DE602004007046T9

DE602004007046T9 - Verfahren zur übertragung eines membranbildes auf einen artikel in einem membranbildtransferdruckprozess

Info

Publication number: DE602004007046T9
Application number: DE602004007046T
Authority: DE
Inventors: Keith D. Fenton WEISS; Jason Beaudoin; Eric Wixon VAN DER MEULEN; Bien Trong Howell BUI
Original assignee: Exatec LLC
Current assignee: Exatec LLC
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2008-09-18
Also published as: JP2007526155A; DE602004007046T2; KR20060129525A; EP1722982A1; US6964226B2; US20050193905A1; DE602004007046D1; WO2005095112A1; CN100445102C; CN1938159A; EP1722982B1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft die Optimierung von Siebdruckparametern, um ein Tintenmuster auf eine weiche Membran mit niedriger Oberflächenenergie aufzubringen, welches anschließend nach der Übertragung auf ein Kunststoffsubstrat zu einem Druck führt, der eine akzeptable Opazität und Bildtextur oder Qualität aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Geformte Kunststoffartikel werden allgemein als Ersatz für Artikel aus Metall und Glas akzeptiert. Ein Vorteil der geformten Kunststoffartikel besteht in der Integration mehrerer Bestandteile zu einem Artikel, wodurch die Zahl der Montagevorgänge verringert wird. Anders ausgedrückt, kann ein Artikel, welcher früher mehrere Bestandteile umfasste, die aneinander gebunden oder zusammengebaut wurden, in einem einstufigen Formverfahren gefertigt werden. Ein inhärentes Problem, welches mit dem Aufkommen dieser Praxis aufgetreten ist, besteht im Bedrucken der resultierenden komplexen (konkaven, konvexen, etc.) Oberflächengestalt der Artikel. Das Bedrucken ist erwünscht, weil andere Mittel zum Aufbringen von Bildern zeitaufwendig sind und die Verwendung verschiedener 2-dimensionaler Druckkonzepte, nämlich der Siebdruck und Tampondruck, diesem Bedürfnis in der Breite nur mit begrenztem Erfolg gerecht werden.
Der Siebdruck ist ein bekanntes kommerzielles Verfahren und nachstehend in größerem Detail beschrieben. Der Siebdruck ist bezüglich der Komplexität der bedruckbaren Oberfläche beschränkt. Diese Technik stellt ein sehr wirtschaftliches Verfahren zum Bedrucken „ebener" Substrate dar. Der Siebdruck wurde durch Miteinbeziehen einer Technik auf gekrümmte Oberflächen angewendet, welche als Dekorformen (in-mold decoration (IMD)) bekannt ist. Bei dieser Technik wird mittels Siebdruck ein gedrucktes Bild auf eine „ebene" Folie aufgebracht. Diese Folie wird dann mittels Vakuum an der Oberfläche der Form gehalten. Die Folie wird Teil der Oberfläche des Artikels nach dem Einspritzen des Kunststoffmaterials in die Form. Größere Schwierigkeiten, die mit der Verwendung dieser Technik verbunden sind, sind die Übernahme des Dekors durch die Artikeloberfläche und die Beschränkung bezüglich der Komplexität der Artikeloberfläche. Die Aufnahme des Dekors erfordert eine genaue Positionierung der Folie in der Form bei jeder Reproduktion des Artikels. Die Komplexität der Oberfläche ist durch die Fähigkeit der Folie begrenzt, sich der Gestalt der Form anzupassen (z. B. sich auszudehnen) in die sie als Teil der Oberfläche des Artikels eingebaut wird.
Der Tampondruck ist ebenfalls ein bekanntes kommerzielles Druckverfahren und wird nachstehend in größerem Detail beschrieben. Der Tampondruck ist ein Druckverfahren, welches ein Tampon und einen Druckstock verwendet, um eine konvex gekrümmte Oberfläche zu stempeln oder zu bedrucken. Der Tampondruck oder die Tampographie ist in der Tat eine Form von indirektem oder Offset-Tiefdruckverfahren, welches von der Automobilindustrie für die Dekoration von Innenraumkomponenten akzeptiert wird. Der Tampondruck ist eine wirtschaftliche Technik mit einer Linienfeinauflösung (32 μm) sowohl auf gekrümmten als auch auf unebenen Oberflächen. Diese Technik unterliegt jedoch sowohl bezüglich des Grades der Kompliziertheit der Krümmung, des Radius und der Größe des zu bedruckenden Substrats als auch bezüglich der Ausführung des Substratrands bis zu dem gedruckt werden soll, Beschränkungen.
Das unten erörterte Membran-Bildtransferdruck-Verfahren (membrane image transfer (MIT)) ist ein neuartiges Druckkonzept, welches sowohl den Siebdruck als auch den Tampondruck (Tampographie) in einem Verfahren zur Dekoration von Gegenständen mit komplizierter Gestalt vereinigt. Der MIT-Druck bietet die Möglichkeit Gegenstände mit komplizierter Gestalt mit der Druckauflösung und der Opazität zu bedrucken, wie sie normalerweise beim Siebdruck auf ebenen Substraten erhalten wird. Die Hersteller waren jedoch gefordert die Parameter bezüglich der Leistung von Tinten für den MIT-Druck zu optimieren und das Verfahren in Bezug auf den Siebdruck eines Bildes auf eine Membran und die Übertragung des Bildes von der Membran auf das Substrat zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung optimiert Parameter in Bezug auf die Leistung von Tinten für den MIT-Druck, das Verfahren des Siebdruckens eines Bildes auf eine weiche Membran mit niedriger Oberflächenenergie und das Verfahren der Übertragung dieses Bildes von der Membran auf ein Substrat.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Übertragung eines Bildes von einer Membran auf einen Gegenstand bereit. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung eines gedruckten Dekors, welches auf eine Membran mit einer niedrigen Oberflächenenergie aufgebracht werden soll, wie in den begleitenden Ansprüchen definiert. Die Membran mit der niedrigen Oberflächenenergie besitzt einen Härtegrad von größer als 70 Shore A, und eine Oberflächenenergie von bis zu 25 mJ/m². Das Verfahren schließt weiterhin die Aufgabe eines vorgegebenen Drucks mithilfe einer Druckvorrichtung ein, um das gedruckte Dekor durch ein Sieb hindurch auf die Membran mit niedriger Oberflächenenergie aufzubringen. Die Druckvorrichtung hat eine Härte von bis zu etwa 70 Shore A. Das Verfahren schließt des Weiteren die an die Geometrie der Oberfläche des Gegenstandes angepasste Formung der Membran mit der niedrigen Oberflächenenergie ein und die Aufgabe von Druck zwischen der Membran und dem Gegenstand, um das Bild auf der Membran von der Membran auf den Gegenstand zu übertragen.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Siebdruckverfahrens, welches eine Rakel verwendet, um Tinte durch ein Siebgewebe zu drücken, um sie auf einem ebenes Substrat abzuscheiden;
2 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Tampondruckverfahrens, welches die Aufnahme der Tinte von einem gravierten Druckstock mittels eines Übertragungstampons und die anschließende Abgabe der Tinte auf ein Substrat durch Aufgabe von Druck einschließt;
Die 3a–3d sind schematische Zeichnungen eines Membran-Bildübertragungs-Verfahrens (MIT);
Die 4a–4b sind perspektivische Ansichten von siebgedruckten Bildern auf einem „harten" (Polycarbonat) Substrat und einer „weichen" (Nitril) Membran;
5 ist eine schematische Ansicht für die Anwendung eines Rakelwinkels (φ) bei der Versuchsauslegung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Die 6a–6b sind Diagramme, welche die Wechselwirkungs- und Ansprechkurven der Oberfläche wiedergeben, die bei einer Versuchsausführung erhalten werden und die Wirkung der Rakelhärte und aufgebrachten Kraft auf die Dicke der von einer „weichen" (Silicon) Membran auf ein „hartes" (Polycarbonat) Substrat zeigen, die mittels eines Membran-Bildübertragungs-Verfahrens (MIT) übertragen werden.
Die 7a–7b sind Diagramme, welche die Wechselwirkungs- und Ansprechkurven der Oberfläche wiedergeben, die bei einer Versuchsausführung erhalten werden und die Wirkung der Rakelhärte und aufgebrachten Kraft auf die Bildtextur oder Qualität der übertragenen Tintenschicht wiedergeben;
Die 8a–8b sind Mikrophotographien von Siebdrucken auf einer Siliconmembran und einer Siliconmembran mit nachfolgender Übertragung mittels eines MIT-Verfahrens auf ein „hartes"(Polycarbonat) Substrat;
9 ist eine schematische Darstellung der Young'schen Gleichung für die Grenzflächenenergie und den Kontaktwinkel;
Die 10a–10b geben die stöchiometrische Bildung von Siliconkautschuk sowohl nach Kondensations- als auch nach Additionspolymerisationsreaktionen wieder;
11 ist ein Diagramm in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches die Härte der Siliconmembran gegen die Zahl der Druckzyklen wiedergibt;
Die 12a–12b sind Diagramme, welche die Wechselwirkungskurven wiedergeben, die bei einer Versuchsausführungsform erhalten werden, und welche die Wirkung der Siebmaschenzahlen und der Flutungsdauer auf die Dicke der Tintenschicht ausüben;
Die 13a–13b sind Diagramme, welche die Wechselwirkungskurven wiedergeben, die bei einer Versuchsausführungsform erhalten werden, und welche die Wirkung der Rakelhärte auf die Dicke und die Opazität der Tintenschicht ausüben;
Die 14a–14b sind Diagramme, welche die Wechselwirkungskurven wiedergeben, die bei einer Versuchsausführungsform erhalten werden, und welche die Wirkung der ausgeübten Kraft auf die Opazität des aufgebrachten Drucks und den Prozentgehalt an übertragener Tinte ausüben;
15 ist ein Diagramme, welches die Wechselwirkungskurve wiedergibt, die bei einer Versuchsausführungsform erhalten wird, und welche die Wirkung der Rakelhärte auf die Qualität des übertragenen Drucks ausübt;
16 ist ein Diagramm, welches die Dicke eines derartigen Drucks als Funktion der Transversalgeschwindigkeit der verwendete Rakel wiedergibt, um einen Druck auf einer „weichen" Membran zu erzeugen; und
17 ist ein Diagramm der Membranhärte und der Rakelhärte.
Erweiterter Hintergrund zum Stand der Technik
Siebdrucken ist ein bekanntes kommerzielles Verfahren. Ein Schema eines Siebdruckverfahrens ist in 1 wiedergegeben und mit der Referenznummer 10 gekennzeichnet. Das Verfahren 10 beinhaltet die Verwendung eines Siebs 12 mit einem offenen Gewebe 14 in Gestalt des gewünschten graphischen Musters. Das Sieb 12 ist parallel zu dem zu bedruckenden Substrat 11 in einer speziellen berührungslosen Entfernung angeordnet. Das Sieb wird dann mit Tinte 16 geflutet und anschließend die Rakel 18 über die Oberfläche des Siebs bewegt. Der während dieser Bewegung abwärts gerichtete, von der Rakel ausgeübte Druck, presst die Tinte durch das offene Gewebe, welches das graphische Muster im Sieb abbildet. Nachdem die Rakel einen Bereich passiert hat, ermöglicht es die Spannung des gestreckten Siebs in Verbindung mit dem kontaktlosen Abstand zwischen dem Sieb und dem Substrat, dem Sieb sich von der in diesem Bereich abgeschiedenen Tinte zu trennen.
Bei einem typischen Tampondruckverfahren wird eine als Druckstock bekannte gravierte Platte mit Tinte geflutet. 2 gibt ein durch die Referenznummer 110 repräsentiertes Tampondruckverfahren schematisch wieder. Der gesamte Tintenüberschuss auf dem Druckstock wird mithilfe eines Schabemessers entfernt. Ein Kissen oder Tampon 112 wird verwendet, um Tinte 113 vom Druckstock aufzunehmen. Der Tampon wird dann auf ein zu bedruckendes Substrat aufgebracht. Nach der Berührung mit dem Substrat wird der Tampon über die Oberfläche des Substrats gerollt. Der Tintenabdruck 113 wird schließlich aus dem Tampon 112 freigesetzt, sobald er vom Substrat 116 abgehoben wird. Die den Tampon 112 betreffenden Abmessungen (Dicke & Winkel) hängen stark von der Gestalt und Fragilität des zu bedruckenden Substrats 116 ab. Die Abmessungen und die Gestalt (rund, rechtwinklig oder stabförmig) des Tampons 112 werden typischerweise so gewählt, dass sie eine rollende Bewegung ausführen, wenn die Tinte 113 vom Druckstock 114 aufgenommen und auf dem Substrat 116 abgeschieden wird. Tampons mit einem ebenen Profil werden wegen ihrer Neigung Luft zwischen dem Tampon und dem Substrat einzuschließen, wodurch Schäden auf dem erzeugten Druck verursacht werden, üblicherweise vermieden.
Zwischen Siebdruck und Tampondruck bestehen beträchtliche Unterschiede was die Zusammensetzung der verwendeten Tinte betrifft. Die bei diesen zwei Anwendungen verwendeten Tinten unterscheiden sich typischerweise stark bezüglich ihrer Lösungsmittelformulierung. Damit sie nicht auf dem Sieb eintrocknen enthalten die beim Siebdruck verwendeten Tintenformulierungen Lösungsmittel, deren Verdampfungsgeschwindigkeit geringer ist als diejenige der in Tinten für den Tampondruck verwendeten. In Tintenformulierungen für den Tampondruck wird die Lösungsmittelverdampfung dazu verwendet, um die rheologischen Eigenschaften und die Oberflächenspannung zu modifizieren, um während der Übertragung einen klebrigen („tacky") Film auf dem Tampon zu erzeugen. Demzufolge werden viele handelsübliche Siebdruck- und Tampon-drucktinten in einem Verfahren, welches beide konventionelle Drucktechniken in einem Verfahren vereinigt, wie der MIT-Druck, nicht optimal funktionieren.
Darüber hinaus bestehen zwischen dem MIT-Druck und sowohl dem konventionellen Siedruck als auch dem konventionellen Tampondruck beträchtliche Unterschiede bezüglich verschiedener Tintenparametern, Membran/Substrat-Eigenschaften und Verfahrens/Anwendungs-Parametern. Tintenparameter beim MIT-Druck schließen die Rheologie und Oberflächenspannung ein, und wobei die Zusammensetzung ein Faktor ist, um beschleunigte Automobilprüfverfahren zu überstehen. Mehrere Substrateigenschaften, welche die Fähigkeit zum Drucken mittels eines MIT-Verfahren beeinflussen, schließen die Oberflächenenergie und Härte ein. Letztendlich schließen das Verfahren als Ganzes betreffende Parameter, welche für das Siebdrucken eines Bildes auf eine Membran optimiert werden müssen ein: die Härte der Rakel, die auf die Rakel ausgeübte Kraft, die Transversalgeschwindigkeit der Rakel und die Zeitdauer, während der das Sieb mit Tinte geflutet wird. Weitere Verfahrensparameter, welche für die Übertragung eines Bildes von der Membran auf ein Substrat optimiert werden müssen, wie ein Kunststofffenster, schließen unter anderem die Zeitdauer zwischen der Aufgabe des Drucks auf eine „weiche" Membran und der Übertragung des Drucks von der Membran auf ein „hartes" Substrat, den Schälwinkel und die Höhe des Drucks ein, der zwischen der gebildeten Membran und dem Substrat aufgegeben wird, um die Übertragung des Drucks zu erleichtern. Es gibt daher in der Industrie Bedarf zur Optimierung aller Parameter in Bezug auf die Leistung der Tinte, das Siebdrucken eines Bildes auf eine weiche Membran mit niedriger Oberflächenenergie und die Übertragung dieses Bildes von der Membran auf ein Substrat.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die nachstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die Erfindung oder ihre Anwendung oder Verwendung in keiner Weise einschränken.
Die vorliegende Erfindung stellt eine detaillierte Spezifikation für die Parameter eines Siebdruckverfahrens bereit, das vorzugsweise dazu verwendet wird, ein Bild auf eine „weiche" Membran mit niedriger Oberflächenenergie zu drucken, die einen akzeptablen Druck liefert, nachdem es von der Membran auf ein hartes Substrat (z. B. Kunststoff etc.) mittels eines Membran-Bildübertragungs-Verfahrens (MIT) übertragen worden ist. Es wurde gefunden, dass die mit dem Siebdruck zusammenhängenden Haupteigenschaften, welche die Dicke (d. h. Opazität) und Qualität des Drucks beeinflussen, und die beim Membranbildtransferdruck auftreten, die Höhe der Kraft, welche von der Rakel auf das Sieb ausgeübt wird, die Härte der Rakel und die Härte der „weichen" Membran sind. Optimale Spannen für andere Siebdruckverfahrenparameter wie der berührungslose Abstand, die Flutungsdauer, die Siebmaschenweite, die Rakeltransversalgeschwindigkeit, der Rakelwinkel und die Siebzusammensetzung und auch die Membraneigenschaften wie die Dicke, Reinheit, Oberflächenenergie, Oberflächenpolarität und die Zusammensetzung, werden ebenfalls ermittelt.
Eine schematische Darstellung eines MIT-Verfahrens ist in den 3a–3d wiedergegeben. Der MIT-Druck bietet die Möglichkeit Gegenstände mit komplizierter Gestalt mit der gleichen Druckauflösung und Opazität zu bedrucken, wie sie normalerweise beim Siebdruck auf einem ebenen Substrat erhalten werden. Bei dieser Ausführungsform wird ein gedrucktes Dekor 212 durch ein Sieb 215 auf eine ebene „weiche" Membran 218 unter Verwendung eines konventionellen Siebdruckverfahrens aufgebracht, wie vorstehend ausgeführt und in 3a abgebildet. Die Membran 218 wird dann auf die Geometrie der Oberfläche eines Gegenstandes 220 hin mithilfe einer Form-Befestigungsvorrichtung 223 verformt oder wiederumgeformt ähnlich dem Spiegelbild des in 3b abgebildeten Gegenstands 220. Die verformte Membran 218 und der Gegenstand 220, welche über ein Formteil 226 miteinander verspannt sind, werden dann formschlüssig zusammengepresst, wie in 3c abgebildet. Die Ausübung von Druck zwischen dem durch das Formteil 226 verspannten Gegenstand 220 und der geformten Membran 218 führt zur Übertragung des Siebdruckbildes von der Membran 218 auf den Gegenstand 220, wie in 3d abgebildet.
Die Erfinder haben gefunden, dass das Siebdrucken sowohl auf ein „hartes" Substrat als auch auf ein „weiches" Substrat bezüglich der Tintendicke ähnliche Ergebnisse liefert, aber stark unterschiedliche Ergebnisse bezüglich der Qualität des Musters oder der Bildtextur. Es wurde beobachtet, dass die Qualität des Musters unter dem Auftreten transparenter Linien (Fehlen von Tinte) und/oder Löchern vom Siebgewebe leiden. Das Endergebnis bestand in einer Abnahme der Opazität aufgrund des Fehlens von Tinte im Bereich der transparenten Linien, wie in 4 gezeigt. In dieser Figur kann man durch eine „weiche" (weiße) Membran 312 durch ein erstes gedrucktes Bild 313 hindurch sehen, während ein zweites mit Siebdruck auf ein „hartes" Kunststoffsubstrat aufgebrachtes Bild 314 sich als total opak erwies. Identische Ergebnisse wurden sowohl auf „harten" als auch auf „weichen" Substraten erhalten, unabhängig von der Materialzusammensetzung des Substrats. Die Erfinder beobachteten zum Beispiel eine vollständige Bedeckung oder eine feste Bildtextur bei Bildern, welche mit Siebdruck auf „harte" Substrate wie PC, TPO, ABS und Nylon aufgebracht worden waren (alle erhalten vom Polymer Laboratory, Eastern Michigan University). Ähnlich wurde eine unvollständige Bedeckung oder Bildtextur beobachtet, wenn der Siebdruck auf „weiche" Substrate erfolgt, wie auf eine Siliconmembran (SIL60, Kuriyama of America), eine Nitrilmembran (W60, Kuriyama of America), eine Fluorsiliconmembran (MIL-25988, Jedtco Corp.) oder ein Fluorkohlenstoffelastomer (Vito, Daemar Inc.).
