Koronavorbehandlung

Korona-Vorbehandlung
Funktion – Anlagenaufbau – Betriebseinflü sse
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© R. Schnick, 8.1.2008
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Koronavorbehandlungsanlagen
Koronavorbehandlungsanlagen sind in verschiedensten Prozessen der Folienherstellung, -verarbeitung und -veredelung ü blich. Ihre Aufgabe ist es, das Benetzungsverhalten
der Folie zu verbessern und die Folienoberfläche fü r Farbe oder Klebstoffe aufnahmefähig zu machen.
Im folgenden Aufsatz werden dazu die Funktion der Korona und die Vorgänge bei der
Koronavorbehandlung dargestellt sowie Einflü sse und Testmö glichkeiten aufgefü hrt.
Auß erdem werden Vorbehandlungsanlagen fü r die gängigen Prozesse beschrieben und
Hinweise auf Betrieb und Fehlermö glichkeiten aufgezeigt.
Inhaltsverzeichnis:
1) Warum Korona-Vorbehandlung:
Haftungs-Gü te zwischen verschiedenen Stoffen
2) Funktion der Korona-Behandlung:
Wirkungsweise
Wirkungsdauer
Einflussfaktoren
Prü fung der behandelten Folien
3) Einsatz von Korona-Vorbehandlungsanlagen:
4) Anlagen-Komponenten:
5) Ü berblick ü ber die Prozesse:
Blasfolien-Linien
Flachfolien-Linien, biaxiale Reckanlagen:
Extrusionsbeschichtung, Laminier- und Drucklinien:
6) Grundsätzliches, bei der Planung zu beachten:
7) Betriebseinflü sse und -parameter:
8) Die Prozesse im Einzelnen:
Blasfolien-Extrusion
Flachfolien-Extrusion und biaxiale Reckanlagen
Converting: Druck - Laminierung/Kaschierung - Extrusions-Beschichtung
Etiketten-Druck
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1) Warum Korona-Vorbehandlung:
Haftungs-Gü te zwischen verschiedenen Stoffen
Als Adhäsion bezeichnet man das Aneinanderhaften von verschiedenartigen Stoffen und
Kö rpern aufgrund der Molekularkräfte
Adhäsion umfasst die Haftkräfte an den Kontaktflächen zweier unterschiedlicher oder
gleicher Stoffe durch Molekularkräfte. Die Stoffe kö nnen sich in festem oder in flü ssigem
Zustand befinden. Im Bereich der Klebstoffe versteht man unter Adhäsion die Haftung
von Klebschichten an den Kontaktflächen.
Die Vorgänge bei der Adhäsion sind noch nicht vollständig aufgeklärt. Sie gestalten sich
besonders schwierig, weil die Abhängigkeiten zwischen den Klebstoffsystemen und den
verschiedenen Kontakt-Oberflächen sehr komplex sind.
Es ist bekannt, dass Haftungen (Verbindungen) zwischen 2 verschiedenen Materialien
dann gute Ergebnisse bringen, wenn beide Materialien polar sind. Ist ein Stoff oder sind
beide Stoffe nicht polar, ergeben sich daraus schlechte Haftungen.
Die Arbeit der Adhäsion zwischen 2 Materialien ist durch die Young-Dupre - Gleichung
gegeben: W = my l( 1 + cos phi).
Darin sind:
my l
phi
die Oberflächenspannung
der Kontaktwinkel der Flü ssigkeit
auf der Oberfläche
Bild1: Kontaktwinkel des Tropfen
ð Der Kontaktwinkel eines Tropfens auf einer festen Oberfläche ist eine Funktion der
Energie-Pegel von Tropfen und Feststoff.
Oberflächenspannung ist eine Eigenschaft einer Flü ssigkeit, die aus unausgeglichenen molekularen Kräften an oder in der Nähe von der Oberfläche entsteht. Wenn sie
hö her ist als die Oberflächenenergie eines Materials, neigt die Flü ssigkeit dazu,
Trö pfchen zu bilden, anstatt sich gleichmäß ig auszubreiten.
Ein anderer Name fü r ein Oberflächeneigenschaft der Farbe ist Benetzbarkeit.
