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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
sowie ein Verfahren zur Messung und/oder Kontrolle der Dicke einer
Lackschicht auf einer rotierenden Walze einer Lackiermaschine.
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Die Lackierung stellt heute einen
wichtigen Schritt bei der Herstellung von Druckprodukten dar. Sie dient
einerseits zum Schutz der Oberfläche
vor mechanischer Beschädigung
(Abrieb, Kratzer) und andererseits zur Erzielung optischer Effekte
(Glanz), um die Werbewirksamkeit zu steigern.
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Neben der klassischen Lackierung,
die nach dem Druck bei einem Lohnveredelungsbetrieb aufgebracht
wird, ist ein starker Trend zur „Inline-Lackierung" direkt
im Offset-Druckbetrieb festzustellen. Die überwiegende Anzahl der verkauften
Offset-Druckmaschinen
ist heute mit einem integrierten Lackierwerk ausgerüstet.
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Entscheidend für die Schutzwirkung des Lackes,
bzw. für
die Erzielung des gewünschten
optischen Effekts ist die auf dem Bedruckstoff verbleibende Lackschicht.
Ist sie zu dünn,
ist der Schutz gegenüber
mechanischen Einwirkungen nicht mehr gewährleistet. Wird der Lack hingegen
zu dick aufgetragen, verlängert sich
die Trocknungszeit, bzw. der Eindruck des optischen Effekts wird
reduziert. Bei strahlungshärtenden
Lacksystemen ist die Einhaltung der für einen Druckauftrag optimalen
Schichtdicke besonders wichtig, da der Auftrag einer zu hohen Schichtdicke
zu einer unvollständigen
Härtung
der Schicht führt.
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Zur Bestimmung der Schichtdicke von
transparenten Materialen existieren Messgeräte, welche die Dämpfung von
elektromagnetischer Strahlung durch charakteristische Absorptionsbanden
dieser Materialen im Infrarotbereich ausnützen. Dieses Messverfahren
muss für
jedes Material auf eine bekannte Schichtdicke kalibriert werden.
Im Falle von Lackschichten auf typischen Druckprodukten, wo diese Schichten
sowohl auf Druckfarbenschichten als auch auf den Bedruckstoff aufgetragen
werden, muss dieses Verfahren auf jede mögliche Kombination dieser Materialen
kalibriert werden.
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Ein anderer Ansatz bestimmt die Schichtdicke
auf den Auftragswalzen, über
die das Material vom Vorratsbehälter
auf den Bedruckstoff transportiert wird. Der Spaltfaktor, d.h. das
Verhältnis
von angebotener zu übertragener
Schichtdicke, bleibt in aller Regel konstant. Somit ist die Schichtdicke
auf einer Auftragswalze proportional zum übertragenen Film.
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Bei einem bekannten Verfahren wurde
zur Messung des Feuchtmittelgehalts in einer Druckfarbenschicht
das unterschiedliche Absorptionsverhalten von Wasser und Druckfarbe
bei zwei Wellenlängen
im Infrarotbereich ausgenützt.
Das Gerät
wurde ebenfalls zur Bestimmung von Wasserfilmen auf Druckplatten
eingesetzt, wobei hier jedoch keine Kalibrierung möglich war,
so dass nur die Veränderung
der Schichtdicke gemessen werden konnte.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung
und/oder Kontrolle der Dicke einer Lackschicht auf einer rotierenden
Walze einer Lackiermaschine anzugeben, wodurch die Lackschichtdickenverhältnisse
in Lackierwerken zuverlässig
bestimmt werden können.
