Titel
Modellierung des Dimensionsverhaltens von hochwertigen Offset- papieren bei Bedruckung
G. Keller, R. Gericke, T. Kuntzsch, J. Gemeinhardt
Inhaltsverzeichnis
Seite
1 Zusammenfassung ... 2
2 Abstract ... 4
3 Wissenschaftlich- technische Problemstellung ... 6
4 Forschungsziel ... 12
5 Gesamtvorgehen ... 12
6 Material und Methoden ... 13
7 Beschaffung und Herstellung von Proben ... 21
8 Anpassung von Messverfahren ... 24
9 Messergebnisse zu Rohpapieren, Strichen und Praxispapieren ... 28
10 Druckversuche mit Praxispapieren ... 34
11 Modelle zur Bestimmung des Dehnungsverhaltens ... 39
12 Untersuchung modifizierter Papiere ... 43
13 Validierung der Modelle und Ergebnisse ... 47
14 Gesamteinschätzung der Ergebnisse ... 49
Ansprechpartner für weitere Informationen: ... 51
Literaturverzeichnis ... 52
1 Zus ammenfas s ung
Zielstellung Modellierung des Dimensionsverhaltens von Bilderdruckpapieren im Druckpro- zess auf der Basis der statischen und dynamischen physikalischen Eigenschaf- ten der Papierschichten. Die Zielstellung fokussiert auf folgende Teilziele:
• Verbesserung der Messtechnik für Dehnungseigenschaften und E-Modul,
• Erfassung der Schichteigenschaften bei druckähnlicher Befeuchtung.
• Entwicklung mathematische Modelle zur Vorhersage des Dimensionsver- haltens von Papieren, besonders während des Druckens.
• Ableitung von Anforderungen an Papiere und Striche zur Optimierung.
Ergebnisse Es liegen umfangreiche Messergebnisse zur Charakterisierung von Papieren und Strichen nach Befeuchtung vor und außerdem Modelle zur Beschreibung des Dehnungsverhaltens der Papiere bei Befeuchtung in der Druckmaschine.
Das reale Dehnungsverhalten von Praxispapieren wurde ermittelt sowie modifi- zierte Papiere mit optimierten Stricheigenschaften entwickelt und bewertet.
Die wesentlichen Einflussfaktoren für die Papierdehnung in Bogenoffsetma- schinen konnten identifiziert werden. Diese können in der Planungsphase und bei der Druckdurchführung berücksichtigt werden. Die Ergebnisse ermöglichen ein verbessertes Strichdesign, insbesondere für Vorstriche, zur Reduzierung der Dehnungsneigung der Papiere beim Drucken. Damit können verbesserte Papiereigenschaften erreicht werden, die eine wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Druckproduktion ermöglichen.
Schluss-
folgerung Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das Design der Striche das Dehnungsver- halten der Papiere tatsächlich beeinflusst und dass es z.B. durch Veränderung der Rezeptur und Porosität des Striches sowie der Strichdicke (Wasseraufnah- mevermögen) verändert werden kann.
Eine Optimierung der Striche bezüglich des Dehnungsverhaltens ist somit mög- lich und kann durch weitere, zielgerichtete Entwicklungen erreicht werden.
Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 17217 BG der kooperierenden AiF-Forschungs- vereinigungen PTS und Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.V. wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferindustrie für die Unterstützung der Arbeiten.
2 Abs tract
Objective The projects objective was to model the dimensional behaviour of high-quality offset printing papers during the printing process based on static and dynamic physical properties of the individual paper layers. The project focused on the fol- lowing sub goals:
• improvement of measuring techniques for hygroexpansivity and mechanic material properties (modulus of elasticity)
• evaluation of paper layer characteristics during paper moistening reflect- ing the situation in real printing processes
• development of mathematical models for dimensional stability prediction, in particular related to the printing process.
• identification of improvement opportunities for paper and coating design with regard to dimensional stability
Results A large data base was made available concerning the characterisation of paper and coating layer behaviour after moistening. Furthermore models describing the moisture dependent dimensional behaviour of paper sheets in printing ma- chine were provided.
The real behaviour of practice relevant paper qualities was determined. Then modified papers showing optimised coating properties were developed and evaluated.
The most important influencing factors on dimensional behaviour of paper in sheetfed offset printing machines were identified. These findings should be considered for the planning and implementation of further printing products and processes.
The projects results allow to improve the coating layers design, in particular for precoatings, to reduce moisture expansion effects during the printing process.
Using these outcomes an advanced paper performance can be achieved, mak- ing possible an economic production of high quality printing products.
Conclusions The results have shown that paper hygroexpansivity is essentially affected by the coating layer properties and can be modified significantly e.g. by changes of coating formulation, porosity and film thickness (water holding capacity).
Hence an optimisation of coating layers concerning the dimensional paper be- haviour related to moisture effects is possible and can be achieved by means of further, targeted developments.
Acknowledge-
ments The research project IGF 17217 BG of cooperating Research Associations PTS and Fogra Forschungsgesellschaft Druck e.V. was funded within the program of promoting “pre-competitive joint research (IGF)” by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi and carried out under the umbrella of the German Federation of Industrial Co-operative Research Associations (AiF) in Cologne. We would like to express our gratitude for this support. We would also like to express our thanks to the involved companies for providing proper sam- ples as well as for supporting project performance.
3 Wis s ens chaftlich- technis che Problems tellung
Ausgangspunkt Im Bogenoffsetdruck sollen aus wirtschaftlichen Gründen zunehmend größere Bogenformate bedruckt werden. Dem entgegen stehen für manche Druckauf- gaben dabei die teils ungünstigen Dehnungseigenschaften der eingesetzten Papiere. Diesen Mangel zu analysieren und produktorientierte Verbesserungen dafür abzuleiten, sollte Aufgabe des vorliegenden Projektes sein.
Kooperation Da die Aufgabenstellung sowohl die Papier- als auch die Druckindustrie betrifft, war es naheliegend, das Projekt in Kooperation der PTS (Papier) und der Fogra (Druck) durchzuführen.
Neben den Vertretern dieser beiden Branchen waren im Projektausschuss auch Vertreter der Chemieindustrie (Zulieferer) und der Messtechnik vertreten.
Hochwertiger
Offsetdruck Die Qualitätsanforderungen an Bogenoffset-Druckerzeugnisse sind in den letz- ten Jahren enorm gestiegen. So erwarten Auftraggeber heutzutage eine hohe Farbtreue sowie eine saubere Wiedergabe von anspruchsvollen Bildmotiven und technischen Elementen. Deshalb werden im qualitativ hochwertigen Be- reich meist mehrfach gestrichene Papier eingesetzt.
Um konkurrenzfähig zu bleiben, sehen sich die Druckereien jedoch gleichzeitig gezwungen, Kosten einzusparen. Hierzu ist es notwendig, die Einrichtzeiten an der Druckmaschine zu verkürzen und die anfallende Makulatur zu reduzieren.
Im Zusammenhang mit einer wirtschaftlichen Arbeitsweise ist ein wachsender Trend zu höheren Druckgeschwindigkeiten und größeren Formaten zu ver- zeichnen [1], [2], [3]. So befinden sich bereits Bogenoffset-Druckmaschinen mit bis zu 1,5 m x 2,0 m Bogengröße im Einsatz.
Passerprobleme und Dehnungs- eigenschaften
Gerade bei großformatigen Papieren können Dimensionsänderungen während des Druckprozesses jedoch zu drucktechnischen Schwierigkeiten führen. Diese manifestieren sich selbst bei hochwertigen Papieren in Form von Passerabwei- chungen, die sich negativ auf die Rüstzeiten und die produzierte Qualität aus- wirken. Deshalb ist eine Verringerung der momentan auftretenden Papierdeh- nungen für Druckereien von großem Interesse.
Eigenschaften
der Striche Bisher ging man davon aus, dass die zu den Passerabweichungen führenden Dehnungen der Papiere vor allem aus den Eigenschaften der Rohpapiere resul- tieren. Weitgehend unbekannt, aber bisher auch nicht untersucht, ist der Ein- fluss der Stricheigenschaften auf diese Dehnung, wie z.B. Dehnungskoeffizient und E-Modul sowie die Porosität der Striche.
Verbesserte
Papiere Die skizzierten Untersuchungen sollen zu Vorschlägen zur Verbesserung der Dehnungseigenschaften von Papieren für den Bogenoffsetdruck führen.
3.1 S tand der Technik
3.1.1 Papiere für den Bogenoffsetdruck
Papieraufbau Zur Erreichung einer hohen Bildqualität werden Papiere mit speziellen Strichen versehen, die die jeweiligen Farben bzw. Farbpartikel aufnehmen und stabil hal- ten sollen. Wegen der hohen Feuchtigkeitsaufnahme beim klassischen Bogen- offsetdruckverfahren besitzen diese Schichten auch großen Einfluss auf die Biegesteifigkeit und die Dimensionsstabilität (Planlageabweichungen) der Pa- piere. Diese Papiereigenschaften wiederum beeinflussen die mögliche Verar- beitungsgeschwindigkeit sowie die Produktqualität der Papiere (bzw. Papier- verbunde) maßgeblich. Der Begriff Bedruckbarkeit steht dabei für ein komple- xes Zusammenspiel verschiedenartiger Anforderungen [3, 4] in der Wechsel- wirkung zwischen Druckfarbe und Papier.
