Trocknen im Wellpappe-Direktdruck - Duo-Technik GmbH

1 Einleitung
Trocknen im Wellpappe-Direktdruck
Das Trocknen von Farben und Lacken wurde im Wellpappe-Direktdruck lange
Jahre als spezielle Randerscheinung betrachtet, während in anderen Druckverfahren
wie beispielsweise dem Offset- oder Tiefdruck der Trocknung einen
hohen Stellenwert eingeräumt wurde. Noch heute werden die möglichen
Trocknungsverfahren im Wellpappe-Direktdruck in Kompendien oder Fachliteratur
kaum erwähnt. Jedoch hat die Praxis die Theorie überholt. Drucke mit5
Farben plus Lack auf vollgestrichenen Papieren gehören heute im Wellpappe-Direktdruck
zur Tagesordnung. Dies wurde anfangs in Offline-
Druckmaschinen realisiert. Inzwischen dienen auch DRO’s (Rotary Die-Cutter)
oder FFG’s (Flexo Folder Gluer) dazu, höher wertige Drucke zu erzielen. Somit
hat sich hier in den vergangenen 20 Jahren ein Markt gebildet, der immer dynamischer
zu werden scheint.
Ziel dieses Artikels ist es für jeden verständlich die Grundlagen des Trocknens,
die unterschiedlichen Trocknertypen und deren Vor- und Nachteile im Wellpappe-Direktdruck
zu verdeutlichen.
2 Trocknen von Wasser basierenden Farben
„Trocknung ist der Sammelbegriff, unter dem man bei Farben den Übergang
von einem flüssigen in den festen Zustand versteht. Flexodruckfarben trocknen
physikalisch, das heißt durch Verdunsten der Lösemittel.“ 1 Als Lösemittel wird
im Wellpappe-Direktdruck Wasser eingesetzt. Dadurch wird die Trocknung
durch die spezifischen chemischen Eigenschaften von Wasser sehr energieintensiv.
Unter dieser Definition können 90% der Trocknungsprozesse im Wellpappe-Direktdruck
mit Wasser basierenden Farben abgedeckt werden. Dabei
können grundsätzlich Luft oder Infrarot-Strahlung zur Anwendung kommen.
Darüber hinaus gibt es im Wellpappe-Direktdruck die Sonderanwendung des
Auftragens von UV-Lacken, um den Glanz des Endproduktes weiter zu erhöhen.
Hier erfolgt keine physikalische, sondern eine chemische Trocknung.
Durch das Aufbringen von UV-Strahlen, die kurzwelliger als sichtbares Licht
sind, wird in Anwesenheit von Photoinitiatoren eine sekundenschnelle chemische
Reaktion gestartet, die den UV-Lack aushärten lässt.
Im Folgenden wird sich auf das Trocken von Wasser basierenden Farben beschränkt.
Das Thema UV-Trocknung bedarf einer gesonderten eigenständigen
Betrachtung.
1 Flexodruck von A bis Z, Erwin Schulz, Polygraph Verlag, 2002
1

2.1 Besonderheiten im Wellpappe-Direktdruck
Für das Trocknen von Wellpappebögen gilt: „Die auf der Oberfläche des bewegten
Druckträgers „Papier“ haftende laminare Gas-/Luftschicht ist eine
Sperrschicht, um einerseits den heißen Luftstrom auf das Papier durchdringen
zu lassen, andererseits können die ausgetriebenen Lösemittel nur unter hohem
Druck durch diese Laminarschicht hindurchdringen.“ 2
Dies bedeutet, dass die mitgeführte Luftschicht des Bogens sowohl für die Zuführung
an Energie als auch für den Abtransport der Feuchtigkeit durchbrochen
werden muss. Diese Problematik verstärkt sich mit immer höheren
Druckgeschwindigkeiten.
Dies gewinnt insbesondere an Bedeutung, wenn durch geschlossene Deckschichten
der Wellpappe eine „Wegschlagen“ der Farbe in die Wellpappe
nur noch in geringem Umfang oder gar nicht mehr stattfindet.
