Section 01 · Titel

Experimentelle Untersuchung von Stabilitäts- und Versagensgrenzen in Adhäsions- und Benetzungsprozessen biologisch abbaubarer Digitaldruck-Substrate

Bildliche Dokumentation der Untersuchungsergebnisse anhand biologisch abbaubarer Substrat-Tinten-Systeme unter variierenden Material-, Klima- und Prozessbedingungen.

STABILÜBERGANGINSTABIL

Section 02

Untersuchte biologisch abbaubare Substrate

Sechs Substratklassen mit unterschiedlicher Porosität, Faserstruktur und Grenzflächenenergie als Grundlage des Untersuchungsumfangs.

Die untersuchten Materialklassen weisen aufgrund ihrer variierenden Faserstruktur, Porosität, Feuchteaufnahme und Oberflächenenergie kein einheitlich vorhersagbares Grenzflächenverhalten unter identischen Prozessbedingungen auf.

Ungestrichenes zellulosebasiertes Substrat(hohe Porosität, starke kapillare Eindringprozesse)

Gestrichenes zellulosebasiertes Substrat(reduzierte Saugfähigkeit, glatte Oberfläche, begrenzte Penetration)

Recyclingbasiertes Substrat(inhomogene Faserstruktur, variierende Feuchteaufnahme, nichtlineares Benetzungsverhalten)

Naturfaserbasierter Verbundwerkstoff(anisotrope Struktur, erhöhte Oberflächenrauigkeit, variierende Kapillarität)

Biopolymerbeschichtetes Substrat (z. B. PLA-/Stärkebasis)(reduzierte Penetration, veränderte Oberflächenenergie)

Kompostierbare Biofolie(geringe Porosität, geschlossene Oberfläche, stark eingeschränkte Flüssigkeitsaufnahme)

Section 03

Versuchskette

Ablauf der einzelnen Prozessschritte vom Bio-Substrat bis zur Klassifikation der Grenzflächenzustände.

Schritt 01Auswahl definierter Materialklassen mit variierenden physikalischen Eigenschaften (Porosität, Faserstruktur, Oberflächenenergie)Eingang
Schritt 02Standardisierte Probenpräparation unter kontrollierten RandbedingungenProbenpräparation
Schritt 03Klimatische Konditionierung (Feuchte / Temperatur)Klima / Feuchte
Schritt 04Applikation definierter Tintenparameter im experimentellen VersuchssystemTintenauftrag
Schritt 05Benetzungs- und EindringprüfungGrenzflächentest
Schritt 06Erfassung von Benetzungs-, Eindring- und Haftungsprozessen unter variierenden Klima- und ProzessparameternMikroskopie
Schritt 07Einordnung / AuswertungKlassifikation

Section 04

Parameter-Variation

Variation der Substrat-, Klima- und Tintenparameter zur Identifikation stabiler, sensitiver und instabiler Grenzflächenzustände.

Substrat ↓ / Parameter →	Porosität	Feuchteaufnahme	Temperatur	Tintenauftrag / Viskosität	Oberflächenrauigkeit
Ungestrichenes Zellulosepapier
Gestrichenes Zellulosepapier
Recyclingpapier					—
Naturfaserverbund
Biopolymerbeschichtetes Papier
Kompostierbare Biofolie					—

Section 05

Systematische Versuchsreihen und Mehrparameter-Variation

Darstellung der iterativen Versuchsreihen zur Untersuchung gekoppelter Material-, Klima- und Tintenparameter.

Reihe 01Parallele Versuchsreihen zur isolierten Variation einzelner ParameterZellulosepapier, gleiche Materialklasse, variierte Klima- und Tintenparameter (22–30 °C / 45–75 % rF).

Reihe 02Kombinatorische Mehrparameter-Variation zur Analyse gekoppelter EffekteStrukturierte Probenmatrix · Kombination aus Feuchte, Temperatur und Tintenauftrag · zeilenweise zunehmende Benetzungsstörung.

Reihe 03Iterative Variation zur Identifikation nichtlinearer ÜbergängeDrei aufeinanderfolgende Versuche · gleiches Material · Übergang von beginnender Instabilität zu stabilem Tintenfilm.

Reihe 04Vergleichende Analyse unterschiedlicher Materialklassen unter identischen BedingungenVorbereitete Substratstapel für laufende Versuchsreihen · unterschiedliche Materialien · teilweise bedruckt, teilweise unbedruckt.

Reihe 05Systematisches ProbenrasterStrukturiertes Probenraster auf Arbeitsfläche · zeigt Skalierung und Anordnung der Einzelproben innerhalb einer Versuchsreihe.