Zusätzlich zum Härtegrad beeinflusst die niedrige Oberflächenenergie, die mit diesen „weichen" Substraten verbunden ist, auch das Auftreten der transparenten Linien und Löcher, wenn man das Fließen der Tinte nach der Aufbringung auf die Membran unterbindet. Es ist bekannt, dass die Oberflächenenergie, welche jede der vorstehend beschriebenen Membranen aufweist, gleich oder kleiner ist als die Oberflächenspannung, welche typische Tintenformulierungen aufweisen (z. B. ist die Oberflächenspannung größer als etwa 25 dyn/cm oder mN/m). Oberflächen, deren Struktur vorherrschend entweder -CH₃, -CF₂- oder CF₃-Gruppen enthalten, wie dies bei den vorstehend beschriebenen „weichen" Membranen der Fall ist, sind bekannt dafür, dass sie eine Oberflächenenergie von typischerweise weniger oder gleich 25 mJ/m² oder erg/cm² aufweisen.
Es wurde durch Interferometrie beobachtet, dass die Dicke der über Siebdruck auf ein „weiches" oder „hartes" Substrat aufgebrachten Tinte ähnlich ist. Es wurde gefunden, dass die Verwendung einer herkömmlichen Art von Profilmesstechnik unzuverlässige Ergebnisse liefert. Die gemessene Dicke eines auf ein „weiches” Substrat gedruckten Tintenfilms mithilfe der Profilometrie wurde typischerweise as höher gemessen als die über die Interferometrie gemessene. Genauer gesagt, wurde mittels der Interferometrie ein Unterschied von kleiner als 5% zwischen der Dicke der Tinte, welche auf ein „hartes" Polycarbonatsubstrat und auf eine „weiche" Siliconmembran aufgebracht worden war, gemessen. Im Vergleich dazu wurde bei den gleichen Proben ein Unterschied der Tintendicke von größer als 50% beobachtet, wenn die Ergebnisse über Profilometrie erhalten wurden.
Der Hauptgrund für die fehlerhaften Ergebnisse bei Verwendung eines Profilmessgeräts liegt im grundsätzlichen Unterschied zwischen der Interferometrie und der Profilometrie. Die Interferometrie stellt eine berührungslose Methode dar, welche die Erzeugung eines hell/dunkel Saummusters über konstruktive und destruktive Interferenz von weißem Licht benützt, das von der Probe und Referenzproben reflektiert wird. Diese Technik kann quantitative Aussagen über die Textur, Rauigkeit und den Abstand der Stufenhöhe liefern. Andererseits ist die Profilometrie eine Kontaktmethode, die unter Last einen Stift über die Oberfläche zieht, um Aufschluss über die Stufenhöhe zu erhalten. Die Profilometrie ist eine geeignete Technik für „harte" Substrate, wie die Ähnlichkeit zwischen Messungen für Tinten zeigt, mit denen verschiedene Typen von thermoplastischen Substraten beschichtet worden waren. Diese Technik misst jedoch einen Tintenfilm, der auf einem „weichen" Substrat abgeschieden wurde, als wäre er viel dicker wie ein ähnlicher auf einem „harten" Substrat abgeschiedener. Es wird angenommen, dass die Nadel unter der Krafteinwirkung in das „weiche" Substrat gedrückt wird, wodurch der anfängliche Referenzspunkt resp. die Grundlinie unter die „wahre" Oberfläche der Membran abgesenkt wird. Im Endergebnis wird eine größere Stufenhöhe gemessen, um die Oberfläche des abgeschiedenen Tintenfilms zu erreichen. Es wurde gefunden, dass sich diese Wirkung bei Verwendung einer konischen Nadel mit kleinem Durchmesser der Spitze (z. B. 2,5 μm) oder durch Aufbringen einer größeren Kraft (z. B. maximal 20 mg) auf die Nadel, weiter erhöht.
Die Rakelhärte, der Rakelwinkel, die auf die Rakel ausgeübte Kraft, die Siebmaschenzahl, die Rakeltransversalgeschwindigkeit und der Zeitaufwand für das Fluten des Siebs mit Tinte sind die Schlüsselparameter beim Siebdruckverfahren, welche die Leistung der Tinte im Hinblick auf die Druckdicke (z. B. Opazität) und Bildqualität beeinflussen können. Die Erfinder untersuchten alle diese Parameter durch Verwendung mehrerer verknüpfter Versuchsentwürfe (DOEs). Die durchgeführten DOEs schlossen mehrere vollständige Machbarkeitsstudien ein unter Verwendung einer Vorrichtung im Labor- oder Pilotmaßstab und eines partiellen Machbarkeitsversuchs unter Einschluss des Prototyps für ein MIT-Herstellungsverfahren für Polycarbonatfenster. Die DOEs bildeten in ihrer Gesamtheit die Grundlage, auf der das anschließende Bedrucken von „weichen" Substraten und die Übertragung auf Polycarbonat verglichen und von den Erfindern optimiert wurde.
Der Klarstellung halber sind eine „weiche" Membran und ein „hartes" Substrat durch ihren Härtegrad definiert, wie in ASTM D 2240-03 spezifiziert. Eine „weiche" Membran wird typischerweise durch ein Elastomermaterial repräsentiert, dessen Härte üblicherweise nach der Shore A-Skala gemessen wird. Beispiele für „weiche" Materialien schließen unter anderem Kautschuke und Elastomere wie Nitrile, Polydimethylsiloxane, EPDM, Neopren, Fluorsilicone und Fluorkohlenstoffelastomere ein. Ein „hartes" Substrat ist ein thermoplastisches Material, dessen Härte typischerweise nach einer anderen Skala wie der Shore D- oder Rockwell R-Skala gemessen wird. Beispiele für thermoplastische Materialien schließen unter anderen TPO, ABS, Polycarbonat und Nylon ein.
Der Rakelwinkel ist als Kontaktwinkel definiert, welcher während des Druckvorgangs zwischen der Mittellinie der Rakel und dem Sieb gebildet wird. Wie 5 zeigt, wird der Kontakt mit dem Sieb 412 mit der Mitte der Breite der Rakel 414 hergestellt. Die für die Untersuchung bei den verschiedenen DOEs gewählten Rakelwinkel betrugen 0,0° und 45,0°. Der Winkel der Rakel 414 wurde während eines jeden Versuchs durch Verwendung einer auf der Rückseite der Rakel 314 angeordneten metallischen Halterung als Träger aufrechterhalten, welcher ungefähr ¾ der unbedeckten Fläche umfasste.
Die auf die Rakel ausgeübte Kraft kann durch die Zahl der Drehungen auf dem Druckmessbalken der Rakel wiedergegeben werden, die vom eingestellten Mittelpunkt während des Siedrucks mit der Tinte 418 abweicht. Der Mittelwert der aufgebrachten Kraft wird durch Bestimmung der Ober- und Untergrenzen für das Bedrucken eines Substrats mithilfe eines schnellen, einfachen empirischen Näherungsverfahrens festgestellt. Als Untergrenze wird der Punkt festgelegt (z. B. Zahl der Drehungen), an dem das Substrat unvollständig bedruckt wird. Als Obergrenze wird der Punkt festgelegt, an dem der Druck infolge der Anwesenheit von zu viel abgeschiedener Tinte sich zu verziehen oder zu „schmieren" beginnt. Der Mittelwert der aufgewendeten Kraft stellt dann den Punkt ½ oder den Mittelweg zwischen der Ober- und Untergrenze dar. Diese Technik eignet sich für viele im Handel erhältliche, technisch anspruchslose Siebdruckgeräte wie für das Saturn Modell von M&R Screen Printing Equipment Incorporated. Eine Drehung am Druckmessbalken der Rakel entspricht einer Verschiebung der Rakel von 2 mm. Die Erfinder haben gefunden, dass der Abstand zwischen der Unter- und Obergrenze üblicherweise etwa 4 mm beträgt. Eine grobe Abschätzung für die Bestimmung des Mittelpunkts besteht daher darin, die Untergrenze einzustellen und dann die Rakel um 2 mm nach oben zu verschieben. Wird die auf die Rakel ausgeübte Kraft nach diesen Verfahren definiert, ergibt sich daraus der Unterschied, der dem „berührungslosen" Abstand zwischen dem Sieb und dem Substrat entspricht. Der „berührungslose" Abstand wird üblicherweise zwischen etwa 3 bis 12 mm eingestellt. Der eingestellte Mittelwert der auf die Rakel ausgeübten Kraft (z. B. Zahl der Drehungen) hängt vom gewählten „berührungslosen" Abstand ab.
Es wurde festgestellt, dass alle vorstehend beschriebenen Siebdruck-Hauptparameter die Dicke der auf die „weiche" Membran aufgebrachten und anschließend auf ein „hartes" Substrat über ein Membran-Bildübertragungs-Verfahren (MIT) übertragenen Tintenschicht beeinflussen. Die Erfinder haben gefunden, dass die aufgebrachte Kraft und Härte der Rakel die empfindlichsten Einflussgrößen sind, welche den größten Einfluss auf die Dicke der übertragenen Tintenschicht ausüben. Es wurde ferner gefunden, dass die aufgebrachte Kraft beträchtliche Sekundärwechselwirkungen sowohl auf die Härte als auch auf den Rakelwinkel ausübt. Es wurde beobachtet, dass diese sekundären Wechselwirkungen die Wirkungen der Hauptparameter begünstigen. Das Wechselwirkungsdiagramm und die Auswirkung der Oberfläche auf diese Parameter in Bezug auf die Dicke der übertragenen Tintenschicht ist in den 6a–6b dargestellt.
Es wurde beobachtet, dass die Dicke der auf der „weichen" Membran abgeschiedenen und anschließend auf ein „hartes" Substrat übertragenen Tintenschicht dramatisch zunimmt, wenn die aufgebrachte Kraft niedrig und die Härte der Rakel hoch ist. Genauer gesagt, hatte die Härte der Rakel wenig Einfluss auf die Dicke des übertragenen Tintenfilms (vgl. die 6a–6b), wenn die aufgebrachte Kraft erhöht wurde (z. B. +0,5 Drehungen über den festgelegten Mittelpunkt). Wurde die ausgeübte Kraft jedoch verringert, erwies es sich, dass die Härte der Rakel einen beträchtlichen Einfluss ausübt. Obwohl beobachtet wurde, dass die Dicke der Tintenschicht bei allen Werten der Rakelhärte zunahm, wenn die ausgeübte Kraft abnahm, wurde die maximale Änderung bei einer Rakel mit hoher Härte (80 Shore A) angetroffen. Wie die Gegenoberfläche (vgl. 6b) zeigt, wurde ein beträchtlicher Krümmungsanteil in die experimentellen Werte miteinbezogen.
Die erwünschte oder optimale Tintendicke von etwa 4,0–6,0 μm innerhalb der Gesamtgrenze von etwa 4,0 bis 10,0 μm wurde bei Anwendung eines Drucks nahe der festgelegten Mittelpunktseinstellung (0,00 ± 0,25 Drehungen) erhalten. Die Dicke der Tinte entspricht direkt der Opazität des Drucks. Es ist eine minimale Dicke von ungefähr 4,0 bis 5,0 μm bevorzugt, damit die Opazität des gedruckten Bildes nahe bei 100% liegt. Obwohl die erwünschte Tintendicke über die Verwendung einer Rakel im Härtebereich von 60–80 Shore A erhalten werden kann, wird im Hinblick auf die Wechselwirkung, welche zwischen dieser Einflussgröße und der aufgebrachten Kraft oder dem Druck besteht, empfohlen, eine Rakel mit einer niedrigeren Härte (z. B. < 70 Shore A) zu verwenden, um eine geeignete Tintenschichtdicke zu erhalten. Eine sorgfältige Einstellung der aufgebrachten Kraft wird durch die Empfindlichkeit dieser Einstellung auf ±0,25 Drehungen angezeigt. Es wird eine periodische Überprüfung des Siebs empfohlen, um eine angemessene Siebspannung sicherzustellen, damit die Höhe der aufgebrachten Kraft nicht nachteilig beeinflusst wird.
Es wurde gefunden, dass die Tintendicke (z. B. die Opazität) von der Siebmaschenzahl und der Zeitdauer des Flutens des Siebs mit Tinte weniger beeinflusst wird. Im Besonderen kann die Dicke des Drucks durch Verwendung einer Siebmaschenzahl von weniger als 230 mesh erhöht werden. Es sind Siebe mit bevorzugten Maschenzahlen von entweder 160 oder 200 mesh verfügbar. Es ist bevorzugt die Zeitdauer für das Fluten des Siebs mit Tinte zu maximieren, um die Dicke des aufgebrachten Drucks zu erhöhen. Eine Zeitspanne von größer als 30 Sekunden ist für das Fluten bevorzugt, um die Dicke des aufgebrachten Drucks zu erhöhen. Die Erfinder haben zusätzlich festgestellt, dass die Opazität des gedruckten Bildes in einzigartiger Weise auch durch die Steuerung der Rakeltransversalgeschwindigkeit erhöht werden könnte. Es wurde gefunden, dass beim Starten der Rakel mit einer hohen Geschwindigkeit von größer als etwa 0,34 m/sec (z. B. mit einer Einstellung von 2 bis 11 auf einem Saturn Siebdrucker, M&R Screen Printing Equipment Inc.) die Opazität des aufgebrachten Bildes aufgrund des die Scherung reduzierenden Verhaltens, welche typische Tinten zeigen, erhöht wird. Die hohe Geschwindigkeit verursacht eine Erhöhung der Schergeschwindigkeit der Tinte, welche wiederum eine beträchtliche Abnahme der Viskosität der Tinte verursacht. Folglich fließt die Tinte leichter durch das Sieb auf die „weiche" Membran mit niedriger Oberflächenenergie. Die Transversalgeschwindigkeit der Rakel kann gegen Ende ihres Weges reduziert werden, um zu verhindern, dass der mechanische Arm mit großer Kraft auf den Haltemechanismus der Maschine aufschlägt.
Alle DOE-Ergebnisse beruhen sowohl für Rakeln mit einem Winkel von 0° als auch mit einem solchen von 45° auf Doppelbestimmungen. Folglich kann eine Rakel, welche beide Typen von Winkeln mit der Oberfläche bildet, mit ähnlichen Ergebnissen verwendet werden. Es wurde beobachtet, dass sich die Mittelwerte der aufgebrachten Kraft für jede der Rakeltypen von einander unterscheiden. Es wird mit anderen Worten jede Rakel vorzugsweise eine andere Einstellung der aufgebrachten Kraft (z. B. Drehungen) aufweisen, um den Mittelwert festzulegen, obwohl zwei Rakeln mit unterschiedlichen Winkeln die gleiche Härte aufweisen können. Es wurde gefunden, dass eine Gummiwalze die größte Tintendicke abscheidet. Die Erfinder stellten unerwarteter Weise fest, dass im Gegensatz zu einer flachen (0°) oder abgewinkelten Rakel (45°) bei Verwendung einer Gummiwalze bei einem vertretbaren Druck die Rakel einen höheren Härtegrad aufweisen durfte. Für eine Gummiwalze ist eine Härte größer als etwa 80 Shore A bevorzugt. Folglich kann eine Gummiwalze dazu verwendet werden die Tinten dicke, sofern gewünscht, in Richtung auf ihre Obergrenze von etwa 10 μm hin zu maximieren, vorausgesetzt, dass das bevorzugte Härtemessgerät verwendet wird.
Die Erfinder stellten durch weitere Versuche fest, dass die Hauptparameter, welche die Bildtextur (z. B. die Qualität des Abdrucks) des aufgebrachten Drucks beträchtlich beeinflussen, sowohl die Rakelhärte als auch die ausgeübte Kraft beinhalten. Es wurde weithin gefunden, dass die Rakelhärte eine beträchtliche Sekundärwechselwirkung mit der ausgeübten Kraft eingeht. Es wurde beobachtet, dass diese sekundäre Wechselwirkung wiederum die Wirkungen der Hauptparameter begünstigt.
Das beste Modell, welches gefunden wurde, das hinreichend zu den gemessenen Bildtexturwerten passte, bestand in einer Umkehrtransformation. Mit anderen Worten lag die beste Bildtextur vor, wenn 1/Bildtextur minimiert wurde. Die Bildtextur oder Qualitätsbewertung bestand in einer subjektiven Zahl (10 = am besten, 0 = am schlechtesten), die auf der Beobachtung der Anwesenheit von Nadelstichen, verursacht von den Ecken des Siebmaschen, von transparenten Siebgewebefäden, der Anwesenheit von Schatten und vom stellenweisen Verlust herrührt Die für diese Parameter aufgestelltem Wechselwirkungsdiagramme und Ansprechoberflächen sind im Hinblick auf die Bildtextur in den 7a–7b dargestellt.
Es wurde beobachtet, dass sich die Bildtextur des aufgebrachten Tintenfilms verbesserte, wenn die Härte der Rakel niedrig war. Genauer gesagt, hatte die aufgewendete Kraft sehr wenig Einfluss auf die Qualität des gedruckten Bildes (7a–7b), wenn die Rakelhärte niedrig war (z. B. 60 Shore A). Wurde die Rakelhärte jedoch erhöht, wurde gefunden, dass die aufgebrachte Kraft einen beträchtlichen Einfluss ausübt. Die Beschädigung der Bildtextur oder Qualität war bei hoher Rakelhärte beobachtbar, wenn eine niedrige Kraft (z. B. –0,5 Drehungen ab dem Mittelpunkt) aufgebracht wurde.
Es wurden mehrere numerische Berechnungen unter Verwendung der in einer typischen statistischen Software (Design Expert^®, StatEase, Minneapolis, MN) verfügbaren objektiven Erwünschtheitsfunktion durchgeführt, um die Dicke und Bildtextur des abgeschiedenen Tintenfilms zu optimieren und dadurch die beste Musterqualität und den besten Opazitätsgrad zu erzielen. Die zu jedem Verfahrensparameter gehörigen Optimierungsparameter sowie die für die Berechnung verwendeten, gemessenen Ansprechwerte, sind in Tabelle 1 angegeben. Der zum Erhalt eines annehmbaren Opazitätsgrads verwendete Bereich der Tintendicke ist von vielen herkömmlichen Siebdruck- und Tampondrucktinten bekannt und liegt zwischen 4,0–10,0 μm, wobei er zwischen 4,0 bis 6,0 bevorzugt ist. Der bei diesen Berechnungen gewünschte Bereich an Kraftaufwand und der Rakelhärte wurde als Gesamtbereich angenommen, wie er in der kürzlich beschriebenen Versuchsdurchführung verwendet wurde. Eine hohe (erwünschte) Einstufung der Bildtextur wies zum Beispiel ein niedriges Inversionsverhältnis (1.0/Bildtextur) auf wie durch das Umkehrtransformationsmodell angegeben.
Die aus der Analyse für jeden Rakelwinkel erhaltene numerische Lösung ist in Tabelle 1 angegeben. Alle diese Lösungen sind vorgesehen, um die bevorzugten Ergebnisse zu liefern, um unter Verwendung einer Rakel mit einem Winkel von entweder 0'' oder 45° Tinte auf einer „weichen" Membran abzuscheiden. Innerhalb der Bereiche, welche vorstehend bei der Untersuchung der DOEs beschrieben wurden, ist eine Rakel mit niedriger Dichte (< 70 Shore A) und die Anwendung von Druck nahe der festgelegten Mittelpunktseinstellung (0,00 ± 0,25 Drehungen) bevorzugt. Eine Schlüsselbeobachtung bezüglich der Analyse der gemessenen Werte besteht darin, dass das im Siebdruck auf die „weiche" Membran gedruckte Bild dem endgültigen Bild, das nach dem MIT-Verfahren auf dem „harten" Substrat erhaltenen wird, angemessen entspricht.
Der Kehrwert des Bildtexturbereichs (1,0/Bildtextur) von etwa 0,17 bis 0,19 für einen Druck, der auf ein „hartes" (Polycarbonat) Substrat von einer „weichen" Membran mit niedriger Oberflächenenergie übertragen wird, ist höher als derjenige, welcher bei direktem Siebdrucken auf einem „harten" Substrat erhalten wird. Der Bereich für den Kehrwert der Bildtextur, welcher bei direktem Siebdrucken auf ein „hartes" Substrat erhalten wird, wurde als in der Größenordnung von 0,10–0,13 liegend gefunden. Ein niedrigeres Verhältnis des Kehrwerts der Bildtextur entspricht einem höheren Grad an Bildqualität. Demzufolge liefert ein Siebdruck auf einer "weichen" Membran bei anschließendem MIT-Verfahren einen Druck mit geringerer Qualität als einer, welcher bei direktem Siebdruck auf einem „harten" Substrat erhalten wird. Obwohl die Dicke der Tintenschicht, welche auf einer „weichen" Membran vorliegt, der auf einem „harten" Substrat vorliegenden ähnlich ist, ist die Bildqualität niedriger, wie das Beispiel des Auftretens vom Siebgewebe hinterlassener transparenter Linien und Nadellöcher zeigt (vgl. 4).
Tabelle 1
Bevorzugte Kriterien

