DE10064006A1 - Wasserzeichenform für die Papierherstellung und Verfahren zur Applizierung derselben auf einem Schöpfsieb - Google Patents

Abstract

Zur Erzeugung eines hell wirkenden, einstufigen, sogenannten Highligth-Wasserzeichens, insbesondere in Wertpapieren wie Banknoten und dergleichen, wird vorgeschlagen, die zugehörigen Elektrotypen, die auf das Sieb der Papiermaschine appliziert werden, aus einer Formgedächtnislegierung herzustellen. Die Elektrotypen besitzen Haltelaschen, welche in das Sieb eingesteckt werden und sich aufgrund der thermischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung bei geeigneter Temperaturführung derart verformen, dass die Elektrotypen in dem Sieb der Papiermaschine verankert sind. Das Anbringen der Elektrotypen auf dem Sieb wird dadurch wesentlich vereinfacht.

Description

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Erzeugung von Wasserzeichen bei der Papierherstellung und betrifft insbesondere das Aufbringen von Wasserzei­ chenformen auf einem Schöpfsieb für Rund- oder Langsiebpapiermaschinen, ein entsprechendes Sieb mit aufgebrachter Wasserzeichenform und eine da­ für geeignete Wasserzeichenform als solche.

Wasserzeichen werden mittels Rund- oder Langsiebpapiermaschinen im Pa­ pier erzeugt, indem auf dem Schöpfsieb der Papiermaschine Wasserzeichen­ formen aus Metall aufgebracht sind oder indem Hoch- oder Tiefprägungen im Sieb vorgesehen sind, die einen Dickenunterschied in der Papierbahn hervorrufen. Die unterschiedliche Papierdicke ist im Durchlicht als ver­ gleichsweise heller oder dunkler Bereich erkennbar. Mehrstufige Wasserzei­ chen werden üblicherweise durch eine entsprechende Prägung des Schöpf­ siebs erzeugt. Durch Auflöten von Metallteilen, sogenannten Elektrotypen, lassen sich besonders hell erscheinende Bereiche im Papier erzeugen, die auch als Highlight-Wasserzeichen bezeichnet werden und einstufige Wasser­ zeichen sind. Häufig ergänzen mehrstufige und Highlight-Wasserzeichen einander. Beispielsweise wird die als Denomination bezeichnete Wertzahl von Banknoten, beispielsweise die Denomination 100, als Highlight-Wasser­ zeichen in oder neben einem in das Schöpfsieb eingeprägten mehrstufigen Wasserzeichen angeordnet.

Die einer Strichstärke entsprechenden Stege der für die Denomination ver­ wendeten Elektrotypen sind klein und dünn, nämlich ca. 0,4 bis 0,8 mm breit und ca. 0,5 bis 0,8 mm dick. Größere Breiten würden zu Löchern in der im Bereich des Highlight-Wasserzeichens extrem dünnen Papierbahn führen. Die Elektrotypen sind daher nur schwierig zu handhaben und es ist nicht einfach, sie an der richtigen Position zu platzieren. Hinzu kommt, dass durch Temperatureinflüsse, saures Umgebungsmedium und mechanische Einflüsse durch die auf das Sieb einwirkenden Kräfte nicht selten ein Loslösen der ge­ löteten Elektrotypen auftritt. In solchen Fällen muss die Papiermaschine an­ gehalten und das Sieb instand gesetzt werden, was mit zusätzlichen War­ tungskosten und Produktionsausfallkosten verbunden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Alterna­ tive zu den bekannten gelöteten Wasserzeichenformen vorzuschlagen.

