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Die
Erfindung betrifft eine Farbduktorwalze einer Rollendruckmaschine
gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Farbduktorwalzen
von Rollendruckmaschinen nehmen die Druckfarbe aus einem Filmfarbwerk auf
und übertragen
diese meist über
weitere Farbübertragungswalzen
auf den Druckplattenzylinder, der die Farbe an einen Gummituchzylinder
und schließlich
auf das Sujet überträgt.
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Für das Druckergebnis
ist es von essentieller Bedeutung, dass die Farbaufnahme der Farbduktorwalze
homogen ist und der Farbfilm auf der Duktorwalze nicht abreißt oder
die Duktorwalze blank oder trocken läuft.
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Hierbei
hängt das
Blanklaufen oder der Farbfilmriss auf der Duktorwalzenoberfläche von
der Zusammensetzung der Druckfarbe, der Konzentration des beim Drucken
verwendeten Feuchtmittels oder von eventuellen auf der Duktorwalzenoberfläche anhaftenden
Verunreinigungen ab.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits Farbduktorwalzen mit keramischer
Oberfläche
bekannt, die meistens aus einer Mischung aus Chromoxid (Cr2O3) und Titanoxid
(TiO2) bestehen, die jedoch hinsichtlich
der Blanklaufeigenschaften nur unbefriedigende Ergebnisse erzielen.
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Eine
Verbesserung der Blanklaufeigenschaften wurde durch Farbduktorwalzen
mit einer metallischen Spritzschicht erreicht, die durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
auf der Farbduktorwalze aufgebracht wurde. Dabei besteht die metalli sche Spritzschicht,
vorzugsweise aus einer Metalllegierung, wie beispielsweise aus Nickel
(Ni), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Bor (B) und Silizium (Si). Mit dieser
metallischen Oberfläche
kann das Blanklaufen gegenüber den
keramischen Oberflächen
zwar verbessert werden, eine gänzliche
Verhinderung kann mit dieser Beschichtung aber nicht erreicht werden.
Bislang hat man sich zur Verhinderung des Farbduktorblanklaufens
zusätzlicher
Antiadhäsivpasten
bedient, die aber nur eine temporäre Wirkung zeigten.
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Neben
dem Blanklaufen des Farbduktors tritt im Farbwerk auch das Problem
von Verschmutzungen auf. Diese Verschmutzungen, wie beispielsweise Papierstaub,
gelangen in die Farbe des Farbwerkes und werden dort vom Farbduktor
aufgenommen. Wobei oberflächlich
anhaftende Verschmutzungen am Farbduktor wiederum ein Unterwandern
von Farbe und somit das Blanklaufen begünstigen.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde,
eine Duktorwalze einer Rollendruckmaschine zu schaffen, die eine Oberfläche aufweist,
bei der das Phänomen
des Blanklaufens oder des Farbfilmrisses noch weiter reduziert oder
ganz verhindert wird, wobei die Oberfläche gleichzeitig derart ausgestaltet
sein soll, dass Kontaminationen weniger stark oder gar nicht an
dieser anhaften.
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Dieses
Problem wird durch eine Farbduktorwalze einer Rollendruckmaschine
gemäß Anspruch 1
gelöst.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass zunächst die
Oberflächenenergie,
hierbei vor allem der polare Anteil, der Farbduktorwalzenoberfläche entscheidend
ist für
deren oleophile oder hydrophobe Eigenschaften. Je geringer die Oberflächenenergie
ist, desto „farbfreundlicher" und „wasserfeindlicher" ist die Oberfläche. Hierdurch
ist es auch zu erklären, dass
die metallische Hochgeschwindigkeitsflammspritzschicht auf der Farbduktorwalzenoberfläche, die
eine höhere
Dichte und eine geringere Oberflächenenergie
als die keramische Farbduktorwalzenoberfläche aufweist, auch eine bessere
Farbaufnahmefähigkeit
und somit geringere Blanklaufeigenschaften aufweist.
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Die
Erfinder haben weiter erkannt, dass auch die Morphologie, beziehungsweise
die Topographie der Oberfläche
einen Einfluss auf die Blanklaufeigenschaften der Farbduktorwalzenoberfläche hat.
