Pts-Forschungsbericht iW 072043
ausWirkungen mechanischer belastungen von PaPier und karton Während des oFFset-druck- Prozesses auF das bogenlauFverhalten in
bogenrotationsmaschinen und die Weiter-
Titel
Auswirkungen mechanischer Belastungen von Papier und Karton während des Offset- druckprozesses auf das Bogenlaufverhalten in Bogenrotationsmaschinen und die Weiterverarbeitung
B. Genest, I. Pollex
SID Sächsisches Institut für die Papiertechnische Stiftung
Druckindustrie GmbH IZP-Heidenau
Mommsenstraße 2 Pirnaer Straße 37
04329 Leipzig 01809 Heidenau
Inhalt
1 Zusammenfassung 2
2 Abstract 3
3 Ausgangssituation und Aufgabenstellung 6
4 Auswirkungen von Druckbelastungen auf den Bedruckstoff Papier 8
5 Material und Methoden 11
5.1 Allgemeines, Materialien und Labortests 11
5.2 Konzeption Druckversuche/Messtechnik, Testformerstellung 14 5.3 Ausrüsten der Maschine mit Messeinrichtungen zur Erfassung der Bogenlage 16
6 Ausgewählte Ergebnisse 17
6.1 Auswertung der Druckversuche 17
6.1.1 Einfluss von Dicke und Grammatur auf Abstand und Biegesteifigkeit... 17
6.1.2 Einfluss der Druckpressung und Geschwindigkeit ... 18
6.1.3 Einfluss der Farbbelegung... 20
6.1.4 Einfluss der Feuchtmittelmenge ... 21
6.1.5 Einfluss von Lackauftrag und Einsatz von Trocknern ... 22
6.1.6 Einfluss weiterer Parameter ... 23
6.1.7 Zeitabhängigkeit von Biegesteifigkeitsveränderungen nach dem Offsetdruckprozess 25 6.2 Auswertung der Laborversuche 27 6.2.1 Simulation praxisrelevanter definierter Belastungen im Labor... 27
6.2.2 Gegenüberstellung der Ergebnisse aus den Praxisversuchen an der Druckmaschine und den labortechnisch ermittelten Kenngrößen nach Verfahren 1 und 3 ... 29 6.3 Zusammenfassende Bewertung ausgewählter Einflussfaktoren des Offsetprozesses auf
das Bogenlaufverhalten in der Druckmaschine 32
6.4 Wirtschaftliche Bedeutung und Anwendungspotential 35
Literatur
1 Zusammenfassung
Thema Auswirkungen mechanischer Belastungen von Papier und Karton während des Offsetdruckprozesses auf das Bogenlaufverhalten in Bogenrotationsmaschinen und die Weiterverarbeitung
Zielstellung Das Forschungsziel beinhaltete die Untersuchung des Bogenlaufverhaltens in Offsetdruckmaschinen mit dem Ziel, die während des Druckvorganges auftre- tenden mechanischen Beanspruchungen zu verstehen, in Kenngrößen zu beschreiben und für die Steuerung des Druckprozesses und die Materialaus- wahl nutzbar zu machen.
Ergebnisse In umfangreichen industriellen Druckversuchen wurden sehr unterschiedliche Bedruckstoffe aus Papier und Karton unter systematisch veränderten Druckbe- dingungen an einer Standard-Bogenoffsetdruckmaschine bedruckt und die Auswirkungen auf den Zustand des Bedruckstoffes untersucht. Variiert wurden u. a. Werkstoff, Farbbelegung/Feuchtung sowie Geschwindigkeit, Pressung, Mehrfachdurchlauf, Trocknereinsatz und Bogenglättereinsatz. Während der Versuche wurde kontinuierlich das Abheben des Bogens vom Druckzylinder erfasst und anschließend die Biegesteifigkeit bestimmt. Parallel wurden Ver- suchsreihen im Labor durchgeführt, bei denen durch Modifikation gängiger Probedruckverfahren Druck- und Feuchtebelastungen der Werkstoffe nachge- stellt wurden, um einerseits generelle Auswirkungen einzelner Einflussgrößen auf die Biegesteifigkeit der Werkstoffe zu untersuchen und andererseits nach einer Möglichkeit einer geeigneten Differenzierung der Werkstoffe bezüglich des zu erwartenden Bogenlauf/Biegesteifigkeitsverhaltens zu suchen.
Die Ergebnisse zeigen, dass Unterschiede in der Bogenlage beim Druckpro- zess im Wesentlichen erst bei Bedruckstoffen mit einem Flächengewicht über 150 g/m² auftreten. In den Biegesteifigkeitsmessungen zeigt sich nur ein äu- ßerst geringer Einfluss der reinen Druckpressung, ein deutlich stärkerer von Feuchtung und Farbbelegung. Die Reduzierung der Biegesteifigkeit gegenüber dem Ausgangswerkstoff ist besonders bei höheren flächenbezogenen Massen nachweisbar. Bei stark verdichteten Materialien sind die Veränderungen mini- mal.
Die durchgeführten Laborarbeiten haben gezeigt, dass über einen geeigneten Versuchsaufbau an einem modifizierten Probedruckgerät nachweisbare Reakti- on der Papiere auf die Druckbelastung und Feuchtung erzeugt werden können, die einen praxisanalogen Trend der Biegesteifigkeitsentwicklung zeigen. Es wurde ein Laborverfahren entwickelt und optimiert, das eine Abschätzung der zu erwartenden Biegesteifigkeitsänderung in der Praxis ermöglicht.
Schluss-
folgerung Während des Projektes wurden die Einflüsse der unterschiedlichen Druckbe- dingungen auf die Biegesteifigkeiten und das damit zusammenhängende Abheben der Bedruckstoffe vom Druckzylinder herausgearbeitet. Damit ist eine näherungsweise Vorhersage des Verhaltens der Bedruckstoffe in der Druckma- schine aufgrund von Papier-/Kartoneigenschaften möglich.
Es wurde herausgefunden, dass Karton sich nach der Beanspruchung im Druckspalt in einer bestimmten Zeitspanne wieder erholt und sich die veränder- ten Biegesteifigkeiten über die Zeit, werkstoff- und druckabhängig, wieder dem Ausgangswert bis auf ca. 96% - 98% annähern. Dieses Verhalten bedeutet, dass besonders für den Faltschachtelbereich mit keinen signifikanten Reduzie- rungen der Tragfähigkeit des Kartons durch den vorangegangenen Druckpro- zess gerechnet werden muss.
Die während des Projektes gewonnenen Ergebnisse sind von großem Nutzen für Maschinenhersteller und Druckereien, da diese sich bereits bei der Auswahl der Materialien für die einzelnen Druckaufträge auf die zu erwartenden Verän- derungen der Runnability und Steifigkeit einstellen können. Maschinentech- nisch bieten die Projektergebnisse eine Vielzahl von Ansatzpunkten für weiter- gehende Optimierungen in der Steuerung des Bogenlaufes indem der Bedruckstoff bei der Ansteuerung einzelner Aggregate berücksichtigt wird.
Zielerreichung Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Danksagung Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens VF 080001 / VF 080002 gewonnen, das im Programm zur "Förderung von industrieller Vorlaufforschung in benachteiligten Regionen" mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über den Projekt- träger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Innovationsmanage- ment mbH gefördert wurde. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Druckindustrie für die Unterstützung der Arbeiten
2 Abstract
Title The impact of mechanical loads of paper and paperboard during the offset printing process on sheet runnability in sheet rotary presses and converting operations
Objectives The research objective was to study sheet runnability in offset printing presses with a view to understanding the mechanical loads that occur during the printing process, to describe them in the form of performance characteristics and to utilise this information to control the printing process and selection of material.
Results In comprehensive industrial printing trials, very different printing substrates of paper and paperboard were printed on a standard sheet-fed offset press under systematically varied conditions, and the impact on the condition of the printing substrates was subsequently examined. The factors that were varied included, among other things, the material, ink distribution/dampening as well as speed, compression, multiple passes, use of dryers and joggers.
During the trials, a lifting or removal of the sheet from the printing cylinder was detected and the bending stiffness was subsequently determined. At the same time, trial series were conducted in the laboratory in which the printing and moisture loads of the materials were simulated by modifying conventional trial proof printing methods. This was done on the one hand to study the general effects of individual contributing factors on the bending stiffness of the materials and on the other hand to search for a possibility to suitably differentiate between materials regarding the expected runnability/bending stiffness behaviour.
