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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optolithografisches Verfahren
zum Belichten eines fotosensitiven Substrats mit den im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Merkmalen, insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Druckplatte für
Flexodruck-Anwendungen.
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Es
ist bekannt, dass optolithografische Verfahren in der Halbleiterindustrie
zum Erzeugen feiner Schaltstrukturen auf einem Halbleitersubstrat
verwendet werden. Ferner werden zum Bedrucken von Verpackungsmitteln
aus Kunststoff (wie z. B. PE, PET, OPP, OPE, metallisierte Folie),
Papier, Karton und Pappe ebenso mit Hilfe von optolithografischen Verfahren
hergestellte Druckplatten verwendet. Solche Druckplatten für
das Offset- oder Flexodruckverfahren werden insbesondere für
Klebefolien, Isolationspapier, Getränkeverpackungen, Servietten, Durchschreibesätze
oder Tapeten eingesetzt, da sie eine hohe Produktivität
ermöglichen. Dazu werden große Walzen mit den
darauf angeordneten flexiblen Druckplatten verwendet. Offset-Druckplatten
haben eine geringe Höhe und werden vorrangig für
glatte Oberflächen eingesetzt. Flexo-Platten sind generell dicker
und können auch unebene Materialen bedrucken.
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Generell
besitzt ein Flexodruckwerk eine Rasterwalze, welche eine Druckplatte
einfärbt, einen Druckzylinder, auch Formatzylinder genannt,
auf dem die Druckplatte befestigt ist, und einen Gegendruckzylinder,
der den Bedruckstoff führt. Abweichungen in der Bauweise
entstehen durch verschiedene Methoden, die Rasterwalze einzufärben.
Unterschieden werden hierbei das Tauchwalzendruckwerk (veraltet)
und das Kammerrakeldruckwerk. Beim Tauchwalzendruckwerk wird über
die Tauchwalze Farbe an die Rasterwalze abgegeben. Die überschüssige
Farbe wird mithilfe eines Rakelmessers, welches steil gegen die
Rasterwalze steht, abgestreift. Die Rasterwalze hat ein offenes
oder geschlossenes Rakelsystem. Beim Kammerrakelsystem oder offenen
Rakelsystem wird ebenfalls die überschüssige Druckfarbe
mit einem Rakelmesser von der Rasterwalzenoberfläche abgestreift.
Bei diesem Verfahren wird die Farbe in eine Kammer gepumpt, die
an die Rasterwalze drückt und die Rakelmesser enthält.
Rakelmesser bestehen üblicherweise aus Stahl; Varianten
sind Kunststoffrakel und keramikbeschichtete Stahlrakel. Die Farbdosierung
erfolgt, im Gegensatz zu anderen Druckverfahren, lediglich über
Rasterwalzen unterschiedlicher Lineatur.
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Die
Druckformen bzw. Druckplatten bestehen entweder aus Gummi oder einem
UV-empfindlichen Kunststoff (Fotopolymerplatte). Die fotopolymere
Druckform wird durch eine Negativmaske mit UV-Licht belichtet und
die druckenden Elemente in einem Auswaschprozess entwickelt. Rotative
Druckformen aus Gummimaterial werden mittels der Lasergravur hergestellt.
Die Druckform als Druckträger hat den Vorteil, dass neben
dem Text auch Halbtöne reproduziert werden können.
Die Druckplatten werden nach ihrer Herstellung auf den Druckzylinder
gespannt. Beim Zeitungsflexodruck besteht die Druckform aus einem
Stahlträger, der mit einem Primer beschichtet ist, auf
den dann das Fotopolymer kommt.
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Zur
Erhöhung der Auflösung und zur Einsparung der
Film-Maske wurde von einer ganzflächigen Belichtung durch
eine als Film ausgeführte Negativmaske zu einer punktweise
ausgeführten Belichtung übergegangen. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, dass Bilddaten in elektronischer Form direkt
verwendet werden können (wird als Computer to Plate – CTP
Verfahren bezeichnet). Da hierdurch jedoch die Belichtung durch
einzeln nacheinander anzufahrende Pixelbelichtung zeitlich gestreckt
wird, ist es bekannt, zur Verkürzung der Belichtungszeit
mehrere nebeneinander angeordnete, jeweils auf nebeneinanderliegende
Punkte fokussierte Lichtquellen zu verwenden, die dadurch gleichzeitig
einen Streifenbereich belichten. Hierbei werden diejenigen Lichtquellen
eingeschaltet, die über einem (auf der Druckplatte) durch
Aushärtung zu erzeugenden Bildpunkt liegen, während
diejenigen Lichtquellen, die über einem (auf der Druckplatte)
auszulassenden Bildpunkt zu liegen kommen, ausgeschaltet bleiben.
Die Vielzahl der Lichtquellen wird hierbei mit einer gleichmäßigen
Geschwindigkeit kontinuierlich oder schrittweise bewegt und der
Energieeintrag beispielsweise durch die Belichtungszeit bemessen.
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Hierbei
erhalten benachbarte Bildpunkte bei hoher Auflösung der
einzelnen Pixel (Bildpunkt der Druckplatte) durch eine nicht-perfekt-punktförmige Fokussierung
sowie durch Streuung im Material zusätzlich Energieanteile
durch den Belichtungsvorgang für benachbarte Pixel, wodurch
es nachteilhafterweise zur Überbelichtung einzelner Pixel
kommen kann.
