ENTWICKLUNG EINER METHODE ZUR BEWERTUNG DER … · 2017-08-16 · [email protected] ....

PTS-FORSCHUNGSBERICHT IK_MF 130044ENTWICKLUNG EINER METHODE ZUR BEWERTUNG DER BEDRUCKBAR-KEIT VON PAPIEREN IM WASSERBASIERTEN INKJETDRUCKVERFAHREN (INKJETBEDRUCKBARKEIT)

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John Schulz: Entwicklung einer Methode zur Bewertung der Bedruckbarkeit von Papieren im wasserbasierten Inkjetdruckverfahren (Inkjetbedruckbarkeit) PTS-Forschungsbericht 23/15 April 2016

Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134 D - 80797 München www.ptspaper.de

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Ansprechpartner:

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Papiertechnische Stiftung PTS Institut für Zellstoff und Papier IZP Pirnaer Straße 37 01809 Heidenau

Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens MF 130044 gewonnen, das im Programm zur "Förderung von Forschung und Entwicklung bei Wachstumsträgern in benachteiligten Regionen" mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über den Projektträger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Technologie mbH aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferindustrie für die Unterstützung der Arbeiten.

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John Schulz - Inkjetbedruckbarkeit I (31)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 23/15

Inhaltsverzeichnis

1 Zusammenfassung .................................................................................................................... 1

2 Technisch-technologische Zielstellung des Vorhabens ...................................................... 1

3 Darstellung der erzielten Vorhabensergebnisse ................................................................... 2

4 Material und Methoden .............................................................................................................. 3

5 Bewertung der erzielten Ergebnisse ....................................................................................... 5

5.1 Vorbereitende Arbeiten, Materialauswahl ................................................................................... 5

5.2 Herstellung von Laborproben ...................................................................................................... 5

5.3 Charakterisierung der Papiere und Tinten .................................................................................. 7

5.4 Bewertung mit Datamatrixtester .................................................................................................. 9

5.5 Bewertung mit Highspeedkamera ............................................................................................. 11

5.6 Bewertung der Papiere – Probedrucke ..................................................................................... 18

5.7 Erstellen der Klassifizierungsmethode ...................................................................................... 22

5.8 Modellierung des Wegschlagverhaltens ................................................................................... 24

Literatur ................................................................................................................................................ 29


John Schulz - Inkjetbedruckbarkeit 1 (31)


1 Zusammenfassung

Zielstellung Ziel war die Entwicklung eines Verfahrens zur Bewertung der Eignung von Pa-pieren für den Inkjetdruck. Zur schnellen Klassifizierung von Papieren hinsicht-lich Inkjet-Bedruckbarkeit sollte eine Bewertungsmethode entwickelt werden, die Ergebnisse von speziellen Messverfahren (HS-Kamera, Datamatrix-Tester), von Probedrucken sowie möglichst auch von Modellrechnungen einbezieht.

Ergebnisse Es wurde ein Verfahren zur Messung des Wegschlagverhaltens von Tinten in das Papier mittels High Speed Kamera entwickelt. Ergebnis sind Wegschlagzeit und Spreitungsfaktor. Das Verfahren gestattet eine Differenzierung der Papiere im Vorfeld von Praxisdrucken. Des Weiteren wurden Drucktests (Data-Matrix-Drucker; HSI-Druckköpfe) vorgenommen. Zur Bewertung des Druckergebnis-ses wurden Qualitätskenngrößen herangezogen. Es zeigte sich, dass die Effek-tivitätskennwerte des Inkjetdruckes (Wischlänge) mit den Ergebnissen der Pe-netrationsmessungen weitgehend korrelieren. Die Drucktests dokumentieren, dass die alleinige Betrachtung des Tintenwegschlagverhaltens die Druckqualität nicht ausreichend charakterisiert, d. h. Drucktests haben ihre Bedeutung. Ein weiterer Schwerpunkt war die Weiterentwicklung / Entwicklung von Model-len zur Abschätzung des Penetrationsverhaltens auf der Grundlage von Papier-kennwerten und Fluiddaten. Die Ergebnisse der Modellrechnungen korrelieren mit den experimentellen Messdaten, d. h. eine Abschätzung des Wegschlag-verhaltens kann auch mittels Modellrechnungen erfolgen.

Schluss-folgerung

Messverfahren und Modelle sind effiziente Möglichkeiten zur Optimierung der Papierqualität sowie zur Eingangskontrolle von Papieren hinsichtlich Weg-schlagverhalten. Damit entfallen für die Papierfabriken und Druckereien auf-wendige Drucktest bzw. kann deren Umfang reduziert werden, wodurch es zu einer signifikanten Kostenreduzierung kommt.

2 Technisch-technologische Zielstellung des Vorhabens

Ziel Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Verfahrens zur schnellen, zuver-lässigen und objektiven Bewertung der Eignung von Papieren für den Inkjet-druck. Zur schnellen Klassifizierung von Papieren hinsichtlich Inkjet-Bedruckbarkeit sollte eine Bewertungsmethode entwickelt werden, die Ergeb-nisse von speziellen Messverfahren (Highspeed-Kamera, Datamatrix-Tester), von Probedrucken sowie möglichst auch von Modellrechnungen einbezieht. Die Ergebnisse des im Projekt weiter zu entwickelnden Kamera-Messplatzes wur-den außerdem genutzt, um vorhandene Basismodelle zum Wegschlagverhalten auszubauen und zu optimieren. Das Projekt unterstützt die langfristig geplanten Forschungsarbeiten der PTS, Wege zur Bedruckbarkeitsverbesserung mit modular aufgebauten Simulations-werkzeugen zu finden. Die Entwicklung der dazu notwendigen Modellierungs-methoden und Werkzeuge erfolgt schrittweise im Sinne von Modulen. Ergän-zend dazu muss Messtechnik bereitgestellt werden, die für die Modellierung notwendige Daten in ausreichender Güte zur Verfügung stellt. Im vorliegenden




Projekt wurde die Messtechnik aus dem Projekt IK-VF 100010 weiterentwickelt und unterstützte u. a. das Projekt IK-MF „Toolbox 2“ durch Optimierung der Messtechnik. Darüber hinaus sollten die in vorangegangenen Projekten1,2,3 erzeugten Penetrationsmodelle weiterentwickelt werden.

3 Darstellung der erzielten Vorhabensergebnisse

Stand der Tech-nik bei Vorha-bensabschluss

Der industrielle Inkjet-Druck bei hoher Geschwindigkeit (HSI-Druck) gewinnt aufgrund der extrem hohen Flexibilität des Verfahrens sowie seiner Wirtschaft-lichkeit auch bei sehr kleinen Auflagen immer mehr an Bedeutung. Zum Zeitpunkt des Abschlusses des Vorhabens existierte infolge fehlender Messmethoden und -verfahren kaum eine Eingangskontrolle der Inkjetpapiere in den Druckereien, d. h. die Eignung eines Papiers für den HSI-Druck sowie die Qualitätsbewertung erfolgte in der Regel am fertigen Druckprodukt. Dies führt bei Nichteignung bzw. Qualitätsmängeln zu erheblichen Makulatur- und Mehr-kosten. Dies gilt sinngemäß auch für die Entwicklung von Inkjet-Qualitäten in den Papierfabriken. Häufig wird hier auf Testdrucke, angefertigt mit Büroinkjet-Druckern, ausgewichen. Diese bilden jedoch nicht einmal ansatzweise die rea-len Bedingungen der HSI-Produktion ab und sind somit nur sehr eingeschränkt aussagekräftig.

Verfahren im Vergleich zum Stand der Tech-nik bei Vorha-bensabschluss

Mit den entwickelten Messmethoden wurden Möglichkeiten geschaffen die Pa-piere im Vorfeld des Praxisdruckes hinsichtlich der Effizienz des Tintenweg-schlagens objektiv und schnell zu bewerten und ein Ranking der Papiere vorzu-nehmen. Dies erspart aufwendige Praxisdrucktest und somit Kosten. Die experimentelle Bestimmung des Tintenwegschlagverhaltens auf der Basis von Pikolitertropfen durch bildanalytische Auswertung der Topfenänderung über der Zeit an mittels Hochgeschwindigkeitskamera generierter Bildsequenzen liefert als Kenngrößen die Wegschlaggeschwindigkeit und das Spreitungsver-halten. Diese Kenngrößen korrelieren ausreichend mit den Ergebnissen der Wischtests an Praxisdrucken sowie den Resultaten der Data-Matrix-Tests. Die im Rahmen des Projektes vorgenommenen Drucktests dokumentieren je-doch, dass die alleinige Betrachtung des Tintenwegschlagverhaltens die Druckqualität nicht ausreichend charakterisiert, d. h. Drucktests haben auch zukünftig noch ihre Bedeutung, da neben dem Wegschlagverhalten weitere Eigenschaften, wie:

• Druckdichte/Farbort, • Mottling, Koalezenz, • Bleeding und Wicking • Punktzuwachs / Spreitung

von Bedeutung sind. Der Vorteil der entwickelten Methoden ist jedoch, dass die Papiere anhand des Tintenwegschlagverhaltens klassifiziert werden können und nur noch die Papiere für Drucktests herangezogen werden müssen, die hinsichtlich ihres Wegschlagverhaltens die gewünschten Anforderungen erfül-len. Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes war die Weiterentwicklung / Entwick-lung von Modellen zur Abschätzung des Penetrationsverhaltens auf der Grund-lage von Papierkennwerten und Fluiddaten. Hierzu wurden:




• die Differenzialgleichung von Bosanquet, • die Differenzialgleichung von Bosanquet mit Komponenten von Carman

(Filterkuchenproblematik – wichtig für pigmentierte Tinten), • Finite Elemente Modelle (COMSOL)

softwaretechnisch umgesetzt und zur Lösung gebracht. Es wurden umfangrei-che Modellrechnungen vorgenommen und mit den Ergebnissen der experimen-tellen Untersuchungen abgeglichen. Es zeigte sich, dass die Modelle die realen Verhältnisse des Tintenwegschlagens relativ gut abbilden. Damit steht ein wei-teres Verfahren zur Abschätzung des Wegschlagverhaltens der Tinte in Papier zur Verfügung. Die Anwendung der Modelle ist besonders hilfreich, um die op-timalen Papierkennwerte bei gegebenen Fluiddaten und Zielgrößenvorgabe (Wegschlaggeschwindigkeit) mathematisch abzuschätzen. Auf der Grundlage dieser Daten kann dann die Optimierung der realen Papiere sehr effizient vor-genommen werden.

