Druckfarben und Papiere
Für die Druckversuche wurden folgende Druckfarben ausgewählt und einge-setzt:
• Offsetdruckfarben der Sorten „Rapida“ und „Reflecta“ von Michael Hu-ber München. Bei „Rapida“ handelt es sich um eine schnell wegschla-gende Druckfarbe. „Reflecta“ ist dagegen langsam wegschlagend.
• Inkjettinten der Fa. Oce und der Fa. Wolke (Farbstoff- und Pigmenttin-ten)
Für die Streichversuche im Labor und an der Pilotanlage wurden die Substrate von Tab. 1 eingesetzt. Neben Papieren kam auch eine Kunststofffolie (nicht saugendes Substrat) zum Einsatz.
Tab. 1: Eingesetzte Streichrohpapiere
Code Sortenbezeichnung / Eigenschaften
Laborver-suche h´h RP Holzhaltiges Streich- und Beschichtungsrohpa-pier, 120 g/m²
Pilot-versuche PL Holzhaltiges Streichrohpapier, 50 g/m²
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Modellvarianten
und Modellvergleich
Anfänglich wurden für Einzelschichten drei Modellvarianten untersucht, deren Vor- und Nachteile in Tab. 2 zusammengestellt sind.
Tab. 2: Vor- und Nachteile unterschiedlicher Modellansätze.
Vorteile Nachteile
• ‚mittleres‘ Verhalten der Fluide ist gut berechenbar
• Änderung Kapillarradius schwierig
• Verlauf bei verzweigten Ka-pillaren schwierig
• Größe der Unit-Cell (Strich-dicke) lässt sich nicht beein-flussen
• Detailverhalten der Fluide wird sichtbar
• Fortschritt der Flüssig-keitsfront wird durch reale Flüssigkeitsmenge (-volumen) bestimmt
• Komplexe Software erforder-lich
• Einstiegs-Schwelle ist hoch
In diesem Stadium der Entwicklung konnten mit Hilfe der Modelle der zu erwar-tende Verlauf der Flüssigkeitsaufnahme im Offset- und Inkjetdruck qualitativ gut wiedergegeben werden. Die berechneten Wegschlagzeiten für die Fluidmengen lagen aber noch unter denen von Messwerten. Aus den Berechnungen ergaben sich Anhaltspunkte für die optimalen Kapillarradien der verschiedenen Druck-farbenfluide. Während sich die Eindringzeiten von Offsetölen mit steigenden Kapillarradien generell verringern, gibt es für Inkjettinten einen optimalen Be-reich zwischen 0,1 und 0,15 μm.
Mehschicht-modelle Anschließend erfolgte der Ausbau des Matlab-Modells (Modell 1) auf mehrere Strichschichten, wobei der Pentrationsvorgang je Schicht nach der Bosanquet-Gleichung berechnet werden konnte. Im Weiteren wurde durch Anpassung der Geometrie auch das FEM-Modell auf „idealisierte“ mehrschichtige Strukturen ausgeweitet. Dabei wurde das Ziel verfolgt, die Penetrationsgeschwindigkeit der verschiedenen Druckfarben in aufeinanderfolgenden Strichschichten bzw. das Basispapier zu berechnen (vgl. Abb. 2).
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Abb. 2: Schichtaufbau für die Entwicklung mehrlagiger Simulationsmodelle.
Striche / Rohpapier:
Die Charakterisierung der Strichlagen erfolgte dabei mit den gleichen physikali-schen Parametern, wie sie schon für einlagige Modelle benutzt wurden Druckfarben:
Bezüglich der Druckfarben gelten auch hier die gleichen Charakteristika wie im einlagigen Modell. Mit diesem Modell wird untersucht, wie die Druckfarbe nur eines Druckwerkes in das Papier eindringt.
Zielgrößen:
Bei den Modellrechnungen wurden bei begrenzten Flüssigkeitsmengen vorran-gig die Zielgrößen „Eindringtiefe im Zeitverlauf“ und „eingedrungenes Fluidvo-lumen im Zeitverlauf“ untersucht.
Realisierung Bosanquet-Modell
Die Variationsmöglichkeiten der Matlab-Software wurden so angelegt, dass so-wohl die Eigenschaften der Druckfarben und Striche, als auch die Dicken der Strichschichten beliebig variiert werden können. Wichtig war außerdem die Möglichkeit zur Begrenzung der jeweiligen Fluidmengen. Mathematisch schwie-riger war die sinnvolle Realisierung der Schichtübergänge, für die es bisher in der Literatur keine Lösungen gab. Auch die Berechnung der Eindringzeiten je Strichschicht ist nicht trivial. Das Problem wurde über eine Nullstellenberech-nung der Penetrationsfunktion x(t) gelöst.
Ergebnisse Matlab-Rechnungen (Bosanquet-Modell)
Auf Basis der Schichtanordnung von Abb. 2 wurden die Verlaufskurven x(t) der Flüssigkeitsfront berechnet.
