DE102009047657A1

DE102009047657A1 - Verfahren zur Bestimmung des Härtunngsgrades oder Trockengrades von Druckfarben- und Lackschichten in Druckmaschinen

Info

Publication number: DE102009047657A1
Application number: DE102009047657A
Authority: DE
Inventors: Magdalena-Elena Dipl.-Phys. De Ambroggi
Original assignee: Manroland AG
Current assignee: Manroland Sheetfed GmbH
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2011-03-31

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Härtungs- oder Trocknungsgrades von gedruckten Druckfarben- und/oder Lackschichten auf einem Substrat, das mittels eines Druckverfahrens bedruckt und anschließend getrocknet wird, verwendet zur Erfassung des Härtungs- bzw. Trocknungsgrades einer Druckfarben- und/oder Lackschicht die Bestimmung physikalischer und/oder mechanischer und/oder chemischer Eigenschaften der Schichten in einem ersten Zustand vor und in einem zweiten Zustand nach dem Durchgang des beschichteten Substrates durch einen Trockner. Dabei wird in der Druckfarben- und/oder Lackschicht eine Schwingung bzw. eine Schallwelle erzeugt und die Änderungen in der akustischen Resonanz der Druckfarben- und/oder Lackschicht werden mit dem Trocknungsgrad ausgewertet. Zur Verfahrensvereinfachung wird die Bestimmung der Eigenschaften der Druckfarben- oder Lackschichten durch Einstrahlung von Schallwellen in eine frei schwingend eingespannte Materialprobe (5) durchgeführt. Die Messung erfolgt mittels eines Lasersystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung des Härtungsgrades von in einem der Massendruckverfahren Offset-, Flexo- oder Tiefdruck gedruckten Druckfarben- oder Lackschichten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine Härtung bzw. eine Trocknung von Druckfarben- oder Lackschichten kann zunächst durch Verdampfung von Lösungsmitteln oder durch das Wegschlagen von Lösungsmitteln in den Bedruckstoff erfolgen. Weiterhin kann die Härtung bzw. Trocknung durch Oxidation erfolgen. Schließlich kann die Härtung bzw. Trocknung auch durch eine Polymerisation mit Hilfe von UV- oder Elektronenstrahltrocknern erfolgen oder sie wird durch Verfahrenskombinationen aus den genannten Trocknungsmechanismen ausgeführt.
Für eine Kontrolle der Durchhärtung von Druck- und Lackschichten sprechen viele Faktoren. Eine ausreichende Trocknung und Härtung der verdruckten Druckfarben bzw. Lacke ist Voraussetzung für qualitativ hochwertige Drucke. Innerhalb des Förderwegs der Bogen durch die Maschine können Berührungen der frisch bedruckten oder lackierten Bogenoberfläche zu Beschädigungen hervorrufen, was Makulatur (Ausschuss) hervorruft. Die in der Auslage einer Bogendruckmaschine oder in aufgerollte Rollenbahnen einer Rollendruckmaschine vorliegenden Druckbilder müssen hinsichtlich der aufgedruckten Druckfarben bzw. Lacke ausreichend getrocknet sein, das sie sonst beim Abstapeln bzw. aufrollen verschmieren und verblocken würden. Gerade letzteres würde eine Weiterverarbeitung der Druckprodukte erschweren bzw. gänzlich unmöglich machen.
An die Einstellung der unterschiedlich aufgebauten Trocknereinrichtungen sind während des Druckprozesses hohe Anforderungen zu stellen. Bereits beim Einrichten der Druckmaschine hat der Bediener Einstellungen an den Trocknereinrichtungen vorzunehmen, um nach möglichst kurzer Zeit und Anzahl von Makulaturbogen (Vorlaufmakulatur) die erforderliche Qualität produzieren zu können. Die Einstellung einer zu großen Trocknerleistung bedingt nicht nur einen hohen Energieverbrauch der Druckmaschine und eine hohe Abwärmeleistung, die die Temperatur des Drucksaales erhöht bzw. durch die Klimatisierung zu beseitigen wäre, sondern auch der Druckprozess selbst wird negativ beeinflusst. Bekanntlich ändern sich Zügigkeit und Viskosität von Druckfarben bzw. Lacken, so dass eine starke Maschinenerwärmung neben der Erwärmung von Druckfarbe und Dosiereinrichtung häufig wieder Makulatur verursachende Nachregelungen erforderlich machen. Zu niedrige Einstellungen für Trocknerwirkung bzw. Trocknerleistung sind zu vermeiden, da sonst die geschilderte Gefahr des Verschmierens frisch bedruckter Bogen während des Bogentransportes bzw. in der Auslage besteht.