Erfindungsgemäß werden die Wasserzeichenformen aus einer Formgedächt­ nislegierung hergestellt. Formgedächtnislegierungen haben die Eigenschaft, dass der aus ihnen gefertigte Gegenstand unter bestimmten Umgebungsbe­ dingungen eine selbständige Formänderung erfährt, die dem Gegenstand zuvor "aufgeprägt" wurde. Anschaulich ausgedrückt, besitzt eine Formge­ dächtnislegierung ein Gedächtnis und erinnert sich an die ihr zuvor aufge­ prägte Formgebung, sobald bestimmte Umgebungsbedingungen vorliegen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind Formgedächtnisle­ gierungen mit Einweg-Effekt und mit Zweiweg-Effekt anwendbar. Beide Effekte beruhen auf der Umwandlung des Legierungsgefüges der Wasserzei­ chenform von einem austenitischen in einen martensitischen Zustand oder umgekehrt. Geeignete Legierungstypen sind solche auf Nickel-Titan-Basis (NiTi) sowie Kupfer-Legierungen (CuZnAl und CuAlNi), wobei Ni-Ti- Legierungen wegen ihrer Langzeitstabilität und besonderen Korrosionsei­ genschaften zu bevorzugen sind.

Der Formgedächtniseffekt basiert auf folgenden physikalischen Gegebenhei­ ten. Zum einen ist das austenitische Gefüge bei höheren Temperaturen sta­ biler als das martensitische Gefüge. Zum anderen kann das martensitische Gefüge, im Gegensatz zum austenitischen Gefüge, durch Verschieben der Zwillingsgrenzen bei Einwirkung einer äußeren Spannung dieser Spannung ausweichen, indem es unterschiedliche Formen annimmt. Bei Nachlassen der Spannung verbleibt das martensitische Gefüge in dem verformten Zustand, und erst bei hoher Temperatur bildet sich wieder das stabile austenitische Gefüge. Dadurch wird die durch das Verschieben der Zwillingsgrenzen er­ folgte Verformung rückgängig gemacht und das Bauelement nimmt wieder die ursprüngliche Form an. Lässt man das Bauelement nun wieder abkühlen, so bleibt es in dieser ursprünglichen Form.

Das zuvor beschriebene Verfahren, bei dem ein Bauelement im martensiti­ schen Niedrigtemperaturzustand bleibend verformt und anschließend durch Erwärmung über die austenitische Umwandlungstemperatur hinaus in den Ursprungszustand zurückverformt wird, wird als Einweg-Formgedächtnis­ effekt bezeichnet. Angewendet auf den Gegenstand der vorliegenden Erfin­ dung bedeutet das, dass die Elektrotypen zunächst als flache Metallplättchen mit sich in etwa derselben Ebene erstreckenden Haltelaschen hergestellt werden. Diese Haltelaschen werden dann bei niedriger Temperatur, d. h. bei martensitischem Legierungsgefüge, um einen Winkel von 90° umgebogen, so dass die Haltelaschen durch das Sieb eines Rundsiebzylinders hindurchge­ steckt werden können. Anschließend wird die Temperatur wieder erhöht, beispielsweise auf Räumtemperatur, wodurch sich das martensitische Gefü­ ge in das austenitische Gefüge zurückwandelt, mit dem Effekt, dass die Hal­ telasche wieder die ursprüngliche Form einnimmt, d. h. sich um 90° verbiegt und auf diese Weise das den Elektrotypen bildende Metallplättchen auf dem Sieb verankert.

Der Einwegeffekt ist wiederholbar. Das bedeutet, verformt man die Haltela­ schen im martenitischen Zustand wieder in eine um 90° abgewinkelte Form, so kann der Zyklus erneut durchlaufen werden. Dies hat den Vorteil, dass fehlplatzierte Elektrotypen problemlos versetzt werden können. Außerdem kann das Sieb für verschiedene Prozesse eingesetzt werden, wobei je nach Prozess unterschiedliche Elektrotypen auf das Sieb aufgebracht werden.

Statt eines Biegeeffekts kann auch ein Torsions- oder Ausdehnungseffekt ge­ nutzt werden, indem die Haltelaschen im martensitischen Zustand tordiert, komprimiert oder gezogen werden. Beispielsweise können die Haltelaschen im martensitischen Zustand durch Ziehen gestreckt werden, wodurch sich der Querschnitt der Haltelaschen entsprechend verringert. Im austenitischen Zustand nehmen die Haltelaschen dann wieder den ursprünglichen Quer- schnitt an und verklemmen sich auf diese Weise im Sieb.