4 Material und Methoden

Kommerzielle Inkjet-Papiere

Es wurden insgesamt 21 handelsübliche Papiere, nämlich zwei Naturpapiere (Nr. 13, 18), zwölf für den Inkjetdruck optimierte Naturpapiere (Nr. 1-7, 10-12, 19, 20), fünf pigmentierte Inkjetpapiere (Nr. 14-17, 21) sowie zwei gestrichene Inkjetpapiere (Nr. 8, 9), besorgt und in die Untersuchungen einbezogen.

Quecksilberporosimetrie

Die Porengrößenverteilung und Porosität der Papiere wurde mittels Hoch-druckquecksilberporosimetrie messtechnisch erfasst. Für die Bestimmung der Porengrößenverteilung der Strichschicht wurde jedes Basispapier vermessen. Anschließend wurden die Hochdruckquecksilberporosimetriedaten des Basis-papiers als Untergrund von den Daten der gestrichenen Papiere subtrahiert und die so erhaltene Differenz als Porengrößenverteilung der Strichschicht interpre-tiert. Mit Hilfe der Dicke und der flächenbezogenen Masse des Papiers und der Strichschicht wurde aus den Daten der Quecksilberporosimetrie auch die Poro-sität der Strichschicht in %, in ml/g und in ml/m² berechnet.

Penetrationsmessung Hochgeschwindigkeits-Flüssig-keitscharakterisie-rung (HFC)

Zur Penetrationsmessung kam die an der PTS entwickelte HFC-Methode zum Einsatz. Der prinzipielle Aufbau des PTS-Versuchsstandes zur Flüssigkeits-penetration durch Randwinkelmessung an Pikolitertropfen sowie die wichtigsten Parameter sind in Abb. 1 zusammengestellt. In der Regel wird mit Tropfenvo-lumen (Modellflüssigkeit) um 20 pl gearbeitet. Der Tropfen wird mit einem piezo-elektrischen Tropfengenerator erzeugt. Das Auftreffen des Tropfens sowie seine Veränderung durch Ausbreitung und Penetration werden mittels Hochge-schwindigkeitsvideokamera aufgezeichnet. Diese Videosequenzen werden an-schließend bildanalytisch aufgearbeitet, wobei der Randwinkel, die Tropfenhöhe und die Tropfenbreite bestimmt werden.




Abb. 1: High Speed Fluid Charakterisierungsversuchsstand (HFC)

OCA Im Rahmen des Projektes wurden umfangreiche Untersuchungen zur Oberflä-chenspannungsmessung vorgenommen, wobei das OCA-Messgerät der Firma DataPhysics4 genutzt wurde. Messtechnisch handelt es sich um eine Randwin-kelmessung, die mit Flüssigkeiten verschiedener Polarität durchgeführt wird und anschließender Kalkulation der Oberflächenspannung.

Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten

Die Viskosität wurde mit Hilfe eines Brookfield-Rotationsviskosimeters und eines Rheometers mit Kegel-Platte-Geometrie bestimmt.

Bestimmung der Oberflächen-spannung von Flüssigkeiten

Für die Messung der statischen und dynamischen Oberflächenspannung der Flüssigkeiten wurde ein Blasendrucktensiometer verwendet.

Oberflächenenergie

Die Oberflächenenergie der Papiere wurde nach Owens Wendt Rabel Kaelble (OWRK) aus den Benetzungswinkeln dreier Flüssigkeiten (Wasser, Formamid, Diiodmethan) bestimmt.

Feststoffgehalt Der Feststoffgehalt der Streichfarben wurde mit einer IR-Trockenwaage gemes-sen.

Teilchengrößenverteilung

Zur Bestimmung der Teilchengrößenverteilung der pigmentierten Inkjettinten wurde das Verfahren der Photonenkreuzkorrelation (dynamische Lichtstreuung) genutzt. Für die Messung wurden die Tinten 1:1000 verdünnt.

pH-Wert Der pH-Wert wurde mit einem handelsüblichen pH-Meter mit Glaselektrode bestimmt.

Einzeltropfenanalyse VT0 = 20 pl - 500 plDyn. Randwinkelmessung bis VT = 0 pl

Bildanalytische Auswertung: tmax bis VT = 0 pl hT, bT, VT und RW = f{t}

Kapillare

Kamera

Papierprobe auf Objektträger

Kamera

D. Weinzierl - PTS

Kamera 1.000 Frames/s – 1 msVergrößerung 1.000xPixelgröße 0,5 µm

tmax [ms] ±10 %VT [pl] ±15 % (Pixelfehler)

VT0 – Tropfenvolumen bei t=0 s; tmax – Wegschlagzeit für VT=0 pl; hT – Tropfenhöhe, bT – Tropfenbreite, RW - Randwinkel




5 Bewertung der erzielten Ergebnisse

5.1 Vorbereitende Arbeiten, Materialauswahl

Zielstellung Das Ziel dieses Arbeitspaketes war die konkrete Definition der zu untersuchen-den Marktpapiere und Tinten, die Konzeption der Laborversuche und die Bereit-stellung der dafür erforderlichen Geräte und Materialien.

Tätigkeiten Als vorbereitende Maßnahmen für dieses Projekt wurden folgende Punkte be-arbeitet:

• Auswahl der zu untersuchenden Marktpapiere in unterschiedlichen Qua-litäten bezüglich Inkjetdruck (Naturpapiere, pigmentierte und gestrichene Papiere).

• Es wurden gestrichene, grafische Papiere und Faltschachtelkarton so-wie Rohpapiere für die Laborstreichversuche ausgewählt und beschafft.

• Wasserbasierte Inkjet-Tinten für den Einsatz in den verschiedenen Be-wertungsmethoden wurden ebenso wie ein Fixiermittel ausgewählt und beschafft.

• Die Verfügbarkeit der Mess- und Versuchsaufbauten wurde geprüft und sichergestellt.

Eine grundlegende Konzeption der Laborstreichversuche wurde erarbeitet und die benötigten Materialien (Pigmente, Binder, Additive) besorgt.

5.2 Herstellung von Laborproben

Zielstellung Die Herstellung von variierenden Strichen und Papieren mit unterschiedlicher Eignung für den Inkjetdruck.

Tätigkeiten Es wurde ein Laborplan mit 16 Einfachstrichen, 6 Doppelstrichen und 4 Drei-fachstrichen und in einem zweiten Schritt ein Laborplan mit weiteren 17 Ein-fachstrichen abgearbeitet. Bei den Doppel- und Dreifachstrichen wurde die Ab-folge der einzelnen Strichschichten variiert. Ausgewählte Rezepturen wurden auch auf eine Folie appliziert. Das Fixiermittel für Pigmenttinte wurde durch Bladeauftrag auf ausgewählte, gestrichene Papiere flächendeckend aufgetragen.

Herstellung von Laborproben

Im Labormaßstab wurden gestrichene Papiere mit Einfach-, Doppel- und Drei-fachstrichen hergestellt. Diese eignen sich zur prüftechnischen Charakterisie-rung mit den üblichen Standardmessverfahren und bildeten somit die Datenba-sis für die folgenden Arbeitspakete.

