Thermische Trocknung des wasserbasierten Inkjet-Drucks
Beschreibung
Der Digitaldruck ist ein berührungsloses Druckverfahren, welches die Druckdatei in digitaler Form an die Druckeinheit weiterleitet und die wasserbasierte Inkjet-Tinte durch ein Inkjet-Verfahren auf dem Papier aufträgt. Dabei liegt das zu erzeugende Druckbild während der gesamten Prozesskette, im Gegensatz zum Offset- und Flexodruckverfahren, nicht in physischer Form vor. Um das Druckbild vor thermo-mechanischen Belastungen zu schützen, ist direkt nach dem Druckverfahren eine kontaktlose thermische Trocknung nachgelagert. Dabei kommt Infrarot-Strahlungstrocknung und Heißluft-Prallstrahltrocknung zum Einsatz. Um im Zuge der Digitalisierung von Produktionsprozessen den Trocknungsprozess zu optimieren und automatisieren, muss dieser experimentell untersucht, numerisch modelliert und mit realen Produktionsdaten validiert werden.
Energieeffizienz
Die anliegende Trocknungsleistung von Primer, Inkjet-Tinte und Lacken während des stationären Betriebs stellen ca. 85% des Energiebedarfs einer Digitaldruckmaschine dar. Dabei fallen ca. 44 % der Trocknerleistung in Form von elektrischer Energie für den Betrieb der Infrarot-Strahlungstrockner an und die restlichen 56 % in Form von chemischer Energie der Erdgas-befeuerten Prallstrahltrockner.
Da die Trocknung primär vom konvektiven Stofftransport in den Trocknersektionen abhängt, ist es naheliegend, diesen zu optimieren. Der Wärmeeintrag durch die Infrarotstrahlung erhöht durch die hohe Leistungsdichte der Trockner zwar die Partialdruckdifferenz zwischen Trocknungsgut und -luft und somit die Triebkraft der Trocknung, trägt aber primär nicht zum Stofftransport bei und steht somit in Zusammenhang mit hohen Exergieverlusten. Daher wird die Idee verfolgt, mit einer simulationsbasierten Entwicklung eine Verbesserung der Energieeffizienz des Trocknungsprozesses zu erreichen. Die Basis dafür bildet eine Modellierung des Wärme- und Stofftransportes.
Experimentelle Untersuchung
Die Validierung der charakteristischen Trocknungsgrößen (Papierfeuchtigkeit und Bahntemperatur) wird an einer kleinen Digitaldruckanlage mit einer Bahnbreite von 36 cm durchgeführt. Hier können Trocknungsversuche mit Bahngeschwindigkeit von bis zu 450 m/min durchgeführt werden. Die Tinte wird durch eine Inkjet-Einheit auf dem Papier aufgebracht. Auftragsmengen von bis zu 23 g/m² sind möglich. Als Trockner sind jeweils zwei Infrarot-Strahlungstrockner mit einer Leistung von 25 kW, ein hybrider Prallstrahl-Schlitzdüsen/Infrarottrockner mit einer Länge von 6 m und ein Prallstrahl-Lochdüsentrockner mit einer Länge von 4 m installiert. Zur Messung der Bahntemperatur sind bis zu 8 Infrarot-Temperaturmessysteme im Trocknerbereich verbaut. Zur Messung der Trocknungskinetik des Prozesses kommt im Abluftsystem ein tragbares und beheiztes Taupunktspiegelhygrometer zum Einsatz.
