Feldmann, Jakob (2024)
Additive Fertigung von Papierprägewerkzeugen und Methoden zur Prognose des Prägebildübertrags.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027595
Dissertation, Erstveröffentlichung, Preprint

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Konzeption von Prägungen in Papier und Karton sowie die Herstellung der dafür benötigten Prägewerkzeuge sind zeit- und kostenaufwendige Prozesse. Die Auslegung der Prägewerkzeuge erfolgt oft durch empirie- und iterationsbasierte Verfahren und deren Fertigung zeichnet sich durch einen großen handwerklichen Anteil aus. Es existieren keine standardisierten Methoden zur Vorhersage des zu erwartenden Prägebildübertrags oder zur objektiven Bewertung eines Prägeresultats. Dies erschwert die Kommunikation bei der Gestaltung neuer Prägungen und verlangsamt die gesamte Prozesskette.

Zur Verkürzung der Vorstufe beim Prägen innerhalb der Druckindustrie wird ein digitaler Arbeitsprozess entwickelt, welcher die gesamte Prozesskette zur Erstellung von Prägewerkzeugen mit einbezieht. Durch additive Fertigung (3D-Druck) der Prägewerkzeuge im Vat-Photopolymerization-Verfahren wird eine hochauflösende und schnelle Herstellung neuer Prägewerkzeuge realisiert. Hierfür wird eine vorbereitende Datenverarbeitung in Python entwickelt, welche an bestehende Schnittstellen der konventionellen Prägewerkzeugfertigung anknüpft, auf 8-Bit Höhenfeldern (Heightmaps) basiert und eine direkte Fertigung zweiteiliger Prägewerkzeuge mit Matrize und Patrize in Druckereibetrieben ermöglicht. Es werden Prägewerkzeuge additiv gefertigt und bezüglich ihrer Eignung zum Prägen kleinerer bis mittlerer Auflagen in Druckereibetrieben bewertet und validiert. Um den Prägebildübertrag zwischen einer digital vorliegenden Referenz und dem im Substrat zurückbleibenden realen Prägeresultat zu charakterisieren, wird ein Testwerkzeug entwickelt. Mit diesem erstellte Prägeresultate werden durch 3D-Scanning profilometrisch erfasst und digital zur Referenz ausgerichtet. Anschließend erfolgt ein Vergleich der innerhalb der Referenz und dem Prägeresultat enthaltenen Frequenzspektren durch eine Fourieranalyse mittels FFT. Damit erfolgt eine Charakterisierung des von der Prägeelementgröße und Substratorientierung abhängigen Prägebildübertrags der gesamten Prozesskette. Der charakteristische Prägebildübertrag kann mittels Testwerkzeug im Druckereibetrieb und auf herkömmlichen Prägemaschinen erhoben werden und bildet dabei herrschende Konditionen ab. Zur Prognose eines zukünftigen Prägeresultats wird ein unter denselben Konditionen erhobener Prägebildübertrag genutzt. Für den Entwurf einer neuen Prägung lässt sich abschätzen, in welcher Qualität darin enthaltenen Ortsfrequenzanteile in das zu erwartende Prägeresultat übertragen werden. Die Prognose kann durch Anwendung einer Normalmap unter realitätsnahen virtuellen Beleuchtungssituationen visualisiert werden und somit als Vorschau für zu erwartende Prägeresultate im Sinne eines Softproofs genutzt werden.

Der entwickelte digitale Arbeitsprozess unterstützt und verkürzt erfolgreich die Gestaltung von Prägungen und die Auslegung und Fertigung von Prägewerkzeugen. Er lässt sich ohne großen Anpassungsbedarf in den bestehenden Prozess innerhalb der Druckindustrie integrieren. Der potenzielle Einfluss der Entwicklung für die Druckindustrie wird diskutiert und abschließend ein Ausblick für fortführende Arbeiten gegeben.

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