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Die
Erfindung betrifft eine Walze zur selektiven Ladungsübertragung,
radial von innen nach außen aufweisend einen Walzenkern,
eine Isolation, einen Hochleiter und eine halbleitende Elastomerschicht,
wobei der Hochleiter aus voneinander axial beabstandeten Segmenten
besteht, sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Walze.
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Die
Verarbeitung von elektrisch isolierenden Substraten wie Papier,
Textilien oder Folien in schnell laufenden Maschinen führt
zu einer statischen Aufladung, die in der Regel abgeleitet werden
muß, um gefährliche Entladungen zu vermeiden oder
die Verarbeitungsqualität zu verbessern. Andererseits kann eine
Ladungsübertragung von schnell laufenden Maschinenteilen
auf das Substrat gewünscht sein. Beispielsweise beim Verfahren
der elektrostatischen Druckunterstützung (ESA) werden elektrische
Ladungen auf das zu bedruckende Substrat aufgebracht, um die Übertragung
der Druckfarbe zu beschleunigen. In der Regel erfolgt diese Aufladung
in einem explosionsgeschützten Bereich, so dass nicht mit
Metallwalzen oder leitfähigen Elastomerwalzen gearbeitet
werden kann. Stattdessen werden spezielle Gummimischungen eingesetzt,
die als Halbleiter mit Oberflächenwiderständen
zwischen 0,1 MΩ·cm und 200 MΩ·cm
oder als Hochleiter mit Oberflächenwiderständen
zwischen 1 Ω·cm und 1 kΩ·cm
mit bezeichnet werden. Hierbei treten in der Regel Ladungsverluste
auf, so dass ein Strom von einigen mA erforderlich ist, um die nötige
Spannung zwischen 200 und 1000 Volt aufrecht zu erhalten. Größere
Verluste treten dann auf, wenn die Walze zur Ladungsübertragung,
auch Presseur genannt, direkten Kontakt mit der Gegenwalze, beispielsweise
einem Formzylinder, hat. Dies führt je nach Widerstand
des halbleitenden Gummis zu einem mehr oder weniger starken Kurzschluss,
der die ESA-Wirkung ganz oder teilweise reduziert. Darüberhinaus
werden in der Praxis sehr viele unterschiedliche Bedruckstoffbahnbreiten verwendet,
wobei nicht alle dieser Breiten bei der Herstellung der Walze bekannt
sind. Wünschenswert sind daher Walzen, die möglichst
präzise auf unterschiedliche Bahnbreiten einstellbar sind
und damit nur zu sehr geringen oder sogar keinen Abweichungen von
Bahnbreite und Ladungsübertragungsbreite führen.
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Aus
der
DE 40 34 579 A1 ist
ein Presseur einer Triefdruckrotationsmaschine mit einem rohrförmigen
Walzenmantel bekannt, der mittels eines Stützelements auf
einen zentralen Träger abgestützt ist. Der Walzenmantel
besteht aus einem Walzenmantelbezug mit mäßiger
Leitfähigkeit, der eine Ladungsübertragung auf
das Substrat über seine gesamte Länge oder Teilbereiche
davon erlaubt. Dies wird dadurch erreicht, dass mindestens zwei
aufeinander liegende Schichtpakete, bestehend aus jeweils einer
inneren, elektrisch isolierenden und einer äußeren,
gut elektrisch leitenden Schicht, vorgesehen sind, wobei sich wenigstens
ein Schichtpaket nur über einen Teil der Breite des Presseurs
erstreckt. Diese Schrift schlägt auch vor, auf einer über
die gesamte Breite des Presseurs verlaufenden Isolationsschicht
mehrere, voneinander mittels Isolatorabschnitten axial beabstandete
Segmente der gut leitenden Schicht vorzusehen. Die
DE 40 34 579 A1 offenbart
zur Stromversorgung der Segmente, jedes Segment mit einem in die
Elastomerschicht eingegossenen oder -gebrachten Kabel zu versehen,
das am Walzenende in einen mit der Walze rotierenden Kontaktstift
mündet, der per Schleifring mit Strom beaufschlagt werden kann.