Rakelhärte im Bereich von 60–80 Shore A-Härte
Angewandte Kraft im Bereich von +/–0,5 Drehungen vom festgelegten Mittelpunkt
Tintendicke im Bereich von 4,0–10,0 μm
MINDESTMASS des Kehrwerts 1,0/(Textur)-Verhältnis

Lösungen

Rakelhärte (Shore A-Härte)	Angewendete Kraft (Anzahl der Drehungen ab festgelegtem Mittelpunkt	Tintendicke (μm)	1,0/Bildtexturverhältnis
Rakelwinkel = 0°
66,8	+0,20	4,27	0,170
66,1	+0,20	4,22	0,170
Rakelwinkel = 45°
60,0	–0,25	8,73	0,165
60,0	+0,18	8,70	0,188

Die Erfinder haben festgestellt, das die Bildqualität oder Textur eines nach dem MIT-Verfahren erhaltenen Drucks (z. B. Siebdruck auf eine „weiche" Membran und Übertragung auf ein „hartes" Substrat) durch Erhöhung der Härte des Membranmaterials von 60 Shore A auf über etwa 70 Shore A, dramatisch erhöht werden kann. Nachdem eine größere Membranhärte von einem größeren Vernetzungsgrad zwischen den Polymerketten verursacht wird, wird eine Abnahme der Dehnungseigenschaften beobachtet. Folglich ist eine negative Auswirkung der Erhöhung der Härte des Membranmaterials eine Einschränkung des Krümmungsvermögens im Substrat, dem es sich anpassen kann.
Es wurde gefunden, dass das Siebdrucken eine Bildes auf ein hartes Fluorkohlenstoffelastomer (THV, Dyneon Corp., St. Paul, MN) keinerlei Hinweise auf Siebgewebelinien gilbt, wie sie vorher bei weicheren Membranmaterialien beobachtet wurden. Diese spezielle Membran besitzt einen Härtegrad in der Größenordnung von 44 Shore D, was in etwa 95 Shore A, entspricht. Ähnliche Ergebnisse wurden mit anderen Membranmaterialien erhalten, welche Härterade größer als etwa 75 Shore A, besaßen. Die anschließende Übertragung eines Drucks von einer Siliconmembran (80–85 Shore A, Ja-Bar Silicone Corp.) auf ein Polycarbonate lieferte zum Beispiel ein vollständiges Bild ohne jedes Anzeichen vom Siebgewebe (d. h. transparente Linien oder Löcher) wie 8b gegenüber 8a für eine Membran mit einer Härte von 60 Shore A, zeigt. Die Erfinder haben folglich gefunden, dass die Membranhärte die Fähigkeit bestimmt mit Siebdruck ein Bild herzustellen, welches eine vollständige Bedeckung oder Opazität aufweist. Durch Erhöhung der Membranhärte kann der Einfluss, den die Oberflächenenergie durch die Membran auf das fertige Bild ausübt, der Freisetzung der Tinte aus der Membran während der Bildübertragung auf das „harte" Substrat zugeschrieben werden.
Die Erfinder haben gefunden, dass zwei spezifische Typen von „weichen" Membranmaterialien für die Verwendung in einem Membran-Bildübertragungs-Verfahren bevorzugt sind. Diese Membranen bestehen aus hochmolekularen, extrudierten oder formgepressten Flächenmaterialien aus einem Silicon- oder Fluorsiliconelastomer. Spezifische Beispiele dieser Membrantypen schließen ein das extrudierte Siliconflächenmaterial (SIL60), vertrieben von Kuriyama of America, Elk Grove Village, Illinois, ein extrudiertes Siliconflächenmaterial mit einer Shore A-Härte von +80 (Ja-Bar Silicone Corp., Andover, New Jersey) und das extrudierte Fluorsiliconflächenmaterial (MIL-25988, Typ 2, Klasse 1), hergestellt von der Jedtco Corp., Westland, Michigan. Es hat sich erwiesen, dass diese extrudierten Flächenmaterialien ausgezeichnete Leistungsmerkmale im Hinblick auf die Tintenübertragung und die Verträglichkeit bei Aufbringung einer Deckbeschichtung bieten, wie einer Urethanbeschichtung oder einem Silicon Hard-Coat System. Eine Deckbeschichtung sollte verwendet werden, um das gedruckte Bild und das Kunststoffteil als Ganzes vor schädlichen Einwirkungen infolge des Aussetzens an verschiedene Witterungsverhältnisse und abtragende Medien (z. B. Steinchen, Kratzer, normaler Abrieb und Verschließ etc.) zu schützen.
In einer Flüssigkeit erzeugen die von jedem Molekül ausgeübten Anziehungskräfte einen Innendruck, welcher die Flüssigkeit daran hindert zu Fließen und eine neue Oberfläche zu bilden. Diese Erscheinung, welche als Oberflächen spannung bekannt ist, wird überwunden, damit eine Flüssigkeit über ein Oberfläche fließen kann. Die Oberflächenspannung wird üblicherweise als Kraft pro Längeneinheit (dyn/cm oder mN/M) angegeben. Für Flüssigkeiten entspricht diese Kraft per Längeneinheit jedoch auch dem Überschuss an freier Energie pro Flächeneinheit (mJ/m² oder erg/cm²), die aufgewendet werden muss, um eine neue Oberfläche zu schaffen. Die Energie wird mit anderen Worten dazu verwendet Moleküle aus dem Innern der Flüssigkeit zu bewegen, um eines neue Oberfläche zu bilden. Demzufolge entspricht bei Flüssigkeiten (z. B. Tinten) die Oberflächenspannung der Oberflächenenergie. Die gleiche Äquivalenz gilt nicht für Feststoffe (z. B. Membranen & Substrate).
Da die Moleküle in einem Feststoff nicht die gleiche Beweglichkeit besitzen wie diejenigen in einer Flüssigkeit, muss ein Feststoff Energie aufwenden, um die Oberfläche zu verformen und die Bildung einer neuen Oberfläche zu bewerkstelligen. Die Oberflächenbeanspruchung oder -spannung wird demzufolge typischerweise größer sein als seine Oberflächenenergie. Wegen der Schwierigkeit sowohl die Oberflächenspannung als auch die Oberflächenenergie fester Materialien zu messen, sind wir auf Verfahren angewiesen (z. B. Kontaktwinkel, Flüssigkeitsstandards etc.), welche die Oberflächenenergie abschätzen lassen.
Kommt eine Flüssigkeit mit einem Feststoff in Berührung, existiert eine Beziehung zwischen der Grenzflächenenergie des Systems und dem Kontaktwinkel (θ). Diese Beziehung wird durch die in 9 wiedergegebene Young'sche Gleichung beschrieben. Wenn sich eine Flüssigkeit auf einer festen Oberfläche ausbreitet und dadurch die fest-flüssig Grenzfläche vergrößert, ist die zwangsweise Folge eine Abnahme der Grenzfläche fest/dampfförmig.
Die Änderung der GIBB'schen freien Energie über eine Flächenvergrößerung (dA) lässt sich durch den Ausdruck (γ_IV + γ_IS – γ_SV)dA annähern. Ist diese Änderung der freien Energie negativ, wird die Flüssigkeit spontan fließen oder sich über die Oberfläche des Feststoffs ausbreiten. Dieses Konzept wird allgemein anhand des Ausbreitungskoeffizienten (S) ausgedrückt, wie in Gleichung 1 definiert. In diesem Fall wird ein positiver Ausbreitungskoeffizient verwendet, wenn eine spontane Ausbreitung erfolgt. S = γSV – (γIV + γIS) (Gl. 1)
Die Grenzflächenenergie einer fest-dampfförmigen Grenzfläche kann durch Bestimmung der kritischen „Benetzungsspannung" für den Feststoff durch die Verwendung von standardisierten Lösungen abgeschätzt werden, wie in ASTM D 2258-94 beschrieben. Lösungen bekannter Oberflächenenergie oder -spannung liefern mit dem Cosinus des Kontaktwinkels, den eine Flüssigkeit auf einem Substrat bildet, eine lineare Beziehung. Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit kann folglich experimentell dadurch bestimmt werden, dass sie die Oberfläche eines Feststoffs spontan „benetzt". Jede Flüssigkeit, welche eine Oberflächenspannung aufweist, die gleich oder kleiner als die kritische „Benetzungsspannung" ist, würde sich ebenfalls spontan über die Oberfläche ausbreiten. Dieses Konzept der kritischen „Benetzungsspannung" wird wegen seiner Einbeziehung in die Bestimmung der Oberflächenchemie, vorzugsweise in die einer Membran erwähnt, welche in der Lage ist, eine Tinte bei einem MIT-Druckverfahren erfolgreich zu übertragen. Oberflächen, deren Struktur vorzugsweise entweder -CH₂-, CH₃-, CF₂- oder CF₃-Gruppen enthalten, besitzen, wie dem Fachmann bekannt, kritische „Benetzungsspannungen" in der Größenordnung von 31, 22, 18 bzw. 15 mN/m.
Das Vorliegen von Si-CH₃-Funktionalitäten auf der Oberfläche einer Membran, welche aus Siliconkautschuk besteht, liefert eine Oberfläche mit einer sehr niedrigen kritischen „Benetzungsspannung". Die niedrige kritische „Benetzungsspannung" von Siliconkautschuk ist die Haupteigenschaft der Membran, welche für die gute Tintenübertragung sorgt. Die Membran sollte demzufolge eine kritische „Benetzungsspannung" von kleiner oder gleich etwa 25 mN/m aufweisen. Diese Grenze für die kritische Benetzungsspannung entspricht der Grenze für die Oberflächenenergie von wenigen oder gleich etwa 25 mJ/m².
Zusätzlich zur kritischen Gesamtbenetzungsspannung oder Oberflächenenergie sorgt die Polarität der Oberfläche dafür, dass die Adhäsionsenergie zwischen der Membran und der Tinte minimiert wird, während die Adhäsionsenergie zwischen der Tinte und dem Kunststoffsubstrat maximiert wird. Die Polarität der Tinte, der Membran und des Substrats können durch getrennte Messung der Oberflächenspannung und Oberflächenenergiewerte in polare und dispersive Komponenten getrennt werden, wie dem Fachmann bekannt ist.
Nach der Theorie der Oberflächenenergie von Fowkes kann die dispersive (unpolare) Komponente einer Flüssigkeit (z. B. Tinte) von ihrer Gesamtoberflächenspannung mithilfe des Kontaktwinkels der Tinte gegen PTFE (unpolare Oberfläche) nach Gleichung 2 getrennt werden. Nach dieser Theorie weist eine Flüssigkeit, welche an PTFE einen kleinen Kontaktwinkel aufweist, für die dispersive Komponente eine hohe Oberflächenspannung auf.
In dieser Gleichung repräsentiert θ_PTFE den zwischen PTFE und der Flüssigkeit (z. B. Tinte) gemessenen Kontaktwinkel, während die Gesamtoberflächenspannung für die Flüssigkeit durch σ_L wiedergegeben wird. Folglich kann die Oberflächenspannung der dispersiven Komponente (σ_L ^D), repräsentiert durch die Flüssigkeit, durch einfache Berechnung nach Gleichung 2 erhalten werden. Die Oberflächenspannung der polaren Komponente (σ_L ^P) der Flüssigkeit wird dann aus der Differenz zwischen der Gesamtoberflächenspannung (σ_L) und derjenigen der dispersiven Komponente (σ_L ^D) bestimmt. Das Verhältnis der polaren Komponente zur Gesamtoberflächenspannung liefert ein Maß für die prozentuale Polarität der Oberfläche.
Auf ähnliche Weise kann die Oberflächenenergie (σ_S), welche ein festes Substrat aufweist, nach der Fowkes'schen Energietheorie gemäß Gleichung 2 erhalten werden. In dieser Gleichung stellen σ_S ^D und σ_S ^P die dispersive und polare Komponente der Oberflächenenergie dar, welche der Feststoff aufweist. Für die Bestimmung von σ_S werden vorzugsweise zwei Standardflüssigkeiten verwendet, wovon nur eine dispersive Komponente zu ihrer Gesamtoberflächenspannung beiträgt. Unter diesen Umständen wird σ_L ^P zu Null, während σ_L gleich σ_L ^D wird. Folglich kann σ_L ^P unter Verwendung der gemessenen Kontaktwinkel- und Oberflächenspannungswerte direkt aus Gleichung 3 berechnet werden. Diiodmethan wird üblicherweise als erste Standardfluid (σ_L ^P = 0,0 mN/m) verwendet. Diese Standardfluid besitzt einen Oberflächenspannungswert (σ_L + σ_L ^D) in der Größenordnung von 50 mN/m.
Die zweite Standardfluid ist üblicherweise Wasser, welches eine Oberflächenspannung (σ_L) von 70–75 mN/m, eine dispersive Komponente (σ_L ^D), entsprechend etwa 25 mN/m und eine polare Komponente (σ_L ^P) von etwa 50 mN/m aufweist. Verwendet man die bekannten Oberflächenspannungswerte für diese Standardfluid zusammen mit dem Wert für die dispersive Komponente für die Oberflächenenergie des Substrats (σ_S ^D) und den Kontaktwinkel von Wasser gegen das Substrat, kann man den Wert für die polare Komponente (σ_S ^P) aus Gleichung 3 erhalten. Die gesamte Oberflächenenergie des festen Substrats ist dann einfach die Summe der dispersiven und polaren Komponenten. Die Polarität der Substratoberfläche wird üblicherweise als prozentualer Anteil der polaren Komponente an der gesamten Oberflächenenergie des Substrats angegeben.
Die Erfinder haben es als wünschenswert gefunden die Adhäsion zwischen der Membran und der Tinte zu minimieren (unpassende Oberflächenpolarität) und gleichzeitig die Adhäsionsenergie zwischen der Tinte und dem Substrat (ähnliche Oberflächenpolarität) zu maximieren, um beim MIT-Verfahren die beste Übertragung zu erhalten. Die Oberflächenpolarität der Tinte sollte um etwa 10% größer und die Oberflächenpolarität der Membran gleichzeitig um etwa 2% niedriger sein. In ähnlicher Weise sollte die Oberflächenpolarität des Substrats näher an der Oberflächenpolarität der Tinte liegen als diejenige der Tinte an der Polarität der Membranoberfläche. Die Polarität der Oberfläche des Kunststoffsubstrats sollte weniger als etwa 20% betragen. Eine Ähnlichkeit der Oberflächenpolarität zwischen Tinte und Substrat fördert die Adhäsion zwischen der Tinte und der Substratoberfläche.
Es hat sich gezeigt, dass der Zusatz von Siliconöl zum Siliconkautschuk, wie er in der Tampondruck-Industrie zur Modifizierung der Härte erfolgt, sehr wenig Einfluss auf die Oberflächenenergie oder die kritischen Benetzungsspan nung der Membran hat. Die Anwesenheit von niedermolekularem Siliconöl im Siliconkautschuk ist jedoch unerwünscht, weil es zur Emission einer schützenden Deckschicht Veranlassung geben kann, wie zu einem Silicon Hard-Coat System auf dem „harten" Substrat. Die Übertragung einer Verunreinigung aus der Membran auf die Oberfläche des „harten" Substrats könnte die Oberflächenenergie des Fensters verändern und dadurch die Aufbringung der schützenden Deckschicht behindern.
Es hat sich erwiesen, dass alle herkömmlichen Silicon-Drucktampons die kritische Benetzungsspannung von Polycarbonatsubstraten von 42–45 mN/m beim Kontakt auf Werte unter ≈ 30 mN/m herabsetzen. Versuche zur Aufbringung einer Deckbeschichtung aus einem Acrylpolymer (SHP401, DE Silicones) und einer harten Siliconbeschichtung (AS4000, GE Silicones) auf dieses Polycarbonatsubstrat, nachdem es in Kontakt mit einem Siliconkissen stand, schlugen infolge der Bildung von starken Kratern (z. B. Fischaugen) fehl. Das Auslaugen von niedermolekularem Siliconöl (lineare und cyclische Moleküle) aus den Silicontampon und seine Übertragung auf das Substrat wurden als Quelle für die Oberflächenverunreinigung identifiziert, welche die Bildung der Beschichtungsschäden verursacht. Es wurde beobachtet, dass selbst konventionelle, als „trocken" gehandelte Silicontampons mit wenig oder ohne „freiem" Siliconöl, das zur Modifizierung der Härte zugesetzt wird, eine ähnlich Abnahme der Oberflächenenergie und die Bildung von Kratern bei der Aufbringung von Deckbeschichtungen verursachen.
Es wurde gefunden, dass spritzgegossene (IM) Silicon- und Fluorsiliconmaterialien, welche einer anschließenden Temperung unter Vakuum unterworfen wurden, eine beträchtliche Abnahme der kritischen Benetzungsspannung von Polycarbonat verursachen. Dieser Einfluss wurde durch den zusätzlichen Versuch die niedermolekularen Verunreinigung durch Verwendung eines chemischen Reinigungsverfahrens (2 Minuten einweichen in Toluol und 45 Minuten tempern bei 50°C) zu entfernen, geringfügig verringert. Es wurde jedoch selbst in diesem Fall bei einer resultierenden kritischen Benetzungsspannung zwischen 34–35 mN/m beim Aufbringen eines Deckschichtsystems auf das Polycarbonatsubstrat die Bildung von Kratern beobachtet. Lediglich ein Typ von Silicon- und ein Typ von Fluorsiliconmembran zeigten keinen dramatischen Einfluss auf die kritische Benetzungsspannung von Polycarbonat und konnten erfolgreich mit einer schützenden Deckschicht beschichtet werden.
Extrudierte Membranen aus Siliconkautschuk umfassen Siliconkautschukelastomere mit hoher Konsistenz, welche entweder durch Kondensations-, Radikal- oder Additionspolymerisation bei gleichzeitiger Zugabe von Verstärkern (z. B. gebranntes Siliciumdioxid, gefälltes Siliciumdioxid etc.) und Füllstoffen (z. B. Bariumsulfat, Titandioxid etc.) sowie auch Härtungsmitteln gebildet werden. Das Elastomer kann aus einem einzigen Polymertyp oder einer Abmischung von Polymeren, die unterschiedliche Funktionalitäten oder Molekulargewichte enthalten, bestehen. Bei der Polykondensation werden zum Beispiel die im Polydimethylsiloxangrundharz vorliegenden Hydroxylendgruppen mit einem Vernetzungsmittel umgesetzt (vgl. 10a). Das bevorzugte Vernetzungsmittel ist ein methoxy- oder ethoxyfunktionelles Silan oder Polysiloxan. Die katalysierte Kondensationsreaktion erfolgt bei Raumtemperatur unter Freisetzung von Alkohol. Typische Katalysatoren schließen sowohl Amine als auch die Salze von Carbonsäuren vieler Metalle ein, wie von Blei, Zink, Eisen und Zinn.
