Titel
Untersuchung der Mechanismen der Markierungsbildung bei gestrichenen Papieren / Kartons im Querschneider und Ableitung von Vermeidungsstrategien
A. Lind
Inhalt
1 Zusammenfassung 1
2 Abstract 2
3 Einleitung 4
4 Versuchsdurchführung 5
4.1 Untersuchte Papier- und Kartonmuster 5
4.2 Untersuchte Bändermaterialien 5
4.3 Bestimmung der Papier- und Kartoneigenschaften 6
5 Aufbau, Wirkungsweise von und Probleme an Querschneidern 7
5.1 Die Abrollung 9
5.2 Vorzieh- und Schneidpartie 9
5.3 Bänderpartie vor der Überlappung 12
5.4 Überlappung 14
5.4.1 Sternenhimmelmarkierungen in der Überlappung ... 17 5.4.2 Stoppermarkierung in der Überlappung ... 18
5.5 Stapelablage 20
6 Anlage zur Simulation von Querschneidermarkierungen 22
6.1 Visuelle Bewertung der Markierungen 23
6.2 Messtechnische Bewertung und Entstehungsmechanismus der Markierungen 24
7 Versuche an der Simulationsanlage 27
7.1 Korrelation der Papier- bzw. Kartoneigenschaften mit der Markierungstendenz 27
7.2 Variation der Dicke (Stapelbildung) 29
7.3 Variation der Bändermaterialien 30
7.4 Reibung Papier gegen Papier 31
7.5 Variation der Geschwindigkeit 31
7.6 Variation des Umgebungsklimas 32
8 Vermeidungsstrategien - Zusammenfassung der Ergebnisse 33
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007
1 Zusammenfassung
Thema Untersuchung der Mechanismen der Markierungsbildung bei gestrichenen Papieren / Kartons im Querschneider und Ableitung von Vermeidungsstrategien
Ziel des
Projektes Das Ziel dieses Forschungsprojekts der PTS München war es, durch die Aufklä- rung der bei der Markierungsbildung vorherrschenden Mechanismen und Ablei- tung von Vermeidungsstrategien zur Erhöhung der Produktqualität und Anlagen- kapazität bei der Ausrüstung und Verarbeitung matt oder halbmatt gestrichener Papiere beizutragen. Bei den Untersuchungen konzentrierte man sich auf die Querschneider, bei denen in verschiedenen Baugruppen Markierungen gebildet werden.
Art und
Entstehung der Markierungen
Die in den meisten Papier- und Kartonfabriken sowie bei Verarbeitern am Querschneider auftretenden Markierungen sind Oberband-, Stopper- (inklusive Fangband-) und Sternenhimmelmarkierungen. Die Markierungen entstehen durch eine Verringerung der Rauhigkeit der Oberfläche, die durch Aufnahmen mittels Atomkraftmikroskop sichtbar gemacht werden kann. Diese Verringerung der Rauhigkeit wird als Glanzerhöhung visuell bewertbar.
Mit einer während des Forschungsvorhabens entwickelten Simulationsanlage können dabei die gleichen Oberflächendefekte generiert werden wie bei in der Praxis gefundenen Markierungen.
Möglichkeiten der Einfluss- nahme auf die Markierungen
Unterschiedliche Papier- und Kartonsorten weisen auch eine unterschiedliche Markierungstendenz auf. Dabei konnten keine direkten Korrelationen der gemes- senen Eigenschaften mit der Markieranfälligkeit gefunden werden. Tendenziell haben jedoch der Glanz, die Rauhigkeit, die Bruchkraft und die Reibkoeffizienten der Papiere und Kartons einen Einfluss auf die Markieranfälligkeit.
Am Querschneider kann u.a. durch die Wahl der Bändermaterialien oder die Kontrolle des Hallenklimas die Markierungstendenz beeinflusst werden.
Durch konstruktive Maßnahmen wie die Veränderung der Bremswege, die Aufteilung der Bremskraft der Bogen in der Überlappung, die Optimierung der Lufteinblasung sowohl in der Überlappung als auch am Ableger kann ebenfalls Einfluss auf die Markierungen genommen werden.
Vorraussetzung dafür ist, die genauen Bewegungsabläufe im Querschneider zu kennen, was z.B. durch Filmaufnahmen gewährleistet werden kann.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 14369 der Forschungsvereinigung PTS wurde im
Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferindust- rie für die Unterstützung der Arbeiten sowohl durch intensive Gespräche und Diskussionen, durch das Weitergeben von Know-how und praxisrelevanter Versuchsparameter als auch durch die Möglichkeiten zur Durchführung von Untersuchungen an den Querschneidern.
2 Abstract
Subject Investigation the mechanisms of markings caused by cross cutter on coated paper / paperboard to derive avoidance strategies
Project objective Aim of this research project of PTS Munich was to clarify the main mechanisms of marking and derive avoidance strategies leading to improved product quality and plant capacity in the finishing and converting of matt- or semimatt-coated papers. Investigations focused on cross cutters where markings had been found to occur in several assembly groups
Kinds and appearance of markings
Markings most frequently observed in cross cutters for the production and converting of paper and board are upper belt-, stopper belt- and “starry sky“- markings. They are caused by roughness losses of the surface visible under the atomic force microscope. Areas of decreased roughness are visually assessable as gloss increase.
A simulation setup developed within the framework of this research project is capable of generating surface defects identical to the marking defects encoun- tered in industrial practice.
Possibilities for controling the markings
Paper and board grades differ in their sensitivity to marking, but it was not possible to establish direct correlations between measured parameters and the sensitivity to marking. As a broad tendency, however, it can be said that the marking sensitivity of paper and board is influenced by gloss, roughness, tensile strength and frictional coefficients.
Cross cutter markings can be reduced by selecting suitable belt materials or controlling the atmosphere in the factory building, for example.
Design measures can be helpful as well, for example changing the stopping distances, dividing up the braking pressure of sheets ahead of and within the overlapping section, or optimizing the air injection in both overlapping sections and layboy.
Prerequisite for these measures is the in-depth knowledge and understanding of motions in the cross cutter, which may be gained from video or film recordings, for example.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Acknowledge-
ment The IGF 14369 research project of the research association PTS was funded by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi under the programme for the promotion of “pre-competitive joint research (IGF)” and carried out under the umbrella of the German Federation of Industrial Co- operative Research Associations (AiF) in Cologne. We would like to express our warm gratitude for this support.
Our thanks go also to the papermaking and supply firms involved in the project for many interesting and intense talks and discussions, for making their know- how and full-scale test parameters available to us and providing opportunities to do tests in industrial cross cutters.
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3 Einleitung
Veredelung von Papieren und Kartons
Um die hohen Anforderungen der Kunden an ein hochwertiges Endprodukt mit ansprechendem Erscheinungsbild zu erfüllen werden sowohl grafische Papiere als auch Papiere für den Verpackungssektor (z.B. Faltschachtelkarton) häufig gestrichen. Um eine gute Lesbarkeit zu gewährleisten wird dabei ein immer höherer Anteil der Papiere und Kartons mit einer matten oder halbmatten Oberfläche versehen.
Auftreten von
Markierungen Mechanische Beanspruchungen, denen Teile der gestrichenen Oberflächen im Rahmen der Papierausrüstung sowie der nachfolgenden Weiterverarbeitung ausgesetzt sind, rufen lokale Veränderungen im Strich, die so genannten Markierungen, hervor. Bei den Markierungen handelt es sich um lokale Glanz- änderungen. Sie stellen ein gravierendes Qualitätsproblem dar, welches sich insbesondere bei der Weiterverarbeitung auswirkt. Ursächlich entstehen sie aber oft bereits im Bereich der Papierausrüstung, insbesondere in den Quer- schneidern. In der Folge fallen in den Ausrüstungsabteilungen große Mengen an Ausschuss an. Werden die Probleme nicht rechtzeitig bemerkt, kommt es zu kostspieligen Reklamationen durch die Kunden, also die Druckereien oder auch Faltschachtelhersteller.
Oberflächen matter Papier- und
Kartonqualitäten
Matte Papiere müssen zur Erzeugung einer diffusen Lichtreflexion sowohl eine Makro- als auch Mikro-Rauhigkeit aufweisen. Bei halbmatten Papieren wird eine Kombination aus den verschiedenen Rauhigkeiten (vgl. auch die folgende Abbildung) benötigt /1/.
