Papierstau sicher vermeiden

Papierstau… … nicht nur lästig und zeitraubend, sondern auch kostspielig

Pepperl+Fuchs: Wer kennt die Situation nicht, man steht vor einem Kopierer und wartet auf das letzte Blatt Papier, das sich jedoch mit hoher Präzision in das Rollenwerk gefalzt hat und allen weiteren Kopien den Weg versperrt. Wohl dem, der hier ein wenig Geduld mitbringt und auf ein aussagekräftiges Handbuch zurückgreifen kann.

Aber nicht jeder hat die Zeit und den Willen sich mit der Technik des Kopier- und Förderwerks auseinanderzusetzen.

Wo es im Konsumerbereich noch ärgerlich ist, kosten solche Papierstaus in der Industrie enorme Summen durch Stillstandszeiten bzw. Ausschussware und verursachen oftmals auch hohe Reparaturkosten an den empfindlichen Walzen der Druckmaschinen oder anderen Teilen papierverarbeitender Maschinen.

Es gilt demnach diese Papierstaus, verursacht durch das einziehen von doppelten Papierbögen, noch vor ihrem Auftreten zu erkennen und sicher zu vermeiden. Für diese zentrale Aufgabe in einer Druckmaschine hat sich die Ultraschalltechnologie in den letzten Jahren bewährt und wurde kontinuierlich weiterentwickelt.

Wie kommt es zum Papierstau?

Die Ursache eines Papierstaus liegt häufig beim automatischen Aufnehmen eines Papierbogens vom Papierstapel. Aus verschiedenen Gründen kann es dazu kommen, dass hierbei zwei Papierbogen anstatt eines vom Stapel abgezogen werden, sei es, dass die Maschine nicht optimal auf das Papier eingestellt ist, dieses chargenabhängig seine Eigenschaft verändert oder mechanisch aneinander haftet. Elektrostatik und Feuchtigkeit spielen zudem eine wesentliche Rolle. Die Folge eines solchen Doppelbogenereignisses ist meist ein Papierstau im weiteren Verlauf des Bogentransports, wenn sich die Blätter voneinander lösen.

Trennt sich der Doppelbogen auf dem Weg durch die Druckmaschine nicht, kommt es spätestens beim anschließenden automatischen Zusammentragen zum Ausschuss, da ein Blatt unbedruckt bleibt. Auch nachfolgende Falzmaschinen können Schaden nehmen, da diese genau auf die Papierdicke eingestellt sind.

In den meisten dieser Applikationen finden Ultraschall – Doppelbogensensoren ihre Verwendung und werden überall dort eingesetzt, wo hochwertige Maschinenteile zu schützen sind und Ausschuss vermieden werden soll.

Prinzip der Doppelbogenerkennung.

Das Prinzip der Doppelbogenerkennung basiert auf der Dämpfung eines Ultraschallsignals durch ein bzw. zwei Materialien.

Hierbei stehen sich zwei Ultraschallsensoren gegenüber. Ein Sensor wird als Sender, ein weiterer als Empfänger verwendet.

Der vom Sender ausgehende Schall trifft auf die Grenzschicht des ersten Bogens, der einen anderen akustischen Wellenwiderstand (Z) als Luft besitzt. Aufgrund dieser akustischen Fehlanpassung wird ein Teil der Schallenergie reflektiert, der andere Teil wird in das Bogenmaterial eingekoppelt.

Dieser Vorgang wiederholt sich an jeder wechselnden Grenzschicht von einem Medium zum anderen. Im dargestellten Beispiel zwischen Luft und Papier.

Nachdem der Schall 4 Grenzschichten überwunden hat, ist seine Amplitude soweit gedämpft, dass die Differenz zum Einzelbogen (2-Grenzschichten) sicher auswertbar ist.

Je nach Dämpfung des Signals kann zwischen keinem Bogen (Luft), Einzel- und Doppelbogen unterschieden werden. Eine Unterscheidung von drei oder mehr Bögen ist nicht möglich, da die Schallamplitude durch Mehrfachreflexionen zwischen Bogen 1 und Bogen 2 bereits fast auf 0 abklingt. Das Prinzip der Doppelbogenauswertung basiert demnach auf dem Vorhandensein eines Luftpolsters zwischen zwei Bögen.

