Wolfram Gieseke

Zur Herstellung von Druckerzeugnissen aller Art werden die unterschiedlichsten Druckverfahren und -farben angewandt. Wir beschränken uns in dieser Übersicht auf den Tief-, Flexo- und Offset-Druck.

Das Tiefdruckverfahren

Das Tiefdruckverfahren mit "rastrierten Walzen" wurde Ende des 19. Jahrhunderts von Ernst Rolffs, einem direktem Vorfahren der Familie Keller, Inhaber der Siegwerk Druckfarben AG in Siegburg erfunden und zum Patent angemeldet. Ursprünglich für den Stoffdruck entwickelt, ist es heute ein bedeutendes Druckverfahren sowohl für den Magazin- und Katalog- als auch dem Verpackungsdruck.

Als Druckform werden heute fast ausschließlich verkupferte Stahlkern-Zylinder verwendet. In der Kupferschicht werden dann nach verschiedenen Verfahren feine, unterschiedlich tiefe Näpfchen erzeugt, die anschließend zur Verminderung des Verschleißes hartverchromt werden. Beim Druckprozess werden die verchromten Näpfchen des Zylinders im Druckwerk mit der niedrigviskosen (dünnflüssigen) Tiefdruckfarbe befüllt, die überschüssige Farbe mittels eines sehr dünnen Stahlmessers, der so genannten Rakel, abgerakelt und anschließend auf den Bedruckstoff übertragen. Letzterer wird durch den Presseur (gummierter Gegendruckzylinder) auf den Druckzylinder gepresst. (Abb. 1).

Abbildung 1: 1) Substrat 2) Presseur 3) Rakelmesser 4) Druckzylinder 5) Farbe 6) Farbwanne

Die Näpfchen in der Kupferschicht werden heute überwiegend durch mechanische Gravur mittels Diamantstichel hergestellt, sie werden aber auch durch (klassische) Ätzverfahren mit Eisenchlorid oder Salzsäure oder neuerdings durch Gravur mittels Lasertechnik (Materialverdampfung) erzeugt (hier kommen je nach Verfahren zinkbeschichtete oder fertig verchromte Zylinder zum Einsatz). Die einzelnen Näpfchen werden durch Stege begrenzt, die zur Auflage der Rakel dienen.

In der Druckvorstufe, der Reprotechnik, werden aus einer Vorlage (z. B. einer digitalen Bildvorlage) die einzelnen Farbauszüge hergestellt, verfahrensbedingt aufgearbeitet und für die Druckformherstellung eingesetzt. Die Reproduzierung der Vorlage im Druck erfolgt durch Übereinanderdruck der einzelnen Halbtonbilder, indem man die Farben Gelb, Magenta (blaustichiges Rot), Cyan (grünstichiges Blau) und Schwarz (zur Kontrastverstärkung) passgenau übereinander druckt.

Abbildung 2: Reproduktion eines Bildes

Bei dem in der Praxis im Tiefdruck gebräuchlichen sog. 70er Bildraster werden auf der Druckform pro cm² 70 x 70 = 4900 Näpfchen erzeugt. Der Tiefdruck kann im Gegensatz zum Offset- und Flexodruckverfahren echte Halbtöne durch unterschiedlich tiefe Näpfchen und daraus resultierend unterschiedlich aufgebrachte Farbschichten erzeugen.

Abbildung 3: 1) Substrat 2) Druckzylinder (harte Oberfläche) 3) Plattenzylinder (weiche Oberfläche) 4) Rasterwalze 5) Farbkammer 6) Rakelbalken 7) Farbwanne

Der Flexodruck zählt zu den Hochdruckverfahren, wie der Buchdruck. Zum Namen: Gedruckt wird mit den erhabenen (hohen) Stellen. Er wird angewandt zum Druck von Zeitungen, Büchern und Verpackungen. Im Gegensatz zu den anderen beschriebenen Druckverfahren ist beim Flexodruck die Druckform flexibel (Photopolymer- oder Gummiklischees), der Gegendruckzylinder aus Stahl. Die Einfärbung des Druckklischees erfolgt heute überwiegend durch lasergravierte, keramische Rasterwalzen, die materialbedingt die notwendige, hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Die Rasterwalze kann man sich als nahtlos gravierten Tiefdruckzylinder vorstellen, wobei alle Näpfchen die gleiche Tiefe und somit das gleiche Volumen aufweisen. Im hochwertigen Flexodruck werden die Rasterwalzen ähnlich dem Tiefdruck zur exakten Farbdosierung abgerakelt, wobei bei modernen Maschinen die flüssige Druckfarbe über ein so genanntes Kammerrakelsystem der Rasterwalze zugeführt wird. (Abb. 3)

