Schäfer, Julian Konrad (2020)
In situ Untersuchung der hochdynamischen Grenzflächeninstabilität im Zylinderspalt.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00014204
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Tiefdruck wird zunehmend für die Herstellung extrem dünner, homogener und geschlossener Schichten für die Fertigung von z.B. funktionalen Bauteilen verwendet. Zur Herstellung dieser dünnen Schichten wird sich der Filmspaltung bedient, wobei ein Fluidfilm im Zylinderspalt zwischen Substrat und Druckform in schnell laufenden Druckmaschinen gespalten wird. Eine unter Umständen dabei entstehende Grenzflächeninstabilität geht mit der Ausbildung fingerförmiger Strukturen einher. Diese korrumpieren die Filmbildung auf dem Substrat durch lokale Entnetzung und führen zu einer inhomogenen Schichtdickenverteilung. Die vorliegende Arbeit adressiert die in situ Erfassung der auftretenden hochdynamischen Grenzflächeninstabilität im Zylinderspalt einer Tiefdruckmaschine. In diesem Zusammenhang wird erstmalig der optische Zugang in den Druckspalt mit einer Hochgeschwindigkeitskamera im laufenden Betrieb eines Upscaling-Labordrucksystems ermöglicht. Auf dieser Basis wird der Einfluss der Druckgeschwindigkeit und der dreidimensional periodisch strukturierten Druckformoberfläche auf die mittlere Fingerfrequenz als charakteristische Größe der hochdynamischen Grenzflächeninstabilität experimentell untersucht. Die im Zylinderspalt vorliegende Grenzflächeninstabilität ist der Saffman-Taylor Instabilität ähnlich, welche ebenfalls zur Entstehung von Strukturen in Form von viskosen Fingern führt, deren Frequenz mit einer charakteristischen Geschwindigkeit skaliert. Aufgrund der Ähnlichkeit wird eine Abhängigkeit der beobachteten hochdynamischen Grenzflächeninstabilität von der Druckgeschwindigkeit erwartet. Nach der optischen Erfassung findet die automatisierte Verarbeitung der erfassten Bilddatensätze mit Mitteln der industriellen Bilddatenverarbeitung statt. Charakteristische Merkmale der fingerförmigen Strukturen werden für eine Template Filterung identifiziert. Mehrere Hundert bis Tausend Bilder durchlaufen die Filterung für jeden Bilddatensatz, wobei Eigenschaftsbilder mit hervorgehobenen fingerförmigen Strukturen erzeugt werden. In diesen Eigenschaftsbildern wird jeweils die Fingeranzahl ermittelt, die im Anschluss in der mittleren Fingerfrequenz als charakteristische Größe der hochdynamischen Grenzflächeninstabilität zusammengefasst wird. Die erwartete Abhängigkeit der mittleren Fingerfrequenz von der Druckgeschwindigkeit kann nicht festgestellt werden. Ebenso wenig wird ein Einfluss des Näpfchenvolumens identifiziert. Vielmehr zeigt sich ein bisher unbekannter signifikanter Einfluss der Rasterfrequenz in Form eines Lock-In-Phänomens. Dabei kommt es zu einem Einrasten der mittleren Fingerfrequenz allein in Abhängigkeit der Rasterfrequenz, was durch ein Skalierungsgesetz beschrieben wird. Der dominierende Einfluss der Rasterfrequenz wird mit dem tatsächlichen Kontakt zwischen Substrat- und Druckformoberfläche im Druckspalt begründet, wohingegen in bisherigen Untersuchungen explizit ein Spalt angenommen wird. Diese mikroskopische Änderung führt zu unbekannten Strömungsprofilen innerhalb des Fluids im Zylinderspalt, die nicht über vorliegende Modelle beschrieben werden können. Die vorgestellte Methode der in situ Untersuchung der hochdynamischen Grenzflächeninstabilität im Zylinderspalt bietet dabei die Möglichkeit, die Modellbildung zu unterstützen.

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