EP3380334B1 - Prägeverfahren zum prägen von mikro- oder nanostrukturen - Google Patents

Prägeverfahren zum prägen von mikro- oder nanostrukturen Download PDF

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EP3380334B1
EP3380334B1 EP16798626.4A EP16798626A EP3380334B1 EP 3380334 B1 EP3380334 B1 EP 3380334B1 EP 16798626 A EP16798626 A EP 16798626A EP 3380334 B1 EP3380334 B1 EP 3380334B1
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embossing cylinder
lacquer
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Frank Sievers
Georg Kiefersauer
Birgit Seiß
Christian Fuhse
Andreas Pretsch
Michael Rahm
Manfred Heim
Winfried HOFFMÜLLER
Herbert ZASCHKA
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    • B44C1/00—Processes, not specifically provided for elsewhere, for producing decorative surface effects
    • B44C1/24—Pressing or stamping ornamental designs on surfaces

Definitions

  • the invention relates to a method for embossing structures with dimensions in the range of micrometers or nanometers in a lacquer layer made from a lacquer, the lacquer layer being applied to one side of a film web and being curable by means of ultraviolet radiation.
  • the foil web is first pressed in the direction of transport with the side on which the not yet hardened layer of lacquer is located, by a pressure roller against an embossing cylinder, on the surface of which the structures to be embossed in the micro or nanometer range are located.
  • the structures in the micro or nanometer range form in the paint layer.
  • the paint layer is cured by ultraviolet radiation from an ultraviolet radiation source.
  • a method of this type has already been used for many years, with the film web being guided to the embossing cylinder from below or at least diagonally from below.
  • Part of the lacquer of the lacquer layer that has not yet hardened accumulates in the conveying direction immediately in front of the point at which the lacquer layer touches the embossing cylinder and forms a so-called "lacquer wedge".
  • this lacquer wedge is unevenly distributed, with both the thickness of the wedge and its distribution changing constantly and unpredictably in the direction of the axis of rotation of the embossing cylinder.
  • the geometric shape and distribution of the paint wedge is therefore stochastic, which results in an uneven distribution of the paint layer on the film web, which is particularly disadvantageous.
  • the structures in the micro or nanometer range are thus embossed in an unevenly distributed layer of paint, with an unevenly thick and in the horizontal direction, based on UV radiation, even after the embossing and subsequent curing of the layer of paint the film web, results in an unevenly distributed layer of lacquer with embossed structures in the micro or nanometer range.
  • a method for producing a security element which consists of two components. Both components must be arranged in exact register or register with one another, with an adjustable stretching roller being provided to maintain or set this register.
  • the second components of the security element are preferably produced by an embossing unit.
  • WO 2011/020727 A1 discloses a method of producing an optically variable image in which an epoxy paint for application to a web can be heated, thereby reducing its viscosity. By the time of the subsequent embossing process, the viscosity of the lacquer will have changed or increased again as a result of cooling.
  • the invention is therefore based on the object of further developing a generic method in such a way that the disadvantages of the prior art are eliminated.
  • the film web is guided to the embossing cylinder from above or at least diagonally from above.
  • the part of the lacquer of the not yet hardened lacquer layer which builds up in the conveying direction immediately in front of the point at which the lacquer layer touches the embossing cylinder, becomes a larger wetted area on the surface of the embossing cylinder.
  • the paint wedge of the method according to the invention is not unevenly distributed and its geometric shape and distribution are not pronounced stochastically.
  • the reason for the larger wetted area on the surface of the embossing cylinder in the method according to the invention is that the gravitational force leads the lacquer layer to the point at which the film web touches the embossing cylinder in addition to the direction of movement of the film web.
  • the lacquer layer is pulled away from the embossing cylinder by the force of gravity.
  • Another advantage of the invention is that the larger wetted area on the surface of the embossing cylinder increases the time it takes for the air to escape from the embossing structures on the surface of the embossing cylinder, so that the layer of lacquer can be removed at higher speeds of the film web and with the same number of air bubbles in the embossed lacquer layer or alternatively at the same speed of the film web but with a reduced number of air bubbles in the embossed lacquer layer.
  • the impression roller is pressed against the embossing cylinder with high mechanical pressure, so that a clearly recognizable amount of lacquer of the lacquer layer is squeezed.
  • the width of the lacquer layer after embossing is no longer identical to the width of the lacquer layer in front of the embossing cylinder, but wider.
  • the width of the varnish is 620 mm before embossing and 720 mm after embossing.