The results showed that differences only occurred in the sheet during the printing process when printing substrates were used with grammages above 150 g/m².
The printing compression alone seemed to have only a very minor effect in the bending stiffness measurements, whereas dampening and ink distribution had a significantly greater effect. A reduction in bending stiffness compared to the starting material was especially detectable in the case of higher grammages. The changes were minimal in very highly compressed materials.
The laboratory studies that were conducted demonstrated that detectable reactions of the paper to pressure load and dampening can be produced by a suitable experimental set-up using a modified printing tester. Furthermore, the laboratory studies exhibited a trend in bending stiffness development under conditions that prevail in practice. A laboratory procedure was developed and optimised with which it was possible to estimate the expected change in bending stiffness in actual practice.
Conclusions During the project, the impacts of different printing conditions on bending stiff- ness values and the associated lifting or removal of the printing substrates from the printing cylinder was explored. This makes it more or less possible to predict the behaviour of the printing substrate in the printing press on the basis of the paper/paperboard properties.
It was found that after a certain interval paperboard recovers again after having been subjected to a load in the printing nip. In the course of time, the altered bending stiffness values again approximate 96 % - 98% of the starting values depending on the material and compression. This behaviour means that no significant reduction in the carrying capacity of the paperboard must be expected as a result of the preceding printing process especially as far as folding boxes are concerned.
The results achieved during the project are of great benefit to mechanical engi- neers and print shops, since they can adjust to the expected changes in runnabil- ity and stiffness when choosing the materials for the individual print jobs. As far as machine technology is concerned, the project results offer a number of starting points for additional optimisation work in sheet control by taking the printing substrate into consideration when controlling individual components.
Objective
accomplished The objective of the research project was achieved.
Acknowledge-
ments The results were obtained in research project VF 080001 / VF 080002 funded by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi under the programme "Promoting industrial pre-research in less developed regions" co- ordinated by the company EuroNorm Quality Assurance and Innovation Man- agement GmbH. We would like to express our warm gratitude for this support.
We would also like to express our appreciation to the participating companies in the paper and printing industries for their support during the project.
3 Ausgangssituation und Aufgabenstellung
Ausgangs-
situation Während des Druckprozesses unterliegen die Bedruckstoffe Papier und Karton unterschiedlichen, intermittierend auftretenden, mechanischen Belastungen in Form von Kompressionen, Biege-, Walk- und daraus zusätzlich resultierenden Scherbeanspruchungen im Gefüge.
Diese Belastungen führen in Kombination mit den wiederholten Feuchtungs- und Farbübertragungsprozessen während des Durchlaufens von bis zu 12 Druckwerken, zusätzlichen Lackwerken und derzeit maximalen Druckgeschwin- digkeiten von bis zu 18.000 Bogen/h im Bogenoffset zu Veränderungen in der Struktur, der Oberfläche und der Biegesteifigkeit der Bedruckstoffe, die sich sowohl auf die Qualität des Drucks, die Geschwindigkeit und Sicherheit des Druckprozesses als auch auf die Weiterverarbeitung und im Fall von Verpa- ckungen auch auf deren Einsatzfähigkeit auswirken können.
Die Änderungen der Bogeneigenschaften äußern sich vorzugsweise in Runna- bility– und Druckqualitätsproblemen, die an unterschiedlichen Stellen in der Druckmaschine und der Weiterverarbeitung auftreten oder sich in unzureichen- der Qualität niederschlagen:
• Bogenlaufprobleme beim Druckprozess
z. B. Anschlagen von Bogenkanten an Maschinenteile und Beschädi- gung bis hin zum Bogenverlust, Nichtfunktionieren von Inspektionssys- temen, ineffiziente Blas- und Sauglufteinstellungen, Bogenwendeprob- leme
• Qualitätsprobleme bei der Druckausführung z.B. Passer, Druckqualität
• Verarbeitungs- und Qualitätsprobleme bei der Weiterverarbeitung der Druckbogen
• ggf. Reduzierung der Stauch- und Belastungsfähigkeit bei Verpackun- gen
Aus der täglichen Praxis der Drucker ist die Erscheinung der stetigen Verände- rung der Bedruckstoffqualität von Drucknip zu Drucknip bekannt. Es wird versucht, den damit verbundenen Runnabilityproblemen mit den empirisch gewonnenen Erfahrungen bei einzelnen Druckpapiersorten und Druckaufträgen zu begegnen, indem bevorzugt „bekannte Materialien“ verwendet werden, deren zu erwartende Eigenschaftsänderungen abschätzbar sind. Mitunter sind aus Vorgängeraufträgen bestimmte Maschineneinstellungen abrufbar, so dass sich der Aufwand für den Andruck etwas reduzieren lässt.
Von einer wirklichen Steuerung des Prozesses auf Basis von Bedruckstoffpa- rametern in Abhängigkeit des Druckauftrages kann allerdings nicht gesprochen werden. Diese Situation ist insbesondere unter dem Aspekt der Forderung nach minimalen Einrichtezeiten, störungsfreiem Lauf der Druckmaschine und hohen Druckgeschwindigkeiten absolut unbefriedigend. Das gilt sowohl für die Drucke- reien und die Hersteller der Druckmaschinen, die den Werkstoff beherrschen
und ihre Steuerung und Fahrweise entsprechend anpassen müssen, als auch für die Papier- und Kartonerzeuger, die die während des Druckprozesses ablaufenden Vorgänge im Detail kennen sollten, um mit entsprechend aufge- bauten Kartonwerkstoffen diesen zu erwartenden Belastungen optimal und vorhersehbar begegnen zu können und dem Drucker geeignete, auf den Druckprozess optimierte Bedruckstoffe mit reproduzierbarer Qualität liefern zu können.
Ziel Das Forschungsvorhaben verfolgte folgende Ziele:
• die während des Druckvorganges auftretenden mechanischen Beanspru- chungen zu verstehen, in Kenngrößen zu beschreiben und für die Steuerung des Druckprozesses und die Materialauswahl nutzbar zu machen.
• Ermittlung von Richtgrößen, die die Eigenschaftsveränderung von Bedruck- stoffen im realen Druckprozess im Bogenoffsetdruck beschreiben
• Gewinnung von Erkenntnissen, die zur Optimierung des Bogenlaufs in Bogendruckmaschinen genutzt werden können. Schwerpunkte sind dabei Effizienz der pneumatischen Leiteinrichtungen, innovative mechanische Leiteinrichtungen und weitere Automatisierung (Voreinstellung von Blas- und Sauglufteinrichtungen).
4 Auswirkungen von Druckbelastungen auf den Bedruckstoff Papier
Prinzipielle Beanspruchung des
Bedruckstoffes beim
Bogenoffset- druck
Auf die Runnability des Bedruckstoffes und die Qualität des Drucks haben sowohl der Druckprozess selbst als auch das Material entscheidenden Einfluss.
Wie schon erläutert, unterliegt der Bedruckstoff unterschiedlichen, gleichzeitig oder zeitlich versetzt einwirkenden Einflüssen, die schon während des Druckes Eigenschaftsänderungen des Papiers bewirken. Diese beeinflussen wiederum nachgeschaltete Schritte im Druckprozess, so dass für ein gutes Druckergebnis und optimale Runnability die Kenntnis und Steuerung dieser wechselseitigen Beeinflussungen unabdingbar ist.
Nachfolgend sind einige der wesentlichen Zusammenhänge und Grundlagen zusammengestellt.
