DE69915479T2

DE69915479T2 - Verfahren zur bilderzeugung auf substraten und sicherheitsdokument

Info

Publication number: DE69915479T2
Application number: DE69915479T
Authority: DE
Inventors: Gregory Paul HARRIS; Robin Marc Torpoint RAMPLING; Alastair Richard WALLIS; Ralph Kay
Original assignee: De la Rue International Ltd
Current assignee: De la Rue International Ltd
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: ES2217836T3; AU4279999A; CZ297635B6; GB9813205D0; ATE261356T1; DE69915479D1; RU2207960C2; PL345102A1; WO1999065699A1; EP1094951A1; CZ20004431A3; AU745042B2; EP1094951B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Bildung einer einen optisch veränderbaren Effekt erzeugenden Struktur und eines Bildes auf einem Substrat.
Einen optisch veränderbaren Effekt erzeugende Strukturen, z. B. Beugungsgitter und Hologramme, werden häufig für dekorative und Sicherheitszwecke benutzt. Insbesondere werden solche Strukturen auf Sicherheitsdokumenten, z. B. Identifikationskarten, Banknoten und dergleichen, benutzt, so daß diese Substrate authentifiziert werden können. Üblicherweise wird – im Hinblick auf die Kompliziertheit dieser Strukturen – ein Übertragungsprozeß angewandt, um die Struktur auf dem Substrat zu lokalisieren. Dabei wird die Struktur auf einen Trägerfilm und dann unter Anwendung eines Warmprägeverfahrens oder dergleichen auf das Substrat übertragen. In der US-A-4913504 ist ein Beispiel beschrieben. Weitere Übertragungsprozesse, die jedoch nicht für optisch veränderbare Effekte erzeugende Strukturen geeignet sind, sind in den US-Patentschriften 5017255, 5219655 und 5328534 sowie in der WO-A-95/15266 beschrieben.
Die WO-A-97/03844 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung eines reflektierenden Sicherheitsmerkmals auf einem Sicherheitspapier, bei dem ein Metall auf die Oberfläche des Papiers gesprüht wird, wonach es gequetscht, poliert oder auf andere Weise behandelt wird, um es in eine besser spiegelartig reflektierende Oberfläche umzuformen, die dann zu einem Reliefmuster geformt werden kann. Bei diesen Verfahren zur Aufbringung des Metalls werden Lichtbogen-, Flamm- und Plasmaaufsprühverfahren angewandt, die alle den Nachteil haben, daß sie eine hohe Betriebstemperatur erfordern. Weitere Probleme des Aufsprühens schließen die Tatsache ein, daß aufgesprühte Metalle zu kontinuierlichen Aufträgen zu schmelzen pflegen, die sich nicht zusammen mit dem Substrat verbiegen lassen und sich daher lösen, wobei es schwierig ist, die Dicke des Auftrags zu steuern, komplizierte Formen zu erzielen und die Anzahl der Materialien, die aufgetragen werden können, begrenzt ist.
Die WO-A-95/31337, EP-A-0657309 und US-A-5594484 offenbaren Verfahren zur Ausbildung eines Bildes auf einem Substrat, bei denen auf dem Substrat ein Klebstoff in einem Muster aufgebracht wird, das einem Bild entspricht, und auf dem Klebstoff ein Metallpulver aufgebracht wird.
Die US-A-4352706 beschreibt, wie ein Wertdokument gegen Fälschung geschützt wird, indem eine extrem dünne Schicht aus Metall an vorbestimmten Stellen des Dokuments aufgebracht wird.
Die TW 318782 A beschreibt ein fotografisches Verfahren zur Erzeugung einer Struktur, die anschließend geprägt wird, und insbesondere die Verwendung einer Kupferplatte, die mit einer lichtempfindlichen Emulsion beschich tet ist. Auf der Kupferplatte wird ein Negativ angeordnet und in der Weise entwickelt, daß das Bild auf dem Negativ auf der Kupferplatte ausgebildet wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bildung einer einen optisch veränderbaren Effekt erzeugenden Struktur auf einem Substrat umfaßt:

a) das Aufbringen eines Klebstoffs auf dem Substrat;
b) das Aufbringen eines Metallpulvers auf dem Klebstoff und
c) das Einprägen einer einen optisch veränderbaren Effekt erzeugenden Struktur in dem Metallpulver.

Wir haben ein völlig neues Verfahren zur Ausbildung von einen optisch veränderbaren Effekt erzeugenden Strukturen auf einem Substrat entwickelt. Dabei wird zunächst ein Klebstoff auf dem Substrat aufgebracht. Dies ist vorzugsweise ein Klebstoff mit Haftung oder mit der Fähigkeit zur Erzeugung einer Haftung bei thermischer oder einer anderen Behandlung, die bei korrektem Gewicht angewandt wird, so daß nur eine Metallpulverschicht gebunden wird. Der Klebstoff ermöglicht es, das nachfolgend aufgebrachte Metallpulver am Substrat anzukleben und das aufgebrachte Muster genau zu steuern – im Gegensatz zu früheren Lösungen. Ferner hängt die gebundene Pulvermenge von der Klebstoffdicke ab. Wie nachstehend noch erläutert wird, hat dies besondere Vorteile bei Sicherheitsdokumenten.
Die Erfindung umfaßt ferner das Einprägen einer einen optisch veränderbaren Effekt erzeugenden Struktur in das Metallpulver. Frühere Vorschläge haben das Einprägen solcher Strukturen nicht umfaßt, die die Erzeugung sehr feiner Reliefelemente erfordern. Durch die Erfin dung ergibt sich dagegen eine Struktur, die auf einfache Weise für Authentifizierungszwecke benutzt werden kann und sehr schwierig zu kopieren ist.
Vorzugsweise wird das Metallpulver in diskontinuierlicher Form aufgebracht, z. B. als einzelne Schicht aus Metallteilchen in Bereichen oder Inseln. Wenn diese dann zerquetscht oder zerdrückt wird, erscheint sie als kontinuierliche Schicht, wenn sie ausgewalzt wird, um "Plättchen" herzustellen.
Obwohl erfindungsgemäß Hologramme und Beugungsgitter erzeugt werden können, bezieht sich die Beschreibung im Folgenden, der Einfachheit halber, nur auf Hologramme.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren nach dem Schritt b) das Zerquetschen des aufgebrachten Metallpulvers zur Bildung einer Hochglanz- oder Spiegelfläche. Dieser Quetsch- oder Polierschritt kann separat oder als Teil des Prägeschritts ausgeführt werden. Es hat jedoch Vorteile, die beiden Schritte getrennt zu halten, um die Lebensdauer des Prägeelements oder Unterlegteils zu verlängern.
Es kann zwar irgendein geeignetes Metallpulver benutzt werden, wenn jedoch gequetscht werden soll, sollte das Pulver vorzugsweise so gewählt werden, daß es verhältnismäßig weich ist oder bei der Verarbeitung, z. B. durch Erwärmung, erweicht werden kann. Wenn dies nicht der Fall ist, dann ist die zum Zerquetschen erforderliche Kraft so hoch, daß die Struktur des Substrats zerstört wird. Vorzugsweise ist das Material ferner chemisch inert, so daß es leicht zu handhaben ist und einer Zerknitterung usw. widersteht. Es sollte nach dem Aufbringen nicht anlaufen und während der gesamten Le bensdauer des Produktes ein glänzendes Aussehen behalten. Ein Material, das alle diese Anforderungen erfüllt, ist Zinn. Es können jedoch auch andere Materialien, z. B. Indium, Blei, Kadmium und Thallium verwendet werden, obwohl einige dieser Materialien unakzeptabel toxisch oder kostspielig sein können. Ein weiterer Vorteil von Zinn besteht darin, daß es einen niedrigen Schmelzpunkt hat, so daß eine Erwärmung bis kurz unter seinen Schmelzpunkt, z. B. 200°C, bewirkt, daß das Material noch sehr viel stärker erweicht. Andere Materialien können ebenfalls benutzt werden, insbesondere bei Substraten mit nicht-faseriger oder nicht-poröser Oberfläche oder wenn keine sehr glatte Oberfläche erforderlich ist.
