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Dokumentenidentifikation DE19939775A1 01.03.2001
Titel Druckzylinder, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung
Anmelder Siegwerk Druckfarben GmbH & Co. KG, 53721 Siegburg, DE
Erfinder Bleck, Wolfgang, 52072 Aachen, DE;
Böllinghaus, Thorsten, 52072 Aachen, DE;
Hagen, Heiko von, 52072 Aachen, DE;
Griebel, Rudolf, Dr., 53721 Siegburg, DE
Vertreter Godemeyer, T., Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 51491 Overath
DE-Anmeldedatum 21.08.1999
DE-Aktenzeichen 19939775
Offenlegungstag 01.03.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2001
IPC-Hauptklasse B41F 13/08
IPC-Nebenklasse B41F 13/10   B41F 13/11   
Zusammenfassung Gegenstand der Erfindung ist eine zum Einsatz in Rotationsdruckmaschinen als Rolle oder als Druckzylinder vorgesehene Zylinderkonstruktion aus konzentrischen Zylinderrohren in Sandwichbauweise mit einem Außenrohr 1 und mindestens einem darin angeordneten Innenrohr 3, wobei in dem Leerraum zwischen Außenrohr 1 und Innenrohr 3 eine Schaumfüllung 2 angeordnet ist. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des Druckzylinders und seine Verwendung.

Beschreibung[de]

Gegenstand der Erfindung ist eine zylindrische Walze aus konzentrischen Zylinderrohren zum Betrieb in Rotationsdruckmaschinen als "Papier-Leitspindel", und als "Umlenkrolle" und insbesondere als "Formzylinder" in Offset- und Flexodruck-Maschinen bzw. als "Tiefdruckzylinder" in Tiefdruck-Maschinen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des Druckzylinders.

Herkömmliche Walzen von Rotationsdruckmaschinen, im Besonderen Formzylinder und Druckzylinder, die insbesondere im Tiefdruck eingesetzt werden, bestehen im allgemeinen aus einem zylindrischen Rohr konstanter Wandstärke. Dieses besitzt an den Außenseiten jeweils einen Achsflansch, durch den das Rohr mit den Achszapfen verbunden wird. Zur zusätzlichen Stützung in den Randbereichen können auch Achsronden vorhanden sein. Die Oberflächen der Walzen sind üblicherweise mit verschleißfesten Beschichtungen und je nach Anwendungszweck mit Funktionsprofilen versehen. Im Falle des Tiefdruckzylinders wird aus Gründen der gravur- oder ätztechnisch erfolgenden Druckmotiverzeugung die Oberfläche des Druckzylinders zunächst galvanisch verkupfert und nach der anschließenden Druckmotiverzeugung dann mit Hartchrom als Verschleißschutzschicht galvanisch verchromt. Abgesehen von diesen Galvano-Schichten besteht das Zylindermaterial im allgemeinen aus Stahl.

Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an die Walzen und Druckzylinder ist es bisher nicht gelungen, eine Normung zu schaffen. Alle Druckmaschinenhersteller verwenden daher mit jedem neuen Maschinentyp einer Druckmaschine auch neue Zylinderkonstruktionen, die individuell und abgestimmt auf die jeweilige Anwendung konstruiert und hergestellt werden. Aufgrund häufiger Formatänderungen bei den Druckerzeugnissen, der hohen Formatvariabilität des Tiefdruckes im Besonderen, der Erweiterung von Produktionskapazitäten und Druckbreiten sowie durch den Einsatz neuer Maschinentypen, die im Regelfalle sogar Individualbauten für jede große Druckerei darstellen, werden in diesem Bereich jährlich Investitionen in Millionenhöhe allein in Deutschland getätigt. Daher besitzen Walzen in Rotationsdruckmaschinen im Allgemeinen und Tiefdruckzylinder im Besonderen einen nicht zu vernachlässigenden wirtschaftlichen Stellenwert. In Summa ist aber auch der Energie- und somit Kostenaufwand beträchtlich, der aufgewendet werden muß, um die träge Masse dieser Zylinder zu beschleunigen und im Stationärzustand der Rotation zu regeln.

Bei der Wahl der Werkstoffe hat sich Stahl nach dem Stand der Technik als besonders geeigneter Werkstoff erwiesen. Es wurden zwar Versuche gemacht, auch Zylinder aus Aluminiumlegierungen herzustellen, da dies mit einer größeren Gewichtseinsparung und auch einer Einsparung von Antriebsenergie verbunden gewesen wäre. Jedoch konnte sich diese Anwendung aufgrund einiger gravierender Nachteile nicht durchsetzen. So ist bei Aluminiumzylindern ein galvanischer Auftrag von Kupfer direkt auf die Zylinderoberfläche nicht möglich, sondern nur über einen entsprechenden Zwischenträger. Weiterhin bestehen Probleme bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit einer unvermeidbar oxidierten Aluminiumoberfläche, wodurch eine schlechte Abscheidung der ersten Galvanoschichten bedingt ist und somit zusätzliche konstruktive und chemische Maßnahmen erforderlich würden, die die Herstellungskosten erheblich erhöhen.