Durch eine Trocknersteuerung ist neben einer Makulaturreduzierung auch eine erhebliche Energieeinsparung möglich. Da die Trocknereinrichtungen nur noch mit der Leistung gefahren werden, welche entsprechend den aktuellen Gegebenheiten erforderlich sind, wird die Stromaufnahme der Einrichtungen auf den jeweilig erforderlichen Wert reduziert. Da die Trocknereinrichtungen auch Abwärme produzieren, ergibt sich auch eine verringerte Aufheizung von Maschinenelementen bzw. der gesamten Maschine. Dadurch wird auch die Lebensdauer der Maschine bzw. von Maschinenkomponenten erhöht. Letztlich vermeidet eine reduzierte Leistung der Trockner auch eine Erhöhung der Drucksaaltemperatur. Bei einem klimatisierten Drucksaal gibt dies ebenfalls eine Energieeinsparung.
Besondere Probleme ergeben sich für den Druck von strahlenhärtenden Druckfarben und Lacken, die in Druckmaschinen eine Härtungskontrolle erforderlich machen. Der Druck mit strahlenhärtenden Offsetdruckfarben ist in der Druckindustrie weit verbreitet, da dieses Verfahren neben schneller, spontaner Vernetzung nach Bestrahlung mit einer UV-Strahlungsquelle, auch Lösungsmittelfreiheit der Druckfarben und gute Bedruckbarkeit von nicht saugenden Substraten (z. B. Folien) als vorteilhafte Wirkungen ausweisen kann.
Konventionelle Druckfarben sind dagegen entweder ölbasierend oder lösemittelhaltig. Ölbasierende Druckfarben trocknen durch die Oxidation der Bindemittel auf Ölbasis oder trocknen durch Verdampfen der in der Druckfarbe befindlichen leichtflüchtigen Öle (Heft-Set-Verfahren). Strahlenhärtende Druckfarben und Lacke härten dagegen durch einen fotochemischen Prozess, der auch als Vernetzung bezeichnet wird. Der flüssige oder unvernetzte Druckfarbenfilm wird durch die Polymerisation unter Einwirkung von UV-Licht in einen festen Zustand überführt.
Es sind aber Fehler bekannt, bei denen unvernetzte Druckfarbenbestandteile durch Abklatsch im Auslegerstapel einer Bogendruckmaschine oder durch Abklatsch in einer Rolle nach dem Druck auf die Rückseite des darüber befindlichen Substrats übertragen wurden. Auch können Druckfarbenbestandteile durch den Bedruckstoff migrieren. Eine Migration von Druckfarbenbestandteilen oder ein Abklatsch von Druckfarben kann bei Verpackung zu einer sensorischen Beeinflussung des Füllgutes führen. Bei Überschreiten von spezifischen Migrationlimits kann im Falle einer Verpackung für Lebensmittel eine gesundheitliche Beeinträchtigung des Konsumenten nicht ausgeschlossen werden. Bei Überschreiten der spezifischen Migrationlimits müssen Verpackungen auf jeden Fall aus dem Verkehr gezogen werden, was neben dem finanziellen Folgen meist auch ein Verlust der Reputation des Markenherstellers im Markt zur Folge hat. Die Wahrung der gesundheitlichen Unbedenklichkeit ist vorrangig. Laut § 30 LMBG ist es verboten Bedarfsgegenstände so herzustellen, dass sie bei bestimmungsgemäßen Gebrauch geeignet sind, die Gesundheit durch ihre stoffliche Zusammensetzung, insbesondere durch toxikologisch wirksame Stoffe oder Verunreinigungen zu schädigen. Zudem gilt nach deutschem und europäischem Recht und ebenso in den USA das „No-Migration-Prinzip”, d. h. ein Übergang von Stoffen auf das verpackte Lebensmittel ist zu vermeiden. Es ist also besonders wichtig die Vernetzung der strahlenhärtenden Druckfarbe auf dem Bedruckstoff sicher zu stellen.
Eine nicht ausgehärtete strahlenhärtende Druckfarbe oder Lack hat aber auch Auswirkungen auf die Sicherheit des Bedienpersonals. Sind strahlenhärtende Druckfarben- oder Lackschichten auf dem Bedruckstoff nicht richtig durchgehärtet und der Bediener zieht ein Probeexemplar, z. B. zur Kontrolle der Druckqualität, dann können migrationsfähige Bestandteile der Druckfarben über die Haut aufgenommen werden. Neben gesundheitlicher Gefährdung können auch Reizungen und allergische Reaktionen der Haut entstehen. Weiterhin entstehen durch nicht ausgehärtete Lacke und Druckfarben zusätzliche Entsorgungskosten, da Druckbögen mit unvernetzten Druckfarben- oder Lackbestandteilen in der Regel als Sonderabfall behandeln werden. Dies erfordert einen logistischen Mehraufwand und erzeugt in der Regel Mehrkosten für die Entsorgung.