In den meisten Fällen sorgt die Oberflächenrauhigkeit von Standardpapieren für ein ausreichendes Luftpolster zwischen den Bögen. Laminierte Papiere oder Folien können unter Umständen so stark aneinander haften, dass keine ausreichende Grenzschicht entsteht.

Die Ultraschalltechnologie zeigt ihre ganz speziellen Vorzüge, wenn es um die Frage der Materialoberflächen geht. Aufgrund des physikalischen Prinzips arbeitet der Sensor unabhängig von der Farbe oder der Transparenz des Objekts. Es ist unbedeutend, ob das Blatt weiß oder schwarz ist. Es spielt auch keine Rolle, ob und wie es bedruckt ist. Auch spiegelnde oder durchscheinende Oberflächen verhalten sich für Schallwellen gleich.

Optische Doppelbogensensoren, die eine Lichtdämpfung durch das Papier auswerten, stoßen hier an ihre Grenzen. Aber nicht nur transparente und spiegelnde Materialien stellen ein Problem dar auch sich ansammelnder Papierstaub auf den Linsen stört die Auswertung des optischen Signals. Ultraschallsensoren reinigen sich durch ihre mechanische Vibration der Wandlerflächen selbst von Schmutz und Staub und sind daher bestens geeignet für den Einsatz in papierverarbeitenden Maschinen.

Doppelbogen ist nicht gleich Doppelbogen

Neben den vielen Standardapplikationen, in denen Doppelbogensensoren seit langem erfolgreich eingesetzt werden, gibt es einzelne Sonderfälle, die man berücksichtigen muss.

Welche Objekte mit der Ultraschalltechnologie detektiert werden können, hängt in erster Linie von der Schalldurchlässigkeit des zu prüfenden Materials ab. Eine erste Orientierung über die Aussage der Schalldurchlässigkeit kann die Grammatur eines Papierbogens sein. Die Grammatur gibt Auskunft über die flächenbezogenen Masse, angegeben in g/m2.

Standard Papierbogen wie sie bei Illustrierten, Zeitungs- oder Kopierpapier verwendet werden liegen im Bereich von ca. 40…200 g/m2. Aber auch dickere bzw. schwerere Materialien wie Kunststoff- oder Metallfolien sowie Kartonagen bis 2000g/m2 können problemlos detektiert werden.

Sind solche Bogen jedoch z.B. lackiert oder laminiert, kann man die Richtgröße der Grammatur nur bedingt als alleiniges Kriterium für die Detektierbarkeit zugrundelegen. Eine Laminierschicht kann unter Umständen für den Schall wie ein zweiter, dünner Bogen wirken, der physikalisch bedingt einem Doppelbogen gleichzusetzen ist.

Grobporige Wellpappe bei der per Definition Luft eingeschlossen ist, ist aufbaubedingt bereits ein Doppelbogen.

Bei Feinstwellpappen ist es jedoch durchaus möglich, dass der Schall durch die Anordnung und Stabilität der Stege mit ausreichender Amplitude von einer Seite der Wellpappe zur anderen übertragen wird. In solchen Fällen kann auch hier ein Einzelbogen von einem Doppelbogen unterschieden werden.

Die Schalldämpfung ist nicht immer proportional zur Materialdicke.

So kann z.B. eine dünne Kunststofffolie einen Schall stärker dämpfen als eine Blechfolie gleicher Materialstärke.

Selbst ein augenscheinlich dünner Papierbogen kann den Schall stärker dämpfen als ein dicker Bogen mit hoher Grammatur.

Wie gut ein Material den Schall leitet bzw. dämmt ist nicht nur von seiner physikalischen Eigenschaften abhängig sondern auch von der Frequenz mit der der Schall auf das Material trifft.

Inhomogenitäten im Material wie Perforierungen, Löcher, extreme Dickenschwankungen der Bogen etc. die den Schall unterschiedlich stark dämpfen können, müssen beim Einsatz einer Doppelbogenerkennung berücksichtigt werden.

Aus oben genannten Gründen ist es unabdingbar, das zu detektierende Objekt genau zu kennen, um Sonderfälle auszuschließen und somit Fehlfunktionen zu vermeiden.

