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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rundsiebs für eine Papiermaschine, bei dem ein statisch in der Papiermaschine montierbarer Rundsiebkörper bereitgestellt und mit einem Produktionssiebmantel für die Erzeugung von Papier mit Wasserzeichen überzogen wird. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechend hergestelltes Rundsieb.
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Bei der Papierherstellung auf Rundsiebmaschinen dreht sich üblicherweise ein Rundsiebzylinder mit einem aufgespannten, starren Produktionssiebmantel in einem Trog mit Fasersuspension und schöpft Papier. Innerhalb des Rundsiebzylinders wird ein Unterdruck erzeugt, der zu einem Absenken des Flüssigkeitsspiegels im Inneren des Rundsiebzylinders führt. Die Fasersuspension läuft daher von außen gegen den Zylindermantel und es lagern sich kontinuierlich Stofffasern auf dem Produktionssieb an. Die angelagerte Papiermasse wird soweit verfestigt, dass sie als feuchte Papierbahn zur Weiterbearbeitung vom Produktionssieb abgezogen werden kann.
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Rundsiebe für die Papiererzeugung mit Wasserzeichen erfordern eine aufwendige Herstellung. Sie bestehen aus vielen, miteinander verbundenen Einzelteilen, welche mit einem großen Anteil an Handarbeit montiert werden müssen. Eine solche Herstellung birgt naturgemäß ein hohes Fehlerpotential. Zudem entstehen durch die Montage Fügestellen, Schweißstellen und Nähte, die meist später in dem auf dem Rundsieb hergestellten Papier sichtbar sind.
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Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Rundsieb der eingangs genannten Art anzugeben, das die Nachteile des Stands der Technik vermeidet und insbesondere einfacher herzustellen ist und vorteilhafte Eigenschaften bei der Papierherstellung aufweist. Die Erfindung soll auch ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren für ein solches Rundsieb bereitstellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß der Erfindung ist bei einem gattungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass der Produktionssiebmantel mit einer gleichmäßigen Mantelfläche, erhabenen und/oder vertieften Wasserzeichenbereichen und Entwässerungsperforationen erzeugt wird, wobei zumindest die Mantelfläche des Produktionssiebmantels durch ein additives Fertigungsverfahren als Schichtenfolge einer Mehrzahl fest miteinander verbundener Materialschichten gebildet wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Mantelfläche des Produktionssiebmantels durch das additive Fertigungsverfahren zunächst unperforiert gebildet und es werden dann, vorzugsweise durch Laserperforation, Entwässerungsperforationen in der unperforierten Mantelfläche des Produktionssiebmantels erzeugt.
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Bei einer alternativen, ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Mantelfläche des Produktionssiebmantels zusammen mit den Entwässerungsperforationen durch das additives Fertigungsverfahren gebildet wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Mantelfläche des Produktionssiebmantels zusammen mit den Wasserzeichenbereichen durch das additive Fertigungsverfahren gebildet.
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Alternativ und ebenfalls mit Vorteil ist bei der Herstellung vorgesehen, dass zunächst
- - entweder die Mantelfläche des Produktionssiebmantels mit den Wasserzeichenbereichen entsprechenden Wasserzeichenaussparungen durch das additive Fertigungsverfahren erzeugt wird,
oder die Mantelfläche des Produktionssiebmantels durch das additive Fertigungsverfahren ohne Wasserzeichenaussparungen erzeugt wird und die den Wasserzeichenbereichen entsprechenden Wasserzeichenaussparungen nachträglich, beispielsweise durch Laserschneiden, in die Mantelfläche eingebracht werden, und dann
- - Wasserzeicheneinsätze in die Wasserzeichenaussparungen eingebracht werden, um die Wasserzeichenbereiche des Produktionssiebmantels zu bilden.
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Bei dieser Herstellungsvariante werden die Wasserzeicheneinsätze bevorzugt direkt in die Wasserzeichenaussparungen der Mantelfläche eingespritzt, um spritzgegossene Wasserzeichenbereiche im Produktionssiebmantel zu bilden. Alternativ können auch externe Wasserzeicheneinsätze in den Wasserzeichenaussparungen angeordnet und im Randbereich mit der Mantelfläche verbunden werden.
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Die Flächenstruktur der Mantelfläche außerhalb der Wasserzeichenbereiche bildet mit Vorteil eine Siebstruktur mit einer oder mehr Kettfadensytemen und einem oder mehr Schussfadensystemen nach. Besonders bevorzugt bildet die Flächenstruktur der Mantelfläche dabei eine einlagige Siebstruktur nach.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Produktionssiebmantel zwei oder mehr Bahnbereiche auf, die getrennt durch das additive Fertigungsverfahren gebildet und nachfolgend zu dem Produktionssiebmantel zusammengesetzt werden.