ð Oberflächenspannung wird normalerweise in Energie-Einheiten, genannt dyn (mN),
gemessen. Das Dyn-Niveau (Dyn-Pegel) eines Materials wird Oberflächenenergie genannt.
Dyn ist die veraltete Einheit der Kraft. Seit dem 1. Januar 1978 ist dyn fü r die Angabe
der Kraft nicht mehr zulässig, sondern vollständig durch die Einheit Newton ersetzt.
1dyn entspricht der Kraft, die notwendig ist, um eine Masse von 1g mit 1cm/s² zu beschleunigen.
ð Wenn die Flü ssigkeit einen geringeren Dyn-Pegel hat als die Oberflächenenergie des
Materials (Bedruckstoff o.ä.), dann wird sich die Flü ssigkeit ü ber die komplette Oberfläche in einer gleichfö rmigen nassen Schicht ausbreiten.
Wenn das Dyn-Niveau der Flü ssigkeit (Tinte, Farbe, Klebstoff o.ä.) gleich oder hö her
dem Dyn-Niveau des Materials ist, wird die Flü ssigkeit dazu neigen, Trö pfchen auszubilden.
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2) Funktion der Korona-Behandlung:
Die meisten Kunststoffe haben eine unpolare, elektrisch gut isolierende und wasserabweisende Oberfläche. Sie ist durch Druckfarben, Lö semittel, wässrige Kunststoffdispersionen, Klebstoffe oder Haftvermittler schlecht benetzbar.
Dies gilt vor allem fü r Polyethylen-, Polypropylen- und Polyesterfolien. Das Bedrucken
solcher Kunststoffe (Folien oder räumliche Kö rper) oder ihre Weiterverarbeitung durch
Kaschieren oder Beschichten ist deshalb gar nicht mö glich. Die Druckfarben wü rden
nicht haften, bei der Herstellung von Verbundfolien wü rde Delamination eintreten.
Hier hilft man sich durch die Coronabehandlung, die häufigst angewendete Form der
Oberflächenbehandlung.
Alternative Methoden wären die Ozonisierung, die Flammbehandlung, die Fluorierung
und die Plasmabehandlung. Das Ziel aller dieser Methoden ist die Erhö hung der Polarität
der Oberfläche, wodurch Benetzbarkeit und chemische Affinität deutlich verbessert werden.
Wirkungsweise
Der Mechanismus der Coronabehandlung ist trotz der weiten Verbreitung und zahlreicher
verö ffentlichter Arbeiten noch nicht vollständig geklärt.
Die Hauptrolle spielen aber wohl Oxidationsprozesse, durch die, je nach Folie, verschiedene polare Funktionelle Gruppen (z.B. Alkohole, Aldehyde, Carbonsäuren, Ester, Ether,
Peroxide) gebildet werden.
Ein Abbau (radikalische Spaltung) der Polymere ist ebenfalls nachgewiesen.
Andererseits kann eine Vernetzung der Makromolekü le angenommen werden, da die Corona-Behandlung die Siegelfähigkeit verschlechtert (Erhö hung von Glasü bergangstemperatur, Tg und Schmelztemperatur). Die Elektrische Entladung fü hrt zu einer Ionisierung
der Luft, was zur lokalen Bildung von Ozon fü hrt. Das Ozon kann auf der Folienoberfläche ebenfalls oxidativ wirken.
Bild2:
schematischer Vorgang
im Luftspalt einer CoronaVorbehandlungsstation
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Wirkungsdauer
Der durch die Corona-Behandlung erzielte Effekt, eine Erhö hung der Oberflächenspannung auf 38 bis 44 mN/m (=dyn), nimmt mit der Zeit ab. Die Lagerfähigkeit der behandelten Folien ist deshalb begrenzt.
Bei einer Polyethylenfolie liegt die Oberflächenspannung ohne Behandlung bei 30 bis 32
mN/m. Direkt nach der Behandlung werden, je nach Einstellung, Werte zwischen 38 und
44 mN/m erzielt. Nach 4 Wochen Lagerung tritt bereits ein Minimum der Oberflächenspannung auf. Die Werte liegen danach um ca. 10% Tiefer als direkt nach der Behandlung.
