UV-Druck auf dem Pr�fstand

angela starck Der Druck mit UV-härtenden Tinten bietet eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber anderen digitalen Grossformat-Drucktechnologien. Daher konnten Eigenschaften wie sekundenschnelle Trocknung auf einer riesigen Auswahl an starren und flexiblen Bedruckstoffen, sofortige Weiterverarbeitung der bedruckten Medien, lange Haltbarkeit und Witterungsbeständigkeit, keine oder nur geringe Lösungsmittelemissionen und mehr bereits etliche Anwender von der UV-Drucktechnologie überzeugen.

So sind die Verkaufszahlen von UV-Grossformatdrucksystemen in den letzten Jahren geradezu rasant gestiegen und entsprechend steigt die Zahl an Neuvorstellungen bei den grossformatigen UV-Digitaldrucksystemen beständig an. Sie erreichten ihren bisherigen Höhepunkt auf der diesjährigen Fespa im Juni in London, auf der die flexiblen Systeme in den verschiedenen Segmenten vom Hochgeschwindigkeitsprinter über Flachbettdrucker bis hin zu Systemen mit grosser Farbvielfalt und sehr guter Druckqualität die Neuvorstellungen dominierten.

Die Vielseitigkeit, sicherlich der wichtigste Faktor für den Erfolg des digitalen UV-Grossformatdrucks, hat mit der speziellen Zusammensetzung der UV-härtenden Tinten zu tun, aufgrund deren die Farben unmittelbar nach dem Druck durch die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht in kürzester Zeit aushärten. So lässt sich eine sehr grosse Anzahl verschiedenster Materialien bedrucken. Daraus resultiert die immense Zahl von Anwendungen, die sich mit dieser Drucktechnologie abdecken lassen. Zudem lassen sich die bedruckten Medien sofort weiterverarbeiten.

Darüber hinaus gilt der UV-Druck als relativ umweltfreundlich – was in der heutigen Zeit ebenfalls ein sehr wichtiges Kaufkriterium ist. UV-Printer geben, im Gegensatz zu Solvent-Druckern, keine flüchtingen organischen Substanzen (VOC) ab, die gesundheitsschädlich sind und deren Verarbeitung strengen gesetzlichen Schutzbestimmungen unterliegt.

Gefahren für Gesundheit und Umwelt

Doch auch beim Druck mit UV-härtenden Farben bestehen Gefahren. Zum Beispiel können ungehärtete oder nicht vollständig ausgehärtete UV-Druckfarben bei Haut- und insbesondere Augenkontakt zu Problemen führen. Weitere Gefahren gehen etwa von der UV-Strahlung und der Ozonbildung aus.

Daher ist es unbedingt nötig, beim Umgang mit UV-Drucksystemen, den Farben und auch der Makulatur verschiedene Schutz- und Sicherheitsmassnahmen einzuführen und einzuhalten, um die Gefährdung der Gesundheit von Mitarbeitern und Kunden sowie Schäden für die Umwelt auszuschliessen.

Welche Gefahren beim Druck mit UV-härtenden Farben und Lacken lauern, wird klar, wenn man sich einmal genauer anschaut, was beim Härtungsprozess mit dieser Art von Tinten passiert, die einen völlig anderen Aufbau als konventionelle Drucktinten aufweisen und sich aus Monomeren, Oligomeren, Farbpigmenten, Fotoinitiatoren und Additiven zusammensetzen.

Infolge der Bestrahlung mit UV-Licht werden die Fotoinitiatoren in freie Radikale umgewandelt, die sehr reaktionsfreudig sind und nach einer Möglichkeit suchen, sich mit anderen Elementen – hier den Monomeren und Oligomeren – zu verbinden beziehungsweise zu vernetzen.

Durch die abgeschlossene Vernetzung – auch Polymerisation genannt –, also die komplette Aushärtung der Farben, bildet sich im Idealfall innerhalb von Millisekunden eine sehr stabile und nicht mehr lösbare Verbindung, die – vergleichbar mit einer sehr dünnen Kunststofffolie – fest auf dem Bedruckstoff liegt und eine glatte sowie ebenmässige Oberfläche bildet.

Potenzielle Gefahrenquellen

Zur Härtung der UV-Farben werden meist so genannte Quecksilberdampflampen beziehungsweise Quecksilbermitteldrucklampen verwendet. Für die Härtung der Farben bündelt ein Reflektor die UV-Strahlung.

