Wie wir Bouncing im
Flexodruck vermeiden
runterscrollen
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden heute für industrielle Anwendungen un-terschiedlichster Art eingesetzt. Um die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten dieses Werkstoffes zu erschließen, bedarf es jedoch spezifisches Knowhow.
Im nachfolgenden Artikel beleuchten wir grundlegende Einflussfaktoren, die bei der Entwicklung und Berechnung von CFK-Rohren für Walzen, Adapter und Trägerstangen zu beachten sind. Des Weiteren werfen wir einen Blick in den Bereich der Schwingungsprobleme im Druckprozess und warum INOMETA hier eine Führungsrolle einnimmt.
CFK – ein Werkstoff mit großem Spektrum
Dass CFK ausschließlich nur bei absoluten Highend-Anwendungen zum Einsatz kommt, diese Meinung ist selbst heute noch unter Ingenieuren weit verbreitet. Doch diese Aussage ist so schon länger überholt und basiert auf Erfahrungen der Anfangszeit. Aufgrund seines breiten Eigenschaftsspektrums konnte der vielseitige Werkstoff zahlreiche andere Marktsegmente und Einsatzfelder für sich erobern. Auch in der Papier- und Folienherstellung und vor allem in der Druckindustrie ist ein rasanter Anstieg des Anteils aus CFK gefertigten Komponenten im Vergleich zu den aus konventionellen, metallischen Werkstoffen produzierten Teilen in den letzten Jahren zu beobachten.
Als etablierter Hersteller von Metallwalzen erkannte INOMETA bereits vor über 30 Jahren das riesige Potenzial des Werkstoffes CFK für die Verwendung im Walzenbau. Damals wie heute gewinnen wir die besten Entwicklungs-Ingenieure, um intensiv an den Einsatzmöglichkeiten zu forschen und das Thema Leichtbau weiter voranzutreiben. So baute INOMETA bereits frühzeitig ein immenses und bis heute bestehendes Wissen um diesen Wunderwerkstoff auf.
Präzisionswalzen aus CFK
Der Einsatz von CFK erfordert ein radikales 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 es bei CFK der Fall ist. In der Vergangenheit reichte zur Verwendung eines gewöhnlichen Walzenrohrs die Information aus, ob es aus dem Werkstoff Stahl oder Aluminium gefertigt wurde. Mit Hilfe von allgemeingültigen Tabellen ermittelte der Konstrukteur die genaue Charakteristik des verwendeten Metallmaterials. Bei der Verwendung von CFK in der Rohrherstellung reichen diese allgemeinen Informationen hingegen nicht mehr aus, denn die Ingenieurskonstanten des Verbundwerkstoffs sind weitaus komplexer als die üblichen Erfahrungswerte eines Konstrukteurs.
Die Verbundwerkstoffe bestehen aus sehr vielen einzelnen Kohlenstofffasern. Der Durchmes-ser einer einzelnen Faser beträgt etwa 5-10 µm und ist damit deutlich geringer als der Durchmesser eines menschlichen Haares mit 50-70 µm. Außerdem besitzen Kohlenstofffasern die Eigenschaft in Längsrichtung signifikant bessere physikalische Kennwerte aufzuweisen als isotrope metallische Werkstoffe. Allerdings sind diese Werte in Querrichtung deutlich schlechter (Isotropie ist die Eigenschaft eines Werkstoffs, auf Belastungen aus allen Richtungen gleich zu reagieren).
Um die Einschränkungen der Eigenschaften in Querrichtung auszugleichen, setzten unsere Ingenieure von Anfang an bei der Herstellung der 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. Die Steifigkeit und auch die Festigkeit des so geschaffenen Verbundwerkstoffes sind direkt von Art und Orientierung der Kohlenstofffasern abhängig. Unsere Ingenieure müssen sich nicht mehr an universell gültige Richtwerte orientieren und sind somit frei, Steifigkeit und Festigkeit des Materials in Längs-, Umfangs- als auch in Schubrichtung individuell anzupassen. Für jeden neuen Anwendungsfall werden in der Konstruktion die jeweiligen Walzenrohre bei INOMETA 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.
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. Erfahrungen aus branchenübergreifenden Anwendungsfällen, bieten heute ein Höchstmaß an Fachwissen, von dem unsere Kunden in der Entwicklung und Herstellung innovativer Leichtbaulösungen profitieren und so nennenswerte Wettbewerbsvorteile erzielen.