Die Untersuchung erfolgte nicht anhand einzelner Proben, sondern durch systematische Versuchsreihen, in denen Materialeigenschaften, Klima- und Tintenparameter in Kombination variiert wurden. Die gezeigten Probenreihen verdeutlichen die Vielzahl paralleler und iterativer Versuche, anhand derer die Stabilitäts- und Übergangsbereiche der Substrat-Tinten-Systeme experimentell bestimmt wurden.

Section 05b

Skalierung der Versuchsreihen

Großflächige kombinatorische Probenfelder zur statistisch belastbaren Bestimmung von Stabilitäts- und Übergangsbereichen.

Großflächiges Probenfeld aus Zellulosepapier-Proben mit zentral aufgebrachter schwarzer Tinte. Sichtbar gemischte Verteilung aus stabilen, übergangsartigen und instabilen Tintenaufträgen ohne linearen Gradienten. — Probenfeld · Zellulosepapier · n > 60 (Auszug)

Auswertungsumfang

Auswertung von über 1.000 Einzelproben aus kombinatorischen Versuchsreihen zur statistisch belastbaren Bestimmung von Stabilitäts- und Übergangsbereichen.

Variation von Substrat, Feuchte, Temperatur und Tintenauftrag.

Mehrfache Replikate zur Absicherung der Ergebnisse.

Section 06

Stabile Zustände

Gleichmäßiger Tintenfilm auf Bio-Substrat, saubere Kanten, keine Durchfeuchtung, keine Faserausfransung.

Mockup-Bild – Gestrichenes Zellulosepapier – 22 °C / 45 % rF / Standardauftrag — Gestrichenes ZellulosepapierSTABIL
22 °C / 45 % rF / Standardauftrag

Mockup-Bild – Biopolymerbeschichtetes Papier – 23 °C / 50 % rF / reduzierte Viskosität — Biopolymerbeschichtetes PapierSTABIL
23 °C / 50 % rF / reduzierte Viskosität

Mockup-Bild – Kompostierbare Biofolie – 21 °C / 40 % rF / geringer Auftrag — Kompostierbare BiofolieSTABIL
21 °C / 40 % rF / geringer Auftrag

Mockup-Bild – Recyclingpapier – 22 °C / 45 % rF / angepasster Auftrag — RecyclingpapierSTABIL
22 °C / 45 % rF / angepasster Auftrag

Section 07

Übergangszustände

Beginnende Fleckenbildung, randliches Auslaufen, erste ungleichmäßige Saugzonen, partielle Benetzungs- oder Tintenfilmstörungen.

Mockup-Bild – Ungestrichenes Zellulosepapier – 24 °C / 60 % rF / Standardauftrag — Ungestrichenes ZellulosepapierÜBERGANG
24 °C / 60 % rF / Standardauftrag

Mockup-Bild – Recyclingpapier – 25 °C / 65 % rF / hoher Auftrag — RecyclingpapierÜBERGANG
25 °C / 65 % rF / hoher Auftrag

Mockup-Bild – Naturfaserverbund – 26 °C / 60 % rF / Standardauftrag — NaturfaserverbundÜBERGANG
26 °C / 60 % rF / Standardauftrag

Mockup-Bild – Biopolymerbeschichtetes Papier – 27 °C / 55 % rF / erhöhte Viskosität — Biopolymerbeschichtetes PapierÜBERGANG
27 °C / 55 % rF / erhöhte Viskosität

Section 08

Instabile Zustände

Starke Durchfeuchtung, unkontrollierte Eindringtiefe, Ausbluten, Faserausfransung, Aufquellen, Haftungsverlust des Tintenfilms.

Mockup-Bild – Ungestrichenes Zellulosepapier – 30 °C / 75 % rF / hoher Auftrag — Ungestrichenes ZellulosepapierINSTABIL
30 °C / 75 % rF / hoher Auftrag

Mockup-Bild – Naturfaserverbund – 32 °C / 80 % rF / hoher Auftrag — NaturfaserverbundINSTABIL
32 °C / 80 % rF / hoher Auftrag

Mockup-Bild – Biopolymerbeschichtetes Papier – 29 °C / 70 % rF / hoher Auftrag — Biopolymerbeschichtetes PapierINSTABIL
29 °C / 70 % rF / hoher Auftrag

Mockup-Bild – Kompostierbare Biofolie – 31 °C / 75 % rF / hoher Auftrag — Kompostierbare BiofolieINSTABIL
31 °C / 75 % rF / hoher Auftrag

Mockup-Bild – Ungestrichenes Zellulosepapier – 29 °C / 78 % rF / hoher Auftrag — Ungestrichenes ZellulosepapierINSTABIL
29 °C / 78 % rF / hoher Auftrag

Section 09

Direkter Vergleich identischer Substrate unter variierenden Einzelparametern

Gleiches Bio-Substrat, ein einziger Parameter verändert – sichtbarer Effekt auf Benetzung, Eindringen und Tintenfilm.

