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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Rakel für einen direkten Kontakt mit
Farbauftragwalzen, die mit keramischen Beschichtungen versehen sind.
Insbesondere ist die Rakel für
flexografisches Drucken nützlich.
Die Erfindung schafft auch eine Rakeleinheit und einen flexografischen
Drucker, der mit der neuen Rakel arbeitet, ebenso wie eine Farbauftraganordnung,
die eine Farbauftragwalze und eine Rakel aufweist.
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Hintergrund
und Stand der Technik
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Obwohl
die Erfindung bei allen Rakeln für
einen direkten Kontakt mit Farbauftragwalzen, die mit einer keramischen
Beschichtung versehen sind, anwendbar ist, wird die Erfindung hauptsächlich unter
Bezugnahme auf ein so genanntes flexografisches Drucken beschrieben.
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Beim
flexografischen Drucken wird nach dem Stand der Technik die Menge
der Farbe volumetrisch durch die Verwendung einer so genannten Anilox-
oder Farbauftragwalze dosiert. Diese Walze ist gewöhnlich durch
einen Metallzylinder gebildet, auf dem eine keramische Beschichtung
aufgebracht worden ist. Die Keramik wird normalerweise durch einen
thermischen Aufsprühprozess
aufgebracht. Für
den Zweck einer volumetrischen Dosierung der Farbe wird die keramische
Oberfläche
mit Laser eingraviert, um gleichförmige Zellen zum Ausführen und Übertragen
eines gleichmäßigen Farbfilms
auf einer Druckplatte zu erzeugen.
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Die
DE-A-40 24 514 offenbart die Verwendung von Rakeln für Druckmaschinen,
wobei die Härte
der Rakeln ähnlich
zu derjenigen einer Walze ist, wobei allerdings die Rakeln geringfügig weicher
sind.
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Für den Zweck
eines Entfernens von überschüssiger Farbe
von der Oberfläche
der Anilox- oder Farbauftragwalze verwenden die Techniken nach dem
Stand der Technik vorzugsweise eine so genannten "Chambered Doctor
Blade" ("gewölbte Rakel"). Das US-Patent 5 735 210
ist ein Beispiel nach dem Stand der Technik, das von einem solchen
Konzept einer Rakel Gebrauch macht. Das Patent beschreibt eine Rakeleinheit
für das Farbauftragsystem
einer Drehdruckpresse, wobei die Einheit einen Balken aufweist,
der zwei Rakel in einer ungefähren
Form eines Dachs aufweist. Diese Rakel definieren eine Farbkammer
im Zusammenwirken mit der Farbauftragwalze, und wobei die Eingangsrakel,
auch bezeichnet als positive Rakel, eine Funktion eines Abdichtens
der Kammer besitzt, während
die Ausgangsrakel, auch bezeichnet als negative Rakel, diejenige
ist, die die überschüssige Farbe
wegwischt.
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Die
Rakeln nach dem Stand der Technik sind aus unterschiedlichen Materialien,
wie beispielsweise PVC oder anderen, faserverstärkten Polymeren, hergestellt,
sind allerdings gewöhnlich
aus Stahl gefertigt. Normalerweise wird gehärteter und getemperter Kohlenstoffstahl
oder rostfreier Stahl verwendet, und ein solcher Stahlstreifen ist
relativ dünn,
typischerweise 0,15 mm. Stahl-Rakeln können unterschiedliche Ausgestaltungen
haben und können
entweder abgerundete Ecken haben, können Abschrägungen haben, so genannte Lamellen-Rakel,
wie dies zum Beispiel in dem US-Patent 4 184 429 offenbart ist.
Da die Härte
des Rakel-Materials sehr niedrig, verglichen mit der Härte der
keramischen Beschichtung der Farbauftragwalze, ist, ungefähr 600 Mikro-Vickers,
verglichen mit mehr als 1200 Mikro-Vickers, nutzt sich die Rakel
im Betrieb sehr schnell ab und muss deshalb unter regelmäßigen Intervallen
ersetzt werden. Die schnelle Abnutzung der Rakel bewirkt ein ungleichmäßiges Abstreifen über die
Zeit. Weiterhin wird die Produktivität des Druckvorgangs wesentlich durch
solche häufigen Änderungen
der Rakel verringert.