8 µm Deckstrich 8 µm Vorstrich 60 µm Rohpapier
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Abb. 3: Verlaufskurven für Offset-Öl, Feuchtmittel und Inkjettinte (links).
Aus Abb. 3 wird ersichtlich:
• Trotz der sehr unterschiedlichen Eindringgeschwindigkeiten der niedervisko-sen Flüssigkeiten im Vergleich zu den höherviskoniedervisko-sen werden die Eindringzei-ten bezüglich der Druckverfahren im Wesentlichen durch die Flüssigkeits-mengen bestimmt. Die Eindringzeiten für Inkjettinten sind größer.
• Auch die Verhältnisse bezüglich der Eindringtiefe sind komplett anders. Wäh-rend für die Offsetdruck-Flüssigkeiten zumindest für 1 Druckwerk eine Strich-schicht zur Aufnahme der Fluide vollkommen ausreicht, dringt die Inkjettinte auch in die beiden folgenden Schichten vor.
Druck- und Weg-schlagversuche Offset
Druckversuche im Offsetdruck wurden an der Bogenoffsetdruckmaschine der Fogra durchgeführt. Dabei kamen die Farbserien RAPIDA (schnell wegschla-gend) und REFLECTA (langsam wegschlawegschla-gend) der Michael Huber München GmbH zum Einsatz. Die Farbführung bei den Offsetpapieren wurde nach den Vorgaben der ISO 12647-2 geregelt.
Nach dem Erreichen des gewünschten Druckergebnisses wurden einige Exemplare für die spätere Bewertung der Druckqualität beiseitegelegt. Außer-dem wurde die Pudereinrichtung in der Maschinenauslage ausgeschaltet, um die anschließenden Konterversuche vorzubereiten. Diese erfolgten an der lau-fenden Druckmaschine sowohl „inline“, als auch „offline“ mit der in der Fogra entwickelten Offline-Konter-Station OKS. Als Konterpapier wurde einheitlich das ungestrichene Conti Laser von UPM verwendet.
Mit der OKS können komplette Druckbogen im Format 50x70 cm einem Konter-test unterzogen werden. Hierbei wird ein frisch bedruckter Bogen direkt aus der Auslage entnommen und zusammen mit einem Konterpapier mit einer vorge-gebenen Geschwindigkeit unter definiertem Liniendruck (ca. 200 N/cm) durch einen Walzenspalt geführt. Somit ist es möglich, das Wegschlagverhalten in
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nem Zeitraum zwischen 30 Sekunden und 2 Minuten nach dem Druck zu beur-teilen.
Die Auswertung der Kontertests erfolgte durch Dichtemesungen auf den be-druckten (abgekonterten) Bogen und den Konterbogen. Hierbei wurden aus-schließlich die Cyan-Volltöne herangezogen. Als Maß für das Wegschlagverhal-ten wurde das sogenannte Abdruckverhältnis gewählt. Es berechnet sich aus dem Quotient beider Messgrößen und stellt ein Maß für das Wegschlagverhal-ten dar (siehe Gleichung unWegschlagverhal-ten). Je niedriger das Abdruckverhältnis ist, desto weniger Druckfarbe wird auf das Konterpapier übertragen und umso schneller erfolgt das Wegschlagen bzw. der physikalische Trocknungsvorgang. Bei ei-nem Abdruckverhältnis von eins befindet sich jeweils etwa die Hälfte der Druck-farbe auf dem abgekonterten Bogen und auf dem Konterbogen.
Bogen
Als Maß für die Größe des darstellbaren Farbumfangs wurden die Buntheiten C*ab der Primär- und Sekundärfarben sowie die Helligkeit L* von Schwarz her-angezogen.
Kantenschärfe und Kantenglätte Offset:
Um die Kantenschärfe und Kantenglätte auf den angefertigten Drucken bewer-ten zu können, wird ein spezielles Testbild oder eine geeignete schwarze Kante mit einer Auflösung von 900 dpi bildtechnisch erfasst und analysiert. Hierzu werden die normierten Reflexionswerte zwischen dem Papier und dem Vollton herangezogen. Die Schwankungen entlang der Kante gehen in die Kantenglätte ein, während die Kantenschärfe aus dem Abfall senkrecht dazu berechnet wird.
Scheuerfestigkeit Offset:
Die Überprüfung der Druckfarbenhaftung erfolgte durch Scheuertests mit dem Testgerät „Quartant“ der Firma prüfbau. Hierzu wurde aus den zu prüfenden Druckbogen eine kreisrunde Probe mit einem Durchmesser von 50 mm ausge-schnitten und auf einem 600 g schweren Metallzylinder fixiert, der sich mit sei-nem Eigengewicht über eine Scheuergegenfläche bewegt. Es wurden jeweils fünf Hübe durchgeführt, bei denen die Scheuerprobe gleichzeitig in eine hori-zontale und eine Rotationsbewegung versetzt wird.
