Zylinderlagerung im Offsetdruck: Gleitlager versus Wälzlager

In einer Bogenoffsetmaschine tragen der Plattenzylinder, der Gummituchzylinder und der Gegendruckzylinder das Bild, übertragen die Farbe und pressen den Bogen gegen das Gummituch. Wie diese Zylinder an beiden Enden gelagert sind, entscheidet darüber, ob der Druckdruck von einer Bogenseite zur anderen gleichmäßig bleibt, und sie bestimmt auch die Obergrenze der Laufgeschwindigkeit. Über den größten Teil des zwanzigsten Jahrhunderts war die Standardlösung ein einfaches Gleitlager. Nahezu jede heute verkaufte neue Maschine verwendet stattdessen ein Wälzlager. Der Wechsel kam aus dem umgebenden Maschinenbau, nicht aus einem einzelnen genialen Bauteil.

Was Gleitlager gut konnten

Bei niedrigen und mittleren Laufgeschwindigkeiten drehten sich die Zylinderzapfen in Gleitlagern. Die Bauform hat ein großes Längen-Durchmesser-Verhältnis und arbeitet über geringe Paarungskontaktfläche, sodass der Ölfilm Stöße dämpft und der Antrieb ruhig läuft. Die lange Kontaktlinie versteift den Zylinder, die Durchbiegung unter Druckdruck sinkt, und der Druck bleibt entlang der Achse gleichmäßig. Ein Gleitlager ist zudem leicht zu fertigen, leicht zu montieren und leicht zu warten. Bei den damaligen Geschwindigkeiten der Maschinen erfüllte es alle Prozessanforderungen, weshalb es so weit verbreitet war.

Die Geschwindigkeitsgrenze

Ab den 1980er-Jahren begannen die Maschinenbauer, die Leistung zu steigern, und die Geschwindigkeit war der erste Hebel. Das Gleitlager widersetzte sich. Sein Reibungskoeffizient ist hoch, die Kontaktfläche des Zapfens groß, das Spiel im Reibpaar klein und die Wärme wird schlecht abgeführt, sodass eine mäßige Geschwindigkeitssteigerung die Gefahr des Fressens der Welle in der Buchse mit sich bringt. Vergrößert man das Spiel, um das Fressen zu vermeiden, verliert das Gestell an Steifigkeit, die Übertragungsgenauigkeit sinkt und auf dem Bogen erscheinen Farbstreifen. Damit war das Gleitlager der Engpass, und die Aufmerksamkeit verlagerte sich auf Wälzkörper. Ein besserer Maschinenentwurf und eine bessere Fertigung hatten die Hindernisse inzwischen beseitigt. Ein Wälzlager hat ein kleines Längen-Durchmesser-Verhältnis und wandelt geringen Paarungskontakt in hohen Paarungskontakt um, was die Steifigkeit wiederherstellt, die der Zylinderkörper unter Drucklast verliert.

Warum die Hersteller zögerten, und was sich änderte

Der alte Einwand war die Durchbiegung. Unter hohem Druckdruck verbiegt sich ein Zylinder, seine Durchbiegungskurve senkt sich, die Zylindermitte hält weniger Druck als die Enden, Punkte und Schrift drucken in der Mitte schwach und der Bogen verfehlt die Norm. Die Finite-Elemente-Analyse änderte die Berechnung. Konstrukteure optimieren heute die Zylinderstruktur und ihren Innenhohlraum, verteilen Rippen und Stegbleche nach Anzahl, Form und Querschnittsgröße, sodass die Gesamtsteifigkeit steigt und die Durchbiegung unter Last im zulässigen Bereich bleibt.

Die Zylinderfertigung verbesserte sich im selben Zeitraum. Werkstoff und Härte werden heute über Schmelzen, Gießen und Wärmebehandlung gesteuert. Ein Druckzylinder muss zudem die dynamische Genauigkeit einhalten, und die Genauigkeit nach Ermüdung und Kriechen, nicht nur die statische Genauigkeit und Steifigkeit. Die dynamische Genauigkeit hängt davon ab, wie die Masse verteilt ist, sowie vom metallurgischen Gefüge und der chemischen Zusammensetzung des Metalls. Der Rundlauf wird bei nahezu stillstehendem Zylinder gemessen, doch bei Laufgeschwindigkeit weicht der Fehler ab, weil Massenverteilung und Kornstruktur nie vollkommen gleichmäßig sind.