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Weiterhin
kann, in Abhängigkeit
von dem Typ einer Farbe und deren Inhalt an Pigment, eine abrasive Abnutzung
der Rakel weiterhin die Lebensdauer verringern, wie beispielsweise
dann, wenn so genannte weiße Farbe
enthaltendes TiO2 als ein Pigment verwendet
wird, das äußerst abrasiv
ist. Dabei sind verschiedene Gründe
zum Ändern
der Rakel in Druckvorgängen
vorhanden, wie zum Beispiel:
- – Übermäßige Gleitabnutzung,
oftmals zu der Drucklast der Rakel gegen die Walze in Bezug gesetzt.
- – Kantenabnutzung
der Rakel auf beiden Seiten der mit Fase versehenen Rakel, was zu
einer Farb-Leckage führt.
- – Übermäßige abrasive
Abnutzung, wenn harte Pigmente in dem Druckvorgang verwendet werden.
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In
allen diesen Fällen,
ebenso wie in Kombinationen davon, können die Dicht- und Abstreif-Funktionen nicht
geeignet erfüllt
werden. Aus diesen und anderen Gründen ist ein Erfordernis nach
einer Entwicklung von Rakeln mit einer verbesserten Abnutzungsbeständigkeit
vorhanden, wie beispielsweise zur Verwendung beim flexografischen
Drucken.
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Aufgaben der
Erfindung
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Die
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Doktor-Rakel
für einen
direkten Kontakt mit einer Farbauftragwalze, versehen mit einer
keramischen Beschichtung, einem Mantel oder einer Hülse, zu schaffen.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rakel mit einer verlängerten
Lebensdauer zu schaffen, um demzufolge die Betriebsproduktivität zu verbessern.
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Eine
noch andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rakel mit einer verlängerten
Lebensdauer zu schaffen, ohne die Funktionalität der Anilox-Keramikoberfläche durch
irgendeine vorzeitige Abnutzung zu ändern.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rakeleinheit zu schaffen,
die gegenüberliegend
und zueinander hin gerichtete Rakel gemäß der Erfindung enthält.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen flexografischen Drucker
zu schaffen, der eine solche Rakeleinheit umfasst.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist durch experimentelle Untersuchung herausgefunden worden, dass
durch die Aufbringung einer Keramik auf ein dünnes Stahlband die Abnutzungsbeständigkeit
der Rakel wesentlich verbessert werden kann, ohne die Fähigkeit
der Farbwalze, die erwünschte
Menge an Farbe zu übertragen,
zu beeinträchtigen. Demzufolge
führt die
verbesserte Abnutzungsbeständigkeit
der Rakel nicht zu einer vorzeitigen Abnutzung der Farbauftragwalze.
Weiterhin beseitigt die Verwendung einer keramischen Beschichtung
auf der Rakel irgendeinen Schmiereffekt, der typischerweise dann
gegeben ist, wenn Stahl-Rakel ohne eine Beschichtung verwendet werden.
Ein solches Schmieren wird durch ein plastisches Fließen der
Stahlkontaktfläche
gegen die keramische Farbauftragwalze verursacht. Weiterhin verbessert
die höhere
abrasive Abnutzungsbeständigkeit
der Keramik, verglichen mit Stahl, stark die Lebensdauer der Rakel,
wenn abrasive Pigmente verwendet werden.
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Schließlich führt das
keramische Material, das weniger empfindlich gegenüber Belastungsdifferenzen ist,
dazu, dass die typische Kantenabnutzung, die bei Stahl-Rakeln vorhanden
ist, wesentlich aufgeschoben wird. Dementsprechend werden Kanten-Leckagen auch wesentlich
aufgeschoben.
