Erst beim Stanzen werden aus einem Haftmaterial Etiketten geformt. Während der Produktion können jedoch viele Probleme auftreten. Nachfolgend werden Probleme und die dazu passenden Lösungen dargestellt.
von Fransz Verbeek und Dr. Andre Gysbers
Inhalt
Stanzen von abrasiven Obermaterialien
Maximale Laufleistung
Schutz vor Klebstoffen
Stanzen auf dünnen PET-Linern
Punkte, die beim Stanzen von dünnen PET-Trägern zu beachten sind
Grundvoraussetzungen und optimale Stanzblecheigenschaften
Weitere Hilfsmaßnahmen
Kontrolle der Stanzqualität
Fazit
Dieser zweite Teil der Artikelserie widmet sich Stanzherausforderungen, die eine besonders intensive Zusammenarbeit zwischen dem Etikettenhersteller und dem Stanzwerkzeughersteller erfordern. Im Kern beruhen die hier vorgestellten Probleme auf dem zu stanzenden Haftmaterial beziehungsweise dessen Zusammensetzung. Das Obermaterial, der Klebstoff und insbesondere das Trägermaterial können sowohl für sich genommen als auch in ihrer Kombination ganz spezielle Anforderungen an den Anwender und das eingesetzte Stanzwerkzeug stellen.
Stanzen von abrasiven Obermaterialien
Im Stanzprozess ist das Stanzblech teilweise extremen Belastungen ausgesetzt. Mit der Zeit verschleißt das Werkzeug, sodass einwandfreie Stanzungen schwierig bis unmöglich werden. Der Verschleiß wird teilweise durch die Stauchung der Schneide erzeugt, hauptsächlich aber durch Abrieb der Flanken. Die Folgen von Verschleiß äußern sich in einem Höhenabtrag der Schneide, einem erhöhten Schneidenradius (d.h. Abrundung der Schneidenspitze) und einer Auskehlung der Schneidenflanken.
Sehr starke Verschleißeffekte zeigen sich beim Stanzen von abrasiven Materialien und Farben. Dazu gehören beispielsweise thermosensitive Materialien, hochpigmentierte Flexodruckfarben (z.B. Deckweiß), fluoreszierende und Metallicfarben, Siebdruckfarben sowie Mattkaschierungen und -lacke. Die in solchen Materialien enthaltenen Partikel (z.B. Siliziumdioxid) haben teilweise einen Effekt wie Schmirgelpapier und hinterlassen regelrechte Furchen auf den Schneidenflanken.
Bis zu einem gewissen Grad kann der Anwender Verschleißeffekte durch Erhöhung des Stanzdrucks bzw. Verringerung des Spaltmaßes kompensieren. Irgendwann ist jedoch der Punkt erreicht, an dem das Obermaterial nicht mehr sauber getrennt werden kann und das Stanzblech ausgetauscht werden muss. Bei besonders abrasiven Materialien sind mit einem unbehandelten Stanzblech zum Teil sogar nur wenige Hundert Stanzungen möglich.
Maximale Laufleistung
Um die Lebensdauer des Stanzblechs zu erhöhen, bieten die Stanzblechhersteller verschiedene Veredelungsoptionen an. Zur Stabilisierung der Schneide hat sich die Laserhärtung bewährt, die mit einem speziellen computergesteuerten Laserverfahren in der Schneidenspitze eine Härte von 66 bis 68 HRC erzeugt. Dies schützt den Stahl vor Versprödung und Brüchen, wobei die Höhentoleranz und Biegsamkeit des Stanzbleches nicht beeinträchtigt werden.
Gegen den Abriebverschleiß helfen zusätzlich zur Laserhärtung noch verschiedenste Oberflächenbehandlungen und -beschichtungen. Galvanische Beschichtungen, z.B. mit Nickel- oder Chrombestandteilen, sind relativ kostengünstig und erhöhen die Lebensdauer der Stanzbleche deutlich (Abbildung 1). So werden Stanzbleche mit Chrombeschichtung beispielsweise von vielen Anwendern mit sehr großem Erfolg für das Stanzen von Thermopapieren eingesetzt.
Zudem können diese Beschichtungen zusätzlich mit einer Laserhärtung kombiniert werden. Durch die vergleichsweise hohe Schichtdicke von mehreren Mikrometern kann es bei galvanischen Beschichtungen bei steilen Schneidwinkeln allerdings zu leichten Verrundungen an der Spitze der Schneide kommen. Beim Stanzen von Folienmaterialien ist deshalb gegebenenfalls die Schneidengeometrie anzupassen.
