Onderzoek in Print & Media (deel 1)

Fons Put
3 November 2021
Eye-Opener

Wil je als sector relevant blijven, dan zal je moeten investeren in onderzoek en ontwikkeling. Dit moet leiden tot nieuwe ideeën en concepten met verschillende doelstellingen: winst in efficiëntie, verbeterde technische prestaties, nieuwe groenere technologie, verkennen van een nieuwe markt, enz. In dit kader is het interessant te bekijken welke onderzoeken universiteiten en hogescholen met print -en mediaopleidingen het afgelopen jaar hebben uitgevoerd. Eind september verzamelde de wereldtop van deze academische instellingen In Athene om hun onderzoeksresultaten voor te stellen. In dit eerste deel presenteren we je een aantal trends in grafisch onderzoek:

Materiaalkennis

Materiaalkennis wordt belangrijk. Traditioneel is de grafische industrie een gestoeld op de goede wisselwerking tussen vet-gebaseerde drukinkt en papiervezels. In technische termen wordt dit: de oppervlaktespanning van vette drukinkt is compatibel met de oppervlakte-energie van het papier, met goede acceptatie en hechting van de inkt tot gevolg (‘printability’). Vandaag is echter het aantal verschillende drukprocédés (opgang digitaal printen) sterk toegenomen, alsook substraattypes en inktsoorten. Hiermee wordt dan een veelheid aan toepassingen bediend: grafisch, industrieël, Printed Electronics, enz.

In zijn keynote toonde Stelios Manousakis van Bobst de kritische parameters van inkjet: door het feit dat de inktoverdracht contactloos is, dienen de energetische eigenschappen van de laag viskeuze inkt en media zeer goed ge-engineerd te worden. Ook de ‘wave form’, dit is de elektrische puls om de inktdruppel(s) uit de printkop te stuwen, is voorwerp van doorgedreven onderzoek. De vorm van deze puls zal o.a. de grootte van de inktdruppels bepalen. Dit is een zeer kritisch proces en minder gekend is dat hierbij zeer strenge vereisten aan de elektronische sturing gesteld worden: deze elektronica verwerkt elke seconde miljarden aan data maar hierbij mag de werkingstemperatuur niet meer dan 0.5°C schommelen om constante drukkwaliteit te verzekeren!

Fig. 1. Stelios Manousakis, product director bij Bobst, gaat dieper in op de wisselwerking tussen inkt en media.

Ook op het domein van de printed Electronics zien we dit belang van materiaalkennis. Gunther Hübner van de Stuttgart Media University is een expert in gezeefdrukte batterijen. Hierbij worden op een flexibel substraat elektrische materialen gezeefdrukt met als resultaat een stickervormige batterij die je o.a. kan integreren in geavanceerde labels, verpakkingslogistiek, medische pleisters, enz.

Fig. 2. Geavanceerde Coca-Cola-labels met geïntegreerde batterij (bron: INURU)

Met zijn team onderzocht Professor Hubner de geschiktheid van verschillende kunststof-substraten voor gedrukte batterijen. Hierbij ligt de focus op typische materiaaleigenschappen (oppervlakte-energie, gevoeligheid voor opkrullen, elasticiteit, dimensionele stabiliteit) en barrière-eigenschappen (doorlaatbaarheid water en zuurstof), typische eigenschappen die we ook terugvinden bij voedselverpakkingen.

Fig. 3. Substraten voor voedselverpakkingen (links) en technische toepassingen (rechts). Uit een goed barrière-materiaal mag geen vloeistof lekken (water) en het mag geen zuurstof doorlaten (voedselbederf!).

Bedrukbaarheid (‘printability’).

De bedrukbaarheid verwijst naar hoe goed het substraat inkt accepteert, de oppervlakte-energie is hiervoor een maatstaf, hoe hoger, hoe beter de acceptatie.

Fig. 4. Bedrukbaarheid van de kunststoffen.

Voor de substraten met een lage oppervlakte-energie kan een plasma of corona-voorbehandeling toegepast worden om de oppervlakte-energie te verhogen.

Fig. 5. Een plasma-behandeling verhoogt de oppervlakte-energie maar het effect neemt af in tijd.

Dimensionele stabiliteit (opwarmen)

Voor een goed register mag het substraat niet te veel uitrekken tijdens o.a tussendroging.

