ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА РАСТРИРОВАННЫХ ПОЛИГРАФИЧЕСКИХ ВАЛОВ
56
УДК 621.38;655.021
А. А. САМОХВАЛОВ, М. В. ЯРЧУК
ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА РАСТРИРОВАННЫХ ПОЛИГРАФИЧЕСКИХ ВАЛОВ
Разработана технология сухой лазерной очистки растрированных полиграфических валов от различных типов краски. Экспериментально подтверждена безопасность данного способа удаления загрязнений для различных микрорельефов керамического покрытия растрированных валов. Ключевые слова: флексография, растрированный (анилоксовый) вал, лазерная очистка, волоконный лазер, термомеханический эффект.
Введение. Растрированный (анилоксовый) вал — цилиндр, имеющий ячеистую равномерно гравированную поверхность (микрорельф), который используется во флексографской печатной машине для переноса краски на печатную форму. Флексография на данный момент — единственный способ печати, применение которого расширяется в упаковочном, этикеточном и газетном производстве благодаря высокой рентабельности.
Полиграфисты считают анилоксовый вал „сердцем“ печатной машины, помимо того данная деталь является самой дорогостоящей во флексографической машине. На рис. 1 представлен печатный аппарат флексографической печатной машины: растрированный (анилоксовый) вал 1, погруженный в красочный ящик 2, наносит слой краски на печатную форму 3, смонтированную на формном цилиндре 4. Контакт запечатываемого материала 5 с формой 3
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
Лазерная очистка растрированных полиграфических валов
57
обеспечивается печатным цилиндром 6, краска переносится на подложку, на выходе получается оттиск 7. Излишки краски снимаются ракелем 8.
37
4 6
8
5
21
Рис. 1
Переносить краску растрированный вал может благодаря своему микрорельефу, создан-
ному лазерным гравированием. Микрорельеф выполняет роль „красочных карманов“: при
вращении вала в красочном ящике ячейки захватывают краску и переносят ее на печатные эле-
менты формы. Ширина ячейки может составлять от 10 до 100 мкм. Стоит отметить, что основной про-
Стенки ячейки
Перемычка
Ширина ячейки
Глубина ячейки
блемой при эксплуатации растрированных валиков
является сохранение тонкой перемычки (рис. 2).
Залогом сохранения свойств поверхности и
долгой его службы является ежедневная и глубо-
кая очистка, первая выполняется в печатной ма-
шине, пока краска не успела засохнуть, второй вид
очистки необходимо проводить не реже одного
раза в неделю.
Оптическая плотность печатного оттиска на-
прямую зависит от количества краски, переносимой валом, определяемого глубиной гравировки, поэтому результат очистки растрированных валов
2—50 мкм Рис. 2
определяет качество полиграфических услуг данного вида печати.
Современные способы очистки не позволяют удалять застарелую краску со дна ячеек
анилоксового вала, вследствие чего не восстанавливается уровень краскопереноса. Используя
некоторые способы глубокой очистки, можно повредить поверхность вала — разрушить тон-
кие перемычки [1, 2]. Cформулируем требования к методу очистки растрированных валов:
— обеспечение глубокой очистки анилоксового вала: сухие остатки красочного пигмен-
та, смолы и др. вещества, оседающие на дне ячейки, должны полностью удаляться;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
58 А. А. Самохвалов, М. В. Ярчук
— при очистке анилоксовый вал не должен быть поврежден; — используемые средства очистки должны быть экологически безопасными; — применение метода должно окупаться за счет продления срока службы растрированного вала. Режимы лазерной очистки анилоксовых валов. Наиболее эффективным для удаления тонких слоев загрязнителя, как с точки зрения производительности, так и с точки зрения энергетической, является многоимпульсный режим лазерной очистки [3, 4]. Поэтому для очистки поверхности растрированного вала целесообразно использовать импульсный волоконный лазер, имеющий широкий диапазон перестройки частоты следования импульсов (f=20—100 кГц) и высокое качество пучка M2=1,1; кроме того, полиграфические краски
хорошо поглощают ближнее инфракрасное излучение (для λ=1,06 мкм коэффициент поглощения ~0,8).