Daher werden bis heute Stähle, üblicherweise niedrig legierte oder mikrolegierte Baustähle wie z. B. S 235 (frühere Bezeichnung St 37), eingesetzt. Sie besitzen eine gute Zähigkeit, sind wenig kerbempfindlich und besitzen ein günstiges Verhältnis von Dehngrenze zu Wechselfestigkeit.

Die Belastungen, die während des Betriebes für Tiefdruckzylinder kritisch sind, sind weniger Belastungen, die durch Zentrifugalkräfte und das am Zylinder wirksame Drehmoment des in Rotation befindlichen Zylinders entstehen. Die kritische Beanspruchung der Tiefdruckzylinder ergibt sich als ruhende Belastung aus den durch die Preßsitze hervorgerufenen Spannungen an den Enden der Tiefdruckzylinder und vor allem durch die Presseurdruckbelastung während der Rotation des Zylinders, wobei es sich um eine Wechselbeanspruchung handelt.

Durch den Druck des Presseurs wird der Tiefdruckzylinder durchgebogen, und zwar am stärksten in der Mitte der Längsachse. Um eine ausreichende Druckqualität zu erhalten, muß daher der Presseur so konstruiert sein, daß er dieser Durchbiegung zumindest in gewissen Grenzen folgen kann. Man hat sich daher in den letzten Jahren intensiv mit der Konstruktion von Presseuren beschäftigt, die diese Formanschmiegung innerhalb gewisser Grenzen erlauben.

Um die Durchbiegung der Tiefdruckzylinder möglichst niedrig zu hatten, müssen diese Zylinder eine hohe Steifigkeit und Festigkeit besitzen.

Die Zylinder werden weiterhin während des Betriebs in der Druckmaschine dynamisch belastet. Daher ist die Kenntnis des Schwingungsverhaltens der Zylinder wichtig. Eine Grundinformation hierüber liefern die Eigenschwingungsfrequenzen und die Eigenschwingungsformen der Zylinder. Die Schwingungen sollten möglichst gering sein, um eine hohe Laufruhe des Tiefdruckzylinders oder der Rolle zu erreichen. Insofern ist es wichtig, daß bei entsprechenden Konstruktionen darauf geachtet wird, daß sie eine geringe Schwingungsneigung zeigen. Auch während der Galvano-Prozesse und im Zuge des Oberflächen-Finishings durch Schleifen werden die Walzen schwingend belastet. Tiefdruckzylinder erfahren zusätzlich bei der in Folge eines Druckauftragswechsels notwendigen Oberflächen-Neugestaltung durch die Operationen des Fräsens, Drehens und Gravierens erhebliche Belastungen durch Schwingungen, die durch geeignete Auslegung der Zylinder-Konstruktion und der involvierten Materialien zu minimieren sind.

Herkömmliche Rollen in Rotationsdruck-Maschinen und Tiefdruckzylinder sind zur Erfüllung dieser vorgenannten Ansprüche in dickwandigen Stahlrohrkonstruktionen mit massiven Stützronden im Zylinder-Innenraum bzw. bei kleineren Formaten auch teilweise in Vollmaterial ausgeführt. Ein erheblicher Nachteil, der durch solche Konstruktionen bedingt ist, ergibt sich durch das Gewicht der Walzen und Tiefdruckzylinder, das bei den derzeit praktizierten Druckbreiten und Zylinderlängen, die im Tiefdruck 3,80 m erreichen und im Dekordruck beispielsweise 5 m überschreiten, mehrere Tonnen betragen kann. Das Verfrachten solcher Ruhemassen vom Hersteller eines Zylinderrohlings bis zum Anwender und Weiterverarbeiter erfordert einen nicht unerheblichen Aufwand. Ähnlich erschwert ist die Handhabung solcher Massen in den einzelnen Prozeß-Schritten der Druckvorbereitung von Tiefdruckzylindern, z. B. Galvano- Beschichtungen und Gravur. Ferner bedingen die erheblichen Trägheitsmomente und hohen Schwungmassen - wie bereits erwähnt - einen doch bedeutenden Energieaufwand hinsichtlich des Antriebs. Hinzu kommt, daß bei den im modernen Druckmaschinenbau bevorzugten phasenstarren "elektrischen Wellen", die in zunehmendem Maße Getriebe und Längs-Antriebswellen zum Antrieb der einzelnen Druckwerke einer Gesamtmaschine ersetzen, eine phasenstarre Regelung (Längsregister-Steuerung) der hochpräzise zusammendruckenden Einzelzylinder durch hohe Trägheiten erschwert wird. Der Regelaufwand und auch die Trägheit der Regelstrecke werden umso geringer, somit also die Präzision der phasenstarren Kopplung der Einzelzylinder umso besser, je geringer die träge Masse der Druckzylinder und der in der Registersteuerung involvierten Walzen ist. Bei den in jüngerer Zeit immer größer werdenden Druckbreiten und somit auch Zylinderlängen ist es demnach in hohem Maße wünschenswert, Zylinderkonstruktionen mit erheblich reduzierten Massen und Trägheiten zur Verfügung zu stellen.

