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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Rasterwalzen
insbesondere z. B. solche, die unter dem Namen „Anilox-Walzen” in
sogenannten Kurzfarbwerken von Offsetdruckmaschinen dazu benutzt
werden, um in Verbindung mit einem Rakelmesser bzw. einem Kammerrakel
Farbe aus einem Farbreservoir zu entnehmen und über weitere Walzen
in Richtung auf die Druckplatte zu befördern. Rasterwalzen
werden jedoch auch in Lackwerken verwendet, um die aufzutragende
Lackmenge zu dosieren und finden neben dem Offsetdruck auch bei anderen
Druckverfahren wie z. B. dem Flexodruck bzw. in den entsprechenden
Maschinen Anwendung. Es ist bereits bekannt, Rasterwalzen, die in
der Vergangenheit mit Hilfe von Ätz-Prozessen strukturiert oder
mechanisch durch einen in die weiche Kupferhaut auf einem Walzenkörper
aus Stahl eindringenden Stichel graviert wurden, neuerdings auch
mit Laserwerkzeugen zu gravieren. Ein solches Verfahren wird beispielsweise
beschrieben in dem Artikel „Universelle Rasterwalzen für
die Druckmaschine”, erschienen in der Zeitschrift „Flexo-
und Tiefdruck", Ausgabe 2, 2004.
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Heute
werden die für den Einsatz in Anilox-Farbwerken vorgesehenen
Rasterwalzen zum Zwecke der höheren Standzeit oberflächlich üblicherweise
mit einer harten Keramikschicht versehen. Bei der Lasergravur derartiger
Walzen treten jedoch Probleme auf. Oft zeigen sich schon nach relativ
kurzer Standzeit Streifen im Druckbild, die dadurch herrühren,
dass sich Keramikteilchen von der Rasterwalze lösen, sich
an der Schneide des Rakelmessers verklemmen und dann Riefen an der
Walzenoberfläche erzeugen. Die Ursache dafür liegt
in dem Herstellprozess der Lasergravur. Denn dort wurden bisher
thermische YAG-Laser oder CO2-Laser verwendet,
deren Laserpulse Material aus den von ihnen erzeugten Vertiefungen
teils verdampfen, teils aber auch im schmelzflüssigen Zustand
heraustreiben, wobei sich dann das Material zu beiden Seiten der
erzeugten Vertiefung als „Berg” an der Oberfläche
niederschlägt.
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Da
nun außerdem die zu gravierenden Näpfchen bzw.
Haschuren bei sich drehender Walze in Umfangsrichtung (d. h. im
Querschnittsprofil) mit einem einzigen relativ lang dauernden, energiereichen Laserpuls
auf einmal herausgetrieben werden und, soweit es sich um langgestreckte
Näpfchen oder Haschuren handelt, diese in Längsrichtung
durch mehrfach nebeneinander gesetzte Vertiefungen erzeugt wurden,
nämlich immer dann, wenn die Walze sich um ca. eine Umdrehung
weitergedreht hat, ergeben sich bei diesem Produktionsprozess entlang
der Haschuren verlaufende einzelne Schuppen aus aufgeschmolzenem
Keramikmaterial. Diese haften auch nicht sonderlich gut aneinander
bzw. an der Walzenoberfläche und werden deshalb leicht
durch das Rakelmesser im Druckbetrieb ausgebrochen, wodurch dann
die Riefen in der Walzenoberfläche entstehen, die zu den
vorgeschilderten Streifen im Druckbild führen können.
Zur Lösung dieses Problems ist schon vorgeschlagen worden,
die Oberfläche der Keramikwalze nach dem Lasergravieren nochmals
mit einem Laser bis knapp unter die Schmelztemperatur zu erwärmen,
um dadurch Risse und Poren zu schließen und die Oberfläche
zu verdichten, wie das in der
EP 1 967 381 A2 beschrieben ist. Hierdurch
lässt sich zwar die Standzeit der Rasterwalzen verlängern,
es verlängert sich jedoch auch der Herstellprozess, denn
durch diesen zusätzlichen Schritt des Überschmelzens
bzw. Zusinterns der Oberfläche wird noch einmal erhebliche
zusätzliche Zeit benötigt. Insgesamt dauert das
Gravieren nach diesem Verfahren etwa 10 bis 12 Stunden für
eine Rasterwalze mit einem Durchmesser von 180 Millimeter und einer
Länge von 560 Millimeter.
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Weiterhin
ist vorgeschlagen worden, zur Lösung des beschriebenen
Problems die Pulsform der verwendeten Laser so einzustellen, dass
nach einem intensiven ersten Laserpuls sofort ein zweiter weniger
intensiver Puls folgt, durch den dann die durch den ersten Laserpuls
erzeugten Vertiefungen und die dazwischen verbleibenden Stege geglättet
und gehärtet werden sollen. Dieses unter dem Namen „Ultramelt”-Technologie
bekannte Verfahren ist beispielsweise beschrieben in der Zeitschrift „Deutscher Drucker" Nr.