Die Photopolymerklischees werden durch Belichtung (UV-Licht) polymerisiert, d. h. unlöslich. Die Belichtung kann analog durch einen Rasterfilm (Negativ) im Direktkontakt mit UV-Lampen oder digital mittels Laser in speziellen Belichtern erfolgen. Im anschließenden Waschprozess werden die unbelichteten, nicht polymerisierten Anteile mittels geeigneter Lösemittel ausgewaschen bzw. nach einem neueren Verfahren lösemittelfrei durch Kontakt mit saugfähigen Materialien herausgelöst. Anschließend wird ggf. ein weiterer Finishing-Prozess durchgeführt und abschließend wird die Druckform in Öfen getrocknet um Restlösemittel zu entfernen.
Sie kann sowohl als Platte als auch als Rundumzylinder (Nahtloswalze) hergestellt werden. Die Photopolymerplatten werden mittels doppelseitiger Klebebänder auf spezielle Formatzylinder aufgeklebt, die Nahtlosdruckformen in der Regel auf speziellen Hülsen gefertigt, die vor Druckbeginn auf entsprechende Stahlträgerwalzen aufgezogen werden.

Der Flexo- und der Offsetdruck gehören zu den so genannten autotypischen Druckverfahren. Im Gegensatz zum Tiefdruck werden immer annährend gleiche Farbschichtdicken auf den Bedruckstoff übertragen. Halbtöne werden durch Aufrasterung (autotypische Bildzerlegung), d. h. durch unterschiedliche Flächendeckung erzeugt. Ein 5%iger Tonwert z. B. bedeutet, dass 5 % der Gesamtfläche des Bedruckstoffes mit Farbe bedeckt ist. Bei einem 34er Bildraster wären das dann 34 x 34 = 1156 Punkte pro cm², bei einem 54er Bildraster entsprechend 54 x 54 = 2916 Bildpunkte. Da - wie zuvor erwähnt - bei einem 5%igen Tonwert die Gesamtfläche aller Bildpunkte 5% der Gesamtfläche des Bedruckstoffes beträgt, folgt, das die Halbtonpunkte mit zunehmender Rasterweite immer kleiner werden und die Bildauflösung besser wird.

Flexodruckklischees werden je nach erforderlicher Bildqualität mit unterschiedlicher Bildrasterauflösung gefertigt, im Verpackungsdruck üblicherweise mit Bildrasterweiten von 34er bis 54er Raster. Die Einfärbung der Druckform mit Druckfarbe muss daher sehr präzise und konstant erfolgen. Praxisüblich werden Rasterwalzen mit bis zu 340 Linien pro cm verwendet, das sind 340 x 340 = 115600 Näpfchen pro cm².

Abbildung 4: Offsetdruck

Das bedeutende Offset-Druckverfahren gehört zur Gruppe der Flachdruckverfahren, bei dem sich druckende und nicht druckende Flächen nahezu auf gleicher Ebene befinden. Das Druckprinzip basiert auf gegenseitigem Abstoßen von Druckfarbe und Wasser durch chemische Präparation der Offsetplatten - Oberflächen. Die druckenden, hydrophoben Partien der Offsetplatte nehmen die vorwiegend ölbasierende Druckfarbe an und stoßen Wasser ab, während umgekehrt die nichtdruckenden (hydrophilen) Partien Wasser annehmen und Druckfarbe abstoßen. Zum Namen "Offset" dieses indirekten Druckverfahrens: Die Farbe wird von der Platte zuerst auf ein Gummituch übertragen und dann an den Bedruckstoff abgegeben. Als Druckformen kommen Metallplatten (z. B. elektrolytisch aufgeraute Aluminiumplatten) zum Einsatz. Sie werden auf einen Zylinder gespannt und ermöglichen ein rotatives und preiswertes Druckverfahren. Die im Vergleich zu den beiden vorgenannten Druckverfahren hochviskose Druckfarbe wird über eine Vielzahl von Walzen so gut verteilt, dass nach dem Weg über die Druckplatte und das Drucktuch ein Farbfilm übertragen wird, der eine durchschnittliche Schichtdicke von nur 1 µm aufweist.

