der Walze mittels über die Breite der Walze verteilt angeordnete Sensoren ermittelt und

- bei Änderung einer Dicke des Substrats die Temperiereinrichtung zum Zwecke der Änderung der Bombierung der Walze die Walze von aussen her kontrolliert mit Wärme beaufschlagt wird, bis die Bombierung die gewünschte Dicke des Substrats erzeugt.

Das Substrat, welches durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestellt wird, soll im Rahmen der Erfindung beliebig sein. Im Augenblick werden dadurch Folien für Elektroden von Batterien hergestellt. Dies macht deutlich, dass es sich nicht nur um ein einschichtiges, sondern vor allem auch um ein mehrschichtiges Substrat handeln kann.

Auch was die Temperiereinrichtung anbelangt, soll die vorliegende Erfindung nicht beschränkt sein. Grundsätzlich sind Heizelemente notwendig, welche die Walze mit Wärme beaufschlagen, so dass es zu einer Ausdehnung der Walze in bestimmten Bereichen kommt. Da die Walze in der Regel aus einem Metall bzw. aus Metalllegierungen besteht, ist bekannt, dass diese sich bei Wärme ausdehnen. Umgedreht ist es natürlich möglich, dass eine Walze im Laufe des Betriebs relativ warm wird und dadurch eine zu hohe Ausdehnung erfährt, die durch Kühlung in bestimmten Bereichen wieder zurückgesetzt werden kann. Als wärmende Temperierung ist vor allem an Infrarot-Heizstrahler gedacht, kühlende Elemente könnten Düsen sein, über die die Walzenoberfläche mit Kaltluft beaufschlagt wird. Dies sind aber nur Beispiele, die Erfindung ist darauf nicht beschränkt.

Wichtig ist gemäß der vorliegenden Erfindung, dass der hohe Wärmeeintrag, der insbesondere in den Walzenmantel eingebracht wird und zu einer möglichst schnellen Änderung der Bombierung führt, auch wieder durch den Walzenkern möglichst rasch abgeführt wird. Dies geschieht gemäß dem vorliegenden Erfindungsgedanken aktiv, was insbesondere bedeutet, dass dem Walzenmantel von innen her Kühlmedium zugeführt wird, welches die Wärme des Walzenmantels übernimmt und durch den Kern abführt. Damit kann ein gewünschtes Gleichgewicht der Temperierung erzielt werden.

Wie die Wärmeabfuhr im Walzenkern vorgenommen wird, ist von untergeordneter Bedeutung. In einem einfachen Ausführungsbeispiel können den Walzenkern axial Bohrungen durchziehen, von denen Radialbohrungen zum Walzenmantel hin führen.

Wichtig ist auch, dass die Oberfläche des Walzenmantels reflexionsarm ausgestaltet ist. D.h., sie besitzt einen geringen Reflexionsgrad. Unter Reflexionsgrad wird das Verhältnis zwischen der von dem Heizelement kommenden auftreffenden Strahlung und der reflektierten Strahlung verstanden. Bevorzugt liegt dieses Verhältnis bei 1 zu 0 bis 0, 3, wobei natürlich aus technischer Sicht der Wert 0 kaum erreichbar ist. Beispielsweise könnte die Oberfläche der Walze schwarz verchromt sein.

Verwendete Sensoren sind im Augenblick insbesondere kapazitive Sensoren, die als Abstandssensoren dienen und auf einer Änderung der Kapazität eines Kondensators beruhen. Vor allem sind aber auch optoelektronische Sensoren oder induktive Abstandssensoren denkbar. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind aber auch dies nur Beispiele.

Zur Bestimmung der Breite und Dicke des flächigen Substrats werden üblicherweise zwei Walzen verwendet, die miteinander einen Walzenspalt ausbilden. Im Rahmen der Erfindung soll aber auch die Verwendung von nur einer Walze liegen. In diesem Fall wird das flächige Substrat mit Spannung über einen Teil eines Walzenumfangs gezogen, so dass sich die Länge des flächigen Substrats erhöht, die Dicke aber vermindert. Dies dürfte aber nur für spezielle Substrate anwendbar sein, weshalb sich die vorliegende Beschreibung des Verfahrens vor allem auf das Zusammenwirken von zwei oder auch mehr Walzen bezieht, die einen Kalander ausbilden.

Für einen derartigen Kalander ist dem Fachmann bekannt, dass zum Herstellen von beispielsweise Folien im Walzenspalt bestimmte Spaltkräfte wirken. Diese können über eine Hydraulik, mit der die beidseitigen Lager der Walzen ausgestattet sind, bestimmt werden. Meist gibt es eine obere und eine untere Walze, wobei eine der Walzen fix gelagert ist und die andere Walze sich über die eben erwähnte Hydraulik gegen die fixe Walze abstützt. Diese Abstützkräfte bestimmen dann die Spaltkräfte im Walzenspalt, mit denen die eine Walze auf das durch den Walzenspalt hindurchtretende flächige Substrat aufdrückt. Diese Kräfte bestimmen im wesentlichen die Dicke des flächigen Substrats, während die Bombierung der Walzen eine Änderung der Dicke des flächigen Substrats über die Breite bestimmt.