Strichkonzepte Ausgehend von den Streichfarben wurden einfach, zweifach und dreifach ge-strichene Papiere mit unterschiedlicher Eignung für den Inkjetdruck hergestellt. Die ausführlichen Versuchspläne sind in den Tab. 1 bis Tab. 3 zusammenge-stellt. Tab. 1: Strichrezepturen – Pigmentvariationen – Einfachstriche (E01 bis E16)




Tab. 2: Strichrezepturen – Pigmentmischungen - Einfachstriche (M01 bis M20)

Tab. 3: Aufbau und Rezepturen der Zwei- und Dreifachstriche

Typ E01 E02 E03 E04 E05 E06 E07 E08 E09 E10 E11 E12 E13 E14 E15 E16GCC 1 100GCC 2 100 100 100GCC 3 100 100 100GCC 4 100PCC 1 100PCC 2 100PCC 3 100MCC 100Kaolin 1Kaolin 2Kaolin 3Kaolin 4Calciumsilikathydrat 100gefälltes Silica 1 100gefälltes Silica 2 100pyrogenes Silica 100SB-Latex 15 15 15 15 15 15 15 15 25 15 15Latex 12 12Kationische StärkePVOH 20 1 1 10 10PVOHVerdickerPoly-Dadmac 5 2

nach Bedarf

Typ M01 M02 M03 M04 M05 M06 M07 M08 M09 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 M17 M18 M19 M20GCC 1GCC 2 100 75 50 25 0 100 75 50 25 0 100 75 50 25 0 100 75 50 25 0GCC 3GCC 4 0 25 50 75 100PCC 1PCC 2 0 25 50 75 100PCC 3MCCKaolin 1Kaolin 2 0 25 50 75 100Kaolin 3Kaolin 4Calciumsilikathydratgefälltes Silica 1gefälltes Silica 2pyrogenes Silica 0 25 50 75 100SB-Latex 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8LatexKationische StärkePVOHPVOHVerdickerPoly-Dadmac

nach Bedarf

Typ E1 E5 E1 E6 E1 E10 E5 E1 E6 E1 E10 E1GCC1 100 100 100 100 100 100GCC2GCC3GCC4PCC1 100 100PCC2 100 100PCC3MCCKaolin1Kaolin2Kaolin3Kaolin4Calciumsilikathydratgefälltes Silica1 100 100gefälltes Silica2pyrogenes SilicaSB-Latex 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15LatexKationische StärkePVOHPVOHVerdickerPoly-Dadmac

E1/E5 E1/E6 E1/E10 E10/E1E5/E1 E6/E1Zweifachstriche

Pre Mid Top Pre Mid Top Pre Mid Top Pre Mid TopTyp E1 E3 E5 E1 E3 E6 E5 E3 E1 E6 E3 E1GCC1 100 100 100 100GCC2GCC3 100 100 100 100GCC4PCC1 100 100PCC2 100 100PCC3MCCKaolin1Kaolin2Kaolin3Kaolin4Calciumsilikathydratgefälltes Silica1gefälltes Silica2pyrogenes SilicaSB-Latex 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15LatexKationische StärkePVOHPVOHVerdickerPoly-Dadmac

E1/E3/E5 E6/E3/E1E1/E3/E6 E5/E3/E1Dreifachstriche




Fixiermittelauftrag

Die am besten geeignete Auftragsart für das Fixiermittel wurde aus den im La-bor vorhandenen Methoden (Bladeauftrag, Rakelauftrag, Sprühauftrag) durch Vorversuche bestimmt. Der Bladeauftrag erwies sich als beste Methode. Der Sprühauftrag ergab einen inhomogenen Fixiermittelauftrag. Beim Rakelauftrag konnten kleine Mengen Fixiermittel nicht praktikabel aufgetragen werden. Das Fixiermittel für Pigmenttinte wurde auf 10 ausgewählte Papiere flächendeckend aufgebracht.

5.3 Charakterisierung der Papiere und Tinten

Zielstellung Die umfangreiche papiertechnische Charakterisierung der Labor- und Marktpa-piere sowie die Charakterisierung der Inkjet-Tinten als Datenbasis für die Model-lierung waren die Ziele dieses Arbeitspaketes.

Tätigkeiten Die beschafften Marktpapiere und die im AP 2 hergestellten Laborpapiere wur-den mittels der üblichen Standardmessverfahren prüftechnisch charakterisiert. Von den beschafften Inkjettinten wurden Dichte, Viskosität, Oberflächenspan-nung und Teilchengrößenverteilung bestimmt.

Charakterisierung der Tinten

Die bisher bestimmten Eigenschaften der Tinten eignen sich als Datenbasis für die in den folgenden Arbeitspaketen geplante Optimierung der Modelle.

Papier- und Strichcharakteri-sierung

Für alle gestrichenen Papiere wurden folgende Eigenschaften bestimmt: • Flächenbezogene Masse des Papiers, • Flächenbezogene Masse des Strichs, • Gesamtdicke des Papiers, • Dicke der Strichschicht(en).

Die Tab. 4 und Tab. 5 enthalten die realisierten Auftragsmengen und Strich-dicken sowie die Strichdichte.

Tab. 4: Auftragsmenge und Strichdicke – Pigmentvariationen - Einfachstriche

Tab. 5: Auftragsmenge und Strichdicke – Pigmentvariationen - Einfachstriche

Hg-Porosität Die Porosität der Papiere wurde mittels Hg-Porosimetrie messtechnisch erfasst und die Porengrößenverteilung aus den Messdaten ermittelt (Tab. 6).

Typ E01 E02 E03 E04 E05 E06 E07 E08 E09 E10 E11 E12 E13 E14 E15 E16Auftragsmasse [g/m²] 17,2 15,2 15,7 14,9 15,6 18,6 16,7 15,4 15,7 14,0 15,0 15,6 14,5 15,3 14,7 14,6Strichdicke [µm] 8,5 7,6 8,3 7,4 14,7 21,7 19,6 7,3 20,3 43,9 26,2 26,5 7,2 8,9 7,7 8,7Strichdichte [g/mL] 2,0 2,0 1,9 2,0 1,1 0,9 0,9 2,1 0,8 0,3 0,6 0,6 2,0 1,7 1,9 1,7

Typ M01 M02 M03 M04 M05 M06 M07 M08 M09 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 M17 M18 M19 M20Auftragsmasse [g/m²] 15,9 16,4 14,4 14,7 15,3 15,9 15,8 14,9 15,7 15,5 15,9 15,9 13,7 17,5 16,1 17,8 15,5 15,0 13,6 15,0Strichdicke [µm] 9,7 10,6 9,1 8,5 11,1 9,7 12,5 12,6 12,4 10,3 9,7 13,6 14,3 19,2 21,9 11,7 11,1 14,4 17,4 22,0Strichdichte [g/mL] 1,6 1,5 1,6 1,7 1,4 1,6 1,3 1,2 1,3 1,5 1,6 1,2 1,0 0,9 0,7 1,5 1,4 1,0 0,8 0,7




Tab. 6: Hg-Porosimetriemessdaten

Für die Bestimmung der Porengrößenverteilung der Strichschichten wurde das jeweilige Basispapier vermessen. Anschließend wurden die Hg-Daten des Ba-sispapiers als Untergrund von den Daten der gestrichenen Papiere subtrahiert und die so erhaltene Differenz als Porengrößenverteilung der Strichschicht in-terpretiert. Mit der Dicke und der flächenbezogenen Masse des gestrichenen Papiers und der Strichschicht wurde aus den Daten der Hg-Porosimetrie auch die Porosität der Strichschicht in %, in ml/g und in ml/m² berechnet (Tab. 6).

Tinten Die Eigenschaften der Inkjettinten sind in Tab. 7 zusammengefasst:

Tab. 7: Wesentliche Eigenschaften der Tinten

MusterMaterial-

dicke [µm]

Flächen-gewicht Strich [g/m2]

Flächen-gewicht Substrat [g/m2]

MW STABW MW STABW MW STABW MW STABWE01 16,0 0,9 0,101 0,006 0,08 0,00 1,4 0,1 8,5 17,2 81E02 34,5 0,4 0,054 0,001 0,08 0,00 1,3 0,0 3,6 15,2 81E03 28,0 0,1 0,051 0,008 0,11 0,00 1,8 0,0 6,3 15,7 81E04 56,8 0,4 0,078 0,006 0,13 0,00 2,0 0,0 3,4 14,9 81E05 34,2 1,8 0,055 0,001 0,32 0,01 5,0 0,3 14,7 15,6 81E05_E01 31,6 3,6 0,058 0,000 0,21 0,02 3,1 0,4 9,9 15,0 81E05_E03_E01 34,1 0,5 0,056 0,000 0,22 0,01 3,2 0,0 9,5 15,0 81E06 63,0 6,2 0,355 0,001 0,65 0,06 12,0 1,2 19,1 18,6 81E07 24,4 1,8 0,204 0,007 0,26 0,02 4,2 0,3 17,3 16,7 81E08 20,3 1,1 0,064 0,002 0,10 0,01 1,5 0,1 7,3 15,4 81E09 16,7 1,1 0,064 0,000 0,22 0,01 3,4 0,2 20,3 15,7 81E10 7,1 0,4 0,012 0,002 0,22 0,01 3,1 0,2 43,9 14,0 81E11 53,6 0,4 0,143 0,005 0,94 0,01 14,1 0,1 26,2 15,0 81E12 40,1 2,5 0,019 0,000 0,68 0,04 10,6 0,7 26,5 15,6 81E13 97,5 0,8 0,059 0,001 0,10 0,00 1,5 0,0 1,5 14,5 81E15 39,5 2,9 0,063 0,001 0,10 0,01 1,4 0,1 3,5 14,2 81M01 26,8 1,5 0,051 0,000 0,17 0,01 2,6 0,1 9,7 15,9 81M02 29,7 1,7 0,041 0,001 0,19 0,01 3,2 0,2 10,6 16,4 81M03 32,1 2,5 0,036 0,001 0,20 0,01 2,9 0,2 9,1 14,4 81M04 37,6 0,1 0,032 0,001 0,22 0,00 3,2 0,0 8,5 14,7 81M05 21,0 0,5 0,029 0,000 0,15 0,00 2,3 0,1 11,1 15,3 81M08 22,0 0,1 0,056 0,001 0,19 0,00 2,8 0,0 12,6 14,9 81M13 41,0 4,8 0,236 0,001 0,43 0,05 5,9 0,7 14,3 13,7 81M18 51,5 1,3 0,019 0,000 0,50 0,01 7,4 0,2 14,4 15,0 81S00 56,4 3,2 0,201 0,006 0,30 0,02 8,8 0,5 15,7 29,8 81S01 12,2 0,7 0,106 0,000 0,07 0,01 1,9 0,1 15,2 29,5 81S02 20,9 6,3 0,065 0,002 0,10 0,03 1,6 0,5 7,6 15,7 81S03 18,5 4,3 0,089 0,002 0,10 0,02 2,7 0,6 14,7 29,9 81S10 45,4 7,3 0,059 0,001 0,25 0,04 7,1 1,1 15,7 29,0 81S11 36,6 0,6 0,073 0,001 0,20 0,00 5,9 0,1 16,1 29,2 81S12 35,2 4,5 0,070 0,000 0,20 0,02 5,8 0,7 16,4 29,2 81S13 32,8 3,0 0,069 0,000 0,18 0,02 5,4 0,5 16,6 30,9 81S20 30,5 0,5 0,030 0,000 0,18 0,00 5,8 0,1 19,2 32,7 81S21 36,0 5,7 0,028 0,001 0,21 0,04 6,0 0,9 16,7 28,8 81S22 28,7 0,1 0,029 0,000 0,16 0,00 4,7 0,0 16,5 29,6 81S23 31,6 6,9 0,027 0,001 0,17 0,04 4,9 1,1 15,4 28,6 81

