Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung bahnförmiger Materialien mit einer Reliefstruktur sowie Verfahren zur Herstellung eines Sicherheitselements und eines Sicherheitsdokuments.
Wertdokumente, wie Banknoten, Schecks, Identitäts- und Kreditkarten, weisen häufig Sicherheitselemente mit Beugungsstrukturen auf, die einen optisch variablen Effekt aufweisen. D.h., bei Änderung des Betrachtungswinkels ändert sich die wahrnehmbare Information und/oder die Farbe der Information. Da ein Kopiergerät lediglich die unter einem bestimmten Betrachtungswinkel sichtbare Information und/oder Farbe wiedergeben kann, bieten derartige Sicherheitselemente einen hohen Fälschungsschutz. Aufgrund der ansprechenden visuellen Effekte und des hohen Kopierschutzes werden derartige Sicherheitselemente auch vielfach auf dem Gebiet der Produktsicherung verwendet. Dabei werden die Sicherheitselemente entweder direkt auf den Wertgegenstand oder die zugehörige Verpackung aufgebracht.
Um eine wirtschaftliche Produktion derartiger Sicherheitselemente gewährleisten zu können, werden die Beugungsstrukturen meist in eine Reliefstruktur umgesetzt, die in die Oberfläche eines Prägewerkzeugs eingebracht wird. Mit diesem Prägewerkzeug können geeignete Schichten in kontinuierlichen Prozessen geprägt und somit mit den Beugungsstrukturen versehen werden.
Die
Die Vorhärtung bis zum Gelpunkt sorgt dafür, dass der Lack zum Zeitpunkt der Prägung bereits eine gewisse Festigkeit aufweist. Dies hat den Nachteil, dass die feinen Reliefstrukturen, deren Abmessungen üblicherweise im Bereich der Wellenlänge sichtbaren Lichts liegen, nicht mit ausreichender Konturenschärfe wiedergegeben werden können. Dieser Verlust an Konturenschärfe führt zu Brillanzverlusten am fertigen optisch variablen Element.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, das eine höhere Konturenschärfe der abgeformten Reliefstruktur gewährleistet und damit die Herstellung von optisch variablen Sicherheitselementen mit erhöhter Brillanz ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der Härtung eines Lacks geht der flüssige Lack durch vernetzende Polymerisation in den festen Zustand über. Der Umsatz, bei dem die Flüssigkeitseigenschaften und die Festkörpereigenschaften gleiches Niveau haben, wird als Gelpunkt bezeichnet. Dort treten erstmals unlösliche, so genannte "Gelpartikel" auf.
Gemäß der Erfindung wird die Reliefstruktur in eine strahlungshärtbare Lackschicht eingebracht, wobei die Lackschicht zum Zeitpunkt der Einbringung einen Härtungsgrad unterhalb des Gelpunktes aufweist.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass unterhalb des Gelpunktes die Flüssigkeitseigenschaften des Lacks überwiegen und somit die Prägestrukturen ohne Verlust an Konturenschärfe 1 : 1 in den Lack abgeprägt werden können. Dies erhöht die Brillanz des fertigen Produkts.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung bahnförmiger Materialien mit einer Reliefstruktur, insbesondere einer Beugungsstruktur, wird in einem ersten Schritt ein Substrat zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollflächig mit einer strahlungshärtbaren Lackschicht beschichtet. Der strahlungshärtbare Lack kann mit einem beliebigen Druckverfahren aufgebracht werden, vorzugsweise werden Sieb-, Tief- oder Flexodruckverfahren eingesetzt. Das Flexodruckverfahren wird insbesondere dann eingesetzt, wenn der strahlungshärtende Lack nicht vollflächig, sondern nur bereichsweise auf dem Substrat aufgebracht wird. Der Lack kann allerdings auch mit anderen Beschichtungssystemen, wie Rollcoater, Spritzdüsen oder Lacksprühsystemen, erfolgen. Die Dicke der aufgetragenen Lackschicht liegt in der Größenordnung von 1 bis 10 µm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 2 bis 4 µm.