Druck- und Weg-schlagversuche Inkjetdruck
Bei Océ in Poing wurden Druckversuche an einer „JetStream 1400“ mit Farb-stofftinten bei einer Geschwindigkeit von 100 m/min durchgeführt. Die Justie-rung der Druckmaschine und die optimale Einstellung der Tröpfchengröße wur-den durch wur-den Bediener individuell vorgenommen.
Zur Beurteilung der Wegschlageigenschaften im Inkjetdruck wurden im Druck-zentrum der Fa. Océ Printing Systems GmbH in Poing Versuche an einem Teststand durchgeführt. Dieser ermöglicht die Erstellung von einfarbigen Test-drucken auf Papierrollen mittels eines Druckkopfs von Kyocera. Damit lassen sich Testformen mit einer Breite von 15 cm und unendlicher Länge drucken. Als Tinten können sowohl Farbstofftinten als auch pigmentierte Tinten verwendet
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werden. Die Tröpfchengröße ist frei wählbar, die maximale Druckgeschwind-gkeit beträgt 1,2 m/s.
Um Wegschlagversuche an diesem Teststand durchführen zu können, wurde die Fogra-OKS umgebaut, so dass Papierrollen anstelle von Bogen verwendet werden können und die erstellten Testdrucke „inline“ gekontert werden. Die Versuche fanden mit unterschiedlichen Konterzeiten statt. Diese wurden durch Variation der Druckgeschwindigkeiten realisiert. Die Auswertung erfolgte wiede-rum densitometrisch mit anschließender Berechnung des Abdruckverhältnisses.
Drucktechnische Untersuchungen im Inkjetdruck
Farbumfang, Kantenschärfe, Kantenglätte und Scheuerfestigkeit wurden analog den Offsetdrucken geprüft.
Bei der Messung der Penetrationsgeschwindigkeit nach Bristow wird die Test-flüssigkeit in einem Dispenser über einen definierten Spalt mit dem porösen Medium in Kontakt gebracht und mit bekannter Geschwindigkeit über die zu prüfende Fläche gezogen. Wenn die Testflüssigkeit im Dispenser verbraucht ist, wird die Länge der eingefärbten Fläche ausgemessen.
Mit dieser Methode kann das Wegschlagverhalten farbstoffbasierter Tinten gut bewertet werden, für pigmentierte Tinten ist es in der Regel nicht geeignet.
Die Versuchsbedingungen wurden nach Vorversuchen wie folgt festgelegt:
• Einsatz des 0,1 mm Dispensers,
• Tintenvolumen 12 µl mit Farbstofftinte (Wolke Tinte UB 7482),
• Geschwindigkeiten 0,6 und 1,2 cm/s.
Prüfung mit dem Datamatrixcode-Prüfgerät
Zusätzlich zu den bereits genannten Methoden wurde das Datamatrixcode-Prüfgerät eingesetzt. Das Kernstück des Prüfstandes ist in Abb. 4 dargestellt.
Eine Papier- oder Kartonprobe wird damit zunächst optimal mit einem Inkjet-druckkopf bedruckt und nach einer exakt vorgegebenen Zeit gegen eine Wisch-einheit geführt. Danach wird mittels eines Bildanalysesystems (Verifier) der ge-wischte Datamatrixcode bewertet. Die Bewertung erfolgt nach DIN EN ISO/IEC 15415. Diese Norm definiert acht Parameter, mit denen die Lesbarkeit eines Datamatrixcodes ausgedrückt werden kann. Sieben dieser Parameter sind Ein-zelbewertungen und der achte ist die Zusammenfassung der einzelnen Auswer-tungen. Hierbei wird nicht der Mittelwert aller Parameter herangezogen, son-dern das Minimum der sieben Einzelbewertungen. Jede Einzelbewertung kann einen Wert zwischen 0 und 4 annehmen, wobei 4 der beste Wert ist.
Dispenser mit Testflüssigkeit poröses Medium
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Datamatrixcode-Prüfgerät
Abb. 4: Datamatrixcode-Prüfgerät.
Bei einer Messung wurde wie folgt vorgegangen:
• Bedrucken und Auswerten des Ergebnisses ohne Wischen definiert zu-nächst die Referenzmarke.
• Danach Bedrucken und Wischen mit schrittweise Verkleinerung der Wischzeit von max. 1,0 s bis 0,1 s. Auswerten der Ergebnisses nach je-dem Wischen.
• Bestimmen der Wischzeit, bei der eine signifikante Änderung des Be-wertungsergebnisses erfolgt. Diese Wischzeit definiert dann die Trock-nungzeit der Tinte und wurde im Weiteren als Maß für die Wegschlag-geschwindigkeit der Tinte auf dem geprüften Substrat genommen. In der Regel geht dies einher mit bereits visuell erkennbaren Verwischun-gen (siehe z.B. Abb. 5).
Abb. 5: Aufgedruckter Datamatrixcode ohne Wischtest (rechts) und mit Wisch-test und unterschrittener Trocknungszeit.
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