Die Grundlagen beim rotativen Stanzen von Etiketten

In der Etikettenherstellung wird überwiegend rotativ gestanzt. Im Vergleich zum Flachbettstanzen wird dabei weniger Anpressdruck benötigt. Zudem lässt sich die Materialbahn kontinuierlich und mit hohen Geschwindigkeiten verarbeiten. Als Standardwerkzeug haben sich flexible Stanzbleche etabliert, die auf Magnetzylinder aufgezogen werden. Bei dieser Technik sind jedoch zahlreiche Parameter zu beachten.

 

Inhaltsverzeichnis:

Das Etikettenmaterial & Materialeinflüsse

Optimale Stanzergebnisse

Stanzaggregat und Spaltmaß

Vorspannung und Stanzdruck

Magnet- und Gegendruckzylinder

Das Stanzwerkzeug

Hilfe bei Stanzproblemen

 

Geschrieben von Fransz Verbeek und Dr. Andre Gysbers

Etikettenhersteller müssen schnell und problemlos produzieren können, um den hohen Erwartungen der Kunden gerecht zu werden und sich gegen die Konkurrenz zu behaupten. Neben der Druckqualität kann die Stanzung der Etiketten über Erfolg und Misserfolg entscheiden. Anspruchsvolle individuelle Kundenwünsche mit Blick auf das Etikett, neue Materialentwicklungen und Zeitdruck machen dabei das Stanzen zu einer echten Herausforderung.

Ein qualitativ hochwertiges Stanzergebnis hängt im Wesentlichen von drei Komponenten ab, die optimal aufeinander abgestimmt sein müssen. Diese Komponenten sind das zu stanzende Material, das Stanzaggregat (beim rotativen Stanzen insbesondere das Spaltmaß zwischen den Zylindern) und das Stanzwerkzeug. Im Folgenden werden alle drei Komponenten näher vorgestellt. Zudem wird ihre Bedeutung für erfolgreiches Stanzen von Etiketten erläutert.

 

Das Etikettenmaterial

Betrachten wir zunächst das zu stanzende Material: Selbstklebende Haftetiketten werden in unzähligen Varianten in allen Lebens- und Arbeitsbereichen eingesetzt: Lebensmittel, Getränke, Haushalt, Körperpflege, Medizin und Pharmazie, Einzelhandel, Büromaterialien, Logistik, Automobile und Industriechemikalien – um nur einige zu nennen. Die große Anwendungsvielfalt resultiert aus dem mehrschichtigen Aufbau der Materialien. Typischerweise ist dabei das zu bedruckende Obermaterial durch eine Klebstoffschicht mit einem silikonisierten Trägermaterial verbunden.

Beim Stanzen wird nun durch eine Werkzeugschneide das Obermaterial so lange komprimiert, bis es birst. Die Silikonschicht und das Trägermaterial sollen dabei unversehrt bleiben. Dieses Vorgehen wird auch als Anstanzen (kiss-cut) bezeichnet und stellt die Hauptanwendung bei selbstklebenden Etiketten dar. Natürlich gibt es auch die Möglichkeit, ein Haftmaterial inklusive des Trägers vollständig zu durchtrennen (z.B. für Perforationen); hier spricht man vom Durchstanzen (cut through oder metal-to-metal).

 

Materialeinflüsse auf den Stanzprozess

Die Eigenschaften des Materials haben wesentlichen Einfluss auf die optimale Ausführung des Stanzwerkzeugs. Die Stärke und Beschaffenheit des Trägermaterials bestimmen zusammen mit dem Spaltmaß die Höhe der Schneidlinien. Teilweise kommen auch mehrlagige Materialien zum Einsatz, die verschiedene Höhen in einem Stanzwerkzeug erfordern. In Abhängigkeit von der Härte und Kompressibilität des Obermaterials wird zudem die Schneidengeometrie (Schneidwinkel, Breite der Schneidenkante) angepasst.

Typischerweise werden zähe Folienmaterialien wie z.B. Polyethylen mit einem steileren Winkel gestanzt als Papiermaterialien. Manche Materialien und Farben (z.B. Thermopapiere, Deckweiß) sind sehr abrasiv und führen zu einem schnellen Verschleiß des Stanzwerkzeugs, das in solchen Fällen mit einer speziellen Beschichtung oder Laserhärtung versehen werden sollte. Das Stanzen von bestimmten Klebstoffen wie z.B. Hotmelts erfordert oftmals den Einsatz einer Antihaft-Beschichtung.

