Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem fließfähigen Material.

Ein derartiges Substrat kann z.B. eine Druckform sein, die mit einem polymeren Beschichtungsmaterial beschichtet werden kann. Der Begriff Substrat bzw. Druckform soll nachfolgend insbesondere als Oberbegriff für Tiefdruckformen, Hochdruckformen oder Strukturformen zum Prägen, aber auch für Beschichtungswalzen oder Einfärbewalzen verwendet werden.

Aus der WO 2021 /052641 Al ist eine Druckform und ein polymeres Beschichtungsmaterial dafür bekannt. Bei dem Beschichtungsmaterial handelt es sich um ein polymeres Nanokomposit, das als Einzelschicht für Druckformen aufgebaut werden kann. Das polymere Nanokomposit wird in fließfähiger Form auf die zylindrische Außenseite der Druckform aufgetragen und nachfolgend durch Bestrahlung mit UV- Licht ausgehärtet. Die dadurch entstandene Polymerschicht kann z.B. mithilfe von Infrarotlasern strukturiert werden, um eine Oberflächenstruktur zu erzeugen, die z.B. Näpfchen oder Strukturen zur Farbaufnahme oder zur Prägung aufweist, wie dies auch in der WO 2021 /052641 Al beschrieben ist.

Das Aufträgen und Aushärten eines noch fließfähigen Polymers, wie z.B. des oben genannten Nanokomposits ist aufwändig. Die Aushärtung soll insbesondere mit UV- Licht erfolgen. Um eine effiziente und emissionsarme, d.h. ozonfreie, Aushärtung zu realisieren, werden dabei zunehmend UV-LEDs eingesetzt, die aufgrund der vorherrschenden Sauerstoffinhibierung der Oberfläche der radikalischen Polymerisation auf eine Inertisierung der Oberfläche angewiesen sind.

Die Anforderungen an die Oberflächenqualität der Polymerbeschichtung sind hoch, da diese unmittelbar die Druckqualität beeinflussen kann, wenn es sich bei dem zylindrischen Substrat um einen Druckzylinder, wie z.B. einem Tiefdruckzylinder handelt. Eine ungleichmäßige Polymeroberfläche würde sich in einem schlechten Druckbild niederschlagen.

Für dünne metallische Verschleißschutzschichten haben sich galvanische Verfahren sowie Vakuumverfahren wie PVD oder CVD etabliert. Bei dickeren Hartstoffschichten sind unter anderem Flammspritzverfahren wie das HVOF-Verfahren bekannt. Dünne Kunststoffüberzüge können z.B. mittels Sprühverfahren, z.B. bei niedrig viskosen Lacken oder Pulvern, aufgetragen werden.

Bei Bahnbeschichtungen können Walzen-, Rakel-, Schlitzdüsenbeschichtungen oder Druckverfahren verwendet werden.

Dickere Kunststoffschichten werden häufig mittels Extruder aufgebracht. Dabei kommt es zu Überlappungen, die zu großen Schichtdickenschwankungen führen können.

Die genannten Verfahren können jedoch entweder die geforderte Oberflächenqualität und Gleichmäßigkeit der Schichtdicke nicht erreichen oder nicht wirtschaftlich betrieben werden.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen eine format- und umfangsunabhängige, gleichzeitig aber auch effiziente, genaue und nahtlose Beschichtung von verschiedenen zylinderförmigen Substraten mit einem fließfähigen Material ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Beschichtungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Es wird eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem fließfähigen Material angegeben, mit einer Zufuhrdüse zum Aufbringen des Materials auf ein Substrat; mit einem Glättrakel, das stromab von der Zuführdüse angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, um eine Oberfläche des auf dem Substrat aufgebrachten Materials zu glätten; und mit einer Krafterzeugungseinrichtung zum Aufbringen einer Kraft auf das Glättrakel und damit Auslenken des Glättrakels aus einer Ruhestellung und Bewegen des Glättrakels in Richtung der Oberfläche des auf dem Substrat aufgebrachten Materials; wobei die von der Krafterzeugungseinrichtung auf das Glättrakel aufbringbare Kraft veränderbar ist; und wobei die Krafterzeugungseinrichtung eine Kraftsteuerung aufweist, zum Einstellen der durch die Krafterzeugungseinrichtung auf das Glättrakel aufbringbaren Kraft.

Bei dem zu beschichtenden zylindrischen Substrat kann es sich um Walzen aller Art handeln, insbesondere um Druckformen, wie Tiefdruckformen oder -Zylinder, Strukturformen oder -Zylinder, Prägeformen oder -Zylinder sowie Hochdruckformen oder -Zylinder oder Beschichtungswalzen sowie Einfärbewalzen, z.B. für den Flexodruck.

Bei dem fließfähigen Material kann es sich insbesondere um ein fließfähiges Polymermaterial handeln.

