Zugkraftregelung im Tiefdruck: Zonen, Rückführung und Registerhaltung

Die Zugkraftregelung im Tiefdruck ist vor allem bei Rollendruckmaschinen von Bedeutung. Im Bogentiefdruck gibt es kein Zugkraftproblem, da jeder Bogen von Greifern gehalten und von Vorder- und Seitenmarken ausgerichtet wird, während die Maschine im Druckmoment stillsteht. Der Rotationstiefdruck arbeitet anders. Das Substrat läuft mit gleichmäßiger Geschwindigkeit, während Gummidruckwalzen mit angepasster Geschwindigkeit Druck ausüben, und die beiden Bewegungen ergeben zusammen einen effektiv statischen Zustand zwischen Druckform und Bahn. Die Mehrfarbenregisterhaltung hängt daher vor allem von einer Voraussetzung ab: einer Bahn, die mit stabiler Zugkraft vom Abwickler bis zum Aufwickler gleichmäßig voranschreitet.

Zugkraftzonen und ihre jeweiligen Aufgaben

Tiefdruckmaschinen unterteilen die Zugkraftregelung üblicherweise in vier Zonen: Abwicklung, Einzug, Auszug und Aufwicklung. Angetriebene Gummiwalzen trennen die Zonen. Die Druckzone erstreckt sich von der Einzugswalze bis zur Auszugswalze, und dort wird konstante Zugkraft gefordert, da nur ein konstanter Wert die Registerhaltung gewährleisten kann. Die Zugkraft an der Abwicklung dient der Druckzone. Der Abwickler muss die Rolle freigeben und unabhängig vom Rollendurchmesser eine gleichmäßige Zugkraft liefern, denn jede Schwankung an der Abwicklung pflanzt sich in die Druckzone fort und zeigt sich als Registerfehler. Die Aufwicklung arbeitet unter geringeren Anforderungen, da zu diesem Zeitpunkt alle Farbwerke bereits gedruckt haben. Je nach Qualitätsziel kann der Aufwickler mit konstanter oder variabler Zugkraft laufen, wobei das bekannte Taper-Tension-Muster zur zweiten Gruppe gehört. Variable Aufwickelzugkraft kann das letzte Farbwerk stören, daher fügen Maschinen eine angetriebene Gummiwalze ein, um die beiden Bereiche zu trennen. Die Druckzone bleibt dann bei konstanter Zugkraft, während die Aufwicklung abnimmt. Die Segmentierung der Regelung bei gleichzeitiger Koordination des Ganzen ist der zentrale Gedanke im Bahnzug-Design jeder Rotationsdruckmaschine, auch im Tiefdruck.

Zugkraftmessung und Rückführung

Jede Zone verfügt üblicherweise über eigene Messhardware. Kraftmesswalzen aus Dehnungsmessstreifen oder kapazitiven Elementen messen die Zugkraft direkt. Schwimmende Walzen mit Potentiometern messen stattdessen die Position und verfolgen, wo sich die Bahn im Walzenweg befindet. Die beiden Ansätze erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Kraftmesswalzen reagieren schnell, können jedoch Instabilitäten, die von der Rolle selbst ausgehen, wie unrunde Wickel, nur schwer korrigieren. Positionsregler messen die Zugkraft überhaupt nicht, halten die Bahn aber an einem stabilen Punkt im Weg der schwimmenden Walze und halten so die Zugkraft konstant. Diese Fähigkeit, die durch schlechte eingehende Rollen verursachten Schwankungen zu dämpfen, kann eine Kraftmesswalze nicht bieten.

Zugkraftaktoren

Übliche Aktoren sind elektromagnetische und Magnetpulver-Kupplungen oder -Bremsen, pneumatische Kupplungen und Bremsen sowie Servomotoren. Ältere getriebegetriebene Linien verwenden auch kleine Stellmotoren an einem 360-Grad-Getriebe. Die Regelungstheorie ordnet diese in verschiedene Klassen ein. Eine Kupplung oder Bremse verhält sich wie ein lineares Element erster Ordnung, aber der lineare Abschnitt nimmt nur einen Teil ihrer Kennlinie ein; die oberen und unteren Enden bleiben quasi-linear, sodass diese Aktorart stets eine gewisse Einschränkung mit sich bringt. Ein Servomotor ist ein Element zweiter Ordnung und kann nach aktueller Regelungstheorie sowohl auf Stabilität als auch auf Folgen genauigkeit abgestimmt werden. Deshalb treiben fortschrittliche Zugkraftsysteme die Bahn direkt mit Servomotoren an.