 

Optimale Stanzergebnisse

Beim Stanzvorgang kommt es nicht nur darauf an, das Obermaterial sauber zu trennen, ebenso wichtig ist das Trennen der Klebstoffschicht, damit ein optimales Abgittern erreicht werden kann. Die Silikonschicht und das Trägermaterial müssen jedoch unbeschädigt bleiben. Hierbei zählt buchstäblich jedes Mikrometer (μm) (zum Vergleich: ein durchschnittliches menschliches Haar ist etwa 40 bis 50 μm dick).

Anstanzungen des Trägermaterials sind Qualitätsmängel, die zu Problemen bei der Weiterverarbeitung der Etiketten (z.B. in Spendeanlagen) führen können. Zudem darf an den Rändern von einem Etikett kein Klebstoff austreten. Wenn die Lagen in der Rolle von einem Etikett miteinander verkleben, können ebenfalls erhebliche Störungen beim Spenden der Etiketten auftreten.

Neben der optischen Prüfung auf offensichtliche Mängel im Hinblick auf Abmessungen und Qualität der Außenkontur wird in der Praxis häufig der so genannte Tintentest eingesetzt, um Verletzungen der Silikonschicht und des Trägermaterials zu entdecken. Dazu werden gestanzte Etiketten von der Trägermaterialbahn gelöst. Anschließend wird Tinte mit einem Tuch gleichmäßig auf dem Trägermaterial verrieben. Wenn zu tief gestanzt wurde, sind nun deutliche Umrisse erkennbar. Bei Kunststoffträgern lässt sich dieses Verfahren wegen der fehlenden Absorptionsfähigkeit nicht einsetzen. Dennoch können bei derartigen Materialien (z.B. PET) zu tiefe Stanzungen durch Lichtreflexionen auf dem Träger erkannt werden.

 

Stanzaggregat und Spaltmaß

Beim rotativen Stanzen von einem Etikett wird das zu stanzende Material im Stanzaggregat zwischen dem Stanzwerkzeug und einem Gegendruckzylinder hindurchgeführt, wobei sich die Zylinder und die Materialbahn mit gleicher Geschwindigkeit bewegen. Für ein qualitativ hochwertiges Stanzergebnis müssen alle Komponenten des Stanzaggregats in einem einwandfreien Zustand sein. Besonderer Bedeutung kommt dem Spaltmaß zu. Dies ist der Abstand zwischen dem Magnetzylinder (Magnetzone) und dem Gegendruckzylinder bei normaler Vorspannung.

Um ein Stanzblech in der Höhe perfekt auf das Material anzupassen, muss das Spaltmaß exakt bekannt sein. In Europa ist ein Standardspaltmaß von 0,480 mm (480 μm) üblich. Durch Abnutzung der Laufringe und Veränderungen der Zylinder kann das Spaltmaß im Laufe der Zeit erheblich variieren, sodass sich unter Umständen kein ausreichendes Stanzergebnis mehr erreichen lässt.

Darüber hinaus ist die Größe des Spaltmaßes sehr relevant. Zwar haben Abweichungen vom Standard von ± 2 μm im Normalfall keine negativen Auswirkungen auf das Stanzergebnis. Ist das Spaltmaß jedoch deutlich kleiner, ergeben sich durch den geringen Zylinderabstand zu starke Stanzungen. Ursachen können abgenutzte Laufringe oder ein eingelaufener Gegendruckzylinder sein. Ist das Spaltmaß hingegen deutlich größer als der Standard, wird der Zwischenraum zwischen den Zylindern zu groß und das Stanzergebnis zu schwach.

Um dies zu kompensieren, muss ein sehr hoher Stanzdruck eingestellt werden, der jedoch Laufringe und Lager belastet. Wenn das Spaltmaß über die Breite des Zylinders variiert, laufen die Zylinder eventuell unrund. Zudem treten häufig Kombinationen, wie ein zu geringes Spaltmaß auf der Antriebsseite bei einem gleichzeitig zu großen Spaltmaß auf der Bedienungsseite, auf.

