Messung der UV-Härtung mittels MIR-Sensoren

Die Entwicklung neuartiger UV-Strahler, insbesondere von UV-LEDs, bewirkt, dass verstärkt Akzidenzdruckmaschinen mit UV-Ausrüstung installiert werden, die vorrangig zur Herstellung von Flyern, Plakaten und Geschäftsdrucksachen dienen. Der Einsatz der UV-Technologie in diesem Bereich verspricht eine Reihe von Vorteilen, wie die schnelle Aushärtung der Farben und Lacke oder die gute Kratz- und Scheuerbeständigkeit der Drucke.

Hinsichtlich der Prozessführung bringt die UV-Technologie einige Herausforderungen mit sich. Neben den Forderungen zum Arbeitsschutz, jeglichen Hautkontakt mit ungehärteten UV-Farben und -Lacken zu vermeiden, ist die Gewährleistung einer hinreichenden Aushärtung im Produktionsprozess von zentraler Bedeutung. Da die Aushärtung der Druckfarben vom komplexen Zusammenwirken von Strahlerleistung, Druckgeschwindigkeit, Übereinstimmung von Emissions- und Absorptionswellenlängen von Strahler und Photoinitiator, Photoinitiatorgehalt, Wegschlageigenschaften des Substrats u.v.m. bestimmt wird, ist eine Überwachung und Kontrolle des resultierenden Aushärtungsgrades von größter Wichtigkeit. Der Aushärtungsgrad lässt sich in Druckereien jedoch bislang nicht zuverlässig feststellen, sondern nur mit Labormethoden bestimmen. Deshalb dosiert der Drucker die Leistung der zur Härtung eingesetzten UV-Strahler in der Regel höher, als es zum Erreichen einer festen Druckfarbenschicht eigentlich erforderlich wäre.

Zielstellung des Vorhabens war deshalb die Entwicklung einer Messmethode, die die Aushärtungskontrolle in einem geeigneten Ausschnitt des mittleren Infrarots, in dem der tatsächliche Abbau der C=C-Doppelbindungen im Acrylat des Bindemittels erfolgt, realisiert. Dabei sollte ein innovativer Messaufbau entwickelt werden, der später auch von Anwendern ohne Vorkenntnisse der chemischen Analytik bedient werden kann und eine schnelle und sichere Entscheidung über den Aushärtungsgrad der gedruckten Schicht ermöglicht. Gemessen werden sollten dünne Schichten im Bereich von 1-5 µm, wie sie in den meisten Druckverfahren (Offset-, Flexo-, Tief-, Digitaldruck) üblich sind. Eine Messfläche von wenigen Millimetern Durchmesser sollte die Messung definierter Felder, die typischerweise in Druckkontrollstreifen integriert sind, erlauben.

Im Projekt wurde eine Messmethode und eine Messeinrichtung entwickelt, mit der die Untersuchung gedruckter Proben und die Bestimmung deren Aushärtungsgrade möglich ist. Dabei wurde eine Vielzahl von Einflussfaktoren (Probenhalterung, Umgebungsbedingungen, Substrateigenschaften, Schichtdicke…) gefunden, die durch aufwändige Optimierung der Messeinrichtung und Kalibrierprozeduren in Regressionsmodelle zur Vorhersage des Aushärtungsgrades überführt wurden. Die Ergebnisse der Untersuchungen haben gezeigt, dass die Messung der Intensitäten der abgeschwächten Totalreflexion in diskreten Wellenzahlbereichen des Mittleren Infrarots mit MIR-Sensoren prinzipiell geeignet ist, Aushärtungsgrade von UV-Farben zu charakterisieren. Dabei sind für den Aufbau eines einfachen Messstandes neben breitbandigen Strahlern und Empfängern geeignete Filter verfügbar, die im betrachteten Wellenzahlbereich keine weiteren Entwicklungskosten verursachen.

Im Ergebnis steht ein Messverfahren, mit dem die Aushärtungsmessung mit einer Genauigkeit im Bereich von unter 5 % realisiert werden kann. Um diesen Genauigkeitsbereich zu erreichen, ist die Einhaltung definierter Messbedingungen erforderlich. So ist z.B. die Berücksichtigung von Temperatur und Luftfeuchte sowie der optischen Dichte der gedruckten Muster unerlässlich.

Kleine Abweichungen vom Modell, wie z.B. Chargenunterschiede von Substrat und/oder Farbe können ohne entsprechende Berücksichtigung bzw. Kalibrierung zu erheblichen Messfehlern führen. Ein allgemeingültiges Regressionsmodell, welches unterschiedliche Farbsorten und Substrate in sich vereint, konnte nicht erstellt werden. Das bedeutet, für eine Anwendung in der Praxis muss für die jeweils eingesetzte Materialkombination eine gesonderte Kalibrierung erfolgen.