Prinzip der Simulations-anlage
Um Einflussgrößen auf die Entstehung der Markierungen um Labor untersuchen zu können, wurde im Rahmen des Forschungsprojektes eine Simulationsanlage entwickelt. Diese Simulationsanlage besteht aus einem Linearantrieb, mit dem ein als Probenhalterung dienender Schlitten stufenlos auf eine Geschwindigkeit von maximal 300 m/min beschleunigt werden kann. Während der Schlitten mit der aufgespannten Probe die eingestellte Geschwindigkeit erreicht hat, kommt er mit einem stationär installierten Reibpartner in Berührung, der die Markierungen auf dem Papier bzw. dem Karton hervorruft. Durch eine manuelle Druckeinstel-lung können verschiedene Auflagekräfte gewählt werden. Die tatsächlich wirken-de Druckkraft wird durch eine Kraftmessdose gemessen und an einen PC übertragen. Abbildung 21 zeigt den Aufbau der Anlage.
Aufbau der Simulations-anlage
In diesem Bild ist die Simulationsanlage während eines Versuches dargestellt.
Die Probenhalterung (Schlitten) mit dem befestigten Prüfstreifen befindet sich unterhalb des Reibpartners, in diesem Fall einem Bändermaterial.
Reibpartner Abbildung 21 Aufbau der Simulationsanlage
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Größenordnung
der
Auflagenkräfte
Zur Bewertung der im Querschneider wirkenden Kräfte wurden in Diskussion mit Experten die folgenden Einschätzungen der wirkenden Kräfte für die Anwendung der Simulationsanlage gemacht:
• Die schnellen Oberbänder liegen im Bereich niedrigerer Kräften bis ca.
25 N.
• Im Bereich der Überlappung können höhere Kräfte im Bereich von 40 bis 50 N auftreten.
Durchführung
der Versuche Aufgrund dieser Einschätzung wurden die Versuche zur Simulation so durchge-führt, dass jeweils drei Durchgänge bei
• geringen Auflagekräften (bis ca. 25 N),
• mittleren Auflagekräften (bis ca. 50 N) und
• hohen Auflagekräften (ab ca. 50 N) gefahren wurden.
6.1 Visuelle Bewertung der Markierungen
Vorgehen zur visuellen Bewertung
Um eine praxisnahe visuelle Bewertung der an der Simulationsanlage markierten Muster durchführen zu können, wurden verschiedenen Experten Proben vorge-legt. Diese begutachteten die Oberfläche (Glanzpotenzial) und gaben an, ob dieses Muster in der Praxis reklamiert würde oder nicht. Da diese Angaben entsprechend dem Verwendungszweck variieren können, wurde das in Tabelle 1 angegebene Notensystem entwickelt, um die Markierungstendenz zu bewerten.
Eine Variation, die zu verschiedenen Grenzwerten in der Praxis führen kann, ist beispielsweise das Endprodukt. Bei vollflächigem Druck, z.B. in Werbeprospek-ten, werden höhere Anforderungen gestellt als bei nicht vollflächigem Druck.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007
Bewertungs-kriterien Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Bewertungskriterien, nach denen die mittels der Simulationsanlage markierten Kartons bzw. Papiere benotet wurden. Dazu wurde das Schulnotensystem verwendet, wobei die Note 5 für starke Markierungen vergeben wurde. Zusätzlich gibt die Note 0 an, dass auf dem Musterbogen keinerlei Markierungen sichtbar waren.
Tabelle 1 Notenbildung für die visuelle Bewertung der Markieranfälligkeit Papier bzw. Karton
gegen Band
Papier gegen Papier
Im Druckbild
sichtbar In Praxis
0 Keine Markierung sichtbar Nein OK
1
Markierung sichtbar Nein OK
3 Markierung gut sichtbar Kaum Grenzwert
4 Markierung deutlich sichtbar Gut Grenzwert
5 Markierung sehr deutlich sichtbar Deutlich Nicht OK Drucktest und
Experten-bewertung
Bei den Bogen, die nach der Markierung mit den Noten 0 bis 2 bewertet wurden, konnte bei den gewählten Druckbedingungen an der Probedruckmaschine kein Einfluss auf das Druckbild gefunden werden. Nach Expertenmeinung sind diese Papiere bzw. Kartons ohne Beanstandung.