Fig. 6. De meerlaagsmaterialen zijn op thermisch vlak super-stabiel. Van de mono materialen is PET het meest stabiel tijdens het opwarmen.

Rekbaarheid

In roll-to-roll drukprocessen staat het substraat onder spanning bij doorvoer door de pers. Hierbij wil ja natuurlijk zo weinig mogelijk vervorming bij het bedrukken.

Fig. 7. TPU en UPP zijn veel maatvaster dan PET en BOPP.

Barrière: doorlaatbaarheid voor water

Fig. 8. Waterdoorlaatbaarheid. Hierbij een zeer goede score voor de multilayer-materialen (voedselverpakkingen!) en het duidelijk mindere resultaat voor TPU.

Industrie 4.0

In de VIGC-opleiding ‘introductie in Industrie 4.0’ en het lerend netwerk ‘automatisatie – inline meting’ werd het begrip ‘machine learning’ uitgelegd: de werkwijze om een machine te leren hoe ze optimaal een taak kan uitvoeren. De Technische universiteit Darmstadt onderzocht hoe dit Industrie 4.0 – principe kan toegepast worden in grafische productie. Specifiek werd er gezocht hoe in gravuredruk het complexe proces van het splitsen van inkt kan worden verbonden met drukparameters (raster, druksnelheid, viscositeit van de inkt,…). De drukpers werd a.h.w. aangeleerd welke instellingen ze moet gebruiken om een voorspelbaar afdrukresultaat te bekomen.

Fig. 9. Het ontstaan van verschillende patronen door het splitsen van inkt in gravure. Het effect bovenaan wordt ‘lamella’-splitsing genoemd, dit is van toepassing bij het drukken van volvlakken. Het effect onderaan wordt ‘point’-splitting genoemd, overdracht van een rasterpunt.

Door te experimenteren met de parameters van de graveercilinder (liniatuur, rasterhoek, puntvorm, diepte van de cel, …) en de resulterende afdrukken te digitaliseren werd trainingsdata verzameld. Via artificiële intelligentie-software werd een model opgesteld dat de drukeffecten verbindt met de parameters van de graveercilinder. Het opgestelde model behaalde achteraf een nauwkeurigheid tussen 89.3 en 95.2%, m.a.w. het drukresultaat kon in de meeste gevallen nauwkeurig voorspeld worden op basis van de gebruikte parameters van de graveercilinder. In een volgende fase werd ook geëxperimenteerd met de invloed van de druksnelheid. Op deze wijze werd het model continue uitgebreid en slimmer gemaakt. Les voor de ontwikkelaars van grafische productieapparatuur is zo snel mogelijk te starten met de ‘machine learning’-technologie. Een eerste beperkt trainingsmodel kan ingezet worden om de grafische kwaliteit van substraten en inkten in kaart te brengen. In verdere fase kan het model steeds beter getraind worden door meer en meer drukparameters in te brengen. Eindresultaat is een digitaal model dat je pers configureert voor maximale grafische kwaliteit en productie-efficiëntie!

Kleur blijft een thema

Hierbij is ‘Extended Gamut’ een populair onderzoeksproject. In 2015 lanceerde Pantone een ‘Extended Gamut’-concept (met natuurlijk bijhorende waaier) waarin met 7 inkten (CMYK + oranje, groen en violet) 90% van de Pantone coated-waaier kan gereproduceerd worden. Michael Abildgaard Pedersen van de Danish School of Media and Journalism, heeft een flink aantal Pantone-gerelateerde onderzoeken op zijn naam staan, in zijn recentste onderzoek staaft hij ‘Extended Gamut’-concept.

Fig. 10. De Pantone Extended Gamut – waaier voor een 7-kleuren drukproces.

Michael onderzocht op basis van de colorimetrische data hoeveel van de Pantone Coated kleuren je voldoende nauwkeurig kan matchen een XG-proces. Hierbij kwam hij tot volgende cijfers:

58% van de Pantone Coated waaier kan je reproduceren binnen een kleurtolerantie van DE2000 = 2
83% van de Pantone Coated waaier kan je reproduceren binnen een kleurtolerantie van DE2000 = 3

De moeilijkste kleuren zijn deze met een purperen kleurtint, alsook enkele hoog-chromatische rood -en geeltinten.

Volgende maand in deel 2 laten we je kennis maken met o.a. het meten van glans van grafische metaalfolies, nieuwe markten als bioprinting, kleurgebruik op voedselverpakkingen en embossing.