Porosität [%] Mittlerer Porenradius [µm]

Porenvolumen [mL/g]

Porenvolumen [mL/m2]

Typ Tinte Kürzel ρ σ η d50g/mL mN/m mPas nm

schwarz DT1 1,10 28,0 3,0 -cyan DT2 1,07 27,4 3,5 -

magenta DT3 1,04 28,0 3,7 -gelb DT4 1,06 29,6 2,4 -

schwarz PT1 1,06 30,4 3,9 119cyan PT2 1,08 28,1 3,8 90

magenta PT3 1,05 24,2 3,2 98gelb PT4 1,07 24,8 2,9 294

schwarz DT5 1,07 28,7 2,1 -cyan DT6 1,05 28,7 2,1 -

magenta DT7 1,04 28,9 2,2 -gelb DT8 1,08 28,6 2,3 -

schwarz PT5 1,06 38,4 3,2 343cyan PT6 1,06 34,2 3,0 149

magenta PT7 1,07 31,3 3,1 212gelb PT8 1,05 34,2 3,2 110

Hersteller 1

Dye

Pigment

Dye

Pigment

Hersteller 2




5.4 Bewertung mit Datamatrixtester

Tätigkeiten Die ausgewählten Laborpapiere ebenso wie die beschafften Marktpapiere wur-den mit dem Datamatrix-Testgerät vermessen und bewertet. Nach erfolgreicher Anpassung der bisher nur für Kartone verwendeten Mess-routine an gestrichene, grafische Papiere konnte die Messung und Bewertung der einzelnen Papiere erfolgen. Aufgrund von Inkompatibilität der beschafften Inkjettinten für piezoelektrische Druckköpfe mit dem Bubblejet-Druckkopf im Datamatrixversuchsstand wurden die Messungen mit der Standardtinte durchgeführt.

Teilaufgaben Für die messtechnische Begutachtung wurden folgende Schritte durchgeführt: • Probenvorbereitung, • Anpassen der Einstellungen an die ausgewählte Tinte, • Anpassen der für Kartone optimierten Messmethode an grafische Papie-

re, • Bewertung der einzelnen Papiere.

Ergebnis Labor-papiere

Die Ergebnisse der DataMatrix Tests sind in den Tab. 8 und Tab. 9 tabellarisch zusammengestellt. In den Tab. 8 und Tab. 9 sind sowohl das Bewertungser-gebnis ohne und mit mechanischem Wischen als auch der erzielte Kontrast des Druckes eingetragen. Dabei bedeutet Note 4,0 (A) ein gutes Druckergebnis. Druckbilder mit der Note 0,0 (F) sind inakzeptabel. Für die praxisrelevante Be-wertung des Druckergebnisses sind vordergründig die Noten mit Einsatz der Wischeinheit von Bedeutung, da diese sowohl die Druckqualität als auch die Effizienz des Druckens in Kombination zum Ausdruck bringen.

Tab. 8: Wischtestergebnisse DataMatrix Test - Pigmentvariationen – Einfach-striche (E01 bis E16)

Tab. 9: Wischtestergebnisse DataMatrix Test - Pigmentvariationen – Ein-fachstriche (E01 bis E16)

Musterohne WT, Kontrast

0,1 sec,Kontrast

E01 3,0 B 0,616 3,0 B 0,627E02 3,0 B 0,612 3,0 B 0,627E03 3,0 B 0,616 3,0 B 0,627E04 3,0 B 0,588 3,0 B 0,608E05 3,0 B 0,584 3,0 B 0,616E06 2,0 C 0,510 3,0 B 0,553E07 2,0 C 0,522 3,0 B 0,557E08 3,0 B 0,620 3,0 B 0,612E09 3,0 B 0,573 3,0 B 0,576E10 2,0 C 0,541 2,0* C 0,541E11 3,0 B 0,569 3,0 B 0,580E12 3,0 B 0,569 3,0 B 0,580E13 3,0 B 0,643 3,0* B 0,635E14 3,0 B 0,635 3,0* B 0,639E15 4,0 A 0,729 1,0 D 0,706E16 4,0 A 0,729 0,0 F 0,714

ohneWT*

WT0,1 sec Muster

ohne WT, Kontrast

0,1 sec,Kontrast

M01 3,0 B 0,612 3,0 B 0,627M02 3,0 B 0,587 3,0 B 0,580M03 3,0 B 0,554 3,0 B 0,557M04 2,2 C 0,548 2,2 C 0,541M05 2,0 C 0,541 2,0* C 0,514M06 3,0 B 0,612 3,0 B 0,627M07 3,0 B 0,616 3,0 B 0,557M08 3,0 B 0,692 3,0 B 0,626M09 3,0 B 0,589 3,0 B 0,688M10 3,0 B 0,588 3,0 B 0,608M11 3,0 B 0,612 3,0 B 0,627M12 3,0 B 0,587 3,0 B 0,560M13 3,0 B 0,674 3,0 B 0,698M14 3,0 B 0,588 3,0 B 0,599M15 2,0 C 0,510 3,0 B 0,553M16 3,0 B 0,612 3,0 B 0,627M17 3,0 B 0,599 3,0 B 0,595M18 3,0 B 0,604 3,0 B 0,577M19 3,0 B 0,606 3,0 B 0,573M20 3,0 B 0,569 3,0 B 0,580

ohneWT*

WT0,1 sec




Es zeigte sich, dass alle Strichvarianten mit wenigen Ausnahmen ein durch-schnittliches Druckergebnis aufwiesen, was auch auf den meist mittelmäßigen Kontrast zurückzuführen ist. Eine signifikante Abhängigkeit von der Pigmentart, der Pigmentmischung sowie dem geometrischen Strichaufbau konnte nicht nachgewiesen werden. Negativ aufgefallen ist das Silica 1, welches sowohl im ungewischten wie auch im gewischten Zustand relative schlecht bedruckbar war. Extrem schlechte Druckergebnisse wurden beim Wischen der Varianten E15 und E16 erhalten. Dies wird auf das langsame Wegschlagverhalten der Tinten beim Einsatz von hydrophilem Polyvinylalkohol als Binder zurückgeführt. Im ungewischten Zustand verfügten diese Varianten, insbesondere aufgrund des hohen Kontrasts, über exzellente Druckergebnisse. Ebenfalls unbefriedi-gende Druckergebnisse wurden beim Einsatz von Kaolin erhalten. Hierfür ist vordergründig die plättchenförmige Struktur der Pigmentteilchen verantwortlich, d. h. der Einsatz von Kaolin für pigmentierte und gestrichene Druckpapiere für den Inkjetdruck ist nicht zu empfehlen.

Mustermaterial für vergleichen-de Untersuchun-gen

Aus dem umfangreichen Bestand an Papieren wurden 21 konventionelle Druck-papiere, die in der Mehrzahl für den Inkjetdruck konfektioniert wurden, für die vergleichende Bewertung ausgewählt. In Abb. 2 sind die Wischtestnoten dieser Papiere grafisch aufbereitet.