Dementsprechend werden Verbundwerkstoffe aus faserverstärkten Kunststoffen als Konstruktionsmaterialien diskutiert. Ein leistungsfähiges Material ist diesbezüglich z. B. ein CFK-Verbund. Allerdings haben Vorstudien an verschiedenen Stellen ergeben, daß die Kosten eines Walzen- und Tiefdruckzylinderbaues unter Verwendung solcher polymerer Verbund-Werkstoffe derzeit sehr hoch sind.

Kostengünstiger und aus dem Stand der Technik bekannt sind ferner metallische Werkstoffverbunde, die aus massivem Metall und gewichtsreduzierendem Metallschaum bestehen. Die Herstellung derartiger Metallschäume wird beispielsweise in der DE 40 18 360 C1 beschrieben. Hierzu werden Metallpulver mit entsprechenden gasabspaltenden Treibmittelpulvern gemischt und anschließend kompaktiert, beispielsweise durch Strangpressen. Bei der Kompaktierung werden zwischen den Metallteilchen und den Treibmittelteilchen feste Verbindungen erzeugt. Das Gemisch wird danach aufgeheizt und entsprechende Metallschäume hergestellt, die eine geschlossenporige Struktur besitzen. Als gasabspaltende Treibmittel werden beispielsweise Hydride wie Titanhydrid eingesetzt.

Die DE 44 26 627 A1 beschreibt derartige metallische Verbundwerkstoffe. Diese bestehen aus entsprechenden Sandwich-Konstruktionen mit Deckschichten aus Aluminium oder anderen Metallen und Zwischenschichten aus Metallschaum. Weiterhin werden auch Hohlprofile aus metallischem Vollmaterial beschrieben, die auf der Außen- oder Innenseite mit aufschäumbaren Materialien beschichtet werden. Bei dem nachfolgenden Aufschäumvorgang expandiert der Metallschaum und füllt so beispielsweise den innenliegenden Bereich des Hohlraumprofiles aus. Technische Anwendungen des hergestellten Verbundmaterials werden in der Druckschrift nicht beschrieben.

Die DE 197 49 228 A1 beschreibt die Herstellung von Druckwalzen und Formzylindern in Rotationsdruckmaschinen, wobei ein hohler Stahlmantel mit einem Metallschaumkern gefüllt wird. Der Metallschaumkern wird außerhalb des Zylinderrohres in einem getrennten Prozeß hergestellt und nach entsprechender Bearbeitung und Anpassung in den Hohlraum des Zylinderrohres eingeführt und befestigt. Die Verbindung zwischen dem Metallschaumkern und der Innenfläche des Mantels erfolgt formschlüssig, beispielsweise über Profilfedern, aber auch über Schraubverbindungen. Weiterhin können auch Schrumpfverbindungen oder Klebeverbindungen angewendet werden.

Die in der Druckschrift beschriebenen Zylinder besitzen aufgrund ihres Metallschaumkernes, der den Innenraum des zylindrischen Rohres vollständig ausfüllt, Nachteile. Diese liegen in der geringen Schlupffestigkeit des in der Druckschrift beschriebenen Kern-zu-Hüllrohr-Verbundes. So besteht z. B. auch bei einem in der Druckschrift alternativ vorgesehenen Schrumpfverfahren zur Herstellung der Formschlüssigkeit durchaus die Gefahr, daß sich der Verbund infolge einer sich im Betrieb der Walze oder des Tiefdruckzylinders zunächst ergebenden Erwärmung des Außenrohres wieder löst und der Kern relativ zum Außenrohr eine eigenständige, schlupfende Drehbewegungen ausführt. Der Betrieb der Walze oder des Druckzylinders ist dann nicht mehr möglich.

Die Herstellung des Metallschaumkernes erfolgt in einem getrennten Verfahrensschritt außerhalb des Druckzylinders. Um eine genaue Einpassung des Metallschaumkernes in den Druckzylinder zu ermöglichen, ist es notwendig, diesen Metallschaumkern nachzubearbeiten. Dies ist jedoch aufwendig und verteuert die Herstellung des Druckzylinders.