44 vom 29.11.2001. Auch mit diesem Verfahren lässt
sich die Standzeit der lasergravierten Rasterwalzen zwar verbessern,
aber immer noch nicht in ausreichende Größenordnungen
treiben. Gewünscht wird beispielsweise eine Standzeit von
bis zu 50 Mio. Umdrehungen bevor die Rasterwalze ausgetauscht und
wieder aufgearbeitet wird.
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Es
ist auch schon vorgeschlagen worden, das neben den durch einen CO
2-Laser gravierten Näpfchen aufgeschmolzene
Material anschließend in einer Vielzahl von Schleifdurchgängen
mit einem feineren Diamant-Schleifmittel bis zur gewünschten Rautiefe
abzuschleifen (
EP 0
396 114 B1 ). Nach jedem zweiten Schleifdurchgang wurde die
Rautiefe und das Schöpfvolumen der Walze gemessen, um sicherzustellen,
dass durch den Schleifprozess das gewünschte Optimum nicht „überfahren” wird.
Dies ist ein aufwändiger Prozess, der schwierig zu reproduzieren
ist und viel Zeit kostet.
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Es
ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Herstellprozess
für das Lasergravieren von Rasterwalzen mit keramischer
Oberfläche anzugeben, mit dem sich hohe Standzeiten für
die Walzen erzielen lassen, ohne dass sich dadurch der Herstellprozess
selbst drastisch verlängert.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen
Maßnahmen gelöst.
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Gemäß der
Erfindung werden die Vertiefungen beim Lasergravieren durch einen
repetierend betriebenen Kurzpulslaser erzeugt, wobei jeweils mehrere
Laserpulse eingesetzt werden, um die Vertiefung im Querschnittsprofil
herauszuarbeiten.
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Es
wird hier also zum Herstellen von Rasterwalzen auf an sich bekannte
Kurzpulslaser zurückgegriffen. Diese Laser liefern Lichtimpulse
sehr kurzer Dauer im Bereich von wenigen hundert Nanosekunden oder
darunter und erzeugen in einem kleinen Fokusbereich sehr hohe Energiedichten,
aufgrund derer das abzutragende Material im Wesentlichen ablatiert
wird bzw. verdampft und sich nicht oder nur in einem sehr geringen
Umfange auf den Stegen niederschlägt, auf denen das Rakelmesser
gleitet.
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Wie
sich herausgestellt hat, haftet das ablatierte Material auf den
Stegen einer Rasterwalze in einer Weise an, dass diese verbleibenden
Reste durch einen kurzen, wenig aufwändigen Finishing-Vorgang,
beispielsweise durch Honen, Läppen oder Polieren, oder
durch einen Reinigungsvorgang ohne Ausbrüche entfernt werden
können. Ein manuelles Überpolieren bzw. Wegwischen
von Rückständen von der auf die beschriebene Weise
mit dem Kurzpulslaser gravierten Walze ist bereits ausreichend,
um dort eine überaus glatte und beständige Oberfläche
zu erzeugen, auf der das Rakelmesser gleitet.
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Die
Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen im Femtosekundenbereich zur
Mikrostrukturierung von Materialien ist zwar an sich bekannt und
z. B. in den physikalischen Blättern 55 (1999,
Nr. 6 auf Seite 41 in dem Artikel von Nolte, Momma, Chichkov und
Welling) beschrieben. Die Herstellung von Rasterwalzen
für die Farbwerke von Druckmaschinen ist dort jedoch nicht
als Anwendungsfeld genannt und die bei der Herstellung von solchen
Rasterwalzen auftretenden Probleme und deren Beseitigung auch nicht
beschrieben. Femtosekundenlaser sind derzeit auch nicht in der Lage,
die bei Rasterwalzen benötigten Materialmengen in einer
für das Gravieren akzeptablen Bearbeitungszeit von wenigen
Stunden zu ablatieren. Denn die Energiedichten und Energiemengen,
die dafür benötigt werden, lassen sich bei derzeit
möglichen Pulsrepetitionsraten nicht in den Laserpulsen
konzentrieren. Die gemäß der Erfindung eingesetzten
Laser, vorzugsweise Faser-Laser oder Scheibenlaser, liefern Laserpulse
im Bereich zwischen 20 Picosekunden und 200 Nanosekunden und mittlere
Laserleistungen im Bereich zwischen 10 Watt bis mehrere 100 Watt.