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Die Kenntnis der gemessenen Lackschichtdicken
eröffnen
die Möglichkeit,
die Steuerung und Voreinstellung von Lackierwerken anhand vorgegebener
Zahlenwerte zu realisieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch
die Merkmale der Ansprüche
1 und 10 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung und/oder
Kontrolle der Dicke einer Lackschicht auf einer rotierenden Walze
einer Lackiermaschine weist im wesentlichen folgende Verfahrenschritte
auf:
Ausrichten einer ersten Messeinrichtung auf die Lackschicht;
Messung
einer von der Dicke der Lackschicht sowie vom Abstand der Messeinrichtung
von der Walze abhängigen
ersten Messgröße;
Messung
einer dem Abstand der ersten Messeinrichtung von der Walze entsprechenden
zweiten Messgröße mittels
einer zweiten Messeinrichtung, wobei die erste und die zweite Messgröße zeitsynchron
ermittelt werden;
sowie Bestimmung der Dicke bzw. einer Änderung
der Dicke der Lackschicht aus den beiden Messgrößen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung
und/oder Kontrolle der Dicke einer Lackschicht auf einer rotierende
Walze einer Lackiermaschine ist gekennzeichnet durch, eine erste
Messeinrichtung, die eine von der Dicke der Lackschicht sowie vom
Abstand der Messeinrichtung von der Walze abhängige erste Messgröße liefert,
eine zweite Messeinrichtung zur zeitsynchronen Messung einer dem
Abstand der ersten Messeinrichtung von der Walze entsprechenden
zweiten Messgröße sowie
eine Auswerteeinrichtung, die aus den beiden Messgrößen die
Dicke bzw. eine Änderung
der Dicke der Lackschicht bestimmt.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die erste Messeinrichtung durch einen kapazitiven
Sensor und die zweite Messeinrichtung durch einen faseroptischen
Sensor gebildet.
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Durch die beiden zeitsynchronen Messungen
lässt sich
die Dicke der Lackschicht auch bei mechanischen Störgrößen, wie
Walzenunrundheiten und Vibrationen, zuverlässig bestimmen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung eines
Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen
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1 eine
schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung
und/oder Kontrolle der Dicke einer Lackschicht auf einer rotierenden
Walze einer Lackiermaschine und
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2 eine
schematische Aufsicht der Vorrichtung gemäß 1.
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Die in den Zeichnungen dargestellte
Vorrichtung zur Messung und/oder Kontrolle der Dicke einer Lackschicht 1 auf
einer rotierenden Walze 2 einer Lackiermaschine besteht
im Wesentlichen aus einer ersten Messeinrichtung 3, die
eine von der Dicke der Lackschicht 1 sowie vom Abstand
der Messeinrichtung 3 von der Walze 1 abhängige erste
Messgöße A liefert,
einer zweiten Messeinrichtung 4 zur zeitsynchronen Messung
einer dem Abstand D1 der ersten Messeinrichtung 3 von
der Walze 2 entsprechenden zweiten Messgröße B sowie
einer Auswertereinrichtung 5, die aus den beiden Messgrößen A, B
die Dicke x bzw. eine Änderung der
Dicke der Lackschicht 1 bestimmt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel
wird die erste Messeinrichtung 3 durch einen kapazitiven
Sensor gebildet, der ein erstes, bezüglich der Walze 2 verstellbares
Kondensatorelement 3a und ein durch einen, dem ersten Element
gegenüberliegenden
Bereich der Walze 2 gebildetes zweites Kondensatorelements 3b aufweist.
Ferner sind Mittel 6 zum Verschieben der ersten Messeinrichtung
vorgesehen, um den Abstand D1 der Messeinrichtung 3 von
der Walze 2 zu verändern.
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Die zweite Messeinrichtung 4 wird
beispielsweise durch einen faseroptischen Sensor gebildet, der wenigstens
drei nebeneinanderliegende optische Fasern 4a, 4b, 4c,
aufweist, wobei das Licht aus den mittleren Fasern 4a mit
einem vorgegebenen Öffnungswinkel
austritt an der Walze 2 reflektiert und in die beiden Fasern 4b, 4c eintritt.
Die reflektierte Lichtmenge ist proportional zum Abstand D2 zwischen der Lichtaustrittsöffnung der
Messeinrichtung 4 und der Oberfläche 2. Bildet man
den Quotienten aus den beiden Lichtmengen der Fasern 4b, 4c,
ist dieses Messprinzip unempfindlich gegen über Änderungen des Reflektionsvermögens der Oberfläche.
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Diese Eigenschaft ist für die Bestimmung
der zweiten Messgröße besonders
wichtig, da die Benetzung der Walze 2 mit Lack für den optischen
Sensor wie eine Änderung
des Reflektionsvermögens
wirkt. Durch die prinzipbedingte Transparenz der Lacke ist gewährleistet,
dass der Sensor auch nach Benetzung der Walzenoberfläche den
Abstand zur Oberfläche
der Walze 2 erfasst. Es sind ferner Mittel 7 zum
Verschieben der zweiten Messeinrichtung 4 relativ zu Walze 2 vorgesehen.
