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Abgeschlossene Forschungsprojekte

71.012
Entwicklung einer Methode zur Bewertung der Strichfestigkeit von Druckpapieren für die buchbinderische Weiterverarbeitung

Förderung:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung" (IGF) über die AiF

Für die Druckweiterverarbeitung ist die Strichfestigkeit im Falz ein zentrales Qualitätsmerkmal von Bilderdruckpapieren. Aufgebrochene Falzkanten und Strichpartikelablagerungen in Büchern und Broschuren stellen typische Fehlerbilder dar. Bezugnehmend zu diesen Fehlerbildern wurden  zwei neue Prüfmethoden entwickelt. Diese werden als Außenfalzprüfung und Innenfalzprüfung bezeichnet. Bei der Außenfalzprüfung wird das Strichbrechen an der Falzkante bewertet. Hierzu wird ein Papierstreifen schwarz bedruckt, gefalzt, fotografiert und mit einem programmierten Skript ausgewertet. Die Auswertung besteht im Wesentlichen aus der Binarisierung des Bildes und der Berechnung der weißen Gesamtfläche als Maß für das Strichbrechen an der Falzkante. Für die Binarisierung kam das Schwellenwertverfahren nach Otsu zum Einsatz. Bei der Innenfalzprüfung werden die aus der Falzkante gelösten Strichpartikel messtechnisch erfasst und ausgewertet. Dazu wird ein unbedruckter Papierstreifen gefalzt, die Strichpartikel in einer Fallprüfung auf einem Objektträger aufgesammelt, fotografiert und mit einem programmierten Skript ausgewertet. Für eine spätere Auswertung können die Objektträger konserviert werden. Für die Auswertung wurde ein separates Skript programmiert, da aufgrund der monomodalen Graustufenverteilung der Otsu-Algorithmus der Außenfalzprüfung nicht anwendbar war. Zudem werden neben der Berechnung der weißen Gesamtfläche zusätzliche Ergebnisdaten erfasst: Partikelanzahl, -größe, -form und -verteilung. Die beiden Prüfverfahren können bei Papierherstellern, Prüflaboren und Unternehmen der Druckweiterverarbeitung zur Anwendung kommen. Besonders für Buchbinder ergibt sich der Vorteil einer messtechnischen Unterscheidbarkeit von material- und prozessbedingten Fehlerursachen. In der Normungsgruppe ISO/TC 130 WG 12 „Postpress" wurde ein Normentwurf zu beiden Prüfmethoden eingebracht. Neben der Methodenentwicklung wurde das Projekt genutzt, um den Einfluss von Druckfarbe, Lackierung und Rillung auf das Strichbrechen im Falz zu untersuchen. Zudem wurden an den Versuchspapieren standardisierte Papierprüfungen durchgeführt, um festzustellen, welche Unterschiede in der Druckweiterverarbeitung bei Papieren zu erwarten sind, die gemäß ihren technischen Daten als ähnlich zu bewerten sind. Bei der Bestimmung der Rupffestigkeit, Oberflächenfestigkeit, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Falzfestigkeit und Spaltfestigkeit zeigten die Papiere teilweise deutliche Unterschiede, was hinsichtlich des hohen Kostendrucks bei der Herstellung von Bilderdruckpapieren so nicht erwartet wurde.

 

70.005
Druckfarbenkohäsionsphänomene und Möglichkeiten zu deren standardisierter Bewertung

Förderung:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung" (IGF) über die AiF
Partner: Papiertechnische Stiftung (PTS), Heidenau