So können
sich innerhalb von Poren und Mikrorissen in der Farbduktorwalzenoberfläche Kontaminationen, vor
allem von Kalziumcarbonat und Kaolin anlagern, die aufgrund ihrer
hydrophilen Eigenschaften als Keimzellen für das ungewollte Spreiten von
Feuchtwasser auf der Duktorwalzenoberfläche führen, das ein Unterwandern
der Farbe und eventuell ein Blanklaufen der Duktorwalze bewirkt.
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Aus
der
DE 195 16 032
C2 ist ein Verfahren zur Veredelung der Oberfläche einer
Farbübertragungswalze
bekannt, bei dem mittels Ionenimplantation eine metallische Schicht
auf der, mit einer Riffelung oder mit Vertiefungen versehenen Farbübertragungswalzenoberfläche, aufgebracht
wird. Die Farbübertragungswalze
rotiert mit der hohen Rotationsgeschwindigkeit der Druckmaschine
von bis zu 60000 Umdrehungen/Minute und unterliegt somit einem erhöhten Abrieb
und einem erhöhten
Verschleiß.
Mit Hilfe der durch Ionenimplantation aufgebrachten metallischen
Beschichtung soll die Standzeit der Farbübertragungswalze durch Minimierung des
Abriebs erhöht
werden und gleichzeitig die Korrosionseigenschaft verbessert werden.
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Die
Farbduktorwalze hingegen rotiert mit einer um das circa 60-fachen
niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit. Diese geringe Rotationsgeschwindigkeit
ist notwendig, um eine homogene Aufnahme der Farbe aus dem Farbkasten
zu gewährleisten
und ein Aufwirbeln der Farbe zu vermeiden. Bedingt durch die wesentlich
geringere Rotationsgeschwindigkeit tritt die Verschleißproblematik
an der Farbduktorwalze nur in geringerem Maße auf als bei der Farbübertragungswalze.
An der Farbduktorwalze erschien bisher der Einsatz einer Plasmabeschichtung
auf der Ober fläche
einer Farbduktorwalze, wobei die Beschichtung einen nicht zu vernachlässigenden
Kostenaufwand bedeutet, nicht sinnvoll zu sein.
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Aus
den gewonnenen Erkenntnissen heraus schlagen die Erfinder vor, eine
Farbduktorwalze einer Rollendruckmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1, dahingehend zu verbessern, dass die Walzenoberfläche eine
Beschichtung aufweist, die mittels Plasma-Immersions-Ionenimplantation
aufgebracht ist.
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Mit
Hilfe der Plasma-Immersions-Ionenimplantation, die auch kurz mit
Ionenimplantation oder mit Vakuum Plasmatechnologie bezeichnet wird, können die
Vorteile der konventionellen Ionenimplantation auf großflächige, komplexe
Geometrien übertragen
werden. Dabei unterscheidet sich die Plasma-Immersions-Ionenimplantation
von der Plasmabeschichtung mittels thermischen Spritzens. Das zu behandelnde
Werkstück
wird bei der Plasma-Immersions-Ionenimplantation
dazu in einer Vakuumkammer von einem durch geeignete Plasmaquelle
generierten Plasma umhüllt.
Durch Anlegen von negativen Hochspannungspulsen mit sehr kurzen
Pulsanstiegszeiten, die im Bereich kleiner einer Mikrosekunde liegen,
werden die beweglicheren Elektronen des Plasmas daraufhin zurückgestoßen und
die zurückbleibenden
positiven Ionen auf das Werkstück
beschleunigt beziehungsweise implantiert. Die Beschleunigungsspannungen
liegen dabei unterhalb der Beschleunigungsspannungen der herkömmlichen
Ionenimplantation, die in einer Größenordung von 30 Kilovolt liegen.
Das Verfahren findet aufgrund der Verbesserung der mechanischen
Belastbarkeit von Metallkomponenten Anwendung im Raumfahrtbereich
und im medizinischen Implantations-/Bereich. Als weiterer Vorteil
der Plasma-Immersions-Ionenimplantation, kann neben einer Beschichtung eine
Strukturmodifikation erfolgen.
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Durch
Die Erfindung wird erreicht, dass zum einen Mikrorisse auf der Oberfläche der
Farbduktorwalze, die einen Durchmesser im sub-μm-Bereich aufweisen, reduziert
werden und somit die Oberfläche
glatter wird und weniger Kontaminationen anhaften können. Weiterhin
weist speziell diese Plasmabeschichtung günstige Werte hinsichtlich des
polaren und dispersen Anteils der Oberflächenenergie auf.
