Współczesne konstrukcje maszyn drukujących technologiami: fleksograficzną, offsetową (krótkie zespoły farbowe i lakierujące) oraz maszyn dla przemysłu przetwórczego, do przekazywania medium na formę drukową lub podłoża stosują transferowy cylinder rastrowy (anilox). Wykonuje się go obecnie głównie za pomocą technologii grawerowania laserowego, odpowiednio różnych dobranych struktur i profili, w naniesionej na powierzchnię cylindra (lub tulei) powłoce ceramicznej.
Dzisiejsze rozwiązania konstrukcyjne układów dozujących medium do powierzchni cylindra rastrowego, o określonej pojemności, stanowią konstrukcję otwartą lub zamkniętą. Ta druga jest wyposażona w komorę raklową o budowie dostosowanej do rodzaju dostarczanego medium [1]. Bardzo istotnym zagadnieniem w omawianym procesie transferu medium jest znajomość wpływu na jego przebieg wielu parametrów technologicznych i konstrukcyjnych. W opracowaniach [2÷4] przedstawiono analizę szeregu czynników wpływających na przenoszenie farby w technologii fleksograficznej.
Obecnie występuje duże zainteresowanie różnymi nowymi rozwiązaniami, wytwarzanych promieniami lasera, kształtów i profili powierzchni cylindrów rastrowych. Nabywcy nowoczesnych maszyn, wdrażający innowacyjne technologie poligraficzne w ramach projektów unijnych oczekują właściwego doboru elementów składowych maszyn, które zagwarantują optymalne warunki ich użytkowania i eksploatacji.
Konstrukcja układu dozującego
W konwencjonalnym zespole transportującym medium, zwanym otwartym, płyn z kałamarza pobiera bezpośrednio obracający się cylinder rastrowy lub jest on przekazywany w sposób pośredni, z kałamarza na cylinder rastrowy przez wałek pokryty elastomerem. Inną konstrukcją zespołu otwartego jest rozwiązanie kurtynowego podawania strumienia medium, bezpośrednio w klin, który tworzą dozujący wałek gumowy i cylinder rastrowy. Podstawową wadą tych rozwiązań jest niestabilne przekazywanie płynu do układu zasilającego, szczególnie przy zastosowaniu ich w technologiach poligraficznych, przy złożonych pracach rastrowych. W celu ograniczenia tego zjawiska zastosowano listwę zgarniającą (rakiel), która odprowadza nadmiar farby z powierzchni cylindra rastrowego. O jakości pracy tego zespołu farbowego decydują: dokładność wykonania i zamocowania cylindra rastrowego, stabilność konstrukcji podpory listwy zgarniającej, równomierność jej napięcia na szerokości maszyny i usytuowanie względem cylindra rastrowego.
Współczesny system nanoszenia medium do kałamarzyków cylindra rastrowego odbywa się poprzez zastosowanie układów zamkniętych, wyposażonych w komory raklowe. Prawidłowo eksploatowane układy zamknięte zapewniają stabilną pracę systemów dozujących w nowoczesnych konstrukcjach maszyn, pracujących z prędkością liniową powyżej 1,5 m/s.
Komora raklowa ma konstrukcję skrzynkową. Ma ona króćce, służące do doprowadzania i odprowadzania płynu. Jeden z boków skrzynki stanowi powierzchnia cylindryczna cylindra rastrowego, zaś szczelne zamknięcie komory w kierunku tworzących współpracującego cylindra stanowią dwie listwy raklowe oraz uszczelnienia boczne. Listwa zgarniająca nadmiar dozowanego do układu podającego płynu jest usytuowana przeciwbieżnie do kierunku obrotu cylindra rastrowego. Druga listwa, umieszczona współbieżnie, stanowi uszczelnienie komory. Często jest ona wykonana z tworzywa. Do komory raklowej, w zamkniętym obiegu, podawane i odbierane jest medium za pomocą układu wyposażonego w pompę, filtry, wiskozymetr i termostat. Komory o długości większej niż 1 m mają systemy kontrolujące rozkład ciśnienia płynu panującego w ich wnętrzu. Ponadto, aby zapewnić właściwe odprowadzenie powietrza z kałamarzyków cylindrów rastrowych, a następnie wydajniej wypełnić je medium, stosowane są różnego rodzaju konstrukcje przegród montowanych wewnątrz komory. Nowoczesne rozwiązania komór raklowych są wykonywane także jako konstrukcje dwukomorowe w celu termostatowania transferowanego medium, jak również wyposażone w dysze natryskowe lub inne systemy stosowane do okresowego czyszczenia układu podającego [1, 4÷6].
Współczesne konstrukcje korpusu komory raklowej są wykonywane najczęściej ze stali stopowej lub stopu aluminium o zwiększonej odporności na korozję. Dla uniknięcia utleniania się powierzchni roboczych komór oraz zapobieżenia osadzaniu się płynu – szczególnie z udziałem wody, często są one pokrywane warstwą teflonu. Nowe konstrukcje skrzyń są wykonywane z włókien węglowych. Są trzykrotnie lżejsze niż tradycyjne i łatwo jest nimi manipulować przy ręcznej wymianie. Ich podstawowymi zaletami są między innymi gładka i zamknięta powierzchnia, wysoka odporność na korozję, stabilność wymiarowa i temperaturowa, większa trwałość, pochłanianie drgań i wibracji w stopniu znacznie wyższym niż to ma miejsce w wypadku konwencjonalnych konstrukcji metalowych.