Diese Arbeit soll die Grundlagen für die Überarbeitung einer Scheuerprüfnorm (ISO 18947) legen, die von ISO TC 42 (Fotografie) für digital und analog hergestellte Fotobücher und Fotos entwickelt wurde. Er setzt sich aus einem wissenschaftlichen und einem Standardisierungs-Teil zusammen. Die Papiertechnische Stiftung wurde als Partner gewonnen, wodurch eine Klimakammer sowie eine bessere analytische Ausrüstung zu Verfügung stehen. Ziel des Themas ist es, die Norm aus dem Digitalfoto-Bereich auf Druckerzeugnisse im Allgemeinen zu übertragen. Neben dem in der ISO 18947 implizit favorisierten „Sutherland"-Scheuerprüfgerät sollen hier Untersuchungen am prüfbau „Quartant", am IGT „RT 4" und am James Heal „Martindale" an Druckmustern verschiedener Druckverfahren durchgeführt werden. Es sind Aussagen zur Gerätevergleichbarkeit, zu Wiederholgenauigkeit und zur Präzision geplant. Die Einflüsse auf die Prüfergebnisse werden bei allen Geräten untersucht. Neben diesen Methodenentwicklungs-Aspekten werden die Materialeinflüsse (Wachsgehalt der Druckfarben, Klebrigkeit des getrockneten Druckfarbenfilms, Anteil vernetzender Bindemittel im Druckfarbenfilm, Oberflächentopographie von Papier und Druck, Oberflächenelastizität von Papier und Druck und Porenvolumen von Papier und Druck) bei Bogenoffset-Druckmustern untersucht.

 

50.039
Material-, Verfahrens-, Veredelungs- und Klimaeinflüsse auf die Ausprägung von Metallic-Effekten im Druck

Förderung:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung“ (IGF) über die AiF

Es wird der Einfluss von typischen Substraten, unterschiedlichen Metallic-Pigmenten, unterschiedlichen Druckfarben-Bindemitteltypen und Lackierungen auf die Ausprägung von metallischen Effekten in verschiedenen Druckverfahren und die Alterungsbeständigkeit bei Klimaänderungen untersucht. Das beantragte Forschungsvorhaben ist Bestandteil einer konzertierten Aktion der Fogra zur Untersuchung von Problemstellungen rund um Metalliceffekte und widmet sich speziell den Aspekten von Material- und Verfahrenseinflüssen.

Ziel ist, für definierte Niveaus des metallischen Effektes Material-/Druckverfahrens-/Veredelungskombinationen für die drucktechnische Umsetzung angeben zu können, die Druckeinkäufern eine unabhängige Auswahl gestatten. Dabei sollen Möglichkeiten und Grenzen der einzelnen Druckverfahren und Veredelungsmöglichkeiten identifiziert werden. Der zu erwartende Rückgang des metallischen Effekts bei Lackierungen wird ebenso dokumentiert wie die damit erzielbaren Verbesserungen der Scheuerfestigkeit. Die Ursachen mangelnder Haftung zwischen metallpigmentierten Druckfarbenschichten und Lackfilmen werden erforscht und Wege zu ihrer Vermeidung aufgezeigt. Es wird ein Musterbuch der mit unterschiedlichen Substraten, Metallic-Pigmenten, Druckfarbenbindemitteln und Druckverfahren erzielbaren metallischen Effekte und ihrer messtechnischen Beschreibung erstellt. Der Einfluss des Klimas auf die Pigmentkorrosion wird untersucht und Richtlinien für die Vermeidung derartiger Veränderungen werden erarbeitet. Die Übertragbarkeit der in der Automobilindustrie entwickelten Farbabstandsbewertungen bei Metallic-Oberflächen in die Druckindustrie wird geprüft.

 

71.011
Einsatz des Lasergravurverfahrens für die Rücken- und Materialbearbeitung in der industriellen Buchbinderei

Förderung:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung" (IGF) über die AiF

Der Einsatz der Lasergravur zur Lösung von bestehenden Problemen bei den verschiedenen Verklebungen in der industriellen Buchbinderei ist Gegenstand dieser Untersuchung. Zum einen hat die Lasergravur als berührungsloses Verfahren großes Potenzial für die Faserfreilegung schwieriger Papiere bei der Rückenbearbeitung, während die in nahezu allen Klebebindern eingesetzten rotativen Werkzeuge trotz hohem Entwicklungsstand weiterhin grundsätzliche Probleme mit der Faserfreilegung haben. Zum anderen kann das Verfahren zum Abtragen und Aufrauen von adhäsions- und kohäsionskritischen Schichten (Druckfarbe, Lack, Papierstrich) als vorbereitende Maßnahme für die Verklebung eingesetzt werden. Wichtige Ziele, die im Rahmen des Forschungsvorhabens untersucht werden sollen, sind Adhäsionssteigerungen beim Herstellen von Klebebindungen, beim Ableimen fadengehefteter Buchblöcke und bei der Seitenbeleimung von Broschurumschlägen.

