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PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 363

STRICHKONZEPTE FÜR HYBRIDE DRUCKANWENDUNGEN IM OFFSET- UND INKJETDRUCK

» VERPACKUNGEN » PRINTPRODUKTE » RESSOURCENEFFIZIENZ

» NEUE WERKSTOFFE

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de

Titel

Strichkonzepte für hybride Druckanwendungen im Offset- und Inkjetdruck

M. Kleebauer, G. Keller und J. Gemeinhardt

Inhalt

Seite

1 Zusammenfassung... 2

2 Abstract ... 3

3 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung ... 5

3.1 Ausgangssituation ... 5

3.1.1 Offsetdruck ... 6

3.1.2 Inkjetdruck ... 7

3.2 Ansätze zur Entwicklung von Papieren für hybride Druckanwendungen ... 7

4 Forschungsziel ... 9

5 Gesamtvorgehen ... 9

6 Projektphase 1 – Bereitstellung von Modellen, Methoden und Referenzen ... 9

7 Projektphase 2 – Herstellung und Bewertung von Labormustern ... 16

8 Projektphase 3 – Pilotversuche ... 21

8.1 Herstellung und Bewertung der Pilotmuster... 21

8.2 Druck- und Wegschlagversuche ... 24

8.3 Prüfung der Deinkbarkeit ... 29

8.4 Zusammenfassung der Ergebnisse von Projektphase 3 ... 30

Literaturverzeichnis ... 33

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1 Zus ammenfas s ung

Zielstellung Ziel des Projektes war die Entwicklung von wissenschaftlichen Konzepten für den Strichaufbau von gestrichenen Papieren zur Verbesserung der Bedruck- barkeit bei der gleichzeitigen Anwendung mehrerer Druckverfahren. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag bei der Kombination von Offset- mit Inkjetdruck.

Ergebnisse Ausgehend von der Bosanquet-Gleichung und der Finite-Elemente-Methode (FEM) wurden nummerische Modelle zur Berechnung des Sorptionsverhaltens von druckfarbentypischen Fluiden in poröse Strichstrukturen entwickelt und zur Ableitung der benötigen Stricheigenschaften benutzt.

Zur Beurteilung der Bedruckbarkeit und der Wegschlaggeschwindigkeit wurden Methoden von hoher Praxistauglichkeit eingesetzt. Auf Basis der in der Fogra entwickelten Offline-Konter-Station OKS konnte das Wegschlagverhalten von schnell und langsam wegschlagenden Farbserien im Offsetdruck gut untersucht werden. Für die Bewertung der Wegschlaggeschwindigkeit von Inkjettinten wurde ein Teststand eingesetzt, der nach dem Konterdruckverfahren arbeitete.

Ergänzend dazu wurden Prüfmethoden auf Basis des Bristow-Wheel- und des Datamatrixcode-Prüfgeräts erarbeitet.

Basierend auf Untersuchungen an ein- und mehrlagigen Modellstrichen unter- schiedlicher Porenstrukturen sowie auf den Ergebnissen der Simulationsrech- nungen wurden folgende zwei Strategien zur Verbesserung der Inkjetbedruck- barkeit von Strichen für den Offsetdruck entwickelt:

Strategie 1: Modifizierung eines Einfachstrichs für Offsetdruck durch Zusätze an Spezialpigmenten, welche die Strichporosität erhöhen.

Strategie 2: Aufbringen einer dünnen, sehr porösen Strichlage auf Striche für den Offsetdruck.

Anhand drucktechnischer Bewertungen wurde deutlich, dass Strategie 1 der Vorzug eingeräumt werden kann. Die zugesetzten Spezialpigmente schaffen dabei eine höhere Aufnahmekapazität für Flüssigkeiten und bewirken ein schnelleres Wegschlagen von Inkjettinten. Bei mäßiger Dosierung der Spezial- pigmente (10 bis max. 30 pph) bleibt die Wegschlaggeschwindigkeit von Off- setdruckfarben in einem noch gut zu beherrschenden Bereich. Als dafür geeig- nete Spezialpigmente erwiesen sich gefällte Kieselsäuren und Calciumsilikat- hydrate. Das Konzept konnte mit Hilfe von Pilotversuchen an einer schnelllau- fenden Versuchsstreichmaschine und durch Druckversuche an Druckmaschi- nen abgesichert werden.

Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 363 ZBG der kooperierenden AiF-Forschungs- vereinigungen Papiertechnische Stiftung (PTS) und Forschungsgesellschaft Druck e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirt- schaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundesta- ges gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

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Ein herzliches Dankeschön sei auch allen Projektpartnern gesagt, die zu stän- diger Diskussion und Unterstützung bereit waren und durch ihre tatkräftige Un- terstützung den Fortschritt des Projektes ermöglicht haben.

2 Abs tract

Objectives Aim of project was the development of scientific concepts for the coating com- positions of papers used in hybrid printing applications namely in the combina- tion of offset and inkjet printing.

Results Numerical models based on the Bosanquet equation and the finite element method (FEM) were developed to calculate the sorption characteristics of print- ing ink fluids in porous structures. Afterwards these models were used within the project for deriving the required coating properties.

For evaluation of printability and ink penetration methods were applied which were highly related to practice. Based on the Offline-Counter-Device developed by Fogra ink penetration properties of slow and fast penetrating offset printing inks were investigated. For assessing the speed of ink penetration in inkjet print- ing a device was used operating also on the basis of a counter method. In addi- tion to this test methods based on Bristow-Wheel- and Data-Matrix-Code- Test- ers were used.

Based on investigations of single and multilayer coatings with different porosi- ties as well as results from numerical model calculations two strategies were generated for improving simultaneous offset and inkjet printing:

Strategy 1: Modification of single layer coatings for offset printing by speciality pigments with high specific surface area.

Strategy 2: Application of thin and highly porous coating layers on top of a

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de standard offset coating.

By testing appropriate samples on laboratory scale it become apparent that strategy 1 has clear advantages over strategy 2. The added speciality pigments create a higher absorption capacity for solvents and a faster pentration of inkjet inks. On the other hand by adding only moderate amounts (10 to 30 pph) of speciality pigments ink penetration speed in offset printing will stay on a control- lable level. Speciality pigments which were suited for this purpose are precipited silicas and calciumsilicat-hydrate. The concept could be verified on pilot scale using a fast running pilot coater and commercially available offset and inkjet printing machines.

Acknowledge-

ment The IGF 363 ZBG research project of the cooperating AiF research associa- tions “Papiertechnische Stiftung (PTS)” and “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 warm gratitude for this support.

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3 Wis s ens chaftlich- technis che und wirts chaftliche Problems tellung

3.1 Aus gangs s ituation Der Druckmarkt

im Umbruch Der Markt für Druckereiprodukte befindet sich seit mehreren Jahren in einem Umbruch [1]. Neben der Konkurrenz durch andere Medien, wie beispielsweise dem Internet, sinken die Auflagenhöhen von Druckaufträgen und werden die Lieferfristen immer kürzer. Gleichzeitig werden die Druckaufträge komplexer und insbesondere in der Werbewirtschaft steigt der Wunsch nach individuali- sierten, stärker auf den jeweiligen Kundenkreis abgestimmten Produkten [2, 3].

Digitaldruck im

Aufwind Um den wachsenden Anforderungen in Zukunft besser nachkommen zu kön- nen, wächst bei vielen Druckereien das Interesse an digitalen Druckmaschinen und Druckmodulen als Ergänzung zum bisherigen Maschinenpark [4, 5]. Dabei wird vor allem dem Inkjet-Verfahren großes Entwicklungspotenzial eingeräumt (siehe z. B. [6]). Es hat sich in den letzten beiden Jahrzehnten von einem Ver- fahren für häusliche PC-Anwendungen zu einem professionellen Druckverfah- ren weiterentwickelt [7, 8]. Inkjet-Druckköpfe eignen sich aufgrund ihrer platz- sparenden Bauweise und hohen Druckgeschwindigkeiten als ideale Ergänzung für konventionell arbeitende Druckmaschinen. Man spricht in diesem Zusam- menhang dann häufig von hybrider Drucktechnologie.

Klassische Druckverfahren in Kombination mit Inkjetdruck

Ohne auf eine Gesamtdarstellung hybrider Druckanwendungen näher einzuge- hen, seien exemplarisch einige Beispiele genannt:

• Rollen- und Bogenoffsetdruckmaschinen mit zusätzlich Inkjet-

Druckstationen sind bereits kommerziell verfügbar [9, 10]. Sie reduzie- ren die im Offsetdruck typischen Druckgeschwindigkeiten nur unwe- sentlich, erweitern aber die individuellen Gestaltungsmöglichkeiten er- heblich.

