DE4242620A1

DE4242620A1 - Hydrophiler Keramiküberzug für Feuchtwalzen in Druckmaschinen

Info

Publication number: DE4242620A1
Application number: DE19924242620
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Ing Johner
Original assignee: Coatec Gesellschaft fuer Oberflaechenveredelung mbH
Current assignee: Coatec Gesellschaft fuer Oberflaechenveredelung mbH
Priority date: 1992-12-17
Filing date: 1992-12-17
Publication date: 1994-06-23

Description

Die Erfindung betrifft Druckmaschinen, insbesondere die Feuchtwalzen von Akzidenzmaschinen und dort vorzugsweise Dosierwalzen, die auf ihrer Oberfläche mit einer Beschichtung versehen werden.

In verschiedenen Bereichen der Anlagentechnik besteht ein Bedarf an Oberflächen, die leicht mit Wasser benetzbar sein müssen, also entsprechende hydrophile Eigenschaften aufweisen. In einer Offsetdruckmaschine hat z. B. das Feuchtwerk die Aufgabe, einen möglichst dünnen, gleichmäßig geschlossenen Feuchtmittelfilm auf den Druckplattenzylinder zu übertragen. Der Feuchtmitteltransport in einem Feuchtwerk erfolgt bei modernen Druckmaschinen z. B. über eine in einen Wasserkasten getauchte Walze, eine sogenannte Dosierwalze, und eine daran anschließende Feuchtauftragswalze, die direkt mit dem Druckplattenzylinder in Kontakt steht. Um mit einer derartigen Walzenanordnung einen möglichst dünnen, gleichmäßigen Feuchtmittelfilm auszubilden, sind entsprechend hydrophile Oberflächeneigenschaften notwendig. Hochwertiger Druck wird im allgemeinen auf hochwertigen, sehr dichten und festen Papiersorten durchgeführt und erfordert teilweise Feuchtmittelfilmdicken auf den Dosierwalzen von weniger als 4 µm. Drucktechische Forderungen dieser Art konnten bislang nur erfüllt werden über die Zugabe von Alkoholen zum Feuchtmittel zur Reduzierung der Oberflächen spannung. Am häufigsten verbreitet ist für diese Anwendung Isopropanol und seit neuestem auch verschiedene Glykole, die als so genannte Alkoholersatzstoffe auf den Markt gekommen sind. Eine typische Dosierung von Isopropanol im Feuchtmittel liegt zwischen 10 und 15 Vol.-%. Diese Konzentrationen von Alkohol im Feuchtmittel führen in größeren Offsetdruckereien, insbesondere mit Hochleistungsrollenmaschinen, dazu, daß der tägliche Alkoholverbrauch an derartigen Maschinen mehrere 100 l betragen kann. Entsprechend dieser Situation sind aus Gründen des Umweltschutzes und des Arbeitsschutzes gesetzgeberische Maßnahmen in Vorbereitung, die eine drastische Reduzierung der Benetzungshilfen in Feuchtmitteln in Form von Alkoholen oder Alkoholersatzstoffen fordern. Weiterhin ist davon auszugehen, daß auch in Zukunft die Qualitätsanforderungen an drucktechnische Erzeugnisse mit Sicherheit nicht zurückgehen werden, sondern eher noch gesteigert werden. Diese sich deutlich abzeichnende Konfliktsituation kann mit herkömmlichen Feuchtwalzenoberflächen mit Sicherheit nicht gelöst werden. Dem Stand der Technik entsprechend werden insbesondere auf Dosierwalzen galvanisch abgeschiedene Chromschichten verwendet, die vor ihrem Einsatz geschliffen und poliert werden. Weiterhin befinden sich in erheblichem Umfang auch geschliffene und polierte Edelstahloberflächen im Einsatz, die ebenfalls keine Reduzierung des Alkoholanteils im Feuchtmittel ermöglichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für die Feuchtwerke moderner Druckmaschinen Walzenoberflächen zu schaffen, die sich durch besonders hydrophile Eigenschaften auszeichnen.