Darüber hinaus sind die Besonderheiten im Wellpappe-Direktdruck zu berücksichtigen:
(1) Das Bedrucken von Bögen in unterschiedlichen Formaten, Beschichtungen,
Dicken und Krümmungen und damit sich stetig ändernde
Bedingungen zum Trocknen
(2) Der automatische Rasterwalzenwechsel ist noch kein Standard, so
dass in vielen Druckbereichen mit nicht optimalen Farbauftragsvolumen
gedruckt wird.
(3) Wellpappbetriebe besitzen nach wie vor eine sehr staubige Umgebung.
Um aufgrund von Staub die Druckmaschine nicht zu häufig
stoppen zu müssen, wird dies durch zu hohes Auftragsvolumen
kompensiert.
2 FOGRA-Symposium, Trocknung von Farben, F. Klinger, MAN Roland, 1990, Seite 5
2

2.2 Trocknen mit Luft
Lufttrockner trocknen Druckfarben, indem das Wasser der Farbe durch die
Luft entzogen (absorbiert) wird. Dabei wird warme Luft in großen Mengen und
bei hoher Geschwindigkeit auf den Wellpappbogen geblasen. In der Regel
werden Prallstrahltrockner eingesetzt. Hierbei durchbricht der Luftstrahl durch
seine hohe Geschwindigkeit (50-70 m/s) die laminare Schicht unterhalb des
Wellpappbogens, nimmt das Wasser der Farbe auf, prallt vom Bogen ab und
wird durch die Absaugung der Trocknereinheit abtransportiert.
Die Absaugung der Luft erfüllt dabei zwei Aufgaben. Zum einen, wie beschrieben,
die Rückführung der feuchten Luft zum anderen schließt die Absaugung
das Gesamtsystem Trocknung ab, so dass keine Luft aus dem Trocknerbereich
austritt. In Unkenntnis dieser Tatsache, wird häufig als Schwäche
der Lufttrocknung das Antrocknen von Klischees und Rasterwalzen angeführt.
Legt man das Grunddesign zu Grunde, wird dieses Argument jedoch vollständig
entkräftet.
Die Trocknung funktioniert grundsätzlich auch mit Umgebungstemperatur, allerdings
wird die Wasseraufnahmefähigkeit der Luft durch Erwärmung, wie das
nachfolgende Diagramm zeigt, wesentlich verbessert.
3

Die Grafik visualisiert, dass die Aufnahmefähigkeit von Wasser bei erwärmter
Luft enorm steigt. Empirische Erfahrungen zeigen, dass im Wellpappe-
Direktdruck für die Trocknung von Farben Lufttemperaturen von 60 – 80° C
und für die Trocknung von Lacken 100-110 °C ideal sind.
Zur Erwärmung der Luft werden Wärmetauscher eingesetzt. Diese können mit
unterschiedlichsten Heizmedien betrieben werden. In der Wellpappenindustrie
wird zu 90% das Heizmedium Dampf verwendet, das in der Regel in ausreichenden
Mengen und günstig zur Verfügung steht. Dabei muss nicht Frischdampf
zugeführt werden, sondern es kann auch Dampf als Abfallprodukt der
Wellpappanlage mit einem minimalen Druck von 3,5 bar zum Einsatz kommen.
Als weitere Energiequellen für die Erwärmung können Strom, Gas, Thermalöl
oder Warmwasser eingesetzt werden. Diese Flexibilität der Lufttrocknung
ist aus energiepolitischer wie auch wirtschaftlicher Sicht ein Vorteil.
Wie bereits erwähnt, wird die zugeführte Luft zurückgesaugt. Dies hat einen
positiven und einen negativen Effekt. Positiv: Da erwärmte Luft zurückgesaugt
wird, wird immer weniger der in Summe installierten Leistung zur Erwärmung
der Luft benötigt. Um die Maximaltemperatur zu erreichen, wird im regulären
Betrieb somit lediglich 60-70% des installierten Energiebedarfs benötigt. Negativ:
Die zurückgesaugte Luft besitzt eine erhöhte Luftfeuchtigkeit, so dass 20-
30% Frischluft in den Kreislauf eingebracht werden muss, um eine kontinuierlich
gleichbleibenden Trocknungseffekt zu gewährleisten.
