EP3436271B1

EP3436271B1 - Druckmaschine mit einer infrarot-trocknereinheit

Info

Publication number: EP3436271B1
Application number: EP18706251.8A
Authority: EP
Inventors: Lotta Gaab; Larisa Von Riewel
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Excelitas Noblelight GmbH
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2018-02-19
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2038-02-19
Also published as: JP2020508897A; US20200023653A1; JP6882493B2; WO2018188839A1; CN110546005B; KR20190125464A; EP3436271A1; CN110546005A; US10899144B2; DE102017107920A1

Description

Technischer Hintergrund

Die Erfindung betrifft eine Druckmaschine mit einem Druckaggregat zum Aufbringen lösungsmittelhaltiger Druckfarbe auf einem Bedruckstoff, einer Transporteinrichtung zum Transport des Bedruckstoffs von dem Druckaggregat zu einer Trocknereinheit, die mindestens einen Infrarotstrahler zum Trocknen des Bedruckstoffs umfasst.

Stand der Technik

Zum Bedrucken bogenförmiger oder bahnförmiger Bedruckstoffe aus Papier, Pappe, Folie oder Karton mit Druckfarben werden beispielsweise Offset-Druckmaschinen, lithographische Druckmaschinen, Rotationsdruckmaschinen oder Flexo-Druckmaschinen eingesetzt. Typische Inhaltsstoffe von Druckfarben sind Öle, Harze und Bindemittel. Bei UV-härtbaren Druckfarben beruhen Härtung und Haftung auf dem Bedruckstoff auf Polymerisation, die durch Photoinitiation mittels UV-Licht ausgelöst wird. Bei lösungsmittelhaltigen und vor Allem wasserhaltigen Druckfarben und Lacken ist ein Trocknen erforderlich, das sowohl auf physikalischen als auch auf chemischen Trocknungsprozessen beruhen kann. Physikalische Trocknungsprozesse umfassen das Verdunsten von Lösungsmitteln und deren Diffusion in den Bedruckstoff, was auch als "Wegschlagen" bezeichnet wird. Unter chemischer Trocknung wird die Oxidation beziehungsweise Polymerisation von Druckfarben-Inhaltsstoffen verstanden.
Zwischen physikalischer und chemischer Trocknung gibt es Übergänge. So kann beispielsweise das Wegschlagen der Lösungsmittel eine Annäherung monomerer Harzmoleküle bewirken, so dass diese gegebenenfalls einfacher polymerisieren. Trocknungsvorrichtungen zum Trocknen des bedruckten Bedruckstoffs dienen somit zum Entfernen von Lösungsmittel und/oder zum Auslösen von Vernetzungsreaktionen.
Die DE 10 2005 046 230 A1 beschreibt eine Rotationsdruckmaschine mit einem Druckwerk zum Bedrucken eines Druckbogens mit Druckfarbe, einer Lackiereinrichtung zum Aufbringen eines Lackes auf dem bedruckten Druckbogen. Im Bereich des Bogenweges sind dem Druckwerk und der Lackiereinrichtung IR-Strahlung emittierende Trocknungseinrichtungen in Form von Infrarotstrahlern nachgeordnet, die auch als Carbonstrahler ausgeführt sein können.
EP 0 495 770 A1 betrifft einen Infrarotstrahler mit einer Trägerplatte, auf welcher wenigstens eine Leiterbahn aus einem Werkstoff, der durch elektrische Energie Wärme erzeugt, angeordnet ist.