Reasumując należy stwierdzić, że do głównych wymagań stawianych nowoczesnym konstrukcjom zespołów farbowych należy zaliczyć:
n całkowite i równomierne na szerokości maszyny wypełnienie kałamarzyków cylindra rastrowego,
n stabilną i sztywną konstrukcję komory z zamocowaniem zapewniającym jej elastyczne zawieszenie w korpusie maszyny; całkowita równoległość noży raklowych do współpracującego cylindra,
n odporność materiału korpusu komory na korozję,
n stałe i stabilne ciśnienie farby na szerokości komory,
n możliwie dużą strefę roboczą kontaktu farby z dopasowaną pojemnością (głębokością) komory i prędkością maszyny,
n precyzyjny mechanizm dostawienia nacisku noży raklowych do cylindra,
n beznarzędziową wymianę noży oraz ich montaż i napinanie bez pofalowań,
n beznarzędziową wymianę uszczelnień bocznych,
n beznarzędziowy demontaż komory z korpusu maszyny,
n opcjonalnie zastosowanie mechanizmu do oscylacji rakla zgarniającego,
n stosowanie noży rakli i uszczelnień o dłuższym okresie żywotności,
n zastosowanie czujników wydajności przepływu pomp i ciśnienia farby na szerokości komory,
n wyposażenie układu farbowego w czujniki pomiaru temperatury i lepkości farby,
n zastosowanie w układzie cyrkulacji farby odpowiednich bezpiecznych pomp ze wskaźnikiem ilości dozowanej farby,
n wyposażenie układu farbowego w tłumik pulsacji i filtr,
n zastosowanie termostatowanego zbiornika farb lub korpusu komory o podwójnych ściankach, szczególnie przy stosowaniu farb UV i tulei rastrowych instalowanych na cylindrach pneumatycznych,
n zastosowanie w razie konieczności profilowanej wkładki lub innego elementu, instalowanego pośrodku wewnątrz korpusu komory, gwarantującego lepsze wypełnienie kałamarzyków cylindra rastrowego,
n wyposażenie w niezawodny, pół- lub automatyczny system czyszczenia komory i cylindra rastrowego,
n zastosowanie dodatkowego układu obiegu środka do mycia komory i cylindra rastrowego,
n zastosowanie w układach odpowiednich zbiorników, termostatów, pojemników, mieszadeł, przewodów, szybkozłączy i środków czyszczących.
Podstawowym wskaźnikiem charakteryzującym konstrukcję komory raklowej i efektywność jej pracy jest relacja ilości medium wprowadzonego do kałamarzyków cylindra rastrowego do wyjściowej rzeczywistej pojemności cylindra wyrażonej w cm3/m2. Relacja ta zależy od kilku takich podstawowych czynników, jak:
n wielkości, kształtu i wyposażenia korpusu komory,
n rodzaju i parametrów pracy listwy zgarniającej (jej kąta ustawienia i równomierności naprężenia oraz docisku do powierzchni cylindra rastrowego),
n stabilności ciśnienia płynu dostarczanego pompą do komory i rozkładu jego ciśnienia wewnątrz komory.
Budowa cylindrów rastrowych
Stosowane w maszynach drukujących i przetwórczych rozwiązania konstrukcyjne cylindrów rastrowych mają płaszcz wykonany z rury stalowej nierdzewnej lub ze stopu aluminium. Mają one na stałe zamocowane lub nie zamocowane stalowe tarcze boczne i spawa
nie, wkręcane, klejone bądź wciskane termicz-nie stalowe czopy. Występują również rozwiązania, w których tarcze boczne zaciskane są śrubami na trzpieniu stalowym z czopami. Występują także droższe cylindry lekkie, z włókien węglowych, z wklejonymi czopami stalowymi. Te ostatnie charakteryzują się jednocześnie dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi i znacznym poziomem tłumienia drgań.
Niemal wszystkie nowe rozwiązania konstrukcyjne cylindrów rastrowych wytwarzane są z pokryciem ceramicznym. Twardość powierzchni cylindrów z tym pokryciem wynosi 1150÷14 500 HV. Technologia wytwarzania ceramicznych cylindrów rastrowych odbywa się poprzez plazmowe naniesienie na oszlifowaną powierzchnię cylindra stalowego określonej warstwy ceramicznej. W celu jej wytworzenia do gorącego płomienia zjonizowanego gazu (o temperaturze rzędu 30 000°C) wtryskuje się proszek (np. trójtlenku chromu lub trójtlenku glinu), który topi się i osadza na cylindrze. Najczęściej wzdłuż osi obracającego się obrabianego cylindra przesuwa się dysza natryskowa z odpowiednio przygotowanym proszkiem. Wykonywanie coraz dokładniejszych profili przekroju siatek rastrowych, o wyższej liniaturze wymusiło rozwój technologii nanoszenia i późniejszego procesu obróbki powierzchni ceramiki. Głównym celem jest poprawianie jakości powierzchni zewnętrznej wytwarzanych cylindrów rastrowych [7]. Proszki używane do natryskiwania powłok powierzchni cylindrów są to proszki tlenku chromu, które zawierają małe ilości tlenku krzemu i/lub tlenku tytanu. Tlenek tytanu jest często stopiony z innymi tlenkami dla obniżenia punktu topnienia. Termiczne natryskiwanie takich proszków prowadzi do wyższej ilości stopionych cząstek niż w natrysku czystym samym tlenkiem. Topienie natryskiwanych cząstek jest z kolei warunkiem wstępnym do uzyskania powłok o pożądanych niskich wartościach otwarcia łączących się wzajemnie z porowatością. Pokrycie powierzchni cylindra rastrowego wysokiej jakości powinno być homogeniczne (nieporowate). Istnieje praktycznie możliwość osadzenia warstwy grubości rzędu 300 μm. Jednakże, jakość powłoki tlenku chromu osadzanego tym sposobem może nie być tak wysoka jak się spodziewamy, ponieważ gradient temperatury przez warstwę mógł prowadzić do tworzenia się cieplnych naprężeń i ostatecznie do pęknięć. Zakłada się, że właściwa jakość powłoki Cr2O3 może być uzyskana, jeśli grubość warstwy zawiera się od 5 do 10 µm. Takie powłoki mogły być natryskiwane z prędkością liniową palnika około 1,8 m/s. Prędkość ta jest złożona z obrotowej i poprzecznej prędkości w napawaniu cylindrów rastrowych. To jest konieczne
żeby osiągnąć 30 do 60 przejść palnika nad wałkiem do uzyskania grubości 300 µm.
