DE10064552A1 - Verfahren und Maschine zum Bedrucken und/oder Beschichten eines Substrats - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Maschine zum Aufbringen und Fixieren von aushärtbarem Toner auf ein Substrat und ein Verfahren zum Bedrucken und/oder Beschichten eines Substrats, insbesondere von Papier oder Karton. Das Verfahren sieht die Verwendung mindestens eines aushärtbaren Toners vor, bei dem mindestens eine Tonerschicht oder ein mindestens eine Tonerschicht aufweisendes Bild auf das Substrat übertragen und darauf fixiert wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Grad der Aufschmelzung der zu fixierenden Tonerschicht in Abhängigkeit des gewünschten Glanzes gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedrucken und/oder Beschichten eines Substrats, insbesondere von Papier oder Karton, unter Verwendung mindestens eines schmelzbaren, aushärtenden Toners, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, und eine Maschine zum Aufbringen und Fixieren von aus­ härtbarem Toner auf ein Substrat, gemäß Anspruch 12, sowie eine Ma­ schine gemäß Anspruch 18.

Ein bekanntes Verfahren ist das elektrostatische Drucken, bei dem ein latentes elektrostati­ sches Bild durch aufgeladene Tonerpartikel entwickelt wird. Diese werden auf ein Bil­ dempfängersubstrat, im Folgenden kurz Substrat, übertragen. Nachfolgend wird das ent­ wickelte und auf das Substrat übertragene Bild fixiert, indem die Tonerpartikel erhitzt und aufgeschmolzen sowie gegebenenfalls das Substrat erwärmt werden. Zum Aufschmelzen der Tonerpartikel werden häufig berührende Verfahren eingesetzt, bei denen die Tonerpar­ tikel in Berührungskontakt mit entsprechenden Einrichtungen, beispielsweise heißen Rol­ len oder Walzen, gebracht werden. Nachteilig hierbei ist, dass der Aufbau, die Wartung und die Betriebskosten dieser berührend arbeitenden Heizeinrichtungen aufwendig und somit kostenintensiv sind. Mithin ist die Verwendung von Silikonöl als Trennmittel erfor­ derlich, das ein Anhaften des aufgeschmolzenen Toners an der Heizeinrichtung verhindern soll. Ferner ist die durch die berührenden Heizeinrichtungen verursachte Fehler­ rate relativ hoch.

Zum Fixieren des beispielsweise auf Papier übertragenen Toners sind ferner berührungslos arbeitende Heizeinrichtungen und Verfahren bekannt, bei denen die Tonerpartikel bei­ spielsweise mit Hilfe von Wärme-/Mikrowellenstrahlung oder mit Heißluft geschmolzen werden, damit sie mit dem Papier verkleben.

