Bestimmung der Lackschichtdicke auf Drucksubstraten

Zur Prozess- und Qualitätskontrolle an Druckmaschinen ist es notwendig, die Menge bzw. Dicke des auf das Substrat übertragenen Mediums genau einzustellen und zu kontrollieren. Für lasierende Druckfarben gibt es seit langem entsprechende Mess- und Regelsysteme. Diese nutzen den Zusammenhang zwischen optischer Dichte und Schichtdicke, um mittels Densitometer oder Spektralfotometer die Farbschicht zu vermessen. Für transparente oder opake Medien (Lacke, Metallpigmentfarben, Deckweiß, …) existiert bisher kein entsprechendes System. Gerade diese Medien sind aber im Verpackungsbereich, der die am stärksten wachsende Branche der Druckindustrie umfasst, weit verbreitet. Neben dem Schutz und der Veredlung des Verpackungsmaterials werden u.a. auch die Barriereeigenschaften der Lacke genutzt, um z. B. die Diffusion von Mineralölbestandteilen aus dem Faltschachtelkarton in die verpackten Lebensmittel zu verhindern. 
Die zu übertragende Lackmenge wird anhand von Maschineneinstellungen wie Drehzahl oder den Anpresskräften zwischen den Walzen vorgegeben. Beabsichtigte oder zufällige Änderungen der Prozessparameter können die Übertragung aber stark beeinflussen und so zu Abweichungen von der gewünschten Lackschichtdicke führen. Zu geringe Schichten können im Verpackungsbereich einen verminderten Schutz der Oberflächen der verpackten Ware zur Folge haben. Zu hohe Auftragsmengen wiederum können Probleme bei der Trocknung der Lacke sowie unnötige Materialkosten verursachen.

In diesem Projekt sollten die Grundlagen eines Messverfahrens entwickelt werden, das es ermöglicht, die Dicke einer transparenten oder opaken Lackschicht unter Produktionsbedingungen zu messen. Es sollte möglichst universell, unabhängig vom verwendeten Lack (Dispersions-, UV-, Drucklack) oder dem Drucksubstrat einsetzbar sein. Weiterhin bestanden sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Auflösung des Messverfahrens, da die zu bewertenden Lackschichten im Bereich weniger Mikrometer liegen.

Im Projektverlauf wurden verschiedenste Messprinzipien hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für die beschriebene Aufgabenstellung untersucht. Bevorzugt wurden dabei Verfahren, welche eine direkte Dickenmessung durch Detektion der Schichtgrenzen des Lackes ermöglichen. Damit sind einseitige, ortsaufgelöste Messungen möglich, die zudem relativ unempfindlich gegen Störungen (Schwingungen, Substratschwankungen usw.) sind. 

Die besten Ergebnisse konnten mit Lasertriangulationssensoren erzielt werden. Die Grenzen der Messfähigkeit werden hier hauptsächlich von der Auflösung des Empfängers und der Fokussierung des Laserstahls bestimmt. Neben der Schichtdicke beeinflusst aber auch die Brechung des Laserstrahls an der Grenzfläche zum Lack die Position des empfangenen Lichtes und muss daher bei der Ermittlung exakter Messwerte berücksichtigt werden. Nach der Analyse der Intensitätsverteilung des empfangenen Lichtes wurden Auswertealgorithmen entwickelt, die eine subpixelgenaue Positionsbestimmung auf dem Empfänger ermöglichen. So wurden auch aus teileweise überlagerten Reflexionen noch einzelne Intensitätsmaxima extrahiert und die Schichtdicke berechnet. Dadurch konnte die Messfähigkeit eines bereits existierenden Sensors deutlich verbessert werden. Die durch Brechung an der Grenzschicht verursachte Verschiebung des Messstrahls ist proportional zur Dicke der durchstrahlten Schicht. Auch wenn der Brechungsindex des Lackes nicht exakt bekannt ist, ist daher bei den zu messenden geringen Schichtdicken auch nur mit geringen Fehlern (<10%) zu rechnen. Mit bekanntem Brechungsindex oder einer vorherigen Kalibrierung auf einen speziellen Lack könnte aber auch diese Abweichung noch verringert werden.