Daher spricht viel dafür, die Härtung bzw. Trocknung von Druckfarben- und Lackschichten auf dem Bedruckstoff zu messen, Messgrößen zu bilden und diese dann direkt oder über Bedienereingabe zur Steuerung der Trockner heranzuziehen. Zusätzlich können aus diesen Messwerten Qualitätsprotokolle abgeleitet werden, so dass der Nutzer einen Nachweis erhält, dass die Druckfarbe oder der Lack ausreichend ausgehärtet sind. Dies wird gerade in Verbindung mit strahlenhärtenden Druckfarben und Lacken aus Gründen der Produktsicherheit oftmals gefordert.
Der Wunsch die Härtung bzw. Trocknung von Druckfarben- oder Lackschichten zu bewerten wurde häufig diskutiert. In der EP 1 142 711 B1 wird z. B. vorgeschlagen, eine Steuerung für eine Trocknereinrichtung vorzusehen, der mindestens ein Signal einer den Druckprozess charakterisierenden Größe zugeführt wird. Infolgedessen können durch die Steuerung Signale generiert werden, durch welche die Betriebsweise der Trocknereinrichtung in vorgesehener Weise verändert wird. Es wird auch vorgeschlagen die Steuerung der Trocknereinrichtung anhand von am Bedruckstoff gemessenen Messwerten vorzunehmen. Als Messgrößen werden die Lack- bzw. Farbschichtdicke oder der Glanz des Lackauftrags angeführt.
Die DE 197 37 785 A1 schlägt vor den Trocknungsgrad einer Lackschicht durch das Messen der Intensität eines Mikrowellensignals, das in einer Wechselwirkung mit dem lackierten Bedruckstoff in Wechselwirkung steht zu bestimmen. Die aus dem Messsignal gebildete Zustandsgröße kann dann als Regelgröße für die Trocknersteuerung herangezogen werden. Das Verfahren eignet sich aber nur für den Einsatz von Beschichtungsmedien, die Mikrowellenenergie stark absorbieren, wie z. B. Dispersionslack mit Wasser als Lösemittel. Die Prüfung der Polymerisation von gehärteten Druckfarben- und Lackschichten wird nicht erwähnt.
Die DE 24 58 935 A1 offenbart ein Mess- und Regelverfahren der Geschwindigkeit von Druck- und Beschichtungsmaschinen, bei dem kontinuierlich auf der Papierbahn die den benutzten Lösemitteln entsprechenden Wellenlängen analysiert werden, wobei die nach dem Trocknen gemessenen Durchschnittswerte mit den voreingestellten Maximalwerten vergleicht. Die Messeinrichtung besteht dabei aus einem Analysatorkopf mit kontinuierlicher Ausstrahlung, einem Empfänger zur Aufnahme der Strahlung, die das zu analysierende Produkt reflektiert oder durchfiltert. Nachteilig ist, dass von vornherein die Lösemittelzusammensetzung bekannt sein muss. Bei Druckverfahren mit einfacher Lösemittelzusammensetzung ist das relativ einfach. Bei modernen Druckfarben mit einer Vielzahl von Lösemitteln ist es schwierig, da die Zusammensetzung der Druckfarbe oft nur grob angegeben wird. Das Verfahren versagt bei Druckfarben, die keine Lösemittel emittieren, also bei strahlenhärtenden, oxidativ und wegschlagend trocknenden Druckfarben. Das Messverfahren ist nicht universell und auch nicht bei schnell laufenden Druckmaschinen anwendbar, da die Analyse zeitintensiv und komplex ist.
Im Labor werden Infrarotspektroskopie oder Raman-Spektroskopie für die Beurteilung der Polymerisation eingesetzt. Diese Methoden sind wegen ihrer Komplexität und Probenvorbereitung kaum für den Einsatz im rauen Maschinenumfeld einer Druckerei geeignet, aber prinzipiell anwendbar. Daher wurde überlegt, den Grad der Polymerisation aus der Veränderung von physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Druckfarben- und Lackschicht abzuleiten. Eine Möglichkeit ist die Bestimmung des Gleitreibungskoeffizienten der Oberfläche, der sich mit zunehmenden Polymerisationsgrad verändert. Nachteil der Methode ist, dass sie nur auf der Oberfläche wirkt und die Tiefenhärtung nur annähernd bestimmt werden kann. Außerdem ist die Gleitreibungsmessung ein berührendes Messverfahren, das zu Beschädigungen auf der Druckfarben- bzw. Lackoberfläche führen kann.