Zinnpulver werden normalerweise durch Atomisierungs- oder Zerstäubungsverfahren unter Anwendung von entweder Wasser, Inertgas oder Ultraschall hergestellt. Unter diesen ergibt das Ultraschallverfahren das Produkt mit der besten Qualität hinsichtlich der Kugelform der Teilchen, die einen erheblichen Einfluß auf die Fließeigenschaften des Pulvers hat. Im allgemeinen werden, in Abhängigkeit von dem angewandten Verfahren, Teilchen mit einer Größe im Bereich von < 1 μm bis zu 100 μm hergestellt.
In der ersten Stufe wird ein Klebstoff aufgebracht. Der Klebstoff muß bedruckbar sein, vorzugsweise um Bilder mit hoher Auflösung zu erzeugen. Die Trocknungseigenschaften sind ebenfalls wichtig: Er muß entweder hinreichend lange klebrig bleiben, so daß das Pulver auf ihm aufgebracht werden kann und kleben bleibt (dies kann, je nach Fließbandgeschwindigkeit usw., etwa eine Sekunde sein), oder er kann alternativ sofort trocknen, aber reaktivierbar sein, beispielsweise durch Erwärmung.
Es ist möglich, unter UV- und kationischer Bestrahlung härtende Harze zu benutzen. Dabei werden die bedruckten Flächen bestrahlt und klebrig, bevor sie aushärten. Dadurch kann das Pulver gebunden werden, während das Aushärten bis zur Vollendung fortgesetzt wird, vorzugsweise unter Anwendung von etwas Wärme.
Die aufgebrachte Klebstoffmenge ist ebenfalls wichtig. Es kann eine zu geringe und unvollständige Abdeckung erfolgen. Wenn zuviel Klebstoff aufgetragen wird, dringt er zwischen die erste Schicht aus Zinnteilchen und verklebt zusätzliche Schichten, so daß unnötig viel Material benutzt wird.
Im Hinblick auf die Klebfestigkeit wäre es am günstigsten, wenn der Klebstoff die Seiten der Teilchen bis zu einem gewissen Ausmaß benetzt, z. B. bis zur Hälfte ihres Radius. Dies ergibt nicht nur eine ausreichende Kontaktfläche, sondern hat auch den Vorteil, daß alle auf sie ausgeübten Kräfte dann immer in einer Mischung aus Scher- und Zugkräften wirksam wären, statt als reine Zugkraft (was normalerweise der bei weitestem schlechteste Fall wäre).
Eine Klebstoffdicke von etwa 5 μm erscheint als günstiger Kompromiß dieser Faktoren, obwohl er wegen der Vielzahl beteiligter Faktoren zur Berücksichtigung unterschiedlicher Klebstoffe, Papiere, Druckverfahren, usw. unterschiedlich sein kann.
Der Klebstoff kann nach herkömmlichen Druckverfahren gedruckt werden, z. B. nach einem Flexographie- und In taglio-Druckverfahren, doch ist eine besonders vorteilhafte Lösung, insbesondere wenn ein Bild erzeugt werden soll, das Xerographie-Verfahren, bei dem der Klebstoff einen Toner aufweist. Beim Xerographie-Verfahren ist es möglich, Zinnpulver unter Anwendung einer Harzabdeckung von nur 0,25 mg/cm² zu binden (und dies schließt das Gewicht des Farbstoffs ein). Für viele Anwendungsfälle sind dadurch gute Ergebnisse erzielbar, z. B. für Schecks, insbesondere bei einem mittels UV-Bestrahlung gut gehärteten oberen Schutzüberzug.
Im Gegensatz zu nach herkömmlichen Druckverfahren aufgebrachten Materialien, zeigt eine mikroskopische Untersuchung solcher, die nach Xerographie-Verfahren aufgebracht worden sind, daß das Harz nur eine sehr kleine Fläche jedes Teilchens berührt, so daß die Pulverteilchen nur lose festgehalten werden und leicht deplaziert werden können. Nach dem Walzen bewirken sie eine sehr viel festere Verbindung und können sie, selbst vor einer Oberflächenbeschichtung, einer Reibung und/oder Verbiegung standhalten.
Das bevorzugte Pulver wird im Ultraschallverfahren hergestellt, obwohl auch andere Pulver benutzt werden können.
Um das Metallpulver aufzubringen, können die verschiedensten Verfahren angewandt werden. Bevorzugt wird das Aufstäuben des Pulvers, obwohl auch andere Verfahren angewandt werden könnten, z. B. ein fluidisiertes Bett und dergleichen. Ferner ist es günstig, das Substrat beim Aufbringen des Materials in Schwingungen zu versetzen bzw. zu rütteln, um die Teilchen über die gesamte Oberfläche zu verteilen, so daß eine vollständige Abdeckung gewährleistet ist. Das Verfahren schließt vorzugsweise das Entfernen von überschüssigem Pulver ein.
Das Verfahren, nach dem ein Pulver aufgebracht und dann das überschüssige Material entfernt wird, wird bereits bei dem thermographischen Verfahren angewandt, und es sind Einrichtungen im Handel erhältlich, die etwa 10.000 Blatt pro Stunde verarbeiten können. Andere Verfahren beinhalten das Hochschießen von Pulver, insbesondere bei dichtem Metallpulver.
Wenn überschüssiges Pulver entfernt werden soll, dann muß dies effizient erfolgen. Eine Möglichkeit besteht darin, es abzusaugen. Dabei wird das überschüssige Pulver in eine Zyklonenklassifizierungseinheit geleitet, die etwaige Staub/Papier-Fasern usw. entfernt, die möglicherweise zusammen mit dem Zinn aufgesaugt wurden, bevor das recycelte Material über ein Luft-Sperrsystem (eine Auslaßschleuse) zur Wiederverwendung in einen Pulvertrichter zurückgeleitet wird.
Die Effizienz des Verfahrens, nach dem das Überschußpulver entfernt wird, kann (nötigenfalls) beispielsweise dadurch verbessert werden, daß ein leistungsstärkeres Saugsystem benutzt oder das Papier so invertiert wird, daß Schwerkraft wirksam ist. Die Anwendung von Vibrations- bzw. Rüttelschwingungen zum Lösen von mitgerissenen Teilchen ist ebenfalls hilfreich.
Das Substrat kann aus einer Vielzahl verschiedener bekannter Materialien ausgewählt werden, einschließlich sowohl Lumpen-Papier und dergleichen als auch Kunststoffe, z. B. 10 μm Mylar-PET. Zu den erfolgreich benutzten Materialien gehören genormtes Banknoten-Papier, Banknotenpapier mit einem Balken-Wasserzeichen, Astra lux-Papier, andere beschichtete Papiere, genormtes Fotokopier-Papier 80 g/m², Silikon-Trennpapier und Polyesterfolien, OPP (orientiertes Polypropylen) und andere film- oder folienartige Materialien mit einer Dicke im Bereich von 10 bis 100 μm.