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Es
ist unerwartet herausgefunden worden, dass das Verhältnis zwischen
der Härte
der keramischen Beschichtung auf der Rakel und der Härte der
keramischen Oberfläche auf
der Farbauftragwalze eines der Schlüsselelemente in der vorliegenden
Erfindung bildet. Dementsprechend ist herausgefunden worden, dass das
Härteverhältnis, d.
h. die Härte
der Rakel-Keramik gegenüber
der Härte
der keramischen Walze, innerhalb des Bereichs von ungefähr 0,55
bis ungefähr
0,8 liegen sollte. Verhältnisse
niedriger als 0,55 führen
nicht zu wesentlichen Vorteilen, verglichen mit einer Stahl-Rakel,
was ein typisches Verhältnis
von 0,5 oder niedriger ergibt. Verhältnisse höher als 0,8 werden zu einer
erhöhten
Abnutzung auf der keramischen Farbauftragwalze führen. Dies könnte zu
einer Verringerung des Zellenvolumens und dadurch zu einer verringerten
Menge der übertragenen
Farbe führen.
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Ein
anderer Schlüsselaspekt
der vorliegenden Erfindung ist die Auswahl der die Rakel beschichtenden Keramik.
Es wurde herausgefunden, dass die Härte beziehungsweise Zähigkeit
der Keramik ein anderer, wichtiger Parameter aus den folgenden Gründen ist.
- – In
einem mikroskopischen Maßstab
ist die Beständigkeit
gegen eine abrasive Abnutzung der Keramik direkt zu der Rissbeständigkeit
oder Zähigkeit
des Materials in Bezug gesetzt. Deshalb sollte, um gegen harte Pigmente
beständig
zu sein, eine zähe
Keramik ausgewählt
werden.
- – Weiterhin
muss, in einem makroskopischen Maßstab, die Rakel einer Maschinenvibration,
dem Zittern und der Kontaktbelastung an der Kante der keramischen
Schicht ohne Abplatzen standhalten.
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Unter
Berücksichtigung
dieser Aspekte ist herausgefunden worden, dass Materialien innerhalb
der Al2O3-ZrO2-Familie, mit oder ohne die Zugabe von TiO2, Erfordernisse einer Zähigkeit und ausreichenden Härte erfüllen, wenn
sie durch thermisches Sprühen
aufgebracht werden.
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Dementsprechend
schafft die Erfindung eine Rakel gemäß Anspruch 1.
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Die
keramische Beschichtung der Rakel sollte eine Härte innerhalb des Bereichs
von ungefähr
55 bis ungefähr
80% derjenigen der keramischen Hülse
der Farbauftragwalze haben.
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Es
ist bevorzugt, dass das Band, das die Rakel bildet, durch ein Stahlband
gebildet ist, das eine Dicke von ungefähr 0,05 bis ungefähr 0,25
mm besitzt. Die Breite des Bands variiert geeignet von ungefähr 10 bis ungefähr 60 mm.
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Die
keramische Beschichtung auf der Rakel besitzt vorzugsweise eine
Dicke zwi schen ungefähr
20 und ungefähr
100 μm,
typischerweise ungefähr
50 μm, und
eine Breite von ungefähr
1 bis ungefähr
8 mm, insbesondere von ungefähr
4 bis ungefähr
6 mm, wie beispielsweise ungefähr
5 mm.
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In
Bezug auf die Zusammensetzung der Beschichtung der keramischen Rakel
ist diese vorzugsweise auf Al2O3 basierend
und umfasst ZrO2 in einer Menge von ungefähr 20 bis
ungefähr
50 Gew.-%. Optional kann die keramische Beschichtung zusätzlich TiO2 in einer Menge von bis zu ungefähr 20 Gew.-%
enthalten. Diese Prozentsätze
basieren alle auf dem Gesamtgewicht der Zusammensetzung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist die keramische Beschichtung mit einer Abschrägung an der Spitze versehen,
die eine Winkelkonfiguration besitzt, die mit der Oberfläche der
Farbauftragwalze übereinstimmt.
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Weiterhin
schafft die Erfindung eine Farbauftraganordnung nach Anspruch 9.