Für die Qualitätsdrucke werden Papiere eingesetzt, die mehrfach gestrichen sind und in einem Grammaturbereich von 75 bis 115 g/m² (Zweifach-Strich) bzw. 100 bis 170 g/m² (Dreifach-Strich) liegen. Diese Drucke werden fast aus- schließlich im Bogenoffsetdruck hergestellt. Eine übersichtliche Zusammenfas- sung des Standes der Technik findet sich in [5].
Der Strichaufbau für beidseitigen Strich erfolgt symmetrisch. Typische Strich- gewichte und Zusammensetzungen sind in der Tabelle gelistet (vgl. [6], [7]).
Doppelstrich Dreifachstrich
Rohpapier 55 - 60 g/m² 60 -70 g/m²
Vorstrich (je Seite) 10-25 g/m²
(GCC, teilw. Kaolin, Stärke, Latex, Additive, Härter)
10-20 g/m²
(GCC, Stärke, Latex, Additi- ve)
Mittelstrich (je Seite) 10-20 g/m² (GCC, Kaolin, Latex, Stärke, Additive, Här- ter)
Deckstrich (je Seite) 10-30 g/m² (GCC, Kao- lin, Latex, Additive, Härter)
20-30 g/m² (GCC, Kaolin, Latex, Additive, Härter)
Die o. g. für das Papierverhalten in der Druckmaschine wichtigen Eigenschaften (E-Modul, Biegesteifigkeiten, Dehnungsverhalten) sind für diese Striche kaum untersucht, vor allem nicht unter druckähnlicher Feuchtebelastung, obwohl sie teilweise mehr als 50% des Gesamtvolumens einnehmen.
Die Dimensionsstabilität für Rohpapiere wurde in Forschungseinrichtungen und bei Herstellern schon mehrfach untersucht (vgl. u. a. [8], [9], [10]). Demnach wird sie z.B. durch Mahlung, Leimung, ggf. Nassfestmittel, Faserorientierung und Trocknungsverlauf maßgeblich beeinflusst.
Streichfarbenzus
ammensetzung Im Zusammenwirken mit der Druckfarbe soll die Streichfarbenschicht folgende Anforderungen erfüllen:
Rupfresistenz (gegeben durch Papierfestigkeit in z-Richtung)
geringe Mottlingneigung (Vermeidung ungleichmäßigen Ausdrucks durch homogene und weitgehend konstante Streichfarbschichtdicke)
optimiertes Wegschlagverhalten (Regelung der Eindringgeschwindigkeit der flüssigen Druckfarbenbestandteile in das Substrat)
ausreichende Scheuerfestigkeit (Vermeidung der Beschädigung der bedruckten Oberfläche durch geringe Oberflächenprofile)
gute Glanzentwicklung der Druckfarbe und geringer Druckfarbenver- brauch
Streichfarben sind wässrige Dispersionen bestehend aus Pigmenten, Bindemit- teln und Additiven. Zum Auftragen der Streichfarbe auf die laufende Papierbahn sind unterschiedliche Methoden verfügbar, welche je nach Anforderung und Eignung eingesetzt werden.
Mengenmäßig dominieren für den Papierstrich dabei die eingesetzten Weiß- pigmente, wie gemahlene Calciumcarbonate (GCC) und sekundäre Kaoline, die übrigen Streichfarbenkomponenten. Die Pigmente sind für die Abdeckung des Streichrohpapiers und neben der Satinage auch für die Entwicklung von Glanz und Glätte sowie den optischen Eigenschaften von zentraler Bedeutung.
Synthetische Binde- und Cobindemittel übernehmen die Aufgabe, für die Verar- beitbarkeit der Streichfarben (Laufverhalten, Wasserretention und Viskosität) und für die Qualität des gestrichenen Papiers (Bindekraft, Farbabsorption der Druckfarbe und Akzeptor für optischen Aufheller) Sorge zu tragen.
Hauptaufgabe des Basisbinders ist die Entwicklung der Bindekraft, um die Pig- mente untereinander und den Strich mit dem Streichrohpapier zu verankern.
Diese Verankerung muss bei Papieren für den Offsetdruck besonders ausge- prägt sein, da bei einer unzureichenden Oberflächenfestigkeit das so genannte Rupfen beim Bedrucken auftreten kann. Dies äußert sich in einem Herausrei- ßen von einzelnen Pigmentteilchen bis zum Ablösen gesamter Strichschichten aufgrund der Zügigkeit der Offsetdruckfarben.
3.1.2 Drucken im Bogenoffset Aufbau einer
Druckmaschine Beim Offsetdruck wird mit den vier Skalenfarben Schwarz, Cyan, Magenta und Gelb gearbeitet, die nacheinander in verschiedenen Druckwerken auf das Pa- pier gebracht werden [11]. Für spezielle Anwendungen kommen auch Sonder- farben und Lacke zum Einsatz, die in zusätzlichen Einheiten appliziert werden.
Vorder- und Rückseite werden meist nacheinander bedruckt. Um schneller pro- duzieren zu können, werden heutzutage unter anderem Maschinen mit Wende- einrichtung eingesetzt. Diese können Vorder- und Rückseite in einem Durch- gang bedrucken und besitzen zwischen acht und zwölf Druckwerke.
Druckprozess Beim Offsetdruck werden die Druckfarben von der Druckplatte über ein Druck- tuch auf das Papier übertragen. Dort erreichen sie Schichtdicken von ungefähr einem Mikrometer. Unmittelbar nach dem Bedrucken trennen sich die dünnflüs- sigen Bestandteile (Mineralöle usw.) von den Pigmenten und Bindemitteln und dringen in die poröse Strichstruktur ein [12]. Dieser Vorgang wird als Weg- schlagen bezeichnet und ist entscheidend für die Trocknung und Verankerung der Farbschicht.
Um die nichtdruckenden Stellen auf den Platten frei von Druckfarbe zu halten, werden sie in den Druckwerken mit Feuchtmittel benetzt. Dieses gelangt über das Drucktuch sowohl unvermischt als auch in Form einer Druckfarbe/Feucht- mittel-Emulsion auf bzw. in das Papier.
Während des Druckvorgangs kann der Drucker die Farb- und Feuchtmittelfüh- rung in jedem Druckwerk separat regulieren. Die zum Freihalten der nichtdru- ckenden Stellen notwendige Feuchtmittelmenge hängt von den jeweils einge- setzten Materialien ein. Sie wird üblicherweise so gewählt, dass genügend Spiel nach oben und unten vorhanden ist. Die auf das Papier übertragende Farb- schichtdicke wird hingegen so eingestellt, dass die im Standardisierungskon- zept [13] angegebenen Volltonfärbungen für die Skalenfarben erreicht werden.
Passerprobleme In jedem Druckwerk nimmt das Papier Feuchtmittel und dünnflüssige Farbbe- standteile auf, die zu Dimensionsänderungen während des Druckvorgans füh- ren können. Diese hängen entscheidend vom Druckbild ab, da der größte Flüs- sigkeitseintrag über die applizierten Druckfarben (Emulsion) geschieht. Dunkle Motive mit einer hohen Farbbelegung sind von diesem Problem folglich stärker betroffen als helle Motive.
Zusätzlich wirken mechanische Beanspruchungen auf den Bedruckstoff ein. So wird er im Druckspalt zwischen dem Drucktuch- und Gegendruckzylinder ge- quetscht. Des Weiteren sorgt der sogenannte Tack der Druckfarben dafür, dass eine Teil des Papiers nach dem Passieren des Druckspalts am Drucktuch „kle- Abbildung 1: Schematische Darstellung einer Bogenoffset-Maschine mit fünf
Druckwerken.
ben“ bleibt. Dadurch entstehen Zugkräfte in Druckrichtung, die unter anderem von den rheologischen Eigenschaften der eingesetzten Druckfarben abhängen.
Da die resultierenden Dimensionsänderungen des Papiers mit jedem Druck- werk zunehmen, fallen die nacheinander aufgedruckten Farbauszüge unter- schiedlich groß aus. So ist es letztendlich nicht möglich, sie formatfüllend zur Deckung zu bringen.
Als Bildpasser bezeichnet man den geometrischen Abstand zweier Teilbilder auf dem Druckbogen. Ein großer Bildpasser kann zu störenden Blitzern (Sicht- barkeit des unbedruckten Papiers zwischen zwei aneinandergrenzenden Farb- flächen) führen. Zusätzlich sind eine Verschlechterung der Detailauflösung so- wie eine Farbverschiebung von mehrfarbigen Übereinanderdrucken möglich.
Letztere tritt vor allem in neutralgrauen Tönen störend in Erscheinung.
Zur Beschränkung des Bildpassers gibt die internationale Norm ISO 12647-2 [13] eine Toleranz von 80 µm vor. Bei starken Dimensionsänderungen des Pa- piers kann dieser Wert jedoch nicht über das ganze Format eingehalten wer-
den. Die Folge sind Qualitätseinbußen sowie eine längere Einrichtzeit.