Abb. 2: Inkjetdruck-Qualität von konventionellen, grafischen Papieren - Datamatrix-Test

Der Abb. 2 kann entnommen werden, dass mit Ausnahme von Papier 6 die nicht inkjetoptimierten sowie die optimierten Naturpapiere gut bis sehr gut be-druckbar sind. Dagegen sind die pigmentierten Sorten mit Ausnahme von Pa-pier 16 nicht bedruckbar. Von den beiden gestrichenen Papiere (8, 9) wies nur

Musterohne WT, Kontrast

0,1 sec,Kontrast

E1/E5 3,0 B 0,632 3,0 B 0,634E1/E6 3,0 B 0,655 3,0 B 0,663

E1/E10 3,0 B 0,600 3,0 B 0,602E5/E1 3,0 B 0,612 3,0 B 0,599E6/E1 3,0 B 0,604 3,0 B 0,627

E10/E1 3,0 B 0,596 3,0 B 0,608E1/E3/E5 3,0 B 0,640 3,0 B 0,639E1/E3/E6 3,0 B 0,610 3,0 B 0,618E5/E3/E1 3,0 B 0,642 3,0 B 0,630E6/E3/E1 3,0 B 0,620 3,0 B 0,596

ohneWT*

WT0,1 sec




Papier 8 die erforderliche Druckqualität auf. Dies bestätigt auch die Laborergeb-nisse. Infolge des schlechteren Wegschlagens der Tinte in den Strich wird beim Einsatz klassischer Pigmente nur ein befriedigendes Druckergebnis erzielt. Aus dem Bereich der hochwertigen Foto-Inkjetpapiere ist bekannt, dass durch den Einsatz hochporöser Pigmente (pyrogene Silikate) das Wegschlagverhalten der Tinte positiv beeinflusst wird. Dies konnte bei den Laborversuchen leider nicht bestätigt werden.

5.5 Bewertung mit Highspeedkamera

Tätigkeiten Die Messung der Tropfenpenetration mit der Highspeedkamera wurden die Steuerparameter für den Tropfengenerator für jede verwendete Tinte erstellt, so dass verschiedene Tropfengrößen im pL Bereich möglichst reproduzierbar her-gestellt werden konnten. Nach dem Entwurf von zu bewertenden Tropfensequenzen und erfolgreicher Anpassung des Versuchsaufbaus für die Bewertung von Tropfensequenzen wurde mit der Bewertung der einzelnen Papiere begonnen. Die Untersuchung des Einflusses der Tropfengeschwindigkeit wurde anhand einer Tinte durchge-führt.

Untersuchung der Tintenpenet-ration

Im Rahmen der Untersuchungen im Arbeitspaket 5 konnte gezeigt werden, dass die Fluggeschwindigkeit des Tintentropfens im untersuchten Bereich von bis zu 5 m/s keinen Einfluss auf die Tintenpenetration hat.

Einfluss der Tropfenge-schwindigkeit

Anhand von zwei ausgewählten Papieren wurde der Einfluss der Tropfenge-schwindigkeit auf das Penetrationsverhalten der Tintentropfen untersucht. Die Fluggeschwindigkeit des Tropfens konnte mit dem vorhandenen Tropfengenera-tor im Bereich von ca. 1,5 m/s bis 5,0 m/s variiert werden. In Abb. 3 sind die Messergebnisse für zwei Papiere dargestellt.

Abb. 3: Tropfenwegschlagzeit in Abhängigkeit von der Tropfenauftreffge-schwindigkeit

Für die beiden Papiere konnte kein Einfluss der Tropfengeschwindigkeit auf die Penetration gefunden werden. Dies kann durch theoretische Überlegungen un-




termauert werden. Der Kapillardruck (( )

Kapillarekap r

p θσ coσ2= ) für eine Tinte mit

30 mN/m Oberflächenspannung und 30° Kontaktwinkel in Kapillaren mit 1 µm

Radius beträgt ca. 52 kPa. Um einen kinetischen Druck (2

2vpkinρ

= ) in dieser

Größenordnung zu erreichen ist für einen Tintentropfen mit einer Dichte von 1,1 g/cm³ eine Geschwindigkeit von ca. 10 m/s nötig. Dieser Druck wirkt jedoch nur für sehr kurze Zeiten. Nach van Dam und Le Clerc5 betragen die Oszillati-

onszeiten ( ( )avnOszillatio

DTθσ

ρcoσ16

30*

−= ) der Tropfen je nach Tropfengröße nur

132 µs (200 pL) bzw. 13 µs (2 pL). Aus diesem Grund ist der Einfluss der Trop-fengeschwindigkeit auf die Penetration auch für Geschwindigkeiten um 10 m/s zu vernachlässigen.

Penetration meh-rerer Tropfen

In Abhängigkeit vom geforderten Deckungsgrad (heute bis 240 % üblich) wird die Papieroberfläche beim praktischen Inkjetdruck nicht nur von Einzeltropfen sondern von mehreren, aufeinanderfolgenden Tropfen benetzt. In Abb. 4 sind für zwei inkjetoptimierte Papiere (Fixiersalzeinsatz) die mittleren Wegschlagzei-ten von zwei aufeinanderfolgenden Topfen mit ca. 65 pL Tropfenvolumen aufge-tragen. Die Zeit zwischen den beiden generierten Tropfen betrug 1000 ms.

Abb. 4: Tropfenwegschlagzeit von aufeinanderfolgenden Tropfen auf inkjet-optimierten Papieren

Der erste Tropfen wird durch das Fixiersalz blockiert, was einerseits ein schlechteres Wegschlagen und andererseits einen höheren Druckkontrast be-wirkt. Gleichzeit löst der erste Tropfen das Fixiersalz an, wodurch die Barriere-wirkung des Salzes verringert wird, was zu einem schnellerem Wegschlagen des zweiten Tropfens führt. Anders sind die Verhältnisse bei nicht inkjetoptimiertem Papier (Abb. 5).




Abb. 5: Tropfenwegschlagzeit von aufeinanderfolgenden Tropfen auf nicht inkjetoptimiertem Papier

Es wird deutlich, dass der erste Tropfen infolge des Fehlens der Barrierewir-kung eines Fixiersalzes extrem schnell in das Papier wegschlägt (20 ms). Der Folgetropfen weist dagegen eine höhere Wegschlagzeit auf, da das Kapillarsystem des Papiers an dieser Stelle bereits partiell gefüllt ist.

Penetrationsverhalten - Wasser und pigmentierte Tinte Naturpapier und pigmentiertes Papier

Abb. 6 beinhaltet das Wegschlagverhalten von Tropfen aus Wasser (65 ml) und Inkjet-Tinte (120 ml) für ein inkjetoptimiertes und ein pigmentiertes Papier.

Abb. 6: Tropfenwegschlagzeit von Wasser (65 pl) und pigmentierter Inkjet-Tinte (120 pl) für ein inkjetoptimiertes (P1) und ein pigmentiertes Papier (P2)

Das eingesetzte Fixiersalz blockiert vorwiegend das Wasser, d. h. die Inkjet-Tinte dringt signifikant schneller in das relativ großporige Naturpapier ein. Der Unterschied im Wegschlagverhalten der beiden Fluide ist beim pigmentierten Papier gering, was infolge der feinporigeren Oberfläche auf das Fehlen des Fixiersalzeinsatzes zurückzuführen ist.

Mustermaterial für vergleichen-de Untersuchun-gen

Aus dem umfangreichen Bestand an Papieren wurden 21 Muster für die verglei-chende Wegschlagbewertung von Modelltintentropfen ausgewählt (Abb. 7).




Abb. 7: Tropfenwegschlagzeit für industrielle Papiere

Es zeigte sich, dass die beiden Naturpapiere sowie die Mehrzahl der inkjetopti-mierten Naturpapiere in einem Bereich der Wegschlagzeit von 25 ms bis 50 ms liegen, d. h. diese Papiere im Inkjetverfahren seitens der Wegschlageffizienz bedruckbar sind. Es wird aber deutlich, dass diese Papiere doch eine Differen-zierung aufweisen, die, insbesondere im Kontext der steigenden Druckge-schwindigkeiten, von Bedeutung sein wird. Trotz Inkjetoptimierung sind die Pa-piere 4 und 6 nicht tauglich für den Hochgeschwindigkeitsdruck. Die Weg-schlageffizienz der pigmentierten und gestrichenen Papiere ist im Mittel etwas höher als bei den großporigen Naturpapiere, was auf das feiner Porensystem der Pigment-, Strichschicht zurückzuführen ist.

Einfluss von Pigment -/Bindervariation auf das Weg-schlagverhalten

Der Einfluss der Pigment-/Bindervariation (Tab. 1) auf das Tintentropfenweg-schlagverhalten im Vergleich zu den konventionellen Industriepapieren kann Abb. 8 entnommen werden.

Abb. 8: Tropfenwegschlagzeit schwarzer Pigmenttinte (150 pl) auf Labor-strichen (Pigment-/Bindervariantion) und konventionellen Inkjet-Papieren

Seitens der Pigmentvariation weisen nur die Strichvarianten mit gefällten Calci-umcarbonaten (PCC) und den Silikaten akzeptable Wegschlagzeiten auf. Hier-für ist das höhere Porenvolumen des Striches der feinteiligen Pigmente verant-




wortlich. Die Bindervariation wurde an Strichen auf der Basis von natürlichen Calciumcarbonaten, welche ein schlechtes Wegschlagverhalten aufwiesen, durchgeführt. Aufgrund dieser Konstellation konnte keine Binderabhängigkeit nachgewiesen werden.

Einfluss der Tin-te

Des Weiteren wurde untersucht, ob die Tintenfarbe (K, C – Pigmentart) einen Einfluss auf das Wegschlagverhalten hat. Dazu wurden 10 Papiere der konven-tionellen Inkjet-Papiere zusätzlich zur schwarzen Pigmenttinte (Abb. 8 – 150 pl Tropfenvolumen) mit der Pigmenttinte PT 3 (Cyan) bei einem Tropfenvolumen von 60 pl beaufschlagt und das Wegschlagverhalten messtechnisch ermittelt (Abb. 9). Die Messergebnisse bringen zum Ausdruck, dass die absoluten Weg-schlagzeiten der beiden Tinten auf den Papieren unterschiedlich sind, was na-türlich auch in dem differierenden Volumen begründet ist, aber die Papiere hin-sichtlich des Tintenwegschlagverhaltens identisch bewertet werden, d. h. zur Charakterisierung der Papiere bezüglich Wegschlagverhalten reicht die Bewer-tung mit einer Tinte aus.