Kompensation des Geschwindigkeitsverlusts über die Bahn

Drei Faktoren verringern die mechanische Synchronisationsgeschwindigkeit: der über die gesamte Bahnbreite wirkende Anpressdruck, die Reibung an den Kontaktstellen zwischen Bedruckstoff und Führungswalzen sowie der Widerstand durch schwergängige Walzenlager. Der Anpressdruck der Gummiwalze an jeder Farbstation überwiegt, und von allen Druckverfahren wendet der Tiefdruck den höchsten Druck beim Übertragen an. Walzenhärte und Anpressdruck werden auf den Bedruckstoff abgestimmt. Folie verwendet üblicherweise eine Walze mit 65 bis 70 Shore-Härte bei 900 kg/m Flächendruck. Papier verwendet 70 bis 80 Shore bei 1800 kg/m. Karton verwendet 80 bis 90 Shore bei 4500 kg/m. Eine weichere Walze unter höherem Druck verursacht einen größeren Geschwindigkeitsverlust.

Die herkömmliche Lösung vergrößert den Durchmesser der Druckformwalze an jeder Station. Da die Umfangsgeschwindigkeit gleich 2πrn ist, kann eine Maschine die Geschwindigkeit der Druckformwalze entweder durch Änderung der Drehzahl n korrigieren, was servogesteuerte Tiefdruckmaschinen tun, oder durch Änderung des Walzendurchmessers, die Methode, die über zwanzig Jahre lang verwendet wurde. Durchmessererhöhungen von 0,02 bis 0,03 mm, gelegentlich 0,04 mm, stammen aus gesammelter Erfahrung und nicht aus einer präzisen Berechnung. Bedruckstoffe unterscheiden sich, Druckbreiten unterscheiden sich, und damit unterscheidet sich auch der Geschwindigkeitsverlust, was bedeutet, dass auch der ideale Kompensationswert unterschiedlich sein müsste. Eine feste Erhöhung ist bestenfalls eine Näherung.

Als inländische Maschinenbauer Servo-Tiefdruckmaschinen entwickelten, erwarteten sie, die Durchmessererhöhung aufgeben zu können, mit der Begründung, dass die Servodrehzahleinstellung den Versatz im Voraus auffangen könne. Die Praxis an der Maschine bewies das Gegenteil. Selbst mit servoseitiger Drehzahlanpassung pro Station ergab die Beibehaltung der Durchmessererhöhung eine bessere Registerhaltung als deren Weglassen. Servosysteme kompensieren den Synchronisationsverlust auch heute noch weitgehend über Erfahrung und nicht über ein tatsächlich berechnetes Modell.

Registerhaltung beruht auf stabiler Zugkraft

Die Registerregelung an einer Tiefdruckmaschine funktioniert nur, wenn die Zugkraftregelung bereits stabil ist. Sobald die vier vorgenannten Probleme weitgehend gelöst sind, wird ein präzises Register möglich. Auch die Registerhaltung wird weithin missverstanden. An Servomaschinen verweisen Beteiligte auf die Encoder-Auflösung in Millionen von Zählschritten pro Sekunde und nehmen an, das Register sei damit garantiert. In der Praxis verfolgt der Rechner nicht die Passermarke selbst. Er verfolgt den Trend der Bewegung dieser Marke, ähnlich wie ein Schütze ein bewegtes Ziel vorhält, statt auf die Stelle zu zielen, an der das Ziel gerade steht. Der Trend ist die Voraussetzung für das Register. Verlieren Sie die Kontrolle darüber, wie sich die gedruckte Marke über die Bahn bewegt, hält selbst ein Encoder mit vier Millionen Zählschritten den Fehler nicht innerhalb der Toleranz.

Verformung der Bahn

Servoantriebe können den Geschwindigkeitsverlust während des Laufs kompensieren, doch die Verformung des Bedruckstoffs selbst lässt sich weiterhin nicht zuverlässig korrigieren. Folien gleicher Dicke und Breite verhalten sich je nach Polymertyp unterschiedlich. Dieselbe Folie mit 20 µm und mit 40 µm verformt sich unter identischen Trocknungsbedingungen unterschiedlich. Papier mit 5 Prozent Feuchte und Papier mit 8 Prozent Feuchte, gleiche Sorte und gleiche Dicke, weisen ebenfalls unterschiedliche Verformungswerte auf. Der Umgang mit diesen Unterschieden erfordert ein mathematisches Modell, das in die Registersteuerung geladen wird. Ohne diesen Schritt kann eine Tiefdruckmaschine das Register nur schützen, indem sie dickere, dimensionsstabilere Bedruckstoffe wie PET-Folie verarbeitet. In der Werkstatt geben Bediener oft der Druckform oder dem Bedruckstoff die Schuld, wenn die Farbe driftet oder der Registerfehler steigt, und finden dann nichts Konkretes, worauf sie zeigen könnten. Diese Lücke bei der Verformungskompensation ist meist die eigentliche Ursache.