DE102021112873A1

DE102021112873A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Direktdruck auf Behälter für Abfüllprodukte

Info

Publication number: DE102021112873A1
Application number: DE102021112873.0A
Authority: DE
Inventors: Robert Weikl; Georg Gertlowski; Zsolt Rozsnyai
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2022-11-24
Also published as: WO2022242960A1

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Direktdruck auf Behälter für Abfüllprodukte, insbesondere Getränke. Demnach wird eine kationisch härtende Tinte mittels wenigstens eines Tintenstrahldruckkopfs auf die Behälter, insbesondere während ihres Transports in einer Direktdruckmaschine aufgetragen. Ferner wird eine Härtung der aufgetragenen Tinte mittels UV-Bestrahlung ausgelöst. Dadurch lassen sich mit geringerem apparativen und prozesstechnischen Aufwand Tintenstrahlaufdrucke mit erhöhter Widerstandsfähigkeit und mit vollständiger Durchhärtung herstellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Direktdruck auf Behälter für Abfüllprodukte sowie einen entsprechenden Behälter.
Der direkte und digitale Tintenstrahldruck auf Behälter, beispielsweise Getränkeflaschen, ist eine in Abfüllanlagen gebräuchliche Technik. Prinzipiell lassen sich damit unterschiedliche Materialien bedrucken, beispielsweise Kunststoffe (PET, PE, PP), Glas aber auch metallische Substrate. Aus prozesstechnischer Sicht haben sich dafür UV-härtende Tinten bewährt, da diese unmittelbar nach dem Auftragen mittels UV-LED fixiert werden können, was auch als Pinnen oder Zwischenhärtung bezeichnet wird.
Üblicherweise werden hierfür Tinten (Farben, Lacke) eingesetzt, die durch radikalische Polymerisation bei Einwirken aktinischer Strahlung aushärten / trocknen, da dies eine schnelle Weiterverarbeitung des Substrats im Produktionsprozess ermöglicht.
Allerdings ist es relativ schwierig, eine ausreichende Anhaftung und mechanische Widerstandsfähigkeit radikalisch polymerisierender Tinten auf Behältern zu erzielen. Kunststoffbehälter, wie solche aus PET, PP oder PE, haben oft unterschiedliche Oberflächeneigenschaften und enthalten hierfür relevante Additive, wie Antioxidantien, Pigmente oder Antistatika. Glasflaschen werden mit einer die Anhaftung verschlechternden Kaltendvergütung (z.B. Polyethylenwachs) beschichtet, Dosen mit Lack. Erschwerend kommt hinzu, dass radikalische Farbsysteme bei der Polymerisation schrumpfen. Dies wirkt sich ebenfalls negativ auf die Adhäsion zum Substrat aus.
Dem wird mit aufwändigen Vorbehandlungsprozessen entgegengewirkt. Die vergüteten Glasflaschen werden beispielsweise zuerst unter Beimengung eines Präkursors beflammt, um eine SiOx-Schicht zu erzeugen. Danach wird ein Haftvermittler aufgetragen. Im Nachgang müssen die Flaschen getrocknet werden. Kunststoffflaschen werden in der Regel beflammt oder erhalten eine Plasma- oder Corona-Behandlung.
Der Auftrag solcher Acrylat-Tinten erfolgt in der Regel zuerst mit Weiß, danach mit CMYK und zuletzt optional mit Varnish. Damit die Tinten nicht verlaufen und jeweils nicht in die Schicht darunter einsickern, werden diese direkt nach der Applikation durch Pinning mit einer UV-LED fixiert. Die Farbschichten werden schließlich gemeinsam ausgehärtet, wofür mit Hg, Fe oder Ga dotierte UV-Lampen verwendet werden. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass eine vergleichbare Durchhärtung mit UV-LED kaum zu erzielen ist, da deren Emissionsspektren (meist im UV-A) keine gute Vernetzung der Oberfläche ermöglichen, weshalb diese dann meist zu weich ist. Nachteilig bei den oben beschriebenen Tinten auf Acrylat-Basis ist auch die für Lebensmittelanwendungen begrenzte Rohstoffauswahl an Initiatoren. Ferner müssen diese oftmals in hoher Konzentration eingesetzt werden, wenn mit LED ausgehärtet werden soll. Bei ungenügender Abstimmung zwischen UV-Härtung und Tintenzusammensetzung können zudem Rückstände an unvernetztem Initiator und Acrylaten in der Druckschicht verbleiben.
Aufgrund der oben genannten Umstände ist der apparative Aufwand für den Direktdruck in Abfüllanlagen insgesamt sehr hoch, sodass diesbezüglich Verbesserungsbedarf besteht.
Die gestellte Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Demnach dient dieses zum Direktdruck auf Behälter für Abfüllprodukte, insbesondere Getränke oder dergleichen flüssige Produkte aus dem Lebensmittelbereich. Bei dem Verfahren wird eine kationisch härtende Tinte mittels wenigstens eines Tintenstrahldruckkopfs auf die Behälter insbesondere während ihres Transports in einer Direktdruckmaschine aufgetragen. Ferner wird eine Härtung der aufgetragenen Tinte mittels UV-Bestrahlung ausgelöst.
Es hat sich nun überraschend herausgestellt, dass für die Verwendung in Matrixdruckern und beim Flexodruck beispielsweise aus der DE 10 2011 106 039 A1 , DE 195 00 968 und DE 43 07 766 bekannte kationisch härtende Tinten vorteilhaft für den Direktdruck auf Behälter in Abfüllanlagen eingesetzt werden können.
