Die technische Bewertung des Farbeindrucks erfolgt durch die Größe „optische Volltondichte“, mit welcher der visuelle Eindruck sowie der subjektive Bewertung durch den Betrachter nachgebildet wird (KIPPHAN 2000, S. 68). Der Farbeindruck lässt sich alternativ über den optischen Farbort definieren, welcher auf der Farb-metrik basiert. Im Folgenden dient als Zielwert die optische Volltondichte, wobei beide Größen ineinander umgerechnet werden können. Der messtechnische Auf-bau und der Messablauf der Dichtemessung sind in DIN 16536 verbindlich defi-niert, was Abbildung 10 stark vereinfacht darstellt. Als Basis dient eine Lichtquelle mit definierter Wellenlängenverteilung. Die auf eine Empfangseinheit auftreffende Lichtmenge I wird ermittelt. Durch den Vergleich der reflektierten Lichtmenge des unbedruckten Bereichs mit der des bedruckten Bereichs lasst sich die wellenlän-genspezifische Lichtabsorption der Farbschicht bestimmen und daraus die sche Dichte berechnen (PAWLOWSKI 2010). Im realen Aufbau sind weitere opti-sche Filter und Komponenten integriert, um die Reproduzierbarkeit und Genauig-keit zu erhöhen.
Abbildung 10: Messung der optischen Volltondichte
(eigene Darstellung in Anlehnung an KIPPHAN 2000)
Die optische Volltondichte berechnet sich wellenlängenspezifisch aus dem Ver-hältnis der reflektierten Lichtmenge IV im vollständig bedruckten Bereich zur Lichtmenge IB des nicht bedruckten Bereichs gemäß Gleichung 2-1 (KIPP-HAN 2000, S. 103).
𝐷𝑣 = 𝑙𝑜𝑔 (𝐼𝐵
𝐼V) 2-1
Es ist zu beachten, dass in beiden Fällen die Reflexion des Lichts größtenteils erst auf dem Papier erfolgt, da es sich um lasierende Druckfarben handelt. Das Licht muss deshalb zwei Mal die Farbschicht der Dicke sD Farb durchqueren. Die in der Farbe enthaltenen Farbpigmente (etwa 15 % der Gesamtfarbmasse nach FET-TER 2009) absorbieren die Lichtstrahlung der korrespondierenden Wellenlängen-bereiche. Die optische Dichte der Farbschicht hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem von der Schichtdicke, von der Pigmentierung der Farbe (hoch- oder nied-rigpigmentiert), von der Oberflächenstruktur und den Bestandteilen des Papiers.
Das Verhältnis von Farbschichtdicke zu resultierender optischer Dichte ist ideali-siert in Abbildung 11 dargestellt.
Unbedruckte Papierbahn
Vollflächig mit Farbe bedrucktes Papier (Druckmarke) Blende
Optik
Farbfilter Polarisator Lichtquelle
IV IB
Abbildung 11: Verhältnis der optischer Volltondichte zur Farbschichtdicke (ei-gene Darstellung nach KIPPHAN 2000, S. 105)
Im praxisrelevanten Bereich der optischen Dichte von 1,2 bis 1,8 kann meist ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen der Farbschichtdicke und der opti-schen Volltondichte angenommen werden. Im linearen Bereich bildet die effektive Farbergiebigkeit FEeff das Verhältnis zwischen der optischen Volltondichte Dv und der Farbschichtdicke sD gemäß Gleichung 2-2 nach.
𝐹𝐸𝑒𝑓𝑓 = 𝐷𝑉
𝑠𝐷 2-2
FEeff beinhaltet alle Einflussfaktoren des Umdrucks und ist implizit in vielen Unter-suchungen enthalten. Für definierte Kombinationen von Verbrauchsmaterialien, Druckbedingungen und weiteren Rahmenbedingungen ist die Berechnung anhand von Versuchsergebnissen möglich. Es ist zu beachten, dass die effektive Farber-giebigkeit FEeff erst im eingeschwungenen Zustand einen konstanten Wert auf-weist. Chargenschwankungen der Verbrauchsmaterialien beeinflussen die Farber-giebigkeit ebenso wie veränderte Produktions-geschwindigkeiten oder Maschi-neneinstellungen (KIPPHAN 2000, S. 106).
Die effektive Farbergiebigkeit ist von vielen Einflussgrößen abhängig und gilt streng genommen nur für eine definierte Kombination der Prozessparameter. Eine Extrapolation auf andere Betriebspunkte ist nicht zulässig (CAI 2010; KIPP-HAN 2000, S. 215). Für verschiedene Parameterkombinationen ist in Abbildung 12 das Verhältnis der Schichtdicke zur optischen Dichte beispielhaft gezeigt, welcher die effektive Farbergiebigkeit FEeff darstellt.
