EP0728579A1

EP0728579A1 - Rakel für Tiefdruck-Rotationsmaschinen sowie Verfahren und Vorrichtung zu deren Herstellung

Info

Publication number: EP0728579A1
Application number: EP95102802A
Authority: EP
Inventors: Rolf Meyer; Karl Prof. Dipl.-Ing. Schekulin; Klaus Kohberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 1996-08-28
Anticipated expiration: 2015-02-27
Also published as: DE59502332D1; DK0728579T3; EP0728579B1; ATE166613T1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rakel (1) zum Zusammenwirken mit dem Druckzylinder (3) einer Tiefdruck-Rotationsmaschine. Wenigstens ein Teil der Rakeloberfläche wird einem elektrochemischen Materialabtragprozeß unterworfen. Auf diese Weise wird eine krater- bzw. kalottenartige Oberflächenstruktur der Rakel mit einer hohen Tragfläche erreicht. Der Verschleiß von Rakel (1) und Andruckzylinder (3) wird wesentlich vermindert, da sich im Betrieb an der Rakelspitze (2) keine Grate oder Scharten bilden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des elektrochemischen Abtragprozesses. Nur ein Teil der Rakeloberfläche wird dabei elektrochemisch behandelt. Auf diese Weise wird eine sehr hohe Stromdichte und damit Materialabtragrate erreicht. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Rakel zum Zusammenwirken mit der Oberfläche eines Tiefdruckzylinders sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Rakel.
Bei Tiefdruck-Rotationsmaschinen sind in die Oberfläche des Formzylinders näpfchenförmige Vertiefungen eingeätzt oder eingraviert, die die auf die Papierbahn zu übertragende Farbe enthalten. Die überschüssige Farbe wird von der Walzenoberfläche mittels einer Rakel abgenommen. Im Stand der Technik ist dies ein dünnes Stahlblatt mit federnden Eigenschaften. Die Rakel wird aus hochfestem, verschleißbeständigem Material gefertigt, damit eine möglichst hohe Auflagenzahl mit jeweils einer Rakel gedruckt werden kann. Die gravierte oder geätzte Oberflächenschicht des Tiefdruckzylinders besteht in der Regel aus Kupfer und ist zur Erzielung höherer Verschleißfestigkeit verchromt. Mit derartigen bekannten Rakelanordnungen lassen sich nur ausnahmsweise Auflagen (Zylinderumdrehungen) von mehr als einer Million erreichen, weil beim Überschreiten dieser Zahl sowohl der Verschleiß der Rakel als auch der Zylinderoberfläche keine hinreichende Druckqualität gestatten.
Aus offenkundiger Vorbenutzung bekannte Rakeln werden im Zuge ihrer Herstellung durch mechanische Verfahren oberflächengeglättet und entgratet. Im Betrieb dieser Rakel wird Rakelmaterial plastisch in Mikrokontakten mit dem Zylinder verformt, in Drehrichtung des Zylinders weitertransportiert und sammelt sich an der Rakelspitze unter Bildung neuer Grate an. Diese neuen Grate brechen dann während des Betriebs unter erneuter Schartenbildung weg. Es kommt somit laufend zur Bildung neuer Grate und Scharten, die den Verschleiß nicht nur der Rakel, sondern auch der Zylinderoberfläche erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Rakelverschleiß und/oder den Zylinderverschleiß zu verringern, um höhere Auflagezahlen zu erreichen oder bei gegebener Auflagezahl eine höhere Druckqualität zu ermöglichen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Rakel ist in Anspruch 6 angegeben, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens in Anspruch 13. Der elektrochemische Abtragprozeß als solcher ist im Stand der Technik bekannt und wird bspw. beschrieben in Maschinenmarkt 95 (1989, Nr. 36, Seite 94 bis 97). Zwecks Offenbarung der technischen Einzelheiten dieses Verfahrens wird diese Druckschrift durch Bezugnahme darauf ausdrücklich auch zum Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Patentanmeldung gemacht.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das elektrochemische Abtragverfahren (auch electro chemical machining oder ECM-Verfahren genannt) die Rakel nicht nur entgratet, sondern überraschenderweise eine tribologische Veränderung der Rakeloberfläche derart bewirkt, daß im Betrieb der erfindungsgemäßen Rakel die oben beschriebene ständige Neubildung von Graten und Scharten vermieden wird und sich die Lebensdauer so wesentlich erhöht.
Bei Rakeln des Standes der Technik weist die an der Tiefdruckwalze anliegende Rakelspitze eine schartige Strichstruktur auf, die zu den beschriebenen Verschleißprozessen führt. Da auch die der Anlagefläche Rakel-Druckzylinder unmittelbar benachbarten Oberflächenbereiche der Rakel diese schartige Strichstruktur aufweisen, sammelt sich durch Verschleiß abgetragenes Rakelmaterial in diesen Oberflächenbereichen unter Bildung neuer Grate. Wenn diese Grate bzw. Bärte eine gewisse Größe erreicht haben, brechen sie während des Betriebs unter Schartenbildung weg. In diesen Scharten sammelt sich dann wieder neues Material usw.