Bei den Mustern, die mit der Note 3 bewertet wurden, ist im Druckbild eine leichte, kaum sichtbare Verringerung der Farbdichte erkennbar. Bei Note 4 ist diese streifenförmige Verschlechterung des Druckbildes gut sichtbar. Diese Kartons bzw. Papiere sind in der Praxis als grenzwertig zu betrachten; sie könnten reklamiert werden, vor allem dann, wenn das Papier vollflächig bedruckt werden soll.
Wurden Muster mit Note 5 bewertet, ist die Markierung als heller Streifen im Druckbild deutlich sichtbar. In der Praxis werden diese Papiere bzw. Kartons mit hoher Wahrscheinlichkeit reklamiert.
6.2 Messtechnische Bewertung und Entstehungsmechanismus der Markierungen
Aufnahmen der Oberflächen-topografie
Für die Darstellung der Oberflächentopografie und zur Ableitung der Effekte, die die Markierungen hervorrufen, können Aufnahmen mittels Atomkraftmikroskop verwendet werden.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 AFM-Aufnahme
einer Stopper-markierung
Die folgende Abbildung zeigt einen Ausschnitt einer Stoppermarkierung. Diese ist als gerader Streifen in der Aufnahme sichtbar. Aus dieser Aufnahme wurden anschließend zwei Höhenlinien einer nicht markierten und einer markierten Stelle generiert. Bei der markierten Stelle wird im Vergleich zur nicht markierten Stelle eine deutliche Abnahme der Höhenwerte, also der Rauhigkeit, sichtbar.
Abbildung 22 AFM-Aufnahme einer Stoppermarkierung und daraus generierte Höhenlinien
Bei der Markierungsbildung kommt es somit zu einer Verringerung der Rauhig-keit, die als Glanzerhöhung sichtbar wird. Da die Markierungen jedoch örtlich sehr begrenzt auftreten konnten Unterschiede in den Rauhigkeitskennwerten der gesamten gemessenen Fläche nicht festgestellt werden.
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 Schematische
Darstellung der Markierungs-bildung
Die folgende Abbildung zeigt schematisch die bei der Markierungsbildung ablaufenden Prozesse. Durch kombinierte Druck- und Scherbeanspruchungen zweier Oberflächen werden diese partiell geglättet.
Abbildung 23 Schematische Darstellung der Markierungsbildung /8/
Durch diese Glättung bzw. Abnahme der Rauhigkeit wird einstrahlendes Licht nicht mehr diffus, sondern gerichtet reflektiert, was optisch als eine Erhöhung des Glanzes wahrgenommen wird, vergleiche die folgende Abbildung 24.
Glanzstellen
Abbildung 24 Lichtreflexion an markierten und unmarkierten Stellen eines Mattpapiers /8/
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 18.12.2007 AFM-Aufnahmen
von
Markierungen aus der Praxis und von der Simulations-anlage
Die folgenden Abbildungen zeigen, dass die mit der entwickelten Simulationsan-lage generierten Markierungen in ihrer Auswirkung auf die Oberflächentopografie Markierungen aus der Praxis entsprechen.
Sternenhimmelmarkierung Mit der Simulationsanlage generierte Markierung
Abbildung 25 AFM-Aufnahmen verschiedener Markierungen
Fazit Durch Untersuchungen der Oberflächentopografie mittels AFM ist es möglich, Oberflächenunterschiede zwischen markierten und nicht markierten Mustern darzustellen.
Es konnte weiterhin dargestellt werden, dass Oberflächendefekte aus der Praxis sowie von der Simulationsanlage das gleiche Erscheinungsbild haben.
Die Markierungen werden durch eine Reduktion der Rauhigkeit hervorgerufen, die als Erhöhung des Glanzes infolge gerichteter Lichtreflexion sichtbar werden
Weitere Versuche zur
mess-technischen Bewertung der Markierungen
Zur Bewertung der Markierungen wurden weitere Untersuchungen der Papier- bzw. Kartonoberfläche durchgeführt. Dabei konnten jedoch weder bei der Messung mittels GFM oder REM plus Bildanalyse Differenzierungen der unter-suchten Papiere bzw. Kartons gefunden werden. Auch durch Glanzmessungen markierter und nicht markierter Muster konnte keine Markierungstendenz gefun-den wergefun-den.