Dem Fachmann allgemein bekannt sind die Spaltkräfte und die Biegelinie (Bombierung) der Walze für eine bestimmte Dicke eines bestimmten Substrats bei kalten Walzen. Bei den meisten flächigen Substraten wird aber während dem Kalandrieren Wärme auf die Walzen übertragen, die zu einer Ausdehnung der Walze und damit zu einer Änderung der Bombierung der Walze führt. Hierdurch wird die Dicke des flächigen Substrats verändert, und das auch unregelmässig über die Breite des Substrates hin. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird diese Änderung der Bombierung der Walze mittels über die Breite der Walze verteilt angeordnete Sensoren ermittelt. Damit nun eine gleichbleibende Dicke des flächigen Substrats über die Breite hin angestrebt wird, erfolgt eine Beaufschlagung mit Wärme und/oder Kälte von aussen her der Walze über die Temperiereinrichtung, bis die Sensoren wieder melden, dass die gewünschte Bombierung wieder erreicht ist. Zu einer zusätzlichen Kontrolle kann stromabwärts dem flächigen Substrat noch eine weitere balkenartige Messeinrichtung zugeordnet werden, welche die Dicke des Substrats über die Breite hin überprüft.

Gemäss der vorliegenden Erfindung werden aus den laufenden Ergebnissen und Änderungen bezüglich bestimmter flächiger Substrate Kennlinien erstellt, welche die Arbeit der Sensoren und der Temperiereinrichtung kontrollieren und unterstützen. Dies geschieht immer mit dem Ziel der Erreichung einer über die Breite gleichmässigen vorgegebenen Dicke des flächigen Substrats.

Eine entsprechende erfindungsgemässe Vorrichtung, für die auch separat Schutz begehrt wird, ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Walze über die Breite der Walze verteilt angeordnet Heiz- und/oder Kühlelemente zugeordnet sind, mit denen die Walze von aussen her temperierbar ist.

Ein grosser Vorteil der Temperierung von aussen her ist, dass nur der äussere Bereich der Walze mit Wärme oder Kälte beaufschlagt werden muss, wobei die Bombierung gerade durch diesen äusseren Bereich wesentlich beeinflusst wird. Diese Temperierung kann auch sehr gezielt und schnell erfolgen, weshalb die Temperiereinrichtung aus einer Mehrzahl von Heiz- und/oder Kühlelementen besteht.

Des weiteren ist natürlich ein grosser Vorteil, dass die Walze selbst innen, unabhängig von der Aussentemperierten, temperiert werden kann. Somit kann die Walze unabhängig auf entsprechende Prozesserfordernisse in ihrer Temperatur eingestellt werden.

Für die Anordnung dieser Heiz- und/oder Kühlelementen ist eine Vielzahl von Möglichkeiten denkbar, die von der Erfindung umfasst sein sollen. In erster Linie ist an eine balkenartige Anordnung in Reihe über die Breite der Walze hinweg gedacht. Dabei können sich Heizelemente und Kühlelemente abwechseln, so dass mittels der Kühlelemente auch Bereiche der Walze überdeckt werden können, die üblicherweise erwärmt werden. Ausserdem werden dadurch zwei benachbarte Heizelemente voneinander entkoppelt, so dass sich ihr Wärmeeintrag in die Walzenoberfläche nicht addiert. Es können aber z.B. auch jeweils drei benachbarte Heizelemente durch ein Kühlelement getrennt werden. Hierdurch wird es möglich, dass beispielsweise ein Heizregister aus drei Heizelementen höhere Wärme in die Walzenoberfläche einträgt, als ein durch das Kühlelement benachbartes Heizregister ebenfalls aus drei Heizelementen, bei dem aber nur ein Heizelement Wärme aussendet. Auf diese Art und Weise kann eine sehr genau Regelung des Wärme- und/oder Kühleintrags in die Walzenoberfläche erfolgen und damit auch eine sehr exakte Bestimmung der Bombierung der Walze.

Natürlich ist es auch denkbar, dass mehrere Temperiereinrichtungen um den Umfang der Walze herum angeordnet sind. Denkbar ist auch ein Versatz der Temperierelemente bzw. der einzelnen Heiz- und/oder Kühlelemente. Die Sensoren zur Ermittlung der Bombierung der Walze werden bevorzugt natürlich zwischen den einzelnen Temperierelementen an geeigneter Position, bevorzugt aber auf einer Linie über die Breite der Walze hinweg angeordnet. Eine besondere Ausgestaltung der Walze könnte die Bombierung noch erleichtern. Diese sieht vor, dass die Walze nicht aus Vollmaterial gebildet ist, sondern einen Walzenmantel von einem Kern trennt, wobei zusätzlich noch zwischen Walzenmantel und Kern eine Isolierschicht eingelegt sein kann. Hierdurch wird es möglich, eine Bombierung schneller zu erzeugen bzw. zu korrigieren, da der Walzenmantel schneller auf einen Wärmeeintrag reagiert. Vor allem eine Reduktion der Bombierung durch Kühlung erfolgt beschleunigt.

