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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen
der Zügigkeit
von pastösen Substanzen,
insbesondere von Druckfarben, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1. Dabei wird unter Zügigkeit (Klebrigkeit) oder
Tack die Spaltfähigkeit
einer als Film aufgetragenen Substanz, etwa zwischen zwei Farbwalzen,
bezeichnet.
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Vorrichtungen
zur Messung der Zügigkeit von
Farben sind beispielsweise aus der
DE 195 16 192 C1 bekannt. Sie bestehen im
wesentlichen aus einer hartelastisch bezogenen, als Meßwalze ausgebildeten
Andruckwalze, die im Reibschluß von
einer mit bestimmter Geschwindigkeit umlaufenden Metallwalze (Antriebswalze)
angetrieben wird. Eine dritte, entweder angetriebene oder ebenfalls
im Reibschluß mitlaufende
Verreibewalze sorgt durch Changierbewegungen für eine gleichmäßige Verteilung
der in diese Anordnung für
eine Zügigkeitsmessung eingebrachten
Substanzmenge.
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Da
die Substanz im Einlaufbereich des Walzenspaltes zwischen Meßwalze und
Antriebswalze komprimiert, im Walzenspalt Scherkräften unterworfen
und im Auslaufbereich gespalten wird, erzeugen die entstehenden
Druck-, Scher- und Kavitationsspannungen Kraftkomponenten der Meßwalze,
die in ihrer Summe durch deren Lagerreaktionskraft kompensiert werden.
Aus der Lagerreaktionskraft, die eine tangentiale Lageveränderung
der Meßwalze
relativ zur Antriebswalze bewirkt, wird dann der Zügigkeitswert
der zu prüfenden
Substanz gewonnen.
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Nachteilig
ist bei diesem bekannten Verfahren zur Bestimmung der Zügigkeit,
daß nicht
zwischen der Kraft, die zum Aufbau des Filmes zwischen den Walzen
benötigt
wird, und der Kraft, die zum Trennen des Filmes erforderlich ist,
unterschieden wird. Beide Kräfte
sind in der Messung überlagert. Filmaufbau
und Filmtrennung basieren aber auf unterschiedlichen physikalischen
Vorgängen,
so daß ein
allgemeingültiger
Zusammenhang zwischen diesen Vorgängen nicht hergestellt werden
kann.
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Ferner
hat sich gezeigt, daß bei
den bekannten Verfahren die Eigenschaften der elastomerbeschichteten
Meßwalze
die Messungen ungünstig
beeinflussen und zu relativ großen
Meßschwankungen führen können. Denn
der physikalisch chemische Zustand der Elastomerschicht hängt stark
von ihrem Alter, dem bisherigen Kontakt mit Lösemittel und den aktuellen
Meßkonditionen,
wie Temperatur, Andruckkräften
und Rollengeschwindigkeit, ab.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der
Zügigkeit
pastöser Substanzen
anzugeben, bei dem zwischen der jeweiligen Kraft, die zum Aufbau
des Filmes zwischen den Walzen benötigt wird, und der Kraft, die
zum Trennen des Films erforderlich ist und die eigentliche Zügigkeit
bestimmt, unterschieden wird. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens offenbart werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich
des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich
der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 2 gelöst. Weitere,
besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren
die Unteransprüche.
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Die
Erfindung beruht im wesentlichen auf dem Gedanken, die durch die
pastöse
Substanz auf mindestens einen vorgegebenen Oberflächenbereich
der Antriebswalze oder Andruckwalze wirkende Kraft, z.B. mittels
eines hoch dynamischen Miniaturkraftsensors, direkt in diesem Oberflächenbereich
in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Drehwinkel der entsprechenden Walze zu messen
und dieser Kraftverlauf dann zur Bestimmung der Zügigkeit
der Substanz heranzuziehen.
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Durch
dieses neue Verfahren ist es möglich, zwischen
Filmaufbau und Filmtrennung exakt zu unterscheiden. Außerdem kann
eine Aussage über
die Kraftverteilung in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Drehwinkel getroffen werden. Schließlich erfolgt
keine nennenswerte Beeinflussung der Zügigkeitsmessung durch die Elastomerschicht
der Meßwalze.
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Als
vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn direkt in den jeweiligen
vorgegebenen Oberflächenbereich
der Antriebswalze oder der Andruckwalze ein Kraftsensor, z.B. ein
Piezoelement, integriert ist. Denkbar ist selbstverständlich aber
auch eine optische Meßeinrichtung,
bei welcher ein an dem vorgegebenen Oberflächenbereich reflektierter Laserstrahl ausgewertet
wird.
