Gelungener UV-Druck mit FUJIFILM SAMBA® JPC

UV-härtende Tinten gehören nach wie vor zu den gängigsten Inkjet-Rezepturen für den Industriedruck. UV–Tinten werden in grafischen und industriellen Anwendungen vielfach eingesetzt, sie erfordern zur Erfüllung anspruchsvoller Qualitätsstandards allerdings Sachkenntnis und technische Kapazitäten. Im vorliegenden Artikel wird erläutert, wie sich entsprechende Herausforderungen mit Lösungen bewältigen lassen, die auf SAMBA® JPC-Modulen von Fujifilm basieren.

UV-härtende Tinten gehören nach wie vor zu den gängigsten Inkjet-Rezepturen für Industriedruckanwendungen, von denen viele schon in Inkjet Insight erörtert wurden. Die Bandbreite an Materialien und die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten für UV reichen vom Etikettendruck über dekorative Oberflächen und die Verpackungsdekoration bis hin zu Leiterplatten (PCBs). Sie sind mit anderen Druckfarbentypen kaum möglich.

Geht es um Druckproduktivität, so ist Single-Pass-Inkjet das beste Verfahren. Auch hier vereinfachen UV-Tinten die Implementierung, vor allem weil sie dank der sofortigen Aushärtung bei einer Kombination mit weiteren Technologien einen kompakten Prozess ermöglichen. In diversen Artikeln und Webinaren wurden viele Problemstellungen des Single-Pass-Verfahrens in Bezug auf die Tinteneigenschaften und auf die Auswahl und Positionierung der Druckköpfe erörtert.

Die Erwartungen an die Qualität sind derweil in allen Endverbrauchermärkten des Inkjetdrucks weiter gestiegen. Beispielsweise wird mittlerweile angegeben, dass Inkjetdruck in „Offset-Qualität“ eine Druckkopf-Adressierbarkeit von mindestens 1.200 dpi erfordert (diese ist auch bei gedruckter Elektronik üblich). Moderne Si-MEMS-Druckköpfe erfüllen diese Anforderung in Kombination mit den richtigen UV-Druckfarben und -Lacke. Die Zuführung von Tinte mit der richtigen Temperatur und in gleichbleibend fehlerfreier Qualität zu einem Drucksystem bedarf allerdings einer sorgfältigen Planung aller Systemkomponenten.

Um diese Qualität in der Praxis dauerhaft zu erreichen, bedurfte es bisher einer derart ausgefeilten Technologie-Implementierung, dass nur wenige OEMs und Integratoren die besten Druckergebnisse erreichten. Im vorliegenden Artikel wird dargelegt, wie sich viele dieser technischen Herausforderungen durch die Implementierung von Lösungen mit der SAMBA® JPC-Technologie von Fujifilm schnell und effizient bewältigen lassen. Barry McGregor, Integrationsmanager bei Fujifilm Ink Solutions Group in Großbritannien, beschreibt dies so: „Wir versuchen, unsere Technologie und Sachkenntnis so reibungslos wie möglich bei den Kunden einzubringen.“ Doch zunächst einmal zu den von Fujifilm angebotenen Modulen.

Druckkopf
Auf dem Druckkopf baut der gesamte Inkjetdruck auf. Er bildet das Herzstück eines jeden Inkjetdrucksystems und ist von Komponenten umgeben, die auf ein Höchstmaß an Produktivität, Qualität und Zuverlässigkeit ausgelegt sind. BubbleJet- und Piezo-Druck sind die beiden führenden Drop-on-Demand-Verfahren (DOD), die in einem früheren Inkjet Explainer–Webinar vorgestellt wurden. Der Piezo-Druck gestattet eine breitere Anwendungschemie, insbesondere für die UV-härtenden Tinten, die so entscheidend für den erfolgreichen Inkjetdruck sind.

Bei der Herstellung von Druckköpfen kommen verschiedene Werkstoffe, Verfahren und Ausführungen zum Einsatz. Zur Erfüllung der steigenden Qualitätsanforderungen werden in den letzten Jahren zunehmend Si-MEMS-Druckköpfe eingesetzt und so werden mittlerweile viele Druckköpfe mit Si-MEMS-Technologie angeboten. Allerdings kann kein anderer Hersteller mit der praxiserprobten Leistung der SAMBA-Produktserie von Fujifilm mithalten, die erstmals auf der Drupa 2008 in der JetPress vorgestellt wurde.

