Schwingungen in der Druckmaschine sind äußerst problematisch

Das Vermeiden von Bouncing im Flexodruck

Schwingungen in der Druckmaschine sind äußerst problematisch, wenn unter-schiedliche Drehzahlen von Walzen und Druckbilder mit harten Anlaufkanten einen Teil des Druckwerks in Schwingungen versetzen. Dies führt nicht nur zu Qualitäts-minderungen durch Druckaussetzer, sondern kann bei dauerhaftem Auftreten sogar zur Beschädigung des Druckwerks führen (Quelle: Inometa)

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden heute für industrielle Anwendungen unterschiedlichster Art eingesetzt. Um die vielfältigen Möglichkeiten dieses Werkstoffes voll zu nutzen, bedarf es jedoch entsprechender Fachkenntnis. Nachfolgend werden daher grundlegende Einflussfaktoren dargestellt, die bei der Entwicklung und Berechnung von CFK-Rohren für Walzen, Adapter und Trägerstangen zu beachten sind. Darüber hinaus wird auch das Problem der Schwingungen im Druckprozess (Bouncing) behandelt und dargelegt, welche Lösungen das Unternehmen Inometa hierfür anbietet.

CFK im Walzenbau

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Aufgrund seines breiten Eigenschaftsspektrums konnte der vielseitige Werkstoff CFK zahlreiche Marktsegmente und Einsatzfelder für sich erobern. Daher ist auch in der Papier- und Folienherstellung sowie in der Druckindustrie ein starker Anstieg des Anteils aus CFK gefertigter Komponenten zu beobachten. Als etablierter Hersteller von Metallwalzen erkannte Inometa bereits vor über 30 Jahren das große Potenzial des Werkstoffes CFK für die Verwendung im Walzenbau. So baute Inometa bereits frühzeitig ein fundiertes Wissen um diesen Faserverbundstoff auf.

CFK – ein anspruchsvoller Werkstoff

Der Einsatz von CFK erfordert ein entsprechendes Umdenken, denn in der modernen Konstruktion und Entwicklung gibt es wahrscheinlich keinen anderen Werkstoff, der so individuell auf die jeweiligen Anwendungen abgestimmt werden kann, wie dies bei CFK der Fall ist. Zur Verwendung eines gewöhnlichen Walzenrohrs reichte in der Vergangenheit die Information aus, ob es sich dabei um den Werkstoff Stahl oder Aluminium handelt. Anschließend ermittelte der Konstrukteur die genaue Charakteristik des verwendeten Metallmaterials mit Hilfe allgemeingültiger Tabellen. Bei der Verwendung von CFK in der Rohrherstellung reichen diese allgemeinen Informationen hingegen nicht mehr aus, denn die Konstanten von Verbundwerkstoffen sind weitaus komplexer.

Um die isotropischen Nachteile in Querrichtung auszugleichen, setzte Inometa bei der Herstellung von CFK-Rohren auf das Filament-Winding-Verfahren
(Quelle: Inometa)

Dies hat seinen Grund darin, dass diese aus sehr vielen einzelnen Kohlenstofffasern bestehen. Der Durchmesser der einzelnen Fasern beträgt etwa 5-10 µm und ist damit deutlich geringer als der Durchmesser eines menschlichen Haares mit 50-70 µm.

Außerdem weisen Kohlenstofffasern in Längsrichtung spürbar bessere physikalische Kennwerte auf als isotrope metallische Werkstoffe. Allerdings sind diese Werte in Querrichtung deutlich schlechter (Isotropie bezeichnet die Eigenschaft von Werkstoffen, auf Belastungen aus allen Richtungen gleich zu reagieren).

Präzisionswalzen aus CFK

Um die isotropischen Nachteile in Querrichtung auszugleichen, setzte Inometa bei der Herstellung von CFK-Rohren auf das Filament-Winding-Verfahren. Hierbei werden die Kohlenstofffasern in verschiedenen Lagen als Faserbündel mit unterschiedlichen Winkeln abgelegt und in einen geeigneten Kunststoff eingebettet. Steifigkeit und Festigkeit des so geschaffenen Verbundwerkstoffes sind somit direkt von der Art und Orientierung der Kohlenstofffasern abhängig. Dabei ist es nicht mehr nötig, sich an universell gültigen Richtwerten zu orientieren und die Steifigkeit und Festigkeit des Materials lässt sich in Längs-, Umfangs- als auch in Schubrichtung individuell anpassen. Für jeden neuen Anwendungsfall werden bei Inometa in der Konstruktion die jeweiligen Walzenrohre auf Geometrie und Belastung individuell berechnet und ausgelegt.