Wichtig ist, dass der eingesetzte Kurzpulslaser eine ausreichende
Energiedichte liefert, um die eingebaute Lichtenergie optimal zur
Ablation des zu bearbeitenden Materials einzusetzen. Darüber
hinaus muss die am Material ankommende mittlere Leistung groß genug
sein, um beispielsweise im Falle von Rasterwalzen mit einer Keramikoberfläche
mit einem Schöpfvolumen von typisch 3 cm3 mindestens
0,5 cm3 Keramikmaterial pro Stunde abzutragen.
Denn anderenfalls würde die Bearbeitungszeit für
die Lasergravur einer Walze unzulässig lang werden oder
beim gleichzeitigen Einsatz mehrerer Laser der anlagentechnische
Aufwand zu groß werden.
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Ein
für die Bearbeitung von Rasterwalzen geeigneter Kurzpulslaser
erzeugt z. B. Laserstrahlpulse bei einer Wellenlänge von
1065 nm mit einer Pulsdauer, die zweckmäßig unter
200 Nanosekunden liegt, vorzugsweise zwischen 100 und 150 Nanosekunden.
Unterhalb einer Pulsdauer von 200 Nanosekunden hat es sich gezeigt,
dass in Keramikmaterial erzeugte thermische Beiträge zur
Materialablation gering genug sind und kein Aufschmelzen größeren
Ausmaßes an den Rändern der zu gravierenden Näpfchen
erzeugen. Mit einer Pulsspitzenleistung von 2 bis 6 Kilowatt lassen
sich die bei Rasterwalzen in Anilox-Farbwerken üblichen
Näpfchentiefen ohne weiteres erreichen, wobei zur Herausarbeitung
des Querschnittsprofils jeweils mehrere Laserpulse hintereinander
gesetzt werden, typischerweise je nach Breite und Tiefe der Näpfchen
oder Haschuren 5 bis 100 Laserpulse. Mit dieser Pulszahl können
Vertiefungen mit relativ glatten sauberen Flanken erzeugt werden
und lässt sich im Übrigen auch die Querschnitts-Flankenform
der Näpfchen bzw. Haschuren so beeinflussen, dass sich
im Vergleich zu den anderen eingangs genannten Verfahren eine für
das Farbabgabe-/-annahmeverhalten der Näpfchen gut geeignete
Geometrie ergibt. Gegebenenfalls wird die Rasterwalze dann in mehreren
Durchläufen graviert, so dass die Querschnittsform in mehreren übereinander
liegenden Schichten durch die Laserpulse herausgearbeitet wird.
Die Pulsrepetitionsrate des Lasers liegt bei mehreren 100.000 kHz.
Auf diese Weise lässt sich bei Drehzahlen zwischen 100
und 1.000 U/min eine Rasterwalze für ein Druckwerk im Format 35/50
cm innerhalb von wenigen Stunden gravieren. Zweckmäßig
ist es, wenn sich an die Lasergravur ein Finishing-Schritt und/oder
ein Reinigungsschritt anschließt, z. B. in der gleichen
Aufspannung der Walze wie beim vorausgehenden Lasergravieren selbst, wobei
der Finishing-Schritt oder Reinigungsschritt jedoch auch manuell
erfolgen kann, beispielsweise durch Überpolieren oder Abwischen
der gelaserten Walzen z. B. mit einem Reinigungsmittel, entweder noch
in der Aufspannung oder, nachdem sie aus der Aufspannung herausgenommen
wurde. Auch das Reinigen der Walze in einem Ultraschallbad kann ausreichend
sein und in manchen Fällen kann ein solcher Finishing-Schritt
auch ganz entfallen.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels.
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Beispiel 1:
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- a) Bereitgestellt wurde ein mit Lagerzapfen
versehener Walzenkörper aus Stahl ST52 mit einer Zylinderlänge
L von 560 mm und einem Durchmesser D von 180 mm des Zylindermantels.
Dieser in Form gedrehte Walzenkörper wurde anschließend
in einer Plasmaspritzanlage der auf dem Zylindermantel mit einer
Chromoxidschicht mit einer Stärke von 0,275 mm versehen.
- b) Anschließend wurde die Zylinderoberfläche
mit Hilfe einer keramikgebundenen Diamantschleifscheibe mit einer
Toleranz von 0,01 mm auf Zylinderform geschliffen. Schließlich
wurde die Zylinderoberfläche in drei Überläufen
in einer Honmaschine bei 200 U/min. und einem Vorschub von 200 mm/min.
mit einer Anpresskraft von 2,5 bar geglättet. Hierbei wurde
ein Honstein mit einer Körnung von 2000 verwendet. Die
so behandelte Zylinderoberfläche besaß daraufhin
eine Rauheit von RZ = 1,9 μm.