• Ebenso sind für den Verpackungsdruck Kombinationen von Flexo- und Inkjetdruck in neuen Druckmaschinen möglich [11]. Auch hier wird die gleiche Stossrichtung hin zu individuell gestaltbaren, personalierbaren Auflagen verfolgt. Außerdem arbeiten Kennzeichnungssysteme für Ver- packungen in Abpackstrassen häufig mit Inkjet-Technologie [12].

Neuere Veröffentlichungen sowie Beiträge auf Messen und Weiterbildungsver- anstaltungen belegen die wachsende Bedeutung digitaler Druckverfahren zur Herstellung von Print- und Verpackungsprodukten [13, 14, 15, 16, 17, 18].

Sichtbar wird dieser Trend auch bei einigen Herstellern klassischer Druckma- schinen, die Inkjetdruckköpfe als Ergänzung anbieten [19, 20].

Verfügbare Druckpapiere genügen den An- forderungen nicht mehr.

Die eben erläuterten Entwicklungen bei Druckverfahren und Druckmaschinen haben auch Auswirkungen auf die in Zukunft von Druckereien nachgefragten Papiersorten. Insbesondere gestrichene Papiersorten sind davon stark betrof- fen, da sie mit ihrer glatten und optisch ansprechenden Oberfläche die Basis für viele Produkte bilden. Die heute für Offset- Druckaufträge verfügbaren Papiers- orten werden die Anforderungen der Kunden an die Druckqualität im Inkjetdruck nicht mehr erfüllen können. Umgekehrt sind heutige Papiere, die qualitativ

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hochwerte Inkjetdrucke erlauben, zu teuer oder haben negative Auswirkungen auf die Offsetbedruckbarkeit.

Neuentwicklunge n sind notwen- dig.

Aus diesem Grund ist es sowohl von technischer als auch von wirtschaftlicher Seite aus sinnvoll, im Rahmen von Forschungsarbeiten die Voraussetzungen für neue Papierqualitäten zu schaffen, die sowohl mit den klassischen Druck- verfahren als auch mit dem nun neu verfügbaren Inkjetdruck gut be- und ver- druckbar sind.

Betrachtet man die Vorgänge bei den einzelnen Druckverfahren resultieren da- raus grundsätzlich verschiedene Anforderungen an die Papiere [21, 22]. Zent- rale Bedeutung kommt dabei den chemischen und physikalischen Eigenschaf- ten der eingesetzten Druckfarben und deren Trocknungsmechanismen zu. In den folgenden Abschnitten sind die für den Offset-, und Inkjetdruck maßgebli- chen Eigenschaften kurz zusammengefasst.

3.1.1 Offsetdruck Technischer

Stand Der Offsetdruck ist ein Flachdruckverfahren, bei dem die Bildübertragung auf unterschiedlichem Benetzungsverhalten der Druckform durch wässrige Feuchtmittel und pastös-ölige Druckfarben beruht. Der Druckprozess erfolgt in- direkt, da die Druckform das Bild zunächst auf ein elastisches Drucktuch trans- feriert, von dem aus dann der Übertrag auf das Papier (oder ein anderes Sub- strat) erfolgt. Je nach Maschinenbauart wird Format- oder Rollenware verarbei- tet [23]. Der Offsetdruck hat einen hohen Standardisierungsgrad im Hinblick auf den Druckprozess erreicht [24].

Farbübertragung und damit ver- bundene Anfor- derungen

Im Offsetdruck übt die hochviskose Druckfarbe bei der Farbübertragung eine hohe Zugkraft auf die Papieroberfläche aus. Die Striche müssen daher eine ho- he Rupffestigkeit aufweisen, die auch im nassen Zustand noch erhalten bleiben muss [25]. Für die meisten Offsetdruckfarben insbesondere solche für den Bo- genoffset spielt beim Trocknen das Wegschlagen der Druckfarbenöle die ent- scheidende Rolle [26]. Es darf einerseits nicht zu schnell sein, da sonst der Druckglanz darunter leidet, andererseits besteht bei zu langsamen Wegschla- gen die Gefahr des Verschmierens und Blockens.

Gestrichene Off-

setdruckpapiere Offsetdruckpapiere werden heute je nach Verwendung einseitig oder zweiseitig gestrichen, mit jeweils 1-3 Strichschichten pro Seite. Das Strichgewicht beträgt dabei in der Regel 10 - 30 g/m² und Seite. Nach dem Aufbringen und Trocknen der Streichfarben werden die Papiere häufig noch satiniert.

In den Streichfarben [27] kommen in Europa vorwiegend Kombinationen von natürlichem Calciumcarbonat (GCC) und Kaolin zum Einsatz. Als Binder wer- den synthetische Binder oder eine Kombination aus synthetischen Bindern mit Stärke eingesetzt.

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3.1.2 Inkjetdruck Technischer

Stand Der Inkjetdruck ist ein digitales Druckverfahren und benötigt daher keine Druck- form. Sehr kleine Auflagen sind kostengünstig zu produzieren. Zentrales Bau- element sind die Druckköpfe, die entweder kontinuierlich oder nur bei Bedarf Tinte mit Hilfe von Überdruck in Tropfenform auf das Substrat übertragen. Die diskontinuierliche Tintentropfenübertragung kann durch Heizelemente (Über- druckbildung durch Verdampfung) oder mit Hilfe von Piezokristallen (Über- druckbildung durch Komprimierung) erfolgen [23].

Farbübertragung und damit ver- bundene Anfor- derungen

Im Inkjetdruck werden sehr niedrig viskose Tinten in Form kleiner Tröpfchen auf die Papieroberfläche aufgebracht [28]. Sie enthalten anionische Farbstoffe oder Farbpigmente in verdünnter Form und verlangen daher eine hohe Absorptivität der Oberfläche, um einen wischfesten Ausdruck in hoher Auflösung zu gewähr- leisten, andererseits soll das Tintenlösungsmittel (in der Regel Wasser) mög- lichst kleine Dimensionsänderungen des Papiers verursachen.

Inkjet-Papiere Inkjetpapiere sind heute in verschiedenen Qualitätsstufen [29] erhältlich, wobei sich die einzelnen Qualitäten über die Anwendungen definieren. Parallel zur Druckqualität steigt das Kostenniveau stark an (siehe Abb. 1)

Abb. 1: Qualitäts- und Kostenpyramide bei Inkjetpapieren.

3.2 Ans ätze zur E ntwicklung von Papieren für hybride Druckanwendungen Mögliche Strich-

konzepte Die Schwierigkeit bei der Konzeption von Papierstrichen für diese drei Druck- verfahren besteht darin, die extrem unterschiedlichen Anforderungen bei der Druckfarbenübertragung und der Sorption der flüssigen Druckfarbenbestandtei- le in Einklang zu bringen [30, 31]. Dies könnte mit einem wohldosierten Einsatz von Spezialpigmenten mit großer innerer Oberfläche gelingen. Mit Hilfe dieser Pigmente sollte es gezielt möglich sein, maßgeschneiderte Porenstrukturen in Strichschichten zu erzeugen. Dabei sollte insbesondere folgende Strategie ge-

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de nutzt werden:

• Über einen eher kleinen Anteil an Pigmenten mit hoher Porosität ist eine Erhöhung von Anzahl und Dichte kleiner Poren möglich. Diese beschleuni- gen aufgrund der hohen Kapillarwirkung das Wegschlagen von Druckfarben und Inkjettinten.

• Über einen möglichst großen Anteil an Pigmenten herkömmlicher Korngrö- ße soll dafür gesorgt werden, dass die bisherigen Qualitätsstandards von Strichen für den Offsetdruck erhalten bleiben.

Eine höhere Porosität des Strichs wirkt sich im Inkjetdruck positiv aus, kann aber für die Druckqualität im Offsetdruck nachteilig sein. Synthetische Binder könnten aufgrund ihrer Beschaffenheit einen regulierenden Einfluss ausüben [32]. Neuere Untersuchungen haben aber gezeigt, dass der Einfluss des Bin- ders auf das Sorptionsverhalten sehr begrenzt ist [33].

Simulationen als Werkzeuge für zukünftige Ent- wicklungen

Die gezielte Gestaltung der geplanten Schichtstrukturen sollte mit Hilfe simulati- onsgestützter Modellierungswerkzeuge unterstützt werden. Solche Modellie- rungswerkzeuge können maßgeblich dazu beitragen, die Aufnahmegeschwin- digkeit von flüssigen Druckfarbenbestandteilen in einzelnen Schichten abzu- schätzen und vergleichend zu bewerten.