Das Spaltmaß und der Zustand aller Bestandteile des Stanzaggregats sollten regelmäßig überprüft werden, um einwandfreie Stanzungen zu garantieren. Einige Hersteller bieten kostenfreie Messungen der Zylinderspaltmaße an und haben hierfür verschiedene professionelle Hilfsmittel zur Verfügung. In der Praxis hat sich beispielsweise folgende Methode bewährt, die für kurzfristige Problemlösungen auch vom Anwender selbst durchgeführt werden kann: Nach der Entfernung der Materialbahn und des Stanzblechs werden die Zylinderoberflächen sorgfältig gereinigt.

Nun lässt man bei normaler Vorspannung drei Streifen Lötzinn (Stärke 1 mm) zweimal an jeweils fünf Stellen durchlaufen und vermisst sie mit einer digitalen Mikrometerschraube. Die Stärke der Streifen entspricht der Höhe des Spaltmaßes und lässt somit Rückschlüsse auf Unstimmigkeiten im Aggregat zu.

 

Vorspannung und Stanzdruck

Neben dem Spaltmaß sind die Vorspannungskräfte im Stanzwerk für ein erfolgreiches und präzises Stanzen entscheidend. Der Anpressdruck zwischen Magnet- und Gegendruckzylinder muss höher sein als der entstehende Materialwiderstand, der insbesondere durch Querlinien verursacht wird. Ein weiterer wichtiger Faktor im Stanzprozess von einem Etikett ist die Wärmeentwicklung. Sie wird während des Maschinenlaufes durch Reibung zwischen dem Magnetzylinder und dem Gegendruckzylinder verursacht.

Durch die Wärmebildung erhöht sich die Vorspannung im Stanzwerk kontinuierlich. Dies kann dazu führen, dass die Schneiden zu tief in das Material eindringen und den Träger beschädigen. Außerdem erhöht sich der Verschleiß an allen beteiligten Komponenten.

Um einen effektiven Ablauf der Stanzarbeiten zu ermöglichen, ist der Einsatz eines Druckmesssystems hilfreich, mit dem sich der Anpressdruck besser einstellen und auch kontrollieren lässt. Mithilfe von Druckmessdosen kann der Stanzdruck auf beiden Seiten des Zylinders gleichmäßig justiert werden. Baut der Zylinder durch Wärmeausdehnung zu viel Druck auf, ist dieses sofort im Display abzulesen.

 

Magnet- und Gegendruckzylinder

Die Zylinder im Stanzwerk bilden die Basis für perfekte Stanzresultate. Magnet- und Gegendruckzylinder müssen mit Präzision gefertigt sein. Die Fertigungstoleranzen und Rundlaufgenauigkeiten sollten nur wenige Mikrometer betragen, da ansonsten ein Stanzblech nicht einwandfrei funktioniert.

Außerdem ist ein ausreichendes Breiten-Umfang-Verhältnis der Zylinder zu beachten. Wenn Rotationszylinder zu gering dimensioniert sind, besteht die Gefahr des Durchbiegens. Dies gilt insbesondere bei Systemen ohne Anpressbrücke und bei nicht unterbauten Gegendruckzylindern. Aber auch dynamische Kräfte beim Stanzen von Querlinien können die Zylinder verformen. In der Folge wird die Stanzung in der Bahnmitte zu schwach. Daher gilt als Faustregel für Magnetzylinder und Gegendruckzylinder: Der Umfang sollte mindestens so groß sein wie die maximale Arbeitsbreite des Zylinders.

Die Zylinder müssen jedoch nicht nur sehr präzise und stabil sein, sondern sollten sich auch jederzeit in einem absolut sauberen Zustand befinden. Bei der Reinigung von Magnetzylindern muss unbedingt auf die Verwendung der richtigen Reinigungsmittel geachtet werden. Einige Chemikalien können den Klebstoff der Magneten angreifen, sodass es zum Ausbluten des Zylinders kommt. Dabei tritt Kleber an den Magneten aus und beeinflusst somit das Stanzergebnis negativ. Zur Vorbeugung des Ausblutens sollten Anwender nur vom Hersteller empfohlene Reiniger verwenden und die Zylinder nach Gebrauch mit Korrosionsschutz einölen.