Bei der herkömmlichen Lufttrocknung werden Ventilatoren eingesetzt, die
Luftmengen in hohem Umfang bewegen. So wird für einen Endtrockner pro
Meter Bogenbreite ein Luftvolumen von 1,0 m³/s benötigt. Hierzu sind große
Verrohrungen und große Trocknungseinheiten notwendig. Diese Trocknungen
sind im Wellpappe-Direktdruck in offline Druckmaschinen einfach zu integrieren
und werden häufig eingesetzt. Die sogenannten Inliner bieten allerdings
oftmals nicht den notwendigen Platz für eine solche Trocknung.
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Als Alternative zum herkömmlichen Lufttrockner ist seit fast 10 Jahren der sogenannte
Highspeed Lufttrockner auf dem Markt anzutreffen. Dieses patentierte
Trocknungskonzept verwendet als Luftquelle einen speziellen Öl freien
Schraubenkompressor, der bei definiertem Druck ein definiertes Luftvolumen
erzeugt. Die bei der Kompression entstehende Wärme wird als Trocknungswärme
verwendet. Mit diesem Trockner ist es möglich die Luftzufuhr zur Trocknungseinheit
von DN200 auf DN32, die zentrale Luftzufuhr von DN400 auf DN
80 und die Zwischentrocknergröße von 400 mm auf 50-110 mm zu reduzieren.
Somit ist ein Einbau in Inlinern selbst ältester Bauformate möglich. Häufig wird
dieser Trockner als Zwischentrockner eingesetzt, wobei der Endtrockner als
herkömmlicher Lufttrockner ausgeführt wird, um den Vorteil der Nutzung von
Dampf als Energiequelle zu erhalten. Energetisch kann der Kompressor natürlich
nur mit elektrischer Energie betrieben werden, wobei die Energiebilanz in
Summe immer noch unter dem Energieeinsatz eines Infrarottrockners bleibt.
Durch die vergleichsweise kleine zentrale Verrohrung kann der Highspeed
Lufttrockner auch als Kombinationssystem für mehrere Druckmaschinen eingesetzt
werden. D.h. es wird eine zentraler Kompressor eingerichtet, der mehrere
Druckmaschinen mit Luft versorgt. Dabei wird der Kompressor nicht für
den Betrieb aller vorhandenen Druckwerke ausgelegt, sondern für die durchschnittlich
verwendete Anzahl der Druckwerke.
Ziel eines solchen Systems ist es, den durchschnittlichen Output bei Inlinern
gerade auch auf ungestrichenen Papieren zu erhöhen. Denn auf ungestrichenen
Papieren wird die Druckgeschwindigkeit durch Die-Cut und Faltung
auf minimale Druckgeschwindigkeit reduziert, sobald eine Vollfläche zu drucken
ist. Hier können durch den Highspeed Lufttrockner die Geschwindigkeiten
bis zu 100% erhöht werden.
2.3 Trocknen mit Infrarotstrahlung
Infrarotstrahler wandeln elektrische Energie in elektromagnetische Wellen um.
Die für die Trocknung nutzbare Wellenlänge der IR-Strahlung liegt zwischen 1
und 10 µm. Dieser Spektralabschnitt wird wiederum in 3 Teilbereiche unterteilt.
Es wird zwischen kurz-, mittel- und langwelligen IR-Strahlen unterschieden. In
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der Trocknungspraxis haben heute nur kurz- und mittelwellige Strahlung eine
Bedeutung.
Im Gegensatz zur Lufttrocknung wird durch Infrarotstrahlung das Wasser der
Farbe verdampft. Dazu ist es notwendig, dass möglichst viel Energie der Strahlung
vom Wasser aufgenommen wird. Grundsätzlich wird immer ein Teil der
Strahlung reflektiert, ein Teil der Strahlung absorbiert, was zum Verdampfen
führt und ein Teil der Strahlung durchdringt Farbe und Werkstoff, was zum Aufheizen
der Druckmaschine führt.