Z.B. kann es sich um ein polymeres Beschichtungsmaterial handeln, wie es z.B. in der WO 2021 /052641 Al beschrieben ist. Insbesondere kann es sich bei dem Polymer um ein Beschichtungsmaterial zum Beschichten einer Druckform handeln, aufweisend ein flüssiges Ausgangsmaterial, das durch UV-Licht polymerisierbar ist, um eine Polymermatrix zu bilden, einen Füllstoff, der eine sub-mikroskalige Größe aufweist, wobei das Beschichtungsmaterial zusätzlich zu dem sub-mikroskaligen Füllstoff einen weiteren Füllstoff enthält, wobei der sub-mikroskalige Füllstoff in Partikelform vorliegt und dessen Größe in einem Bereich zwischen 100 nm und 999 nm liegt, wobei der weitere Füllstoff ein nanoskaliger Füllstoff ist, derart, dass der weitere Füllstoff Füllstoffpartikel mit einer nanoskaligen Größe in einem Bereich zwischen 1 nm und 99 nm aufweist, wobei der sub-mikroskalige Füllstoff aus wenigstens einem Metalloxid und/oder einem Halbmetalloxid besteht, ausgewählt aus metalloxidbeschichtetem Glimmer, TiC>2 oder (Sn, Sb)C>2, wobei es sich bei dem nanoskaligen Füllstoff um Metall- und/oder Halbmetalloxide handelt, ausgewählt aus AI2O3, SiO2, iC>2, ZrC>2 oder metallorganischen Partikeln, wobei der sub-mikroskalige Füllstoff kovalent in eine Polymermatrix des Ausgangsmaterials einbindbar ist, wobei der nanoskalige Füllstoff zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit enthalten ist, der kovalent in die Polymermatrix des Ausgangsmaterials einbindbar ist, und wobei durch den sub-mikroskaligen Füllstoff in dem Ausgangsmaterial eine Absorption von IR-Strahlung bewirkbar ist, die höher ist als eine Absorption ohne Füllstoff.

Das Glättrakel ist stromab von der Zuführdüse angeordnet und eignet sich dazu, die auf das Substrat aufgebrachte Materialschicht zu glätten und dabei insbesondere Zwischenräume und Spalte, die beim Aufträgen des Materials zwischen benachbarten Materiallagen entstanden sind, zu schließen.

Dazu wird das Glättrakel mit Hilfe der Krafterzeugungseinrichtung auf die Materialschicht aufgedrückt, wobei die Anpresskraft idealerweise geregelt ist. Eine zu große Anpresskraft führt zu einer großen Veränderung der Schichtdickenverteilung, während eine zu geringe Anpresskraft ein Schließen des Übergangsspalts zwischen den benachbarten Schichten verhindert. Es hat sich dabei gezeigt, dass aufgrund von unterschiedlichen Viskositäten, Oberflächenspannungen und anderen Materialvariablen verschiedene Flächenpressungen durch das Glättrakel realisierbar sein sollten.

Das Glättrakel kann aus einem dünnen Kunststoffblatt bestehen, das sich in geeigneter Weise verformen lässt, so dass es sich an die Oberfläche des zu glättenden Materials anpasst.

Die Krafterzeugungseinrichtung ist dazu ausgebildet, um das Glättrakel aus seiner Ruhestellung auszulenken und zu bewegen. Die Ruhestellung ist insoweit eine Ausgangsstellung. Mit Hilfe der Krafterzeugungseinrichtung und der damit gekoppelten Kraftsteuerung kann, die durch die Krafterzeugungseinrichtung auf das Glättrakel aufgebrachte Kraft präzise eingestellt werden, damit das Glättrakel seinerseits mit der entsprechenden Kraft auf das zu glättende Material aufgedrückt wird.

Die Schichtstärke des Materials kann z.B. 10 bis 500 fim, insbesondere 10 bis 250 /zm als Soll-Schichtstärke betragen. Die Abweichung von der Soll-Schichtstärke sollte geringfügig sein, und z.B. in einem Bereich von bis zu +5% oder bis zu ±3% liegen.

Es kann eine Fördereinrichtung vorgesehen sein, zum Fördern des fließfähigen Materials von einem Materialvorrat zu der Zuführdüse. Insbesondere fließfähiges Polymer erfordert eine anspruchsvolle Förderung. Diese kann z.B. durch eine Spritzenpumpe, eine Exzenterschneckenpumpe bzw. einen Dispenser verwirklicht werden. Gegebenenfalls kann ein Sieb oder ein Filter an geeigneter Stelle zwischengeschaltet sein.

Der Materialfluss sollte pulsationsfrei, konstant und hinreichend genau einstellbar sein, um die Schichtstärke in der gewünschten Genauigkeit und Qualität zu erreichen. Die zulässigen Abweichungen bei der Materialförderung können je nach Anforderung gering sein und z.B. bis zu ±3% oder besser bis zu +1 % betragen.

Die Zuführdüse kann eine zylindrische Zuführung und einen sich in Fließrichtung daran anschließenden Materialauslass aufweisen. Der Materialauslass endet dann an der Düsenöffnung der Zuführ düse.