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Für die Plasmabeschichtung
eignen sich beispielsweise Metalle, wie Titan, Molybdän, Zirkon und/oder
weitere 4 oder 6-wertige Metalle.
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Die
Plasmabeschichtung kann dabei auch mehrschichtig, vorzugsweise mindestens
zweischichtig, aufgebaut sein.
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Die
Zusammensetzung der Plasmabeschichtung soll derart gewählt werden,
dass sich eine möglichst
niedrige Gesamtoberflächenenergie
von maximal circa 35 mN/m ergibt. Die Gesamtoberflächenenergie σgesamt setzt
sich additiv zusammen aus dem polaren σpolar und
dem dispersen Anteil σdispers der Oberflächenenergie: σgesamt = σpolar + σdispers
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Dabei
eignet sich zur Bestimmung der Oberflächenenergie die Methode des
liegenden Tropfens (sessile drop), bei der mindestens drei Testflüssigkeiten
auf der Oberfläche
aufgebracht werden.
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Weiterhin
sollte die Zusammensetzung der Plasmabeschichtung derart gewählt werden,
dass sich ein polarer Anteil der Oberflächenenergie von maximal 7 mN/m
ergibt. Bei einem polaren Anteil der der Oberflächenenergie von maximal 7 mN/m
und einer Gesamtoberflächenenergie
von 35 mN/m ergibt sich dann ein disperser Anteil der Oberflächenenergie
von maximal 28 mN/m.
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Somit
sind die jeweiligen Anteile im polaren und im dispersen Anteil der
Oberflächenenergiewerte
weitgehend an Werte typischer Offsetdruckfarben angepasst.
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Ergänzend dazu,
sollte die Zusammensetzung der Plasmabeschichtung derart gewählt werden,
dass Wasser einen Benetzungswinkel von minimal 70 Grad auf der Oberfläche aufweist.
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Zwischen
metallischem Kern und Plasmabeschichtung kann eine thermische Spritzschicht,
vorzugsweise aus Metall und/oder Keramik, aufgebracht sein. Dabei
kann die Zwischenschicht vorzugsweise durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
auf dem Kern aufgebracht werden. Die metallische Zwischenschicht
sollte zumindest Nickel, Chrom, Eisen, Bor und Silizium enthalten.
Je nach Zusammensetzung des Metalls ist der Effekt und die Haftung
der Plasmabeschichtung unterschiedlich.
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Die
gesamte Schichtdicke der metallischen Plasmabeschichtung kann zwischen
100 nm und 3 μm
sein.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden, ohne hierauf beschränkt
zu sein, an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1:
eine Prinzipdarstellung einer rasterelektronische Aufnahme einer
Duktorwalzenoberfläche,
die aus einer Keramikbeschichtung besteht, mit 500-facher Vergrößerung;
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2:
eine Prinzipdarstellung einer rasterelektronische Aufnahme einer
Duktorwalzenoberfläche,
die aus einer metallischen Spritzschicht besteht, mit 500-facher
Vergrößerung;
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3:
Ausschnitt aus der Oberfläche
aus 2 mit darunter befindlichem Diagramm einer EDX-Analyse,
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4:
Diagramm mit Kaelblekreisen von verschiedenen Duktorwalzenoberflächen;
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5:
Zweischichtiger Aufbau einer Farbduktorwalze;
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6:
Dreischichtiger Aufbau einer Farbduktorwalze.
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Nachfolgend
wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 in größerem Detail
beschrieben.
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Die 1 zeigt
eine Prinzipdarstellung einer rasterelektronischen Aufnahme einer
Keramikbeschichtung einer Duktorwalzenoberfläche mit 500-facher Vergrößerung.
In dieser Prinzipdarstellung wurden topographische Höhenunterschiede
umrandet. Die Keramikbeschichtung besteht aus einer Mischung aus
Chromoxid (Cr2O3)
und Titanoxid (TiO2). Der abgebildete Ausschnitt
der Keramikoberfläche entspricht
in etwa einer Breite von 250 μm
und einer Höhe
von 180 μm,
wobei ein μm
10–6 Meter
entspricht. Auf dieser Oberfläche
sind deutlich Vertiefungen 1 (eingekreister Bereich) zu
erkennen, die zum Teil Durchmesser von circa 20 μm aufweisen. Die Erfinder haben
erkannt, dass sich in diesen Vertiefungen ungewünschte Kontaminationen einlagern
können.
