Neuheit: Der IMD Prozess mit UV-härtenden Siebdruckfarben Eine Kooperation zwischen Niebling, Bayer Material Science und Marabu 1. Zusammenfassung 2. Die Kooperationspartner 3. Der IMD-Prozess mit UV-härtenden Siebdruckfarben am Beispiel einer Visitenkartenbox 4. Ansprechpartner
1. Zusammenfassung Mit der Siebdruckfarbe Ultramold UVPC von Marabu steht zum ersten Mal ein UV-härtendes Farbsystem für den IMD Prozess zur Verfügung, das eine echte Alternative zu den heute eingesetzten lösemittelbasierten Farbsystemen darstellt. Aufgrund der direkten Weiterverarbeitung nach dem Druck lassen sich große Produktivitätsvorteile erzielen. Die Verbundkraft des komplexen Aufbaus aus Folie/Druckfarbe/Kunststoff ist von vielen Prozessparametern abhängig. Daher sind geeignete Tests für den jeweiligen Einsatzzweck unerlässlich. Der vorliegende Fachartikel „Der IMD Prozess mit UV-härtenden Siebdruckfarben“ beinhaltet alle notwendigen Informationen am Beispiel einer produzierten IMD Visitenkartenbox, die für den erfolgreichen Einsatz von Ultramold UVPC notwendig sind. Er ist in enger Zusammenarbeit mit den Kooperationspartnern Niebling Formtechnologie und Bayer MaterialScience enstanden.
2. Die Kooperationspartner 2.1 Niebling Formtechnologie Kunststoffverarbeitung – Werkzeugbau e.K. & HDVF Kunststoffmaschinen GmbH Durch die Erfindung des Hochdruckverformens durch Curt Niebling im Jahr 1989 sind die Weichen in einen neuen, weitreichenden Bereich der Dekoration von Kunststoffteilen gestellt worden. In enger Zusammenarbeit mit der Firma Bayer wurden zunächst grundsätzliche Eigenschaften der Anlagenund vor allem der Materialtechnik generiert und weiterentwickelt. Nach und nach konnten diese Grundlagen durch eine ausgeklügelte Prozesstechnik und Varianten in der Materialvielfalt ergänzt und erweitert werden. Die Lösung kritischer Problemstellen aus dem Bereich der Drucktechnik und Farbsystementwicklung, sowie der Beschichtungstechnik schaffte zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten, so dass heute das Hochdruckverformen eine Vielfalt von Optionen zur Dekoration und Funktionsintegration von Kunststoffbauteilen bereitstellt. Die Niebling GmbH bietet dazu Maschinen und Anlagenkonzepte zur halb- bzw vollautomatischen Fertigung von Folienformteilen an. Im hauseigenen Werkzeugbau werden dazu die notwendigen
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Form- und Schnittwerkzeuge nach Kundenwunsch und Technologieanforderungen gefertigt und können mit den Anlagen im eigenen Technikum getestet und abgestimmt werden. Die Anlagen arbeiten zur Verformung mit Drücken von bis zu 300bar und können dabei annähernd jedes Substratmaterial in Dicken bis zu 12mm verarbeiten. Wesentliche Besonderheit der Maschinen ist ein berührungsloses Heizsystem, welches die Generierung eines bauteilspezifischen Temperaturprofils für den Verformungsprozess erlaubt. Das Zusammenspiel eines solchen Temperaturprofils mit der stufenlos regelbaren Druckprofilsteuerung und der präzisen Werkzeugtechnik ermöglichen sehr geringe Toleranzen (<0,3mm) bei der Herstellung von graphisch bedruckten Folienformteilen bei gleichzeitig kurzen Zykluszeiten (15 sec). Nach der Verformung der Folien erfolgt der Beschnitt meist durch Stanzung. Die dann erhaltenen Inserts werden im Spritzgießwerkzeug positioniert und mit einem Thermoplasten hinterspritzt. Hier bietet Bayer MaterialScience mit seinen Polycartbonatspritzgießtypen Makrolon® und Bayblend® zwei hervorragend geeignete Produkte an. 1
2.2 Bayer MaterialScience Voraussetzung zur Erstellung eines Formteiles in der Folienhinterspritztechnik ist natürlich zuerst das Folienmaterial selbst, hier bietet Bayer MaterialScience ein umfangreiches Portfolio von PolycarbonatFolien unter den Markennamen Makrofol® und Bayfol® mit einem breiten Eigenschaftsspektrum an. Diese Folien können weit mehr, als es die Eigenschaften des zugrunde liegenden Kunststoffes vermuten lassen. Denn durch Strukturieren der Oberflächen, Additivieren oder Beschichten erhalten die Folien weitere nützliche Fähigkeiten und Funktionen wie z.B. eine hohe Kratzfestigkeit, exzellente UV- und Chemikalienbeständigkeit oder spezielle Lichtdiffusionseigenschaften. Die Folie dient darüberhinaus als Träger für die Druckfarbe bei der Bedruckung, dem ersten Prozessschritt im IMD Prozess.