Die technische Aufgabe der Erfindung war es daher, eine verbesserte Zylinderbauweise unter Verwendung von Metallschaum-Verbunden zur Verfügung zu stellen, die für den Einsatz als Tiefdruckzylinder gute mechanische Eigenschaften aufweist bei reduziertem Gewicht, ein günstiges Schwingungsverhalten besitzt und kostengünstig herstellbar ist. Es soll weiterhin eine haltbare Passung zwischen Metallschaum und Zylinder erreicht werden.

Eine weitere technische Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zur Herstellung solcher Zylinder zur Verfügung zu stellen, das eine in-situ- Schäumung ermöglicht und somit eine zusätzliche Anpassung des Metallschaumkernes an den Zylindermantel unnötig macht. Ferner wird durch diese erfindungsgemäße Maßnahme die Form- und Kraftschlüssigkeit gegenüber dem in DE 197 49 228 beschriebenen Stand der Technik wesentlich verbessert.

Die technische Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Aufbau aus vergleichsweise dünnwandigen, konzentrischen Zylinderrohren in Sandwichbauweise mit einem Außenrohr 1 und mindestens einem darin angeordneten Innenrohr 3, wobei in dem Leerraum zwischen Außenrohr und Innenrohr eine Schaumfüllung 2 angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Zylinders im Längsschnitt.

Die Fig. 2a und 2b zeigen Darstellungen zur Formschlüssigkeit des Zylinderrohres mit der Schaumschicht.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht der konzentrisch angeordneten Zylinderrohre im Längsschnitt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Zylinder ein im Außenrohr koaxial angeordnetes Innenrohr 3 auf.

Die Schaumfüllung besteht bevorzugt aus einem Metallschaum, besonders bevorzugt aus einem Aluminiumschaum oder einem Schaum aus einer Aluminiumlegierung und/oder Magnesium und/oder Magnesiumlegierung. Die Schaumfüllung kann aber auch aus einem Kunststoffschaum bestehen, in diesem Falle vorzugsweise aus einem Duromerschaum.

Zur Erzeugung einer haltbaren Verbindung zwischen der Schaumfüllung und den Zylinderrohren ist es weiterhin bevorzugt, an der Innenseite des Außenrohres und/oder an der Außenseite des Innenrohres konstruktive Maßnahmen für eine kraftschlüssige Materialverzahnung vorzusehen. Hierbei kann es sich um Rillen, Maserungen, Längsnuten, Quernuten oder Zapfen handeln, die auf der Oberfläche der Zylinderrohre angeordnet werden. In jedem Fall wird die so vorgesehene Rohrgestalt durch die in situ-Schäumung kraft- und formschlüssig gefüllt. Als Maßnahme zur Zentrierung des Innenrohres und des Außenrohres sind an den Stirnseiten der koaxial angeordneten Zylinderrohre 1 und 3 Distanzringe 8 angeordnet. Die Distanzringe 8 sind bevorzugt mit Gewindesacklöchern 9 versehen, die zur Verschraubung mit dem Achsflansch 5 dienen. Sie besitzen weiterhin Belüftungsbohrungen zur Schaffung eines Druckausgleiches während der Schäumung. Der Zylinder wird weiterhin bevorzugt mit Achszapfen 6 ausgerüstet, die die Verbundkonstruktion über die Achsflansche 5 und Achsronden 4 tragen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann zur Abstützung und Schwingungsdämpfung des Innenrohrs ein Schaumkern vorhanden sein, der in bevorzugter Weise aus einem Kunststoffschaum besteht. Auch hier wird als Kunststoffschaum bevorzugt ein Duromerschaum eingesetzt, der durch in situ- Schäumung erzeugt wird und dadurch ebenfalls kraft- und formschlüssig gepaßt ist.

Als Duromerschäume werden vorzugsweise Schäume auf folgender Basis eingesetzt: Polyurethane, Epoxidharze, Polyimidharze, Harnstoff-Formaldehyd- Harze, Melamin-Formaldehyd-Harze, Phenol-Formaldehyd-Harze und Harze aus härtbaren Phenol-Formaldehyd-Thermoplasten und lsocyanaten. Alle diese Harze können ferner Verstärkungsmittel wie z. B. Glasfasern, Glaspulver, Kohlefasern, aber auch mikronisierte Hohlkugel-Füllkörper aus Glas und/oder vernetzten Polymeren, mikronisierte Polyamid-Kugeln, Korkmehl und andere Füllstoffe enthalten.