3.1.3 Messverfahren für die Projektaufgaben Standard-
Messverfahren Viele der für die Vermessung von Papieren und Strichen erforderlichen Mess- verfahren sind standardmäßig vorhanden und einsetzbar (vgl. auch Abschnitt 6.2.1). Für die genaue Analyse der mechanischen Eigenschaften der Striche und der Penetrationsvorgänge stehen jedoch nicht alle Messverfahren zur Ver- fügung. Das betrifft vor allem die Messverfahren für E-Modul und Dehnungs- konstanten für befeuchtete Proben und die Messung des Eindringverhaltens von Druckflüssigkeiten in Striche und Rohpapiere.
Anzupassende
Messverfahren E-Modul-Messungen werden in der Regel mit den verfügbaren Zugprüfgeräten durchgeführt, meist ausschließlich im Normklima (23°C, 50% rel. LF). Für die Analyse des Papierverhaltens bei Bedruckung, d.h. bei geringfügiger Befeuch- tung, muss aber anders vorgegangen werden. Dazu sind im Projekt mehrere Messvarianten zum Einsatz gekommen, die an die Aufgabe angepasst wurden.
Die Messung der Dehnungseigenschaften von Papieren erfolgt meist bei rela- tiv starker Befeuchtung mittels Ultraschallverfahren. Für die Projektzielstellung, besonders für die Messung der separierten Striche, sind diese Verfahren aber nicht optimal. Ziel ist es hier vielmehr, Dehnungen bei sehr geringer Befeuch- tung zu messen und in Längenänderung je %-Feuchteänderung auszuweisen.
Näheres zu beiden Messungen ist in den Abschnitten 6.2 und 8 erläutert.
Spezielle
Messverfahren Damit die Befeuchtungssituation der Papiere in der Druckmaschine richtig ab- geschätzt werden kann, muss auch das Eindringverhalten der Druckflüssigkei- ten in Striche und Papier untersucht werden. Neben einigen Modellberechnun- gen, die in letzter Zeit, u. a. auch an der PTS, durchgeführt wurden (vgl. [14], [15], [16], [17], [21]), sind hier auch Messverfahren zum Penetrationsverhalten mittels schneller Kamera nützlich. Auch dafür wurden kürzlich Entwicklungen durchgeführt. Die vorliegenden Messaufbauten (siehe [21]) wurden im Projekt eingesetzt.
Weitere
Messverfahren Die von der Fogra eingesetzten Geräte zur Auswertung der in den Druckversu- chen aufgetretenen Passerabweichungen sind in Abschnitt 6.2.5 erläutert.
3.1.4 Modellierungsverfahren
Basis Es gibt verschiedene Software-Pakete zur Lösung von (mechanischen) Model- lierungsaufgaben. Für das Projekt ausgewählt wurde vor allem das COMSOL- Paket [18], einschließlich des zugehörigen Mechanik-Moduls. Die Software wurde für die Bestimmung der Dehnungskonstanten der Striche und des Deh- nungsverhaltens der Papiere eingesetzt.
Spezielle Aufgaben wurden außerdem mit dem Paket LSDYNA gelöst.
Vorgehen Bei der Anwendung der ausgewählten Modellsoftware (Finite-Elemente- Methode, FE-Modelle) werden die zu untersuchenden Papiere in kleine Teile (FE) zerlegt, denen die jeweils zutreffenden physikalischen Parameter, z.B. E- Modul und Dehnungskonstanten, zugeordnet werden. Aus den daraus entste- henden Gleichungssystemen lassen sich dann Dehnungen oder Verbiegungen der untersuchten Körper als „Gleichgewichtszustände“ bestimmen.
Zielstellung für
Modelle Die vorhandenen Werkzeuge sind geeignet, eine Berechnung des Dehnungs- verhaltens in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften der Striche bzw. der Rohpapiers durchzuführen. Damit können Parameter, die für das Dehnungsverhalten wesentlich sind, herausgearbeitet werden.
Aus Variantenrechnungen kann der Einfluss der Eigenschaftsparameter auf die Dehnungen bestimmt werden, so dass auf theoretischem Wege auch Vorschlä- ge zur Verringerung der Papierdehnung abgeleitet werden können.
3.2 Dehnungs verhalten von Papieren Dehnung von
Basispapieren Das Dehnungsverhalten der Roh- bzw. Basispapiere ist weitgehend bekannt.
Es ist typischer Weise in CD-Richtung (ca. 0,1% - 0,15% je % Feuchteände- rung) 3 bis 5 mal größer als in MD-Richtung [19]. Allgemein wird bisher davon
ausgegangen, dass die Eigen-Dehnung des Rohpapiers maßgeblich verant- wortlich für die Dehnung des Gesamtpapiers ist.
Dehnung von
Strichen Außer in nicht veröffentlichten, vertraulichen Sonderuntersuchungen sind keine Dehnungseigenschaften für Striche bekannt. Im Projekt sollen diese Deh- nungseigenschaften und der E-Modul untersucht werden, damit deren Einfluss auf das Verhalten des gestrichenen Papiers besser beurteilt werden kann.
Dehnungen in einer Druckmaschine
Beim Bogenoffsetdruck wird mit z.B. 4 Druckwerken vergleichsweise wenig Feuchtigkeit in das Papier eingetragen, maximal 2 g/m². So wird bei gestriche- nen Papieren vorwiegend der Strich befeuchtet, das Rohpapier aber nur in ge- ringerem Maße, abhängig von der Strichdicke und dem Flüssigkeits-
Aufnahmevermögen des Striches.
Die Aufgabe des Projektes bestand deshalb genau darin, diese Verhältnisse und die daraus resultierenden Konsequenzen genauer zu beleuchten.
4 Fors chungs ziel
Ziel Ziel des Forschungsvorhabens war die Modellierung des Dimensionsverhaltens von Bilderdruckpapieren im Druckprozess auf der Basis der statischen und dy- namischen physikalischen Eigenschaften der Papierschichten.
Teilziele Die Untersuchungen sollten sich auf die Einflüsse der Feuchtmittelaufnahme auf das Dehnungsverhalten konzentrieren. Eine systematische Analyse der ge- samten mechanischen Einflüsse war nicht Gegenstand des geplanten Projekts.
Demzufolge wurde das Projekt auf folgenden Schwerpunkten gerichtet.
• Verbesserung der Messtechnik für Dehnungseigenschaften und E-Modul, insbesondere für einzelne Schichten bei Befeuchtung bzw. im Feuchtklima.
• Messtechnische Erfassung der Schichteigenschaften unter Einfluss der beim Drucken eingetragenen Feuchtmittel (Labormessungen).
• Entwicklung mathematische Modelle zur Vorhersage des Dimensionsver- haltens von Papieren, auch während des Druckens, auf der Basis der physi- kalischen Eigenschaften der Papierschichten (Dehnung, E-Modul ).
• Ableitung von Anforderungen an Papiere und Striche, die bezüglich des Dimensionsverhaltens im Druck optimiert sind.
5 G es amtvorgehen
praktische Untersuchung der Papiere im realen Druckprozess (rechte Säule).
Folgendes Schema gibt eine Übersicht über die Arbeitspakete.
Abbildung 2: Projektablauf, Abhängigkeiten zwischen den Arbeitspaketen
6 Material und Methoden 6.1 Papiere und S triche Papiere für den
Bogenoffset- druck
Im Projekt sind Papiere für den hochwertigen Bogenoffsetdruck von drei ver- schiedenen Herstellern eingesetzt worden. Bei einigen Papieren war auch das (unkalandrierte) Streichrohpapier zugänglich, so dass daraus die korrespondie- renden Strichgewichte bestimmt werden können.
Papiere für
Druckversuche Da eine starke Abhängigkeit der Papierdehnung von der flächenbezogenen Masse zu erwarten war, wurden von jedem der drei Hersteller drei unterschied-
AP1: Präzisierung der Aufgabe;
Detailkonzeption
AP5: Messung des Verhaltens der Striche
(E-Modul, Dehnung) AP4: Messung des Verhaltens der Rohpapiere bei Befeuchtung AP3: Anpassung der Messverfahren;
Messungen im Normklima AP2: Beschaffung / Herstellung von messbaren Proben
AP8: Aufbau der Basis- modelle bei angenomme- nen Materialparametern
AP12: Variation und Validierung der Modelle AP9: Präzisierung der Modelle mit realen
(gemessenen) Parametern
AP10: Herstellung verbesserter Papiere
AP13: Auswertung der Modellergebnisse; Ziele für verbesserte Papiere AP11: Druckversuche zum Dimensions- verhalten von Papieren (Variierte Versuchspapiere) AP6: Druckversuche zum Di- mensionsverhalten von Papie- ren (kleines Format)
AP7: Druckversuche zum Dimensionsverhalten von Pa- pieren (großes Format)
lich schwere mehrfach gestrichene Papiere beigesteuert. Die Papiere unter- schieden sich auch in den Flächenmassen der Rohpapier und in den Auftrags- mengen bzw. Dicken der Striche.
Um den Einfluss der Strichoberfläche auf die Versuchsergebnisse ermitteln zu können, lieferte jeder Hersteller Papiere mit unterschiedlichem Glanzgrad. Die- ser reichte von matt über semimatt bis glänzend und wurde durch unterschiedli- che Strichrezepturen bzw. durch unterschiedliche Kalandrierungsstufen erzielt.
Striche Zur Untersuchung der spezifischen Stricheigenschaften wurden insgesamt 6 Rezepturserien hergestellt und auf Folien aufgetragen (2-Lagen-Proben).