Abb. 9: Tropfenwegschlagzeit cyan Pigmenttinte (60 pl) auf Laborstrichen (Pigment-/Bindervariantion) und konventionellen Inkjet-Papieren

AFM Aufnahmen Zur Bewertung der Pigmentablagerung auf der Papieroberfläche, nach dem Wegschlagen der flüssigen Phase sowie der Trocknung, wurden AFM Aufnah-men der getrockneten Tintentropfen angefertigt werden. Es sollte die Frage geklärt werden, wie sich die Filterkuchenform (ringförmig, gleichmäßig, Mitte dicker als außen) in Abhängigkeit von Penetrationsgeschwindigkeit und Trop-fenauftreffgeschwindigkeit ändert. Des Weiteren wurden übereinander und ne-beneinander gedruckte Tintentropfen untersucht. Zum Einsatz kam ein Nanite S200 AFM-System der Fa. NanoAndMore GmbH. Gemessen wurde im non-contact-Modus mit dem NANOSENSORS™ PPP. Die Messfelder waren 75 µm x 75 µm oder für die größeren Tropfen 127 µm x 19 µm groß. Die Auswertung erfolgte mit Hilfe der Software Nanosurf Report Expert 5.1.1 der Fa. Nanosurf. Betrachtet wurden Muster, die sich im geometrischen Aufbau, der Oberfläche und dem Wegschlagverhalten extrem unterschieden – konkret waren dies ein gestrichener Faltschachtelkarton (GCC-, Kaolinstrich) und ein hochwertiges Fotoinkjet-Papier mit PE-Schicht unter der mikroporösen Strichschicht (Premium Glossy Photo Paper - PGPP).




Gestrichener Faltschachtelkar-ton langsam

Abb. 10 beinhaltet das topografische Bild der Kartonoberfläche mit einer Pig-menttropfenablagerung.

Abb. 10: 3D-Bild einer Pigmenttintenablagerung auf Faltschachtelkarto-noberfläche

Um die Randverhältnisse (Wulstbildung?) detailliert zu betrachten, wurde am Tropfenrand eine Messlinie definiert (43,3 µm) und das dazugehörige Höhen-profil ermittelt (Abb. 11).

Abb. 11: Profilbild einer Pigmenttintenablagerung auf Faltschachtelkarto-noberfläche mit zugehörigem Höhenprofil

Aufgrund der relativ rauen Kartonoberfläche konnte keine gleichmäßige Ablage-rung der Pigmenttinte nachgewiesen werden. Es sind sowohl Bereiche mit einer geschlossenen Pigmentschicht als auch Zonen ohne Pigmentablagerungen erkennbar, d. h. die niedrigviskose Tinte hat sich den geometrischen Gegeben-heiten angepasst. Der Höhenunterschied zwischen den beiden Messpunkten im Profil (Abb. 11) betrug nur 0,175 µm. Klare Aussagen zur Ablagerungsgeomet-rie sind bei dieser Oberfläche nicht möglich, da bei der Überlagerung von Kar-tonoberfläche und Tintenablagerung die Kartontopografie dominiert.

Fotoinkjet-Papier PGPP Ca. 1 µm

Wesentlich klare Verhältnisse ergaben sich bei der Betrachtung einer Tropfen-ablagerung auf dem hochwertigen Fotoinkjet-Papier (Abb. 13).




Abb. 12: 3D-Bild einer Pigmenttintenablagerung auf Fotoinkjetpapier (PGPP) mit zugehörigem Höhen-Profil

Die Pigmenttintenablagerung weist eine mittlere Höhe von ca. 1 µm auf bei gu-ter Abgrenzung zur glatten Fotopapieroberfläche. Der Profillinie (43,4 µm) in Abb. 13 kann entnommen werden, dass es an den Rändern der Tintenablage-rung zu einer Wulstausbildung in der Größenordnung von 0,2 µm bis 0,4 µm kommt.

Abb. 13: Profilbild einer Pigmenttintenablagerung auf Fotoinkjetpapier (PGPP) mit zugehörigem Höhen-Profil




5.6 Bewertung der Papiere – Probedrucke

Tätigkeiten Die hergestellten Laborpapiere wurden ebenso wie die beschafften Marktpapie-re im Inkjetverfahren bedruckt. Dazu wurden 4 Druckvorlagen mit verschiede-nen Testfeldern entworfen, die es erlauben verschiedenste Aspekte der Druckqualität zu bewerten. Zur Beurteilung der Probedrucke hinsichtlich ihrer Druckqualität wurden dabei folgende Merkmale bewertet:

• Optische Dichte (OD), • Linienauflösung, • Mottling / Koaleszenz, • Bleeding / Wicking, • Fehlende Druckpunkte in Volltonfeldern, • Streifigkeit, • Tropfenspreitung.

Mustermaterial In diesem Arbeitspaket wurden die aus dem umfangreichen Bestand an Papie-ren ausgewählt 21 Muster bewertet.

Druckformen Grundlage der Untersuchung der Eignung von Papieren für den HSI-Druck wa-ren speziell entwickelte Druckelemente, die in vier Druckformen zusammenge-fasst wurden (Abb. 14).

Abb. 14: Druckformen

Druckform 1 und 4 dienen der Ermittlung der Tintenpenetration, -trocknung, wobei verschiedene Druckelemente und Tintenmengen gedruckt werden. Die Druckform 2 wurde zur Bestimmung von Ausfranzeffekten sowie dem Ausbluten beim mehrfarbigen Nass-in-Nass-Druck erstellt. Die Elemente der Druckform 3 sind für die Beurteilung der Mottlingneigung (Koaleszenz) sowie der Druckdichte und des Farborts entwickelt worden.

Druckdichte im 100K und 100C Feld

In Abb. 15 sind die Druckdichtewerte für K und C für die 21 Industrie-Ink-jetpapiere grafisch dargestellt.




Abb. 15: Druckdichte in K und C der 21 Industrie-Inkjetpapiere (nur Obersei-te)

Die Druckdichte in K schwankt für diese Papiere zwischen 0,86 (P8, P13) und 1,21 (P9). Die geringsten Dichten weisen die Naturpapiere auf, die nicht für den Inkjetdruck optimiert wurden, d. h. hier sackt die Tinte schnell in das Papier weg. Die beste Dichtewerte besitzen das gestrichene Papier 9 sowie die beiden pig-mentierten Papiere 14 und 21, was auf das feinere Porensystem des Striches bzw. der Pigmentschicht zurückgeführt wird. Interessant ist die Spreizung bei den für den Inkjet-Druck optimierten Naturpapieren, die zwischen 0,95 (P3) und 1,10 (P2) liegen. Unter Berücksichtigung, dass Dichteunterschiede von >0,05 vom Menschen visuell wahrgenommen werden, sind diese Dichteunterschiede durchaus qualitativ relevant.

Bleeding und Wicking

Das Wick- und Spreadverhalten der Papiere sind wichtige Qualitätsparameter. Während die Wickingrelation das Ausfransen der Tinte beim Druck bewertet, steht die Spreadrelation für das flächige Verlaufen der Tinte. Letztere Relation beschreibt beim Nass-in-nass-Druck das Ineinanderverlaufen der Tinten, auch als Ausbluten (Bleeding) bezeichnet. Beide Relationen sind für die 21 Papiere in Abb. 16 für den K-Druck auf weißem Papier aufgezeigt.

Abb. 16: Wicking- und Spreadrelation der 21 Industrie-Inkjetpapiere (nur Oberseite)

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

13 18 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 19 20 14 15 16 17 21 8 9 13 18 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 19 20 14 15 16 17 21 8 9

Wickingrelation Spreadrelation

Rela

tion

in %

HSI-Papiere

ungestrichene nicht IJ optimierte Naturpapiereungestrichene IJ optimierte Naturpapierepigmentierte Papieregestrichene IJ-Papiere

in der Gruppe nicht vergleichbar (anderer Druckversuch)

in der Gruppe nicht vergleichbar (anderer Druckversuch)

100K




Es wird deutlich, dass die nicht inkjetoptimierten Naturpapiere eine hohe Wickrelation aufweisen, d. h. infolge des Fehlens des Fixiersalzes kommt es einerseits zu einem schnellen Wegschlagen (niedrige Spreadrelation) der Tinte bei gleichzeitigem, partiellen Verlaufen von Tinte entlang der Fasern. Das geringe Spreaden wird visuell bei Betrachtung von schwarzen Dru-ckelementen auf weißem Papier nicht wahrgenommen, da der Mensch kei-ne Vergleichsbasis hat. Messtechnisch kann dies aber ermittelt werden, da die exakten Flächen der Druckelemente seitens der Druckvorlage bekannt sind. Nicht erwartet wurden die hohen Wickingrelationen für die pigmentier-ten Papiere sowie die geringen Spreadrelationen für einige dieser Papiere, wobei ein gewisses Spreaden für eine gute Inkjetqualität erforderlich ist. Mit Ausnahme der Papier 3 und 10 sind die weiteren inkjetoptimierten Naturpa-piere hinsichtlich Wick- und Spreadverhalten vergleichbar.