Um Fehler zu vermeiden, ist es wichtig, dass die Oberflächenspannung der Folie ü ber
der des Beschichtungsstoffes liegt. Nur so kann ein guter Verlauf und eine optimale Benetzung erreicht werden.
Einflussfaktoren
Die Art der Folienherstellung (Blasen oder Extrudieren), die Temperatur der Polymerschmelze, die Reckverhältnisse und die Art der Abkü hlung beeinflussen die spätere
Wirksamkeit der Corona-Behandlung. Zusätze zu den verarbeiteten Polymeren wirken
sich meist negativ aus. Je hö her z. B. der Anteil von Gleitmitteln in einer Folie, um so
schwieriger wird die Corona-Behandlung.
Adhesion (g/15mm)
350
300
250
O3+Corona
Ozone
Corona
Nothing
200
150
100
50
0
260
270
280
290
300
310
MELT TEMPERATURE (C)
Bild3: Einfluss von Temperatur, Corona und Ozon auf die Adhäsion
Prü fung der behandelten Folien
Einen Schnelltest stellt der Tintentest dar. Er wird mit sogenannten "Dyn-Testtinten"
durchgefü hrt, die jeweils unterschiedliche Oberflächenspannungen aufweisen. Man fängt
mit niedrigen Oberflächenspannungen an und arbeitet sich so lange vor, bis die Testtinte
die Oberfläche nicht mehr benetzt.
Eine aufwändigere Testmethode stellt die Randwinkelmessung dar. Hierbei wird ein
Flü ssigkeitstropfen auf der Folienoberfläche platziert und unter starker Vergrö ß erung der
Randwinkel des Tropfens im Vergleich zur Oberfläche bestimmt. Je stumpfer der Winkel,
desto besser ist die Benetzung.
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3) Einsatz von Korona-Vorbehandlungsanlagen:
Korona-Vorbehandlung wird erfolgreich in folgenden Prozessen eingesetzt:
Folien-Industrie:
ð Blasfolien-Extrusion,
ð Flachfolien-Extrusion (Cast Film, Chill Roll etc.),
ð Biaxiale Reckanlagen,
Laminierung/Kaschierung/Beschichtung:
ð Extrusionsbeschichtung,
ð Laminierung,
ð Kaschierung,
ð Lackierung,
Druck:
ð Flexo-Druck,
ð Tiefdruck,
ð Etikettendruck.
4) Anlagen-Komponenten:
Generatoren
Das sollte ein Generator nach dem heutigen Stand der
Technik bieten:
- vollelektronisch, mit Anpassung der
Blindleistung fü r optimale Korona-Wirkung
- Skip-Treating:
darunter versteht man, dass der Generator kurzzeitig
aussetzt, um unbehandelte Streifen quer zur Laufrichtung
der Warenbahn zu erzeugen.
Bild4: Generator P6000
- Wet-Start:
bedeutet langsames Hochfahren der Korona, zum Ausdampfen von Feuchtigkeit auf
den Isolationsstrecken in der Koronastation.
Das ist allgemein in feuchter Umgebung sinnvoll, z. B. in Sü dasien, oder den Tropen
Es kann aber auch am linken Niederrhein erforderlich sein!
- Proportional-Kontrolle:
bedeutet, die Leistung der Korona wird synchron mit der Bahngeschwindigkeit
verändert.
Stationen
Sie werden dem Prozess angepasst.
Allgemein unterscheidet man hier:
- geschlossenen Aufbau,
- offenen Aufbau,
- gekapselten Aufbau,
fü r den Einsatz im Ex-Bereich.
Bild5: Station „ Universal“ , hier fü r 2-seitige
Koronavorbehandlung ausgefü hrt.
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5) Ü berblick ü ber die Prozesse:
Blasfolien-Linien
In Blasfolienlinien werden allgemein Stationen verwendet, die das einfache Durchziehen
eines dicken Knotens gestatten, wie er beim Anfahren der Extrusionslinie ü blich ist.