Hier sind hochqualifizierte Leichtbauspezialisten insbesondere deshalb notwendig, weil beim Einsatz von CFK eine detaillierte Berücksichtigung prozessbedingter Einflussgrößen, die zur Verformung des Walzenrohres führen können, über Erfolg oder Misserfolg der angestrebten Applikation entscheidet.

Qualitätsprüfung von CFK-Rohren
(Quelle: Inometa)

In jeder industriellen Applikation wirken verschiedene statische und ‎dynamische Lastverhältnisse. Diese haben ‎maßgeblichen Einfluss auf die erzielbare Qualität des zu produzierenden Materials und führen bei Walzen, Druckadaptern und Trägerstangen unweigerlich zu Verformungen. Vor dem Hintergrund der Erfahrungen aus branchenübergreifenden Anwendungsfällen verfügt Inometa über ein fundiertes Fachwissen. Von der darauf basierenden Entwicklung und Herstellung innovativer Leichtbaulösungen profitieren die Anwender, da sich mit diesen Produkten eindeutige Wettbewerbsvorteile erzielen lassen.

Bouncing in der Druckmaschine

Schwingungen in der Druckmaschine sind äußerst problematisch, da sie zu Einbußen bei Geschwindigkeit und Qualität führen können. Die Ursache hierfür ist oft die Eigenfrequenz der Schwingung von Körpern, wenn sie beispielsweise durch einen Stoß angeregt werden.

Im Flexodruckwerk findet eine derartige Resonanzanregung häufig statt, wenn unterschiedliche Drehzahlen von Walzen und Druckbilder mit harten Anlaufkanten einen Teil des Druckwerks in Schwingungen versetzen. Dies führt nicht nur zu Qualitätsminderungen durch Druckaussetzer, sondern kann bei dauerhaftem Auftreten sogar zur Beschädigung des Druckwerks führen.

Da Druckwerke aus vielen rotierenden Bauteilen bestehen, ist die Berechnung der Vielzahl von Eigenformen eine komplexe Aufgabe. Einzeln, aber auch zeitgleich, können Biege-, Torsions- und Ovalisierungsschwingungen auftreten, die zylindrische Körper mehrfach verformen und im ungünstigsten Fall zu hohen Schwingungsamplituden führen. Eine Standardmaßnahme zur Verringerung dieser Amplituden ist die Reduzierung der Bahngeschwindigkeit, um zuverlässig den Bereich störender Schwingungsfrequenzen zu vermeiden. Daraus ergibt sich das Dilemma, bei jeder Reduzierung der Geschwindigkeit die Produktivität, und bei jeder Erhöhung die Qualität zu vermindern.

In Zusammenarbeit mit Druckmaschinenherstellern führt Inometa umfassende Modalanalysen der Druckwerke durch. Mit Hilfe dieser schwingungstechnischen Untersuchung lassen sich Eigenfrequenz, Eigenform und der dazugehörige Dämpfungswert für Druckzylinder, Trägerstange, Rasterwalze und Kammerrakel bestimmen. Die Ergebnisse der Modalanalyse zeigen, dass abhängig von Bahngeschwindigkeit und Druckbild unterschiedliche Komponenten in ihren Eigenfrequenzen angeregt werden.

Aufgrund dieser Ergebnisse wurde das INOflex-Programm von Inometa bereits in der Entwicklungs- und Konstruktionsphase so ausgelegt, auftretende Schwingung im Gesamtsystem und die damit verbundene Energie linear zu dämpften. Als ein besonderes Ergebnis dieser Forschungs- und Entwicklungsarbeiten gilt neben den Brückenadaptern die patentierte Dämpfungstechnologie für Trägerstangen im Flexodruckwerk. Hier ist es gelungen die Schwingungsdämpfung des Gesamtproduktes durch eine im Produkt enthaltene Dämpfungstechnologie zu potenzieren.

Zahlreiche unabhängige Drucktests bei Maschinenherstellern und Druckereibetrieben bestätigen die Funktionalität der INOflex-Produkte. Durch das aufeinander abgestimmte Programm haben die Drucker nun die Möglichkeit, die Maschinenperformance vollumfänglich auszunutzen und störende Einflüsse wie Bouncing zu minimieren.

Die INOflex-Produktserie

Mit der Produktfamilie INOflex für den Flexodruck, bietet Inometa ein umfangreiches Leichtbau-Portfolio für den Einsatz im Druckwerk sowie anderen Bereichen von Flexodruckmaschinen. Das Unternehmen entwickelt und fertigt aufeinander abgestimmte Komponenten wie Rasterwalzen oder Rastersleeves, hydraulisch wie auch pneumatisch klemmende CFK-Adapter sowie CFK-Trägerstangen. Darüber hinaus ist Inometa auch ein Spezialhersteller bahnführender Walzen und Wickelhülsen.

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