Die Umwandlungstemperaturen von Martensit in Austenit und umgekehrt können sehr flexibel eingestellt werden, im Falle von NiTi in einem Bereich von -50°C bis +150°C. Indem der martensitische Zustand der abgewinkelten Haltelaschen auf eine entsprechend niedrige Temperatur und die aktivieren­ de Verankerung, d. h. die Übergangstemperatur zum austenitischen Zu­ stand, auf einen entsprechend hohen Wert eingestellt werden, lässt sich eine zügige Montage der Elektrotypen erreichen. Stellt man beispielsweise den martensitischen Zustand auf -20°C und die Übergangstemperatur in den 1 austenitischen Zustand auf +15°C ein, dann lässt sich mit einem entspre­ chenden Werkzeug der Elektrotyp kurzfristig kühlen, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff, so dass die Haltelaschen umgebogen und der Elektrotyp in das Sieb eingesetzt werden kann. Der Elektrotyp erwärmt sich dann selb­ ständig wieder auf Umgebungstemperatur über 15°C, wodurch die Haltela­ schen ihre ursprüngliche, gestreckte Form wieder annehmen.

Anstelle eines Einweg-Effekts kann einer Formgedächtnislegierung durch eine bestimmte thermomechanische Vorbehandlung auch ein Zweiweg- Effekt antrainiert bzw. einprogrammiert werden. Ein Elektrotyp mit Zwei­ weg-Effekt ist in der Lage, ohne Krafteinwirkung auf rein thermischem Weg unterschiedliche Formen bei niedriger und bei hoher Temperatur anzuneh­ men. Das Trainieren des Zweiweg-Effekts ist ein komplizierter thermo­ mechanischer Vorgang. Der damit erzielte Vorteil, den auf dem Sieb aufge­ brachten Elektrotypen ohne mechanische Einwirkung auf rein thermischem Wege wieder von dem Sieb zu lösen, wird dadurch erkauft, dass der Zwei­ weg-Effekt deutlich geringer ist, als der Einweg-Effekt, die Verankerung auf dem Sieb somit entsprechend weniger stabil ist. Um den Zweiweg-Effekt einzuprägen, müssen Martensitstrukturen erzeugt werden, die irreversibel sind, die also auch oberhalb der austenitischen Umwandlungstemperatur erhalten bleiben, quasi als Gedächtnisstütze. Dazu bestehen unterschiedliche Möglichkeiten, beispielsweise eine besonders starke Materialverformung im martensitischen Zustand oder die wiederholte Anwendung des Ein­ weg-Effekts oder die wiederholte Verformung im pseudoelastischen Bereich bei einer Temperatur zwischen der martensitischen Übergangstemperatur und der austenitischen Übergangstemperatur. Diese Methoden sind auch kombinierbar.

In Fällen, in denen eine Elektrotype im Bereich einer Prägestruktur des Sie­ bes zur Herstellung eines normalen mehrstufigen Wasserzeichens mit einem Highlight-Wasserzeichen angeordnet werden soll, kann mit dem Prägepro­ zess des Siebes eine Verankerungsmechanik in dem Sieb vorgesehen werden, welche die Stifte aufnimmt. Beispielsweise kann das Sieb mittels eines koni­ schen Stifts lokal aufgeweitet werden, um die Haltelasche der Elektrotype in der so erzeugten Öffnung aufnehmen zu können.

Die Elektrotypen werden üblicherweise aus einer Rohmaterialschmelze einer Formgedächtnislegierung vollständig in einer Mehrnutzenform gegossen. Auf diese Weise können beispielsweise 900 bis 1000 Elektrotypen gleichzeitig hergestellt werden. Nach dem Abkühlen und Aushärten können die so er­ zeugten Elektrotypen entweder sofort unter Ausnutzung des Einweg-Effekts auf einem Sieb appliziert werden. Oder aber die Elektrotypen werden zu­ nächst trainiert, um ihnen die für den Zweiweg-Effekt notwendige "Ge­ dächtnisstütze" einzuprägen.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einzelner Ausfüh­ rungsformen von Elektrotypen erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1a eine Elektrotype mit der Denomination 100 in Draufsicht;

Fig. 1b die Elektrotype aus Fig. 1a von der Seite;

Fig. 2a die Elektrotype aus Fig. 1a im verformten martensitischen Zustand in Draufsicht;

Fig. 2b die Elektrotype aus Fig. 2a von der Seite;

Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer Elektrotype; und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Elektrotype.

