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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine thermografische Druckeinrichtung,
bei der mindestens eine Wärmequelle
vorgesehen ist, die vor dem Kontaktieren eines mit einer Druckfarbe
benetzten Farbträgers
mit einem Aufzeichnungs- oder Druckübertragungsmaterials einer
jeden an der Kontaktfläche
des Farbträgers
ausgebildeten und mit der Druckfarbe gefüllten Vertiefung entsprechend
einem zu druckenden Bild eine definierte Wärmemenge zuführt, wobei der
Farbträger
zur Regeneration der verbrauchten Druckfarbe an einem die Druckfarbe
aufnehmenden Vorratsbehälter
vorbeiläuft,
zwischen dem und der Wärmequelle
eine auf die Druckfarbe wirkende Kühlvorrichtung angeordnet ist,
sowie ein entsprechendes thermografisches Druckverfahren.
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Eine
derartige Druckeinrichtung und ein entsprechendes Druckverfahren
sind bekannt aus der
DE
195 44 099 A1 , wobei an der Oberfläche eines als Farbträger dienenden
Glaszylinders vorgesehene rasterförmig angeordnete Näpfchen beim
Eintauchen in den Vorratsbehälter
mit der Druckfarbe gefüllt
werden. Während
der Glaszylinder rotiert, wird überschüssige Farbe
von der Oberfläche
des Glaszylinders mit einem Rakel abgestreift. Die dabei verwendete
Druckfarbe weist einen steilen Phasenübergang vom flüssigen in
den festen Zustand auf. Mit Hilfe der Kühleinrichtung wird der Phasenwechsel
vom flüssigen
in den festen Zustand der Druckfarbe vor der Druckzone noch beschleunigt.
In der Druckzone wird entsprechend einem zu druckenden Bild die
Laseranordnung selektiv aktiviert. Für einen zu erzeugenden Bildpunkt
wird die Laseranordnung auf genau ein Näpfchen gerichtet und aktiviert.
Dabei wird der Farbe, die sich im Näpfchen befindet, eine definierte Wärmemenge
zugeführt,
so dass die Farbe erschmolzen wird. Mit Hilfe des Druckzylinders
wird der Bogen gegen den Glaszylinder gepresst. Die erschmolzene
Farbe wird durch Adhäsionskräfte aus dem
Näpfchen
auf den Papierbogen übertragen.
Die Laseranordnung kann dabei in der Druckzone entlang einer Linie
quer zur Transportrichtung des Bogens die Farbe jedes beliebigen
in dieser Linie liegenden Näpfchens
erschmelzen. Das Laserlicht tritt durch die Wandung des Glaszylinders
hindurch. Der Fokus liegt jeweils in der Umgebung des Zentrums eines
Näpfchens.
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Weiterhin
sind aus der
DE 42
05 636 C2 Tief- und Flachdruckverfahren sowie Druckmaschinen
zur Durchführung
der Verfahren bekannt, wobei die pixelweise mittels eines Lasers
verflüssigte
Druckfarbe durch Abkühlen
auf dem Bedruckstoff bzw. Aufzeichnungs- oder Druckübertragungsmaterial
fixiert wird. Dabei hat sich als besonders geeignet die Verwendung
von Druckfarben mit mindestens zwei Komponentengruppen zu jeweils
mindestens einem Inhaltsstoff erwiesen. Der oder die Inhaltsstoffe
der ersten Gruppe besitzen Lösungsmittelcharakter
für den
mindestens einen Inhaltsstoff der zweiten Gruppe und weisen bei
Umgebungstemperatur in kristalliner Phase vorliegende Stoffe mit
niedrigen Schmelzpunkten auf. Geeignet sind insbesondere Cetylalkohol- und/oder
Stearylalkohol. Der oder die Inhaltsstoffe der zweiten Komponentengruppe
sind bei Umgebungstemperatur in festem Zustand vorliegende amorphe
Stoffe, insbesondere Polymere, beispielsweise hydroxylgruppenreiche
Polyacrylate, die in den Inhaltsstoffen der ersten Komponentengruppe
löslich sind.