Als Substrat wird vorzugsweise eine Kunststofffolie, insbesondere eine transparente Kunststofffolie, verwendet. Ein besonders bevorzugtes Material ist Polyester, aber auch andere Kunststoffe, wie PE, PP, MOPP, PPS, PGEK, PEK, PGE, PSO, PAEK, LCP, PEN, PPT, PET, PA, PC, COC, POM, ABS und PVC, können verwendet werden. Die Dicke der Kunststofffolie liegt in der Größenordnung von 4 bis 30 µm, vorzugsweise von 6 bis 25 µm, besonders bevorzugt von 12 bis 23 µm.
Dieses Substrat kann vor der Beschichtung mit dem strahlungshärtenden Lack in weiteren Verfahrensschritten vorbehandelt sein. Hierbei kann es sich um reine Vorbehandlungen, wie Coronaentladung, handeln, die die Haftungseigenschaften zwischen Substrat und Lack beeinflussen. Das Substrat kann aber auch zumindest bereichsweise mit anderen Beschichtungen versehen sein, die ebenfalls die Ablöse- bzw. Haftungseigenschaften einstellen oder das bahnförmige Material mit weiteren Sicherheitsmerkmalen versehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um Schichten mit lumineszierenden und/oder magnetischen und/oder elektrischen und/oder optisch variablen und/oder thermochromen Eigenschaften handeln.
Auch der strahlungshärtende Lack selbst kann derartige Sicherheitsmerkmale enthalten. Alternativ kann der Lack auch mit beliebigen Druckfarben eingefärbt werden. Vorzugsweise werden jedoch transparente Lacke eingesetzt. Als strahlungshärtender Lack werden vorzugsweise UV-härtbare Lacke eingesetzt. Es könne aber auch andere strahlungshärtende Lacke verwendet werden. Auch Lacke mit mehreren Photoinitiatoren sind einsetzbar, die bei Bestrahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen den Polymerisationsprozess auslösen. Dies kann verschiedene Vorteile haben, wie im Folgenden noch näher erläutert wird. Ein im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbarer Lack kann beispielsweise folgende Zusammensetzung haben:
In einem weiteren Schritt wird die Reliefstruktur in die Lackschicht eingebracht, wobei die Lackschicht zum Zeitpunkt der Einbringung im Wesentlichen einen Härtungsgrad unterhalb des Gelpunktes aufweist.
Für die Einbringung der Reliefstruktur wird die Lackschicht vorzugsweise mit einem Prägewerkzeug in Kontakt gebracht, das auf seiner Oberfläche die Reliefstruktur aufweist. Bei diesem Prägewerkzeug kann es sich um einen Prägestempel beliebiger Form handeln. Vorzugsweise wird ein Prägezylinder verwendet, dessen gesamte Zylindermanteloberfläche mit der zu übertragenden Reliefstruktur versehen ist. Die Herstellung dieses Prägezylinders kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Im Falle von Beugungsstrukturen wird das beugende Motiv als so genannte Masterstruktur in einer Nickelfolie bereitgestellt. Mithilfe dieser Masterstruktur können durch Rekombinationsverfahren und anschließendem Abformen, vorzugsweise galvanisches Abformen, Metallfolien, insbesondere Nickelfolien, hergestellt werden, die über ihre gesamte Oberfläche nahtlos mit der Masterstruktur versehen sind. Diese Metallfolien werden beispielsweise mit einem Laser verschweißt und bilden den Zylindermantel des Prägewerkzeugs, der auf einen Spannzylinder aufgezogen wird.
