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05.10.1990

Gezeichnet: Plotter - auf Papier und Spezialträgern

Der ruhigen Hand des Zeichners gebührt alle Ehre. Heißt die Aufgabe jedoch zum Beispiel, eine Landkarte auf Filmmaterial zu zeichnen, ist noch mehr gefordert: Die Leistung eines Spezialplotters. Horst-Joachim Hoffmann* stellt marktgängige Plottertechnik vor.

Erst die hohe Schule der Physik macht einen Plotter zu einem der interessantesten Ausgabegeräte für ein uraltes Medium - Papier. Aber auch das Medium mußte sich der technischen Entwicklung anpassen und ist heute bei weitem nicht mehr das, was herkömmlich unter diesem Sammelbegriff verstanden wird. Dennoch ist Papier die Basis allen Plottens, obwohl sich Spezialgeräte auch mit Transparentfolie und Filmmaterial füttern lassen.

"To plot" ist gleichbedeutend mit "zeichnen". Das geht zwar auf DIN-A4-Formaten auch, aber ein richtiges Ingenieur-Herz schlägt erst bei Übergrößen schneller. Profi-Systeme schaffen bis zu 25-Meter-Plots. Standard bei den Profi-Plottern ist das DIN A0 mit einem Rohformat bei Zeichnungen von 880 mal 1230 Millimetern als Obergrenze. Aber auch hier ist ein System mit Übergröße von 1560 Millimetern auf dem Markt.

Pen-Plotter mit Trommelsystemen gelten als die ältesten Vertreter ihres Genres. Sie sind seit gut 30 Jahren auf dem Markt. Die ersten Pen-Plotter empfingen ihre Vektorinformationen zum Zeichnen der Linien noch direkt aus dem Computer und verarbeiteten sie zu grafischen Grundelementen. Interne Steuereinheiten übernehmen heute diesen Job. Das Zeichenpapier läuft bei diesen Systemen häufig über eine Trommel, die durch einen Schrittmotor bewegt wird. Die zweite Achse für eine Zeichnung wird durch eine Schiene aufgebaut, an der sich die Zeichenstifte hin- und herbewegen. Sie werden, je nach Bedarf, an- und abgehoben, um so die Zeichnung zu Papier zu bringen. Der Vorteil dieser Systeme liegt in der Fähigkeit, von Endlosrollen herunter arbeiten zu können, unverzichtbar etwa für die Zeichnung von Baugruppen.

Pen-Plotter mit Trommel und Flachbett

Zweites Mitglied der Pen-Plotterfamilie ist der Flachbettplotter, bei dem das Papier flach liegend über Reibrollen geführt wird. Von Vorteil bei diesen Systemen ist die Genauigkeit der Papierführung, die bei Trommelplottern manchmal - vor allem bei der Rückführung des Papiers - zu Unschärfen führt.

Die Geschwindigkeit der Systeme hängt zum großen Teil von der Stiftbeschleunigung beim Linienzeichnen, vom Hebe-/ Senkzyklus und von der Steuereinheit ab. Durchschnittlich liegt die Plot-Geschwindigkeit bei 40 bis 60 Zentimetern pro Sekunde mit einer Beschleunigung, die der zwei- bis vierfachen Erdanziehungs-Kraft entspricht. Von Bedeutung für den Durchsatz ist auch die Wahl der Stifte, die variabel einsetzbar sind: Flüssigtusche-Stifte zeichnen ist zwar schöner, sind aber- auch langsamer als Kugelschreiber.

In diesem Zusammenhang ein Wort zum guten alten Bleistift: Für das manuelle Zeichnen unentbehrlich, hat sich die Mine im automatisierten Bereich bei Europäern und Amerikanern nicht durchgesetzt. Anders in Japan: Die asiatischen Entwickler von Plottersystemen haben schon lange erkannt, daß das Plotten mit Bleistift doch Vorteile bietet. Zu ihnen zählen eine hohe Geschwindigkeit, geringer Materialverbrauch, eine gute Strichgüte und die Möglichkeit, Striche wieder zu entfernen. Beobachter der Szene vermuten, daß über diesen Stift bald auch verstärkt in nicht-asiatischen Gefilden wieder nachgedacht werden wird.