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Nachteilig
an diesem Stand der Technik sind die große Anzahl an aufzubringenden
Schichten und die große Anzahl von Leitungen, die im Elastomerteil der
Walze untergebracht werden müssen. Bei mehr als 10 Segmenten
bedeutet dies einen hohen konstruktiven Aufwand und eine komplizierte
Herstellung.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Walze anzugeben,
mit der bei einfachem Aufbau selektiv Ladungen übertragen
werden können. Es ist Verfahrensaufgabe der Erfindung,
ein Verfahren anzugeben, mit dem möglichst exakt Ladungen
von der und auf die Walze übertragen werden können.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Isolation Öffnungen
zur Kontaktierung des Hochleiters aufweist, vorzugsweise Durchgangsöffnungen. Durch
diese Öffnungen kann mit großem Vorteil auf in
der Elastomerschicht liegende Kabel verzichtet werden, die Stromversorgung
der Hochleitersegmente zur Ladungsübertragung erfolgt innerhalb
der Isolationsschicht, vorzugsweise durch die Isolationsschicht
hindurch. Gerade in letzterem Fall wird mit großem Vorteil
der Walzenkern zur Ladungsübertragung verwendet, da er über
Durchgangsöffnungen mit dem Hochleiter in Verbindung steht.
Gesonderte Leitungen, die in einen Walzenmantel eingebracht werden
müssten, sind nicht erforderlich. Durch die axiale Beabstandung
der Segmente werden gezielt bestimmte Bereiche der Walzenbreite
zur Ladungsübertragung auswählbar, ohne dass die
Ladungen durch darüberliegende Isolator/Leiterpakete in
ihrer Ausbreitung behindert würden. Gleichzeitig wird die erforderliche
Walzendicke reduziert.
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Ist
in wenigstens einer Öffnung ein oder mehrere Schalter angeordnet,
vorzugsweise zusätzlich wenigstens eine leitfähige
Kontaktschicht vorgesehen, wird mit großem Vorteil eine
hochvariable Kontaktierung der Hochleitersegmente ermöglicht. Diese,
vorzugsweise jedem Segment zugeordneten, Bauteile ermöglichen
eine Variabilität in der Ladungsübertragung, die
bislang im Stand der Technik unbekannt war, da so beispielsweise
bestimmte benachbarte Segmentblöcke oder jedes zweite oder
dritte Segment oder nur der mittlere Bereich der Walze zur Ladungsübertragung
von der oder auf die Walze eingesetzt werden kann.
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Letzterer
ist für die Druckindustrie besonders interessant, da in
den meisten Anwendungen die hochspannungsführende Walze
an beiden Enden mit einer auf Erdpotential liegenden Gegenwalze
in Kontakt kommt und dort eventuell anstehender Strom nicht nur
abgeleitet wird und damit verloren geht, sondern auch die Gummierung
der Walze schädigt.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Öffnungen
die Isolation nur zu einem Teil ihrer radialen Dicke unterbrechend
ausgebildet ist. Dies bedeutet anders herum ausgedrückt,
dass die Isolationsschicht in ihrem Inneren eine hochleitende Schicht
oder ein Kabel aufweist, die an den Öffnungen durch die
Isolationsschicht radial nach außen an die Hochleitersegmente
herantritt. Mit dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird vermieden,
den gesamten Walzenkern unter Spannung setzen zu müssen.
Statt dessen ist eine Spannungsversorgung beispielsweise durch am
Walzenende angeordnete Schleifkontakte an der Schicht oder dem Kabel
möglich, wobei mit sehr großem Vorteil ein einziger Schleifkontakt
pro Walze ausreicht, was die Konstruktion und die Fertigung der
Walze deutlich vereinfacht.
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Ist
zwischen den Segmenten eine Isolation vorgesehen, so wird mit Vorteil
der ladungsübertragende Bereich jedes Segmentes scharf
von demjenigen des Nachbarsegments abgegrenzt, so dass exakt begrenzte
Bereiche zur Ladungsübertragung einsetzbar sind.
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Insbesondere
dann, wenn 10 bis 20 Segmente vorgesehen sind, ist die Variabilität
der Ladungsübertragung pro Walzenbreite optimal. Mit einer
derartigen Anzahl von Segmenten pro Walzenbreite lässt
sich jede Bedruckstoffbahnbreite gezielt einstellen, ohne dass allzuviele,
konstruktiv aufwendigere, Segmente vorhanden seien müssten.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schalter elektronisch
oder elektromechanisch arbeitend ausgebildet ist und insbesondere einen
Transistor und/oder ein Relais und/oder einen Operationsverstärker
und/oder einen Mikrokontroller aufweist. Hierbei wird unter Schalter
erfindungsgemäß auch eine aus mehreren Bauteilen
bestehende elektronische oder elektromechanische Baugruppe verstanden.
Der Schalter kann ein kleines Relais oder ein hochspannungsfester
Transistor sein. Er ist im Normalfall ausgeschaltet und wird durch
ein der Hochspannung aufgeprägtes Signal oder durch getastete
Hochspannung eingeschaltet. Dabei spricht jeder der Schalter auf
ein anders kodiertes Signal an, so dass er unabhängig von
anderen ein- und ausschaltbar, bzw. regelbar ist. Vorzugsweise erfolgt
die Steuerung des Schalters über den Mikrokontroller, der
auf Signale reagiert, die beispielsweise der Hochspannung überlagert
sind. Mit einem einfachen Transistor als Schalter kann der Strom
durch das Segment vorteilhaft verändert werden, so dass
eine individuelle Ladungsübertragung pro Schalter möglich ist.