2,5 2.0 1,5 1,0 0,5 0
0 0,5 1,0 1,5 2,0µm 2,5
Farbschichtdicke optische Volltondichte
-Schwarz Cyan Magenta
Gelb
Abbildung 12: Abhängigkeit der optischen Volltondichte von der spezifischen Farbmasse auf dem Papier als Maß für die Schichtdicke (eigene Darstellung nach DISCHINGER 2010)
Je nach Kombination von Papier und Farbe ergeben sich gravierend unterschied-liche Farbergiebigkeiten. Vergleichbare Aussagen werden in SID 2013, S. 22, dar-gelegt, wobei die Versuchsbedingungen nicht detailliert beschrieben und deshalb die Werte nicht direkt miteinander vergleichbar sind. Bisher kann aus der Papier-/
Farb- und Feuchtmittelkombination keine allgemeingültige Aussage bezüglich des Farbbedarfs abgeleitet werden, was für eine exakte Steuerung der Farbzufuhr notwendig wäre. Um die erforderliche optische Dichte zu gewährleisten, ist die Messung derselben zwingend erforderlich. Aufgrund der hohen Prozessgeschwin-digkeiten sowie der hohen Anzahl an Regelkreisen kann dies nur mit einer vollau-tomatisierten Messung wirtschaftlich erfolgen. Bei Druckbeginn ist die Messung gemäß Kapitel 1.3 nur ungenügend möglich, was als Hauptursache für hohe Ma-kulaturwerte gilt.
0 0,5 1 1,5 2 2,5
0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7
optischeVolltondichte
spezifische Farbmasse
-g/m²
Farbe 2 Farbe 4 Farbe 5;
Papier: Next Generation Farbe 3 Farbe 6 Farbe 1 Papier jeweils Apco II-II,
außer bei Farbe 5
3 Stand der Wissenschaft und Technik
Der Offsetdruck hat eine lange Geschichte, weshalb die Maschinenhersteller über hohes Expertenwissen und ausgereifte Methoden der Prozessführung verfügen.
Die Fortschritte in der Steuerungstechnik und Sensorik haben leistungsfähige Konzepte zur Regelung aller Qualitätskriterien ermöglicht, die insbesondere im stationären Betrieb eine gleichbleibend hohe Produktqualität sicherstellen. Auf-grund des Zwangs der Kosteneinsparung sowie der sinkenden durchschnittlichen Auflagenhöhe erhält das Anfahrverhalten eine zunehmende Bedeutung (BETZ-MEIER 2014, S. 17; LENZ 2014, S. 16; DÖRSAM ET AL. 2010, S. 71;
KOMORI 2008 A, S. 2). Für die Anfahrphase existieren verschiedene Vorgehens-weisen, um eine hohe Druckqualität bei minimaler Makulatur zu gewährleisten.
Deren Darstellung erfolgt in Kapitel 3.2.1. Zuvor werden die wesentlichen Heraus-forderungen der Farbdichteregelung in Kapitel 3.1 prozessneutral formuliert. An-hand der Rahmenbedingungen werden Regelungsaufgaben abseits der Druckin-dustrie aufgeführt, bei denen die Regelgrößen ebenfalls nicht gemessen werden können und dementsprechend der Prozess gesteuert werden muss (Kapitel 3.2.2).
Die Lösungen für diese Anwendungsfälle bieten Ansätze für eine optimierte Farbdichteregelung.
Der Einsatz von Steuerungen ohne eine Rückführung von Ausgangsgrößen erfor-dert eine möglichst exakte Kenntnis des Prozessverhaltens. Dazu ist es erforder-lich, wesentliche Einflussgrößen zu berücksichtigen. Da speziell für den Druckpro-zess eine Vielzahl von Einflussgrößen existiert, sind die entscheidenden Größen zu ermitteln und zu berücksichtigen (Kapitel 3.3).
Sind die Regelgrößen nicht messbar, können sie alternativ über ein Modell be-rechnet werden. Hierzu existieren verschiedene modellbasierte Regelungskonzep-te sowie Modellierungsansätze zur ErsRegelungskonzep-tellung des Prozessmodells, die in Kapi-tel 3.4 aufgeführt sind. Anschließend werden bestehende Farbwerksmodelle für den Farbtransport sowie den Farbauftrag auf deren Einsetzbarkeit für die Farbdichteregelung bewertet. Abschließend erfolgen die Zusammenfassung der ermittelten Methoden sowie deren Bewertung bezüglich der Eignung zur Farbdich-teregelung.