Somit ist die ideale Wellenlänge der Wasserabsorption entscheidend für eine
schnelle und gute Trocknung. Der Wellenlängenbereich, der die höchste Absorptionsfähigkeit
des Wassers bedient, liegt etwas über 3 µm. Wie die beigefügten
Grafiken zeigen, wird dieser Bereich grundsätzlich nur ungenügend
von Infrarotstrahlern erzeugt, aber von mittelwelligen Strahlern noch mit fast
doppelt so hoher Energie wie von kurzwelligen Strahlern bedient.
Erfolgt eine ausreichende Absorption, um das Wasser zum Verdampfen zu
bewegen, ist wie beschrieben, die laminare Luftschicht zu durchbrechen, die
dem verdampften Wasser den Weg versperrt. So wird das Entfernen des verdampften
Wassers aus dem Druckbereich erschwert und ein kontinuierlicher
Trocknungseffekt ist nicht möglich (dies erfolgt teilweise auch durch den Va-
3 Quelle: Heraeus Noblelight GmbH, Hanau
4 Quelle: Heraeus Noblelight GmbH, Hanau
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kuumtransport der Druckmaschine). Dies bedeutet allerdings im Umkehrschluss,
dass eine reine Strahlungstrocknung in diesem Falle nicht ausreichend
ist, sondern immer mit einem Element, das die laminare Luftschicht durchbricht,
und einer Absaugung zu versehen ist.
Nichtsdestotrotz findet man häufig Trocknungen mit kurzwelliger Infrarotstrahlung.
Diese besitzen Wellenlängen, die insbesondere bei Lacken und hellen
Druckfarben einen hohen Reflexions- und Transmissionsgrad besitzen, d.h. ein
Großteil der eingesetzten Energie steht nicht zur Trocknung zur Verfügung.
Darüber hinaus wird durch die vergleichsweise hohe Kerntemperatur von ca.
2.200 °C, das Umfeld der Druckmaschine und die Druckmaschine selbst stark
in Mitleidenschaft gezogen. Aufgrund dieser hohen Temperaturen und auch
als Schutz vor Bögen, die die Lampen zerstören können, wird in der Regel ein
Quarzglas über den Lampen platziert. Dieses wiederum absorbiert einen weiteren
Teil der Energie, so dass noch weniger zum Verdampfen zur Verfügung
steht. Trotzdem birgt diese Trocknung ein hohes Brandrisiko für Bogen und
Druckmaschine, da der Flammpunkt von Papier bei ca. 185 °C liegt und diese
Temperatur auf dem Quarzglas weit überschritten wird. Durch den hohen
Transmissionsanteil wird viel Energie in den Wellpappbogen abgegeben,
wodurch es zu Verformungen des Bogens und damit zu Problemen bei der
Weiterbearbeitung kommen kann. Die Lebensdauer eines kurzwelligen Strahlers
wird von den Herstellern mit 2.000-3.000 Stunden angegeben.
Die vorstehenden Betrachtungen sollten zu der Annahme führen, kurzwellige
Strahler am seltensten für Trocknungen zum Einsatz kommen. Das Gengenteil
ist der Fall. Dies ist im Wesentlichen durch deren geringere Anschaffungskosten
und einer einfacheren, technische Umsetzung zu begründen. Der kurzwellige
Strahler steht in sehr kleinen Baugrößen zur Verfügung und kann mit stets
gewünschter elektrischer Spannung erworben werden. Dadurch kann gerade
im Marktsegment der Inliner sehr klein gebaut werden und mit geringem
technischem Aufwand eine Steuerung erfolgen. In Laufrichtung der Druckmaschine
angeordnet, bietet er zudem die Möglichkeit, die Energie zielgerichtet
auf das benötigte Bogenformat zu fokussieren. Dies ist bei der Lufttrocknung
nicht möglich.
