Ziel der Entwicklung

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LED-UV-Strahler und Quecksilberdampfstrahler

Das Projekt hatte die Entwicklung von neuartigen UV Dosismessstreifen, speziell für die Messung der Emission von UV LEDs, zum Ziel. Bei der UV Härtung wird die UV Strahlung von den der Farbe beziehungsweise dem Lack beigemischten Photoinitiatoren absorbiert. Die Doppelbindungen in der Acrylatgruppe des Bindemittels werden so aufgespalten und vernetzen sich. Für die Aushärtung ist entscheidend, wie gut der Photoinitiator die UV Strahlung absorbieren kann, das heißt, ob er in der ausgestrahlten Wellenlänge absorbiert. Während die herkömmlichen Quecksilberdampfstrahler ein breitbandiges Spektrum ausstrahlen, emittieren LEDs stets nur schmalbandig bei einer Wellenlänge von üblicherweise 365, 375, 385 oder 395 Newtonmeter. Für die Anwender von UV härtenden Systemen ist es wichtig, eine ausreichende Aushärtung sicherzustellen. Dafür sind grundsätzlich zwei Kriterien zu erfüllen. Zum einen die notwendige Energie, die durch die UV Strahlung eingebracht wird und zum Anderen die Fähigkeit des Systems, infolge der absorbierten Strahlung auszuhärten. In der Praxis wird oft nur das Resultat bewertet, hierfür existieren verschiedene, unterschiedlich gut geeignete und aussagekräftige, Methoden, die den Aushärtungsgrad charakterisieren. Ist ein ausreichender Aushärtungsgrad nicht erreicht, stellt sich die Frage, ob die Intensität der UV Strahlung nicht ausreichend ist oder die Absorption und Umwandlung der UV Strahlung durch das UV härtbare Medium nicht den Erwartungen entspricht. Gründe für eine zu geringe Intensität bei LED Strahlern können eine zu geringe Leistung des installierten Strahlers, der Ausfall oder die Verschmutzung einzelner LEDs oder einzelner LED Module oder auch eine zu hohe Druckgeschwindigkeit, die von der Gesamtleistung des Strahlersystems nicht abgedeckt wird sein. Aktuell rückt daher die Messung der UV Strahlung immer mehr in den Fokus der Anwender. Am Markt verfügbare Dosismessstreifen zeigen eine gute Absorption im Bereich von 200 bis 350 Newtonmeter. Das bedeutet, dass damit das von den LEDs emittierte Spektrum nicht erfasst wird. Anspruch an die neu zu entwickelnden Messstreifen war, sie für die gängigen LEDs der oben angegebenen Wellenlängen und die zu erwartenden Intensitäten im Bereich von null bis 200 Millijoule pro Quadratzentimeter einzusetzen. Die Messunsicherheit sollte unter zehn Prozent betragen. Die Messstreifen waren aus einem beständigen Substrat, das mit einer UV empfindlichen Beschichtung versehen wird, zu fertigen. Sie sollten sich leicht auf den Bedruckstoff applizieren lassen und relativ dünn sein, um den Druckprozess nicht zu beeinträchtigen. Die eingestrahlte UV Dosis sollte sich durch einen Farbumschlag bemerkbar machen, der mittels handelsüblicher Farbmesstechnik, die in einer Druckerei ohnehin verfügbar ist, messtechnisch zu erfassen ist. Dazu war eine hinreichend sichere Korrelation der eingestrahlten UV Dosis mit der Änderung der Färbung erforderlich, die im Rahmen der üblichen Messunsicherheiten von spektralen Farbmessgeräten auswertbar ist.