Die Rezepturen zu den 6 Testserien können wie folgt beschrieben werden:
Serie Merkmale
1 Vorserie zur Erprobung der Herstell- und Messverfahren 2 Variation der Pigmente und der Strichdicken
3 Variation der Binderanteile im Strich und der Strichdicken 4 Spezielle Versuchsstriche mit unterschiedlichem Was-
seraufnahmevermögen
5 Zweifachstriche aus Strichen der Serie 4 6 Laborstriche analog zu den Vestra-Strichen
Basispapier für modifizierte Striche
- VESTRA- Erzeugung -
Zur Erzeugung der Versuchspapiere mit modifizierten Strichen für die abschlie- ßenden Druckversuche wurde nur ein Rohpapier eingesetzt, damit klar war, dass die Unterschiede in den Ergebnissen tatsächlich auf Strichmodifikationen zurückzuführen sind. Es wurde beachtet, dass das Rohpapier von einer Ma- schine und an einer Bahnposition entnommen wurde. Die Papiere wurden von einem Lieferanten D zur Verfügung gestellt.
6.2 E inges etzte Mes s verfahren 6.2.1 Normverfahren
Messverfahren Die Messverfahren gemäß Tabelle 1 wurden im Projekt eingesetzt.
Tabelle 1: Eingesetzte Standardmessverfahren
Parameter Messmethode
Feststoffgehalt und
pH-Wert DIN ISO 787 Teil 2 (FG-Gehalt)
DIN ISO 787 Teil 9 (ph-Wert) Niedrig-Scherviskosität Brookfield bei 20, 50 und 100 U/min
nach DIN ISO 2555 Flächenbezogene Masse DIN EN ISO 2286-2
Dicke DIN EN ISO 534
Rauigkeit nach Bendtsen ISO 8791/2
Weißgrad, Farbort DIN 53145-1 und -2, DIN 53140 Rupffestigkeit des Strichs Prüfbau-
Mehrzweckprobedruckmaschine - Rupftest
Rupf- und Wegschlagtest der Pa-
pierstriche Prüfbau-
Mehrzweckprobedruckmaschine – Rupf- & Wegschlagtest
6.2.2 E-Modul-Messungen Messungen im
Normklima Die E-Module im Normklima wurden wie üblich mittels Zugversuch bestimmt (vgl. Tabelle 1).
Messungen nach
Befeuchtung Das Messverfahren wurde im Rahmen des Projektes (Arbeitspaket 3) an die spezifischen Anforderungen angepasst (vgl. Abschnitt 8.2)
Messungen im
Feuchtklima Die Messungen im Feuchtklima wurden in der Klimakammer der PTS durchge- führt. Ein Kooperationspartner stellte dafür ein transportables Gerät (L&W Al- wetron, Typ Th1) für Zugversuche bereit. Das Klima wurde auf 30°C und 80%
rel. LF fixiert.
6.2.3 Dehnungsmessungen Dehnungs-
messung mit IGT-Gerät
Ein Druckprüfgerät der Fa. IGT (Typ: GST) wurde vor einiger Zeit mit einer zu- sätzlichen Kamera ausgerüstet. Mit einem PTS-Messverfahren [20] kann es standardmäßig für Dehnungsmessungen bei druckähnlicher Befeuchtung ge- nutzt werden. Das Verfahren wird unterdessen seitens IGT weltweit vertrieben.
Kamera-
messplatz Für die Dehnungsmessungen mit unterschiedlichen Befeuchtungsgraden wurde vorzugsweise ein neuer Kamera-Messplatz eingesetzt, der im Arbeitspaket 3 entwickelt und erprobt wurde (Abschnitt 8.3).
6.2.4 Porosimetrie und weiteres
Hg-Porosimetrie Die Porengrößenverteilung und Porosität der Papiere wurde mittels Hoch- druckquecksilberporosimetrie messtechnisch erfasst. Aus den Intrusionskurven wurde dann mit einer an der PTS erarbeiteten Matlab-Software die Werte für die Porosität der Strichschicht in %, in mL/g und in mL/m² sowie der mittlere Po- renradius ermittelt. Dazu werden jeweils die Dicke und die flächenbezogene Masse der Papiere und der Strichschicht benötigt.
Die Anwendung der Lösung erfolgte für Rohpapiere und Striche (aus den 2- Lagen-Proben) getrennt. Die Strichporositäten konnten auch aus Messkurven der Gesamtpapiere nach Abzug der Rohpapierkurven berechnet werden.
Bewertung des Eindring- verhaltens
Wichtig für das Projekt war auch die Bewertung des Intrusionsverhaltens der Druckfarben bezüglich Menge und Zeitverhalten. Durch Messungen mit dem PTS-Kameramessplatz HFC (vgl. Projekt [21]) konnte eine Abschätzung erfol- gen und daraus abgeleitet werden, wie feucht die einzelnen Schichten werden.
6.2.5 Passermessungen Passer-
messungen Für die Passermessungen wurde das in der Fogra befindliche System LUCHS der PIT SID Polygrafische innovative Technik Leipzig GmbH eingesetzt. Damit konnten die geometrischen Abstände der nacheinander bzw. übereinander ge- druckten Farbauszüge Schwarz, Cyan, Magenta und Gelb am jeweiligen Mess- ort längs und quer zur Druckrichtung bestimmt werden.
6.3 Druckmas chinen für Druckvers uche
Kleinformat Die Druckversuche in der Fogra wurden auf einer Heidelberg Speedmaster CD 74 mit fünf Druckwerken durchgeführt. Das maximalen Bogenformat der Ma- schine beträgt 740 mm x 530 mm, der Umfang des Drucktuchzylinders
627 mm. Doppelt große Gegendruckzylinder ermöglichen auch mit dicken und relativ steifen Bedruckstoffen einen guten Bogenlauf.
Großformat Für die Druckversuche im Großformat wurde eine Speedmaster XL 162 bei der Heidelberger Druckmaschinen AG mit fünf Druckwerken eingesetzt. Die Ma- schine besitzt ein maximales Bogenformat von 1.620 mm x 1.210 mm. Der Um- fang des Drucktuchzylinders beträgt 1.325 mm. Die Gegendruckzylinder weisen den doppelten Umfang auf. Unmittelbar vor der Auslage befindet sich ein soge- nannter Bogenentroller, der die beim Maschinendurchgang entstehende Krüm- mung des Papiers aufhebt. Durch eine Biegung in die entgegengesetzte Rich- tung wird eine gute Planlage erreicht.
6.4 Druckvers uche
6.4.1 Druckversuche im Kleinformat mit Praxispapieren
Materialeinsatz Die Druckversuche fanden mit der Farbserie RAPIDA der Michael Huber Mün- chen GmbH und einem alkoholfreiem Feuchtmittel statt. Des Weiteren wurde das Drucktuch „Vulcan Master“ eingesetzt.
Einstellung der Feuchtmittel- führung
Der Feuchtmittelgehalt in der Druckfarbe und auf den nichtdruckenden Stellen der Druckform wurde im dritten Druckwerk (Magenta) der laufenden Maschine mit einem Wasserkontrollgerät (WKG) verfolgt.
Die Einstellung der optimalen Feuchtmittelmenge fand zunächst anhand eines glänzend gestrichenen Papiers statt, das standardmäßig in der Fogra einge- setzt wird. Hierzu wurde in allen vier Druckwerken die Schmiergrenze angefah- ren. Die Maschineneinstellung zur Feuchtmittelführung wurde im Anschluss um 10 % erhöht. Die dabei resultierenden Feuchtmittelwerte (WKG) wurden notiert.
In Abhängigkeit von der Saugfähigkeit der eingesetzten Papiere müssen in der Druckpraxis die Maschineneinstellungen zum Erreichen der optimalen Feucht- mittelmenge teilweise nachjustiert werden. Da die WKG-Werte bei den hier verwendeten Papieren jedoch weitgehend konstant blieben, war dies im weite- ren Verlauf nicht notwendig.
Versuchsdurch-
führung Als Druckgeschwindigkeit wurde 8.000 Bogen/Stunde gewählt. Somit benötig- ten die Bedruckstoffe ca. 0,9 s, um von Druckwerk zu Druckwerk zu gelangen.
Alle im Vorfeld ausgewählten Praxispapiere wurden in Schmalbahn verdruckt (Faserlaufrichtung quer zur Druckrichtung). Dabei wurden je drei Testformen mit unterschiedlich hoher Farbbelegung verwendet. Die Volltonfärbungen und
Tonwertzunahmen der Primärfarben wurden gemäß ISO 12647-2 geregelt.
Ausgehend von den optimalen Einstellungen wurde die Feuchtmittelführung bis zum Schmieren erniedrigt. Die Farbführung wurde dabei nicht nachgeregelt. Im Anschluss erfolgte eine Erhöhung der Feuchtmittelmenge, bis sich die Vollton- färbungen um jeweils ∆E*ab = 3 erniedrigten.
Jeder Versuchspunkt wurde sowohl mit eingeschaltetem als auch mit ausge- schaltetem Infrarottrockner in der Bogenauslage durchgeführt.