Наименьшие повреждения поверхности достигаются при термомеханическом режиме лазерной очистки [4]. На сегодняшний день моделей термомеханической очистки не разработано, но можно сделать некоторые оценки, необходимые для построения технологического процесса.
Для удаления краски необходимо нарушение ее адгезии к поверхности анилоксового вала, что вызывается смещением частицы загрязнителя вследствие температурного расширения:
h
δ = k ∫ αTdy , 0
(1)
где k — коэффициент, учитывающий характер нагрева загрязнителя (k=0,5, так как частица нагревается равномерно по толщине), h — толщина частицы (глубина ячейки растрированного вала), α — коэффициент линейного температурного расширения, T — заданная температура частицы.
Значения теплофизических коэффициентов загрязнителя можно принять равными фи-
зико-химическим константам канифоли: теплоемкость — c = 2,16 ⋅103 Дж кг ⋅°C , теплопро-
водность — λ = 0,158⋅10−1 Вт м ⋅ °C , плотность — ρ = 1, 07 ⋅103 кг м3 , коэффициент —
α = 1, 6 ⋅10−4 °С−1 .
На дне ячеек растрированного вала скапливаются засохшее связующее вещество и пигмент полиграфических красок.
Температура кипения полиграфической краски составляет примерно 250 °C [5], вследствие термомеханического эффекта отрыв загрязнителя происходит в твердой фазе [4], поэтому можно считать, что заданная температура T не превышает 250 °C.
Подставляя в формулу (1) T, найдем смещение частицы: δ=0,2 мкм (пределы интегрирования взяты от 0 до 10 мкм, что соответствуют толщине удаляемого красочного слоя).
На основании заданной температуры (250 °C) возможно сделать оценку максимальной плотности мощности излучения qmax. Для этого воспользуемся выражением для плотности мощности qmax [6], необходимой для нагрева до температуры Т:
qmax
=
(T − Tн )λ π 2(1 − R) aτ
,
(2)
Тн — начальная температура частицы. Условие одномерности лазерной очистки анилоксовых валов хорошо выполняется для
радиуса пятна 50 мкм и длительности лазерного импульса τ = 100 нс: r >> aτ , где r — размер фокального пятна, мкм; а — температуропроводность, м2/с; τ — длительность импульса, нс.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
Лазерная очистка растрированных полиграфических валов
59
Экспериментальные исследования. Для проведения эксперимента по лазерной очистке анилоксовых валов была собрана лабораторная установка (рис. 3). Оптическая головка 2, состоящая из коллиматора и фокусирующего объектива 7, устанавливалась на координатный стол 1, который управлялся с помощью персонального компьютера 8. Таким образом можно было регулировать скорость и шаг сканирования вдоль растрированного вала 5 и обеспечивать настройку фокусного расстояния с точностью до единиц микрометров.
Вал 5 фиксировался в центрирующих конусах 6 и приводился во вращение от электродвигателя постоянного тока 4 через соединительную муфту 3, скорость вращения регулировалась напряжением от эталонного источника питания 9. В эксперименте использовался импульсный волоконный лазер мощностью 10 Вт.
35
6
94
7
28 1
Рис. 3
Эксперименты были проведены для различных типов краски (УФ отверждающейся и спиртовой), очищаемые валы имели различный рельеф (ширину и форму ячеек). Эксперименты проводились с застарелой (более месяца) и свежей краской. На рис. 4 приведены результаты лазерной очистки: а — загрязненная область, б — очищенная; I — вал с размером по ширине ячейки 30 мкм (очистка от УФ-краски), II — вал с ячейкой 20×50 мкм (очистка от УФ-краски), III — вал с шириной ячейки 120 мкм (очистка от свежей спиртовой краски). Параметры эксперимента указаны в таблице (q — плотность мощности излучения, f — частота следования импульсов, V — линейная скорость вала, d — диаметр пятна, измерен по краске).
