Projekt 24104/01

PRO DOT – Das System zur Qualitätsverbesserung und Produktivitätssteigerung bei der Gravur von Tiefdruckzylindern

Projektdurchführung

SAMAG Saalfelder Werkzeugmaschinen GmbH
Hüttenstr. 21
07318 Saalfeld

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

PRO DOT ist ein System, mit dem im Weltmarkt befindliche Tiefdruckgraviermaschinen zu bedeutend produktiveren und qualitativ besser produzierenden Maschinen aufgerüstet werden können. Bei der Herstellung der kostenintensiven Druckformen (Druckzylinder) entstehen Fehler, die beim Druck als starke Farbunterschiede sichtbar werden. Diese Fehler müssen dann durch ein kostenintensives manuelles Korrekturverfahren beseitigt werden. Durch die völlig neuartige PRO DOT- Graviertechnologie wird es zukünftig möglich sein, die Qualität der Gravur so weit zu verbessern, dass diese aufwändigen und kostenintensiven manuellen Korrekturen der Druckzylinder drastisch minimiert werden. Durch diese Qualitätsverbesserung können in Europa große Mengen an Papier, Chemikalien, Farbe und Energie eingespart werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenNeukonstruktion der Graviereinheit auf der Grundlage der mit dem vorhandenen ersten Labormuster gesammelten Erfahrungen. Ziele der Überarbeitung sind u.a. modulare Austauschbarkeit der Verschleißelemente und die Verringerung des Abstands zwischen Stichel und Gleitfuß, um den Einfluß von Ungenauigkeiten der Zylinderoberfläche auf das Gravierergebnis zu minimieren. Integration eines auf Druckluft basierenden Wärmeabfuhrsystems für den Piezoantrieb, welches gleichzeitig zur Verringerung der Lärmentwicklung verwendet werden soll. Aufrüstung einer Versuchsmaschine mit einem Winkelgeber, um die Y-Auflösung zu verbessern. Dies dient einerseits der Anpassung der Maschine an die geplante höhere Graviergeschwindigkeit, andererseits werden durch die Kopplung mit der Hauptantriebswelle der Maschine mechanische Ungenauigkeiten aus Getriebe und Lagerungen erfaßt und können kompensiert werden, was die Laufeigenschaften des Zylinders während der Gravur verbessert. Entwicklung und Bau einer Servicestation für den Gravierkopf, um bei einem Stichelwechsel oder beim Austausch der Antriebs- und Graviereinheit den Abstand von Stichel und Gleitfuß genau einstellen zu können. Verwendung synthetischer Diamanten als Stichel und Optimierung der Stichelgeometrie zur Verbesserung der Näpfchenentleerung während des Druckvorgangs. Aufbau einer digitalen Endstufe auf FPGA-Basis zur Ansteuerung des Piezo-Aktors. Hierdurch wird eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Endstufe auf über 90 Prozent erreicht und die bei analogen Endstufen erforderliche doppelte Signalumwandlung vermieden. Entwicklung einer Elektronik und deren Programmierung, um die Taktsignale eines Winkelgebers (Strichscheibe) für den Antriebsmotor als Referenzpunkte zur Auflösung des Zylinderumfangs für das so genannte stochastische Raster (rasterfreie Gravur) nutzen zu können. Entwicklung einer auf Kundenbedürfnisse anpassbaren Benutzeroberfläche mit administrativer Ebenen- und Benutzerverwaltung. Die Einflussnahmemöglichkeit unterschiedlich qualifizierten Personals auf den Gravierprozeß soll über die Benutzeroberfläche geregelt werden. Erstellung der sogenannten rasterfreien Gravur (stochastisches Raster), um die Bildqualität stark zu verbessern. Die Erfahrungen aus dem Offset-Bereich werden hierbei für den Tiefdruck umgesetzt. Durchführung von Langzeittests, um die volle Funktionalität (auch das stochastische Raster) nachzuweisen und die Technologie zu optimieren. Das automatische Einkalibrieren der Gravierköpfe wird in dieser Phase ebenfalls getestet.