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Die erste Messgröße A und die zweite Messgröße B werden
der Auswerteeinrichtung 5 zugeführt, die aus beiden Messgrößen die
Dicke x bzw. eine Änderung
der Dicke der Lackschicht 1 bestimmt. Die Auswerteeinrichtung
liefert ein Ausgangssignal AUS, welches beispielsweise zur Anzeige
der gemessene Dicke x oder zur Steuerung bzw. Einstellung der Lackiermaschine
verwendet werden kann.
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Die Mittel 6 und 7 zum
Verschieben der ersten und zweiten Messeinrichtung 3, 4 können beispielsweise
durch piezoelektrische Aktoren gebildet werden. Zweckmäßigweise
werden die beiden Messeinrichtungen 3, 4 und die
zugehörigen
Mittel 6, 7 auf einer gemeinsamen Plattform 8 angeordnet,
die Verschiebemittel aufweisen kann, um die beiden Messeinrichtungen 3, 4 gemeinsam
relativ zur Walze zu verstellen.
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Im Folgenden wird das Messprinzip
zur Bestimmung der Dicke x bzw. einer Änderung der Dicke der Lackschicht
1 näher erläutert:
Die
Abstandsmessung bei kapazitiven Sensoren beruht auf dem Zusammenhang
der Kapazität
C des Kondensators und dem Abstand d zwischen den Kondensatorplatten:
ε
0:
Elektrische Feldkonstante
ε
r:
Relative Dielektrizitätskonstante
F:
Fläche
einer Kondensatorplatte
C: Kapazität des Kondensators
d:
Abstand zwischen den Kondensatorplatten
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Die relative Dielektrizitätskonstante εr ist materialabhängig. Bei Wegmessungen befindet
sich meistens ein Gas oder Gasgemisch, wie Luft, zwischen den Kondensatorplatten.
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Im vorliegenden Fall befindet sich
jedoch auf dem zweiten Kondensatorelement 3b eine Lackschicht 1 mit
der Dicke x.
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Um die Dicke x zu bestimmen, geht
man von folgenden Überlegungen
aus:
Physikalisch handelt es sich um eine Reihenschaltung von
zwei Kondensatoren, deren Elektroden einmal im Abstand x mit einer
relativen Dielektrizitätskonstante ε
x und einmal im Abstand (D
1 – x) mit
der relativen Dielektrizitätskonstante ε
L angeordnet sind. Berechnet man die von
außen
messbare Gesamtkapazität
C erhält man
folgendes Ergebnis:
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Aus (4) geht hervor, dass
bei Kenntnis des Abstands D1 und der relativen
Dielektrizitätskonstante εx und εL aus
der gemessenen Kapazität
C die Dicke x berechnet werden kann.
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Das erste Kondensatorelement 3a kann
als Planfläche
ausgebildet werden, wobei die Oberfläche des zweiten Kondensatorelements 3b dagegen
gekrümmt
und wesentlich größer in der
Flächenausdehnung
ist. Um die Gleichung (2) auf solche Systeme anwenden zu
können,
sollte das erste Kondensatorelement folgenden Bedingungen genügen:
- – Die
Fläche
des ersten Kondensatorelements muss klein gegenüber der Walzenoberfläche sein;
- – Der
Durchmesser des ersten Kondensatorelements muss klein gegenüber dem
Krümmungsradius
der Walze sein,
- – Die
Fläche
des ersten Kondensatorelements muss von einem metallischen Schutzring
umgeben sein, der auf Bezugspotential liegt.
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Sind diese Bedingungen erfüllt, lässt sich
diese Anordnung als Plattenkondensator betrachten, dessen Fläche F gleich
der Fläche
des ersten Kondensatorelements 3a ist.
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Zu Bestimmung der Schichtdichte x
wird zusätzlich
der Abstand D1 benötigt.
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Dieser Abstand wird mit der zweiten
Messeinrichtung 4 ermittelt, wobei in einem vorhergehenden
Justierschritt der Abstand D12 zwischen
der ersten und der zweiten Messeinrichtung 3, 4 bestimmt
worden ist.
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Neben dem Abstand D1 ist
die Kenntnis der relativen Dielektrizitätskonstanten εx und εL unerlässlich zu
Berechnung der Schichtdicke x. Für
den mit Luft oder einem anderen Gas gefüllten Raum zwischen der Lackschicht
und dem ersten Kondensatorelement 3a lässt sich εL einschlägigen
Tabellenwerken mit hinreichender Genauigkeit entnehmen. Die relative
Dielektrizitätskonstante εx muss für
jedes Lacksystem ermittelt werden. Dies kann unabhängig von
der Schichtdickenbestimmung mit handelsüblichen Geräten zu Bestimmung der relativen
Dielektrizitätskonstante
erfolgen.