Właściwości homogenicznej budowy dotyczą całej naniesionej na powierzchnię warstwy ceramiki, ale szczególnie są istotne po operacji jej przetwarzania, gdzie promień lasera stapia ceramikę i utwardza ją. Etap grawerowania w warstwie ceramicznej kałamarzyków, czy innej struktury wymaga doboru i zastosowania odpowiedniej metody wypalania, która wpływa na ostateczne właściwości wnętrza powierzchni kałamarzyków i progów. Im powierzchnia kałamarzyków jest gładsza i progi twardsze, tym jakość cylindrów rastrowych jest lepsza. Można spodziewać się wtedy wyższej odporności na zużycie i lepszego transferu medium. Wymagana osiowość współczesnych konstrukcji cylindrów wynosi 0,01 mm, zaś dopuszczalna odchyłka równoległości wynosi do 10 µm. Cylinder przed jego instalacją w maszynie musi być wyważony dynamicznie.
Najnowszymi rozwiązaniami cylindrów rastrowych, stosowanymi już standardowo w maszynach są tuleje rastrowe, które instaluje się w maszynach na cylindrach pneumatycznych. Cylinder pneumatyczny, zwany też często trzpieniem nośnym tulei, ma na swej powierzchni system otworów, którymi doprowadzane jest sprężone powietrze, poprzez umiejscowiony wewnątrz cylindra układ przewodów. Podczas nakładania tulei następuje ściśnięcie jej wewnętrznej warstwy (powiększenie jej wewnętrznej średnicy rzędu dziesiątek milimetra) wskutek oddziaływania promieniowych sił nacisku poduszki powietrznej wytworzonej na powierzchni cylindra pneumatycznego. Po nałożeniu tulei następuje odcięcie dopływu powietrza, co powoduje, że jej wewnętrzna sprężysta warstwa kompresyjna powraca po kilku minutach do swych pierwotnych wymiarów i otrzymujemy stabilne oraz trwałe zaciśnięcie się tulei na trzpieniu nośnym. Ciśnienie powietrza (mierzone w miejscu zasilania) jest rzędu 0,6 MPa, przy temperaturze powietrza 20°C oraz prędkości przepływu powietrza 1,6 x 10-2 m3/s.
W zależności od ich producenta, tuleje rastrowe mają różną budowę. Najczęściej ma ona płaszcz ze stali lub stopu aluminiowego, chromowanego bądź niklowanego oraz wiele warstw wewnętrznych, m.in.: podłożową (twardą piankę), kompresyjną, pośrednią i pierścień z włókien szklanych i żywicy, bezpośrednio stykającą się z powierzchnią pneumatycznego cylindra nośnego. Ciężar tulei jest tak dobrany, aby zminimalizować ewentualne jej drgania podczas użytkowania w maszynie, w procesie przekazywaniu medium w danym układzie dozującym. W następnym etapie na tuleję nakłada się warstwę ceramiczną w sposób identyczny jak na cylindry rastrowe. Podczas tego procesu tuleja nagrzewa się do około 200°C, dlatego materiały, z których jest zbudowana muszą być odporne na deformację termiczną. Następnie tuleje są szlifowane i grawerowane za pomocą promieni lasera. Boki tulei, podobnie jak cylindrów rastrowych, są zabezpieczane powłokami antykorozyjnymi. Ważne jest, by uzyskać odpowiednią tolerancję średnicy i kolistości tulei. Ważna jest grubość dobranej tulei, ponieważ im jest większa, tym stabilniejsza jest praca użytkowanej w maszynie tulei, ale jednocześnie zwiększa się jej zakres tolerancji średnicy i kolistości. Konwencjonalne tuleje rastrowe wykonywane są na podobnych tulejach jak tuleje do montażu form drukowych. Dlatego niemożliwe jest utrzymanie tolerancji T. I. R. (kołowość, osiowość, bicie) na poziomie 0,01 mm na całej długości, tak jak miało to miejsce w przypadku cylindrów rastrowych. Najlepsi dostawcy tulei wykorzystywanych do produkcji konwencjonalnych tulei rastrowych gwarantują dokładność osiowości na poziomie 0,02 mm na jeden metr bieżący. O ile jest to wartość wystarczająca dla form drukowych, czy układów otwartych dozujących na przykład kleje, to w przypadku cylindrów rastrowych, które współpracują z komorą raklową w układach zamkniętych, ta różnica ma istotny wpływ na zużycie materiałów w trakcie eksploatacji, szczególnie przy wyższych prędkościach pracy.