Der technische Fortschritt hat es allerdings in den letzten Jahren möglich gemacht,
dass auch mittelwellige Infrarotstrahler der Trocknung zur Verfügung
stehen. Hier ist insbesondere der Carbonstrahler zu nennen, der sich durch
eine hohe Energieausbeute im Bereich 3 µm, einer geringen Kerntemperatur
und einer langen Lebensdauer auszeichnet. Allerdings ist die technische Umsetzung
aufgrund der elektrischen Anschlussmöglichkeiten und der möglichen
Baulängen nach wie vor nicht so flexibel wie der kurzwellige Strahler. Der mittelwellige
Infrarotstrahler kombiniert mit einem guten Luftmanagement führt
allerdings zu hervorragenden Trocknungsergebnisse und zu einer drastischen
Reduzierung der Brandgefahr. Es werden lediglich 110-120 °C über der Trocknungseinheit
erreicht. Dies liegt weit unter dem Flammpunkt von Papier, so
dass zudem das Energie absorbierende Quarzglas als Sicherheitsvorrichtung
entfallen kann.
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3 Vergleich der Trocknungstypen
Eines der wichtigsten Kriterien im Vergleich ist die mögliche Produktionsgeschwindigkeit.
Hierzu hat Duo-Technik einen Vergleichstest unterschiedlicher
Trocknertypen (Warmluft, Highspeed, Luft/IR [Mittelwelle], IR [Mittelwelle], IR
[Kurzwelle]) durchgeführt. Der Test fand auf einem Inliner mit Die-Cut und
Faltstation, mit vollgestrichenem Papier (15 g/m² coating), einer Rasterwalze
von 5 cm³/m², der Verwendung von Stahlrakeln und einem Vollflächenklischée
mit einer hellen (gelb) und einer dunklen (schwarz) Farbe statt.
Beurteilungskriterium, ob trocken oder nicht, waren Markierungen des Bogens
durch Stanz- oder Faltstation. Die nachfolgenden Grafiken zeigen die erzielten
Geschwindigkeiten:
Vergleich Geschwindigkeit und Energieeinsatz „gelb“ Vergleich Geschwindigkeit und Energieeinsatz „schwarz“
Die Ergebnisse sind entsprechend der theoretischen Erwartung. Einzig der große
Unterschied im Geschwindigkeitsvergleich zwischen gelb und schwarz ist
überraschend. Hier schneidet die Kombination von Luft/IR in der Varianz der
Ergebnisse am besten ab. Beim Highspeed Lufttrockner ist hier die Varianz am
größten.
Dieser Test ist unter fixierten Bedingungen abgelaufen. Was passiert also,
wenn einer der Faktoren (Papier oder Farbauftrag) verändert werden? Für die
von Duo-Technik angebotenen Produkte geben wir heute folgende Geschwindigkeitsgarantien:
Papier
Rasterwalze (cm³/m²)
Farbe Lack
m/min
Halbgestrichenes Papier ohne Wasserlack (max. 8 g/m² coating) 7,5 - 260
Halbgestrichenes Papier mit Wasserlack (max. 8 g/m² coating) 7,5 10,0 210
Vollgestrichenes Papier ohne Wasserlack (max. 15 g/m² coating) 4,5 - 210
Vollgestrichenes Papier mit Wasserlack (max. 15 g/m² coating) 4,5 8,0 160
Dies gilt für Drucke, die mit einem Kammerrakelsystem, mit einer Farbdeckung
von maximal 200% und mit einem inline Die-Cut gedruckt werden.
Zwei weitere wichtige Hardfacts sind die Energiekosten und die Wartungs-
und Ersatzteilkosten über den Lebenszyklus der Trocknertypen. Hier zeichnet
sich folgendes Bild ab:
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Auch hier fällt der Vergleich eindeutig aus, wobei der Warmlufttrocknung die
Werte für die Energie nur Gültigkeit besitzen, wenn der Trockner mit Dampf,
Gas oder Thermalöl betrieben wird.