6.4.2 Druckversuche im Großformat mit Praxispapieren
Materialeinsatz Es kamen die gleichen Druckfarben, Drucktücher und Papiere wie bei der Fogra zum Einsatz. Um den immensen Versuchsaufwand sinnvoll einzuschränken, wurde jedoch jeweils auf die mittlere Grammatur verzichtet. Das Feuchtmittel unterschied sich von dem in der Fogra eingesetzten, war jedoch ebenfalls alko- holfrei.
Einstellung der Feuchtmittel- führung
Die Ermittlung der optimalen Feuchtmittelmenge erfolgte anhand eines ausge- wählten Papiers. Diese Einstellung wurde für die folgenden Bedruckstoffe über- nommen.
Versuchsdurch-
führung Das durchgeführte Testprogramm entsprach dem in Abschnitt 5.5.1 beschrie- benen Vorgehen. Es wurden jedoch nur die Testformen mit niedriger und hoher Farbbelegung verwendet.
6.4.3 Druckversuche im Kleinformat mit Versuchspapieren
Materialeinsatz Im Gegensatz zu den Druckversuchen mit Praxispapieren wurden die Ver- suchspapiere im quadratischen Format 50 cm x 50 cm zur Verfügung gestellt.
Wie bei den Versuchen im Großformat kamen nur die Testformen mit geringer und hoher Farbbelegung zum Einsatz.
Einstellung der Feuchtmittel- führung
Da sich die zur Verfügung gestellten Papiere deutlich in ihrer Saugfähigkeit un- terschieden, wurde die Ermittlung der optimalen Feuchtmittelführung individuell angepasst.
Versuchsdurch-
führung Das durchgeführte Testprogramm entsprach dem in Abschnitt 6.4.1 beschrie- benen Vorgehen. Allerdings wurde auf den Einsatz des Infrarottrockners und die Testform mit mittlerer Farbbelegung verzichtet.
Die Papiere wurden sowohl in Schmalbahn (Faserlaufrichtung quer zur Druck- richtung) als auch in Breitbahn (Faserlaufrichtung in Druckrichtung) verdruckt.
Ausgehend von den optimalen Einstellungen erfolgte jeweils eine Erhöhung der Feuchtmittelführung.
6.5 Modellierungen
Vorgehen Im Rahmen der Modellierungsarbeiten wurde die Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt, um das Dehnungsverhalten der Papiere bzw. 2-Lagen- Proben bei druckähnlicher Befeuchtung zu berechnen.
Dazu wurden verschiedene mehrlagige Aufbauten mit bis zu 5 Lagen (Rohpa- pier mit beidseitigem Doppelstrich) nachgebildet. Für die einzelnen Materialla- gen erfolgte die Implementierung der zugehörigen Materialkennwerte (feuchte- abhängiger E-Modul und Dehnungskoeffizient). Für definierte Befeuchtungsstu- fen (aus experimentellen Untersuchungen) wurde dann die Dehnung der Auf- bauten in der Ebene berechnet. Anhand dieser Werte erfolgten der Abgleich mit den Messwerten, die Abschätzung von Dehnungskoeffizienten für die Strichla- gen aus 2-Lagen-Proben sowie die Prognose der zu erwartenden Passerdiffe-
renzen.
Modellierungssof
tware Für die durchgeführten Modellierungsarbeiten kamen die Software COMSOL sowie für ausgewählte Aufgaben das Softwarepaket LS-Dyna zum Einsatz.
Datenbasis Die für die Rechnungen vorzugebenden Modellparameter wie Schichtdicken, E-Module (NK, nach Befeuchtung), Dehnungen (NK zu Befeuchtungsstufen) wurden aus den im Rahmen des Projektes durchgeführten Messungen be- schafft (vgl. Abschnitt 9). Weitere Kenngrößen, wie z.B. Querdehnzahlen oder Schubmodulwerte, wurden abgeschätzt bzw. aus der Literatur übernommen.
Testrechnungen zeigten, dass diese abgeschätzten Größen nur geringen Ein- fluss auf das Modellergebnis haben.
6.6 S atinage
Hintergrund Da die Eigenschaften der Rohpapiere sich nach dem Streichen und Kalandrie- ren verändern, im gestrichenen Papier aber nicht gemessen werden können, wurden zusätzlich zum Plan Untersuchungen zu kalandrierten Rohpapieren durchgeführt. Diese dienten zur Bestimmung der Änderungen von E-Modul und Porosititäten von kalandrierten Substratpapieren gegenüber der unkalandrierten Form und der zielgerichteten Anpassung der zugehörigen Messergebnisse.
Laborkalander Die Satinage erfolgte mit einem 2-Walzen-Laborkalander der Firma Voith- Sulzer-Finishing, Krefeld (vormals Kleinewefers). Die obere Walze ist eine elektrisch beheizte Stahlwalze von 140 mm Durchmesser. Die untere, angetrie- bene Papierwalze von 190 mm Durchmesser wird hydraulisch gegen die Stahl- walze gepresst. Die nutzbare Arbeitsbreite beträgt 330 mm.
Satinage-
Bedingungen Gemäß der praktisch relevanten Werte beim Kalandrieren wurde mit folgenden Drücken gearbeitet:
Tabelle 2: Benutzte Einstellungen für den Anpressdruck beim Laborkalander Stufe Druck
(in psi) Druck in
MPa = N/mm² Stufe Druck (in psi) Druck in MPa = N/mm²
S1 0 0 S4 750 5,171
S2 250 1,724 S5 1000 6,895
S3 500 3,447 S6 1250 8,618
(Umrechnung: 1 psi = 6894,8 Pa = 6894,8 N/m² ) (psi = „pounds per square inch“)
Messergebnisse Zusammenhang zwischen Dicken und E-Modulen
Wie erwartet, verringern sich die Dicken mit wachsendem Kalanderdruck, wäh- rend die E-Modul-Werte sowohl in CD- als auch in MD-Richtung gleichzeitig leicht ansteigen. Wesentliche Informationen zeigt Abbildung 3 für verschiede- ne Papiere aus den Druckversuchen, wobei bei Druckerhöhung natürlich immer die Dicken geringer werden.
7 B es chaffung und Hers tellung von Proben 7.1 Vorgehen
Herstellung von
Laborstrichen Zur Herstellung von gestrichenen Mustern im Labormaßstab wurde das Rakel- auftragsgerät „K–Control–Coater“ der Firma Erichsen Testing Equipment einge- setzt. Mit dem Gerät können die Rakelgeschwindigkeit sowie die Nassfilmdicke über den Durchmesser des Rakeldrahtes eingestellt werden.
Laborstriche
– Serien - In den Laborserien sind typische Streichfarben für die Herstellung von Bilder- druckpapieren für den Vor- und Deckstrich formuliert und auf speziellen Folien aufgerakelt worden.
Die Ziele der 6 Strichserien bezüglich der Rezepturauswahl sowie Modifikatio- nen hinsichtlich der Porosität und Aufnahmekapazität sind im Abschnitt 7.2 er- läutert.
VESTRA-
Streichversuche Für die Herstellung ausgewählter Muster mit abgestuften Eigenschaften für die Druckversuche an der Fogra ist die schnelllaufende VESTRA Versuchsanlage eingesetzt worden. Sie verfügt über fünf unterschiedliche Auftragswerke und ei- ne moderne Streichfarbenaufbereitung. Mit einem offline arbeitenden 12- Walzen-Superkalander wurde die Oberfläche der Versuchspapiere in zwei un- terschiedlichen Stufen geglättet.
Praxispapiere für
Druckversuche Wie im Abschnitt 6.1 erläutert, wurden die Praxispapiere nach definierten Krite- rien von 3 Herstellern A (glänzende Papiere), B (semimatt), C (matt) in jeweils 3 Flächengewichten bereitgestellt. Die Oberflächenqualitäten wurden bewusst je Hersteller in einer anderen Glanzqualität bereitgestellt.
Charakterisierende Daten zu den Papieren finden sich im Abschnitt 7.3.
Rohpapier für modifizierte Striche
Das Papier wurde von einem Lieferanten D aus dem Projektausschuss bereit- gestellt. Es wurde für die Vestra-Versuche und die anschließenden Druckversu- che benutzt. Die Basisdaten sind in Abschnitt 7.4 aufgeführt. Einzelheiten zu den Versuchen sind im Abschnitt 12 beschrieben.
7.2 Übers icht L abors triche Vorversuche und
Serie 1 Für die Bestimmung der E-Module und der Dehnungseigenschaften der Strich- schichten sind die ausgewählten Streichfarbenformulierungen auf Folien als Substrat aufgetragen worden. Folien zeigen gegenüber Papieren ein inertes Verhalten gegenüber Feuchteeinwirkungen, sowie gleichmäßigere Festigkeits- eigenschaften auf.
Zunächst sind in Vorversuchen verschiedene Folien mit Streichfarben beschich- tet worden um eine Auswahl mit optimaler Benetzbarkeit, hinsichtlich optimaler Dicke für Porositätsmessungen und Befeuchtungsversuche zu treffen.
Für die weiteren Versuche im Projekt wurde schließlich für E-Modul und Deh- nungsmessungen eine Bratfolie ausgewählt. Die Folie hat eine Dicke von nur 10µm±1µm. Für weitere Untersuchungen, z.B. der Porositäten, wurde auch ei- ne etwas dickere und gut benetzbare Hostafan-Folie eingesetzt. Die nachfol- gende Tabelle fasst die wesentlichen Kennwerte beider Folien zusammen:
Serien 2 und 3 Die Serie 2 beinhaltet eine Variation der Pigmentgruppe von rhomboedrischen Calciumkarbonat hin zu plättchenförmigen Kaolin und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Strichs.