Der erfindungsgemäß mit dem ECM-Verfahren behandelte Oberflächenteil einer erfindungsgemäßen Rakel weist eine völlig andere Oberflächenstruktur auf. Es handelt sich um eine gleichmäßige Kraterstruktur mit vielen sehr kleinen Kratern bzw. Taschen, die in etwa die Form von Kugelkalotten aufweisen. Diese Krater oder Taschen bilden sich in der Regel entlang der Korngrenzen des Rakelmaterials. Diese veränderte Oberflächenstruktur bewirkt eine völlig neue tribologische Paarung zwischen Tiefdruckwalze und Rakelmesser, insbesondere wird die Tragfläche erhöht. Der Anpreßdruck der erfindungsgemäßen Rakel kann gegenüber herkömmlichen Rakeln auf etwa die Hälfte reduziert werden. Besonders überraschend ist es, daß sich bei der erfindungsgemäßen Rakel nicht nur der Einlaufverschleiß bei erstmaliger Inbetriebnahme vermindert, da die Rakeloberfläche keine Scharten aufweist, sondern daß auch im weiteren Verlauf des Betriebs die aus dem Stand der Technik bekannte Grat- bzw. Bartbildung praktisch vollständig vermieden wird. Dies dürfte darauf beruhen, daß aufgrund der kraterartigen Oberfläche durch Verschleiß abgetragenes Material entlang der Korngrenzen wegbricht und sich nicht in Unregelmäßigkeiten der Oberfläche unter Bildung großer Grate ansammeln kann.
Die erfindungsgemäße Rakel ist vorteilhafterweise aus Stahl gefertigt. Von besonderem Vorteil ist ihre Ausbildung als Dünnschliffrakel. Eine Dünnschliffrakel weist an ihrer Spitze eine planparallele oder annähernd planparallele Lamelle auf, die an der Tiefdruckwalze anliegt. Eine solche Rakel muß nicht nachgeschliffen werden, sondern wird solange benutzt, bis die Lamelle abgeschlissen ist. Bei einer solchen Dünnschliffrakel ist es natürlich von besonderem Vorteil, wenn die Grat- und Schartenbildung des Standes der Technik vermieden wird.
Vorteilhafterweise ist wenigstens die Lamellenoberfläche der Dünnschliffrakel einem elektrochemischen Abtragprozeß unterworfen worden. Vorteilhafterweise sind etwa 3 bis 40%, vorzugsweise etwa 5 bis 20%, weiter vorzugsweise etwa 10% der Rakeloberfläche einem elektrochemischen Abtragprozeß unterworfen worden. Es ist nicht erforderlich, diejenigen Oberflächenbereiche der Rakel elektrochemisch zu behandeln, die in der Stützrakel eingespannt sind und mit der Zylinderoberfläche nicht in Berührung kommen können.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen von Material von der Oberfläche einer Rakel. Die zu behandelnde Rakel ist dabei als Anode in einem Spalt zwischen wenigstens zwei Kathoden angeordnet. In diesem Spalt befindet sich ein Elektrolyt, bspw. eine wäßrige Kochsalz- oder Natriumnitratlösung. Erfindungsgemäß sind Kathoden nur in demjenigen Spaltbereich angeordnet, in dem sich der zu behandelnde Teil der Rakeloberfläche befindet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich vorteilhafterweise um ein Durchlaufverfahren, bei dem die zubehandelnde Rakel als Rakelband den Spalt vorzugsweise kontinuierlich durchläuft.
Der Begriff "Spalt" umfaßt im Rahmen dieser Anmeldung jeden geeigneten Zwischenraum zwischen den Kathoden, der die Durchführung des elektrochemischen Abtragens erlaubt.
Eine Hauptschwierigkeit beim ECM-Verfahren stellt die Kontaktierung der Anode an die zu entgratende Rakel dar. Zur Erzielung einer ausreichenden Abtragrate muß eine verhältnismäßig hohe Stromstärke verwendet werden. Dadurch kommt es an der Kontaktstelle der Rakel zu der Anode zu einer starken Erwärmung, unter Umständen kann die Rakel im Bereich des Anodenkontaktes durchglühen. Die Anodenkontaktierung begrenzt somit den maximal zuführbaren Strom.
