DE102017207007A1

DE102017207007A1 - Verfahren zum Bedrucken nichtsaugender Substrate mit einer wasserbasierten Tinte

Info

Publication number: DE102017207007A1
Application number: DE102017207007.2A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Mokler; Rainer Simon
Original assignee: KBA Metalprint GmbH and Co KG
Current assignee: KBA Metalprint GmbH and Co KG
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2018-10-31
Also published as: IL269279A; EP3615346B1; EP3615346B8; US20200086660A1; EP3615346A1; WO2018197399A1; ES2938390T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedrucken nichtsaugender Substrate mit einer wasserbasierten Tinte, bei jeweils Tintentropfen auf das jeweilige Substrat aufgebracht werden, bei dem Substrate verwendet werden, die in Luft mit einer Temperatur von 20°C jeweils eine Oberflächenspannung von weniger als 45 mN/m aufweisen, bei dem vor dem Aufbringen der Tintentropfen die Oberflächenspannung der zu bedruckenden Substrate jeweils auf einen Wert von mindestens 45 mN/m erhöht wird, bei dem erst dann die Tintentropfen auf das jeweilige die erhöhte Oberflächenspannung aufweisende Substrat aufgebracht werden und bei dem die aufgebrachten Tintentropfen jeweils durch Heißluft mit einer Temperatur von mindestens 100°C und/oder durch eine Infrarotstrahlung jeweils mit einer Einwirkdauer von höchstens 1 Sekunde getrocknet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedrucken nichtsaugender Substrate mit einer wasserbasierten Tinte gemäß dem Anspruch 1.
Durch die DE 10 2012 017 538 A1 ist ein Verfahren zum Behandeln der Oberfläche von Gegenständen mit Fluiden bekannt, bei dem das Fluid mittels eines rechnergesteuert verfahrbaren ersten Werkzeugs aufgetragen und anschließend mit dem zweiten rechnergesteuert verfahrbaren Werkzeug weiterbehandelt wird, wobei der Zeitverzug zwischen dem Auftragen des Fluids auf den Gegenstand und der anschließenden Weiterbehandlung an das Spreitverhalten des Fluids angepasst ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bedrucken nichtsaugender Substrate mit einer wasserbasierten Tinte zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen der gefundenen Lösung.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Kenntnis der vor dem Bedrucken tatsächlich vorliegenden die Benetzung beeinflussenden Eigenschaften der Oberfläche der zu bedruckenden Substrate nicht erforderlich ist, sondern dass die zu bedruckenden Substrate vorzugsweise unmittelbar vor ihrem Bedrucken in einen Zustand guter, d. h. zumindest partieller bis sehr guter, d. h. vollständiger Benetzbarkeit versetzt werden, wobei gleichzeitig durch diese Maßnahme mögliche negative Auswirkungen auf die bedruckten Substrate vermieden, zumindest aber eingeschränkt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht in einem sehr flachen Druck mit einem geringen haptischen Tintenaufbau, d. h. einer geringen Reliefbildung, und einem Druck mit einem hohen Glanzgrad, wodurch z. B. im Verpackungsmarkt häufig gestellte Anforderungen auf einfache Weise erfüllt werden. Überdies wird eine Umformung derart bedruckter Substrate ohne störenden Abrieb in der Umformmaschine ermöglicht. Ebenso ist damit eine gute Voraussetzung für eine Überlackierung und einen geringen und damit umweltfreundlichen Tintenauftrag mit Wasser als umweltfreundlichem Lösemittel gegeben.
Es besteht z. B.im Verpackungsdruck das Bedürfnis, nichtsaugende Substrate in einem industriellen Druckprozess mit mindestens einer wasserbasierten Tinte zu bedrucken. Bei diesen Substraten handelt es sich z. B um vorzugsweise aus einem Feststoff bestehende insbesondere flache Substrate, z. B. um Substrate jeweils aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere um Blechtafeln, z. B. aus einem Stahlblech oder aus einem Weißblech oder aus einem i. d. R. oberflächenoxidierten Aluminiumwerkstoff. Alternativ kommen auch nichtsaugende Substrate aus vorlackiertem Holz, aus einem Kunststoff oder aus einem Verbundmaterial in Betracht, sofern diese Substrate einen Heißluftkontakt mit einer Dauer von maximal einer Sekunde schadlos, z. B. formbeständig überstehen. Die Substrate sind vorzugsweise als Platten oder Tafeln ausgebildet, sie können z. B. jedoch auch bahnförmig oder jeweils als ein Rundkörper ausgebildet sein.