Druckfarben

Druckfarben werden im Unterschied zu Lacken und anderen Beschichtungsstoffen üblicherweise in Schichtdicken von 1 bis 2 µm aufgetragen. Daher müssen sie wesentlich höher pigmentiert werden, mit zumeist 10 - 20 % organischen Buntpigmenten, um die notwendige Farbstärke zu erzielen. Füllstoffe werden nur in Ausnahmefällen mit verwendet.

Im Offset- und Buchdruck werden verfahrensbedingt pastöse (hochviskose) Druckfarben verarbeitet, im Tief- und Flexodruck sehr niedrigviskose (dünnflüssige) Druckfarben.

Grundsätzlich bestehen alle Druckfarben wie die anderen Beschichtungsstoffe aus vier verschiedenen Bestandteilen, den Bindemitteln, Farbmitteln, Lösemitteln und Additiven.

Bindemittel sind die nichtflüchtigen Bestandteile von Druckfarben, die Farbmittel und andere Rezepturbe-standteile mit dem Bedruckstoff verbinden (fixieren) und maßgeblich die Eigenschaften des getrockneten Druckfarbenfilms bestimmen. Als Bindemittel werden im geringen Maße reine Naturharze wie z. B., Schellack oder Naturasphalt verwendet, zum großen Teil Bindemittel aus nachwachsenden Rohstoffen wie zum Beispiel Cellulosederivate, modifizierte Kolophoniumharze und Pflanzenöle und zum Teil rein synthetische Bindemittel auf Erdölbasis wie zum Beispiel Acrylat-, Polyamid- oder Urethanharze.

Als organische Farbmittel werden fast ausschließlich synthetisch hergestellte Pigmente auf Erdölbasis eingesetzt, da nur mit diesen die notwendigen Farbstärken erzielt werden können. Neben der hohen Farbstärke müssen die Pigmente je nach Anwendung auch bezüglich ihrer Echtheiten und Beständigkeiten sorgfältig ausgesucht werden. Für Tapetenfarben wird zum Beispiel eine sehr hohe Lichtechtheit verlangt, für Waschmittelverpackungen Alkaliechtheit und für Torfsäcke eine hohe Witterungsbeständigkeit. Als anorganische Pigmente werden Ruß, Titandioxid und bei einigen Druckfarben auch Miloriblau (bekannt eher als Berliner Blau) verwendet. Gold- und Silberfarbtöne können entweder aus Aluminiumpigmenten, Messingschliffen oder Perlglanzpigmenten rezeptiert werden, Sehr selten werden noch lösliche Farbstoffe eingesetzt, die im Unterschied zu den Pigmenten in den Lösemitteln der Druckfarbe löslich sind.

Additive werden den Druckfarben nur in geringen Mengen zugegeben. Sie sind zum Beispiel Weichmacher (Plastifizierungsmittel), Haftzusätze, Wachse (zur Verbesserung der Abriebbeständigkeit), Gleitmittel, Mattierungsmittel, Antistatika, Netzmittel und Entschäumer.

Akzidenztiefdruckfarben werden zur Herstellung von Massendrucksachen wie Wochenzeitschriften (Magazinen), Katalogen und Broschüren verwendet. Als Bindemittel werden überwiegend Calcium- und Magnesiumresinate (Salze von Baumharz-Säuren), phenolmodifizierte Kolophoniumharze und für Schwarzfarben teils Naturasphalt (Gilsonit) eingesetzt. Als Lösemittel wird nur Reintoluol verwendet, welches beim Trocknungsprozess in der Druckerei zu 96 - 98 % zurückgewonnen und dem Produktionskreislauf wieder zugeführt wird. Als Druckträger werden ausschließlich Papiersorten bedruckt. Die Tiefdruckzylinder haben eine Druckbreite bis zu 4,32 m, die Druckgeschwindigkeit beträgt 15 m/s und mehr. Die Trocknung erfolgt rein physikalisch durch Verdunsten des Lösemittels. Die Trocknungsgeschwindigkeit, der Glanz sowie die Abriebfestigkeit können durch Zugabe von Spezialverschnitten, die auch Toluol- basiert sind, beeinflusst werden.