Występują dziś cylindry, które mają takie same wartości parametrów liniatury i pojemności, ale różnią się znacznie konstrukcją i ciężarem, wydajnością transferu medium i czasem użytkowania. Dobór technologii wykonania cylindrów rastrowych, łącznie z odpowiednią techniką i metodą nałożenia warstwy ceramicznej powinien być indywidualnie dopasowany do wymagań wynikających z jego szczegółowego ich zastosowania [8÷11]. Jeden z czołowych producentów, firma Apex Europe B.V. zapowiedziała kres tradycyjnie grawerowanym powierzchniom cylindrów rastrowych z kałamarzykami w postaci plastra miodu. Z powodzeniem oferuje dla przemysłu poligraficznego i przetwórczego oryginalne, opatentowane nowe rozwiązanie nazwane UniCorr [12-16]. W stosunku do konwencjonalnych rozwiązań różnice dotyczą rodzaju stosowanej ceramiki i metody grawerowania laserowego o ciągłym promieniu, która umożliwia tworzenie w zewnętrznej powierzchni ceramicznej cylindra różnych profili struktur przepływowych. Komplet cylindrów GTT, od wymiaru S do XL może stanowić nową standaryzację produkcji druków fleksograficznych oraz znacznie ułatwić obsługę maszyny i współpracę z przygotowalnią form drukowych. Zastosowane w procesie drukowania cylindr
y dozujące obejmują określony zakres wykorzystywanych dotąd konwencjonalnych cylindrów z liniaturą 80÷500 linii/cm o określonej pojemności, ponadto przy zachowaniu podobnych możliwości technologicznych nie wymagają zmiany ustawień maszyny. Na rys. 1 przedstawiono charakterystykę porównawczą nowych cylindrów dozujących. Powierzchnie cylindrów dozujących ze strukturą GTT mają certyfikat ich zastosowania razem z innowacyjną technologią wytwarzania form drukowych HD-Flexo [18,19]. Nowe struktury cylindrów dozujących, do układów lakierujących i powlekających, pod nazwą ART™ Gold oferuje również firma Praxair Surface Technologies, Inc. [20].
Konstrukcje współczesnych maszyn są już w standardzie wyposażone w nowoczesne urządzenia pomocnicze ułatwiające beznarzędziową wymianę cylindrów lub tulei w zespołach dozujących media.
Eksploatacja zamkniętych zespołów dozujących
Stan techniczny komory raklowej, podstawowego elementu eksploatowanego zespołu, jest podstawą do sukcesu w eliminowaniu uszkodzeń bardzo kosztownego cylindra rastrowego. Wielu użytkowników maszyn nie zdaje sobie sprawy, że komora raklowa zużywa się i starzeje się jak każda inna część maszyny drukującej. Gdy nowa komora jest stabilnie zainstalowana w zespole dozującym, najpierw do powierzchni cylindra rastrowego dosuwane są jej uszczelnienia boczne. Prawidłowe ich usytuowanie w komorze gwarantuje, że podczas kontynuowania dosuwania komory do cylindra oba ostrza rakla dolnego i górnego równocześnie oraz równomiernie zetkną się z tworzącą cylindra.
Od momentu uruchomienia maszyny każdy element komory nieustannie podlega procesowi zużycia. W komorze jedynymi elementami podlegającymi częstej kontroli i wymianie lub regeneracji są noże raklowe. Oprócz rakli okresowej wymianie podlegają elementy uszczelniające. Jak szybko i jak znaczące jest pogorszenie stanu technicznego komory zależy od takich czynników, jak: wyjściowy stan korpusu, materiały zastosowane do jej zmontowania i zamontowania w maszynie, czas użytkowania, rodzaje medium i środków czyszczących, zachowania czystości, profilaktycznych napraw, doświadczenia i poziomu umiejętności obługi. Przyjmuje się, że standardowe zużycie komory raklowej wynosi między 4÷8 lat.
Pierwszymi oznakami zużycia komory raklowej są przeciekające uszczelki i gromadzenie się większej ilości farby na obrzeżach cylindra. Ostrza rakli tamują przecieki i dlatego gromadzi się po obu ich stronach płyn. Cylinder rastrowy obraca się z rosnącym oporem, trąc niestabilnie o powierzchnię ostrzy rakli. Podczas takiego działania następuje podniesienie temperatury ostrza rakla i powierzchni cylindra, co jest niekorzystne z punktu widzenia właściwości przenoszonego medium w kałamarzykach. Często dochodzi także do odkształcenia miejscowego ostrza rakla, a nawet do jego uniesienia. Dalsze użytkowanie może doprowadzić do przyspieszonego procesu zużycia rakla, co objawia się deformacją i pofalowaniem jego ostrza oraz dużym wzrostem oporów tarcia, aż w końcu dochodzi do odprysków ostrzy rakla i ewentualnego zniszczenia (wyłamania) progów kałamarzyków cylindra rastrowego. Taka sytuacja jest dla użytkowanej maszyny bardzo kosztowna.
Wielu użytkowników opóźnia wymianę komór próbując profilaktycznych napraw (na przykład zamków rakli) lub nawet modyfikowania sposobu podawania medium do kałamarzyków cylindra. Podobnie rzecz się ma z odtwarzaniem własnymi pomysłami zużytych mechanizmów mocowania i regulacji komory raklowej w zespole farbowym. Operacje takie rzadko się sprawdzają, a jeżeli nawet przynoszą efekty to na krótko i nie rozwiązują problemów z eksploatacją zespołu dozującego.
Zniszczone elementy komory raklowej lub mechanizmów jej zamocowania w korpusie maszyny najczęściej nie nadają się do
regeneracji, ponieważ wymagany kontakt ostrza noża z powierzchnią cylindra musi być równomierny z tolerancją ± 0,002 mm,
co praktycznie nie jest możliwe do osiągnięcia po dłuższym i nieprawidłowym użytkowaniu zespołu.