Ein radikalisches Härtungsverfahren verwendet Katalysatoren, wie Peroxide, welche in spezifische Wechselwirkung mit Alkylsubstituenten im Polymergerüst treten. Der Peroxidkatalysator (unter anderen z. B. Bis(2,4-dichlorbenzoyl)peroxid und Benzoylperoxid) zerfallen unter Bildung freier Radikale, welche mit dem Polymergerüst reagieren. Ein zusätzlicher Härtungsmechanismus beinhaltet die katalysierte Addition eines Siliziumhydrids (-SiH) an eine als funktionelle Gruppe im Polymergerüst vorliegende ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbindung, wie in 10b gezeigt. Der Hydrosilanisierungskatalysator beruht üblicherweise auf einem Edelmetall wie Platin, Palladium und Rhodium. Chlorplatinsäure (vgl. 10b) ist beispielsweise ein Beispiel für einen Hydrosilanisierungskatalysator. Der Additionshärtungsmechanismus ist der bevorzugte Mechanismus zur Bildung von Siliconkautschuk mit hoher Konsistenz zur Verwendung in einem Membranmaterial aufgrund der Abwesenheit irgendwelcher bei der Härtungsreaktion gebildeter Nebenprodukte.
Elastomere aus Siliconkautschuk mit hoher Konsistenz unterscheiden sich vom flüssigen Siliconkautschuk, welcher typischerweise für das Spritzgießen von Komponenten verwendet wird. Im Allgemeinen lassen sich Elastomere aus Siliconkautschuk mit hoher Konsistenz typischerweise mahlen, verglichen mit pumpfähigen flüssigen Siliconkautschuken. Der Polymerisationsgrad von Siliconkautschuken mit hoher Konsistenz liegt im Bereich von etwa 5.000 bis 10.000 (Zahl der sich wiederholenden funktionellen Gruppen im Polymergerüst) mit einem Molekulargewicht, das von etwa 350.000 bis 750.000 Atomgewichtseinheiten (amu) reicht. Im Vergleich dazu liegt der Polymerisationsgrad in flüssigen Siliconkautschuken in der Größenordnung von 10 bis 1000, entsprechend Molekulargewichten im Bereich von 750 bis 75.000 amu.
Extrudierte Fluorsiliconkautschuke, welche für die beschriebene Ausführungsform geeignet sind, können nach einem Verfahren hergestellt werden, das dem vorangehend beschriebenen für Polydimethylsiloxankautschuk sehr ähnlich ist. Die Substitution von Methylgruppen in den konventionellen, für die Herstellung von Polydimethylkautschuk verwendeten Siliconzwischenprodukten durch fluorhaltige organische Gruppen, wie die Trifluorpropylgruppe, liefert die Grundbausteine, welche für die Herstellung von Membranen aus Fluorsiliconkautschuk mit hoher Konsistenz bevorzugt sind.
Das in den meisten Tintensystemen vorliegende Lösungsmittelsystem, das unter anderem typischerweise Ester, Ketone und/oder Kohlenwasserstoffe einschließt, kann von „weichen" Membranen mit niedriger Oberflächenenergie absorbiert werden. Die Erfinder haben gefunden, dass Fluorkohlenstoffelastomere mehr Lösungsmittel absorbieren, charakterisiert sowohl durch die Gewichtszunahme als auch durch die Volumenvergrößerung (Quellung), als Siliconkautschuk oder Fluorsiliconkautschuk. Die Quellung der Membran leistet einen beträchtlichen Beitrag für die Anwendung einer Tinte und die Verwendung einer „weichen" Membran bei einem MIT-Druckverfahren. Die Erfinder stellten fest, dass die Quellung der Membran sich in einer Abnahme der Membranhärte äußert und dass sie die Opazität und die Bildqualität des aufgebrachten Drucks beeinträchtigt. Diese Erscheinung wird bei Verwendung einer sehr dünnen Membran (z. B. mit einer Dicke von weniger als etwa 0,16 cm oder 1/16 inch) stark verstärkt. Dieses Phänomen sollte die Oberfläche des „harten" Substrats durch das Auslaugen irgendwelcher Verunreinigungen aus der Membran und deren Ablagerung auf der Substratoberfläche nicht nachteilig beeinflussen. Die Oberflächenenergie des „harten" Substrats wird, mit anderen Worten, beim Kontakt mit der durch Lösungsmittel „gequollenen" Membran nicht beeinträchtigt.
Es wurden zwei Verfahren gefunden, welche für die Minimierung der Abnahme der Membranhärte während des kontinuierlichen MIT-Druckverfahrens nützlich sind. Diese Verfahren schließen das Blasen von Pressluft über die Membranoberfläche und/oder das Wischen der Oberfläche mit einem membranverträglichen Lösungsmittel ein. Ein Beispiel für ein Lösungsmittel, welches bei der Verwendung mit einer Siliconmembran verträglich ist, ist ein Alkohol, wie Isopropylalkohol. Es wurde gefunden, dass die Anwendung eines jeden dieser Reinigungsverfahren vorzugsweise nach jeweils 5–15 Drucken erfolgen sollte. Die Verwendung des alkoholischen Reinigungsverfahrens ergab eine Abnahme der Membranhärte um mindestens 50% der ohne Reinigung zu beobachtenden Abnahme, wie 11 zeigt. Es wurde gefunden, dass die Verwendung der beiden vorstehend beschriebenen Reinigungsverfahren nützlich ist, um selbst nach 60 kontinuierlichen Drucken eine akzeptable Druckqualität bereitzustellen, vorausgesetzt es wird eine Membran mit einer Dicke von größer als etwa 0,16 cm (1/16 inch) verwendet. Die bevorzugte Membrandicke zur Verwendung bei einem MIT-Verfahren für die Aufbringung eines Drucks auf ein Polycarbonatfenster liegt in der Größenordnung von etwa 0,32 bis 0,64 cm (1/8 bis 1/4 inch).
Reinigungsverfahren von denen gefunden wurde, dass sie einen kleinen oder keinen Einfluss auf die Abnahme der Quellung der Membran ausüben, schließen das Abwischen der Membran mit dem in der Tinte enthaltenen Lösungsmittel und das kurze Erwärmen der Membranoberfläche auf eine Temperatur von 65°C (150°F) ein. Im Lauf der Zeit wird das in der Membran absorbierte Lösungsmittel verdampfen und es der Membran erlauben zu ihrer ursprünglichen Härte zurückzukehren. Es wurde beobachtet, dass diese Wiederherstellung mehr als 12 Stunden dauern kann, was im Hinblick auf die Produktivität (übergroße Anlagenstillstandszeit) nicht akzeptabel ist. Demzufolge ist das Abblasen der Membran oberfläche mit Pressluft und/oder das periodische Abwischen der Membranoberfläche mit einem verträglichen Lösungsmittel bevorzugt.
Die nachstehenden speziellen Beispiele sollen die Erfindung erläutern und sollten nicht dazu konstruiert werden, den Umfang der Erfindung einzuschränken.
Beispiel 1 – Messung der Tintendicke mittel Interferometrie im Vergleich zur Profilometrie.
Es wurden insgesamt sieben ebene Materialien mit verschiedenen Zusammensetzungen und Eigenschaften, wie in Tabelle 2 angegeben (Vers. # 1–7), unter Verwendung eines konventionellen Siebdruckgeräts bedruckt. Der Siebdruckvorgang umfasste ein Standardsiebdruckgerät (Saturn, M&R Screen Printing Equipment Inc.), ausgerüstet mit einer 65 Shore A-Härte Rakel und einem 160 mesh Sieb. Die verschiedenen Substrate lagen in zwei Härtebereichen vor, und waren beispielsweise entweder ein „harter" Thermoplast wie Nylon, Polycarbonat, ABS und TPO, oder ein „weiches" Elastomer (Kautschuk) wie ein Silicon oder Nitril. Die Dicke aller Substrate wurde konstant gehalten. Alle Substrate wurden unter Verwendung identischer Druckbedingungen (z. B. Kraftaufwand, Transversalgeschwindigkeit, Flutungsdauer etc.) simultan mit schwarzer Drucktinte (Noriphan HTR-952 + 10 Gew.-% 097/003 Verzögerer, Proell KG, Schweiz) bedruckt.
Tabelle 2
Es wurde bei der Messung mittels konventioneller Profilometrie bei allen Drucken auf einem harten Substrat (Vers. Nr. 1–4) ein beträchtlicher Unterschied bezüglich der Dicke der Stufenhöhe gegenüber allen Drucken auf einem „weichen" Substrat (Vers. Nr. 5–7) beobachtet. Die Profilometrie ist eine geeignete Technik für „harte" Substrate wie die Ähnlichkeit zwischen den Messungen für die auf mehreren Typen von thermoplastischen Substraten abgeschiedenen Tinten zeigte (Vers. Nr. 1–4). Diese Technik misst jedoch einen ähnlichen Tintenfilm, der auf einem „weichen" Substrat abgeschieden wurde, als wie wenn er viel dicker wäre, wie Vers. Nr. 5–7 für verschiedene elastomere Substrate zeigt. Das Profildickenmessgerät (Dektak 8000, Sloan, eine Tochter von Vickers Industries), welches verwendet wurde, um diese Messergebnisse zu erhalten, brachte eine Last von 1 mg auf eine konische Nadel von 12,5 μm auf. Die Erfinder nehmen an, dass die Nadel unter der aufgebrachten Last in das weiche Substrat gedrückt wird, wodurch der anfängliche Bezugspunkt oder die Grundlinie unter die „wahre" Oberfläche der Membran gedrückt wird. Das Endergebnis ist die Messung einer größeren Stufenhöhe, um die Oberfläche des abgeschiedenen Films zu erreichen. Dieser Einfluss wird durch die Messung der größten Stufenhöhe (Vers Nr. 7) bestätigt, welche für eine Membran mit der geringsten Härte (30 Shore A) erhalten wurde, verglichen mit den beiden anderen Membranmaterialien (Vers. Nr. 5–6) mit einer Härte von 60, Shore A. Es wurde gefunden, dass sich dieser Einfluss bei Verwendung einer konischen Nadel mit kleinerem Durchmesser der Spitze (z. B. 2,5 Lm Spitze) oder Aufbringung eines größeren Last (z. B. maximal 20 mg) auf die Nadel sogar noch weiter verstärkt. In beiden Fällen erwies es sich, dass die Änderung der gemessenen Dicke bei Drucken, die auf die „weichen" Substrate aufgebracht wurden, beträchtlich zunahm.
Die Interferometrie stellt ein berührungsloses Verfahren zur Messung der Oberflächentextur, Rauigkeit und des Stufenhöhenunterschieds dar, welches eine genauere Messung der Druckdicke liefert als man sie bei Verwendung der konventionellen Profilmesstechnik erhält. Diese Technik benützt zur Bestimmung der Abstände die Erzeugung eines hell/dunkel Saummusters über konstruktive und destruktive Interferenz von weißem Licht, das von der Probe und Referenzproben reflektiert wird. Es wurden jeweils insgesamt zwei Polycarbonatsubstrate und zwei elastomere Siliconmembranen, wie in Tabelle 3 als Vers. # 8–11 identifiziert, mittels herkömmlichem Siebdruck bedruckt. Es wurden die oben beschriebenen identischen Parameter verwendet, um alle Proben im Siebdruck zu bedrucken mit Ausnahme davon, dass die Siebmaschenweite auf 200 Faden pro inch erhöht wurde.
Tabelle 3
Es wurde gefunden, dass die Interferometrie und die Profilmesstechnik identische Ergebnisse bezüglich der Dicke der Stufenhöhe für einen auf ein „hartes" Substrat aufgebrachten Druck lieferten. Die mittlere Dicke des auf das Polycarbonat aufgebrachten Drucks in den Versuchen 8 und 9 wurde mittels der Interferometrie (NewView^TM 5022 profiler, Zygo Corporation, Middlefield, CT) zu 7,5 μm gemessen, was annähernd identisch ist mit den 7,4 μm Dicke, welche für diese Proben mittels Profilometrie gemessen wurde.
Es wurde gefunden, dass die Interferometrie und die Profilometrie stark unterschiedliche Ergebnisse bezüglich der Dicke der Stufenhöhe für einen auf ein „weiches" Substrat aufgebrachten Druck lieferten. Die Erfinder haben gefunden, dass die Interferometrie zwischen einer Tinte, welche auf ein Polycarbonatsubstrat aufgebracht worden war (Vers. Nr. 8–9) und der auf eine Siliconmembran aufgebrachten (Vers. Nr. 10 und 11), nur einen Unterschied von 5% gemessen hatte, während Im Vergleich dazu nach Erhalt der Messergebnisse aus der Profilometrie bei diesen Musterproben (Vers. Nr. 8–9 gegen 10–11) ein Unterschied der Tintendicke von mehr als 50% beobachtet wurde.
Dieses Beispiel veranschaulicht, dass der Siebdruck sowohl auf „harten" (z. B. Polycarbonat etc.) als auch auf „weichen" (z. B. Siliconmembran etc.) Sub straten ähnlich Tintendicken abscheidet. Die Schwankung der auf diesen Substraten unter ähnlichen Bedingungen abgeschiedenen Tintendicken betrug nach Interferometrie weniger als 5%. Es wurde gefunden, dass die Verwendung der Profilometrie für eine auf einem „weichen" Substrat abgeschiedene Tinte eine falsche Dickenmessung liefert. Es wird angenommen, dass in diesem Fall eine Einrückung über die Nadel in die „weiche" Membran die Schwierigkeit erhöht, eine wahre Grundlinie festzulegen
Obwohl die Dicke des Drucks auf „harten" und „weichen" Substraten näherungsweise identisch war, so war die Bildqualität des Drucks doch stark unterschiedlich, wie 4 zeigt. Im Fall eines auf eine Nitrilmembran (60 Shore A-Härte) aufgebrachten Drucks wurde ein unvollständiger Bildabdruck beobachtet. Dieser unvollständige Abdruck entstand aufgrund der Unfähigkeit der Tinte über die Membran zu fließen, um die vom Siebdruckverfahren offen gelassenen Sieblinien zu füllen. Im Vergleich dazu wurde gefunden, dass das auf ein Polycarbonatsubstrat aufgebrachte Bild 100% Opazität und einem festen oder vollständigen Bildabdruck aufwies. Dieses Beispiel zeigt weiterhin, dass die Bildqualität eines auf eine „weiche" Membran mit niedriger Oberflächenenergie über Siebdruck aufgegebenen Drucks nicht so ausgeprägt oder klar ist, wie die Bildqualität eines über Siebdruck aufgebrachten Drucks auf ein „hartes" Substrat mit einer Oberflächenenergie, die größer ist als die der Tinte.
Die Hauptunterschiede zwischen der Membran und dem Substrat schließen sowohl ihre Härte als auch die Werte der Oberflächenenergie ein. Die Härte des Polycarbonats beträgt ungefähr 80 Grad Shore D, während seine kritische Benetzungsspannung in der Größenordnung von 42–45 mN/m oder dyn/cm liegt, gemessen nach ASTM D 2578-94. Die Härte der Nitrilmembran beträgt andererseits ungefähr 60 Shore A bei einer kritischen Benetzungsspannung in der Größenordnung von 34–35 mN/m. Typische Tinten auf Lösungsmittelbasis, wie die bei diesen Versuchen verwendeten Tinten, besitzen Oberflächenspannungen in der Größenordnung von 27–35 mN/m. Es ist dem Fachmann wohlbekannt, dass die Größe der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit vorzugsweise um etwa 10 mN/m niedriger sein soll als die Oberflächenenergie („kritische Benetzungsspan nung") des Substrats, damit eine Flüssigkeit, wie eine Tinte, die Oberfläche eines Substrats vollständig „benetzt".
Beispiel 2 – Labor- und Prototyp-Produktions-MIT-Anlage
Nachdem die Interferometrie am Beispiel Nr.1 bestätigte, dass die auf einer weichen Membran abgeschiedene Tintendicke mit der durch Siebdruck auf einem Polycarbonat abgeschiedenen vergleichbar ist, wäre das kostengünstigste Prüfverfahren die Untersuchung aller nach dem MIT-Verfahren bedruckten Bilder von der weichen Membran auf ein Polycarbonatsubstrat zu übertragen. Unter diesen Bedingungen, z. B. dem MIT-Transfer des Drucks von der Membran auf das Polycarbonat vor der Prüfung, könnte ein herkömmliches Profilometer verwendet werden, um die Tintendicke genau zu bestimmen.
Es wurde ein MIT-Gerät im Labormaßstab gebaut, um sowohl die Membranmaterialien (25,4 × 25,4 cm maximale Größe) und die Tintenzusammensetzungen zu untersuchen als auch die mit der Übertragung von Tinte von der Membran auf ein Polycarbonatsubstrat zusammenhängenden Grundlagen zu verstehen. Dieses Laborgerät simulierte den tatsächlichen Betrieb einer MIT-Anlage im Technikumsmaßstab. In diesem Sinn wird eine Aufspannvorrichtung angehoben, um die Membran in die Gestalt der Vorrichtung zu strecken. Die gestreckte Membran kommt ungefähr 1–2 mm unterhalb der Oberfläche des Polycarbonatsubstrats (maximale Größe 22,9 × 22,9 cm) zum Stillstand. Das Polycarbonatsubstrat, welches durch einen Teilrahmen an Ort und Stelle gehalten wird, wird dann abgesenkt und gegen die gestreckte Membran gedrückt. Die zwischen dem Substrat (Teilebefestigung) und der Membran (Formbefestigung) aufgebrachte Kraft wird mit einer einfachen Druck/Kraft-Messgerät (maximal 91 kg oder 200 lbs) gemessen. Dieses Laborgerät wurde bei den nachfolgenden Versuchen (vgl. Beispiel 3 etc.) verwendet.
Es wurde eine Prototyp-Produktions-MIT-Anlage gemäß den Zeichnungen und Angaben in der US Patentanmeldung 2003-0116047 konstruiert. Dieser Prototyp einer Produktionsanlage kann Kunststoffsubstrate wie Polycarbonatfenster bis zu einer Größe von etwa 0,5 m² bedrucken. Die Maschine verwendet ein Standardsiebdruckgerät (Saturn, M&R Screen Printing Equipment Inc.) und eine Siliconmembran (60 Shore A-Härte, Kuriyama of America, Elk Grove Village, IL), um einen Druck zu erzeugen, der auf die innere Oberfläche eines Polycarbonatfensters übertragen wird. Dieser Prototyp einer MIT-Produktionsanlage wurde bei den nachfolgenden Versuchen (vgl. Beispiel 6 etc.) verwendet.
Beispiel 3 – DOE-Siebdruck mithilfe eines MIT-Laborgeräts
Eine erste DOE-Versuchsausführung wurde als eine mit einer kompletten Reproduktions-2²-Produktionsausführung (Auflösung V) genau übereinstimmenden Ausführung konstruiert, um zu versuchen, die Beziehungen zwischen der Rakelhärte und der aufgebrachten Kraft während des Siebdruckens mit dem Noriphan HTR-952 Tintensystems (Proell KG) auf eine Siliconmembran (SIL60, Kuriyama of America) zu untersuchen. Die Versuchauslegung ist in Tabelle 4 zusammen mit den Messwerten für die Tintendicke und Bildtextur oder Qualität wiedergegeben. Es erfolgten insgesamt 12 Versuche, einschließend 4 Mittelwertsversuche (Standardreihenfolge Nr. 9–12), um die Krümmung im resultierenden Modell zu bestimmen. Der Versuchsfehler bei diesen Versuchen ergibt sich sowohl aus den Mittelwertsversuchen als auch aus der Reproduktion aller Versuche (d. h. die Standardreihenfolge Nr. 1 und 2 verwendet identische Parametereinstellungen). Dieses vollständige Versuchsprogramm wurde zweimal unter Verwendung von Rakeln mit unterschiedlichen Winkeln (0° oder 45°) durchgeführt, wie in 5 definiert.

