ESA, Entladung und Ladungskontrolle im Verpackungsdruck

Im Verpackungsdruck stellen statische Aufladungen auf Folienmaterialien (z.B. PE, PET, BOPP, OPP) ein zunehmendes Problem dar, aus denen sich neue Anforderungen ergeben. Ursachen für hohe statische Aufladungen sind oft fehlendes Qualitätsbewusstsein beim Lieferanten und Materialeinkauf. Nicht selten werden 150-350 KV beim Rollenmaterial am Abwickler von Druck- und Kaschiermaschine oder am Rollenschneider gemessen.

Aber auch hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Druck- und Convertingprozess tragen zu hohen statischen Aufladungen bei. Kunden von Verpackungsdruckern sind zunehmend sensibilisiert und geben geringe Grenzwerte für statische Aufladungen vor, um einen reibungslosen Produktionsprozess zu gewährleisten.

 

Inhalt
Wann und wie werden statische Ladungen bemerkt?

Welchen Lösungsbeitrag leistet eine moderne ESA-Technologie?

Warum kann es zu Störungen des elektrischen Feldes trotz Entladung kommen?

Welchen Stellenwert hat die ESA für die Entladung im gesamten Convertingprozess?

Wo treten sonst noch Ladungen auf und gibt es ein Warnsystem für zu hohe statische Aufladungen?

Sicherheit und Integration

Doch wann und wie werden statische Ladungen bemerkt?

Wenn Blitze über die Substratrolle fahren? Lautes Knistern, der den Operator davon abhält den Rollenwechsel vorzunehmen? Oder wenn Materialzerstörungen oder Durchschläge registriert werden? Für den Maschinenbediener kann es dennoch sehr unangenehm werden, wenn keines der erwähnten Anzeichen auf statische Ladungen hindeutet. Doch meistens ist es zu diesem Zeitpunkt schon zu spät, um erfolgreich Gegenmaßnahmen zu ergreifen.

Besonders beim Auftreten von störenden statischen Ladungen glauben viele, dieses Problem durch den Einbau eines Entladestabes am Rollenschneider lösen zu können. Jedoch kann in diesem Produktionsstadium nicht mehr viel bewirkt werden, da sich die Folie bereits in der Tiefenstruktur statisch verändert hat.

Oftmals bringen einfache Entladestäbe nicht die gewünschten Ergebnisse und können lediglich einen geringen Teil der statischen Ladung von der Oberfläche des Folienmaterials entfernen. Eine Messung mit einem elektrostatischen Feldstärke-Messgerät mag zunächst beruhigende niedrige KV-Werte nach der Entladung anzeigen, jedoch können hohe statische Ladungen noch nach Stunden wieder zum Vorschein kommen.

Was ist also zu tun, wenn nach einer halben Stunde wieder hohe KV- Werte von bis zu 100 KV (100.000 Volt) an der ruhenden Folienrolle gemessen werden? Im Convertingprozess sind Vorkehrungen zu treffen, die das Entstehen statischer Ladungen verhindern oder am Entstehungsort entfernen.

Welchen Lösungsbeitrag leistet eine moderne ESA-Technologie?

Betrachtet man sich den Einsatz einer ESA-Anlage auf Verpackungstiefdruckmaschinen, so ist deren Nutzen bei saugenden Bedruckstoffen unstrittig. Bei Kunststoff-Folien gehen die Meinungen auseinander. Dieses mag mit den schlechten Erfahrungen der Maschinenbediener zu tun haben, die oftmals beim Einsatz von ESA auf Folien gemacht wurden.

Sobald Kunststoffmaterialien in Bewegung geraten, können sie aufgrund ihrer molekularen Struktur statische Ladungen erzeugen und halten. Diese Eigenschaften wirken sich auf Sicherheit und den ESA–Effekt aus. Beides reduziert sich erheblich und kann zu negativen Randerscheinungen führen.

Ohne aktive Maßnahmen zur Entladung laden sich Folienbereiche sehr stark auf, die sich durch Funken entladen können. Es kann von Glück gesprochen werden, wenn die Funken aus der Entladung nicht in Richtung Tiefdruckzylinder oder in der Ex-Zone entstehen (zündfähige Atmosphäre).

Um eine optimale Druckqualität im Tiefdruck zu erzielen, wird der Presseur kontrolliert mit einer Gleichspannung beladen, wodurch im Druckspalt (NIP) ein elektrisches Feld zum geerdeten Tiefdruckylinder erzeugt wird. Aus dem elektrischen Feld resultiert nach dem Coulombschen Gesetz eine Kraft, die auf die Farbe in den Näpfchen des Zylinders wirkt, sodass die Farbe einen Kontakt mit dem Substrat eingeht.