Das Metallpulver, z. B. Zinn, ist verformbar, so daß es sich der mikroskopischen Rauhigkeit der Papieroberfläche anpaßt, aber nicht hinreichend verformbar, um Änderungen der Papierdicke auszugleichen, die normalerweise in größerem Maß vorliegen (z. B. etwa 1 bis 2 mm). Solche Welligkeiten oder Unebenheiten können nur durch Ausübung von Druck mittels einer Laminierrolle ausgeglichen werden, um Mikrostrukturen des Papiers zu verdichten, oder durch Ausübung von Druck auf die Unterseite des Papiers mittels eines flexiblen Mediums, das sich verformt, um sich an die Dickenänderung anzupassen.
Unter der Annahme, daß dies der Fall ist, ist die Anwendung von Papieren mit guter Dicken-Gleichförmigkeit wahrscheinlich hilfreich, obwohl praktisch irgendein Papier (oder ein feste Oberfläche) benutzt werden kann.
Ferner ist es möglich, dieses Verfahren zur Bildung von Hologrammen auf Kunststoffolien anzuwenden, und wir haben es erfolgreich auf Folien mit Dicken im Bereich von 10 bis 100 μm angewandt.
Wenn Silikon-Trennpapier benutzt wird, nachdem ein Hologramm ausgebildet wurde, bleibt das Hologramm an der Prägeplatte haften, wonach es entfernt und unversehrt auf ein anderes Substrat, z. B. PET, mittels eines Klebstoffs übertragen werden kann. Mithin ist es möglich, ein "off-set"-Verfahren zum Aufbringen von Hologrammen auf wärme- und druckempfindliche Substrate zu entwickeln, z. B. fälschungsevidente Schrumpfhülsen.
Sobald bei den bevorzugten Verfahren das Pulver auf der Oberfläche des Papiers angebracht ist, muß es zusammengequetscht (zusammengedrückt) werden, um es in eine Hochglanzfläche umzuformen, und mit dem holographischen Bild mikrogeprägt werden. Dies kann durch einen einstufigen Vorgang oder einen zweistufigen Prozeß mit einer anfänglichen Quetschungs-/Hochglanz-Bildung, gefolgt von einer Mikroprägungsstufe, bewirkt werden, wobei wahrscheinlich geringere Kräfte ausgeübt werden können.
Als letzter Schritt kann eine (gewünschtenfalls farbige) Schutzschicht auf dem geprägten Pulver aufgebracht werden. Diese Schutzschicht verhindert eine mechanische Beschädigung der geprägten Oberfläche bei der Benutzung und trägt dazu bei, das Kopieren der Sicherheitsmerkmale zu verhindern, indem das geprägte Profil abgedichtet wird. In diesem Zusammenhang ist es vorzuziehen, die Schutzschicht aus dem gleichen Material wie den Klebstoff oder wenigstens einem sehr ähnlichen Material auszubilden, so daß bei einem Versuch, die Schutzschicht zu entfernen, die den optisch veränderbaren Effekt erzeugende Struktur zerstört wird. Es sei eigens darauf hingewiesen, daß ein besonderer Vorteil dieser Lösung darin besteht, daß die den optisch veränderbaren Effekt erzeugende Struktur nicht auf einem kontinuierlichen Film- oder Folienmaterial enthalten ist, sondern ein Mosaik aus mikroskopischen Plättchen bildet. Wenn die organische Schicht, die sie zusammenhält, aufgelöst wird, brechen sie einfach ab, so daß das Hologramm niemals rekonstruiert werden kann. Wenn die Klebstoff- beziehungsweise Schutzschicht-Zusammensetzungen sorgfältig gewählt sind, würden die Hologramme mithin eine hö here Sicherheit als warmgeprägte oder die durch Flammspritzen von geschmolzenem Metall aufgebrachten bieten.
Eine unmittelbare Verbindung der Schutzschicht mit dem Klebstoff/Substrat über Poren in dem Überzug sollte die mechanische Stabilität des aufgebrachten Materials ebenfalls verbessern. Derartige Poren entstehen auf natürliche Weise und können beliebig in irgendeinem gewünschten Maße ausgebildet werden.
Um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen, muß das Material flexibel und kratzfest, aber auch in der Lage sein, die verschiedenen, von der Industrie geforderten chemischen/Löslichkeitsfestigkeits-Tests zu bestehen.
Die qualitativ beste Wiedergabe von Bildern mit optisch veränderbarem Effekt wird durch Aufbringen (Niederschlagen) eines kontinuierlichen metallischen Überzugs erreicht. Es ist jedoch möglich, eine völlig akzeptable Wiedergabe mittels sehr viel niedrigerer Beladungen, z. B. 25 bis 50%iger Abdeckung, mit Zinn, das beispielsweise in Form von Linien oder Reihen aus Punkten aufgebracht wird, zu erzielen. Dies ermöglicht es, metallisierte Bilder mit vorgedruckten Farbbildern zu kombinieren. Es bildet ferner ein Mittel zur Verringerung der Kosten durch Minimierung des Materialbedarfs.
Es ist verhältnismäßig einfach, gleichmäßig beabstandete Reihen aus Linien (oder Punkten) aus Metallpulver zu erzielen, die – vorausgesetzt, daß sie hinreichend kleine Abstände haben – für das bloße Auge nicht offensichtlich sind. Wenn ein durchsichtiges Flächenmaterial mit Linien, die den gleichen Abstand haben, über einem solchen Bild gedreht wird, dann werden Moiré-Inter ferenz-Ränder sichtbar. Nach diesem Verfahren ist es möglich, Identifizierungsmerkmale (Zahlen usw.) in der Metallisation zu verbergen, die nur sichtbar werden, wenn die Interferenz-Ränder gebildet werden. Derartige Effekte würden sich nur auf kostspielige Weise durch andere Mittel duplizieren lassen, verteuern das vorliegende Verfahren jedoch nur unwesentlich.
Durch Überziehen der metallisierten Schicht(en) mit (transparenten) farbigen Lacken ist ein großer Bereich von Farben erzielbar, z. B. Gold usw.
Ferner ist es möglich, die Farbe des Metallpulvers durch einfache Oxidation oder chemische Behandlung der Metallteilchenoberfläche zu ändern. Solche farbigen Pulver können benutzt werden, um (hochglanzartige) metallische Aufträge in einem Bereich von attraktiven Farben von Gold bis zu irisierendem Purpur, die auf einfache Weise holographisch geprägt werden können, auszubilden.
Durch Mischung verschiedenfarbiger (Zinn-)Pulver ist es möglich, buntgesprenkelte Effekte zu erzielen. Solche Effekte lassen sich auch durch Mischen von (Zinn-) Pulver mit anderen Materialien, z. B. Polymeren, Pulvern, Pigmenten, Fasern usw., erzielen. Auch andere Materialien, seien es metallische oder nichtmetallische, können in Mischungen mit Zinn verwendet werden, z. B.:

– Farben – anorganische/organische Pigmente/Farbstoffe.
– Leuchtstoffe – fluoreszierende oder phosphoreszierende Arten.
– Magnetische – Oxide, Erze in verschiedenen Farben.
– Oxidierte Zinnteile.

Die mikrogeprägten holographischen Merkmale werden bis zu einer Tiefe von weniger als 1 μm in die Oberfläche gepreßt. Es ist möglich, makrogeprägte Merkmale auf metallisiertes Papier durch Eindrücken von Mustern/Bildern bis zu einer Tiefe von ungefähr 0 bis 5 μm zu bilden.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Pulver besteht darin, daß es leicht möglich ist, magnetische Mittel in das aufgebrachte (niedergeschlagene) Material einzubetten, die mit einer Sicherheitsinformation verschlüsselt werden können. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die magnetischen Pulver mit dem Zinn vermischt oder in dem Klebstoff eingebettet werden.