Glanz hoch
mittel
gering
Makro-glatt Mikro-glatt Makro-rau Mikro-glatt Makro-glatt Mikro-rau Makro-rau Mikro-rau Glanz
hoch
mittel
gering
Makro-glatt Mikro-glatt Makro-rau Mikro-glatt Makro-glatt Mikro-rau Makro-rau Mikro-rau
Abbildung 1 Glanz in Abhängigkeit der Oberflächenstruktur nach /1/
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Forschungsziel
und Inhalt
Zur Aufklärung der bei der Markierungsbildung im Querschneider vorherr- schenden Mechanismen und zur Ableitung von Vermeidungsstrategien bei der Herstellung matt und halbmatt gestrichener Papiere und Kartons wurde dieses Forschungsprojekt durchgeführt.
Dabei wurden neben Untersuchungen in der Praxis auch Untersuchungen an einer neu entwickelten Simulationsanlage für Querschneidermarkierungen durchgeführt.
4 Versuchsdurchführung
4.1 Untersuchte Papier- und Kartonmuster
Markierte
Praxispapiere Papiermuster mit unterschiedlichen Markierungen wurden von fünf Papierfabri- ken zur Verfügung gestellt.
Papiere für die Simulations- anlage
Aus diesen markierten Praxispapieren wurden drei unterschiedliche Sorten (A, B und C) für die Untersuchungen an der Simulationsanlage ausgewählt. Dabei handelte es sich, wie bei fast allen untersuchten Praxispapieren, um doppelt gestrichene Offsetdruckpapiere. Diese wurden mit unterschiedlichen flächenbe- zogenen Massen von 90 bis 200 g/m² eingesetzt. Die Papiere werden entspre- chend ihrer Sorte und ihrer flächenbezogenen Masse charakterisiert. So steht z.B. A200 für ein Papier der Sorte A mit einer flächenbezogenen Masse von 200 g/m²
Untersuchte
Kartonsorten Um neben den untersuchten Papieren einen weiteren breiten Eigenschaftsbe- reich abzudecken, wurden zusätzlich 14 Kartonmuster von 6 Herstellern unter- sucht. Alle Kartons wiesen eine flächenbezogene Masse von 300 g/m² auf.
4.2 Untersuchte Bändermaterialien
Eigenschaften der Bänder- materialien
Es wurden insgesamt 6 verschiedene Bändermaterialien aus unterschiedlichen Materialien (Misch- oder Polyamidgewebe, Elastomer G, Polyurethan) mit unterschiedlichen Eigenschaften (Dicke, Reibbeiwerte, Flexibilität) eingesetzt.
Die Bändermaterialien wurden wie in Abbildung 2 dargestellt in Abhängigkeit ihrer Farbe bezeichnet.
Die Bändermaterialien können dabei für die folgenden Einsatzzwecke im Quer- schneider eingesetzt werden:
• Dunkelgrün und Dunkeltürkis: Oberbänder
• Grün/Weiß und Schwarz: Transportbänder
• Grün: Schnelle Oberbänder
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Untersuchte
Bänder- materialien
Abbildung 2 Untersuchte Bändermaterialien, von links: Dunkeltürkis, Dunkelgrün, Grün/Schwarz, Schwarz, Grün/Weiß, Grün
4.3 Bestimmung der Papier- und Kartoneigenschaften
Zur Charakterisierung der Papiere bzw. Kartons sowie der Markierungen wurden verschiedene Messmethoden eingesetzt.
Bestimmung der Oberflächen- eigenschaften
• Glanz nach DIN Lehmann mittels Glanzmessgerät LGDL-05 der Fa. Leh- mann Messtechnik mit Messwinkel 75°
• Reibkoeffizienten nach DIN 53119-2 mittels Rutschwinkelprüfgerät
• Scheuerfestigkeit mittels Prüfbau-Quartant Scheuertester mit 10 Hüben unter einem Druck von 0,005 N/mm und visueller Auswertung
• Rauhigkeit nach PPS mit Messgerät der Firma Lorentzen und Wettre mit weicher Grundplatte und einem Anpressdruck von 980 kPa
• Rauhigkeit mittels GFM mit einem MikroCAD-System der Firma GFMesstechnik GmbH mit einer Messfeldgröße von 9*12 mm, einer latera- len Auflösung von 8 µm und einer vertikalen Auflösung von 0,8 µm
• Rauhigkeit mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) und Bildanalyse mit Softwarepaket MeX der Fa. alicona imaging GmbH; die Messfläche betrug 110*70 µm, die Wellenlänge 22 µm
• Rauhigkeit mittels Atomkraftmikroskop (AFM) easyScan der Fa. Nanosurf
Bestimmung der Festigkeits- eigenschaften
• Bruchkraft und Bruchdehnung nach DIN EN ISO 1924-2 mittels Universal- zugprüfmaschine Zwick Z010
• Biegesteifigkeit nach DIN 53123 nach der Resonanzlängenmethode mittels Biegesteifigkeitsmessgerät der Fa. Lhomargy, Modell RM01.
• Kompressibilität mittels FOGRA-Kontaktanteilmessgerät in Kombination mit einem digitalen Bildanalysesystem
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Bedruckbarkeit Um eine weitere Möglichkeit zu finden, Markierungen objektiv zu bewerten,
wurden verschiedene Drucktests mittels Prüfbau Probedruckmaschine durchge- führt. Als die Methode, mit der die Markierungen am besten im Druckbild bewer- tet werden können, wurde ein Mottlingtest mit schwarzer Druckfarbe und einer Konterzeit von 5 s gewählt.
5 Aufbau, Wirkungsweise von und Probleme an Querschneidern
Schematischer Aufbau von Querschneidern
Die folgende Abbildung 3 zeigt den schematischen Aufbau moderner Quer- schneider.
Planrichtpartie Abrollung
Vorzieh- und Schneid- partie
Ableger und Stapelbildung Bänder-
partie, Über- lappung Planrichtpartie
Abrollung
Vorzieh- und Schneid- partie
Ableger und Stapelbildung Bänder-
partie, Über- lappung
Abbildung 3 Schematischer Aufbau eines Querschneiders nach /2/
Abrollung und
Planrichtpartie Die meisten Querschneider arbeiten mit mehreren Papierbahnen, die nachein- ander angeordnet sind und in der Planrichtpartie ausgerichtet werden.
Vorzieh- und
Schneidpartie Die zusammengeführten Bahnen werden durch die Einzugswalze in die Schneidpartie gezogen. Hier erfolgen der Längs- und Querschnitt. Dabei entste- hen Bogenpakete, die dann weiter transportiert werden.
Bänderpartie und
Überlappung Um die Geschwindigkeit vor der Ablage zu reduzieren, werden die Bogenpakete in der Überlappung abgestoppt und schuppenförmig übereinander angeordnet.
Ableger und
Stapelbildung Die überlappten Bogenpakete werden anschließend im Stapel abgelegt.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Problemzonen Durch die sensitive Oberfläche matt und halbmatt gestrichener Papiere werden
diese, wie bereits erwähnt, im Querschneider häufig markiert. Dadurch ist es nicht möglich, die maximale Produktionsgeschwindigkeit, wie sie bei glänzenden Papieren erreicht werden kann, auszuschöpfen. Die Problemzonen am Quer- schneider sind dabei nach /3/:
• das Bogentransportsystem nach dem Quermesser,
• die Fangstation mit Oberbändern,
• das Überlappungssystem.
Hinzu kommen Probleme mit Einzugswalzenmarkierungen und bei der Bogenab- lage.
Die einzige Möglichkeit zur Lösung der Markierungsprobleme ist die Reduktion der Geschwindigkeit, was jedoch zu einem verringerten Durchsatz und damit zu einer niedrigeren Produktivität führt. Die Kapazitätsreduzierung kann dabei bis zu 50% betragen /4/.
Neuer technischer Lösungsansatz
Um die Markierungsprobleme zu lösen, wurde eine neue Generation von Quer- schneidern mit neuem Bogentransport- und Überlappungssystem für markie- rungsfreies Arbeiten entwickelt. Bei dieser Lösung wurden die Funktionen der Oberbänder durch Vakuum- und Elektrostatiksysteme ersetzt /5/.
Da diese Art von Querschneidern bisher nur ein Mal in Europa installiert wurde, gibt es momentan nur wenige Praxiserfahrungen, ob Markierungen vollständig vermieden werden können oder ob durch das neue Transport- und Überlap- pungssystem die Stoppermarkierungen in großflächige Reibung und damit Markierungen der einzelnen Bogenpakete untereinander umgewandelt werden.
Die meisten Papierfabriken und Ausrüster arbeiten mit konventionellen Quer- schneidern. Darum müssen weiterhin Wege gefunden werden, wie z.B. durch Umbauten der vorhandenen Anlagen die Markierungsprobleme gelöst werden können.