Dem buchbinderischen Unternehmen sollen damit Möglichkeiten eröffnet werden, an problematischen Vorprodukten qualitätssteigernde und -sichernde Maßnahmen vorzunehmen und auf eine ungünstige Produktkonzeption reagieren zu können. Dies ist wichtig, da die industrielle Buchbinderei sich einem anhaltenden Trend zu schwierig zu verarbeitenden Papieren stellen muss, der durch die große Vielfalt an Papiersorten, Druckfarben- und Lacksystemen, die am Markt vorherrscht, bestimmt ist. Die buchbinderische Verarbeitung von mehrfach gestrichenen, mit hohem Farbauftrag bedruckten und vollflächig lackierten Papieren mit hohen Flächengewichten ist inzwischen alltägliche Anforderung. In Hinblick auf den stetig wachsenden Marktanteil von Digitaldruckprodukten, deren Materialvielfalt und den damit verbundenen neuen Anforderungen gewinnt dieser Aspekt zusätzlich an Bedeutung.

 

70.004
Untersuchung der Einflussgrößen beim Pulltest im Rahmen der Weiterentwicklung zu einer optimierten und normierungsfähigen Prüfmethode

Förderung:
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung“ [IGF] über die AiF

Der Pulltest als wichtigstes Verfahren zur Überprüfung der Qualität einer Klebebindung bedarf einer grundlegenden Überarbeitung. Die Verschiedenheit der in der Praxis eingesetzten Prüfgeräte und deren Messergebnisse sowie der unerwünschte „menschliche Faktor“ bei der Prüfungsdurchführung gefährden zunehmend die Akzeptanz beim Anwender. In Hinblick auf das besonders hohe Fertigungsrisiko in der Druckweiterverarbeitung und ein kontinuierlich steigendes Qualitätsbewusstsein beim Kunden ist der Pulltest als produktionsbegleitendes Prüfverfahren zur Qualitätssicherung unabdingbar.
Im beantragten Forschungsvorhaben sollen erstmalig die beim Pulltest wirkenden Prüfparameter und deren Einfluss auf das Messergebnis umfassend untersucht werden. An einem Materialprüfsystem werden hierfür umfangreiche Versuchsreihen an definierten Versuchsgruppen durchgeführt. Dabei werden wesentliche Prüfparameter wie Blocköffnungswinkel, Schwerteindringtiefe, Abzugswinkel und -geschwindigkeit variiert und in Beziehung zu verschiedenen Produkteigenschaften gesetzt. Die eingesetzte Software mit Spannungs-Dehnungs-Diagrammen und der Einsatz von Video-Capturing bieten dabei neue Möglichkeiten zur Auswertung und Analyse. Verbesserungspotenziale im Bereich der Haltbarkeitsprognose werden im Rahmen dynamischer Zug- und Druckprüfungen erprobt. Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Prüfmethode, die durch Toleranzvorgaben aller wesentlichen Prüfparameter und weitestgehender Eliminierung handhabungsbedingter Messwertabweichungen eine optimierte und vereinheitlichte Prüfungsdurchführung gewährleistet.

 

72.010
Optimierung der Hochfrequenztrocknung bei der Klebe­bindung von Broschuren mit metallisierten Umschlag­materialien

Förderung:
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung“ [IGF] über die AiF