Der Materialauslass bzw. die Düsenöffnung kann einen schlitzförmigen Querschnitt aufweisen, der sich über einen bestimmten Winkel verjüngt. Der schlitzförmige Querschnitt kann im Wesentlichen viereckig bzw. rechteckig sein. Um eine Beschichtung mit geringer Schichtdicke auf dem Substrat zu erzeugen, sollte dabei die Breite des schlitzförmigen Querschnitts deutlich größer als die Tiefe sein. Z.B. kann die Breite 5 bis 30 mm betragen, während die Tiefe 1 bis 3 mm betragen kann. Damit kann ein Materialstrang mit geringer Dicke aber ausreichender Breite erzeugt werden. Eine ausreichende Breite ist notwendig, um das Substrat wirtschaftlich und effizient schnell beschichten zu können.

Der Verjüngungswinkel am Materialauslass kann z.B. 1 bis 7° betragen. Der Verjüngungswinkel bewirkt dadurch eine zunehmende Fließgeschwindigkeit, die für die Erzeugung der Materialschicht vorteilhaft ist.

Der Abstand zwischen der Zuführdüse bzw. dem Materialauslass der Zuführdüse und dem Substrat kann im Bereich von z.B. 1 S bis 4 S liegen, wobei S die gewünschte Schichtstärke ist.

Das Glättrakel kann eine Vorderseite aufweisen, die mit dem zu glättenden Material in Kontakt bringbar ist, sowie eine zu der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite. Dabei kann die Rückseite des Glättrakels durch ein Stützrakel abgestützt sein, wobei die Krafterzeugungseinrichtung auf das Stützrakel wirkt.

Das Glättrakel kann, wie oben bereits erläutert, aus einem Kunststoffblatt bestehen und damit hinsichtlich seiner Form instabil sein. Eine direkte Einwirkung der Krafterzeugungseinrichtung, z.B. eines Druckkolbens, auf das instabile Glättrakel würde die Form des Glättrakels stören, so dass das Glättrakel nicht mehr seine Aufgabe einer gleichmäßigen Glättung der Oberfläche des zu glättenden Materials erfüllen könnte. Das dahinterliegende Stützrakel hingegen ist formstabil und kann z.B. aus einem Federblech bzw. Federstahl bestehen. Es ist in der Lage, die Kraft von der Krafterzeugungseinrichtung aufzunehmen und gleichmäßig flächig auf die gesamte Rückseite oder jedenfalls einen Teil davon des Glättrakels zu übertragen. Das Stützrakel bewirkt somit, dass das Glättrakel seine ebene Form behält und nicht bei Krafteinwirkung durch die Krafterzeugungseinrichtung verformt werden kann.

Die Krafterzeugungseinrichtung kann einen Druckkolben aufweisen, der gegen die Rückseite des Glättrakels oder gegen die Rückseite des Stützrakels wirkt. Wie oben bereits erläutert, ist es dabei insbesondere vorteilhaft, wenn die Krafterzeugungseinrichtung auf die Rückseite des Stützrakels wirkt, damit die Kraft der Krafterzeugungseinrichtung gleichmäßig und flächig vom Stützrakel auf das Glättrakel übertragen werden kann. Der Druckkolben kann dabei z.B. pneumatisch betätigt werden, was eine gute Steuerbarkeit erlaubt. Wenigstens ein Teil des Glättrakels kann an seiner Vorderseite durch ein Rückstellrakel abgestützt sein. Das Rückstellrakel kann aus einem Blech bzw. Federblech bestehen und sich z.B. nur bis zur Hälfte der Vorderfläche des Glättrakels oder nur bis zu einem Drittel erstrecken. Dabei sollte sichergestellt sein, dass das Rückstellrakel nicht in Kontakt mit dem Substrat oder dem zu glättenden fließfähigen Material gerät. Der Kontakt sollte ausschließlich über das Glättrakel erfolgen.

Das Rückstellrakel erzeugt aufgrund seiner Federwirkung eine Gegenkraft zu der Kraft der Krafterzeugungseinrichtung, die über das Stützrakel eingebracht wird. Dabei kann das Rückstellrakel insbesondere dann, wenn die Kraft der Krafterzeugungseinrichtung reduziert wird oder ganz abgeschaltet wird, das Glättrakel zusammen mit dem Stützrakel in deren Ausgangsstellung bzw. Ruhestellung zurückbewegen.

Es kommt auf diese Weise zu einem Zusammenwirken zwischen der Krafterzeugungseinrichtung und dem Rückstellrakel, so dass die Stellung und Position des Glättrakels mit dem Stützrakel stets definiert ist und durch die Krafterzeugungseinrichtung bestimmt werden kann. Je größer die Kraft von der Krafterzeugungseinrichtung ist, desto stärker wird das Glättrakel gegen die Wirkung des Rückstell- rakels ausgelenkt. Wird die Kraft von der Krafterzeugungseinrichtung hingegen reduziert, drängt das Rückstellrakel das Glättrakel wieder zurück in seine Ausgangsstellung.