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5.1 Die Abrollung
Abrollung Die folgende Abbildung zeigt einen Teil der Abrollung eines Querschneiders. An diesem Querschneider können bis zu sechs Rollen gemeinsam abgerollt werden.
Abbildung 4 Abrollung eines Querschneiders
Mögliche
Markierungen Im Bereich der Abrollung kann es zu Rakel- oder Rollrakelmarkierungen kom- men. Bei stehenden Rakeln (Brechleisten, Richtleisten) treten sie als Sternen- himmelmarkierungen über den ganzen Bogen auf. Bei verschlissenen Rakel- stangen des Rollrakels sind auf dem Papier bzw. Karton streifenförmige Schleifmarkierungen zu erkennen /2/.
Markierungen, die in der Abrollung generiert werden, kommen nur selten vor. Im Verlauf des Forschungsprojektes traten sie nur einmal bei einer Papierfabrik auf.
5.2 Vorzieh- und Schneidpartie
Die zusammengeführten Bahnen werden durch die Einzugswalzen zusammen- gepresst und anschließend vom Quermesser in Bögen geschnitten.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Einzugswalzen Die obere, polymerbezogene Einzugswalze weist eine Nutung in Pfeilform auf,
wodurch die Bahnen glatt und ohne Lufteinschlüsse eingezogen werden können, vgl. Abbildung 5.
Abbildung 5 Obere Einzugswalze und Quermesser eines Querschneiders Die untere Einzugswalze besteht aus Stahl, die eine bestimmte Rauhigkeit aufweisen muss. Durch Aufspritzen von Molybdän oder Wolframcarbid oder das Aufrauen der Walze können Markierungen reduziert werden.
Beispiele der
Markierungen Die folgende Abbildung zeigt zwei Beispiele von Einzugswalzenmarkierungen.
Abbildung 6 Örtliche Lage von Einzugswalzenmarkierungen auf einem Bogen Markierungen auf den Bögen treten zum Teil überlagert mit weiteren Markie- rungsarten auf, wie in Abbildung 6 schematisch dargestellt wurde. Im linken Teil der Abbildung wird die pfeilförmige Einzugswalzenmarkierung durch Tragwal- zenmarkierungen überlagert, die bereits am Rollenschneider entstanden sind.
Der Bogen mit der streifenförmigen Einzugswalzenmarkierung in der rechten Abbildung weist über die gesamte Fläche auch eine Sternenhimmelmarkierung auf.
Auftreten der
Markierungen Je nach Lage der markierten Bögen im Querschneider sind Einzugswalzenmar- kierungen als Pfeilmuster oder als schräge Streifen auf den Bogen sichtbar. Sie treten auf der Unterseite der Bögen auf, also auf der Seite der Bögen, die nicht mit der profilierten oberen Einzugswalze (vgl. auch Abbildung 5) in Kontakt steht.
Obere Einzugs- walze
Quermesser
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Entstehungs-
möglichkeiten von
Einzugswalzen- markierungen
Einzugswalzenmarkierungen auf der Unterseite der Bögen können entstehen, wenn
1) die untere Einzugswalze zu glatt ist /4/
Durch Abrasionsprozesse zwischen dem Papier bzw. Karton und der unteren Einzugswalze verliert diese an Rauhigkeit. Dadurch nimmt der Reibkoeffizient über die Zeit ab.
2) die untere Einzugswalze zu rau ist /2/
3) die obere Einzugswalze einen Verschleiß aufweist /2/
Möglichkeiten zur Reduktion der Markierungen sind das Erneuern der oberen Vorziehwalze (Originalnutung!) oder das Überschleifen bzw. Aufrauen der unteren Einzugswalze /2, 4/.
Durch Bewegungen der oberen Einzugswalze auf der Papier/Kartonoberfläche (z.B. wenn die Positionierung der Einzugswalzen nicht optimal ist) kann es auch zu Einzugswalzenmarkierungen auf der Oberseite der Bögen kommen /4/.
Abhilfe schafft hier die genaue Positionierung der Einzugswalzen übereinander mit optimiertem Schlupf.
Nutung der
Einzugswalze Die Nutung der oberen Einzugswalze ist notwendig, um beim Einzug mittranspor- tierte Luft entfernen zu können. Dies ist besonders bei gestrichenen Papieren wichtig. Der Winkel und die Art der Nutung sind dabei von den Herstellern optimiert. Um ein gleichmäßiges Tragbild zu erzielen, sind z.B. die Ecken der Nutung abgerundet. Daher ist die Verwendung der Originalnutung zur Vermei- dung von Einzugswalzenmarkierungen notwendig.
Bei der Gestaltung der Einzugswalzen sollte von den Herstellern der Quer- schneider überlegt werden, ob die Verwendung des dargestellten Einzugswal- zensystems notwendig ist. Es gibt Querschneider, bei denen glatte Einzugswal- zen mit geringerer Härte verwendet werden, die aufgrund der fehlenden Nutung keine Markierungen hinterlassen. Bei Spezialpapieren und/oder langsam laufen- den Querschneidern könnte dies eine zu Alternative zu den genuteten Einzugs- walzen darstellen, die im Einzelfall geprüft werden sollte.
Besonderheiten der Markierungen
• Einzugswalzenmarkierungen sind häufig erst nach dem Bedrucken sichtbar.
Mit der gewählten Labordruckmethode dagegen konnten die Markierungen nicht sichtbar gemacht werden.
• Auch bei den Messungen mittels AFM konnten keine Unterschiede in der Oberflächentopografie zwischen markierten und nicht markierten Stellen ge- funden werden.
• Nach längerer Liegezeit der markierten Muster waren die Einzugswalzen- markierungen (nicht bedruckt) nicht mehr sichtbar.
Diese Besonderheiten der Markierungen deuten darauf hin, dass im Vergleich zu den anderen Markierungsarten andere Mechanismen für die Entstehung verant- wortlich sind. Es wirken nur Druckkräfte, Relativbewegungen wie bei den ande- ren Markierungsarten fehlen. Es kommt daher zu reversiblen Veränderungen der Strichoberfläche.
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5.3 Bänderpartie vor der Überlappung
Lückenbildung Um die Überlappung der Bogenpakete zu ermöglichen, werden nach der Schneidpartie häufig ein oder mehrere so genannte Fangbänder mit höherer Geschwindigkeit installiert. Durch die Geschwindigkeitsdifferenz werden die einzelnen Bogenpakete auseinander gezogen, so dass eine Lücke zwischen ihnen entsteht. Je geringer diese Lücke ist (also umso geringer die Beschleuni- gung, um die Lücke zu gewährleisten), umso geringer ist die in der Überlappung aufzubringende Bremsenergie /2/.
Alternative Transport- möglichkeit
Eine alternative Transportmöglichkeit in der Bänderpartie vor der Überlappung wird in /7/ vorgestellt. Die Fängerpartie arbeitet mit einem Saugkasten sowie einem Aufladestab, die eine Berührung der Bogenpakete mit den Maschinentei- len verhindern und so die Markierungen reduzieren sollen.
Beispiele für Markierungen
Die gefundenen Oberbandmarkierungen traten meist über den gesamten Bogen auf, wie die beiden folgenden Darstellungen aus zwei verschiedenen Papierfab- riken zeigen.
Abbildung 7 Örtliche Lage von Oberbandmarkierungen auf einem Bogen Entstehungsmög
lichkeiten Oberbandmarkierungen entstehen nach /2/ durch Verschleiß aufgerauter oder eine Schüsselung der Oberbänder. Durch das Erneuern der Oberbänder oder den Einsatz befilzter Bänder können diese Probleme reduziert oder vermieden werden. Nachteilig wirken sich dabei jedoch kürzere Standzeiten oder Material- durchlaufschwierigkeiten aus.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Wellenbildungen Videoaufnahmen von Querschneidern zeigten, dass es zwischen dem Saugkas-
ten und dem Einlauf der Bögen in den Fangnip zu Wellenbewegungen der Bogenpakete kommen kann, bei denen diese partiell gegen die Oberbänder gedrückt werden. Dabei war nicht ersichtlich, ob diese Wellenbildung durch eine zu starke Lufteinblasung (vgl. Abbildung 12) hervorgerufen wurde. Vor allem bei geringen flächenbezogenen Massen der Papiere ist eine Wellenbildung möglich, die durch die Oberbänder stabilisiert werden soll. Bei zu starker Wellenbildung können jedoch auch Markierungen durch die Oberbänder entstehen.
Schadbilder wie das Folgende können die Folge sein.
Abbildung 8 Örtliche Lage einer Oberbandmarkierung auf einem Bogen Die Kombination aus Materialeigenschaften (z.B. Biegesteifigkeit), Saugluft zum ersten Abbremsen und „Herunterziehen“ der Hinterkante der Bogenpakete sowie die Fangnipeinstellung müssen gut aufeinander abgestimmt werden, um Wellen- bildungen und damit Oberbandmarkierungen zu verhindern.