Die Samba G3L-Druckköpfe erreichen eine Arbeitsfrequenz von über 100.000 kHz (d. h. über hunderttausend Tröpfenerzeugungen pro Sekunde!) und wurden seit ihrer OEM-Einführung im Jahr 2013 in einer ganzen Reihe bekannter Druckmaschinen eingesetzt. Eine Besonderheit der SAMBA-Technik ist die Herstellung des Piezo-Aktors durch Vakuumsputtern. Dieses nur bei Fujifilm verwendete Verfahren gewährleistet eine sehr stabile und dauerhafte Leistung. Tests belegen, dass mehr als 10¹³ Ausstöße möglich sind. Zur Veranschaulichung: Das entspricht einer Ausstoßfrequenz von 100.000 kHz jede Sekunde für ca. 3 Jahre. Die G3L-Variante kann also über ihre gesamte Lebensdauer hinweg eine Förderleistung von 10 l pro Düse bzw. unglaubliche 20 Tonnen pro Druckkopf erreichen.

Natürlich ist das nur die Theorie: In der Praxis hängt die Lebensdauer eines Druckkopfs von der Tinte und der Umgebung ab: zwei weiteren wichtigen Komponenten des Angebots von Fujifilm.

Was ist eine Druckleiste?
Eine Druckleiste ist die Kombination mehrerer Druckköpfe mit Tintenzufuhr und Elektronik. Sie erleichtert die Implementierung des Inkjetverfahrens für Druckereien, die die einzigartigen Vorteile der UV-Inkjettechnologie nutzen möchten. Single-Pass-Druckleisten haben sich sowohl in vollintegrierten Systemen bewährt als auch als Inline-Komponente konventioneller Maschinen für den Eindruck (das Aufdrucken variabler Daten in Schwarz-Weiß auf analog produzierte Druckerzeugnisse wie Zeitungen) und für die Nachrüstung von Druckmaschinen und Weiterverarbeitungslinien – z. B. für Etiketten, Verpackungen, Zeitschriften, Dekoroberflächen usw. – mit CMYK-Druckfunktionen.

Die Entwicklung einer guten Druckleiste erfordert Fachwissen in verschiedenen Bereichen, von der Elektronik über den Maschinenbau bis hin zur Strömungsmechanik. In der Vergangenheit war daher die Integration einzelner Druckköpfe in vorgefertigte Arrays die Domäne hochspezialisierter, als „Integratoren“ bezeichneter Anbieter: eine Hürde für alle, die das Potenzial des hochauflösenden Inkjetdrucks ausloten wollten. Bei Fujifilm ist man der Ansicht, diese Hürde durch das direkte Angebot der SAMBA JPC-Druckleisten abbauen zu können, denn das Unternehmen hat alle erforderlichen Technologien selbst entwickelt.

Einer der augenfälligsten Vorteile der Samba-Technologie ist die Ausführung des Druckkopfs als Parallelogramm. Sie ermöglicht das lineare Stitching zu einer vergleichsweise sehr kompakten Druckleiste. Das Foto und die schematischen Darstellung unten zeigen das Stitching der Druckköpfe und Düsenreihen mithilfe des SAMBA-Montagesystems zu einem linearen Array.

Der Vorteil: 1.200 dpi entsprechen per definitionem einer Düse alle 21 Mikrometer. Bei Mehrfarbsystemen hängt die Tröpfchenregistrierung der Druckfarben von CMYK- oder CMYKOGV-Drucken von der Positionierung des Substrats ab. Ein kleineres Druckwerk stellt geringere Ansprüche an die Ausrichtungspräzision des Systems.

Darüber hinaus gestattet die Druckleiste eine Feineinstellung einzelner oder aller Druckköpfe, damit die optimale Registerregelung quer zur Druckrichtung und entlang der Bahn mühelos erreicht wird. Dazu gehört die automatische Positionierung in Kombination mit dem JPC-Zubehör.

Da die Temperatur der UV-Tinten in der Regel zum Erreichen der benötigten Ausstoßviskosität erhöht ist, besteht die Druckleiste aus modernen Werkstoffen mit geringer Wärmeausdehnung, welche die geforderte Präzision im Betrieb liefern.