Der Operationsverstärker dient mit Vorteil dazu, den durch
einen Schalter fließenden Strom zu messen und mit denjenigen
benachbarter Segmente zu vergleichen, so dass eine Abschaltung des
Segments bei zu hohen Strömen möglich ist.
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Mit
großem Vorteil ist vorgesehen, dass der Schalter an einer
Stirnseite der Walze angeordnet ist, so dass dieser leicht zugänglich
und einfach auszutauschen oder zu reparieren ist.
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Die
Verfahrensaufgabe wird dadurch gelöst, dass die Ladungsübertragung
von oder auf die Walze segmentartig erfolgt, wobei jedes Segment
einzeln geschaltet und/oder mit einem individuellen Strom und/oder
mit einem individuellen Widerstand, vorzugsweise regelbar, versehen
wird. Mit großem Vorteil ist nicht nur die Ladungsübertragung
von der Walze auf ein Substrat wie Papier, Soff, Folie etc., sondern
auch die Ableitung von statischer Elektrizität von derartigen
Substraten auf die Walze möglich. Diese Ladungsübertragung
von oder auf die Walze erfolgt mit großem Vorteil so, dass
jedes einzelne Segment einen anderen Strom aufnehmen oder abgeben kann.
Dies erreicht das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise
durch einen für jedes Segment individuell regelbaren Widerstand
oder durch eine separate Ein-/Ausschaltung jedes Segments.
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Mit
großem Vorteil sieht das erfindungsgemäße
Verfahren vor, dass der Hochspannung ein Signal aufgeprägt
wird, welches von einem Mikrokontroller eines Segments verarbeitet
und zum Ein- oder Ausschalten des Segments verwendet wird. Auf diese
Weise wird eine selbstgesteuerte, intelligente Ladungsübertragung
von oder auf die Walze möglich.
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In
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass der Hochspannung eine Amplituden- oder Frequenzmodulation
aufgeprägt wird oder die Hochspannung getastet wird. Andere,
dem Fachmann bekannte Modulationen oder Möglichkeiten zur
Informationsübertragung mittels Hochspannung sind ebenfalls
erfindungsgemäß.
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Wird,
wie erfindungsgemäß vorgesehen, der durch ein
Segment fließende Strom überwacht und beim Erreichen
vorbestimmter Werte eine An-/Abschaltung des Segments ausgelöst,
so ist mit großem Vorteil eine Sicherung der Walze vor Überlast
gegeben.
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Die
vorliegende Erfindung wird nunmehr in den Figuren zur Zeichnung
näher erläutert, wobei gleichartige Bauteile mit
identischen Bezugszeichen versehen sind.
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1:
zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Walze,
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2:
zeigt einen Aufbau eines Schalters und
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3:
zeigt einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Walze.
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Der
in 1 ausschnittsweise gezeigte Längsschnitt
einer erfindungsgemäßen Walze zeigt einen Walzenkern 1,
der an einer Stirnseite 14 mit einer Einspeisungsvorrichtung 15 für
Hochspannung versehen ist. Der Walzenkern 1 ist umfänglich
von einer Isolation 2 umgeben, die Öffnungen 5,
hier Durchgangsöffnungen, aufweist. Über die Öffnungen 5 ist
der Walzenkern 1 mit einem Hochleiter 3 verbunden,
der in axial beabstandeten Segmenten 6 ausgebildet ist.
Zwischen den Segmenten 6 sind Isolationsringe 9 vorgesehen,
die auch als Halbleiterringe 9 ausgebildet sein können.
Radial auswärts hiervon schließt sich eine Elastomerschicht 4 an,
die als Halbleiter ausgebildet ist, beispielsweise durch Beimischung
von Ruß in eine Gummimischung. In 1 sind vier
ringförmige Segmente 6 dargestellt, die axial
voneinander beabstandet sind. Eine erfindungsgemäße
Walze zur Ladungsübertragung weist zwischen 10 und 20 solcher
Segmente 6 über ihre Gesamtbreite auf. In den Öffnungen 5 sind
Schalter 8 vorgesehen, vorzugsweise in jeder Öffnung 5 ein Schalter 8.
Für einfachere Ausgestaltung ist es jedoch auch erfindungsgemäß,
nur jedes zweite oder dritte Segment in Axialrichtung mit einem
Schalter 8 zu versehen.