Abbildung 1: Abhängigkeit der Runnability von den sich wechselseitig beeinflussenden verfahrens- und materialseitigen Einflussgrößen
¾ Art und Intensität der Pressung im Drucknip
¾ Druckgeschwindigkeit
¾ Anzahl der Drucknips
¾ Walzendurchmesser
¾ Bogenführung
¾ Gummitucheigenschaften
¾ Feuchtmittelmenge
¾ Farbmenge und -zügigkeit und daraus resultierende Biegung
Druckseitige
Einflussgrößen Materialseitige Einflussgrößen
¾ Aufbau und Zusammensetzung des Papiers/Kartons
¾ Struktur und Porosität
¾ Feuchtegehalt
¾ Dicke/Volumen
¾ Kompressibilität/E-Modul
¾ Penetrations- und Quellungsei- genschaften
¾ Oberflächeneigenschaften und Strichbeschaffenheit
Prozesseigenschaf- ten/Runnability:
¾ Dicke/Volumen
¾ Steifigkeit
¾ Oberflächeneigen- schaften/Porosität
¾ Dehnung (nass, trocken)
Auswirkungen von Druck- belastungen auf Dicke,
Oberfläche und Struktur
Wird Papier oder Karton einem flächig wirkenden ansteigenden Druck ausge- setzt, erfolgt zunächst eine elastische Verformung, die sich bei Druckentlastung wieder zurückbildet. Nach Überschreiten der für jeden Werkstoff unterschiedli- chen Elastizitätsgrenze tritt bis zur Zerstörung der Struktur (Bruch) eine zuneh- mend starke plastische, nicht reversible Verformung auf. Die beim Druckpro- zess wirkenden Kräfte beeinflussen sowohl die Oberfläche als auch das Gesamtgefüge des Bedruckstoffs und können sich deshalb in der vom Drucker gewünschten Verringerung der Oberflächenrauheit aber auch in der eigentlich nicht beabsichtigten Dicken- und Steifigkeitsreduzierung äußern.
Zur theoretischen Beschreibung des Zusammendrückens von Werkstoffen in z- Richtung wird das Hooke’sches Gesetz angewendet [14, 15]. Es beschreibt einen linearen Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und resultie- render Dehnung bzw. Kompressionsverformung. Trotz gewisser Ungenauigkei- ten ist dieser Zusammenhang näherungsweise auch auf Papier übertragbar und mit der Materialkonstante E-Modul beschreibbar.
Papier ist bei Kompression korrekterweise als mehrschichtiges System zu betrachten, welches vereinfacht als Reihenschaltung mehrerer Federn aufge- fasst werden kann, wobei jede Feder eine Schicht des Papiers darstellt.
Speziell für den Werkstoff Papier sei zudem auf das viskoelastische Verhalten hingewiesen. Zur Modellierung hat sich ein Federmodell bewährt, das eine Schaltung von elastischen Federn und viskosen Gliedern darstellt. Die Intensität des viskoelastischen Verhaltens ist abhängig von Materialaufbau und -zu- sammensetzung.
Beim Offsetdruck wird nicht nur das Papier im Druckspalt zwischen einem üblicherweise kompressiblen Gummituch und einem starren Gegendruckzylin- der zusammengedrückt, gleichzeitig wird auch das Gummituch komprimiert.
Man muss davon ausgehen, dass sich durch den Eintrag von Feuchtmittel und Druckfarbe die mechanischen Eigenschaften des Papiers unter Pressung ändern. Außerdem kommt hinzu, dass die Belastung geometrisch nicht linear ist. Mechanische Belastungen in diesem komplexen System konnten bislang nicht in einem umfassenden Modell simuliert werden.
Laut [18] wird der Beanspruchungszustand im Druckspalt hauptsächlich von der Beanspruchung des Gummituchs bestimmt, da Papier im Verhältnis zum Gummituch dünn und steifer ist.
Es sind Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Kompressibilität und Dicke an porösen Materialien bekannt [8]. Lu et al. [7] leiteten aus umfangrei- chen experimentellen Untersuchungen zwei Modelle ab, mit denen sich makroskopische Eigenschaften (z. B. Biegesteifigkeit) aus Sicht der Mikrome- chanik der Poren vorhersagen lassen.
Auswirkungen von Druck- belastungen auf die Steifigkeit
Es ist bekannt, dass eine der entscheidenden Größen für das Verhalten des Bogens beim Durchlauf durch die Druckmaschine die Steifigkeit (Biegesteifig- keit) des Bedruckstoffes ist. Die Biegesteifigkeit und deren Veränderung ist sowohl von Art und Zustand der eingesetzten Faser- und Hilfsstoffe als auch dem Bedruckstoffaufbau und dessen Fabrikation (Blattbildung, Nasspressen, Trocknen, Kalandrieren, Streichen) abhängig. [1, 2, 3, 4, 10, 11, 12]
Die Biegesteifigkeit Sb eines Materials ist definiert als:
Sb = (MR)/b [1] M…Biegemoment,
R…Radius der Biegung an Einspannklemme, b… Probenbreite
Sie berechnet sich für den elastischen Bereich (bis ca. 15° Biegewinkel) aus Sb = (Ed³)/12 E…E-Modul,
d…Dicke
Die Biegesteifigkeit ist also direkt proportional zur dritten Potenz der Dicke des Papiers oder Kartons. Deutlich komplizierter wird das System bei mehrlagigen Materialien, da jede Schicht unterschiedlich eingeht.
Geringe Veränderungen in der Dicke wirken sich demnach gravierend auf die Biegesteifigkeit aus. Die Biegesteifigkeit verändert sich während des Druckpro- zesses, weil das Papier zusammengedrückt wird, aber auch weil es gefeuchtet wird.
Für die Wirkung einzelner mechanischer Belastungen auf Papier existieren bereits Untersuchungen empirischer und theoretischer Art, aus denen auch Modellansätze abgeleitet wurden. Die Übertrag- und Anwendbarkeit auf reale Druckprozesse mit den komplex wirkenden Einflüssen auf die Bedruckstoffe wurde bislang nur unzureichend untersucht, ebenso die mit dem Druckprozess einhergehenden und vom Bedruckstoffaufbau und dessen Struktur abhängigen Gefüge- und Oberflächenveränderungen.
Mathematische Modellierungs- ansätze
In einigen Arbeiten wurde versucht, das elastische und plastische Verhalten von Papier mittels mathematischer Modelle vorherzusagen [13]. Schaffrath und Goettsching stellten Strukturparameter in Zusammenhang zu Herstellungsvari- ablen wie Stoffzusammensetzung, Mahlung, Trocknung und Kalandrieren.
Einige grundlegende Vorgänge bei Kompression wurden speziell für den Prozess des Kalandrierens beschrieben [25, 26, 27, 28], für den auch Modellie- rungsansätze des Kompressionsverhaltens entwickelt wurden.
Nachteil vieler Modelle ist bislang, dass sie Anisotropie des Werkstoffs Papier sowie Kombinationen von Belastungen sowie wiederholtes Beanspruchen nicht oder nur unzureichend widerspiegeln.
Recht häufig findet man die Zerlegung des Papiers in Oberflächenschichten und Volumen („Inneres“). Geringere Belastungen werden vorrangig als ent- scheidend zur Verformung der Oberfläche angesehen [19].
Die Beeinflussung des Kompressionsverhaltens durch Einwirkung von Feucht- mittel und Druckfarbe wurde bislang noch nicht untersucht. Hier greift man ausschließlich auf Erfahrungswerte aus der Praxis zurück. Modellansätze oder Prüfverfahren zur Beschreibung von Materialverhalten sind nicht bekannt.
5 Material und Methoden
5.1 Allgemeines, Materialien und Labortests
Einleitung Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurden die Eigenschaftsveränderun- gen von Bedruckstoffen bei verschiedenen Einstellungen im realen Bogenoff- set sowie an modifizierten Probedruckgeräten im Labor untersucht. Dazu wurde eine breite Palette an Karton und Papieren beschafft, die auch in Druckereien häufig eingesetzt werden.
Um generelle Einstellungen an der Druckmaschine, die Installation der Mess- einrichtungen vornehmen und auch einen geeigneten Versuchsaufbau für die Laborversuche entwickeln zu können, wurden vor den eigentlichen Versuchs- reihen Vorversuche mit ausgewählten weiteren Papieren und Kartons durchge- führt. Diese Werkstoffe wurden auch genutzt, um prinzipielle Erkenntnisse zur Veränderung des Bedruckstoffes unter Last und Feuchtigkeitseinfluss im Drucknip der Probedruckgeräte zu gewinnen.
Bedruckstoffe Für die Untersuchungen wurden sehr unterschiedliche Bedruckstoffe, vom Zeitungsdruckpapier bis hin zu höher grammaturigen Kartonsorten, verwendet Das gilt sowohl für die Vorversuche, die vorrangig für die Erprobung der Messtechnik und die Erarbeitung der Labormethoden genutzt wurden als auch für die eigentlichen Druckversuche (Hauptversuche).
Es wurden 15 Papiere aus den Vorversuchen sowie die 31 in den Hauptversu- chen verwendeten Papiere umfassend charakterisiert.