Kationisch härtende UV-Tinten, deren Härtung per Definition mittels UV-Bestrahlung ausgelöst wird, also durch eine Fotoinitiierung, weisen gegenüber den durch radikalische Polymerisation härtenden UV-Tinten den Vorteil auf, dass die Spaltprodukte des Fotoinitiators bei kationischen Tinten eine höhere Lebensdauer aufweisen, weshalb die Aushärtungsreaktion auch nach der UV-Bestrahlung weiterläuft. Dies führt zu einer insgesamt besseren Durchhärtung der aufgetragenen Tinte. Zudem schrumpfen kationische UV-Tinten weniger stark als die radikalisch polymerisierten UV-Tinten. Dies führt zu einer demgegenüber verbesserten Anhaftung kationischer UV-Tinten.
Zudem ist die auch nach der Bestrahlung weiterlaufende und schließlich vollständige Vernetzung kationischer Tinten hinsichtlich der Konformität für den Lebensmittelbereich vorteilhaft, da die Reaktionspartner (Tintenbestandteile) aufgrund ihrer vollständigen Vernetzung nicht mehr durch die Behälterwand in abgefüllte Lebensmittel migrieren können.
Unter einer kationischen Tinte, Beschichtung und/oder Formulierung versteht man ein System, welches über den kationischen Polymerisationsmechanismus aushärtet. Beispielsweise werden hierbei Epoxide oder Oxetane durch Ringöffnung vernetzt. Hierfür werden vorzugsweise Fotoinitiatoren eingesetzt, die nach Fotolyse starke Protonensäuren bilden, beispielsweise Diarylodonium-Salze. Die jeweiligen Spaltprodukte sind relativ langlebig, weshalb die Reaktion nach der Bestrahlung mit UV-Licht noch weiterläuft.
Derartige kationische Systeme sind im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen Systemen basierend auf einer radikalischen Kettenpolymerisation durch Vernetzung von Acrylaten zu sehen, bei der die eingesetzten Initiatoren (Typ I oder II) zu einer Radikalbildung führen, die wiederum die radikalische Kettenpolymerisation auslöst.
Die Behälter sind insbesondere Flaschen. Denkbar ist aber auch ein Direktdruck auf Dosen oder dergleichen Behälter. Die Abfüllprodukte sind beispielsweise flüssige Lebensmittel. Denkbar sind aber auch pharmazeutische oder kosmetische Produkte oder solche aus dem Hygienebereich.
Vorzugsweise werden die zu bedruckenden Behälteroberflächen zur Vorbereitung des Tintenauftrags insbesondere ohne gleichzeitige Erzeugung einer SiOx-Schicht (ohne Beimengung eines Präkursors) beflammt und anschließend abgekühlt. Die Tinte wird dann insbesondere unmittelbar auf die derart vorbehandelten Behälteroberflächen aufgetragen, also beispielsweise ohne Auftrag eines zusätzlichen Haftvermittlers. Dadurch lässt sich die Vorbehandlung der Behälter, insbesondere solchen aus Glas, gegenüber den bekannten Direktdruckverfahren deutlich vereinfachen. Optional ist die gleichzeitige Erzeugung einer SiOx-Schicht aber möglich und je nach Anwendungsfall gegebenenfalls technisch vorteilhaft.
Vorzugsweise umfasst der Direktdruck einen ersten Teildruck mit Auftrag einer Grundfarbe, insbesondere Weiß, und anschließender UV-Fotoinitiierung ihrer Härtung sowie wenigstens einen daran anschließenden zweiten Teildruck mit Auftrag wenigstens einer Farbkomponente eines Farbmodells, insbesondere CMYK, und anschließender UV-Fotoinitiierung ihrer Härtung. Dies erfolgt jeweils mit kationisch härtender Tinte entsprechender Farbe und ermöglicht eine durch alle aufgetragenen Farb-/ bzw. Tintenschichten gleichmäßig gute Durchhärtung des Aufdrucks.
Optional kann eine Grundierung (Basecoat) vor der Grundfarbe (Weiß) aufgebracht werden, um gegebenenfalls die Druckqualität zu verbessern. Ebenfalls denkbar ist, eine transparente Grundierung (Basecoat) anstelle der Grundfarbe (Weiß) aufzubringen, ebenso zu deren Ergänzung zur Qualitätsverbesserung. Auch könnten die Farbkomponenten (CMYK) direkt auf die Behälteroberfläche gedruckt werden. Vorzugsweise wird die Grundfarbe beim ersten Teildruck in Folge UV-Fotoinitiierung für den anschließenden Auftrag der Farbkomponenten zwischengehärtet / fixiert. Ergänzend oder alternativ werden beim zweiten Teildruck zuerst sämtliche Farben des Farbmodells nacheinander aufgetragen und dann in Folge gemeinsamer UV-Fotoinitiierung wenigstens zwischengehärtet / fixiert und insbesondere endgehärtet.
Unter einer Endhärtung ist zu verstehen, dass diese durch die jeweils letzte UV-Bestrahlung fotoinitiiert wird, also für das vollständige Aushärten der Tinte keine weitere Bestrahlung nachfolgt. An die UV-Endhärtung schließt sich eine im Wesentlichen bestrahlungslose Nachhärtung an, beispielsweise beim Transport und/oder der Lagerung der bedruckten Behälter.
Somit lässt sich die Druckqualität des Druckbilds durch Zwischenhärten / Fixieren der kationisch härtenden Tinten auf bewährte Weise steuern und zusätzlich eine gegenüber bekannten Druckverfahren verbesserte Durchhärtung und Widerstandsfähigkeit des Aufdrucks erzielen.