Wird die erste Komponentengruppe so gestaltet, dass sie einen Schmelzpunkt
in der Größenordnung
von 80°C
hat und die zweite Komponentengruppe derart, dass sie sich z. B.
ab 100°C
in der ersten Komponentengruppe löst, so ist bei jeweils geringer
Energiezufuhr und -abfuhr in einem Temperaturintervall von lediglich
20°C die
schnelle und vollständige
Verflüssigung
bzw. Verfestigung der Druckfarbe möglich. Wenn die zweite Komponentengruppe
oberhalb des Schmelzpunktes der ersten Komponentengruppe in dieser
ausfällt,
kann weiterhin die erste Komponentengruppe eine feste Lösung in
der zweiten bilden. Da die beiden genannten Gruppen in der Regel
keine besonderen Farbeigenschaften aufweisen, ist in bevorzugter
Weise eine dritte Komponentengruppe vorzusehen, die ebenfalls in
der ersten löslich
sein sollte, um die Farbherstellung zu erleichtern. Es ist jedoch
auch möglich,
eine dritte Komponentengruppe unter der Verwendung von Pigmenten vorzusehen,
die in den anderen Komponenten nur dispergierbar sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermografische Druckeinrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein entsprechendes
Druckverfahren mit einer verbesserten Energieeffizienz bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß ist dies
bei einer Druckeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1 und dem entsprechenden Druckverfahren dadurch erreicht, dass die
Druckfarbe in dem Vorratsbehälter
aus zumindest zwei Komponenten besteht, wobei der Schmelzpunkt T1
der ersten Komponente niedriger ist als der Schmelzpunkt T2 der
zweiten Komponente, dass die erste Komponente Lösungsmittelcharakter für die zweite
Komponente aufweist, dass die Druckfarbe in dem Vorratsbehälter auf
eine Temperatur T > T2
erwärmt
ist, dass die Kühlvorrichtung
die Druckfarbe auf eine Temperatur T < T1 kühlt, und dass die Wärmequelle
die Druckfarbe auf eine Temperatur T1 < T < T2
erwärmt.
Durch das Anschmelzen lediglich der ersten Komponente der Druckfarbe
kann mit geringer Wärmemenge
bzw. geringer Laserleistung die Adhäsion der Druckfarbe an dem
Bedruckstoff bewirkt werden. Die Fixierung der Farbe an z. B. dem
Papierbogen kann in einem weiteren Arbeitsgang anschließend durch
Druck und Wärme
erreicht werden. Dieser Vorgang kann mit relativ billiger Energie
vorgenommen werden. Die bisher beim Stand der Technik bei Thermotransferdruckverfahren
erforderliche hohe Laserleistung kann hingegen deutlich reduziert
werden. Ebenso sind erfindungsgemäß die mit der Fokussierung
hoher Laserleistungen auf die in winzigen Näpfchen befindlichen Farbtröpfchen verbundenen
Probleme verringert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
der Farbträger
als endloses Band ausgeführt.
Dadurch können
insbesondere längere
Abkühlzeiten realisiert
werden, was für
den Entmischungsvorgang der Farbkomponenten günstig ist.
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Um
den Entmischungsprozess der beiden Komponenten der Druckfarbe zu
verbessern, können vorteilhafter
Weise beim Abkühlen
zusätzlich
geeignete elektrische Felder angelegt werden.
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Nachfolgend
sind anhand schematischer Darstellungen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen thermografischen
Druckeinrichtung und das entsprechende Druckverfahren beschrieben.
Es zeigen:
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1 stark
vereinfacht die Druckeinrichtung,
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2a, 2b vergrößert einen
Abschnitt des Farbträgers
mit Näpfchen
für die
Druckfarbe vor und beim Bedrucken eines Papierbogens,
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3a, 3b vergrößert einen
Tropfen der Druckfarbe vor und nach dem Abkühlen, und
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4 ein
Diagramm des zeitlichen Verlaufes der Temperatur T der Druckfarbe
während
des Druckvorganges.
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Die
in 1 gezeigte Druckeinrichtung weist als Farbträger einen
in Pfeilrichtung rotierenden Glaszylinder 1 auf, der mit
einem Papierbogen 3 kontaktiert, welcher mittels eines
Druckzylinders 5 im Kontaktbereich gegen den Glaszylinder 1 gepresst wird.