Auch die Lagerbereitstellung ist ausgereift. Auswahl, Anpassung, Montage und Prüfung sind heute Routine, und hochpräzise Lager sind aus in- und ausländischen Quellen ohne technische Hürde verfügbar. Die angrenzenden Teile wurden entsprechend verbessert. Die Genauigkeit der Zylinderräder erreicht in der kinematischen Gruppe und in der Laufruhegruppe die Qualitätsstufe vier oder besser, dieselbe Klasse wie bei Flugzeugzahnrädern. Rahmenbohrungen und Stirnflächen werden in einer einzigen Aufspannung auf einem CNC-Bohr- und Fräswerk bearbeitet, sodass Maße, Formtoleranz und Oberflächenrauheit die überbestimmte Rahmenstruktur erfüllen. Mit diesen verbesserten Teilen laufen die Pressen gleichmäßiger, die Schwingungsquellen nehmen ab, und das Zylindersystem benötigt weniger Schwingungsdämpfung. Heidelberg, Mitsubishi, Komori und KBA setzen Wälzlagerungen serienmäßig ein, und die im Ausland gesammelten Erfahrungen geben inländischen Herstellern eine klare Orientierung.

Derzeit eingesetzte Lagertypen

Die erste Entscheidung betrifft die zu montierende Lagerstruktur, und die Hersteller beantworten sie unterschiedlich.

• Heidelberg bevorzugt Nadellager, wobei das Betriebsspiel bei der Montage durch Vermessen der Nadeln und Einbau in abgestimmten Gruppen eingestellt wird.
• Roland setzt auf mehrreihige kurze zylindrische Massivrollenlager in Kombination mit Axiallagern, wobei Radial- und Axiallast getrennt eingestellt werden. Der Lagerhersteller garantiert das Betriebsspiel, und die Genauigkeitsanforderung ist hoch.
• Mitsubishi verwendet Kegelrollenlager, die Radial- und Axiallast gemeinsam in einem einfacheren Aufbau tragen, wobei das Spiel bei der Montage eingestellt wird und höhere Anforderungen an die Montagefertigkeit bestehen.
• Einige inländische Hersteller montieren hohlzylindrische Rollenlager nach einem US-Patent, die mit hoher Vorspannung und leichter Pressung laufen.

Alle diese Anordnungen dienen einer Offsetpresse. Jede hat ihren eigenen Charakter, und theoretisch kann jede von ihnen einen Zylinder lagern. Die Wahl folgt der Konstruktionsfähigkeit und dem Prozessniveau des Herstellers, dem Verständnis des technischen Teams für jeden Lagertyp und dem Zustand des Werks, sodass objektive Grenzen und technische Beurteilung am selben Punkt zusammenkommen. Bei allen Optionen ist die Spielkontrolle das gemeinsame Anliegen.

Vorspannung und Betriebsspiel

Das zweite technische Problem ist die Vorspannung. Das Spiel zwischen dem Lagerpaar muss eingestellt werden, um die Systemsteifigkeit zu erhöhen, und das nach der Vorspannung bei der Installation verbleibende Spiel entscheidet sowohl über die endgültige Druckqualität als auch über die Maschinenlebensdauer. Um die Steifigkeit zu erhöhen und Geräusche zu senken, sollte ein Wälzlager mit negativem Betriebsspiel laufen.

Theorie und Werkstattpraxis stimmen beim Ziel überein. Die Ermüdungslebensdauer ist am längsten, wenn das Betriebsspiel bei etwa -10 μm liegt. Wird der negative Wert weiter erhöht, sinkt die Ermüdungslebensdauer stark. Wenn die Lagertemperatur stark ansteigt, macht die Wärmeausdehnung das effektive Spiel negativer als den auf der Werkbank eingestellten Wert, daher sollte die Montage einen Ausgleich für diese Verschiebung vorsehen.