Insgesamt liegen somit Daten von 46 Werkstoffen vor, die für die vorgesehe- nen Labordruckversuche und auch für die industriellen Druckversuche ver- wendet wurden.
Übersicht über die Biegesteifigkeiten
0 20 40 60 80 100 120 140
0 5 10 15 20 25 30 35
Biegesteifigkeit in Nmm
qu lg
Abbildung 2: Biegesteifigkeiten aller Muster aus den Hauptversuchen in Längs- und Querrichtung
Tabelle 1: Bedruckstoffe (Hauptversuche):
Einteilung Papierbezeichnung Grammatur [g/m²]
1 Etikettenpapier S 80
Y 100
2 Druckpapier
gestrichen K 130
M 100
L 130
X 130
N 200
ungestrichen O 100
P 135
3 Werkdruck Q 115
R 115
4 Karton
GZ1 V 300
GC2 I 300
J 350
T 400
U 350
GD2 A 250
W 280
C 300
E 400
G 500
H 550
GT2 B 300
D 400
F 500
GD3 Z1 300
Z2 400
Z3 450
GD2 Z4 300
Z5 400
Z6 450
Laborversuche Zur Nachstellung der Belastungen während des Druckvorganges wurden modifizierte Probedruckgeräte verwendet, die mit teilweise sich sehr von den Standardverfahren unterscheidenden Versuchseinstellungen, Aufbauten und Druckwalzen ausgestattet wurden, um eine praxisnahe Simulation des Druck- vorganges zu ermöglichen. Die nachfolgend aufgeführten Versuchbedingun- gen zeigen eine Übersucht der für die generellen Untersuchungen und für die Optimierung der Laborversuche verwendeten Einstellungen.
Versuchsbeding ungen -
Laborversuche
Tabelle 2: Probedruckgerät: Basis: IGT GST 2
Versuchsbedingungen
konstant variierte Parameter 0,5 m/s 200 / 400 / 600 / 800 / 1000 N
600 N 0,5 / 1,0 / 1,5 / 2,0 / 2,5 m/s
Gummitücher: Bezeichnung Härte (DIN 53505)
Conti Air UV - Black
Deckgummi 62° Shore A, ges.
Drucktuch 79°
Conti Air Prisma HC
Deckgummi 55° Shore A, ges.
Drucktuch 78°
Day Graphica 3610 78° Shore A
Febotop 4800
Vulcan Folio Mikrohärte (IRHD) 66 +/- 3 BIRKAN Dot-Master 75° Shore A Rasterwalzen: Auflösung [L/cm] Schöpfvolumen [ml/m²]
80 14
100 10,5
100 6,5
4
3
2
Standard-Modell-Feuchtmittel
destilliertes Wasser + 5 % Isopropanol + 2 % Alkoless SF 2.59; pH-Wert: 5,1 (andere Feuchtmittel sind möglich)
Tabelle 3: Probedruckgerät Basis: IGT PRINTABILITY TESTER F1
Versuchsbedingungen
konstant variierte Parameter
0,9 m/s 100 / 300 / 500 N
Gummituch: Bezeichnung Härte (DIN 53505)
Conti Air UV - Black
Deckgummi 62° Shore A, ges.
Drucktuch 79°
Rasterwalzen: Auflösung [L/cm] Schöpfvolumen [ml/m²]
80 14
100 10,5
100 6,5
Standard-Modell-Feuchtmittel
destilliertes Wasser + 5 % Isopropanol + 2 % Alkoless SF 2.59; pH-Wert: 5,1 (andere Feuchtmittel sind möglich)
5.2 Konzeption Druckversuche/Messtechnik, Testformerstellung
Allgemein Um den Zusammenhang von Bedruckstoffeigenschaften, Druckbedingungen und Bogenlaufverhalten untersuchen zu können, wurde die im SID vorhandene Bogenrotations-Offsetdruckmaschine Speedmaster CD74 mit Sensoren ausge- rüstet, die die Lage des Bogens auf dem Druckzylinder erfassen. Die Messun- gen erfolgten beim Maschinenbetrieb unter praxisgerechten Bedingungen. Um sicher zu gehen, dass bei den Versuchen, mit ausschließlicher mechanischer Belastung weder Farbe noch Feuchtmittel übertragen wird, ist die Dosierwalze aus dem Feuchtwerk entfernt und damit der Feuchtmittelfluss unterbrochen worden.
Testformen Die während der Druckversuche verwendeten Testformen sollten praxisgerech- te Aufträge widerspiegeln. Es wurden daher zwei Testformen verwendet, eine mit 100% Flächendeckung (Form 1 „Vollfläche“) und eine mit ca. 10% Flächen- deckung (Form 2 „Text“), wie sie z. B. bei gedruckter Schrift erreicht wird. Damit konnten unterschiedliche Mengen von Farbe und Feuchtmittel an den Bedruck- stoff übertragen und der Einfluss der aufgebrachten Medien auf die Biegestei- figkeit und das Bogenlaufverhalten untersucht werden.
Für die Lackversuche wurde eine Form zur vollflächigen Lackübertragung angefertigt. Dazu wurde im Lackwerk der Druckmaschine ein Gummituch partiell mit Unterlagen unterfüttert.
Variierte
Parameter Die Druckgeschwindigkeit wurde ab 6000 Bogen pro Stunde in 3000-er- Schritten variiert. Die Druckpressung wurde in Abhängigkeit der Materialdicke um bis zu 50 % erhöht bzw. verringert. Es wurde dabei ohne Farb- und Feuchtmittelauftrag, also nur mit mechanischer Druckpressung in 1 bzw. 4 Druckwerken, mit Farbbelegungen von 10 % (Schrift), 100 % (Volltonfläche) und 300 % (3-farbige Vollfläche) gedruckt. Bei den Versuchen zum Feuchtmit- teleinfluss wurde der Feuchtmitteleintrag zwischen 15% (Unterfeuchtung), 30%
(Normalfeuchtung) und 45% (Überfeuchtung) variiert. Zur Untersuchung dieses Einflussparameters wurde die Testform 2 „Text“ gedruckt.
Die Versuche zum Lackauftrag wurden mit 2 unterschiedlichen Lackmengen und bei drei Geschwindigkeiten realisiert. Es wurde dabei entweder der unbe- druckte Bedruckstoff oder inline auf eine Druckfarbenschicht (100% bzw. 300%
Flächendeckung) lackiert. Als Druckfarben wurden überwiegend oxydativ trocknende Offsetfarben eingesetzt. Zum Vergleich wurden einige Versuche mit UV-Druckfarben durchgeführt. Der Einfluss der Trocknung auf den Bedruckstoff wurde getestet, indem das unbedruckte Material der Belastung der IR-Strahlung ausgesetzt wurde.
Die Versuche mit 2-maligem Maschinendurchlauf wurden mit verschiedenen Farbbelegungen einmal mit eingeschaltetem Bogenglätter beim ersten Durch- lauf und einmal ohne Bogenglätter durchgeführt. Der zweite Maschinendurch- lauf erfolgte dabei unmittelbar nach dem ersten. Die Bedruckstoffe wurden sowohl in der Faserlaufrichtung Schmalbahn (parallel zur Zylinderachse) als auch Breitbahn (Faserlaufrichtung senkrecht zur Zylinderachse) verarbeitet.
Für alle Versuche wurden die Abstandmesswerte aufgezeichnet und ausgewer- tet sowie ihre Plausibilität und Reproduzierbarkeit geprüft.
Druckversuche
Tabelle 4: Versuchsplan Vers.-
Nr. DW Pres-
sung
Ge- schw.