Wesentlich dünnere Beschichtungsstärken von nur rund 1 μm erzielt man mit Diamond-like carbon-Beschichtungen (DLC), die dem Stanzblech dennoch eine extreme Härte verleihen. Bevorzugt kommt diese Beschichtung bei abrasiven Folienmaterialien und sehr hohen Auflagen zum Einsatz. Auch plasmabasierte Verfahren (z.B. Ionenimplantation) können zur Härtung der Stanzblechoberfläche eingesetzt werden.
Den vergleichsweise hohen Kosten der nicht-galvanischen Verfahren steht eine enorme Steigerung der Laufleistung gegenüber, die sich in vielen Fällen rechnet. Generell lassen sich keine allgemeingültigen Empfehlungen für die optimale Veredelungsvariante geben. Diese Entscheidung muss der Anwender in enger Rücksprache mit seinem Stanzblechlieferanten treffen, der neben den Anwendungsparametern auch Kosten-Nutzen-Aspekte berücksichtigt.
Schutz vor Klebstoffen
Nicht nur das Obermaterial kann durch Abrasion die Stanzqualität verschlechtern, auch der verwendete Klebstoff führt mitunter zu erheblichen Beeinträchtigungen beim Stanzen. Besondere Probleme bereiten z.B. extreme Haftschmelzklebstoffe (Hotmelts) auf Basis von thermoplastischem Kautschuk oder UV-Acrylat sowie mehrlagige Etiketten.
Beim Stanzen derartiger Materialien und Kleber setzt sich zähflüssiger Klebstoff auf den Schneiden des Stanzblechs ab, die im Laufe der Produktion regelrecht zukleben und eine einwandfreie Stanzung unmöglich machen. Auch für die Weiterverarbeitung sind an den Etikettenrändern austretende Klebstoffe ein echtes Problem, da sie den Spendevorgang gravierend beeinträchtigen.
Um die Laufleistung der Stanzbleche zu erhöhen und Reinigungszeiten zu minimieren, ist der Einsatz einer Antihaftbeschichtung unumgänglich (Abbildung 2). Dabei sind verschiedene „Non-Stick“-Varianten verfügbar, die jeweils für unterschiedliche Anwendungsbereiche optimiert wurden. Die Antihaftbeschichtungen minimieren Kleber- und Farbrückstände an den Schneiden sowie auf der Blechoberfläche und sorgen damit für einen ungestörten Produktionsprozess.
Dennoch bleibt die Flexibilität und magnetische Haftkraft des Stanzblechs vollständig erhalten. Wichtig im Umgang mit antihaftbeschichteten Stanzblechen: Die Stanzbleche müssen zuerst einige Umdrehungen einlaufen, um die Beschichtung von der Schneidenspitze zu entfernen. Erst danach ist die volle Funktionsfähigkeit des Stanzbleches gewährleistet. Außerdem ist bei der Reinigung antihaft-beschichteter Werkzeuge zu beachten, dass manche Reinigungsmittel zur Ablösung der Beschichtung führen können. Hier sollte der Anwender unbedingt die Empfehlungen des Lieferanten beachten und die Verträglichkeit seiner Mittel prüfen.
Stanzen auf dünnen PET-Linern
Der Trend zu immer dünneren PET-Trägermaterialien ist ungebrochen. Betrug vor einigen Jahren die normale Stärke 30–36 μm, sind mittlerweile 23 μm der Standard und noch dünnere Träger werden bereits getestet. In der Regel werden die dünnen PET-Trägermaterialien mit ebenfalls dünnen Obermaterialien aus Kunststoff (PE, PP, MDO) kombiniert, aber auch Bedruckstoffe aus Papier sind möglich.
Die von den Herstellern propagierten Vorteile liegen insbesondere in der Kosteneffizienz (z.B. weniger Rollenwechsel, geringere Transport- und Lagerkosten, Recycling-Fähigkeit), vergleichsweise hoher Stabilität und besseren Druck- und Verarbeitungseigenschaften.
Angesichts der zahlreichen Vorzüge wundert es nicht, dass immer mehr Anwender sich für dünne PET-Träger entscheiden. Für das Stanzen stellen sie jedoch eine echte Herausforderung dar. Betrachten wir zum besseren Verständnis noch einmal die Grundlagen des rotativen Stanzens: Die Stanzblechschneide soll das Obermaterial und die Klebstoffschicht durchtrennen, ohne jedoch das Trägermaterial zu verletzen. Im Gegensatz zu Papier, das beim Komprimieren relativ schnell birst, müssen synthetische Folienmaterialien vollständig von der Schneide durchdrungen werden.