Die Serie 3 beschäftigt sich mit der Variation der Bindemittelmengen, um den Einfluss der kritischen Pigmentvolumenkonzentration auf die zunehmende Duk- tilität und E-Module im Strich aufzuzeigen.
Serien 4 und 5 In der Serie 4 sind neben Pigment- auch Bindemittelvariationen vorgenommen worden. So sind Strichstärken als Bindemittel neben hoch adsorbierenden Pig- menten zum Einsatz gekommen. Auf diese Weise wurden Muster mit erhöhter Aufnahmekapazität für Wischwasser beim Offset-Druck erhalten.
Die Serie 5 beschäftigt sich mit der Kombination verschiedener Vor- und Deck- striche, wie sie dann auf der VESTRA Versuchsanlage für die modifizierten Pa- piere verwendet wurden. Hauptaugenmerk war dabei das gezielte Aufnehmen von Druckfarbenbestandteilen im Strich mit dem Ziel, die Wischwasserpenetra- tion ins Rohpapier zu verringern.
Serie 6 Die abschließende Probenserie beinhaltet die Untersuchung der an der VESTRA Versuchsstreichmaschine hergestellten Striche im Labormaßstab.
Damit standen die Stricheigenschaften der modifizierten Papiere zur Darstel- lung der Ergebnisse und zur Interpretation zur Verfügung.
Tabelle 3: Kennwerte der im Projekt ausgewählten Folien
Tabelle 4: Übersicht der Papiersorten für die Druckversuche Bez.
Typ Flächen-
masse Dicke
gesamt Strich-
gewicht Dicke Rohpapier (unkalandr.)
g/m² µm µm µm
A100-gl glänzend 99 71 23 87
A135-gl glänzend 137 100 41 104
A170-gl glänzend 169 124 63 126
B100-si semimatt 100 79 n.b. 67
B135-si semimatt 134 104 71 81
B170-si semimatt 170 141 70 119
C90-ma matt 92 77 n.b. n.b.
C135-ma matt 135 105 n.b. n.b.
C170-ma matt 173 143 n.b. n.b.
Die Bezeichnungen bedeuten: gl – glänzend, si – semimatt, ma – matt Je Sorte wurden 5000 Bogen für die Druckversuche zur Verfügung gestellt.
Zugehörige
Basispapiere Zu den Druckpapieren standen nur teilweise auch die (unkalandrierten) Basis- papiere zur Verfügung. Die dazu ermittelten Daten (Flächenmassen, Dicken, Dichten) wurden zur Berechnung der E-Module und Porositäten der Striche der Komplettpapiere benötigt.
7.4 B as is papier für modifizierte S triche
Auswahlkriterien Wie bereits erwähnt, wurde als Rohpapier für die modifizierten Striche Papier ausschließlich von einer Maschinenposition eingesetzt, so dass Änderungen in den Papier- bzw. Druckeigenschaften eindeutig auf die Striche zurückgeführt werden konnten.
Übersicht Die Eigenschaften des Basispapiers für die modifizierten Striche wurde wie folgt bestimmt:
Bezeichnung Typ Flächen-
masse Dicke Dichte
g/m² µm g/cm³
RP base holzfrei 55 75 0,73
Weitere Daten zu diesem Papier sind auch in den Abschnitten 9.1 und 9.2 prob-
lembezogen dargestellt.
Porositäten Die Messung der Porositäten dieser Basispapiere ergaben Porositätswerte von 30% bei normaler Kalandrierung (Roh N) und 26% bei hoher Kalanderkraft (Roh H). In diesen beiden Stufen wurden die modifizierten Papiere erzeugt.
8 Anpas s ung von Mes s verfahren Zielstellung des
AP 3 Im Arbeitspaket 3 sollten einige Messverfahren an die speziellen Anforderungen des Projektes angepasst und bereits einige Messungen an Papieren im Norm- klima durchgeführt werden. Bezüglich der Messverfahren handelt es sich vor- rangig um
• Möglichkeiten zur definierten Befeuchtung von Papier- und Strichproben
• Die Messung der E-Module von gering befeuchteten Proben
• Dehnungsmessungen bei geringen (druckähnlichen) Befeuchtungen
• Die Messung/Schätzung der Feuchteverteilung beim Drucken in z-Richtung Auf die wesentlichen Einzelheiten der Anpassungen der Messverfahren wird im Folgenden kurz eingegangen.
8.1 B efeuchtung von Proben
Varianten Es wurden Untersuchungen zur Befeuchtung und Trocknung von Proben mit folgenden Zielen durchgeführt:
• Feststellung von günstigen Auftragsverfahren, die geringe, aber definierte Flüssigkeitsmengen auf Proben aufbringen.
• Klärung typischer Trocknungsverläufe nach Befeuchtung. Das ist zur Ein- schätzung der tatsächlichen Papier- /Strichfeuchte zu einem ggf. späteren Messzeitpunkt wichtig.
Erprobt wurden Auftragsverfahren mit verschiedenen Pinseln und Walzen und mit Feuchtestiften aus dem Künstlerbedarf, wobei jeweils die Menge und Gleichmäßigkeit des Auftrags bewertet wurde.
Flachpinsel 7 … 9 Walze (gummiert) 12 … 16
Da angestrebt wurde, möglichst wenig Feuchte aufzutragen, wurden letztlich ein Feuchtestift und ein Flachpinsel für die weiteren Messungen ausgewählt.
Zur Untersuchung des Trocknungsverhaltens wurde nach Flüssigkeitsauftrag jeweils mittels einer programmierten mg-Waage gemessen, wie sich die Pro- benmasse mit der Zeit verringert. Es wurde festgestellt, dass die Trocknungs- verläufe wie erwartet ähnlich ablaufen und etwa einer Kurve gemäß e-ax folgen.
8.2 Mes s ung der E -Module bei befeuchteten Proben Cantilever-
verfahren Für das vorhandene Biegesteifigkeitsmessgerät ACPM200 wurde ein Befeuch- tungsmodul ergänzt, der eine reproduzierbar einstellbare Befeuchtung der Pro- ben beim Messvorgang gestattet. Aus den Biegesteifigkeitsmesswerten können bekanntermaßen einfach die E-Module der Proben berechnet werden. Gemäß den Anforderungen des Projektes können mit dem Gerät somit die E-Module sowohl im Normklima als auch bei definierten Befeuchtungen gemessen wer- den, die auch sehr gering sein können (0,5 g/m² bis 15 g/m²).
Der Vorteil des Gerätes besteht darin, das mehrere Befeuchtungsstufen ein- stellbar und auch höhere gleichmäßige Befeuchtungen möglich sind. Als gerin- ger Nachteil stellte sich heraus, dass die exakte Befeuchtungsmenge wegen der Messzeit von einigen Sekunden nicht ganz genau bestimmbar ist.
Das Messverfahren wurde im Projekt parallel zu den E-Modul-Messungen mit- tels Zugversuch eingesetzt.
E-Modul bei Befeuchtung mittels Zugversuch
Parallel zum Cantilever-Verfahren wurden zusätzlich auch Zugversuche mit Be- feuchtung durchgeführt. Dazu wurde der Ablauf des Zugversuches so verän- dert, dass eine definierte, gleichmäßige Befeuchtung der Probenstreifen mög- lich wurde und die Messung unmittelbar (ca. 1 Sekunde) nach Befeuchtung starten kann. So sollte erreicht werden, dass die unmittelbar nach Befeuchtung eintretende Eigenschaftsänderung erfasst wird, die ja auch im Druckprozess genauso schnell wirksam wird.
Durch verschiedene Anordnungen und Vorversuche wurden Auftragsverfahren und Messabläufe erprobt. Schließlich wurde eine Variante ausgewählt, bei der
• Die Papierprobe im Zugversuchsgerät auf der Rückseite durch ein verzink- tes, nur oben eingespanntes Blech gestützt wird.
• Mittels eines Feuchtestiftes ein- oder mehrmals in seiner ganzen Breite be- feuchtet wird.
• Ca. 1 Sekunde danach der Zugversuch gestartet wird.
Die dabei aufgetragenen Feuchtemengen wurden in zahlreichen Vorversuchen statistisch ermittelt und lagen bei 1-maliger Befeuchtung bei 3,9 bis 4,5 g/m².
Somit konnten mit dem Verfahren Befeuchtungsmengen in den Stufen mit ca. 4 g/m² (1-malige Befeuchtung), 8 g/m², 12 g/m² (3-malige Befeuchtung) aufgetra-
gen werden, wobei bei einer 3-maligen Befeuchtung teilweise schon eine Sätti- gung der 2-Lagen-Strichproben erreicht wurde.
Auch mit diesem Messverfahren ließen sich somit E-Module im Normklima und bei Befeuchtung messen.
Die Messungen bei Klimafeuchten erfolgten in der Klimakammer der PTS in München (siehe Abschnitt 6.2.2) standardmäßig in einem Feuchtklima 30°C / 80% rel. Luftfeuchte.