Bei der erfindungsgemäßen Farbduktorwalze soll
unter anderem die Oberfläche
glatter ausgeführt werden.
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Die 2 zeigt
eine Prinzipdarstellung einer rasterelektronischen Aufnahme einer
metallischen Spritzschicht einer Duktorwalzenoberfläche mit 500-facher
Vergrößerung.
Die Größenabmessungen des
Ausschnittes entsprechen denen aus 1. Wie deutlich
zu erkennen ist, ist die Anzahl der Vertiefungen 1 bei
einer metallischen Farbduktorwalzenoberfläche wesentlich geringer als
bei einer keramischen Beschichtung. Wie eingangs beschrieben, können sich
innerhalb dieser Vertiefungen in der Farbduktorwalzenoberfläche Kontaminationen,
vor allem von Kalziumcarbonat und Kaolin anlagern, die aufgrund ihrer
hydrophilen Eigenschaf ten als Keimzellen für das ungewollte Spreiten von
Feuchtwasser auf der Duktorwalzenoberfläche führen, das ein Unterwandern
der Farbe und eventuell ein Blanklaufen der Duktorwalze bewirkt.
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Durch
die metallische Farbduktorwalzenoberfläche mit ihrer geringeren Oberflächenenergie und
reduzierter Anzahl von Vertiefungen ist die Wahrscheinlichkeit der
Kontamination auf der Farbduktorwalzenoberfläche wesentlich reduziert.
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Die 3 zeigt
einen Teilausschnitt aus der Oberfläche aus 2 mit darunter
befindlichem Diagramm einer EDX-Analyse. Dabei wird mit der EDX-Analyse,
bei der eine energiedispersive Röntgenfluoreszenzanalyse
durchgeführt
wird, das Auftreten von bestimmten Stoffen und deren Konzentration
bestimmt. Im elliptisch eingerahmten Bereich des linken EDX-Diagramms
ist neben den Metallbestandteilen der Farbduktorwalzenoberfläche eine deutlich
erhöhte
Konzentration von Kohlenstoff (erster Peak) im Bereich der Vertiefungen
zu erkennen. Im Vergleich dazu ist der „Kohlenstoffpeak" der glatten Walzenoberfläche im elliptisch
eingerahmten Bereich des rechten EDX-Diagramms von geringerer Höhe. Dies
spricht dafür,
dass sich organische Verunreinigungen bevorzugt in den Vertiefungen
ablagern.
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Die 4 zeigt
ein Diagramm mit Kaelblekreisen von verschiedenen Duktorwalzenoberflächen. Bezüglich der
Kaelbletheorie wird auf die Veröffentlichung „Surface
Analysis of Lithographie" aus Polymer
Science Technology (1975), Seiten 735 bis 761, von D.H. Kaelble,
P.I. Dynes und D. Pav, verwiesen, deren Inhalt in diese Schrift übernommen
wird. In diesem Diagramm werden auf der Abszisse der Wurzelwert
des polaren Anteils der Oberflächenenergie
und auf der Ordinate der Wurzelwert des dispersen Anteils der Oberflächenenergie
jeweils in mN/m aufgetragen. Die Wechselwirkung einer Oberfläche und
der Farbe auf der Farbduktorwalze wird im Diagramm als Kreis aufgetragen,
wobei die beiden Wertepaare von Oberflächen 6.1 und Farbe 6.2 Punkte auf
dem Durchmesser der Kreislinie sind, womit dieser vollständig charakterisiert
ist. Mit Hilfe der Kreise kann nun beantwortet werden, ob eine Flüssigkeit
die Farbe auf der Oberfläche
verdrängen
kann oder nicht. Hierzu werden drei Fälle unterschieden:
- a: Die Oberflächenspannung
der Flüssigkeit
liegt außerhalb
des Kaelblekreises. Dies bedeutet, dass die Flüssigkeit die Farbe nicht von
der Oberfläche
der Farbduktorwalze verdrängen
kann.
- b: Die Oberflächenspannung
der Flüssigkeit
liegt innerhalb des Kaelblekreises. Dies bedeutet, dass die Flüssigkeit
die Farbe von der Oberfläche
der Farbduktorwalze verdrängen
kann.