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Die
Erfindung schafft auch eine Rakeleinheit für ein Farbauftragsystem einer
Druckpresse, versehen mit einer Farbauftragwalze, die eine keramische
Beschichtung oder Hülse
besitzt. Diese Einheit weist einen Rakelhalter, der zwei Rakel trägt, die
gegenüberliegend
zueinander und zueinander hin gerichtet platziert sind, auf. Diese
Rakeln sind mit einer keramischen Beschichtung versehen, wie dies
vorstehend beschrieben ist, und sind für einen direkten Kontakt mit
der Farbauftragwalze vorgesehen. Eine Rakel ist in einer nachlaufenden
Position platziert und die andere Rakel ist in einer anstoßenden Position
zu der Farbauftragwalze positioniert, um so eine Farbaufbringungskammer
zusammen mit der Farbauftragwalze zu definieren. Die nachlaufende-
und angestoßene
Position entsprechen jeweils einem positiven Rakel-Modus und einem
negativen Rakel-Modus.
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Schließlich schafft
die Erfindung einen flexografischen Drucker, der eine Farbauftragwalze
mit einer keramischen Beschichtung oder Hülse, ein Farbauftragsystem
für diese
Farbauftragwalze, einen Druckplattenzylinder und eine Druckwalze
aufweist. Im Betrieb nimmt der Drucker eine Papierbahn, die durch
einen Spalt, erzeugt zwischen dem Farbauftragzylinder und der Druckwalze,
läuft,
auf. In diesem flexografischen Drucker weist das Farbauftragsystem
eine Rakeleinheit, wie sie vorstehend beschrieben ist, einen Druckfarbbehälter, einen
Farbzuführkanal,
der eine Farbzuführpumpe
zum Übertragen
von Farbe von dem Behälter
zu dem Farbauftragsystem enthält,
und einen Rückführkanal
für das
Zurückführen von überschüssiger Farbe
zu dem Behälter
auf.
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Beschreibung
von spezifischen Ausführungsformen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von spezifischen Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung:
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1 stellt
schematisch in einer Seitenansicht eine herkömmliche Maschine für ein flexografisches Drucken
dar;
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2 stellt
in einer Seitenansicht die Anordnung dar, die innerhalb des in unterbrochener
Linie gezeichneten Quadrats in 1 enthalten
ist; und
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3a bis 3d stellen
schematische Seitenansichten von vier unterschiedlichen Ausführungsformen
von Rakeln dar.
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Der
flexografische Drucker 1, der schematisch in 1 in
einer Seitenansicht dargestellt ist, ist mit einer Farbauftrag-Rakeleinheit 3 mit
einem Rakelhalter 9, der zwei Rakeln 5, 7 trägt, was
noch weiter in Verbindung mit 2 beschrieben
ist, versehen. Weiterhin besitzt der Drucker 1 eine Farbauftragwalze 15,
die durch eine Stahltrommel, abgedeckt mit einer keramischen Hülse oder
einem Mantel, gebildet ist. Die Farbauftrag-Rakeleinheit 3 ist einem Druckfarbbehälter 27,
einem Farbzuführkanal 29,
der eine Farbzuführpumpe 31 für die Überführung der
Druckfarbe von einem Farbvorrat 37 zu der Farbauftrag-Rakeleinheit 3 enthält, zugeordnet.
Weiterhin ist ein Rückführkanal 35 für die Zurückführung von überschüssiger Druckfarbe
zu dem Behälter 27 vorgesehen.
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Schließlich ist
der Drucker 1 mit einem Druckplattenzylinder 21,
der Druckplatten 19 trägt,
und einer Druckwalze 23 versehen. Eine Papierbahn 25 zum
Drucken läuft
in den Spalt zwischen den Walzen 21, 23 in der
Richtung, die in 1 angegeben ist.
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In 2 ist
in einer vergrößerten Seitenansicht
die Anordnung um die Farbauftrag-Rakeleinheit 3,
wie sie innerhalb des Quadrats in unterbrochener Linie der 1 enthalten
ist, dargestellt. Der Rakelhalter 9 ist mit zwei Trägerflanschen 11, 13 versehen,
wobei jeder eine Rakel 5, 7 trägt, die in einer anstoßenden und nachlaufenden
Position jeweils vis-à-vis
der Farbauftragwalze 15 laufen. Die Farbauftragwalze 15 ist
aus einem Stahlzylinder 15 aufgebaut, der durch einen keramischen
Mantel oder eine Hülse 17 abgedeckt
ist.
