EP2039529B1

EP2039529B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Mehrnutzen-Stichtiefdruckplatten

Info

Publication number: EP2039529B1
Application number: EP08015939.5A
Authority: EP
Inventors: Karlheinz Mayer; Roger Adamczyk; Thanh-Hao Huynh; Richard Widemann
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: PL2039529T3; RU2008137373A; RU2487801C2; EP2039529A3; EP2039529A2; DE102007045015A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken für die Erzeugung von Stichtiefdruckplatten oder zur Herstellung einer Stichtiefdruckplatte. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von Mehrnutzen-Stichtiefdruckplatten.
Das Stichtiefdruckverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in eine Stichtiefdruckplatte linien- oder punktförmige Vertiefungen eingebracht sind, die teilweise oder vollständig mit Farbe gefüllt werden. Ein Substrat, wie beispielsweise Papier, wird mit hohem Druck in die Vertiefungen der Stichtiefdruckplatte gepresst, so dass die Farbe auf das Substrat übertragen und das Substrat verformt wird. Alternativ ist es auch möglich, die Vertiefungen in der Druckplatte nicht mit Farbe zu füllen, so dass das Substrat ohne Farbauftrag lediglich verformt bzw. geprägt wird. In beiden Fällen entstehen auf dem Substrat erhabene und fühlbare Strukturen.
Zur Herstellung von Stichtiefdruckplatten, wie sie üblicherweise beim Druck von hochwertigen Druck-Erzeugnissen, wie Wertpapieren, Banknoten oder ähnlichem, benutzt werden, wurden früher in einem ersten Schritt Originalplatten in Form von Einzeloriginalen, sogenannten Einzel-Nutzen, in einem aufwendigen Verfahren, dem sog. Handstich, von einem Künstler hergestellt. Der Künstler gravierte dabei mit Hilfe eines Stichels in zeitaufwendiger Handarbeit ein ihm vorliegendes zweidimensionales Bildmotiv in eine Metallplatte aus Stahl oder Kupfer, wobei Gravurtonabstufungen durch eine unterschiedliche Gravurtiefe und Liniendichte dargestellt wurden. Korrekturmöglichkeiten für den Künstler waren bei diesem Verfahren jedoch äußerst gering. Bei Beschädigung oder Verlust dieser Originalplatte konnte keine identische Originalplatte hergestellt werden, da jede Originalplatte eine individuelle Anfertigung war. Ausgehend von dieser Originalplatte wurden durch mehrfaches Abformen die Stichtiefdruckplatten hergestellt.
Mit den heutigen technischen Möglichkeiten können Originalplatten maschinell hergestellt werden. So ist aus EP 1 578 604 A2 eine Fräs- oder Graviermaschine zur Herstellung von Originalplatten in Form von Einzelnutzen bekannt. Hierbei wird zur Bearbeitung der Originalplatte eine Vorrichtung mit mindestens drei freien Achsen verwendet, die unabhängig voneinander arbeiten und vorzugsweise jeweils von Linearmotoren angetrieben und auf hydrostatischen Lagern bewegt werden. Mehrere Komponenten der Vorrichtung werden thermisch stabilisiert. Insbesondere zur Bestimmung der tatsächlichen Position der Fräs- oder Gravierwerkzeuges relativ zur Oberfläche der Originalplatte können mehrere Korrekturwerte ermittelt und bei der Steuerung der Eintauchtiefe des Fräs- oder Gravierwerkzeugs berücksichtigt werden.
Im Anschluss an die Herstellung einer Originalplatte in Form eines Einzel-Nutzens, wird durch mehrere Abform- und Rekombinationsschritte die endgültige Mehrnutzen-Stichtiefdruckplatte hergestellt. Abschließend wird die ebene Stichtiefdruckplatte derartig gebogen, dass sie in einen walzenförmigen Druckzylinder eingespannt werden kann. Besonderer Vorteil dieser Abfolge von mehreren Abformungen ist es, dass von einer einzigen Originalplatte eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Stichtiefdruckplatten abgeformt werden kann, da die Originalplatte aufgrund der mehrheitlich berührungslosen Abformung nur sehr wenig abgenutzt bzw. verschlissen wird. So können beispielsweise von einer einzigen Originalplatte mehr als vier Stichtiefdruckplatten abgeformt werden.
Nachteil dieses Standes der Technik ist jedoch der sehr hohe zeitliche und materielle Aufwand, da von einer Originalplatte zunächst eine entsprechende Anzahl von Kopien für die Zusammensetzung der späteren Stichtiefdruckplatte hergestellt werden muss. Des Weiteren ist durch das Zusammenfügen von Einzel-Nutzen zu einer Kunststoffplatte mit üblicherweise 40 bis 60 Einzel-Nutzen nicht möglich, sog. randabfallende Designs zu realisieren. Randabfallend bedeutet hierbei, dass der Stichtiefdruck eines einzelnen Druckerzeugnisses wie beispielsweise einer Banknote bis zum Rand der Banknote ausgeführt werden kann. Bei den bekannten Verfahren bleibt ein Rand von 4 mm frei.
Aus US 6 025 921 A , US 5 892 589 A und US 6 741369 B1 ist jeweils eine Graviermaschine zur Herstellung von Druckplattenzylindern für den Stichtiefdruck bekannt. Hierbei wird ein Druckplattenzylinder zunächst mittels einer Antriebseinheit in Rotation versetzt. Anschließend wird über ein Bearbeitungsmodul, das sich entlang der Längsachse des Druckplattenzylinders bewegt, ein Stichtiefdruckmuster in die Oberfläche des Druckplattenzylinders graviert.
Aus DE 30 05 429 A1 ist eine Lasergraviermaschine zum Gravieren zylindrischer Intagliodruckkörper bekannt, bei der ein zylindrischer Druckkörper mittels einer Drehvorrichtung in Rotation versetzt wird. Auf einem Querschlitten, der sich auf einer parallel zur Umlaufbahn des Druckkörpers erstreckenden Gleitbahn bewegt, ist ein Lasergravierkopf angeordnet, der mittels Laserstrahlung Material aus der Oberfläche des zylindrischen Druckkörpers abträgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Stichtiefdruckplatten vorzuschlagen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Werkstück für die Erzeugung von Stichtiefdruckplatten oder zur Herstellung einer Stichtiefdruckplatte, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt worden ist, sowie die Stichtiefdruckplatte selbst.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zumindest einen zylindrischen Körper, wie beispielsweise eine Walze, mit kreisförmiger Grundfläche, auf dem zumindest ein zu bearbeitendes Werkstück befestigt sein kann. Der Begriff "Werkstück" umfasst hierbei und im Folgenden die Originalplatte, das Arbeitsoriginal und alle weiteren während des Abformens anfallende Zwischenformen, die auch als "Matrizen" bezeichnet werden, sowie die Stichtiefdruckplatte. Zumindest ein Antriebsmodul dreht den zylindrischen Körper um seine Rotationsachse vor und zurück, wobei mindestens ein Bearbeitungsmodul zumindest Teilbereiche des Werkstückes abträgt.