Fär- bung
Wen-
dung BG Lage Trock-
ner
Lack- auftrag
Feuch- tung
Sensor nach
A 4 1 9000 0% aus aus SB 0% 0 DW 4
B 4 1 9000 0% ein ein SB 0% 0 DW 4
C 4 1 9000 0% ein aus SB 0% 0 DW 4
D 4 1 9000 0% aus aus BB 0% 0 DW 4
E 4 1 9000 0% ein ein BB 0% 0 DW 4
F 4 1 9000 0% ein aus BB 0% 0 DW 4
G 4 1 6000 0% aus aus SB 0% 0 DW 4
H 4 1 12000 0% aus aus SB 0% 0 DW 4
I 4 0,5 9000 0% aus aus SB 0% 0 DW 4
J 4 1,5 9000 0% aus aus SB 0% 0 DW 4
K 1-4 1 9000 0% aus aus SB 0% 0 DW 4
L (A1) 4 1 9000 10% aus aus SB 0% normal
(30%) DW 4
1a 3 1 9000 10% aus aus SB 0% 30% DW 4
2 4 1 9000 10% aus aus SB 0% wenig
(15%) DW 4
3 4 1 9000 10% aus aus SB 0%
viel
(45%) DW 4
3a 3 1 9000 10% aus aus SB 0% 45% DW 4
3b 1-3 1 9000 3*10% aus aus SB 0% 45% DW 4
6 3 1 9000 100% aus aus SB 0% 30% DW 4
8 3 1 9000 100% aus aus BB 0% 30% DW 4
M 3 1 9000 100% aus aus SB 0% 30% DW 4
Ma 4 1 9000 100% aus aus SB 0% 30% DW 4
Muv 4 1 9000 100% aus aus SB UV 0% 30% DW 5
N 3 1 9000 100% ein ein SB 0% 30% DW 4
O 3 1 9000 100% ein aus SB 0% 30% DW 4
P 3 1 9000 100% aus aus BB 0% 30% DW 4
Puv 4 1 9000 100% aus aus BB UV 0% 30% DW 5
Q 3 1 9000 100% ein ein BB 0% 30% DW 4
R 3 1 9000 100% ein aus BB 0% 30% DW 4
S 1-3 1 9000 300% aus aus SB 0% 30% DW 4
Sa 2-4 1 9000 300% aus aus SB 0% 30% DW 4
T1 4 1 9000 0% aus aus SB ein 0% 0 DW 4
T2 4 1 9000 0% aus aus BB ein 0% 0 DW 4
L0SB 4 1 9000 0% aus aus SB 0% 0 Lack
L0BB 4 1 9000 0% aus aus BB 0% 0 Lack
L10 4 1 9000 0% aus aus SB 15% 0 Lack
L10a 4 1 6000 0% aus aus SB 15% 0 Lack
L10b 4 1 12000 0% aus aus SB 15% 0 Lack
L11 4 1 9000 0% aus aus BB 15% 0 Lack
L12 4 1 9000 0% aus aus SB 80% 0 Lack
L13 4 1 9000 0% aus aus BB 80% 0 Lack
L14 3 1 9000 100% aus aus SB 15% 30% Lack
L15 3 1 9000 100% aus aus BB 15% 30% Lack
L16 1-3 1 9000 300% aus aus SB 15% 30% Lack
L17 1-3 1 9000 300% aus aus BB 15% 30% Lack
5.3 Ausrüsten der Maschine mit Messeinrichtungen zur Erfassung der Bogenlage Sensoren Es wurden als Abstandssensoren Laser-Distanz-Sensoren des Typs OADM20
/6474/S14F der Firma Baumer ausgewählt, die auf der Basis des Triangulati- onsverfahrens mit einem punktförmigen Messstrahl mit einem Durchmesser von 2 mm arbeiten.
Der Messbereich der ausgewählten Sensoren beträgt 50…300 mm, die Auflö- sung bei der gewählten Sensoranordnung ca. 0,1 mm. Die Sensoren wurden mit Hilfe einer Traverse in die Maschine eingebaut, die eine Variation der Platzierung in und quer zur Druckrichtung zulässt.
Versuchsaufbau Es wurde eine Halterung für die Aufnahme der Sensoren konstruiert und gefertigt, mit der es möglich ist, den Messstrahl der Sensoren senkrecht zur Oberfläche des Druckzylinders auszurichten.
Die Sensoren konnten sowohl an einer Traverse am Druckwerksausgang als auch nach dem Lackwerk installiert werden.
Abbildung 3: Abstandssensoren nach Druckwerk bzw. Lackwerk
Die Messwerte für das Abheben der Bogenhinterkante vom Druckzylinder wurden als Spannungswerte der Laser-Distanz-Sensoren durch einen Oszillo- graph erfasst und über ein Tabellenkalkulationsprogramm in Abstandswerte umgerechnet. Mithilfe eines Prüfkörpers wurde die Messstrecke vor jeder Versuchsreihe kalibriert.
6 Ausgewählte Ergebnisse
Auswertung der DruckversucheAllgemeines Vorversuche zeigten einen direkten, sich aber kontinuierlich ändernden Zu- sammenhang zwischen Bogenkantenabstand und Biegesteifigkeit, der vorran- gig von den Bedruckstoffen, aber auch von den jeweiligen aktuellen Druck – und Maschinenbedingungen abhängig ist.
Während des Druckens wurde der Abstand des Bogens vom Zylinders (Abhe- ben) daher kontinuierlich erfasst, um das Laufverhalten der Bogen bewerten zu können. Unmittelbar nach dem Druckprozess wurden bei sehr optimiertem Probenhandling aus den bedruckten Bogen Proben entnommen und auf ihre Biegesteifigkeit untersucht, um möglichst nahe an den Gegebenheiten beim Bogenauslauf aus dem Drucknip zu sein.
Neben der Veränderung der Steifigkeit wurde auch die Dickenänderung der Bedruckstoffe in Abhängigkeit vom Farb- und Feuchtmittelauftrag ermittelt.
Diese Messungen sowie die Dickenmessungen erfolgten zeitversetzt auch unter Standardbedingungen nach Lagerung, so dass zwischen dauerhaften und temporären Veränderungen unterschieden werden konnte.
Die untersuchten Papiere und Kartons mit einer flächenbezogenen Masse unter 150 g/m² zeigten in keinem Versuch einen messbaren Abstand zwischen Bogenhinterkante und Druckzylinder. Deshalb sind im Weiteren meist nur die Ergebnisse für die Kartons aufgeführt, wobei insbesondere wegen der hohen Einsatzquote im Wesentlichen auf das Verhalten von GD2-Karton eingegangen wird.
6.1.1 Einfluss von Dicke und Grammatur auf Abstand und Biegesteifigkeit
Dicke Der Zusammenhang zwischen Materialdicke und Biegesteifigkeit und im Vergleich dazu zu den Abständen vom Zylinder ist in den folgenden Diagram- men dargestellt:
Einfluss Dicke GD2 SB
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 Dicke h in m m
Abstand in mm
A C E G H W Z4 Z5 Z6
Einfluss Dicke GD2 SB
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 Dicke h in m m
Biegesteifigkeit in N*mm
A C E G H W Z4 Z5 Z6
Abbildung 4: Einfluss der Dicke auf den Abstand und die Biegesteifigkeit
Die Biegesteifigkeit steigt erwartungsgemäß mit zunehmender Dicke des Materials. Das gilt nicht nur, wie schon bekannt, für das unbehandelte Aus- gangsmaterial, sondern auch für die Verhältnisse beim Druckdurchlauf. Auch die Abstandswerte zeigen ein ähnliches Bild. Mit höherer Materialdicke wird der Abstand zum Gegendruckzylinder größer. Bei Dicken über 0,60 mm steigt der Abstand nur geringfügig weiter an. Die Ergebnisse für die Laufrichtung Breit- bahn zeigen einen ähnlichen Verlauf, die Biegesteifigkeitswerte liegen dabei um bis zu 100%, die Abstandswerte um bis zu 10 mm höher als bei Schmalbahn.
Grammatur Mit steigender Grammatur ist ein Anstieg von Abstand und Biegesteifigkeit zu verzeichnen. In der anderen Laufrichtung ist der gleiche Trend erkennbar, jedoch liegen die Werte insgesamt wiederum um bis zu 100% bzw. 10 mm höher.
6.1.2 Einfluss der Druckpressung und Geschwindigkeit
Variation der
Druckpressung Die Druckpressung wurde in 3 Stufen variiert. Die 100%-Einstellung entspricht der sich jeweils für die Bedruckstoffdicke ergebenden Standardeinstellung. Für die Variation wurde die Druckpressung immer von diesem Wert aus um 0,05 mm erhöht bzw. verringert.
Durch Erhöhung der Druckpressung verringert sich bei den untersuchten Bedruckstoffen ab 300 g/m² der Abstand vom Druckzylinder. Bei den Bedruck- stoffen mit geringerer Flächengmasse lässt sich kein Unterschied feststellen.
Wie im Diagramm zu erkennen ist, sinkt die Biegesteifigkeit bei fast allen Kartonmustern auf Werte zwischen 83% und 93% vom Ausgangswert ab. Die Papiere reagieren aufgrund der geringen Ausgangssteife sehr diffus. Ein Zusammenhang zwischen der Intensität der Pressung und den gemessenen Werten wird beim Papier nicht deutlich.