Mögliche
Problemlösung Um die Wellenbildung zu verhindern, müsste am Entstehungsort eine Möglichkeit gefunden werden, diese vertikale Bewegung der Bogenpakete zu verhindern. Ein zweiter Vakuumsaugkasten kurz vor dem Fangnip ist technisch nicht umsetzbar, da das Vakuum nicht durch das untere Bogenpaket hindurchgeht. Dagegen ist ein Aufblasen von Luft von oben denkbar, wobei der Blaskasten beweglich sein muss, da er mit dem Fangnip je nach Format der Bögen verschieden positioniert wird.
Ort der Wellenbildung
Aufblasen von Luft Ort der Wellenbildung
Aufblasen von Luft
Abbildung 9 Mögliche konstruktive Lösung zur Verhinderung einer Wellenbil- dung beim Bogentransport
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5.4 Überlappung
Überlappung der
Bogenpakete Ein Ablegen der Bogenpakete bei voller Maschinengeschwindigkeit würde zu einer Stauchung des Materials an den Anlagemarken des Ablegers und somit zum Knicken der Bogen in diesem Bereich führen. Daher muss eine Geschwin- digkeitsreduzierung vor dem Ableger realisiert werden, was durch eine Überlap- pung der Bogenpakete erfolgt.
Um die Überlappungspartie räumlich kurz zu halten, muss das Abbremsen der Bogenpakete auf einem möglichst kurzen Weg erfolgen. Dies wird dadurch realisiert, dass jeweils die schnell laufenden Bogenpakete, die vom Quermesser kommen, mittels Fangbänder oder Fangrollen gegen die darunter auf dem Überlappungsband befindlichen langsamen Bogen gedrückt werden. Dabei kommt es zur Reibung (kombinierte Druck-Scher-Beanspruchung) zwischen den schnellen und langsamen Bogenpaketen sowie zwischen den Bogenpaketen und den Fangbändern bzw. Fangrollen, wodurch eine Dissipation der kinetischen Energie erfolgt. Dieser Prozess führt häufig zur Bildung der Stoppermarkierun- gen.
Energie-
dissipation Nach der Beziehung
R R langsam
schnell
v F s
m ( v − ) = ∗ 2
2
2 (1) hängt die Energiedissipation von der Masse der Bogenpakete m sowie den Geschwindigkeiten der Bogenpakete in der schnell laufenden Bänderpartie vschnell
und der langsam laufenden Überlappungspartie vlangsam ab /2/. Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die Energiedissipation durch Verlängerung des Bremswegs sR oder der Reibkraft FR zu erhöhen, was nach
N
R
µ F
F = *
(2) durch eine höhere Auflagenkraft FN realisiert werden muss.Dabei ist auch die Höhe des Reibungskoeffizienten µ zwischen Bogenober- und –unterseite sowie zwischen den Bogen und Bändern bzw. anderen Maschinen- teilen eine wesentliche Einflussgröße.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Abzubremsende
Energie Entsprechend Formel 1 geschieht der Abbau der Energie im Fangnip nicht linear sondern potenziell. Eine Darstellung, wie die abzubremsende Energie in der Fangnippartie von der Geschwindigkeit abhängt wird in /2/ gegeben:
50 100 150 200 250 300 350 400 Maschinengeschwindigkeit [m/min]
Abzubremsende kinetische Energie in der Fangnippartie
Abbildung 10 Abzubremsende Energie in der Fangnippartie in Abhängigkeit der Maschinengeschwindigkeit /2/
Aus dieser Darstellung wird ersichtlich, dass gerade bei hohen Maschinenge- schwindigkeiten eine Reduktion der Geschwindigkeit eine deutliche Verringerung der zu vernichtenden Energie zur Folge hat. Dadurch sind auch die auf die Papiere bzw. Kartons wirkenden Kräfte geringer und es entstehen weniger Markierungen.
Aufteilung der
Bremskraft Um die Bogenpakete überlappen zu können, wird bei den meisten Querschnei- dern ein Saugsystem angewandt. Hier wird die Hinterkante des vorderen Bogen- paketes nach unten angesaugt, um die Vorderkante des hinteren Bogenpaketes darüber mit möglichst wenig Reibung hinweg gleiten zu lassen, vgl. die folgende schematische Darstellung.
Saugkasten
20% Bremswirkung (Energie) 80%
Saugkasten
20% Bremswirkung (Energie) 80%
Abbildung 11 Bremskraftverteilung in der Saugkasten – Fangnip Überlappung /2/
Durch den hier abgebildeten Saugkasten kann bereits eine Bremswirkung des angesaugten Bogenpaketes realisiert werden, die entsprechend einer Faustregel ca. 20% der abzubremsenden Energie beträgt /2/. Dadurch sind nur noch etwa 80% der Energie im Fangnip zu entfernen, was zu einer geringeren Markie- rungsneigung führt.
Eine andere Möglichkeit, die Hinterkante des Bogenpaketes nach unten zu bewegen, sind Hebel oder Taktrollen, die diese Aufgabe übernehmen.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Blassystem für
sicheren Bogentransport
Sowohl bei der Anwendung der Saugkästen als auch der mechanischen Einrich- tungen zum Herabbewegen der Hinterkante wird zusätzlich Luft eingeblasen, um den oberen Bogen so weit wie möglich ohne Berührung des unteren Bogens zu bewegen.
Abbildung 12 Blassystem vor dem Saugkasten
Dieses System von Bremswirkung der Hinterkante der Bögen, der Abbremsung in den Fangrollen und der einzublasenden Luft muss optimal eingestellt sein, um ein markierungsfreies Arbeiten zu gewährleisten.
Fangstation und Überlappungs- system
Das Abstoppen der Bogenpakete erfolgt meist, indem die ankommenden Bo- genpakete in einen sich verengenden Spalt laufen, der durch die bereits abge- bremsten Bogenpakete und eine darüber liegende Rolle gebildet wird. Die Auflagekraft der Rolle ist dabei über eine Höheneinstellung regelbar.
Höheneinstellung Bremsweg
Höheneinstellung Bremsweg
Abbildung 13 Schematische Darstellung des Fangnips nach /6/
Zu Fangnipmarkierungen kann es dabei beim Kontakt der Bogenvorderkante mit dem Fangband kommen. Die Stoppermarkierungen entstehen dann im Walzen- nip im oberen Drittel der Bögen. Durch die Optimierung des Fangnips, die Veränderung des Überlappungsgrades oder die Reduktion der Maschinenge- schwindigkeiten können diese Markierungsarten reduziert werden /2/
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Technische
Ausführungen der Fangstation
Neben dem in Abbildung 13 dargestellten Fangnip kann das Abbremsen und Überlappen der Rollen auch mit so genannten Fangrollen, vgl. die folgenden Abbildungen, realisiert werden.
Fangnip Fangrollen Abbildung 14 Verschiedene technische Lösungen zur Abbremsung und
Überlappung der Bogenpakete
Die Fangrollen werden dabei mit geringem Druck auf die Bogenpakete aufgelegt.
Da sie keinen Eigenantrieb aufweisen, also mit der Bogengeschwindigkeit laufen, kommt es zu keiner Relativgeschwindigkeit zwischen Bogen und Rollen (also auch zu keinen oder nur geringen Reibkräften), wodurch die Stoppermarkierun- gen deutlich reduziert werden können. Durch ein federndes Aufliegen der Rollen kommt es, unabhängig von der Anzahl oder Dicke der Bogenpakete, immer zu gleichen Auflagekräften.
Alternative technische Ausführung der Überlappung
In /7/ wird eine alternative technische Ausführung der Überlappung vorgestellt, wobei mit elektrostatischer Aufladung sowie einem Saugkasten gearbeitet wird.
Dabei werden die Bogenpakete nur an der Hinterkante über den Saugkasten abgebremst.
5.4.1 Sternenhimmelmarkierungen in der Überlappung
Beispiele für die Markierungen
Die folgenden Abbildungen zeigen typische Sternenhimmelmarkierungen aus zwei Papierfabriken.
Abbildung 15 Örtliche Lage von Sternenhimmelmarkierungen auf einem Bogen
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Auftreten der
Markierungen
Die so genannten Sternenhimmelmarkierungen (auch „Aufsatinage“ genannt) treten meist entweder auf dem gesamten Bogen oder in Abhängigkeit der Überlappung, nur auf maximal einem Drittel des Bogens als kleine, punktförmige Glanzpunkte auf.