Vorzugsweise härtet man den Direktdruck nach UV-initiierter Endhärtung bestrahlungslos über eine vorgegebene Dauer nach und schützt den Direktdruck währenddessen bei Transport und Lagerung gegen mechanische Beschädigung, beispielsweise durch Bereitstellen von Scheuerrändern an den Behältern. Dadurch lässt sich eine vollständige Durchhärtung / Aushärtung des Aufdrucks bei gleichzeitigem Schutz vor mechanischer Beschädigung erzielen.
Vorzugsweise wird die Härtung der kationischen Tinte ausschließlich mit UV-A-Strahlung insbesondere einer LED-Emission ausgelöst. Unter ausschließlicher UV-A-Bestrahlung ist beispielsweise zu verstehen, dass wenigstens 90% der emittierten Leistung im UV-A-Spektralbereich abgegeben werden. Das heißt, dass sowohl Zwischenhärtung / Fixierung als auch Endhärtung im Wesentlichen mit UV-A-Licht ausgelöst werden. Dies ist hinsichtlich des apparativen Aufwands vorteilhaft. Entsprechende LED-Lichtquellen lassen sich vergleichsweise einfach steuern, weisen eine hohe Lebensdauer auf und sind in Anschaffung und Betrieb vergleichsweise kostengünstig.
Vorzugsweise wird die Tinte zum Auslösen einer Zwischenhärtung mit einer UV-A-Bestrahlung von 0,1-0,5 J/cm², insbesondere von 0,2-0,4 J/cm², und/oder zum Auslösen der Endhärtung mit einer UV-A-Bestrahlung von 0,5-1,5 J/cm², insbesondere 0,6-1,0 J/cm² beaufschlagt. Derartige Bestrahlungen lassen sich mit UV-A-LED vergleichsweise problemlos erzeugen und erübrigen die Verwendung demgegenüber aufwendigerer Hg-Dampflampen oder dergleichen insbesondere zur Endhärtung.
Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform wird die Endhärtung der Tinte durch eine insbesondere ergänzende UV-B- und/oder UV-C-LED-Emission fotoinitiiert. Dies kann bei bestimmten Druckanwendungen die Endhärtung beschleunigen.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Endhärtung der Tinte durch Emission aus wenigstens einer Hg-Dampflampe bei einer Bestrahlung von 0,1-0,4 J/cm² fotoinitiiert. Auch dies kann bei bestimmten Anwendungsfällen eine beschleunigte Endhärtung bewirken.
Vorzugsweise wird der Umgebungsbereich des Direktdrucks und/oder ein Transportbereich / Lagerbereich der Behälter klimatisiert. Hierbei wird beispielsweise eine relative Feuchte von 50% während der fotoinitiierten Zwischenhärtung, fotoinitiierten Endhärtung und/oder bei bestrahlungsloser Nachhärtung der Tinte nicht überschritten. Eine Klimatisierung ist beispielsweise im Bereich der Direktdruckmaschine und gegebenenfalls beim Behälterantransport vorteilhaft, um die Oberflächenfeuchte der zu bedruckenden Behälterbereiche zu begrenzen. Dies dient einer schnelleren Vernetzung kationisch aushärtender Tinten.
Die gestellte Aufgabe wird ebenso mit einer Vorrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Demnach dient diese zum Direktdruck auf Behälter für Abfüllprodukte, insbesondere Getränke, gemäß dem Verfahren gemäß wenigstens einer der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen. Die Vorrichtung umfasst eine Direktdruckmaschine mit einer Tintenversorgung zum Bereitstellen kationisch härtender Tinte, mit wenigstens einem an die Tintenversorgung angeschlossenen Tintenstrahldruckkopf zum Auftrag der Tinte auf die Behälter insbesondere während ihres Transports in der Direktdruckmaschine, und mit wenigstens einer UV-Lichtquelle zur Fotoinitiierung einer Härtung der aufgetragenen Tinte. Damit werden die bezüglich des Anspruchs 1 beschriebenen Vorteile erzielt.
Die Fotoinitiierung betrifft die Zwischenhärtung / Fixierung und die Endhärtung der Tinte mittels UV-Bestrahlung.
Vorzugsweise umfasst die UV-Lichtquelle wenigstens eine im UV-A emittierende LED und ist ferner dazu ausgebildet, die aufgetragene Tinte zur Fotoinitiierung einer Zwischenhärtung / Fixierung mit einer UV-A-Bestrahlung von 0,1-0,5 J/cm², insbesondere 0,2-0,4 J/cm², und/oder zur Fotoinitiierung einer Endhärtung mit einer UV-A-Bestrahlung von 0,5-1,5 J/cm², insbesondere 0,6-1,0 J/cm², zu beaufschlagen.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner einen Flammtunnel zur Beflammung der zu etikettierenden Behälter und einen Kühltunnel zur Kühlung der beflammten Behälter. Der Flammtunnel und der Kühltunnel sind der Direktdruckmaschine dann vorzugsweise unmittelbar vorgeschaltet. Das heißt, dass dazwischen keine weitere Vorbehandlung der Behälter erfolgt, wie beispielsweise Auftrag eines Haftvermittlers.
Die gestellte Aufgabe wird ebenso mit einem Behälter für Abfüllprodukte, insbesondere Getränke, nach Anspruch 14 gelöst. Der Behälter wird mit dem Verfahren und/oder der Vorrichtung gemäß wenigstens einer der beschriebene Ausführungsformen hergestellt.