Ansatz für Einzelschicht- modelle

Zur Modellierung des Flüssigkeitseindringens in einer Einzelschicht wurde die Software „Pore-Cor“ [34] eingesetzt. Grundlage für die Modellierung ist dabei die Quecksilberporosimetrie, welche die gebräuchlichste Methode zur Bestim- mung der Porenverteilung ist. Ausgehend von der gemessenen Intrusionskurve bzw. Porengrößenverteilung wird ein System quaderförmiger Poren mit zylindri- schen Porenhälsen generiert, welches ein Porenvolumen und eine Porengrö- ßenverteilung wie die reale Probe aufweist. Anhand dieses Modells erfolgt nun die Berechnung des Eindringverhaltens der Flüssigkeit. „Pore-Cor“ wurde be- reits in mehreren Fällen erfolgreich für die Modellierung von gestrichenen Pa- pieren eingesetzt (s. z.B. [35] und [36]). Dabei wurde auch über eine gute Kor- relation der Modellergebnisse zu den experimentellen Werten berichtet [37]. Die Kombination verschiedener Einzelschichten zu einem mehrlagigen Modell ist mit „Pore-Cor“ aber nicht möglich.

Ansatz für Mehrlagen- modelle

Für die Simulation des Wegschlagverhaltens von mehrlagigen Schichtaufbau- ten kann ein makroskopischer Ansatz herangezogen werden. Aus den Ergeb- nissen der Einzelschichtmodellierung mittels „Pore-Cor“ werden dazu wichtige Kenngrößen, vor allem die Tortuosität, abgeleitet. Die Beschreibung des Flüs- sigkeitstransportes im Mehrlagenaufbau geschieht dann unter Verwendung der auf der Finiten-Elemente-Methode basierenden Software COMSOL Multiphy- sics [38]. Die Modellierung des Wegschlagens der Druckflüssigkeiten erfolgt un- ter Zuhilfenahme eines separaten Moduls (MEMS bzw. Microfluidics) für die Strömungssimulation in porösen Medien. Damit können verschiedene Schich- ten des Schichtaufbaus kombiniert werden.

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4 Fors chungs ziel

Gesamtziel Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von wissenschaftlichen Konzepten für den Strichaufbau von gestrichenen Papieren zur Verbesserung der Bedruckbarkeit bei der gleichzeitigen Anwendung mehrerer Druckverfahren.

Der Schwerpunkt der Arbeiten lag bei der Kombination von Offset- mit Inkjet- druck.

5 G es amtvorgehen Kurzbeschreibun g des Ablauf- plans

Das Projekt gliederte sich 3 Phasen:

Phase 1: Beinhaltete die Schaffung der theoretischen und experimentellen Vo- raussetzungen zur Erreichung der Zielsetzung (Modellentwicklung, Mess- und Prüfverfahren, Referenzmuster).

Phase 2: Mit Hilfe der in Phase 1 vorbereiteten Grundlagen wurden gestriche- ne Papiermuster mit den geplanten Funktionalitäten im Labormaß- stab erzeugt und optimiert.

Phase 3: Diese Phase diente der Optimierung und Verifizierung der in Phase 2 erarbeiteten Konzepte unter Praxisbedingungen.

6 Projektphas e 1 – B ereits tellung von Modellen, Methoden und R eferenzen Ausgewählte

Druckfarben und Papiere

Für die Druckversuche wurden folgende Druckfarben ausgewählt und einge- setzt:

• Offsetdruckfarben der Sorten „Rapida“ und „Reflecta“ von Michael Hu- ber München. Bei „Rapida“ handelt es sich um eine schnell wegschla- gende Druckfarbe. „Reflecta“ ist dagegen langsam wegschlagend.

• Inkjettinten der Fa. Oce und der Fa. Wolke (Farbstoff- und Pigmenttin- ten)

Für die Streichversuche im Labor und an der Pilotanlage wurden die Substrate von Tab. 1 eingesetzt. Neben Papieren kam auch eine Kunststofffolie (nicht saugendes Substrat) zum Einsatz.

Tab. 1: Eingesetzte Streichrohpapiere

Code Sortenbezeichnung / Eigenschaften Laborver-

suche h´h RP Holzhaltiges Streich- und Beschichtungsrohpa- pier, 120 g/m²

Pilot-

versuche PL Holzhaltiges Streichrohpapier, 50 g/m²

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Modellvarianten

und Modellvergleich

Anfänglich wurden für Einzelschichten drei Modellvarianten untersucht, deren Vor- und Nachteile in Tab. 2 zusammengestellt sind.

Tab. 2: Vor- und Nachteile unterschiedlicher Modellansätze.

Vorteile Nachteile

Modell 1 Bosanquet- Modelle

• Prinzipielle Effekte kön- nen erkannt werden

• Einfache Nutzung

• ‚mittleres‘ Verhalten der Fluide ist gut berechenbar

• Änderung Kapillarradius schwierig

• Verlauf bei verzweigten Ka- pillaren schwierig

Modell 2 Pore-Cor- Modelle

• Porengrößenverteilung aus Hg-Porosimetrie wird benutzt

• Verzweigte Kapillaren werden beachtet

• Größe der Unit-Cell (Strich- dicke) lässt sich nicht beein- flussen

• Flüssigkeitsmenge unbe- grenzt

Modell 3 FEM- Modelle

• Komplexere Geometrien werden handhabbar

• Detailverhalten der Fluide wird sichtbar

• Fortschritt der Flüssig- keitsfront wird durch reale Flüssigkeitsmenge (-volumen) bestimmt

• Komplexe Software erforder- lich

• Einstiegs-Schwelle ist hoch

In diesem Stadium der Entwicklung konnten mit Hilfe der Modelle der zu erwar- tende Verlauf der Flüssigkeitsaufnahme im Offset- und Inkjetdruck qualitativ gut wiedergegeben werden. Die berechneten Wegschlagzeiten für die Fluidmengen lagen aber noch unter denen von Messwerten. Aus den Berechnungen ergaben sich Anhaltspunkte für die optimalen Kapillarradien der verschiedenen Druck- farbenfluide. Während sich die Eindringzeiten von Offsetölen mit steigenden Kapillarradien generell verringern, gibt es für Inkjettinten einen optimalen Be- reich zwischen 0,1 und 0,15 μm.

Mehschicht-

modelle Anschließend erfolgte der Ausbau des Matlab-Modells (Modell 1) auf mehrere Strichschichten, wobei der Pentrationsvorgang je Schicht nach der Bosanquet- Gleichung berechnet werden konnte. Im Weiteren wurde durch Anpassung der Geometrie auch das FEM-Modell auf „idealisierte“ mehrschichtige Strukturen ausgeweitet. Dabei wurde das Ziel verfolgt, die Penetrationsgeschwindigkeit der verschiedenen Druckfarben in aufeinanderfolgenden Strichschichten bzw. das Basispapier zu berechnen (vgl. Abb. 2).

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Abb. 2: Schichtaufbau für die Entwicklung mehrlagiger Simulationsmodelle.

Striche / Rohpapier:

Die Charakterisierung der Strichlagen erfolgte dabei mit den gleichen physikali- schen Parametern, wie sie schon für einlagige Modelle benutzt wurden Druckfarben:

Bezüglich der Druckfarben gelten auch hier die gleichen Charakteristika wie im einlagigen Modell. Mit diesem Modell wird untersucht, wie die Druckfarbe nur eines Druckwerkes in das Papier eindringt.

Zielgrößen:

Bei den Modellrechnungen wurden bei begrenzten Flüssigkeitsmengen vorran- gig die Zielgrößen „Eindringtiefe im Zeitverlauf“ und „eingedrungenes Fluidvo- lumen im Zeitverlauf“ untersucht.

Realisierung Bosanquet- Modell

Die Variationsmöglichkeiten der Matlab-Software wurden so angelegt, dass so- wohl die Eigenschaften der Druckfarben und Striche, als auch die Dicken der Strichschichten beliebig variiert werden können. Wichtig war außerdem die Möglichkeit zur Begrenzung der jeweiligen Fluidmengen. Mathematisch schwie- riger war die sinnvolle Realisierung der Schichtübergänge, für die es bisher in der Literatur keine Lösungen gab. Auch die Berechnung der Eindringzeiten je Strichschicht ist nicht trivial. Das Problem wurde über eine Nullstellenberech- nung der Penetrationsfunktion x(t) gelöst.

Ergebnisse Matlab- Rechnungen (Bosanquet- Modell)

Auf Basis der Schichtanordnung von Abb. 2 wurden die Verlaufskurven x(t) der Flüssigkeitsfront berechnet.

8 µm Deckstrich 8 µm Vorstrich 60 µm Rohpapier

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Abb. 3: Verlaufskurven für Offset-Öl, Feuchtmittel und Inkjettinte (links).

Aus Abb. 3 wird ersichtlich:

• Trotz der sehr unterschiedlichen Eindringgeschwindigkeiten der niedervisko- sen Flüssigkeiten im Vergleich zu den höherviskosen werden die Eindringzei- ten bezüglich der Druckverfahren im Wesentlichen durch die Flüssigkeits- mengen bestimmt. Die Eindringzeiten für Inkjettinten sind größer.