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Physikalische
Ursache für eine nicht-perfekt-punktförmige Fokussierung
sind insbesondere die Beugung (Rayleigh-Kriterium) sowie Abweichungen
der fokussierenden Optiken von der Idealform (insbesondere Bauteiltoleranzen).
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Einzeln
stehende Bildpunkte (d. h. Pixel, in deren direkter Nachbarschaft
keine weiteren Pixel vorhanden sind) erhalten aufgrund der nicht-perfekt-punktförmigen
Fokussierung keine oder nur geringe zusätzliche Energieanteile
durch den Belichtungsprozess von benachbarten Bildpunkten, sodass sie
ihren Energieeintrag ausschließlich aus der sie belichtenden
Lichtquelle erhalten müssen und daher eine längere
Belichtung benötigen. Das bedingt, dass die Vorschubgeschwindigkeit
(Scan-Geschwindigkeit) durch die (längere) Belichtungszeit
für einzeln stehende Bildpunkte limitiert ist.
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US 2005/0041229 A1 offenbart
ein optolithografisches Verfahren zum Belichten eines fotosensitiven
Substrats, wobei ein räumlicher (beispielsweise ein transmissiver)
Lichtmodulator von einer Lichtquelle bestrahlt und auf ein zu belichtendes
Substrat abgebildet wird. Der räumliche Lichtmodulator
weist mindestens ein Array von einzeln zwischen mindestens zwei
Zuständen (An/Aus) schaltbaren Elementen auf. Vorzugsweise
sind die optischen Komponenten derart eingestellt, dass der Lichtmodulator
(das Array) unscharf auf das zu belichtende Substrat abgebildet
wird. Dadurch kann die Stabilität einzeln stehender Pixel
durch Teilbelichtung der Randbereiche des Pixels erhöht
werden. Jedoch werden die einzeln schaltbaren Elemente des Arrays
für nicht zu belichtende Pixel derart eingestellt (z. B.
keine Transmission), dass der nicht zu belichtende Pixel kein Licht
von der Lichtquelle erhält. Daher können zum Belichtungsprozess
lediglich die (z. T. unscharf abgebildeten) Energieanteile derjenigen
Pixel beitragen, die tatsächlich belichtet werden sollen.
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US 2006/0098181 A1 offenbart
eine Technik zum Erhöhen des Auflösungsvermögens
eines gegebenen fotolithografischen Systems, wobei ein räumlicher
Lichtmodulator (programmable mask) auf ein photoempfindliches Substrat
abgebildet wird. Die Idee besteht darin, zeitlich aufeinanderfolgend
jeweils zwei räumlich versetzte Belichtungen des räumlichen
Lichtmodulators (d. h. Fokusse der minimal möglichen Größe) – wobei
jeder der Fokusse mit einer zum Aushärten unzureichenden
Energiemenge belichtet wird – partiell zu überlappen,
sodass der Überlappungsbereich einerseits kleiner als die
einzelnen Fokusse ist und im Überlappungsbereich andererseits
ausreichend Energie vorhanden ist, um den Pixel auszuhärten.
Das bedeutet, dass auch Bereiche, in denen kein Pixel ausgebildet
werden soll, durch zumindest einen der Fokusse belichtet wird. Um
unerwünschte Strukturen (beispielsweise ein nicht erwünschtes
Pixel zwischen zwei erwünschten Pixeln wie in
2 der
US 2006/0098181 A1 dargestellt)
zu vermeiden, werden die Belichtungsenergien der einzelnen Fokusse
so gesteuert, dass die Schwellenergie nur in Überlappungsgebieten
für gewollte Pixel überschritten wird (wie in
3 der
US 2006/0098181 A1 dargestellt). Jedoch wird
nicht offenbart, dass Energiebeiträge für benachbarte
Pixel gleichzeitig eingebracht und überlappt werden. Weiterhin
werden maximale Energiedichten (Strahlungsdichten) nicht im Zentrum
einer einzelnen Belichtung, sondern lediglich im Überlappungsbereich
mehrerer Belichtungen erzeugt.
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PCT/SG00/00037 A1 offenbart
ein optolithografisches Verfahren zum Belichten von Druckplatten,
bei dem zum Erreichen einer höheren Auflösung die
Bild-Maske (wie bei
US
2006/0098181 A1 ) zwischen mehreren Belichtungseinstellungen
versetzt wird. Bei jeder Teil-Belichtung wird nur ein Teil der Belichtungsenergie
ausgestrahlt, wodurch lediglich in den überlappten Pixelbereichen
eine über dem Aushärtungsschwellenwert liegende
Gesamtenergie zustande kommt. Dadurch kann mit relativ grobflächigen,
nicht mehr reduzierbaren Pixelstrahlenbündeln aufgrund
einer höheren Positioniergenauigkeit eine vielfach höhere
Pixelauflösung erreicht werden.