Fü r die Elektroden und die Massewalze gilt:
- metallische Segment-Elektroden, meist Alu
è Segment-Elektroden, um sich auf verschiedene Arbeitsbreiten anzupassen,
è Segment-Elektroden, um Bereiche, in denen später bedruckt wird, zu behandeln,
è Segment-Elektroden, um Bereiche, in denen später verschweiß t wird, auszusparen,
è streifenweise Behandlung,
- isolierte Walze, meist mit Silikon-Sleeve
- meistens doppelseitige, manchmal 4-seitige Behandlung:
- Schlauch, ungeö ffnet: innen und auß en, 2 Einheiten (in einer Station)
- Schlauch, geö ffnet : oben und unten an beiden Schlauchteilen,
4 Einheiten (in zwei Stationen)
Flachfolien-Linien, biaxiale Reckanlagen:
In Flachfolien-Linien und biaxialen Reckanlagen werden ü blicherweise Stationen eingesetzt, die wegen relativ hohen Bahngeschwindigkeiten folgende Kriterien erfü llen:
- groß e Behandlungsbreiten bis zu z.B. 10m,
- eventuell „ Skip Treating“ , um in Streifen quer zu Laufrichtung
die Behandlung auszusparen,
- metallische Elektroden mit Finnen, Segmente sind hier nicht nö tig,
- Nipp-Walzen an den Massewalzen gegen Rü ckseitenbehandlung,
- hohe Leistung nö tig wegen hoher Bahngeschwindigkeit und Bahnbreite,
Extrusionsbeschichtung, Laminier- und Drucklinien:
In solchen Linien ist oft Flexibilität gefragt, weil auftragsspezifisch sehr unterschiedliche
Materialien zu behandeln sein kö nnen.
Wichtig ist es, unbedingt zu beachten, dass eine bereits bei der Herstellung behandelte
Folie sich leichter wieder auffrischen lässt.
Eine vö llig unbehandelte Folie ist in der Veredelungsmaschine nicht mehr sinnvoll behandelbar.
Die Stationen sollen daher bieten:
- austauschbare Elektrodenmagazine, um sich Folien und metallisierten Verbunden
anpassen zu kö nnen,
- einfaches Austauschen auch der Massewalze kann hilfreich sein,
- Keramik-Elektroden und metallisch blanke Massewalzen,
wenn metallische Verbunde verarbeitet werden,
- Metall-Elektroden und isolierte Walzen, meist Keramik-Beschichtung,
wenn nur Folien ohne Metallverbunde verarbeitet werden,
- hohe Leistung wegen hoher Bahngeschwindigkeit und ggf. hohen Dyn-Pegeln,
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6) Grundsätzliches, bei der Planung zu beachten:
ð bei metallisiertem (also elektrisch leitendem) Material:
(Metallfolien, metallkaschierte, laminierte oder bedampfte Verbunde):
è Elektrode muss isoliert sein,
è Massewalze muss metallisch blank sein,
ð bei isolierendem Material:
(Folien, Papier)
è Elektrode muss metallisch blank sein,
è Massewalze muss isoliert sein.
ð bei isolierenden UND leitenden Materialien:
(sowohl Folie oder Papier als auch leitfähige Verbunde)
è Elektrode muss isoliert sein,
è Massewalze muss metallisch blank sein,
ð bei feuchter Umgebung vorsehen:
(fü r tropische Gegenden, aber auch den linken Niederrhein!)
è Wet-Start (Feucht-Start)
è zum langsamen Hochfahren der Hochspannung,
è vermeidet Ü berschläge in der Station nach längerem Stillstand.
7) Betriebseinflü sse und -parameter:
ð Einfluss der Temperatur:
è je wärmer die Folie, desto leichter ist sie behandelbar,
Koronastationen deshalb mö glichst weit vorne im Prozess einbauen,
ð Luftspalt zwischen Elektrode und Massewalze:
è auf Parallelität von Elektrode und Massewalze achten,
damit die Behandlung gleichmäß ig ü ber die Bahnbreite erfolgt,
è stabile Elektroden verwenden, die sich bei betriebsbedingter Erwärmung nicht
durchbiegen oder verziehen,
damit die Behandlung gleichmäß ig ü ber die Bahnbreite erfolgt
è bei Metallelektroden ca. 2mm – max. 3,5mm,
è bei Keramik-Elektroden ca. 1mm (optimal) – 1,5mm,
ð Behandlungsdicke:
è allgemein bis max. 3mm Materialdicke,
ð Rü ckseiten-Behandlung:
è ist eine Folge von Lufteinschlü ssen zwischen Warenbahn und Massewalze,
oder auch eventuell schlechte Erdung der Massewalze,
è Abhilfe:
- Andruckwalzen beim Auflaufen der Bahn auf die Massewalze,
- Bahnspannung erhö hen,
ð Ü berbehandlung der Folie („ zu viel drauf gehauen“ ):
è Folgen sind:
- Kleben der Folie,
- Verblocken auf dem Wickel,
- die Oberfläche wird zerstö rt.