Aufgrund der Kapillarwirkung wird das Näpfchen vollständig und kontrolliert entleert. Je nach Anwendung im Verpackungstiefdruck werden im NIP elektrische Spannungen von 300 bis 1600V DC zur vollständigen Näpfchenentleerung benötigt.

Wird das elektrische Feld durch statische Ladungen in der Folie gestört, beeinträchtigt dies den ESA–Effekt, sodass die erforderliche Kraft zur Näpfchenentleerung im NIP fehlt. Darüber hinaus können unkontrollierte Ladungen das Ausdruckverhalten über die gesamte Druckbreite negativ beeinflussen. Empirische Versuche mit ESA-Systemen an Verpackungstiefdruckmaschinen bewiesen, dass der ESA-Effekt vor allem in den letzten Druckwerken drastisch nachließ. Dieses Phänomen trat auch dann auf, wenn eine aktive Entladung im Einlauf und Auslauf eines Druckwerks vorhanden war.

Das ESA-System von Enulec mit kapazitätsfreien Hochspannungsgeneratoren und einer höher frequenten Spannungsüberlagerung verhindert speziell bei Folien diese negativen Effekte und wirkt ladungsreduzierend.

Warum kann es zu Störungen des elektrischen Feldes trotz Entladung kommen?

Die Ursache für statische Ladungen ist nicht immer dort zu suchen, wo sie auch messbar ist. Veränderungen der Molekularstruktur der Folie können hierfür ursächlich sein. Aktive Entladeelektroden sind nicht immer in der Lage, die Ladungen auf der Folie komplett zu rekombinieren. Denn statische Ladungen können sich nach außen als Ladungsdoppelschichten „verstecken“.

Es ist also schwer nachweisbar, was genau das Auftreten statischer Ladungen im Druckspalt und somit die Verringerung des ESA–Effekts letztlich verursacht. Das Enulec-ESA-System wirkt Ladungsdoppelschichten entgegen und verhindert eine Abnahme des ESA-Effekts, auch bei schwierigen Druckbedingungen und unterschiedlichen Folienarten.

Durch die kapazitätsfreie Hochspannungserzeugung von Enulec im Zusammenwirken mit den Presseuren werden in einer Tiefdruckmaschine optimale Druckergebnisse erzielt und Makulaturquote sowie Rüstzeiten deutlich reduziert.

Darüber hinaus werden unerwünschte Ladungsdoppelschichten mit dieser Technologie aufgebrochen und störende statische Ladungen beseitigt.

Damit wird das Bedrucken von Kunststoff-Folien durch das Enulec-ESA-System deutlich sicherer, da sich hohe eingeschlossene Ladungen nicht mehr unkontrolliert entladen können. Im Vergleich zu herkömmlichen ESA Systemen „neutralisiert“ das System Ladungen und reduziert deutlich eingeschlossene Ladungen im Foliensubstrat.

Auf zwei baugleiche Tiefdruckmaschinen wurde mit Hilfe unterschiedlicher ESA-Systeme die gleiche PET-Folie bedruckt  Dieses Material wurde mit Korona vorbehandelt und es wurden die statischen Ladungen nach jeder Presseurbeladung im Auslauf des Druckwerkes gemessen.

Nach der Korona-Vorbehandlung ist auf beiden Maschinen zunächst eine hohe statische Aufladung der PET-Folie gemessen worden. Die anschließende gemessene statische Ladung an der mit Enulec-ESA ausgerüsteten Maschine fiel viel niedriger aus, als an der Vergleichsmaschine. Das ESA-System hält die statischen Ladungen stabil in einem sicheren Bereich.

Welchen Stellenwert hat die ESA für die Entladung im gesamten Convertingprozess?

Oft sind es nicht weitere Entladungsmaßnahmen am Rollenschneider, welche die Ladungen auf dem Wickel auf ein Minimum reduzieren, sondern der richtige Einsatz des Enulec ESA-Systems auf der Tiefdruckmaschine, dem vorgelagerten Prozess-Schritt. Denn Ladungen sind dort zu vermeiden oder zu entfernen, wo sie entstehen.