Pressung -
Biegesteifigkeit Biegesteifigkeit bei Variation der Pressung
50%
60%
70%
80%
90%
100%
110%
A B C D E F G H I J K N O Q S
Bedruckstoff
Biegesteifigkeit [%]
0,5 1 1,5
Papier
Abbildung 5: Biegesteifigkeit bei Variation der Pressung (Versuche SB)
Variation der
Geschwindigkeit Es wurden für die Kartonsorten und ein Papiermuster Versuche bei drei unter- schiedlichen Geschwindigkeiten (6000, 9000 und 12000 Bogen/h) durchgeführt.
Betrachtet man den Einfluss der Druckgeschwindigkeit über alle untersuchten Bedruckstoffe, so ergibt sich eine stabil reproduzierbare Tendenz zu einem geringeren Abstand bei wachsender Geschwindigkeit, der aber nicht der Materialsteife sondern eher den Druckbedingungen mit Farbhaftung/Spaltung und den am Druckzylinder wirkenden geschwindigkeitsbedingten Kräften zuzuordnen ist.
Ein Einfluss der Geschwindigkeit auf die Biegesteifigkeit ist nicht nachweisbar.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
6000 9000 12000
Druckgeschw indigkeit in Bg/h
Biegesteifigkeit in N*mm
A C E G H
Einlfuss Geschw indigkeit GD2
Abbildung 6: Einfluss Druckgeschwindigkeit auf Abstand und Biegesteifigkeit (Versuche SB)
Ursache -
Wirkung Als Ursache für dieses Phänomen ist die Luftströmung im Bereich des Druckzy- linders, hervorgerufen durch dessen Rotation, in Betracht zu ziehen. Bei größerer Geschwindigkeit wird der Bogen durch diese Strömung an den Druck- zylinder gedrückt. Ein Einfluss der Pressungs-Einwirkzeit in der Druckzone kann ausgeschlossen werden.
Einerseits zeigen das die Biegesteifigkeitsmesswerte, andererseits müsste eine kürzere Einwirkzeit eine geringere Verminderung der Biegesteifigkeit und damit eine Erhöhung des Abstands bewirken.
Bei den Kartonsorten GT2 und GC2 ist gleiches Verhalten erkennbar.
Die Ergebnisse für die Versuche mit Pressung ohne Farbübertragung in einem Druckwerk und in 4 aufeinanderfolgenden Druckwerken (ohne Diagramm) zeigten nur bei einer GD2-Sorte (G) eine Verringerung des Abstandes bei 4- facher Pressung. Die Biegesteifigkeitsmesswerte zeigen für alle Bedruckstoffe nahezu konstante Werte bei 1-facher und 4-facher Pressung.
6.1.3 Einfluss der Farbbelegung
Farbbelegung Im Folgenden wird der Einfluss verschiedener Farbbelegungen gegenüberge- stellt. Dazu sind Versuche ohne Farbübertragung, mit 10%, 100% und 300%
Flächendeckung durchgeführt worden.
Um den Einfluss auf das Abheben des Bogens vom Druckzylinder, der durch das Haften der bedruckten Bogenseite am Gummituch erzeugt wird, beurteilen zu können, wurde einmal direkt im Druckwerk des letzten Farbauftrags (DW4 bzw. DW2-4) und einmal in einem Folgedruckwerk, in dem keine Farbe über- tragen wurde, gemessen (DW3 bzw. DW1-3).
0 5 10 15 20 25 30 35 40
10%DW4 100%DW4 300%DW2-4 100%DW3 300%DW1-3
Abstand in mm
A C E G H
W Z4 Z5 Z6
Einfluss Farbbelegung GD2
Abbildung 7: Einfluss Farbbelegung auf den Abstand von der Zylinderoberflä- che (Versuche SB)
Einfluss auf
Abstand Bei einer Farbbelegung von 10 %, also einem großen Angebot von Feuchtmit- tel, zeigen einige Materialien einen deutlich geringeren Abstand vom Druckzy- linder als ohne Farbübertragung.
Bei allen Kartonsorten tritt eine deutliche Verringerung des Abstandes vom Druckzylinder bei einer Farbbelegung von 300 % im Vergleich zu den anderen Versuchen auf. Das gilt für die Abstandsmessung an beiden oben aufgeführten Messpositionen.
Die Versuche mit der Abstandsmessung unmittelbar nach dem Farbübertrag zeigen geringfügig höhere Werte als die, bei denen im darauffolgenden Druck- werk gemessen wurde. Das kann durch das Hochreißen der Bogenhinterkante durch die Haftung am Gummituch verursacht worden sein.
Allerdings muss auch die Zeitspanne zwischen dem Auftrag von Farbe und Feuchtmittel und der Messung berücksichtigt werden. Die Verringerung der Biegesteifigkeit durch das Eindringen von Feuchtmittel in den Bedruckstoff tritt erst mit Verzögerung ein.
6.1.4 Einfluss der Feuchtmittelmenge
Variation der Feuchtmittelmen ge
Zur Beurteilung des Einflusses des Feuchtmittels auf Biegesteifigkeit und Abheben vom Druckzylinder wurden Versuche mit der Testform „Text“ und unterschiedlicher Feuchtmittelführung durchgeführt. Dabei wurde die Potentio- meterstellung für den Feuchtduktor für die Normalstellung leicht über der Schmiergrenze eingestellt. Diese Einstellung wurde um 15 Prozentpunkte verringert („wenig“) und um 15 Prozentpunkte erhöht („viel“). Auch diese Versuche wurden in verschiedenen Druckwerken durchgeführt, so dass die Messung des Abhebens des Bogens einmal direkt nach dem Druck (DW4) und einmal in einem darauffolgenden nicht zum Druck benutzten Druckwerk (DW3) stattfand. Um die übertragene Feuchtmittelmenge zusätzlich zu erhöhen, wurde in 3 aufeinanderfolgenden Druckwerken mit der gleichen Testform und erhöhter Feuchtmittelmenge gedruckt.
In den folgenden Diagrammen sind die Ergebnisse für das Abheben der Bo- genhinterkante und die Biegesteifigkeitsmessung dargestellt:
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
w enigDW4 normal DW4 vielDW4 normalDW3 vielDW3 viel DW1-3
Abstand in mm
A C E G H W
Einfluss Feuchtm ittel GD2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
w enigDW4 normal DW4 vielDW4
Biegesteifigkeit in N*mm
A C E G H W
Einfluss Feuchtm ittel GD2
Abbildung 8: Einfluss des Feuchtmitteleintrags auf den Abstand und Biegestei- figkeit (Versuche SB)
Mit zunehmendem Feuchteeintrag im DW4 hebt der Bogen mehr vom Zylinder ab. Dies ist wahrscheinlich mit der zunächst durch Feuchteeinfluss entstehen- den Faserquellung und damit Faserversteifung zu begründen. Dabei spielt die Einwirkzeit der Flüssigkeit auf den Bedruckstoff eine sehr große Rolle. Bei den Ergebnissen „DW3“ bzw. „DW1-3“ wird der Bogen über eine längere Zeit dem Feuchtmittel augesetzt. Man kann erkennen, dass die Abstandswerte für die in DW3 gedruckten Bogen aufgrund der längeren Einwirkzeit alle höher sind als für die in DW4 gedruckten Bogen. Die Exemplare, die in den Druckwerken 1 bis 3 3-mal bedruckt und damit auch befeuchtet wurden, zeigen wieder einen etwas geringeren Abstand. Hier wirkt sich die noch längere Einwirkzeit beim Durchlauf durch 4 Druckwerke bis zur Abstandsmessung aus, in der die Fasern die Flüssigkeit wirklich aufnehmen und damit wieder weniger steif werden.
Die Ergebnisse der Biegesteifigkeitsmessungen geben über diese Vorgänge keine Auskunft, da die Messung nicht exakt zum Zeitpunkt der Abstandsmes- sung stattfinden konnte, da sich der Bogen dabei noch in der Druckmaschine befand. Die ermittelten Biegesteifigkeitswerte sind in jedem Falle ca. 1 Minute nach dem Druck und später entstanden. Die dabei gemessenen Veränderun- gen spiegeln daher auch die Penetrations- und Verdunstungseffekte wieder, die im Auslagestapel stattfinden.