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EP 1 437 882 A1 offenbart
ein Verfahren zum Erzeugen 3-dimensionaler Druckbereiche durch Ausbilden
mehrerer Schichten übereinander, wobei vorgesehen ist,
den Querschnitt der Druckbereiche in der Nähe zum Trägersubstrat
breiter (oder mindestens gleich breit) als einen vom Trägersubstrat
entfernteren Querschnitt auszubilden, um dadurch dreidimensionale
Körperformen auszubilden. Das Auftragen der Schichten kann
hierbei auf eine beliebige Art und Weise erfolgen, so z. B. optolithografisch
oder durch Pulverauftragen. Einzelne vorstehende Druckpixel einer
Druckplatte weisen hierbei einen im unteren Bereich verbreiterten
Bereich auf, der insbesondere eine verbesserte Standfestigkeit freistehender Druckpixel
ermöglicht, die zum Darstellen von Halbtönen durch
eine Vielzahl besonders kleiner Pixel verwendet werden. Das Ausbilden
der 3-dimensionalen Druckpixel durch mehrere Schichtlagen ist jedoch sehr
zeitintensiv und daher relativ teuer. Ein ähnliches Verfahren
wird in
DE 101 59
084 A1 offenbart. Sowohl
EP 1 437 882 A1 als auch
DE 101 59 084 A1 offenbaren
jedoch nicht, dass Bereiche, in denen auf der Druckplatte kein Pixel
ausgebildet werden soll, gezielt belichtet werden, d. h. dass das
Zentrum der Belichtung
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Ferner
ist es bekannt, mithilfe eines integrierten Halbleiterbausteines,
der eine Vielzahl kleiner kippbarer Spiegel aufweist, eines sogenannten
DMD (Digital Mirror Device) zeitgleich eine der Anzahl der Spiegel
entsprechende Anzahl von Bildpixeln zu belichten. Beispielsweise
kann ein solcher IC-Chip 1024 × 786 in Reihen und Spalten
angeordnete Spiegel aufweisen und entweder die gesamte Druckplatte in
dieser Auflösung belichten oder alternativ mehrere versetzte
Rechtecke nebeneinander auf der fotosensitiven Schicht belichten.
Ein optisches System aus Lichtquelle/n, Umlenkspiegeln und Fokussier-Objektiv/en
richtet das von dem Spiegelchip reflektierte Licht auf die zu belichtende
fotosensitive Schicht der Druckplatte. Die Menge der Energieeinstrahlung
zu jedem Pixel wird hierbei über die Einschaltdauer des jeweiligen Spiegels
vorgegeben. Nicht zu belichtende Pixel werden durch weggeklappte
Mikrospiegel prozessiert.
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Das
zum Realisieren der dreidimensionalen Stempelstruktur einer Druckplatte
oft verwendete, auf einem Trägersubstrat angeordnete fotosensitive Material
weist einen Aushärtungsschwellenwert auf, durch den es
möglich ist, die unterschwellig belichteten Bereiche durch
ein Lösungsmittel herauszuwaschen. Der Aushärtungsprozess
beginnt an der Oberfläche der fotosensitiven Schicht und
setzt sich mit fortschreitender Belichtungsdauer in die Tiefe bis zum
Trägersubstrat fort. Die einfallende Strahlenenergie wird
zunächst von den Molekülen des fotosensitiven
Materials an der äußeren Oberfläche der
fotosensitiven Schicht absorbiert, die dadurch eine für
die chemische Reaktion ausreichende Energiemenge erhalten und aushärten.
Nach dem Aushärten werden diese ausgehärteten
Moleküle für die elektromagnetische Strahlung
zumindest partiell durchlässig, sodass die darunter liegenden
Moleküle nun die Strahlungsenergie absorbieren. Mit fortschreitender Belichtungsdauer
setzt sich dieser Prozess fort, bis die gesamte Schichtdicke der
fotosensitiven Schicht durchdrungen und ein ausgehärteter
Stempel (d. h. vollständig ausgehärteter Pixel)
fest mit dem Trägersubstrat verbunden ist. Die Bereiche
mit unterschwelliger Belichtung bilden daher an der nach außen
exponierten Oberfläche der fotosensitiven Schicht ausgehärtete
Krusteninseln oder an die vollständig ausgehärteten
Stempelbereiche angrenzende Krustenanhaftungen aus. Bei einem anschließenden
Prozessschritt wird mit einem Lösungsmittel das nicht belichtete
fotosensitive Material aufgelöst und herausgelöst.
Nur partiell ausgehärtete Pixel (z. B. frei schwimmende
Krusteninseln) werden ebenso weggespült. Die an die ausgehärteten
Stempelbereiche angrenzenden und anhaftenden (nur partiell ausgehärteten)
Krustenanhaftungen bedürfen einen unterstützenden
Prozess, mit dem sie von den Stempelbereichen mechanisch abgelöst
werden. Dieser Prozess wird beispielsweise mittels Bürstens
ausgeführt.
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Ein
besonderer Nachteil der genannten Verfahren zum Herstellen von Druckplatten
ist insbesondere die lange Belichtungszeit.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur strukturierten Belichtung eines fotosensitiven Substrats mit
einer kürzeren Gesamtbelichtungszeit anzugeben. Eine weitere
Aufgabe besteht darin, freistehende, belichtete Bildpunkte in Randbereichen
geschlossener Strukturen einer Druckplatte mit einer erhöhten
mechanischen Stabilität zu erzeugen.
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Ein
Pixel weist tatsächlich eine Flächenausdehnung
auf, die unterschiedlich groß ausfällt, je nachdem
ob dieser Pixel auf einem Bildschirm, einem Papierausdruck oder
auf der Druckplatte ausgebildet ist, weil das Bildmuster jeweils
einem anderen topografischen Vergrößerungsgrad
unterliegt.