Fluoreszierendes Material kann ebenfalls eingebettet werden, indem das Metall und fluoreszierende Pulver vermischt und gleichzeitig aufgebracht (niedergeschlagen) werden.
Für viele Anwendungsfälle sind preiswerte, manuell zu bedienende Wirbelstromerzeugungsvorrichtungen in Gebrauch, z. B. zum Messen der Dicke von Überzügen beziehungsweise Beschichtungen oder zum Unterscheiden verschiedener Metalle. Sie arbeiten mit einer kleinen Spule, die in dem Gegenstand Wirbelströme induziert. Die Größe und Phasenlage der Wirbelströme ändert die Spulen-Reaktanz, die leicht gemessen werden kann.
In elektrischer Hinsicht sind die Zinn-Aufträge deutlich von warmgeprägten Folien oder Metallicfarben zu unterscheiden. Mithin ist es möglich, eine Wirbelstrom meßvorrichtung zur Verifizierung der Authentizität zu entwickeln.
Die vorstehend aufgelisteten Merkmale können einzeln oder in Kombination mit irgendeinem der anderen (oder allen) für praktisch alle Sicherheitsaufdruckanwendungen vorgesehen sein. In den meisten Fällen bedürfen sie keiner zusätzlichen Verfahrensschritte zu dem Grundprozeß, so daß sie zu den Herstellungskosten pro Einheit vergleichsweise wenig beitragen würden.
Der Grundprozeß ermöglicht das Aufbringen von Hologrammen in jeder Größe auf einer oder beiden Seiten des Papiers. Letzteres kann entweder durch einen zweiten Herstellungsvorgang oder in einem System mit nur einem Durchlauf erreicht werden. Die Hologramme brauchen nicht kontinuierlich sein und können beispielsweise in verschiedenen auseinanderliegenden Bereichen einer Banknote angeordnet sein oder einen sich am Umfang herum erstreckenden Rahmen bilden. Es wäre sehr kostspielig, dies durch Warmprägen einer Folie zu erreichen. Die Kosten wären proportional zu der insgesamt durch Zinn abzudeckenden Fläche und nicht (wie beim Warmprägen) der gesamten durch das Hologramm umgebenen Fläche.
Ein attraktives Merkmal dieses Verfahrens ist seine Fähigkeit, metallisierte Bilder zu bilden, die holographisch geprägt sein können. Derzeit ist dies nur durch kostspielige, mehrstufige Verfahren möglich, z. B. durch Entmetallisierung. Mittels des vorliegenden Verfahrens ist die Ausbildung von Bildern möglich, weil das Zinnpulver nur auf Flächen klebt, auf denen Klebstoff aufgebracht wurde.
Die Erfindung ist insbesondere bei Sicherheitsdokumenten anwendbar, zu denen Banknoten, Schecks (Bankschecks oder Reiseschecks), Bonds, Anteilszertifikate, Lizenzen, einige Arten von Identitätskarten, Chipkarten, Pässe, Visa, Tickets, Konto- und Sparbücher, Gutscheine, Urkunden, Verträge, fälschungskenntliche Siegel und Etiketten, Markenauthentizitätsetiketten und dergleichen gehören. Praktisch kann jeder auf Kunststoff basierende Sicherheitsgegenstand unter Anwendung der Erfindung realisiert werden. Wenn ein flexibler Gegenstand erwünscht ist, z. B. eine Banknote, dann sollten natürlich geeignete Kunststoffe gewählt werden, z. B. Polypropylen.
Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen zur Ausführung dieser Verfahren anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Darin stellen dar:
1 eine schematische Ansicht der Vorrichtung,
2A und 2B ein mit Pulver versehenes Papier vor und nach dem Zusammenquetschen im Querschnitt und etwa 500-facher Vergrößerung,
3A und 3B die Oberflächen typischer Zinn-Hologramme in etwa 1000-facher Vergrößerung,
4 schematisch die Quetschwalzen,
5 ein Diagramm der Brinellhärte von Zinn in Abhängigkeit von der Temperatur,
6 einen schematischen Querschnitt durch das fertige Produkt,
7 einen Bereich ungeprägter metallisierter Bilder, die den Effekt des Quetschens/Polierens mit einer polierten Metallplatte zeigen,
8A bis 8C Beispiele metallisierter Bilder einer Banknote,
9A und 9B jeweils sechs Beispiele eines Originalkunstwerks und die gleichen sechs nach der Metallisierung und Prägung mit aufgebrachten Materialien unterschiedlicher Dichte und
10 schematisch ein makrogeprägtes Erzeugnis.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Klebstoffaufdruckstation 1 auf, durch die eine Papierbahn 2 geleitet wird. Auf der Papieroberfläche 3 der Bahn 2 wird der Klebstoff entweder kontinuierlich oder in Form eines Musters, das ein Bild, z. B. ein Halbton-Bild, darstellt, aufgedruckt. Wie schon erwähnt wurde, kann das Aufdrucken nach irgendeinem herkömmlichen Verfahren, z. B. einem flexographischen oder Intaglio- oder Xerographie-Verfahren ausgeführt werden. Wenn der Klebstoff ein ultraviolett-kationisches System ist, wird die Bahn dann bestrahlt, um das Aushärten einzuleiten und die Klebfähigkeit zu entwickeln. Die bedruckte Bahn 2 durchläuft dann eine Metallpulverauftragstation 4, die einen Trichter 5 aufweist, der ein Metallpulver, z. B. Zinn, enthält. Das Metallpulver wird auf der oberen Oberfläche 3 der Bahn aufgebracht und klebt am aufgedruckten Klebstoff fest, der in seinem klebfähigen Zustand gehalten wird. Die Bahn 2 wird dann um eine Leerlaufrolle 6 herumgefaltet, so daß überschüssiges Metallpulver, das nicht an der Bahn festgeklebt ist, nach unten in einen Recyclingbehälter 7 fällt. Dies kann durch Ausübung eines Saugdrucks (nicht dargestellt) unterstützt werden. Dann durchläuft die Bahn eine Trocknungseinheit 8, die den Klebstoff trocknet, und durchläuft dann eine weitere Metallpulverüberschußentfernungsstation 9, wo die Bahn in Schwingungen (Vibration) versetzt und unter Druck angelegt wird, um etwa noch verbliebenes Überschußmetallpulver zu entfernen. An dieser Stelle kann der Prozeß angehalten werden, wobei eine Mutterwalze vorgesehen werden kann, die zu einem späteren Zeitpunkt kalandert und geprägt werden kann.
Ansonsten durchläuft die Bahn eine Quetschstation 10, wo das Metallpulver an die Bahn 2 gedrückt wird, um eine Hochglanzfläche zu bilden, die dann mit einer Mikrostruktur geprägt wird, die eine Struktur mit einem optisch veränderbaren Effekt bewirkt. Schließlich durchläuft die geprägte Bahn eine endgültige Druckstation 12, in der auf dem geprägten Metallpulver eine Schutzschicht, bei der es sich um den in der Station 10 aufgebrachten Klebstoff handeln kann, aufgebracht wird. Dann durchläuft die Bahn eine (nicht dargestellte) Aufwickelstation.
Das Verfahren kann daher kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Das kontinuierliche Verfahren umfaßt die Durchführung aller Teilprozesse (d. h. das Aufdrucken des Klebstoffs, die UV-Bestrahlung (wenn erforderlich), das Aufbringen und Entfernen von Metall, das Kalandern und Prägen und schließlich das Überlackieren ohne Unterbrechungen der Prozeßkette. Das diskontinuierliche Verfahren umfaßt die Herstellung einer Mutterwalze, wie vorstehend beschrieben. Die folgenden Schritte (d. h. das Kalandern, Prägen und Überlackieren) werden off-line zu einem späteren Zeitpunkt ausgeführt.