è Anzeichen:
weiß er Belag auf Walzen und Rahmen der Station,
ð vorbehandelte Folie:
è ist leichter behandelbar (Druck/Extrusionsbeschichtung), als unvorbehandelte!
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8) Die Prozesse im Einzelnen:
Blasfolien-Extrusion
Materialien:
Geschwindigkeit:
Additive:
Umgebung:
meist PP oder PE-Varianten: PE, LDPE, LLDPE, MDPE, HDPE,
allgemein bis 100m/min, HDPE auch 120...200m/min,
Sorten und Mengen mü ssen bekannt sein,
kein Ex-Bereich
Behandlungsarten:
- nur eine Seite,
- Vorder- und Rü ckseite (bei Schlauch),
- alle 4 Seiten, bei längsgeschnittenem Schlauch:
Vorder- und Rü ckseite der beiden geschnitten
Flachfolien,
Station:
Splitbox,
Bild6: Folienverläufe
ð Die Splitbox gestattet es, beide Stationsteile auseinander zu fahren, um so den Knoten beim Anfahren des Extruders gut durch die Station ziehen zu kö nnen.
Elektrode:
Segment-Elektrode, metallisch blank,
ð die Segmente gestatten es, sich an unterschiedliche Folienbreiten anzupassen,
ð es wird oft streifenweise (Längsstreifen!) behandelt,
weil z. B. bei der Herstellung von Tragetaschen etc. die behandelte Schweiß naht
schwer zu schweiß en ist. In diesen Bereichen wird z. B. die Korona-Behandlung
durch Hochklappen der Segmente vermieden.
Massewalze:
Isolierte Walze mit speziellem Erdungskontakt,
damit die Koronaleistung nicht ü ber die Walzenlager abgefü hrt werden muss, sowie:
ð Isolation als Sleeve (aufziehbarer Schlauch),
ð auch Gummierung, Glas- oder Keramik-Isolation mö glich.
Bild7a: Station Splitbox
Bild7b: Segment-Elektroden
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Flachfolien-Extrusion und biaxiale Reckanlagen
Materialien:
Geschwindigkeit:
Breiten:
Additive:
Umgebung:
PP, BOPP, PET, BOPET, PE, LDPE, LLDPE, MDPE, HDPE,
oft bis 200m/min, max. ca. 500m/min,
bis zu ca. 4000mm,
Sorten und Mengen mü ssen unbedingt bekannt sein,
kein Ex-Bereich
Behandlungsarten: einseitig oder beidseitig,
meist aber nur eine Seite,
es ist oftmals wichtig, dafü r zu garantieren, dass die Rü ckseite nicht
behandelt wird.
Station:
Universal
Die Station „ Universal“ bietet vielfältige Mö glichkeiten:
ð Elektrodenmagazine mit Steckanschluss fü r das Hochspannungskabel,
ð Elektrodenmagazine mit Bajonett-Verriegelung fü r einfachen Ein- und Ausbau,
ð leichter Tausch der Massewalze,
ð stabile Konstruktion,
ð sehr gute Elektrodenbelü ftung und -kü hlung
ð einfache Wartung,
ð Nipprollen (Andruckwalzen) gegen Rü ckseitenbehandlung und/oder um die Station
auch als Antrieb nutzen zu kö nnen.
Elektrode:
Multi-Elektrode, metallisch blank,
ð Elektroden mit Steckanschlü ssen,
ð von einfacher U-Form bis hin zu Elektroden mit vielen Graten fü r leistungsstarke Behandlung auch bei hoher Bahngeschwindigkeit,
ð Elektrodenmagazin einfach und schnell herausnehmbar,
ð einfache Wartung und Reinigung der Elektroden,
Massewalze:
ð Isolierte Massewalze, mit speziellem Erdungskontakt,
damit die Koronaleistung nicht ü ber die Walzenlager abgefü hrt werden muss,
ð Isolation als Glas, Keramik oder Gummierung wählbar,
ð Massewalze leicht austauschbar.