Bei den Druck- oder Kopierverfahren, bei denen das auf das Substrat aufgebrachte Bild oder die Beschichtung mittels Toner entwickelt wird, folgt der Glanz des Toners nicht dem Glanz des Papiers, wie beim Offset-Druck. Dies gilt sowohl für die nichtberührenden als auch die berührenden Toner-Fixierverfahren. Der Grund hierfür sind die größere Schicht­ dicke der Toner gegenüber den bei Offset-Druckverfahren produzierten Farbschichten. Die relativ dicken Tonerschichten füllen die Porosität des Papiers aus, wodurch sich eine ge­ glättete Oberflächenstruktur und ein gewisser Glanz der Tonerschicht einstellt. Nachdem der Toner auf dem Papier fixiert ist, kann nachträglich der Glanz der Tonerschicht mit Hil­ fe eines heiße Walzen aufweisenden Kalanders erhöht werden.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass der Glanz der Tonerschichten nach dem Fixieren auf dem Papier in Abhängigkeit der Dicke der Tonerschichten unterschiedlich ist, so dass nach dem eigentlichen Fixieren des Toners eine Nachbehandlung des bedruckten beziehungsweise beschichteten Papiers, beispielsweise mit Hilfe des Kalanders, erforderlich ist, um auch bei unterschiedlichen Tonerschichtdicken einen gegebenenfalls immer gleich großen Glanz zu erhalten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei der eine Steuerung des Glanzes des auf das Substrat aufgebrachten Tonerbildes bezie­ hungsweise der Beschichtung weitgehend unabhängig vom Glanz des aus Papier oder Karton bestehenden Substrats möglich ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass das Verfahren insbesondere auch für berührungslos arbeitende Toner-Aufschmelzverfahren einsetzbar ist. Ein weiteres Ziel besteht in der Verbesserung der Druck- oder Kopierqualität, insbesondere der Qualität der Toneraufschmelzung beim Fixieren, insbesondere der Kohäsion der Tonerschicht. Schließlich besteht ein Ziel der Er­ findung darin, die Erhitzung des Substrats so gering wie möglich zu halten, um den Feuch­ tigkeitsaustrag aus dem Substrat zu minimieren. Mithin soll eine Maschine zur Durchfüh­ rung des Verfahrens angegeben werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, das die Merkmale des An­ spruchs 1 aufweist. Das Verfahren dient zum Bedrucken und/oder Beschichten eines Substrats, beispielsweise eines Papierbogens oder einer Papierbahn, wobei mindestens aushärtbarer Toner verwendet wird. Der flüs­ sige oder trockene Toner weist unter anderem mindestens ein Polymer und Farbpigmente sowie weitere Inhaltsstoffe auf, worauf im Folgenden noch näher eingegangen wird. Im Zusammenhang mit der hier vorliegenden Erfindung wird unter dem "Aushärten" des Toners verstanden, dass dieser Toner auf oder über seinen Glasumwandlungspunkt hinaus erhitzt wird, so dass die Tonerteilchen verschmelzen. Die Bestrahlung des aufgeschmolze­ nen Toners mit UV-Strahlung führt dazu, dass die Polymerketten miteinander vernetzen und daher länger werden, wodurch die Glasübergangstemperatur und auch die Viskosität des Toners größer werden. Diese Eigenschaftsänderungen führen dazu, dass der Toner ab einer bestimmten Kettenlänge nicht mehr auf dem Substrat zerfließt, sondern eher gum­ miähnliche Eigenschaften aufweist. Diese Vernetzung des Tonermaterials wird als "Aushärten" bezeichnet. Das Aufschmelzen und das Aushärten des Toners beziehungswei­ se der Tonerschicht(en), wie vorstehend beschrieben, wird im Folgenden kurz als das Fi­ xieren des Toners bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Grad der Aufschmel­ zung der mindestens einen zu fixierenden Tonerschicht in Abhängigkeit des gewünschten Glanzes des fixierten Tonerbildes gesteuert wird. Der Toner wird also nur soweit aufge­ schmolzen, bis die auf dem Substrat befindliche(n) Tonerschicht(en) eine bestimmte Ober­ flächenrauhigkeit beziehungsweise -porosität aufweist, bei der sich ein ganz bestimmter Glanz des Toners einstellt. Um den Zustand des definiert erwärmten sowie um gewünsch­ tes Maß aufgeschmolzenen und zerflossenen Toners, bei dem sich ein gewünschter Glanz ergibt, quasi einzufrieren, wird in Abhängigkeit der Eigenschaften des jeweiligen Toners ein geeignetes Verfahren eingesetzt. Zur Realisierung eines hohen Glanzes der fixierten Tonerschicht wird diese beispielsweise vollständig aufgeschmolzen, so dass sie beispiels­ weise weitgehend zerfließen kann, wodurch sie eine sehr ebene Oberflächenstruktur erhält und somit einen hohen Glanz. Wenn eine matte Tonerschicht mit einem niedrigen Glanz­ wert realisiert werden soll, wird der Toner erfindungsgemäß nicht vollständig aufge­ schmolzen, so dass sich im Schmelzbad noch eine gewisse geometrische Form aufweisen­ de Tonerteilchen befinden, wodurch die Oberfläche der Tonerschicht eine entsprechende Unebenheit beziehungsweise Rauhigkeit aufweist und somit einen geringen Glanz. Dieser Zustand des Schmelzbades wird dann mit einem geeigneten Verfahren eingefroren. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also durch eine entsprechende Steuerung der Pro­ zessparameter beim Fixieren, unter anderem Dauer und/oder Intensität der Aufheizung des Toners, in vorteilhafter Weise eine schnelle und sichere Einstellung des Tonerbildglanzes, ohne dass hierzu - wie bei den bekannten Verfahren - eine Bearbeitung beziehungsweise Nachbearbeitung des auf dem Substrat fixierten Toners in einer eigens dafür vorgesehenen technischen Einrichtung, beispielsweise einem Kalander, erforderlich ist.

In besonders bevorzugter Ausführungsform wird ein mindestens ein Polymer aufweisender Toner verwendet, der durch Beaufschlagung mit ultravioletten Strahlen, die im Folgenden kurz als UV-Strahlung bezeichnet werden, aushärtet, das heißt, seine Polymerketten begin­ nen sich bei Beaufschlagung mit UV-Strahlen zu vernetzen. Aufgrund dieser Eigenschaft ergibt sich eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne weiteres, bei dem die zu fixierende Tonerschicht auf ihre Glasübergangstemperatur oder darüber er­ wärmt und mit UV-Strahlung beaufschlagt wird. Die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht führt - wie gesagt - zur einer Vernetzung der Polymerketten und zu einem Ansteigen der Tonerviskosität, so dass der aufgeschmolzene Toner ab einem bestimmten Grad der Vernetzung nicht mehr weiter zerfließen kann. Die Oberflächenstruktur des Tonerbildes und somit deren Glanz kann sich nun nicht mehr ändern.

Das Bestrahlen der Tonschicht mit UV-Strahlen zum Zwecke der Vernetzung kann bereits während des Aufschmelzprozesses oder nach weitgehenden Abschluss des Aufschmelzpro­ zesses erfolgen.

Der größte Aufschmelzgrad des Toners beträgt vorzugsweise 100%, das heißt, die Toner­ schicht(en) wird auf eine so hohe Temperatur erhitzt und ausreichend lange auf dieser Temperatur gehalten, bis die aus Tonerpartikeln bestehende(n) Tonerschicht(en) soweit aufgeschmolzen und zerflossen ist, dass sich eine ebene Schicht auf der Oberfläche des Substrats bildet. Dadurch wird der höchstmögliche Glanz erreicht. Bei einem geringeren Aufschmelzgrad, also beispielsweise einem Aufschmelzgrad von 60%, bei dem der Toner bereits teilweise aufgeschmolzen und zerflossen ist, sich jedoch im Schmelzbad noch Tonerteilchen befinden, die ihre Form noch nicht vollständig zu Gunsten eines Schmelzkontinuum verloren haben, weist die Tonerschicht daher noch eine gewisse Unebenheit und Rauhigkeit aufweist, so dass der sich einstellende Glanz entsprechend ge­ ringer ist als bei einer vollständig aufgeschmolzenen und zerflossenen Tonerschicht. Durch die Beeinflussung des Aufschmelzgrades in Kombination mit entsprechender Einleitung des Vernetzungs-/Aushärtprozesses kann praktisch jeder beliebige Glanzwert - gegebenfalls innerhalb gewisser Toleranzen - zwischen matt und hochglänzend eingestellt werden.