- c: Die Oberflächenspannung
der Flüssigkeit
liegt auf dem Kaelblekreis. Dieser Grenzfall bedeutet, dass geringe
Schwankungen der Eigenschaft der Flüssigkeit, wie zum Beispiel
Temperatur, Verunreinigungsgrad etc, beeinflussen können, ob
die Flüssigkeit
Farbe von der Oberfläche
des Farbduktorwalze verdrängen
kann oder nicht.
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Im
Diagramm der 4 sind nun drei Kaelbekreise
von drei verschiedenen Oberflächenmaterialien
von Farbduktorwalzen und drei verschiedenen Feuchtmittel 5.1 bis 5.3 dargestellt.
Der Kreis 2 entspricht dem Kaelblekreis einer Keramikschicht
bestehend aus Chromoxid (Cr2O3)
und Titanoxid (TiO2). Der Kreis 3 entspricht
dem Kaelblekreis einer Metallschicht bestehend aus Nickel (Ni),
Chrom (Cr), Eisen (Fe), Bor (B) und Silizium (Si), die durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
aufgebracht wurde. Der Kreis 4 entspricht dem Kaelblekreis
einer Metallschicht, die anschließend zusätzlich Plasma beschichtet wurde.
Das erste Feuchtmittel 5.1 liegt außerhalb aller Kaelblekreise 2 bis 4 und
kann die Farbe nicht von der Farbduktorwalzenoberfläche verdrängen. Das
zweite Feuchtmittel 5.2 liegt außerhalb der Kaelblekreise 3 und 4,
mit der metallischen Beschichtung und der metallischen Plasmabeschichtung.
Auf diesen beiden Oberflächen
kann die Farbe nicht durch das zweite Feuchtmittel 5.2 von
der Farbduktorwalzenoberfläche
verdrängt
werden. Jedoch verdrängt
das zweite Feuchtmittel 5.2 die Farbe auf der keramischen
Oberfläche,
da es innerhalb des Kaelblekreises 2 liegt. Aus dem Diagramm
der 4 ist zu entnehmen, dass sich die metallische
Plasmabeschichtung in Bezug auf alle drei Feuchtmittel 5.1 bis 5.3 als
günstig
erweist. Keines dieser Feuchtmittel 5.1 bis 5.3 kann
die Farbe auf der metallischen Plasmabeschichtung verdrängen.
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Die 5 zeigt
einen möglichen
zweischichtigen Aufbau einer Farbduktorwalze. In dieser Ausführung ist
die Plasmabeschichtung 7.3 direkt auf dem Duktorwalzenkern 7.1 aufgebracht.
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Die 6 zeigt
einen möglichen
dreischichtigen Aufbau einer Farbduktorwalze. Im Vergleich zum zweischichtigen
Aufbau der 5 ist zwischen Plasmabeschichtung 7.3 und
Duktorwalzenkern 7.1 eine metallische Zwischenschicht 7.2 aus
Nickel (Ni), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Bor (B) und Silizium (Si) aufgebracht.
Alternativ zur metallischen Zwischenschicht könnte diese Zwischenschicht
auch aus keramischem Material bestehen.
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Durch
die erfindungsgemäße Farbduktorwalze
wird generell das Problem des Blanklaufens weiter reduziert oder
verhindert. Außerdem
können
durch die neue Duktorwalze weitaus mehr Feuchtmittel zum Einsatz
kommen, die die Farbe nicht von der Farbduktorwalzenoberfläche verdrängen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale und die Merkmale
der Ansprüche nicht
nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der
Erfindung zu verlassen.
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- 1
- Vertiefung
- 2
- Kaelblekreis
einer Keramikschicht (Cr2O3/TiO2)
- 3
- Kaelblekreis
einer Metallschicht (NiCrFeBSi)
- 4
- Kaelblekreis
einer metallische Plasmabeschichtung
- 5.1
- Erstes
Feuchtmittel
- 5.2
- Zweites
Feuchtmittel
- 5.3
- Drittes
Feuchtmittel
- 6.1
- Disperser
und polarer Anteil der Oberflächenenergie
der Keramikschicht
- 6.2
- Disperser
und polarer Anteil der Oberflächenenergie
der Farbe
- 7.1
- Duktorwalzenkern
- 7.2
- Metallschicht
(NiCrFeBSi)
- 7.3
- Plasmabeschichtung