Entstehung der
Markierungen Sternenhimmelmarkierungen in der Überlappung entstehen meist wie folgt: Das obere Lagenpaket läuft mit hoher Geschwindigkeit auf das bereits abgebremste untere Bogenpaket auf, vgl. auch die folgende schematische Abbildung.
Oberes Lagenpaket Unteres Lagenpaket
vlangsam
vschnell
Bereich der Markierungen Auflagekraft
Oberes Lagenpaket Unteres Lagenpaket
vlangsam
vschnell
Bereich der Markierungen Auflagekraft
Abbildung 16 Schematische Darstellung der Überlappung Dabei wird
• der oberste Bogen des unteren Lagenpaketes im hinteren Bogendrittel und
• der unterste Bogen des oberen Lagenpaketes im vorderen Bogendrittel markiert.
Vermeidung der
Markierungen Als Lösungsmöglichkeit für dieses Problem wird in /2/ die Korrektur der Plan- richtwirkung angegeben. Diese sollte so ausgeführt werden, dass die Schüsse- lung der Bogenpakete nicht nach oben ausgebildet wird.
Das Ablegen der Bogenpakete aufeinander muss schonend geschehen, mög- lichst ohne Berührung der Papier- bzw. Kartonoberflächen. Eine Optimierung des Systems Blasluft und Ansaugen der Hinterkante der Bögen ist hier denkbar.
Dabei muss jedoch beachtet werden, dass, ähnlich wie bereits in Punkt 5.3 beschrieben, in diesem Bereich auch eine Markierung durch Oberbänder mög- lich ist, wenn die oberen Bogenpakete zu weit nach oben abgelenkt werden.
5.4.2 Stoppermarkierung in der Überlappung
Unterscheidung
der Markierungen Bei den Stoppermarkierungen ist prinzipiell zwischen Fangnip- und den eigentli- chen Stoppermarkierungen zu unterscheiden (vgl. auch Abbildung 13). Beide Markierungsarten entstehen meist während des Überlappens und Abbremsens der Bogenpakete. Fangnipmarkierungen sind an der Vorderkante der Bögen /7/, Stoppermarkierungen dagegen im ersten Drittel der Bögen sichtbar. Fangnip- markierungen treten dabei seltener auf als Stoppermarkierungen.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Änderung des
Bremswegs Eine Erhöhung der Geschwindigkeit am Querschneider ist, entsprechend Formel (1), mit einer Erhöhung des Bremsweges sR verbunden, wenn die Auflagekraft FN konstant gehalten wird. Durch diesen längeren Bremsweg verlängert sich ebenfalls die Länge der Markierung, wie am folgenden Praxisversuch deutlich gemacht wird:
Hier wurden Bogenpakete bei konstanter Auflagekraft FN mit verschiedenen Maschinengeschwindigkeiten in die Überlappungszone transportiert. Bei Erhö- hung der Geschwindigkeit kommt es dabei einerseits zu einer Verschiebung der Lage der Stoppermarkierungen und andererseits zu einer größeren markierten Fläche (Länge der Markierungen steigt).
170 m/min 180 m/min 220 m/min
Abbildung 17 Örtliche Lage und Länge der Markierungen bei Erhöhung der Maschinengeschwindigkeit
Durch diesen vergrößerten Bremsweg ist es möglich, die Auflagekraft zu reduzie- ren. Können die Überlappung und das nötige Bogenformat gehalten werden, ist es durch eine solche Vergrößerung des Bremsweges möglich, längere, jedoch weniger intensive Stoppermarkierungen zu erzeugen. Diese stellen kein quali- tätsminderndes Problem dar.
Eine Verlängerung des Bremsweges kann beispielsweise durch die Veränderung des Nips mittels Exzenterwalze realisiert werden.
Variation der
Saugluft Aus Versuchen in der Praxis ist bekannt, dass durch die Variation des Unter- drucks zum Ansaugen der Hinterkante der Bogenpakete (vgl. Abbildung 11) Stoppermarkierungen reduziert werden können.
Es wurde bereits gezeigt, dass durch das Ansaugen ca. 20% der Energie vernichtet werden können. Eine weitere Erhöhung dieses Anteils könnte die Markierungsbildung weiter reduzieren.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007
5.5 Stapelablage
Abbildung einer
Bogenstapelung Im Ableger werden die Bogenpakete auf Paletten abgelegt, vgl. Abbildung 18.
Abbildung 18 Ablage der Bogenpakete im Stapel Sternenhimmel-
markierung im Ableger
Ein Markierungsbild mit einer Sternenhimmelmarkierung ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung 19 Örtliche Lage einer Sternenhimmelmarkierung auf einem Bogen Die Markierung ist bei diesem Bogen nur in der Mitte zu finden. Eine mögliche Erklärung für diese Art der Markierung konnte aus dem in der Papierfabrik aufgenommenen Videofilm abgeleitet werden:
Bewegungs- abläufe im Ableger
Am Beginn der Ablage (vgl. die Bildfolge in Abbildung 20) liegen die ankommen- den Bogenpakete zunächst mehr oder weniger parallel zu den bereits abgeleg- ten Bögen (1). Infolge ihres Gewichtes beginnen sie sich jedoch bei einer be- stimmten freien Länge durchzubiegen (2). Durch das Einblasen von Luft soll diese Durchbiegung verhindert werden – Ziel ist es, die Bögen bis zum Ende des Ablegers „schwebend“ zu transportieren und dann auf den Stapel abzulegen. Die Videoaufnahmen zeigten jedoch, dass die Papiere sich zunächst so weit durch- bogen, dass ein Reiben der Vorderkanten auf dem bereits abgelegten Bogen in einem bestimmten Bereich nicht auszuschließen war (3). Nach dieser Bewegung wurde das nicht mehr vollständig geschlossene Bogenpaket durch die eingebla- sene Luft wieder angehoben (4) und anschließend „schwebend“ bis zum Ende des Ablegers transportiert (5, 6).
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Schematische
Darstellung der beobachteten Bewegungs- abläufe
2
1 3
6 5
4
22
11 33
66 55
44
Abbildung 20 Schematische Darstellung des beobachteten Bewegungsablaufs in der Ablage
1: Beginn der Stapelbildung – durch Leitbleche wird das ankommende Bogenpa- ket leicht nach oben abgelenkt
2: Infolge des Eigengewichtes kommt es zu einer Durchbiegung des Bogenpake- tes
3: Das durchgebogene Bogenpaket reibt über die Oberfläche des bereits abge- legten Bogens
4: Durch das Einblasen von Luft wird das Bogenpaket wieder in einer Ebene ausgerichtet und hebt sich vom Stapel ab
5: Im weiteren Verlauf hebt sich das hintere Ende des Bogenpaketes weiter nach oben
6: Das Bogenpaket legt sich auf den Stapel ab Weitere
Bewegungs- abläufe
Neben dem in Abbildung 20 dargestellten Bewegungsablauf kommt es bei der Ablage im Stapel auch häufig vor, dass die Bogenpakete nicht, wie in dieser Abbildung in Phase 5 dargestellt, durch die Luftzufuhr an der Vorderkante wieder nach oben bewegt werden. Vielmehr reibt häufig die Vorderkante der ankom- menden Bogenpakete auf den bereits liegenden (ähnlich Phase 4 der Abbildung 20) Bögen, so dass an deren oberen Rand Sternenhimmelmarkierungen entste- hen können. Dies kann z.B. aufgrund hoher Formatgrößen oder unzureichender Biegesteifigkeit auftreten.
Wellenbewegung
im Ableger Zu Wellenbildungsprozessen (vgl. auch Punkt 5.3) kann es auch bei nicht optimal eingestellter Stapelbildung kommen. Auch hier ist es möglich, dass es durch starke Wellenbildungen zu einer partiellen Berührung des obersten Bo- gens des Bogenpaketes mit den Transportbändern kommt, die zu Markierungen führen können. Eine Optimierung der Blasluft an dieser Stelle kann das Problem lösen.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Fazit - Ableger Um Reibung von Bögen auf Bögen im Ableger zu vermeiden, wird Luft eingebla-
sen. Dies funktioniert jedoch nicht immer einwandfrei, so dass es infolge der Durchbiegung der Papiere zu Sternenhimmelmarkierungen kommen kann. In dieser Richtung sind Optimierungsarbeiten möglich. Wichtige Einflussgrößen sind dabei die Formatlänge, das Gewicht der Bogenpakete und der Volumen- strom der Lufteinblasung.
Eine weitere Möglichkeit, Markierungen dieser Art zu vermeiden, ist die Einstel- lung der Fallhöhe der Bögen. Damit kann ein direkter Kontakt der Bogenpakete mit den bereits abgelegten Bögen auch bei stärkerer Durchbiegung verhindert werden.