  • a film web consists, for example, of polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polypropylene (PP) or polycarbonate (PC) with a thickness for security threads or security films of preferably 8 ⁇ m to 36 ⁇ m, for banknotes made of polymer or for film composite banknotes up to 100 ⁇ m or for card bodies up to 200 ⁇ m.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PP polypropylene
  • PC polycarbonate
  • the thickness of the lacquer layer is preferably from 0.5 ⁇ m to 20 ⁇ m, particularly preferably from 4 ⁇ m to 15 ⁇ m and very particularly preferably from 4 ⁇ m to 8 ⁇ m.
  • the lacquer layer is preferably applied to the film web by means of a flexographic printing process.
  • the film web is deflected by a deflection roller and guided onto the embossing cylinder, with the deflection roller being arranged in front of the impression roller in the direction of transport.
  • the film web can be guided away from the embossing cylinder again by a second deflection roller.
  • the first and possibly second deflection roller ensures that the lacquer layer wraps around the embossing cylinder over a larger peripheral surface.
  • the film is fed onto the embossing cylinder vertically or at least almost vertically from above or in the direction of the weight force or almost in the direction of the weight force becomes.
  • At least obliquely from above in the context of this invention means that the foil is fed onto the embossing cylinder from above at an angle in a range from more than horizontal to almost vertical, with the foil in particular not being fed horizontally onto the embossing cylinder.
  • Such structures with dimensions in the range of micrometers or nanometers are used in particular to increase the counterfeiting protection of documents of value, in particular banknotes, shares, bonds, certificates, vouchers, checks, high-quality admission tickets, but also other papers at risk of counterfeiting, such as passports and other identification documents, as well as Cards, such as credit or debit cards, and also product security elements, such as labels, seals, packaging and the like.
  • the structures with dimensions in the micrometer or nanometer range are, for example, diffractive structures, micromirrors, matt structures or moth-eye structures.
  • FIG. 1 shows a side view of an embossing process known from the prior art.
  • a lacquer layer 6 on a film web 5, the film web being fed in the direction of movement 7 obliquely from below onto an embossing device.
  • the embossing device consists of an embossing cylinder 1, in the surface of which structures to be embossed with dimensions in the range of micrometers or nanometers are introduced, a roller-shaped impression roller 2, a source 4 for ultraviolet radiation and two deflection rollers 3.
  • the film web 5 is through the first deflection roller 3 deflected in such a way that the lacquer layer 6 comes into contact with the embossing cylinder.
  • part of the not yet hardened lacquer layer builds up and forms the unevenly shaped lacquer wedge 8.
  • the film web 5 together with the lacquer layer 6 is then pressed against the embossing cylinder 1 by the impression roller 2 and the structures with dimensions in Area of micrometers or nanometers molded into the paint layer 6.
  • the lacquer layer 6 is then hardened by electromagnetic radiation in the ultraviolet wavelength range from the source 4 and guided away from the embossing cylinder 1 via a second deflection roller 3 and fed to subsequent processing steps.
  • the film web 5 is fed to the embossing device at an angle from above.
  • the film web 5 is deflected by the first deflection roller 3 in such a way that the lacquer layer 6 comes into contact with the embossing cylinder.
  • part of the not yet hardened lacquer layer builds up and forms the above-described and particularly advantageously uniformly shaped lacquer wedge 9 the structures with dimensions in the range of micrometers or nanometers are molded into the lacquer layer 6.
  • the lacquer layer 6 is then hardened by electromagnetic radiation in the ultraviolet wavelength range from the source 4 and guided away from the embossing cylinder 1 via a second deflection roller 3 and fed to subsequent processing steps.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Shaping Of Tube Ends By Bending Or Straightening (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
  • Coating Apparatus (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prägen von Strukturen mit Abmessungen im Bereich von Mikro- oder Nanometern in eine Lackschicht aus einem Lack, wobei die Lackschicht auf eine Seite einer Folienbahn aufgebracht ist und mittels ultravioletter Strahlung härtbar ist. Die Folienbahn wird in Beförderungsrichtung zuerst mit der Seite, auf der sich die noch nicht gehärtete Lackschicht befindet, durch einen Presseur an einen Prägezylinder gepresst, auf dessen Oberfläche sich die zu prägenden Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich befinden. Hierbei formen sich die Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich in die Lackschicht ab. Anschließend wird die Lackschicht durch eine ultraviolette Strahlung einer Quelle für ultraviolette Strahlung gehärtet.