Dotąd uważano, że należy wybierać rakle cieńsze, bo dają one gwarancję uzyskania najcieńszego filmu dozowanego medium na progach kałamarzyków cylindra rastrowego. Jednak badania [21] wykazały, że przez zastosowanie grubszego noża otrzymuje się mniejszą strefę jego kontaktu z powierzchnią cylindra, ponieważ ma on wyższą sztywność i mniej jest narażony na deformację i drgania ostrza. Podczas eksploatacji komory należy uważnie śledzić i ewentualnie mierzyć stan zużywania się ostrzy noży raklowych, przy stosowanym określonym stałym ich docisku do powierzchni cylindra. Należy równie bacznie obserwować stan powierzchni cylindra rastrowego. Na podstawie doświadczenia i analizy stanu powierzchni zużytych ostrzy rakli można najlepiej dobrać optymalną grubość noża nadającego się do konkretnego zespołu. Przy użytkowaniu zespołu nie należy doprowadzić do tzw. „suchego biegu komory”, nawet w krótkim czasie, który jest bardzo niebezpieczny dla zniszczenia powierzchni cylindra rastrowego i ostrzy raklowych. Taka sytuacja może mieć miejsce, gdy występuje awaria układu doprowadzającego medium, m. in.: ubytek w uszczelkach, zablokowanie zaworów lub wyrwanie się końca elastycznego przewodu z szybkozłączy. Czasami transportowany płyn zatrzymuje się tylko po stronie wylotowej komory i wtedy „suchy bieg komory” następuje nierównomiernie, na przykład przy dolnym nożu komory. W takim przypadku podczas prowadzonego procesu, można powiększyć nieco ciśnienie pompy podającej płyn lub zdławić jego odpływ z komory, przez regulację zaworu albo zaciśnięcie elastycznego węża odprowadzającego medium z komory.
Eksploatacja cylindrów i tulei rastrowych
Podczas eksploatacji cylindrów rastrowych należy dokonywać częstych oględzin i oceny stanu ich powierzchni. Operacja taka pozwoli nam podjąć decyzję o regeneracji cylindra [9].
Zużycie cylindra może nastąpić na wiele sposobów, m.in.:
n naturalne zanieczyszczenie kałamarzyków,
n naturalne równomierne starcie progów,
n miejscowe uszkodzenie struktury rastra (statyczne oraz dynamiczne),
n wykruszenie ceramiki na krawędziach powierzchni rastrowej.
Podstawowym zjawiskiem zachodzącym w czasie użytkowania cylindra jest ciągły proces zanieczyszczania i zużywania się jego powierzchni, objawiający się stopniowym gromadzeniem się cząstek pigmentów i kurzu na ściankach kałamarzyków oraz ścieraniem powierzchni ścianek (progów). Zjawisko to wpływa negatywnie na jakość procesu drukowania, ponieważ powoduje spadek rzeczywistej pojemności jednostkowej cylindra, a przez to zmniejsza się założona grubość warstwy farby przenoszonej na podłoże drukowe. Prawidłowa eksploatacja cylindra rastrowego wymaga jego okresowego czyszczenia, najczęściej sposobami określonymi przez jego producenta. Ścieranie się progów kałamarzyka powoduje zwiększenie ich szerokości i obniżenie ich głębokości. Efektem tego zużycia jest spadek rzeczywistej pojemności farbowej cylindra. Zanieczyszczenie, jak i zużycie progów na zewnętrznej powierzchni kałamarzyków cylindra może zachodzić równomiernie na jego szerokości lub tylko miejscowo. Bardzo ważne jest w tym przypadku trafne zdiagnozowanie, czy przyczyną spadku rzeczywistej pojemności farbowej cylindra jest zanieczyszczenie kałamarzyków, czy też zużycie powierzchni progów. Na podstawie okresowych pomiarów kontrolnych można wyznaczyć etapy użytkowania zainstalowanych cylindrów w maszynie, z uwzględnieniem operacji okresowego ich czyszczenia i regeneracji. Często wyraźne obniżenie pojemności farbowej następuje po określonym czasie, etapie jego użytkowania w danych warunkach eksploatacyjnych w maszynie.
Uszkodzenia statyczne powstają w momencie, gdy maszyna nie pracuje. Najczęściej są wynikiem nieuwagi obsługi maszyny podczas jej użytkowania. Na przykład mechaniczne wykruszenie ceramiki na krawędziach powierzchni cylindra nie powoduje zmian w jakości drukowania, lec
z miejsca te w maszynach z układami farbowymi zamkniętymi współpracują z uszczelką komory, która może ulec szybkiemu zużyciu. Dodatkowo zniszczone krawędzie cylindra lub tulei mogą być przyczyną procesu korozji powierzchni cylindra, która przy dalszej eksploatacji doprowadza do uszkodzenia struktury powierzchni grawerowanej [22-24].
Powstanie uszkodzenia dynamicznego ma miejsce podczas pracy maszyny i jest skutkiem tarcia elementów obrotowych bądź źle zamontowanych elementów konstrukcji maszyny. Często uszkodzenia te są także konsekwencją uszkodzeń statycznych, gdyż cząsteczki wykruszone trafiają do układu farbowego w miejsca współpracy z raklem. Innymi zanieczyszczeniami, które mogą być przyczyną uszkodzeń są: elementy listew raklowych, drobiny skrystalizowanej farby, cząstki metalu lub kamienia. Efektem przedostawania się cząstki zanieczyszczenia w strefę współpracy cylindra z raklem są najczęściej rysy obwodowe na powierzchni grawerowanej cylindra.