Bei der Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der ein UV­ aushärtender Toner eingesetzt wird, sind das Aufschmelzen des Toners und die Vernetzung des Tonermaterials zwei Prozeß­ schritte, deren Prozessparameter unabhängig voneinander einstellbar sind. Es sind also mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbare Einrichtungen erforderlich, um den jeweiligen Prozeßschritt unabhängig von dem anderen zu beeinflussen. Beispielsweise wird zum Aufschmelzen des Toners eine berührungslos arbeitende Heizeinrichtung ver­ wendet, mit deren Hilfe der zu fixierende Toner mit elektromagnetischer Strahlung beauf­ schlagbar ist. Zur Vernetzung des Tonermaterials, um die Oberflächenstruktut des er­ wärmten und einen bestimmten Aufschmelzgrad aufweisenden Toners einzufrieren, wird vorzugsweise eine Aushärteinrichtung eingesetzt, die beispielsweise eine UV- Strahlungsquelle aufweist. Die unabhängig voneinander betätigbaren Einrichtungen sind vorzugsweise mit einer gemeinsamen Steuerung gekoppelt.

In bevorzugter Ausführungsform wird ein pulverförmiger Trockentoner verwendet, dessen Glasübergangstemperatur vorzugsweise in einem Bereich von 45°C bis 75°C liegt und dessen Glasumwandlungspunkt sich nach erstmaligen Erhitzen des Toners über seine ursprüngliche Glasübergangstemperatur hinaus mit anschließender Abkühlung des Toners um circa 10°C bis 20°C verschiebt, so dass der untere Wert seiner neuen Glasüber­ gangstemperatur im Bereich von 55°C bis 65°C liegt. Besonders bevorzugt wird ein durch - vorzugsweise ausschließlich durch - Bestrahlung mit ultraviolettem Licht vernetzender Trockentoner verwendet, dessen Glasumwandlungspunkt vor erstmaligem Aufschmelzen bei 45°C oder darüber liegt und sich aus folgenden Komponenten zusammensetzt:

• 1. Uralac XP 3125 (Polyesterharz) mit in etwa 83 Gewichtsanteilen 79,05% An­ teil am Tonergesamtgewicht)
• 2. Uralac ZW 3307 (Vernetzungsmittel) mit in etwa 17 Gewichtsanteilen 16,19% Anteil am Tonergesamtgewicht)
• 3. Irgacure 184 (Photoinitiator) mit in etwa 1 Gewichtsanteile 0,95% Anteil am Tonergesamtgewicht) und
• 4. BASF Heliogen Blue 7090 (Farbpigment) mit in etwa 4 Gewichtsanteilen 13,81, % Anteil am Tonergesamtgewicht).

Optional werden noch Additive zur Steuerung des Schmelzflusses, der Oberflächenqualität, der Pulverladung, des Pulverfließens und anderem eingesetzt. Zur Erzielung anderer Far­ beindrücke können auch andere Farbpigmente oder Farbstoffe verwendet werden.

Das Aufschmelzen des Toners zum Zwecke seiner Fixierung auf einem Substrat erfolgt bei einer Oberflächentemperatur von circa 70°C bis 120°C, bei der auch die Aushärtung des Toners in Folge der Vernetzung der Polymerketten unter Bestrahlung des aufgeschmolze­ nen Toners mit ultraviolettem Licht durchgeführt wird. Durch die Vernetzung der Poly­ merketten steigt die Glasübergangstemperatur des Toners um über 10°C und auch seine Viskosität im aufgeschmolzenen Zustand an. Die Partikel des Toners weisen vorzugsweise eine mittlere Partikelgröße von in etwa 4 µm bis 10 µm auf. Bezüglich der Zusammenset­ zung des Toners und der realisierbaren Fixierverfahren wird auf die Veröffentlichung "UV- cured Toners for Printing and Coating on Paper-like Substrates" von Detlef Schulze- Hagenest und Paul H. G. Binda, IS & T 13^th Int. Congr. Adv. i. Non-Impact-Printing Tech­ nologies, 1997, verwiesen, deren Inhalt zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Aufschmelzen der auf das Substrat übertragenen Tonerschicht(en) berührungslos, beispielsweise durch Infrarot- und/oder Mikrowellenstrahlung und/oder Heißluft. Ferner ist vorgesehen, dass die Zeitdau­ er und/oder die Intensität der auf die zu fixierende Tonerschicht aufgebrachte Wärmeener­ gie in Abhängigkeit des gewünschten Glanzes eingestellt wird. Durch die Steuerung der Energiezufuhr beim Schmelzprozess und/oder der Zeit zwischen dem Start des Schmelz­ vorgangs und dem Beginn des Aushärtens der Oberflächentopologie der Tonerschicht kann der Glanz des auf dem Substrat fixierten Toners in vorteilhafter Weise gesteuert, das heißt auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Durch Beeinflussung dieser Prozesspara­ meter kann mit hoher Genauigkeit ein gewünschter Glanz eingestellt werden, der sich bei­ spielsweise von Substrat zu Substrat beziehungsweise von Druckauftrag zu Druckauftrag ändern kann. Mithin kann der Glanzwert während eines Druckauftrags jeweils von einem Substrat zum nächsten Substrat verändert werden. Jedes bedruckte Substrat kann also einen anderen Glanzwert aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ohne weiteres die Realisierung eines Regel­ kreises zur Einstellung eines gewünschten Glanzes; es wird also der Glanz einer auf dem Substrat fixierten Tonerschicht beziehungsweise eines Tonerbildes nach dem Fixiervor­ gang geprüft und - sofern eine zu große Abweichung des gemessenen Glanz-Ist-Wertes vom Glanz-Soll-Wert vorliegt - eine automatische Verstellung der Parameter des Fixierpro­ zesses vorgenommen, um den Unterschied zwischen Soll- und Istwert des Glanzes zu ver­ ringern. Ein höherer Glanz wird durch Intensivierung des Aufschmelzprozesses bezie­ hungsweise durch Reduzierung der in den Aufschmelzprozess eingekoppelten UV- Strahlung erreicht. Ein geringer Glanz wird durch umgekehrter Vorgehensweise erreicht, also durch einen weniger intensiven Aufschmelzprozess und/oder durch eine Intensivie­ rung der UV-Bestrahlung.