Das unter Beispiel 2 konstruierte MIT-Laborgerät wurde dazu verwendet, den bei jedem Versuchslauf erzeugten Druck von der Siliconmembran auf eine Polycarbonatplatte zu übertragen. Alle MIT-Verfahrensparameter wurden während des ganzen Versuchsprogramms konstant gehalten, d. h. es wurde der Schälwinkel der Formbefestigung bei 10°, die Härte der Formbefestigung bei 35 Shore A, die Kontaktdauer zwischen der bedruckten Membran und dem Polycarbonatsubstrat bei 2 Sekunden und die zwischen der Membran (Formbefestigung) und dem Substrat (Teilebefestigung) aufgegebene Gesamtdruckkraft bei 91 kg gehalten. Zusätzlich wurde die Zeit zwischen dem Siebdrucken auf die Membran und der Übertragung des Drucks von der Membran auf ein Polycarbonatsubstrat mit 30 Sekunden ebenfalls konstant gehalten. Alle Versuche, welche die Tintendicke und Bildqualität oder Textur betreffen, erfolgten auf „harten" Polycarbonatproben, welche nach diesem Verfahren hergestellt und gemäß den vom Hersteller veröffentlichten Empfehlungen gehärtet wurden. Tabelle 4

		Verfahrensparameter		Ansprechwerte 0° Rakelwinkel		Ansprechwerte 45° Rakelwinkel
Standard folge	Versuchsfolge	Rakelhärte (Shore A-Härte)	Kraftaufwand*	Tintendicke (μm)	Bildtextur (Bewertung 10 = hoch)	Tintendicke (μm)	Bildtextur (Bewertung 10 = hoch)
11	1	70	0	5,6	8,50	4,7	7,25
8	2	80	0,5	4,2	6,50	10,3	5,50
12	3	70	0	6,1	7,50	5,3	7,00
10	4	70	0	4,6	7,00	3,8	7,50
1	5	60	–0,5	6,00	6,00	9,7	6,10
5	6	60	0,5	4,2	6,00	8,3	4,50
9	7	70	0	5,5	6,50	4,5	7,00
4	8	80	–0,5	8,2	3,00	9,3	3,25
7	9	80	0,5	4,2	8,00	9,5	5,25
6	10	60	0,5	3,5	5,50	9,0	4,25
2	11	80	–0,5	6,2	5,00	7,9	6,00
3	12	80	–0,5	7,8	3,00	11,2	3,50

*Kraftaufwand = Anzahl der Drehungen vom festgelegten Mittelpunkt

Rakeln mit unterschiedlichen Winkeln (45° oder 0°) verlangten eine unterschiedliche Einstellung der Mittelpunktskraft, um die gewünschte Druckqualität zu erhalten. Genauer gesagt wurde gefunden, dass die Einstellung der Mittelpunktskraft für eine Rakel mit einem Winkel von 45° oder 0° eine Einstellung von entweder 3,0 bzw. 4,5 auf dem Rakeldrucksteuerbalken des Saturn Siebdruckgeräts betrug. Die Mittelpunktskraft wurde eingestellt, indem der Mittelpunkt bestimmt wurde, zwischen dem der aufgebrachte Druck entweder Fehlstellen auswies (nicht genug Tinte) oder teilweise verschmiert war (zu viel Tinte). Die Rakelkraft wird auf dem Siebdruckgerät durch Drehen dieses Schalters in eine bestimmte Stellung (Minimum = 0; Maximum = 15) eingestellt. Diese Einstellung erhöht oder erniedrigt die vertikale Stellung der Rakel, wodurch sie den von der Rakel auf das Sieb ausgeübten Druck verändert. Die Erfinder haben gefunden, dass die Druckqualität auf einer „weichen" Membran bei der kleinsten Einstellung der aufgegebenen Kraft (z. B. ungefähr ±0,25 Drehung oder Einstellung) sehr empfindlich reagiert. Demzufolge wurde bei jedem DOE die Einstellung für die hohe und niedrige Kraft um ±0,5 Drehungen von der optimalen Einstellung abweichend vorgenommen. Die größte und geringste Rakelhärte wurde auf 60 bzw. 80 Shore A eingestellt. Des Weiteren wurde bei allen Versuchen die Siebmaschenzahl, die Rakeltransferrate und die Flutungsdauer mit 200 Faden/inch, 25,4 cm/sec bzw. 16 Sekunden konstant gehalten. Im Hinblick auf die Bestimmung des Mittelwerts der aufgegebenen Rakelkraft wurde der „berührungslose" Abstand zwischen dem Sieb und der Membran bei diesem Versuch nicht als Verfahrensparameter betrachtet. Der nach vorstehendem Verfahren ermittelte Mittelwert der auf die Rakel aufgegebenen Kraft erklärt die Unterschiede beim „berührungslosen" Abstand, die vom Fachmann verwendet werden könnten.
Es wurde gefunden, dass sowohl die Härte der Rakel als auch die aufgegebene Kraft eine primäre und sekundäre Wechselwirkung auf die Dicke und Bildqualität (Textur) des gedruckten Bildes ausüben, wenn es von der Membran auf ein Polycarbonatsubstrat übertragen wird. Ähnliche Ergebnisse wurden bei Verwendung von Rakeln mit Winkeln von 0° oder 45° erhalten. Die für die DOE bei Verwendung von Rakeln mit Winkeln von 0° oder 45° erhaltenen Messwerte sind in vorstehender Tabelle 4 wiedergegeben. Alle Messergebnisse wurden mithilfe eines ANOVA Vollprogramms analysiert, das in den meisten statistischen Software Standardprogrammen wie dem Design-Expert^® (Stat-Ease Inc. Minneapolis, MN) verfügbar ist.
Die ANOVA-Analyse bestätigte, dass sowohl die Rakelhärte als auch die ausgeübte Kraft einen beträchtlichen Einfluss auf die Dicke des aufgebrachten Drucks (z. B. die Opazität) ausüben. Die DOE (Rakelwinkel 0°) wurde zum Beispiel unter Verwendung der nachstehend als Gleichung 4 angegebnen abschließenden Gleichung bei einem auf 0,908 eingestellten R2-Wert modifiziert. Es wurde gefunden, dass die Dicke der abgeschiedenen Tintenschicht ein Minimum erreicht, wenn die aufgegebene Kraft 0,5 Umdrehungen über der optimalen Einstellung lag, wie in 6a gezeigt. Es wurde beobachtet, dass dieses spezifische Ergebnis von der Rakelhärte unabhängig ist. Obwohl beobachtet wurde, dass die Dicke der Tintenschicht bei allen Werten der Rakelhärte mit abnehmender Kraft zunimmt, wurde der größte Einfluss bei einer Rakel mit hoher Härte (80° Shore A) beobachtet. Wie aus der Ansprechoberfläche ersichtlich (vgl. 6b) trat ein beträchtlich Krümmungsanteil auf. Demzufolge sind eine Rakel mit niedriger Härte und eine Druckaufgabe in der Nähe des festgelegten Mittelwerts erwünscht, um eine akzeptable Tintendicke vorzusehen. Dicke = 0 5,60 + 0,29·Härte + 2,40·Kraft – 0,07·Härte·Kraft (Gl. 4)
Es wurde mittels ANOVA-Analyse beobachtet, dass die Bildtextur oder Qualität des gedruckten Tintenbildes nach der MIT-Übertragung von der Membran auf Polycarbonat sowohl von der aufgegebenen Kraft als auch von der Rakelhärte ebenfalls beträchtlich beeinflusst wird. Die DOE (Rakelwinkel 0°) wurde zum Beispiel unter Verwendung der nachstehend als Gleichung 5 angegebnen abschließenden Gleichung bei einem auf 0,944 eingestellten R2-Wert modifiziert. Eine Kehrwerttransformation erwies sich als das beste Modell für diese Ansprechung bei beiden DOEs (Rakelwinkel 45° und 0°). Es wurde genauer gesagt beobachtet, dass sich die Bildqualität bei Verwendung einer harten Rakel mit zunehmender Kraftaufwendung verbesserte und sich unter ähnlichen Kraftbedingungen verschlechterte, wenn eine weiche Rakel verwendet wurde (vgl. 7a–7b). Aufgrund dieses Einflusses wurde bezüglich der Bildtextur bei beiden DOEs eine beträchtliche Krümmung beobachtet. Die wegen dieses Einflusses in der DOE unter Verwendung einer Rakel mit einen 0° Winkel erzeugte Gegenoberfläche ist beispielsweise in 4B wiedergegeben. 1,0/Bildqualität = –1,63 + 0,03·Härte + 0,55·Kraft – 0,01·Härte·Kraft (Gl. 5)
Es erfolgte unter Verwendung der mittels der ANOVA-Analyse der jeweiligen DOE (Rakelwinkel = 45° und 0°) erzeugten Ansprechoberfläche die Berechnung der optimalen Parametereinstellung gemäß den definierten Kriterien (vgl. Tabelle 1). Die beschriebene Optimierung der Dicke der Tintenschicht und der Bildqualität unter Verwendung der Design-Expert^® Software lieferte verschiedene Lösungen, welche den spezifischen Grad der Bildtextur und der Tintenschichtdicke zeigten. Alle Lösungen waren für die Verwendung einer Rakel mit geringer Härte und eine aufgegebenen Kraft geringfügig unterhalb oder nahe dem Mittelwert kennzeichnend. Demzufolge ist bei den vorstehend beschriebenen DOEs innerhalb der untersuchten Bereiche eine Rakel mit geringer Härte (< 70° Shore A) und ein Aufgabedruck nahe der gegebenen Mittelpunktseinstellung (0,00 ± 0,25 Drehungen) bevorzugt.
Um eine Grundlinie für die Bildtextur (Qualität) festzulegen, kopierten die Erfinder den vorstehend erhaltenen DOE-Siebdruck indem sie ihn direkt auf ein „hartes" Polycarbonatsubstrat druckten. Bei diesem Versuch wurden alle vorstehend spezifizierten Siebdruckparameter verwendet. Der Mittelwert der aufgegebenen Kraft wurde für Rakeln mit einem Winkel von 45° und 0° zu 7,0 und 9,5 Drehungen vom eingestellten Mittelwert abweichend festgelegt. Der Kehrwert des Bildtexturverhältnisses für das direkte Bedrucken eines „harten" Substrats wurde aus den gemessenen Werten mittels ANOVA-Analyse zu 0,10–0,13 bestimmt. Die Erfinder fanden unerwarteter Weise, dass beim Bedrucken einer „weichen" Membran die Kriterien für den Kehrwert der Bildtextur (1,0/Bildtextur) von 0,10–0,13 auf 0,17–0,20 erweitert werden mussten, um brauchbare Ergebnisse zu erzielen. Folglich liefert das Siebdrucken auf eine „weiche" Membran mit nachfolgender MIT-Behandlung einen Druck mit niedrigerer Qualität als derjenige, welcher beim direkten Siebdruck auf ein „hartes" Substrat erhalten wird. Obwohl die auf einer „weichen" Membran vorliegende Tintenschichtdicke ähnlich der auf einem „harten" Substrat vorliegenden ist (vgl. Beispiel 1), ist die Bildqualität niedriger, wie beispielsweise das Auftreten von transparenten Linien und Löchern 713 zeigt, welche durch die Siebmaschen verursacht wurden (vgl. z. B. 8a). Im Endergebnis weist ein Druck, welcher diese transparenten Linien und Löcher enthält, ein unannehmbares Aussehen und am Ende eine Abnahme der Opazität gegenüber dem aufgebrachten Druck auf.
Beispiel 4 – Erhöhung der Bildqualität über die Membranhärte
In Beispiel 3 ist zu beobachten, dass die Bildtextur oder Druckqualität bei der Abscheidung von Tinte auf einem „weichen" Substrat verglichen mit der auf einem „harten" Substrat leidet. Im Besonderen wurde in Abbildungen, welche auf „weiche" Substrate gedruckt wurden, das Vorliegen von kleinen Löchern und transparenten Linie identifiziert, welche von den Ecken des Siebmaschen verursacht werden (vgl. 8a). Dieses Beispiel veranschaulicht, dass diese Erscheinung durch Erhöhung der Membranhärte von 60 Shore A auf über etwa 70 Shore A umgangen werden kann.
Genauer gesagt, haben die Erfinder gefunden, dass nach dem Bedrucken einer „halb-harten" (THV Fluorelastomer, Dyneon Corp., St. Paul. MN) Membran im Siebdruck bei Übertragung unter Verwendung des Laborgeräts (Beispiel 2) diese keinerlei Anzeichen von Siebmaschenlinien zeigte, wie sie vorher bei weicheren Membranmaterialien beobachtet wurden, wie 8b zeigt. Diese spezielle Membran weist einen Härtegrad in der Größenordnung von 44 Shore D auf, welcher ungefähr 95 Shore A entspricht. Ähnliche Ergebnisse wurden beim Siebdrucken auf Membranen verschiedener Zusammensetzung (unter anderem z. B. Silicone und Fluorsilicone) mit Härtewerten größer als 70 Shore A erhalten. Die anschließende Übertragung eines Drucks auf Polycarbonat von einer Siliconmembran (80 Shore A, Ja-Bar Silicone Corp.) liefert ein vollständiges Bild ohne irgendwelche Anzeichen des Siebgewebes (z. B. transparente Linien und Löcher), wie in 8b dargestellt. Es wurde folglich gefunden, dass die Härte der flexiblen „weichen" Membran die Fähigkeit bestimmt, mittels Siebdruck ein Bild zu drucken, welches eine hohe Bildqualität und Opazität besitzt. Der Einfluss, den die Oberflächenenergie über die Membran auf das fertige Bild ausübt, ist daher der Freisetzung der Tinte aus der Membran während der Bildübertragung auf ein „hartes" Substrat, wie ein Polycarbonat, zuzuschreiben.
Beispiel 5 – Bevorzugte Membranzusammensetzung
Es wurden acht herkömmliche Silicontamponformulierungen und sechzehn unterschiedliche Membranmaterialien auf ihre Fähigkeit zur Verwendung in einem MIT-Druckverfahren untersucht. Die Membranmaterialien, deren Zusammensetzung sich unterschied, schlossen sowohl repräsentative Proben von Polydimethylsiloxanen, Fluorsiliconen und Fluorkohlenstoffelastomeren als auch unter anderen Kautschuken, EPDM, Nitrile und Neopren ein. Alle Veränderungen der kritischen Benetzungsspannung, die ein Polycarbonatsubstrat aufwies, wurden gemessen, nachdem die Polycarbonatplatte ungefähr 10–15 Sekunden mit einer Membran in Berührung gestanden hatte. Die kritische Benetzungsspannung des Polycarbonats wurde anhand des in ASTM D2578-94 beschriebenen Verfahrens bestimmt. Die gesamten Verfahrensparameter, welche das Siebdrucken auf das jeweilige Membranmaterial und die anschließende Übertragung des Drucks auf ein „hartes" Polycarbonatsubstrat (Laborgerät) betreffen, wurden während dieser Untersuchung konstant gehalten. Insbesondere war der verwendete Siebdruckvorgang der Gleiche, wie in den Beispielen 1 und 3 definiert, wobei das in den Beispielen 2 und 3 beschriebenen MIT-Laborverfahren verwendet wurde. Eine detaillierte Zusammenfassung der Ergebnisse dieser Untersuchung ist in Tabelle 5 wiedergegeben. Tabelle 5