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Als
ein Pixel-Stempel wird ein dreidimensionaler ausgehärteter
Pixel verstanden, dessen Höhe (vorzugsweise) der Schichtdicke
der fotosensitiven Schicht entspricht und der fest auf dem Trägersubstrat
verankert ist. Die nach außen exponierten Fläche der
Pixel-Stempel (also der ausgehärteten Pixel) bildet die
Druck- oder Kontaktfläche einer Druckplatte, die mittels
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
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Vorzugsweise
sind die Pixel auf dem Trägersubstrat (bzw. der Druckplatte)
gemäß der vorliegenden Erfindung matrixförmig
angeordnet. Vorzugsweise sind alle Pixel gleich groß. Besonders
bevorzugt sind alle Pixel rechteckförmig oder kreisförmig.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ein optolithografisches Verfahren
zum Belichten einer auf einem Trägersubstrat aufgebrachten
fotosensitiven Schicht (vorzugsweise einer Druckplatte für
Flexodruck) mit einem aus einer Vielzahl von Bildpunkten aufgebauten
Bildmuster, wobei die fotosensitive Schicht einen materialbedingten
Aushärtungs-Energieschwellenwert aufweist, wobei eine Vielzahl
von Bildpunkten des vorgegebenen Bildmusters einer Vielzahl von
Pixeln in der fotosensitiven Schicht zugeordnet wird, und eine Vielzahl
von Pixeln gleichzeitig in der fotosensitiven Schicht belichtet
wird, und in die Pixel der fotosensitiven Schicht individuelle Belichtungsenergien
entsprechend dem Bildmuster eingebracht werden und dadurch in der
fotosensitiven Schicht zur Ausbildung des Bildmusters einerseits vollständig
ausgehärtete Pixel und andererseits nicht vollständig
ausgehärtete Pixel erzeugt werden, wobei zur Belichtung
von Pixeln, die vollständig ausgehärtet werden
sollen, elektromagnetische Strahlung derart auf die fotosensitive
Schicht abgebildet wird, dass die maximale Energiedichte der zur
Belichtung des Pixels auf die fotosensitive Schicht eingestrahlten
Strahlung innerhalb des jeweiligen Pixels liegt, wobei erfindungsgemäß zumindest
ein Teil derjenigen Pixel, die nicht vollständig ausgehärtet
werden sollen, mit einem Energiebetrag unterhalb des Aushärtungs-Energieschwellenwertes
belichtet werden, wobei dazu Strahlung derart auf die fotosensitive Schicht
abgebildet wird, dass die maximale Energiedichte der zur Belichtung
des jeweiligen nicht auszuhärtenden Pixels auf die fotosensitive
Schicht eingestrahlten Strahlung innerhalb des Pixels liegt, und weiterhin
ein Teil der zur Belichtung des jeweiligen nicht auszuhärtenden Pixels
eingestrahlten Strahlung außerhalb des jeweiligen nicht
auszuhärtenden Pixels, jedoch innerhalb mindestens eines
benachbarten Pixels, der vollständig ausgehärtet
werden soll, liegt.
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Die
Idee der Erfindung besteht darin, eine Reduzierung der Belichtungsdauer
gesetzter Pixel (d. h. vollständig auszuhärtender
Pixel) durch bewusste Fehlbelichtung benachbarter, nicht gesetzter Pixel
zu erreichen.
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Vorzugsweise
wird eine Belichtungsvorrichtung über das Trägersubstrat
(zumindest über den gesamten Bereich der Pixel) gescannt
(= schrittweise geführt), so dass jeder Pixel ausreichend
belichtet (gesetzter Pixel) oder nicht ausreichend belichtet (nicht
gesetzter, also nicht vollständig ausgehärteter Pixel,
wird später abgelöst) werden kann. Dazu ist es nicht
erforderlich, dass eine Vorrichtung mechanisch über das
Trägersubstrat geführt wird. Beispielsweise ist
es auch möglich, lediglich den Belichtungsstrahl (oder
die Belichtungsstrahlen) mittels geeigneter Vorrichtungen (z. B.
Umlenkspiegel) über das Substrat zu scannen. Dadurch, dass
erfindungsgemäß während des Scannens über
das Trägersubstrat auch nicht gesetzte Pixel unterschwellig
belichtet werden und die Belichtung der nicht gesetzten Pixel derart defokussiert
erfolgt, dass zumindest ein Teil dieser Belichtungsenergie in benachbarte,
gesetzte Pixel eingeht, kann die Belichtungszeit für die
gesetzten Pixel reduziert werden. Je nach Bildmuster werden vorab
geeignete Belichtungsenergien und geeignete Fokussierungen/Defokussierungen
errechnet, so dass nach dem gesamten Belichtungsvorgang alle gesetzten
Pixel eine Gesamtbelichtung gleich oder oberhalb des Schwellwertes
und alle nicht gesetzten Pixel eine Gesamtbelichtung unterhalb des
Schwellwertes erfahren haben. Die (De)Fokussierung während
der Belichtung für einen nicht gesetzten Pixel kann derart
stark sein, dass mehrere benachbarte Pixel mitbelichtet werden,
um deren Belichtungsdauer zu reduzieren. Vorzugsweise werden gleichzeitig
linienförmige (streifenförmige) Abschnitte der
gesamten Pixelfläche belichtet. Vorzugsweise werden alle
Pixel einer Linie mit einer gleichen Divergenz belichtet. Vorzugsweise
sind auch die den gesetzten Pixeln zugeordneten Energieeinträge
unterschwellig, was zu verkürzten Belichtungszeiten führt,
da durch defokussierten Eintrag aus Belichtungen benachbarter Pixel
die notwendige Energie zum Erreichen des Schwellenwerts eingebracht
wird. Vorzugsweise wird die Belichtung eines Pixels derart durchgeführt,
dass Strahlung in das Zentrum des Pixels fokussiert bzw. abgebildet
wird, wobei sich die Hauptintensität im Zentrum des Pixels
befindet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung
werden zur Bestimmung des Betrags des Energieeintrags des jeweiligen
Pixels in Abhängigkeit von den Beträgen der Energieeinträge
der dazu benachbarten Pixel wenigstens die Energieeinträge
der unmittelbar benachbarten Pixelpunktflächen berücksichtigt.