Bevorzugt wird weiterhin eine Ausführungsform des Verfahrens, bei dem der Einfluss, den die elektromagnetische Strahlung einer zum Aushärten des Toners eingesetzten UV- Strahlenquelle auf den Grad der Aufschmelzung des Toners hat, bei der Steuerung des Tonerfixiervorgangs zur Einstellung eines gewünschten Glanzes berücksichtigt wird. Es hat sich gezeigt, dass die UV-Strahlung nicht nur von dem Photoinitiator des "UV­ aushärtbaren Toners, sondern darüber hinaus auch von den anderen Komponenten des Toners, wie zum Beispiel dem Polymer und den Farbpigmenten, absorbiert wird, was ebenso wie die elektromagnetische Strahlung einer Heizeinrichtung zum Aufschmelzen des Toners, bei­ spielsweise die Infrarotlichtstrahlung einer heißen UV-Strahlen­ quelle, den Schmelzvorgang des Toners beeinflusst. Dies ist bei einer Feineinstellung des Fixierprozesses zu berücksichtigen, das heißt, die Prozessparameter des Aufschmelz- und Aushärtungsprozesses werden daran entsprechend angepasst.

Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei dem der verwendete Toner einen scharfen Phasenübergang von fest nach flüssig aufweist. Die Temperatur des Substrats, bei der eine gewünschte Fixierung des Toners auf dem Substrat gewährleistet werden kann, kann daher relativ genau eingehalten werden, so dass eine übermäßige Auf­ heizung des Substrats vermieden werden kann. Dadurch ist insbesondere bei einer Papier- oder Kartonbahn oder einem Papier- oder Kartonbogen der Feuchtigkeitsaustrag aus dem Bogen/der Bahn nur entsprechend gering.

Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch aus­ zeichnet, dass der Toner mindestens ein Polymer aufweist, und dass das Polymer eine klei­ nere molekulare Gewichtsverteilung aufweist als ein Polymer, das bei einem berührenden Fixierverfahren, insbesondere beim Aufschmelzen des Toners mittels heißer Rollen, einge­ setzt wird. Bei den bekannten berührenden Fixierverfahren weist das auf das Substrat übertragene Tonerpolymer eine sehr gute Haftung am Substrat auf, jedoch ist der Toner spröde, was insbesondere bei hochdichten Tonerschichten zu einer Rissbildung beim Fal­ ten des Substrats führt. Die Risse im Toner führen zu unbedruckten beziehungsweise unbe­ schichteten Linienbereichen auf dem Substrat, nachdem dieses wieder entfaltet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch eine Kombination der berührungslosen Aufschmelzung und der Aushärtung des Toners mittels UV-Strahlung die Rissbildung vor­ zugsweise vollständig, jedoch zumindest größtenteils vermieden.

In bevorzugter Ausführungsform können bis zu sieben Toner mit verschiedenen Farben zur Erzeugung des Bildes oder einer Beschichtung auf das Substrat übertragen und fixiert werden. Vorzugsweise werden jedoch entweder nur ein Toner (beispielsweise Schwarz-Weiß-Druck) oder nur vier verschiedene Toner mit verschiedenen Farben (Mehrfarbendruck), beispielsweise den Grundfarben, aufgetragen. Hervorzuheben ist, dass im Zusammenhang mit der hier vorliegenden Erfindung unter dem Begriff "Beschichtung" eine dünne, von mindestens einem Toner gebildete Lage verstanden wird. Eine Beschichtung kann also ohne weiteres farblos sein oder auch mehrere verschiedenfar­ bige Toner aufweisen.

Bei einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens wird ein mindestens ein Polymer aufweisender, thermisch vernetzender Toner eingesetzt. Die Polymerketten eines derartigen Toners beginnen automatisch sich miteinander zu vernetzen, wenn der Toner auf oder über seine Glasübergangstemperatur erwärmt wird. Ein zusätzliches Einwirken auf den Toner, damit dessen Polymerketten miteinander vernetzen, wie zum Beispiel bei einem UV- aushärtenden Toner die Beaufschlagung mit UV-Strahlung, ist hier nicht erforderlich. Die Vernetzung seiner Polymerketten führt auch bei dem thermisch vernetzenden Toner - wie bei dem UV-aushärtenden Toner - zu einem Ansteigen seiner Glasübergangstemperatur und einer Erhöhung seiner Viskosität, so dass er mit zunehmender Vernetzung eine thermopla­ stische, gummiartige Struktur bekommt und nicht mehr weiter zerfließen kann. Die Steue­ rung des Glanzes erfolgt bei einem thermisch vernetzenden Toner erfindungsgemäß über das Erwärmungsprofil des Toners. Es hat sich gezeigt, dass eine langsame Erwärmung zu einer ebenen und somit glänzenden Oberflächenstruktur des Toners führt, während eine schnelle und kurze Erwärmung zu einer relativ unebenen und somit matten Oberfläche führt.