- c) Danach wurde der so behandelte Walzenkörper in eine
Laserbearbeitungsanlage gebracht. Diese Anlage enthält
einen repetierend betriebenen Ytterbium-Faserlaser mit einer Pulsdauer
von 130 ns bei einer Pulswiederholrate von 500 kHz. Die mittlere
Leistung des Lasers betrug 150 W, er lieferte eine Pulsspitzenleistung
von 2,5 kW. Auf diese Werte wurde er eingestellt, um auf der Zylinderoberfläche
Haschuren mit einer mittleren Tiefe von 20 μm und einer
mittleren Breite von 90 μm bei einer Stegbreite von 20
ca. μm über eine Länge von 520 Millimeter
zu gravieren.
Die Haschuren sollen sich bei einer Lineatur
von 90 L/cm in einer Vielzahl von steilen Spiralen über die
Zylinderoberfläche erstrecken. Da der Graviervorgang jedoch
bei schneller Drehung des Werkstücks in Umfangsrichtung
erfolgt, war das Pulsen des Lasers sehr genau mit der Drehzahl der
Walze zu synchronisieren. Die Drehzahl wurde in Anbetracht der maximalen
Pulswiederholfrequenz von 500 kHz und der mittleren Leistung des Lasers
von 150 W auf 750 U/min. eingestellt, um die benötigte
Breite und Tiefe der Haschuren zu erzielen. Hierbei ergaben sich
jeweils 6 Pulse über den Querschnitt der Haschur, mit denen
die Querschnittsform aus dem Material herausgearbeitet wurde, bevor
das Pulsen im Bereich des Stegs zwischen den Haschuren jeweils kurz
unterbrochen wurde, d. h. dort 2 Laserpulse unterdrückt
wurden.
Der Vorschub der Lasereinheit entlang der Zylinderachse
betrug 5 μm pro Umdrehung der Walze, d. h. bei der eingestellten
Drehzahl von 750 U/min. dauerte der Graviervorgang über
die Zylinderlänge L von 560 Millimeter ca. 2,4 Stunden.
In dieser Zeit wurden in der zu gravierenden Fläche von
0,3 m2 etwa 1,5 cm3 abgetragen.
Anschließend wurde die Walze mit den gleichen Einstellungen nochmals
in einem zweiten Durchlauf graviert, um auf die gewünschte
mittlere Tiefe der Haschuren von 20 μm zu kommen. In der
Summe ergab das dann einen Materialabtrag von 3 cm3 während
einer Gesamtbearbeitungszeit von 4,8 Stunden für das Gravieren.
- d) Die so strukturierte Rasterwalze wurde anschließend
einem zweiten Finishing-Schritt unterzogen. Hierbei wurde die gravierte
Oberfläche in zwei Überläufen mit einem
Honstein der Körnung 4000 mit einer geringeren Anpresskraft
von etwa 1 bar mit einer Drehzahl von 200 U/min. bei einem Vorschub
von 600 mm/min. geglättet.
Die so behandelte Walze
konnte anschließend in das Druckwerk einer Bogenoffsetdruckmaschine des
Typs SM52 eingebaut werden und dort als Anilox-Rasterwalze ihren
Dienst versehen. Der gesamte Bearbeitungsprozess von der Keramikbeschichtung
bis zum abschließenden Finishing-Prozess dauerte 5,5 Stunden.
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Beispiel 2:
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Hier
wurde im Vergleich zum Herstellungsprozess nach Beispiel 1 der Fertigungsschritt
b) folgendermaßen geändert: Das Honen erfolgte
mit einem Honstein der Körnung 4000 in vier Überläufen mit
einer Anpresskraft von 1,5 bar. Die so behandelte Zylinderoberfläche
besaß daraufhin eine Rauheit von RZ =
1,5 μm.
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Beim
anschließenden Lasergravieren wurde bei sonst gleichen
Einstellungen für den Laser die Drehzahl der Walze auf
250 U/min. verringert und der axiale Vorschub auf 7,5 μm/Umdrehung
erhöht. Es ergaben sich bereits bei einem einfachen Überstreichen
der Walzenoberfläche ausreichend saubere Haschuren mit
einer durchschnittlichen Tiefe von ca. 20 μm, so dass auf
ein nochmaliges Gravieren verzichtet werden konnte.
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Nach
der Lasergravur (Schritt c)) wurde die strukturierte Rasterwalze
nicht nochmals gehont sondern manuell ca. 10 Minuten lang poliert.
Die so erhaltene Rasterwalze hatte vergleichbar gute Eigenschaften
wie die nach Beispiel 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1967381
A2 [0003]
- - EP 0396114 B1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Flexo-
und Tiefdruck”, Ausgabe 2, 2004 [0001]
- - „Deutscher Drucker” Nr. 44 vom 29.11.2001. [0004]
- - physikalischen Blättern 55 (1999, Nr. 6 auf Seite 41
in dem Artikel von Nolte, Momma, Chichkov und Welling) [0011]