In der neueren Zeit wurde weiterhin mit der DE 10 2007 015 365 A1 ein Verfahren zur Bestimmung des Härtungsgrades oder des Trockengrades von Druckfarben- und Lackschichten in Druckmaschinen bekannt. Schließlich sind noch aus der DE 10 2008 014 555 A1 ein Verfahren zur berührungslosen Prüfung des Härtungsgrades von Druckfarben- und Lackschichten und aus der DE 10 2007 030 566 A1 ein zerstörungsfreies Prüfverfahren des Aushärtungsgrades oder des Trocknungsgrades von Farben und Lacken bekannt geworden.
Den technischen Lösungen nach diesen Veröffentlichungen ist gemeinsam, dass jeweils zur Erfassung von Schichteigenschaften bei der Trocknung von Druckprodukten ein Ultraschallmessverfahren zur Anwendung kommt. Die Auslösung der Ultraschallsignale kann mittels Laserpulsen in der Beschichtung erfolgen. Die Erfassung von Messwerten der Ultraschallabstrahlung soll dann dabei etwa mittels Piezosensoren oder magnetorestriktiven Sensoren erfolgen.
Die Anwendung der Ultraschalltechnologie ist relativ aufwendig und erfordert direkten Kontakt zu den Messproben. Es ist zwar eine Messung durch Luftkoppelung möglich, diese verschlechtert aber die Erfassbarkeit des Messergebnisses bzw. die Genauigkeit der Messung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher die Aushärtung bzw. Trocknung von Lack- und Druckfarbenschichten auf Papier-, Folien-, oder Kartonbedruckstoffen genauer zu erfassen, wobei eine konkrete Aussage über den Härtungs- oder Trocknungsgrad der Lack- oder Druckfarbenschichten erfolgen soll.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine Aussage über den Härtungs- oder Trocknungsgrad wird erfindungsgemäß durch einen Vergleich von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Druckfarben- oder Lackschicht bestimmt, die vor und nach dem Durchgang des Druckbogens durch einen Trockner auf dem Druckbogen gewonnen wurden. Hierbei werden identische oder vergleichbare Messorte verwendet.
In diesem Zusammenhang können Schallwellen im akustischen Bereich angewendet werden, die mit Hilfe von elektrischen Impulsen in das Material eingebracht werden können. Schallwellen können aber auch durch einen Lautsprecher im zu untersuchenden Material erzeugt werden.
Schallwellen bieten viele Vorteile. Sie erfordern keinen Kontakt zu dem zu testenden Material, erlauben schnelle Inspektion und sind zerstörungsfrei.
Schallwellen können problemlos in industrieller Umgebung, wie an den Druckmaschinen eingesetzt werden. Diese sind günstiger zu erzeugen als Ultraschallwellen und bei einer geschickten Auswahl der Frequenzbereiche können sie eine vergleichbare Empfindlichkeit für das Messverfahren generieren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen beispielhaft dargestellt.
Dabei zeigen
1 eine Übersicht über eine Versuchsanordnung für ein erfindungsgemäße Einrichtung,
2 eine Darstellung eines Resonators mit einer Vorrichtung zur Einspannung einer beschichteten Materialprobe,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Signalerfassung bei der ein Laserstrahl auf eine Materialprobe gerichtet wird und der reflektierte Strahl durch eine Photodiode erfasst wird, und
4 ein Diagramm mit zwei Kurvenscharen aus Werten einer Resonanzverschiebung in einer Beschichtung nach 0, 2, und 6 Minuten Probenbestrahlung zur Trocknung/Härtung.
Die Erfindung befasst sich mit der Erfassung des Trocknungs- bzw. Härtungszustandes einer Schicht aus Druckfarbe oder Lack auf einem Substrat. Dabei wird ausgenutzt, dass die Schichten auf dem Substrat je nach mechanischem Zustand ohne Trocknung oder mit Trocknungseinwirkung einen einfallenden Messstrahl eines Lasersenders hinsichtlich seiner Schallresonanz verändern. Diese Veränderung kann in einem Empfänger erfasst und zur Charakterisierung des Zustandes der Beschichtung durch Kennwerte genutzt werden.
Der Mechanismus der Schallwellenerzeugung in einem Feststoff lässt sich wie folgend beschreiben.
Die zu testende Materialprobe wird in eine speziell entwickelte Messvorrichtung eingespannt (siehe 1). Hier ist ein Lasersender 1 einer Probenhalterung 6 und einem Detektor 9 zugeordnet. Eine Materialprobe 5 wird in der Probenhalterung 5 von einem Lautsprecher 4 mit Schallwellen beaufschlagt. Ein von dem Lasersender 1 ausgehender Sendestrahl 2 wird in einer Linse 3 aufgeweitet und als Messfleck F auf die Materialprobe 5 geleitet. Dort wird sie von der Schallresonanz der Beschichtung der Materialprobe 5 infolge der Schalleinstrahlung vom Lautsprecher 4 beeinflusst und als Empfangsstrahl 8 reflektiert. Der Empfangsstrahl 8 wird in einer Linse 7 wieder gebündelt und auf einen Detektor 9 geleitet, der die Charakteristika des Empfangsstrahles aufnimmt.