Technische Aufgabenstellung

Bei derartigen Infrarotstrahlern ist ein Heizfilament aus Carbon oder Wolfram in Wendel- oder Bandform in ein inertgasgefülltes Strahlerrohr eingeschlossen, das meist aus Quarzglas gefertigt ist. Die Heizfilamente sind mit elektrischen Anschlüssen verbunden, die über ein Ende oder beiden Enden des Strahlerrohres eingeführt werden.
Die Heizfilamente selbst haben zwar eine sehr geringe thermische Masse und damit eine schnelle Reaktionszeit im Bereich von 1 bis 2 Sekunden. Bis jedoch das gesamte IR-Trocknersystem aus Quarzrohr, Filament, elektrische Anschlüssen und einem Reflektor im thermischen Gleichgewicht ist, können mehrere Minuten vergehen.
Da der Bedruckstoff in modernen Rotationsdruckmaschinen mit einer Bahngeschwindigkeit von 3 bis 5 m/s läuft und diese Geschwindigkeit zu Beginn bereits vorhanden ist, können bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts bis zu 1500 m Bedruckstoff verloren gehen. Bei wechselnden individuellen Bedruckprozessen entstehen diese Verluste bei jedem Druckvorgang neu.
Je höher die elektrische Leistung der Quarzrohrstrahler ist, umso schneller erreichen sie die Temperatur des IR-Trocknersystems. Die Erhöhung der Leistung erhöht aber nicht nur die vom Infrarotstrahler abgestrahlte Energiemenge, was zu einer Überhitzung des Bedruckstoffs führen kann, sondern sie verändert auch die Hauptwellenlänge der abgegebenen Strahlung, die sich in Richtung des kurzwelligen Spektralbereichs verschiebt.
Bei wasserbasierten Druckfarben ist es wünschenswert, dass die Emissions-Hauptwellenlänge der Infrarotstrahler zur Absorptionscharakteristik des Wassers passt, also bei etwa 2,75 µm liegt. Die bisherigen kommerziellen Infrarotstrahler weisen daher entweder ein daran angepasstes Emissionsspektrum auf; dann haben sie aber eine geringe elektrische Leistung und benötigen für eine hinreichend große Strahlungsleistung eine vergleichsweise große Abstrahlungsfläche und dementsprechend eine große Wärmekapazität, welche wiederum vergleichsweise lange Aufheiz- und Abkühlzeiten des Infrarotstrahlers und somit Reaktionsträgheit der Trocknereinheit bedingt. Oder die Infrarotstrahler haben eine hohe elektrische Leistung und eine geringe Reaktionsträgheit; dann ist ihr Emissionsspektrum aber nicht optimal an die Absorptionscharakteristik des Wassers angepasst.
Häufig bilden mehrere nebeneinander liegende Infrarot-Strahlerrohre einen Flächenstrahler. Um dabei eine homogene Abstrahlung auf dem Bedruckstoff zu erhalten, sollte der Abstand zwischen dem Flächenstrahler und dem Bedruckstoff mindestens dem 1,5-fachen Mittenabstand zwischen den Einzel-Strahlerrohren betragen, wenn die Strahlerrohr-Längsachsen in Transportrichtung des Bedruckstoffs ausgerichtet sind. Dieser vergleichsweise hohe Mindestabstand zwischen Flächenstrahler und Bedruckstoff führt zu einer geringen effektiven Strahlungsintensität auf der Bedruckstoff-Ebene, was die Reaktionszeit verlängert, innerhalb der die erforderliche Strahlungsleistung auf dem Bedruckstoff aufgebracht ist.
Eine schnelle Reaktionszeit ist aber insbesondere bei Mehrfarbdruck erforderlich, bevor der Bedruckstoff entweder mit der nächsten Farbe bedruckt oder durch einen Lackauftrag veredelt wird oder in der Druckmaschine zum Zwecke des Bedruckens der Rückseite gewendet wird. Denn aufgrund der relativ kurzen Zeit, in denen der Bedruckstoff zwischen den Druckwerken verweilt, muss die erforderliche Strahlungsleistung auf den Bedruckstoff einwirken, ohne das Druckbild durch Überhitzung beschädigt wird.
Darüber hinaus müssen sowohl kurz- als auch mittewellige Infrarotstrahler mit einer Emissionswellenlänge im Bereich von etwa 1000- 2750 nm insbesondere in engen Bauräumen, wie sie für Druckmaschine typisch sind, aktiv gekühlt werden, um sie vor Überhitzung zu schützen. Häufig wird dafür ein Kühlluftstrom erzeugt, der die Infrarotstrahler direkt anbläst. Es hat sich aber gezeigt, dass sich am Infrarotstrahler vorbeiströmende Kühlluft mit warmer Prozessluft, die unter anderem dem Abtransport von Feuchtigkeit dient interagiert und dadurch die Temperatur am Bedruckstoff verändert und den Abtransport von Feuchtigkeit vermindert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Druckmaschine mit einer Trocknereinrichtung bereitzustellen, die für die Trocknung lösungsmittelhaltiger und insbesondere wasserbasierter Druckfarbe hinsichtlich Homogenität und Schnelligkeit der Trocknung verbessert ist und bei der die Trocknereinheit ohne aktive Kühlung des Infrarotstrahlers auskommt.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Infrarotstrahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Infrarotstrahler als flächiges Heizelement aus einem dielektrischen und bei Erwärmung Infrarotstrahlung emittierenden Heizelement-Werkstoff ausgebildet ist, das eine dem zu trocknenden Bedruckstoff zugewandte Heizfläche und eine Kontaktierungsfläche aufweist, auf der eine Heizleiter-Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden, edelmetallhaltigen Widerstandsmaterial aufgebracht ist, die mit einer elektrische Kontaktierung zu einer einstellbaren Stromquelle verbunden ist.
Bei der erfindungsgemäßen Druckmaschine umfasst die Infrarot-Trocknereinheit mindestens ein Heizelement, das eine dem zu trocknenden Bedruckstoff zugewandte Heizfläche aufweist. Die Heizfläche emittiert Infrarotstrahlung in Richtung auf den Bedruckstoff. Sie ist flächig und im einfachsten Fall eben ausgeführt, sie kann aber auch eine Struktur und eine von der Planheit abweichende flächige geometrische Form aufweisen. Die Ebenheit der Heizfläche ergibt ein gleichermaßen ebenes Strahlungsfeld und ermöglich das Einstellen eines kurzen Abstandes zwischen Bedruckstoff und Heizelement. Dies trägt zur Homogenität und Schnelligkeit der Trocknung bei; wie weiter unten noch näher erläutert.
Das Heizelement besteht mindestens teilweise aus einem dielektrischen Werkstoff. Dieser ist elektrisch nicht leitend und daher nicht ohne weiteres durch direkten Stromdurchfluss, sondern durch Wärmeleitung über die Leiterbahn des Heizleiters erwärmbar. Die Leiterbahn dient somit unmittelbar zur Erwärmung des Heizelements. Infolge der Erwärmung emittiert der Heizelement-Werkstoff Infrarotstrahlung im mittelwelligen Wellenlängenbereich, der möglichst gut mit der Absorptionscharakteristik von Wasser übereinstimmt.
Das Heizelement bildet das eigentliche, Infrarotstrahlung emittierende Element. Es kann mehrschichtig ausgeführt sein, es ist aber bevorzugt vollständig aus dem dielektrischen Heizelement-Werkstoff gefertigt. Wesentlich ist, dass die mit Leiterbahn belegten Oberflächenbereiche aus elektrisch isolierendem Werkstoff bestehen, um Überschläge und Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leiterbahn-Abschnitten zuverlässig zu verhindern.
Die Kontaktierung des Heizelements mit dem Heizleiter erfolgt beispielsweise über eine der Heizfläche gegenüberliegende Kontaktierungsfläche. Diese ist in direktem Kontakt oder in mittelbarem Kontakt - über eine elektrisch isolierende und wärmeleitende Zwischenschicht - mit der Leiterbahn aus einem Widerstandsmaterial.
Das Widerstandsmaterial ist infrarotfähig in dem Sinne, dass es bis mindestens 1000 °C temperaturbeständig ist, im Idealfall auch in oxidativer Umgebung, dass es elektrisch leitfähig ist, und dass sich seine elektrische Leitfähigkeit mit der Temperatur nicht wesentlich verändert oder die Widerstandsänderung bekannt ist. Diese Bedingungen werden insbesondere erfüllt:

(1) von einem edelmetallhaltigen Widerstandsmaterial. Das in dieser Hinsicht bevorzugte Widerstandsmaterial besteht zu mindestens 50 Atom-%, vorzugsweise zu mindestens 95 At.-% aus Elementen der Platingruppe. Die Platingruppe umfasst die folgenden Edelmetalle: Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt. Diese liegen in reiner Form oder als Legierung untereinander oder mit einem oder mehreren anderen Metallen vor, insbesondere mit Au, Ag.
(2) von Widerstandsmaterial aus hochtemperaturfestem Stahl, Tantal, einer ferritischen FeCrAl-Legierung, einer austenitischen CrFeNi-Legierung, Siliziumcarbid, Molybdändisilicid oder einer Molybdän-Basislegierung. Dieses Werkstoffe, insbesondere Siliziumcarbid (SiC), Molybdändisilicid (MoSi₂), Tantal (Ta), hochwarmfester Stahl oder eine ferritische FeCrAl-Legierung wie Kanthal® (Kanthal® ist eine eingetragene Marke der SANDVIK INTELLECTUAL PROPERTY AB, 811 81 Sandviken, SE) sind an Luft oxidationsbeständig und kostengünstiger als Platingruppenmetalle.

Die Leiterbahn wird bevorzugt als Dickfilmschicht beispielsweise aus Widerstandspaste mittels Siebdruck oder aus metallhaltiger Tinte mittels Tintenstrahldruck erzeugt und anschließend bei hoher Temperatur eingebrannt. Die Leiterbahn verläuft beispielsweise in einem spiral- oder mäanderförmigen Linienmuster. Das hohe Absorptionsvermögen des Heizelement-Werkstoffs ermöglicht auch bei vergleichsweise geringer Leiterbahn-Belegungsdichte der Heizfläche eine homogene Abstrahlung. Eine geringe Belegungsdichte ist dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Abstand zwischen benachbarten Leiterbahn-Abschnitten 1 mm oder mehr, bevorzugt 2 mm oder mehr beträgt. Ein großer Abstand zwischen den Leiterbahnabschnitten vermeidet Überschläge, die insbesondere beim Betrieb mit hohen Spannungen unter Vakuum auftreten können. Die Leiterbahn kann mindestens teilweise mit einer Deckschicht aus einem elektrisch isolierenden und/oder optisch streuenden Werkstoff überzogen sein. Die Deckschicht dient als Reflektor und/oder zum mechanischen Schutz und zur Stabilisierung der Leiterbahn.
Die Heizleiter-Leiterbahn ist mit einer elektrischen Kontaktierung verbunden, über das sie mit einem Stromkreis verbindbar ist. Vorzugsweise ist die elektrische Kontaktierung über die elektrische Kontaktierung lösbar mit einem Stromkreis verbindbar, beispielsweise über eine Steck-, Schraub- oder Klemmverbindung.
Die flächige Form des Heizelements und die Infrarot-Emission ermöglichen eine flächig-homogene Abstrahlung von Infrarotstrahlung und damit einhergehend eine Reduzierung des Abstandes zwischen dem Bedruckstoff und dem Heizelement. Dadurch gelingt es, eine höhere Strahlungsleistung pro Flächeneinheit bereitzustellen und auch bei dünnen Heizelement -Wandstärken und/oder bei einer vergleichsweise geringen Leiterbahn-Belegungsdichte eine homogene Abstrahlung und ein gleichförmiges Temperaturfeld zu erzeugen.
Durch die gleichmäßige Abstrahlung und hohe Emissivität kann der Abstand zwischen Bedruckstoff und Heizelement gering ausfallen, wodurch die Bestrahlungs-intensität erhöht und die Effizienz entsprechend zunimmt. Der Abstand ist bevorzugt kleiner als 15 mm.
Der geringe Abstand ermöglicht hohe Leistungsdichten von mehr als 100 kW/m² und sogar mehr 200 kW/m² auf dem Bedruckstoff und führt zu einer Verringerung der Makulatur in modernen Hochleistungs-Druckmaschinen. Bevorzugt ist das Heizelement zur Erzielung einer Leistungsdichte oberhalb von 180 kW/m², vorzugsweise zur Erzielung einer Leistungsdichte im Bereich von 180 kW/m² bis 265 kW/m², ausgelegt. Die Flächenleistung ist dabei definiert als die elektrische Anschlussleistung der Leiterbahn bezogen auf die von der Leiterbahn belegte Basiskörper-Fläche.
Durch erzwungene Strömung warmer Prozessluft wird die Temperatur auf dem Bedruckstoff reguliert und Feuchtigkeit abtransportiert. Der Abtransport von Feuchtigkeit hängt vom Aufnahmevermögen der Prozessluft (maßgeblich bestimmt durch die Temperatur) und deren Einwirkungsgrad auf den Bedruckstoff (maßgeblich bestimmt durch Strömungseigenschaften) ab. Dünne Heizelemente haben eine geringe Wärmekapazität und ermöglichen schnelle Temperaturwechsel. Eine aktive Kühlung mittels am Infrarotstrahler vorbeiströmender Kühlluft ist daher nicht erforderlich. Dadurch werden bei Einsatz der erfindungsgemäßen Druckmaschine Interaktionen mit der warmen Prozessluft vermieden, die sich auf deren Temperatur und Strömungsverhalten auswirken und die die Temperatur des Bedruckstoffs und der warmen Prozessluft verringern und so den Abtransport von Feuchtigkeit verlangsamen würden.