Insbesondere metallische Substrate sind z. B. mit einer Grundierung, z. B. mit einem Weißgrund, und/oder mit einem Lack vorbeschichtet. Gerade diese Substrate weisen z. B. eine geölte oder gefettete oder mit einem Korrosionsschutzmittel behandelte Oberfläche auf. Die Oberfläche der zu bedruckenden Substrate ist insbesondere hydrophob ausgebildet. Zum Bedrucken dieser Substrate wird vorzugsweise eine z. B. pigmentbasierte, insbesondere lösliche Tinte mit einem Wasseranteil von mindestens 70%, insbesondere von mindestens 80% verwendet. Wenn vorgesehen ist, dass das betreffende Substrat zu einer Verpackung für Lebensmittel weiterverarbeitet werden soll, wird vorzugsweise eine Tinte ohne Photoinitiatoren verwendet. Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung werden z. B. Substrate mit einer unpolaren Oberfläche und zum Bedrucken dieser Oberfläche eine polare Tinte verwendet.
Die jeweilige Tinte wird jeweils in Form von Tintentropfen auf das jeweilige Substrat aufgebracht, z. B. durch die Verwendung von mindestens einem Inkjet-Druckkopf, wobei die Tintentropfen z. B. während einer monodirektionalen Bewegung (Single Pass Verfahren) oder während einer bidirektionalen Bewegung (Multi Pass Verfahren) des Druckknopfes und/oder des betreffenden Substrates auf selbiges aufgebracht werden. Dabei werden die Tintentropfen z. B. in einem Rasterdruckverfahren z. B. jeweils in einer Punktdichte von mindestens 360 dpi, vorzugsweise von 600 dpi auf das jeweilige Substrat aufgebracht. Zur Erzeugung eines vorbestimmten Druckbildes werden die Tintentropfen üblicherweise in einem mehrere Positionen aufweisenden Raster positionsgenau auf dem betreffenden Substrat aufgebracht. Es kann vorgesehen sein, dass Tintentropfen variabler Größe und/oder dass Tintentropfen mit unterschiedlichen Farbtönen und/oder dass Tintentropfen in unterschiedlichen Helligkeitsintensitäten jeweils auf dem jeweiligen Substrat aufgebracht werden. Für einen mehrfarbigen Druckbildaufbau werden vorzugsweise Farbpunkte aus einem Basisfarbsatz, z. B. CMYK verwendet.
Um die Substrate erfolgreich bedrucken zu können, muss die Oberflächenspannung der betreffenden Substrate mindestens ebenso groß sein wie die Oberflächenspannung der verwendeten Tinte. Nur so kann eine zumindest partielle Benetzung der jeweiligen Oberfläche der betreffenden Substrate mit der vorgesehenen Tinte erfolgen. Andernfalls ziehen sich die auf die nichtsaugende Oberfläche der betreffenden Substrate aufgebrachten Tintentropfen zusammen und es ist keine Benetzung möglich. Wenn überhaupt, so entsteht bei unzureichender Oberflächenspannung der betreffenden Substrate vielmehr ein zumindest unklares, insbesondere verschwommenes oder blasses oder farbunechtes und damit unbrauchbares Druckbild. Die Oberflächenspannung der betreffenden Substrate und die Oberflächenspannung der verwendeten Tinte sind i. d. R. temperaturabhängig. Auch andere Umgebungsbedingungen wie z. B. die Luftfeuchte oder bestimmte Oberflächeneigenschaften der betreffenden Substrate wie deren Rauheit und/oder deren Vorbehandlung und/oder deren Verschmutzungsgrad beeinflussen die Benetzbarkeit der jeweiligen Oberfläche dieser Substrate.
Die Oberflächenspannung von festen Substraten kann z. B. mit im Handel erhältlichen Testtinten ermittelt werden. Die Oberflächenspannung einer wasserbasierten Tinte kann z. B. mit Hilfe der Ring-Methode von Lecomte De Noüy oder mit Hilfe der Platten-Methode von Wilhelmy oder mit Hilfe der Bügel-Methode von Lenard mit einem Tensiometer oder durch den Kapillareffekt oder näherungsweise auch durch eine vergleichende Messung mit Testtinten ermittelt werden.
Bei Raumtemperatur, z. B. in sie umgebender Luft mit einer Temperatur von 20°C kann man für metallische in fester Form vorliegende Substrate, d. h. insbesondere für Blechtafeln z. B. von folgenden Werten für deren Oberflächenspannung ausgehen:

unbehandelter Stahl 29 mN/m

Aluminium(oxid) 33-35 mN/m

verzinnter Stahl ca. 35 mN/m

phosphatierter Stahl 43-46 mN/m
Verölte oder gefettete Oberflächen haben eine Oberflächenspannung von etwa 30 mN/m.
Die vorliegende Erfindung geht davon aus, dass Substrate verwendet werden, die in Luft mit einer Temperatur von 20°C jeweils eine Oberflächenspannung z. B. von weniger als 50 mN/m, vorzugsweise von weniger als 45 mN/m aufweisen. In jedem Fall ist jeweils bei derselben Raumtemperatur von z. B. 20°C die Oberflächenspannung der zum Bedrucken vorgesehenen Substrate geringer als die Oberflächenspannung des als Lösemittel in der Tinte enthaltenen Wassers und i. d. R. auch geringer als die Oberflächenspannung der für den Druck verwendeten Tinte selbst.
Wasser hat bei Standarddruck (SATP), also bei 0,1 MPa entsprechend 1 bar und bei einer Temperatur von 20°C eine Oberflächenspannung von 72,74 mN/m und bei einer Temperatur von 50°C eine Oberflächenspannung von 67,95 mN/m.
Es wird nun ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem z. B. in der den Druckprozess ausführenden Maschine, z. B. Druckmaschine, insbesondere Digitaldruckmaschine, aber in jedem Fall vor dem Aufbringen der Tintentropfen die Oberflächenspannung der zu bedruckenden Substrate z. B. um mindestens 10%, vorzugsweise um mehr als 40% jeweils auf einen Wert von mindestens 45 mN/m, insbesondere von mindestens 50 mN/m, vorzugsweise auf einen Wert von über 70 mN/m erhöht wird, bei dem erst nach dieser Erhöhung der Oberflächenspannung die Tintentropfen auf das jeweilige die erhöhte Oberflächenspannung aufweisende Substrat aufgebracht werden und bei dem die aufgebrachten Tintentropfen jeweils durch Heißluft mit einer Temperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise von mindestens 150°C, insbesondere mit einer Temperatur in einem Bereich von 200°C bis 450°C und/oder durch eine Infrarotstrahlung jeweils mit einer Einwirkdauer von höchstens 1 Sekunde, vorzugsweise von weniger als 0,2 Sekunden erwärmt und dadurch getrocknet werden. Durch eine z. B. beim Einrichten eines neuen Druckauftrags vorzunehmende Anpassung bzw. Einstellung der Temperatur der Heißluft und/oder des Volumens dieser Heißluft z. B. an das verwendete Substrat und/oder an die verwendete Tinte kann die Qualität des Druckbildes, insbesondere die Bildwirkung auf einfache Weise optimiert werden.
Um die Benetzbarkeit nichtsaugender zum Bedrucken mit einer wasserbasierten Tinte vorgesehener insbesondere metallischer Oberflächen zu verbessern, kann die Oberflächenspannung der betreffenden Substrate z. B. durch ein Phosphatieren dieser Substrate und/oder durch ein Auftragen einer geeigneten Beschichtung, z. B. durch das Auftragen eines Weißgrundes und/oder einer Spezialbeschichtung erhöht werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Oberflächenspannung der betreffenden Substrate durch deren Vorbehandlung mit einem Coronaverfahren oder mit einem Plasmaverfahren oder mit einem chemischen Verfahren oder durch eine Beflammung oder durch eine UV - Bestrahlung oder mit anderen Methoden der Oberflächenaktivierung erhöht werden. Beim Erhöhen der Oberflächenspannung der zu bedruckenden Substrate wird ein Wert angestrebt und eingestellt, der den Mindestwert für die vorzugsweise vollständige Benetzbarkeit der Oberfläche der betreffenden Substrate nicht nur erreicht, sondern i. d. R. deutlich übersteigt.
Die über den Mindestwert für die Benetzbarkeit hinaus erhöhte Oberflächenspannung der betreffenden Substrate führt zu einem meist starken Spreiten der auf deren Oberfläche aufgebrachten Tintentropfen, d. h. zu einem unerwünschten Ausbreiten dieser Tintentropfen auf der Oberfläche der betreffenden Substrate. Das Spreiten der Tintentropfen hat eine sich sehr schnell verändernde Farbeigenschaft im Druckbild zur Folge und/oder führt auch zu einem ungewollten Fließen der Tinte z. B. in Mikrovertiefungen des betreffenden Substrats hinein. Ein weiterer Effekt ist bei einer Verwendung von Tintentropfen mit unterschiedlichen Farbtönen ein Ausbluten dieser Tintentropfen, das z. B. durch ein Ineinanderlaufen verschiedener Farbpunkte und damit im Druckbild zu völlig unerwünschten Farbeffekten führt, und zwar nicht nur in der Farbe, sondern auch in der Konturenschärfe von gedruckten strukturierten Flächen, wie z. B. in einer Schrift oder an einer Bildkante.