Ostatnio rozwinęły się badania ukierunkowane na rozwój technologii efektywnego usuwania zaschniętej farby i innych zanieczyszczeń z powierzchni cylindrów rastrowych [21,25]. Proponowanych jest wiele metod, od chemicznych przez mechaniczne do laserowych. Każdy sposób przynosi określone zalety i wady. Jedną ze stosowanych obecnie skutecznych metod czyszczenia cylindrów i tulei rastrowych jest metoda wykorzystująca ultradźwięki. Czyszczony cylinder jest tutaj zanurzony w roztworze myjącym, w którym dzięki falom dźwiękowym wytworzone są mikroskopijne pęcherzyki powietrza, które w momencie uderzenia o powierzchnię cylindra implodują i generują silne turbulencje, które wtłaczają roztwór myjący do struktury powierzchniowej cylindra. Im niższa częstotliwość fali ultradźwięków, tym większa moc implozji.
Badania transfer mediów
Określenie wpływu wielu parametrów konstrukcyjno-technologicznych różnych rozwiązań konstrukcyjnych układów podających media wymaga przeprowadzenia kosztownych badań eksperymentalnych. Konieczne jest dokonanie zmian w istniejących konstrukcjach maszyn produkcyjnych lub zainstalowanie prototypów dodatkowych elementów oraz wyposażenie ich w odpowiednią aparaturę pomiarową. Badania takie często prowadzą do wypadów produkcyjnych i strat materiałowych. Istnieje więc potrzeba prowadzenia badań empirycznych i opracowania modelu pozwalającego na przeprowadzenie symulacji komputerowej pracy danego elementu składowego zespołu maszyny. W pracy badawczej realizowanej w Instytucie Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej wykonywane są testy drukowania na urządzeniu pomiarowym IGT F1 przy zastosowaniu dysków testowych firmy IGT oraz dysków Ultra Cell, Ultra Cell Plus i generacji GTT, wykonanych i przekazanych Instytutowi przez firmę Apex Europe B.V.
Badania eksperymentalne procesu przenoszenia farby wykonano na standardowym aparacie testowym IGTF1 przy zastosowaniu dostępnych dysków rastrowych. Zrealizowano również program badań, na zaprojektowanym i wykonanym stoisku, z systemem farbowym zamkniętym, zainstalowanym na tym samym urządzeniu IGTF1, którego widok przedstawiono na rys. 2.
W zakresie pracy sporządzono zależności teoretyczne transferu mediów w innowacyjnych procesach poligraficznych i przetwórczych [26-29]. Wybór optymalnych parametrów prowadzenia badanego procesu drukowania powinien być oparty na pomiarach wartości empirycznych współczynnika przenoszenia farby Kp z formy na podłoże drukowe w zależności od podstawowych wielkości prowadzonego procesu – wartości docisków w strefach przenoszenia farby, prędkości drukowania i właściwości fizycznych charakteryzujących formę, farbę i podłoże. Wartość współczynnika przenoszenia farby Kp jest równa stosunkowi ilości farby przeniesionej z formy na podłoże mP do ilości farby naniesionej na formę przed wykonaniem odbitki mF. Proces przenoszenia farby z formy na podłoże drukowe można opisać poprzez określenie współczynnika przenoszenia farby Kp w funkcji trzech podstawowych parametrów przedstawionych w poniższym równaniu:
Kp = F (D , v , )
gdzie:
F – szukana funkcja,
D – docisk w strefie przenoszenia farby,
v – prędkości drukowania,
– współczynnik charakteryzujący
właściwości fizyczne materiały
poligraficzne.
Z analizy badań eksperymentalnych wynika, że docisk występujący w strefie kontaktu między formą a podłożem jest parametrem dominującym, który wpływa na wartość współczynnika przenoszenia farby z formy na podłoże oraz że charakter zmian wartości współczynnika przenoszenia farby Kp w zależności od docisku drukowania D jest dynamiczny i wzrasta maksymalnie do poziomu równego 0,5, zaś charakterystyki wartości współczynnika przenoszenia farby Kp w zależności od różnych wartości prędkości drukowania v wykazują podobieństwo przebiegów krzywych Kp = f (D) i przy stosowaniu wyższych prędkości drukowania są one przesunięte na wykresie w kierunku wyższych wartości docisków. W celu uproszczenia procedury modelowania procesu, w rozważaniach pominięto parametr ψ, który określa zbiór właściwości fizycznych charakteryzujących formę, farbę i podłoże. Przyjęto, że wartość parametru jest stała dla określonych materiałów poligraficznych zastosowanych w badaniach empirycznych. W pakiecie programu Matlab-Simulink opracowano symulator, który oblicza parametry modelu i wyznacza wartość współczynnika przenoszenia farby Kp.
Charakterystyki współczynników Kp określono w zależności od jednostkowego docisku pomiędzy cylindrami formowym i dociskowym DCF-CD oraz prędkości drukowania v dla stałych wartości ilości farby naniesionej na daną formę przed drukiem mfi. Na przykładowych porównawczych wykresach (dla formy konwencjonalnej f1, ACE 170 i podłoża P6, kartonu pudełkowego powlekanego o gramaturze 200 g/m2) z badań empirycznych i symulatora (na dole po prawej stronie rys. 3) przedstawiono otrzymane wyniki w postaci zależności: na osi odciętych wartość współczynnika Kp [-], a na osi rzędnych wartości docisków drukowania DCF-CD w [kN/m].