Die Pulverauftragstation 4 muß einen kontinuierlichen Pulverstrom aufbringen, der die zu beschichtende Fläche vollständig abdeckt. Kein Pulverauftragsystem ist perfekt, so daß überschüssiges Pulver so aufgebracht werden muß, daß sichergestellt ist, daß keine freien Flächen vorliegen.
Zur Veranschaulichung der Art der gegebenenfalls erforderlichen Auftraggeschwindigkeiten um ein kontinuierliches Band aus Pulver mit 2 mm Dicke über eine Breite von 1 m bei einer Bahngeschwindigkeit von 100 m/min aufzubringen, würde das Aufbringen oder Niederschlagen von ungefähr 200 Liter Pulver pro Minute (2 l/min/cm) bedeuten.
2 mm Pulver bedeuten offensichtlich einen hohen Überschuß, wenn Überzüge (Beschichtungen) von weniger als 0,1 mm Dicke erforderlich sind. Wenn der Diffusor richtig ausgerichtet ist, sollte es möglich sein, die Auftragsdicke auf eine viel niedrigere Zahl als diese zu verringern, wodurch die umlaufende Pulvermenge minimiert wird.
Im allgemeinen strömt das Pulver nicht in regelmäßiger Weise durch den Austrittsspalt 5, sofern kein Rütteln oder Rühren vorgesehen ist. Vorzugsweise ist eine Faust-Einrichtung mit einer asymmetrischen Nockenanordnung vorgesehen, die den Trichter mit 25 Hz vibrieren läßt. Der Pulverbehälter hat einen Gesamthub von +/–1 mm. Nach Durchlaufen des Schlitzes fällt das Pulver auf einen (nicht dargestellten) Diffusor, der aus einer 20 bis 30° gegenüber der Horizontalen geneigten Platte besteht, in die versetzte Löcher mit einem Durchmesser von 2 mm und Abständen von 2 mm gebohrt sind. Im Hinblick auf einen gleichmäßigen Auftrag ist es wichtig, daß die Durchflußgeschwindigkeit und die Anordnung der Löcher/Schrägstellung des Diffusors so gewählt sind, daß das Pulver auf der Platte abwärts läuft und nicht nur durch die erste oder zweite Lochreihe fällt.
Das Zinn fällt 4 bis 6 cm nach unten auf das Papier (in Abhängigkeit davon, ob es durch das obere oder untere Ende der Diffusorplatte fällt). Da Zinn ein Schwermetall ist, pflegt das aus den Diffusorlöchern austretende Pulver vertikal nach unten zu fallen, so daß das Ausmaß, in dem benachbarte Ströme zusammentreffen, eng begrenzt ist. Die Rüttelfrequenz von 25 Hz des Trichters trägt sehr wenig zur Verbesserung der Gleichförmigkeit der Abdeckung bei. Um eine gleichförmige Abdeckung zu gewährleisten, ist es wichtig, daß der Diffusor so ausgelegt ist, daß das Pulver auf der Platte abwärts läuft und gleichzeitig durch wenigstens 3 bis 4 Reihen der (versetzten) Löcher austritt.
Während das Pulver nach unten fällt, wird es natürlich beschleunigt, so daß die Fallhöhe die Geschwindigkeit der Teilchen bestimmt, mit der sie auf den Klebstoff treffen. Je höher die Auftreffgeschwindigkeit ist, um so größer ist die anfängliche Eindringtiefe der Teilchen in den Klebstoff. Eine höhere Geschwindigkeit kann jedoch auch bewirken, daß das Pulver verdichtet wird, was eine etwas bessere Abdeckung ergeben kann.
Eine Vergrößerung der Fallhöhe kann jedoch den nachteiligen Effekt haben, daß es um so eher dem Einfluß von Zugluft ausgesetzt ist.
Die Anwendung eines 5 mm*10 cm – Schlitzes ergibt eine Zinn-Durchflußgeschwindigkeit von etwa 12 kg/min, ohne den Diffusor zu überladen. Unter der Annahme, daß die Dichte des Pulvers 40% der des massiven Materials beträgt (d. h. jeweils 7,3 und 2,9 g/cm³), entspricht dies etwa 4,1 l/min. Bei einer Bahngeschwindigkeit von 100 m/min ergibt sich dann ein Überzug (eine Beschichtung) von nur etwa 400 μm.
Es könnten verschiedene Lösungen versucht werden, um die Durchflußgeschwindigkeit zu erhöhen. Die Hauptdurchflußsteuerungseinrichtung ist der Schlitz, und bei Vergrößerung seiner Öffnung würde mehr Pulver austreten. Ein kräftigeres Rütteln (oder Rühren) würde ebenfalls helfen. In beiden Fällen kann eine Vergrößerung der Diffusorplatte erforderlich sein. Eine Alternative wäre eine Mehrfachschlitzanordnung.
Zusätzlich zu den Rühr- oder Rüttelbedingungen, der Schlitzweite und dem Gegendruck des Pulvers, hängt die Durchflußgeschwindigkeit auch erheblich von der Kugelform des Pulvers ab. Je weniger nicht kugelförmige Teilchen vorhanden sind, um so höher ist die erreichbare Durchflußgeschwindigkeit.
Es ist wichtig sicherzustellen, daß das Pulver frei von Verunreinigungen gehalten wird, z. B. Öl oder Fett, weil verhältnismäßig kleine Mengen dieser Materialien einen erheblichen Einfluß auf die Durchflußgeschwindigkeit haben, die Adhäsion beeinträchtigen und eine Kontamination der Prägeplatte bewirken können.
Mehr als 90% des auf der Bahn aufgebrachten Pulvers wird nicht sofort benutzt und muß aufgefangen und zurückgeführt werden. Dabei wird unvermeidlich Fremdmaterial aufgenommen. Es ist wichtig, dieses Material zu entfernen, da anderenfalls Defekte im Auftrag verur sacht werden können und die Druckplatte beschädigt oder zerstört werden kann.
Zu diesem Zweck kann eine (nicht dargestellte) Zyklonanordnung verwendet werden. Durch diese wird leichteres Material sehr wirksam entfernt, dagegen keine schwereren Verunreinigungsteilchen. Im vorliegenden Fall ist es sehr wichtig, das beide Arten entfernt werden. Eine Kombination aus einem Zyklon und einer Filtrierung wäre angemessen. Eine Filtrierung, um nur Teilchen mit einer Größe von beispielsweise weniger als 150 μm durchzulassen, sollte ausreichen, würde jedoch den Durchsatz verringern, sofern die Abmessungen des Filters nicht erheblich größer als die des Austrittschlitzes sind.
Der Auffangkopf sollte im Idealfall so nahe wie möglich bei der Pulverauftrageinheit angeordnet sein. Dies minimiert die Schwierigkeiten der Rückbeförderung des Zinnpulvers in die Zykloneinheit (und verringert die Wahrscheinlichkeit, daß etwas verschüttet wird). Wenn die in Frage kommende Entfernung so klein wie möglich gehalten wird, sollte es möglich sein, dies nur mittels der Unterdruck-Saugstrecke zu erreichen, statt auf kompliziertere mechanische Einrichtungen zurückzugreifen.
In der nachstehenden Tabelle sind mehrere Klebstoffe angegeben, die erfolgreich benutzt wurden.