Erfindungsgemäß wird die anodische Oberflächenbehandlung auf lediglich einen Teil der Rakeloberfläche beschränkt, um den Strombedarf und damit die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Der Abtragprozeß wird auf einen Teil der Rakelbreite beschränkt und somit die elektrochemische Wirkfläche verkleinert, während nach wie vor die gesamte Rakelbreite zur Anodenkontaktierung und damit für die Stromzufuhr zur Verfügung steht. Die Konzentrierung des zur Verfügung stehenden Stroms auf eine kleinere Wirkfläche erhöht die Stromdichte in dieser Wirkfläche und damit die elektrochemische Abtragrate.
Vorteilhafterweise wird der zu behandelnde Oberflächenbereich der Rakel von einer laminaren Elektrolytströmung umströmt. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Passivierung der zu behandelnden Rakeloberfläche vermieden oder verringert.
Vorteilhafterweise werden etwa 3 bis 40%, vorzugsweise etwa 5 bis 20%, weiter vorzugsweise etwa 10% der Rakeloberfläche dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Abtragprozeß unterworfen. Zur Anodenkontaktierung der Rakel wird vorteilhafterweise eine Walzenelektrode verwendet. Es kann aber auch eine bspw. federnd auf der Rakel aufliegende Plattenelektrode verwendet werden.
Die zwischen Anode und Kathoden anliegende Spannung beträgt vorteilhafterweise 2 bis 20 V, vorzugsweise etwa 4 bis 10 V. Die verwendete Stromstärke beträgt vorteilhafterweise 50 bis 600 A, vorzugsweise etwa 100 bis 200 A.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen Spalt auf, in dem die Rakel als Anode zwischen wenigstens zwei Kathoden angeordnet ist. Die Kathoden sind nur in demjenigen Spaltbereich angeordnet, in dem sich der zu behandelnde Teil der Rakeloberfläche befindet. Diese Anordnung ist vorteilhafterweise so gewählt, daß etwa 3 bis 40%, vorzugsweise etwa 5 bis 20%, weiter vorzugsweise etwa 10% der Rakeloberfläche elektrochemisch behandelt werden. Zur Anodenkontaktierung der Rakel wird vorteilhafterweise eine Walzenelektrode verwendet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Rakel, die als Dünnschliffrakel ausgebildet ist;
Fig. 2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Abtragvorrichtung;
Fig. 3: einen Längsschnitt durch diese Vorrichtung entlang des Bearbeitungsspalts;
Fig. 4: einen Querschnitt durch diese Vorrichtung;
Fig. 5: einen Längsschnitt durch die Vorrichtung senkrecht zum Bearbeitungsspalt.

In Fig. 1 ist eine als Dünnschliffrakel ausgebildete erfindungsgemäße Rakel 1 gezeigt. Sie liegt mit der Spitze einer Lamelle 2 an einem Tiefdruckzylinder 3 an. Sie wird von einer Stützrakel 4 gehaltert, die wiederum in einem Rakelhalter 5 eingespannt ist. Die Rakel 1 ist üblicherweise zwischen 0,15 und 0,4 mm dick, die Dicke der Lamelle 2 beträgt etwa 0,05 bis 0,1 mm. Die Breite der Lamelle 2 liegt in der Regel zwischen 0,6 und 1,8 mm. Erst wenn die Lamelle in dieser Breite abgeschlissen ist, muß die Rakel 1 ausgewechselt werden. Die Breite der Rakel 1 insgesamt liegt in der Regel zwischen etwa 10 und 60 mm.
Fig. 2 zeigt schematisch die Vorrichtung zur elektrochemischen Behandlung der Rakel. Ein endloses Rakelband 1 durchläuft einen zwischen den Plattenkathoden 6 und 7 angeordneten Bearbeitungsspalt 8, in dem sich Elektrolyt befindet. Eine mit dem Pluspol einer Gleichstromquelle verbundene Anodenwalze 9 kontaktiert das Rakelband 1. Die Walze ist antreibbar und transportiert das Rakelband 1 durch den Bearbeitungsspalt 8. Es können zusätzliche, in der Zeichnung nicht dargestellte Transporteinrichtungen für das Rakelband 1 vorhanden sein. Die Plattenkathoden 6, 7 sind mit dem Minuspol dieser Stromquelle verbunden. Abstandhalter 10, die vorzugsweise aus keramischem Material bestehen, verhindern, daß das Rakelband 1 die Plattenkathoden 6, 7 berührt und so ein Kurzschluß entsteht.
Vor dem Einlauf in die elektrochemische Bearbeitungsstation wird das Rakelband in der Regel mechanisch vorgeschliffen und entfettet.
Während des Durchlaufs des Stahlrakels 1 durch den Bearbeitungsspalt 8 wird elektrochemisch Stahl bzw. Eisen von einem Teil der Oberfläche der Stahlrakel abgetragen. Vereinfacht läßt sich dies für den Fall der Eisenatome mit folgender Formel darstellen: ${Fe + 2H}_{2} {O -> Fe(OH)}_{2} {+ H}_{2} ↑$
Das entstehende Eisenhydroxid wird aus dem Elektrolyt ausfiltriert, der entstehende Wasserstoff wird abgesaugt und mit Luft so stark verdünnt, daß keine Verpuffung entstehen kann.