Weitere Anwendungsgebiete für Durchschallverfahren

Das Prinzip der Auswertung einer Schalldämpfung kann in speziellen Fällen auch zu einer Klebestellenerkennung von Papierbahnen sowie zur Labelerkennung bei Etikettiermaschinen eingesetzt werden.

Grundlage einer solchen Auswertung ist stets eine ausreichend hohe Amplitudendifferenz zwischen den zwei Ereignissen Papier und Klebestelle bzw. Etikett und Trägerband.

Bei einer Verbindungs- bzw. Klebstelle zwischen zwei Papierbahnen befindet sich im überlappenden Bereich der Bogen durch die Klebung kein auswertbares Luftpolster. Die Bögen haften durch die Klebestelle direkt aneinander. Der Schall wird hier nur einmal in das Medium ein- und wieder ausgekoppelt. Der Dämpfungsunterschied gegenüber einem Einzelbogen kann dementsprechend sehr gering sein. Daher ist das Einlernen des Sensors auf das Trägermaterial hilfreich, um geringe Abweichungen sicher detektieren zu können.

Auch bei einer Labelerkennung haftet das Etikett wie bei einer Klebestelle direkt auf dem Trägerband. Die Amplitudenänderungen zwischen Trägermaterial und Etikett ist ähnlich der einer Klebestelle. Eine geeignete Elektronik und eine spezielle Auswertung der Signale können jedoch zu einer sicheren Auswertung kombiniert werden.

Diese Anwendungen unterscheiden sich nachhaltig von der klassischen oben beschriebenen Doppelbogenerkennung und können somit nicht direkt verglichen werden. In den meisten Fällen ist bei Klebestellen aufgrund der geringen Amplitudenunterschiede ein Einlernen des Basismaterials erforderlich.

Einsatzgebiete Doppelbogenerkennung

• Kopierer
• Drucker
• Dokumentenscanner
• Belegzählmaschinen
• Bogen-Druckmaschinen
• Rollen-Druckmaschinen
• Zusammentrag- und Buchbindemaschinen
• Verpackungsmaschinen
• ...

Vorteile

• farbunabhängige Objektdetektion
• sichere Funktion bei Klarsichtfolien und glänzenden Oberflächen
• verschiedene Materialien detektierbar
• alle Arten von Bogen werden auch gemischt sicher ausgewertet
• unempfindlich gegen Verschmutzung

Fazit

Die Technologie der Doppelbogenerkennung mittels Ultraschallsignalen hat sich im Bereich der Druckmaschinen- und Verpackungsindustrie mehr als bewährt und ist aus diesen nicht mehr wegzudenken. Die farbunabhängige Objektdetektion sowie die Robustheit der Ultraschalltechnologie in staubiger, rauer Umgebung sind Vorteile, die andere, optische-, kapazitive oder mechanisch- taktilen Verfahren in den Hintergrund drängen.

Stillstand von Druckmaschinen und hohe Reparaturkosten durch Doppelbogenereignisse gehören somit der Vergangenheit an.

Ultra kompakt... so präsentiert sich der Ultraschall-Doppelbogensensor von Pepperl+Fuchs im 18mm Design.

• Erkennung von keinem Bogen, ein und zwei übereinander
• liegenden flächigen Materialien
• Kein Teach-In auf das Material erforderlich
• Grammaturen von 10 g/m2 bis über 2000 g/m2 detektierbar
• Unempfindlich gegen Bedruckung, Farben und spiegelnde Oberflächen
• Signalausgabe über 3 kurzschlussfeste, verpolsichere PNP-Schaltausgänge

Die Auswerteelektronik ist im kompakten Empfängergehäuse integriert. Die Montage ist daher auf nur 2 Elemente beschränkt, dem Sender (d=18mm, l= 22mm) und dem Empfänger (d=18mm, l=53mm).

Da Doppelbogensensoren überall dort eingesetzt werden wo hochwertige, empfindliche Maschinenteile geschützt und Ausschuss vermieden werden soll, leistet die kompakte Sensorbaureihe UDC-18GM von Pepperl+Fuchs große Wirkung bei kleinem Aufwand.