Figurenbeschreibung

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Figur 1 eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Herstellen eines flächigen Substrats;

Figur 2 eine schematisch dargestellte Draufsicht des oberen Teils der Vorrichtung gemäss Figur 1 ;

Figur 3 eine perspektivische Ansicht des Teils der Vorrichtung gemäss Figur 2;

Figur 4 eine schematisch dargestellte Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Herstellen eines flächigen Substrats;

Figur 5 eine Frontansicht eines oberen Teils der Vorrichtung gemäss Figur 4.

Von einer erfindungsgemässen Vorrichtung P zum Herstellen eines flächigen Substrats ist in Figur 1 eine obere Walze 1 gezeigt, die zusammen mit einer unteren Walze 2 einen Walzenspalt 3 ausbildet, durch den ein flächiges Substrat 4 läuft. Dieses flächige Substrat 4 kann beispielsweise eine Folie sein.

Zentrisch durchziehen Walzenachsen A die Walzen 1 bzw. 2, wobei die Walzen 1 bzw. 2 um diese Walzenachsen A drehen. Gelagert sind die Walzen 1 bzw. 2 über Wellenstummel 5. Für die obere Walze 1 ist in Figur 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet, dass hier einem inneren Kern 6 der Walze 1 ein Walzenmantel 7 zugeordnet ist. Die gestrichelte Linie 8 soll eine Isolierschicht darstellen.

Des weiteren ist oberhalb der Walze 1 eine Temperiereinrichtung 9 vorgesehen, die entsprechend dem Walzenmantel 7 gekrümmt ausgebildet ist. In Figur 2 ist ferner erkennbar, dass diese Temperiereinrichtung aus einer Vielzahl von Heiz- und/oder Kühlelementen 10.2 bzw. 10.1 besteht, die hier in Reihe nebeneinander über die Breite der Walze 1 angeordnet sind. Auch in Figur 3 sind sie deutlich erkennbar.

In Figur 3 wird ferner gezeigt, dass über der Walze 1 Sensoren 11 angeordnet sind, welche entlang einer gestrichelt angedeuteten Breite der Walze 1 die Oberflächenausgestaltung und insbesondere die Bombierung oder auch die Biegelinie der Walze 1 ermitteln.

Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:

In vielen Fällen ist es notwendig, dass bei der Fierstellung eines flächigen Substrats die Dicke des Substrats sehr genau eingehalten werden muss. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass sich die Temperaturen in der Vorrichtung und insbesondere die Temperatur der Walzen 1 und 2 sowie auch des Substrats 4 verändern. Dies führt über die Zeit gesehen auch zu einer Änderung der Dicke des flächigen Substrats, wobei sich die Dicke auch über die Breite des Substrats unterschiedlich verändern kann. Dies soll erfindungsgemäss durch entsprechende Änderung der Bombierung von einer Walze 1 oder von beiden Walzen 1 und 2 ausgeglichen werden.

Das bedeutet, dass die Ersteinstellung des Walzenspaltes 3 auf eine gewünschte Dicke des Substrats anhand von Fachkenntnis bzw. Kennlinien erfolgt. Wird eine Änderung der Dicke des Substrats festgestellt, so wird über eine entsprechende Regelung die Temperiereinrichtung angesprochen. Den einzelnen Temperierelementen, welche aus Heiz- und/oder Kühlelementen 10 bestehen, wird nun der Befehl gegeben, die Oberfläche der Walze 1 bzw. 2 entsprechend zu beheizen bzw. zu kühlen, so dass sich die Bombierung der Walze ändert. Diese Änderung wird laufend durch die Sensoren 11 ermittelt und deren Wert mit den erzielten Änderungen der Dicke des flächigen Substrats, die separat in einer nachgeschalteten Kontrolleinrichtung über die Breite des Substrats ermittelt wird, verglichen. Bevorzugt ist dabei die Regelung als künstliche Intelligenz ausgestaltet, welche aus den ermittelten Parametern und Änderungen Kennlinien erzeugt, die laufend angepasst werden.

In den Figuren 4 und 5 ist eine etwas abgeänderte Vorrichtung P1 zum Herstellen eines flächigen Substrats 4 dargestellt. Die Änderungen beziehen sich dabei nicht auf die Walzen 1 und 2, sondern auf die Temperiereinrichtung 9.1. Diese besteht aus einer Vielzahl von Heiz- und Kühlelementen 10.2 bzw. 10.1 , die um die Achse A der Walze 1 herum versetzt um deren Umfang in

Reihe über die Breite der Walze hinweg angeordnet sind. In entsprechenden Zwischenräumen 12 zwischen den Heiz- und/oder Kühlelementen können dann die Sensoren 11 zur Ermittlung der Bombierung der Walze 1 angeordnet sein. Die Funktionsweise der beiden Vorrichtungen P und P1 sind aber gleich.

Bezugszeichenliste