W ramach pracy badawczej opracowano również program, w pakiecie MATLAB-Simulink, do symulacji parametrów cylindra rastrowego, który pozwala na prowadzenie obiektywnej, ilościowej oceny właściwości i kształtu kałamarzyków w zależności od wartości podstawowych ich parametrów, jak i wskaźników uwzględniających eksploatację, m.in. stopień zanieczyszczenia kałamarzyków. Zauważono, że bardzo ważnym czynnikiem odpowiadającym za właściwy transfer farby i jakość druku jest zachowanie wysokiej ostrożności przy użytkowaniu cylindrów rastrowych, czystości jego kałamarzyków i częstej kontroli jego rzeczywistej pojemności farbowej w czasie eksploatacji cylindra na maszynie drukującej. Niedokładnie lub nierównomiernie oczyszczone kałamarzyki farbowe i progi zmniejszają pojemność cylindra rastrowego i w konsekwencji obniżają transfer farby na zadrukowywane podłoże. Na rys. 4 przedstawiono okienko modelu graficznego programu symulatora do obliczeń profilu przekroju, objętości kałamarzyków i pojemności farbowej cylindrów rastrowych przy różnym stopniu ich zanieczyszczenia.
W badaniach stosowano tradycyjne metody oceny stanu powierzchni dysków rastrowych, opisanych w publikacji dotyczącej etapów użytkowania cylindrów [23,29]. Zastosowanie kilku metod pomiarowych stanowiło szerszą bazę danych do przeprowadzonej teoretycznej analizy zanieczyszczenia i obniżenia pojemności farbowej dysków. Zastosowano standardową metodę Capatch, która trwa krótko, lecz jej dokładność pomiarowa jest rzędu 15%, szczególnie jest niższa przy pomiarze małych pojemności. Jest ona zbliżona do dokładności innych systemów pomiarowych, takich jak: Wyco, Urmi, Ravol, Volugraph, które wymagają dłuższego czasu pomiaru. Każdy dysk badany był trzykrotnie, z otrzymanych wyników obliczona została wartość średnia oraz odchylenie standardowe. Następnie wykorzystan
o mikroskop Cellstore, który umożliwia dokonanie pomiarów głębokości kałamarzyka h i hz, szerokości otwarcia kałamarzyka a i jego progu p na powierzchni dysku rastrowego. Bezdotykowy pomiar głębokości kałamarzyka odbywa się za pomoca czujnika cyfrowego, który mierzy odległość pomiędzy dwiema płaszczyznami ostrości zewnętrznej progów i dna kałamarzyka. Wyposażenie mikroskopu umożliwia rejestrację obrazu z obiektywu. Podziałka w okularze umożliwia pomiar wielkości liniowych z dokładnością 0,5 µm. W pomiarach porównawczych wykorzystano również aparaturę AniCAM firmy Troika Systems Limited [30]. Za pomocą tego uniwersalnego urządzenia dokonano pomiaru następujących parametrów dysków rastrowych: pojemności farbowej, liniatury rastra, głębokości komórki, kąta rastra, szerokości otwarcia kałamarzyków i ścianek (progów) kałamarzyków oraz kątów ścianek (w tym obrazu kształtu kałamarzyków w przestrzeni 3D). Model trójwymiarowej siatki może być w celu analizy powiększany i obracany w dowolnym kierunku. Widok trójwymiarowy kałamarzyków powstaje po uprzednim nastawieniu ostrości obrazu, od dna kałamarzyków do progów (powierzchni zewnętrznej cylindra), w wyniku analizy cyfrowej wykonanych kolejno 150 zdjęć na wysokości kałamarzyków badanego pola dysku. Przykładowe widoki otrzymanych pomiarów przedstawiono na rys. 5 a i b.
Podsumowanie
Do doboru optymalnych współczesnych konstrukcji zespołów stosujących transferowy cylinder rastrowy (anilox), do przekazywania medium w maszynach drukujących technologiami: fleksograficzną, offsetową (krótkie zespoły farbowe i lakierujące) i w urządzeniach dla przemysłu przetwórczego niezbędna jest znajomość wielu złożonych zagadnień wpływu ich budowy i wyposażenia na warunki eksploatacji w prowadzonym procesie technologicznym.
Program symulacji komputerowej parametrów cylindra rastrowego umożliwia wizualizację wszystkich otrzymanych wyników obliczeń poprzez przedstawienie ich w postaci odpowiednio wyskalowanych i opisanych wykresów, sporządzonych jednocześnie dla czterech różnych badanych profili przekroju kałamarzyków. Opracowany program badań symulacji cylindra rastrowego pozwala na prowadzenie obiektywnej, ilościowej oceny właściwości i kształtu kałamarzyków w zależności od wartości podstawowych ich parametrów, jak i wskaźników uwzględniających eksploatację, głównie stopień zanieczyszczenia kałamarzyków.
Opracowany model matematyczny i schemat blokowy obliczeń w pakiecie programu Matlab-Simulink, opisujący proces przenoszenia farby jako zależność współczynnika przenoszenia farby KP od dwóch podstawowych parametrów: docisku drukowania i prędkości drukowania, umożliwia w stopniu zadowalającym odwzorować charakter przebiegów krzywych doświadczalnych, otrzymanych z badań eksperymentalnych.
Opracowane symulacje i obliczenia pozwalają na scharakteryzowanie procesu podziału farby pomiędzy formą i podłożem, formą i cylindrem rastrowym oraz strumienia zwrotnego warstwy farby na formie drukowej za strefą jej kontaktu z podłożem. Program umożliwia określenie procentowego podziału farby jako stosunku masy mokrej farby na podłożu do masy farby na formie przed zadrukiem oraz wskaźnika ilościowego przenoszenia farby jako stosunku masy mokrej farby na podłożu do masy farby pozostałej na formie po zadruku.