Daher wird vorgeschlagen, vorzugsweise direkt, d. h. sehr kurzzeitig, insbesondere binnen weniger Sekunden oder binnen nur einer einzigen Sekunde, vorzugsweise innerhalb von 0,5 Sekunden nach dem Bedrucken der Substrate durch ein schockartiges (Über-)Trocknen der Tintentropfen deren Spreiten zu stoppen oder sogar weitgehend zu verhindern. Das geschieht durch auf das betreffende Substrat z. B. mittels eines Trockners aufgeblasene Heißluft mit einer Temperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise von mindestens 150°C, insbesondere mit einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 450°C, wobei die Einwirkdauer dieser Heißluft z. B. weniger als eine einzige Sekunde, vorzugsweise weniger als 0,2 Sekunden beträgt. Diese schockartige Trocknung stoppt das Spreiten, beschädigt aber durch die Kürze der Einwirkdauer weder die Tinte noch das betreffende Substrat. Alternativ oder ergänzend zur Heißluft kann auch eine durch einen Trockner erzeugte Infrarotstrahlung, insbesondere Nahinfrarotstrahlung verwendet werden. Durch die jeweilige massive Wärmeeinwirkung wird das als Lösemittel in der Tinte enthaltene Wasser der auf das betreffende Substrat aufgetragenen Tintentropfen nahezu schlagartig, d. h. sehr schnell gegebenenfalls bis auf eine i. d. R. geringe Restfeuchte von z. B. weniger als 25% des ursprünglichen Wasseranteils unter Erhaltung der jeweiligen für die betreffenden Tintentropfen gewünschten Punktgröße verdampft, ohne dass das zumindest bis zu der Temperatur der verwendeten Heißluft oder Bestrahlung insoweit wärmebeständige Substrat Schaden nimmt. Bei einer bindemittelbasierten Tinte geliert das mindestens eine Bindemittel durch die massive mit Heißluft und/oder Bestrahlung ausgeübte Wärmeeinwirkung, wodurch gleichfalls ein Spreiten der Tintentropfen auf dem betreffenden Substrat unterbunden oder gestoppt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012017538 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Bedrucken nichtsaugender Substrate mit einer wasserbasierten Tinte, bei dem jeweils Tintentropfen auf das jeweilige Substrat aufgebracht werden, bei dem Substrate verwendet werden, die in Luft mit einer Temperatur von 20°C jeweils eine Oberflächenspannung von weniger als 45 mN/m aufweisen, bei dem vor dem Aufbringen der Tintentropfen die Oberflächenspannung der zu bedruckenden Substrate jeweils auf einen Wert von mindestens 45 mN/m erhöht wird, bei dem erst dann die Tintentropfen auf das jeweilige die erhöhte Oberflächenspannung aufweisende Substrat aufgebracht werden und bei dem die aufgebrachten Tintentropfen jeweils durch Heißluft mit einer Temperatur von mindestens 100°C und/oder durch eine Infrarotstrahlung jeweils mit einer Einwirkdauer von höchstens 1 Sekunde getrocknet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass flache oder bahnförmige oder jeweils als ein Rundkörper ausgebildete Substrate und/oder dass mit einer Grundierung oder mit einem Lack vorbeschichtete Substrate und/oder dass Substrate jeweils aus einem metallischen Werkstoff oder aus einem vorlackierten Holz oder aus einem Kunststoff oder aus einem Verbundmaterial und/oder dass hydrophobe Substrate verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tinte mit einem Wasseranteil von mindestens 70% und/oder dass eine Tinte ohne Photoinitiatoren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Substrate mit einer unpolaren Oberfläche und zum Bedrucken dieser Oberfläche eine polare Tinte verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tintentropfen jeweils in einer Punktdichte von mindestens 360 dpi auf das jeweilige Substrat aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tintentropfen in einem mehrere Positionen aufweisenden Raster positionsgenau auf dem betreffenden Substrat aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Tintentropfen variabler Größe auf dem jeweiligen Substrat aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Tintentropfen mit unterschiedlichen Farbtönen und/oder in unterschiedlichen Helligkeitsintensitäten auf dem jeweiligen Substrat aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Heißluft und/oder ein Volumen dieser Heißluft jeweils in Abhängigkeit vom verwendeten Substrat und/oder von der verwendeten Tinte eingestellt und/oder angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7 oder 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tinte mit mindestens einem Inkjet-Druckkopf auf das betreffende Substrat aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7 oder 8 oder 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tintentropfen während einer monodirektionalen Bewegung oder während einer bidirektionalen Bewegung des Druckknopfes und/oder des betreffenden Substrates auf selbiges aufgebracht werden.