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Details
eines erfindungsgemäßen Schalters 8 sind 2 zu
entnehmen. Radial innenliegend ist der Walzenkern 1 dargestellt,
an den sich radial nach außen eine leitfähige
Kontaktschicht 7 anschließt. Ein Schalter 8,
unter dem erfindungsgemäß auch eine Baugruppe
aus mehreren Einzelteilen wie Mikrokontroller, Transistor, Operationsverstärker,
Relais, etc. verstanden wird, schließt sich an diese Kontaktschicht 7 an.
An diese elektrischen oder elektromechanischen Bauteile schließt
sich eine weitere leitfähige Kontaktschicht 7 an,
die in Kontakt mit dem Hochleiter 3 steht und unter anderem
zur vereinfachten Kontaktierung von Gummimischung und Schalter dient.
Der gesamte Schalter 8 ist nicht dicker als die Isolation 2 ausgebildet.
Auf die am Walzenkern 1 anliegende Hochspannung von 1000
V ist eine Niederfrequenz (20 kHz) überlagert, die ausgekoppelt
und gleichgerichtet wird und so die Steuerspannung zur Verfügung
stellt. Dies kann z. B. durch ein Schaltnetzteil (5 V) erreicht
werden. Die Steuerspannung kann dabei als Modulation auf die Hochspannung (Amplituden-
oder Frequenzmodulation) aufgebracht werden, alternativ kann die
Hochspannung auch getastet sein. Zur Durchleitung des Stromes aus
dem Walzenkern 1 zum Hochleitersegment 6 wird
in einer einfachsten Ausführungsform ein Schalter oder
Relais 8, 11 verwendet. Der Schalter 8 ist
im Normalfall ausgeschaltet und wird durch ein der Hochspannung aufgeprägtes
Signal eingeschaltet. Dies kann beispielsweise durch einen Mikrokontroller 13 erfolgen, der
das für ihn codierte Signal erkennt und verarbeitet. Erfindungsgemäß erhält
also jeder Schalter 8 ein anderes Signal, so dass der jeweilige
Mikrocontroller 13 unabhängig von seinen benachbarten
Mikrokontrollern das ihm zugeordnete Segment 6 ein- oder ausschalten
kann. Auf diese Weise werden nur die Teile des Hochleiters 3 von
Strom durchflossen, die für den Prozess nötig
sind. Der Mikrokontroller 13 kann auch dazu dienen, den
fließenden Strom zu messen und bei Überschreiten
eines Grenzwertes das ihm zugeordnete Segment abzuschalten. Dies stellt
eine Sicherung der erfindungsgemäßen Walze vor Überlast
dar. Der Mikrokontroller kann auch dazu verwendet werden, einen
Transistor so anzusteuern, dass der Widerstand des Schalters 8 verändert
wird. Hierdurch wird eine exakte Steuerung der Ladungsübertragung
möglich. Anstelle eines Mikrokontrollers 13 kann
der Strom einfacher und billiger mit einem Operationsverstärker
(Komparator) analog gemessen werden. In diesem Fall verzichtet man
auf den Zusatznutzen der größeren Flexibilität
des Mikrokontrollers 13.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der eine
hochleitende Schicht 16 innerhalb eines Isolators 2 vorgesehen
ist. Bei dieser Ausführungsform wird der hochleitenden
Schicht 16 über am Walzenende angeordnete Schleifkontakte eine
Hochspannung zugeführt. Die Öffnungen 5 verlaufen
dabei nicht durch die gesamte Isolatorschicht 2, sondern
unterbrechen nur deren radial äußere Oberfläche,
die zu den radial innen liegenden Seiten der Hochleitersegmente 6 weist.
Bei dieser Ausführungsform ist die Einspeisung des Stroms
noch einfacher als bei der ersten Ausführungsform, da die
Lager der Walze nicht isoliert werden müssen. Erfindungsgemäß kann
ebenfalls vorgesehen sein, die Schalter 8 in den Randbereich
bzw. die Stirnseite 14 der erfindungsgemäßen
Walze zu verlegen. In 3 ist ein Schleifring 17 dargestellt, über
den der elektrische Kontakt mit der hochleitenden Schicht 16 hergestellt
wird.
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- 1
- Walzenkern
- 2
- Isolation
- 3
- Hochleiter,
Elastomerschicht
- 4
- Elastomerschicht,
Halbleiter
- 5
- Öffnung
- 6
- Segment
- 7
- leitfähige
Kontaktschicht
- 8
- Schalter
- 9
- Isolation
- 10
- Transistor
- 11
- Relais
- 12
- Operationsverstärker
- 13
- Mikrokontroller
- 14
- Stirnseite
- 15
- Einspeisung
- 16
- hochleitende
Schicht
- 17
- Schleifring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4034579
A1 [0003, 0003]