In den angelsächsischen Ländern erfreuen sich Bücher mit glänzenden, deutlich ins Auge stechenden Metalliceffekten größter Beliebtheit. Dieser Trend erobert zunehmend den deutschsprachigen Markt. Mehr noch als in vielen anderen Ländern wird in Deutschland jedoch gleichzeitig ein sehr hoher Wert auf eine dauerhafte Haltbarkeit der Bindung und auf ein optimales Aufschlagverhalten gelegt. Diese Vorteile verspricht unter anderem die Dispersionsklebebindung, die aus den genannten Gründen von etlichen Verlagen gefordert wird.
Eine wirtschaftliche Klebebindung mit Dispersionsklebstoffen ist nur möglich, wenn die Trocknung des Klebstoffes durch die Hochfrequenztrocknung [HF-Trocknung] beschleunigt werden kann. Dabei besteht von Haus aus die Problematik, dass es zu unerwünschten Ablösungen der Folienkaschierung im Bereich des Buchrückens kommen kann. Dieser Schadensmechanismus wurde von der Fogra bereits in dem Forschungsvorhaben „Untersuchung von Delaminationserscheinungen an Broschurenumschlägen bei der Hochfrequenztrocknung in Klebebindemaschinen“ [Fogra-Nr. 72.005] ausführlich untersucht, und es wurde eine Simulationsmethode zur Vorhersage des Auftretens des Fehlers entwickelt.
Im Rahmen dieser Untersuchung waren Metallisierungen ausgespart worden, da sie zum damaligen Zeitpunkt noch keine hohe Marktrelevanz besaßen. Bei der Hochfrequenztrocknung von dispersionsgebundenen Buchprodukten mit metallisierten Oberflächen kommt es jedoch häufig zu Problemen in Form von Spannungsüberschlägen oder Blasenbildungen im Bereich der Metallisierung. Diese Probleme treten vor allem bei metallisierten Umschlagkartons, bei mit metallischer Polyesterfolie kaschierten Kartons, bei Prägefoliendrucken und Drucken mit Metallpigmentfarben im Bereich des Buchrückens auf. Als Abhilfe kommt bislang nur die Abschaltung bzw. Reduzierung der HF-Leistung in Frage, was eine wirtschaftliche Produktion in Folge des dann geringeren Durchsatzes unmöglich macht. Dieses an das bereits erfolgreich bearbeitete Forschungsvorhaben 72.005 anknüpfende Projekt zur HF-Trocknung metallisierter Umschlagmaterialien soll hier Abhilfe schaffen.
Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens sollen die vier unterschiedlichen Arten metallisierter Broschuren­umschläge untersucht werden: metallisierter Karton, mit metallisierter Kunststofffolie kaschierter Karton, Heißfolienprägedruck und Offset- bzw. Siebdruck mit Metallpigmentfarben. Schwerpunkt der Untersuchung sind mögliche Wechselwirkungen zwischen den Materialkomponenten während der Hochfrequenztrocknung in der Klebebindung. Dabei ist grundsätzlich zu beachten, dass jeder Broschurenumschlag zusätzlich zum Metalliceffekt lackiert oder mit transparenter Folie kaschiert ist, was entweder vor dem Aufbringen der metallisierten Schicht oder nachträglich geschieht. Im Vordergrund der Untersuchungen steht die bei der HF-Trocknung auftretende Erwärmung der metallisierten Bereiche, die zu einer Folienablösung [Delaminierung] des Umschlages oder zu anderen optischen Veränderungen der Oberfläche wie Blasen oder Runzeln führt. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens geplanten Untersuchungen konzentrieren sich auf die Fehler, die zu gravierenden optischen oder funktionellen Mängeln der Produkte führen und durch den Buchkäufer leicht als solche erkannt werden und daher zu Produktreklamationen führen. Die Forschungsergebnisse sollen einerseits dazu beitragen, kostenträchtige Reklamationen künftig vermeiden zu können und andererseits eine wirtschaftliche Produktion unter Einsatz der Hochfrequenztrocknung ohne Leistungsminderung zu gewährleisten.
Das Ziel der Untersuchungen war die Identifizierung der Ausführungsvarianten metallisierter Umschläge, die systematisch zu Fehlern bei der Hochfrequenztrocknung führen und wenn diese Fehler rechtzeitig erkannt werden zu einer unwirtschaftlichen Produktion mit ausgeschalteter oder leistungsverminderter HF-Trocknung und damit drastisch reduzierter Anlagengeschwindigkeit zwingen. Durch die Entwicklung einer einfachen Testmethode zur „Früherkennung“ der optischen Beeinträchtigungen und die damit gewonnenen Erkenntnisse kann von Druckereien und Veredelungsbetrieben auf Ausführungsvarianten metallisierter Umschläge umgestellt werden, die auch bei hoher HF-Leistung fehlerfrei verarbeitet werden können.



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