Bei dem bei der Härtung verwendeten UV-Licht handelt es sich um elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im UV-Bereich zwischen 200 und 400 Nanometern. Dabei wird ein grosser Teil der Energie der Lampe allerdings nicht als UV-Strahlung, sondern als Infrarotstrahlung und damit als Wärme abgegeben. Auf diese Weise erreichen die Oberflächen der Quecksilberdampflampen Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius, sodass die Systeme gekühlt werden müssen.

Die UV-Strahlung besitzt zwar nur eine geringe Eindringtiefe – kann aber den Augen und der Oberfläche der ungeschützten Haut schaden. Gefährlich sind hier insbesondere langfristige Belastungen, die bei den Augen Hornhaut- und Bindehautentzündungen und bei der Haut eine vorzeitige Hautalterung und Hautkrebs hervorrufen können. Die Lampen müssen daher abgeschirmt sein, man sollte keinesfalls direkt in die UV-Lampen schauen oder an einem angeschalteten Drucksystem mit geöffneter Abdeckung arbeiten.

Zudem müssen die Quecksilberdampflampen nach dem Austausch fachgerecht entsorgt werden, denn sie gelten als Sondermüll.

Beim Härtungsprozess der UV-Tinten mit Quecksilberdampflampen entsteht auch Ozon, das wegen seiner oxidierenden Wirkung ebenfalls gesundheitsschädlich ist. Ozon wirkt bereits in niedriger Konzentration als Reizgas auf Augen und Atemwege – Reizhusten und die Verminderung der körperlichen Leistungsfähigkeit sind häufig die Folgen.

Daher sind die Geräte in der Regel bereits mit stationären Luftabsauganlagen ausgestattet, die das Ozon in den Aussenbereich abführen und während des Betriebs unbedingt eingeschaltet sein sollten. Zwar ist Ozon ein flüchtiges Gas, das sehr schnell wieder zerfällt, aber es kann auch – je nachdem, wie es die lokalen Umweltvorschriften vorsehen – nötig sein, eine entsprechende Filteranlage zu installieren, um die Abluft zu reinigen. Zudem muss die Verkleidung der Maschine komplett angebracht sein. Den charakteristischen Geruch des Ozons kann man übrigens bereits unterhalb seines Grenzwertes wahrnehmen.

Unvollständige Härtung

Zur vollständigen Polymerisierung der Farben ist eine genaue Abstimmung von Farben und UV-Strahlung erforderlich – dabei spielen sowohl das UV-Spektrum, die UV-Intensität, die UV-Dosis (Bestrahlungsdauer) und die Atmosphäre während der Vernetzung eine Rolle. So kommt es gar nicht selten vor, dass keine hundertprozentige Aushärtung erreicht wird, weil die Fotoinitiatoren sowie die Monomere und Oligomere bei der Härtung nicht vollständig miteinander reagieren.

Dafür kann es mehrere mögliche Ursachen geben. So unterliegen zum Beispiel die oft als UV-Lichtquelle eingesetzten Quecksilberdampflampen einem Alterungsprozess und die Strahlungsintensität nimmt nach längerem Einsatz ab. Dies kann dazu führen, dass die Abstimmung zwischen Wellenlänge und Intensität des UV-Lichtes nicht mehr korrekt ist und der Fotoinitiator nicht mehr vollständig reagiert.

Auch die Pigmentierung der Tinten sowie die Reihenfolge, mit der sie verdruckt werden, spielt eine erhebliche Rolle bei der Aushärtungscharakteristik. Denn die Pigmente stehen aufgrund ihrer spektralen Eigenschaften in Konkurrenz zu den Fotoinitiatoren, können also das zur Aushärtung notwendige Licht absorbieren.

Darüber hinaus werden insbesondere beim Druck auf offene Bedruckstoffe wie Textilien und Pappe die tieferen Schichten vom UV-Licht durch Abschattung oft nicht erreicht. So kann es dazu kommen, dass nicht genutzte Reste und Nebenprodukte der Chemikalien in den gehärteten Farben zurückbleiben und über längere Zeit ausdünsten.

Grundsätzlich muss der Druckdienstleister dafür Sorge tragen, dass seine Drucke vollständig ausgehärtet sind, bevor der Kunde diese in Empfang nimmt. Denn einerseits gilt der bei unvollständiger Aushärtung entstehende Geruch als gesundheitlich nicht unproblematisch, andererseits sollte man in jedem Fall den Hautkontakt mit ungehärteten Farben, die unter anderem Acrylate enthalten, vermeiden, denn Letztere können zu Reizungen führen und Allergien auslösen. Daher müssen auch die Resttinte und noch nicht gehärtete Makulatur professionell entsorgt werden.