8.3 Dehnungs mes s ungen Dehnungs-
messungen Für die erforderlichen Dehnungsmessungen nach geringer, also druckähnlicher Befeuchtung wurden zwei Messverfahren eingesetzt:
• Das bereits in Abschnitt 6.2.3 beschrieben IGT-Verfahren mit eingebauter Kamera. Hier wird die Längenänderung einer markierten Probe gemessen.
• Ein neuer PTS-Messplatz für größere planliegende Proben, basierend auf einer Kamerabeobachtung der Probendehnung, wurde aufgebaut, getestet, verbessert und dann eingesetzt.
Anpassung des
IGT-Verfahrens Es war eine Anpassung der Bildauswertung an die neuartigen 2-Lagen-Proben erforderlich, insbesondere eine Kontrastkorrektur. Außerdem wurde die Aus- wertung deutlich vereinfacht und automatisiert und damit effektiver.
Dehnungs-
messplatz Der neue Messplatz gestattet die Dehnung von Proben in Streifenform (ca. 2 x 20 cm) oder bis A4-Größe zu beurteilen. Dazu wird die Probe auf einer Seite ar- retiert, dann befeuchtet und die Bewegung der gegenüberliegenden Ecke mit- tels Kamera beobachtet (Pixelgenauigkeit 12,5 µm). Bei manchen Proben muss nach Befeuchtung mittels einer Glasplatte der Welligkeit der Proben entgegen- gewirkt werden. Zum Befeuchten werden je nach Probengröße und gewünsch- ter Befeuchtungsmenge die erprobten Hilfsmittel (Feuchtestift oder Flachpinsel) eingesetzt (vgl. Abs. 8.1). So kann mit Befeuchtungen zwischen 4 und 10 g/m² gearbeitet werden.
Dehnungs- messplatz / Befeuchtungsver suche
Der in den Messungen erreichte Feuchtegrad der Papiere bzw. Striche hängt vom Befeuchtungsmittel (Stift – wenig, Pinsel – viel) und von der Flächenmasse der Probe ab. Auf diese Weise wurden je nach Zielstellung und Situation unter- schiedliche Feuchtewerte (absolute Probenfeuchte in %) erreicht.
Im Messvorgang wird zunächst die Position (Länge) der Probe im Trockenzu-
messplatz / Auswerte- verfahren
die jeweils 20 Bilder einer Messung automatisch auswertet, die Koordinaten der
„Ecke“ und die entsprechenden Längenänderungen bestimmt.
Für normale „einschichtige“ Proben lassen sich daraus direkt die für die Model- lierung wichtigen Dehnungskonstanten berechnen.
Berechnung der Dehnungs- konstanten
Die kompliziertere Berechnung der Dehnungskonstanten der Striche aus den 2- Lagen-Proben erfolgt mit Hilfe eines FEM-Modells mittels der COMSOL- Software. Aus der Kenntnis der Detailgrößen des Verbundes und der Gesamt- dehnung können so die Dehnungskonstanten der Striche separiert werden.
8.4 Feuchteverteilung in z-R ichtung
Kamera-Messung Mit einer schnellen Kamera (bis 2000 Hz) wurden die Messungen zum Ein- dringvorgang vor allem auf folgende Weise durchgeführt:
• Kamerablick „schräg von oben“, ähnlich dem OCA-System, so dass das Eindringen von Tropfen gut beobachtet werden konnte. Dieses Verfahren mit hoher zeitlicher Auflösung und dem Vorteil der sehr geringen, drucktypi- schen Tropfengrößen von wenigen pL gestattet eine serienmäßige Anwen- dung und liefert sowohl die Eindringzeiten bei vorgegebener Fluidmenge als auch den zu Flüssigkeit / Strich zugehörigen Kontaktwinkel.
Details zum Messverfahren und Ergebnisbeispiele finden sich ausführlicher in [14] und [21]. Die im Projekt erzielten Ergebnisse dienen der Einschätzung des zeitlichen Verlaufs der Feuchteaufnahme der Papiere beim Drucken, gehen aber nur indirekt in die Parameter zur Modellierung ein.
8.5 Mes s ungen im Normklima Durchgeführte
Messungen Folgende Messungen wurden wesentlich im Normklima durchgeführt:
• Bestimmung der Auftragsmengen und der Dicken der Laborstriche
• Bestimmung der Feuchteaufnahme und des Trocknungsverhaltens von Proben bei geringer Befeuchtung gemäß der Verfahren aus Abschnitt 8.1.
• Messungen der E-Module der Trägerfolien für die 2-Lagen-Proben und der Praxispapiere.
Ergebnisse Ausgewählte Messergebnisse zu den Papier- und Strichproben im Normklima sind im Zusammenhang mit anderen Ergebnissen systematisch im Abschnitt 9 dargestellt. Sie sind ausnahmslos plausibel und erlauben eine sachgerechte Beurteilung des Papierverhaltens bzw. bilden eine wesentliche Basis für die Pa- rametrierung der Modelle, die im Abschnitt 11 erläutert werden.
9 Mes s ergebnis s e zu R ohpapieren, S trichen und Praxis papieren Durchgeführte
Messungen - Übersicht -
Außer den in den Abschnitten 7.2 bis 7.4 bereits aufgeführten Basisgrößen (Di- cken, Flächenmassen, Auftragsmengen usw.) wurden an den Papieren bzw.
Strichen zahlreiche Messungen durchgeführt, die Tabelle 5 zusammenfasst.
Tabelle 5: Übersicht der durchgeführten Messungen
Bez. E-Module Dehnungen Porositäten Sonstiges Zugprüfung/
Cantilever-Verf.
IGT-GST / Kameramess.
Hg- Porosimeter
REM, GG-Feuchte Praxispapier +
Rohpapier
NK, 1x bef., 3x bef.
bei leichter Befeuchtung
Standard- messung
REM, Kalander- Versuche Striche, Labor wie oben wie oben wie oben Gleichgewichts-
feuchte Streichrohpapier wie oben wie oben wie oben -- Striche, modifiz. wie oben wie oben wie oben REM Im Folgenden werden die für die Modellrechnungen wichtigen Messdaten aus- zugsweise dargestellt.
9.1 Mes s ergebnis s e zu E -Modulen E-Module für
Striche bei Befeuchtung
Wie bereits für Rohpapiere bekannt (vgl. z.B. [22]), verringern sich die E- Module auch der Striche bei Befeuchtung meist sehr schnell. Für die Strichse- rien 4 und 5 wird das aus Abbildung 4 deutlich. Es ist aber auch zu sehen, dass die Striche je nach Rezeptur unterschiedliche Niveaus für den Trocken- bzw. Feuchtzustand haben, mithin durch ihre Rezepturen bezüglich der E- Module in gewissen Grenzen beeinflussbar sind. In der Abbildung sind schema- tisch die Verlaufskurven für die Serie 4 mit nur 1-fach-Strichen dargestellt.
Für das Dehnungsverhalten in der Druckmaschine ist auf jeden Fall ein mög- lichst geringer E-Modul nach Befeuchtung hilfreich.
Trotz des verringerten E-Moduls wirkt auch der Restanteil des feuchten Striches auf die Dehnung des Gesamtpapiers ein und muss im Dehnungsmodell be- rücksichtig werden.
Abbildung 4: Änderung der E-Module bei Befeuchtung für die 1-fach-Striche aus Serie 4.
E-Module für
Rohpapiere Für die in den kompletten Papieren enthaltenen Rohpapiere sind bezüglich der E-Module nur die für die kalandrierte Form wichtig. Typische Werte zeigt Tabel- le 6. Zusätzlich liegen Ergebnisse aus anderen Projekten vor (z.B. [22], [23]).
Tabelle 6: E-Module der kalandrierten Rohpapiere
Rohpapiere, E-Module kalandriert
Bezeichnung A100R A135R A170R B135R B170R
E-Modul (CD) 3280 3052 2771 2797 2524
E-Modul (MD) 5114 5151 4748 7020 5628
E-Module für die Striche der modi- fizierten Papiere
Die Bestimmung der E-Module der Striche zu den modifizierten Papieren erfolg- te aus den 2-Lagen-Proben. Die Messergebnisse zeigt Abbildung 5.
Abbildung 5: E-Module der Einzelstriche im Normklima (2%-Feuchte) und nach unterschiedlicher Befeuchtung. (V=Vorstrich, T=Topstrich)
E-Module für die zugehörigen Rohpapiere
Zur Einschätzung des Verhaltens der Papiere bei Befeuchtung wurden auch für die zugehörigen Rohpapiere die üblichen Messungen durchgeführt. Abbildung 6 zeigt den Abfall der E-Module für das ungestrichene Rohpapier in den aus-
E-Module bei Befeuchtung
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Feuchte - %
E-Modul [MPa]
H1-20 V1-20 V1-60 V2-20 V2-60
gewählten Kalanderstufen (N und H) in CD. Der E-Modul fällt bei diesem spezi- ellen Papier nicht so schnell ab, wie bei anderen Papieren (hoher Anteil Naß- festmittel). Der erwartete Anstieg bei höherer Kalandrierung tritt für alle Feuch- te-Stufen ein. Für das Normklima wurde jeweils eine Gleichgewichtsfeuchte von 6% angenommen.
Die Einzelwerte der E-Module für die Striche und das Rohpapier gehen in die Modellrechnungen ein.