• Auch die Verhältnisse bezüglich der Eindringtiefe sind komplett anders. Wäh- rend für die Offsetdruck-Flüssigkeiten zumindest für 1 Druckwerk eine Strich- schicht zur Aufnahme der Fluide vollkommen ausreicht, dringt die Inkjettinte auch in die beiden folgenden Schichten vor.

Druck- und Weg- schlagversuche Offset

Druckversuche im Offsetdruck wurden an der Bogenoffsetdruckmaschine der Fogra durchgeführt. Dabei kamen die Farbserien RAPIDA (schnell wegschla- gend) und REFLECTA (langsam wegschlagend) der Michael Huber München GmbH zum Einsatz. Die Farbführung bei den Offsetpapieren wurde nach den Vorgaben der ISO 12647-2 geregelt.

Nach dem Erreichen des gewünschten Druckergebnisses wurden einige Exemplare für die spätere Bewertung der Druckqualität beiseitegelegt. Außer- dem wurde die Pudereinrichtung in der Maschinenauslage ausgeschaltet, um die anschließenden Konterversuche vorzubereiten. Diese erfolgten an der lau- fenden Druckmaschine sowohl „inline“, als auch „offline“ mit der in der Fogra entwickelten Offline-Konter-Station OKS. Als Konterpapier wurde einheitlich das ungestrichene Conti Laser von UPM verwendet.

Mit der OKS können komplette Druckbogen im Format 50x70 cm einem Konter- test unterzogen werden. Hierbei wird ein frisch bedruckter Bogen direkt aus der Auslage entnommen und zusammen mit einem Konterpapier mit einer vorge- gebenen Geschwindigkeit unter definiertem Liniendruck (ca. 200 N/cm) durch einen Walzenspalt geführt. Somit ist es möglich, das Wegschlagverhalten in ei-

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nem Zeitraum zwischen 30 Sekunden und 2 Minuten nach dem Druck zu beur- teilen.

Die Auswertung der Kontertests erfolgte durch Dichtemesungen auf den be- druckten (abgekonterten) Bogen und den Konterbogen. Hierbei wurden aus- schließlich die Cyan-Volltöne herangezogen. Als Maß für das Wegschlagverhal- ten wurde das sogenannte Abdruckverhältnis gewählt. Es berechnet sich aus dem Quotient beider Messgrößen und stellt ein Maß für das Wegschlagverhal- ten dar (siehe Gleichung unten). Je niedriger das Abdruckverhältnis ist, desto weniger Druckfarbe wird auf das Konterpapier übertragen und umso schneller erfolgt das Wegschlagen bzw. der physikalische Trocknungsvorgang. Bei ei- nem Abdruckverhältnis von eins befindet sich jeweils etwa die Hälfte der Druck- farbe auf dem abgekonterten Bogen und auf dem Konterbogen.

Bogen ter

abgekonter Dichte

n Konterboge Dichte

hältnis Abdruckver =

Drucktechnische Untersuchungen im Offsetdruck

Farbumfang Offset:

Als Maß für die Größe des darstellbaren Farbumfangs wurden die Buntheiten C*ab der Primär- und Sekundärfarben sowie die Helligkeit L* von Schwarz her- angezogen.

Kantenschärfe und Kantenglätte Offset:

Um die Kantenschärfe und Kantenglätte auf den angefertigten Drucken bewer- ten zu können, wird ein spezielles Testbild oder eine geeignete schwarze Kante mit einer Auflösung von 900 dpi bildtechnisch erfasst und analysiert. Hierzu werden die normierten Reflexionswerte zwischen dem Papier und dem Vollton herangezogen. Die Schwankungen entlang der Kante gehen in die Kantenglätte ein, während die Kantenschärfe aus dem Abfall senkrecht dazu berechnet wird.

Scheuerfestigkeit Offset:

Die Überprüfung der Druckfarbenhaftung erfolgte durch Scheuertests mit dem Testgerät „Quartant“ der Firma prüfbau. Hierzu wurde aus den zu prüfenden Druckbogen eine kreisrunde Probe mit einem Durchmesser von 50 mm ausge- schnitten und auf einem 600 g schweren Metallzylinder fixiert, der sich mit sei- nem Eigengewicht über eine Scheuergegenfläche bewegt. Es wurden jeweils fünf Hübe durchgeführt, bei denen die Scheuerprobe gleichzeitig in eine hori- zontale und eine Rotationsbewegung versetzt wird.

Druck- und Weg- schlagversuche Inkjetdruck

Bei Océ in Poing wurden Druckversuche an einer „JetStream 1400“ mit Farb- stofftinten bei einer Geschwindigkeit von 100 m/min durchgeführt. Die Justie- rung der Druckmaschine und die optimale Einstellung der Tröpfchengröße wur- den durch den Bediener individuell vorgenommen.

Zur Beurteilung der Wegschlageigenschaften im Inkjetdruck wurden im Druck- zentrum der Fa. Océ Printing Systems GmbH in Poing Versuche an einem Teststand durchgeführt. Dieser ermöglicht die Erstellung von einfarbigen Test- drucken auf Papierrollen mittels eines Druckkopfs von Kyocera. Damit lassen sich Testformen mit einer Breite von 15 cm und unendlicher Länge drucken. Als Tinten können sowohl Farbstofftinten als auch pigmentierte Tinten verwendet

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werden. Die Tröpfchengröße ist frei wählbar, die maximale Druckgeschwind- gkeit beträgt 1,2 m/s.

Um Wegschlagversuche an diesem Teststand durchführen zu können, wurde die Fogra-OKS umgebaut, so dass Papierrollen anstelle von Bogen verwendet werden können und die erstellten Testdrucke „inline“ gekontert werden. Die Versuche fanden mit unterschiedlichen Konterzeiten statt. Diese wurden durch Variation der Druckgeschwindigkeiten realisiert. Die Auswertung erfolgte wiede- rum densitometrisch mit anschließender Berechnung des Abdruckverhältnisses.

Drucktechnische Untersuchungen im Inkjetdruck

Farbumfang, Kantenschärfe, Kantenglätte und Scheuerfestigkeit wurden analog den Offsetdrucken geprüft.

Prüfung nach den Bristow- Wheel-Verfahren

Absorp. langsam schnell

w

S

w

S

v

Bei der Messung der Penetrationsgeschwindigkeit nach Bristow wird die Test- flüssigkeit in einem Dispenser über einen definierten Spalt mit dem porösen Medium in Kontakt gebracht und mit bekannter Geschwindigkeit über die zu prüfende Fläche gezogen. Wenn die Testflüssigkeit im Dispenser verbraucht ist, wird die Länge der eingefärbten Fläche ausgemessen.

Mit dieser Methode kann das Wegschlagverhalten farbstoffbasierter Tinten gut bewertet werden, für pigmentierte Tinten ist es in der Regel nicht geeignet.

Die Versuchsbedingungen wurden nach Vorversuchen wie folgt festgelegt:

• Einsatz des 0,1 mm Dispensers,

• Tintenvolumen 12 µl mit Farbstofftinte (Wolke Tinte UB 7482),

• Geschwindigkeiten 0,6 und 1,2 cm/s.

Prüfung mit dem Datamatrixcode- Prüfgerät

Zusätzlich zu den bereits genannten Methoden wurde das Datamatrixcode- Prüfgerät eingesetzt. Das Kernstück des Prüfstandes ist in Abb. 4 dargestellt.

Eine Papier- oder Kartonprobe wird damit zunächst optimal mit einem Inkjet- druckkopf bedruckt und nach einer exakt vorgegebenen Zeit gegen eine Wisch- einheit geführt. Danach wird mittels eines Bildanalysesystems (Verifier) der ge- wischte Datamatrixcode bewertet. Die Bewertung erfolgt nach DIN EN ISO/IEC 15415. Diese Norm definiert acht Parameter, mit denen die Lesbarkeit eines Datamatrixcodes ausgedrückt werden kann. Sieben dieser Parameter sind Ein- zelbewertungen und der achte ist die Zusammenfassung der einzelnen Auswer- tungen. Hierbei wird nicht der Mittelwert aller Parameter herangezogen, son- dern das Minimum der sieben Einzelbewertungen. Jede Einzelbewertung kann einen Wert zwischen 0 und 4 annehmen, wobei 4 der beste Wert ist.

Dispenser mit Testflüssigkeit poröses Medium

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Datamatrixcode-

Prüfgerät

Abb. 4: Datamatrixcode-Prüfgerät.

Bei einer Messung wurde wie folgt vorgegangen:

• Bedrucken und Auswerten des Ergebnisses ohne Wischen definiert zu- nächst die Referenzmarke.