Für die Handhabung des gesamten Druckleistensystems in einer großen Druckmaschine kann der Rahmen sehr hilfreich sein (siehe Abbildung unten). Er gestattet die seitliche Verschiebung der Druckleisten und erleichtert den Druckkopfaustausch und die manuelle Druckkopfeinstellung gegenüber einem Hubmechanismus.

Elektronik
Einer der entscheidenden Vorteile der Inkjettechnologie mit Piezo-Druckköpfen ist die Einstellbarkeit des „Waveform“-Signals für das Piezoelement, das den Tröpfchenausstoß der einzelnen Düsen steuert. Tröpfchengröße, -geschwindigkeit und andere Ausstoßeigenschaften können mit gewissen Einschränkungen passend für die jeweiligen Anforderungen (z. B. Druckspalt) gewählt werden.

Waveforms wurden aufgrund der Komplexität des Themas im Inkjet Explainer bisher nicht behandelt. Unsere Freunde von Jetxpert haben jedoch eine einfache Erläuterung auf ihrer Website veröffentlicht, die auch einige Beispiele zu SAMBA-Druckköpfen enthält.

Wichtig ist ein präzises Anregungssignal, damit die mit hoher Frequenz austretenden Tröpfchen an der richtigen Stelle landen. Erreicht wird dies mittels einer Steuerungselektronik, welche die von einem Computer empfangenen Daten in die für jeden Druckkopf mit 2048 Düsen in 32 Düsenreihen an jeder Pixelposition benötigte Tröpfchengröße umwandelt. Dieses Timing-Wunderwerk basiert auf einer hochkomplexen und präzisen Rechentechnik.

Die FUJIFILM SAMBA JPC-Druckleiste enthält die erforderliche Elektronik in einem Komplettmodul einschließlich der Anschlüsse für Strom, Daten und Tinte.

Tintenzufuhr
Inkjet-Anfängern ist häufig nicht bewusst, welch wichtige Rolle das Tintensystem spielt. Der Druckkopf ist eine Pumpe, die, wenn sie nicht ausreichend mit Tinte versorgt wird, nicht die gewünschte Leistung erbringen kann. Die Tintenzufuhr an jeden einzelnen Druckkopf bedarf einer sorgfältigen Steuerung der Drücke im Kreislauf. Hinzu kommen die Tintenrückführung und das Erfordernis der präzisen Erwärmung der Tinte zur Steuerung der Viskosität. Angelique Runacre, Spezialistin für Tintenrezepturen bei Fujifilm Ink Solutions Group bringt es auf den Punkt: „Eine geringfügige Veränderung der Viskosität bewirkt eine große prozentuale Qualitätsänderung mit potenziell enormen Auswirkungen auf die Druckleistung“.

Dieses Problem löst die Druckleistenausführung von Fujifilm durch den integrierten Aufbau der Tintenkreislaufkomponenten, einschließlich Temperaturregelung und Entgasung. Die möglichst kurz gehaltenen Leitungen zwischen der Heizquelle und den SAMBA-Druckköpfen gewährleisten einen minimalen Temperaturunterschied (Delta T) und gestatten die Regelung bis zur Maximaleinstellung von 60 °C.

Die Tinten werden sorgfältig nach gleichbleibenden, optimalen Qualitätsstandards hergestellt. Die niedrige Temperatureinwirkung im Tintensystem vereinfacht die Aufrechterhaltung der optimalen Qualität, indem eine Verschlechterung der Tinte vermieden, Zuverlässigkeit erreicht und der Bedarf an vorbeugender Wartung zur Vermeidung verstopfter Filter und ähnlicher Probleme minimiert wird.

UV-Tinte
Wie bereits erwähnt, sind UV-Tintenrezepturen ein gutes Instrument zur Erfüllung verschiedener Anwendungs- und Druckanforderungen. Es sind zahlreiche UV-Tinten für verschiedene Druckköpfe auf dem Markt, darunter auch solche für das FUJIFILM SAMBA-Modell. Detaillierte Informationen über die Auswirkungen von Materialwahl, Materialqualifizierung und Tintenherstellungsverfahren auf die Gleichmäßigkeit der Tintenleistung sind allerdings nicht einfach zu finden. Eine unzureichende Steuerung kann selbst bei Tintenrezepturen mit nachgewiesener Eignung für einen spezifischen Druckkopf zu merklichen Schwankungen bei der Druckqualität oder Zuverlässigkeit führen.