9.2 Mes s ergebnis s e zu Feuchtdehnung und Dehnungs koeffizienten Feuchtdehnung
der Striche Abbildung 7 zeigt typische Ergebnisse der Dehnungsmessungen anhand der Ergebnisse des Kamera-Messplatzes für die 2-Lagen-Proben (Strich auf Folie) für die Versuchsserie 2, d.h. konventionelle Striche basierend auf Kaolin (Clay) bzw. gemahlenem Calciumkarbonat (GCC). Je nach Strich-Auftragsgewicht (Bereich 20 - 80 g/m²) wurden verschiedene Feuchtemengen aufgebracht, um den praktisch relevanten Bereich < 30% Feuchteauftrag bzgl. der Striche abzu- decken. Es zeigt sich tendenziell eine zunehmende Dehnung mit steigender Feuchtemenge. Für einige Proben treten auch negative Werte auf. Bei kleine- ren Feuchtemengen treten z.T. stärkere Messwertschwankungen auf (hervor- gehobener Bereich). Zur Bestimmung der Dehnungskoeffizienten wurde daher der Bereich höherer Feuchteaufträge ausgewertet (nächster Abschnitt).
Die Ergebnisse der Dehnungsmessungen mit den eingesetzten Methoden (IGT- Gerät, Kamera-Dehnmessplatz) können hier nur auszugsweise wiedergegeben werden. Beide Methoden führen zu vergleichbaren Ergebnissen, gestatten aber den Auftrag unterschiedlicher Feuchtemengen: breiter Bereich bis 30 g/m² Abbildung 6: Abfall der E-Module bei Befeuchtung für die ungestrichenen
Papiere V5, Roh N, Roh H in CD.
Abbildung 7: Längenänderung der 2-Lagen-Proben aus Serie 2 abhängig von der prozentualen Feuchtemenge bzgl. Strich (Kameramessplatz)
Dehnungs-
koeffizienten Die Bestimmung der Dehnungskoeffizienten der Striche erfolgte auf indirektem Wege durch Modellrechnungen anhand der Messwerte für die 2-Lagen-Proben (Modelle s. Abschnitt 11.2). Abbildung 8 zeigt die auf diese Weise ermittelten Dehnungskoeffizienten für unterschiedliche Striche. Die Werte liegen im Be- reich 0,00005 bis 0,00035 und sind damit deutlich kleiner als die Werte für Rohpapiere in CD-Richtung bzw. in der Größenordnung der Rohpapiere in MD- Richtung. Für die Striche der Serie 2 (konventionelle Striche) ergeben sich grö- ßere Werte als für die Serie 3 (Variation Binderanteil). Die Striche der modifi- zierten Papiere weisen je nach Rezeptur unterschiedliche Werte auf. Die jewei- ligen Dehnungskoeffizienten wurden als Modellparameter verwendet (s. 11.2).
Abbildung 8: Dehnungskoeffizienten für unterschiedliche Strichrezepturen aus den Serien 2 und 3 sowie für Striche der modifizierten Papiere Feuchtdehnung
Roh- und Kom- plettpapiere
Die Feuchtdehnungsmessung wurde weiterhin auch für Roh- und Komplett- papiere eingesetzt. Abbildung 9 zeigt Resultate für die modifizierten Papiere und deren Rohpapiere. Für Rohpapiere können die Dehnungskoeffizienten un- mittelbar abgeleitet werden. Diese Werte liegen im Bereich der Literaturanga-
-0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2
0 5 10 15 20 25 30 35
Feuchteänderung (bez. auf Strich), %
Längenänderung , %
Clay GCC
0,0000 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004
GCC4 5 Clay43
B5_20_1 B5_20_2
B5_60_1 B12_60_1
B12_60_2 B20_20_1
B20_60_1 B80_20_1
B80_60_2
V1-4 V2V3,5 T1,2,3,5 T4 Dehnungskoeffizient (Dehnung/%Feuchteänderung)
Serie 2 Serie 3 mod. Papiere
ben (ca. 0,1 % Dehnung je % Feuchteänderung in CD-Richtung und deutlich geringere Werte in MD-Richtung). Eine stärkere Kalandrierung (Roh H gegen- über Roh N) führte tendenziell zu größeren Dehnungen, dies wurde auch durch weitere Messungen bestätigt. Erklärt werden kann dies dadurch, dass infolge der Kalandrierung eine Blattverdichtung auftritt, wodurch sich der Spielraum für eine Ausdehnung in Faserzwischenräumen verringert und Feuchteänderungen zu größeren Dehnungen führen. Die Labormethodik ist außerdem geeignet, die feuchtebedingte Dehnung von Komplettpapieren bei einem definierten Feuch- teauftrag zu bewerten. Dies liefert wichtige Vergleichswerte, da bei den Druck- versuchen die aufgetragene Feuchtemenge i.d.R. nicht genau bekannt ist. Es zeigen sich wiederum Unterschiede in CD- bzw. MD-Richtung und für die MD- Richtung auch eine deutliche Differenzierung der Varianten.
Abbildung 9: Ergebnisse der Dehnungsmessungen für Roh- (grau) und Komplett- papiere (blau) links in CD- und rechts in MD-Richtung (IGT-Gerät, Feuchteauftrag im Bereich 2,5 - 4 g/m²)
9.3 Mes s ergebnis s e zur Poros imetrie Typische
Porositätsdaten Die folgende Abbildung 10 zeigt die Porositätswerte der betrachteten Praxis- papiere (Rohpapiere zu A100 bis B170) und einiger der untersuchten Laborstri- che. Der linke Teil betrifft die Praxisproben, der mittlere die Proben der Strichse- rien 2 und 3, der rechte Teil die Proben der Serien 4 und 5.
Zahlreiche Einzelheiten zu den Porositätsmessungen können hier leider nicht dargestellt werden.
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12
RohN CD
RohH CDD1N CDD2N CDD3H CDD4N CDD4H CDD5N CD
Dehnung in % / % Feuchteänderung
CD-Richtung
0 0,01 0,02 0,03 0,04
RohN M D RohH M
D D1N MD
D2N MD D3H MD
D4N MD D4H MD
D5N MD
Dehnung in % / % Feuchteänderung
MD-Richtung
Abbildung 10: Porositätswerte der Striche für Praxispapiere und Laborproben.
Porositäten für kalandrierte Basispapiere
Zur Abschätzung der Flüssigkeitsaufnahmemenge in den einzelnen Papier- schichten ist es wichtig, auch die Porositätswerte der Basispapiere zu kennen.
Da diese aber nur unkalandriert vorliegen, müssen die Porositäten der im End- zustand kalandrierten Papiere wieder berechnet werden. Das Vorgehen hierzu ist etwas komplizierter und nur in internen PTS-Unterlagen beschrieben.
Ergebnisse zu den Porositäten für kalandrierte Basispapiere
Einige Ergebnisse aus den erforderlichen Berechnungen zeigt Tabelle 7.
Tabelle 7: Porositätswerte für unkalandrierte und kalandrierte Basispapiere (Spalte 2=gemessene Werte, Spalte 4=berechnete Werte)
Porosität Umrechn. Porosität Probe in % Faktor berechnet in %
A100 22,6 0,63 14,2
A135 37,8 0,67 25,3
A170 39,4 0,65 25,6
B135-1 26,7 0,84 22,4
B135-2 23,9 0,84 20,1
B170-1 39,9 0,85 33,9
B170-2 24,0 0,85 20,4
Porositäten der modifizierten Papiere
Für die auf der Vestra-Anlage hergestellten modifizierten Papiere mussten ebenfalls die für die Modellrechnungen wichtigen Porositäten ermittelt werden.
Für die Porositäten der Einzelstriche, ermittelt aus 2-Lagen-Proben, ergaben sich Messwerte gemäß Abbildung 11.
Der erwartete Anstieg der Porosität von D1N zu D3N wurde bestätigt.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Porosität [%]
Strichsorte
Porositäten für Labor- und Praxisstriche
9.4 S ons tige Mes s ergebnis s e
Übersicht In Ergänzung zu den o. g. wesentlichen Messungen wurden folgende Analysen durchgeführt.
• REM-Messungen der Querschnitte der gestrichenen Papiere zur Ermittlung der realen Strichdicken und der Dicken der kalandrierten Basispapiere. Die Ergebnisse sind in die Berechnungen der E-Module und Dehnungskoeffi- zienten eingeflossen.
• Messungen der Gleichgewichtsfeuchten (GG-Feuchten) der Striche zur Feststellung der Strichfeuchten in den interessierenden Klimabereichen.
• Messungen zu Befeuchtungsmengen und der anschließenden Trocknungs- prozesse.
• Messungen zu Penetrationsvorgängen mittels Kamera.
10 Druckvers uche mit Praxis papieren
Ziele Mit den Druckversuchen sollten die Dimensionsänderungen von Praxispapieren beim Bedrucken in Bogenoffsetdruckmaschinen ermittelt werden. Dabei galt es, den Einfluss des Druckformats, der flächenbezogenen Masse, der Strichbe- schaffenheit, der Farbbelegung und der Feuchtmittelführung zu bestimmen.
Abbildung 11: Porositäten der Einzelstriche, zugeordnet zu den modifizierten Komplettpapieren