Zum Zeitpunkt der Einbringung der Reliefstruktur, d.h. zu dem Zeitpunkt, an dem die Lackschicht mit dem Prägewerkzeug in Kontakt gebracht wird, ist die Lackschicht bereits auf einen Härtungsgrad unterhalb des Gelpunktes vorgehärtet. Diese Vorhärtung erfolgt direkt vor dem Prägevorgang. D.h., das mit der Lackschicht beschichtete Substrat verlässt mittels eines entsprechenden Transportsystems die Einrichtung zur Vorhärtung und wird nach einer geeignet dimensionierten Transportstrecke direkt in die Einrichtung für den Prägevorgang transportiert. Wichtig ist, dass zwischen dem Vorhärtungsprozess und dem Prägevorgang die Folie keiner UV-Strahlung oder anderen härtenden Strahlung ausgesetzt ist, um ein nicht reproduzierbares, unbeabsichtigtes Vorhärten des Prägelackes zu vermeiden. Hierfür wird die Folie in einem lichtdichten Schacht zwischen Auftragswerk und Prägewerk geführt. Die Länge des Transportweges ist so zu wählen, dass bei gegebener Bahngeschwindigkeit der Lack genug Zeit hat, gleichmäßig über die Fläche zu verlaufen und einen homogen glatten Lackfilm zu bilden.
Die Vorhärtung erfolgt hierbei vorzugsweise von der Lackseite her. Dadurch ist es möglich, lediglich die Oberfläche des Lackes anzuhärten, um die Klebrigkeit des Lacks in diesem Oberflächenbereich zu reduzieren, so dass eine Anhaftung des Lacks auf dem Prägewerkzeug vermieden wird. Da lediglich die Oberfläche des Lacks angehärtet wird, behält der Lack im Volumen seine Fließfähigkeit und kann daher die Reliefstruktur nach wie vor mit der nötigen Konturenschärfe übernehmen.
Vorzugsweise wird der Lack auch während des Prägevorgangs in einem so genannten Haupthärtungsschritt gehärtet. D.h., während sich die Lackschicht in Kontakt mit dem Prägewerkzeug befindet, wird die Lackschicht vorzugsweise durch das Substrat hindurch durch Strahlungseinwirkung auf einen Härtungsgrad > 50 %, vorzugsweise zwischen 80 und 98 %, gehärtet.
In bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch notwendig sein, die Lackschicht nach dem Einbringen der Reliefstruktur beispielsweise durch weitere Strahlungseinwirkung nachzuhärten. Diese Nachhärtung hat den Vorteil, dass reproduzierbare Lackeigenschaften erzeugt werden, die die Weiterverarbeitung des Substrats mit der geprägten Lackschicht erleichtern und ein Verblocken des Bahnmaterials beim Aufwickeln vermeiden.
Für die genannten Härtungsschritte - Vor-, Haupt-, Nachhärten - kann die gleiche oder unterschiedliche Strahlung verwendet werden. Bei dieser Strahlung kann es sich um beliebige Licht- oder Teilchenstrahlung handeln. Wird elektromagnetische Strahlung verwendet, so wird vorzugsweise sichtbares Licht oder UV-Strahlung eingesetzt. IR-Strahlung, insbesondere Wärmestrahlung, ist jedoch auch möglich. Als Strahlungsquellen eignen sich insbesondere Quecksilberdampflampen, kurz auch Hg-Lampen genannt, die sich durch einen hohen Anteil an Ultraviolett-Strahlung auszeichnen. Die jeweiligen benötigten Wellenlängenbereiche können durch entsprechende Dotierung der Hg-Lampen, beispielsweise mit Ga, Fe, Ga/Pb, realisiert werden. Je nach verwendetem Lack und dessen Zusammensetzung können jedoch auch andere Strahlungsquellen, wie Leuchtstoffröhren oder Laser, vorteilhaft sein.