Zur Herstellung von Mehrnutzen-Stichtiefdruckplatten umfasst die Vorrichtung mindestens ein zweites Bearbeitungsmodul, das ebenso wie das erste Bearbeitungsmodul zumindest Teilbereiche des Werkstückes abtragen bzw. bearbeiten kann. Das erste und zweite Bearbeitungsmodul weisen hierbei mindestens eines der nachfolgend genannten Bearbeitungswerkzeuge auf: ein mechanisches Fräsmodul zur mechanischen Gravur, ein Lasermodul zur Lasergravur oder ein Ritzmodul, wie beispielsweise eine Diamantschneide, zum Ritzen bzw. Drehen. Hierbei können beide Bearbeitungsmodule jeweils gleiche Bearbeitungswerkzeuge oder unterschiedliche Bearbeitungswerkzeuge aufweisen. So kann beispielsweise das erste Bearbeitungsmodul ein Lasermodul tragen und das zweite Bearbeitungsmodul einen mechanischen Fräskopf. Des Weiteren kann beispielsweise das erste Bearbeitungsmodul ein Lasermodul und einen mechanischen Fräskopf und das zweite Bearbeitungsmodul einen mechanischen Fräskopf und eine Diamantschneide tragen.
Sollen mit der Diamantschneide Strukturen in das Werkstück geritzt werden, wird der zylindrische Körper mit dem Werkstück in Drehung versetzt und das Bearbeitungsmodul auf das Werkstück zubewegt, so dass das Bearbeitungsmodul in das Werkstück in der gewünschten Tiefe eintaucht. Ist die vorgesehene Länge der zu ritzenden Struktur erreicht, wird das Bearbeitungsmodul von dem Werkstück wieder wegbewegt und taucht aus dem Werkstück wieder aus. Hierdurch können im Werkstück in Umfangrichtung des zylindrischen Körpers beispielsweise zylindrische Linsenstrukturen erzeugt werden. Durch zyklisches sinusförmiges Bewegen des Werkzeuges in horizontaler Richtung, d.h. in z-Richtung, während der Drehung des zylindrischen Körpers ist es auch möglich, rasterartig oder arrayartig angeordnete Linsenstrukturen zu erzeugen.
Sollen hingegen mit der Diamantschneide diagonale Strukturen in das Werkstück gedreht werden, wird der zylindrische Körper mit dem Werkstück gedreht, wobei das Bearbeitungsmodul auf das Werkstück zubewegt und in Längsrichtung, d.h. in x-Richtung verfahren wird. Die Diamantschneide wird dafür in Richtung des resultierenden Verfahrvektors gedreht.
Besonders bevorzugt werden in dem Werkstück optische Strukturen, wie beispielsweise Zylinder- oder Lentikularlinsen, oder mikrooptische Strukturen, wie beispielsweise geblazte Gitterstrukturen, diffraktive Gitterstrukturen, Hologramme, Mikrolinsenstrukturen, fresnellinsenartige Strukturen oder sogenannte Moiré-Vergrößerungsanordnungen, bzw. die entsprechenden Negativformen erzeugt. Mit diesen optischen oder mikrooptischen Strukturen können verschiedene optische Effekte erzeugt werden.
Beispielsweise bezeichnet "Moiré-Vergrößerung" ein Phänomen, das bei der Betrachtung eines Rasters aus identisch wiederholten Bildobjekten durch ein Linsenraster mit annähernd demselben Rastermaß auftritt. Hierbei liegt die Periodizitätslänge der Bildobjekte und des Linsenrasters beispielsweise zwischen 3 µm und 50 µm. Das entstehende Moirémuster stellt eine Vergrößerung und Drehung der Bildobjekte des Bildrasters dar.
Des Weiteren können beispielsweise die Zylinderlinsen zur Herstellung eines optisch variablen Elements benutzt werden, indem durch die Zylinderlinsen hindurch ein Laser in das darunterliegende Substrat eine Information z.B. in Form einer Schwärzung einbringt. Der Laser bringt in unterschiedlichen Winkelbereichen unterschiedliche Informationen ein, so dass am fertigen Produkt aus unterschiedlichen Winkelbereichen unterschiedliche Informationen abrufbar bzw. auslesbar sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird direkt das Mehrnutzen-Arbeitsoriginal hergestellt, von dem anschließend die Matrize und daraufhin die Druckplatte galvanisch abgeformt wird. Nach galvanischer Abformung der Matrize und der Stichtiefdruckplatte muss die Stichtiefdruckplatte gebogen und an den Druckzylinder angepasst werden.
Ein zylindrischer Körper nimmt bevorzugt mehrere Werkstücke auf, wie beispielsweise zwei halbkreisförmig gebogene Metallplatten, die den Umfang des zylindrischen Körpers nahezu vollständig bedecken. Dieser Aufbau ermöglicht im Vergleich zu einer Portalbauweise oder einer Ständerbauweise aus dem Stand der Technik eine sehr kompakte Umsetzung, da die gebogenen Werkstücke eine kompaktere Bauform als ebene Werkstücke aufweisen. Des Weiteren entfällt das Verschieben der Bearbeitungsmodule entlang der Hochachse des Werkstückes, d.h. der y-Achse, da diese Verschiebung nun durch das Vor- und Zurückdrehen des zylindrischen Körpers übernommen wird. So ist prinzipiell die gleiche Bearbeitungsstrategie wie bei einer planen Aufspannung des Werkstücks möglich, jedoch ohne den enormen Platzbedarf für die einzelnen Achsen, die dieser Aufbau normalerweise mit sich bringt.
Die Bearbeitung der Werkstücke kann entweder gleichzeitig oder nacheinander erfolgen, d.h. zuerst wird eines der Werkstücke und dann eines der anderen Werkstücke bearbeitet.
Die Längsrichtung entlang des zylindrischen Körpers wird als x-Richtung, die vertikale Richtung in Umfangrichtung des zylindrischen Körpers als y-Richtung und die horizontale Richtung als z-Richtung bezeichnet.