Tabelle 1
Die 2A und 2B stellen mit Metallpulver beschichtete Substrate jeweils vor und nach dem Quetschen dar, während die 3A und 3B die Oberfläche eines typischen Zinn-Hologramms darstellen. Die einzelnen Zinn-Körner sind bei 20 dargestellt. Ferner stellen die 3A und 3B Plättchen dar, die durch Verbinden abgeflachter Kugeln mit 30 bis 50 μm Durchmesser geformt und nicht verschmolzen sind.
Um die Wirkung der Prozeßvariablen während des Quetschvorgangs zu verstehen, sind Versuche durchgeführt worden. Dabei hat sich herausgestellt, daß bei niedrigen Drücken eine erhebliche Menge Metallpulver auf die Quetschwalze übertragen wurde, während dies bei hohen Drücken nicht der Fall war. Offenbar wird das Zinn unter hohem Druck gezwungen, die Struktur des Papiers anzunehmen, so daß sich ein fester mechanischer Verriegelungseingriff ergibt. Dagegen ergibt sich ein sehr viel schwächerer Verriegelungseingriff mit der glatten Ober fläche der Quetschwalze, so daß, wenn sich die Oberflächen trennen, das Zinn am Papier haften bleibt. Wenn ein geringerer Druck ausgeübt wird, ergibt sich ein geringerer mechanischer Verriegelungseingriff in das Papier, und wenn sich die Oberflächen trennen, ergibt sich eine zufälligere Verteilung zwischen beiden. Die Verwendung optimierter Klebstoffsysteme sollte die Übertragung ebenfalls minimieren.
Die Ergebnisse zeigten deutlich, daß die in der ersten Stufe erreichte Hochglanzgüte einen unmittelbaren Einfluß auf die Beschaffenheit des endgültigen Hologramms hat. In der ersten Stufe entstandene Unvollkommenheiten werden teilweise in der zweiten beseitigt, sofern kein sehr hoher Prägedruck ausgeübt wird.
Die Größenverteilung des Pulvers ist ebenfalls ein Faktor, der den für die Hochglanzbildung erforderlichen Druck beeinflußt. Wie schon erwähnt wurde, waren höhere Drücke erforderlich, um Hochglanzflächen mit vergleichbarer Güte zu erzeugen, wenn feineres Pulver benutzt wurde.
Eine weitere Variable, die den zur Hochglanzbildung/ Mikroprägung eines Hologramms erforderlichen Druck beeinflußt, ist der Durchmesser der Walzen, da dieser die Walzspaltbreite (Quetschzone) beeinflußt, bei der es sich um die Fläche handelt, auf der sich die Last verteilt. 4 veranschaulicht diese Sachlage. Wenn man die maximale Blattdicke vor und nach dem Quetschen und die Abmessungen der Walzen kennt, ist es möglich, die Fläche der Quetschzone zu berechnen, bei der es sich im wesentlichen um die Länge des Bogens A-B in 4 handelt (L), mal der Breite der Probe: L = (R(ho – hf) – (ho – hf)2/4)½ wobei R der Radius der Walze und h_o sowie h_f jeweils die Anfangs- und die Enddicke des Blattes sind.
In diesem speziellen Fall ist der Angriffwinkel (Θ) tatsächlich sehr klein, und der radiale Druck wird nahezu direkt von oben ausgeübt. Dies hat zur Folge, daß die Teilchen gleichmäßig in allen Richtungen weggedrückt werden, bis sie auf eine Materialverschiebung in der anderen Richtung treffen, statt nur in der Walzrichtung.
Bei niedrigen Drücken fand die Hochglanzbildung nur in dicken Bereichen des Blattes statt. In dünnen Bereichen des Blattes aufgebrachtes Zinnpulver wurde anscheinend nicht berührt. Bei hohen Drücken wurde das Zinn/Papier in dicken Bereichen so lange fortschreitend zusammengequetscht (zusammengedrückt), bis ihre Gesamtdicke gleich der in dünneren Bereichen des Blattes war, und an dieser Stelle wurden sie ebenfalls zur Bildung einer Hochglanzfläche zusammengequetscht. Die Gleichförmigkeit der Papierdicke ist mithin eine Schlüsselgröße zur Bestimmung des zur Hochglanzbildung erforderlichen Drucks.
Wesentlich niedrigere Drücke (z. B. etwa 25%) waren zur Holographierung reiner Zinnfolien statt mit Pulver bestreuter Papiere erforderlich. Diese Untersuchungsergebnisse legen es nahe, daß das Haupthindernis, das zu überwinden ist und die Anwendung hoher Walzdrücke erfordert, das Einebnen des Papiers ist, so daß Dickenänderungen ausgeglichen werden, statt das Pulver zu zerquetschen.
Das Vorwalzen zur Bildung einer Hochglanzfläche hat den zur Bildung eines vollständigen Hologramms erforderlichen Druck nicht erheblich verringert. Statt dessen fand eine ähnliche Folge von Ereignissen wie zuvor statt, wobei dicke Bereiche Hologramme zunächst mit niedrigen drücken bilden, während die dünneren Bereiche Drücke von etwa 19685 kg/m (0,5 tonnes/linear inch) erforderten, bevor sie erfolgreich geprägt wurden. Es scheint daher, daß die während des Vorwalzens erzielte Kompression über einen elastischen Prozeß erfolgte, und wenn der Druck weggenommen wurde, kehrten die Dickenänderungen (zumindest teilweise) wieder zurück.
Ein mögliches Verfahren, diesen Effekt zu bekämpfen und die erforderlichen Drücke zu verringern, kann die Anwendung einer mit Gummi verkleideten Gegenwalze sein, die sich verformt, um sich auf die Änderungen der Papierdicke einzustellen. Vorversuche ergaben eine ebene obere Oberfläche, wobei alle Dickenänderungen auf der Unterseite als Oberflächenwellungen wiedergegeben wurden.
Die Lebensdauer der Prägeplatte ist ein Schlüsselparameter bei der Auswertung der Gesamtkosten des Verfahrens. Es gibt eine Anzahl von Abnutzungsprozessen, die identifiziert wurden, und die genaue Art derjenigen, die die Lebensdauer der Prägeplatte bestimmen, ist wahrscheinlich eine komplizierte Funktion aller. Eine Änderung in ein anderes Material ändert diesen Prozeß. Leider ist es aufgrund der komplizierten Situation anhand einfacher theoretischer Überlegungen schwer vorherzusagen, in welchem Ausmaß die Lebensdauer der Prägeplatte beeinflußt würde.
Um einzuschätzen, ob eine rasche Plattenabnutzung ein Problem sein könnte, wurden Prägeplatten an einer oberen Walze und eine kontinuierliche Schlaufe aus mit Zinn überzogenem Papier an einer unteren Walze angebracht. Nach einigen Walzvorgängen wurden Prüfstreifen durch das System geleitet, um die Güte der holographischen Bilder aufzuzeichnen.
Es war klar, daß die Güte der Hologramme bei Verwendung ungehärteter Prägeplatten oder Prägewalzen bei Zimmertemperatur nach nur etwa 100 Operationen merklich schlechter war. Dies lag nicht daran, daß die Oberfläche abnutzte, sondern sich die Prägeplatte bei wiederholtem Walzen verlängerte. Der Effekt wurde wahrscheinlich durch die geringe Breite der Versuchswalze (25 mm) verschärft, die bestrebt wäre, Randeffekte zu verstärken. Die Verwendung einer gehärteten Prägeplatte löst dieses Problem, ohne merkliche Anzeichen von Abnutzung oder Längung nach etwa 1000 Operationen. Gehärtete Prägeplatten wurden beispielsweise zum Prägen von Kreditkartenfolien mit hohem Druck benutzt. Notfalls kann eine weitere Härtung angewandt werden, z. B. durch Nitrierung.