Ein Standard-Glassine- Trägerpapier lässt sich komprimieren und fängt einen Teil des Drucks der eindringenden Schneide ab, sodass er unempfindlicher gegenüber Anstanzungen ist. Der PET-Liner hingegen ist viel dünner, besitzt nur eine minimale Silikonschicht und ist praktisch nicht komprimierbar. Das macht ihn besonders empfindlich für Beschädigungen durch die Schneide, obwohl das Material an sich relativ stabil ist (Abbildung 3). Trägerbeschädigungen sind natürlich absolut zu vermeiden, um Bahnrisse beim Abgittern oder Spendeprozess der Etiketten zu verhindern.
Punkte, die beim Stanzen von dünnen PET-Trägern zu beachten sind
- makelloser, sauberer Zustand des Stanzaggregats und aller Komponenten;
- minimale Toleranzen aller Zylinder, Laufringe und Lager;
- perfektes Stanzblech (minimale Höhentoleranz, auf das Material angepasste spezielle Schneidengeometrie,
gehärtete Schneiden);
- ständige Kontrolle von Anpressdruck, Bahnspannung und Stanzergebnis;
- idealerweise Einsatz eines stabilen, beidseitig verstellbaren Gegendruckzylinders;
- Materialstärke und -beschaffenheit sorgfältig an Stanzwerzeuglieferanten übermitteln –
ggf. vorher Materialmuster zum Testen senden;
- rechteckige Nutzen lassen sich versetzt anordnen (ProShift-System), um das Stanzergebnis
zu verbessern.
Grundvoraussetzungen und optimale Stanzblecheigenschaften
Was kann der Anwender tun, damit das Stanzen auf dünnen PET-Trägern reibungslos funktioniert? Im Prinzip müssen die Grundvoraussetzungen für erfolgreiches Stanzen erfüllt sein: ein makelloses, stabiles Stanzaggregat sowie ein exakt auf das Material abgestimmtes, präzises Stanzblech. Bei dünnen Trägern gelten diese Voraussetzungen allerdings in besonderem Maße.
Weil buchstäblich jedes Mikrometer zählt, kommt dem einwandfreien und sauberen Zustand des Stanzaggregats und der Zylinder besondere Bedeutung zu. Magnet- und Gegendruckzylinder müssen mit minimalen Toleranzen von 3 μm gefertigt sein und perfekte Rundlaufgenauigkeit und Parallelität besitzen, zumal sich die Toleranzen der einzelnen Komponenten addieren. Das Stanzwerk, die Zylinder sowie deren Laufringe und Lager müssen regelmäßig gereinigt, gepflegt und vermessen werden.
Der Stanzwerkzeughersteller muss in enger Absprache mit dem Kunden das Stanzblech mit größter Präzision auf das zu stanzende Material anpassen und sollte dabei eine Höhentoleranz von zwei Mikrometern einhalten (Abbildung 4). Bei herkömmlichen Papierträgern ist bei der Bestimmung der Stanzblechhöhe noch die Kompression des Trägers zu berücksichtigen.
So verwendet man z.B. bei einem Spaltmaß von 480 μm und einer Trägerstärke von 55 μm eine Blechhöhe von 440 μm (Spalt 480 μm – Träger 55 μm + Kompressionsausgleich 15 μm). Bei einem dünnen PET-Träger hingegen kann mangels Kompression für die optimale Stanzblechhöhe direkt die Trägerstärke vom Spaltmaß abgezogen werden, sodass sich beispielsweise eine Höhe von 457 μm für einen 23-μm-PET-Träger ergibt.
Doch nicht nur die Höhe des Stanzbleches muss exakt stimmen, auch die Form und Beschaffenheit der Schneide spielt eine große Rolle. Die Schneide muss das Obermaterial sehr sauber durchtrennen, was einen relativ steilen Schneidenwinkel und gegebenenfalls besondere Schneidengeometrie voraussetzt.
Außerdem müssen die Flanken der Schneide sehr glatt sein, weil bereits sehr geringe Unebenheiten zu unsauberen Stanzungen führen können. Die Spezialstanzbleche werden hierfür mit einer sehr aufwändigen Graviertechnik produziert, die minimale Toleranzen und sehr ebene Schneidenflanken ermöglicht. Darüber hinaus sollte die Schneide in jedem Fall gehärtet sein, um das weiche Obermaterial sauber zu durchtrennen und ausreichenden Verschleißschutz zu gewährleisten.