In Fig. 1a ist eine Elektrotype 10 mit der Zahl 100 dargestellt, wie sie bei­ spielsweise zur Erzeugung eines Highlight-Wasserzeichens einer Banknote verwendet wird. Die Darstellung in Fig. 1a ist nicht maßstabsgetreu. Tatsäch­ lich sind die Stege der Elektrotype etwa 0,4 bis 0,8 mm breit und in etwa ebenso dick. Die Elektrotype wird als eine von mehreren hundert Elektroty­ pen in einer Mehrnutzengussform gegossen und Haltelaschen 11 werden gleichzeitig mit angegossen. In Fig. 1b ist die Elektrotype aus Fig. 1a in einer Seitenansicht dargestellt. Wie man sieht, ist diese Form im Gießprozess leicht herstellbar. Noch einfacher ist die Herstellung, wenn die Haltelaschen 11 vollständig in der Ebene der Zahl 100 liegen. Die Elektrotype besteht entwe­ der vollständig oder zumindest im Bereich ihrer Haltelaschen 11 aus einer Formgedächtnislegierung.

Nach dem Abkühlen und Entformen der Elektrotype wird die Elektrotype auf eine Temperatur abgekühlt, in der die Formgedächtnislegierung in den martensitischen Zustand übergeht, sofern der martensitische Zustand nicht bereits bei Raumtemperatur vorliegt. In diesem Zustand werden die Haltela­ schen 11 verformt, so dass sie um 90° zu der eigentlichen Elektrotype nach hinten abgewinkelt sind, wie in Fig. 2a und 2b dargestellt. Solange die Tem­ peratur der Elektrotype nicht die höher liegende, austenitische Übergangs­ temperatur erreicht, bleibt der verformte, martensitische Zustand erhalten. In diesem Zustand kann die Elektrotype in das Schöpfsieb eines Rundsieb- Zylinders oder in das Langsieb einer Papiermaschine eingesteckt werden.

Anschließend wird die Temperatur bis über die austenitische Übergang­ stemperatur erhöht, so dass das Gefüge der Formgedächtnislegierung von dem martensitischen Zustand in den austenitischen Zustand übergeht. Da­ durch nimmt die Elektrotype wieder die in den Fig. 1a, 1b dargestellte Form an und verhakt sich mit den Haltelaschen 11 hinter dem Sieb.

Es sind zwei Alternativen denkbar. Liegt bei Raumtemperatur ein martensi­ tisches Gefüge vor, so muss die Elektrotype erwärmt werden, um in den Ur­ zustand nach Fig. 1 zurückzukehren. Anschließend kühlt die Elektrotype wieder auf Raumtemperatur ab, behält aber die Form nach Fig. 1 bei. Die Elektrotype lässt sich dann ohne weiteres von dem Sieb lösen, indem die Haltelaschen 11 in die in Fig. 2b gezeigte Position verbogen und die Elektro­ type aus dem Sieb herausgezogen wird.

Die vorgenannte Alternative hat allerdings den Nachteil, dass die auf die Haltelaschen 11 einwirkende mechanische Belastung durch das Walken des Siebzylinders zu einem ungewollten Loslösen der Elektrotype führen kann. Daher ist die folgende Alternative vorzuziehen, auch wenn sie etwas auf­ wändiger ist. Demnach wird die Formgedächtnislegierung so eingestellt, dass die Übergangstemperatur zum martensitischen Gefüge weit unter Raumtemperatur liegt, beispielsweise bei 0°C oder bei -20°C. Das Verfor­ men der Elektrotype in den in Fig. 2 dargestellten Zustand kann beispiels­ weise nach Abkühlung mittels flüssigem Stickstoff erfolgen. Die Elektrotype wird dann unverzüglich in das Sieb eingesetzt und erwärmt sich auf Raum­ temperatur, bei der die Übergangstemperatur zum austenitischen Zustand überschritten sein sollte. Das bedeutet, die Haltelaschen der auf dem Sieb applizierten Elektrotype nehmen wieder die ursprüngliche gestreckte Form an und besitzen ein austenitisches Gefüge, welches formbeständig ist. Ein selbsttätiges Loslösen der Elektrotype aufgrund mechanischer Einwirkungen kann wegen der Formbeständigkeit des austenitischen Gefüges weitgehend ausgeschlossen werden.