Die Messvorrichtung in 1 umfasst einen Resonator 10 (siehe 2). Hierbei ist ein Lautsprecher 4 an dem einen Ende des Resonators 10 angebracht und an dem anderen Ende ist die Halterung 6 der zu testende Materialprobe 5 angeordnet. Zwischen Lautsprecher 4 und Halterung 6 ist ein Schallraum oder Resonanzraum 11 hier rohrförmig angeordnet.
Die Materialprobe 5 wird dabei in einer kreisförmigen bzw. zylindrischen Halterung 6 eingespannt, so dass sie frei schwingen kann. Die hierfür notwendige eindeutige und wiederholbar einstellbare Spannung in dem Probenmaterial wird bei einem Austauschen von Materialproben 5 durch die Anordnung einer speziell angefertigten Feder konstant gehalten. Zum Aufbringen der Vorspannung ist ein kreisringförmiger Vorsprung 12 auf dem Resonator 10 vorgesehen, gegen den dann die ringförmige Halterung 6 das Probenmaterial 5 drückt.
Die Erfassung eines Messsignales erfolgt auf optischem Weg. Ein Sendestrahl 2 eines Lasersenders 1 wird als punktförmiger Messfleck auf die zu untersuchende Materialprobe 5 aus einem beschichteten Druckbogen. Dabei wird der von der Probenoberfläche reflektierte Empfangsstrahl 8 mittels eines Detektors 9, wie z. B. einer Photodiode aufgenommen.
In 3 ist eine derartige Messvorrichtung in einer sehr kompakt konstruierten Ausführungsform dargestellt.
Zunächst ist hierin die erforderliche Halterung 6 für die Materialprobe 5 auf der Oberseite des Resonators 10 als ringförmiges Element dargestellt, wobei die ringförmige Halterung 6 mit dem Resonator 10 sicher verschraubt wird. Dabei muss die Materialprobe 5 die Halterung 6 seitlich überragen, damit eine sichere Haltekraft eingeleitet und eine ausreichende Vorspannung auf die Materialprobe 5 aufgebracht werden kann.
Bei der Durchführung des Messverfahrens werden die Änderungen in der akustischen Resonanz des Materials der Materialprobe 5 vor und nach dem Durchgang des Druckbogens durch einen Trockner oder eine Härteeinrichtung (wie etwa ein UV-Trockner) erfasst, so dass Messwerte für ungetrocknete bzw. bestrahlte Proben und für getrocknete bzw. bestrahlte Proben vorliegen.
Alternativ kann die Messung auch in-situ, also während des Produktionsprozesses in der Druckmaschine erfolgen. Die zu testende Druckbogen wird unter Bestrahlung gemessen und dabei die Kinetik des Aushärtungsprozess aufgenommen.
Beobachtet und ausgewertet wird in beiden Varianten eine Verschiebung in der akustischen Resonanz des Materials der Materialprobe 5, die insbesondere durch die gerade vorliegende Beschaffenheit der Beschichtung beeinflusst wird.
Zu diesen Resonanzwerten sind in 4 zwei Beispiele von Kurvenscharen A1 bis A3 bzw. B1 bis B4 dargestellt.
Die sich voneinander unterscheidenden Werteverläufe der beiden Kurvenscharen aus 4 sind durch die Verwendung unterschiedlicher Bedruckstoffe und in Verbindung damit den Einsatz unterschiedlicher Beschichtungen entstanden.
Die Kurvenscharen A1 bis A3 und B1 bis B4 zeigen auf, wie sich der Resonanzwert des Empfangsstrahls 8 hinsichtlich des Maßes der Resonanz und deren Lage im Frequenzspektrum verändert. Die gemessenen Werte werden dadurch beeinflusst, dass die Beschichtung, die der Empfangsstrahl 8 durchlaufen hat, unterschiedliche mechanische Charakteristika aufwies, welche wiederum durch die zu untersuchenden Hartungs- bzw. Trocknungseffekte erzeugt worden sind. Der so beeinflusste Empfangsstrahl 8 wird im Empfänger 9 aufgenommen und danach hinsichtlich der Resonanzen ausgewertet.
Zunächst soll die obere Kurvenschar betrachtet werden.

– Die unterste Kurve A1 der oberen Kurvenschar zeigt den Werteverlauf bei einer frischen und unbestrahlten bzw. noch ungetrockneten Beschichtung auf dem Substrat.
– Die mittlere Kurve A2 zeigt den Werteverlauf nach einer Bestrahlung der Beschichtung auf dem Substrat über einen Zeitraum von 2 Minuten.