Eine Druckfarbe 7, deren Eigenschaften nachfolgend ausführlich beschrieben
sind, ist in einem beheizten Vorratsbehälter 9 bevorratet.
Zur besseren Vermischung der Druckfarbe weist der Vorratsbehälter 7 zudem
ein mechanisches Rührwerk 11 auf.
Dem Vorratsbehälter
vorgeschaltet ist eine erste Rakel 13, die nach dem Druckvorgang
auf dem Glaszylinder 1 verbliebene überschüssige Druckfarbe 7 abrakelt. Diese
Farbe kann sowohl in einen nicht gezeigten Abfallbehälter gelangen
als auch in den Vorratsbehälter 7.
Eine zweite Rakel 15 rakelt die Druckfarbe 7 auf
den Glaszylinder 1. Zwischen dem zweiten Rakel 15 und
dem Kontaktbereich zwischen dem Glaszylinder 1 und dem
Papierbogen 3 ist eine Kühlvorrichtung 17 angeordnet,
die die auf dem Glaszylinder 1 aufgebrachte Druckfarbe 7 abkühlt, wie
nachfolgend beschrieben ist. Im Bereich des Druckspaltes zwischen
dem Glaszylinder 1 und dem Druckzylinder 5 ist
im Inneren des lichtdurchlässigen
Glaszylinders 1 mindestens eine Laseranordnung 19 angeordnet. Das
Laserlicht ist dabei so steuerbar, dass über die Breite des Glaszylinders 1 bzw.
des Papierbogens 3 im Bereich des Druckspaltes die an der
Oberfläche des
Glaszylinders befindliche Druckfarbe 7 selektiv schmelzbar
ist. Zur anschließenden
Fixierung der Druckfarbe 7 auf dem Bogen 3 sind weiterhin
beheizte Fixierwalzen 21 vorgesehen. Die Mantelfläche 23 des
Glaszylinders 1 weist in an sich bekannter Weise rasterförmig angeordnete
Vertiefungen auf, die als Näpfchen 25 ausgebildet
sind (2a, b). Dadurch ist zum einen
ein gleichmäßiger dünner Farbauftrag ermöglicht und
zum anderen das Ablösen
der Druckfarbe 7 vom Farbträger 1 erleichtert.
Die Näpfchen 25 auf
dem Farbträger
sollten höchstens
den halben Durchmesser des angestrebten Bildpunktes haben. Die Näpfchentiefe
liegt im Bereich von 6–9 μm, vorzugsweise
weniger als 3 μm.
Das Raster sollte ein Schöpfvolumen
von mindestens 1 cm3/m2 aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Mantelfläche
des Glaszylinders 1 als glatte Oberfläche ausgebildet.
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Als
Druckfarbe kann beispielsweise eine Farbe nach der Druckschrift
DE 25 34 845 A1 (Schering)
oder nach der Druckschrift
DE
4205636 C2 (Siegwerk) dienen oder es können andere bekannte HotMelt-Farben
verwendet werden. Typisch dabei ist, dass eine farblose erste Komponente
27 einer durch
Wärmeentzug
erhärtenden
Farbe bzw. zweiten Komponente
29 beigemischt wird. Beide
bilden oberhalb einer kritischen Lösungstemperatur eine homogene
Lösung
(
3a). Die erste Komponente
27 besitzt
einen niedrigeren Schmelzpunkt T1 als die Farbe
29 (T2).
Die Moleküle
der ersten Komponente
27 sollten zudem mobiler sein als
die Moleküle
der zweiten Komponente
29. Wird beim Abkühlen der Schmelzpunkt
T1 der ersten Komponente
27 unterschritten, entmischen
sich beide Komponenten
27,
29 wieder. Die mobilere
erste Komponente
27 wird sich außen an der Grenzfläche der
Druckfarbe
7 anlagern (
2a,
3b).
Der Mengenanteil der ersten Komponente sollte etwa 5–30% betragen.