 

Das Stanzwerkzeug

Je nach Anwendung, Material und Maschinentyp bzw. Stanzaggregat kommen verschiedene Stanzwerkzeuge zum Einsatz. Damit das Werkzeug perfekt auf den gewünschten Einsatzzweck abgestimmt werden kann, müssen bei der Bestellung alle relevanten Parameter übermittelt werden.

Dank zahlreicher Vorteile haben sich flexible Stanzbleche in Kombination mit Magnetzylindern mittlerweile als Standard im Etikettenbereich etabliert. Stanzbleche sind nicht nur relativ günstig in der Anschaffung, sondern verkürzen auch die Rüstzeiten bei Jobwechseln und sind schnell wiederbeschaffbar und platzsparend zu lagern.

Die Stanzwerkzeughersteller bieten Stanzbleche in verschiedensten Qualitäten und Veredelungsvarianten an, die je nach Anbieter für verschiedene Anwendungen empfohlen werden. Häufig wird eine Laserhärtung angewendet, die der Schneidkante eine besondere Stabilität verleiht und daher für das Durchstanzen sowie die Verarbeitung von Folienmaterialien in hohen Auflagen prädestiniert ist. Spezielle Beschichtungen (z.B. mit Nickel- oder Chrom-Bestandteilen) schützen die Schneidlinien vor Verschleiß bei abrasiven Materialien und ermöglichen lange Laufzeiten. Gegen störende Farb- und Kleberreste können verschiedene Antihaft-Beschichtungen eingesetzt werden, die Rückstände an den Schneiden und auf der Blechoberfläche minimieren.

Beim rotativen Stanzen werden nach wie vor auch Festkörperstanzen eingesetzt, z.B. wenn besonders voluminöse Materialien verarbeitet werden oder ausgestanzte Teile abgesaugt werden müssen. Als Variante des Stanzzylinders werden Quer- und Längsschneidezylinder mit auswechselbaren Messern ausgestattet, um z.B. Abreiß- oder Faltperforationen zu ermöglichen. Im Gegensatz zu Stanzblechen bieten Festkörperstanzen den Vorteil, dass sie in der Regel mehrere Male überarbeitet und nachgeschärft werden können.

Stanzzylinder sind jedoch in der Herstellung deutlich zeit- und kostenintensiver als Stanzbleche. Außerdem besteht nicht die Möglichkeit, wie bei den flexiblen Blechen durch Drehen, Verschieben oder Unterlegen des Werkzeugs nachträglich Korrekturen vorzunehmen.

 

Hilfe bei Stanzproblemen

Bei Stanzproblemen kann die Ursache meist auf eine der drei Hauptkomponenten zurückgeführt werden. Es ist daher bei fehlerhaften Stanzungen grundsätzlich sinnvoll, zunächst die folgenden Punkte zu prüfen:

  • Welches Material wurde gestanzt (Art und Zusammensetzung des Materials, Stärke des Trägermaterials, gewünschte Anwendung: Anstanzen und/oder Durchstanzen)?
  • Sind Stanzaggregat und Zylinder in einem einwandfreien Zustand (Verunreinigungen, Verschleiß, Stabilität, Vorspannung/Stanzdruck, Spaltmaß, ausreichendes Umfang-Breiten-Verhältnis)?
  • Ist das Stanzwerkzeug in Ordnung (Verunreinigungen, Verschleiß, Produktionsfehler)?

In diesem Zusammenhang sollte der Anwender in jedem Fall auch die Bestelldaten nochmals kontrollieren. Ein Stanzblech kann nur dann einwandfrei produziert werden, wenn neben den Etikettenmaßen auch die Parameter des Materials und des Stanzaggregats bei der Bestellung korrekt und vollständig angegeben wurden.

 

Fazit

Im Stanzprozess gilt es zahlreiche Parameter zu beachten, um das Obermaterial und den Klebstoff zu trennen, ohne dabei die Silikonschicht und das Trägermaterial zu verletzen. Dabei kommt es oftmals auf den Mikrometer an. Werden alle Parameter beachtet, kann stets eine hohe Qualität erzielt werden, ohne dass es beim Abgitterprozess oder beim Verspenden der Etiketten zu Problemen kommt.

 

Literatur

„ABC der Stanzwerkzeuge“ von Wink Stanzwerkzeuge GmbH & Co. KG