Linienbreite Die exakte Wiedergabe von Linienelementen variierender Breite stellt ein weite-res Qualitätskriterium beim Inkjetdruck dar. In Abb. 17 sind die messtechnisch ermittelten Stärken für 1-, 5- und 10 Pixel breite Linien grafisch dargestellt.

Abb. 17: Linienstärke der 21 Industrieinkjet-Papiere (nur Oberseite)

Anhand der Liniestärke 1 Pixel kann sehr schön das Spreadverhalten der Pa-piere abgelesen werden. Mit wenigen Ausnahmen (8, 9, 14, 17) wird von den Papieren ein Spreadfaktor oberhalb von 2 erzielt, was erwünscht ist. Bei den Ausnahmen handelt es sich ausschließlich um pigmentierte bzw. gestrichene Papiere, d. h. hier besteht noch Optimierungsbedarf. Die Papierdifferenzierung setzt bleibt auch bei größeren Linienstärken erhalten, jedoch sind die spreadbe-dingten Abweichungen vom Layout zwangsläufig geringe.

Mottling Die Ungleichmäßigkeit, insbesondere in Volltonflächen, ist ein wesentliches Qualitätskriterium für Druckprodukte, wobei diese Ungleichmäßigkeit in allen Druckverfahren auftreten kann. In Abb. 18 ist der PSA-Index (PowerSpektrumsAnalyse), ermittelt mit dem Bild-verarbeitungssystem DOMAS für 100K und 100C für die 21 Papiere aufgetra-gen.




Abb. 18: Druckungleichmäßigkeit (Koaleszenz) in K- und C-Volltonfläche der 21 Industrieinkjet-Papiere (nur Oberseite)

Die 21 Papiere konnten mit dem PSA-Index ausreichend differenziert werden, wobei zu erkennen ist, dass aus der Bewertung in K nicht zwingend auf die an-deren Tinten, hier C, geschossen werden kann, wie z. B. Muster 17 zum Aus-druck bringt. Ein absoluter Vergleich der PSA-Indices von K und C ist nicht mög-lich, da in die Analyse der Grauwert des gescannten Volltonfeldes, der für die Tinten unterschiedlich ist, eingeht. Weiterhin muss vermerkt werden, dass die Inkjet-Drucke im Gegensatz zum Tief- und Offsetdruck verfahrensbedingt eine gewisse Streifigkeit aufweisen. Diese Streifigkeit beeinflusst den Druckun-gleichmäßigkeitsmesswert und kann in seiner Wirkung durch entsprechende bildanalytische Filteroperationen minimiert aber nicht vollständig eliminiert wer-den. Infolge des zu geringen Spreadverhaltens der meisten pigmentierten bzw. ge-strichenen Papiere weisen diese Papiere viele weiße Stellen auf, die sich als störende Ungleichmäßigkeit bemerkbar machen, d. h. mit wenigen Ausnahmen erfüllen die untersuchten Papiere die Anforderungen an eine hohe Druckqualität im HSI-Druck nicht und müssen somit weiter optimiert werden.

Spreitungsfaktor Die papierbedingten Unterschiede hinsichtlich Tintenspreitung sind in Form des Spreitungsfaktors in Abb. 19 zusammengestellt.

Abb. 19: Spreitungsfaktor der 21 Industrie-Inkjetpapiere (nur Oberseite)




Seitens der HSI-Druckerhersteller wird ein Spreitungsfaktor leicht oberhalb von 2,0 gewünscht. Diese Spreitung ist erforderlich, da einerseits der Abstand zwi-schen den Düsenöffnungen und andererseits die fertigungsbedingten Winkel-abweichungen der Düsen zur Normalen durch das Spreiten der Tinte ausgegli-chen werden müssen. Der Spreitungsfaktor korrespondiert gut mit der Linienstärke von einem Pixel und auch dem Koaleszensverhalten. Während die optimierten Naturpapiere Spreadfaktoren leicht oberhalb von 2,0 besitzen, wei-sen die meist pigmentierten und gestrichenen Papiere kleinere Werte auf.

5.7 Erstellen der Klassifizierungsmethode

Zielstellung Durch Vergleich der Probedrucke mit den Messdaten aus den Arbeitspaketen 4 und 5 und unter Einbeziehung der Modellierungsergebnisse aus Arbeitspaket 8 sollten relevante Bewertungskriterien extrahiert werden.

Teilaufgaben Im Rahmen dieses Teilschrittes sollten die adaptierten, (weiter)entwickelten Messmethoden zum Wegschlagverhalten von Tinten verglichen und hinsichtlich ihrer Eignung für F&E und für die Produktionskontrolle gewichtet werden. Dazu wurden:

• die Methoden aus AP 4 und 5 hinsichtlich Komplexität, Arbeits- und Zeitaufwand sowie Aussagekraft der Ergebnisse verglichen und in ei-nem Ranking zusammengefasst,

• die für die Bewertung der Inkjet-Bedruckbarkeit relevanten Kriterien der Probedrucke extrahiert,

• die in den AP 4 und 5 erfassten Messdaten mit den Daten der Probe-drucke verglichen, um relevante Bewertungskriterien zu identifizieren.

Dazu wurden die Papiere für die einzelnen Mess- und Bewertungsmethoden für das Wegschlagverhalten in verschiedene Qualitätsklassen eingeteilt und die mit den Ergebnissen der Probedrucke verglichen.

HFC Spreitung vs Spread

Abb. 20 beinhaltet den Vergleich des Spreitungsfaktors (HFC-Messung) mit der Spreitung, die aus dem Druckprodukt bildanalytisch extrahiert wurde für 100K.

Abb. 20: Tropfenspreitung (HFC-Messung) gegen Spreitungsfaktor von Druckelementen beim HSI-Druck




Bei der HFC-Methode wird mit relativ kleinen Tropfen gearbeitet wird, was zur Folge hat, dass die Inhomogenität des Papiers einen nicht zu vernachlässigen-den Einfluss hat. Berücksichtigt man dies, ist die zwischen beiden Methoden erhaltene Korrelation als gut zu bezeichnen, d. h. man kann aus der Trop-fenspreitung auf das Spreitungsverhalten im Druckprodukt extrapolieren.

HFC vs. Wisch-länge

Der Abb. 21 kann die Abhängigkeit der Spurlänge beim Wischtest (200 % Be-aufschlagung) von der Gesamtwegschlagzeit bei der HFC-Messung entnom-men werden.

Abb. 21: Tropfenwegschlagzeit (HFC-Messung) gegen Spurlänge beim Wischtest bei 200 % Deckungsgrad

Es wird deutlich, dass die Gesamtwegschlagzeit der Tinte und die Spurlänge für Papiere, die sich signifikant in der Tintenwegschlageffizienz unterscheiden, kor-relieren. Sind die Unterschiede zwischen den Papieren jedoch nicht so ausge-prägt, ist die Abschätzung der Wischlänge nur in größeren Grenzen möglich.

Datamatrix vs. Spurlänge

Die Verhältnisse für Spurlänge und Data Matrix-Bewertung fasst Abb. 22 gra-fisch zusammen. Dabei steht die Note von 4,0 für ein gutes Druckergebnis.

Abb. 22: Data Matrix-Bewertung gegen Spurlänge beim Wischtest




Mit zwei Ausnahmen kann bei den untersuchten Papieren bis zu einer Spurlän-ge von 4 mm von einer ausreichenden Wegschlag-/Trocknungseffizienz ge-sprochen werden. Die reduzierte Data-Matrix-Bewertung der beiden Papiere kommt durch die komplexere Bewertung, die bei der Data-Matrix-Methode zum Tragen kommt, zustande. Neben der Konturenschärfe der Druckelemente spielt die Druckdichte bzw. der Farbort eine nicht unwesentliche Rolle. Dies bedeutet, dass anhand der Spurlänge nur Aussagen zum Wegschlag- bzw. Trocknungs-verhalten möglich sind.

Druckdichte Für eine komplexere Bewertung des Druckergebnisses ist in jedem Falle die Messung der Druckdichte bzw. des Gammuts sinnvoll. Zwischen beiden Größen existiert eine sehr gute Korrelation (Abb. 23).

Abb. 23: Druckdichte (KCMY) gegen Color Gammut

Klassifizierung Es konnte nachgewiesen werden, dass das Spreitungsverhalten der Tropfen der Industriedruckköpfe anhand des Spreitungsfaktors der Tropfen der HSI-Messung (Labormassstab) gut abgeschätzt werden kann. Eine grobe Vorhersa-ge der Wegschlag- bzw. Trocknungseffizienz ist ebenfalls auf Basis der HSI-Analytik möglich. Dies bedeutet, dass eine Klassifikation der Druckpapiere be-züglich ihrer Druckeffizienz auch ohne umfassende Drucktests auf Basis der labortechnischen Tropfenanalytik erfolgen kann. Für eine umfassende Klassifi-kation der Papier hinsichtlich der Druckqualität im HSI-Druck ist dies jedoch nicht ausreichend, da hier Fragen der Druckdichte, des Farborts und des Kon-trast eine große Rolle spielen. Diese Kenngrößen können jedoch nur anhand von Druckprodukten ermittelt werden. Diesbezüglich können aber teilweise preiswerte Laborinkjet-Drucker genutzt werden.