In der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Feuchtwalzen mit einer Beschichtung überzogen werden, die Oxide der Elemente Hafnium, Cer, Titan und Tantal enthält oder vollständig aus einem oder mehreren dieser Metalloxide besteht. In Verbindung mit einer derartigen Beschichtung ergibt sich für das Feuchtmittel, selbst bei völliger Alkoholfreiheit, eine außerordentlich gute Benetzbarkeit, die sich meßtechnisch in Form einer Randwinkelbestimmung (Benetzungswaage) feststellen läßt und zu Randwinkeln, z. B. für destilliertes Wasser, von deutlich unter 30 ° führt. Vergleichbare Oberflächenrauhigkeiten vorausgesetzt, zeigt unter gleichen Bedingungen eine dem Stand der Technik entsprechende Hartchromschicht einen Randwinkel von nahezu 50° und eine Edelstahloberfläche einen Randwinkel von nahezu 70°. Die extreme Benetzbarkeit der erfindungsgemäßen Beschichtung hat zur Folge, daß sie auch ohne oberflächenentspannende Zusätze von Alkohol oder Alkoholersatzstoffen im Feuchtmittel zu extrem dünnen und gleichmäßigen Feuchtmittelfilmen führt. Mit der erfindungs gemäßen Beschichtung können eine oder mehrere Walzen des Feuchtwerkes einer Druckmaschine versehen werden, jedoch ist es erfahrungsgemäß besonders vorteilhaft, die Dosierwalze zu beschichten. Da die Walzenkerne in Druckmaschinen im allgemeinen aus Baustählen ohne besonderen Korrosionsschutz bestehen, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, vor der erfindungsgemäßen Beschichtung mit den benannten Metalloxiden den Walzenkörper mit einer metallischen Schutzschicht zu überziehen, die in hoher Konzentration die Elemente Nickel, Kobalt, Eisen, Molybdän, Chrom, Aluminium und Yttrium in beliebiger, dem spezifischen Korrosionsangriff entsprechender Kombination enthält. Sowohl die metallische Unterschicht als auch die oxidkeramische, erfindungsgemäße Deckschicht werden vorzugsweise durch thermisches Spritzen, insbesondere Plasmaspritzen, aufgetragen. Weitere, für die Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung geeignete Verfahren sind die PVD-Verfahren, incl. Elektronenstrahlbedampfen (EBPVD), die CVD-Verfahren, die plasmaunterstützten CVD-Verfahren, die galvanischen Verfahren, die Diffusionsbeschichtungsverfahren aus der Gasphase oder dem Pack, die Sinterverfahren, die Heißisostatpreßverfahren (Hippen), Sprengplattieren, und alle Reaktivverfahren, bei denen durch reaktive Umwandlung aufgebrachter Metallschichten aus dem Hauptanspruch (Hafnium, Cer, Titan, Tantal) die erfindungsgemäßen Oxidschichten entstehen.

Die metallische Schutzschicht mit gleichzeitiger Haftvermittler funktion wird durch thermisches Spritzen vorzugsweise in einer Dicke von ca. 0,2 mm aufgetragen, wenn der Walzenkern aus nicht korrosionsgeschütztem Baustahl besteht. Bei der Verwendung von Edelstahlkernen ist eine Schichtdicke der metallischen Schutzschicht mit reiner Haftvermittlerfunktion von ca. 70 µm ausreichend. Auf derart beschichtete Walzenkerne wird anschließend die erfindungsgemäße oxidkeramische Beschichtung mit einer Dicke von ca. 0,25 mm, ebenfalls vorzugsweise durch thermisches Spritzen, aufgetragen. Eine in der beschriebenen Weise beschichtete Feuchtwalze, z. B. Dosierwalze, muß in der Folge zur Erzielung ihrer vollen Funktionstüchtigkeit mit entsprechender Hydrophilie, z. B. noch durch Maßschleifen und Polieren, auf einen Oberflächenrauhigkeitswert von R_z < 4 µm, vorzugsweise R_z < 2 µm, bearbeitet werden. Da thermisch gespritzte Schichten verfahrensbedingt immer durch eine gewisse Restporosität gekennzeichnet sind, die durch den Schleif- und Polierprozeß geöffnet werden können, hat sich eine porenverschließende Nachbehandlung (z. B. mit einem geeigneten Kunstharz) als zweckmäßig erwiesen. Insbesondere ist vorgesehen, die geschliffene, polierte und versiegelte Feuchtwalze mit der erfindungsgemäßen oxidkeramischen Funktionsschicht vor ihrem Einbau in eine Druckmaschine mit einem handelsüblichen Reinigungsmittel, wie z. B. einem Plattenreiniger, abzureiben. Eine derartige Oberflächenaktivierung führt sofort zur vollen Ausbildung der hydrophilen Eigenschaften der erfindungsgemäß beschichteten Feuchtwalze. In diesem Zustand ergibt sich auf der Walzenoberfläche ein Randwinkel gegenüber dem beim Druckprozeß einzusetzenden Feuchtmittel (Wasser mit einem Pufferzusatz, der den pH-Wert bei 5 hält) von deutlich unter 30°.