Die abgestrahlte Wellenlänge bzw. der Wellenlängenbereich der Strahlungsquellen kann in gewissen Zeitabständen oder laufend überwacht werden, da die Strahlungsquellen altern und sich das Strahlungsspektrum ändern kann. Zur besseren Lichtausbeute können die Strahlungsquellen mit Reflektoren, vorzugsweise parabolischen oder Freiflächenreflektoren, ausgerüstet sein.
Die beschriebenen Verfahrensschritte laufen vorzugsweise in einem kontinuierlichen Prozess ab. Für die eingesetzte Vorrichtung bedeutet dies, dass die einzelnen Einrichtungen für das Beschichten des Substrats, das Einbringen der Reliefstruktur und die unterschiedlichen Härtungsprozesse hintereinander angeordnet und über ein gemeinsames Transportsystem verbunden sind. Hierbei werden vorzugsweise Transportrollen verwendet, die das bahnförmige Material kontinuierlich durch die einzelnen Einrichtungen der Vorrichtung führen.
Die Vorrichtung kann jedoch weitere Einrichtungen aufweisen, die für die Regelung und Steuerung der einzelnen Prozessparameter nötig sind. So ist es beispielsweise vorteilhaft, die Temperatur des strahlungshärtbaren Lacks während des gesamten Verfahrens kontrolliert zu regeln, um sicherzustellen, dass der Lack in jedem Arbeitsschritt die optimale Viskosität aufweist.
Die Vorrichtung kann aber auch andere Verarbeitungseinrichtungen aufweisen, die nicht direkt für das erfindungsgemäße Verfahren benötigt werden, aber im Hinblick auf die Weiterverarbeitung bzw. den Verwendungszweck des bahnförmigen Materials sinnvoll sind. So weist die Vorrichtung vor den erfindungswesentlichen Einrichtungen vorzugweise Einrichtungen zur Oberflächenbehandlung des Substrats auf, die die späteren Haftungs- bzw. Ablöseeigenschaften des Lacks bestimmen. Hierbei kann es sich um eine Coronaentladungseinrichtung oder, falls eine Beschichtung aufgebracht werden soll, um ein Druckwerk oder eine Beschichtungsvorrichtung handeln.
Auch im Nachgang zu den erfindungsgemäßen Einrichtungen können weitere Verarbeitungseinrichtungen, wie beispielsweise ein Druckwerk, angeordnet sein. Derartige Einrichtungen sind besonders vorteilhaft, wenn platziert zu der eingebrachten Reliefstruktur weitere vorzugweise partielle Beschichtungen aufgebracht werden sollen. So kann registerhaltig zur Reliefstruktur eine lösliche Druckfarbe in Form eines Musters aufgedruckt werden. Diese lösliche Druckfarbe kann nach der vollflächigen Metallisierung des bahnförmigen Materials gelöst und entfernt werden. Da die darüber liegende dünne Metallschicht mit entfernt wird, entstehen in der Metallschicht erkennbare Aussparungen in Form der zuvor mit der löslichen Druckfarbe aufgebrachten Muster, die als zusätzliches Sicherheitsmerkmal dienen.
Bei dem erfindungsgemäßen Reliefstrukturen handelt es sich vorzugsweise um Beugungsstrukturen. Damit die in den Beugungsstrukturen gespeicherten Informationen visuell gut erkannt werden können, wird das bahnförmige Material nach dem Einbringen der Reliefstruktur vollflächig oder bereichsweise mit einer Metallschicht oder einer dielektrischen Schicht versehen. Selbstverständlich können auch im Anschluss an die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte weitere Sicherheitsmerkmale auf das bahnförmige Material aufgebracht werden.
Das bahnförmige Material kann anschließend zur Herstellung von Sicherheitselementen für beliebige Wertgegenstände, wie Banknoten, ID-Dokumente, Pässe, Ausweis- oder Kreditkarten, oder beliebige Waren zur Produktsicherung verwendet werden.