** Prüfung wiederholt nach zusätzlicher Reinigung: 2 min einweichen in Toluol, dann 45 min tempern bei 50°C
[a] Service Tectonics Inc., Adrian, Michigan; [b] Trans Tech of America Inc. Carrol Stream, Illinois; [c] GE Silicones, Waterford, New York; [d] Jedtco Corp., Westland, Michigan; [e] Daemar Inc., Savannah, Georgia; [f] James Walker, Glenwood, Illinois; [g] Kuriyama of America, Elk Gfrove Village, Illinois; [h] Bayer Inc. (Rubber Division), Samia, Ontario, Canada.
Tinte (I) = HTR-952 schwarz mit 10 Gew.-% Verzögerer 097/003, Proell GmbH, Schweiz; Tinte (II) = HG-N501 mit 10 Gew.-% Retarder XX, Coates Screen, St. Charles, IL; Tinte (III) = DTX-0638 UV black Ink, Coates Screen, St. Charles, IL.

Alle beim herkömmlichen Tampondruck verwendeten Silicondrucktampons erniedrigten die kritische Benetzungsspannung von Polycarbonat nach dem Kontakt von 42–45 dyn/cm (Vers. Nr. 12) auf weniger als 30 dyn/cm. Versuche einen Acrylprimer und eine harte Siliconbeschichtung auf das Polycarbonatsubstrat nach dem Kontakt mit den Silicontampons schlugen wegen der Bildung von starken Kratern (z. B. Fischaugen) fehl. Das Auslaugen von Siliconöl aus einem Silicontampon und sein Übergang auf das Substrat wurden mittels Infrarotspektroskopie bestimmt. Die Infrarotspektroskopie konnte für niedermolekulare Siliconöle bekannte Si-C- und Si-O-Streckschwingungen nachweisen. Es wurde beobachtet, dass selbst herkömmliche, als „trocken" verkaufte Siliconöltampons mit wenig oder ohne „freiem", zur Härtemodifizierung zugesetztem Siliconöl, nach Anwendung eines harten Silicon Hard-Coat Systems eine ähnliche Abnahme der Oberflächenenergie und die Bildung von Kratern verursachten (vgl. Vers. Nr. 16, 19 und 20).
Es erwies sich, dass spritzgegossenes (IM) Siliconmaterial, welches nachträglich unter Vakuum getempert wurde, eine beträchtliche Abnahme der kritischen Benetzungsspannung von Polycarbonat verursachte (Vers. Nr. 21–28). Dieser Einfluss wurde geringfügig verringert (Vers.- Nr. 25–28), indem zusätzlich versucht wurde, niedermolekulare Verunreinigungen durch die Verwendung eines chemischen Reinigungsprozesses (2 Minuten Einweichen in Toluol und anschließendes Tempern bei 50°C während 45 Minuten) zu entfernen. Selbst bei einer kritischen Benetzungsspannung zwischen 34–35 dyn/cm wurde jedoch nach der Aufbringung einer Deckbeschichtung auf dem Polycarbonatsubstrat die Bildung von Kratern beobachtet. Es wurde gefunden, dass lediglich ein Siliconmembranmaterial, nämlich eine extrudiertes Flächenmaterial aus einem Silicon hoher Konsistenz keinen dramatischen Einfluss auf die kritische Benetzungsspannung von Polycarbonat ausübte, und sich mit eine Silicon Hard-Coat System erfolgreich beschichten ließ, wie Vers. Nr. 36 zeigt.
Fluorsiliconkautschuk (Vers. Nr. 29–33), Fluorkohlenstoffelastomere (Vers. Nr. 34 u, 35), Nitrilkautschuk (Vers. Nr. 37), EPDM-Kautschuk (Vers. Nr. 38 u. 40) und Neoprenkautschuk (Vers. Nr. 39) konnten ebenfalls mit einem Acrylprimer und einem Silicon Hard-Coat System überschichtet zu werden. Polycarbonatsubstrate zeigten nach Kontakt mit spritzgegossenem Fluorsiliconkautschuk (Vers. 29.32) nach der Aufbringung des Acrylprimers ein „Ausschwitzverhalten". Diese Erscheinung lässt vermuten, dass die Zusammensetzung des Membranmaterials, was das Herstellungsverfahren für Flächenmaterialien betrifft, eine kritische Einfluss größe ist, welche die Eignung der Membran für die Verarbeitung in einem MIT-Druckverfahren beeinflussen wird.
Es wurden drei herkömmliche Siebdrucktintenformulierungen verwendet, um die Fähigkeit verschiedener Membranmaterialien festzustellen, einen Druck auf Polycarbonat zu übertragen. Diese Siebdrucktinten bestanden sowohl aus zwei warmhärtenden Systemen in Form einer auf Polycarbonatharz basierenden Formulierung (HTR-952, Proell GmbH), einer Acryl-PVC-Harz basierenden Formulierung (HG-N501, Coates Screen) als auch aus einem strahlungshärtenden Acrylatsystem (DTX-0638m Coates Screen). Es wurden lediglich Membranmaterialien auf ihre Tintenübertragungsfähigkeit untersucht, welche die kritische Benetzungsspannung von Polycarbonat nicht dramatisch verschlechterten (Vers. Nr. 29–40). Zur Kontrolle wurde ein Versuch (Vers. Nr. 14) unter Verwendung eines herkömmlichen Drucktampons geprüft, welcher eine dramatische Abnahme der kritischen Benetzungsspannung von Polycarbonat verursachte. Die extrudierten Silicon- (Vers. Nr. 36) und Fluorsiliconmembranmaterialien (Vers. Nr. 29–33) lieferten nach der Übertragung auf ein Polycarbonatsubstrat eine Tintenübertragung und eine Bildqualität ähnlich derjenigen, welche mit einem herkömmlichen Drucktampon (Vers. Nr. 14) erhalten wird. In allen Fällen wurde die Tinte sofort von der Membran auf das Polycarbonat übertragen, nachdem es mittels Siebdruck auf die Membran aufgebracht worden war. Die anderen Membranmaterialien (Vers. Nr. 37–40) versagten wegen ihrer hohen Oberflächenenergieeigenschaften, verglichen mit den funktionellen Si-CH₃- bzw. Si-(CH₂)₃CF₃-Gruppen in den Silicon- bzw. Fluorsiliconmaterialien. Die Fluorkohlenstoffelastomeren (Vers. Nr. 34 u. 35) versagten wegen der Fähigkeit dieser Membranen die Tintenschicht während der Übertragung zwischen der Membran und dem Substrat zu teilen. Die Membran und das Substrat zeigten mit anderen Worten nach Abschluss der Übertragung beide das gleiche Bild.
Die Bewertung der Bildqualität beruht auf einer subjektiven Zahl (10 = am besten, 0 = am schlechtesten), die au der Beobachtung der Anwesenheit von Nadellöchern, unvollständiger Übertragung (einheitlich gegen stellenweise), der Anwesenheit von Schatten und vom stellenweisen Verlust herrühren. Es wurde kein Membranmaterial gefunden, das in der Lage gewesen wäre unter Verwen dung einer typischen UV-härtbaren Tinte ein akzeptables Bild zu übertragen. Sowohl extrudierte Flächenmaterialien aus Silicon (Vers. Nr. 36), Fluorsilicon (Vers. Nr. 33), Nitrilkautschuk (Vers. Nr. 37) als auch spritzgegossenes Fluorsilicon (Vers. Nr. 29–32) und konventionelle Silicontampons (Vers. Nr. 14) lieferten die höchste Qualitätsbewertung bei den warm härtbarer Tinten.
Dieses Beispiel zeigt, dass zwei Membranmaterialien, nämlich ein extrudiertes Flächenmaterial aus einem Silicon hoher Konsistenz und ein extrudiertes Fluorsiliconflächenmaterial akzeptable Leistungsmerkmale aufweisen. Diese zwei Typen von Membranmaterialien weisen insbesondere eine außerordentliche Tintenübertragungsfähigkeit auf ein hartes Substrat auf, ohne die Qualität einer schützenden Deckschicht, wie ein Silicon Hard-Coat zu beeinträchtigen, welche anschließend auf das Substrat aufgebracht wird. Dieses Beispiel zeigt weiterhin, dass spritzgussfähige Silicon- und Fluorsiliconqualitäten in einem MIT-Verfahren, bei dem auf das Substrat eine schützende Deckschicht aufgebracht wird, als Membran nicht brauchbar sind.
Beispiel 6 – DOE Siebdruck mithilfe eines Produktionsanlagenprototyps

Die Auslegung des Versuchs (DOE) wurde als eine mit einer kompletten 2^(12-8) Produktionsausführung (Auflösung III) mit einer vollständigen Konvertierung zu einer Ausführung mit der Auflösung IV. Diese DOE versuchte die Beziehungen sowohl zwischen dem Siebdruck (Siebmaschenzahl, Rakelhärte, Rakelbelastung und Flutungsdauer) und den Parametern des MIT-Übertragungsverfahrens (Druck zu Übertragungsdauer, Bildübertragungsdruck und Bildübertragungsdauer) sowie verschiedene Einflussgrößen der Tintenzusammensetzung (Dispergiermittel Gew.-%, Lösungsmittel Gew.-%, Katalysator Gew.-% und Opazitätsverstärker Gew.-%) zu untersuchen. Alle möglichen anderen Einflussgrößen wurden konstant gehalten (unter anderem z. B. die Membranhärte, die Rakeltransversalrate und der Rakelwinkel). Nach der Übertragung auf das Polycarbonat auf dem Druck zu messende ausgewählte Reaktionen schlossen sichtbare Defekte wie die Kantenqualität die Bildklarheit und das Vorliegen von Nadellöchern, den Prozentsatz der übertragenen Tinte und die Dicke der Tinte (Opazität) ein. Die bei diesem Beispiel verwendete Tinte bestand aus einer Mischung eines Polycarbonatharzes und eines Polyesterharzes mit einem Isocyanatkatalysator und einem die Opazität verstärkenden Pigment in einem gemischten Ester/Kohlenwasserstoff-System, wie in der US Patentveröffentlichung Nr. US 2003/0116047A1 , angemeldet am 19.12.2002, beschrieben. Die verwendete Membran war eine Siliconmembran (SIL60, Kuriyama of America) mit eine Shore A-Härte von 65. Bei allen Versuchen wurde eine Rakel mit einem Winkel von 0° verwendet. Es wurden insgesamt 38 Versuche durchgeführt, einschließend 6 Mittelwertsversuche, die dazu verwendet wurden, den Versuchsfehler und die Krümmung im resultierenden Modell für jedes gemessene Ergebnis zu bestimmen. Die experimentelle Auslegung gibt Tabelle 6 wieder. Tabelle 6

Standardfolge

Versuchs folge

Siebmaschen (Faden pro inch)

Kraftaufwand über den Null-Punkt

Rakelhärte (Shore A-Härte)

Siebflutungs dauer (sec)

Druck zu Übertragungs Zeit

Bild zu Übertragungs Zeit

Bild-Übertragungs Kraft

Lösungsmittel Gew.-%)

Katalysator (Gew-%)

Dispergiermittel (Gw-%)

Opazitätsverstärker (Gew.-%)

Harz Verhältnis

17

1

0

1

2

–

0

–

++

+

–

+

4

3

+

–

+

–

+

9

4

–

0

–

+

–

+

–

18

5

0

6

+

0

+

–

+

–

+

–

+

15

7

–

+

–

+

–

+

–

+

–

12

8

+

–

+

–

+

–

7

9

–

+

–

+

–

+

–

+

14

10

+

0

+

–

+

–

+

–

+

–

10

11

+

0

–

+

–

+

–

+

13

12

–

0

+

–

+

19

13

0

8

14

+

–

+

–

11

15

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

16

+

5

17

–

0

+

–

+

–

+

–

2

18

+

0

–

+

–

+

–

3

19

–

+

–

+

–

+

–

+

–

31

20

–

0

+

–

+

–

+

28

21

+

–

+

–

+

36

22

0

23

–

0

+

+–

–

+

–

34

24

+

0

–

+

–

+

–

+

–

25

–

+

–

+

–

+

–

+

–

26

+

0

–

+

–

+

–

+

–

33

27

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

37

28

0

20

29

+

–

+

–

27

30

–

0

–

+

–

+

30

31

+

0

+

–

+

.