Der erfindungsgemäße Zylinderaufbau ist als Rolle und als Tiefdruckzylinder hervorragend geeignet, da er im Vergleich zu einer herkömmlichen Zylinderkonstruktion bei deutlich geringerer Masse gleiche Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften aufweist bzw. bei gleicher Masse verbesserte Festigkeit und Steifigkeit verfügbar macht. Durch die Sandwichkonstruktion ist die Krafteinleitung in den Druckzylinder weniger problematisch gestaltet. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Druckzylindern mit Metallschaumkem liegt der Vorteil insbesondere darin, daß durch die in situ-Schäumung eine wesentlich verbesserte Formschlüssigkeit der Metallschaum-Schicht mit den Zylindermantelflächen erreicht wird. Eingeleitete Kräfte können somit zwischen den Verbund-Komponenten besser und mit verringerten Spannungsspitzen übertragen werden.

Besondere Bedeutung kommt dieser neuen Konstruktionsweise insofern zu, daß die Papierbahnbreiten, insbesondere im Illustrationstiefdruckbereich, immer größer werden und auch die Druckträgerbahngeschwindigkeiten mittlerweile bei 15 m/s liegen und die kommende Generation von Tiefdruckmaschinen diese Grenze sogar erheblich überschreiten wird. Damit wachsen die Kräfte, die auf die Lenkrollen und Tiefdruckzylinder wirken. Aufgrund der großen Papierbahnbreiten und entsprechend größerer Biegelänge der Tiefdruckzylinder und höherer Wirklänge der Presseure erhöht sich die Durchbiegung der Tiefdruckzylinder. Wie bereits vorstehend dargestellt wurde, kann diese Durchbiegung der Tiefdruckzylinder nur in gewissen Grenzen mit anpassungsfähigen Presseuren ausgeglichen werden. Der erfindungsgemäße Druckzylinder weist bei gleicher Masse höhere Steifigkeits- und Festigkeits-Eigenschaften auf als die herkömmlichen Tiefdruckzylinder nach dem Stand der Technik. Daher kommt es bei diesen Tiefdruckzylindern auch zu einer geringeren Durchbiegung und die Herstellung von Tiefdruckzylindern größerer Breite, die in den kommenden Maschinengenerationen mit Umfangsgeschwindigkeiten bis zu 30 mls laufen sollen, wird möglich. Die wünschenswerte Gewichtsreduzierung, die im Falle der großen Formate von besonderer Bedeutung ist, wird durch die erfindungsgemäße Konstruktion alternativ erreicht, sofern man sich mit konventionellen Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften begnügt. Mittelwege sind wegen des günstigen Masse/Steifigkeitsverhältnisses ebenfalls gangbar.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zylinders. Diese Herstellung erfolgt im Gegensatz zu dem Verfahren des Standes der Technik durch eine in-situ-Schäumung. Dabei wird der Metallschaum in dem Hohlraum zwischen den koaxial angeordneten Rohren direkt erzeugt und nicht außerhalb. Gemäß dem Verfahren wird das schäumbare Halbzeug an der Oberfläche des Innenrohres oder an der Innenfläche des Außenrohres fixiert. Das Halbzeug wird beispielsweise nach dem in der DE 40 18 360 beschriebenen Verfahren hergestellt.

Im Falle der Herstellung eines Tiefdruckzylinders erfolgt dann die für den drucktechnischen Einsatz unabdingbare Oberflächenbearbeitung des Druckzylinders. Hierzu gehört beispielsweise das Aufbringen der für den Tiefdruck notwendigen Kupferschicht, die Herstellung des Druckmotivs durch elektromechanische Gravur oder andere Verfahren, die Verchromung und das Oberflächenfinish zur Herstellung korrekter tribologischer Eigenschaften der druckenden Zylinderoberfläche. Diese Arbeitsschritte werden nach dem Stand der Technik durchgeführt. Wie erwähnt, sind die Zylinder während dieser Operationen schwingend erheblich belastet. Dadurch wird die Drucktauglichkeit des Ergebnisses dieser Arbeitsschritte gefährdet. Die durch die erfindungsgemäße Zylinderkonstruktion bedingten mechanischen Eigenschaften haben somit nicht nur im Auflagendruck, sondern auch in der Druckzylindervorbereitung hohe Relevanz.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchgeführt. Das Zylinderinnenrohr wird zunächst vorgelegt. Es werden dann maschinengefertigte, vorzugsweise axialgeschlitzte Überwurfringe aus schäumbarem Aluminiumhalbzeug auf das Zylinderinnenrohr aufgeschoben. Eine Axialschlitzung erlaubt eine leichte Federspannung der Überwurfringe und damit eine positionsgenaue Klemmung auf dem Innenrohr zur Vorbereitung der Schäumung. Es erfolgt dann das beidseitige Aufschrumpfen der Distanzringe 8 auf das Zylinderinnenrohr. Nachdem das Zylinderinnenrohr so vorbereitet wurde, wird das Zylinderaußenrohr auf die Distanzringe aufgeschrumpft. Daran anschließend erfolgt das Aufheizen des Zylinderrohres und die Erzeugung des Schaums. Das Aufheizen erfolgt vorzugsweise mittels induktiver Beheizung oder Wirbelstromheizung des schäumbaren Halbzeuges durch Induktionselektroden, die von der oder den Stirnseiten her in das Innenrohr eingeführt werden. Es erweist sich als vorteilhaft, die Zylinderkonstruktion während der induktiven Beheizung oder während der Wirbelstrom-Beheizung um die axial eingeführten Elektroden zu drehen, da dadurch ein besonders gleichmäßiger Leistungseintrag erreicht wird. Beim Aufheizen schäumt das Halbzeug auf. Nach dem Aufschäumen erfolgt das beidseitige Einschrumpfen der Achsronden in das Innenrohr, wobei die Zentrierung der Ronden durch einen Innenrohrstegbund in planer oder leicht konischer Ausführung gewährleistet ist. Die Einpassung erfolgt durch Kryoschrumpfung der Achsronden.