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Über diese Faktoren hinaus müssen einige „weiche“ Faktoren berücksichtigt
werden, die in der nachfolgenden Tabelle dargestellt werden:
Sind die Zwischentrockner einzeln
abschaltbar?
Kann die Arbeitsbreite auf die Breite
des bedruckten Bogens eingestellt
werden?
Ist die Energieaufnahme reduzierbar?
Gibt es einen Leistungsverlust bei
längerer Verwendung?
Warmluft Highspeed Luft/IR IR-Kurz
Ja Ja Ja Ja
Nein Nein Ja Ja
Ja, durch Temperaturveränderung
Ja, durch Temperaturveränderung
Ja, durch Anpassung
der
Strahlungsintensität
10
Ja, durch Anpassung
der
Strahlungsintensität
Nein Nein Nein Ja, durch Verschmutzung
des
Quarzglases
Gibt es eine Brandgefahr? Nein Nein Nein Ja
Gibt es durch die Wärmeübertragung
auf den Bogen Weiterverarbeitungsprobleme?
Welcher
wendig?
Wartungsbedarf ist not-
Nein Nein Nein Ja, es kann zur
starken Krümmung
kommen
Wöchentliche
Luftfilterreinigung
(ca. 1 h
pro Woche)
Reinigen der
Trocknungsdüsen
alle 6 Monate
(ca. 16 h)
Welcher Ersatzteilbedarf besteht?
Ist eine Investition in ein zusätzliches
Löschsystem notwendig?
Kann es zu eine höheren Einstufung
der Betriebshaftpflicht kommen?
Gibt es eine Wartezeit beim ersten
Start der Anlage am Tag?
Marginal Ölfilter, Luftfilter,
Öl einmal im
Jahr tauschen
(ca. 1,5 TEUR)
Gibt es eine Wartezeit beim Stopp
der Anlage?
Wöchentliches
Reinigen der
Trocknungseinheiten
(ca. 4 h
pro Woche)
IR Lampen alle
4-5 th ersetzen
(ca. 20-25 TEUR)
Tägliches Reinigen
der Luftfilter
(1 h pro Tag);
wöchentliches
Reinigen des
Quarzglases (2 h
pro Woche)
IR Lampen und
Quarzglas alle 2-
3 th ersetzen
(ca. 20-25 TEUR)
Nein Nein Nein Empfohlen
Nein Nein Ja Ja
Ja, 2-3 Minuten Ja, 2-3 Minuten Nein Nein
Nein Nein Nein Ja, 5-8 Minuten
für Sicherheits-
Reset

4 Fazit
Wie es scheint, haben alle Trocknertypen in bestimmten Ausgangslagen ihre
Berechtigung. Allerdings fällt der kurzwellige Infrarottrockner in einigen Performancekriterien
und Sicherheitsaspekten stark ab, so dass von diesem trotz
der ggfs. etwas geringeren Anschaffungskosten abgesehen werden sollte.
Bei der Anschaffung eines Trocknungssystems sollten sich insbesondere folgende
Fragen gestellt und beantwortet werden:
(1) Wie groß ist mein Anteil an gestrichenen Papieren, die aller Voraussicht
nach auf der Druckmaschine produziert werden?
(2) Habe ich Zugriff auf Dampf, Gas oder Thermalöl?
(3) Muss ich Zusatzinvestitionen für Sicherheit, elektrischen Anschluss,
oder Dampfleitung erbringen?
(4) Wie verhält sich meine Betriebshaftpflicht auf eine erhöhte Brandgefahr?
Duo-Technik bietet Trocknungssystem vom Warmlufttrockner, über den
Highspeed-Trockner bis zu den mittelwelligen Luft/IR als auch reinen IR-
Trocknern an. Wir können anbieten, die Ausgangslage eines jeden Kunden zu
analysieren, um dann eine optimale Lösung anzubieten zu können. Die Trocknungseinrichtung
ist ein wichtiger Bestandteil einer neuen Druckmaschine,
deshalb sollte sich die Zeit für eine fundierte Entscheidung genommen werden.
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