Zurück zur Technik und den Flachbett-Plottern mit ihren Anwendungen: Immerhin zählen auch Jumbos unter den Plottern dazu. Mit einer Zeichenfläche von bis zu zwei Metern Breite und Rollennachschub kann ein solches System ganze Autokarossen im handlichen Maßstab von 1:1 zu Papier bringen. Die Zeichengeschwindigkeit liegt dabei immer noch bei 1000 Millimetern pro Sekunde, die AufIösung kann zwischen 0,01 und 0,25 Millimetern bestimmt werden.

Bei solchen Systemen gehört die Möglichkeit des 24-Stunden-Betriebes zu den sinnvollen Leistungsmerkmalen. Eine Überwachungssteuerung sorgt hier für das automatische Wechseln der Großraum-Plotstifte.

Keine Probleme mit der Wahl des richtigen Stiftes und der Beschickung des Stiftwagens (mit einem bis 14 Stiften) haben Anwender einer Sondergruppe der Trommel- oder Flachbettplotter: Fotoplotter belichten mit Hilfe eines optischen Systems zum Beispiel Leiterbahnen auf Filme. Geräte dieser Art arbeiten mit Plotgeschwindigkeiten von 200 Millimetern pro Sekunde; die Belichtungszeit eines Filmes von 240 mal 150 Millimetern mit über 8000 Punkten wird mit 20 Minuten angegeben.

Ein kompakter optischer Lichtkopf erlaubt fast stufenloses Vergrößern und Verkleinern mit einem Faktor zwischen 0,5 und 1,4 - so können beispielsweise Lötaugen zwischen 0,75 und 5,5 Millimeter "geblitzt" werden; Leiterbahnen von 0,1 bis fünf Millimeter sind für einen solchen Plotter kein Problem.

Relativ neu in diesem Bereich sind Fotoplotter, die nach einem Rasterverfahren arbeiten (das oben genannte System bedient sich einer Vektor-Technik). Ein Fotokopf, der mit mehr als 100 Lichtpunkten ausgestattet ist, fährt über das Filmmaterial und belichtet es entsprechend der Vorlage in konstanter Helligkeit, Größe und Blitzfrequenz. Die Steuerdaten werden "on the fly" vom Vektorformat in das Rasterformat umgewandelt.

Schneller als Fotoplotter mit ihrem optischen Lichtkopf sind die Laserplotter, die ebenfalls Filme belichten können. Der Unterschied besteht darin, daß die Belichtungszeit bei diesen Systemen lediglich von der Rotationsgeschwindigkeit der Trommel und der Auflösung, mit der der Film belichtet wird, abhängt. Landkarten beispielsweise im Format von ungefähr 50 mal 60 Zentimetern sind in wenigen Minuten auf den Film gebracht.

Laserplotter für Filmbelichtungen zeichnen sich durch eine große Genauigkeit aus. Gängige Systeme auf dem Markt haben einen Grenzwert von 25 Mikrometern. Weiterer Vorteil dieser Geräte: Blendengröße und -anzahl sind ebenso variabel wie die Kombination von Blendenformen.

Laserplotter: Probleme mit Großformaten

Laserdrucken auf Papier gehört für viele Anwender zum täglichen Leben, Laserplotten ist schon seltener. Bislang allerdings haperte es bei diesem Einsatz meist mit der Papiergröße, die verarbeitet werden kann. Inzwischen sind Laserplotter für Normalpapier auf dem Markt, die bis zu DIN A0 verarbeiten - in 70 Sekunden. Von der Auflösung her können diese Systeme, die vom Prinzip her ähnlich wie Laserdrucker aufgebaut sind, es leicht mit den elektrostatischen Plottern aufnehmen.

Elektrostatische Plotter sind in den späten 60er Jahren als Zeichenmaschinen auf den Markt gekommen. Ursprünglich wurde die Technologie für verschiedene Meßeinrichtungen und seismische Instrumente mit Schmalformat-Stiftzeichnern eingesetzt und später dann auf Breitformat-Grafikplotter übertragen. Hauptsächliches grafisches Element sind Punkt oder Pixel.

Plotter-Klassiker: Elektrostaten

Ein langer, feststehender Zeichenkopf verläuft bei diesen Systemen quer über die Breite der Zeichnung. Er enthält bis zu 20000 Elektroden; mittels einer elektrostatischen Aufladung werden einzelne Punkte gesetzt. Elektrostatisch sensitives Papier, das mit einem acht bis zwölf Mikrometer beschichteten Dielektrikum von zehn bis 15 Mikro-Ohm versehen ist, wird zu Anfang der Ausgabe durch den Schreibkopf mit seinen Elektroden geführt.