• Danach Bedrucken und Wischen mit schrittweise Verkleinerung der Wischzeit von max. 1,0 s bis 0,1 s. Auswerten der Ergebnisses nach je- dem Wischen.

• Bestimmen der Wischzeit, bei der eine signifikante Änderung des Be- wertungsergebnisses erfolgt. Diese Wischzeit definiert dann die Trock- nungzeit der Tinte und wurde im Weiteren als Maß für die Wegschlag- geschwindigkeit der Tinte auf dem geprüften Substrat genommen. In der Regel geht dies einher mit bereits visuell erkennbaren Verwischun- gen (siehe z.B. Abb. 5).

Abb. 5: Aufgedruckter Datamatrixcode ohne Wischtest (rechts) und mit Wisch- test und unterschrittener Trocknungszeit.

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7 Projektphas e 2 – Hers tellung und B ewertung von L abormus tern

Strategien Bei den Recherchen zum Kostenniveau hatte sich gezeigt, dass der Markt be- reit ist, bis ca. 20 % an Mehrkosten für die Ausstattung von Offsetpapieren mit verbesserter Inkjetbedruckbarkeit zu tragen.

Deswegen wurden komplexen mehrlagigen Lösungen, die eine aufwändige Auftragstechnologie erfordern weniger Chancen eingeräumt. Stattdessen wur- den nach vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Lösung gesucht, die sich mit möglichst konventioneller Streichtechnologie realisieren lassen. Da sich in den bisherigen Untersuchungen ebenso wie in den Simulationen gezeigt hat- te, dass für eine höhere und schneller Saugfähigkeit des Strichs Anzahl und Dichte kleinerer Poren erhöht werden müssen, wurden diesbezüglich Pigmente ausgewählt, mit denen sich diese Strategie voraussichtlich umsetzen lässt. Die- se Pigmente werden zur Vereinfachung des Textes im Folgenden meist als Spezialpigmente bezeichnet.

Als Ausgangspunkt wurde eine Streichrezeptur (R1) für den Offsetdruck ge- wählt, die dann durch die bereits erwähnten Spezialpigmente modifiziert werden sollten. Da die Spezialpigmente einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen, sollte ihr Einsatz eher in kleinen Mengen erfolgen. Zwei Möglichkeiten dazu bo- ten sich an, die schematisch in Abb. 6 dargestellt sind:

Strategie 1: Modifizierung eines Einfachstrichs für Offsetdruck durch geringe Zusätze an Spezialpigment.

Strategie 2: Aufbringen einer dünnen zweiten Strichlage auf Striche für den Off- setdruck.

Abb. 6: Strategien zur Verbesserung der Inkjetbedruckbarkeit von Strichen für den Offsetdruck.

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Rezepturtabelle Die Zusammensetzungen sämtlicher Rezepturen sind in Tab. 3 aufgelistet.

Tab. 3: Rezepturtabelle zur Umsetzung von Strategie 1 und 2.

Komponente R1 R1-1 R1-2 R1-3 R1-4 T1 T2 T3 T4

GCC 1

feinkörnig 50 40 40 40 40

GCC 3,

mittelkörnig 30 30 30 30 30

Kaolin 20 20 20 20 20

PCC 1 10

PCC 2 100

MCC 100

Silica, gefällt 10 100

Silica, pyro-

gen 10

Ca-Silikathydrat 10 100

SB-Latex 15 15 15 15 15 15 15

Stärke, katio-

nisch 5

Polydadmac 2 5

PVOH, voll-

verseift 1 3 3 1 1 20 1 1

PVOH, teil-

verseit 5

Opt. Aufheller 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Herstellung der

Muster Die Streichfarben R1 und R1-1 bis R1-4 wurden in einer Menge von 15 g/m² auf holzhaltiges Rohpapier (hh´-RP) aufgetragen. Zum Auftragen wurde ein halbau- tomatisches Drahtrakelgerät eingesetzt. Die Muster wurden im Wärmeofen bei 105°C 90 s lang getrocknet.

Anschließend wurde eine zweite Serie an Mustern erzeugt. Dazu wurden zu- nächst 13 g/m² von R1 auf eine größere Anzahl von Bogen aufgetragen. Dann erfolgte der Auftrag der Deckstriche (T1 bis T4) mit jeweils 2 g/m². Die Trock- nung beider Striche erfolgte jeweils wieder bei 105°C für 90 s. Die so hergestell- ten Muster tragen die Abkürzungen R1-T1 bis R1-T4.

Mustercharakteri

sierung Die Muster wurden zunächst hinsichtlich ihrer Basiseigenschaften charakteri- siert. Dazu wurden ihre optischen Eigenschaften (Weißgrad, Opazität, Glanz), Rauheit und Oberflächenspannung gemessen:

• Die Weißgrade und Opazitäten der hergestellten Muster zeigen gegen- über dem Referenzmuster R1 nur geringfügige Unterschiede. Etwas größere Unterschiede treten nur im Glanz auf und betreffen hauptsäch- lich die Muster mit Deckstrich (T1-T4).

• Die Unterschiede in den Rauheiten sind insgesamt betrachtet gering.

• Die Oberflächenspannungen unterliegen z. T. größeren Veränderungen beim Einsatz von Spezialpigmenten. Vielfach ist damit gegenüber dem Referenzmustern eine Erhöhung der Oberflächenspannung verbunden.

(19)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Bedruckbarkeits-

und Weg- schlageigen- schaften Offset- druck

Die in Projektphase 2 erzeugten Papiermuster wurden zuerst auf ihre Rupffes- tigkeit mit dem Probedruckgerät von prüfbau geprüft. Dazu wurden Rupftests mit beschleunigter Geschwindigkeit bis 3 m/s durchgeführt. Es stellte sich her- aus, dass die Muster R1, R1-1 bis R1-4, R1-T3 und R1-T4 kein Rupfen aufwie- sen. Somit konnten diese Muster Druckversuchen unterzogen werden.

Die Druck- und Wegschlagtests erfolgten analog den in Phase 1 beschriebenen Verfahren. Dabei zeigte sich, dass durch Zusatz der Spezialpigmente die Weg- schlaggeschwindigkeiten zum Teil zunehmen, insgesamt aber beherrschbar bleiben (siehe Abb. 7).

Abb. 7: Wegschlagverhalten der handgestrichenen Muster R1-1 bis R1-4, R1- T3 und R1-T4 mit Huber REFLECTA (langsam wegschlagend) an der Offsetdruckmaschine.

Bedruckbarkeits- und Weg-

schlageigen- schaften Inkjet- druck

Die Bedruckbarkeit der Labormuster wurde mit der Bristow-Wheel-Methode und dem Datamatrixcode-Prüfgerät untersucht.

Abb. 8 enthält die Ergebnisse der Bristow-Wheel-Methode. Man erkennt, dass verglichen mit der Referenz (R1) das Zumischen kleiner Anteile an Kieselsäu- ren zu kleineren Spurlängen und damit zu einem signifikant schnellerem Weg- schlagen der Inkjettinte führt (R1-1, R1-2). Der Zusatz von feinkörnigem PCC und Calciumsilikathydrat führt zu keiner Beschleunigung (R1-3, R1-4).

Bei den zweilagigen Strichen führt nur die Variante mit einem Deckstrich aus pyrogener Kieselsäure zu beschleunigtem Wegschlagen. Die anderen Varian- ten verhalten sich langsamer als die Referenz (R1).

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Abb. 8: Spurlängen der nach den Konzepten von Abb. 6 hergestellten La- bormuster.

Abb. 9 zeigt die Ergebnisse der Messungen mit dem Datamatrixcode-Prüfgerät.

Es lassen sich folgende Schlussfolgerungen ableiten:

• Die Trocknungszeit sowohl von der Farbstoff- als auch von der Pig- menttinte ist bei der einlagigen Variante mit kleinen Anteilen an Spezi- alpigmenten kürzer.

• Dem gegenüber führt die Variante mit einem dünnen, porösen Deck- strich (zweilagige Variante) in drei Fällen zu einer deutlich langsameren Trocknung. Nur in einem Fall (T4) ergibt sich ein gleichbleibender bzw.

ein leicht kleinerer Wert.

(21)

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Abb. 9: Trocknungszeiten der nach den Konzepten von Abb. 6 hergestellten Labormuster.

Schlussfolgerun gen aus der drucktechnische Bewertung

Anhand der drucktechnischen Bewertungen wurde klar ersichtlich, dass die Strategie 1 (Einfachstrich mit Zusatz von Spezialpigmenten) im Vergleich zur Referenz (Offsetstrich) zu einer schnelleren Farbaufnahme der Inkjettinte führt als die Strategie 2 (Topstrich mit Spezialpigmenten). Die bei Strategie 1 eben- falls stattfindende Beschleunigung des Wegschlagverhaltens im Offsetdruck er- reichte kein kritisches Niveau. Für die Umsetzung in den Pilotmaßstab kamen daher vor allem die Muster mit den Strichen R1-2, R1-3 und R1-4 in Frage.