Vorteile und Lösungen

Die am Markt verfügbaren Messstreifen waren bislang nur für die Ermittlung der auf den Bedruckstoff auftreffenden Dosis im kurzwelligen UV Bereich ausgelegt. Das emittierte Spektrum der LED Strahler konnte nicht erfasst und gemessen werden. Zur Realisierung des Vorhabens, Dosismessstreifen für den langwelligen UV LED Bereich zu entwickeln, wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Nach einer anfänglichen Recherche über in Frage kommende Materialen wurden mögliche Rezepturen erarbeitet. Die Wahl bei den Photoinitiatoren fiel auf ITX, TPO-L und EMK. Diese drei Substanzen zeigen eine starke Vergilbungsneigung und Absorption im gewünschten Bereich. Es wurden weiterhin drei verschiedene Bedruckstoffe, zwei Folien und ein Bilderdruckpapier ausgewählt. Um die Eignung für den Einsatzzweck zu prüfen, wurden die unbedruckten Substrate mit maximaler LED Leistung bestrahlt und ihre Verfärbung farbmetrisch bestimmt. Da sich der b Wert bei allen drei Materialien kaum veränderte, waren sie für die nachfolgenden Tests gut geeignet. In weiteren Vortests wurde mit einem UV Power Puck, ein Radiometer zur Bestimmung der Bestrahlungsstärke und Energiedichte der UV-Strahler, die Dosis am LED Strahler im vorhandenen Bandtrockner gemessen und ein näherungsweiser linearer Zusammenhang zwischen LED Leistung und UV Dosis festgestellt. Im nächsten Schritt wurden die UV reaktiven Medien angefertigt. Durch die Variation unterschiedlicher Strahlerleistungen und Bandgeschwindigkeiten konnten verschiedene Dosisabstufungen um Aushärten der Medien erzeugt werden. Durch das Auftragen von unterschiedlichen Schichtdicken und unterschiedlichen Anteilen des Photoinitiator ITX konnte festgestellt werden, dass ein zu geringer Anteil von vier Mikrometern oder ein zu großer von zwölf Mikrometern Schichtauftrag nicht den angestrebten Effekt erzeugte. Der gewünschte Farbumschlag war zu gering, beziehungsweise die Verarbeitung zu schwierig, der Lack härtete nicht ausreichend aus. Weiterhin zeigte das Bilderdruckpapier eine zu starke Rollneigung. Der zweite Photoinitiator TPO wurde in drei verschiedenen Mischungsverhältnissen mit dem UV-Lack gemischt und nur noch auf die beiden Folienbedruckstoffe mit zwei unterschiedlichen Schichtdicken aufgetragen. Die Verarbeitung war zufriedenstellend, jedoch wurde eine geringe Differenzierung des Farbumschlags festgestellt. Der dritte Photoinitator EMK war pulverförmig, und musste zunächst in Lösung gebracht werden, um dann in den UV Lack eingearbeitet zu werden. Eine EMK-Ethanol-Lösung wurde in einem Verhältnis von eins zu Zehn mit UV Lack vermischt. Die Schichtdicken und Trocknungseinstellungen wurden, wie bei den vorhergehenden Versuchen mit TPO, beibehalten. Eine gute Aushärtung und auch sehr gute farbliche Differenzierung der Strahlerabstufungen konnte auf dem Substrat PET erzielt werden. Aus diesem Grund fiel die Entscheidung für die Herstellung der Dosismessstreifen auf diese Materialkombination. Für eine besser Handhabbarkeit und Haltbarkeit der Messstreifen wurden die Streifen mit einer transparenten Folie versiegelt. Die so hergestellten Dosismessstreifen wurden auf ihre klimatische und mechanische Beständigkeit untersucht. Bei einer Lagerung unter extremen klimatischen Bedingungen, besonders bei hoher Temperatur, konnten Färbungsunterschiede der lichtempfindlichen Schicht nachgewiesen werden. Daher wird empfohlen, die hergestellten Streifen im Dunkeln möglichst bei Temperaturen unter 30 Grad Celsius aufzubewahren. Bewährt hat sich dafür eine Ummantelung mit Aluminium Folie. Zur Bewertung der mechanischen Beständigkeit wurden die Streifen mittels eines Scheuertests mit 100 Scheuerhüben gegen Papier gescheuert und bei einem Biegetest um zehn Grad gebogen. Bei beiden Beständigkeitsuntersuchungen löste sich weder die Lackschicht noch die Folienbeschichtung vom Substrat. Es zeigten sich lediglich minimale Beschädigungen auf der Oberseite der Deckfolie beim Scheuertest. In einem abschließenden Praxistest wurden die neu entwickelten Dosismessstreifen in industrieller Umgebung an einer Bogendruckmaschine erprobt. Die Resultate bei verschiedenen Strahlereinstellungen sowie Druckgeschwindigkeiten entsprachen den Erwartungen aus den Laborversuchen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass ein Messmittel erarbeitet wurde, das sich in der Praxis gut handhaben lässt und sichere Messergebnisse liefert. Die Messstreifen können an beliebiger Stelle auf den Bedruckstoff geklebt werden und durchlaufen die Druckmaschine. Nachdem sie den UV LED-Strahler passiert haben, verfärbt sich der Lack und der Farbumschlag kann anschließend farbmetrisch gemessen und in die entsprechenden Dosiswerte umgerechnet werden. Dabei ist auf eine zügige Auswertung zu achten, da eine Verfälschung der Messergebnisse durch zu lange Lagerung oder ungünstige Lagerbedingungen nicht ausgeschlossen werden kann.