6.1.5 Einfluss von Lackauftrag und Einsatz von Trocknern
Variation der Lackmenge
Es wurde angenommen, dass der Auftrag einer vollflächigen Lackierung die Biegesteifigkeitseigenschaften der Bedruckstoffe signifikant beeinflusst. Für die Bewertung des Bogenlaufverhaltens im Ausgang des Lackwerks wurden die Laser-Distanz-Sensoren zwischen Lackwerk und Auslage installiert. Die Mess- position weicht aufgrund der Einbaubedingungen geringfügig von der im Druckwerksausgang ab, die gemessenen Abstandswerte bewegen sich aber im selben Bereich.
Bei den Versuchen wurde Dispersionslack aufgetragen. Dabei wurde die aufgetragene Lackmenge, die Druckgeschwindigkeit und das Druckmotiv, das lackiert wurde, variiert.
Einfluss Lackmenge SB GD2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
nichts normal viel
Biegesteifigkeit in N*mm
C E G H
Einfluss Lackm enge SB GD2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
nichts normal viel
Abstand in mm
C E G H
Abbildung 9: Einfluss der Lackauftragsmenge auf das Abheben des Bogenen- des vom Zylinder und die Biegesteifigkeit (Versuche SB)
Der Einfluss der Lackauftragsmenge auf Abstand und Biegesteifigkeit ist gering.
Beim Vergleich der Versuche mit normaler und erhöhter Lackauftragsmenge zeigt sich wie bei den Versuchen mit normalem und erhöhtem Feuchtmittelauf- trag ein geringfügiger Anstieg der Abstandsmesswerte (außer Bedruckstoff H).
Die Biegesteifigkeitsmesswerte sind bei allen Messungen nahezu konstant.
Auch hier spielen, wie beim Feuchtmittelauftrag, zeitabhängige Benetzungs- und Penetrationsvorgänge eine Rolle. Da die Messung von Abstand und Biegesteifigkeit nicht exakt zeitgleich erfolgen kann, sind Abweichungen in den Messergebnissen möglich.
Die erwartete Verringerung der Biegesteifigkeit durch den Lackauftrag, die auch zu einer Verringerung des Abhebens der Bogenhinterkante vom Druckzylinder führen müsste, wird in der kurzen Zeit zwischen Lackauftrag und Messung unmittelbar hinter dem Lackwerk nicht erreicht.
Einfluss der Geschwindigkeit und des
lackierten Motivs
Die Abstandsmesswerte bei verschiedenen Druckgeschwindigkeiten zeigen bei den Versuchen mit Lackauftrag den gleichen Trend wie bei den Druckversu- chen: Je größer die Geschwindigkeit, desto geringer ist der Abstand des Bogenendes vom Druckzylinder. Als Ursache für dieses Phänomen ist wieder- um die Luftströmung im Bereich des Druckzylinders zu sehen, die ein An- schmiegen des Bogens an den Zylinder bewirkt. Bei größerer Geschwindigkeit wird der Bogen durch diese Strömung an den Druckzylinder gedrückt. Die Biegesteifigkeitsmesswerte zeigen wie bei den Druckversuchen keine Änderung bei verschiedenen Geschwindigkeiten.
Der Verlauf der Abstandsmesswerte beim Lackieren auf unterschiedlichen Druckmotiven zeigt eine leichte bis starke Verringerung des Abstandes, wenn der Bedruckstoff mit einer Vollfläche bedruckt ist. Beim Lackieren auf eine Fläche mit 300% Farbbelegung tritt eine Erhöhung des Abstandes auf. Die Biegesteifigkeitsmesswerte sind für die lackierten Bogen nahezu konstant, unabhängig vom vorgedruckten Motiv. Die Änderung im Abstand kann also nicht von den Bedruckstoffeigenschaften selbst herrühren. Es wird daher vermutet, dass das Bogenende beim Lackieren der 300%-Fläche am stärksten am Lacktuch haften bleibt und von diesem nach oben gerissen wird.
Einsatz von
Trocknern Um den Einfluss des Wärmeeintrags durch in der Druckmaschine installierte Trockner auf die Biegesteifigkeit und das Abheben der Bogenhinterkante beurteilen zu können, wurden Versuche durchgeführt, bei denen die Bogen zweimal unmittelbar nacheinander ohne Druck durch die Druckmaschine liefen.
Während des ersten Maschinendurchlaufs war der IR-Trockner eingeschaltet.
Die Ergebnisse der Schmalbahn- und den Breitbahnversuche für GD2-Karton verhalten sich gegenläufig. Bei den Schmalbahn-Versuchen blieb die Biegestei- figkeit des Kartons nahezu unverändert, der Abstand zum Zylinder verringerte sich beim Maschinendurchlauf nach der Trocknung.
Bei den Breitbahn-Versuchen steigen die Abstände und die Biegesteifigkeit hingegen leicht an. Das ist der erwartete Verlauf, da der Wärmeeintrag durch den Trockner einen leichten Feuchtigkeitsentzug und damit eine Erhöhung der Biegesteifigkeit bewirkt. Es ist vorstellbar, dass dieser Effekt bei den Schmal- bahnversuchen nicht auftritt, da dort die Biegung des Bogens parallel zu den Fasern erfolgt und deshalb keine Steifigkeitserhöhung durch Feuchtigkeitsent- zug stattfindet.
6.1.6 Einfluss weiterer Parameter
Untersuchte
Parameter Über die bisher dargestellten Parameter hinaus wurden in Screening- Versuchen, die nicht mit allen Bedruckstoffen durchgeführt wurden, weitere Einflussfaktoren untersucht.
Dazu gehören die Blaslufteinstellungen unter dem Transferzylinder, die Auswir- kung von Kanalabdeckungen am Druckzylinder, der Einsatz des Bogenglätters in der Bogenauslage, die Rauhigkeit der Bedruckstoffrückseite, sowie der Druck mit UV-Farbe.
Blasluftein-
stellung Die Blaslufteinstellung an den Leitblechen unter den Übergabetrommeln wird bei Bedruckstoffdicken von mehr als 0,05 mm automatisch auf 100% voreinge- stellt. Zum Verglich wurden Versuche mit einer Blaslufteinstellung von 50%
durchgeführt. Die verschiedenen Einstellungen der Blasluft zur Bogenführung zwischen den Druckwerken zeigten keinen Einfluss auf die Abstandsmessun- gen.
Bogenglätter Die Abstandsmessungen zeigen einen geringen Unterschied zwischen den Versuchen mit und ohne Bogenglätter.
Die Bogen, die den Bogenglätter durchlaufen haben weisen im darauffolgenden Maschinendurchlauf meist einen höheren Abstand des Bogenendes vom Druckzylinder auf (außer A). Theoretisch wäre zu erwarten gewesen, dass der Bogenglätter das Fasergefüge beansprucht, damit die Biegesteifigkeit herab- setzt und für die Bogen im zweiten Durchlauf ein geringerer Abstand gemessen wird. Die Biegesteifigkeitswerte zeigen keinen Einfluss des Bogenglätters.
Bei visueller Betrachtung des Bogenlaufs wird klar, dass der Unterschied in der Abstandsmessung von der leichten Verformung der Bogen herrührt, die auch durch den Bogenglätter nicht beseitigt werden konnte.
Rauhigkeit der Bedruckstoffrück seite
Der Einfluss der Rauheit der Rückseite des Bedruckstoffes ist in den folgenden Diagrammen dargestellt. Es wurden dafür Versuche mit ähnlichen Bedruckstof- fen ausgewertet, die sich hinsichtlich der Rauhigkeit ihrer Rückseite unterschei- den.
Flächen-
masse Dicke Rauheit
PPS Rauheit
Bendtsen Biegesteifigkeit S [N*mm]
Bez. mA [g/m²] h [mm] [µm] OS [ml/min] US BB SB
D 406,5 0,50 2,7 705 49,9 17,7
E 408,5 0,50 2,9 1190 48,8 18,8
F 506,9 0,63 2,8 832 94,6 38,9
G 498,3 0,62 2,7 1205 83,4 35,8
Vers.-Nr. A (SB)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
400 500
Flächenmasse mA in g/m^2
Abstand in mm
rau g latt
D
E G F
Vers.-Nr.D (BB)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
400 500
Flächenm asse mA in g/m ^2
Abstand in mm
rauh glat t
E D G F
Abbildung 10: Abstandmesswerte der Versuche ohne Farbübertragung SB und BB
Die Gegenüberstellung der Abstandsmesswerte zeigt in beiden Laufrichtungen jeweils für die Materialien mit höherer Rückseitenrauheit den höheren Wert.