Tab. 4 gibt eine Zusammenfassung der drucktechnischen Bewertungen sowie der Gesamteinstufung der Labormuster mit praxisnahen Strichen für die Kom- bination Offset- mit Inkjetdruck.

Tab. 4: Übersicht über die drucktechnischen Bewertungen der nach Strategie 1 und 2 erzeugten Labormuster.

Muster Weg- schlagen

Offset

Inkjet nach AP 1.7b Farbstofftinte

Inkjet nach AP1.7b Pigmenttinte

Inkjet nach AP 1.7a Farbstofftinte

Gesamt- bewertung

R1 0* 0* 0* 0* Referenz

R1-1 ++ + + + Relativ teuer

R1-2 + + + + o.k.

R1-3 + + + 0 o.k.

R1-4 + + + 0 o.k

R1-T1 n. b. -- -- 0 Inkjet langsam

R1-T2 n. b. -- -- 0 Inkjet langsam

(22)

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R1-T3 ++ -- - - Inkjet langsam

R1-T4 + + 0 - Inkjet langsam

8 Projektphas e 3 – Pilotvers uche

8.1 Hers tellung und B ewertung der Pilotmus ter Simulations-

ergebnisse Mit den Parametern der Versuchspapiere R1, R1.2, …, R1.6 (siehe Tab. 4) und einiger Fluide für den Offset- bzw. Inkjetdruck wurden Simulationsrechnungen mit dem Bosanquet-Modell durchgeführt. Die berechneten Eindringzeiten für die Inkjet-Tinte 2 (OPS Standard) zeigt beispielhaft Abb. 10. Die Unterschiede zwi- schen den Strichvarianten sind nicht sehr groß. Deutlich wird jedoch, dass der Strich R1.2 schneller reagiert als R1.6.

Abb. 10: Intrusionsverlauf für Tinte 2 in die Vestra-Papiere R1 bis R1.6 bei ei- ner für den Inkjet-Druck typischen Fluidmenge von 7µm.

Für den Inkjet-Druck wurden die Ergebnisse aus den Bristow-Messungen zum Eindringverhalten in die unterschiedlichen Striche mit den Modellergebnissen der obigen Rechnungen verglichen (siehe Abb. 11). Die wesentlichen Tenden- zen der Aussagen zwischen Modellergebnissen und Messungen stimmen überein. Offenbar führt der Strich R1.2 zu einer etwas schnelleren Tintenauf- nahme als die anderen Striche.

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Abb. 11: Vergleich der Bristow-Spurlängen mit den berechneten Intrusions- zeiten für zwei verschiedene Modelltinten (Tinte1 und 2).

Schlussfolgerun gen aus den Si- mulationsrech- nungen

Aus Ergebnissen von Simulationsrechnungen konnten bezüglich der beiden in Projektphase 2 entwickelten Strategien folgende Aussagen abgeleitet werden:

• Strategie 1 zeigte gegenüber Strategie 2 leichte Vorteile bezüglich des Wegschlagverhaltens Offsetfarben und Inkjettinten. Entgegen den ex- perimentellen Befunden sollten aber auch mit der Strategie 2 akzeptab- le Druck- und Wegschlagergebnisse erzielt werden können. Eine mögli- che Erklärung für diese Diskrepanz könnte in einer wenig permeablen Grenzfläche zwischen beiden Strichen zu suchen sein.

• Das Porenvolumen der Striche allein reicht für die vollständige Aufnah- me der Inkjet-Lösemittel nicht aus. Dies ist nicht notwendig, da für die geplanten Papierqualitäten das Rohpapier einen Teil der Lösemittel aufnehmen kann und auch soll. Unter Einbeziehung der porösen Struk- tur des Rohpapiers sollte die Flüssigkeitsaufnahme in jedem Fall gesi- chert sein.

• Spezialpigmente zur Erhöhung der Porosität, Porendichte und Poren- anzahl in Offsetstrichen wirken sich im Inkjetdruck beschleunigend auf die Wegschlaggeschwindigkeit aus.

Rezepturtabelle

für Pilotmuster Basis für das Versuchsprogramm an der Pilotmaschine waren die Ergebnisse von Projektphase 2. Gegenüber den Rezepturen von Phase 2 wurde auf eine Rezeptur mit Zusätzen an pyrogenen Kieselsäuren aus Kostengründen verzich- tet. Stattdessen wurde eine kostengünstige Rezeptur (R1-6) basierend auf einer Mischung grober und feiner Calciumcarbonate mit aufgenommen. Bei den Re- zepturen R1-2, R1-3 und R1-4 wurde auf die in Projektphase 2 gemachten Er- fahrungen zurückgegriffen. Anders als in Phase 2 wurde aber der Bindemittel- anteil der Rezepturen gesenkt, mit der Absicht die Porosität der Striche dadurch weiter zu erhöhen.

(24)

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Tab. 5: Rezepturtabelle für die Streichfarben der Pilotversuche.

Komponente R1 R1-2 R1-3 R1-4 R1-6

GCC, feinkörnig 50 40 40 40 30

GCC, grobkörnig 70

GCC, mittlere Körnung 30 30 30 30

Kaolin 20 20 20 20

PCC 10

Gefällte Kieselsäure 10

Calcium-Silikathydrat 10

SB-Latex 11 12 12 12 12

PVOH, vollverseift 1 1 1 1 1

Opt. Aufheller 1 1 1 1 1

Verdicker 0,15 0,15 0,15 0,10 0,10

pH-Wert 9,0 9,0 9,0 10,4 9,0

Feststoffgehalt [%] 66,8 63,8 66,0 65,7 67,2

Viskoität BV100 [mPas] 770 600 630 650 770

Durchführung und Musterkon- fektionierung

Die Streichfarben wurden mit dem Düsenauftragswerk aufgetragen und mittels Stiff-Blade egalisiert. Der Auftrag erfolgte beidseitig mit jeweils 15 g/m². Die Streichgeschwindigkeit variierte geringfügig und lag zwischen 1100 bis 1400 m/min.

Beim Streichrohpapier wurde auf ein holzhaltiges Papier mit einer flächenbezo- genen Masse von 50 g/m² zurückgegriffen.

Ein Teil des Mustermaterials wurde einer leichten Satinage unterzogen. Dazu wurde der an der Forschungsstelle 1 vorhandene Superkalander eingesetzt.

Die Satinage erfolgte einheitlich mit 5-Nips bei 40º C und einem Liniendruck von 150 kN/m.

Die Muster wurden anschließend für die weiteren Untersuchungen konfektio- niert und zwar:

• Rollen in 50 cm Breite mit 76 mm Hülse (Inkjet-Druckversuche)

• Bogen im Format 50x 70 cm (Offset-Druckversuche)

• A4-Bogenware (sonstige Untersuchungen) Eigenschaften

der Pilotmuster Wie im Falle der Labormuster wurden die Pilotmuster hinsichtlich ihrer opti- schen Eigenschaften (Weißgrad, Opazität, Glanz) sowie ihrer Rauheit und Oberflächenspannung charakterisiert:

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• Bis auf den Glanz und die Rauheiten wiesen satinierte und nicht sati- nierte Muster keine signifikanten Unterschiede auf.

• Erwartungsgemäß zeigen die satinierten Muster einen höheren Glanz und eine niedrigere Rauheit als die nicht satinierten. Der Unterschied im Glanz liegt bei ca. 15 Prozentpunkten, der in der Rauheit bei ca. 1 μm (PPS).

• Die Opazität der Muster bewegt sich bei ca. 96 %. Sie ist wohl haupt- sächlich wegen des leichtgewichtigeren Rohpapiers von 50 g/m² niedri- ger als bei den Labormustern.

• Der Weißgrad der einzelnen Rezepturvarianten (R1-2 bis R1-4, R1-6) ist geringfügig höher als beim Referenzmuster (R1).

• Die Oberflächenspannungen der einzelnen Rezepturvarianten (R1-2 bis R1-4, R1-6) unterscheiden sich nur wenig (5 mN/m) vom Wert des Re- ferenzmusters, der bei ca. 43 mN/m liegt.

8.2 Druck- und Wegs chlagvers uche Druck- und Weg-

schlagverhalten Analog Projektphase 2 wurden Druckversuche an der Offsetdruckmaschine in der Fogra mit den Pilotpapieren durchgeführt. Die Be- und Verdruckbarkeit war dabei in vollem Umfang gegeben.