Ergebnisse und Diskussion

Nachfolgend sind die erreichten Ziele angelehnt an den Projektablaufplan dargestellt. Sie sind unterteilt in die Bereiche Mechanik sowie Elektronik und Programmierung.

Es ist ein Gravierkopfprototyp konstruiert und gefertigt worden, der mechanisch kompatibel zu allen im Weltmarkt befindlichen Graviermaschinen ist. Diese Kompatibilität ist wichtig, da in einem ersten Schritt Tuning-Systeme für im Weltmarkt befindliche Graviermaschinen angeboten werden sollen. In den Gravierkopf ist eine Auffangeinrichtung für Gravierspäne mit Absaugung integriert worden. Der Gleitfuß kann mittels einer Feinstjustage µm-genau verstellt werden. Eine Permanentbelüftung durch absolut trockene und gereinigte Pressluft sorgt in der Aktorarbeitskammer für die Wärmeabfuhr. Außerdem wird durch den leichten Überdruck in der Arbeitskammer dafür gesorgt, dass keine Gravierspäne dort eindringen können. Es war entgegen dem ursprünglichen Konzept möglich, die elektronische Endstufe und deren Ansteuerungsplatine in dem Gravierkopf zu integrieren. Dadurch kann diese Hochleistungselektronik so abgeschirmt werden, dass sie keine EMV-Störungen verursachen kann. Im Gravierkopf kann ein neuartiger Bewegungssensor integriert werden, der die tatsächliche Stichelbewegung online misst. Gemeinsam mit dem Hersteller dieses neuartigen Sensors sind erfolgreich Tests durchgeführt worden.

Für die Hauptantriebswelle der Graviermaschine ist eine mechanische Glocke konstruiert und gefertigt und dort nebst einem Winkelgeber (Inkrementalgeber) installiert worden. Dieser Winkelgeber erzeugt einen Nullimpuls und Referenzpulse zur Synchronisation der Zylinderdrehgeschwindigkeit und des Graviertakts.

Zur Montage des Aktors ist eine Vorrichtung konstruiert und gebaut worden, um ihn im Gravierkopf montieren zu können. Diese Servicestation ist von großer Bedeutung, da der Antrieb ein Verschleißteil ist und nach einer in weiteren Tests zu ermittelnden Anzahl von Betriebsstunden gewechselt werden muss.

Wir verfügen über eine weitere Servicestation, mit der der Gleitfuß µm-genau zur Stichelspitze positioniert werden kann. Diese Servicestation ist ebenfalls sehr bedeutsam, da auch der Diamantstichel ein Verschleißteil ist und ebenfalls - entweder bei einem Defekt oder nach x Betriebsstunden - gewechselt und jedes Mal der Gleitfuß neu justiert werden muss.

Von einem renommierten Diamantwerkzeughersteller ist ein synthetischer Diamant konstruiert und geschliffen worden, der andere Winkel als die jetzt üblichen aufweist. Diese Winkelgeometrien sind über eine Reihe von Teststicheln über Testgravuren ermittelt worden. Von dem Diamantwerkzeughersteller ist ebenfalls eine Stichelhalterung entwickelt und gebaut worden, die an dem Gravierhebel befestigt wird. Der Stichel mit Halterung ist für den Anwender einfacher zu montieren als die jetzt verwendeten. Mit dem synthetischen Diamanten kann eine höhere Standzeit erreicht werden. Bei den jetzt verwendeten Sticheln wird ein Stichelwechsel bei 4 kHz Gravierköpfen nach 200 Betriebsstunden und bei 8 kHz Gravierköpfen nach 100 Betriebsstunden vorgeschlagen.

Die genaue Standzeit für unseren synthetischen Diamanten kann erst bei Testgravuren bei unserem Erstkunden ermittelt werden. Im eigenen Hause ist der Zylinderwechsel an der Graviermaschine sehr aufwändig, da wir nicht die dafür benötigte Krananlage und die Galvanikanlage zur erneuten Aufkupferung eines Zylinders besitzen.