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Bei
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in der Walze, in welcher der jeweilige Kraftsensor angeordnet
ist, eine Meßgrößenerfassungseinrichtung
vorgesehen, welche die von dem Kraftsensor analogen Meßwerte digitalisiert und
gegebenenfalls nach einer Vorverarbeitung drahtlos auf eine außerhalb
der Walze befindliche Auswerteeinrichtung überträgt.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden anhand
von Figuren erläuterten
Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
einer einen Kraftsensor enthaltenden Antriebswalze;
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
der in 1 dargestellten Antriebswalze im Bereich des Kraftsensors;
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3 der
gemessene zeitliche Verlauf der Kraft im Bereich der Oberfläche der
Antriebswalze, in dem der Kraftsensor angeordnet ist, und
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4 einer
mit dem Kraftsensor verbundenen und ebenfalls in der Antriebswalze
befindlichen elektronischen Meßgrößenerfassungseinrichtung, die
mit einer außerhalb
der Antriebswalze befindlichen Auswerteeinrichtung drahtlos verbunden
ist.
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In 1 ist
mit 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung bezeichnet,
die im wesentlichen aus einer Antriebswalze 2 aus Metall,
einer hartelastisch bezogenen Andruckwalze 3 und einer
ebenfalls mitlaufenden Verreibewalze 4 besteht, die durch
Changierbewegungen für
eine gleichmäßige Verteilung
einer auf die Antriebswalze 2 aufgebrachten Druckfarbe 5 dient.
Die Andruckwalze 3 und die Verreibewalze 4 sind
mit der als Meßwalze
ausgestalteten Antriebswalze 2 reibschlüssig verbunden und werden von
dieser angetrieben.
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Erfindungsgemäß ist nun
in einem relativ schmalen Oberflächenbereich 6 der
Antriebswalze 2 ein hoch dynamischer Miniaturkraftsensor 7 in
einer Ausnehmung 70 der Antriebswalze 2 angeordnet, der
sowohl Druck- wie auch Zugkräfte
detektiert (2). Dieser Kraftsensor 7 besteht
im wesentlichen aus einem Piezoelement 71, an welches sich auf
der der Andruckwalze 3 zugewandten Seite ein Kopfteil 72 anschließt. Der
verbleibende Raum der Ausnehmung 70 ist mit einem Füllmaterial 73 ausgefüllt. Das
Piezoelement 71 ist über
eine elektrische Leitung 8 mit einer in der Antriebswalze 2 befindlichen
Meßgrößenerfassungseinrichtung 9 (1) elektrisch
verbunden, wobei die Stromversorgung dieser Einrichtung über ein
seitlich in die Antriebswalze 2 eingekoppeltes elektromagnetisches
Wechselfeld erfolgt.
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Die
von der Meßgrößenerfassungseinrichtung 9 ausgewerteten
und digitalisierten Meßdaten werden
anschließend
drahtlos, z.B. per Funk, auf eine außerhalb der Antriebswalze 2 befindliche
Auswerteeinrichtung 10 übertragen
und von dieser weiterverarbeitet bzw. auf einem Bildschirm 11 angezeigt
und/oder auf einem Drucker (nicht dargestellt) ausgedruckt.
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3 gibt
den typischen Verlauf der mit dem Kraftsensor 7 gemessenen
Kraft F in Abhängigkeit von
dem Drehwinkel α der
Antriebswalze 2 wieder. Im Einlaufbereich 12 des
Spaltes 13 zwischen der Antriebswalze 2 und der
Andruckwalze 3 (1) wird die Farbe komprimiert
und die Kraft (Druckkraft) nimmt, ausgehend von einem Ausgangswert
F = 0 in Abhängigkeit
von der Breite des Walzenspaltes 13, zunächst ständig zu.
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Nach
Erreichen einer maximalen Kraft F0 nimmt
dann die Kraft wieder ab und erreicht schließlich negative Werte (Zugkraft).
Bei diesen Zugkräften handelt
es sich um die zum Trennen des Farbfilmes erforderlichen Kräfte, welche
die Zügigkeit
definieren. Nach Erreichen der maximalen Zugkraft F1 (Maximalwert
der Zügigkeit)
steigt die Kraft F wieder auf ihren Ausgangswert (F = 0) an.
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Dem
gemessenen Kraftverlauf lassen sich daher unter anderem Informationen
entnehmen, wie:
- – Breite des Rollenspaltes
- – Dauer
des Filmaufbauprozesses
- – Spitzenkraft
und integrierte Kraft für
den Filmaufbauprozeß
- – Dauer
des Filmtrennprozesses
- – Spitzenkraft
und integrierte Kraft für
den Filmtrennungsprozeß (Maximalwert
der Zügigkeit
und integrale Zügigkeit)
- – Statistische
Schwankungen des Endwinkels beim Trennen (Tendenz zur Fadenbildung
und Nebeln)
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4 zeigt
ein Blockschaltbild der Meßgrößenerfassungseinrichtung 9 und
der Auswerteeinrichtung 10. Dabei umfaßt die Meßgrößenerfassungseinrichtung 9 einerseits
einen mit der Drehachse 14 der Antriebswalze 2 in
Wirkverbindung stehenden Drehwinkelgeber 15 und andererseits
eine Meßanordnung
mit dem Kraftsensor 7, einen dem Kraftsensor 7 nachgeschalteten
Meßsignalverstärker 16 sowie
einen dem Meßsignalverstärker nachgeschalteten
Analog/Digital Wandler 17.