Es sind verschiedene Wege möglich, um diesen Effekt zu minimieren. Zunächst wurde bei diesen Untersuchungen der maximale Arbeitsdruck angewandt, der ausreichend ist, um die Oberfläche gleichzeitig glänzend zu machen und zu prägen. Die Ausbildung einer Hochglanzfläche/ Prägung bei niedrigem Druck gegen eine gummierte Gegenwalze sollte ebenfalls eine erhebliche Verringerung des Walzdrucks ermöglichen.
5 stellt ein Kurvendiagramm der Brinell-Härte von Zinn in Abhängigkeit von der Temperatur dar, die durch Messung der Größe eines Eindrucks durch Ausübung einer genormten Kraft ermittelt wurde.
Der Zusammenhang der benutzt wurde, um die Brinell-Härte mit der Größe der Vertiefung in Relation zu setzen, ist nachstehend angegeben: Brinell-Härte-Zahl = P/(πD/2)(D – (D2 – d2)½)wobei P = Last (kg), D = Kugeldurchmesser (mm), d = Eindruckdurchmesser (mm).
Eine Erhöhung der Temperatur der Prägewalze von 20 auf 200°C verringert die zur Erzielung einer Vertiefung mit vorgegebener Größe erforderliche Kraft um den Faktor 4. Das Walzen bei höheren Temperaturen hätte ebenfalls den Effekt, daß die Werkstück-Härtungseffekte erheblich verringert werden, insbesondere wenn das Zinn auf eine höhere Temperatur als 100°C gebracht werden kann. Mithin könnten niedrigere Drücke ausgeübt werden, was zusammen mit der Tatsache, daß das Material sehr viel weicher ist, die Lebensdauer der Prägeplatte erhöhen sollte.
Um den Einfluß der Temperatur auf die Hochglanzbildung/Prägung zu ermitteln, wurden Versuche mit Teststreifen bei 200°C im gleichen Druckbereich durchgeführt, der bei Zimmertemperatur untersucht wurde.
Es ergab sich eine sehr ähnliche Folge von Ereignissen. Bei niedrigen Drücken wurde nur das Zinn in dicken Bereichen des Blattes gequetscht. Eine Erhöhung des Drucks vergrößerte den geglätteten Oberflächenanteil. Im allgemeinen war die Güte der Hochglanzbildung bei jedem angewandten Druck größer, so daß eine Verringe rung des letztlich erforderlichen Drucks erreicht wurde.
Es sei darauf hingewiesen, daß bei dieser Versuchsanordnung das Papier nicht vorgewärmt war. Die Wärme wurde durch das Papier hindurch auf das Zinn übertragen. Nimmt man an, daß das Papier mit der erwärmten Walze nur etwa 100 Millisekunden lang in Berührung stand, dann ist es sehr wahrscheinlich, daß es niemals die Zieltemperatur von 200°C erreichte.
In der Praxis müßte die Holographierwalze und möglicherweise auch die gegebenenfalls benutzt Quetschwalze erwärmt werden. Es wäre zweckmäßig, den Klebstoff durch Erwärmung zu trocknen, was praktisch als Vorwärmung vor der Hochglanzbildung wirken würde. Die Erwärmung könnte beispielsweise durch Infrarotbestrahlung oder Konvektion erfolgen.
Nach dem letzten Walzvorgang bildet das aufgebrachte Material eine dünne Schicht mit einer mittleren Dicke von etwa 30 μm. Die metallisierten Bereiche sind in der Regel 0 bis 10 μm dicker als das Ausgangspapier und vielleicht etwa 20 μm dicker als die gewalzten Bereiche des Papiers, die nicht metallisiert wurden. (Das Zinn pflegt die Poren/Unebenheiten des Papiers auszufüllen, so daß die endgültige Dicke stets kleiner als die Summe der Dicke des Papiers und Zinns ist.)
Dies ist weitgehend mit dem Intaglio-Druckverfahren vergleichbar, bei dem eine Verdickung des Papiers von Banknoten um beispielsweise 50 μm bewirkt werden kann.
Wenn sich die zusätzliche Dicke des Papiers als Problem erweist, z. B. dadurch, daß Schwierigkeiten in Folge ei ner ungleichmäßigen Stapelung auftreten, dann gibt es verschiedene Lösungsmöglichkeiten, die versucht werden könnten. Die Hologramme könnten an beiden Enden in der Mitte oder am gesamten Rand der Banknote herum angeordnet werden. Im Gegensatz zu warm geprägten Folien hängen die Kosten der auf Zinn basierenden Hologramme nicht von der von ihnen abgedeckten Fläche ab, sondern nur von der insgesamt metallisierten Fläche.
Alternativ kann dafür gesorgt werden, daß der Druck beim Walzen nur auf die metallisierten Flächen ausgeübt wird. Auf diese Weise kann die Dicke der Hologramme so zugeschnitten werden, daß sie praktisch die gleiche wie die des benachbarten ungewalzten Papiers ist.
In der letzten Stufe wird ein oberer Schutzüberzug 30 über den Zinnteilchen 31 ausgebildet, die bereits durch Klebstoff 32 am Substrat 2 angeklebt sind (6).
Der hauptsächliche Zweck des Überzugs 30 besteht darin, eine mechanische Beschädigung oder Zerstörung der geprägten Oberfläche im Betrieb und ein Kopieren der Sicherheitsmerkmale zu verhindern.
Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, wenn der Klebstoff 32 und der Überzug 30 aus den gleichen oder wenigstens sehr ähnlichen Materialien bestehen, so daß ein Versuch, den oberen Überzug zu entfernen, das Hologramm zerstören würde. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß ein Hauptvorteil dieser Lösung darin besteht, daß das Hologramm nicht auf einer kontinuierlichen Folie aus Material vorhanden ist, sondern als ein Mosaik mikroskopischer Plättchen, 6.
Um das Auflösungsvermögen von Bildern zu untersuchen, das nach diesem Verfahren erreicht werden kann, wurde eine Anzahl von Prüfstrukturen durch Fotokopierung geeigneter Bilder hergestellt. Die an dem Papier angebrachten Fotokopierharze wurden dann erneut geschmolzen und mit Zinnpulver kontaktiert, und dann wurde das Zinnpulver gequetscht/poliert. Die 7 und 8 stellen Beispiele der erzielten Ergebnisse dar. Es waren auf einfache Weise Bilder mit sehr ermutigender Qualität erzielbar. Die unteren beiden Beispiele in 8 wurden mit Hologrammen geprägt, während das obere Beispiel metallisiert und nicht geprägt wurde. Bei dem endgültigen Erzeugnis würden die Hologramme so designt, daß sie dem Komplement jedes der Bilder entsprechen.
Halbton-Originale ergaben die besten Ergebnisse, weil die Qualität ihrer Reproduktion durch Fotokopieren besser war. Eine ähnliche Lösung wurde ebenfalls erfolgreich demonstriert, und zwar durch erneute Verflüssigung des Harzes bei lasergedruckten Bildern sowie einigen Intagliodrucken.
Bei diesem Prozeß ergibt sich unvermeidlich eine geringe Verschlechterung des Auflösungsvermögens. Wenn beispielsweise ein 20 μm-Klebstofffleck aufgebracht und ein 40 μm-Zinnteilchen an ihm festgeklebt würde, dann würde das Teilchen an seinen Rändern überstehen. Dies tritt wahrscheinlich bis zu einem gewissen Maß am Rand jeder metallisierten Fläche auf. Es ist möglich, daß ziemlich dünne Metallbilder durch Punktverstärkung erzielbar sind, z. B. durch Versprühen des Metalls bei gesteuerten Abdruckabmessungen, Abständen und Prozeßbedingungen.