Die erste Komponente
27 könnte beispielsweise auch ein wachsähnliches,
niedermolekulares Polymer oder ein monomolekularer Stoff sein, der
sich schlecht mit der Farbe
29 mischt. Vorzugsweise sind
in der ersten Komponente
27 Absorptionsstoffe enthalten,
die das Laserlicht der Laseranordnung
19 besonders gut
absorbieren oder die erste Komponente
27 weist im Wellenlängenbereich
des Laserlichts, das von der Laseranordnung
19 abgegeben
wird, ein großes
Absorptionsverhalten auf. Dadurch wird der Energieeintrag in die
erste Komponente
27 verbessert.
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Niedermolekulare
Polymere und Monomere (erste Komponente 27) zeichnen sich
in der Regel durch geringere Schmelz- bzw. Erweichungspunkte, niedrigere
Viskosität
bzw. höhere
Mobilität
der Moleküle
aus als lange Molekülketten
(zweite Komponente 29). Oberhalb der Erweichungstemperatur
bewegen sich die Molekülketten
eines Stoffes stark gegeneinander, wodurch eine Bewegung relativ
zueinander möglich
ist. Sinkt die Temperatur der Moleküle, nehmen deren Schwingungen
ab. Der Abstand zwischen den Molekülketten verringert sich so
lange, bis keine Bewegung mehr möglich
ist und der Festzustand erreicht ist. Oberhalb einer kritischen
Lösungstemperatur
bilden zwei thermoplastische Polymere eine homogene Lösung. Wird
nun eine homogene Lösung zweier
ungleicher Polymere abgekühlt,
entmischen sich die beiden Polymere. Dabei versuchen sich beide
Polymere in getrennten Bereichen abzusondern. Das höhermolekulare
Polymer (zweite Komponente 29) ist immobiler und wird sich
im Verhältnis
zum niedermolekularen Polymer (erste Komponente) nur wenig bewegen.
Dies führt
zu einem Herausdrängen des
niedermolekularen Polymers aus dem anderen. Bei kleinen räumlichen
Dimensionen des Gemisches, beispielsweise bei einem kleinen Tröpfchen, wird
sich das niedermolekulare Polymer verstärkt an den Außenseiten
des Stoffgemisches hautförmig
anlagern, wenn dem niedermolekularen Polymer genug Zeit zur Verfügung steht,
an die Oberfläche
des Tröpfchens
zu diffundieren. Auf welche Temperaturen das Gemisch erhitzt und
abgekühlt
werden muss, sowie welche Abkühlzeiten
und -profile dabei besonders günstig
sind, ist von den verwendeten Stoffen abhängig. Problematisch kann dabei
eine verzögerte Erstarrung
der Polymere wegen des bei einer unterkühlten Schmelze auftretenden
Wärmespeichereffektes
sein. Sollte der höhermolekulare
Stoff nur verzögert
seine Wärme
abgeben, kann dieser Effekt dazu führen, dass der niedermolekulare
Stoff in flüssigem
Zustand gehalten wird. Eine Abkühlungsstrategie
kann deshalb in einer allmählichen
Abkühlung bestehen.
Eine alternative Vorgehensweise beim Abkühlen der auf dem Glaszylinder 1 in
den Näpfchen 25 befindlichen
Druckfarbe 7 könnte
unter Ausnutzung des Wärmespeichereffektes
grundsätzlich
auch darin bestehen, das Gemisch bzw. die Druckfarbe 7 schnell
auf eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur der beiden
Komponenten abzukühlen.
Durch die verzögerte
Erstarrung infolge des Wärmespeichereffektes
bleibt beiden Komponenten 27, 29 ausreichend Zeit,
sich zu entmischen. Welcher Entmischungsgrad anzustreben ist, hängt von
den Mengenverhältnissen
der Komponenten und der notwendigen Schichtdicke der ersten Komponente 27 an
der Oberfläche
der Druckfarbe ab. Die räumliche Verteilung
der Komponenten kann durch die Temperaturverteilung bei der Abkühlung und
die Wahl des Stoffes bestimmt werden, auf den das Polymergemisch
bzw. die Druckfarbe 7 aufgetragen wird. Zur Verbesserung
des Entmischungsverhaltens kann der Druckfarbe 7 als Moderator
eine geeignete dritte Komponente beigemengt werden.