In einer üblichen (d. h. matrixförmigen) Pixelanordnung hat
jeder Pixel vier unmittelbar benachbarte Pixel, sodass es jede mögliche
Kombination aus nichtauszuhärtenden und auszuhärtenden
benachbarten Pixeln geben kann. Genau genommen gibt es vier unmittelbar
benachbarte Pixel, die eine gemeinsame Kante mit dem betrachteten
Pixel haben und vier weitere benachbarte Pixel, die eine gemeinsame
Ecke bzw. einen punktuellen Kontaktbereich mit dem betrachteten
Pixel haben. Die Energieeinträge aller benachbarten Pixel
werden erfindungsgemäß vorzugsweise in einem Berechnungsverfahren
derart aufeinander abgestimmt und berücksichtigt, dass
der maximale direkt zugeordnete Energieeintrag möglichst
gering werden kann, weil dadurch die Belichtungszeit verkürzt
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender
Erfindung werden zur Bestimmung des Betrags des Energieeintrags des
jeweiligen Pixels in Abhängigkeit von den Beträgen
der Energieeinträge der benachbarten Pixels wenigstens
die Energieeinträge der nächstbenachbarten oder
noch weiter entfernten Pixelpunktflächen berücksichtigt.
Es ist dadurch erfindungsgemäß möglich,
die Fokussierung derart gezielt unscharf einzustellen, dass sogar
Energieeinträge von weiter als unmittelbar benachbarten
Pixelpunktflächen untereinander erfolgen können.
Hierdurch kann der maximale direkte Energieeintrag noch weiter abgesenkt und
mit ihm die Belichtungszeit weiter verkürzt werden.
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Die
Bestimmung des Betrags des Energieeintrags für den jeweiligen
Pixel in Abhängigkeit von den Beträgen der Energieeinträge
der benachbarten Pixel wird in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem iterativen
Berechnungsverfahren mit mehreren, mindestens jedoch zwei Bestimmungsdurchläufen
vorgenommen.
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Die
zu den jeweiligen Pixeln in Abhängigkeit von den Beträgen
der Energieeinträge benachbarter Pixel bestimmten Energiebeträge
werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung in einem Speicher mit Bezug zu jeweiligen
Pixeln als Daten gespeichert. Hierdurch ist es möglich, die
zum Belichten eines bestimmten Bildmusters benötigten Daten
vorrätig zu haben und bei wiederholten Belichtungsvorgängen
ohne eine erneute Berechnung der pixelbezogenen Energieeinträge
auszukommen.
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Der
einzelne Bildpunkt wird in bevorzugten Ausgestaltungen vorliegender
Erfindung als ein in der Höhe der Dicke der fotosensitiven
Schicht dreidimensional ausgebildeter Pixel-Stempel mit der ihn abschließenden
Pixelpunktfläche ausgehärtet, wobei nebeneinander
angeordnete Pixel-Stempel zu einem massiven Pixelpolygon-Stempel
verschmelzen.
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Vorzugsweise
wird das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung von Druckplatten
für Flexodruck-Anwendungen verwendet. Daher ist das Trägersubstrat
vorzugsweise auch aus einem flexiblem Material ausgebildet und die
strukturierte Schicht (ausgehärtete Pixel) direkt auf dem
flexiblen Trägersubstrat aufgebracht.
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Die
Pixel von Offset-Druckplatten haben vorzugsweise eine Höhe
zwischen 0,1 und 0,5 mm. Flexo-Druckplatten weisen vorzugsweise
eine Höhe zwischen 100 μm und 3000 μm,
besonders bevorzugt zwischen 100 μm und 1000 μm
auf.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Trägersubstrat für die verwendeten
elektromagnetischen Wellen transparent ausgebildet und ein zusätzlicher
rückseitiger Belichtungsprozess von der der fotosensitiven
Schicht abgewandten Rückseite des Trägersubstrats
hindurch ausgeführt, wobei hierdurch eine als eine mechanische
Stützkonstruktion dienende Verbreiterung der Standfläche
der Pixel-Stempel in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des
Trägersubstrats in einer vorgegebenen Tiefenausdehnung
ausgehärtet wird. Dabei werden nur die auszuhärtenden
Pixel mit elektromagnetischer Bestrahlung beaufschlagt. Eine solche
Stützkonstruktion ermöglicht die Verwendung dickerer
fotosensitiver Schichten zum Herstellen von Druckplatten, die für eine
relativ grobe oder strukturierte Materialbedruckung benötigt
werden, wie es im Fall von bedruckten Tapeten erforderlich sein
kann. Die höher gestalteten Pixel-Stempel gleichen die
Unebenheiten des zu bedruckenden Materials aus, weisen jedoch dadurch eine
erhöhte Kippgefahr insbesondere an den Rändern
zwischen den ausgehärteten Pixel-Stempeln und leer gelassenen
nicht ausgehärteten Bereichen auf. In diesem Fall weisen
die Pixel eine Höhe zwischen 100 μm und 4000 μm
auf.
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Die
Pixel weisen vorzugsweise eine laterale Ausdehnung von minimal 17 μm
auf. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass eine druckbares
Element meistens aus mehreren Pixeln zusammengesetzt wird, z. B.