Die Bindemittel und Lösemittel (hochgereinigte Mineralöle) der pastösen Offsetfarben unterscheiden sich sehr von den Tief- und Flexodruckfarben, auch bezüglich der Trocknungsweise.

Die Trocknung erfolgt bei Coldset-Farben rein physikalisch durch "Wegschlagen" (Penetration) des Mineralöls in das Papier. Coldset-Farben werden überwiegend zum Druck von Tageszeitungen eingesetzt. Wichtig: Eine ausreichende Saugfähigkeit des Untergrundes.

Im Unterschied dazu werden Heatset-Farben (schneller) durch Verdampfen der Mineralöle in Trockenöfen getrocknet. Mit diesem Druckverfahren werden ähnliche Produkte (Magazine, Kataloge, Zeitungsbeilagen usw.) hergestellt wie im Akzidenzdruckverfahren.

Bei den - vom Druck her besonders hochwertigen - Bogenoffsetfarben erfolgt die Trocknung einerseits physikalisch durch Wegschlagen des Mineralöls in das Substrat und chemisch durch oxidative Vernetzung (Polymerisation) mit dem Luftsauerstoff, katalysiert durch Zugabe von Trockenstoffen (Metallseifen). Typische Beispiele für die Druckerzeugnisse sind Kalender, Plakate, hochwertige Werbematerialien, Grafiken, Bücher etc..

Lösemittel	Verdunstungszahl*
Aceton	2,0
Benzin 80/110**	3,3
Ethoxypropanol	33,0
Ethylacetat	2,8
Ethanol	8,3
Isopropanol	11,0
Isopropylacetat	4,2
Methoxypropanol	22,0
Methoxypropylacetat	33,0
Methylethylketon	2,6
n-Propanol	16,0
n-Propylacetat	6,2
Wasser	-
Tabelle: Übersicht über Lösemittel, die im Verpackungsdruck eingesetzt werden

Beide Druckverfahren werden zum Druck von Verpackungen aller Art eingesetzt. Neben diversen Papier- und Kartonsorten werden insbesondere auch Kunststofffolien (Einkaufstüten!) aller Art wie Polyethylen-, Polypropylen-, Polyester-, Polyamid-, Polystyrol- und PVC- sowie Aluminiumfolien bedruckt. Sehr häufig werden zur Erzielung bestimmter Eigenschaften zwei oder mehr Substrate miteinander verklebt. Bei diesen Verbundmaterialien liegt die Druckfarbe überwiegend in der Zwischenlage. Käse wird z. B. in einem Polyamid/polyester - Folienverbund verpackt, wobei die Polyamidfolie im Konterdruck (Rückseitendruck) mit den Druckfarben bedruckt und anschließend mit einem 2K-Kleber auf Polyurethanbasis gegen das Polyethylen kaschiert (verklebt) wird. Die PA - Folie zeichnet sich durch geringe Sauerstoffdurchlässigkeit aus, die PE - Folie durch Wasserdampf-sperrwirkung, und sie dient gleichzeitig als Siegelmedium zum Verschließen (Verschweißen) der Verpackung.

Die Dispergierung der Pigmente erfolgt bei lösemittelhaltigen Druckfarben in den Hauptbindemitteln Cellulosenitrat (NC), Polyvinylbutyral (PVB) und PVC-Co- oder Terpolymerisaten. Seltener werden als Dispergierbindemittel Ethylcellulose, Celluloseacetopropionat und - butyrat, Polyamid- sowie Acrylat- oder Polyurethanharze eingesetzt.
Für besondere Anforderungen stehen eine Vielzahl von Zweikomponentenfarben zur Verfügung, insbesondere auf Basis Polyol / Isocyanat, die zu Polyurethanen reagieren.