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Beim
Betrieb der thermografischen Druckeinrichtung nach 1 wird
das heiße,
homogene Gemisch bzw. die Druckfarbe 7 auf den Farbträger bzw.
Glaszylinder 1 aufgetragen und überflüssige Farbe abgerakelt. Dann
wird die Druckfarbe 7 unter den Schmelzpunkt T1 der ersten
Komponente 27 abgekühlt
(4). Die Kühlung
kann farbseitig z. B. durch Luftkühlung oder rückseitig
z. B. durch Wasserkühlung
erfolgen. Dabei haben der Ort und die Geschwindigkeit der Kühlung Einfluss
auf die räumliche
Verteilung der entmischten Komponenten 27, 29, wie
oben beschrieben ist. Während
des Abkühlen entmischen
sich also die beiden Komponenten 27, 29 der Druckfarbe
(2a, 3a, b). Dabei werden die mobileren
Moleküle
der ersten Komponente 27 aus dem Gefüge der Druckfarbe gedrängt und
lagern sich an deren Grenzflächen
ab (2a, 3b). Das Entmischen der beiden
Komponenten 27, 29 der Druckfarbe 7 kann
eventuell durch Anlegen statischer und/oder dynamischer elektromagnetischer Felder
beschleunigt und gesteuert werden (nicht gezeigt). Wird die Druckfarbe 7 anschließend auf
dem Farbträger 1 punktweise
entsprechend dem gewünschten
Druckbild auf eine Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt T1 der ersten
Komponente 27 und dem Schmelzpunkt T2 der Farbe 29 erwärmt (4),
schmilzt die erste Komponente um die zweite Komponente. An der Grenzfläche zum
Papierbogen 3 benetzt die angeschmolzene erste Komponente 27 beim
Farbübertrag
den kühleren
Papierbogen 3 und erstarrt dort (2b). Damit
haftet die zweikomponentige Druckfarbe 7 an dem Bogen 3 und
kann vom Glaszylinder 1 abgelöst werden (2b).
Diese Ablösung
wird durch die verflüssigte
erste Komponente 27 zwischen der zweiten Komponente 29 und dem
Farbträger 1 unterstützt. Die
nicht erwärmten Farbtröpfchen in
den entsprechenden Näpfchen
bleiben kalt und im wesentlichen auf dem Glaszylinder 1 haften.
Die Umwandlung des Laserlichtes in Wärme kann durch Licht absorbierende
Pigmente/Farbstoffe geschehen oder verbessert werden. Diese Pigmente sollten
kein sichtbares Licht absorbieren, damit die Farbqualität nicht
gestört
wird. Um Energieverluste zu verringern, sind diese Absorber nahe
an der Farboberfläche
vorgesehen. Optimaler Weise ist der Absorber in der Farbe 29 und/oder
in dem Zusatzstoff 27 gelöst. Notfalls kann auch die
Oberfläche
des Farbträgers 1 zumindest
im Bereich der Näpfchen 25 mit
dem Absorber eingefärbt
werden. Der Energieeintrag zum Anschmelzen der Druckfarbe 7 kann
aufgrund der geringen erforderlichen Wärmemenge alternativ auch durch
elektrischen Strom über
den ohmschen Widerstand der Farbe oder mittels HF-Wechselfelder erfolgen.
Insgesamt ist ein reduzierter Energiebedarf von bis zu lediglich
etwa 10% im Vergleich zu einem Thermotransferverfahren gemäß dem Stand
der Technik mit gleicher Farbe am Farbübertragspunkt möglich, da
das energieintensive Erweichen bzw. Schmelzen der gesamten Farbe am Übertragspunkt
vermieden werden kann und lediglich der äußere Randbereich eines betreffenden Farbtröpfchens
aufgeschmolzen werden muss. Die auf den Papierbogen 3 aufgebrachte
Druckfarbe 7 wird später
noch durch Druck und/oder Hitze mittels der Fixierwalzen 21 (1)
fixiert. Das Fixieren der Farbe auf dem Papier erfolgt durch die
Kombination von Druck und Erhitzen, z. B. mittels einer heißen Walze.