– Die obere Kurve A3 zeigt den Werteverlauf nach einer Bestrahlung der Beschichtung auf dem Substrat über einen Zeitraum von 6 Minuten.

Als Signifikant ist dabei anzumerken, dass schon nach 2-minütiger Bestrahlung ein deutlicher Messwertunterschied feststellbar ist. Während eine Bestrahlung von zusätzlichen 4 Minuten eine gegenüber dem Messwert für die 2-minütige Bestrahlung relativ kleinere Differenz der Messergebnisse erbringt.
Weiterhin wird die untere Kurvenschar betrachtet.

– Die unterste Kurve B1 der unteren Kurvenschar zeigt den Werteverlauf bei einer frischen und unbestrahlten bzw. noch ungetrockneten Beschichtung auf dem Substrat.
– Die benachbarte Kurve B2 der unteren Kurvenschar zeigt den Werteverlauf bei einer Schicht, die zwar unbestrahlt geblieben ist, die aber mittels eines Stroms erwärmter Luft auf dem Substrat thermisch behandelt wurde.
– Die benachbarte und nächst höher angeordnete Kurve B2 zeigt den Werteverlauf nach einer Bestrahlung der Beschichtung auf dem Substrat über einen Zeitraum von 2 Minuten.
– Die obere Kurve B3 der unteren Kurvenschar zeigt schließlich den Werteverlauf nach einer Bestrahlung der Beschichtung auf dem Substrat über einen Zeitraum von 6 Minuten.

Als Signifikant ist dabei anzumerken, dass die Resonanzwerte der zweiten Kurvenschar in einem deutlich anderen Werteniveau liegen. Weiterhin sind die Resonanzwerte auch in einem anderen Frequenzbereich angeordnet.
Deutlich ist auch, dass schon eine thermische Behandlung der Beschichtung eine deutliche Frequenzverschiebung der Resonanz erbringt.
Demgegenüber wird die Höhe der Resonanz erst durch die Bestrahlung signifikant beeinflusst.
Die Messungen zeigen auch in diesem Fall wieder, dass schon nach 2-minütiger Behandlung ein deutlicher Messwertunterschied der Resonanz feststellbar ist. Auch hier gilt allerdings, dass die Bestrahlung von zusätzlichen 4 Minuten eine gegenüber dem Messwert für die 2-minütige Bestrahlung relativ kleinere Differenz der Messergebnisse erbringt.
Die Unterschiede der Kurvenscharen lassen sich hinsichtlich der gegenüber dem untersuchten Schallspektrum ausgeprägten Schwingungsfähigkeit der jeweiligen Kombination von Substrat und Beschichtung interpretieren.
In diesem Zusammenhang ist von Bedeutung, dass in den Produktionsprozessen, die derzeit angewendet werden, dickere und dünnere Bedruckstoffe mit höherer und geringerer Steifigkeit eingesetzt werden.
Weiterhin muss hinsichtlich der Beschichtungen je nach Art des Mediums und der Art der Trocknung bzw. Härtung und auch wieder hinsichtlich deren Schichtdicken unterschieden werden.
Trotz der sich aus diesen Zusammenhängen ergebenden vielfältigen und noch dazu komplexen Kombinationen von Materialeigenschaften und Produktionsparametern ist durch das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige einfache Vorrichtung eine gute Unterscheidbarkeit der Kennwerte möglich. Sinnvoll ist hier die Anwendung einer Datenbank, die als relationale Datenbank oder Wissensdatenbank ausgeführt sein kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Messwerte direkt mit Einstellmöglichkeiten und Produktionsparametern an einer Druckmaschine zu verknüpfen und damit auch abrufbar zu machen. Dann können aus den Messungen jeweils entsprechende Handlungsanweisungen an das Personal oder sogar automatische Steuervorgänge in der Maschine abgeleitet werden.
Nach einer Messung wird das erfasste Schallspektrum des Signals des Laserstrahls mit Hilfe einer Fourier-Transformation analysiert. Daraus lassen sich dann Frequenz-Zeit-Kurven oder Frequenz-Zeit-Flächen ableiten, die eine Interpretation der spektralen Eigenschaften eines Druckfarben- oder Lackfilms als eine Funktion der Zeit darstellen.
Die aus der Messung gewonnenen Daten der akustische Resonanz der Druckfarben- und Lackschichten können als absolute Messwerte, im Vergleich zu in Datenspeichern eines Expertensystems oder einer Referenzwerttabelle abgelegten Werten oder im Vergleich zu einer Probe mit definierten Aushärtungseigenschaften ausgewertet und bewertet werden.
Die Aushärtung bzw. die Trocknung der Druckfarben- und Lackschichten wird dabei bevorzugt in einer Kennzahl zusammengefasst, die es dem Maschinenbediener erlaubt ohne Interpretation von Kurvenverläufen steuernd einzugreifen, um Maschinenparameter, wie die Trocknertemperatur, die Strahlungsleistung, die Maschinengeschwindigkeit etc. an die Prozesserfordernisse anzupassen.