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Der Produktionssiebmantel wird mit Vorteil aus einem drahtförmigen, pulverförmigen oder folienförmigen Ausgangsmaterial, aus einer photosensiblen Paste oder einer Flüssigkeit gebildet. Besonders vorteilhaft wird der Produktionssiebmantel aus einem Kunststoff gebildet. Als additives Fertigungsverfahren kommen insbesondere Selektives Lasersintern, Selektives Laserschmelzen, Elektronstrahlschmelzen, 3D-Druck mit Pulver, Schmelzschichtung, Laserauftragsschweißen, Multi-Jet-Modeling, ein PolyJet-Verfahren, Stereolithographie, Laminated Object Modeling, Film Transfer Imaging oder Digital Light Processing in Betracht.
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Die Erfindung enthält auch ein Rundsieb für eine Papiermaschine mit einem statisch in der Papiermaschine montierbaren Rundsiebkörper und einem Produktionssiebmantel für die Erzeugung von Papier mit Wasserzeichen. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Produktionssiebmantel eine gleichmäßige Mantelfläche, erhabene und/ oder vertiefte Wasserzeichenbereiche und Entwässerungsperforationen aufweist und zumindest die Mantelfläche des Produktionssiebmantels aus einer Schichtenfolge einer Mehrzahl in einem additiven Fertigungsverfahren fest miteinander verbundener Materialschichten gebildet ist.
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Die Wasserzeichenbereiche sind bevorzugt integral mit der Mantelfläche des Produktionssiebmantels aus einer Schichtenfolge einer Mehrzahl in dem additiven Fertigungsverfahren fest miteinander verbundener Materialschichten gebildet.
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Weiter ist die Mantelfläche des Produktionssiebmantels vorteilhaft zusammen mit den darin enthaltenen Entwässerungsperforationen aus einer Schichtenfolge einer Mehrzahl in dem additiven Fertigungsverfahren fest miteinander verbundener Materialschichten gebildet.
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Weitere Ausführungsbeispiele sowie Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert, bei deren Darstellung auf eine maßstabs- und proportionsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde, um die Anschaulichkeit zu erhöhen.
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Es zeigen:
- 1 in schematischer Ansicht ein Rundsieb für eine Papiermaschine für die Herstellung von Sicherheitspapier,
- 2 einen Ausschnitt des Produktionssiebmantels in der Umgebung eines Wasserzeichenbereichs im Querschnitt entlang der Linie II-II von 1,
- 3 in (a) und (b) Zwischenschritte bei der Herstellung eines Produktionssiebmantels nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 in (a) und (b) Zwischenschritte bei der Herstellung eines Produktionssiebmantels nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 5 mehrere rohrförmige Teilstücke, die jeweils separat durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt und dann zu einem gewünschten Produktionssiebmantel zusammengesetzt werden.
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1 zeigt in schematischer Ansicht ein Rundsieb 10 für eine Papiermaschine für die Herstellung von Sicherheitspapier. Das Rundsieb 10 enthält einen innenliegenden Rundsiebkörper 12, der statisch in einer Papiermaschine montierbar ist. Der Rundsiebkörper 12 ist mit einem austauschbaren Produktionssiebmantel 14 überzogen, der erfindungsgemäß für die Erzeugung von Sicherheitspapier mit Wasserzeichen eingerichtet ist
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Der Produktionssiebmantel 14 weist hierzu eine Vielzahl von erhabenen und/oder vertieften Wasserzeichenbereichen 16 in einer Mantelfläche 32 mit ansonsten gleichmäßiger Oberfläche auf. In den Wasserzeichenbereichen 16 lagert sich bei der Papierherstellung Papiermasse lokal mit einer größeren oder kleiner Papierdicke als im umgebenden Velinbereich an und erzeugt daher dunklere bzw. hellere Stellen in der fertigen Papierbahn. Ein Produktionssiebmantel 14 enthält dabei in der Regel mehrere Bahnbereiche 18 zur parallelen Erzeugung einer Vielzahl von Einzelnutzen auf der gebildeten Papierbahn.
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2 zeigt einen Ausschnitt 20 des Produktionssiebmantels 14 in der Umgebung eines Wasserzeichenbereichs 16 im Querschnitt entlang der Linie II-II von 1. Der Wasserzeichenbereich 16 weist ein hochauflösendes mehrstufiges Relief 22 auf, das zudem in Teilbereichen 24 sehr scharfe Ränder mit annähernd rechten Winkeln aufweisen kann. Die Wasserzeichenbereiche 16 eignen sich wegen des vielstufigen Reliefs 22 einerseits zur Erzeugung von Wasserzeichenzeichen mit weichen, kontinuierlichen Helligkeitsübergängen, können mit Teilbereichen 24 aber zugleich scharf abgegrenzte, feine Details mit hohem Kontrast erzeugen.