Es ist eine neue Hardwareplattform auf einer FPGA-Basis entwickelt worden. Diese Plattform kommuniziert mit einem PC als Frontend. Sie führt die Synchronisation zwischen dem Zylinderrundlauf und dem Graviertakt durch und sendet in Echtzeit aufbereitete Gravierdaten an die Endstufensteuerung. Außerdem werden gemeinsam mit dem PC alle nötigen Steuerungen für die gesamte Graviermaschine durchgeführt.



Die komplette Hardware ist getestet worden. Alle, insbesondere die Highspeed-Datenübertragungen, funktionieren.

Für die Aktoransteuerung ist eine voll digitalisierte Endstufe mit einer Ansteuerung entwickelt worden. Sie arbeitet mit einer Frequenz von 16 kHz und ist variabel einstellbar. Sie wurde in den Gravierkopf integriert, was einen großen Fortschritt hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit bedeutet. Sie besitzt einen Eingang für einen Bewegungssensor.

Es sind 2 Bedienoberflächen angelegt worden. Die eine Oberfläche dient dazu, die Parameter für das Gesamtsystem zu verändern. Die andere Oberfläche ist für den Anwender bzw. Maschinenbediener bestimmt. Er kann darüber unterschiedliche Raster, verschiedene Zylinderumfänge, die Farben Magenta, Gelb, Rot und Schwarz eingeben und die Gravur starten und stoppen, sowie den Graviersupport positionieren. Diese Oberflächen und deren Funktionalität werden im Laufe der Testphase ständig erweitert. Parallel dazu wird eine Serviceoberfläche erstellt, um später eine Fernwartung durchführen zu können. (siehe Anhang)

Die gesamte Graviertechnologie ist so angelegt, dass in einem so genannten stochastischen Raster graviert werden könnte. Als stochastisches Raster bezeichnet man in der Druckindustrie ein Verfahren, mit dem nicht in einem starren Raster gedruckt wird, sondern sich die Rasterpunkte in einem beliebigen Abstand zueinander befinden.

Bei den Testgravuren, speziell bei Verläufen über den gesamten Zylinder, hat es sich gezeigt, dass die gesamte Elektronik und die dazu gehörige Software sehr präzise und sauber arbeiten. Anhand unserer speziellen Graviertestbilder wird das System ständig weiter optimiert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Eine Veröffentlichung der Entwicklungsergebnisse seitens der am Förderprojekt beteiligten Firmen ist aus wettbewerblichen Gründen bis zum Vorliegen der Ergebnisse der Anschlußphase vorerst nicht geplant.


Fazit

Den Personalwechsel im Bereich Elektronik und hardwarenahe Programmierung haben wir zum Anlass genommen, das gesamte Entwicklungskonzept noch einmal kritisch zu durchleuchten. Dabei sind wir zu der Erkenntnis gekommen, einen etwas modifizierten Weg zum Erreichen des Ziels bei der Elektronikentwicklung und deren Programmierung einzuschlagen. Es wurde das angepeilte Ziel erreicht, ein Graviersystem zu erstellen, das zukünftig qualitativ besser graviert und die mechanisch und elektronisch bedingten Fehlerquellen bei den jetzt verwendeten Graviersystemen minimiert.

Wir sind absolut sicher, dass mit der neuen Graviertechnologie zukünftig große Mengen an Papier und Chemikalien, die bei der Korrektur von Tiefdruckzylindern durch das aufwändige manuelle Ätzverfahren und den erneuten Andruck in der Druckmaschine anfallen, eingespart werden können.

Bei den Graviertests hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft wäre, zukünftig einen anderen Aktor mit besseren elektrischen und mechanischen Werten einzusetzen. Das dafür notwendige mechanische Redesign könnte Bestandteil eines Folgeprojekts sein.