Die Teilchen werden dann zerquetscht und weiter verbreitert. Bei dicht gepackten Teilchen kann sich dadurch ihre Fläche relativ mäßig, um etwa 10% vergrößern, bevor sie aneinander stoßen und polyederförmige Plättchen bilden. An den Rändern metallisierter Flächen liegende Teilchen werden nicht allseitig abgestützt und könnten ihre Fläche in größerem Maße ausdehnen. Eine Untersuchung solcher Teilchen legt nahe, daß sich ihre Fläche unter normalen Bedingungen um weniger als 50% vergrößern kann. Dies, zusammen mit dem Einfluß des Überstehens, begrenzt das Auflösungsvermögen des Verfahrens auf etwa 100 μm. Möglicherweise läßt sich diese Zahl durch Verwendung von Pulver mit geringer Teilchengröße noch verbessern, doch sollten Teilchen, wie schon erwähnt wurde, mit einer geringeren Größe als 25 μm vermieden werden, wodurch das erreichbare absolut maximale Auflösungsvermögen begrenzt wird.
Der Nutzeffekt ist eine verhältnismäßig geringe Verschlechterung des Auflösungsvermögens und eine generelle Verdunkelung des Bildes, da sich die Abmessungen aller Halbtonpunkte vergrößern. Letzterer Effekt könnte dadurch ausgeglichen werden, daß das Bild zunächst heller gemacht wird.
Der Verbreiterungseffekt kann jedoch zur Verringerung der zur Bildung von Hologrammen erforderlichen Zinnmenge ausgenutzt werden. Um die Größe des Effekts zu maximieren, sollte der Klebstoff in Form einer Reihe aus Linien oder Punkten (mit kleinerem Durchmesser als 200 μm) statt als kontinuierliche Schicht aufgebracht werden. Beim Zerquetschen des Zinns verbreitet es sich, um die Spalte auszufüllen. Eine feine Punktgröße maximiert den Anteil der Zinnteilchen auf Randflächen und daher das Ausmaß des Verbreiterungseffekts. 9 stellt Aufträge mit zunehmend geringerer Metallabdeckung dar. Man sieht, daß eine geringe Verschlechterung der Bildauflösung vom Original zum erzeugten holographischen Effekt stattfindet.
Versuche haben gezeigt, daß bei Verwendung sehr feiner Reihen von Punkten (ungefähr 200 μm Durchmesser) eine praktisch vollständige Abdeckung bei einer anfänglichen Klebstoffabdeckung von etwa 60% erreicht werden kann. Es konnten sehr gute Ergebnisse bei einer 50%igen Punkt-Abdeckung erzielt werden. Bei 40% war es für das bloße Auge offensichtlich, daß keine vollständige Abdeckung erreicht werden konnte, obwohl das holographische Detail immer noch deutlich sichtbar war.
Möglicherweise ist der wichtigste Faktor, der das Auflösungsvermögen bestimmt, die Beschichtung mit Klebstoff. Natürlich ist das Auflösungsvermögen der endgültigen Bilder nicht besser als das des gedruckten Bildes. Die Menge des aufgebrachten Klebstoffs ist ebenfalls wesentlich: Es kann eine zu geringe und unvollständige Abdeckung auftreten. Zuviel kann zur Folge haben, daß es seitwärts strömt oder durch das Pulver verdrängt wird.
10 veranschaulicht ein weiteres Verfahren (das in 1 nicht dargestellt ist), bei dem das geprägte Metallpulver noch makrogeprägt wird. Mithin wird, wie 10 zeigt, die Zinnschicht 21 mit holographischen Merkmalen 22 mikrogeprägt und zusätzlich bei 23 makrogeprägt. Beispielsweise ist es durch Walzen gegen ein Tuch möglich, dessen Oberflächenmorphologie in die Zinnschicht zu übertragen, so daß es das Aussehen des metallisierten Tuches annimmt. Dies könnte für den Mar kenschutz von Textilien und Waren hoher Qualität wichtig sein.
In vielen Fällen ist eine Makroprägung ohne Zerstörung vorhandener holographischer Merkmale möglich. Die besten Ergebnisse sind wahrscheinlich erzielbar, wenn das makrogeprägte Bild aus erhabenen/vertieften/geneigten ebenen Flächen, z. B. Liniendiagrammen, Fresnel-Linsen usw. besteht.

Claims

Verfahren zur Bildung einer einen optisch veränderbaren Effekt in Form eines Beugungsgitters oder Hologramms auf einem Substrat erzeugenden Struktur, wobei das Verfahren umfaßt: a) das Aufbringen eines Klebstoffs auf dem Substrat, b) das Aufbringen eines Metallpulvers auf dem Klebstoff und c) das Einprägen einer einen optisch veränderbaren Effekt erzeugenden Struktur in dem Metallpulver.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Metallpulver diskontinuierlich aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Schritt (a) das Aufbringen des Klebstoffs auf dem Substrat in einem einem Bild entsprechenden Muster umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Klebstoff in Form einer Anordnung von Linien oder Punkten aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Linien oder Punkte so angeordnet werden, daß sie ein Moiré-Muster bilden, wenn sie durch eine ähnliche Anordnung betrachtet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Punkte in einem Muster angeordnet werden, das ein Halbton-Bild bildet.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Punkte Durchmesser aufweisen, die kleiner als 200 μm sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Klebstoff einen Toner aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Schritt (a) das Drucken des Klebstoffs unter Anwendung beispielsweise eines flexografischen Tiefdruckverfahrens umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Klebstoff nicht mehr als 60% der Bildfläche abdeckt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Metall Zinn ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Teilchengröße des Metallpulvers im Bereich von < 0,1–100 μm liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Metallpulver auf den Klebstoff aufgestaubt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Schritt (b) ferner das Entfernen von überschüssigem Metallpulver umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Entfernen des überschüssigen Metallpulvers eins oder mehrere der folgenden Verfahren umfaßt: das Entfernen durch Absaugen, Schwerkraft und Vibration.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Metallpulver ein Gemisch aus verschiedenen Metallen ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die verschiedenen Metalle verschiedene Farben haben.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Metallpulver und/oder der Klebstoff ein magnetisches oder fluoreszierendes Mittel aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das das Oxidieren des Metallpulvers umfaßt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem nach dem Schritt (b) das aufgebrachte Metallpulver zur Bildung einer Hochglanzfläche zerquetscht wird.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Zerquetschen gleichzeitig mit dem Schritt (c) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Prägen mittels eines erhitzten Prägeelements ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem nach dem Schritt (c) ein weiterer Prägeprozess ausgeführt wird und die Prägungsteilung gröber als im Schritt (c) ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ferner (d) eine Schutzschicht über dem geprägten Pulver ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die Schutzschicht den im Schritt (a) benutzten Klebstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, bei dem die Schutzschicht auf das geprägte Pulver gedruckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem die Schutzschicht farbig ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Substrat Papier ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das oberflächenbehandelte Substrat ein Wertdokument, z. B. eine Banknote, ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Verfahrensschritte in kontinuierlicher Weise auf einem Substrat in Form einer Materialbahn ausgeführt werden, so daß eine Vielzahl einen optisch veränderbaren Effekt erzeugender Strukturen auf der Materialbahn ausgebildet wird.
Substrat, das eine einen optisch veränderbaren Effekt erzeugende Struktur in Form eines Beugungsgitters oder Hologramms trägt, das in ein Metallpulver geprägt ist.
Substrat nach Anspruch 31, bei dem das Metall Zinn aufweist.
Sicherheitsdokument, z. B. Banknote, mit einem Substrat nach Anspruch 31 oder Anspruch 32.