6 Anlage zur Simulation von Querschneidermarkierungen
Prinzip der Simulations- anlage
Um Einflussgrößen auf die Entstehung der Markierungen um Labor untersuchen zu können, wurde im Rahmen des Forschungsprojektes eine Simulationsanlage entwickelt. Diese Simulationsanlage besteht aus einem Linearantrieb, mit dem ein als Probenhalterung dienender Schlitten stufenlos auf eine Geschwindigkeit von maximal 300 m/min beschleunigt werden kann. Während der Schlitten mit der aufgespannten Probe die eingestellte Geschwindigkeit erreicht hat, kommt er mit einem stationär installierten Reibpartner in Berührung, der die Markierungen auf dem Papier bzw. dem Karton hervorruft. Durch eine manuelle Druckeinstel- lung können verschiedene Auflagekräfte gewählt werden. Die tatsächlich wirken- de Druckkraft wird durch eine Kraftmessdose gemessen und an einen PC übertragen. Abbildung 21 zeigt den Aufbau der Anlage.
Aufbau der Simulations- anlage
In diesem Bild ist die Simulationsanlage während eines Versuches dargestellt.
Die Probenhalterung (Schlitten) mit dem befestigten Prüfstreifen befindet sich unterhalb des Reibpartners, in diesem Fall einem Bändermaterial.
Reibpartner
Kraftmessdose Probenhalterung
(Schlitten) Prüfstreifen
Reibpartner
Kraftmessdose Probenhalterung
(Schlitten) Prüfstreifen
´ Abbildung 21 Aufbau der Simulationsanlage
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Größenordnung
der
Auflagenkräfte
Zur Bewertung der im Querschneider wirkenden Kräfte wurden in Diskussion mit Experten die folgenden Einschätzungen der wirkenden Kräfte für die Anwendung der Simulationsanlage gemacht:
• Die schnellen Oberbänder liegen im Bereich niedrigerer Kräften bis ca.
25 N.
• Im Bereich der Überlappung können höhere Kräfte im Bereich von 40 bis 50 N auftreten.
Durchführung
der Versuche Aufgrund dieser Einschätzung wurden die Versuche zur Simulation so durchge- führt, dass jeweils drei Durchgänge bei
• geringen Auflagekräften (bis ca. 25 N),
• mittleren Auflagekräften (bis ca. 50 N) und
• hohen Auflagekräften (ab ca. 50 N) gefahren wurden.
6.1 Visuelle Bewertung der Markierungen
Vorgehen zur visuellen Bewertung
Um eine praxisnahe visuelle Bewertung der an der Simulationsanlage markierten Muster durchführen zu können, wurden verschiedenen Experten Proben vorge- legt. Diese begutachteten die Oberfläche (Glanzpotenzial) und gaben an, ob dieses Muster in der Praxis reklamiert würde oder nicht. Da diese Angaben entsprechend dem Verwendungszweck variieren können, wurde das in Tabelle 1 angegebene Notensystem entwickelt, um die Markierungstendenz zu bewerten.
Eine Variation, die zu verschiedenen Grenzwerten in der Praxis führen kann, ist beispielsweise das Endprodukt. Bei vollflächigem Druck, z.B. in Werbeprospek- ten, werden höhere Anforderungen gestellt als bei nicht vollflächigem Druck.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Bewertungs-
kriterien Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Bewertungskriterien, nach denen die mittels der Simulationsanlage markierten Kartons bzw. Papiere benotet wurden. Dazu wurde das Schulnotensystem verwendet, wobei die Note 5 für starke Markierungen vergeben wurde. Zusätzlich gibt die Note 0 an, dass auf dem Musterbogen keinerlei Markierungen sichtbar waren.
Tabelle 1 Notenbildung für die visuelle Bewertung der Markieranfälligkeit Papier bzw. Karton
gegen Band
Papier gegen Papier
Im Druckbild
sichtbar In Praxis
0 Keine Markierung sichtbar Nein OK
1
Markierung an einigen Stellen sichtbar
Markierung leicht
sichtbar Nein OK
2
Markierung als durchgehender Streifen leicht sichtbar
Markierung sichtbar Nein OK
3 Markierung gut sichtbar Kaum Grenzwert
4 Markierung deutlich sichtbar Gut Grenzwert
5 Markierung sehr deutlich sichtbar Deutlich Nicht OK Drucktest und
Experten- bewertung
Bei den Bogen, die nach der Markierung mit den Noten 0 bis 2 bewertet wurden, konnte bei den gewählten Druckbedingungen an der Probedruckmaschine kein Einfluss auf das Druckbild gefunden werden. Nach Expertenmeinung sind diese Papiere bzw. Kartons ohne Beanstandung.
Bei den Mustern, die mit der Note 3 bewertet wurden, ist im Druckbild eine leichte, kaum sichtbare Verringerung der Farbdichte erkennbar. Bei Note 4 ist diese streifenförmige Verschlechterung des Druckbildes gut sichtbar. Diese Kartons bzw. Papiere sind in der Praxis als grenzwertig zu betrachten; sie könnten reklamiert werden, vor allem dann, wenn das Papier vollflächig bedruckt werden soll.
Wurden Muster mit Note 5 bewertet, ist die Markierung als heller Streifen im Druckbild deutlich sichtbar. In der Praxis werden diese Papiere bzw. Kartons mit hoher Wahrscheinlichkeit reklamiert.
6.2 Messtechnische Bewertung und Entstehungsmechanismus der Markierungen
Aufnahmen der Oberflächen- topografie
Für die Darstellung der Oberflächentopografie und zur Ableitung der Effekte, die die Markierungen hervorrufen, können Aufnahmen mittels Atomkraftmikroskop verwendet werden.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 AFM-Aufnahme
einer Stopper- markierung
Die folgende Abbildung zeigt einen Ausschnitt einer Stoppermarkierung. Diese ist als gerader Streifen in der Aufnahme sichtbar. Aus dieser Aufnahme wurden anschließend zwei Höhenlinien einer nicht markierten und einer markierten Stelle generiert. Bei der markierten Stelle wird im Vergleich zur nicht markierten Stelle eine deutliche Abnahme der Höhenwerte, also der Rauhigkeit, sichtbar.
Abbildung 22 AFM-Aufnahme einer Stoppermarkierung und daraus generierte Höhenlinien
Bei der Markierungsbildung kommt es somit zu einer Verringerung der Rauhig- keit, die als Glanzerhöhung sichtbar wird. Da die Markierungen jedoch örtlich sehr begrenzt auftreten konnten Unterschiede in den Rauhigkeitskennwerten der gesamten gemessenen Fläche nicht festgestellt werden.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Schematische
Darstellung der Markierungs- bildung
Die folgende Abbildung zeigt schematisch die bei der Markierungsbildung ablaufenden Prozesse. Durch kombinierte Druck- und Scherbeanspruchungen zweier Oberflächen werden diese partiell geglättet.
Mattpapier- Oberfläche
(Makro-rau/Mikro-rau) Reibpartner
Festkörperkontakt (Scheuern)
Glanzstellen (Markierungen) Mattpapier- Oberfläche
(Makro-rau/Mikro-rau) Mattpapier-
Oberfläche
(Makro-rau/Mikro-rau) Reibpartner
Reibpartner
Festkörperkontakt (Scheuern)
Festkörperkontakt (Scheuern)
Glanzstellen (Markierungen) Glanzstellen (Markierungen) Abbildung 23 Schematische Darstellung der Markierungsbildung /8/
Durch diese Glättung bzw. Abnahme der Rauhigkeit wird einstrahlendes Licht nicht mehr diffus, sondern gerichtet reflektiert, was optisch als eine Erhöhung des Glanzes wahrgenommen wird, vergleiche die folgende Abbildung 24.
Glanzstellen (Markierungen) Gerichtete
(direkte) Reflexion
Diffuse Reflexion
Glanzstellen (Markierungen) Glanzstellen (Markierungen) Gerichtete
(direkte) Reflexion
Diffuse Reflexion
Abbildung 24 Lichtreflexion an markierten und unmarkierten Stellen eines Mattpapiers /8/
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 AFM-Aufnahmen
von
Markierungen aus der Praxis und von der Simulations- anlage
Die folgenden Abbildungen zeigen, dass die mit der entwickelten Simulationsan- lage generierten Markierungen in ihrer Auswirkung auf die Oberflächentopografie Markierungen aus der Praxis entsprechen.