Demnach umfasst der Behälter einen Behälterkörper aus Glas, Kunststoff und/oder einem Zellulosewerkstoff und einem darauf, insbesondere ohne Zwischenschicht, direkt aufgetragenen Tintenstrahlaufdruck umfassend eine Grundfarbschicht, insbesondere Weiß, und eine mehrfarbige Druckbildschicht, insbesondere aus CMYK, jeweils bestehend aus kationisch ausgehärteten Tintentropfen.
Vorzugsweise umfasst der Behälter wenigstens einen nach außen über den Tintenstrahlaufdruck überstehenden Scheuerrand. Damit lässt sich der Tintenstrahlaufdruck nach UV-Endhärtung in einer anschließenden Phase der Nachhärtung während des Transports und der Lagerung der bedruckten Behälter gegenüber mechanischen Beschädigungen schützen. Zudem bietet der Scheuerrand auch bei der anschließenden Kommissionierung und beim Gebrauch der Behälter einen entsprechenden mechanischen Schutz.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist zeichnerisch dargestellt. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bedrucken von Behältern mit kationisch härtender Tinte;
2 eine schematische Darstellung eines entsprechenden Verfahrens; und
3 einen mit dem beschriebenen Verfahren bedruckten Behälter.

Wie die 1 erkennen lässt, umfasst die Vorrichtung 1 zum Direktdruck auf Behälter 2 für flüssige Abfüllprodukte wie beispielsweise Getränke eine Direktdruckmaschine 3 mit einer Tintenversorgung 4 zum Bereitstellen kationisch härtender Tinten 5 unterschiedlicher Farben und mit an die Tintenversorgung 4 angeschlossenen Tintenstrahldruckköpfen 6 zum Auftrag der Tinten 5 auf die Behälter 2. Die Direktdruckmaschine 3 umfasst ferner ein Behälterkarussell 7 oder dergleichen prinzipiell bekanntes Transportmittel zum Transport der Behälter 2 während des Direktdrucks mit den Tintenstrahldruckköpfen 6.
Die Direktdruckmaschine 3 umfasst wenigstens zwei UV-Lichtquellen 8 bis 10 zur Fotoinitiierung einer Härtung der auf die Behälter 2 aufgetragenen Tinte 5.
Im dargestellten Beispiel umfasst eine erste UV-Lichtquelle 8 wenigstens eine im Wesentlichen im UV-A-emittierende LED und ist ferner dazu ausgebildet, die zuvor aufgetragene Tinte 5 zur Fotoinitiierung ihrer Fixierung (Zwischenhärtung) mit einer UV-A-Bestrahlung von 0,1-0,5 J/cm², zu beaufschlagen. Besonders bevorzugt ist hierfür eine UV-A-Bestrahlung von 0,2-0,4 J/cm².
Die erste UV-Lichtquelle 8 dient zur Härtung einer Grundfarbe des herzustellen Aufdrucks, in der Regel Weiß, um die Grundfarbe vor dem Auftragen von Farbkomponenten eines Farbmodells, wie beispielsweise CMYK, zu fixieren und dadurch ein Verlaufen und/oder Einsickern nachfolgend aufgetragener Tinten 5 zu kontrollieren und gegebenenfalls zu verhindern.
Im Beispiel umfasst auch die zweite UV-Lichtquelle 9 wenigstens eine im Wesentlichen im UV-A-emittierende LED und ist ebenso dazu ausgebildet, die zuvor genannten Werte der Bestrahlung auf den Behältern 2 zu erzeugen. Jedoch dient die zweite UV-Lichtquelle 9 dazu, die Farbkomponenten des Farbmodells nach deren sukzessivem Auftrag gemeinsam zu fixieren (zwischenzuhärten).
Alternativ wäre es möglich, mehrere zweite UV-Lichtquellen 9 (gestrichelt dargestellt) zum Fixieren einzelner Farbkomponenten vorzusehen, also beispielsweise eine bestimmte oder jede einzelne Farbkomponente vor dem Auftragen der nächsten auf geeignete Weise zwischenzuhärten.
Im Beispiel umfasst die dritte UV-Lichtquelle 10 ebenso eine im Wesentlichen im UV-A-emittierende LED und ist dann jedoch dazu ausgebildet, zur Fotoinitiierung einer Endhärtung sämtlicher zuvor aufgetragener Tinten 5 mit einer UV-A-Bestrahlung von 0,5-1,5 J/cm² zu beaufschlagen, insbesondere mit 0,6-1,0 J/cm².
Generell wäre es denkbar und gegebenenfalls auch vorteilhaft, die zweite und dritte Lichtquelle 9, 10 zusammenzufassen und zur gleichzeitigen oder sukzessiven Erzeugung entsprechender Werte der Bestrahlung (siehe oben) anzusteuern.
Eine ausschließliche Zwischenhärtung / Fixierung und Endhärtung mittels UV-A-Strahlung hat den Vorteil, dass diese mit vergleichsweise geringem apparativem Aufwand und auf besonders wirtschaftliche Weise mit LED erzeugt werden kann. Unter ausschließlicher UV-A-Bestrahlung ist hierbei ein überwiegend und insbesondere zu wenigstens 90% im UV-A liegender Anteil der Emissionsleistung bzw. Bestrahlungsstärke zu verstehen.
Alternativ wäre es aber insbesondere für die gemeinsame Endhärtung des Aufdrucks denkbar, die Zwischenhärtung / Fixierung mittels UV-A-Bestrahlung durch UV-B-Bestrahlung und/oder UV-C-Bestrahlung zur Fotoinitiierung der Endhärtung zu ergänzen. Auch hierfür sind geeignete LED prinzipiell erhältlich.