Es wird weiterhin ein Beschichtungssystem zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem fließfähigen Material angegeben, mit einer Beschichtungsvorrichtung der oben beschriebenen Art; mit einer Substrataufnahme zum Tragen des zylindrischen Substrats; mit einer Translationseinrichtung zum Bewegen der Beschichtungsvorrichtung in einer Translationsrichtung; mit einer Rotationseinrichtung zum Bewegen des von der Substrataufnahme getragenen Substrats in einer Rotationsrichtung; und mit einer Bewegungssteuerung, die ausgebildet ist, um die Bewegung durch die Translationseinrichtung mit der Bewegung der Rotationseinrichtung derart zu koordinieren, dass die Beschichtungsvorrichtung relativ zu dem Substrat eine Spiralbewegung vollzieht.

Auf diese Weise kann die Beschichtungsvorrichtung relativ zu dem sich drehenden Substrat bewegt werden. Die Translationsrichtung kann dabei insbesondere die Längsrichtung des Substrats, also z.B. deren Mittelachse sein, während das Substrat selbst um seine Hauptachse bzw. Mittelachse gedreht wird. Durch die überlagerte Bewegung mit der Rotation des Substrats und der Translation der Beschichtungsvorrichtung kann die gewünschte relative Spiralbewegung erreicht werden. Damit kann das fließfähige Material auf der Oberfläche des Substrats gleichmäßig aufgebracht werden und nimmt dabei eine spiralförmige Bahn ein, wobei die Bahnelemente lückenlos nebeneinander platziert sein sollten, so dass der verbleibende geringe Spalt problemlos durch die Wirkung des Glättrakels verschlossen werden kann. Im Idealfall lässt sich die Spiralbewegung derart präzise einstellen, dass praktisch keine Spalte zwischen den nebeneinanderliegenden Lagen entstehen.

Es kann eine Positionierungseinrichtung vorgesehen sein, zum Positionieren der Beschichtungsvorrichtung relativ zu dem Substrat in Radialrichtung des Substrats. Auf diese Weise können insbesondere die Zuführdüse und das Glättrakel relativ zu dem Substrat positioniert, also gehalten und/oder bewegt werden.

Die Positionierungseinrichtung kann eine Abstandsregeleinrichtung aufweisen, wobei die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsmesseinrichtung zum Messen des Abstands zwischen der Beschichtungsvorrichtung und dem Substrat aufweisen kann, und wobei die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsstelleinrichtung aufweisen kann, zum Einstellen des Abstands der Beschichtungsvorrichtung zu dem Substrat, derart, dass der Abstand einem vorgegebenen Wert entspricht.

Die Abstandsmessung kann dabei induktiv, kapazitiv oder lasergestützt erfolgen, so dass der Abstand variabel und mechanisch präzise eingestellt werden kann. Die Abstandsmesseinrichtung stellt insoweit einen Abstandssensor dar.

Es wird ein Verfahren zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem fließfähigen Material angegeben, mit den Schritten:

Bereitstellen einer Beschichtungsvorrichtung, mit einer Zuführdüse zum Aufbringen des Materials auf ein Substrat und mit einem Glättrakel, zum Glätten einer Oberfläche des auf dem Substrat aufgebrachten Materials Bewegen des Substrats in eine Rotationsrichtung;

Bewegen der Beschichtungsvorrichtung entlang einer Oberfläche des Substrats parallel zu einer Achse des Substrats; während dem Bewegen des Substrats und der Beschichtungsvorrichtung: Aufbringen des Materials auf das Substrat durch die Zuführ düse;

Glätten einer Oberfläche des auf dem Substrat aufgebrachten Materials durch das Glättrakel; während des Glättens Aufbringen einer Kraft auf das Glättrakel; Regeln der durch auf das Glättrakel aufgebrachten Kraft auf einen voreingestellten Wert.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Beschichtungssystem zum Aufträgen einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat;

Fig. 2 eine Beschichtungsvorrichtung als Teil des Beschichtungssystems von Fig. 1 , zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem Polymer;

Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht zu der Vorrichtung von Fig. 2;

Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung "C" aus Fig. 2;

Fig. 5 ein Härtungssystem zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat;

Fig. 6 eine Härtungsvorrichtung als Teil des Härtungssystems von Fig. 5;

Fig. 7 eine Ausschnittsvergrößerung zu der Härtungsvorrichtung von Fig. 6; und

Fig. 8 eine geschnittene seitliche Teilansicht zu der Härtungsvorrichtung von Fig- 6.

Fig. 1 zeigt in Perspektivansicht ein Beschichtungssystem als Teil eines Schichterzeugungssystems zum Erzeugen einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat 1.