Falls, wie erwähnt, in einer Konstruktionsvariante der Innenraum des Zylinderinnenrohres mit einem Schaumkern gefüllt werden soll, wird nun die Zentrumsbohrung einer Achsronde, die zur späteren Einschrumpfung des Achszapfens vorgesehen ist, mit einem Hilfsstopfen geschlossen. Die in den so entstehenden, einseitig geschlossenen Zylinderinnenraum ragende Verschlußfläche des Stopfens ist silikonisiert, so daß keine Bindung zu dem im nächsten Verfahrensschritt erzeugten Duromerschaum entstehen kann. Wahlweise ist der Hilfsstopfen aus Teflon gefertigt. Anschließend wird das zur Schäumung vorgesehene Präpolymer bzw. das oder die in Schaumform polymerisierbare(n) Edukt(e) durch die zweite, nahe der zweiten Stirnseite des Zylinders eingeschrumpfte Ronde injiziert und unter Schäumung ausgehärtet. Nach Beendigung der Schäumung wird der Hilfsstopfen entfernt.

Bei jeder Verfahrensvariante, d. h. entweder nach dem Einschrumpfen der Ronden oder nach der vorgeschilderten Innenschäumung, wird nun das Einschrumpfen der Achsflansche in das Innenrohr durchgeführt. Zur Sicherstellung der korrekten Überdeckung der Durchgangslöcher im Achsflansch mit den Gewindesacklöchern in den Distanzringen werden vorzugsweise Hilfsstifte verwendet.

Es erfolgt dann das Verschrauben der Achsflansche und die Verschweißung mit dem Zylinderaußenrohr.

Abschließend wird das beidseitige Einschrumpfen der Achszapfen in die Achsronden und Achsflansche durchgeführt und weiterhin das Außenverschweißen der Zapfen mit den Achsflanschen.

Als Schaumbildner werden üblicherweise als schäumbares Halbzeug bezeichnete kompaktierte Metallpulver, die Treibmittel enthalten oder Eduktgemische zur Herstellung von Duromeren, die ebenfalls Treibmittel enthalten oder wie im Falle der Polyurethanbildung Treibmittel als Reaktionsprodukt abspalten, verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Metallschaumbildner wird der Metallschaumbildner vorher in Form von Überwurfringen gepreßt, die jeweils mit einem Axialschlitz versehen sind und mit einer dadurch ermöglichten geringfügigen Federspannung über das Innenrohr gestülpt und in Position gebracht werden. Danach werden die Rohre zur Herstellung des Metallschaumes auf Temperaturen von 600 bis 800°C erhitzt. Falls Duromerschaum erzeugt werden soll, sind Temperaturen am Innenrohr je nach Art der schaumerzeugenden chemischen Reaktion nach Maßgabe bekannten diesbezüglichen Fachwissens vorzugsweise von Raumtemperatur (20°C) bis zu einer Vernetzungstemperatur von 250°C einzuhalten. Zum Heizen der Rohre wird bevorzugt eine Induktionselektrode eingesetzt, die in das Innenrohr eingeführt wird.

Die nachfolgenden Figuren sollen die Erfindung näher erläutern.

Fig. 1 zeigt eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Druckzylinders im Längsschnitt. Die Ziffer 1 bezeichnet das Zylinderaußenrohr, die Ziffer 3 das Zylinderinnenrohr. Zwischen Zylinderaußenrohr 1 und Zylinderinnenrohr 3 ist die Schaumschicht 2 aus einem Metall- oder Duromerschaum angeordnet. Das Innenrohr, das z. B. aus einer Aluminiumlegierung bestehen kann, besitzt eine Schrumpfpassung mit dem Achsflansch 5. Die Achsronde 4, die beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung bestehen kann, besitzt eine Schrumpfpassung zum Innenrohr 3. Mit der Ziffer 5 ist der Achsflansch bezeichnet, der eine Schrumpfpassung zum Innenrohr 3 besitzt und mit dem Außenrohr 1 über Schweißverbindungen 10, die am Außenrohr oberflächenbündig abschließen, verbunden ist. Der Achsflansch weist weiterhin Durchgangslöcher für versenkte Innensechskantschrauben zur Verschraubung mit den Gewindesacklöchern 9 in den Distanzringen 8 auf. Die Achszapfen sind mit der Ziffer 6 bezeichnet. Die Achszapfen besitzen eine Schrumpfpassung zur Achsronde 4 und zum Achsflansch 5 und sind zusätzlich an der Außenseite mit dem Achsflansch 5 verschweißt. Die Ziffer 7 bezeichnet einen Lagerinnenring.