+

–

+

–

35

32

–

0

–

21

33

–

+

–

+

–

+

38

34

0

32

35

+

–

+

–

29

36

–

+

–

+

–

+

–

22

37

+

–

+

–

+

–

+

–

+

24

38

+

–

+

–

+

–

+

+ = hoher Wert; 0 = Mittelwert; – = niedriger Wert

Die Unter- und Obergrenze der Siebdruckparameter welche, dieses DOE einschließt, waren eine Siebmaschenweite von 200–260 Faden/inch, –2 & +2 Dre hungen um den festgelegten Mittelpunkt bei der festgelegten Rakelkraft, eine Rakelhärte von 60–80 Shore A und eine Siebflutungsdauer von 10–15 Sekunden. Der Mittelwert für die verwendete Härte wurde nach dem in Beispiel 3 definierten Verfahren bestimmt. Bei den im Rahmen dieses DOE durch geführten Prüfungen betrug der festgelegte Mittelwert für den auf die Rakel aufgegebenen Druck volle 2,0 Drehungen auf dem Rakeldrucksteuerbalkens des Saturn Siebdruckgeräts.
Es wurde eine ANOVA-Analyse mit einer herkömmlichen statistischen Software (Design-Expert^®, StatEase Inc., Minneapolis, MN) verwendet, um die bedeutensten Verfahrensparameter zu bestimmen, die das Bild oder die Druckqualität, die Tintendicke (Opazität) der übertragene Tinte und die Übertragbarkeit der Tinte von einer „weichen" Membran auf ein „hartes" Substrat beeinflussen. Die Erfinder haben ganz speziell gefunden, dass alle Verfahrensparameter, nämlich die Siebmaschenzahl, der Rakeldruck (Kraft), die Rakelhärte und die Siebflutungsdauer einen oder mehrere Messwerte beeinflussten. Genauer gesagt, beeinflussen die Siebmaschenzahl, die Siebflutungsdauer und die Rakelhärte die Dicke des abgeschiedenen Drucks. Zusätzlich wurde über eine zusätzliche Messtechnik gefunden, dass die Rakelhärte und die auf die Rakel ausgeübte Kraft beträchtlich zur Gesamtopazität des erzeugten Drucks beitragen. Weiterhin wurde gefunden, dass die aufgegebene Rakelkraft die Fähigkeit der Übertragung der Tinte von der Membran auf das Substrat beeinflusst, während die Rakelhärte die Qualität (Textur) des Bildes als Ganzes beeinflusst.
Die Dicke des bei jedem Versuch (vgl. Tabelle 6) aufgebrachten Drucks auf eine Membran mit anschließender Übertragung auf ein Polycarbonatfenster wurde mithilfe der Profilometrie gemessen, wie in Beispiel 1 beschrieben. Wie die 12a–12b zeigen, wurde die Dicke der Tinte sowohl von den Siebmaschen (12a) als auch von der Flutungsdauer des Siebs (12b) beträchtlich beeinflusst. Die ANOVA-Analyse zeigt, dass die Siebmaschenweite weniger als 230 Faden pro inch betragen sollte, um sicher zu stellen, dass die bevorzugte Tintendicke (z. B. 4,0 und 10,0 μm) sowohl im Hinblick auf die Opazität als auch auf die Adhäsion aufrechterhalten wird. Bei dieser Siebmaschenzahl beträgt die Tintendicke ungefähr 4,5 μm und wird mit niedrigerer Maschenzahl höher. Bei Verwendung eines Siebs mit höherer Maschenzahl beginnt man sich der unteren Grenze der Dicke von 4,0 μm anzunähern. Ein Verfahren, das in der Nähe der unteren oder oberen Spezifikationsgrenze betrieben wird, erzeugt aufgrund der statistischen Verteilung von Teilchen unvermeidlich eine beträchtliche Menge Abfall, wie Messungen im Grenzbereich zeigen. Ähnlich liegt die Flutungsdauer des Siebs vorzugsweise um oder bei über 30 Sekunden, um die bevorzugte Tintendicke zu erzielen. Es wurde gefunden, dass die Dicke der Tinte bei einer Flutungsdauer von 30 Sekunden etwa 4,5 μm beträgt. Um ein stabiles Verfahren zu erhalten, verwendet das MIT-Gerät vorzugsweise ein Sieb mit einer Maschenzahl von weniger als oder gleich 230 Faden pro inch und eine Flutungsdauer von etwa 30 Sekunden oder mehr.
Es wurde gefunden, dass die Dicke des aufgebrachten Drucks von der Härte der Rakel beeinflusst wird. Wie die 13a–13b zeigen, wurde eine direkte Beziehung zwischen der Dicke des Drucks und der Opazität des Drucks beobachtet. Bei einer Rakelhärte von 70 Shore A betrug die Dicke des aufgegebenen Drucks ungefähr 4,5 μm (13a). Wird die Härte der Rakel erhöht, nimmt die Dicke des aufgebrachten Drucks ab. Um ein stabiles Verfahren zu erhalten, verwendet das MIT-Gerät eine Rakel mit einer Härte von etwa 70 Shore A oder darunter.
Die Opazität eines jeden aufgebrachten Drucks wurde über eine Lichttransmissionsmessung gemessen, wie in ASTM D001 einschlägig beschrieben. Wie der Vergleich der 10a und 10b zeigt, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Dicke der Tinte und der Opazität. Man sieht, dass die Opazität des gedruckten Bildes mit zunehmender Härte der Rakel abnimmt (13b), ähnlich der beobachteten Abnahme der Dicke der Tinte im gleichen Bereich der Rakelhärte.
Es wurde gefunden, dass die aufgewendete Rakelkraft die Opazität des aufgebrachten Drucks beeinflusst. Wie 14a zeigt, nimmt die Opazität mit abnehmender Kraftaufgabe auf die Rakel zu. Man kann jedoch keine niedrige Kraft (Druck) auf die Rakel aufgeben, weil gefunden wurde, dass dieser Verfahrensparameter eine andere Schlüsselwirkung beeinflusst, nämlich die Übertragung der Tinte von der Membran auf das Substrat. Wie 14b zeigt, nimmt die prozentuale Tintenübertragung mit abnehmender Kraftaufgabe auf die Rakel ab. Tinte, die nicht übertragen wird, kann bei der Verwendung eines MIT-Verfahrens zweierlei Schwierigkeiten verursachen. Das Fehlen von nicht übertragener Tinte auf einem Teil kann zu einem sichtbaren Druckschaden führen. Darüber hinaus kann es die auf der Membran verbliebene Tinte erforderlich machen die Membran nach jedem Druck zu reinigen, wodurch die Produktivität abnimmt (längere Zykluszeiten) und die Kosten steigen. Dieser Verfahrensparameter wird folglich vorzugsweise in der Nähe des eingestellten Mittelwerts betrieben, wobei etwa +/–0,5 Drehungen akzeptabel sind. Der Betrieb mit einer aufgegebenen Rakelkraft in diesem Bereich bietet einen ausgewogenen Kompromiss zwischen Opazität und Tintenübertragbarkeit.
Die Bewertung der Bildqualität beruht bei diesem Beispiel auf einer subjektiven Zahl (10 = am besten, 0 = am schlechtesten), die sich von der Anwesenheit von Nadellöchern, der Kantenqualität, der Bildklarheit und anderen sichtbaren Schäden (unter anderem z. B. der Anwesenheit von Schatten und transparenter Linien) ableitet. Die Erfinder haben gefunden, dass die Rakelhärte der Schlüsselparameter beim Siebdruck ist, welcher die Qualität des auf eine „weiche" Membran aufgebrachten und anschließend auf ein „hartes" Substrat übertragenen Bildes beeinflusst. Wie Bild 15 zeigt, nimmt die Bildqualität mit abnehmender Rakelhärte zu. Die Rakelhärte sollte bei oder unter etwa 70 Shore A gehalten werden, um die resultierende Bildqualität zu erhöhen.
Beispiel 7 – Verunreinigung durch Standarddrucktampons
Es wurden vier herkömmliche Silicondrucktampons (Farben gleich Weiß, Blau, Rot und Grau) in vier unterschiedlichen Härtegraden auf ihre Brauchbarkeit in einem MIT-Druckverfahren untersucht. Die Tampons sind handelsübliche Produkte, welche von der Comec Pad Printing Machinery of Vermont, Incorporated, angeboten werden. Der Härtegrad der Tampons wurde durch Zugabe von niedermolekularem Siliconöl während der Herstellung (z. B. Formen) der Tampons modifiziert. Die Zugabe von Siliconöl zur Herabsetzung der Tamponhärte ist gängige Praxis in der Tampondruckindustrie. Herkömmliche Transfertampons bestehen aus geformtem Siliconkautschuk, welcher entweder durch Kondensations- oder Additionspolymerisation niedermolekularer Siliconmaterialien gebildet wird.
Mit jedem Tampon erfolgten insgesamt vier Versuche bei den in Tabelle 7 angegebenen Temperaturen. Bei jedem Versuch oder Prüflauf wurden das Tampon und drei Polycarbonatplatten bei der angegebenen Temperatur 30 Minuten ins Gleichgewicht gesetzt. Dann wurden jeweils ein Tampon und eine Platte miteinander in Berührung gebracht. Eine Walze mit einem Gewicht von 4,5 kg wurde während 15 Sekunden auf der Rückseite des Tampons hin und her bewegt, um ein Tampondruckverfahren zu simulieren. Der Tampon wurde dann von der Oberfläche der Platte abgeschält.

Von den bei jedem Versuch oder Prüflauf verwendeten Satz von drei Platten wurde eine Platte verwendet, um die kritische Oberflächen(„benetzungs")spannung unter Verwendung von Standardlösungen zu bestimmen. Die anderen zwei Platten wurden in einem Acrylatprimer (SHP401, GE Silicones) und einem Silicon Hard-Coat (AS4000, GE Silicones) tauchbeschichtet, um das Auftreten irgendwelcher Beschichtungsschäden und/oder von Haftungsverlust festzustellen. Das Primer/Hard-Coat System wurde 30 Minuten abgelüftet und eine Stunde bei 120°C gehärtet. Tabelle 7

	Tamponfarbe	Härte (Shore A)	Kritische Benetzungsspannung (dyn/cm)

Versuch Nr. 41 Tampon = 21,7°C Platte = 21,7°C	Weiß	25–30	30–32
	Blau	55–60	32–34
	Rot	65–70	32–34
	Grau	75–80	34–36

Versuch Nr. 42 Tampon = 21,7°C Platte = 65,6°C	Weiß	25–30	30–32
	Blau	55–60	32–34
	Rot	65–70	32–34
	Grau	75–80	34–36

Versuch Nr. 43 Tampon = 65,6°C Platte = 21,7°C	Weiß	25–30	< 30
	Blau	55–60	< 30
	Rot	65–70	< 30
	Grau	75–80	30–32

Versuch Nr. 44 Tampon = 65,6°C Platte = 65,6°C	Weiß	25–30	< 30
	Blau	55–60	< 30
	Rot	65–70	< 30
	Grau	75–80	30–32

Kontrolle	X	X	42–44

Die kritische „Benetzungsspannung" von Polycarbonat liegt im Bereich von 42–44 dyn/cm, wie in Tabelle 7 (Kontrolle) zeigt, wenn es keinem Siliconkautschuktampon ausgesetzt wurde. Es wurde gefunden, dass die Oberflächenenergie der Polycarbonatplatten nach Aussetzen an einen Silicontampon abnimmt. Die Größenordnung dieser Abnahme hing sowohl von der Menge des Siliconöls in der Formulierung (angegeben durch die Härte) als auch von der Temperatur des Tampons ab. Bei jedem Versuch oder Prüflauf (Temperatur konstant gehalten) war die größte Abnahme der kritischen „Benetzungsspannung" beim weichsten Tampon (weiß), welcher das meiste Siliconöl enthielt, zu verzeichnen. Die geringste Abnahme der kritischen „Benetzungsspannung" wurde beim härtesten Tampon (grau), welcher die geringste Menge Siliconöl enthielt, beobachtet. Folglich kann Siliconöl vom Tampon auf die Oberfläche des Polycarbonats übertragen werden, wodurch es seine Oberflächenenergie verringert.
Die Ähnlichkeit, welche bei den Messungen sowohl zwischen Versuch Nr. 41 und 42 als auch zwischen Versuch Nr. 43 und 44 erhalten wurde, zeigt, dass die Temperatur der Platte die Ergebnisse der kritischen „Benetzungsspannung" nicht wesentlich beeinflusst. Vergleicht man jedoch Versuch Nr. 41 und 42 mit Versuch Nr. 43 und 44, so sieht man, dass die Temperatur des Tampons die Oberflächenenergie von Polycarbonat beeinflusst. In allen Fällen nimmt die kritische „Benetzungsspannung" der Polycarbonatplatte mit abnehmender Tampontemperatur ab. Mit abnehmender Temperatur nimmt die Beweglichkeit des Siliconöls infolge der Viskositätsabnahme (Zunahme der Entropie) zu.
Die Anwesenheit von Siliconverunreinigungen wurde durch die Fouriertranformationsspektroskopie (FTIR) bestätigt. Das Spektrum einer Polycarbonatplatte, welche an einen Silicontampon ausgesetzt worden war, enthielt mehrere für Polydimethylsiloxan typische Absorptionen. Im Besonderen wurde die asymmetrische Si-O-Si-Streck-Schwingung bei 1050–1150 cm^–1 beobachtet. Diese Streckschwingung verursacht eine beträchtliche Änderung des Dipolmoments und führt zu einer sehr starken und intensiven Absorption im Infrarotbereich. Eine zweite starke Absorption wurde auch um 802 cm^–1 herum beobachtet. Diese Absorption wird von einer Kombination aus einer Si-C-Streck-Schwingung und der CH₃-Rocking-Schwingung verursacht.
Es wurde gefunden, dass alle Platten, welche an alle vier Silicontampons ausgesetzt worden waren, nach der Aufbringung des Acrylprimers und des Silicon Hard-Coats Beschichtungsdefekte aufwiesen, was auf die Anwesenheit von Siliconöl auf der Oberfläche des Polycarbonats hinweist. Es wurde beobachtet, dass das Ausmaß der Oberflächendefekte im Allgemeinen mit abnehmender Oberflächenenergie des Polycarbonats zunahm. Typische Schäden, welche mit der Beschichtung zusammen hängen, schließen die mangelnde Befeuchtung der Substratoberfläche und die Bildung von Kratern oder Fischaugen ein. Ein Fischauge ist eine Form von Krater (topfförmige Einsenkung), unterscheidbar durch einen beschichteten Mittelpunktsbereich, der von einer Einsenkung und einer wulstförmigen Beschichtung umgeben ist. Dem Fachmann ist wohlbekannt, dass diese Art von Defekt durch die Verunreinigung der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats verursacht wird. Dieses Beispiel zeigt, dass herkömmliche Silicontampons zur Verwendung in einem MIT-Verfahren, bei dem anschließend eine schützende Deckschicht aufgebracht wird, nicht geeignet sind. Der zur Herstellung dieser Tampons verwendete Siliconkautschuk ist eine „spritzfähige" Qualität und keine Qualität mit hoher Konsistenz, wie bei der bevorzugten Ausführungsform angegeben.
Beispiel 8 – Messung der Oberflächenenergie und Oberflächenspannung

Die mittlere Oberflächenspannung einer bevorzugten Tinte für das MIT-Verfahren, wie in der US Patentveröffentlichung Nr. US 2003/0116047A1 , angemeldet am 19.12.2002, beschrieben, wurde 5-mal nach einer konventionellen Wilhelmy Plattenmethode gemessen. Diese Methode verwendet ein Tensiometer (K100, Krüss USA, Charlotte, North Carolina), das mit einer 19,9 mm × 0,2 mm Standard Platinplatte ausgerüstet war. Der Kontaktwinkel der Tinte beim tropfenweisen Aufbringen auf eine Polytetrafluorethylen(PTFE)-Oberfläche wurde ebenfalls 5-mal mit einem Drop Shape Analysis System (DSA10, Krüss USA) gemessen. Die Messwerte sind zusammen mit dem Mittelwert sowohl für die Oberflächenspannung der Tinte als auch für den Kontaktwinkel gegen PTFE in Tabelle 8 angegeben. Tabelle 8

Messung Nr.	Oberflächen-Spannung (mN/m)	Kontaktwinkel auf PTFE (Grad)
I ii iii iv v Mittelwert Strandardabweichung	31,31 31,38 31,37 31,35 31,34	65,0 65,5 65,5 65,4 65,6
	31,35	65,4
	0,03	0,2
Berechnet aus Gleichung 2
Polare Komponente Dispersive Komponente Oberflächenpolarität		3,97 mN/m
		27,38 mN/m
		12,66%

Der Grund für die Messung beider, der Oberflächenspannung und des Kontaktwinkels gegen PTFE, ist die Trennung der Oberflächenspannung in polare und dispersive Komponenten, wie bei Gleichung 2 (Fowkes Energie Theorie) beschrieben. Das Verhältnis der polaren Komponente zur Oberflächengesamtspannung liefert ein Maß für die (%) Polarität der Oberfläche, wie in Tabelle 8 gezeigt.

Ähnlich wurde die Oberflächenenergie der Siliconmembran und eines Polycarbonatsubstrats unter Verwendung der Gleichung 3 (Fowkes Energie Theorie) bestimmt. Diiodmethan mit einer gemessenen Oberflächenspannung (σ_L & σ_L ^D) von 50,8 mN/m wurde als erstes Standard Fluid (σ_L ^P = 0,0 mN/m) verwendet. Das zweite Standard Fluid war Wasser mit einer gemessenen Oberflächenspannung (σ_L) von 72,8 mN/m, einer dispersiven Komponente (σ_L ^D), entsprechend 26,4 mN/m und einer polaren Komponente (σ_L ^P) mit 46,4 mN/m. Unter Verwendung der bekannten Oberflächenspannungswerte für diese Standard Fluids, zusammen mit dem Wert für die dispersive Komponente für die Oberflächenenergie des Substrats und den gemessenen Kontaktwinkel für Wasser gegen das Substrat, wurden der Wert für die polare Komponente und die gesamte Oberflächenenergie für zwei Siliconmembranen (unterschiedliche Härtegrade) und ein Polycarbonatsubstrat bestimmt, wie in Tabelle 9 gezeigt Tabelle 9.