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Wie
anhand der 2 zu sehen ist, besitzt die
Rakel 7 eine Dichtungsfunktion, wogegen die Rakel 5 eine
Abstreiffunktion besitzt, wodurch überschüssige Druckfarbe von der Oberfläche der
keramischen Hülse 17 entfernt
wird. Die Farbauftrag-Rakeleinheit 3 definiert eine Farbauftragkammer 10 zusammen
mit der Farbauftragwalze 15 mit Rakeln 5, 7 in
Eingriff mit der Oberfläche
auf der Farbauftragwalze 15. Die Rakeln 5, 7 sind jeweils
mit einer keramischen Beschichtung 21 versehen, die zu
der Oberfläche
der Farbauftragwalze 15 hinweist.
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Die 3a bis 3d stellen
vier unterschiedliche Ausführungsformen
der Rakeln gemäß der Erfindung
dar.
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3a stellt
in einer Seitenansicht ein Stahlband 41 dar, das einen
Kantenabschnitt 45, beschichtet mit einer keramischen Beschichtung 43a,
besitzt. 3b stellt eine ähnliche
Anordnung dar, wobei allerdings die keramische Beschichtung 43b mit
einer Abschrägung 44 versehen
ist, die so angepasst ist, um mit der Oberfläche der Farbauftragwalze 15 übereinzustimmen.
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3c stellt
eine Ausführungsform
dar, wobei das Stahlband 41 mit einer Abschrägung 45 an
dem Kantenabschnitt versehen ist, wobei die keramische Beschichtung 43c eine
entsprechende dreieckförmige Konfiguration
besitzt.
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Schließlich stellt
die 3d eine Ausführungsform
des Lamellen-Typs dar, wobei der Bandkantenabschnitt eine Vertiefung
gegenüberliegend
zu der keramischen Beschichtung 43d besitzt.
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Die
Erfindung wird nun weiter durch Beispiele erläutert, die experimentelle Maßnahmen
und Daten, unter Verwendung es erfindungsgemäßen Konzepts, offenbaren. Die
Farbauftragwalzen, die verwendet sind, sind Walzen vom Anilox-Typ,
die kommerziell erhältlich
sind. Anilox-Walzen sind hauptsächlich
auf einem keramischen Material basierend, das durch thermisch aufgesprühtes und
mit Laser graviertes Cr2O3 gebildet
ist. Die Härteangabe
dieses keramischen Materials nach Mikro-Vickers reicht von ungefähr 1200
bis ungefähr 1400.
Es sollte allerdings angemerkt werden, das die vorliegende Erfindung
in keiner Hinsicht auf die Bedingungen und Materialien, die in den
Beispielen offenbart sind, beschränkt ist, sondern die Erfindung
ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche eingeschränkt.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Abrasive Abnutzungsbeständigkeit
der Rakel
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Dieses
Experiment wurde durchgeführt,
um unterschiedliche Produkte existierender Rakel mit einem ausgewählten, keramischen
Material entsprechend den vorliegend beschriebenen Erkenntnissen
zu vergleichen.
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Ein
Versuch mit einer starken Abnutzung wurde unter Verwendung der folgenden
Parameter ausgewählt:
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Diese
Bedingungen wurden bei allen Versuchen konstant gehalten. Für jeden
Test wurden dieselben Rakeln für
beide Rakelpositionen ausgewählt.
Der Umfang einer Abnutzung wurde durch eine Breiten-Verringerung
der Rakel gemessen. Die Tabelle nachfolgend stellt die Ergebnisse
dar.
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Die
mit keramischer Spitze versehene Rakel, Typ I bestand aus einer
Schicht von 50 μm
auf der Oberseite einer 0,150 mm dicken Stahl-Rakel (siehe 41a). Das verwendete Material ist eine
mittels APS thermisch aufgesprühte
Al2O3-ZrO2-Keramik in dem Gewichtsverhältnis von
60% Al2O3–40% ZrO2.