Falls in der Druckfarbe ein Absorber enthalten ist, können die
auf dem Papierbogen 3 abgebildeten Farbpunkte auch durch
Einstrahlen entsprechenden Lichtes gezielt erhitzt werden und durch
eine kalte Walze sowohl aufgepresst als auch getrocknet und damit
fixiert werden. Der mobile Zusatzstoff bzw. die erste Komponente 27 mit
dem niedrigeren Schmelzpunkt T1 wird durch das Fixieren deutlich
besser in das Papier 3 weggeschlagen als die Farbe bzw.
die zweite Komponente 29. An nichtdruckenden Stellen schützt die
farblose erste Komponente 27 über der zweiten Komponente 29 der
Druckfarbe 7 vor farbigem Abrieb. Der Farbträger 1 bzw.
die Druckfarbe 7 kann nach dem Farbübertrag auf den Papierbogen 3 erhitzt
werden, um problemlos die noch vollen Näpfchen entleeren zu können und
vollständig
neu eingefärbt
werden zu können.
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Eine
gute Ausnutzung der ersten Komponente 27 beim Druckverfahren
ist nur gegeben, wenn sich zumindest ein Teil der ersten Komponente
beim Abkühlen
an der äußeren Grenzschicht
eines Farbtröpfchens
ablagert und diese wie eine Haut umgibt. Bei dem Abkühlungsprozess
müssen
die Moleküle der
ersten Komponente nämlich
an die Oberfläche der
Druckfarbe diffundieren, wozu eine ausreichende Zeitdauer benötigt wird.
Je dicker das Gemisch aufgetragen wird und je kürzer die Abkühlzeit ist,
desto geringer ist der Anteil der an der Grenzfläche abgelagerten ersten Komponente 27.
Der Entmischungsprozess stellt weiterhin auch eine Vernetzung beider Komponenten 27, 29 sicher.
Falls zur Entmischung längere
Abkühlzeiten
notwendig sind, kann die Verwendung eines an sich bekannten Farbbandes
erforderlich sein, da dadurch ein weiterer Weg vom Farbauftrags-
zum Farbübertragspunkt
im Kontaktbereich ermöglicht
werden kann. Geeignet ist dabei beispielsweise für Temperaturen bis 200°C ein Kaptonband
mit einer Dicke von 0,2 mm und einem Transmissionsgrad von 80–90% bei
Infrarot-Licht mit einer Wellenlänge
von 2–3 μm. Die Verwendung
eines Farbbandes anstatt einer Rasterwalze vereinfacht auch den
Energieeintrag, da mehr Platz zur Verfügung steht. Allerdings lässt sich
ein Band nur schwer auf den Übertragungspunkt
im Kontaktbereich pressen. Die Art der Farbträgeroberfläche hat Einfluss auf die Entmischung
der Komponenten. Falls die Adhäsion
der Beschichtung am Farbträger
nicht zu vernachlässigen
ist, sollte die Polarität
des Zwischenträgers so
gewählt
werden, dass die zweite Komponente 27 sich bevorzugt daran
anlagert.
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Der
Energieeintrag zum punktweisen Farbtransfer nach dem Abkühlen ist
unmittelbar vor dem Farbübertrag
im Bereich des Druckspaltes zwischen dem Glaszylinder 1 und
dem Druckzylinder 5 energetisch am günstigsten (1).
Dazu muss die Laseranordnung 19 durch den Farbträger 1 hindurch
auf die Übertragungsstelle
fokusiert werden.
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Generell
sind nach dem erfindungsgemäßen Prinzip
auch andere Beschichtungen mit zwei oder mehr Schichten denkbar.
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- 1
- Farbträger
- 3
- Druckübertragungsmittel
- 5
- Druckzylinder
- 7
- Druckfarbe
- 9
- Vorratsbehälter
- 11
- Rührwerk
- 13
- erste
Rakel
- 15
- zweite
Rakel
- 17
- Kühlvorrichtung
- 19
- Laseranordnung
- 21
- Fixierwalzen
- 23
- Mantelfläche
- 25
- Näpfchen
- 27
- erste
Komponente
- 29
- zweite
Komponente