Wird das bahnförmige Material als Transfermaterial, insbesondere Heißprägefolie, verwendet, so wird die Schichtfolge des Sicherheitselements in der umgekehrten Reihenfolge, wie sie später auf dem zu sichernden Wertgegenstand zu liegen kommt, auf dem Substrat vorbereitet und anschließend mittels einer Klebstoff- oder Lackschicht in den gewünschten Umrissformen auf den Wertgegenstand übertragen. Die Umrissform wird dabei durch die Form der aufgebrachten Klebstoff- oder Lackschicht oder eines vorzugsweise beheizten Übertragungsstempels definiert. Bei den so genannten Heißprägeverfahren wird mithilfe des Übertragungsstempels nur ein Teil der Klebstoffschicht aktiviert und damit am Wertgegenstand verankert. Das restliche bahnförmige Material kann anschließend mühelos abgezogen werden. Das Substrat kann nach dem Übertrag ebenfalls von dem Schichtaufbau des Sicherheitselements abgezogen werden oder als Schutzschicht als fester Bestandteil des Sicherheitselements auf dem Schichtaufbau verbleiben. Die einzelnen Sicherheitselemente können auf dem Substrat als separate Einzelelemente in den zu übertragenden Umrissformen vorbereitet werden. Alternativ wird die Schichtfolge der Sicherheitselemente in kontinuierlicher Form auf dem Substrat vorgesehen.
Wird das bahnförmige Material als Etikettenmaterial oder Sicherheitsfadenmaterial verwendet, so muss für einen festen Verbund zwischen dem Substrat und dem darauf aufgebrachten Schichtaufbau des Sicherheitselements gesorgt werden. Das bahnförmige Material wird in diesem Fall in Fäden oder gewünschte Sicherheitselemente beliebiger Umrissform geschnitten und auf dem zu sichernden Gegenstand aufgebracht, vorzugsweise aufgeklebt. Die Sicherheitsfäden werden üblicherweise während der Papierherstellung in ein Sicherheitspapier zumindest teilweise eingebettet.
Weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung werden anhand der Figuren erläutert. Die Figuren zeigen lediglich schematisch die wesentlichen Aspekte und stellen keine detailgetreue Abbildung dar.
Es zeigen:
Durch die Prägung in die noch nasse Lackschicht 2 erhält man eine hervorragende Prägegüte, da die feinen Reliefstrukturen 7 des Prägewerkzeugs 6 zu 100 % abgebildet werden. Üblicherweise ist der Lack nach dem Prägevorgang jedoch noch weich, so dass beim Transport durch nachfolgende Einrichtungen der Vorrichtung die Reliefstruktur 7 beschädigt werden kann. Denn die geprägte Lackoberfläche kommt im weiteren Verlauf der Bearbeitung immer wieder mit Transportrollen und ähnlichen Einrichtungen der Vorrichtung in Kontakt, die die weiche Lackoberfläche eindrücken können. Da dies zu einer sichtbaren Einbuße an Brillanz am fertigen Produkt bzw. Sicherheitselement führt, wird der Lack 2 nach dem Prägevorgang in einer weiteren Härtungseinrichtung 10, vorzugsweise einer weiteren Strahlungsquelle 11, nachgehärtet. Diese ist vorzugsweise auf der geprägten Lackseite des Substrats 1 angeordnet, so dass die geprägte Lackschicht 2 ungehindert mit der entsprechenden Strahlung beaufschlagt wird.
Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für bahnförmige Materialien, bei welchen das Substrat 1 eine gute Haftung zum darauf aufgebrachten Schichtaufbau aufweisen soll. Dies ist insbesondere bei Etikettenmaterialien und Sicherheitsfäden der Fall. Denn in diesem Fall besitzt der Lack 2 eine größere Haftung zum Substrat 1 als zum Prägewerkzeug 6, so dass die Gefahr der Lackablagerung auf dem Prägewerkzeug 6 relativ gering ist.