Die Parameteradaption kann auch automatisiert erfolgen, wenn die Ergebnisse der Härtungs- und Trocknungsmessung direkt von der Maschinensteuerung übernommen und dort entsprechende Maßnahmen abgeleitet werden.
Im einfachsten Fall erhält der Bediener dann von der Maschinensteuerung am Leitstand einzelne oder eine Reihe von Einstellungsvorschlägen für den aktuell ablaufenden Produktionsprozess.
Im komplexeren Fall werden direkt über Kennlinien, Berechnungsvorschriften oder anhand eines Expertensystems entsprechende Korrekturmaßnahmen an den Einstellungen der Druckmaschine eingeleitet. Diese Veränderungen der Maschineneinstellung werden dann bei ungenügender Härtung bzw. Trocknung eine entsprechende Verbesserung bewirken, während bei ausreichender Trocknung auch die Trocknerleistung reduziert werden kann, um Energie zu sparen.
Alternativ kann auch mit höheren Produktionsgeschwindigkeiten gefahren werden, um den guten Trocknungseffekt für eine schnellere Erledigung des Produktionsprozesses ausnutzen zu können.
Der Ansatz den Härtungs- bzw. Trocknungsgrad durch die Messung der mechanischen Kenngrößen zu bestimmen erlaubt eine Härtungskontrolle, die auch in rauer Druckereiumgebung eingesetzt werden kann. Sie kann dabei Offline, also außerhalb einer Druckmaschine, oder auch Inline, also während der Produktion in der Druckmaschine erfolgen. Mit diesem Ansatz ist es auch erstmals möglich mit einem erträglichen Aufwand ein Produktionsprotokoll mit Statistiken bzw. Kurvenverläufen oder Kennzahlen zu erhalten, die es dem Drucker ermöglicht die ausreichende Trocknung bzw. Härtung und damit die Produktsicherheit gegenüber seinem Endkunden nachzuweisen.
Bezugszeichenliste

1: Lasersender
2: Sendestrahl
3: Linse
4: Lautsprecher
5: Materialprobe
6: Halterung
7: Linse
8: Empfangsstrahl
9: Detektor
10: Resonator
11: Resonanzraum
12: Ringförmiger Vorsprung
A1 bis A6: Resonanzkurven
B1 bis B5: Resonanzkurven

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1142711 B1 [0011]
DE 19737785 A1 [0012]
DE 2458935 A1 [0013]
DE 102007015365 A1 [0015]
DE 102008014555 A1 [0015]
DE 102007030566 A1 [0015]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Härtungs- oder Trocknungsgrades gedruckter Druckfarben- und/oder Lackschichten auf einem Substrat, wie Papier, Karton, Kunststofffolie oder Verbundmaterialien, das mittels eines der Druckverfahren Tief-, Flexo- oder Offsetdruck bedruckt und anschließend getrocknet wird, wobei der Härtungsgrad bzw. Trocknungsgrad der Druckfarben- und/oder Lackschichten durch Bestimmung physikalischer und/oder mechanischer und/oder chemischer Eigenschaften von auf dem Substrat aufgebrachten Druckfarben- und/oder Lackschichten in einem ersten Zustand bzw. Zeitpunkt vor und in einem zweiten Zustand bzw. Zeitpunkt nach dem Durchgang eines beschichteten Substrates durch einen Trockner ermittelt wird, wobei in der Druckfarben- und/oder Lackschicht eine Schwingung bzw. eine Schallwelle erzeugt wird, und die Änderungen in der akustische Resonanz der Druckfarben- und/oder Lackschicht mit dem Trocknungsgrad ausgewertet wird gekennzeichnet dadurch, dass zur Bestimmung der Eigenschaften der Druckfarben- oder Lackschichten die Einstrahlung von Schallwellen in eine frei schwingend eingespannte Materialprobe (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass eine durch einen Lautsprecher (4) erzeugte Schallwelle durch mechanische oder Luftkoppelung in die Druckfarben- und/oder Lackschicht eingebracht wird, wobei durch einen Resonator (10) eine schnelle Expansion der Schallwelle in der Materialprobe (5) zur Erzeugung von Schallschwingungen in der Druckfarben- und/oder Lackschicht übergeleitet wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass für die Messung der Materialkennwerte durch den Lautsprecher (4) Impulse abgesendet werden, die kontinuierlich oder diskret ein Frequenz- bzw. Wellenlängenspektrum durchlaufen.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Schallwellen in transversaler und/oder longitudinaler Richtung durch geeigneten Einsatz der Materialprobe (5) erfasst werden.
