Moderne Print-Produkte - Lithographische Druckplatten für Laserbelichtung

Industriell gefertigte gedruckte Produkte werden in mehr als 60 % der Fälle mit Hilfe lithographischer Druckplatten hergestellt. Wir finden lithographisch gedruckte Erzeugnisse wie Zeitungen, Bücher, Bildbände, Prospekte, Poster, Etiketten oder Verpackungsmaterialien auf einem breiten Spektrum von Bedruckstoffen wie Papier, Pappe, Folien und Metalloberflächen.

 

Das Spiel mit den Oberflächenenergien

Im Unterschied zu Druckformen für den Hochdruck, Tiefdruck oder Siebdruck, bei denen Bild- und Nichtbildstellen durch ein unterschiedliches Oberflächenprofil repräsentiert werden (Abbildung 1, [1]), liegen beim lithographischen Druck druckende und nichtdruckende Bereiche näherungsweise in einer Ebene. Die bildmäßige Differenzierung beruht ausschließlich auf unterschiedlichen Oberflächenenergien.

Abb. 1: Druck via Oberflächenprofil: Hochdruck (Flexodruck), Tiefdruck, Durchdruck (Siebdruck) und Flachdruck (Offsetdruck)

Die Druckform wird dazu mit einer Wasser-Öl-Emulsion aus Druckfarbe und einem sogenannten Feuchtmittel in Kontakt gebracht. Das Feuchtmittel enthält als wesentliche Komponenten oberflächenaktive Substanzen, ein Puffersystem für den pH-Bereich 4 bis 6 und häufig Isopropanol oder ein anderes Lösungsmittel. Die Wasser-Öl-Emulsion wird innerhalb der Druckmaschine in einer komplexen Anordnung aus Farbwalzen und Feuchtmittelwalzen in situ generiert und mit der Druckform in Kontakt gebracht. Es kommt zu einer Deponierung von Farbe an den Bildstellen (hydrophob, niedrige Oberflächenenergie), während das Feuchtmittel die Nichtbildstellen (hydrophil, hohe Oberflächenenergie) benetzt (Abbildung 2).
Das Bild wird bei allen heutigen Druckmaschinen vom Druckplattenzylinder zunächst auf einen Gummituchzylinder und erst von dort auf den Bedruckstoff übertragen. Dieses Verfahren wird als Offsetdruck oder indirekter Flachdruck bezeichnet.

Abb. 2: Grundprinzip des lithographischen Drucks: Störungen dieser sehr fragilen Balance aus Oberflächenenergie auf der Druckplatte und der Oberflächenspannung von Feuchtmittel und Farbe führen entweder zu Farbresten in Nichtbildbereichen (das „Tonen“, als Farbpünktchen mit der Lupe in manchen Druckerzeugnissen zu sehen) oder zu Farbannahmestörungen in Bildbereichen.

Die Farben

Druckfarben lassen sich nach der Art der Trocknung in drei Gruppen unterteilen:
Lufttrocknende Farben, sogenannte Coldsetfarben, die sehr häufig im Zeitungsdruck eingesetzt werden und die in sehr saugfähige Papiere eindringen. Frisch gedruckten Zeitungen ist oft anzumerken, dass der Trocknungsprozess noch nicht vollständig abgeschlossen ist.
Wärmetrocknende Farben, sogenannte Heatsetfarben, die für schnell laufende Rollendruckmaschinen zur Herstellung von Druckerzeugnissen mittlerer bis hoher Qualität geeignet sind. Bei Coldset- und Heatsetdruckfarben tragen neben der Verdunstung von flüchtigen Bestandteilen Oxidationsvorgänge zur Trocknung der Farbe bei.
UV-Licht-härtende Druckfarben (UV-Farben) härten durch radikalische Photopolymerisation. Sie haben einen geringen Anteil flüchtiger organischer Verbindungen. In Kombination mit dem Bogenoffsetdruck ermöglichen sie sehr hohe Druckqualitäten und eignen sich besonders gut für nichtsaugfähige Bedruckstoffe wie Folien.
Die Farbwiedergabe im Offsetdruck basiert auf der Farbmischung der Grundfarben Cyan, Magenta, Gelb und zusätzlich Schwarz. In einigen Fällen werden auch weitere Sonderfarben eingesetzt. Bilder werden durch die Rasterung in Pixelbilder der einzelnen Farben zerlegt, wobei ein Pixel einen einzelnen Laserpunkt darstellt, der bei hohen Auflösungen nur ca. 10 μm groß ist. Für jede Farbe wird eine Druckplatte benötigt. Die Farben werden nacheinander auf den Bedruckstoff übertragen.

 

Licht als Werkzeug der bildmäßigen Oberflächenstrukturierung

Vor 30 Jahren wurden Druckplatten ausschließlich durch Belichtung mit UV-Lampen mit einem wirksamen Spektralbereich von 320 bis 420 nm im Kontakt mit photographischen Schwarz-Weiß-Silberhalogenid-Filmen [2] hergestellt. Dabei wird in einem Vakuumkopierrahmen einige Sekunden belichtet (Abbildung 3). Anschließend werden die Platten in einer Entwicklungsmaschine mit einer wässrig-alkalischen Flüssigkeit entwickelt und mit Wasser gespült. Am Ende wird eine wasserlösliche Schicht eines Polymeren aufgetragen. Der letzte Schritt wird als „Gummierung“ bezeichnet, weil ursprünglich Gummi Arabicum eingesetzt wurde. Er dient zum Schutz gegen mitdruckende Fingerabdrücke, die bei der Handhabung entstehen können.

Abb.: 3 Das klassische Kontaktkopierverfahren von Silberhalogenidfilm auf eine UV-empfindliche Positiv- oder Negativdruckplatte.