3×3 Pixel, so dass die minimale laterale Ausdehnung (bei
1500 dpi) vorzugsweise bei rund 6 μm liegt. Die maximale
laterale Ausdehnung beträgt vorzugsweise 30 μm.
Die zur Belichtung verwendete Strahlung besitzt vorzugsweise eine
Wellenlänge zwischen 50 und 400 nm, besonders bevorzugt
zwischen 50 und 200 nm bezogen auf die maximale Strahlungsdichte.
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Dieser
zusätzliche rückseitige Belichtungsprozess zum
Erzeugen der Stützkonstruktion wird in einer weiteren bevorzugten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
gleichzeitig mit der vorderseitigen Belichtung ausgeführt.
Das ermöglicht die Ausführung dieses zusätzlichen
rückseitigen Belichtungsprozesses ohne eines zusätzlichen
Zeitaufwand. Hierzu wird eine zusätzliche Belichtungseinrichtung
benötigt, die mit der Hauptbelichtungseinrichtung derart
in Bezug auf die Positionierung des Bildmusters gekoppelt ist, dass
die jeweiligen Pixelflächen von beiden Seiten des Substrats
genau zueinander korrespondierend angeordnet sind.
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In
einer weiteren alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
wird der zusätzliche rückseitige Belichtungsprozess
zum Erzeugen der Stützkonstruktion vor oder nach der vorderseitigen
Belichtung ausgeführt, wobei das Trägersubstrat
hierzu gewendet wird. Hierdurch verlängert sich zwar die
Herstellzeit, jedoch entfällt die Notwendigkeit, eine zusätzliche
rückseitige Belichtungseinrichtung vorzusehen, wodurch
Investitionskosten eingespart werden.
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Als
Vorrichtung zur Abbildung der elektromagnetischen Strahlung in die
Pixelbereiche wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
des Verfahrens ein integrierter elektronischer Mikrospiegel-Baustein
verwendet, welcher wenigstens eine in einer Reihe angeordnete Vielzahl
von umlenkbaren Mikrospiegeln aufweist, wobei an jedem aktiv umgelenkten Mikrospiegel
das Licht wenigstens einer Lichtquelle gleichzeitig umgelenkt wird.
Daher kann jeder Mikrospiegel die Belichtung eines Pixels realisieren
und daher können eine Vielzahl entlang einer Linie angeordnete
Pixel gleichzeitig belichtet werden.
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Die
Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden unter einem anderen Aspekt
durch ein Steuerungsmittel zum Ausführen des Verfahrens
nach wenigstens einer der oben beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen
für eine Belichtungs- oder Belichtungs- und Entwicklungsanordnung
zum Herstellen einer Druckplatte erreicht. Dieses Steuerungsmittel
weist beispielsweise eine elektronische Recheneinheit auf, die mithilfe
von Softwareprogrammmitteln Berechnungen und Positionierungsvorgänge
steuern kann.
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Die
mit dem Verfahren nach wenigstens einer der oben beschriebenen bevorzugten
Ausgestaltungen hergestellten Erzeugnisse erreichen ihrerseits auch
die Aufgaben der vorliegenden Erfindung.
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Das
Trägersubstrat ist gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung des Erzeugnisses der vorliegenden Erfindung aus einem
festen oder einem flexiblen Material hergestellt. Insbesondere die
flexible Ausführung kann auf eine Druckwalze aufgebracht und
befestigt werden. Das Erzeugnis ist in einer weiteren bevorzugten
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung als eine Druckplatte für
Flexodruck- oder Offsetdruckverfahren vorgesehen.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Kombinationen
der übrigen, in den Unteransprüchen genannten
Merkmale.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand
der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 einen
idealisierten Energieeintrag für einen auszuhärtenden
Pixel;
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2 eine
abgeschätzte reale Verteilung eines Energieeintrags für
einen Pixel;
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3a–3d einen
durch Belichtung dreier benachbarter Pixel zusammengesetzten Energieeintrag
und
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4a und 4b einen
Vergleich der Energieverteilung eines schärfer abgebildeten
und eines unscharf abgebildeten Energieeintrags für einen Pixel.
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1 zeigt
einen idealisierten Energieeintrag für einen auszuhärtenden
Pixel 20 der Breite b und der Höhe d, die der
Dicke einer fotosensitiven Schicht 19, beispielsweise einer
Polymerschicht entspricht. Idealisiert dargestellt ist hierbei der
perfekt senkrechte Verlauf der Energieverteilung genau über dem
Pixel 20. Eine tatsächliche Energieverteilung weist
hingegen eine zu den Rändern hin abnehmende Energiedichte
auf. Dies ist physikalisch insbesondere durch Beugungseffekte an
den Rändern (Aperturblende) von hochauflösenden
Optiken bedingt (Rayleigh-Kriterium). In einer bevorzugten Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung wird die fotosensitive Polymerschicht 19 beispielsweise
durch UV-Strahlung zum Aushärten gebracht.
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Das
fotosensitive Polymer 19 weist einen Aushärtungs-Energieschwellenwert
Eth auf, unterhalb dessen ein eingebrachter
Energieeintrag das fotosensitive Polymer 19 nicht oder
nicht vollständig aushärtet und dieser daher anschließend
mit einem Lösungsmittel ausgewaschen oder anderweitig entfernt
werden kann. Der Energieeintrag übersteigt vorzugsweise
den Aushärtungs-Energieschwellenwert Eth um
einen gewissen Betrag, damit eine gewünschte Aushärtung
u. a. bei Schwankungen der Intensität der Strahlungsquelle
gewährleistet ist.
