OPTISURF – Optimale Benetzung im Inkjet-Druck
Ermittlung der Zusammenhänge zwischen den Oberflächeneigenschaften von Tinte und Substrat und dem Benetzungsverhalten und dessen Auswirkung auf den Inkjet-Druckprozess
Die Benetzbarkeit ist für das Bedrucken von unterschiedlichsten Materialien wie Glas, Holz, Kunststoff oder Metall von größter Bedeutung. Um diese zu verbessern, müssen die Oberflächen vorbehandelt werden. In der Regel wird dabei die Oberflächenspannung des Substrats erhöht. Allerdings zeigen die Erfahrungen, dass das häufig nicht zu den angestrebten Ergebnissen führt, weil die dispersen und polaren Anteile der Oberflächenspannung der beteiligten Materialien nicht aufeinander abgestimmt sind. Ziel des beantragten Projekts ist es deshalb zu untersuchen, wie sich die Oberflächeneigenschaften von Substrat und Tinte auf das Benetzungsverhalten und in Folge auf die erreichbare Druckqualität im Inkjet-Druck auswirken und eine neue Methode zur Bestimmung von Vorbehandlungsparametern für im UV-Inkjet zu bedruckende nichtsaugende Substrate zu entwickeln.
Ziel des Forschungsprojektes
Ziel des Projekts war es deshalb zu untersuchen, wie sich die Oberflächeneigenschaften von Substrat und Tinte auf das Benetzungsverhalten und in Folge auf die erreichbare Druckqualität im Inkjet-Druck auswirken und eine neue Methode zur Bestimmung von Vorbehandlungsparametern zu entwickeln.
Gezielte Modifikation von Tinte und Substrat
Die Untersuchungen wurden mit Substraten und Inkjet-Tinten durchgeführt, deren Oberflächeneigenschaften gezielt variiert wurden.
Als Substrate wurden Kunststoffe, Metalle, Gläser sowie Papier untersucht. Deren Oberflächeneigenschaften wurden sowohl in ihrem Ausgangszustand als auch nach der Vorbehandlung mittels Atmosphären-Plasma und Beflammung (Kunststoffe und Metalle) bzw. nach Beschichtung mit geeigneten Primern (Gläser) charakterisiert.
Die beiden verwendeten UV-Inkjet-Tinten wurden durch Zugabe eines Additivs auf definiert abgestufte Oberflächenspannung eingestellt. Für die Papiersubstrate wurde zusätzlich eine wasserbasierte Inkjet-Tinte getestet.
Für die verschiedenen Kombinationen wurde die Benetzung mithilfe von Wetting Envelopes (Bestimmung der polaren und dispersen Anteile der Oberflächenspannung) vorausberechnet und in Versuchen zur Tropfenbildung und -ausbreitung verifiziert. Dabei wurde zusätzlich der Einfluss von Einstellparametern am Druckkopf untersucht. Es wurde gezeigt, dass sowohl die Oberflächenspannung der Tinte als auch die Treiberspannung der Piezoelemente dem Tropfenausstoß und -flug beeinflussen. Insbesondere die Ausbildung des Tropfenschweifes und von Satelliten wird entscheidend durch die Piezospannung verursacht. Dagegen hat die Tintentemperatur – und damit die Viskosität in den geringen Grenzen, die überhaupt eine Tropfenbildung zulassen – nur einen minimalen Einfluss.
Mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera wurde die Tropfenausbreitung untersucht. Bei den Betrachtungen wurden 2 Phasen, das Setzen und das Spreiten des Tropfens unterschieden. Die sich auch den Vorbehandlungen ergebenden unterschiedlichen Oberflächenspannungen der Substrate wirkten sich insbesondere bei den Kunststoffen und Gläsern wie erwartet auf das Spreiten aus. Gestört wird die Tropfenausbreitung dagegen durch kleinste Unebenheiten des Substrats oder das Verdunsten der Tinte am Tropfenrand. Bei den Papiersubstraten wird die Tropfenausbreitung durch die Penetration der Tinte in das Substrat dominiert.
Zur Bewertung der Farbwiedergabe und damit der Druckqualität wurde die Konturenschärfe von gedruckten Strukturen und die erreichte Farbintensität in der Fläche gemessen und den messbaren Oberflächeneigenschaften gegenübergestellt.
Dabei wurden als Einflussfaktoren sowohl die Additivkonzentration und damit die Oberflächenspannung der Tinten als auch die Vorbehandlungen und damit die Oberflächeneigenschaften der Substrate identifiziert.
Ein geeignetes Prozessfenster, in dem die optimale Benetzung eines nicht saugenden Substrats durch die Tinte erfolgt, wurde in einem Bereich ermittelt, der in dem eine möglichst geringe Differenz der polaren und dispersen Terme der Oberflächenspannungen der jeweils miteinander kombinierten Tinten und Substrate vorliegt.
Das stellt relativ hohe Anforderungen an die angewandte Messtechnik, da in der Praxis oft mit Tinten oder Stiften zur Bestimmung der Oberflächenspannung gearbeitet wird, bei denen der polare und disperse Anteil der Substrate nicht differenziert werden können. Die Ergebnisse zeigen aber, dass die getrennte Betrachtung der Terme unerlässlich ist, um eine sichere Vorhersage zur Benetzung durchführen zu können. Es ist bekannt, dass durch die üblichen Vorbehandlungsmethoden überwiegend der polare Anteil der Oberflächenspannung des Substrats erhöht wird. Dieses Vorgehen kann nur erfolgreich sein, wenn die Tinte ebenfalls einen hohen polaren Anteil der Oberflächenspannung aufweist. Ist die Oberflächenspannung der Tinte durch einen hohen dispersen Anteil charakterisiert, wird die Erhöhung des polaren Anteils der Oberflächenspannung des Substrats nicht zwingend zu einer Verbesserung der Benetzungseigenschaften führen.
Aufbauend auf dieser Erkenntnis ist eine Vorhersage der Bedruckbarkeit nichtsaugender Substrate im Inkjet möglich, so dass damit eine effiziente Methode zur Bestimmung geeigneter Vorbehandlungsparameter zur Verfügung steht.
Anwendung in der Praxis
Potenzielle Anwender der Projektergebnisse sind die Hersteller von Drucksystemen und Tinten sowie die Anwender, die Druckereien, die nahezu ausschließlich KMUs sind. Die bessere Vorhersagbarkeit der Druckergebnisse führt bei diesen Unternehmen zur Erhöhung der Produktionssicherheit, der Verringerung von Reklamationskosten und damit zur Effizienzsteigerung. Ebenso profitieren die Hersteller von Einrichtungen zur Vorbehandlung von Substraten von den Projektergebnissen. Grundsätzlich wird so das Marktsegment des Inkjet-Drucks und damit die Position seiner Anwender gestärkt und dessen Einsatzbereiche insbesondere für industrielle Anwendungen erschlossen bzw. erweitert.
Projektlaufzeit: November 2019 bis September 2021