Вал q, 108 Вт/м2 I7 II 7 III 3,5
f, кГц 60 60 40
V, м/с 1,1
0,785 1,8
d, мкм 60 60 120
Отметим, что предоставленные для эксперимента анилоксовые валы имели трещины, для подтверждения безопасности лазерного способа очистки был сфотографирован один и тот же участок поверхности вала до и после эксперимента (рис. 4, I), как видно, количество трещин и их размеры не изменились.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
60 А. А. Самохвалов, М. В. Ярчук Средняя производительность процесса, реализованного посредством лабораторной ус-
тановки, составила 40 мм2/с. Частицы краски удалялись в твердой фазе, что существенно упрощает технологический процесс: вместо вытяжной системы возможно использовать абсорбирующую пленку.
Рис. 4
Заключение. В настоящей работе экспериментально подтверждена эффективность и безопасность лазерной очистки растрированных валов. Разработанная технология очистки качественно превосходит существующие — удаляется краска со дна ячеек анилоксового вала без разрушения микрорельефа. Технология экологически безопасна и позволяет проводить очистку в одну стадию.
Авторы выражают благодарность профессору В. П. Вейко за возможность проведения экспериментов.
Работа выполнена при поддержке государственного контракта № П968. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кенни Д. Чистые анилоксы // Флексография и специальные виды печати. 2006. № 4. 2. Аткинсон Д. Системы очистки анилоксовых валов // Флексография и специальные виды печати. 2008. № 7. 3. Вейко В. П., Мутин Т. Ю., Смирнов В. Н., Шахно Е. А., Батище С. А. Лазерная очистка поверхностей
металлов: физические процессы и применение // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 4. С. 30—36.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
Лазерная очистка рельсового пути
61
4. Вейко В. П., Шахно Е. А. Физические механизмы лазерной очистки поверхности // Изв. РАН, сер. физическая. 2001. Т. 65, № 4. С. 584—587.
5. Новый справочник химика и технолога. СПб: Профессионал, 2002.
6. Вейко В. П., Либенсон М. Н. Лазерная обработка. Л.: Лениздат, 1973.
Андрей Александрович Самохвалов —
Михаил Владимирович Ярчук
—
Сведения об авторах аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; E-mail: andrugko@list.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; младший научный сотрудник; E-mail: chukforyou@list.ru
Рекомендована программным комитетом Конференции
Поступила в редакцию 08.09.10 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
УДК 621.38;655.021
А. А. САМОХВАЛОВ, М. В. ЯРЧУК
ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА РАСТРИРОВАННЫХ ПОЛИГРАФИЧЕСКИХ ВАЛОВ
Разработана технология сухой лазерной очистки растрированных полиграфических валов от различных типов краски. Экспериментально подтверждена безопасность данного способа удаления загрязнений для различных микрорельефов керамического покрытия растрированных валов. Ключевые слова: флексография, растрированный (анилоксовый) вал, лазерная очистка, волоконный лазер, термомеханический эффект.
Введение. Растрированный (анилоксовый) вал — цилиндр, имеющий ячеистую равномерно гравированную поверхность (микрорельф), который используется во флексографской печатной машине для переноса краски на печатную форму. Флексография на данный момент — единственный способ печати, применение которого расширяется в упаковочном, этикеточном и газетном производстве благодаря высокой рентабельности.
Полиграфисты считают анилоксовый вал „сердцем“ печатной машины, помимо того данная деталь является самой дорогостоящей во флексографической машине. На рис. 1 представлен печатный аппарат флексографической печатной машины: растрированный (анилоксовый) вал 1, погруженный в красочный ящик 2, наносит слой краски на печатную форму 3, смонтированную на формном цилиндре 4. Контакт запечатываемого материала 5 с формой 3
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
Лазерная очистка растрированных полиграфических валов
57
обеспечивается печатным цилиндром 6, краска переносится на подложку, на выходе получается оттиск 7. Излишки краски снимаются ракелем 8.
37
4 6
8
5
21
Рис. 1
Переносить краску растрированный вал может благодаря своему микрорельефу, создан-
ному лазерным гравированием. Микрорельеф выполняет роль „красочных карманов“: при
вращении вала в красочном ящике ячейки захватывают краску и переносят ее на печатные эле-
менты формы. Ширина ячейки может составлять от 10 до 100 мкм. Стоит отметить, что основной про-
Стенки ячейки
Перемычка
Ширина ячейки
Глубина ячейки
блемой при эксплуатации растрированных валиков
является сохранение тонкой перемычки (рис. 2).