  • Ein derartiges Verfahren wird bereits seit vielen Jahren verwendet, wobei die Folienbahn von unten oder mindestens von schräg unten zum Prägezylinder geführt wird. Ein Teil des Lacks der noch nicht gehärteten Lackschicht staut sich in Beförderungsrichtung unmittelbar vor der Stelle auf, an der die Lackschicht den Prägezylinder berührt, und bildet einen sogenannten "Lackkeil". Dieser Lackkeil ist jedoch bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ungleichmäßig verteilt, wobei sich sowohl die Dicke des Keils als auch seine Verteilung in Richtung der Drehachse des Prägezylinders ständig und unvorhersehbar ändert. Die geometrische Form und Verteilung des Lackkeils ist somit stochastisch, wodurch sich besonders nachteilhaft eine ungleichmäßige Verteilung der Lackschicht auf der Folienbahn ergibt. Die Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich werden somit in eine ungleichmäßig verteilte Lackschicht eingeprägt, wobei sich auch nach dem Verprägen und anschließenden Härten der Lackschicht mittels UV-Strahlung eine ungleichmäßig dicke und in horizontaler Richtung, bezogen jeweils auf die Folienbahn, ungleichmäßig verteilte Lackschicht mit eingeprägten Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich ergibt.
  • Aus EP 2 865 625 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements bekannt, das aus zwei Bestandteilen besteht. Beide Bestandteile müssen im exakten Passer bzw. Registers zueinander angeordnet sein, wobei eine verstellbare Streckwalze für die Einhaltung bzw. Einstellung dieses Registers vorgesehen wird. Die zweiten Bestandteile des Sicherheitselements werden bevorzugt durch ein Prägewerk erzeugt.
  • Aus ZA 9806937 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Oberflächenstruktur auf einem Substrat bekannt, bei dem das Substrat mit einer strahlenhärtbaren Substanz beschichtet wird.
  • Aus WO 2011/020727 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines optisch variablen Bildes bekannt, bei dem ein Epoxy-Lack zum Auftragen auf eine Bahn erhitzt werden kann, wodurch sich seine Viskosität vermindert. Bis zum nachfolgenden Prägevorgang wird sich die Viskosität des Lacks durch Abkühlung wieder verändert bzw. erhöht haben.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, dass die Nachteile des Standes der Technik behoben werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs.
  • Erfindungsgemäß wird die Folienbahn von oben oder mindestens von schräg oben zum Prägezylinder geführt. Es hat sich dabei überraschend gezeigt, dass sich der Teil des Lacks der noch nicht gehärteten Lackschicht, der sich in Beförderungsrichtung unmittelbar vor der Stelle aufstaut, an der die Lackschicht den Prägezylinder berührt, zu einer größeren benetzten Fläche auf der Oberfläche des Prägezylinders führt. Der Lackkeil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zudem im Gegensatz zu dem Lackkeil des Verfahrens des Standes der Technik nicht ungleichmäßig verteilt und seine geometrische Form und Verteilung nicht stochastisch ausgeprägt. Damit ergibt sich auf der Folienbahn sowohl vor als auch während und nach dem Prägen mit Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich eine Lackschicht mit vorhersagbarer und gleichmäßiger Dicke und größerer Breite sowie einer vorhersagbaren und konstanten Position auf der Folienbahn. Dies führt besonders vorteilhaft zu einem Endprodukt mit konstanten und vorhersagbaren Eigenschaften und zu einem geringeren Ausschuss, d.h. zu weniger fehlerhaft bzw. nicht den Vorgaben entsprechenden geprägten Endprodukten wie beispielsweise Sicherheitsfäden oder Sicherheitsstreifen mit diffraktiven oder spiegelartigen Strukturen in bzw. auf Banknoten.
  • Ursache für die größere benetzte Fläche auf der Oberfläche des Prägezylinders bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die Gravitationskraft die Lackschicht zusätzlich zur Bewegungsrichtung der Folienbahn zu der Stelle führt, an der die Folienbahn den Prägezylinder berührt. Im Gegensatz dazu wird bei dem Verfahren des Standes der Technik die Lackschicht durch die Gravitationskraft vom Prägezylinder weggezogen.
  • Weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass durch die größere benetzte Fläche auf der Oberfläche des Prägezylinders die Zeit zum Entweichen der Luft aus den Prägestrukturen auf der Oberfläche des Prägezylinders steigt, so dass die Lackschicht bei höherer Geschwindigkeit der Folienbahn und gleichbleibender Anzahl der Luftblasen in der geprägten Lackschicht oder alternativ dazu bei gleicher Geschwindigkeit der Folienbahn, aber reduzierter Anzahl der Luftblasen in der geprägten Lackschicht geprägt werden kann.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Prägeverfahren wird der Presseur mit einem hohem mechanischen Druck gegen den Prägezylinder gepresst, so dass eine deutlich erkennbare Menge Lack der Lackschicht verquetscht wird. Dies bedeutet, dass die Breite der Lackschicht nach dem Prägen nicht mehr identisch mit der Breite der Lackschicht vor dem Prägezylinder ist, sondern breiter. Beispielsweise beträgt die Breite des Lacks vor der Prägung 620 mm und nach der Prägung 720 mm.
  • Eine Folienbahn besteht beispielsweise aus Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polypropylen (PP) oder Polycarbonat (PC) mit einer Dicke für Sicherheitsfäden oder Sicherheitsfolien von bevorzugt 8 µm bis 36 µm, für Banknoten aus Polymer oder für Folienverbundbanknoten bis 100 µm oder für Kartenkörper bis 200 µm.
  • Die Dicke der Lackschicht beträgt bevorzugt 0,5 µm bis 20 µm, besonders bevorzugt 4 µm bis 15 µm und ganz besonders bevorzugt von 4 µm bis 8 µm. Die Lackschicht wird bevorzugt mittels eines Flexodruckverfahrens auf die Folienbahn aufgebracht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Folienbahn durch eine Umlenkwalze umgelenkt und auf den Prägezylinder geführt wird, wobei die Umlenkwalze in Beförderungsrichtung vor dem Presseur angeordnet wird. Durch eine zweite Umlenkwalze kann die Folienbahn wieder vom Prägezylinder weggeführt werden. Durch die erste und gegebenenfalls zweite Umlenkwalze wird erreicht, dass die Lackschicht den Prägezylinder über eine größere Umfangfläche umschlingt.
  • Von oben im Sinne dieser Erfindung bedeutet, dass die Folie senkrecht oder mindestens nahezu senkrecht von oben bzw. in Richtung der Gewichtskraft oder nahezu in Richtung der Gewichtskraft auf den Prägezylinder zugeführt wird. Mindestens von schräg oben im Sinne dieser Erfindung bedeutet, dass die Folie mit einem Winkel in einem Bereich von mehr als waagrecht bis nahezu senkrecht von oben auf den Prägezylinder zugeführt wird, wobei die Folie insbesondere nicht waagrecht auf den Prägezylinder zugeführt wird.
  • Derartige Strukturen mit Abmessungen im Bereich von Mikro- oder Nanometern werden insbesondere zur Erhöhung des Fälschungsschutzes von Wertdokumenten verwendet, insbesondere Banknoten, Aktien, Anleihen, Urkunden, Gutscheine, Schecks, hochwertige Eintrittskarten, aber auch andere fälschungsgefährdete Papiere, wie Pässe und sonstige Ausweisdokumente, sowie Karten, wie beispielsweise Kredit- oder Debitkarten, und auch Produktsicherungselemente, wie Etiketten, Siegel, Verpackungen und dergleichen. Die Strukturen mit Abmessungen im Bereich von Mikro- oder Nanometern sind beispielsweise diffraktive Strukturen, Mikrospiegel, Mattstrukturen oder Mottenaugenstrukturen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, soweit dies von dem Schutzumfang der Ansprüche erfasst ist.
  • Anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und der ergänzenden Figuren werden die Vorteile der Erfindung erläutert. Die Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen dar, auf die jedoch die Erfindung in keinerlei Weise beschränkt sein soll. Des Weiteren sind die Darstellungen in den Figuren des besseren Verständnisses wegen stark schematisiert und spiegeln nicht die realen Gegebenheiten wieder. Insbesondere entsprechen die in den Figuren gezeigten Proportionen nicht den in der Realität vorliegenden Verhältnissen und dienen ausschließlich zur Verbesserung der Anschaulichkeit. Des Weiteren sind die in den folgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Ausführungsformen der besseren Verständlichkeit wegen auf die wesentlichen Kerninformationen reduziert. Bei der praktischen Umsetzung können wesentlich komplexere Muster oder Bilder zur Anwendung kommen.
  • Im Einzelnen zeigen schematisch:
    • Fig. 1
    in Seitenansicht ein Prägeverfahren nach dem Stand der Technik,
    Fig. 2
    in Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Prägeverfahren.