Der zylindrische Körper dreht sich nicht mit konstanter Geschwindigkeit, sondern wird abhängig von der zu bearbeitenden Kontur vor- und rückwärts gedreht. Bevorzugt erfolgt hierbei eine entsprechende Interpolation in x- und/oder y-Richtung, d.h. eine Kopplung der Bewegung beider Richtungen. Soll beispielsweise eine gezackt verlaufende Linie in das Werkstück eingebracht werden, die parallel zur x-Achse ausgerichtet ist, deren einzelne Abschnitte aber weder parallel zur x-Achse noch zur y-Achse ausgerichtet sind, wird das Bearbeitungsmodul an dem Werkstück entlang bewegt und gleichzeitig der zylindrische Körper vor- und zurückgedreht. Soll alternativ ein Kreis in das Werkstück eingebracht werden, wird das Bearbeitungsmodul sinusartig an dem Werkstück vor- und zurückbewegt und gleichzeitig der zylindrische Körper sinusartig vor- und zurückgedreht. Die Überlagerung beider Bewegungen ergibt den Kreis.
Das Bearbeitungsmodul ist hierbei bevorzugt auf zwei Schlitten angeordnet, von denen der eine Schlitten das Bearbeitungsmodul radial auf den zylindrischen Körper zu- oder wegbewegt, d.h. in z-Richtung. Der weitere Schlitten bewegt das Bearbeitungsmodul entlang der Rotationsachse des zylindrischen Körpers, d.h. in x-Richtung. Das mindestens eine Bearbeitungsmodul ist besonders bevorzugt auf dem Schlitten für die z-Richtung und dieser wiederum auf dem Schlitten für die x-Richtung angeordnet. Der Antrieb der Schlitten erfolgt mittels Linearmotoren, Spindeln, Riemen oder Seilzüge.
Bevorzugt ist auf dem ersten Schlitten mindestens ein Bearbeitungsmodul und auf dem zweiten Schlitten mindestens ein weiteres Bearbeitungsmodul angeordnet. Hierbei ist beispielsweise auf dem ersten Schlitten ein Lasermodul und auf dem zweiten Schlitten ein Fräsmodul angebracht.
Erfolgt die Bearbeitung des Werkstückes mit einem Fräsmodul, umfasst dieses eine Hochfrequenz-Spindel mit 100.000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute. Grundsätzlich sind für feine Werkzeuge besonders große Umdrehungszahlen notwendig, so dass auch 500.000 Umdrehungen pro Minute oder mehr sinnvoll sind. Das Fräsmodul umfasst weiterhin ein Minimalmengen-Schmier-/Kühlsystem, bei dem mit hohem Druck ein Aerosol auf die Werkzeugspitze aufgebracht wird, eine Beobachtungskamera, eine Absaugung und verschiedene Sensoren.
Erfolgt die Bearbeitung des Werkstückes mit einem Lasermodul, wird der Laserstrahl entweder über eine Festoptik oder über einen Galvo-Scanner mit zwei drehbaren Spiegeln auf das Werkstück gelenkt. Die Nachführung der Fokuslage, abhängig von der gemessenen Werkstückwelligkeit erfolgt über eine Verstellung bzw. Fokusverstellung in z-Richtung.
Eine Bewegung des Lasermoduls ist somit lediglich entlang der Rotationsachse des zylindrischen Körpers erforderlich, da eine "Bewegung" radial auf den zylindrischen Körper zu oder weg durch die Fokusverstellung in z-Richtung erfolgt. Deshalb ist für die Bewegung des Lasermoduls lediglich der zweite Schlitten erforderlich, der erste Schlitten kann entfallen oder mit einem der anderen Bearbeitungswerkzeuge bestückt werden. Wird hingegen ein Laser mit fester Fokuslage verwendet, reicht der mögliche Verstellweg der Fokuslage eines Lasers mit nachführbarer Fokuslage nicht aus oder soll zusätzlich eine mechanische Nachführung der Fokuslage auch in z-Richtung erfolgen, kann das Lasermodul auch auf zwei Schlitten angeordnet werden. Eine Anbringung des Lasermoduls oder des Galvo-Scanners auf zwei Schlitten ist auch dann sinnvoll, wenn eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit erzielt werden soll.
Erfolgt die Bearbeitung des Werkstückes durch ein Fräsmodul sowie zusätzlich durch ein Lasermodul, dessen Laser die Vertiefungen im Arbeitsoriginal erzeugt, kann dieser Laser auch zur Reinigung oder zum Polieren des Werkstückes und zum Entgraten gefräster Strukturen verwendet werden. Des Weiteren kann der Laser gefräste Flanken nachbearbeiten und durch Glätten gefräster Strukturen Glanzeffekte oder durch Aufrauen gefräster Strukturen Matteffekte erzeugen. Hierbei kann der Laser auch durch Einbringen besonders tiefer Aufrauungen zusätzlich Farbfangstrukturen in glatte Fräsungen einbringen.
Des Weiteren lassen sich durch die Kombination von Laser- und Frästechnik in einer Vorrichtung die Vorteile von beiden Bearbeitungsmethoden kombinieren. So ermöglicht die Frästechnik die Erzeugung von definierten Geometrien, die durch die Form des Werkzeugs definiert sind. Es ergeben sich glattere Gravurflanken und genau definierte Gravurtiefen, die mit dem Laserprozess aufgrund von Materialschwankungen nicht zu erreichen sind. Bei tiefen Gravuren (z.B. 100 Mikrometer und mehr) kann mit der Frästechnik die gesamte Tiefe in einem Bearbeitungsschritt bearbeitet werden, wohingegen mit der Lasertechnik viele Pulse pro Punkt oder die Bearbeitung in vielen Schichten notwendig sind, was sich in einer höheren Gravurzeit niederschlägt. Gravuren im Sinne dieser Erfindung sind hierbei Vertiefungen im Werkstück, die mit beliebigen Bearbeitungsverfahren in das Werkstück eingebracht sind.
Die Lasertechnik hat ihre Vorteile unter anderem bei der Erzeugung von feinen Punktrastern, wobei im Wesentlichen mit jedem Laserpuls ein Rasterpunkt erzeugt werden kann. Gerade beim Arbeiten mit einem X/Y-Galvo-Scanner können diese Punkte sehr schnell bearbeitet werden. Im Fräsbetrieb sind hier höhere Zeiten zu veranschlagen, da für jeden Punkt die gesamte Masse der Antriebsachsen mitbewegt werden muss. Auch für die Erzeugung einer definierten Rauigkeit auf glatten Frässtrukturen, kann der Laser rationell eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft können gelaserte und gefräste Strukturen passgenau übereinander gelegt werden, so dass beispielsweise in gefräste Gravurflanken mit dem Laser weitere Strukturen eingebracht werden können. Passgenau bedeutet hierbei dass gelaserte und gefräste Strukturen nur wenige Mikrometer Versatz zueinander aufweisen.
Zur genauen Bestimmung der Position des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstückes wird entweder eine Probegravur mittels Kamera und nachgeschalteter elektronischer Bildverarbeitung oder alternativ mittels eines Vier-Quadranten-Positionsmoduls vermessen.