Bel dem Substrat 1 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine Druckform, nämlich um einen Tiefdruckzylinder zum Einsatz für den Tiefdruck. Der Tiefdruckzylinder soll mit einem fließfähigen Polymer beschichtet werden. Dabei kann es sich z.B. um den aus der WO 2021 /052641 Al bekannten Nanokomposit handeln. Die Polymerbeschichtung des Tiefdruckzylinders ist geeignet, dass durch Laserbehandlung, insbesondere mit einem Nahfeld-Infrarot-Laser (NIR) kleine Vertiefungen, sogenannte Näpfchen, erzeugt werden, die die Druckfarbe aufnehmen und auf das zu bedruckende Objekt übertragen können. Zu diesem Zweck muss die Polymerschicht eine relativ geringe Dicke (Schichtstärke) von z.B. 10 /zm bis 500 zm, insbesondere 10 zm bis 250 /zm aufweisen.

Das Substrat 1 bzw. der Tiefdruckzylinder ist in einer nicht gezeigten Aufnahme in einer Rotationsrichtung R drehbar gehalten.

An der Außenseite des Substrats 1 ist eine Beschichtungsvorrichtung 2 vorgesehen, die in eine Translationsrichtung X entlang der Außenseite des Substrats 1 bewegt werden kann. Die Beschichtungsvorrichtung 2 dient zum Aufträgen des noch fließfähigen Polymermaterials auf die zylinderförmige Mantelfläche des Substrats 1.

Bei Überlagerung der Translationsbewegung der Beschichtungsvorrichtung 2 in Translationsrichtung X und der Rotation des Substrats 1 in Rotationsrichtung R vollzieht die Beschichtungsvorrichtung 2 relativ zu der Außenseite des Substrats 1 eine spiralförmige Bewegung, wie in Fig. 1 durch einen Pfeil S gezeigt. Dadurch kann mithilfe der Beschichtungsvorrichtung 2 fließfähiges Polymermaterial mit einer Breite von z.B. einigen Millimetern, z.B. 5 mm bis 30 mm auf die Außenseite des Substrats 1 aufgetragen werden. Durch die spiralförmige Relativbewegung kann eine Polymerlage neben der anderen spiral- bzw. schraubenförmig aufgebracht werden, so dass schließlich die gesamte Mantelfläche des Substrats oder ein Teil davon gleichförmig mit einer Polymerschicht bedeckt ist. Mit Hilfe von später noch erläuterten Glättungselementen kann ein dabei entstehender Spalt zwischen den nebeneinander liegenden Polymerlagen gleichförmig verschlossen werden, so dass eine gleichmäßige homogene Polymerschicht entsteht.

Für das Aufträgen des Polymermaterials ist es erforderlich, dass die Beschichtungsvorrichtung 2 einen gleichförmigen, sehr engen Abstand zu der Substratoberfläche einhält. Zu diesem Zweck kann die Beschichtungsvorrichtung 2 durch eine nicht dargestellte Beschichtungs-Positionierungseinrichtung in Radialrichtung Z des Substrats 1 bewegt werden. Die Beschichtungs-Positionierungseinrichtung kann für diesen Zweck eine Abstandsregeleinrichtung mit einer Abstandsmesseinrichtung 3 aufweisen. Die Abstandsmesseinrichtung 3 kann je nach Ausführungsform induktiv, kapazitiv oder lasergestützt als Abstandssensor arbeiten und die Abstandsregelung unterstützen. Die Fig. 2 bis 4 zeigen die Beschichtungsvorrichtung 2 im Detail, wobei Fig. 2 einen Hauptschnitt darstellt, Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht zu Fig. 2 und Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung C von Fig. 2.

Die Beschichtungsvorrichtung 2 weist einen Trägerkörper 5 auf. In dem Trägerkörper 5 ist eine Zuführdüse 6 gehalten, der Beschichtungsmaterial 7 in Form von fließfähigem Polymermaterial zugeführt wird. Das Beschichtungsmaterial 7 kann durch eine kontinuierliche, pulsationsfreie und genaue Materialförderung, z.B. mit Hilfe von Spritzenpumpen oder Exzenterschneckenpumpen (Dispenser) zugeführt werden.

Die Zuführdüse 6 weist eine zylindrische Materialzuführung 8 auf, die sich konisch zu einer Austrittsöffnung 9 hin verjüngt. Die Austrittsöffnung 9 kann eine Tiefe T von z.B. 1 bis 3 mm und eine Breite B von 5 bis 30 mm aufweisen, wobei auch andere Abmessungen möglich sind.

Zudem kann sich die Zuführdüse 6 zur Austrittsöffnung 9 (Materialauslass) hin mit einem Verjüngungswinkel verjüngen. Ein Verjüngungswinkel a von z.B. 1 ° bis 7° stellt eine laminare Strömung und eine zunehmende Fluidgeschwindigkeit des Beschichtungsmaterials 7 kurz vor dem Austreten des Materials sicher.

Es hat sich herausgestellt, dass bei Abständen der Zuführdüse 6 bzw. insbesondere der Austrittsöffnung 9 der Zuführdüse 6 zum Substrat 1 im Bereich von IxS bis 4xS, wobei S die gewünschte Schichtstärke auf dem Substrat 1 ist, ein ausreichend großer Meniskus bzw. eine ausreichend große Ferse am Düsenauslauf erzeugt wird, wodurch eine vollständige Benetzung über die gesamte Düsenbreite sichergestellt wird. Bei einem konstanten Abstand stellt sich somit auch eine konstante Schichtstärke ein.