Sternenhimmelmarkierung Mit der Simulationsanlage generierte Markierung
Abbildung 25 AFM-Aufnahmen verschiedener Markierungen
Fazit Durch Untersuchungen der Oberflächentopografie mittels AFM ist es möglich, Oberflächenunterschiede zwischen markierten und nicht markierten Mustern darzustellen.
Es konnte weiterhin dargestellt werden, dass Oberflächendefekte aus der Praxis sowie von der Simulationsanlage das gleiche Erscheinungsbild haben.
Die Markierungen werden durch eine Reduktion der Rauhigkeit hervorgerufen, die als Erhöhung des Glanzes infolge gerichteter Lichtreflexion sichtbar werden
Weitere Versuche zur mess-
technischen Bewertung der Markierungen
Zur Bewertung der Markierungen wurden weitere Untersuchungen der Papier- bzw. Kartonoberfläche durchgeführt. Dabei konnten jedoch weder bei der Messung mittels GFM oder REM plus Bildanalyse Differenzierungen der unter- suchten Papiere bzw. Kartons gefunden werden. Auch durch Glanzmessungen markierter und nicht markierter Muster konnte keine Markierungstendenz gefun- den werden.
7 Versuche an der Simulationsanlage
7.1 Korrelation der Papier- bzw. Kartoneigenschaften mit der Markierungstendenz
Markieran- fälligkeit der Kartons
Die untersuchten Kartonsorten wurden, entsprechend ihrer Markieranfälligkeit, in vier verschiedene Markierungsklassen eingeteilt. Zur Bildung der Markierungs- klassen wurden die bei den verschiedenen Kräften entstandenen Markierungen visuell bewertet und grafisch dargestellt (vgl. die folgende Abbildung 26).
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 0
1 2 3 4 5
0 50 100 150 200
Kraft [N]
Note
Karton 12: Klasse 4 Karton 1: Klasse 3 Karton 2: Klasse 2 Karton 5: Klasse 1
Abbildung 26 Anfälligkeit verschiedener Kartonsorten in Abhängigkeit von der wirkenden Kraft
Entsprechend der Stärke der Markierung und dem Anstieg der Markierungsnei- gung mit höherer Kraftwirkung wurden die folgenden Klassen gebildet:
Klasse 1: sehr geringe Markieranfälligkeit (z.B. Karton 5)
Klasse 2: geringe Markieranfälligkeit, besonders bei geringen Belastungen Klasse 3: mittlere Markieranfälligkeit, schneller Anstieg der Markieranfälligkeit bei
mittleren Belastungen
Klasse 4: starke Markieranfälligkeit bereits bei geringen Belastungen (z.B. Karton 12)
Markieranfällig-
keit der Papiere Auch die verschiedenen Papiere mit unterschiedlichen flächenbezogenen Massen zeigten eine unterschiedliche Markieranfälligkeit. Während bei Sorte B100 ein geringer Anstieg der Markieranfälligkeit mit steigender Kraftwirkung zu verzeichnen war, ist das Papier C100 bereits bei geringen Kraftwirkungen relativ stark markieranfällig (vgl. Abbildung 27).
0 1 2 3 4 5
0 20 40 60 80
Kraft [N]
Note
B100 C100
Abbildung 27 Abhängigkeit der Markierungsneigung verschiedener Papiere in Abhängigkeit von der wirkenden Kraft
Abhängigkeit der Markieranfällig- keit von der flächen-
Tendenziell kann gesagt werden, dass die Markieranfälligkeit der Papiere mit steigender flächenbezogener Masse zunimmt. Eine Ausnahme bildet das unter- suchte Papier mit einer flächenbezogenen Masse von 150 g/m², das eine hohe
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 bezogenen
Masse Markieranfälligkeit aufweist. Dies wird auch vom Hersteller des Papiers bestätigt.
Abhängigkeit der Markieranfällig- keit von den Papier- und Kartoneigen- schaften
Eindeutige Abhängigkeiten der Markieranfälligkeit von den Eigenschaften der Papiere bzw. Kartons konnten nicht festgestellt werden. Tendenziell kann jedoch gesagt werden, dass Papiere bzw. Kartons mit
• höherem Glanz,
• geringerer Rauhigkeit,
• höherer Bruchkraft
weniger zu Markierungen neigen. Zusätzlich wurde bei den untersuchten Papie- ren ein Einfluss der Reibbeiwerte gefunden: je höher die Reibbeiwerte, umso geringer ist die Markierungstendenz der Papiere.
Dies sind jedoch, wie gesagt, nur Entwicklungstendenzen. Z.B. können auch Papiere mit einem geringen Glanz eine geringe Markieranfälligkeit aufweisen.
Ein Einfluss weiterer Kenngrößen der Kartons oder Papiere (Rauhigkeit nach PPS, Biegesteifigkeit, Scheuerfestigkeit, Kompressibilität) auf die Markieranfällig- keit konnte nicht gefunden werden.
7.2 Variation der Dicke (Stapelbildung)
Durchführung Die meisten Untersuchungen an der Simulationsanlage wurden so durchgeführt, dass auf dem Probenschlitten ein einzelnes Blatt Papier bzw. Karton befestigt war. Im Querschneider dagegen werden meist Bogenpakete transportiert, die aus bis zu 6 Lagen bestehen können. Je mehr Bögen gemeinsam verarbeitet werden können, umso höher die Produktivität der Anlage. Limitierender Faktor dabei ist die Messerbelastung.
Um diese Stapelbildung zu simulieren, wurden 4 bis 7 Papiere zu einem Stapel zusammengefasst.
Versuchs-
anordnung Die verschiedenen Papiere wurden in der entsprechenden Lagenanzahl gestaf- felt übereinander gelegt und am Rand mit Tesafilm fixiert. Die Versuchsanord- nung kann der folgenden Abbildung entnommen werden.
Bewegungsrichtung des Schlittens
Reibpartner
Bereich der auszuwertenden Markierung
Bewegungsrichtung des Schlittens
Reibpartner
Bereich der auszuwertenden Markierung
Abbildung 28 Schematische Darstellung der Stapelbildung und der Versuchs- anordnung
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Ergebnis Wie die folgende Abbildung zeigt, kann durch die Stapelbildung auf dem Schlit-
ten im Vergleich zu einer Einzellage eine Reduktion der Markieranfälligkeit erreicht werden. Ein signifikanter Einfluss der Anzahl der Bögen in diesem Stapel konnte bei den Untersuchungen nicht festgestellt werden.
0 1 2 3 4 5
0 20 40 60 80
Kraft [N]
Note
1 Bogen 4 Bögen 5 Bögen
Abbildung 29 Abhängigkeit der Markierungsneigung von Papier A200 in Abhängigkeit der Stapeldicke und der wirkenden Kraft
Fazit Eine höhere Bogenanzahl und damit eine höhere Kompressibilität des Bogenpa- ketes wirken sich positiv auf die Markieranfälligkeit aus. Ein Einfluss der Kom- pressibilität der Papiere bzw. Kartons konnte dagegen nicht festgestellt werden
7.3 Variation der Bändermaterialien
Ergebnisse Bei den Untersuchungen der Bändermaterialien wurde eine starke Abhängigkeit der Markieranfälligkeit von der Art des eingesetzten Bandes deutlich. Textile Bänder auf Basis von Polyamid- oder Mischgewebe mit geringen Reibkoeffizien- ten zeigten dabei die geringste Markierungstendenz.
Auswahl der Bänder- materialien
Bei der Auswahl der Bänder ist jedoch auch zu beachten, dass durch Reibung zwischen Band und Papier/Karton Energie vernichtet wird. Ist dieser Energiean- teil in der Überlappung zu gering, wird die Energie eventuell durch Reibung zwischen den Bogen vernichtet, was hier ebenfalls zur Markierungsbildung führen kann.
Die Auswahl der Bändermaterialien für die Querschneider erfolgt meist nach:
• der Partie, in der sie eingesetzt werden sollen sowie
• den Standzeiten.
Dabei üben die Bänder verschiedene Funktionen (Transport, Bremsen) aus, für die verschiedene Materialien, Reibkoeffizienten und Flexibilitäten (Dehnvermö- gen) notwendig sind.
Die Auswahl der Bändermaterialien sollte somit gemeinsam mit deren Herstellern erfolgen, um die benötigten Funktionalitäten mit den günstigsten Materialeigen- schaften für eine geringe Markierungstendenz auszuwählen.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Fazit Das Wissen um die Markierungstendenz der Bandmaterialien muss demnach
immer mit der Funktionalität des Bandes gemeinsam betrachtet werden.
7.4 Reibung Papier gegen Papier
Durchführung Die Reibung Papier gegen Papier wurde so durchgeführt, dass eine bestimmte Anzahl von Papierstreifen als stationärer Reibpartner in die Simulationsanlage eingespannt wurde.