Die Ziffer 8 bezeichnet den Distanzring, der auf das Innenrohr 3 aufgeschrumpft wird. Er ist versehen mit Gewindesacklöchern 9 zur Verschraubung mit dem Achsflansch 5. Er ist weiterhin versehen mit Belüftungsbohrungen, um einen Druckausgleich während der Schäumung zu ermöglichen. Diese Belüftungsbohrungen können ggfs. mit geeigneten Gewindestopfen verschlossen werden.

Mit dem Außenrohr 1 sind die Distanzringe ebenfalls durch eine Schrumpfpassung verbunden.

Die Ziffer 9 bezeichnet die Gewindesacklöcher zur Befestigung des Achsflansches am Zylinderrohr. Die Ziffer 10 bezeichnet die Schweißverbindung am Außenrohr sowie die Schweißverbindung zwischen Achszapfen und Achsflansch.

Die Fig. 2a und 2b sind vergrößerte Teilansichten der Fig. 1 und zeigen die Formschlüssigkeit des Zylinderrohres mit der Schaumschicht. Ziffer 1 bezeichnet das Außenrohr, die Ziffer 2 die Metall- oder Duromerschaumschicht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Herstellung des Schaumes in situ in einem Verfahrensschritt. Hierdurch wird eine optimale Form- und Kraftschlüssigkeit über das an den Rohrwandungen vorgegebene Rauhigkeitsprofil bzw. durch Nutenprofile in den Rohrwandungen erzielt. Solche Profile sind in der Detail-Ansicht 2b gezeigt mit trapezoid, rechteckig oder verrundet gestoßenen Axialnuten im Innen- und Außenmantel. Der Metall- oder Duromerschaum ist auch bei dieser Ausführungsform in situ geschäumt.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht der konzentrisch angeordneten Zylinderrohre im Längsschnitt mit den über das Innenrohr 3 geschobenen Überwurfringen 11 aus schäumbarem Halbzeug, aus dem durch Wärmezufuhr Metallschaum erzeugt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Druckzylinder bzw. Rollen und Walzen, die insbesondere in Rotationsdruckmaschinen eingesetzt werden, in Sandwichbauweise auf einfache Art und Weise durch eine in-situ-Schäumung kostengünstig herzustellen. Bezugszeichenliste 1 Außenrohr