Im Hinblick auf eine möglichst kurze Reaktionszeit ist die erfindungsgemäße Druckmaschine daher vorzugsweise mit einem plattenförmigen Heizelement mit einer Plattendicke von weniger als 10 mm ausgestattet. Die Transporteinrichtung weist eine maximale Formatbreite für den Transport des Bedruckstoffs auf, wobei im bevorzugten Fall das Heizelement zur Bestrahlung über die gesamte Formatbreite aus mehreren Heizelement-Teilstücken besteht, die unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind.
Die Heizelement-Teilstücke überspannen hierbei die maximal mögliche Formatbreite der Druckmaschine. Sie sind beispielsweise stoßförmig aneinandergesetzt. Dadurch, dass sie getrennt voneinander schalt- und regelbar sind, können je nach Bedarf einzelne Heizelemente zu- oder abgeschaltet werden. Durch zusätzliche thermische Trennung kann ein Wärmeverlust durch Wärmeleitung von dem oder den eingeschalteten Heizelementen auf das oder die nicht eingeschalteten Heizelemente vermindert werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Heizelement-Werkstoff eine amorphe Matrixkomponente sowie eine Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials umfasst.
Der amorphe Werkstoff, wie etwa Quarzglas, kann einfach an die für den Anwendungsfall geeignete geometrische Gestalt gebracht werden, also beispielsweise in Form ebener, gebogener oder gewellter Platten. Die darin eingelagerte Zusatzkomponente bildet eine eigene amorphe oder kristalline Phase aus Halbleitermaterial, wie etwa aus Silizium. Der Energieunterschied zwischen Valenzband und Leitungsband (Bandlückenenergie) nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Andererseits können bei ausreichend hoher Aktivierungsenergie Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband gehoben werden, was mit einem deutlichen Anstieg des Absorptionskoeffizienten einhergeht. Die thermisch aktivierte Besetzung des Leitungsbandes führt dazu, dass das Halbleitermaterial bei Raumtemperatur für bestimmte Wellenlängen (wie etwa ab 1000 nm) in gewissem Umfang transparent sein kann und bei hohen Temperaturen undurchsichtig wird. Mit steigender Temperatur des Heizelement-Werkstoffs können daher Absorption und Emissionsgrad zunehmen. Dieser Effekt hängt unter anderem von Struktur (amorph/kristallin) und Dotierung des Halbleiters ab. Reines Silizium zeigt beispielsweise ab etwa 600 °C eine merkliche Emissionszunahme, die etwa ab etwa 1000 °C eine Sättigung erreicht.
Sofern das Halbleitermaterial hinreichend erwärmt wird, kann es daher einen energiereichen, angeregten Zustand einnehmen, in dem er Infrarotstrahlung mit hoher Leistungsdichte emittiert. In diesem Zustand bestimmt die halbleitende Zusatzkomponente maßgeblich die optischen und thermischen Eigenschaften des Heizelements; genauer gesagt, sie bewirkt eine Absorption im infraroten Spektralbereich (das heißt, im Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 1 mm) und insbesondere eine Absorption im Wellenlängenbereich um 2750 nm. Mit einem solchen Heizelement sind Leistungsdichten oberhalb von 180 kW/m², vorzugsweise Leistungsdichten im Bereich von 180 kW/m² bis 265 kW/m², erzielbar.
Ein solcher Heizelement-Werkstoff zeigt somit eine Anregungstemperatur, die mindestens erreicht werden muss, um die thermische Anregung des Werkstoffs und damit eine hohe Strahlungsemission zu erhalten. Die Zusatzkomponente führt dann dazu, dass der Heizelement-Werkstoff Infrarotstrahlung emittiert. Der spektrale Emissionsgrad ε_λ lässt sich bei bekannten gerichtet-hemisphärischen spektralen Reflexionsgrad R_gh und Transmissionsgrad T_gh wie folgt berechnen: $ε_{λ} = 1 - R_{gh} - T_{gh}$
Unter dem "spektralen Emissionsgrad" wird der "spektrale normale Emissionsgrad" verstanden. Dieser wird anhand eines Messprinzips ermittelt, das unter der Bezeichnung "Black-Body Boundary Conditions" (BBC) bekannt ist und veröffentlicht ist in "DETERMINING THE TRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES"; J. Manara, M. Keller, D. Kraus, M. Arduini-Schuster; 5th European Thermal-Sciences Conference, The Netherlands (2008).
Die mit der Zusatzkomponente dotierte Matrix hat eine höhere Wärmestrahlungs-Absorption als dies ohne die Zusatzkomponente der Fall wäre. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Anteil von Energieübertragung durch Strahlung von der Leiterbahn in das Heizelement, eine schnellere Verteilung der Wärme und eine höhere Abstrahlungsrate auf den Bedruckstoff. Dadurch gelingt es, eine höhere Strahlungsleistung pro Flächeneinheit bereitzustellen und auch bei dünnen Heizelement-Wandstärken und/oder bei einer vergleichsweise geringen Leiterbahn-Belegungsdichte eine homogene Abstrahlung und ein gleichförmiges Temperaturfeld zu erzeugen.