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die jährlichen Zuwachsraten bei UV Druckerzeugnissen liegen derzeit bei über zehn Prozent. In Europa ist der Einsatz von UV härtenden Druckfarben und Lacken weit verbreitet, in Deutschland nimmt der Anteil stetig zu. Laut den Maschinenherstellern werden heute über 20 Prozent aller Bogenoffsetmaschinen mit UV Ausstattung geordert. Im Verpackungsdruck wird der UV Druck beziehungsweise die Veredelung mit UV Lacken verstärkt eingesetzt. Durch neue UV Technologien werden außerdem mehr Druckereien angesprochen. Hier stehen nicht die Beständigkeitseigenschaften und Veredelungseigenschaften der UV Farben und Lacke im Vordergrund, sondern die schnelle Weiterverarbeitbarkeit, die eine Steigerung der Produktivität verspricht. Mit dem Einsatz der LED UV Trocknung werden heute neue Geschäftsfelder zum Beispiel im Akzidenzdruck, im Digitaldruck oder beim industriellen Druck auf unterschiedlichste Materialien, Oberflächen und Körpern erreicht. Die Anwender dieser Systeme haben sich bisher oft nicht mit der Technologie auseinandergesetzt und keine Erfahrung mit Voraussetzungen und Abläufen dieser Prozesse. Es ist davon auszugehen, dass der oben beschriebene Zuwachs im Bereich von UV Anwendungen überwiegend bei Anwendern entsteht, die sich mit den Grundlagen der Technologie und den damit verbundenen Vorteilen und Nachteilen auseinandersetzen müssen. Seitens der Lieferanten von Druckfarben, Tinten, Druckmaschinen und Strahlern wird den Druckereien Unterstützung geboten. Bei den LED UV Technologien ist es wichtig, alle Prozessparameter aufeinander abzustimmen. Gerade das können die Lieferanten der Einzelkomponenten in der Regel nicht leisten. Es ist davon auszugehen, dass ein Unternehmen beim erstmaligen Einsatz der LED UV Technologien alle Einflussparameter des Prozesses analysiert und aufeinander abstimmt. In der Regel sind die Art der Bedruckstoffe, die eingesetzten LEDs und deren Wellenlängen Ausgangsbasis der Anpassung. Für diese Rahmenbedingungen müssen optimale Druckfarben oder Tintenspezifikationen definiert werden. Zudem sind die optimalen Verarbeitungsbedingungen, die Einstellungen an Druckmaschine und Trocknungsanlage zu optimieren. Dabei ist zwischen einer maximalen Produktionsleistung, der erforderlichen Druckqualität und einer ausreichenden Härtung der Druckfarben und Tinten abzuwägen. Insbesondere der letzte Punkt ist ein entscheidendes Kriterium für die Akzeptanz und Unbedenklichkeit der hergestellten Druckprodukte und ist eine zwingende Voraussetzung, um die Vorteile einer schnellen Weiterverarbeitung nutzen zu können. Nach einer erfolgreichen Optimierung aller Prozessparameter, ist es von entscheidender Bedeutung, dass alle Einflussfaktoren konstant gehalten und regelmäßig überprüft werden. Ein entscheidender Punkt dabei ist die Strahlungsleistung, die den Bedruckstoff beziehungsweise die Druckfarbe oder Tinte erreicht und zur Vernetzung oder Aushärtung führt. Diese Strahlungsleistung kann durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst werden, wie zum Beispiel die eingestellte elektrische Spannung an den LED-Elementen, die Alterung einzelner LED Elemente, der Ausfall einzelner LED Elemente, die Verschmutzung der LEDs, Abdeckplatten oder Optiken und der Abstand zum Bedruckstoff. Da die LED Elemente üblicherweise aus einzelnen Modulen zusammengesetzt werden, ergibt sich die Möglichkeit, dass die Strahlungsstärke über die Materialbreite variiert oder sogar einzelne Bereiche komplett ausfallen. Für eine regelmäßige Kontrolle der Strahlungsstärke über die gesamte Materialbreite stehen mit den heute verfügbaren Technologien keine brauchbaren Lösungen für LED Strahler zur Verfügung. Die im Projekt erfolgte Entwicklung von Teststreifen bildet die entscheidende Grundlage, um in regelmäßigen Abständen oder bei Bedarf entsprechende Überprüfungen vorzunehmen. Gleichzeitig können versierte Unternehmen nach entsprechender Einweisung unter Verwendung der Teststreifen auch in Eigenleistung die Strahler überprüfen. Darüber hinaus können die zu entwickelnden Messstreifen auch von anderen unabhängigen Institutionen, Beratern und Dienstleistern sowie von den Lieferanten der Druckmaschinen, Trocknungssysteme, Druckfarben und Tinten genutzt werden, um die Stabilität der Prozessparameter zu kontrollieren oder im Störungsfall mögliche Ursachen zu identifizieren. Der aktuelle Nutzungsgrad der UV Technologie in Druckmaschinen wird in Deutschland in einer Größenordnung von zirka zehn Prozent angegeben. Das bedeutet, dass derzeit zirka 800 Druckereien in Deutschland mit UV Technologie arbeiten. Im Ausland ist der Anteil teilweise deutlich größer, sodass weltweit ein Anteil von 20 Prozent realistisch ist und der Anteil wächst, vor allem LED UV Strahler gewinnen Marktanteile. Unter dem Aspekt der deutlichen Energieeinsparung gegenüber klassischen UV Technologien wächst das Interesse der Anwender zum Einsatz solcher Systeme. Dementsprechend wird auch der Bedarf an den entwickelten Kontrollmöglichkeiten weiter deutlich wachsen.