Die Metallspitzen, die als Elektroden dienen, sind nebeneinander doppel- oder sogar vierreihig versetzt angeordnet, um eine unterbrechungsfreie Linienführung zu gewährleisten. Eine kurze Spannung baut sich je nach Zeichenvorlage auf; ab einem bestimmten Spannungsgefälle erfolgt dann die Ladungsübertragung. Eine chemische Flüssigkeit schwärzt und fixiert das Ladungsbild.

Die Geschwindigkeit der Elektrostaten ist enorm: 12000 Zeilen in der Minute, 0.25 bis 1,5 Zoll je Sekunde bei einer Auflösung von bis zu 400 Punkten pro Zoll leisten die Systeme, die

immer häufiger mit Prozessoren ausgerüstet werden, um den Hintergrundrechner zu entlasten. Die Formate, die durchlaufen werden können, gehen bis zu A0. Verarbeitet werden beschichtetes Papier, Vellum oder Velin, ein meist in den USA gebräuchliches Spezialpapier (mit einem Hauch von Butterbrotpapier) sowie Film.

Ein Problem, daß sich erst bei neueren Systemen langsam löst, ist das der farbigen Darstellung: ein mehrmaliger Durchlauf für jede Farbe war bislang erforderlich. Ein neues Verfahren der Océ Graphics, das "Single-pass-Verfahren", bringt bei Großgeräten den Farbauftrag in einem Durchgang. Der Trick: vier Schreibköpfe sind hintereinander gelegt und die Farben Schwarz, Cyan, Magenta und Gelb werden nacheinander in einem einzigen Durchlauf aufgetragen. Um die Rechenzeit zu verkürzen und den Durchlauf erneut zu erhöhen, erfolgt bei diesem System die Rasterung der Zeichendaten zeitgleich mit der Erstellung der Zeichnung.

Unabhängig von diesem neuen Verfahren haben Kritiker gegen die vielfach eingesetzten Elektrostaten eine Menge Argumente gesammelt: Da das System ein Naß-System sei, entstünden durch den Gebrauch flüssigen Toners und anderer Chemikalien - die auch noch fachgerecht entsorgt werden müßten - giftige Dämpfe. Zudem sei der Wechsel der Vorratsbehälter zeitraubend, und lärmende Pumpsysteme täten ein Übriges, um Büronerven zu stressen. Verfahrensbedingte Abweichungen der abgebildeten Bildpunkte vom Ideal des Kreises, den sogenannten "Flairs", fallen ebenso in Ungnade.

Kritik erfährt auch die Qualität der Zeichnung: Die Punkte sollten gleichmäßig sein, und es sollten keine Absätze in der Linienführung vorkommen. Dies aber sei der Fall, wenn die Stifte zu nahe beieinander stünden was bei Auflösungen oberhalb 300 Punkten pro Zoll durchaus vorkäme. Absätze ergäben sich übrigens auch dann, wenn der Plotter den Zeichnungsgang unterbricht und eine Restladung Toner hinterläßt - gar nicht zu reden von dem Fall, daß das Papier im Tonerbad hängenbleibt.

Für dreidimensionale Effekte, Körpermodelle oder Textildesign eignen sich Ink-jet-Plotter. Diese Spezialisten mit dem Tintenstrahl-Verfahren wurden in den letzten 20 Jahren intensiv entwickelt und erzeugen durch die Technik des "Tinte-Aufspritzens" auch Farbschattierungen durch eine mögliche, besondere Farbdichte. Die Kritik hier: Bei Vergrößerungen zeige sich, daß die Ränder oftmals ausfransten. Zudem trockneten die Tintenstrahler, zumindest bei nicht sachgemäßer Behandlung, auch schon mal ein.

Als relativ wartungsarm gelten die Thermo-Plotter: Sie arbeiten mit abnutzungsfreier, heißer Nadel. Ein Thermalkopf der aus Hunderten von Widerständen besteht, wird auf einen hitzeempfindlichen Träger, meist Papier mit einer Thermosensitiven Schicht, aufgedrückt.

Diese enthält einen Farbentwickler, Phenol meistens, einen transparenten Farbstoff und einen Füller. Wirkt Hitze auf die Deckschicht ein, so läuft erst ein physikalischer, dann ein chemischer Prozeß ab.