Alternative UV-Druckverfahren

In letzter Zeit gewinnen auch neuere UV-Drucktechnologien an Beliebtheit, die als umweltfreundlicher gelten als der konventionelle Druck mit UV-härtenden Tinten und darüber hinaus das Spektrum an bedruckbaren Medien erweitern. Diese Technologien nutzen wesentlich geringere Temperaturen zur Aushärtung der Medien. Dadurch können auch temperatursensible Bedruckstoffe wie aufgeschäumter Kunststoff, dünne Folien oder empfindliche Papiere bedruckt werden. Bei Temperaturen ab ungefähr 70 Grad, wie sie beim traditionellen Druck mit UV-härtenden Tinten entstehen, könnten bei diesen Materialien Beschädigungen entstehen. Durch die geringeren Temperaturen wird zudem Energie gespart.

Während es um den kationischen UV-Druck, der als sehr vielversprechend galt, aktuell sehr ruhig geworden ist und der bislang wahrscheinlich einzige Grossformatdrucker, der mit kationischen Tinten (bei denen der Vernetzungsprozess, einmal angestos­sen, ohne weitere Lichteinwirkung weiterläuft, bis die Tinte komplett ausgehärtet ist) arbeitet, der Gerber Solara Ion, nicht mehr hergestellt wird, wird das UV-LED-Verfahren immer populärer.

Dieses Verfahren setzen inzwischen eine ganze Reihe von Grossformatdrucksystemen wie zum Beispiel der Mimaki JFX-1631, der VersaUV LEJ von Roland, der Omega 2 von Durst oder der EFI Vutek HS100 Pro ein.

UV-LED: Vor- und Nachteile

Bei der UV-LED-Technologie übernehmen Leuchtdioden beziehungsweise LEDs die Rolle der Quecksilberdampflampen. Dabei emittieren die UV-LEDs kein Lichtspektrum wie die Quecksilberdampflampen, sondern strahlen monochromatisches Licht in einer schmalen Bandbreite aus. So muss die zu härtende Kombination von Tinte und Bedruckstoff extrem genau auf das Spektrum der Härtungsanlage abgestimmt sein, damit die Tinte vollständig aushärtet und gesundheitliche Gefahren ausgeschlossen werden können.

Die LED-Trocknungstechnologie besitzt einige bedeutende Vorteile gegenüber der konventionellen Härtung. So geben UV-LEDs keine Infrarotstrahlung ab – sie gelten als kalte Lichtquelle. Zudem benötigen LED-Strahler verhältnismässig wenig Energie und bei der Härtung mit LEDs sollen die Ozonemissionen wegfallen.

Darüber hinaus benötigen LEDs nur wenige Sekunden, bis sie einsatzbereit sind, während konventionelle UV-Lampen zwei bis fünf Minuten brauchen, bis sie entsprechend vorgeheizt sind – auch dies spart Energie. Ein weiterer Vorteil ist die lange Lebensdauer der LEDs, die bei 10 000 und mehr Stunden liegen soll. Zum Vergleich: Quecksilberdampflampen besitzen lediglich eine Haltbarkeit von 1000 bis 2000 Stunden.

Die Gegenüberstellung «UV-LED versus konventionelle UV-Technologie» des UV-Spezialisten Hönle, eines der grössten europäischen Lieferanten von UV- und UV-LED-Technik, kommt in diesem Zusammenhang allerdings zu dem Schluss, dass die UV-LED-Technologie derzeit nicht nur Vorteile gegenüber der konventionellen UV-Technologie bietet.

Dies betrifft zum einen die höheren Anschaffungskosten für LED-Systeme beziehungsweise Strahler sowie die entsprechenden Farben und zum anderen deren Effektivität. Zwar benötigen LED-Strahler relativ wenig Energie, dafür ist jedoch auch die emittierte Strahlendosis gering. Daher liegt der Wirkungsgrad der heutigen UV-LEDStrahler im Durchschnitt unterhalb der Effizienz von Quecksilberdampflampen – sie soll bei nur 5 bis 20 Prozent liegen. Bei der konventionellen Härtung läge dieser Wert bei circa 30 Prozent.