Eine weitere Alternative zur Fotoinitiierung der Endhärtung ist die Bestrahlung des zuvor fixierten Aufdrucks mittels einer Quecksilberdampflampe oder dergleichen bei einer Bestrahlung von 0,1-0,8 J/cm², insbesondere von 0,1-0,4 J/cm². Die dritte Lichtquelle 10 könnte also je nach Anwendungsfall auch mit herkömmlichen Komponenten gebildet werden, wie sie für die radikalische Polymerisation (Acrylat-Vernetzung) gebräuchlich sind.
Die Vorrichtung 1 kann ferner eine ausgangsseitige Versiegelungsstation 11 zum Versiegeln des fotoinitiierten Aufdrucks mit Varnish umfassen.
Zur Vorbehandlung der Behälter 2 für den Direktdruck umfasst die Vorrichtung 1 einen Flammtunnel 12 zum Beflammen der Behälter 2 und eine anschließenden Kühltunnel 13 zum Abkühlen der Behälter 2 unmittelbar vor dem Direktdruck.
Vorzugsweise ist keine weitere Vorbehandlung der Behälter 2 zwischengeschaltet, also beispielsweise auch keine Station zum Auftragen eines Haftvermittlers auf die zuvor beflammten und abgekühlten Behälter 2. Dadurch lässt sich der apparative und prozesstechnische Aufwand für die Vorbehandlung gegenüber bekannten Verfahren reduzieren. Dies beinhaltet auch, dass beim Beflammen der Behälter 2 vorzugsweise kein Präkursor beigemengt wird, um auf den Behältern 2 eine SiOx-Schicht zu erzeugen. Eine solche ist bei der beschriebenen Verwendung kationisch härtender Tinten 5 entbehrlich.
Hierbei versteht sich, dass die beispielhaft dargestellte Vorbehandlung für den Direktdruck auf Behälter 2 aus Glas angepasst ist. Die Vorbehandlung der Behälter 2 richtet sich vorrangig nach dem Behältermaterial und beinhaltet bei Behältern 2 aus Kunststoff beispielsweise eine PlasmaBehandlung, Corona-Behandlung und/oder ein Beflammen (ohne Präkursor).
In der 1 ist ferner beispielhaft dargestellt, dass die Vorrichtung 1 oder zumindest die Direktdruckmaschine 3 mit ihrem Einlaufbereich 3a klimatisiert ist. Dies dient vorrangig einer Reduzierung / Begrenzung der Luftfeuchte unmittelbar vor und beim Direktdruck auf ein geeignetes Maß. Beispielsweise soll sich an den aus dem Kühltunnel 13 einlaufenden Behältern 2 keine Feuchtigkeit durch Taupunktunterschreitung niederschlagen. Zudem verläuft die kationische Härtung der Tinten 5 in der Regel umso schneller, je niedrigerer die darauf einwirkende Feuchte ist.
Die Klimatisierung kann beispielsweise in einem beispielhaft dargestellten Umgebungsbereich 14 in Form eines geeignet abgetrennten Raums erfolgen oder wenigstens innerhalb der Einhausung 3b der Direktdruckmaschine 3 und deren Einlaufbereich 3a. Dadurch lässt sich die Substratfeuchte, also die Oberflächenfeuchte der Behälter 2, und die Umgebungsfeuchte ab dem Kühltunnel 13 zuverlässig einstellen.
Schematisch angedeutet ist zudem ein Lagerbereich 15, in dem die fotoinitiiert endgehärteten Aufdrucke auf den Behältern 2 über einen vorgegebenen Zeitraum unter kontrollierten Bedingungen nachhärten können. Darunter ist zu verstehen, dass die Endhärtung der Tinten 5 durch die UV-Bestrahlung initiiert wird, sich die vollständige Durchhärtung im Sinne einer Aushärtung infolge eines Weiterlaufen der zugrundeliegenden Reaktionen auch nach Beendigung der Bestrahlung erst nach einem im Wesentlichen bestrahlungslosem Nachhärten der kationischen Tinten 5 einstellt. Denkbar für das Nachhärten sind beispielsweise Zeiträume von mehreren Stunden bis Tagen. Das Nachhärten ist auch bei geeignet schonendem Transport der Behälter 2 möglich.
Die bestrahlungslose Nachhärtung ist prozesstechnisch vorteilhaft, da die Durchhärtung sämtlicher aufgetragenen Tinten 5 immer dann vollständig ist, wenn eine Mindestbestrahlung für die Fotoinitiierung der Endhärtung erreicht wird. Diese Anforderung lässt sich auf vergleichsweise einfache Weise einhalten. Um die geforderte Härte und Widerstandsfähigkeit der mit den kationischen Tinten 5 erzeugten Aufdrucke einzustellen, ist somit nur relativ geringer Aufwand bei der Prozesssteuerung und -kontrolle erforderlich. Hierbei ist unter dem bestrahlungslos Nachhärten zu verstehen, dass eine Bestrahlung währenddessen nicht nötig ist. Ein zusätzlicher Lichteinfall hat aber auch keinen negativen Effekt auf die erzeugten Aufdrucke.
Die 2 zeigt beispielhaft und schematisch den Ablauf eines bevorzugten Verfahrens 21 zum Direktdruck auf die Behälter 2.
Demnach werden die Behälter 2 in einem ersten Schritt 22 beispielsweise in Form von Glasflaschen mit einer Kaltendvergütung oder in Form von Kunststoffflaschen bereitgestellt. Ebenso denkbar sind Behälter 2 aus einem Zellulosematerial (Pulpe), sogenannte Pulpe-Flaschen.