Weitere Hilfsmaßnahmen
Grundsätzlich ist auch der Einsatz eines verstellbaren Gegendruckzylinders sinnvoll, mit dem sich das Spaltmaß während der Produktion variabel in kleinen Abstufungen anpassen lässt (Abbildung 5). Idealerweise ist die Anpassung auf Antriebs- und Bedienerseite getrennt voneinander möglich. Dadurch können Toleranzen im System sowie der Verschleiß am Stanzblech in gewissen Grenzen kompensiert werden.
Ein Spaltmaßkontrollsystem erlaubt Einstellschritte von weniger als einem Mikrometer und bringt zugleich die benötigte Laufruhe und Stabilität mit, um auch empfindliche PET-Trägermaterialien mit hohen Geschwindigkeiten zu verarbeiten. Im Gegensatz zu anderen verstellbaren Systemen ist der Körper des Gegendruckzylinders abgestützt, sodass die Toleranzen in den Kugellagern minimiert werden.
Insbesondere bei rechteckigen Etikettenformen bringt auch der vertikale Versatz der Nutzen einen großen Vorteil, wie er beispielsweise mit dem Wink-ProShift-System realisiert wurde. Durch den treppenartigen Aufbau der Nutzen wird der Anteil gleichzeitig stanzender Querlinien minimiert und dadurch der Stanzdruck gleichmäßiger verteilt.
Mit geringerem Stanzdruck lassen sich auf diese Weise sehr gleichmäßige Stanzungen erzielen, die auch im Bereich der Längslinien den dünnen PET-Träger weniger belasten als bei einer konventionellen Anordnung der Etiketten.
Kontrolle der Stanzqualität
Angesichts der beschriebenen hohen Anforderungen versteht es sich fast von selbst, dass die Stanzergebnisse während des Produktionsprozesses regelmäßig kontrolliert werden sollten. Ein Tintentest wie bei Papierträgern lässt sich bei PET-Trägern nicht sinnvoll durchführen, weil das Material nicht saugfähig ist. Es bleibt nur die sorgfältige optische Kontrolle des Materials, auf dem sich anhand von Lichtreflexionen vor dunklem Hintergrund die Trägermarkierungen erkennen lassen.
Wichtig dabei ist, dass selbst eine perfekte Stanzung fast immer einen Abdruck auf dem PET-Träger erzeugen wird, weil das Folienobermaterial vollständig durchtrennt werden muss. Sofern diese Markierung nur minimal zu erkennen ist und zudem gleichmäßig über das gesamte Gitter auftritt, ist sie ein Zeichen für eine gelungene Stanzung.
Zu tiefe Stanzungen erkennt man an einer starken Reflexion und einem fühlbaren Abdruck der Stanzkontur, die zum Teil auch Knicke im Trägermaterial erkennen lassen (Abbildung 6). Solche Defekte werden fast zwangsläufig zum Bahnriss führen, entweder noch während der Etikettenproduktion oder beim späteren Spendevorgang.
Neben der optischen Kontrolle wird in der Praxis auch ein „Snap-Test“ durchgeführt, um die Stabilität des Trägers zu prüfen. Dazu werden nach dem Entfernen des Stanzgitters und der Etiketten einzelne Streifen des Trägermaterials ruckartig auseinandergezogen. Es fehlen allerdings eindeutige Testkriterien, sodass die Entscheidung über die Stanzqualität letzten Endes im Ermessensspielraum des Anwenders liegt. Anbieter von Stanzwerkzeugen können bei der Beurteilung der Ergebnisse helfen.
Fazit
In unserer Artikelserie haben wir die wichtigsten Grundlagen des rotativen Stanzens vermittelt. Die beschriebenen Probleme stellen nur einen Auszug der in der Praxis auftretenden Herausforderungen dar, die angesichts der kontinuierlichen Entwicklungen in der Branche (z.B. schnellere Geschwindigkeiten, noch dünnere Materialien) sicherlich nicht kleiner werden.
Neben weiteren technologischen Fortschritten bei der Stanzblechproduktion ist daher eine intensive Kooperation zwischen den Etikettenherstellern sowie den Lieferanten von Stanzen, Maschinen und Materialien unabdingbar, um auch zukünftig einen reibungslosen Stanzprozess zu ermöglichen, der den steigenden Qualitäts- und Effizienzanforderungen gerecht wird.
Literaturverzeichnis
„ABC der Stanzwerkzeuge“ von Wink Stanzwerkzeuge GmbH & Co. KG.