Die Erfindung wird durch die Skizzen wie folgt veranschaulicht:

Abb. 1 zeigt die Walzenanordnung in einem in Offsetdruckmaschinen weit verbreiteten Feuchtungssystem (Dahlgren).

Abb. 2 zeigt eine Dosierwalze aus diesem Feuchtungssystem mit der erfindungsgemäßen Beschichtung, einschließlich eines Querschliffs zur Walzenoberfläche, mit schematischer Darstellung des Schichtaufbaus.

Das Feuchtungssystem gemäß Abb. 1 ist gekennzeichnet durch das Feuchtmittel 1 (Wasser, schwach sauer gepuffert, pH 5) in einem Wasserkasten 2, aus dem die gummierte Tauchwalze 3 den Feucht mitteltransport zur Dosierwalze 4 mit dem erfindungsgemäßen Keramiküberzug transportiert. Durch die außergewöhnliche Hydrophilie der erfindungsgemäßen Beschichtung auf der Dosier walze 4 ergibt sich dort über der gesamten Ballenlänge ein dünner, gleichmäßiger Feuchtmittelfilm, der in dieser Form auf die gummierte Feuchtauftragswalze übertragen und von dort direkt auf den Druckplattenzylinder 8 weitertransportiert wird. Die Feuchtauftragswalze 5 steht mit dem Farbwerk über die Zwischenwalze 6 in Verbindung. Aus Gründen der Vereinfachung ist vom gesamten Farbwerk nur eine Farbauftragswalze 7 in Abb. 1 dargestellt. In dieser beispielhaften Walzenanordnung führt die Beschichtung der Dosierwalze 4 mit der erfindungsgemäßen Keramikschicht dazu, daß ohne den zur Zeit typischen Isopropanolgehalt im Feuchtmittel von 10-15 Vol. % mit gleicher Qualität wie bisher gedruckt werden kann. Dies hat für den Betrieb der Druckmaschine nicht nur zur Konsequenz, daß kostengünstiger produziert werden kann, sondern es werden auch die für Druckereibetriebe typischen hohen Emissionswerte für Kohlenwasserstoffe am Arbeitsplatz (MAK-Werte) und dem Abwasser drastisch gesenkt.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf eine Walzenanordnung wie in Abb. 1, sondern sie ist überall anwendbar, wo aus technischen Gründen eine besondere hydrophile Oberflächeneigenschaft gefordert wird.

In Abb. 2 ist schematisch die mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehene Dosierwalze aus Abb. 1 dargestellt. Der Walzenkern 9 kann aus beliebigen Materialien, wie z. B. Baustählen oder rostfreien, höher legierten Stählen, hergestellt sein. Der Querschliff durch die erfindungsgemäße Beschichtung ist gekennzeichnet durch den Walzenkern, dessen Oberfläche z. B. durch Abrasivstrahlen aufgerauht ist. Auf diese aufgerauhte Walzenkernoberfläche wird die haftvermittelnde und vor Korrosion schützende Unterschicht 10 z. B. durch thermisches Spritzen aufgetragen. Die Rauhigkeit dieser Schicht 10 mit ihren Hinterschneidungen an der Oberfläche bietet für die eigentliche Funktionskeramik 11 die Gewähr für ausreichende Haftung. Die Funktionskeramik 11 ist bei Aufbringung durch thermisches Spritzen gekennzeichnet durch Restporen 12, die über der Schichtdicke gleichmäßig verteilt vorliegen. Diese Poren 12 in der Funktionskeramik können z. B. mit Kunststoffen gefüllt und versiegelt werden. Die Funktionskeramik muß vor ihrem Einsatz an der Oberfläche 13 durch Schleifen und Polieren bis auf einen Rauhigkeitswert von R_z 2,0 µm geglättet werden. Weiterhin ist es erforderlich, die Oberfläche 13 vor ihrem Einsatz in der Druckmaschine mit einem handelsüblichen Plattenreiniger zu aktivieren. In diesem aktivierten Zustand ist es möglich, auf der gesamten Ballenfläche, z. B. einer Dosierwalze, mit der erfindungsgemäßen Beschichtung einen gleichmäßigen Feuchtmittel film von z. B. nur 4 µm auch ohne Isopropanol im Feuchtmittel zu erzielen, so daß ein fehlerfreier hochwertiger Druck ohne Feuchtmittelriß auch im Dauerbetrieb erreicht wird. Die Schichtdicke der Unterschicht 10 kann zwischen 50 µm und 1 mm schwanken, da sie auch gleichzeitig zur maßlichen Korrektur des Walzenkerndurchmessers mit herangezogen werden kann. Die Schichtdicke der Funktionskeramik 11 schwankt je nach Anwendung zwischen 0,1 mm und 1,0 mm.