In den Fig. 3 und 4 sind zwei weitere Ausführungsformen zweier Elektroty­ pen in verriegeltem, d. h. austenitischem Zustand dargestellt. Diese Elektro­ typen wurden entsprechend trainiert, um ihnen einen Zweiweg-Effekt auf­ zuprägen und können durch geeignete Temperaturführung in den in Fig. 2a, 2b dargestellten Zustand gebracht werden, in welchem sie in ein Sieb einge­ steckt werden können. Die Haltelaschen 11 nach Fig. 3 wirken in den Ma­ schen des Schöpfsiebs als Klemmelement. Die Haltelaschen 11 nach Fig. 4 dagegen sind spiralförmig verdrillt und bilden so eine Verankerung in allen Ebenen des Siebs, welches üblicherweise aus drei bis vier Sieblagen besteht.

Claims (11)

1. Verfahren zum Aufbringen von Wasserzeichenformen (10) auf einem Sieb für eine Papiermaschine, umfassend die Schritte:

• - Zurverfügungstellen eines Siebes,
• - Zurverfügungstellen einer Wasserzeichenform (10), die mindestens eine Haltelasche (11) besitzt, welche aus einer Formgedächtnislegierung be­ steht,
• - Applizieren der Wasserzeichenform auf dem Sieb bei einer ersten Tem­ peratur der Wasserzeichenform, indem die Haltelasche durch das Sieb hindurchgesteckt wird und
• - Erhöhen der Temperatur der Wasserzeichenform auf eine zweite Tempe­ ratur, bei der sich die Haltelasche selbständig so verformt, dass die Was­ serzeichenform auf dem Sieb verankert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ein­ weg-Effekt der Formgedächtnislegierung genutzt wird, indem die Haltela­ sche vor dem Schritt des Applizierens mechanisch verformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweiwe­ ge-Effekt der Formgedächtnislegierung genutzt wird, indem die Haltelasche (11) vor dem Schritt des Applizierens trainiert wird, um der Haltelasche ei­ nen gewünschten Verformungseffekt aufzuprägen, und die zum Applizieren notwendige Verformung der Haltelasche (11) auf thermischem Wege erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Haltelasche (11) der Wasserzeichenform (10) aus einer oder mehreren der folgenden Legierungen besteht: CuZnAl, NiTiCu, NiTi.

5. Wasserzeichenform (10) zum Aufbringen auf ein Sieb einer Papiermaschi­ ne, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzeichenform (10) mindestens eine Haltelasche (11) zum Hindurchstecken durch das Sieb der Papierma­ schine besitzt, wobei zumindest die Haltelasche (11) aus einer Formgedächt­ nislegierung hergestellt ist.

6. Wasserzeichenform nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung bei Raumtemperatur einen bleibend verformbaren, martensitischen Gefügezustand besitzt.

7. Wasserzeichenform nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung bei einer niedrigen Temperatur von etwa 0°C oder darunter einen bleibend verformbaren, martensitischen Gefügezustand be­ sitzt.

8. Wasserzeichenform nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge der Formgedächtnislegierung bei einer erhöhten Tempera­ tur in einen austenitischen Zustand übergeht und die ursprüngliche Form annimmt, die sie vor einer Verformung im martensitischen Zustand innehat­ te.

9. Wasserzeichenform nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung durch Temperaturänderung reversibel zwei unter­ schiedliche Verformungszustände annehmen kann, einen ersten Zustand mit im Wesentlichen martensitischem Gefüge und einen zweiten Zustand mit austenitischem und teilweise martensitischem Gefüge.

10. Wasserzeichenform nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Formgedächtnislegierung eine oder mehrere der folgen­ den Legierungen umfasst: CuZnAl, NiTiCu, NiTi.

11. Sieb für eine Papiermaschine mit einer Wasserzeichenform (10) nach ei­ nem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzei­ chenform mittels der Haltelasche (11) in dem Sieb verankert ist.