  • Fig. 1 zeigt in Seitenansicht ein aus dem Stand der Technik bekanntes Prägeverfahren. Auf einer Folienbahn 5 befindet sich eine Lackschicht 6, wobei die Folienbahn in Bewegungsrichtung 7 von schräg unten auf eine Prägevorrichtung zugeführt wird. Die Prägevorrichtung besteht hierbei aus einem Prägezylinder 1, in dessen Oberfläche zu prägende Strukturen mit Abmessungen im Bereich von Mikro- oder Nanometern eingebracht sind, einem walzenförmig ausgestalteten Presseur 2, einer Quelle 4 für ultraviolette Strahlung sowie zwei Umlenkwalzen 3. Die Folienbahn 5 wird durch die erste Umlenkwalze 3 derart umgelenkt, dass die Lackschicht 6 mit dem Prägezylinder in Kontakt kommt. Unmittelbar vor bzw. an dieser linienförmigen Kontaktstelle staut sich ein Teil der noch nicht gehärteten Lackschicht auf und bildet dabei den ungleichmäßig geformten Lackkeil 8. Anschließend wird die Folienbahn 5 samt Lackschicht 6 durch den Presseur 2 gegen den Prägezylinder 1 gepresst und die Strukturen mit Abmessungen im Bereich von Mikro- oder Nanometern in die Lackschicht 6 abgeformt. Daraufhin wird die Lackschicht 6 durch elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich der Quelle 4 gehärtet und über eine zweite Umlenkwalze 3 vom Prägezylinder 1 wegeführt und nachfolgenden Bearbeitungsschritten zugeführt.
  • Fig. 2 zeigt in Seitenansicht das erfindungsgemäße Prägeverfahren, bei dem im Gegensatz zu dem Prägeverfahren aus Fig. 1 die Folienbahn 5 von schräg oben der Prägevorrichtung zugeführt wird. Die Folienbahn 5 wird durch die erste Umlenkwalze 3 derart umgelenkt, dass die Lackschicht 6 mit dem Prägezylinder in Kontakt kommt. Unmittelbar vor bzw. an dieser linienförmigen Kontaktstelle staut sich ein Teil der noch nicht gehärteten Lackschicht auf und bildet dabei den oben beschriebenen und besonders vorteilhaft gleichmäßig geformten Lackkeil 9. Anschließend wird die Folienbahn 5 samt Lackschicht 6 durch den Presseur 2 gegen den Prägezylinder 1 gepresst und die Strukturen mit Abmessungen im Bereich von Mikro- oder Nanometern in die Lackschicht 6 abgeformt. Daraufhin wird die Lackschicht 6 durch elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich der Quelle 4 gehärtet und über eine zweite Umlenkwalze 3 vom Prägezylinder 1 weggeführt und nachfolgenden Bearbeitungsschritten zugeführt.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Prägen von Strukturen mit Abmessungen im Bereich von Mikro- oder Nanometern in eine Lackschicht (6) aus einem Lack, wobei die Lackschicht (6) auf eine Seite einer Folienbahn (5) aufgebracht ist und mittels ultravioletter Strahlung härtbar ist, wobei die Folienbahn (5) in Beförderungsrichtung (7) zuerst mit der Seite, auf der sich die noch nicht gehärtete Lackschicht (6) befindet, durch einen Presseur (2) derart an einen Prägezylinder (1), auf dessen Oberfläche sich die zu prägenden Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich befinden, gepresst wird, dass sich die Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich in die Lackschicht (6) abformen, und anschließend die Lackschicht (6) durch eine ultraviolette Strahlung einer Quelle (4) für ultraviolette Strahlung gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienbahn (5) von oben oder mindestens von schräg oben zum Prägezylinder (1) geführt wird, so dass sich ein Teil des Lacks der noch nicht gehärteten Lackschicht (6) in Beförderungsrichtung (7) unmittelbar vor der Stelle aufstaut, an der die Lackschicht (6) den Prägezylinder (1) berührt, wodurch sich eine größere benetzte Fläche auf der Oberfläche des Prägezylinders (1) ergibt, wobei Ursache für die größere benetzte Fläche auf der Oberfläche des Prägezylinders ist, dass die Gravitationskraft die Lackschicht zusätzlich zur Bewegungsrichtung der Folienbahn zu der Stelle führt, an der die Folienbahn den Prägezylinder berührt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienbahn (5) durch eine Umlenkwalze (3) umgelenkt und auf den Prägezylinder (1) geführt wird, wobei die Umlenkwalze (3) in Beförderungsrichtung (7) vor dem Presseur (2) angeordnet wird.
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