Tropfenzahl	Wassertropfen Kontaktwinkel (Grad)		Diiodmethantropfen Kontaktwinkel (Grad)
Tropfenzahl	Weiche Membran 60 Shore A Härte	Harte Membran 75 Shore A Härte	Weiche Membran 60 Shore A Härte	Harte Membran 75 Shore A Härte
1	106,1	104,2	72,8	70,2
2	107,1	104,1	72,1	71,1
3	106,4	104,2	72,8	70,9
4	107,3	104,2	73,2	70,8
5	108,1	102,5	73,6	70,3
6	107,7	103,4	72,3	71
7	107,6	103	74,	^71,3
8	106,2	102,7	72,9	71,9
9	107,9	103,8	74	72,3
10	107,7	103,9	73,3	71,7
Mittelwert	107,2	103,6	73,2	71,2
Std.-.Abweichung	0,7	0,7	0,8	0,7

Berechnet unter Verwendung von Gleichung 3 Gesamtenergie der Oberfläche Polare Komponente Dispersive Komponente Oberflächenpolarität			Weiche Membran	Harte Membran
			21,19 mJ/m²	22,49 mJ/m²
			0,09 mJ/m²	0,28 mJ/m²
			21,1 mJ/m²	22,21 mJ/m²
			0,42%	1,26&

Dieses Beispiel zeigt, dass die Oberflächenenergie der erfindungsgemäßen, extrudierten Siliconmembran weniger oder gleich 25 mJ/m² beträgt. Dieser Wert der Oberflächenenergie stimmt mit der kritischen Benetzungsspannung mit etwa dem gleichen Wert von 25 dyn/cm überein. Im Vergleich dazu wurde die Oberflächenspannung der Tinte zu größer als 25 dyn/cm gefunden. Die Siliconmembran besitzt eine Oberflächenpolarität, die beträchtlich von derjenigen der Tinte (12,66) abweicht. Dieses Beispiel zeigt folglich weiterhin, dass die Oberflächenpolarität der Tinte größer ist als etwa 10%, während die Oberflächenpolarität der Membran weniger als etwa 2% beträgt. Die Oberflächenpolarität des Substrats (18,62%) liegt näher an der Oberflächenpolarität der Tinte als an der Oberflächenpolarität der Membran. Die Ähnlichkeit der Oberflächenpolarität fördert die Adhäsion zwischen der Tinte und der Oberfläche des Substrats. Um beim MIT-Verfahren die beste Übertragung zu erhalten, ist es wünschenswert, die Adhäsion zwischen der Membran und der Tinte zu minimieren (den Unterschied der Oberflächenpolarität zu maximieren) und gleichzeitig die Adhäsionsenergie zwi schen der Tinte und dem Substrat zu maximieren (minimieren der Unterschiede der Oberflächenpolarität). Folglich sollte die Oberflächenpolarität der Membran weniger als etwa 2% betragen, während die Oberflächenpolaritäten der Tinte und des Substrats größer als etwa 10% bzw. kleiner als etwa 20% sein sollten, um beim MIT-Verfahren einen akzeptablen Tintenübergang zu bewerkstelligen.
Beispiel 9 – Einfluss der Rampenbildung auf die Rakeltransversalgeschwindigkeit
Es wurden Versuche durchgeführt, bei denen die Rakeltransversalgeschwindigkeit als einzige Einflussgröße verändert wurde. Hierzu wurde eine in der US Patentveröffentlichung Nr. US 2003/0116047A1 , angemeldet am 19.12.2002, beschriebene Tinte im Siedruck auf eine Siliconmembran (60 Shore A), vertrieben von Kuriyama of America, aufgebracht. Der Rakeldruck oder die Kraft wurde am eingestellten Mittelwert gehalten, die Flutungsdauer schwankte zwischen 8–30 Sekunden und der Rakelwinkel betrug 0°, während die Rakeltransversalgeschwindigkeit von weniger als 0,22 m·s^–1 bis größer 0,65 m·s^–1 reichte. Diese Ober- und Untergrenze der Rakeltransversalgeschwindigkeit entspricht den Schalterstellungen 1 bzw. 4 auf dem Saturn Siebdruckgerät (M&R).
Es wurde das unter Beispiel 2 konstruierte MIT-Laborgerät verwendet, um den bei allen Versuchen erzeugten Druck von der Siliconmembran auf eine Polycarbonatplatte zu übertragen. Sämtliche Verfahrensparameter wurden bei allen Versuchen konstant gehalten. Hierzu wurde der Schälwinkel der Formbefestigung bei 10° gehalten, die Härte der Formbefestigung bei 35 Shore A, die Kontaktdauer zwischen der bedruckten Membran und dem Polycarbonatsubstrat bei 2 Sekunden und die zwischen der Membran (Formbefestigung) und dem Substrat (Teilebefestigung) aufgebrachte Gesamtdruckkraft bei 91 Kilogramm (200 pounds). Zusätzlich wurde die Zeit zwischen dem Bedruckendrucken der Membran im Siebdruck und der Übertragung des Drucks von der Membran auf das Polycarbonat mit 30 Sekunden konstant gehalten.
Die Erfinder fanden, dass die Tintendicke des übertragenen Drucks mit Erhöhung der Rakeltransversalgeschwindigkeit zunahm, wie 16 zeigt. Die Erhöhung der Rakelgeschwindigkeit erhöht zwangsweise die Scherverhältnisse, denen sich die Tinte gegenüber sieht. Da Tinten scherkraftverdünnende Fluide sind, nimmt ihre Viskosität als Funktion der Scherkraft ab. Die niedrigere Viskosität des Fluids zu Beginn des Drucks erlaubt dem Fluid leichter auf die weiche Membran mit ihrer niedrigen Oberflächenenergie zu fließen, wodurch sie die Filmdicke erhöht. Wie Beispiel 6 zeigt, entsprechen die Tintendicke und die Zunahme der Opazität einander. Dieses Beispiel zeigt folglich, dass die optimale Tintendicke erzielt werden kann, wenn die Rakel mit einer Transversalgeschwindigkeit betrieben wird, die über dem Industriestandard von 0,22 m·s^–1 oder einer Schalterstellung von über 1 auf dem Saturn Siebdruckgerät liegt. Die Obergrenze der erwünschten Tintendicke von 10 μm wird nicht erreicht, so lange die Geschwindigkeit der Rakel nicht größer als etwa 2,0 m·s^–1 ist (Schalterstellung 11 am Saturn Siebdruckgerät).
Beispiel 10 – Gummiwalzenrakel
Es wurde eine auf Oberflächenänderung ansprechende Box Behnken-Versuchsanordnung zur Messung von drei Einflussgrößen betrieben, um die mit der Rakelhärte, Membranhärte und dem Zeitbedarf zwischen dem Bedrucken einer „weichen" Membran und der Übertragung des Drucks auf eine „hartes" Substrat in Beziehung stehenden Konturoberflächen zu bestimmen. Diese Versuchsausführung erfolgte unter Verwendung einer Gummiwalzenrakel als Rakel der Wahl im Siebdruckteil des MIT-Verfahrens. Alle anderen Siebdruck- und Transferdruckparameter wurden bei diesem Beispiel bei allen Versuchen konstant gehalten. Im Siebdruckteil des MIT-Verfahrens wurde der Rakeldruck oder die Kraft am eingestellten Mittelwert gehalten, die Flutungsdauer bei 30 s und die Rakeltransversalgeschwindigkeit bei der Schalterstellung 2 (0,34 m·s^–1) auf dem Saturn Siebdruckgerät (M&R). Desgleichen wurde im Übertragungsteil des MIT-Verfahrens (vgl. Laborgerät, Beispiel 2) der Schälwinkel der Formbefestigung bei 10° gehalten, die Härte der Formhalterung bei 35 Shore A, die Kontaktdauer zwischen der bedruckten Membran und dem Polycarbonatsubstrat bei 2 s und die aufgegebene Gesamtdruckkraft zwischen der Membran (Formbefestigung) und dem Substrat (Teilebefestigung) bei 91 kg.
Es wurden bei diesem Beispiel alle drei Veränderlichen, nämlich die Rakelhärte, die abgelaufene Zeit und die Membranhärte zwischen drei unterschiedlichen Niveaus variiert. Die Härte der Gummiwalzenrakel wurde zwischen 57, 71 und 85 Shore A variiert. Die Härte der Membran wurde zwischen etwa 60 (Kuriyama of America), 80 (Ja-Bar Silicones Corp.) und 95 (Reiss Manufacturing Inc., Blackstone, Virginia) Shore A variiert. Schließlich wurde die abgelaufene Zeit zwischen dem Bedrucken der Membran und der Übertragung des Drucks auf ein Substrat zwischen 15, 30 und 45 s variiert. Die bei diesem Beispiel verwendete Standard-Tintenformulierung ist in der US Patentveröffentlichung Nr. US 2002/0116047A1 , angemeldet am 19.12.2002, einschlägig beschrieben.
Der mittels Profilometrie (Dektak 8000, Sloan, eine Tochter von Vickers Industries) gemessene Wert der Tintendicke für den übertragenen Druck bei jedem Versuch dieser DOE wurde unter Verwendung eines ANOVA Vollprogramms analysiert, wie es in den meisten statistischen Softwarepaketen verfügbar ist (z. B. Design-Expert^®, StatEase Inc., Minneapolis, MN). Die resultierende Konturoberfläche für die Dicke des erhaltenen Drucks aus der Wechselwirkung zwischen zwei Härteparametern (z. B. Rakel und Membran) ist in 17 wiedergegeben. Die Erfinder haben unerwarteter Weise gefunden, dass sich eine Gummiwalzenrakel anders verhält als dies von Rakeln mit 0° oder 45° Winkeln (vgl. Beispiel Nr. 3 und 6) bekannt ist. Im Hinblick darauf wird eine Gummiwalzenrakel mit hoher Härte verwendet, um die Dicke des aufgebrachten Drucks im gewünschten Bereich von 4–10 μm zu halten. Die Härte der Gummiwalzenrakel ist vorzugsweise gleich oder größer als 75 Shore A, um sicherzustellen, dass die Druckdicke im bevorzugten Bereich liegt.
Die Konturoberfläche in 17 zeigt weiterhin, dass die Membranhärte größer oder gleich 60 Shore A sein kann, um die bevorzugte Druckdicke zu erhalten, wenn eine Gummiwalzenrakel mit einer geeigneten Härte verwendet wird. Der bei der Rakelhärte zulässige größere Spielraum, welcher bei größerer Membranhärte (z. B. größer als etwa 75 Shore A) vorgesehen wird, ist jedoch bevorzugt.
Beispiel 11 – Minimierung des Membranquellungsgrades
Bei diesem Beispiel wurde bei einem MIT-Verfahren eine Siliconmembran bekannter Härte (67 Shore A) dem Mehrfachdrucken unterworfen. Alle Verfahrensparameter wurden bei diesem Beispiel konstant gehalten. Im Siebdruckteil des MIT-Verfahrens wurde der Rakeldruck oder die Kraft beim eingestellten Mittelwert, die Flutungsdauer bei 30 s und die Rakeltransversalgeschwindigkeit bei einer Schalterstellung 2 (0,34 m·s–1) auf dem Saturn Siebdruckgerät (M&R) gehalten. Desgleichen wurde im Übertragungsteil des MIT-Verfahrens (vgl. Laborgerät, Beispiel 2) der Schälwinkel der Formbefestigung bei 10° gehalten, die Härte der Formhalterung bei 35 Shore A, die Kontaktdauer zwischen der bedruckten Membran und dem Polycarbonatsubstrat bei 2 s und die aufgegebene Gesamtdruckkraft zwischen der Membran (Formbefestigung) und dem Substrat (Teilebefestigung) bei 91 kg. Schließlich wurde die abgelaufene Zeit zwischen dem Bedrucken der Membran und der Übertragung auf das Substrat bei 30 s gehalten. Die bei diesem Beispiel verwendete Tintenformulierung ist in der US Patentveröffentlichung Nr. US 2002/0116047A1 , angemeldet am 19.12.2002, diesbezüglich als bevorzugt beschrieben.

Nach jedem fünften Druck wurde die Membran mehreren unterschiedlichen Reinigungsprozessen unterworfen. Diese Reinigungsprozesse sollten versuchen, das Quellen der Membran durch Absorption von Lösungsmitteln aus der Tinte, auf ein Mindestmaß zu beschränken. Der Grad der Quellung wurde als Funktion der Membranhärte überwacht. Sobald die Membran zu Quellen beginnt, beginnt die Härte der Membran abzunehmen. Demzufolge wurde die Membranhärte unmittelbar vor jedem Reinigungsversuch gemessen. Die gemessenen Härtewerte der Membran (0,12 cm dick) als Funktion des Drucks sind in Tabelle 10 für fünf verschiedene Versuche angegeben: (1) ohne jede Art von Reinigung; (2) Reinigung durch Abwischen der Membran mit einen im Lösungsmittel vorliegenden Verzögerungsmittel; (3) Abwischen der Membran mit Isopropylalkohol; (4) Erhitzen der Membran; und (5) Abblasen der Membranoberfläche mit Pressluft. Tabelle 10

Anzahl Der Drucke	Ohne Reinigung	Wischen mit Verzögerer	Wischen mit IPA	Erwärmen*	Abblasen mit Pressluft
0	67,5	67,5	67,5	67,5	67,5
1	67,5	67,5	67,5	67,5	67,5
5	66,0	66,0	67,5	65,0	66,0
10	65,0	64,5	66,0	64,5	65,0
15	64,0	64,5	65,5	64,5	65,0
20	64,5	63,5	65,6	64,0	65,0
25	63,0	62,5	65,0	63,5	65,0
30	62,5	62,5	64,5	63,0	65,0
35	62,5	62,0	64,5	63,0	64,5
40	62,5	62	64,5	62,5	64,0
45	61,5	61,5	64,5	62,5	64,0
50	61,0	61,5	64,5	62	63,5
55	61,0	61	64,5	61,5	63,5
60	60,5	61	64,5	61,5	63,0
			Minimiert	Minimiert

* Dauer der Aussetzung = 12 Sekunden; Teiletemperatur ≈ 150°F

Es wurde beobachtet, dass die Härte der Membran (0,32 cm dick) von 67 Shore A, während der ersten 60 Drucke auf 60.5 Shore A, abnimmt, wenn kein Reinigungsprozess erfolgt. Das Wischen der Oberfläche der Membran mit einem Verzögerungsmittel (z. B. einem bereits als Mindermenge in der Tinte vorliegenden Lösungsmittel) verändert die Quellung der Membran nicht. Desgleichen beeinträchtigt kurzes Erhitzen der Membran in einem IR-Umluftofen die Quellung der Membran nicht. Die zwei Reinigungsprozesse, welche die Quellung der Membran verringern, wie die Aufrechterhaltung höherer Härtewerte zeigt, bestehen im Abblasen der Membranoberfläche mit Pressluft und dem Abwischen der Membran mit einem alkoholischen Lösungsmittel. Siliconmembranen sind mit Alkoholen, wie Isopropylalkohol (IPA), sehr gut verträglich.
Mit der Siliconmembran wurden Doppelversuche bei unterschiedlichen Dickegraden (z. B. 0,16 cm und 0,64 cm) durchgeführt. Der für alle Membrandicken erhaltene Bereich von Härtewerten für zwei Alternativen, nämlich ohne Reinigung und Abwischen mit IPA, ist in 11 wiedergegeben. Ein bei 1012 angegebner Druckschaden trat bei Verwendung einer Membran mit einer Dicke von 0,16 cm nach ungefähr 25 Drucken auf. Der durch die Quellung der Membran verursachte Druckschaden trat ungeachtet des Reinigungsvorgangs auf. Das Auftreten dieses Schadens wurden bei Membranen mit einer Dicke von größer als 0,16 cm nicht beobachtet.
Dieses Beispiel zeigt, dass das Quellen der Membran infolge der Absorption von Lösungsmittel aus der Tinte entweder durch Abwischen der Membranoberfläche nach jedem 5. bis 15. Druck mit einem mit der Membran verträglichen Lösungsmittel, wie einem Alkohol, oder durch Abblasen der Membranoberfläche mit Pressluft, auf ein Mindestmaß reduziert werden kann. Dieses Beispiel bestätigt weiterhin, dass das MIT-Verfahren zufriedenstellend funktioniert ohne dass Druckschäden auftreten, wenn die Dicke der Membran vorzugsweise größer als 0,16 cm und vorzugsweise zwischen 0,32 und 0,64 cm beträgt.

Claims

Verfahren zur Übertragung eines Bildes von einer Membran auf einen Gegenstand, das Verfahren umfassend: das Bereitstellen eines gedruckten Dekors zur Aufbringung auf eine Membran mit niedriger Oberflächenenergie, wobei die Membran mit niedriger Oberflächenenergie einen Härtegrad von größer als 70 Shore A und eine Oberflächenenergie von bis zu 25 mJ/m² aufweist; das Aufgeben eines vorgegebenen Drucks mittels einer Druckvorrichtung, um das gedruckte Dekor durch ein Sieb auf die Membran mit niedriger Oberflächenenergie zu zwingen, wobei die Druckvorrichtung eine Härte von bis zu 70 Shore A aufweist; das Anpassen der Membran mit der niedrigen Oberflächenenergie an die Geometrie der Oberfläche des Gegenstandes; und das Anwenden von Druck zwischen der Membran und dem Gegenstand, um das Bild von der Membran auf den Gegenstand zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membran mit der niedrigen Oberflächenenergie eine Oberflächenpolarität von bis zu 2% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membran mit der niedrigen Oberflächenenergie eine Dicke von mindestens 0,16 cm aufweist;
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membran mit der niedrigen Oberflächenenergie eine Dicke zwischen etwa 0,3 cm und 0,7 cm einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Druck etwa +/–0,25 Drehungen beträgt, bezogen auf einen Mittelpunkt.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend weiterhin das Reinigen der Membran mit der niedrigen Oberflächenenergie, um die Abnahme der Härte der Membran mit der niedrigen Oberflächenenergie zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Reinigung der Membran mit der niedrigen Oberflächenenergie mindestens einen der folgenden Schritte einschließt: Anwenden von Pressluft auf die Oberfläche der Membran mit der niedrigen Oberflächenenergie und Anwenden eines Lösungsmittels auf der Oberfläche der Membran mit der niedrigen Oberflächenenergie.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Lösungsmittel einen Alkohol einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Druckvorrichtung eine Rakelvorrichtung ist, geformt mit einer Kante mit einem vorgegebenen Winkel gegenüber dem Sieb.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der vorgegebene Winkel bis zu 45° gegenüber dem Sieb beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der vorgegebene Winkel im Wesentlichen senkrecht gegenüber dem Sieb ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anwenden von Druck zwischen der Membran und dem Gegenstand einschließt: das formschlüssige Zusammenpressen der Membran und des Gegenstandes; und die Aufrechterhaltung des Drucks zwischen der Membran und dem Gegenstand.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sieb im Wesentlichen parallel zur Membran in einem berührungslosen Abstand von etwa 3 mm bis 12 mm angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das Fluten des Siebs mit Tinte, um die Dicke des Bildes auf der Membran zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Flutens eine Flutungsdauer von mindestens etwa 30 Sekunden einschließt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Rakelvorrichtung eine Geschwindigkeit von mehr als 0,3 Meter pro Sekunde aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sieb eine Maschenzahl von weniger als etwa 90 Faden pro Zentimeter (230 Faden pro inch) einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membran mit der niedrigen Oberflächenspannung ein Siliconkautschukelastomer mit hoher Konsistenz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Siliconkautschuk mit hoher Konsistenz einen Polymerisationsgrad im Bereich von 5.000 bis 10.000 und einen Molekulargewichtsbereich von etwa 350.000 bis 750.000 Atomgewichtseinheiten einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gedruckte Dekor eine Tinte mit einer Oberflächenpolarität zwischen 10% und 20% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Tinte eine Oberflächenpolarität aufweist, welche im Wesentlichen gleich der Oberflächenpolarität des Gegenstandes ist.