Als Bindemittel für wasserverdünnbare Druckfarben werden hauptsächlich Polyacrylatharze bzw. (Styrol)-Acrylatdispersionen verwendet, seltener saure Maleinatharze, Schellack oder andere synthetische Polymere wie z. B. Sulfopolyester.

Grundsätzlich können Tief- und Flexodruckfarben sehr ähnlich rezeptiert werden, wobei die Flexodruckfarben allgemein langsamer trocknend eingestellt werden müssen durch Verwendung von Lösemitteln mit höherer Verdunstungszahl (Verzögerer). Als Lösemittel werden hauptsächlich Ethanol, Ethylacetat und Ethoxypropanol verwendet. Bei den Flexodruckfarben ist die Lösemittelauswahl durch die Art des Klischeematerials beschränkt. Es dürfen nur Lösemittel verwendet werden, die die Klischees nicht oder nur sehr wenig anquellen lassen.

Die Trocknung der Tief- und Flexoverpackungsdruckfarben erfolgt entweder rein physikalisch durch Verdunsten der Lösemittel und bei Zweikomponentenfarben (Polyol / Isocyanat-Kombinationen) zusätzlich durch chemische Vernetzung (Polyaddition).

Wasserverdünnbare Druckfarben werden überwiegend zur Bedruckung von saugfähigen Materialen wie Papier und Karton eingesetzt. Sie enthalten als Bindemittel hauptsächlich eine Mischung aus (Styrol)-Acrylatdispersionen und Säuregruppen-haltigen Acrylatharzen, wobei letztere durch Neutralisation mit Ammoniak oder Aminen wasserlöslich gemacht werden. Sie können mit einer Vielzahl anderer wasserlöslicher Harze wie zum Beispiel sauren Maleinatharzen oder Schellack kombiniert werden. Als Additive werden zusätzlich Netzmittel zur Herabsetzung der hohen Oberflächenspannung von Wasser sowie Entschäumer benötigt. Zur Verdunstung des Wassers nach dem Druck wird eine ca. zehnmal höhere Energiezufuhr benötigt im Vergleich zu Farben auf Basis von organischen. Lösemitteln wie Ethanol oder Ethylacetat.

Bei den strahlungshärtenden Druckfarben erfolgt die Trocknung (besser: Aushärtung durch Polymerisation) durch UV- oder Elektronenstrahlen. Diese lösemittelfreien Systeme werden überwiegend im Offset- und Flexodruckverfahren eingesetzt.
UV härtende Druckfarben benötigen im Gegensatz zur energiereicheren Elektronenstrahltrocknung Photoinitiatoren zum Start der Polymerisation.

Als Bindemittel werden vorpolymerisierte Oligomere und Präpolymere, in der Regel Acrylatharze und Epoxide, eingesetzt, jeweils mit eingebauten, zur Polymerisation befähigten C=C-Doppelbindungen. Weitere Bestandteile sind Reaktivverdünner (z.B. Monomere), Photoinitiatoren und Aktivatoren, Pigmente und Additive.

Es gibt zwei unterschiedliche UV-härtende Systeme, kationisch und radikalisch härtende Druckfarben. Letztere enthalten Acrylate als Bindemittelbestandteil, die unter Einfluss von UV-Licht und katalysiert durch Photoinitiatoren durch Radikalkettenreaktion ausgehärtet werden.
Die kationisch härtenden Systeme enthalten Epoxidharze als Bindemittel, wobei die Vernetzungsreaktion durch Photoinitiatoren, die unter UV-Licht Säuren abspalten, ausgelöst wird.
Die ausgehärteten Farbfilme weisen neben einem guten Glanz hohe Siegelbeständigkeit und chemische Beständigkeiten auf.

Abbildung 5: Beispiele Anwendungen von Verpackungsdruckfarben

Ich hoffe, dass diese kleine Exkursion durch die innovative Druck- und Druckfarbenwelt, die sich sehr dynamisch entwickelt, Ihr Interesse geweckt hat.

Wolfram Gieseke Siegwerk Druckfarben AG Alfred-Keller-Str. 55 53721 Siegburg Tel.: +49 (0)2241 304-415 E-Mail: Wolfram.gieseke@siegwerk.com