In einem daran anschließenden zweiten Schritt 23 werden die Behälter 2 ohne Beimengung eines Präkursors im Flammtunnel 12 beflammt. Durch das Beflammen werden die Behälter 2 gereinigt und deren Oberflächen oxidiert. Optional kann das Beflammen die Behälterwand auf wenigstens 120°C erhitzen, um eine Kaltendvergütung der Behälter 2 zusätzlich zu homogenisieren, insbesondere bis wenigstens auf die Schmelztemperatur der Kaltendvergütung (des Coatings) von beispielsweise 170°C.
In einem daran anschließenden dritten Schritt 24 werden die zuvor beflammten Behälter 2 im Kühltunnel 13 auf eine für den Direktdruck geeignete Verarbeitungstemperatur abgekühlt. Hierbei und beim anschließenden Transport der Behälter 2 zur Direktdruckmaschine 3 befinden sich die Behälter 2 in einer auf geeignete Weise klimatisierten Umgebung.
Die Kühlung im Kühltunnel 13 vermeidet vorrangig, dass es aufgrund zu hoher Temperaturen zu Problemen bei der Tintenbenetzung kommen kann.
In einem daran anschließenden vierten Schritt 25 wird die Tinte 5 einer Grundfarbe, in der Regel Weiß, durch die Tintenversorgung 4 bereitgestellt und von wenigstens einem Tintenstrahldruckkopf 6 auf den jeweiligen Behälter 2 aufgetragen.
Die Funktionen der am Behälterkarussell 7 umlaufenden Behandlungspositionen (mit individuell drehbaren Drehtellern für die Behälter 2), der Tintenversorgung 4 und von Druckköpfen 6 sind prinzipiell bekannt und daher an dieser Stelle nicht erläutert.
In einem daran anschließenden fünften Schritt 26 wird die zuvor aufgetragene Tinte 5 der Grundfarbe durch UV-A-Bestrahlung auf die zuvor beschriebene Weise fixiert (zwischengehärtet).
In einem daran anschließenden sechsten Schritt 27 werden Tinten 5 von Farbkomponenten eines Farbmodells, beispielsweise die Farben CMYK, zur Herstellung eines Dekors / Druckbilds von den jeweils zugeordneten Tintenstrahldruckköpfen 6 sukzessive auf prinzipiell bekannte Weise aufgetragen.
In einem daran anschließenden siebten Schritt 28 werden sämtliche zuvor aufgetragenen Tinten 5 des Farbmodells gemeinsam durch UV-A-Bestrahlung fixiert (zwischengehärtet).
Daran anschließen kann sich ein optionaler achter Schritt 29, in dem ein Varnish auf die zuvor fixierten Tinten 5 aufgetragen wird.
In einem nachfolgenden neunten Schritt 30 wird die Endhärtung sämtlicher zuvor aufgetragener Tinten 5 und gegebenenfalls des Varnish gemeinsam durch UV-Bestrahlung fotoinitiiert.
Generell könnten der Prozessablauf nach dem sechsten Schritt vielfältig je nach Anwendungsfall modifiziert werden. Beispielsweise ist es denkbar, den neunten Schritt 30 in den siebten Schritt 28 zu integrieren, sodass dieser einen ersten Teilschritt 28a zum Zwischenhärten der Tinten 5 des Farbmodells und einen zweiten Teilschritt 28b zur Fotoinitiierung der Endhärtung sämtlicher zuvor aufgetragenen Tinten 5 umfassen kann. Auch könnte der achte Schritt 29 weggelassen werden oder nach der Endhärtung erfolgen. Diese Varianten sind abhängig von den Anforderungen an den Direktdruck auf den jeweiligen Behältertyp, also beispielsweise abhängig von dessen Material und/oder Oberflächenbeschaffenheit.
Das Verfahren 21 umfasst schließlich einen abschließenden zehnten Schritt 31 zur im Wesentlichen bestrahlungslosen Nachhärtung der fotoinitiierten Endhärtung. Bei der Nachhärtung sind keine aktiven Maßnahmen zur vollständigen Durchhärtung des Aufdrucks nötig. Im Prinzip genügt es, die bedruckten Behälter 2 für einen vorgegebenen Zeitraum vor mechanischer Belastung der hergestellten Aufdrucke zu schützen.
Auch hinsichtlich der beschriebenen Bestrahlungsparameter und Kombination von Lichtquellen 8-10 sind verschiedenen Varianten denkbar. Falls beispielsweise die LED zum Zwischenhärten / Fixieren / Pinning keine ausreichend hohe Emissionsleistung für die Fotoinitiierung der Endhärtung liefert, bietet sich die Möglichkeit, eine separate UV-LED zum Zweck der Fotoinitiierung der Endhärtung zu integrieren.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass in den meisten Fällen eine UV-Lichtquelle 8, beispielsweise LED mit einer Wellenlänge von 395 nm, auch für die Fotoinitiierung der Endhärtung ausreichend ist. Dennoch kann eine Kombination von LED unterschiedlicher Wellenlängen / Spektralbereiche vorteilhaft sein. Zum Beispiel zeigt sich, dass in bestimmten Fällen eine Kombination von UV-B- und UV-C-LED vorteilhaft sein kann, um bereits unmittelbar nach dem Auftrag der Tinten 5 eine verbesserte Oberflächenhärte zu erzielen. Dies erleichtert die Handhabung der Behälter 2 unmittelbar anschließend an den Direktdruck. Geeignet wäre beispielsweise eine Kombination von Wellenlängen im Spektralbereich von 270-280 nm oder 360-370 nm zum einen und von 390-400 nm zum anderen. Auch eine Kombination mit einer UV-C-LED ist denkbar, die beispielsweise im Bereich von 275 nm emittieret.