Ausserdem, so die Gegenüberstellung weiter, steht im erprobten konventionellen Bereich mittlerweile eine breite Vielfalt an Beschichtungsmitteln bis hin zu migrationsarmen Lacken und Farben zur Verfügung. Für UV-LED-Anwendungen gibt es bislang wenig optimierte Systeme (der Grund dafür liegt aktuell unter anderem in der mangelnden Rohstoff- und Fotoinitiatorauswahl), sodass, um die Härtungseigenschaften der UV-LED-Systeme denen konventioneller Systeme anzupassen, eventuell der Fotoinitiatorgehalt erhöht werden muss, was unter Umständen Nachteile wie Vergilbung, starken Geruch oder eine Reduzierung der Produktionsgeschwindigkeit zur Folge hat.

Sicherheitsdatenblätter und REACH-Verordnung

Zwar bestehen UV-Druckfarben typi­scherweise aus den erwähnten Be­­standteilen (Monomere, Oligomere, Farbpigmente, Fotoinitiatoren, Additive). Allerdings gibt es zahlreiche verschiedene Arten der genannten Bestandteile, die als mal mehr, mal weniger gesundheits- beziehungsweise umweltgefährlich eingestuft sind. In diesem Zusammenhang sind die so genannten Sicherheitsdatenblätter (SDS) eine der wichtigsten Informationsquellen, die Auskunft über die Chemie in den Farben geben und auf die möglichen Gefahren hinweisen.

Diese SDS müssen vom Tintenhersteller zur Verfügung gestellt werden und in der Sprache des jeweiligen Landes vorliegen, in dem sie eingesetzt werden, so schreibt es jedenfalls die europäische Gesetzgebung vor.

Ein entsprechendes SDS umfasst insgesamt 16 Punkte, die alle wichtigen Informationen über die Tinte enthalten sollten – neben der chemischen Zusammensetzung und den möglichen Gefahren etwa auch Erste-­Hilfe-Massnahmen, die notwendige Schutzausrüstung, Umwelthinweise und Informationen zur fachgerechten Entsorgung. Dank der unter dem Punkt «Zusammensetzung» zu findenden CAS-Nummern der Bestandteile lassen sich die enthaltenen Chemikalien übrigens auch genauer zuordnen. Hierzu gibt es einschlägige Quellen im Internet.

Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch, dass die verwendeten Drucktinten der REACH-Verordnung entsprechen – hierzu muss der Hersteller Auskunft geben. Dabei steht REACH für die Registrierung, Bewertung, Zulassung und Einschränkung von Chemikalien (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals). Die REACH-Verordnung ist als europäisches Gesetz für Chemikalien am 1. Juni 2007 in Kraft getreten. Es besagt, dass alle Chemikalien, die in Europa verwendet werden, gemäss REACH klassifiziert werden und die entsprechenden Informationen in einer zentralen Datenbank registriert werden müssen. Hintergrund für diese Verordnung ist die Erkenntnis, dass Allergien, Asthma, bestimmte Arten von Krebs sowie Erkrankungen der Fortpflanzungsorgane in Europa ständig zunehmen und dafür unter anderem auch die in Druckfarben verwendeten Chemikalien verantwortlich sein können.

Wichtig: Schutzkleidung

Ob nun die traditionelle oder die LED-UV-Drucktechnologie zur Anwendung kommt, für die Mitarbeiter sollte das Tragen von Schutzkleidung sowie Handschuhen und Schutzbrille beim Umgang mit UV-Drucksystemen, der UV-Strahlung sowie den entsprechenden Farben zwingend sein.

Die «Goldenen Regeln» beim Umgang mit UV-Drucksystemen und den entsprechenden Farben lauten:

• Immer auf ausreichende Belüftung achten.
• Nicht essen und trinken, während man mit den Maschinen umgeht.
• Berührung der Farben mit der Haut und vor allem mit den Augen vermeiden.
• Hände mit Hautschutzcreme gründlich einreiben.
• Hände und Gesicht vor dem Essen, dem Trinken, dem Rauchen und dem Toilettengang gründlich reinigen.
• Bei Reinigungsarbeiten und beim Arbeiten mit Tinten Handschuhe und Augenschutz tragen (gegebenenfalls Schutzkleidung, um Tintenspritzer auf die Haut zu vermeiden).
• Niemals direkt in die Härtungslampen schauen.
• Das Einatmen von Staub, Partikeln, Sprühnebel oder Nebel, die beim Arbeiten mit Tinten und bedruckten Materialien entstehen, vermeiden.