LITERATURA
[1] Stępień K.: Konstrukcje zamkniętych zespołów farbowych w maszynach drukujących, Opakowanie 50, 2, s. 32-35 i 3, s. 11-16.2005
[2] Stępień K., Khadzhynova S., Leks-Stępień J.: Czynniki wpływające na przenoszenie farby we fleksografii, Wpływ materiałów poligraficznych na przenoszenie farby w technice fleksograficznej, Opakowanie 52, 3, s. 7–11, 2007
[3] Stępień K., Khadzhynova S., Leks-Stępień J.: Wpływ materiałów poligraficznych na przenoszenie farby w technice fleksograficznej, Opakowanie 52, 3, s. 37–43, 2007
[4] Stępień K.: Analiza przekazywania farby w technologii fleksograficznej, Opakowanie 53, 3, s. 4–9, 2008
[5] Stępień K.: Analiza przekazywania farby w technologii fleksograficznej, XI Forum Fleksograficzne, Zrzeszenie Polskich Fleksografów PLFTA, referat, Warszawa, 06 ÷ 07.10.2009
[6] Stępień K.: Nowoczesne konstrukcje zespołów farbowych, Opakowanie 56, nr 3, s. 64-69, 2011
[7] Stępień K.: Pokrycie ceramiczne powierzchni cylindrów rastrowych, Opakowanie 54, 3, s. 6-11, 2009
[8] Boyle B.: Anilox rollers have a hard time wearing out, Flexo & Gravure International 14, nr 2, s. 6-7, 2008
[9] Swedev AB, Munkfors S.: Making the right choise, Flexo & Gravure International 15, nr 2, s. 16-18, 2009
[10] Zecher GmbH, Padaerborn D.: Ceramic coated hotmelt cylinders, Flexo & Gravure International 16, nr 1, s. 73, 2010
[11] TeroLab Surface GmbH, Franz M., Langer G.: Examining the exactness of anilox roller production, Flexo & Gravure International 16, nr 1, s. 14-15, 2010
[12] Barabasz W.: GTT – żegnajcie aniloxy...?, Przegląd Papierniczy 67, 5, s. 327-329, 2011
[13] Apex Group of Companies, NL-5527 AK Hapert: Bye, bye Anilox, Coating, Machinery – Technology – Applications, No. 8, s. 2-4, 2008
[14] Patenty Apex Europe B. V. te Harpet, NL nr 2001113 i 2001115, Holandia, 12,2007
[15] Patent Apex Europe B. V., Harpet, NL, nr DE 21 2008 000 006 U1: Anilox-Walze zum Bedrucken lines Substrats Und Druckvorrichtung mit einer Anilox-Walze, Niemcy, 9,2009
[16] Selders G.: Auf „Herz und Nieren” geprüft, FLEXO+TIEF-DRUCK, 2, s. 4-7,2008
[17] Praxair Surface Technologies, Inc.: ART™ Gold Laser Engravings for Anilox Rolls, www.praxair.com, 2010
[18] Jemioło Z.: Flexo w jakości HD, Opakowanie 56, nr 4, s. 52-53, 2011
[19] Relacja prasowa, www.apex-groupofcompanies.com, www.esko.com: Patentierte Apex Neuentwicklung jetzt auch HD-Flexo zertifiziert, 6, 2011
[20] Praxair Surface Technologies, Inc.: ART™ Gold Laser Engravings for Anilox Rolls, www.praxair.com, 2010
[21] Materiały informacyjne firmy Harper Graphic GmbH, http://www.harperimage.com/AniloxRolls/ Anilox-Guides/Anilox-Damage-Prevention
[22] Stępień K.: Eksploatacja fleksograficznych zespołów farbowo-drukujących, Opakowanie 53, 3, s. 20–24, 2008
[23] Stępień K.: Etapy użytkowania cylindrów, Opakowanie 54, 7, s. 28-34, 2009
[24] Barabasz W.: Eksploatacja cylindrów rastrowych, Seminarium Poligraficzne „Dzień Firmy Barmey w Instytucie Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej”, www.barmey.eu, Łódź, 20.05.201
[25] Kos S.: Precise ink application starts with clean rolls, Flexible Packaging, nr 1, 2009
[26] Stępień K.: Badania transferu farby przez krótkie zespoły farbowe, materiały Konferencji Naukowo-Technicznej „Kierunki rozwoju polskiej poligrafii i opakowań z nadrukiem”, referat, Poznań, 8÷9.04.2010
[27] Stępień K.: Badania i symulacja transportu farby przez fleksograficzne zespoły farbowe, materiały XI Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej INPAP nt. Nowoczesne technologie i maszyny w papiernictwie, przetwórstwie i poligrafii, Słok k. Bełchatowa, 21÷23 06. 2010
[28] Stępień K.: Transfer mediów w innowacyjnych procesach poligraficznych i przetwórczych, Przegląd Papierniczy 67, 7, s. 425-428 i 8, s. 495-499, 2011
[29] Stępień K.: Transport mediów w procesach przetwórczych i poligraficznych, referat, XVII Międzynarodowa Konferencja i Wystawa Papiernicza PROGRESS’11, 20-23.09.2011, Hotel Andel’s, Łódź
[30] Materiały firmy Troika Systems Limited, http://www.troika-systems.com, http://www.printsystems.pl/files/upload/file/do_pobrania/AniCAM-pl.pdf