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Die
Mikro-Vickers Härte
beträgt
ungefähr
850 HV0.3 und das Härteverhältnis, verglichen
mit der keramischen Walze, beträgt
0,6 bis 0,7.
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Die
Breite der keramischen Schicht betrug 8 mm.
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Es
kann anhand dieser Ergebnisse gesehen werden, dass der Umfang einer
Rakel-Abnutzung
wesentlich durch die Rakel gemäß der Erfindung
verringert wurde.
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Beispiel 2
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Prüfung der Anilox-Abnutzung
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In
einem anderen Experiment wurde dieselbe keramische Rakel Typ I,
wie sie in Beispiel 1 vorstehend verwendet ist, auf einem experimentellen
Flexo-Test-System zur Begutachtung der Anilox-Abnutzung, durch Messen
des Zellenvolumens vor und nach dem Test, laufen gelassen. Die Bedingungen
waren wie folgt:
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Die
Zellenmessung, durchgeführt
durch die URMI-Technik, ergab die folgenden Ergebnisse:
- – davor:
7,4 ± 1
cm3/m2
- – danach:
7,6 ± 1
cm3/m2
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Beispiel 3
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Untersuchung eines realen
Druckens
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In
einem dritten Experiment wurde eine andere Zusammensetzung des Rakel-Materials (Keramik
Typ II), gemäß der Erfindung
auf einer regelmäßigen Basis
in einer Bahn-Flexo-Maschine während
mehrerer Monate (3-Verschiebe-Druckeinheit) verwendet. Hierbei wurden
sowohl eine Abnutzung der Rakel als auch eine Begutachtung der Anilox-Walze evaluiert.
Die Bedingungen waren wie folgt:
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Während dieser
Periode sind 14 Millionen Meter gedruckt worden. Die URMI-Ergebnisse ebenso
wie die Zellentiefe zeigen eine gewisse leichte Abnahme, was durch
die Tatsache erläutert
werden kann, dass das Anilox neu zu Beginn war und deshalb eine
anfängliche,
höhere
Abnutzung zeigen kann, bis die Brücke zwischen den Zellen besser
definiert ist. Es kann auch geschlossen werden, dass die keramische,
mit Spitze versehene Rakel bei dem oberen Härteverhältnis lag, das akzeptierbar
ist, und dass eine bestimmte Abnutzung real an der Anilox-Walze
auftrat.
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In
diesem Fall war die ausgewählte,
keramische, mit Spitze versehene Rakel (Typ II) wie folgt:
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Die
Lebensdauer der Rakel gemäß der Erfindung
erreichte 16 Tage Non-Stop als Rekord und ungefähr 8 Tage im Durchschnitt.
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Detaillierte
Beschreibung der Rakel
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Ein
typischer Zustand einer mit Abschrägung versehenen Rakel ist in 1 dargestellt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Spitze der Rakel, sind in den 3a–d dargestellt. Die Dicke (t) des Stahls
kann zwischen 0,05 bis 0,25 mm variieren. Die Breite (w) des Stahls
reicht von 10 bis 60 mm. Die Dicke (ct) der keramischen Schicht
nach einem Schleifen beträgt
typischerweise 5 μm,
in einem Bereich von 20 bis 100 μm.
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Die
Breite der Keramik (cw) beträgt
vorzugsweise 5 mm, kann allerdings von 1 mm bis 8 mm reichen.
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Die
keramische Spitze kann nicht abgeschrägt sein oder kann abgeschrägt sein.
Das nicht Abgeschrägte
liefert den Vorteil das sie bei irgendeinem Aufbau einer mit Schräge versehenen
Rakel anwendbar ist. Sie erfordert eine sehr zähe, keramische Kante.
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Die
Zusammensetzung der Keramik ist eine Al2O3 Basis, mit einer Menge an ZrO2,
die von 20 bis 50%, vorzugsweise mit 40%, variiert.
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Zusätze von
TiO2 (0 bis 20%) können weiter die Gleiteigenschaften,
falls notwendig, verbessern.