Zusätzlich oder alternativ zu einer Bearbeitung des Werkstückes durch ein mechanisches Fräsmodul oder einen Laser kann mit dem Bearbeitungsmodul die Oberfläche des Werkstückes auch geritzt werden. Hierbei wird ein Ritzmodul, insbesondere mit einer Diamantschneide oder eine Hartmetallschneide, über die glatte Oberfläche des Werkstückes gezogen und schabt dieses Material aus dem Werkstück. Dies ermöglicht besonders vorteilhaft die Herstellung von rillenförmigen Strukturen, die über ihre gesamte Länge eine konstante Tiefe, eine gleich bleibende Breite sowie eine konstante Neigung der Flanken aufweisen oder deren Tiefe kontinuierlich ab- oder zunimmt. Des Weiteren ermöglicht das Ritzen bzw. Drehen mit der Diamantschneide die Produktion von optischen und mikrooptischen Strukturen.
Derartige mikrooptische Strukturen sind beispielsweise Zylinder- oder Lentikularlinsen, geblazte Gitterstrukturen, diffraktive Gitterstrukturen, Hologramme, Mikrolinsenstrukturen, fresnellinsenartige Strukturen sowie sogenannte Moiré-Vergrößerungsanordnungen, wie sie für Moiré-Strukturen benötigt werden. Diese Strukturen weisen besonders bevorzugt eine sehr glatte Oberfläche ohne Frässpuren auf, die Rautiefe liegt in Bereich weniger Nanometer.
Sollen zylinderförmige Linsenstrukturen im Werkstück erzeugt werden, hat die Spitze des Ritzmoduls eine sphärische Form. Sollen Beugungsstrukturen im Werkstück erzeugt werden, hat die Spitze des Ritzmoduls eine konische Form.
Grundsätzlich muss die Schneide des Ritzmoduls senkrecht zur Bewegungsrichtung des Werkstückes ausgerichtet sein. Mit fest stehendem Werkzeug können deshalb Gräben oder Strukturen in y-Richtung erzeugt werden. Wird das Ritzmodul um seine Längsachse um den Mittelpunkt der Schneide gedreht, können auch Gräben oder Strukturen in beliebigen Richtungen erzeugt werden, so dass beliebige, freie Linienverläufe erzeugt werden können.
Bearbeitet wird bevorzugt mit mindestens zwei Bearbeitungsmodulen gleichzeitig, womit die Bearbeitungszeit für eine ganze Platte halbiert werden kann.
Zusätzlich kann an mindestens einer Seite des zylindrischen Körpers mindestens ein Werkzeugwechselsystem angebracht sein. Das Werkzeugwechselsystem besteht bevorzugt aus etwa 60 radial an einem Ring angebrachten Steckplätzen, die die verschiedenen Bearbeitungswerkzeuge sowie weitere Zusatzmodule enthalten.
Für einen Wechsel des Bearbeitungswerkzeuges wird das Werkzeugwechselsystem in die entsprechende Position gedreht, fährt das Bearbeitungsmodul das Werkzeugwechselsystem an und entnimmt das benötigte Bearbeitungswerkzeug aus dem Steckplatz.
Bevorzugt dreht sich das Werkzeugwechselsystem zusammen mit dem zylindrischen Körper. Besonders bevorzugt ist das mindestens eine Werkzeugwechselsystem jedoch von dem zylindrischen Körper abkoppelbar, so dass es sich nicht zusammen mit dem zylindrischen Körper dreht und damit zu einer geringeren mechanischen Beanspruchung für das Werkzeugwechselsystem und die einzelnen Bearbeitungswerkzeuge führt.
Besonderer Vorteil des Werkzeugwechselsystems ist, dass das jeweilige Bearbeitungsmodul mit beliebigen Bearbeitungswerkzeugen bestückt werden kann, so dass abhängig von der zu gravierenden Struktur jeweils das optimale Bearbeitungswerkzeug gewählt werden kann. Des Weiteren können die Bearbeitungswerkzeuge automatisch und innerhalb kürzester Zeit ausgetauscht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform steuert eine Steuereinheit die Bewegungen der Bearbeitungsmodule sowie das Antriebsmodul des zylindrischen Körpers. Die Steuereinheit ist hierbei bevorzugt ein Computer oder eine CNC-Steuerung (CNC: Computerized Numerical Control) mit numerisch zu übermittelnden Steuerungs-Informationen in Anlehnung an die Norm DIN 66025/ISO 6983.
Besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass ein volldigitaler Arbeitsablauf realisiert wird und eine langzeitstabile Mehrnutzenbearbeitung innerhalb einer kurzen Bearbeitungszeit, beispielsweise innerhalb von etwa einer Woche, möglich ist.
Weiterer Vorteil ist, dass der Maschinenaufbau nicht zu massig ist, eine sehr hohe Dynamik erbringt und eine Kombination aller bestehenden Verfahren zur Mikrostrukturierung von Stichtiefdruck-Originalen zulässt.
An der erfindungsgemäßen Vorrichtung können zusätzlich eines oder mehrere Zusatzmodule angebracht werden. Beispielsweise sitzt auf einem der beiden Schlitten in einer eigenen Führung in z-Richtung ein Messmikroskop, mit dem Gravuren auf der Maschine vermessen werden. Hauptanwendung ist dabei die Vermessung des Probeschnitts, mit dem die Rundlauftoleranz der Werkzeuge aufgenommen und kompensiert wird.
Als weiteres Zusatzmodul kann auf einem der beiden Schlitten entweder in einer eigenen Führung in z-Richtung oder der Führung des Messmikroskops ein 3D-Abstandssensor angeordnet werden, mit dem das Höhenprofil der Gravuren vermessen werden kann. Es wird z.B. ein konfokaler chromatischer Sensor mit sehr feinem Messpunkt (ca. 1 µm bis 2µm Durchmesser) verwendet. Es können jedoch auch beliebige andere Messprinzipien zur Topologievermessung angewendet werden.
Hauptanwendungsgebiet dieses 3D-Abstandssensors ist die Stichprobenprüfung der Gravuren direkt auf der Maschine. Durch Aufnahme einer Vielzahl von Messlinien, die jeweils um den Messabstand versetzt sind, kann innerhalb eines Rechtecks ein 3D-Relief aufgenommen und ausgewertet werden. Es ist aber auch möglich, nur einzelne Höhenlinien, d.h. die z-Koordinaten entlang einer Linie zu messen. Dies könnte auch als Alternative zur Vermessung des Probeschnitts und Ermittlung des Rundlauffehlers eingesetzt werden.
Wird als Messmikroskop ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop verwendet, mit dem nicht nur zweidimensionale, sondern bevorzugt dreidimensionale Strukturen vermessen werden können, ist kein zusätzlicher 3D-Abstandssensor erforderlich.
Eine Protokollierung von Temperaturen und anderer Maschinenparameter erfolgt entsprechend der Druckschrift EP 1578604 A2 , deren Offenbarung diesbezüglich vollumfänglich aufgenommen wird.
Zusätzlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine oder mehrere der folgenden Sonderfunktionen auf:

Antasten der Werkstückoberfläche / Bestimmung der Werkzeuglänge

Ein mechanisches Fräsmodul besteht bevorzugt aus einer Frässpindel, in die ein Fräs- bzw. Gravierwerkzeug, im Folgenden abkürzend als Fräswerkzeug bezeichnet, eingespannt ist. Das Fräswerkzeug, dessen Spitze einen Durchmesser von etwa 10 Mikrometer aufweist, dreht sich um die eigene Achse vorzugsweise mit 100.000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute oder mehr und ist für das Gravieren oder Fräsen von 1 bis 2 Nutzen verwendbar. Anschließend ist das Fräswerkzeug verschlissen und muss gewechselt werden. Hierbei fährt das Bearbeitungsmodul zu dem jeweiligen Werkzeugwechselsystem und tauscht dort das verschlissene Fräswerkzeug durch ein neuwertiges aus. Vor dem folgenden Graviervorgang muss jedoch zunächst die genaue Position der Spitze des neuwertigen Fräswerkzeugs ermittelt werden.
Hierfür beobachtet eine Kamera mit nachfolgender digitaler Bildverarbeitung das Fräswerkzeug, das solange an das Werkstück herangefahren wird bis es die Oberfläche des Werkstückes gerade einritzt, d.h. die die Oberfläche des Werkstückes wird angetastet. Die Kamera bzw. die nachfolgende digitale Bildverarbeitung detektiert diesen Zeitpunkt und ermittelt aus der zugehörigen Position des Bearbeitungsmoduls die Position und die Länge der Spitze des neuwertigen Fräswerkzeugs mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 Mikrometer.
Alternativ zu dieser Vorgehensweise kann auch die Position der Werkzeugspitze mit einem optischen System mit einer Genauigkeit im Bereich von 10 µm vermessen werden. Mit diesen Messwerten wird die Position der Werkzeugspitze vorläufig festgelegt und eine Probegravur durchgeführt. Die Tiefe der Probegravur wird anschließend vermessen, beispielsweise mit einem konfokalen Mikroskop, und die Position der Werkzeugspitze mit der Differenz zwischen Soll- und Ist-Tiefe der Probegravur korrigiert.