In Drehrichtung gesehen stromab von der Zuführdüse 6 ist an dem Trägerkörper 5 ein Glättrakel 10 befestigt, um die Oberfläche des auf dem Substrat 1 aufgebrachten Polymermaterials zu glätten. Das Glättrakel 10 kann z.B. ein Kunststoffblatt sein. Die Kunststoffoberfläche des Glättrakels 10 ist gut geeignet, um die gewünschte Oberflächenqualität auf dem glattgestrichenen Polymer zu erreichen.

An der Rückseite des Glättrakels 10 ist ein Stützrakel 1 1 über die gesamte Rückenfläche des Glättrakels 10 angeordnet. Das Stützrakel 1 1 kann das aus Federstahl bestehen. Das Stützrakel 1 1 stützt somit die Form des Glättrakels 10 und gewährleistet eine ausreichend große Andrückkraft des Glättrakels 10 auf das zu glättende bzw. zu verstreichende Polymer.

Fig. 4 zeigt das Glättrakel 10 und das Stützrakel 1 1 in vergrößerter Darstellung.

An der Vorderseite des Glättrakels 10 ist ein ebenfalls aus Stahl bzw. Federstahl bestehendes Rückstellrakel 12 vorgesehen, das sich über eine Teilfläche des Glättrakels 10 erstreckt (Fig. 4). Z.B. kann sich das Rückstellrakel 12 über die Hälfte oder ein Drittel der Fläche des Glättrakels 10 erstrecken.

Die Rakel 10, 1 1 , 12 sind gemeinsam seitlich an einer Rakelbefestigung 13 an dem Trägerkörper 5 befestigt.

Rückseitig von dem Glättrakel 10 ist ein Druckkolben 14 vorgesehen, der durch einen Pneumatikzylinder 15 beaufschlagt und bewegt wird, der wiederum über eine Pneumatikzuführung 16 mit Druckluft angesteuert wird. Durch die Druckluft im Pneumatikzylinder 15 kann der Druckkolben 14 nach unten gegen das Stützrakel 1 1 und damit das Glättrakel 10 angepresst werden und somit das Stützrakel 1 1 mit dem Glättrakel 10 gegen das Rückstellrakel 12 andrücken. Das Rückstellrakel 12 übt eine Gegenkraft gegen die Wirkung des Druckkolbens 14 aus, so dass sich ein Kräftegleichgewicht in Abhängigkeit von dem anliegenden Luftdruck einstellt. Damit lässt sich die Anpresskraft des Glättrakels 10 gegen das zu glättende Polymermaterial präzise einstellen.

Die Anpresskraft des Glättrakels 10 auf die aufgebrachte Polymerschicht kann mit Hilfe einer Regelung eingestellt werden. Eine zu große Anpresskraft führt zu einer großen Veränderung der Schichtverteilung, während eine zu geringe Anpresskraft ein Schließen des Übergangsspalts zwischen den einzelnen Spiralbeschichtungen verhindert. Es hat sich gezeigt, dass aufgrund von unterschiedlichen Viskositäten, Oberflächenspannungen und anderen Materialvariablen eine Bandbreite von Flächenpressungen des Glättrakels 10 auf das Polymermaterial realisierbar sein muss.

Die Breite des Glättrakels 10 kann das Zwei- bis Dreifache bzw. bis zum Fünffachen bzw. bis zum Zehnfachen der Breite einer Spiralschicht betragen, um eine große Auflagefläche und eine gleichmäßige Schichthomogenisierung sicherzustellen.

Fig. 5 zeigt ein Härtungssystem als weiteren Teil des Schichterzeugungssystems zum Erzeugen einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat. Die in Fig. 5 gezeigten Komponenten können insbesondere eine Ergänzung zu den in Fig. 1 gezeigten Komponenten darstellen, so dass das gesamte Schichterzeugungssystem die Komponenten der Fig. 1 und 5 zusammenfasst, also zunächst das Aufträgen einer Schicht aus einem fließfähigen Polymer auf dem Substrat 1 und danach das Aushärten der Polymerschicht auf dem Substrat 1 .

Bei dem Härtungssystem von Fig. 5 wird dementsprechend davon ausgegangen, dass das Substrat 1 bereits mit einer fließfähigen Polymerschicht bedeckt ist, die nun aber noch gehärtet werden muss, um formstabil zu werden und dem eigentlichen Zweck, z.B. als Tiefdruckwalze dienen zu können.

Das Substrat 1 , z.B. die Tiefdruckwalze, wird - wie bei dem System von Fig. 1 - weiterhin in der nicht dargestellten Aufnahme gehalten und in Rotationsrichtung R gedreht.

Am Umfang des Substrats 1 ist eine Härtungsvorrichtung 20 angeordnet, die die Polymerschicht mit Hilfe von UV-Licht härtet.