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Um die Entwässerung bei der Papierherstellung sicherzustellen ist die Mantelfläche 32 des Produktionssiebmantels 14 mit einer Vielzahl von Entwässerungsperforationen 26 versehen, deren Durchmesser so klein ist, dass in ihnen bei der Papierherstellung keine Fasern anhaften. Typische Perforationsdurchmesser liegen zwischen 50 µm und einigen 100 µm, beispielsweise bei etwa 500 µm.
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Als Besonderheit ist der gesamte Produktionssiebmantel 14 einschließlich der Wasserzeichenbereiche 16 und der in der Mantelfläche 32 enthaltenen Entwässerungsperforationen 26 durch ein additives Fertigungsverfahren als Schichtenfolge einer Mehrzahl fest miteinander verbundener Materialschichten 28 gebildet, wie im Detailausschnitt 34 der 2 illustriert.
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Als additive Fertigungsverfahren kommen dabei insbesondere Selektives Lasersintern, Selektives Laserschmelzen, Elektronstrahlschmelzen, 3D-Druck mit Pulver, Schmelzschichtung, Laserauftragsschweißen, Multi-Jet-Modeling, ein Polyjet-Verfahren, Stereolithographie, Laminated Object Modeling, Film Transfer Imaging oder Digital Light Processing in Betracht. Ja nach Fertigungsverfahren kann das Ausgangsmaterial dabei in Form von Draht, Pulver, Folien, Pasten oder Flüssigkeiten vorliegen. Besonders vorteilhaft wird der Produktionssiebmantel 14 durch einen Kunststoff gebildet.
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Hierfür kann beispielsweise das Verfahren des Selektiven Laserschmelzens (SLM) zum Einsatz kommen. Bei diesem Verfahren wird das pulverförmige Kunststoff-Baumaterial vollständig geschmolzen und durch einen Abkühlprozess verhärtet. Der Produktionssiebmantel 14 wird dabei durch sukzessives Absenken einer Bauplattform schichtweise mit der gewünschten Struktur entlang der Längsachse 30 des Siebmantels aufgebaut. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines 3D-Druckkopfes geschehen, der in einem fortlaufenden Prozess Lage für Lage die Materialschichten 28 des Produktionssiebmantels 14 als stehendes Rohr (1) aufbaut. Als Bauplattform kann ein Rundtisch mit senkrechter Drehachse als Arbeitsfläche dienen, auf welcher der Druckkopf während der Drehung des Rundtisches die Materialschichten 28 Umdrehung für Umdrehung ablegt.
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Durch die Herstellung mittels additivem Fertigungsverfahren kann der Produktionssiebmantel 14 mit nahtlos in die Mantelfläche 32 integrierten Wasserzeichenbereichen 16 erzeugt werden. Die Wasserzeichenbereiche 16 können dabei insbesondere als hochauflösende mehrstufige Wasserzeichenbereiche mit Reliefs mit scharfen Rändern einer Randbreite von 0,4 mm oder weniger erzeugt werden. Die scharf berandeten Erhebungen bzw. Vertiefung in den Wasserzeichenbereichen erzeugen ihrerseits bei der Papierherstellung Wasserzeichen mit scharf berandeten hellen bzw. dunklen Motivstrukturen. Die Wasserzeichenbereiche können eine hohe mittlere Ortsfrequenz von 2-3 Lp/mm oder mehr aufweisen, die unabhängig vom konkret dargestellten Bildinhalt die Darstellung feinster Bilddetails und hohe Bildschärfe im Wasserzeichen erlaubt.
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Gleichzeitig ist die Herstellung des Produktionssiebmantels 14 durch das additive Fertigungsverfahren stark vereinfacht und vermeidet Fehlerquellen durch die bei herkömmlichen Verfahren notwendige aufwendige Montage vieler miteinander verbundener Einzelteile. Die integrale Herstellung vermeidet Nähte, Fügestellen und Schweißstellen, die beim Einsatz herkömmlicher Rundsiebe oft im Papier sichtbar sind, vollständig. Die Papierfläche kann daher optimal ausgenutzt werden. Schließlich ist der Produktionssiebmantels 14 durch seinen integralen Aufbau auch mechanisch sehr widerstandsfähig.
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Die Flächenstruktur der Mantelfläche 32 des Produktionssiebmantels 14 kann außerhalb der Wasserzeichenbereiche 16 durch den Einsatz additiver Fertigungsverfahren weitgehend frei gewählt werden. Beispielsweise kann die Flächenstruktur der Mantelfläche 32 eine herkömmliche Siebstruktur mit einer oder mehr Kettfadensytemen und einem oder mehr Schussfadensystemen nachbilden. Besonders vorteilhaft wird dabei ein einlagige Sieblage nachgebildet.