Schwingungseffekte und Bouncing in der Druckmaschine
Jeder Drucker fürchtet Resonanzeffekte oder auch Bouncing, die in seinen Druckmaschinen zu Einbußen bei Geschwindigkeit und vor allem Qualität führen können. Bei der Ursachenforschung stößt man oft auf die sogenannte Eigenfrequenz, mit der Körper schwingen, wenn sie z.B. durch einen Stoß angeregt werden.
Eine Resonanzanregung findet häufig in Druckmaschinen statt und zwar besonders im Flexodruckwerk. Wenn unterschiedliche Drehzahlen von Walzen und Druckbilder mit harten Anlaufkanten, einen Teil des Druckwerks in Schwingungen versetzen. Die Folge ist mindestens ein Verlust an Druckqualität, oft sind aber komplette Druckaussetzer zu beklagen. Bei dauerhaftem Auftreten kann dies sogar zur Beschädigung des Drucksystems führen.
In einem Druckwerk mit vielen rotierenden Bauteilen ist die Berechnung der Vielzahl von Eigenformen eine komplexe Aufgabe. Einzeln, aber auch zeitgleich, können sogenannte Biege-, Torsions- und Ovalisierungsschwingungen auftreten, die die zylindrischen Körper mehrfach verformen und im ungünstigsten Fall zu hohen Schwingungsamplituden führen.
Die Standardmaßnahme zur Verringerung dieser Amplituden ist in der Regel immer die Reduzierung der Bahngeschwindigkeit, da man die Druckmaschine nur so zuverlässig aus dem Bereich der störenden Schwingungsfrequenz herausbekommt.
Die Drucker stehen somit vor der Herausforderung, bei der jede Reduzierung der Druckgeschwindigkeit weniger Produktivität, und jede Erhöhung weniger Qualität bedeutet.
Zusammen mit Druckmaschinenherstellern führten und führen die Experten von INOMETA umfassende Modalanalysen der Druckwerke durch. Mit Hilfe dieser schwingungstechnischen Untersuchung können Eigenfrequenz, Eigenform und der dazugehörige Dämpfungswert für Druckzylinder, Trägerstange, Rasterwalze und Kammerrakel bestimmt werden.
Die Ergebnisse der Modalanalyse zeigen, dass abhängig von Bahngeschwindigkeit und Druckbild unterschiedliche Komponenten in ihren Eigenfrequenzen angeregt werden.
Aufgrund dieser Ergebnisse wurde das INOMETA INOflex® Programm bereits in der Entwicklungs- und Konstruktionsphase so ausgelegt, dass die auftretende Schwingung im ganzheitlichen Gesamtsystem und die damit verbundene Energie linear gedämpft wird.
Als ein besonderes Ergebnis der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten bei INOMETA gilt neben den Brückenadaptern die patentierte Dämpfungstechnologie für Trägerstangen im Flexodruckwerk. Hier ist es gelungen die Schwingungsdämpfung des Gesamtproduktes, neben den bereits hervorragenden Dämpfungseigenschaften des Werkstoffes CFK, durch eine im Produkt enthaltene Dämpfungstechnologie zu potenzieren.
Zahlreiche unabhängige Drucktests bei Maschinenherstellern und Druckereibetrieben bestätigen die Funktionalität der INOflex® Produkte und tragen einen hohen Anteil an der Optimierung des gesamten Produktionsprozesses im Flexodruck. Durch das aufeinander abgestimmte INOflex® Programm haben die Drucker nun die Möglichkeit, die Maschinenperformance vollumfänglich auszunutzen und störende Einflüsse wie das Bouncing zu minimieren.
Erfahren Sie mehr über die INOflex® Produktserie
Mit der Produktfamilie INOflex®, der Systemlösung für den Flexodruck, bietet INOMETA ein umfangreiches Leichtbau-Portfolio für den Einsatz im Druckwerk und weiteren Bereichen von Flexodruckmaschinen. Als Spezialist für rotierende Druckwerkskomponenten entwickelt und fertigt INOMETA aufeinander abgestimmte Komponenten wie Rasterwalzen oder Rastersleeves, hydraulisch wie auch pneumatisch klemmende CFK-Adapter sowie CFK-Trägerstangen. INOMETA ist auch der Spezialist in der Produktion bahnführender Walzen und Wickelhülsen.
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