Bild8a:
Station UNIVERSAL
Bild8b:
Mehrfach-Elektrode, steckbar, im steckbaren Elektrodenmagazin,
dahinter gut sichtbar: Luftabsaugeinheit fü r gute Kü hlung
und Ozonabsaugung
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Converting: Druck - Laminierung/Kaschierung - Extrusions-Beschichtung
Materialien:
Geschwindigkeit:
Breiten:
Vorbehandlung:
Umgebung:
AL-Folie, PP, PE, PET, MET,
metallisierte Folien und Verbunde (Papier oder Karton)
also leitfähige und nicht leitfähige Materialien,
generell ü ber 200m/min, oft bis ca. 1000m/min,
bis zu ca. 3000mm
zu bedruckende oder anderweitig zu veredelnde Folien mü ssen bei
der Extrusion bereits vorbehandelt worden sein,
häufig Ex-Bereich (z. B. Druck, Kleber-Beschichtung)
Behandlungsarten: meist nur eine Seite,
Station:
Die Station „ Universal“ bietet vielfältige Mö glichkeiten:
ð Elektrodenmagazine mit Steckanschluss fü r das Hochspannungskabel,
ð Elektrodenmagazine mit Bajonett-Verriegelung fü r einfachen Ausbau,
ð leichter Tausch der Massewalze,
ð stabile Konstruktion,
ð sehr gute Elektrodenbelü ftung und -kü hlung
ð einfache Wartung,
ð Nipprollen (Andruckwalzen) gegen Rü ckseitenbehandlung und/oder um die Station
auch als Antrieb nutzen zu kö nnen.
Elektrode:
Keramik-Elektrode (isoliert),
ð Elektroden und Magazine elektrisch und mechanisch steckbar,
ð oftmals werden mehrere Elektrodenmagazine mit bis zu 3 Elektroden verwendet,
Massewalze:
ð leitfähige Walze, mit speziellem Erdungskontakt,
damit die Koronaleistung nicht ü ber die Walzenlager abgefü hrt werden muss,
ð aus Grü nden der Oberflächenqualität ggf. auch leitfähige Keramikbeschichtungen,
ð Walzendurchmesser abhängig vom Flächengewicht/der Dicke des Materiales,
Beispiel:
Linie fü r dü nne Verpackungsfolie braucht weniger Zug als eine Linie fü r GetränkeKartons!!
Bild9a:
Station UNIVERSAL
Bild9b: Keramik-Elektrode, steckbar,
im steckbaren Elektrodenmagazin,
dahinter Luftabsaugeinheit fü r gute
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Kü hlung und Ozonabsaugung
Etiketten-Druck
Materialien:
Geschwindigkeit:
Breiten:
Umgebung:
AL-Folie, PP, PE, PET, MET,
metallisierte Folien und Papier-Verbunde:
leitfähige und nicht leitfähige Materialien,
Materialien meist vorbehandelt,
50..300m/min,
ca. 150mm bis ca. 1.100mm
kein Ex-Bereich,
Behandlungsarten: meist nur eine Seite,
auch Anlagen fü r doppelseitige Behandlung lieferbar.
Station:
Kompakt-Behandlungsstation „ Narrow Web“ :
ð Generator in Kompaktbauform auf der Station
oder in getrennter Bauweise mö glich,
ð Elektrodeneinheit nach vorne herausziehbar,
erleichtert den Bahneinzug und gestattet einfache Wartung und Reinigung,
ð Elektrodeneinheit steckbar,
ð Elektrodenabstand mit einer Justierschraube einstellbar,
ð Systemständer breitenvariabel fü r einfache Montage auf dem Maschinengestell.
Elektrode:
Keramik-Elektrode, isoliert,
oftmals werden mehrere Elektroden verwendet,
Massewalze:
Metallisch blank
Bild10:
Kompakt-Station fü r Etikettendruck und schmale Warenbahnen,
Elektrodeneinheit im Bild entriegelt und herausgezogen.
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