Die Druckplattenherstellung wurde ab Ende der 1980er Jahre entscheidend durch die Entwicklung der Laser- und Computertechnologie verändert. Nunmehr wurde es möglich, Druckplatten ausgehend von digitalen Daten direkt mit Lasern zu belichten, den photographischen Film als Zwischenschritt der Druckplattenherstellung zu eliminieren und damit neben Kosteneinsparungen auch Qualität, Zuverlässigkeit und Zeit zu gewinnen. Als Begriff zur Beschreibung der direkten Belichtung von Druckplatten mit Lasern hat sich Computer-to-Plate (CtP) weltweit durchgesetzt.

Die zunächst eingesetzten Argon-Ionen-Laser (488 nm) und fd-Nd:YAG Laser (532 nm) haben naturgemäß den Nachteil, dass sie Druckplatten erfordern, die gegenüber sichtbarem Licht empfindlich sind und deshalb unverpackt bei Rotlicht gehandhabt werden müssen. Sie wurden seit Ende der 1990er Jahre von den in Abbildung 4 dargestellten Belichtern mit Halbleiterlasern im nahen IR-Spektrum (810 bis 830 nm, thermische Belichter) und solchen mit Violettlaserdioden (405 nm) verdrängt.

Abb. 4: Laserlichtquellen und Belichteraufbau

Gegenwärtig werden die höchsten Bildqualitäten und zugleich die höchsten Produktivitäten mit Halbleiterlasern im Bereich von 810 bis 830 nm erreicht, wenn die bildmäßige Modulation, wie in Abbildung 4 dargestellt, mittels einer Light-Valve-Matrix (Opto-akustische Modulation von mehr als 100 Strahlen) erfolgt. Die Bebilderung der Platten erfordert Energien im Bereich von 50 bis 300 mJ/cm². Die direkt elektrisch ein/aus-schaltbaren 405 nm-Halbleiterlaser werden vorzugsweise für Zeitungsanwendungen genutzt, da dafür die geringere Abbildungsqualität ausreichend ist und hohe Belichtungsgeschwindigkeiten mit Single-Beam-Belichtern zu niedrigen Kosten zu haben sind. Allerdings werden für diese Wellenlänge Platten benötigt, die bereits bei 50 bis 100 μJ/cm² ansprechen.

Abb. 5: Querschnitt einer Offsetdruckplatte

Den Grundaufbau einer belichteten und entwickelten Offsetdruckplatte zeigt Abbildung 5. Als Trägermaterial wird fast ausschließlich Aluminium eingesetzt, das elektrochemisch mit Wechselstrom am häufigsten in Salzsäure oder Salpetersäure als Elektrolyt aufgeraut wird. Zur Erhöhung der Härte wird die Oberfläche in einem zweiten Schritt anodisch mit Gleichstrom oxidiert, wobei je nach Elektrolyt kleinere (Schwefelsäure) oder größere (z.B. Phosphorsäure) Poren entstehen, die neben der Rauigkeit zur Haftung der lichtempfindlichen Schichten beitragen. Die Hydrophilie der Al-Oxidoberfläche wird durch eine dünne Zwischenschicht aus Materialien wie Polyvinylphosphonsäure, Silikate, Phosphate oder hydrophile Polymere mit Carboxylgruppen, die auch reaktive Gruppen enthalten können, erhöht. Lösungen der lichtempfindlichen Systeme, bestehend aus 1 bis 3 Schichten, werden in Bandbeschichtungsanlagen mit Geschwindigkeiten von 10 bis 100 m/min aufgetragen und getrocknet. Lichtempfindliche Systeme können positiv oder negativ arbeiten (siehe auch Abbildung 3). Die Klassifizierung bezieht sich auf die Löslichkeit nach der Belichtung: positiv bedeutet höhere Löslichkeit (Photosolubilisierung) und negativ bedeutet geringere Löslichkeit der belichteten Bereiche. Die Weiterverarbeitung der positiv- und negativ-arbeitenden Druckplatten ist grundsätzlich gleich.

Positiv- und negativ-arbeitende Druckplatten hat es bereits in der Zeit der UV-lichtempfindlichen, filmbasierenden Druckplatten immer parallel gegeben, wobei technische Argumente für positiv oder negativ genauso wichtig waren wie regionale Traditionen der Drucker und Marktstärke der Plattenhersteller. Bis auf die Tatsache, dass Haltevorrichtungen für die Platten in Laserbelichtern bei Positivplatten dazu führen, dass an diesen Stellen druckende Schicht zurückbleibt, was für einige Anwendungen störend sein kann, ist die Eigenschaft, den Tonwert positiv oder negativ wiederzugeben, heute nur noch von geringer Bedeutung. Andere Platteneigenschaften sind viel entscheidender für den Anwendungsbereich.

Hierauf geht ausführlich der Beitrag von Harald Baumann in der Zeitschrift Chemie in unserer Zeit, 2015, 49, 14 – 29, ein, und zwar in den Kapiteln über einschichtige und mehrschichtige Positivplatten, über die Vernetzung der negativen Druckplatten sowie über Verarbeitungsprozesse nach der Belichtung. Und auch der „Druck ohne Druckplatten“ wird kurz angerissen.

Literatur

[1] H. Baumann, T. Hoffmann-Walbeck, W. Wenning, H.-J. Lehmann, C. D. Simpson, H. Mustroph, U. Stebani, T. Telser, A. Weichmann, R. Studenroth, Imaging Technolgy, 3. Imaging in Graphics Art, Ullmann´s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2015

[2] H. Böttcher und J. Epperlein, Moderne Photographische Systeme, 1. Aufl., VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1983.