In bevorzugter Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit oder als Bestandteil einer digitalen Druck- oder Kopiermaschine einsetzbar, also einer Maschine, die beispielsweise nach dem elektrographischen oder elektrophotographischen Prozess arbeitet. Das Verfahren ist grundsätzlich überall dort einsetzbar, wo mit Hilfe min­ destens eines Toners ein Substrat beschichtet oder ein Tonerbild auf ein Substrat übertra­ gen und dort fixiert wird.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Maschine, insbesondere elektrographische oder elektrophotographische Druck- oder Kopiermaschine, zum Aufbringen und Fixieren von aushärtbarem Toner auf ein Substrat, insbesondere aus Papier oder Karton, mit den Merk­ malen des Anspruchs 12 vorgeschlagen. Sie umfasst eine vorzugsweise berührungslos ar­ beitende Heizeinrichtung, wie zum Beispiel ein Infrarotlichtstrahler, zum Aufschmelzen des auf das Substrat übertragenen Toners. Des weiteren ist mindestens eine Aushärtein­ richtung vorgesehen, die zum Aushärten des Toners dient und diesen - sofern der Toner ein UV-aushärtbarer Toner ist - mit UV-Strahlung beaufschlagt. Ferner umfasst die erfindungs­ gemäße Maschine eine Steuereinrichtung zur Einstellung eines gewünschten Glanzes des auf das Substrat übertragenen Toners, wobei die Steuereinrichtung zur Steuerung des Schmelz- und Aushärtvorgangs, also des Tonerfixierprozesses, die Prozessparameter der Heizeinrichtung und/oder der Aushärteinrichtung bestimmt. Unter "Prozessparameter" werden unter anderem die Zeitdauer der Aufschmelzung sowie die Intensität der dem zu fixierenden Toner zugeführten Wärme und der Zeitpunkt und die Dauer der Bestrahlung der zumindest teilweise aufgeschmolzenen Tonerschicht mit ultraviolettem Licht verstan­ den. Die Steuereinrichtung ermöglicht vorzugsweise ein automatisches Bedrucken, Kopie­ ren und/oder Beschichten des Substrats, wobei der Glanz der fixierten Tonerschicht von matt bis zu extrem glänzig variierbar ist. Ein gewünschter Glanz wird hier in vorteilhafter Weise ausschließlich durch Beeinflussung des Aufschmelz- und des Aushärtprozesses des Toners eingestellt. Zusätzliche Einrichtungen, wie zum Beispiel ein Kalander, sind nicht erforderlich. Die Maschine zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und eine hohe Funktionalität bezüglich der Einstellung eines gewünschten Glanzes der auf das Substrat aufgebrachten Beschichtung beziehungsweise des Tonerbildes auf.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Maschine vorgeschlagen, die die Merkmale des Anspruchs 18 aufweist. Diese umfasst mindestens eine Heizeinrichtung zum Fixieren, also zum Aufschmelzen und Aushärten des auf das Substrat übertragenen Toners und eine Steuereinrichtung zur Einstellung eines gewünschten Tonerbildglanzes. Mit Hilfe der Steu­ ereinrichtung wird während des Fixiervorgangs das Erwärmungsprofil des Toners durch Steuerung der Prozessparameter der Heizeinrichtung eingestellt. Es wird hier also ein thermisch vernetzender Toner eingesetzt, bei dem bei Erwärmung auf oder über seinen Glasumwandlungspunkt seine Polymerketten selbständig beginnen miteinander zu vernet­ zen. Unter "Prozessparameter" der Heizeinrichtung werden hier unter anderem die auf die zu fixierende Tonerschicht aufgebrachten Energie, die Zeitdauer, wie lange die Toner­ schicht auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird, die auf oder über der Glasüber­ gangstemperatur des Toners liegt, verstanden. Die erfindungsgemäßen Maschine ermög­ licht eine Einstellung des Glanzes der zu fixierenden Tonerschicht durch eine gezielte Be­ einflussung des Schmelzvorgangs möglich. Auf zusätzliche Einrichtungen zur Herstellung eines gewünschten Glanzes, beispielsweise einen Kalander, oder einer Aushärteinrichtung, wie sie bei einem beispielsweise UV-aushärtenden Toners erforderlich ist, kann hier ver­ zichtet werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Ansprüchen und der Figu­ renbeschreibung.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Maschine 1 zum Bedrucken und/oder Beschichten von Substraten. Hierzu wird ein latentes elektrostatisches Bild oder eine Beschichtung eines Flächenbereichs oder der ge­ samten Substratfläche durch aufgeladene Tonerpartikel entwickelt. Im Folgenden wird rein beispielhaft davon ausgegangen, dass es sich bei den Substraten um Papierbogen handelt und dass der verwendete Toner ein UV-aushärtbarer Toner ist und ein Tonerbild auf dem Substrat fixiert wird.

Die Maschine 1 umfasst eine Transporteinrichtung 3 zum Transport der Papierbogen 5 in der Darstellung gemäß der Figur von rechts nach links. Die Transporteinrichtung 3 weist mindestens zwei Umlenkrollen 7 auf, über die mindestens ein endloses, antreibbares Transportband 9 geführt ist. Die Papierbogen 5 sind auf dem oberen Transportbandab­ schnitt abgelegt und sind in Transportrichtung voneinander beabstandet. Mit Hilfe der Transporteinrichtung 3 werden die Papierbogen 5 an einer Fixierstation 11 vorbeigeführt.