Claims

1. Druckmaschinenwalze, insbesondere Feuchtwalze, vorzugsweise Dosierwalze, mit einer Beschichtung (12) der gesamten Ballenfläche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Hafniumoxid und/oder Ceroxid und/oder Titanoxid und/oder Tantaloxid enthält oder daraus besteht und insbesondere durch thermisches Spritzen aufgetragen wird.

2. Druckmaschinenwalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikbeschichtung (11) auf einer Unterschicht (10) erfolgt, die die Elemente Nickel und/oder Kobalt und/oder Eisen und/oder Molybdän und/oder Chrom und/oder Aluminium und/oder Yttrium enthält oder daraus besteht und vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgebracht ist.

3. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) eine Dicke von 0,1 mm-1,0 mm, vorzugsweise 0,5 mm, aufweist, während die Unterschicht (10) eine Dicke von 0,05 mm-1,0 mm aufweist.

4. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) eine Oberflächenrauhigkeit von R_z 4 µm, vorzugsweise R_z 2,0 µm, aufweist.

5. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) und/oder die Unterschicht (10) eine PVD-Schicht ist (Physical Vapour Deposition).

6. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) und/oder die Unterschicht (10) eine EBPVD-Schicht ist (Elektronenstrahl- bedampfen).

7. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) und/oder die Unterschicht (10) eine CVD-Schicht ist (Chemical Vapour Deposition).

8. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) und/oder die Unterschicht (10) eine Plasma-CVD-Schicht ist (Plasmaunterstütztes CVD).

9. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) und/oder die Unterschicht (10) durch ein galvanisches Verfahren aufgetragen werden.

10. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) und/oder die Unterschicht (10) durch ein Diffusionsbeschichtungs verfahren aufgetragen werden.

11. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) und/oder die Unterschicht (10) durch ein Sinterverfahren aufgetragen werden.

12. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) und/oder die Unterschicht (10) durch ein Heißisostatpreßverfahren (Hippen) aufgetragen werden.

13. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) und/oder die Unterschicht (10) durch Sprengplattieren aufgetragen werden.

14. Druckmaschinenwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) durch ein Reaktivverfahren aufgetragen wird, bei dem durch reaktive Umwandlung vorher aufgebrachter Metallschichten aus Hafnium und/oder Cer und/oder Titan und/oder Tantal die erfindungs gemäßen Oxidschichten entstehen.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Keramikschicht (11) nach der Beschichtung insbesondere durch Schleifen und/oder Polieren geglättet wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) zur Verringerung der Porosität mit einem porenverschließenden Mittel versiegelt wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (11) nach der Beschichtung bis zu einer Rauhtiefe R_z 1,5 µm bearbeitet wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Keramikschicht (11) vor ihrem Einsatz in der Druckmaschine mit einem schwachsauren Reinigungsmittel wie z. B. Plattenreiniger aktiviert wird.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Keramikschicht (11) so eingestellt wird, daß ein für den Druckprozeß einzusetzendes Feuchtmittel auch ohne jeglichen Gehalt an Isopropanol und/oder Alkoholersatzstoff zu einem Benetzungswinkel < 30° führt.