Der elektrochemische Abtragprozeß gleicht die vom Vorschleifen herrührende Schartigkeit aus und wandelt die Strichgeometrie des behandelten Oberflächenteils in die weiter oben beschriebene kalottenartige Kraterstruktur um.
In den Fig. 3 bis 5 ist die elektrochemische Bearbeitungsstation im Detail dargestellt. Die Plattenelektroden bzw. -kathoden 6, 7 begrenzen den vom Rakelband 1 durchlaufenen Bearbeitungsspalt nach oben und unten. In den Fig. 3 und 4 ist zu erkennen, daß die Plattenelektroden 6, 7 über einen großen Teil der Breite des Bearbeitungsspaltes mit einer Isolierschicht 11 versehen sind. Dem als Anode geschalteten Rakelband 1 stehen daher nur im von der Lamelle 2 durchlaufenden Bereich des Bearbeitungsspaltes Kathoden 6, 7 gegenüber. Es findet daher nur im Bereich dieser Lamelle 2 und in einem unmittelbar angrenzenden Oberflächenbereich des Rakelbands 1 eine elektrochemische Materialabtragung statt.
Die Plattenelektroden 6, 7 weisen Elektrolytkammern 12 auf, die über Einlässe 13 mit Elektrolytlösung gespeist werden. Vorzugsweise wird eine wäßrige Kochsalz- oder Natriumnitratlösung verwendet. Die Elektrolytlösung strömt durch Öffnungen 14 aus den Elektrolytkammern 12 in den Bearbeitungsspalt. Es entsteht so eine laminare Elektrolytströmung zwischen dem Rakelband 1 und den Plattenelektroden 6, 7. Die Elektrolytlösung tritt seitlich aus dem Bearbeitungsspalt aus, wird durch nicht dargestellte Einrichtungen aufgefangen, filtriert, und im Kreislauf den Elektrolytkammern 12 wieder zugeführt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht notwendigerweise auf Rakel beschränkt, sie kann ggf. auch bei anderen Werkzeugen Anwendungen finden.

Claims

Rakel, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil ihrer Oberfläche einem elektrochemischen Abtragprozeß unterworfen worden ist.
Rakel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Stahl gefertigt ist.
Rakel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Dünnschliffrakel 1 ausgebildet ist.
Rakel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Lamellenoberfläche der Dünnschliffrakel 1 einem elektrochemischen Abtragprozeß unterworfen worden ist.
Rakel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 3 bis 40%, vorzugsweise etwa 5 bis 20%, weiter vorzugsweise etwa 10% der Rakeloberfläche einem elektrochemischen Abtragprozeß unterworfen worden sind.
Verfahren zum elektrochemischen Abtragen von Material von der Oberfläche einer Rakel (1), bei dem die Rakel (1) als Anode in einem Raum oder Spalt (8) zwischen wenigstens zwei Kathoden (6, 7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der Rakeloberfläche elektrochemisch behandelt wird und daß die Kathoden (6, 7) nur in demjenigen Spaltbereich angeordnet sind, in dem sich der zu behandelnde Teil der Rakeloberfläche befindet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Durchlaufverfahren handelt, in dem das zu behandelnde Rakelband (1) den Spalt (8) durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zu behandelnde Oberflächenbereich der Rakel (1) von einer laminaren Elektrolytströmung umströmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 3 bis 40%, vorzugsweise etwa 5 bis 20%, weiter vorzugsweise etwa 10% der Rakeloberfläche einem elektrochemischen Abtragprozeß unterworfen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Walzenelektrode (9) zum Kontaktieren einer Rakel (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen Anode und Kathode (6, 7) anliegende Spannung etwa 2 bis 20 V, vorzugsweise etwa 4 bis 10 V beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke etwa 50 bis 600 A, vorzugsweise etwa 100 bis 200 A beträgt.
Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen von Material von der Oberfläche einer Rakel (1), mit einem Raum oder Spalt (8), in dem die Rakel (1) als Anode zwischen wenigstens zwei Kathoden (6, 7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (6, 7) nur in dem Bereich des Spaltes (8) angeordnet sind, in dem sich der zu behandelnde Teil der Rakeloberfläche befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (6, 7) so angeordnet sind, daß etwa 3 bis 40%, vorzugsweise etwa 5 bis 20%, weiter vorzugsweise etwa 10% der Rakeloberfläche elektrochemisch behandelt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eine Walzenelektrode (9) zum Kontaktieren der Rakel (1) aufweist.