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2 zeigt
eine reale Verteilung der eingebrachten Strahlungsenergie 30 für
einen auszuhärtenden Pixel 20. Sie ist unter der
Annahme einer Gauß'schen Verteilung 30 dargestellt
und berücksichtigt eine unter realen Einsatzverhältnissen
vorkommende Strahlendivergenz, infolge welcher ein Teil-Energieeintrag
in die dem Pixel 20 benachbarte (nicht auszuhärtenden)
Regionen 21 in der fotosensitiven Schicht 19 eingebracht
wird.
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Die
Breite b des durch den erfolgten Energieeintrag 30 ausgehärteten
Pixels 20 ergibt sich dadurch, dass der Aushärtungs-Energieschwellenwert Eth nur über dem auszuhärtenden
Pixel 20 erreicht wird, sodass die außerhalb liegenden
Bereichsabschnitte 21 nur unterschwellig belichtet werden
und daher im anschließenden Prozessschritt herausgelöst
werden. Prozessbedingt kann hierzu eine mechanische Entfernung durch
Bürsten erforderlich sein.
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Die
Aufteilung des Energieeintrags in eine Vielzahl von Berechnungsabstufungen
berücksichtigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines Berechnungsverfahrens
zum Berechnen der Energieverteilung entlang eines Trägersubstrats,
bei welchem diskrete Werte beispielsweise durch ein iteratives Berechnungsverfahren
erzeugt werden.
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Nach
einer bekannten Ausführung des Schwellenwertprinzips beginnt
der Aushärtungsprozess von der Oberfläche der
fotosensitiven Schicht 19 und pflanzt sich in die Tiefe
bis zum (hier nicht dargestellten) Trägersubstrat fort.
Die eingestrahlte Energie wird von den in dem Strahlengang zuerst
getroffenen Molekülen des fotosensitiven Materials 19 absorbiert,
die dadurch eine für die chemische Reaktion ausreichende
Energiemenge erhalten und aushärten. Nach dem Aushärten
werden die ausgehärteten Moleküle für
die eintreffende elektromagnetische Strahlung durchlässig
und absorbieren selbst keine Energie mehr, sodass die im Strahlengang
nächstliegenden Moleküle nun die eingestrahlte
Energie absorbieren können. So setzt sich dieser Prozess
fort, bis – eine ausreichende Belichtungsdauer vorausgesetzt – die
gesamte Schichtdicke der fotosensitiven Schicht 19 durchdrungen
ist und ein ausgehärteter dreidimensionaler Stempel (Pixel)
fest mit dem (hier nicht dargestellten) Trägersubstrat
verbunden ist.
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Die
Bereiche 21 mit unterschwelliger Belichtung bilden daher
an der nach außen exponierten Oberfläche der fotosensitiven
Schicht 19 ausgehärtete Krusteninseln oder an
die vollständig ausgehärteten Stempelbereiche
angrenzende Krustenanhaftungen. Bei einem anschließenden
Prozessschritt wird mit einem Lösungsmittel das nicht belichtete
fotosensitive Material aufgelöst und die einzeln darin schwimmenden
Krusteninseln weggespült. Die an die ausgehärteten
Stempelbereiche angrenzenden und anhaftenden ausgehärteten
Krustenanhaftungen dagegen bedürfen einen unterstützenden
mechanischen Entfernungsprozess, mit dem sie von den Stempelbereichen
mittels eines aufgebrachten mechanischen Kraftaufwandes abgelöst
werden. Dieser Prozess wird beispielsweise mittels Ausbürstens ausgeführt.
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Nur
in Bereichen, in denen der Aushärtungs-Energieschwellenwert
Eth erreicht oder überschritten
ist, erfolgt eine vollständige Aushärtung der Pixel 20,
und nur die vollständig ausgehärteten Pixel 20 werden
nicht durch nachfolgende Schritte abgelöst, sodass diese
vollständig ausgehärteten Pixel 20 dauerhaft
auf dem Trägersubstrat verbleiben und die strukturierte
Druckplatte ausbilden.
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Die 3a, 3b, 3c, 3d zeigen einen
durch Belichtung dreier benachbarter Bildpixel zusammengesetzten
Energieeintrag.
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Erfindungsgemäß ist
hierbei, wie in 3a dargestellt, auch der dem
gesetzten Pixel 20 zugeordnete Energieeintrag 50 unterschwellig,
d. h. unterhalb des Aushärtungs-Energieschwellenwertes
Eth. Der entsprechende Minderungsbetrag
variiert in Abhängigkeit von einem durch eine gezielte
unscharfe Fokussierung (von Nachbarpixeln) erreichbaren zusätzlichen
Energiebetrag. Durch jeweils einen infolge der Strahlendivergenz
von einem rechts benachbarten und einem links benachbarten Bildpixel 21 herrührenden
Teil-Energieeintrag 41 und 61 ergibt sich ein
aufsummierter Energieeintrag, welcher über dem für
den Pixel 20 notwendigen Aushärtungs-Energieschwellenwert
Eth liegt. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich,
den eigentlichen direkt zugewiesenen unterschwelligen Energieeintrag 50 für
den betroffenen Pixel 20 in einer gegenüber der
konventionellen Lösung kürzeren Zeit einzubringen,
wobei die benachbarten Energieeinträge parallel und zeitgleich eingebracht
werden, sodass eine Prozess-Geschwindigkeitssteigerung erreichbar
ist, die zwischen 15–30% betragen kann.