Werkzeug Rundlaufkorrektur

Des Weiteren weicht bei dem sich um die eigene Achse drehenden Fräswerkzeug die Drehachse grundsätzlich geringfügig von seiner vorgegebenen Symmetrieachse ab. Ist die Spitze des Fräswerkzeugs konisch geformt, bedeutet dies, dass die Spitze eine kreisförmige Bewegung mit einem Durchmesser von üblicherweise 1 Mikrometer bis 6 Mikrometer durchführt. Zur Korrektur dieser Abweichung des Rundlaufes des Fräswerkzeugs wird in einem Bereich des Werkstückes, in dem keine Gravur eines Nutzens erfolgt, eine Testgravur bzw. ein Probeschnitt durchgeführt. Mit einem 3D-Sensor oder einem Messmikroskop wird die Breite dieser Testgravur bzw. des Probeschnittes ermittelt. Bei einer konisch geformten Spitze des Fräswerkzeugs kann durch geringfügige Anpassung der Gravurtiefe durch einen Offsetwert der Rundlauffehler korrigiert werden, so dass die gewünschten Gravurbreiten entstehen.

Werkstückvermessung / Kompensation der Werkstückwelligkeit in z-Richtung

Eine Vermessung des Werkstückes und eine Kompensation der Werkstückwelligkeit in z-Richtung erfolgt entsprechend der Druckschrift EP-1578604-A2 , deren Offenbarung diesbezüglich vollumfänglich aufgenommen wird.

Trapezförmige Verzerrung der Gravur durch Kompensationstabellen

Durch das Anpressen des zu bedruckenden und/oder zu prägenden Papiers an die Druckplatte ist das erzielte Druckbild in x-Richtung, d.h. quer zur Druckrichtung, trapezförmig verzerrt bzw. ausgewalkt. Zur Kompensation dieser trapezförmigen Verzerrung ist in der Datenverarbeitungsanlage, die das Bearbeitungsmodul und das Bearbeitungswerkzeug steuert, ein Korrekturwert als Funktion der y-Richtung, d.h. der Querrichtung zur Druckrichtung, abgespeichert. Dieser Korrekturwert ist so ausgelegt, dass in der Mitte der Druckplatte keine Korrektur erfolgt und der Korrekturwert von der Mitte ausgehend in x-Richtung stetig zunimmt oder abnimmt. Damit wird die in das Werkstück bzw. die davon abgeformte Druckplatte eingebrachte Struktur umgekehrt zu der zu erwartenden Verzerrung des Druckbildes verzerrt, so dass das resultierende Druckbild im Wesentlichen unverzerrt ist.

Kompensation der Werkstückwelligkeit

Eine Schwankung oder Änderung des Durchmessers des zylindrischen Körpers bedeutet in Umfangrichtung eine Welligkeit des Werkstückes in y-Richtung, die sich grundsätzlich nicht vollständig ausschließen lässt. Zur Kompensation dieser Welligkeit des Werkstückes in z-Richtung wird der zylindrische Körper gedreht und der Umfang des Werkstückes ermittelt. Je größer der ermittelte Umfang des Werkstückes ist, desto größer ist auch der Durchmesser des zylindrischen Körpers und kann gleichzeitig für die x-Achsen beider Bearbeitungsmodule korrigiert werden. Für beide Bearbeitungsmodule wird hierbei der mittlere Durchmesser des zylindrischen Körpers zugrunde gelegt.

Kompensation der Welligkeit der Führung des Bearbeitungsmoduls in x-Richtung

Des Weiteren weist die Führung des Bearbeitungsmoduls eine Welligkeit in x-Richtung auf, die insbesondere durch Toleranzen bei der Montage der hydrostatischen Lager auftritt. Diese Welligkeit wird durch eine Korrektur der Höhe der Bearbeitungsmodule, d.h. durch eine Verschiebung der Bearbeitungsmodule in y-Richtung erreicht. Die Korrektur erfolgt hierbei statisch durch Unterlegscheiben oder dynamisch durch Piezo-Elemente zwischen dem Schlitten für die z-Richtung und dem Bearbeitungsmodul. Besonderer Vorteil der Piezo-Elemente ist, dass das Bearbeitungsmodul unterschiedlich weit angehoben wird und dabei die Welligkeit für jede beliebige Position in x-Richtung dynamisch kompensiert wird.
Anhand der nachfolgenden Beispiele und der ergänzenden Figur werden die Vorteile der Erfindung und verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Im Einzelnen zeigt schematisch:

Fig. 1: den Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Arbeitsoriginalen oder Stichtiefdruckplatten.