Zuerst schmilzt das Entwickler-Agens und aktiviert dann den Farbträger. Die Energie, die dem Papier durch elektrische Widerstände am Schreibkopf zugeführt wird, ist das Wichtigste an diesem Prozeß. So reagieren hochsensitive Zeichnungsträger schon bei geringer Energiezufuhr sehr schnell. Resultat: eine Erhöhung des Durchsatzes, da die Schreibgeschwindigkeit heraufgesetzt werden kann, aber gleichzeitig auch eine Einschränkung des Gebrauchs der Zeichnung durch deren Empfindlichkeit. Vor allem Sonnenlicht läßt das Werk schnell vergilben.

Experten raten deshalb, solches Papier zur Erstellung von Kontrollzeichnungen zu verwenden, für Reinzeichnungen aber weniger sensibles Trägermaterial einzusetzen, da diese Folie oder dieses Papier widerstandsfähiger gegen äußere Einflüsse sei.

Relativ neu auf dem Markt ist Zweifarben-Papier. Auch hier steckt ein simpler Trick hinter einer langjährigen Entwicklung. Verschiedene Entwickler-Agens mit unterschiedlichen Schmelzpunkten reagieren nämlich bunt auf differenzierte Energiezufuhr. Neue Farbversionen neben den bislang erhältlichen Schwarzrot-Papieren, beispielsweise auch dreifarbige Trägermaterialiene, befinden sich in der Entwicklung.

Die Hitze-Schreibköpfe werden aus Folien-Material hergestellt. Das Auflösungsvermögen liegt derzeit bei 400 Punkten pro Zoll, allerdings halten Techniker bis zu 1000 Punkte pro Zoll für realisierbar. Ein Thermal-Schreibkopf besteht aus einer Reihe elektrischer Widerstände, die in gleichen Abständen um einen keramischen Träger angeordnet sind. Interessant ist bei dem Océ-Direct-Thermal-System, daß jeder Widerstand an einen CMOS-Treiberbaustein angeschlossen ist und einzeln angesteuert werden kann.

Die Spannung, die an den Widerstand gelegt wird, liegt im Normalfall bei 24 Volt; die Temperatur steigt auf 300 Grad Celsius. Der Temperaturgradient ist sehr steil und bleibt über die gesamte Fläche des Punktes konstant, so daß auch die Reaktion auf dem Zeichnungsträger lokal ist - ein schärferes Bild als beim Elektrostaten ist das Ergebnis.

Bis zu 35000 DIN-A0-Bögen

Eine Überhitzung der Schreibköpfe wird durch Mikro-Schalter vermieden; ein spezieller Überzug verringert den Abrieb auf Papier. So sind zwischen 30 und 40 Kilometer Papier beschreibbar, entsprechend ungefähr 25000 bis 35000 DIN-A0-Bögen.

In den Breiten DIN A1 und A0 setzen die Hersteller zwei Techniken der Gestaltung der Schreibköpfe ein: den monolithischen Schreibkopf und den Staffelkopf. Der monolithische Schreibkopf entspricht im Prinzip einer Schreibschiene, jedoch bestehen die A1-Köpfe eigentlich aus zwei manuell aneinandergesetzten Zwölf-Zoll-Köpfen, A0-Köpfe aus Dreien dieser Systeme. Probleme der Produktion bestehen, so ist von Techniker-Seite zu hören, derzeit noch bei der Serienfertigung. Vor allem das Fehlen eines Punktes oder Dots an der Nahtstelle bereitet noch Kopfzerbrechen.

Die Staffel-Kopf-Technik erlaubt die Herstellung von Schreibköpfen mit 400 Punkten pro Zoll in prinzipiell beliebigen Breiten. Bei der Staffelung werden mehrere kleine Köpfe versetzt plaziert, bis die notwendige Breite erreicht ist. Theoretisch sind viele Breiten möglich, das Problem jedoch liegt bei der Steuerung und Abstimmung der Köpfe untereinander.

Eines haben alle Profisysteme wohl gemeinsam: Auf Service und mögliche Voll-Auslastung im Betrieb ohne Operator wird viel Wert gelegt. So sind automatische Schneidevorrichtungen, Behälter zur Aufnahme der Zeichnungen bis hin zu automatischen Stiftwechsel-Systemen gang und gäbe, genauso wie Job-Sharing und Intelligenz im Plotter selbst. Bleibt dem humanen Zeichner eigentlich nur eins: seine Intelligenz zur Kreativität zu nutzen.