Für die Strahlungsquellen 9 und 11 der jeweiligen Härtungseinrichtungen 8, 10 können die gleichen Strahlungsquellen verwendet werden. Als Strahlungsquellen werden vorzugsweise UV-Lampen verwendet.
Alternativ können jedoch auch unterschiedliche Strahlungsquellen für die verschiedenen Härtungseinrichtungen 8, 10 eingesetzt werden. In diesem Fall enthält der Lack 2 zwei unterschiedliche Photoinitiatoren. Der erste Photoinitiator spricht auf die Strahlung der Strahlungsquellen 9 während der Haupthärtung des Lacks 2 an und initiert dort die Polymerisation des Lacks 2. Der zweite Photoinitiator spricht dagegen lediglich auf Strahlung der Strahlungsquelle 11 an, die für die Nachhärtung des Lacks 2 verwendet wird. So kann der erste Photoinitiator beispielsweise speziell für Emissionsbanden im sichtbaren Bereich sensitiv sein, indem beispielsweise Ga- oder Fe-dotierte Hg-Lampen emittieren. Der zweite Photoinitiator dagegen kann beispielsweise auf UV-Strahlung geringer Wellenlänge reagieren, so dass für die Strahlungsquelle 11 in der Nachhärtungseinrichtung eine Strahlungsquelle mit entsprechender Emissionsbande gewählt wird.
Das Verfahren unterscheidet sich lediglich dadurch, dass vor dem Prägewerk 5 eine Vorhärtungseinrichtung 12 angeordnet ist, die vorzugsweise wenigstens eine Strahlungsquelle 13 aufweist. Dafür wird auf eine Nachhärtungseinrichtung 10 verzichtet. Diese Vorhärtungseinrichtung 12 befindet sich unmittelbar vor dem Prägewerk 5, so dass die vorgehärtete Lackschicht 2 in direktem Anschluss an die Vorhärtungseinrichtung 12 in das Prägewerk 5 transportiert wird. Die Vorhärtungseinrichtung 12 ist vorzugsweise auf der mit Lack beschichteten Seite des Substrats 1 angeordnet, so dass die Strahlung der Strahlungsquelle 13 ungehindert auf den Lack trifft. Dies hat den Vorteil, dass für die Strahlungsquelle 13 auch Strahlungsquellen verwendet werden können, deren Strahlung vom Substrat 1 absorbiert werden würde.
In der Vorhärtungseinrichtung 12 wird die Lackschicht 2 auf einen Härtungsgrad unterhalb des Gelpunktes vorgehärtet. Vorzugsweise wird durch den Vorhärtungsprozess lediglich die Lackoberfläche gezielt angehärtet, so dass sie ihre Klebrigkeit verliert. Dies hat den Vorteil, dass der Lack 2 nicht am Prägezylinder 6 haften bleibt. Gleichzeitig ist der Lack 2 im Volumen noch so weich, dass die Reliefstruktur 7 ungehindert 1 : 1 in den Lack 2 übertragen werden kann.
Analog zu der bereits anhand von
Durch die Aufsplittung der Lackhärtung in wenigstens zwei Härtungsprozesse lässt sich zudem die Gefahr der Versprödung des Lacks durch zu starke Strahlungseinwirkung deutlich verringern. Ferner ergibt sich eine wesentlich größere Flexibilität bei der Wahl der Rezeptoren der Lacke, die auf diese Weise wesentlich besser an die spezifischen Anforderungen der mit den Sicherheitselementen zu versehenden Wertgegenstände bzw. die weiteren Verarbeitungsschritte angepasst werden können. Auf diese Weise kann auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform sind auch so genannte Dual Cure-Lackrezepturen verwendbar, die für die vollständige Aushärtung neben dem Strahlungsanteil (Vorhärtung und Haupthärtung oder nur Vorhärtung) durch späteres Einwirken von Wärme vollständig aushärten. In diesem Fall ist die Nachhärtungseinrichtung 10 mit einem Wärmestrahler ausgestattet.
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