Das gesamte, mit Komponenten der Fig. 1 und 5 gebildete Schichterzeugungssystem kann somit die in Fig. 1 gezeigte Beschichtungsvorrichtung 2 und die Härtungsvorrichtung 20 aufweisen. Damit lässt sich zunächst durch die Beschichtungsvorrichtung 2 eine Polymerschicht auf der Mantelfläche des Substrats 1 auftragen und nachfolgend durch die Härtungsvorrichtung 20 mithilfe von UV-Lichtbestrahlung härten. Bei beiden Verfahrensschritten kann das Substrat 1 um seine Haupt- bzw. Längsachse gedreht werden, während die Beschichtungsvorrichtung 2 einerseits und die Härtungsvorrichtung 2 andererseits entlang der Mantelfläche bewegt werden.

Bei der UV-Härtung von Polymeren mittels LED besteht die Gefahr, dass die durch die UVA Strahlung der LED freigesetzten freien Radikale des Photoinitiators durch den Luftsauerstoff gebunden werden und somit eine vollständige Oberflächenhärtung verhindert wird. Daher muss die UV-Bestrahlung unter Inertgasatmosphäre erfolgen. Um das zu erreichen, weist die Härtungsvorrichtung 20 nicht nur eine UV- Lichteinrichtung 21 , sondern auch eine Inertgaszuführeinrichtung 22 auf.

Analog zu der Beschichtungsvorrichtung 2 in Fig. 1 weist auch die Härtungsvorrichtung 20 eine nicht gezeigte Härtungs-Translationseinrichtung auf, mit der die Härtungsvorrichtung 20 in einer Translationsrichtung X entlang der Längsachse des Substrats 1 bewegt werden kann. Parallel dazu vollzieht das Substrat die Rotation in Rotationsrichtung R, so dass sich resultierend die Spiralbewegung S ergibt. Auf diese Weise kann die Härtungsvorrichtung 20 mit der UV-Lichteinrichtung 21 die gesamte Oberfläche der auf der Mantelfläche des Substrats 1 ausgebrachten Polymerschicht überstreichen und auf diese Weise das Polymer aushärten.

Analog wie die oben beschriebene Beschichtungsvorrichtung 2 weist auch die Härtungsvorrichtung 20 eine nicht dargestellte Härtungs-Positionierungseinrichtung auf, mit einer Abstandsregeleinrichtung, um den Abstand der Härtungsvorrichtung 20 in Richtung Z, d.h. in Richtung der Oberfläche des Substrats 1 (Radialrichtung des Substrats 1 ) einstellen zu können. Zu diesem Zweck ist eine Abstandsmesseinrichtung 23 vorgesehen. Das präzise Einhalten des Abstands ist wichtig, um ein zufriedenstellendes Härtungsergebnis erreichen zu können.

Fig. 6 zeigt die Härtungsvorrichtung 20 in vergrößerter Schnittdarstellung. Die Härtungsvorrichtung 20 wird in Relation zu zwei Substraten la, 1b mit unterschiedlicher Größe dargestellt, um zu verdeutlichen, dass die Härtungsvorrichtung 20 für Substrate 1 mit deutlich unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt werden kann.

Etwa mittig weist die Härtungsvorrichtung 20 die UV-Lichteinrichtung 21 auf, die im gezeigten Beispiel senkrecht angeordnet ist und an deren Unterseite das UV- Licht über eine Lichtöffnung 21a (Fig. 7) austreten kann, wie später noch erläutert wird.

Die in Fig. 6 rechts von der UV-Lichteinrichtung 21 angeordnete Inertgas-Zuführeinrichtung 22 weist eine Gaszuleitung 24 auf, über die Inertgas von einem Speicher, z.B. einer Gasflasche oder einem Gastank zugeführt wird. Als Inertgas ist insbesondere Stickstoff gut geeignet. Der Zufluss des Inertgases zu der Lichtöffnung 21a der UV-Lichteinrichtung 21 wird durch einen Massenflussregler 25 geregelt. Dies wird später noch im Detail erläutert.

Fig. 7 zeigt den Bereich unterhalb der UV-Lichteinrichtung 21 in einer gegenüber der Fig. 6 vergrößerten Darstellung. Die als Austrittsöffnung der UV-Lichteinrich- tung 21 dienende Lichtöffnung 21a, an der das UV-Licht austritt, um das Polymermaterial zu bestrahlen, ist durch eine Quarzglasabdeckung 26 abgedeckt.

Zwischen der UV-Lichteinrichtung 21 bzw. der Quarzglasabdeckung 26 einerseits und der davon beabstandeten Oberfläche des mit der Polymerschicht bedeckten Substrats 1 andererseits ist ein Härtungsspalt 27 ausgebildet. Stromauf von der Quarzglasabdeckung 26 und dem Härtungsspalt 27 weist die Inertgaszuführeinrichtung 22 eine Einspüldüse 28 auf, über die das Inertgas über einen Gaseintritt 29 in den Härtungsspalt 27 eingeleitet werden kann. Die Einspüldüse 28 ist am Ende eines Einspültrichters 30 angeordnet, an den sich ein Einspülkanal 31 anschließt, wie Fig. 8 zeigt.

Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch den Einspülkanal 31 von Fig. 7. Dabei ist gut erkennbar, dass das über eine Gasleitung 32 von dem Massenflussregler 25 zugeführte Inertgas in dem Einspültrichter 30 aufgefächert und nachfolgend in dem schmalen Einspülkanal 31 beruhigt wird. In dem Einspülkanal 31 , der auch als Beruhigungsstrecke dient, kann eine im Wesentlichen laminare Strömung des Inertgases erreicht werden, so dass das Inertgas über die gesamte Breite der Einspüldüse 28 ausgelassen und dabei Polymermaterial auf den Substraten la, 1b abdecken kann, bevor dieser dann durch Inertgas geschützte Bereich des Polymermaterials die Lichtöffnung 21a an der Quarzglasabdeckung 26 im Härtungsspalt 27 erreicht, wo die UV-Bestrahlung stattfindet.

Nach dem Verlassen der Einspüldüse 28 ist zu erwarten, dass sich das Inertgas teilweise mit Luftsauerstoff vermischen wird, da sich der Bereich des Gaseintritts 29 in den Härtungsspalt 27 nicht vollständig zur Umgebung hin abdichten lässt. Der Härtungsspalt 27 wird somit nicht von reinem Inertgas, sondern von einem Gasgemisch durchströmt, das außer Inertgas auch Restbestandteile von Sauerstoff enthalten wird. Die zur Verringerung des Eintretens von Umgebungsluft vorgesehenen Dichtungsmaßnahmen sowie die Maßnahmen zum Erreichen eines vorgegebenen Anteils von Inertgas in dem Gasgemisch werden später noch erläutert.

Stromab von der Quarzglasabdeckung 26 bzw. dem Härtungsspalt 27, also nach der UV-Bestrahlung, endet der Härtungsspalt 27 an einem Gasaustritt 33. Dort ist eine Gasabführeinrichtung 34 mit einer nachfolgend angeordneten Messkammer 35 vorgesehen. Die Gasabführeinrichtung 34 kann insbesondere als Spalt ausgebildet sein und einen Verbindungskanal vom Ende des Härtungsspalts 27 (Gasaustritt 33) zur Messkammer 35 herstellen. Ein Teil des Inertgases wird somit über die Gasabführeinrichtung 34 bzw. zu der Messkammer 35 abgeführt, während ein anderer, nicht von der Gasabführeinrichtung 34 erfasster Teil des Inertgases an die Umgebung entweichen kann.

Zum Reduzieren der Inertgasaustritte bzw. -Verluste in die Umgebung ist der Härtungsspalt 27 allseitig, d.h. an allen vier Seiten durch berührungslose Dichtungen abgedichtet, die insbesondere in Form von Rakeldichtungen 36 ausgebildet sind. Die Rakeldichtungen 36 weisen ein oder mehrere Blechelemente auf, die aneinander gestaffelt angeordnet sind und Strömungshindernisse darstellen, so dass das Inertgas nicht ungehindert nach außen abströmen kann. Damit und in Verbindung mit einer später noch erläuterten Gasfördereinrichtung kann erreicht werden, dass nur ein verhältnismäßig geringer Teil des Inertgases in die Umgebung entweicht, während der andere Teil über die Messkammer abgesaugt wird.

In der Messkammer 35 ist eine Lambdasonde (Z-Sonde) 37 als Teil einer Sauerstoffmesseinrichtung vorgesehen. Mit Hilfe der Sauerstoffmesseinrichtung kann der (Rest-)Sauerstoffgehalt in dem Inertgas stromab von dem Ort der UV-Bestrahlung an der Lichtöffnung 21a gemessen werden. Damit kann die Zuflussmenge an Inertgas bzw. das Verhältnis von Inertgas zu Sauerstoff mithilfe des Massenflussreglers 25 geregelt werden, um einerseits dem Restsauerstoffgehalt in einem vorgegebenen Bereich und damit andererseits auch den Inertgasgehalt in einem vorgegebenen Bereich zu halten, um einen wirksamen Schutz der Polymeroberfläche vor Oxidation während der UV-Bestrahlung sicherzustellen. Hier hat sich ein Restsauerstoffgehalt von 0, 1% bis 10% , insbesondere von 0,5% bis 5% , abhängig vom Härtungsverhalten der Polymermischung, als geeignet erwiesen.

Der Inertgasstrom wird mit Hilfe einer Gasfördereinrichtung 38 bewirkt, die einen Absaugventilator 39 aufweist. Der Absaugventilator 39 erzeugt einen Unterdrück, mit dem das Gasgemisch aus der Inertgaszuführeinrichtung 22 über den Härtungsspalt 27 abgesaugt wird. Der Gasfluss erfolgt somit über die Gaszuleitung 24, den Massenflussregler 25, die Gasleitung 32, den Einspültrichter 30, die Einspüldüse 28, den Härtungsspalt 27, die Gasabführeinrichtung 34, die Messkammer 35 und den Absaugventilator 39.