Experimentell wurde festgestellt, dass eine UV-A-Bestrahlung von 0,2-0,4 J/cm² zwar zu einer Härtung der Tinte 5 führt, diese aber unmittelbar nach der Bestrahlung meist noch nicht abriebfest ist. Eine Nachhärtung über 24 Stunden führte dann zu einer vollständig trockenen und durchgehärteten Tinte 5 mit ausreichender Oberflächenhärte. Infolge höherer Werte der UV-A-Bestrahlung, beispielsweise im Bereich von 0,6-1,0 J/cm², konnte bereits unmittelbar anschließend eine ausreichend gute Vernetzung / Oberflächenhärte der Tinten 5 erzielt werden.
Verwendet man für dritte Lichtquelle 10 eine im UV emittierenden Hg-Dampflampe, so genügt schon eine geringere Bestrahlung, um eine ausreichende Aushärtung direkt nach der UV-Bestrahlung zu erzielen, beispielsweise eine Bestrahlung von 0,2-0,3 J/cm². Hierbei spielt allerdings die jeweilige Schichtdicke der Tinten 5 eine Rolle, ebenso deren Zusammensetzung.
Dennoch bietet die Fotoinitiierung der kationischen Zwischenhärtung und Endhärtung mittels UV-A-Bestrahlung einen Vorteil gegenüber der Fotoinitiierung radikalischer UV-Tinten, die dann oftmals eine für die weitere Handhabung zu weiche Oberfläche aufweisen, insbesondere wegen eines dafür eigentlich nötigen UV-C-Anteils.
Zudem erfordert die kationische Härtung eine deutlich geringere Menge an Fotoinitiatoren und ermöglicht durch das im Wesentlichen strahlungslose Nachhärten eine im Wesentlichen vollständige Durchhärtung und Reaktion der einzelnen Komponenten, im Gegensatz zu der oftmals im Endergebnis unvollständigen radikalischen Polymerisation.
Die mittels UV-Bestrahlung fotoinitiierte Endhärtung der kationisch härtenden Tinten 5 kann je nach Weiterverarbeitung der Behälter 2 und deren Ausgestaltung relativ flexibel angepasst werden.
Idealerweise sind die Behälter 2 so ausgebildet, dass sich die bedruckten Flächen einzelner Behälter 2 beim Transport gegenseitig nicht berühren können.
Wie die 3 schematisch andeutet, weist der Behälter 2 beispielsweise eine Behälterkörper 2a aus Glas mit wenigstens einem Reibrand 2b (Scheuerrand) auf, der nach außen hin gegenüber einer wie beschrieben bedruckten Fläche 2c des Behälterkörpers 2a in prinzipiell bekannter Weise übersteht.
Schematisch dargestellt ist ferner ein mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens 21 / mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung 1 auf dem Behälter 2 hergestellter Tintenstrahlaufdruck 22. Dieser besteht im Wesentlichen aus im Tintenstrahldruckverfahren direkt auf den Behälter 2 aufgetragenen kationisch härtenden Tinten 5 in Form wie beschrieben angetrockneter / gehärteter Tintentropfen.
Denkbar ist in Kombination oder anstelle von Behältern 2 mit Reibrändern 2b (Scheuerrändern) ein Transport, bei dem sich die Behälter 2 gegenseitig nicht berühren.
Sollten weder Reibränder 2b noch berührungslose Transportverfahren in Frage kommen, so kann gegebenenfalls die UV-Bestrahlung zur Fotoinitiierung der Endhärtung so verstärkt werden, dass auch bei einer herkömmlichen (für sich genommen keinen besonderen mechanischen Schutz bietenden) Handhabung und/oder Ausgestaltung der Behälter 2 eine ausreichende mechanische Widerstandsfähigkeit des Tintenstrahlaufdrucks 22 bis zu dessen vollständiger Durchhärtung gegeben ist.
Auch ist es denkbar, die bedruckten Behälter 2 durch abschließendes Aufsprühen einer Schutzschicht, beispielsweise aus Polyethylenwachs, zu schützen.
Gegenüber bekannten Direktdruckverfahren zum Bedrucken von Behältern in Abfüllanlagen reduziert der Einsatz kationisch härtender Tinten 5 den apparativen und prozesstechnischen Aufwand. Beispielsweise entfallen zusätzliche Stationen für Haftvermittler / Primer, dem zugeordnete Trockentunnel und UV-Tunnel. Dies spart Platz und reduziert den Aufwand für Ressourcen wie Verbrauchsmaterial und Energiekosten.
Tintenführende Komponenten der Direktdruckmaschine 3, wie beispielsweise die Druckköpfe 6, können gegenüber vagabundierender UV-Strahlung auf prinzipiell bekannte Weise in Anlehnung an bekannte Direktdruckverfahren abgeschirmt werden.