Залогом сохранения свойств поверхности и
долгой его службы является ежедневная и глубо-
кая очистка, первая выполняется в печатной ма-
шине, пока краска не успела засохнуть, второй вид
очистки необходимо проводить не реже одного
раза в неделю.
Оптическая плотность печатного оттиска на-
прямую зависит от количества краски, переносимой валом, определяемого глубиной гравировки, поэтому результат очистки растрированных валов
2—50 мкм Рис. 2
определяет качество полиграфических услуг данного вида печати.
Современные способы очистки не позволяют удалять застарелую краску со дна ячеек
анилоксового вала, вследствие чего не восстанавливается уровень краскопереноса. Используя
некоторые способы глубокой очистки, можно повредить поверхность вала — разрушить тон-
кие перемычки [1, 2]. Cформулируем требования к методу очистки растрированных валов:
— обеспечение глубокой очистки анилоксового вала: сухие остатки красочного пигмен-
та, смолы и др. вещества, оседающие на дне ячейки, должны полностью удаляться;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
58 А. А. Самохвалов, М. В. Ярчук
— при очистке анилоксовый вал не должен быть поврежден; — используемые средства очистки должны быть экологически безопасными; — применение метода должно окупаться за счет продления срока службы растрированного вала. Режимы лазерной очистки анилоксовых валов. Наиболее эффективным для удаления тонких слоев загрязнителя, как с точки зрения производительности, так и с точки зрения энергетической, является многоимпульсный режим лазерной очистки [3, 4]. Поэтому для очистки поверхности растрированного вала целесообразно использовать импульсный волоконный лазер, имеющий широкий диапазон перестройки частоты следования импульсов (f=20—100 кГц) и высокое качество пучка M2=1,1; кроме того, полиграфические краски
хорошо поглощают ближнее инфракрасное излучение (для λ=1,06 мкм коэффициент поглощения ~0,8).
Наименьшие повреждения поверхности достигаются при термомеханическом режиме лазерной очистки [4]. На сегодняшний день моделей термомеханической очистки не разработано, но можно сделать некоторые оценки, необходимые для построения технологического процесса.
Для удаления краски необходимо нарушение ее адгезии к поверхности анилоксового вала, что вызывается смещением частицы загрязнителя вследствие температурного расширения:
h
δ = k ∫ αTdy , 0
(1)
где k — коэффициент, учитывающий характер нагрева загрязнителя (k=0,5, так как частица нагревается равномерно по толщине), h — толщина частицы (глубина ячейки растрированного вала), α — коэффициент линейного температурного расширения, T — заданная температура частицы.
Значения теплофизических коэффициентов загрязнителя можно принять равными фи-
зико-химическим константам канифоли: теплоемкость — c = 2,16 ⋅103 Дж кг ⋅°C , теплопро-
водность — λ = 0,158⋅10−1 Вт м ⋅ °C , плотность — ρ = 1, 07 ⋅103 кг м3 , коэффициент —
α = 1, 6 ⋅10−4 °С−1 .
На дне ячеек растрированного вала скапливаются засохшее связующее вещество и пигмент полиграфических красок.
Температура кипения полиграфической краски составляет примерно 250 °C [5], вследствие термомеханического эффекта отрыв загрязнителя происходит в твердой фазе [4], поэтому можно считать, что заданная температура T не превышает 250 °C.
Подставляя в формулу (1) T, найдем смещение частицы: δ=0,2 мкм (пределы интегрирования взяты от 0 до 10 мкм, что соответствуют толщине удаляемого красочного слоя).