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Das erste Kondensatorelement 3a ist
parallel zur Walze 2 ausgerichtet und kann über die
Mittel 6 senkrecht zur Walze verstellt werden. Der Messstrahl
der zweiten Messeinrichtung 4 ist senkrecht zur Walze 2 ausgerichtet
und beide Messeinrichtungen 3, 4 sollten im geringstmöglichen
Abstand zu einander positioniert werden.
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Je nach Art des Messprinzips der
zweiten Messeinrichtung 4 kann es erforderlich sein, die
zweite Messeinrichtung in einem vorgegebenen mittleren Abstand D2 zu positionieren, um eine lineare Arbeitsweise
zu gewährleisten.
Die Positionierung kann dabei entweder über die Mittel 7 oder
eine Verstellung der Plattform 8 erfolgen. In einem Justierschritt
wird der Abstand D12 zwischen der zweiten
Messeinrichtung und dem ersten Kondensatorelement 3a der
ersten Messeinrichtung ermittelt. Darüber hinaus kann die erste Messeinrichtung 3 über die
Mittel 6 gemäß dem Doppelfeil 9 im
Bezug auf die Walze 2 verstellt werden. Der Verstellweg
d1 beträgt
beispielsweise 80 μm.
Bestimmt man nun D12 so, dass D2 – D12 = 80 μm
beträgt,
genügt
der Abstand D1 des ersten Messeinrichtung 3 von
der Walze 2 folgender Gleichung: D1 = D2 – (D12 + d1) 0 ≤ d1 ≤ 80 μm (5)
mit
d1 als Auslenkung der ersten Messeinrichtung 3.
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Mit den Gleichungen (
4)
und (
5) ergibt sich die mittlere Dicke x der Lackschicht
wie folgt:
wobei
D1(t)
= D2(t) – (D12 +
d1(t)) 0 ≤ d1(t) ≤ 80 μm (7) -
Die mittlere Lackschichtdicke wird
sich nur langsam gegenüber
Störgrößen wie
Unrundheiten der Walze oder Vibrationen des Aufbaus ändern. Diese
Störgrößen sind
im Term D2(t) enthalten und werden durch
die Messung berücksichtigt.
D1(t) ist die Auslenkung der ersten Messeinrichtung,
die beispielsweise über
einen D/A-Wandler
vorgegeben wird. Erfolgt die Messung innerhalb einer Zeitspanne,
die klein gegenüber
der Änderung
Lackschichtdicke ist, ergibt sich die gesuchte Schichtdicke x aus
der Gleichung (6).
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Über
eine Steuereinrichtung 10 wird Größe d1 vorgegeben.
Die Genauigkeit der Messung steigt, je besser sich das erste Kondensatorelement 3a der
Lackschicht 1 annähert.
Dabei ist eine Regelung von d1 durch kontinuierliche
iterative Annäherung
an die tatsächliche
Schichtdicke, bzw. eine Interpolation der Schichtdicke durch kontinuierliche
Messung eines periodischen Verlaufs von d1 erdenkbar.
Beim annähern
der ersten Messeinrichtung an die Lackschicht 1 kann es
zum Auftreten von „Nebeln"
kommen. Unter „Nebeln"
versteht man die Ablösung
von kleinsten Tröpfchen
aus der Lackschicht, die ein Aerosol bilden, und somit die relative
Dielektrizitätskonstante εL im Luftspalt des Kondensators unvorhersehbar ändern. Zur
Vermei dung dieses Effekts können
Mittel 11 zum Einblasen eines Gases in den Spalt zwischen
Lackschicht 1 und der ersten Messeinrichtung 3 vorgesehen
werden.
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Die oben beschriebene Vorrichtung
sowie das Verfahren zur Messung und/oder Kontrolle der Dicke einer
Lackschicht auf einer rotierenden Walze einer Lackiermaschine erlaubt
sowohl den Maschinenherstellern eine Optimierung ihrer Steuer- und
Regelungsstrategien, als auch dem Drucker vor Ort eine verbesserte Einstellmöglichkeit
sowie eine schnellere und zielgenauere Reaktion auf Veränderungen
dieses Parameters.