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Der
Analog/Digital Wandler 17 arbeitet zeitdiskret, d.h., zu
vorgegebenen Zeitpunkten erfolgt die Wandlung des gemessenen und
verstärkten
analogen Signales in einen digitalen Wert. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
erzeugt der Drehwinkelgeber 15 in Abhängigkeit zum Drehwinkel α der Antriebswalze 2 elektrische
Triggersignale, die somit an genau vorgegebenen Winkelpositionen
die Wandlung des analogen Signals in einen digitalen Wert auslösen.
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Das
digitale Signal wird anschließend
mit Zusatzinformationen (z.B. dem Drehwinkel) erweitert und mit
einer für
die drahtlose Signalübertragung
erforderlichen Kodierung in einer Kodiereinrichtung 18 versehen
und einer Sendeeinrichtung 19 zugeführt.
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Die
Auswerteeinrichtung 10 umfaßt eine Empfangseinrichtung 20,
eine Dekodiereinrichtung 21 zur Dekodierung der empfangenen
Signale und einen Mikrocomputer 22 zur Weiterverarbeitung
der dekodierten digitalen Signale. Im Mikrocomputer 22 werden
dann unter anderem Operationen zur Nullpunktkompensation und eine
Verstärkung
entsprechend der Sensorkalibration durchgeführt.
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Für die weitere
Darstellung und Signalverarbeitung ist ein Personalcomputer 23 vorgesehen,
der vorzugsweise über
eine schnelle PC Schnittstelle mit dem Mikrocomputer 22 verbunden
ist. Mit Hilfe dieses Personalcomputers 23 kann dann die
Berechnung der Zügigkeit
(Maximalwert der Zügigkeit,
integrale Zügigkeit
etc.) durchgeführt
werden.
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Die
Erfindung ist selbstverständlich
nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So
kann die Ermittlung der Zügigkeit
beispielsweise auch direkt mit dem Mikrocomputer 22 erfolgen.
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Außerdem kann
die Übertragung
der durch die Meßgrößenerfassungseinrichtung 9 ermittelten Daten
auf die Auswerteeinrichtung 10 statt per Funk z.B. auch über eine
Infrarotverbindung erfolgen.
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Ferner
können
der Kraftsensor und die Meßgrößenerfassungseinrichtung 9 alternativ
auch in der Andruckwalze 3 angeordnet sein.
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Zur
Ermittlung der Zügigkeit
der Farbe können
auch mehrere Kraftsensoren entlang der Walzenoberfläche angeordnet
werden, deren Meßsignale
parallel ausgewertet werden.
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Schließlich können durch
entsprechende Materialwahl des Kopfteiles des Kraftsensors bzw. durch
eine entsprechende Beschichtung der Oberfläche des jeweiligen Kopfteiles
auch Aussagen über das
Benetzungsverhalten für
Offsetdruckfarben mit emulgiertem Feuchtwasser getroffen werden.
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Im
Offsetdruckprozeß sind
nämlich
die nicht farbführenden
Flächen
der Druckplatte mit einer hydrophilen Oberfläche, die farbführenden
Flächen
dagegen mit einer hydrophoben (bzw. oleophilen) Oberfläche versehen.
Die Druckfarbe benetzt vorzugsweise die hydrophoben Oberflächenanteile
der Druckplatte (bildgebend), das Feuchtwasser dagegen eher die
hydrophilen Oberflächenanteile.
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Wird
daher die Oberfläche
des Kopfteiles eines ersten Kraftsensors (z.B. durch Verchromung) mit
einem hydrophilen Material und die Oberfläche des Kopfteiles eines zweiten
Kraftsensors durch Vernickeln mit einem oleophilen Material beschichtet,
so lagern sich Druckfarbe und Feuchtwasser einer auf die Antriebswalze
aufgebrachten Emulsion unterschiedlich an den Kopfteilen der Kraftsensoren
an. Da zum Trennen eines Druckfarbenfilmes deutlich höhere Kräfte als
zum Trennen eines Wasserfilmes benötigt werden, können somit
Informationen zum Benetzungsverhalten von emulgierten Offsetdruckfarben
auf unterschiedlichen Oberflächen
gewonnen werden.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Walze,
Antriebswalze
- 3
- Walze,
Andruckwalze
- 4
- Verreibewalze
- 5
- Substanz,
Druckfarbe
- 6
- Oberflächenbereich
- 7
- Kraftsensor,
Miniaturkraftsensor
- 8
- elektrische
Leitung
- 9
- Meßgrößenerfassungseinrichtung
- 10
- Auswerteeinrichtung
- 11
- Bildschirm
- 12
- Einlaufbereich
- 13
- Spalt
- 14
- Drehachse
- 15
- Drehwinkelgeber
- 16
- Meßsignalverstärker
- 17
- Analog/Digital
Wandler
- 18
- Kodiereinrichtung
- 19
- Sendeeinrichtung
- 20
- Empfangseinrichtung
- 21
- Dekodiereinrichtung
- 22
- Mikrocomputer
- 23
- Personalcomputer
- 70
- Ausnehmung
- 71
- Piezoelement
- 72
- Kopfteil
- 73
- Füllmaterial
- F
- Kraft
- α
- Drehwinkel