Im Heizelement-Werkstoff liegt die Zusatzkomponente bevorzugt mindestens zum Teil als elementares Silizium vor und ist in einer Menge eingelagert ist, die im Heizelement-Werkstoff für Wellenlängen zwischen 2 und 8 µm einen spektralen Emissionsgrad ε von mindestens 0,7 bei einer Temperatur von 600 °C und einen spektralen Emissionsgrad ε von mindestens 0,8 bei einer Temperatur von 1000 °C bewirkt.
Das Halbleitermaterial und insbesondere das vorzugsweise eingesetzte, elementare Silizium bewirken daher eine Schwarzfärbung des glasigen Matrix-Werkstoffs und zwar bei Raumtemperatur, aber auch bei erhöhter Temperatur oberhalb von beispielsweise 600 °C. Dadurch wird eine gute Abstrahlungscharakteristik im Sinne einer breitbandigen, hohen Emission bei hohen Temperaturen erreicht. Das Halbleitermaterial bildet dabei eine in der Matrix dispergierte, elementare Halbleiter-Phase. Diese kann mehrere Halbleiterelemente oder Metalle enthalten (Metalle jedoch maximal bis zu 50 Gew.-%, besser nicht mehr als 20 Gew.-%; bezogen auf den Gewichtsanteil der Zusatzkomponente).
Die Wärmeabsorption des Heizelement-Werkstoffs hängt vom Anteil der Zusatzkomponente ab. Im Fall von Silizium sollte der Gewichtsanteil vorzugsweise mindestens 0,1% betragen. Andererseits kann ein hoher Silizium-Anteil die chemischen und mechanischen Eigenschaften der Quarzglas-Matrix beeinträchtigen. Im Hinblick darauf liegt der Gewichtsanteil der Gewichtsanteil der Silizium-Zusatzkomponente bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 und 5 %.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckmaschine umfasst die Trocknereinheit eine Vielzahl von Heizelementen, die in Transportrichtung des Bedruckstoffs hintereinander angeordnet sind.
Dabei ist jeder Trocknereinheit ein Druckaggregat zugeordnet. Die größere Anzahl von Druckaggregaten ermöglicht eine hohe Druckgeschwindigkeit und eine hohe Druckqualität.
Insbesondere bei dieser Ausführungsform der Druckmaschine hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Einrichtung zur Zufuhr von Prozessluft in den Zwischenraum zwischen dem Bedruckstoff und den Heizelementen vorgesehen ist.
Die Prozesslust dient zum Trocknen des Bedruckstoffs und dem Abtransport des aus dem Lösungsmittels der Druckfarbe, also beispielsweise von Wasser. Um eine über die Bahnbreie des Bedruckstoffs gleichmäßige und zeitlich gleichbleibende Trocknung des Bedruckstoffs zu erreichen, wird eine möglichst reproduzierbare, laminare Strömung der Prozessluft angestrebt. Dazu tragen bei der erfindungsgemäßen Druckmaschine die flächige, vorzugsweise plane Heizfläche der Heizelemente und der enge Spalt zwischen den Heizflächen und dem Bedruckstoff bei.
Die erfindungsgemäße Druckmaschine ist für den Rotationsdruck, Offset-Druck, Flachdruck, Hochdruck, Siebdruck oder Tiefdruck einsetzbar. Es hat sich aber insbesondere bewährt, wenn das Druckaggregat einen Tintenstrahldruckkopf umfasst, wobei in Transportrichtung des Bedruckstoffs gesehen der Trocknereinheit mindestens eine mit Antriebsmotor ausgestatte Zugwalze nachgeordnet ist.
Beim Inkjet-Druckverfahren oder Tintenstrahldruckverfahren ist die bilderzeugende Einrichtung als Tintenstrahldruckkopf ausgeführt, der eine oder mehrere Düsen aufweist, mittels denen Tintentropfen auf den Bedruckstoff übertragen werden. Insbesondere bei Einsatz wasserbasierter Tinte kann es vorkommen, dass sich der Bedruckstoff verformt, beispielsweise Wellen schlägt, was zu einer geringen Druckqualität, zu Beschädigungen von Druckkopf und Bedruckstoff und zu einer ungleichmäßigen Trocknung des Bedruckstoffs führen kann. Letzteres macht sich insbesondere bemerkbar, wenn - wie bei der erfindungsgemäßen Druckmaschine einstellbar - der Abstand zwischen dem Bedruckstoff und der Trocknereinheit sehr klein ist. Um dem entgegenzuwirken und um einen möglichst gleichmäßige und reproduzierbare Ebenheit des Bedruckstoffs zu gewährleisten, ist in Transportrichtung des Bedruckstoffs gesehen der Trocknereinheit mindestens eine mit eigenem Antriebsmotor ausgestatte Zugwalze nachgeordnet.
Ist die Zugwalze gleichzeitig als Kühlwalze ausgebildet, kann der der Bedruckstoff im Anschluss an die Trocknereinheit abgekühlt werden, was insbesondere in Anbetracht des potenziell hohen Energieeintrags hilfreich sein kann, um Beschädigungen des Bedruckstoffs zu minimieren.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt im Einzelnen:

Figur 1: einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Druckmaschine mit dem Transportweg für den Bedruckstoff durch ein Druckaggregat und eine Infrarot-Trocknereinheit in schematischer Darstellung,
Figur 2: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelements mit einer Reflektorschicht in schematischer Darstellung und in einer Seitenansicht,
Figur 3: zeigt ein Diagramm zum Anschaltverhalten eines Heizelements der Trocknereinheit,
Figur 4: ein Diagramm mit Emissionsspektren eines kachelförmigen Heizelements im Vergleich zu einem herkömmlichen Infrarotstrahler mit Quarzglas-Hüllrohr und Kanthal® -Wendel,
Figur 5: ein Diagramm zur Verdeutlichung des Bestrahlungsprofils der auf dem Bedruckstoff auftreffenden Infrarotstrahlung bei Einsatz der erfindungsgemäßen Druckmaschine, und
Figur 6: anhand zweier Diagramme (a) und (b) einen Vergleich von Homogenität und Intensität der Bestrahlung von Bedruckstoff mittels kachelförmigem Heizelement und mittels Infrarot-Flächenstrahler nach dem Stand der Technik.

Druckmaschine

Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckmaschine in Form einer Rollen-Tintenstrahldruckmaschine, der insgesamt die Bezugsziffer 1 zugeordnet ist. Ausgehend von einem Abwickler 2 gelangt die Materialbahn 3 aus einem Bedruckstoff, wie beispielsweise aus Papier, zu einem Druckaggregat 40. Dieses umfasst mehrere, entlang der Materialbahn 3 hintereinander angeordnete Tintenstrahldruckköpfe 4, durch die auf den Bedruckstoff lösungsmittelhaltige und insbesondere wasserhaltige Druckfarben aufgetragen werden.
In Transportrichtung 5 gesehen gelangt die Materialbahn 3 vom Druckaggregat 40 über eine Umlenkwalze 6 anschließend zu einer Infrarot-Trocknereinheit 70. Diese ist mit mehreren Infrarot-Heizelementen 7 bestückt, die für das Trocknen beziehungsweise Wegschlagen des Lösungsmittels in die Materialbahn ausgelegt sind.
Der weitere Transportweg der Materialbahn 3 geht über eine Zugwalze 8, die mit eigenem Zugantriebsmotor ausgestattet ist und über die die Einstellung der Bahnspannung erfolgt, zu einer Aufwickelrolle 9.
Jeweils mehrere -im Ausführungsbeispiel sind es acht - Heizelemente 7 sind in einem Heizblock zusammengefasst, der sich über die maximale Formatbreite der Druckmaschine 1 erstreckt. Die einzelnen Heizelemente 7 sind in dem Heizblock dabei stoßweise aneinander gereiht und entsprechend der Abmessungen und Farbbelegung des Bedruckstoffs getrennt voneinander ansteuerbar. Zwischen den einzelnen Heizelementen 7 befindet sich ein elektrischer und thermischer Isolator. Der freie Abstand zwischen der Heizfläche der Heizelemente und der Oberseite der Materialbahn 3 beträgt 10 mm.
Die Transportgeschwindigkeit der Materialbahn 3 wird auf 5 m/s eingestellt. Dabei handelt es sich um eine vergleichsweise hohe Geschwindigkeit, die durch eine Optimierung der einzelnen Bearbeitungsschritte ermöglicht wird, und die insbesondere eine hohe Trocknungsrate erfordert. Die zum Erreichen dieser Anforderung erforderliche Trocknereinheit 70 wird im Folgenden anhand der Figuren 2 bis 5 näher erläutert.
Sofern in anderen Figuren dieselben Bezugsziffern wie in Figur 1 verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand der Beschreibung der erfindungsgemäßen Druckmaschine näher erläutert sind.

Heizelement

Bei der in Figur 2 schematisch gezeigten Ausführungsform eines Heizelements 7 handelt es sich um einen Infrarotstrahler mit kachelförmigem Basiskörper 20 mit planer Abstrahlfläche (Unterseite 26) und ebenso planer Oberseite 25. Auf der Basiskörper-Oberseite 25 ist eine Leiterbahn 23 aufgebracht, die wiederum in eine Reflektorschicht 24 eingebettet ist.
Der Basiskörper 20 hat Rechteckform mit einer Plattenstärke von 2,0 mm und seitlichen Abmessungen von 10 cm x 20 cm. Es besteht aus einem Kompositwerkstoff mit einer Matrix aus Quarzglas, in der Phasenbereiche aus elementarem Silizium homogen verteilt sind. Der Gewichtsanteil dieser Si-Phase beträgt 2,5% und die maximalen Abmessungen der Si-Phasenbereiche liegen im Mittel (Medianwert) im Bereich von etwa 1 bis 10 µm. Der Kompositwerkstoff ist gasdicht, er hat eine Dichte von 2,19 g/cm³ und er ist an Luft bis zu einer Temperatur von etwa 1200 °C stabil. Er zeigt bei hoher Temperatur eine hohe Absorption von Wärmestrahlung und einen hohen Emissionsgrad.
Die Leiterbahn 23 wird aus einer Platin-Widerstandspaste auf der Oberseite 25 des Basiskörpers 20 erzeugt. An beiden Enden sind Leitungen oder Klemmen zum Einspeisen elektrischer Energie angeschweißt. Die Leiterbahn 23 zeigt einen mäanderförmigen Verlauf, der eine Heizfläche des Basiskörpers 20 so dicht bedeckt, dass zwischen benachbarten Leiterbahnabschnitten ein gleichmäßiger Abstand von 2 mm verbleibt. Im gezeigten Querschnitt hat die Leiterbahn 23 Rechteckprofil mit einer Breite von 1 mm und einer Dicke von 20 µm. Infolge der geringen Dicke ist der Materialanteil des teueren Leiterbahn-Werkstoffs (Platin) am Infrarotstrahler im Vergleich zu dessen Effizienz gering. Die Leiterbahn 23 hat direkten Kontakt mit der Oberseite 25 des Basiskörpers 20, so dass eine größtmögliche Wärmeübertragung in den Basiskörper 20 erreicht wird. Die gegenüberliegende Unterseite 26 dient beim Einsatz des Infrarotstrahlers als Abstrahlfläche für die Wärmestrahlung. Die Abstrahlrichtung wird vom Richtungspfeil 27 angezeigt.
Die Reflektorschicht 24 besteht aus opakem Quarzglas und hat eine mittlere Schichtdicke zwischen 1,0-1,5 mm. Sie zeichnet sich durch Rissfreiheit und eine hohe Dichte von etwa 2,15 g/cm3 aus und sie ist bis Temperaturen oberhalb von 1100 °C thermisch beständig. Die Reflektorschicht 24 bedeckt den gesamten Heizbereich des Basiskörpers 20 und sie bedeckt die Leiterbahn 23 vollständig und schirmt sie somit vor chemischen oder mechanischen Einflüssen aus der Umgebung ab.