Das beschriebene Verfahren bietet unter anderem die folgenden Vorteile gegenüber bekannten Verfahren auf der Basis radikalisch polymerisierender Tinten: deutlich verschlankte Prozesse und dadurch geringere Anschaffungs- und Instandhaltungskosten; weniger Platzbedarf und geringere Betriebskosten; geringerer Energiebedarf unter anderem durch Weglassen ansonsten benötigter UV-Strahler; Primer sind entbehrlich, und zugehörige Lösemittel, wie beispielsweise Alkohol, können nicht mehr verdampfen; Beschleunigung des Prozessablaufs; erhöhte Produktsicherheit (Konformität) gemäß den Anforderungen für die Lebensmittelherstellung; geringer Restgeruch der kationisch härtenden Tinten nach ihrer Vernetzung; und insgesamt bessere (vollständige) Durchhärtung der Tinten auch weitgehend unabhängig von der eingesetzten Bestrahlung, da nur ein Mindestwert der Bestrahlung (eine Mindestdosis) eingehalten werden muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011106039 A1 [0009]
DE 19500968 [0009]
DE 4307766 [0009]

Claims

Verfahren (21) zum Direktdruck auf Behälter (2) für Abfüllprodukte, insbesondere Getränke, wobei man eine kationisch härtende Tinte (5) mittels wenigstens eines Tintenstrahldruckkopfs (6) auf die Behälter insbesondere während ihres Transports in einer Direktdruckmaschine (3) aufträgt und eine Härtung der aufgetragenen Tinte mittels UV-Bestrahlung auslöst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei man zu bedruckende Behälteroberflächen zur Vorbereitung des Tintenauftrags insbesondere ohne gleichzeitige Erzeugung einer SiOx-Schicht beflammt und anschließend abkühlt, und wobei die Tinte (5) insbesondere unmittelbar auf die derart vorbehandelten Behälteroberflächen aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Direktdruck einen ersten Teildruck mit Auftrag einer Grundfarbe, insbesondere Weiß, und anschließender UV-Fotoinitiierung der Härtung und wenigstens einen daran anschließenden zweiten Teildruck mit Auftrag wenigstens einer Farbkomponente eines Farbmodells und anschließender UV-Fotoinitiierung der Härtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Grundfarbe beim ersten Teildruck infolge UV-Fotoinitiierung für den anschließenden Auftrag der Farbkomponenten zwischengehärtet wird und/oder beim zweiten Teildruck zuerst sämtliche Farben des Farbmodells nacheinander aufgetragen und dann infolge gemeinsamer UV-Fotoinitiierung wenigstens zwischengehärtet und insbesondere endgehärtet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, wobei man einen durch Auftrag der kationisch härtenden Tinte (5) auf den Behältern (2) erzeugten Tintenstrahlaufdruck (22) infolge seiner UV-initiierten Endhärtung im Wesentlichen bestrahlungslos über eine vorgegebene Dauer nachhärtet und den Aufdruck währenddessen bei Transport und Lagerung gegen mechanische Beschädigung schützt, insbesondere durch Bereitstellen von Scheuerrändern (2b) an den Behältern.
Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, wobei die Härtung ausschließlich mit UV-A-Strahlung insbesondere einer LED-Emission ausgelöst wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, wobei die Tinte (5) zum Auslösen einer Zwischenhärtung mit einer UV-A-Bestrahlung von 0,1-0,5 J/cm², insbesondere 0,2-0,4 J/cm², und/oder zum Auslösen der Endhärtung mit einer UV-A-Bestrahlung von 0,5-1,5 J/cm², insbesondere 0,6-1 J/cm², bestrahlt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, wobei eine Endhärtung der Tinte (5) durch eine insbesondere ergänzende UV-B- und/oder UV-C-LED-Emission fotoinitiiert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, wobei eine Endhärtung der Tinte (5) durch Emission aus wenigstens einer Quecksilberdampflampe bei einer Bestrahlung von 0,1-0,4 J/cm² fotoinitiiert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, wobei der Umgebungsbereich (14) des Direktdrucks und/oder ein Transportbereich / Lagerbereich (15) der Behälter (2) klimatisiert wird, und wobei insbesondere eine relative Feuchte von 50 % bei fotoinitiierter Zwischenhärtung, bei fotoinitiierter Endhärtung und/oder bei im Wesentlichen bestrahlungsloser Nachhärtung der Tinte (5) nicht überschritten wird.
Vorrichtung (1) zum Direktdruck auf Behälter (2) für Abfüllprodukte, insbesondere Getränke, gemäß dem Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, umfassend eine Direktdruckmaschine (3) mit einer Tintenversorgung (4) zum Bereitstellen kationisch härtender Tinte (5), mit wenigstens einem an die Tintenversorgung (4) angeschlossenen Tintenstrahldruckkopf (6) zum Auftrag der Tinte auf die Behälter insbesondere während ihres Transports in der Direktdruckmaschine, und mit wenigstens einer UV-Lichtquelle (8, 9, 10) zur Fotoinitiierung einer Härtung der aufgetragenen Tinte.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die UV-Lichtquelle (8, 9, 10) wenigstens eine im UV-A emittierende LED umfasst und dazu ausgebildet ist, die aufgetragene Tinte (5) zur Fotoinitiierung einer Zwischenhärtung mit einer UV-A-Bestrahlung von 0,1-0,5 J/cm², insbesondere 0,2-0,4 J/cm², und/oder zur Fotoinitiierung einer Endhärtung mit einer UV-A-Bestrahlung von 0,5-1,5 J/cm², insbesondere 0,6-1 J/cm², zu bestrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, ferner mit der Direktdruckmaschine (3) insbesondere unmittelbar vorgeschaltet: einem Flammtunnel (12) zur Beflammung der Behälter (2) und einem Kühltunnel (13) zur Kühlung der beflammten Behälter.
Behälter (2) für Abfüllprodukte, insbesondere Getränke, umfassend einen Behälterkörper (2a) aus Glas, Kunststoff und/oder einem Zellulosewerkstoff, und einen darauf, insbesondere ohne Zwischenschicht, direkt angebrachten Tintenstrahlaufdruck (22) umfassend eine Grundfarbschicht und eine mehrfarbige Druckbildschicht jeweils bestehend aus kationisch ausgehärteten Tintentropfen.
Behälter nach Anspruch 14, ferner umfassend wenigstens einen nach außen über den Tintenstrahlaufdruck (22) überstehenden Scheuerrand (2b).