Die Ergebnisse der Wegschlagtests sind für die schnell wegschlagende Druck- farbe (Rapida) in Abb. 12 und Abb. 13 dargestellt. Man kann aus den Abbil- dungen erkennen, dass die Abdruckverhältnisse der Pilotpapiere sowohl im Kurzzeit- als auch im Langzeitbereich in einer für den Offsetdruck mit gestri- chenen Papieren typischen Größenordnung liegen. Die kalandrierten Muster zeigen im Kurzzeitbereich ein etwas langsameres Wegschlagen.

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Abb. 12: Wegschlagverhalten der unkalandrierten Pilotpapiere an der Offset- druckmaschine mit der Druckfarbe RAPIDA (Cyan).

Abb. 13: Wegschlagverhalten der kalandrierten Pilotpapiere an der Offset- druckmaschine mit der Druckfarbe RAPIDA (Cyan).

Weitere druck- technische Be- wertungen im Offsetdruck

Farbumfang:

Die auf den Pilotpapieren erzielten Farbumfänge liegen in allen Fällen in einem für gestrichene Offsetpapiere üblichen Bereich. Zwischen satinierten und nicht satinierten Mustern bestehen keine signifikanten Unterschiede.

Kantenschärfe, Kantenglätte und Gleichmäßigkeit des Ausdrucks:

Die erzielten Werte für die Kantenschärfen und Kantenglätten liegen in offsetty- pischen Bereichen, wobei die Kantenschärfen auf den unkalandrierten Papieren dabei etwas schlechter als auf den kalandrierten Papieren ausfallen.

Die Bewertung der Gleichmäßigkeit des Ausdrucks erfolgte in einem schwarzen Rasterfeld visuell im paarweisen Vergleich. Dabei konnte eine relativ große Bandbreite an unterschiedlichen Resultaten erzielt werden, die zudem eine starke Abhängigkeit von der Druckfarbe aufwiesen (siehe dazu Tab. A32, An- hang, Abschnitt 8.3). Eine Gesetzmäßigkeit oder ein bestimmter Trend konnten daraus nicht abgeleitet werden. Es kann aber festgehalten werden, dass zu- mindest bei einer der beiden eingesetzten Druckfarbenserien stets eine mittlere bis gute Gleichmäßigkeit des Ausdrucks erhalten werden konnte.

Scheuerfestigkeit:

Mit der Farbserie REFLECTA (langsam wegschlagend) werden auf allen Papie- ren gute Ergebnisse erzielt. Die Resultate für RAPIDA (schnellwegschlagend) auf den kalandrierten Papieren fallen hingegen schlechter aus.

(27)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Wegschlagverhal

ten im Inkjet- druck

Die Bewertung des Wegschlagens auf den Pilotpapieren erfolgte analog zu Ab- schnitt 6.7 am Teststand von Océ mit Hilfe der Fogra-OKS. Zum Einsatz kamen hier ausschließlich die unkalandrierten Papiere R1, R1.2 bis R1.4 und R1.6 so- wie die kalandrierte Version von R1.4. Die unterschiedlichen Konterzeiten wur- den durch Variation der Druckgeschwindigkeit erreicht.

Erwartungsgemäß fällt auch bei den Pilotpapieren das Abdruckverhältnis umso größer aus, je kleiner die Konterzeiten und je größer die Tröpfchengrößen sind (vgl. Abb. 14 und Abb. 15). Des Weiteren schlagen die Farbstofftinten schneller weg als die Pigmenttinten. Im Vergleich zu hochwertigen, gestrichenen

Inkjetpapieren sind die erzielten Werte jedoch deutlich höher. Während Inkjet- Referenzpapiere weit unter 0,1 lagen, wurden hier Werte von bis zu 0,8 gemessen. Einzig R1.2 Top liegt bei 7 pl Farbstofftinte in einer vergleichbaren Größenordnung.

Abb. 14: Wegschlagverhalten der Pilotpapiere am Inkjet-Teststand mit Pigmenttinte und einer Tröpfchengröße von 7 pl.

Abb. 15: Wegschlagverhalten der Pilotpapiere am Inkjet-Teststand mit

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Farbstofftinte und einer Tröpfchengröße von 7 pl.

Messergebnisse mit dem Bristow- Wheel

In Abb. 16 sind die Messergebnisse mit der Bristow-Wheel-Methode graphisch dargestellt. Man erkennt, dass die kalandrierten Muster etwas höhere Strecken- längen aufweisen, was auf die höher verdichtete Strichoberfläche zurückzufüh- ren sein dürfte. Nur bei Muster R1-2 erfolgt die Aufnahme der Farbstofftinte schneller als beim Referenzpapier (Offset-Strich), d. h. die Streckenlänge ist hier kürzer. Die Streckenlängen der Muster R1-3, R1-4 und R1-6 liegen gering- fügig über dem Referenzpapier.

Abb. 16: Spurlängen der Farbstofftinte auf den kalandrierten und nicht kaland- rierten Pilotpapieren.

Ergebnisse mit dem Data- matrixcode- Prüfgerät

Abb. 17 zeigt die mit der Datamatrixcode-Methode an den Pilotpapieren ermit- telten Messwerte. Aus der Graphik können folgende Schlussfolgerungen gezo- gen werden:

• Die kalandrieren Muster weisen verglichen mit den nicht kalandrierten Mustern längere oder allenfalls geleichbleibende Trocknungszeiten auf.

• Beide Tinten trocknen auf R1-2 schneller als auf dem Referenzmuster.

Bei allen anderen Mustern bleiben die Trocknungszeiten gleich oder werden etwas langsamer.

• Die Pigmenttinte (Premium Black) trocknet bei einigen Mustern etwas langsamer als die Farbstofftinte (UB 7482).

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Abb. 17: Trocknungszeiten von Farbstoff- und Pigmenttinte auf den an der Pi- lotanlage in AP 3.2 hergestellten Papieren.

Druckversuche

Inkjet An einem schnelllaufenden Inkjetdrucker der Fa. Océ (Modell „ColorStream 3500“) wurden Testdrucke mit Pigmenttinten bei einer Geschwindigkeit von 100 m/min durchgeführt. Nach anfänglichen Versuchen zeigte sich, dass die kaland- rieren Muster allesamt hinsichtlich der Tintentrocknung schlechter abschneiden würden als die nicht kalandrieren Muster. Deshalb kamen für die Druckversu- che nur die Papiere R1 Top, R1.2 Top, R1.3 Top, R1.4 Top, R1.6 Top und R1.4 Cal zum Einsatz.

Die Justierung der Druckmaschine wurde durch den Bediener anhand des Pa- piers R1.2 Top vorgenommen, welches bei den Laborprüfungen die schnellste Farbtrocknung bzw. das schnellste Wegschlagen gezeigt hatte. Es stellte sich heraus, dass bei hohem Farbauftrag (12 pl Tröpfchengroße) keine vollständige Trocknung mit der Pigmenttinte des Drucksystems erreicht werden konnte.

Deshalb wurde die Auftragsmenge reduziert auf eine Tröpfchengröße von 7 pl und für die folgenden Druckversuche einheitlich beibehalten.

Trotz Reduzierung der Tintenmenge erwies sich der Farbfilm auf den bedruck- ten Mustern unmittelbar nach dem Drucken als nicht vollständig wischfest. Erst nach einer kurzen Lagerzeit waren die Drucke weitgehend wischfest. Am bes- ten schnitt das Muster R1-2 ab, bei dem diese Effekte zwar auch noch festge- stellt wurden, allerdings in geringerem Umfang als bei den anderen Mustern.

Weitere druck- technische Be- wertungen im Inkjetdruck

Farbumfang, Kantenschärfe und Kantenglätte:

Im Vergleich zu den vorangegangenen Offset-Druckversuchen konnten im In- kjet nur kleinere Farbumfänge erzielt werden.

Die Kantenschärfe und die Kantenglätte fallen ebenfalls schlechter aus als bei den Offsetdrucken, liegen aber in einer für Inkjetdrucke typischen Größenord-

(30)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de nung.

Gleichmäßigkeit des Ausdrucks:

Im Gegensatz zum Offsetdruck zeigten die Muster im Inkjetdruck eine schlech- tere Gleichmäßigkeit des Ausdrucks. Bei allen Mustern konnte ein unruhiges Druckbild und Streifenbildung festgestellt werden. Ein signifikanter Unterschied zwischen den einzelnen Pilotmustern konnte nicht festgestellt werden.

Scheuerfestigkeit:

Trotz der Probleme bei der Farbtrocknung kann die Scheuerfestigkeit auf den Inkjetdrucken nach einer ausreichenden Zeit als gut bezeichnet werden.