5.8 Modellierung des Wegschlagverhaltens

Zielstellung Ziel war die Erweiterung, Verifizierung und Optimierung vorhandener Penetrati-onsmodelle mit den im Projekt neu gewonnenen Daten.




Modelle Übersicht

Ziel war die Weiterentwicklung und Verifizierung von in früheren Projekten6,7,3 erstellter Penetrationsmodelle. Im Einzelnen wurde Folgendes bearbeitet: • Das an der PTS entwickelte Matlab-Modell auf Basis der Bosanquet-

Gleichung wurde so erweitert, dass die Penetration eines zweiten, nachfol-genden Tropfens verfolgt werden kann.

• Das bisherige Modell für Pigmenttinten auf Basis der Gleichungen von Carman-Kozeny und Weinzierl wurde präzisiert und ein alternatives Modell auf Basis der Bosanquet-Gleichung aufgestellt. Die Lösung der Differential-gleichungen erfolgt jetzt mittels numerischer Verfahren (Runge-Kutta) und führt zu Ergebnissen, die deutlich näher an den Messergebnissen liegen.

• Die FE-Modelle (COMSOL) wurden modifiziert, so dass jetzt Tropfen auf Teilbereichen der Oberfläche simuliert werden können. Das erlaubt, die Pe-netration auch in x/y-Richtung zu beobachten. Gleichzeitig wurden die be-obachtbaren Flächen deutlich vergrößert.

Modell A Bosanquet

Erweiterung der Matlab-Modelle auf Basis der Bosanquet-Gleichung bezüglich der Modellierung des Eindringverhaltens zweier aufeinanderfolgender Inkjet-Tropfen. Dabei wurden folgende Annahmen vereinbart: • der 2. Tropfen wird weniger als 0,5 s nach dem Ersten aufgetragen, • die Papieroberfläche hat sich in dieser Zeit kaum (nicht messbar) verändert,

der Porenraum ist aber durch den 1. Tropfen gefüllt. Dieser Sachverhalt wurde in einer eigenen mathematischen Theorie abgebildet und die Software entsprechend angepasst.

Ergebnisbeispiel Beispielhaft zeigt Abb. 24 das Eindringen von je 2 Tropfen der Tinte DT1 in einem Zeitabstand von 50 ms in mehrere Spezialpapiere. Der Intrusionsvorgang wird wegen der noch gefüllten Porenräume nach dieser kurzen Zeit praktisch „fortgesetzt“. In Basispapiere (UP2, RP1) erfolgt das Wegschlagen schneller.

Abb. 24: Eindringen von je 2 Tropfen der Tinte DT1 in 4 Sorten der Inkjet-Spezialpapiere. Papier MP5 ist langsam, so dass der erste Tropfen noch nicht vollständig eingedrungen ist, wenn der 2. Tropfen nach 50 ms folgt.




Modell B Bosanquet-Carman

Bisher wurde das Modell für die Penetration von Pigmenttinten auf der Basis der Formeln von Carman-Kozeny mit Anpassungen von Weinzierl gerechnet (vgl. Literaturstellen 6 und 8). Im Projekt wurden drei wesentliche Ergänzungen vor-genommen: 1. Präzisierung der Carman-Kozeny-Gleichungen durch genauere Spezifikati-

on des Anwachsens des Filterkuchens. 2. Erweiterung der für Dye-Tinten genutzten Bosanquet-Gleichung durch einen

Term, der den „wachsenden Filterkuchen“ beschreibt, d. h. Berücksichti-gung der Filterkuchendicke hk(t) in der Gleichung (alternatives Bosanquet-Carman-Modell).

3. Umstellung des Lösungsverfahrens für die Differentialgleichungen von der direkten Lösung auf ein numerisches Verfahren vom Runge-Kutta-Typ (da-mit ist die Lösung auch nicht explizit lösbarer Gleichungen möglich).

Details zu den Modellvarianten sind in einem gesonderten Aufsatz zusammen-gestellt.

Ergebnisbeispiel In Abb. 25 ist beispielhaft das berechnete Eindringverhalten der Pigmenttinte PT1 in verschiedene Papiere dargestellt. Im Modellversuch entsprechen die Auftragsmengen denen der Versuchsmessungen und sind deshalb etwas grö-ßer als beim realen Druckvorgang und auch nicht gleich, sondern nur von ähnli-cher Größenordnung. In der Gruppe der Spezialpapiere erweist sich (auf der Basis der gemessenen Papierparameter) MP1 als am schnellsten und MP9 deutlich langsamer. Das ungestrichene UP1 führt zur schnellsten Wegschlagzeit. Beim einfach gestri-chenen EP10 erfolgt das Eindringen in der ersten Phase (Strich) wie bei den Spezialpapieren und geht dann schneller, sobald das Basispapier erreicht ist. Wegen der geringen Porosität des Striches bleibt ein größerer „Rest“ für das Basispapier. Der Vorgang dauert entsprechend länger (vgl. Abb. 24). Hinweis: Alle dargestellten Modellergebnisse zu den Pigmenttinten wurden mit dem angepassten Bosanquet-Carman-Modell berechnet (Punkte. 2 bzw. 3)!

Abb. 25: Eindringvorgänge von PT1 in IJ-Spezialpapiere (MP1, MP6, MP9), in ein ungestrichenes Papier (UP1) und ein einfach gestrichenes Laborpapier (EP10). Zum Vergleich der Modelldaten mit den Messungen wurden als Auftragsmengen diejenigen der zugehörigen Versuche angenommen (Auftrag 9 – 15 g/m²).




Die in den Modellen berechneten Zeiten und Effekte stimmen in ihrer Größen-ordnung mit den gemessenen Wegschlagzeiten und Tendenz überein (vgl. An-hang).

Modell C FEM (COMSOL)

Das FE-Modell wurde mit Hilfe der COMSOL-Software mit folgenden Zielen an das Penetrationsproblem angepasst: • Berücksichtigung einer Fläche von 15 µm x 15 µm mit 15 bis 25 Partikeln, • Anpassung der Ränder an reale Strichstrukturen, • Einschränkung der Fluid-Auftrefffläche zur Simulation eines Tropfens.

Geometrische Strukturen

Die Abb. 26 zeigt ein typisches Beispiel einer in den Rechnungen eingesetzten Geometrie (Partikelfläche: 15 x 15 µm², Partikelgrößen: 0,5 µm bis 1,5 µm).

Abb. 26: Typische Partikelgeometrie. Die Verteilung des Fluids ist blau markiert (rot: Luft, gelb: Grenzschicht). Im oberen Trapez befindet sich das Fluid zur Startzeit, im unteren Rechteck charakterisieren die weißen Partikel die Strichpigmente

Penetrationsvorgänge wurden bei Variation folgender Parameter simuliert. • Strichparameter (Partikelgrößen, Partikelanordnung), • Fluidparameter (Fluidmenge, Viskosität, Oberflächenspannung, Kontaktwin-

kel zum Papier).

Ergebnisbeispiel Im Projekt wurden an verschiedenen Geometrien Rechnungen mit unterschied-lichen Fluidmengen und –parametern durchgeführt. Mit den COMSOL-Modellen lässt sich erkennen, wie Änderungen der Fluidparameter oder der Porenstruktur die Eindringgeschwindigkeit (Volumenaufnahme je Zeiteinheit) beeinflussen. (Weitere Detailergebnisse finden sich im Anhang.)




Abb. 27: Nach 3,6 ms ist die angenommene Auftragsmenge (ca. 7 g/m²) in die Strichschicht eingedrungen. Die Kapillarkräfte sind nun im Gleichgewicht. Es erfolgt keine (kapillargetriebene) Fluidbewegung mehr.




Literatur 1 Weinzierl, D.

Charakterisierung des Wegschlagverhaltens von Tinten auf gestrichenen Inkjet-Papieren, Projekt IK-VF-PTS 1000110, Laufzeit 01/11 – 12/12

2 Kleebauer, M. Simulationsgestützte Strichkonzepte zur Bedruckbarkeitsverbesserung gestrichener Papiere bei Kombination von Offset- und Flexodruck mit Inkjetdruck. Projekt IGF 363 ZB, Laufzeit 07/10 – 12/12

3 Keller, G. Simulationsgestützte Optimierung von Strichdesign und Strichrezeptur für Druckpapiere mit verbesserter Bedruckbarkeit durch definiertes Wegschlagverhalten. Projekt IK-MF 100031, Laufzeit 10/10 – 12/12

4 http://www.dataphysics.de/startseite/

5 van Dam, D. B. und Le Clerc, C. Physics of Fluids, 2004, 16, 3403

6 Weinzierl, D. Charakterisierung des Wegschlagverhaltens von Tinten auf gestrichenen Inkjet-Papieren, Projekt IK-VF-PTS 100010, Laufzeit 01/11 – 12/12

7 Kleebauer, M., Keller, G. Simulationsgestützte Strichkonzepte zur Bedruckbarkeitsverbesserung gestrichener Papiere bei Kombination von Offset- und Flexodruck mit Inkjetdruck. Projekt IGF 363 ZB, Laufzeit 07/10 – 12/12


http://www.dataphysics.de/startseite/

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