2 Schaumfüllung aus Metall- oder Duromerschaum

3 Innenrohr

4 Achsronde

5 Achsflansch

6 Achszapfen

7 Lager-Innenring

8 Distanzring

9 Gewindesacklöcher

10 Schweißverbindungen am Außenrohr

11 Überwurfringe


Anspruch[de]
  1. 1. Druckzylinder und Rollen für Rotationsdruckmaschinen aus konzentrisch angeordneten Zylinderrohren in Sandwichbauweise mit einem Außenrohr (1) und mindestens einem darin angeordneten Innenrohr (3), wobei in dem Leerraum zwischen Außenrohr (1) und Innenrohr (3) eine Schaumfüllung (2) angeordnet ist.
  2. 2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein im Außenrohr (1) angeordnetes Innenrohr (3) aufweist.
  3. 3. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (3) koaxial im Außenrohr (1) angeordnet ist.
  4. 4. Zylinder nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumfüllung (2) ein Metallschaum oder ein Kunststoffschaum ist.
  5. 5. Zylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffschaum ein Duromerschaum ist.
  6. 6. Zylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Metallschaums Aluminium oder eine Aluminiumlegierung oder Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ist.
  7. 7. Zylinder nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Außenrohres und/oder an der Außenseite des Innenrohres Formgebungsmaßnahmen zur Herstellung einer schlüssigen Verbindung der Schaumfüllung mit den Zylinderrohren vorhanden sind.
  8. 8. Zylinder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebungsmaßnahmen ausgewählt sind aus der Gruppe Rillen, Maserungen, Längsnuten, Quernuten, Zapfen, Rauhheitsprofilgebung und daß die Formgebungsmaßnahmen auf der Oberfläche der Zylinderrohre angeordnet sind.
  9. 9. Zylinder nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Zentrierung von Innenrohr (3) und Außenrohr (1) an den Stirnflächen des Zylinders zwischen Innenrohr (3) und Außenrohr (1) ein oder mehrere Distanzringe (8) vorhanden sind.
  10. 10. Zylinder nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsflansche (5) an den Distanzringen (8) befestigt sind.
  11. 11. Zylinder nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden des Zylinders Achszapfen (6) vorhanden sind, die über Achsronden (4) und Achsflansche (5) am Zylinder befestigt sind.
  12. 12. Zylinder nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Abstützung im Innenrohr (3) ein Schaumkern vorhanden ist.
  13. 13. Zylinder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkern aus einem Kunststoffschaum besteht.
  14. 14. Zylinder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffschaum ein Duromerschaum ist.
  15. 15. Verfahren zur Herstellung der Druckzylinder und Rollen nach den Ansprüchen 1 bis 14, nach den folgenden Schritten:
    1. - Vorlegen des Zylinder-Innenrohres (3)
    2. - Aufschieben des maschinengefertigten, schäumbaren Halbzeuges auf das Zylinder-Innenrohr
    3. - koaxiale Anordnung des Innenrohres (3) im Außenrohr (1)
    4. - In-situ-Schäumen des schäumbaren Halbzeuges durch Beheizung
    5. - Abschluß der Zylinderstirnflächen durch Achsronden (4), Achsflansche (5) und Achszapfen (6)
    6. - Oberflächenbearbeitung des Außenrohres (1) für drucktechnische Einsätze.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einschrumpfen der Achsflansche die Innenschäumung nach Verschluß einer Achsronde mit einem nicht mit dem entstehenden Duromer abbindenden Hilfstopfen aus Teflon oder einem Hilfsstopfen mit silikonisierter Kontaktfläche vorgenommen wird, wobei die Injektion der oder des zu einem Duromerschaum schäumbaren Edukte(s) durch die zweite, noch offene Achsronde erfolgt.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumbildner ein schäumbares Halbzeug aus Metall oder einer Metallegierung ist oder aus mit Treibmittel versehenen, präpolymeren Komponenten eines Duromeren besteht.
  18. 18. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das schäumbare Halbzeug in Form von vorgepressten Überwurfringen über das Innenrohr gestülpt wird.
  19. 19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwurfringe einen Axialschlitz aufweisen, der es ermöglicht, diese Überwurfringe unter leichter Federspannung auf das Innenrohr aufzuschieben und durch Federklemmung ortsgenau zu positionieren.
  20. 20. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr zur Herstellung des Metallschaumes auf Temperaturen von 600 bis 800°C erhitzt wird.
  21. 21. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung durch induktive Heizung oder Wirbelstrom-Heizung mittels Induktionselektroden, die von der oder den Stirnseiten her in das Innenrohr eingeführt sind, erfolgt.
  22. 22. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zum Heizen des Innenrohres mindestens eine, im Innenrohr eingeführte, kollinear mit der Zylinderachse verlaufende Induktionselektrode oder ein im Innenrohr eingeführtes, kollinear zur Zylinderachse verlaufendes Bündel von Induktionselektroden eingesetzt wird.
  23. 23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die zur induktiven Heizung dienende Vorrichtung von Induktionselektroden die Rotation des zu beheizenden Werkstückes um dessen Längsachse erlaubt.
  24. 24. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Anordnung des Innenrohres (3) im Außenrohr (1) durch beidseitiges Aufschrumpfen der Distanzringe (8) auf das Zylinder-Innenrohr (3) und Aufschrumpfen des Zylinder-Außenrohrs (1) auf die Distanzringe (8) erfolgt.
  25. 25. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsronden (4) beiseitig in das Innenrohr eingeschrumpft werden und durch einen Innenrohrstegbund in planer oder leicht konischer Ausführung zentriert werden und die Einpassung durch Kryo-Schrumpfung der Achsronden (4) erfolgt.
  26. 26. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Achsflanschbund (5) in das Innenrohr (3) eingeschrumpft wird, wobei zur Sicherstellung der korrekten Überdeckung der Durchgangslöcher im Achsflansch mit den Gewindesacklöchern (9) in den Distanzringen (8) Hilfsstifte verwendet werden.
  27. 27. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsflansche (5) verschraubt und mit dem Zylinder-Außenrohr (1) verschweißt werden.
  28. 28. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Achszapfen (6) in Ronden (4) und in Achsflansche beidseitig eingeschrumpft werden und die Achszapfen (6) mit dem Achsflansch (5) außen verschweißt werden.
  29. 29. Verwendung des Zylinders nach den Ansprüchen 1 bis 14 als Druckzylinder oder Rolle für Rotationsdruckmaschinen, insbesondere Tiefdruckzylinder in einer Tiefdruckmaschine.






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