2.3 Marabu GmbH & Co. KG Druckfarben Die Attraktivität eines Folienformteils wird neben den Materialeigenschaften des Trägermaterials im Wesentlichen von seiner Farbgebung gesteuert. Heute werden ausschließlich physikalisch trocknende Lösemittelsiebdruckfarben zur Bedruckung der Folien eingesetzt, teilweise auch in Kombination mit wasserbasierten Abschlußlacken, um die Haftung zum Spritzgussmaterial zu verbessern. Nach umfangreichen Entwicklungsarbeiten stellt Marabu nun ein erstes UV-härtendes Farbsystem vor – Ultramold UVPC, das eine echte Alternative zu den heute eingesetzten Lösemittelfarben bietet. Mit Ultramold UVPC ist es zum ersten Mal gelungen, die notwendigen Eigenschaften an die Druckfarbe für den IMD Prozess in einem UV-härtenden Farbsystem zu kombinieren. Es handelt sich um ein vollkommen lösemittelfreies 100% UV-Farbsystem, das direkt nach entsprechender UV-Härtung die nachfolgenden Prozessschritte wie verformen, stanzen und hinterspritzen erlaubt. Das Nachtempern der bedruckten Folien nach dem Druck in Trockenöfen bei 80°C bis zu 5h entfällt. Auch während des Druckvorgangs erlauben UV-härtende Siebdruckfarben eine deutlich gesteigerte Produktivität: sie trocknen nicht im Gewebe ein, was zeitaufwändige, manuelle Reinigungsarbeiten eliminert und die Anzahl der Maschinenstops deutlich reduziert. Hierzu empfehlen wir insbesondere die Verwendung von ScreenX! Hybridrastertechnolgie, die Maßstäbe hinsichtlich Feinheit, Detail-
Weiterführende Literatur: Oberflächentechnik in der Kunststoffverarbeitung, Markus Lake, Hanser Verlag, Kapitel 9.3 Klassisches Folienhinterspritzen 1
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zeichnung und hohem Tonwertumfang setzt. Feinstrich- und Rastermotive lassen sich so in höherer Auflösung und Qualität produzieren. Weitere Informationen zu ScreenX! erhalten sie unter www.rastersiebdruck.de. Voraussetzungen für den erfolgreichen Einsatz von Ultramold UVPC Eine komplette Durchhärtung des gedruckten Farbfilms ist notwendig, um alle Eigenschaften der Farbe, wie Flexibilität für die Verformung und Stabilität gegen Wash-Out Effekte, zu gewährleisten. Notwendig ist ein UV Trockner mit mindestens 2x120 Watt/cm. Auch die Gewebewahl ist ausschlaggebend für einen erfolgreichen Prozess. Da Ultramold UVPC keine flüchtigen Stoffe enthält, ist der gedruckte Farbaufbau im Vergleich zu Lösemittelfarben bezüglich Schichtstärke höher. Aus diesem Grund werden feinere Gewebe wie z.B. 150-31 oder auch für sehr feine Details, wie feine Rasterauflösungen, 180-27 eingesetzt. Alle Vorteile mit Ultramold UVPC auf einen Blick gute Haftung auf Polycarbonat Folien sehr gute Verdruckbarkeit mit allen UV-typischen Vorteilen kein zeitaufwändiges Nachtempern der bedruckten Folien notwendig hochflexibler Farbfilm für exzellente Verformeigenschaften kein Wash-Our Effekt nach dem Anspritzen (Verdrängung des Farbfilms während des Hinterspitzens) gute Haftung zum Spritzmaterial ohne zusätzlichen Abschlusslack marktgängige Klimawechseltests wurden erfolgreich bestanden im Mehrschichtaufbau mit bis zu 9 Farbschichten erprobt Unterschiede zu IMD Lösemittelfarben Aufgrund chemischer und physikalischer Eigenschaften können UV Farben ein unterschiedliches Bild bei Haftungstests von Folien und Druckfarbe sowie von Druckfarbe und Spritzmaterial aufweisen. Anstelle des üblichen Splits in der Druckfarbschicht bei Lösemittelfarben ergibt sich teilweise ein Bild, dass aufgrund der besseren inneren Kohäsion im UV Farbfilm, Teile der Farbe an Folie und Teile am Spritzmaterial anhaften, es zeigt sich ein sogenanntes „Tigerfellmuster“. Mit dem IMD Prozess lassen sie extrem vielfältige Teilegeometrien für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete mit entsprechenden Eigenschaften herstellen. Genau wie Lösemittelfarben an jeweilige Projekte angepasst werden können, hat auch Marabu aufgrund der umfangreichen Erfahrung mit Ultramold UVPC nun eine Plattform erarbeitet, die an die jeweiligen Kundenprojekte optimiert werden kann.