Das entspricht den Erwartungen, denn je glatter die Rückseite, desto besser sollte der Bogen am Druckzylinder haften und weniger Angriffsfläche für turbu- lente Strömungen bieten. Im Fall von G und F scheint dieses Phänomen sogar einen größeren Einfluss zu haben als die Biegesteifigkeit, sonst müsste das Material F den höheren Abstandmesswert aufweisen.
Bei den Versuchen mit Farbauftrag ist der Einfluss der Rückseitenrauhigkeit nicht so ausgeprägt. Das Materialpaar E und D weist weiterhin den größeren Abstandswert für das rauere Material auf, bei dem Paar G und F sind die Abstände gleich groß (100% Flächendeckung) bzw. größer für das glattere, aber steifere Material (10% Flächendeckung).
UV-Farbe Um den Einfluss der verschiedenen Farbsysteme auf Biegesteifigkeit und Bogenlaufverhalten zu untersuchen, wurden Versuche mit UV-Farbe durchge- führt, die allerdings nicht zu signifikanten Änderungen hinsichtlich Abstand oder Biegesteifigkeit führten
6.1.7 Zeitabhängigkeit von Biegesteifigkeitsveränderungen nach dem Offsetdruckprozess
Relaxationsersch einungen der Biegesteifigkeit
Insbesondere für Weiterverarbeitungsvorgänge sowie auch die Einsatzfä- higkeit von bedruckten Papier- und Kartonerzeugnissen ist es unverzichtbar, die zeitliche Veränderung der Biegesteifigkeit zu kennen.
Vielfach wird gerade im Faltschachtelbereich behauptet, das der Druck die Festigkeit und Tragfähigkeit von Verpackungen nachhaltig negativ beein- flusst, so dass dies bereits bei der Dimensionierung zu berücksichtigen ist.
Im Zusammenhang mit den industriellen Druckversuchen wurde deshalb die Biegesteifigkeit direkt nach der Belastung und zu definierten Zeitpunkten nach der Kompression bestimmt, um verlässliche Aussagen zu diesen Relaxationserscheinungen geben zu können.
Es zeigte sich, dass die Biegesteifigkeit bei höherem Farbauftrag sinkt, die Muster sich jedoch nach einiger Zeit erholen, wobei in einigen Fällen die Ausgangswerte nahezu wieder erreicht werden.
Die Veränderung der Biegesteifigkeit durch die unterschiedlichen Farbauf- tragsmengen und die anschließende Erholung wurde nachfolgend für verschie- dene Bedruckstoffarten aus dem Kartonbereich zusammengefasst.
Es wurde aus den zu einer Gruppe und zum gleichen Versuch gehörenden Mustern der Mittelwert gebildet.
Zeitlicher Verlauf der
Biegesteifigkeit
Tabelle 5: Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Biegesteifigkeit
Papier GZ1 / GC2 GT2 GD2 / GD3
Zeit nach Druck 80-
200g/m²
300- 400g/m²
300- 500g/m²
250- 550g/m²
direkt 94,2% 91,9% 86,7% 88,6%
4d 94,1%
Versuch L (10%)
1,5 - 12m 94,8% 95,7% 92,9% 96,7%
direkt 82,3% 88,5% 77,1% 81,6%
4d 91,3%
Versuch M (100%)
1,5 - 12m 92,1% 92,4% 92,9% 96,4%
direkt 77,3% 79,1% 69,1% 79,8%
4d 88,5%
Versuch S (300%)
1,5 - 12m 98,6% 96,2% 98,1% 97,7%
Anzahl Muster 9 5 3 12
Die Werte in der Tabelle sowie die nachfolgenden Diagramme zeigen, dass bei allen Bedruckstoffgruppen nach dem Druck eine Erholung der Biegesteifigkeit eintritt.
Die Kartonmuster der Sorte GT2 zeigen den größten mittleren Steifigkeitsver- lust direkt nach Druck bei allen Auftragsmengen. Es fällt außerdem auf, dass es bei Versuch S (300% Farbe) sowohl die größte Abnahme der Biegesteifigkeit direkt nach Druck als auch die größte Annäherung an die Ausgangswerte nach mehrwöchiger Lagerung gibt.
Für die GD2-Kartons liegen zusätzlich Biegesteifigkeitsmesswerte 4 Tage nach den Druckversuchen vor. Dabei wird deutlich, dass die Erholung in diesem Zeitraum begonnen hat, aber noch nicht abgeschlossen ist. Es zeigt sich damit, dass die Biegsteifigkeitsverringerung, die beim Druckprozess aufgetreten ist, reversibel ist, und zwar unabhängig von der Stärke der Verringerung.
Zeitlicher Verlauf der Biegesteifigkeit (10% Farbe)
50%
55%
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
Papier GZ1 / GC2 GT2 GD2 / GD3
Biegesteifigkeit relativ
direkt nach Druck 4 Tage 1,5-12 Monate
Zeitlicher Verlauf der Biegesteifigkeit (100% Farbe)
50%
55%
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
Papier GZ1 / GC2 GT2 GD2 / GD3
Biegesteifigkeit relativ
direkt nach Druck 4 Tage 1,5-12 Monate
Abbildung 11: Zeitlicher Verlauf der Biegesteifigkeit bei 10% und 100% Farbauf- trag (Versuche SB)
Zeitlicher Verlauf der Biegesteifigkeit (300% Farbe)
50%
55%
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
Papier GZ1 / GC2 GT2 GD2 / GD3
Biegesteifigkeit relativ
direkt nach Druck 4 Tage 1,5-12 Monate
Abbildung 12: Zeitlicher Verlauf der Biegesteifigkeit bei 300% Farbauftrag (SB)
Einfluss auf Biegesteifigkeit (Papier)
Für die Papiermuster zeigen die Druckversuche ebenfalls eine Abnahme der Biegesteifigkeit bei höherer Farbbelegung, mit Ausnahme der ungestrichenen Druckpapiere (Muster O und P). Die Erholungserscheinungen durch die Lage- rung im Normklima sind hier allerdings nicht so deutlich ist wie bei den Karton- mustern.
6.2 Auswertung der Laborversuche
6.2.1 Simulation praxisrelevanter definierter Belastungen im Labor
Modellansätze Es wurden drei prinzipiell unterschiedliche Modellansätze gefunden, die zur Beschreibung ähnlicher Vorgänge in Ansätzen genutzt wurden. Sie betrachten aber ausschließlich Druckbelastungen und nicht die für das Bogenlaufverhalten wichtige Kombination von Feuchtung und Druckeinfluss.
Ansätze zur Beschreibung der Biegesteifigkeitsveränderung bei Kompression:
• Lagenmodell über Veränderung der Steifigkeit = f(E; d)
• Biegesteifigkeit (E) als Veränderung der Porosität
• komplexer mechanischer Ansatz: Biegesteifigkeitsveränderung über Zusammenwirken von Gummituch und Kompression mit elastischem und plastischem Verformungsanteil beim Papier (Schaltung von Feder- und Dämpfungselementen, (Maxwell-Modell))
Keines der Modelle berücksichtigt den gleichzeitigen Einfluss von Feuchtung und Mehrfachkompressionen auf die Biegesteifigkeit. Die Mehrzahl der Ansätze impliziert zudem eine flächige, stetig ansteigende Drucklast, die der Belastung im Drucknip nicht entspricht.
Prinzipieller Ansatz für Labormethodik
Ausgehend von den Bedingungen des Offsetdruckprozesses sollte versucht werden, über ein Laborverfahren druckrelevante Beanspruchungen unter reproduzierbaren Bedingungen zu simulieren, um auf diesem Weg eine Unterscheidung der Bedruckstoffe analog ihres Praxisverhaltens sowie eine Abschätzung der zu erwartenden Eigenschaftsänderungen bei übertragba- rem Beanspruchungsprofil zu ermöglichen. Der Ansatz war, für diese Untersuchungen ein modifiziertes Probedruckgerät einzusetzen, damit bei Eignung der Methodik auf ein handelsübliches Gerät zurückgegriffen wer- den kann, dass analog zu anderen Papierprüfgeräten für eine Bedruckstoff- bewertung verwendbar ist.