Die Fixierstation 11 weist berührungslose Heizeinrichtungen 13A, 13B und 13C auf, die - in Transportrichtung der Papierbogen 5 gesehen - in einem Abstand voneinander angeord­ net sind und sich quer über die Breite der Papierbogen 5 erstrecken. Die Heizeinrichtungen 13A bis 13C dienen zur Aufschmelzung des in einer vorhergehenden Arbeitsstation auf den Papierbogen über­ tragenen Tonerbildes. Die Heizeinrichtungen 13A bis 13C sind - vorzugsweise unabhängig voneinander und stufenlos - in Richtung auf das Transportband 9 und in entgegengesetzter Richtung, wie mit einem Doppelpfeil 15 angedeutet, verlagerbar. In der Figur sind die Hei­ zeinrichtungen 13A bis 13C jeweils in zwei Positionen relativ gegenüber dem Transport­ band 9 dargestellt. Durch Einstellung eines entsprechenden Abstands der Heizeinrichtun­ gen zum Transportband 9 ist die Intensität der auf das Tonerbild gestrahlten Wärme beein­ flussbar. Die Heizeinrichtungen 13 ermöglichen ein Aufschmelzen des auf die Papierbogen übertragenen Toners mit Hilfe von Infrarotlicht- und/oder Mikrowellenstrahlen, Heißluft oder dergleichen. Die Heizeinrichtungen sind vorzugsweise getrennt voneinander ein- und ausschaltbar. Mithin ist die Höhe der von den Heizeinrichtungen abgestrahlten Energie getrennt voneinander einstellbar. Aufgrund dieser Ausgestaltung ist es ohne weiteres mög­ lich, dass das Tonerbild zunächst mittels der ersten Heizeinrichtung 13A vorgewärmt und erst nachfolgend mit Hilfe der zweiten und dritten Heizeinrichtungen 13B und 13C aufge­ schmolzen wird. Festzuhalten bleibt, dass mit Hilfe der unabhängig voneinander arbeiten­ den Heizeinrichtungen 13A bis 13C das Fließverhalten des auf den Papierbogen 5 befindli­ chen Toners gezielt beeinflussbar ist.

Zur Verlagerung der Heizeinrichtungen 13A bis 13B in eine substratnahe und in eine substratferne Position sowie in praktisch jede beliebe Zwischenposition ist jeweils eine in der Figur nicht dargestellte Stelleinrichtung vorgesehen, wobei die Stelleinrichtungen un­ abhängig voneinander betätigbar sind. Der Abstand der jeweiligen Heizeinrichtung wird von dem zu fixierenden Toner auf dem Substrat ist in Abhängigkeit des Erwärmungsprofils des Toners eingestellt. Um die Aufschmelzbedingungen zu variieren, ist zusätzlich auch das Zu- und Abschalten einzelner Heizeinrichtungen möglich.

Bevor die Papierbogen 5 in die Fixierstation 11 geführt und an den Heizeinrichtungen 13A bis 13C vorbeitransportiert werden, ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Vorerwär­ mung der jeweils ein Tonerbild aufweisenden Papierbogen 5 vorgesehen. Hierzu wird eine von einer Heizplatte 17 gebildete Vorheizeinrichtung 19 eingesetzt. Die Heizplatte 19 be­ findet sich innerhalb der Transportbandschlaufe und ist dem oberen Transportbandab­ schnitt zugeordnet. Die Heizplatte 17 erwärmt das Transportband 9 und somit die auf der gegenüberliegenden Seite darauf abgelegten Papierbogen; die Heizplatte 17 tritt also nicht unmittelbar mit den Papierbogen 5 in Kontakt.

Die Fixierstation 11 weist weiterhin eine Aushärteinrichtung 20 mit einer UV- Strahlenquelle 21 auf, die mindestens eine von einem Reflektor 23 umgebene UV-Lampe 25 aufweist. Der Reflektor 23 weist zum Transportband 9 hin eine Öffnung auf, durch die ultraviolette Strahlen unmittelbar auf den der UV-Lampe gegenüberliegenden Papierbogen 5 strahlen. Alternativ kann anstelle einer UV-Strahlenquelle 21 auch ein Elektronenricht­ strahl zur Aushärtung des Toners verwendet werden. Wie aus der Figur ersichtlich, ist die UV-Strahlenquelle 21 der letzten Heizeinrichtung 13C in Transportrichtung der Papierbo­ gen 5 nachgeordnet.

Des weiteren ist eine Lichtleiteinrichtung 27 vorgesehen, die mit der UV-Strahlenquelle 21 gekoppelt ist. Die Lichtleiteinrichtung 27 dient dazu, die UV-Strahlen der UV-Lampe 25 in den Aufschmelzbereich entgegen der Bogentransportrichtung zurück zu leiten. Die Licht­ leiteinrichtung 27 weist einen an einem Ende zur UV-Lampe 25 hin offenen Hauptlichtka­ nal 29 auf, der an seinem anderen Ende in einen ersten Nebenlichtkanal 31 und einen zweiten Nebenlichtkanal 33 übergeht. Das offene Ende der Nebenlichtkanäle 31, 33 liegt hier jeweils in gleichem, unveränderbaren Abstand dem oberen Transportbandabschnitt, auf dem die Papierbogen 5 aufliegen, gegenüber.

Der erste Nebenlichtkanal 31 ist in dem Bereich zwischen der ersten Heizeinrichtung 13A und der zweiten Heizeinrichtung 13B angeordnet, während der zweite Nebenlichtkanal 33 dem Bereich zwischen der zweiten Heizeinrichtung 13B und der dritten Heizeinrichtung 13C zugeordnet ist. Diese Ausgestaltung der Strahlenquelle 21, der Lichtleiteinrichtung 27 und der Heizeinrichtungen 13A bis 13C ermöglicht ein gleichzeitiges Aufschmelzen und Aushärten des auf den Papierbogen 5 zu fixierenden Tonerbildes.