Verfahren nach Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die zur Bestimmung des Härtungs- und des Trocknungsgrads vor und nach dem Durchgang eines Bedruckstoffes durch einen Trockner gewonnenen Signale einer Signalanalyse zugeführt werden, wobei die Signalanalyse die aus der Messung vor und nach dem Durchgang durch den Trockner gewonnenen Werte vergleicht und daraus ein oder mehrere Kennwerte zur Kennzeichnung des physikalischen Zustandes der getrockneten Druckfarben- und/oder Lackschicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass der/die mittels Signalanalyse gewonnene Kennwert/-e vorzugsweise eine Prozentangabe des Härtungs- oder Trocknungsgrades ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, dass das Ergebnis der Signalanalyse, vorzugsweise des/der Kennwerte auf einer Anzeigevorrichtung dargestellt wird und dass die Darstellung vorzugsweise mit Handlungsempfehlungen für die Einstellung der Trocknereinrichtung und/oder von Maschinenparametern kombiniert wird und/oder dass die Ergebnisse am Leitstand einer Druckmaschine ausgebbar sind.
Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass aus dem Ergebnis der Signalanalyse automatisch Steuersignale für die Veränderung der Einstellung der die Trocknung bzw. Härtung beeinflussenden Prozessparameter, wie Trocknereinstellung, Produktionsgeschwindigkeit etc., gewonnen werden und dass diese an eine oder mehrere Steuereinrichtung weitergegeben werden, wobei die Signalweiterleitung direkt oder nach Bedienerfreigabe erfolgt, um eine Veränderung der Prozessparameter zu vollziehen.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Bestimmung der Veränderung der mechanischen und/oder viskoelastischen und/oder chemischen Eigenschaften in Schichten von Druckfarben oder Lack auf einem Substrat erfolgt, und dass die Bestimmung an strahlenhärtenden Schichten erfolgt, die mit UV-Strahlung oder Elektronenstrahltrocknung gehärtet wurden oder an lösemittel- oder wasserhaltigen Druckfarben oder Lacken oder an Druckfarben erfolgt, die oxidativ und/oder in den Bedruckstoff wegschlagend trocknen.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens für die Bestimmung des Härtungs- oder Trocknungsgrades von gedruckten Schichten aus Druckfarben und/oder Lacken auf einem Substrat, wie Papier, Karton, Kunststofffolie oder Verbundmaterial, das mittels eines der Druckverfahren Tief-, Flexo- oder Offsetdruck bedruckt und anschließend getrocknet wird, wobei eine Vorrichtung die Bestimmung des Härtungs- bzw. Trocknungsgrades vorgesehen ist, die eine Auswertung physikalischer und/oder mechanischer und/oder chemischer Eigenschaften der auf dem Substrat aufgebrachten Schichten in einem ersten Zustand bzw. Zeitpunkt vor und in einem zweiten Zustand bzw. Zeitpunkt nach dem Durchgang eines beschichteten Substrates durch einen Trockner vornimmt, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, in den Schichten eine Schwingung bzw. Schallwelle zu erzeugen, und die Änderungen der akustische Resonanz der Schichten im Verhältnis zu deren Trocknungsgrad auszuwerten, gekennzeichnet dadurch, dass ein Schallerzeuger zur Einstrahlung von Schallwellen in eine frei schwingend eingespannte Materialprobe (5) mit den zu untersuchenden Schichten vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Lautsprecher (4), der zur Erzeugung des Schallwellensignals in der Druckfarben- und/oder Lackschicht vorgesehen ist, wobei durch einen Resonator (10) eine schnelle Expansion der Schallwelle in die Materialprobe (5) zur Erzeugung von Schallschwingungen in der Druckfarben- und/oder Lackschicht übergeleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch, dass das Schallwellensignal durch einen Lautsprecher (4) in der Druckfarben und/oder Lackschicht erzeugt wird, wobei die zu testende Materialprobe (5) in eine runde oder zylinderförmige Halterungsvorrichtung (6) eingespannt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, dass die Spannung der Materialprobe (5) in der runden oder zylinderförmigen Halterungsvorrichtung (6) durch einen ringförmigen Vorsprung an dem Resonator (10) und Haltefedern in der Halterungsvorrichtung (6) konstant gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 13, gekennzeichnet dadurch, dass für die Messung der Materialkennwerte ein Lautsprecher (4) vorgesehen ist, mittels dessen Impulse abgesendet werden, die kontinuierlich oder diskret ein Frequenz- bzw. Wellenlängenspektrum durchlaufen.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 14, gekennzeichnet dadurch, dass an der Messeinrichtung Mittel zur Erfassung der Schallwellen in transversaler und/oder longitudinaler Richtung durch geeigneten Einsatz der Materialprobe (5) vorgesehen sind.