Als UV-Tintenanbieter mit einem Inkjet-Stammbaum, der es mit jedem Mitbewerber aufnehmen kann, kennt man bei Fujifilm Ink Solutions Group die Bedeutung dieser Tatsache, insbesondere, wenn es um die SAMBA-Druckköpfe geht. Fujifilm stellt nicht nur UV-Tinten im eigenem, hochmodernen Werk in Großbritannien her, sondern verfügt auch über ein Anwendungsentwicklungszentrum, in dem neue Tintenrezepturen auf SAMBA-Drucksystemen umfassend getestet werden können (siehe unten).

Zuverlässiger Betrieb
Die SAMBA JPC-Serie umfasst mehr als die bloße Druckleistenmechanik. Zu ihr gehört neben der Hardware auch die zur Optimierung und Überwachung der Druckqualität einschließlich Düsenersatztechnologie erforderliche Software. Darauf einzugehen würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, doch sicher ist: Die Bedeutung der Pflege dieser wichtigen Druckköpfe kann nicht überbewertet werden. In der Praxis der kontinuierlichen Produktion kann immer etwas Unvorhergesehenes passieren. Bei einem Inkjetdrucksystem ist das im schlimmsten Fall eine Kollision zwischen Substrat und Druckköpfen, die bleibende mechanische Schäden verursacht. Eine wirksame Methode zur Kollisionsvorhersage kann sich daher schnell bezahlt machen. Die SAMBA JPC-Antikollisionssensorik kann zum Anhalten des Transportsystems genutzt werden oder mit einer Automatik zum zeitweisen Abheben der Druckköpfe im laufenden Druckbetrieb zusammenarbeiten.

Wichtig ist auch die Fähigkeit zur Bewältigung weniger schwerwiegender Ursachen für Druckqualitätsprobleme. Trotz der optimierten Düsenbenetzungsschicht zur Verringerung von Tintenablagerungen können Düsenrichtung und Ausstoß bei langen Druckläufen leiden. Ein automatisiertes Reinigungssystem ist ein wirkungsvolles Mittel zur Minderung der Auswirkungen auf die Produktivität.

Fazit
Gemäß dem Untertitel des Werks Handbook of Industrial lnkjet, an dem der Autor des Artikels mitgewirkt hat, profitiert die Entwicklung einer Inkjetlösung von einem Gesamtsystemkonzept. Die komplett separate Auslegung von Tinte und Hardware ist extrem schwierig. Die Zusammenarbeit mit einem Unternehmen wie Fujifilm, das Know-how in beiden Bereichen besitzt, kann ein großer Vorteil sein.

Das Gleiche gilt für die Kombination von Druckverfahren – sei es volldigital oder eine Hybridlösung aus digitalen und analogen Technologien. Um Takashi Fukui (Fujifilm Inkjet Business Division) zu zitieren: „Wir betrachten Inkjet und analoge Systeme als komplementären Prozess.“ Den Vorteil der Fähigkeit, einen Marktbedarf mit mehreren Lösungen zu decken, unterstreicht vor allem der Etikettendruck, dessen Wachstum durch CMYK-Inkjetmaschinen, Flexo-/Digital-Hybridlösungen und Maschinennachrüstungen (die meisten zur Nutzung von UV- oder UV-LED-Tinten) vorangetrieben wurde.

Druckleisten mit der zugehörigen Hard- und Software, unabhängig davon, ob sie auf BubbleJet- (HP, Memjet) oder Piezotechnologie basieren, beschleunigen nachweislich die Zeit zur Marktreife für neue Anwendungen. Viele Systeme mit Optionen für hohe Auflösungen sind auf wässrige Druckfarben beschränkt, es gibt nur relativ wenige UV-Systeme mit einer Leistung von 1.200 dpi.

Mit der neuen SAMBA JPC-Druckmodulserie für den UV-Druck hat Fujifilm die Bandbreite der Anwendungen erhöht, die von der unschlagbaren Kombination aus Druckqualität, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit profitieren können. Was die SAMBA JPC-Serie von anderen 1.200-dpi-UV-Systemen unterscheidet, sind die Zusatzmodule für die Konfiguration eines vollintegrierten Systems, die Palette der Tinten und der technische Support, der unerfahrenen Nutzern zur Seite steht. Einige dieser fortgeschrittenen Elemente werden in einem späteren Artikel wieder aufgegriffen.

Dieser Artikel wurde von Fujifilm Dimatix gesponsert