Identische Substrate werden unter Variation einzelner Parameter untersucht, um deren isolierten Einfluss auf Benetzungs-, Eindring- und Haftungsprozesse zu bestimmen.

Direktvergleich

Trocken vs. feucht

Gleiches Zellulosepapier · 45 % rF → 78 % rF

45 % rFSTABIL

78 % rFINSTABIL

Direktvergleich

Niedrige vs. hohe Temperatur

Biopolymerbeschichtetes Papier · 21 °C → 33 °C

21 °CSTABIL

33 °CINSTABIL

Direktvergleich

Niedrige vs. hohe Porosität

Gestrichenes vs. ungestrichenes Papier · gleiche Tinte

gestrichenSTABIL

ungestrichenÜBERGANG

Direktvergleich

Standardauftrag vs. hoher Auftrag

Recyclingpapier · Tintenmenge ×2,5

StandardauftragSTABIL

hoher AuftragINSTABIL

Section 09b

Gekoppelte Parameterwirkungen

Identisches Substrat (Recyclingpapier) bei Variation gekoppelter Klima- und Prozessparameter. Variation von Feuchte (Spalten) und Temperatur (Zeilen).

3x3 Matrix identischer Recyclingpapier-Proben mit Tintenauftrag bei variabler Feuchte (Spalten) und Temperatur (Zeilen). Sichtbar nichtlineares Verhalten: stabile, übergangsartige und instabile Zustände in unregelmäßiger Anordnung. — Substrat: Recyclingpapier · Tinte: identisch · n = 9

Das Grenzflächenverhalten ergibt sich aus der Kombination mehrerer Parameter. Einzelparameter erlauben keine Vorhersage der beobachteten Zustandsübergänge.

Section 10

Reproduzierbarkeit

Mehrfachreplikation identischer Versuchsparameter zur Absicherung der Reproduzierbarkeit – unabhängige Versuche auf Recyclingpapier, vergleichbares Grenzflächenverhalten.

Mehrfachreplikationen identischer Versuchsparameter zeigen, dass stabile und instabile Zustände reproduzierbar auftreten, obwohl das Gesamtsystemverhalten nicht linear vorhersagbar ist.

Reproduzierbar · n = 4Parameter: 26 °C / 60 % rF / hoher Auftrag

Section 11

Stabilitätsgrenzen

Ableitung der experimentell bestimmten Bereichsgrenzen für Bio-Substrat-Tinten-Systeme.

Bereich	Parameterfenster	Zustand
A	20–23 °C, 40–50 % rF, geringer bis Standardauftrag, reduzierte Porosität	STABIL
B	24–28 °C, 55–70 % rF oder erhöhte Porosität / erhöhter Auftrag	ÜBERGANG
C	> 28 °C, > 70 % rF oder stark erhöhter Auftrag / hohe Kapillarität	INSTABIL

Beispielbild je Bereich · aus dem Versuchsmaterial abgeleitet

Beispiel Bereich A – stabil — Bereich A · stabil

Beispiel Bereich B – Übergang — Bereich B · Übergang

Beispiel Bereich C – instabil — Bereich C · instabil

A · stabil

B · Übergang

C · instabil

geringe Belastungsteigende Belastungkritische Belastung

Reproduzierbare Übergänge zwischen stabilen und instabilen Grenzflächenzuständen wurden experimentell bestimmt. Experimentell abgeleitete Grenzbereiche basierend auf nichtlinearem Systemverhalten. Die dargestellten Bereiche basieren auf experimentell bestimmten Übergängen zwischen stabilen und instabilen Grenzflächenzuständen und sind nicht aus bestehenden Materialdaten ableitbar.

Section 12 · Ergebnis

Stabilitäts- und Übergangsbereiche biologisch abbaubarer Substrat-Tinten-Systeme konnten unter realen Material-, Klima- und Prozessbedingungen reproduzierbar bestimmt werden.

Section 13

Bildliche Darstellung der Untersuchungsergebnisse

Experimentell abgeleiteter Zustandsraum biologisch abbaubarer Substrat-Tinten-Systeme.

hoch

Feuchte / Temperatur / Tintenauftrag

niedrig

stabilÜberganginstabil

stabil

Übergang

instabil

niedrigSubstratstruktur / Porosität / Kapillaritäthoch

Fazit

Aus den Versuchsreihen wurden experimentell abgeleitete Stabilitäts- und Übergangsbereiche für stabile, sensitive und instabile Grenzflächenzustände bestimmt.

STABILÜBERGANGINSTABIL