Messung des Anschaltverhaltens

Eine schnelle Reaktionszeit der Trocknereinheit 70 nach dem Einschalten der Druckmaschine ist Voraussetzung für eine geringe Makulatur beim Druckprozess. Das Diagramm von Figur 3 zeigt den zeitlichen Temperaturverlauf nach dem Anschalten des anhand Figur 2 beschriebenen Heizelements 7. Auf der y-Achse ist eine Temperatur T_rel (in %) normiert auf eine Maximaltemperatur, die sich im Betrieb mit maximaler elektrischer Anschlussleistung einstellt, gegen die Einschaltdauer t in Sekunden aufgetragen. T_rel wird dabei in einem Anstand von 5 mm von der Heizfläche mittels eines Thermopile-Messsensors gemessen.
Bei Anlegen der maximalen elektrischen Anschlussleistung von bis zu 200 kW/m² an die Leiterbahn 23 stellt sich im Vergleich zu konventionellen mittelwelligen Infrarotstrahlern nach kurzer Zeit die Maximaltemperatur ein, die auch im weiteren Heizprozess im Wesentlichen konstant bleibt. Die im Vergleich zu konventionellen mittelwelligen Infrarotstrahlern kurze Reaktionszeit reduziert die Makulatur. Außerdem erübrigt sich bei der erfindungsgemäßen Druckmaschine 1 die Implementierung einer Luftkühlung für die Heizelemente 7. Dies erhöht die Prozesseffizienz, da kalte Kühlluft die Temperatur des Bedruckstoffs 3 verringert und den Abtransport von Feuchtigkeit behindert. Die Kombination aus ungekühlten Heizelementen 7 und warmer konvektiver Prozessluft zum Feuchtigkeitstransport optimiert den Druckprozess in modernen Hochleistungsdruckmaschinen.

Messung des Emissionsgrades

Der Kompositwerkstoff zeigt bei hoher Temperatur eine hohe Absorption von Wärmestrahlung und einen hohen Emissionsgrad. Bei Raumtemperatur wird der Emissionsgrad des Kompositwerkstoffs unter Einsatz einer Ulbrichtkugel gemessen. Diese erlaubt die Messung des gerichtet-hemisphärischen spektralen Reflexionsgrades R_gh und des gerichtet-hemisphärischen spektralen Transmissionsgrades T_gh, woraus der normale spektrale Emissionsgrad berechnet wird. Die Messung des Emissionsgrades bei erhöhter Temperatur erfolgt im Wellenlängenbereich von 2 bis 18 µm mittels eines FTIR-Spektrometers (Bruker IFS 66v FTIR), an das über eine Zusatzoptik eine BBC-Probenkammer angekoppelt wird, anhand des oben genannten BBC-Messprinzips. Die Probenkammer verfügt dabei in den Halbräumen vor und hinter der Probenhalterung über temperierbare Schwarzkörperumgebungen und eine Strahlausgangsöffnung mit Detektor. Die Messproben mit einer Dicke von 2 mm werden d in einem separaten Ofen auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt und zur Messung in den Strahlengang der Probenkammer mit den auf vorgegebene Temperatur eingestellten Schwarzkörperumgebungen verbracht. Die vom Detektor erfasste Intensität setzt sich aus einem Emissions-, einem Reflexions- und einem Transmissionsanteil zusammen, nämlich aus Intensität, die von der Probe selbst emittiert wird, Intensität, die vom vorderen Halbraum auf die Probe fällt und von dieser reflektiert wird, sowie Intensität, die vom hinteren Halbraum auf die Probe fällt und von dieser transmittiert wird. Zur Ermittlung der einzelnen Größen Emissions-, Reflexions- und Transmissionsgrad müssen drei Messungen durchgeführt werden.
Der am Kompositwerkstoff gemessene Emissionsgrad im Wellenlängenbereich von 2 bis etwa 4 µm hängt von der Temperatur ab. Je höher die Temperatur ist, umso höher ist die Emission. Bei 600 °C liegt der normale Emissionsgrad im Wellenlängenbereich von 2 bis 4 µm oberhalb von 0,7. Bei 1000 °C liegt der normale Emissionsgrad im gesamten Wellenlängenbereich zwischen 2 und 8 µm oberhalb von 0,8.
Figur 4 zeigt das Emissionsspektrum des Heizelements 7 (Kurve A) im Vergleich zu dem Emissionsspektrum eines herkömmlichen Infrarotstrahlers mit Quarzglas-Hüllrohr und Heizwendel aus Kanthal® (Kurve B) bei gleicher Leistung. Auf der linken y-Achse ist die emittierte Leistung P_rel (als auf den Maximalwert bezogener Relativwert in %) aufgetragen und auf der x-Achse die Wellenlänge λ (in nm). Außerdem ist in das Diagramm das Transmissionsspektrum von Wasser eingetragen (Kurve C), wobei die rechte y-Achse einen Relativwert T_H2O angibt.
Die Temperatur der Leiterbahn 23 auf dem Basiskörper 20 wird auf 1000°C eingestellt. Der Vergleichsstrahler mit einer Kanthal®-Wendel wird ebenfalls bei einer Temperatur von etwa 1000°C betrieben. Es zeigt sich, dass das kachelförmige Heizelement 7 im Wellenlängenbereich 1.500 nm bis etwa 2.000 nm ein Emissionsmaximum aufweist, dass zum Transmissionsmaximum von Wasser bei 2750 nm besser passt, als der Emissionsverlauf des Standard-Strahlers. Daraus ergibt sich bei gleicher elektrischer Leistung und gleichem Abstand eine um etwa 25 % höhere Leistungsdichte auf dem Bedruckstoff 3 im Vergleich zum Standard-Infrarotstrahler.