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In
den 3b und 3d ist
jeweils die Bestrahlungsverteilung des links angeordneten, in 3b,
und des rechts angeordneten, in 3d, Pixels
dargestellt, die erkennbar unterschwellig belichtet werden, was
dafür spricht, dass es in diesem Fall jeweils nichtauszuhärtende
benachbarte Pixel 21 sind (wenn sie ihrerseits nicht mit
weiteren nicht dargestellten Energieeinträgen weiter entfernter
Pixel zusätzlich beaufschlagt werden). In 3c ist
die räumliche Belichtungsverteilung des direkt belichteten
Pixels mit seinem Energieeintrag 50, der proportional der
von der Glockenkurve eingeschlossenen Fläche ist, dargestellt.
Auch dieser Energieeintrag 50 ist, wie in 3a dargestellt,
unterschwellig.
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Vorzugsweise
wird keinem Pixel ein voller Aushärtungs-Energiewert zugewiesen,
sondern stets ein geminderter unterschwelliger Belichtungswert. Weil
die zusätzlichen restlichen Energiebeträge von benachbarten
Pixeln durch deren voreingestellte Unschärfe oder Strahlendivergenz
gleichzeitig hinzuaddiert werden, stellt die Zeit zum Erreichen
eines maximalen direkten Pixel-Energieeintrags ein Maß für die
maximale Gesamtbelichtungszeit dar. Weil die eingebrachte Energiemenge
vorzugsweise über die Zeitdauer der Einstrahlung einer
Lichtquelle konstanter Strahlungsintensität geregelt ist,
besteht ein direkter linearer Zusammenhang zwischen dem Grad der Strahlendivergenz
und damit verbundenem Grad der Überlappung der Bestrahlungsenergien
benachbarter Pixelpunktflächen und der erreichbaren Geschwindigkeitssteigerung
der Gesamtbelichtung der fotosensitiven Schicht. Dies hängt
jedoch auch davon ab, wieviele Pixel gesetzt und wieviele Pixel
nicht gesetzt sind.
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Die 4a und 4b zeigen
einen Vergleich der Energieverteilung eines schärfer abgebildeten
(4a) und eines unscharf abgebildeten (4b)
Energieeintrags 30 für einen Pixel.
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Die
Energiemenge ist hierbei in beiden Fällen gleich, was durch
eine jeweils gleich große von der Hüllkurve eingeschlossene
Fläche erkennbar ist. Durch eine gegenüber 4a unschärfere
Fokussierung (auch Defokussierung) der jeweiligen Strahlenbündel
ist eine räumlich weiter in die benachbarten Bereiche 21 reichende
Energieverteilung nach 4b möglich. Hierbei
findet gleichzeitig die Absenkung des Spitzenenergiewertes für
einen einzelnen Pixel statt. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß eine
bewusste Fehlbelichtung mit einem bestimmten unzureichenden Energieeintrag
aller auszuhärtenden Pixel angestrebt, während
der oder die fehlenden Energiebeiträge zeitgleich durch
räumliche (laterale) Strahlendivergenz von den benachbarten
Pixel-Energieeinträgen beigesteuert werden.
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Mit
den erfindungsgemäßen Mitteln ist somit eine höhere
Belichtungsgeschwindigkeit erreichbar, die zur Steigerung der Produktivität
und der Wirtschaftlichkeit beiträgt. Ferner wird durch
die exakter ausgeführte Belichtungsdosierung eine höhere
Qualität der fertigen Erzeugnisse und insbesondere der Konturqualität
des Bildmusters erreicht.
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Die
vorangehenden Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind
lediglich beispielhaft und nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend auszulegen.
Die vorliegende Erfindungslehre kann leicht auf andere Anwendungen übertragen
werden. Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels ist zur Veranschaulichung
vorgesehen und nicht, um den Schutzbereich der Patentansprüche
einzuschränken. Viele Alternativen, Modifikationen und
Varianten sind für einen durchschnittlichen Fachmann offensichtlich, ohne
dass er hierfür den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
verlassen müsste, der in den nachfolgenden Ansprüchen
definiert ist.
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- 10
- idealisierter
Energieeintrag
- 19
- fotosensitive
Schicht
- 20
- ausgehärteter
Pixel nach Entwicklung
- 21
- nicht
ausgehärteter Pixel nach Entwicklung
- 30
- tatsächlicher
Energieeintrag (Gauß-Verteilung)
- 31n
- Berechnungsabstufungen
- 40
- Energieeintrag
des linken Nachbarpixels
- 41
- Teil-Energieeintrag
eines linken Nachbarpixels
- 50
- unterschwelliger
Energieeintrag des direkt zu belichtenden Pixels
- 60
- Energieeintrag
des rechten Nachbarpixels
- 61
- Teil-Energieeintrag
eines rechten Nachbarpixels
- b
- Breite
des Bildpixel-Stempels
- d
- Dicke
der fotosensitiven Polymerschicht
- Eth
- Aushärtungs-Energieschwellenwert
- E
- durch
Belichtung eingebrachte Energiemenge
- x
- Ausdehnung
entlang der Oberfläche der Druckplatte
- a.
n.
- beliebige
Einheiten in linearer Skalierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0041229
A1 [0009]
- - US 2006/0098181 A1 [0010, 0010, 0010, 0011]
- - SG 00/00037 A1 [0011]
- - EP 1437882 A1 [0012, 0012]
- - DE 10159084 A1 [0012, 0012]