Der besseren Verständlichkeit wegen sind die in den folgenden Beispielen beschriebenen Ausführungsformen auf die wesentlichen Kerninformationen reduziert sowie die Darstellungen in der Figur stark schematisiert und spiegeln nicht die realen Gegebenheiten wider. Vor allem entsprechen die in den Figuren gezeigten Proportionen nicht den in der Realität vorliegenden Verhältnissen und dienen ausschließlich zur Verbesserung der Anschaulichkeit. Bei der praktischen Umsetzung können wesentlich komplexere Muster oder Bilder auf der Oberfläche der Mehrnutzen zur Anwendung kommen. Die in den folgenden Beispielen dargestellten Informationen können ebenfalls durch beliebig aufwendige Bild- oder Textinformationen ersetzt werden.
Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen dar, auf die jedoch die Erfindung in keinerlei Weise beschränkt sein soll. Insbesondere sind die verschiedenen Ausführungsbeispiele auch nicht auf die Verwendung in der beschriebenen Form beschränkt, sondern können zur Erhöhung der Effekte auch untereinander kombiniert werden.
Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Körper 1, der mit Vakuumkanälen zum Ansaugen von zwei Werkstücken ausgestattet ist (nicht gezeigt). Die Vakuumzuführung ist innen verschlaucht, damit nicht der gesamte zylindrische Körper 1 unter Vakuum steht und so keine Durchbiegung in Längsrichtung entstehen kann. Der zylindrische Körper 1 besteht aus Edelstahl, insbesondere Invar, um möglichst geringe Wärmeausdehnungsfehler zu erzeugen, möglichst wenig Masse zu erzeugen und genügend Festigkeit bei geringer Wandstärke zu erreichen. Alternativ kann der zylindrische Körper 1 auch aus Kunststoff, wie CFK-Material, oder aus Granit gefertigt werden. Bei CFK ist zwar die Masse geringer als bei Edelstahl, jedoch sind Wärmeausdehnung, Langzeitstabilität und Festigkeit schwieriger zu kontrollieren.
Die Längsrichtung entlang des zylindrischen Körpers 1 wird als x-Richtung, die vertikale Richtung in Umfangrichtung des zylindrischen Körpers als y-Richtung und die horizontale Richtung als z-Richtung bezeichnet.
Die Temperatur im zylindrischen Körper 1 wird mit einem Funkmodul kontaktlos überwacht. Hierbei sind hydrostatische Lager 2 so ausgelegt, dass sie einen etwaigen Wärmeeintrag aus den Motoren mit dem temperierten Lageröl abtransportieren können.
Zwei Antriebsmodule 3 in Form von Elektromotoren, bevorzugt Langsamläufer oder Torque-Motoren, treiben den zylindrischen Körper 1 von beiden Seiten her an. Beide Elektromotoren werden wassergekühlt. Auch der Magnetring jedes Elektromotors wird über eine Zwischenplatte wassergekühlt, damit möglichst wenig Wärmeeintrag in die hydrostatischen Lager 2 bzw. den zylindrischen Körper transportiert wird. Als zusätzliche Wärmebarriere befindet sich eine Keramikscheibe auf der Achse zwischen den Elektromotoren und den hydrostatischen Lagern 2.
Alternativ können die Antriebsmodule auch zwischen dem zylindrischen Körper 1 und den hydrostatischen Lagern 2 angeordnet sein. In diesem Fall ist jedoch besonders auf die effektive Abführung von Wärme zu achten, beispielsweise durch ein mehrstufiges Kühlsystem. Die Keramikscheibe befindet sich in diesem Fall zwischen dem Elektromotor und dem zylindrischen Körper 1.
Die gesamte Vorrichtung ist auf einem Fundament in Form eines Basisgranits 4 befestigt, das wiederum auf aktiven Luftfedern gelagert ist. Der Basisgranit 4 stellt hierbei die vibrations- und verformungsarme Grundplattform der Vorrichtung dar, so dass insbesondere Schwingungen aus der Umgebung nicht in die Vorrichtung eindringen können.
Im Basisgranit ist eine Führung 4.1 für eine Bewegung des Schlittens 5 des Bearbeitungsmoduls 7 in x-Richtung integriert. Der Vorschub des Trägers 5 in der Führung 4.1 erfolgt mittels Linearmotoren.
In Fig. 1 sind zwei Bearbeitungsmodule dargestellt, die Vorrichtung kann aber auch ohne großen Aufwand mit einer größeren Anzahl von Bearbeitungsmodulen ausgestattet werden, deren Linearmotoren der x-Richtung dieselbe Magnetbahn benutzen.
Auf jedem Schlitten 5 ist eine hydrostatisch gelagerte Führung 5.1 für eine Bewegung mindesten eines Schlittens 6 des Bearbeitungsmoduls 7 in z-Richtung integriert. Hierbei wird Öl aus Drucktaschen mit hohem Druck gegen die Lauffläche gepumpt, so dass ein dünner Ölfilm mit wenigen Mikrometern Dicke entsteht, auf dem die Achse berührungslos gleitet. Bevorzugt werden weitere Schlitten mit weniger aufwendiger Lagerung beispielsweise für die Zustellung von Messsystemen integriert.
An beiden Enden des zylindrischen Körpers 1 sind Werkzeugwechselsysteme 8 angebracht. Das Werkzeugmagazin eines Werkzeugwechselsystems 8 besteht aus etwa 60 radial an einem Ring angebrachten Steckplätzen. Es dreht sich zusammen mit dem zylindrischen Körper 1, sodass entsprechend dem Drehwinkel ein bestimmtes Werkzeug eingewechselt werden kann. Es ist auch möglich, das Werkzeugwechselsystem 8 von dem zylindrischen Körper 1 abzukoppeln, damit es während der Bearbeitung nicht mitläuft.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken für die Erzeugung von Stichtiefdruckplatten oder zur Herstellung einer Stichtiefdruckplatte, wobei die Vorrichtung zumindest folgende Komponenten aufweist
- einen zylindrischen Körper, auf dem zumindest ein zu bearbeitendes Werkstück befestigt werden kann,