Messung der räumlichen Homogenität der emittierten Strahlung

Die Prüfung der räumlichen Homogenität der emittierten Strahlung erfolgt nach der IEC 62798 (2014). Dazu wird der Infrarot-Flächenstrahler in eine Prüfvorrichtung eingebaut und auf einem verfahrbaren Tisch montiert. In einem vorgegebenen Arbeitsabstand von 10 mm zur Abstrahlfläche des Infrarotstrahlers wird die optische Leistung mittels eines thermoelektrischen Detektors erfasst. Die Bestrahlungsstärke wird an mehreren Messstellen in Schritten von 5 mm ermittelt. Als ausreichend homogen wird die Bestrahlungsstärke definiert, wenn sie an 10 Messstellen um die Probenmitte um nicht mehr als +/- 5% von dem dabei gemessen Maximalwert abweicht. Diese Art der Messung wird im Folgenden auch als "Axialmessung" bezeichnet,
Das Diagramm von Figur 5 veranschaulicht das Ergebnis von Axialmessungen bei Einsatz des kachelförmigen Heizelements 7. Auf der y-Achse ist eine normierte optische Leistung L (in %) aufgetragen, und auf der x-Achse der laterale Abstand A (in mm) von einer durch den Achsen-Nullpunkt verlaufenden Mittellinie, die sich auf die laterale Abmessung des Heizelements 7 bezieht.
Das laterale Profil der optischen Leistung ist in einem Arbeitsabstand von 10 mm , gemessen. Dieses liegt über einen größeren Bereich um die Mittellinie vergleichsweise homogen bei nahe 100 %. Dies zeigt sich darin, dass in einem Arbeitsbereich mit mehr als 10 Messpunkten um die Mittellinie die optische Leistung nicht unter 95 % gegenüber dem Maximalwert (100 %) abfällt.
Die Diagramme (a) und (b) von Figur 6 veranschaulichen schematisch den Zusammenhang zwischen Bestrahlungs-Homogenität beziehungsweise - Intensität und dem Abstand zwischen Strahler und Bedruckstoff sowie diesbezügliche Unterschiede zwischen einem aus mehreren Einzelstrahlern zusammengesetzten Infrarot-Flächenstrahler (Diagramm (a)) und dem kachelförmigen Heizelement 7 zum Einsatz in der Druckmaschine 1gemäß der Erfindung (Diagramm (b)). Auf der Ordinate der Diagramme (a) und (b) ist dabei in relativen Einheiten jeweils die Homogenität "H" beziehungsweise die auf dem Heizgut auftreffende Strahlungs-Intensität "I" gegen den Abstand "A" (ebenfalls in relativer Einheit) zwischen Strahler und Bedruckstoff aufgetragen. Der Flächenstrahler 71 in Diagramm (a) wird von mehreren, nebeneinander angeordneten mittel- oder kurzwelligen Heizstrahlern repräsentiert, deren Hüllrohre durch drei Kreise angedeutet sind. Das kachelförmige Heizelement 7 der erfindungsgemäßen Druckmaschine ist in Diagramm (b) durch ein schraffiertes Rechteck angedeutet. Das kachelförmige Heizelement 7 und die flächenförmige Anordnung 71 der Carbonstrahler haben dabei die gleiche elektrische Anschlussleistung.
Der Verlauf der Homogenität H mit dem Abstand A ist jeweils durch die gestrichelte Kurvenlinie H, und der Verlauf der Intensität I durch die durchgezogene Kurvenlinie angezeigt. Demnach nimmt sowohl beim Standard-Flächenstrahler 71 als auch beim kachelförmigen Heizelement 7 die Bestrahlungs-Intensität I mit dem Abstand A in etwa gleichem Maße ab, jedoch ist die Homogenität der Bestrahlung beim Heizelement 7 weitgehend unabhängig vom Abstand A, wohingegen sie beim Standard-Infrarot-Flächenstrahler 71 bei kurzem Abstand gering ist.
Die grau-schraffierte Fläche definiert schematisch einen "Arbeitsbereich", in dem eine akzeptable Bestrahlungs-Homogenität auf dem Bedruckstoff gegeben ist. Es wird deutlich, dass diese Homogenität beim Standard-Infrarot-Flächenstrahler 71 zwar durch Einhaltung eines gewissen Abstandes erreichbar ist, dafür aber eine nennenswerte Einbuße an Bestrahlungs-Intensität in Kauf genommen werden muss. Im Unterscheid dazu ermöglicht das kachelförmige Heizelement 7 eine ausreichend hohe Homogenität auch bei sehr geringen Abständen, bei denen gleichzeitig auch die Intensität der Strahlung hoch ist. Somit ist die Effizienz des Heizelements 7 1 gegenüber dem Flächenstrahler 71 aus Carbon-Einzelstrahlern - wesentlich verbessert.

Claims

Druckmaschine mit einem Druckaggregat zum Aufbringen lösungsmittelhaltiger Druckfarbe auf einem Bedruckstoff, einer Transporteinrichtung zum Transport des Bedruckstoffs von dem Druckaggregat zu einer Trocknereinheit, die mindestens einen Infrarotstrahler zum Trocknen des Bedruckstoffs umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotstrahler als flächiges Heizelement aus einem dielektrischen und bei Erwärmung Infrarotstrahlung emittierenden Heizelement-Werkstoff ausgebildet ist, das eine dem zu trocknenden Bedruckstoff zugewandte Heizfläche und eine Kontaktierungsfläche aufweist, auf der eine Heizleiter-Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden edelmetallhaltigen Widerstandsmaterial aufgebracht ist, die mit einer elektrische Kontaktierung zu einer einstellbaren Stromquelle verbunden ist.
Druckmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement plattenförmig mit einer Plattendicke von weniger als 10 mm ausgebildet ist.
Druckmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung eine maximale Formatbreite für den Transport des Bedruckstoffs aufweist, und dass das Heizelement zur Bestrahlung über die Formatbreite aus mehreren Heizelement-Teilstücken besteht, die unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind.
Druckmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizelement-Werkstoff eine amorphe Matrixkomponente sowie eine Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials umfasst.
Druckmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknereinheit eine Vielzahl von Heizelementen umfasst, die in Transportrichtung des Bedruckstoffs hintereinander angeordnet sind.
Druckmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Zufuhr von Prozessluft in den Zwischenraum zwischen dem Bedruckstoff und den Heizelementen vorgesehen ist.
Druckmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckaggregat einen Tintenstrahldruckkopf umfasst und dass in Transportrichtung des Bedruckstoffs gesehen der Trocknereinheit mindestens eine mit Antriebsmotor ausgestatte Zugwalze nachgeordnet ist.
Druckmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugwalze als eine Kühlwalze ausgebildet ist.
Druckmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement zur Erzielung einer Leistungsdichte oberhalb von 180 kW/m² ausgelegt ist.
Druckmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement zur Erzielung einer Leistungsdichte im Bereich von 180 kW/m² bis 265 kW/m² ausgelegt ist.