Der Wickelprozess ist bei Folien ein regelrechter Ladungsgenerator. An jedem Ab- und Aufwickler sind daher wirksame Entladungsmaßnahmen zu treffen, die Aufladungen verhindern. Elektroden mit geringer Leistung und Reichweite dienen mehr der Beruhigung der Mitarbeiter als der effektiven Bekämpfung von statischen Ladungen am Wickel.

Die Entladungselektrode ESTDC-LDS von Enulec strahlt direkt in den Wickelspalt. Dabei beseitigt das System kontrolliert auf beiden Seiten des Materials sowohl die positiven als auch negative Ladungen  uf beiden Seiten des Substrats. Eventuell vorhandene sogenannte Ladungsdoppelschichten werden gezielt aufgebrochen.

Wo treten sonst noch Ladungen auf und gibt es ein Warnsystem für zu hohe statische Aufladungen?

Mit dem Static Inline Control bietet Enulec eine ideale Ergänzung zum ESA-System. Diese Technologie kommt bei großen Verpackungsherstellern und führenden Tiefdruckmaschinenproduzenten zur Anwendung. Das System wird vor und nach dem Druckprozess, aber auch an Kaschiermaschinen und am Rollenschneider eingesetzt, um nicht gewollte Aufladungen zu identifizieren.

Das System misst die statischen Ladungen auf der Substratbahn und löst beim Überschreiten einer gesetzten Warnstufe einen Alarm aus. Dabei wird der Zustand und Verlauf der statischen Ladungen auf dem Substrat lückenlos dokumentiert. Static Inline Control wird idealerweise nach dem Abwickler und vor dem Aufwickler installiert.

Manch ein Produktionsleiter wundert sich, warum das gleiche Material an einem Tag weniger Ladungen aufweist und an anderen Tagen sich Funkenentladungen am Wickel zeigen. Dabei ist der Grund hierfür nicht allein auf unterschiedliche klimatische Bedingungen zurückzuführen. Häufig sind bereits aufgeladene Substratrollen die Ursache. Daher werden mit mehreren Sensoren die Ladungen nach dem Abwickler messtechnisch erfasst. Ein weiteres Mess-System unmittelbar vor dem Aufwickler informiert den Bediener, ob auf der Maschine ladungsreduzierend gearbeitet wurde.

Sicherheit und Integration

Von besonderer Bedeutung für Enulec sind die Anforderungen der weltweit führenden Tiefdruckmaschinenproduzenten aus Deutschland, Italien und Spanien, bei denen das Unternehmen mit seinen Produkten Erstausrüster ist. In Zusammenarbeit mit den OEMs werden neue Lösungen und Konzepte entwickelt, die einen reibungslosen, sicheren und optimalen Produktionsablauf in der Tiefdruck- und Convertingindustrie gewährleisten.

Aus diesem Grund haben sich die Hersteller dazu entschieden, elektrostatische Produkte von Enulec in deren Maschinen als Komplettintegration in die Maschinensteuerung (SPS) zu implementieren. Erstmals kommunizieren ESA- und Entladesysteme uneingeschränkt und nahezu in Echtzeit mit der Tiefdruckmaschine, die sich in Abhängigkeit zu den Produktionsbedingungen und zur Maschinenkonfiguration automatisch einstellen und verwalten lassen.

Aufgrund dieser engen Zusammenarbeit wurden weitere Sicherheitsfeatures, wie die tachometrische Kompensation, entwickelt. Die tachometrische Kompensation (geschwindigkeitsabhängige ESA-Leistung) zähltbei Tiefdruckmaschinen mittlerweile zur Standardausrüstung. Diese sorgt beim Hochfahren der Tiefdruckmaschine für mehr Sicherheit und eine stabile ESA-Wirkung bei unterschiedlichen Druckgeschwindigkeiten.

Ein weiterer Vorteil der ESA-Integration auf Tiefdruckmaschinen ist die Bedienerfreundlichkeit. Ein zusätzliches ESA-Bedienmodul ist nicht mehr notwendig. Dieses wird durch ein ESA-Fenster in der Steuerungssoftware der Tiefdruckmaschine ersetzt. Störungen oder Warnungen des ESA-Systems werden durch die optischen und akustischen Warnmelder an der Tiefdruckmaschine angezeigt.

Fazit

Das Enulec-Konzept bietet für den Tiefdruck ein praxiserprobtes, integrales System, das aus den Modulen ESA, Entladung und Ladungskontrolle besteht und je nach Anforderungen ausbaubar ist. Alle Komponenten sind auf dem Touchscreen übersichtlich und einfach angeordnet, sodass der Maschinenbediener alles im Blick behält.