- mindestens ein Bearbeitungsmodul, das zumindest Teilbereiche des Werkstückes abtragen kann,

- wobei das mindestens eine Bearbeitungsmodul mindestens eines der Bearbeitungswerkzeuge aus der Gruppe mechanisches Fräsmodul zur mechanischen Gravur oder Lasermodul zur Lasergravur oder Ritzmodul zum Ritzen bzw. Drehen aufweist,
gekennzeichnet durch

- zumindest ein Antriebsmodul, das den zylindrischen Körper um seine Rotationsachse vor- und zurückdreht.
Vorrichtung zur Herstellung von Mehrnutzen-Stichtiefdruckplatten, wobei die Vorrichtung zumindest folgende Komponenten aufweist
- einen zylindrischen Körper, auf dem zumindest ein Arbeitsoriginal befestigt sein kann,

- ein erstes Bearbeitungsmodul, das zumindest Teilbereiche des Werkstückes abtragen kann,

- mindestens ein zweites Bearbeitungsmodul, das zumindest Teilbereiche des Werkstückes abtragen kann,

- wobei sowohl das erste als auch das zweite Bearbeitungsmodul mindestens eines der Bearbeitungswerkzeuge aus der Gruppe mechanisches Fräsmodul zur mechanischen Gravur oder Lasermodul zur Lasergravur oder Ritzmodul zum Ritzen bzw. Drehen aufweist, gekennzeichnet durch

- zumindest ein Antriebsmodul, das den zylindrischen Körper um seine Rotationsachse vor- und zurückdreht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bearbeitungsmodul auf einem Schlitten angeordnet ist, der das Bearbeitungsmodul entlang der Rotationsachse des zylindrischen Körpers bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bearbeitungsmodul auf einem ersten und einem zweiten Schlitten angeordnet ist und
- der erste Schlitten das Bearbeitungsmodul radial auf den zylindrischen Körper zu oder weg bewegt,

- der zweite Schlitten das Bearbeitungsmodul entlang der Rotationsachse des zylindrischen Körpers bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem ersten Schlitten mindestens ein Bearbeitungsmodul und auf dem zweiten Schlitten mindestens ein weiteres Bearbeitungsmodul angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Bearbeitungsmodul auf dem ersten Schlitten und der erste Schlitten wiederum auf dem zweiten Schlitten angeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitten durch Linearmotoren, Spindeln, Riemen oder Seilzüge bewegt werden können.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmodul den zylindrischen Körper abhängig von der zu bearbeitenden Kontur um seine Rotationsachse vorund zurückdreht und Zwischenwerte entsprechend interpoliert.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Körper eine Walze mit kreisförmiger Grundfläche ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke gebogen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei halbkreisförmig gebogene Werkstücke auf der Oberfläche des zylindrischen Körpers angebracht sind, so dass die beiden Werkstücke den Umfang des zylindrischen Körpers nahezu vollständig bedecken.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke durch eine Unterdruckvorrichtung auf der Oberfläche des zylindrischen Körpers gehalten werden.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück eine Originalplatte oder ein Arbeitsoriginal oder eine Zwischenform oder eine Stichtiefdruckplatte ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Werkstück optische Strukturen wie beispielsweise Zylinder- oder Lentikularlinsen oder mikrooptische Strukturen wie beispielsweise geblazte Gitterstrukturen, diffraktive Gitterstrukturen, Hologramme, Mikrolinsenstrukturen, fresnellinsenartige Strukturen oder sogenannte Moire-Vergrößerungsanordnungen bzw. die entsprechenden Negativformen erzeugt werden.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bearbeitungswerkzeug ein Fräsmodul mit einer Hochfrequenz-Spindel umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräsmodul zusätzlich ein Minimalmengen Schmier-/ Kühlsystem, eine Beobachtungskamera, eine Absaugung und verschiedene Sensoren umfasst.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug ein Lasermodul mit einer Festoptik oder ein Galvo-Scanner umfasst, der den Laserstrahl auf das Werkstück lenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachführung einer Fokuslage des Laserstrahls abhängig von der gemessenen Werkstückwelligkeit über eine Verstellung bzw. Fokusverstellung in radialer Richtung auf den zylindrischen Körper zu oder weg erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug ein Ritzmodul wie beispielsweise eine Diamantschneide oder Hartmetallschneide zum Ritzen bzw. Drehen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzmodul um seine Längsachse um den Mittelpunkt der Diamantschneide oder Hartmetallschneide drehbar gelagert ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Seite des zylindrischen Körpers mindestens ein Werkzeugwechselsystem angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mindestens eine Werkzeugwechselsystem zusammen mit dem zylindrischen Körper dreht.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Werkzeugwechselsystem von dem zylindrischen Körper abkoppelbar ist, so dass es sich nicht immer zusammen mit dem zylindrischen Körper dreht.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 23 dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Werkzeugwechselsystem jeweils aus etwa 60 radial an einem Ring angebrachten Steckplätzen besteht.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Computer oder eine CNC-Steuerung die Bewegungen der Bearbeitungsmodule sowie das Antriebsmodul des zylindrischen Körpers steuert.
Verfahren zur Herstellung von Werkstücken für die Erzeugung von Stichtiefdruckplatten oder zur Herstellung einer Stichtiefdruckplatte, dadurch gekennzeichnet dass
a.) auf einem zylindrischen Körper zumindest ein zu bearbeitendes Werkstück befestigt wird,

b.) der zylindrische Körper um seine Rotationsachse vor- und zurückgedreht wird,

c.) zumindest Teilbereiche des Werkstückes durch mindestens ein Bearbeitungsmodul abtragen werden.
Verfahren nach Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen der Bearbeitungsmodule sowie des zylindrischen Körpers durch eine Steuereinheit gesteuert werden.