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3. Der IMD Prozess mit UV-härtenden Siebdruckfarben am Beispiel einer Visitenkartenbox
3.1 Folie Bayer Makrofol DE-1-4; 250μm 3.2 Druckparameter Gewebe
Siehe Farbaufbau
Gewebespannung
18 N
Rakelwinkel
75°
Druckmaschine
¾-Automat Thieme 3010
UV-Trockner
2x 120 W/cm; 15 m/Min.
Farbaufbau Second Surface: 1. „Tonerdruck“
Screenex-Raster
Lack + Silber
Gewebe: 180-27/12°
2. „Tonerdruck“
Screenex-Raster
Lasurton; grau
Gewebe: 180-27/12°
3. „Tonerdruck“
Screenex-Raster
Grau; deckend
Gewebe: 150-27/22°
4. UVPC 170
Flächendruck
Deckweiß
Gewebe: 150-31/0°
5. UVPC 170
Flächendruck
Deckweiß
Gewebe: 150-31/0°
6. UVPC 182
Flächendruck/Sperrs.
Silberzwischenfarbe
Gewebe: 150-31/0°
7. UVPC 181
Text Positiv
Deckschwarz
Gewebe: 180-27/12°
Farbaufbau First Surface – „Effektdruck auf Carbon“ 8. UVIMD-Lack (mattiert)
Gewebe: 180-27/12°
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3.3 Verformen Anlage: SAMK 400-42, max. Verformfläche 400-245mm, max. Verformhöhe 58mm Temperatur Heizung: oben 300°C, unten 300°C Heizzeit: 10s Werkzeugtemperatur: 90°C Verformdruck: 100 bar Zykluszeit: 24s Die Verformung der bedruckten Folien wird auf einer Anlage von Typ SAMK 400-42 der Firma Niebling durchgeführt. Dazu werden die Folien auf eine Transportpalette im 2er Nutzer aufgelegt (Bild 1) und der Prozess gestartet. In der Heizstation (Bild 2) erhalten die Foliensubstrate über 2 Infrarotheizfelder mit je 42 Einzelheizelementen die notwendige Temperierung zur Verformung von 145°C (Bild 3). Diese Temperatur liegt im Bereich der Glasübergangstemperatur von Polycarbonat, bei der das Material sehr gut verformbar jedoch noch nicht verflüssig ist. Der Temperaturbereich der Glasübergangstemperatur beim Hochdruckverformen ist ein wesentliches Kriterium für die Verzugsfreiheit im Gegensatz zur Schmelztemperatur beim klassischen Thermo- oder Vakuumformen. Nach der Erwärmung erfolgt die Verformung in der Verformstation bei einem Druck von 100 bar. Zum Ende des Prozesses gelangen die fertigen Folienformlinge wieder an die Einlege-/Entnahmestation (Bild 4).
Bild 1
Bild 2
Bild 3 Temperaturscan des erwärmten Substrats über eine integrierte Infrarotkamera. Die dargestellten Rasterquadrate symbolisieren die 42 Heizelemente
Bild 4
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3.4 Stanzen Vor dem Hinterspritzen müssen die Folien noch in ihre endgültige Form passend zur Bauteilgeometrie gebracht werden. Zunächst wird der Folienrand vertikal beschnitten, danach folgen über einen 2-stufigen Stanzschnitt die Seitenkonturen im 3D Horizontalschnitt (Bild 7).
Bild 5 Folienformling Vorderseite
Bild 6 Rückseite
Bild 7
Bild 8 Fertiges Folienformteil Vorderseite
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Bild 9 Rückseite
3.5 Hinterspritzen Spritzdruck: 1400 bar, 80cm/s Einspritzzeit: 1,2 s Nachdruck: 500 bar Massetemperatur: 270째C Das fertige Folienformteil wird dann in die Kavit채t des Spritzwerkzeuges eingelegt und hinterspritzt.
Bild 10 Spritzwerkzeug
Bild 11 Mit eingelegter Folie
4. Ansprechpartner Niebling Herr Harald Bader h.bader@niebling-form.com Tel: +49-8856-9239113
Bayer MaterialScience makrofol@bayer.com Tel: +49-214-30-1
Marabu Herr Mario Mertens mario.mertens@marabu.com Tel: +49-7141-691234
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Bild 12 Fertig dekoriertes Bauteil