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3 illustriert eine alternative Gestaltung eines Produktionssiebmantels 40, der zunächst mit Wasserzeichenaussparungen 42 und Entwässerungsperforationen 26 durch ein additives Fertigungsverfahren als Schichtenfolge einer Mehrzahl fest miteinander verbundener Materialschichten 28 gebildet ist, wie in 3(a) gezeigt. In einem weiteren Schritt werden Wasserzeicheneinsätze 44 im Bereich der Wasserzeichenaussparungen 42 direkt in die Mantelfläche 32 des Produktionssiebmantels 40 eingespritzt und der Produktionssiebmantel 40 dadurch mit spritzgegossenen Wasserzeicheneinsätzen 44 versehen, wie in 3(b) dargestellt. Auf diese Weise lassen sich Wasserzeicheneinsätze 44 mit besonders hoher Ortsauflösung oder mit besonderen Materialeigenschaften in den Produktionssiebmantel 40 einbringen. Um die Entwässerung auch in den Wasserzeichenbereichen 16 sicherzustellen, sind die Wasserzeicheneinsätze 44 ebenfalls mit Entwässerungsperforationen 26 versehen.
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Anstatt die Wasserzeicheneinsätze 44 direkt in die Aussparungen 42 einzuspritzen, können auch externe Wasserzeicheneinsätze in Wasserzeichenaussparungen 42 eingebracht, beispielsweise eingeklebt werden werden. Weiter kann die Mantelfläche 32 des Produktionssiebmantels 40 auch zunächst ohne Wasserzeichenaussparungen 42 erzeugt und diese dann nachträglich, beispielsweise durch Laserschneiden eingebracht werden.
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Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel der 4 wurde der Produktionssiebmantel 50 einschließlich der Wasserzeichenbereiche 16, aber zunächst ohne Entwässerungsperforationen durch ein additives Fertigungsverfahren als Schichtenfolge einer Mehrzahl fest miteinander verbundener Materialschichten 28 gebildet, wie in 4(a) dargestellt. Anschließend wird der Produktionssiebmantel 50 mit Laserstrahlung 52 beaufschlagt, um durch Laserperforation Entwässerungsperforationen 26 in der Mantelfläche 32 zu erzeugen, wie in dem Zwischenschritt der 4(b) gezeigt. Durch die separate Laserperforation lässt sich unter Umständen ein Geschwindigkeitsvorteil bei der Herstellung des Produktionssiebmantels 50 erzielen.
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Es ist auch möglich, die Ausgestaltungen der 3 und 4 zu kombinieren und zunächst einen Produktionssiebmantel mit Wasserzeichenaussparungen und zunächst ohne Entwässerungsperforationen durch ein additives Fertigungsverfahren als Schichtenfolge einer Mehrzahl fest miteinander verbundener Materialschichten zu bilden, und die Entwässerungsperforationen nachfolgend durch Laserperforation der Mantelfläche des Produktionssiebmantels zu erzeugen. Die Wasserzeichenbereiche können beispielsweise durch direktes Einspritzen von Wasserzeicheneinsätzen oder durch ein Einbringen externer Wasserzeicheneinsätze erzeugt werden, wie im Zusammenhang mit 3 bereits beschrieben.
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Eine weitere Möglichkeit der Beschleunigung der Herstellung eines Produktionssiebmantels besteht darin, den Produktionssiebmantel 60 in mehreren rohrförmigen Teilstücken 62, 64, 66 jeweils separat durch ein additives Fertigungsverfahren herzustellen, wie in 5 schematisch dargestellt. Die rohrförmigen Teilstücke 62, 64, 66 können beispielsweise parallel mittels 3D-Druck gedruckt werden und insbesondere den in 1 gezeigten Bahnbereichen 18 eines Produktionssiebmantels 14 entsprechen. Nach ihrer separaten Herstellung werden die rohrförmigen Teilstücke 62, 64, 66 zu dem gewünschten Produktionssiebmantel 60 zusammengesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rundsieb
- 12
- Rundsiebkörper
- 14
- Produktionssiebmantel
- 16
- Wasserzeichenbereiche
- 18
- Bahnbereiche
- 20
- Ausschnitt
- 22
- hochauflösendes mehrstufiges Relief
- 24
- Teilbereiche
- 26
- Entwässerungsperforationen
- 28
- Materialschichten
- 30
- Längsachse
- 32
- Mantelfläche
- 34
- Detailausschnitt
- 40
- Produktionssiebmantel
- 42
- Wasserzeichenaussparungen
- 44
- Wasserzeicheneinsätze
- 50
- Produktionssiebmantel
- 52
- Laserstrahlung
- 60
- Produktionssiebmantel
- 62, 64, 66
- Teilstücke