Die Auswahl der Lagenanzahl richtete sich dabei einerseits nach der in der Praxis eingesetzten Anzahl Bögen in einem Bogenpaket und andererseits nach einer etwa gleichen Dicke der Stapel.
Ergebnisse Bei der Reibung Papier gegen Papier kommt es im Vergleich zur Reibung gegen die verschiedenen Bändermaterialien zu stärkeren Markierungen.
Während bei den Markierungen mit den Bändern durchgehende Markierungs- streifen entstanden, sind bei der Reibung Papier gegen Papier kurze, intensive Markierungen zu erkennen, die den Stoppermarkierungen der Praxis ähneln.
Unterschiede in der eingesetzten Lagenanzahl oder der flächenbezogenen Masse konnten bei diesen Untersuchungen nicht festgestellt werden. Die Ab- hängigkeiten der Markieranfälligkeit von der Papiersorte bestätigten sich auch hier.
7.5 Variation der Geschwindigkeit
Praxisversuche Aus der Praxis ist bekannt, dass durch die Reduktion der Geschwindigkeit des Querschneiders die Markierungstendenz verringert werden kann. Bei den durchgeführten Betriebsversuchen konnten beispielsweise die bei einer Ge- schwindigkeit von 190 m/min auftretenden Stoppermarkierungen durch die Reduktion der Geschwindigkeit auf 160 m/min fast vollständig eliminiert werden.
Durchführung Zur Überprüfung, ob diese Tendenz auch mit der Simulationsanlage gefunden wird, wurden Versuche mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchgeführt.
Die gewählten Geschwindigkeiten betrugen 100, 200 und 300 m/min.
Ergebnisse Wie in der Praxis konnte auch an der Simulationsanlage durch eine Geschwin- digkeitsreduktion die Markieranfälligkeit der Papiere verringert werden (vgl.
Abbildung 30)
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 0
1 2 3 4 5
0 20 40 60 80
Kraft [N]
Note
300 m/min 200 m/min 100 m/min
Abbildung 30 Markierungsneigung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der wirkenden Kraft
7.6 Variation des Umgebungsklimas
Durchführung Die Versuche zum Einfluss des Umgebungsklimas auf die Markieranfälligkeit wurden in einem Klimaraum mit folgenden Klimata durchgeführt:
Tabelle 2 Übersicht über die untersuchten Klimata
Klimabezeichnung Temperatur [°C] Rel. Luftfeuchtigkeit [%]
K1 20 60 K2 20 50 K3 30 40 Als Reibpartner wurden dabei sowohl ein Bandmaterial als auch das entspre-
chende Papier eingesetzt.
Einfluss des Klimas auf die Markieranfällig- keit
Die folgende Abbildung 31 zeigt den Einfluss der Klimata auf die Markieranfällig- keit.
0 1 2 3 4 5
0 20 40 60 80
Kraft [N]
Note
K1 K2 K3
Abbildung 31 Abhängigkeit der Markierungsneigung in Abhängigkeit vom Klima und der wirkenden Kraft
Dieser Einfluss des Klimas wurde nur bei den Untersuchungen Papier gegen
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Papier gefunden. Er war nicht immer so deutlich ausgeprägt wie in der Darstel-
lung, wurde jedoch bei allen durchgeführten Versuchen tendenziell gefunden.
Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass das Umgebungsklima vermut- lich einen Einfluss auf das Entstehen von Markierungen hat, die durch das Reiben von Papier auf Papier entstehen, also hauptsächlich auf die Sternen- himmelmarkierungen.
Praxis-
beobachtungen Drei untersuchte Papierfabriken haben unterschiedliche Möglichkeiten, das Raumklima am Querschneider zu beeinflussen. Die Annahme, dass sich das Umgebungsklima auf das Entstehen der Sternenhimmelmarkierungen auswirkt, kann durch Beobachtungen dieser drei Papierfabriken unterstützt werden:
Papierfabrik 1
Keine Möglichkeit zur Einstellung des Klimas; Temperaturschwankungen zwischen 17 und 26°C, Schwankungen der Luftfeuchtigkeit zwischen 30 und 60%
überwiegend Probleme mit Sternen- himmelmarkierungen
Papierfabrik 2
Temperatur schwankt zwischen 25 und 30°C, die Luftfeuchtigkeit wird durch einen Befeuchter auf ca. 40 bis 50%
eingestellt
ab und an, besonders im Sommer, Probleme mit Sternenhimmelmarkie- rungen
Papierfabrik 3 Raumklimaanlage für ca. 24°C und 50% Luftfeuchtigkeit
sehr selten Probleme mit Sternenhim- melmarkierungen.
8 Vermeidungsstrategien - Zusammenfassung der Ergebnisse
Eine wichtige Vorraussetzung für die Vermeidung von Markierungen am Quer- schneider ist die Kenntnis über
• den Ort der Entstehung,
• das Aussehen und die Lage sowie
• die für das Entstehen verantwortlichen Bewegungsabläufe.
Im vorliegenden Bericht wurden mögliche „Schadbilder“ der Markierungen mit den möglichen Entstehungsmechanismen aufgezeigt. Neben allgemeinen Aussagen zur Entstehung der Markierungen, z.B. durch die Überlappung, wurden durch Videoaufnahmen auch einige spezifische Phänomene einzelner Querschneider gefunden. Die folgende Übersicht soll die erarbeiteten sowie aus der Literatur bekannten Vermeidungsstrategien zusammenfassen.
Wurde in der Übersicht das Wort „Optimierung“ verwendet, kann dies eine bei der Bedienung der Querschneider mögliche Optimierung vorhandener Aggregate oder aber die Optimierung durch Erweiterung/Ausbau der vorhandenen Aggrega- te sein. Als Beispiel sei hier z.B. die Lufteinblasung am Ableger genannt.
Zur Erstellung dieser Übersicht wurden neben den erarbeiteten Erkenntnissen auch die Literaturquellen /2/ und /6/ hinzugezogen.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Maschinen-
bereich
Art der Markie-
rung Nötiges Wissen Vermeidungsstrategien Sternenhimmel-
markierungen
Umgebungsbedingun- gen: Temperatur, Luftfeuchtigkeit
Einstellung des Hallenklimas; keine hohe Luftfeuchtigkeit oder Temperatur Planrichtpar-
tie
Sternenhimmel- markierung
Genauer Ort der Entstehung
Umbau von stehendem Rakel auf Rollrakel
Erneuern der oberen Einzugswalze Vorziehpartie Einzugswalzen-
markierung
Eigenschaften der unteren und oberen
Einzugswalze Überschleifen oder Aufrauen der unteren Einzugswalze
Eigenschaften des Bändermaterials
Auswahl in Zusammenarbeit mit dem Hersteller, weitere Auswahl anhand von Versuchen mittels Simulationsanlage Optimierung des Systems Blasluft / Saugluft / Fangnip
Anpassung des Systems an die Biegesteifigkeit
Bänderpartie Oberband-
markierung Bewegungsabläufe (z.B. Wellenbildung), genauer Ort der
Entstehung Blasluft von oben zur Vermeidung von Wellenbildungen
Optimierung des Systems Auflagekraft / Bremsweg
Optimierung der Bremskraftaufteilung Veränderung des Überlappungsgrades Lückenoptimierung
Stopper / Fangnipmarkie- rung
Konstruktive Lösungen, z.B. Fangrollen Korrektur der Planrichtwirkung
Überlappung
Sternenhimmel-
markierung Optimierung des Systems Blasluft / Saugluft
Optimierung der Lufteinblasung Anpassung des Systems an die Biegesteifigkeit
Oberband- markierung
Bewegungsabläufe beim Ablegen, genauer Ort der Entstehung
Optimierung der Fallhöhe Optimierung der Lufteinblasung Anpassung des Systems an die Biegesteifigkeit
Ablage
Sternenhimmel- markierung
Bewegungsabläufe beim Ablegen, genauer Ort der Entstehung
Optimierung der Fallhöhe
Hinzu kommt die Kenntnis über den möglichen Einfluss von Seiten der zu verarbeitenden Papiere bzw.
Kartons. Hier kann die entwickelte Simulationsanlage vor allem dazu genutzt werden, um markierungs- resistentere Oberflächen zu entwickeln.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007
Ansprechpartner für weitere Informationen:
Dipl.-Ing. Anke Lind Tel. 089/12146-176 anke.lind@ptspaper.de
Papiertechnische Stiftung PTS Heßstraße 134
80797 München Tel. (089) 1 21 46-0 Fax (089) 1 21 46-36 e-Mail: info@ptspaper.de www.ptspaper.de