Die mit Hilfe der UV-Strahlenquelle 21 auf die Papierbogen 5 aufgebrachten UV-Strahlen können als Dauerlicht oder in Form von Lichtblitzen, die in einem Zeitbereich von 0,1 ms bis 10 ms liegen können, emittiert werden.

Der UV-Strahlenquelle 21 ist eine Kühlstation 35 nachgeordnet, die zur Abkühlung der Papierbogen 5 dient, bevor diese die Fixierstation 11 verlassen.

Um eine matte Oberflächenbeschaffenheit des auf den Papierbogen befindlichen Tonerbil­ des zu erhalten, kann es ohne weiteres ausreichend sein, nur eine einzelne Heizeinrichtung 13 einzusetzen. Der Aushärteprozess des Toners beginnt in dem Moment, wenn der Toner so weit erhitzt worden ist, dass er beginnt weich zu werden und seine Moleküle eine aus­ reichende Mobilität besitzen. Die anhand der Figur beschriebene Ausführungsform der Maschine 1, bei der mehrere Heizeinrichtungen 13A bis 13C vorgesehen sind, wird vor­ zugsweise nur in den Fällen eingesetzt, wenn ein sehr hoher Glanz erzielt werden soll.

Zur Steuerung des Schmelz- und Aushärtvorgangs weist die Maschine 1 ferner eine nicht dargestellte Steuereinrichtung auf, die zur Einstellung eines bestimmten Glanzes des auf dem Papierbogen zu fixierenden Toners die Prozessparameter der mindestens einen Hei­ zeinrichtung 13, also beispielsweise deren Strahlungsleistung und/oder deren Abstand zum Papierbogen, und/oder der mindestens einen UV-Strahlenquelle festlegt und die Einstel­ lungen vorzugsweise automatisch durchführt.

Aus der Beschreibung zu der Figur ergibt sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne wei­ teres. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine auf den Papierbogen übertragenen Tonerschicht nicht in jedem Fall vollständig aufgeschmolzen wird, sondern dass zur Einstellung eines gewünschten Glanzes der Grad der Aufschmelzung der Toner­ schicht definiert gesteuert wird. Dabei gilt, dass je größer der Grad der Aufschmelzung ist, desto größer ist der Glanz der Tonerschicht. Mit anderen Worten, wenn nur ein geringer Glanz, also eine matte Oberfläche hergestellt werden soll, so wird die Tonerschicht nur angeschmolzen. Nachdem durch gezielte Aufheizung ein bestimmter Aufschmelzgrad der zu fixierenden Tonerschicht erreicht ist, wird dieser Zustand der Tonerschicht durch Be­ aufschlagung mittels UV-Strahlen eingefroren. Die UV-Strahlen bewirken bei dem aufge­ schmolzenen Tonerteilchen eine Vernetzung der Polymerketten, die dadurch länger wer­ den, was wiederum zu einer höheren Viskosität des Toners führt. Ab einer bestimmten Viskosität ist der Toner so zäh, dass er nicht mehr zerfließt, sich seine Struktur also nicht mehr verändert. Die Vernetzung kann parallel zum Aufschmelzen oder danach erfolgen.

Zu dem anhand der Figur beschriebenen Ausführungsbeispiel der Maschine ist noch fest­ zuhalten, dass der Toner mittels der ersten Heizeinrichtung 13A auf oder über seine Glas­ übergangstemperatur erwärmt wird und durch das Einleiten der UV-Strahlung über den ersten Nebenlichtkanal 31 in den Aufschmelzbereich die Polymerketten bereits begonnen haben sich miteinander zu vernetzen, bevor das Tonerbild in den Wirkungsbereich der nachgeordneten zweiten Heizeinrichtung 13B transportiert wird. Aufgrund der Vernetzung der Polymerketten steigt die Viskosität des Toners - in Abhängigkeit seiner Zusammenset­ zung - zum Teil drastisch an. Die Vernetzung der Polymerketten kann soweit vorange­ schritten sein, dass der Toner von den nachfolgenden Heizeinrichtungen 13B und 13C nicht mehr verflüssigt werden kann. In diesem Fall wird der Glanz des Tonerbildes also ausschließlich durch die Aufschmelzung im Bereich der Heizeinrichtung 13A und der Be­ strahlung des in gewünschter Weise aufgeschmolzenen Toners über den ersten Nebenlicht­ kanal 31 mit ultravioletter Strahlung bestimmt. Die nachgeordneten Heizeinrichtungen 13B und 13C dienen dann nur noch dazu, den Toner im thermoplastischen Bereich zu halten, damit dieser sich fest mit dem Papierbogen 5 verbindet. Es wird deutlich, dass gegebenen­ falls auf die Heizeinrichtungen 13B und 13C sowie auf die Lichtleiteinrichtung zur Fixie­ rung des Toners verzichtet werden kann. In einfachster Ausführungsform weist die erfin­ dungsgemäße Maschine 1 also lediglich eine Heizeinrichtung und eine Aushärteinrichtung 20 auf, die baulich voneinander getrennt oder als kompakte Baueinheit ausgebildet sein können.

Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass das erfindungsgemäße Tonerfixierverfahren sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass durch gezielte Beeinflussung des Schmelzvor­ gangs des Toners eine gewünschte Oberflächenbeschaffenheit des Toners, die den Glanz bestimmt, einstellbar ist und dass daher eine beispielsweise mechanische Nachbehandlung des fixierten Tonerbildes zur Erzielung eines bestimmten Glanzes nicht erforderlich ist.

Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmals­ kombination zu beanspruchen.

In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.

Die Ausführungsbeispiele sind nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Viel­ mehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modi­ fikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/ oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombina­ tion oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschrei­ bung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen beziehungsweise Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombi­ nierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen.

Claims (21)

1. Verfahren zum Bedrucken und/oder Beschichten eines Substrats, insbesondere von Papier oder Karton, unter Verwendung mindestens eines aushärtbaren Toners, wobei min­ destens eine Tonerschicht oder ein mindestens eine Tonerschicht aufweisendes Bild auf das Substrat übertragen und darauf fixiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Aufschmelzung der zu fixierenden Tonerschicht in Abhängigkeit des gewünschten Glanzes gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Glanz der Toner­ schicht mit zunehmenden Grad der Aufschmelzung der Tonerschicht ansteigt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Toner ein mindestens ein Polymer aufweisender, UV-aushärt­ barer Toner ist, der zur Vernetzung seiner Polymerketten mit UV(ultravioletter)-Strahlung beaufschlagt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen des Toners und die Vernetzung des Tonermaterials zwei Prozessschritte sind und dass der Aufschmelzung und die Vernetzung unabhängig voneinander gesteuert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Toner bereits während und/oder nach dem Aufschmelzen des Toners mit UV-Strahlung beaufschlagt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt, wann die über ihre Glasübergangstemperatur erwärmte Tonerschicht mit der die Polymerkettenvernetzung herbeiführende UV-Strahlung beaufschlagt wird, in Abhän­ gigkeit des gewünschten Glanzes gewählt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der Tonerschicht berührungslos erfolgt, und dass die Zeitdauer und/oder die Intensität der zum Aufschmelzen der Tonerschicht auf diese aufgebrachte Wärme in Abhängigkeit des gewünschten Glanzes eingestellt werden/wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss, den die elektromagnetische Strahlung einer zum Aushärten des Toners einge­ setzten UV-Strahlenquelle auf den Grad der Aufschmelzung des Toners hat, bei der Steuerung des Tonerfixiervorgangs zur Einstellung eines gewünschten Glanzes berücksichtigt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Toner einen scharfen Phasenübergang von fest nach flüssig aufweist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Toner mindestens ein Polymer aufweist und dass das Polymer eine kleinere molekulare Gewichtsverteilung aufweist als ein Polymer, das bei einem be­ rührenden Fixierverfahren, insbesondere bei Aufschmelzen des Toners mittels heißer Rol­ len, eingesetzt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens ein Polymer aufweisende Toner ein thermisch vernetzender Toner ist und dass die Steuerung des Glanzes über das Erwärmungsprofil des Toners während des Fi­ xiervorgangs erfolgt.

12. Maschine (1), insbesondere digitale Druckmaschine, zum Aufbringen und Fixieren von aushärtbarem Toner auf ein Substrat (5), insbesondere Papier oder Karton, die mindestens eine Heizeinrichtung (13A, 13B, 13C) zum Aufschmelzen des auf das Substrat (5) übertra­ genen Toners, mindestens eine Aushärteinrichtung (20) zum Aushärten des Toners sowie eine Steuereinrichtung zur Einstellung eines gewünschten Glanzes aufweist, wobei die Steuereinrichtung die Prozessparameter der Heizeinrichtung (13A, 13B, 13C) und/oder der Aushärteinrichtung (20) für den Schmelz- und Aushärtvorgang einstellt.

13. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärteinrichtung (20) mindestens eine Strahlungseinrichtung zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere UV-Strahlenquelle (21), umfasst.

14. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 und 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Aushärteinrichtung (20) der Heizeinrichtung (13A, 13B, 13C) in Trans­ portrichtung des Substrats nachgeordnet ist.

15. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch eine Lichtleiteinrichtung (27) zum Einleiten der elektromagnetischen Strahlung der Strahlungseinrichtung in den Wirkungsbereich der Heizeinrichtung (13A, 13B, 13C).

16. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Heizeinrichtung (13A, 13B, 13C) mittels einer Stelleinrichtung in Rich­ tung auf den auf das Substrat übertragenen, zu fixierenden Toner und in entgegengesetzter Richtung verlagerbar ist.

17. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, dass mehrere Heizeinrichtungen (13A, 13B, 13C) vorgesehen sind, die unabhän­ gig voneinander ein- und ausschaltbar und/oder in Richtung auf den zu fixierenden Toner und in entgegengesetzter Richtung verlagerbar sind.

18. Maschine, insbesondere digitale Druckmaschine, zum Aufbringen und Fixieren von aushärtbarem Toner auf ein Substrat, insbesondere von Papier oder Karton, die mindestens eine Heizeinrichtung zum Fixieren des auf das Substrat übertragenen Toners und eine Steuereinrichtung zur Einstellung eines gewünschten Tonerbildglanzes aufweist, wobei die Steuereinrichtung das Erwärmungsprofil des Toners während Fixiervorgangs durch Steue­ rung der Prozessparameter der Heizeinrichtung einstellt.

19. Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung mit­ tels einer Stelleinrichtung in Richtung auf den auf das Substrat übertragenen, zu fixieren­ den Toner und in entgegengesetzter Richtung verlagerbar ist.

20. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 und 19, dadurch gekenn­ zeichnet, dass mehrere Heizeinrichtungen vorgesehen sind, die unabhängig voneinander ein- und ausschaltbar und/oder in Richtung auf den zu fixierenden Toner und in entgegen­ gesetzter Richtung verlagerbar sind.

21. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Heizeinrichtung das vorzugsweise aus Papier bestehende Substrat mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung erwärmt.