8.3 Prüfung der Deinkbarkeit Verwendete

Methode Die Bestimmung der Deinkbarkeit der bedruckten Muster von AP3.3 (Offset- druck) und AP3.5 (Inkjetdruck) erfolgten nach INGEDE-Methode 11 [39], einem Laborverfahren, das die Bedingungen einer typischen 1-Loop-Deinkinganlage für grafische Altpapiersorten, wie z. B. Deinkingware, simuliert.

Zur Bewertung werden fünf Bewertungsparameter herangezogen:

• Helligkeit Y (luminosity)

• Schmutzpunktfläche A (dirt particle area)

• Farbort L*, a*, b* (colour coefficient)

• Ink Elimination (IE)

• Filtratverdunkelung ΔY (filtrate darkening)

Die Parameter Helligkeit Y, Schmutzpunktfläche A und Farbort L*a*b* liefern ei- ne Aussage über die Qualität des deinkten Stoffes und die Parameter Ink Elimi- nation (IE) und Filtratverdunkelung (ΔY) erlauben eine Abschätzung über das Verhalten von Druckfarben in einem Deinkingprozess.

Die weitere Auswertung erfolgte über das vom Europäischen Altpapierrat ver- abschiedete Bewertungsschema [40]. Dabei werden die Ergebnisse von Dein- kingtests in sogenannten Deinkbarkeitspunkten dargestellt. Resultate der ein- zelnen Parameter werden in Punkte umgerechnet und addiert. Über die Um- rechnung ist eine Gewichtung der Parameter mit eingebaut. Dieses Schema eignet sich gut dazu, Ergebnisse mehrerer Untersuchungen bzw. Gruppen von Untersuchungen miteinander zu vergleichen.

(31)

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Ergebnisse Die Ergebnisse der Untersuchung sind in Abb. 18 graphisch dargestellt. Dabei wurde das oben beschriebene Punkteverfahren verwendet. Alle Muster weisen deutlich mehr als 71 Punkte (Deinkability scores) auf. Muster mit 71-100 Punk- ten werden als „Gut deinkbar“ eingestuft.

Des Weiteren können folgende Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen ge- zogen werden:

• Die Muster mit Offsetdruck sind allesamt noch etwas besser deinbar als die Muster mit Inkjetdruck.

• Die Spezialpigmente mit hoher spezifischer Oberfläche können die Deinkbarkeit von Inkjettinte verbessern. Die Muster mit 10 pph an Ca- Silikathydrat zeigten bislang die besten Ergebnisse.

Abb. 18: Ergebnisse Deinkbarkeitsuntersuchungen – gestrichene Papiere; Pigmentbasierte Inkjetfarbe und Offsetfarbe und Variation der gestrichenen Papiere.

8.4 Zus ammenfas s ung der E rgebnis s e von Projektphas e 3 Simulations-

modelle Die Simulationsmodelle wurden anhand der experimentellen Befunde aus Pha- se 2 weiter verfeinert und verbessert. Bezüglich der Bosanquet-Modelle wurden Optimierungen im internen Ablauf und in der Berechnung der Schichtübergänge vorgenommen. Bei den FEM-Modellen wurden in diesem Arbeitspaket vor al-

(32)

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lem die Geometrieformen weiter an realere Strukturen angepasst.

Mit diesen Verbesserungen konnten leichte Vorteile der Strategie 1 (siehe dazu Abb. 6) gegenüber der Strategie 2 prognostiziert werden. Innerhalb der Muster von Strategie 1 zeigten sich nur kleine Unterschiede im Eindringverhalten von offset- und ink-jettypischen Fluiden. Es konnten Belege dafür ermittelt werden, dass sich Spezialpigmente zur Erhöhung der Porosität, Porendichte und Poren- anzahl in Offsetstrichen beschleunigend auf das Wegschlagverhalten im Inkjet- druck auswirken.

Praxisnahe Musterherstel- lung und - bewertung

Basierend auf den Ergebnissen von Phase 2 wurden an einer schnelllaufenden Versuchsstreichmaschine Pilotmuster unter praxisnahen Bedingungen herge- stellt. Der Auftrag der Streichfarben erfolgte beidseitig auf holzhaltiges Streich- rohpapier in jeweils einer Schicht mit einem Düsenauftragswerk und Egalisie- rung mittels Stiff-Blade. Gemäß Strategie 1 wurde ein Referenzmuster mit Off- setstrich hergestellt und dieser dann bei den weiteren Mustern mit 10 pph an gefällter Kieselsäure, gefälltem Calciumcarbonat und Calciumsilikathydrat modi- fiziert. Zusätzlich dazu wurde eine kostengünstige Rezeptur auf Basis grober und feiner Calciumcarbonate mit aufgenommen. Ein Teil des Mustermaterials wurde einer leichten Satinage unterzogen. Anschließend wurden die Musterrol- len für die labor- und drucktechnischen Bewertungen konfektioniert. Die La- boruntersuchungen ergaben nur geringfügige Unterschiede in den Standardei- genschaften sowie in der Oberflächenspannung.

Drucktechnische Eigenschaften unter Praxisbe- dingungen

Die drucktechnischen Eigenschaften wurden an einer Bogenoffsetmaschine, einem schnelllaufenden Inkjetdrucker und dazu ergänzenden Laborprüfungen bewertet.

Abb. 19: Vergleich der Druckbogen mit dem kieselsäurehaltigen Strich (oben:

(33)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Inkjetdruck; unten: Offsetdruck).

Im Offsetdruck zeigten die Muster eine gute Rupf- und Scheuerfestigkeit, kein visuell erkennbares Mottling und für das Druckverfahren typische Kantenschär- fen, Kantenglätten und Farbumfänge. Die Wegschlaggeschwindigkeit war bei dem Muster mit 10 pph an gefällter Kieselsäure schneller als das nicht modifi- zierte Referenzmuster, sie lag jedoch nicht in einem kritischen oder qualitäts- mindernden Bereich. Die anderen Muster zeigten gegenüber dem Referenz- muster nur geringfügige Veränderungen in der Wegschlaggeschwindigkeit.

Im Inkjetdruck erwies sich bei hohen Druckgeschwindigkeiten die Trocknung der Pigmenttinte auch bei den modifizierten Strichen als zu langsam. Lediglich im Falle des Musters mit Zusatz von 10 pph an gefällter Kieselsäure konnte ei- ne nahezu vollständige Trocknung erreicht werden. Es kann aber als sicher gel- ten, dass mit einer weiteren Erhöhung des Kieselsäureanteils (12 pph, max. 15 pph) eine vollständige Farbtrocknung erreicht werden kann. Auch das Muster mit 10 pph Calciumsilikathydrat zeigte ein etwas schnelleres und besseres Wegschlagen als das Referenzmuster. Voraussichtlich können auch hier mit höheren Anteilen des Pigments (20-25 pph) eine gute Trocknung der Tinte er- reicht werden. Des Weiteren zeigten die Bogen mit dem kieselsäurehaltigen Strich (siehe dazu Abb. 19) ein leichtes Mottling und nach kurzer Zwischenla- gerung eine ausreichende Scheuerfestigkeit. Farbumfang, Kantenschärfe und Kantenglätte wiesen für Inkjetdruck übliche Werte auf.

Die satinierten Muster zeigten wie erwartet ein langsameres Wegschlagen der Inkjettinte. Sowohl die im Offset- als auch im Inkjetdruck bedruckten Muster er- wiesen sich als gut deinkbar.

Ansprechpartner für weitere Informationen:

Dr. M. Kleebauer Dr. G. Keller J. Gemeinhardt

Tel. 089/12146-387 Tel. 03529/551-623 Tel. 089/43182-256

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drupa report Nr. 1 (Drupa 2008)

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Tendenzen des Digitaldrucks

Studie des Rochester Institute of Technology School of Print Media, 2008 3 A. Paul,

Elektrofotographie und Inkjet – das Anwendungsgebiet bestimmt die Technologie, Vortrag auf Fogra-Symposium „Digitaldruck trifft Offset“, München, 18./19.06.2013.

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Trends in der Print Produktion - eine Meinungsumfrage

APV - Arbeitskreis 2007, Ergebnispräsentation der Umfrage bei 38 Druckereien.

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„The Future of Global Markets for Digital Printing to 2015”

PIRA International, ISBN: DIGPRNTMR, 01.07.2006 6 Homepage der Drupa 2008

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Tröpfchen für Tröpfchen Qualität

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Vortrag auf Fogra-Symposium „Digitaldruck trifft Offset“, München, 18./19.06.2013.

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Integrated Inkjet eröffnet neue Möglichkeiten in der Zeitungsproduktion Pressenotiz der Fa. Manroland AG vom 11.12.2008

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Agfa Graphics präsentiert auf der drupa 2008 zwei Varianten seines vielseitigen industriellen Inkjetdrucksystems :Dotrix Modular

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Referenzen

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