На основании заданной температуры (250 °C) возможно сделать оценку максимальной плотности мощности излучения qmax. Для этого воспользуемся выражением для плотности мощности qmax [6], необходимой для нагрева до температуры Т:
qmax
=
(T − Tн )λ π 2(1 − R) aτ
,
(2)
Тн — начальная температура частицы. Условие одномерности лазерной очистки анилоксовых валов хорошо выполняется для
радиуса пятна 50 мкм и длительности лазерного импульса τ = 100 нс: r >> aτ , где r — размер фокального пятна, мкм; а — температуропроводность, м2/с; τ — длительность импульса, нс.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
Лазерная очистка растрированных полиграфических валов
59
Экспериментальные исследования. Для проведения эксперимента по лазерной очистке анилоксовых валов была собрана лабораторная установка (рис. 3). Оптическая головка 2, состоящая из коллиматора и фокусирующего объектива 7, устанавливалась на координатный стол 1, который управлялся с помощью персонального компьютера 8. Таким образом можно было регулировать скорость и шаг сканирования вдоль растрированного вала 5 и обеспечивать настройку фокусного расстояния с точностью до единиц микрометров.
Вал 5 фиксировался в центрирующих конусах 6 и приводился во вращение от электродвигателя постоянного тока 4 через соединительную муфту 3, скорость вращения регулировалась напряжением от эталонного источника питания 9. В эксперименте использовался импульсный волоконный лазер мощностью 10 Вт.
35
6
94
7
28 1
Рис. 3
Эксперименты были проведены для различных типов краски (УФ отверждающейся и спиртовой), очищаемые валы имели различный рельеф (ширину и форму ячеек). Эксперименты проводились с застарелой (более месяца) и свежей краской. На рис. 4 приведены результаты лазерной очистки: а — загрязненная область, б — очищенная; I — вал с размером по ширине ячейки 30 мкм (очистка от УФ-краски), II — вал с ячейкой 20×50 мкм (очистка от УФ-краски), III — вал с шириной ячейки 120 мкм (очистка от свежей спиртовой краски). Параметры эксперимента указаны в таблице (q — плотность мощности излучения, f — частота следования импульсов, V — линейная скорость вала, d — диаметр пятна, измерен по краске).
Вал q, 108 Вт/м2 I7 II 7 III 3,5
f, кГц 60 60 40
V, м/с 1,1
0,785 1,8
d, мкм 60 60 120
Отметим, что предоставленные для эксперимента анилоксовые валы имели трещины, для подтверждения безопасности лазерного способа очистки был сфотографирован один и тот же участок поверхности вала до и после эксперимента (рис. 4, I), как видно, количество трещин и их размеры не изменились.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
60 А. А. Самохвалов, М. В. Ярчук Средняя производительность процесса, реализованного посредством лабораторной ус-
тановки, составила 40 мм2/с. Частицы краски удалялись в твердой фазе, что существенно упрощает технологический процесс: вместо вытяжной системы возможно использовать абсорбирующую пленку.
Рис. 4
Заключение. В настоящей работе экспериментально подтверждена эффективность и безопасность лазерной очистки растрированных валов. Разработанная технология очистки качественно превосходит существующие — удаляется краска со дна ячеек анилоксового вала без разрушения микрорельефа. Технология экологически безопасна и позволяет проводить очистку в одну стадию.
Авторы выражают благодарность профессору В. П. Вейко за возможность проведения экспериментов.
Работа выполнена при поддержке государственного контракта № П968. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кенни Д. Чистые анилоксы // Флексография и специальные виды печати. 2006. № 4. 2. Аткинсон Д. Системы очистки анилоксовых валов // Флексография и специальные виды печати. 2008. № 7. 3. Вейко В. П., Мутин Т. Ю., Смирнов В. Н., Шахно Е. А., Батище С. А. Лазерная очистка поверхностей
металлов: физические процессы и применение // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 4. С. 30—36.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
Лазерная очистка рельсового пути
61
4. Вейко В. П., Шахно Е. А. Физические механизмы лазерной очистки поверхности // Изв. РАН, сер. физическая. 2001. Т. 65, № 4. С. 584—587.
5. Новый справочник химика и технолога. СПб: Профессионал, 2002.
6. Вейко В. П., Либенсон М. Н. Лазерная обработка. Л.: Лениздат, 1973.
Андрей Александрович Самохвалов —
Михаил Владимирович Ярчук
—
Сведения об авторах аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; E-mail: andrugko@list.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; младший научный сотрудник; E-mail: chukforyou@list.ru
Рекомендована программным комитетом Конференции
Поступила в редакцию 08.09.10 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2