Krzysztof Stępień
Politechnika Łódzka, Instytut Papiernictwa i Poligrafii
Opracowanie w ramach projektu badawczego NN508 484638 MNiSzW, 2010-12
W artykule przedstawiono wymagania stawiane nowoczesnym konstrukcjom zespołów farbowych. Parametrami decydującymi o doborze właściwej konstrukcji zespołu farbowego, zespołu otwartego lub zastosowania zamkniętych komór raklowych są: typ maszyny drukującej, przewidywany rodzaj wykonywanych druków i odpowiedni do nich rodzaj zainstalowanych cylindrów, stosowane farby drukowe, układy czyszczące, możliwość spełnienia optymalnych warunków eksploatacji zespołu farbowego w drukarni. Współcześnie cylinder rastrowy ma bardzo szerokie zastosowanie, na przykład w systemach dozujących kleje w tekturnicach, sklejarkach, czy też w nowoczesnych zespołach farbowych i lakierujących arkuszowych oraz zwojowych maszyn drukujących (fleksograficznych i offsetowych). Rozwój technologii wytwarzania tektury,
jak i technik drukowania stwarza coraz to wyższe wymagania odnośnie do zastosowań cylindrów i tulei rastrowych. Obecnie prowadzone są badania i prace rozwojowe mające na celu poszukiwanie nowych ich rozwiązań konstrukcyjnych. Badania te obejmują trzy główne zagadnienia: metody pokrywania powierzchni cylindrów ceramiką, technologie grawerowania laserowego kałamarzyków w ceramice i optymalną eksploatację zastosowanych cylindrów.
Wprowadzenie
Zespół farbowy maszyny drukującej ma za zadanie nałożyć żądaną ilość farby (o określonych własnościach) na elementy drukujące formy. Firmy produkujące maszyny oraz ich elementy prowadzą wciąż prace nad udoskonaleniem konstrukcji zespołów farbowych i optymalizacją ich eksploatacji. Oferują między innymi maszyny drukujące w technologii offsetowej, z tak zwanymi krótkimi zespołami farbowymi, w których do dostarczania farby na formę drukową zastosowany jest cylinder rastrowy (anilox) zaadaptowany z przemysłu przetwórczego i technologii fleksograficznej. Podstawowym jego parametrem jest pojemność medium, jaką jest on w stanie przekazać do zespołu dozującego. Wykonuje się je obecnie głównie za pomocą technologii grawerowania laserowego, odpowiednio różnych dobranych struktur i profili, w naniesionej na powierzchnię cylindra (lub tulei) powłoce ceramicznej. Współczesne zespoły współpracujące z cylindrem rastrowym mogą stanowić konstrukcję otwartą lub zamkniętą, która jest wyposażona w komorę raklową [1÷5]. Zainteresowanie współczesnej technologii poligrafii zespołami farbowymi, w których farbę wprowadza się do kałamarzyków cylindra rastrowego o określonej stałej pojemności, jest znaczące. Wiele takich systemów z powodzeniem jest dziś eksploatowanych w nowoczesnych maszynach.
Konstrukcja układu podającego
W omawianych układach podających najważniejszym elementem dostarczającym określoną ilość płynu jest cylinder rastrowy (anilox), którego przykładową konstrukcję przedstawiono na rys. 1. Pokazana na rysunku struktura wygrawerowanych kałamarzyków w postaci heksagonalnej, o profilu przekroju w kształcie litery U lub O, jest najczęściej spotykana. Osiągane są dziś liniatury rastra (gęstości) kałamarzyków powierzchni cylindrów rastrowych, które przekraczają poziom 600 linii/cm. Współcześnie wykonywane są również innowacyjne struktury przepływowe, o szerszym zakresie zastosowania, które tworzą połączone ze sobą kałamarzyki lub kanaliki.
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. Budowę takich układów przedstawiono na rys. 2. Inną konstrukcją zespołu otwartego jest rozwiązanie kurtynowego podawania strumienia medium, bezpośrednio w klin, który tworzą dozujący wałek gumowy i cylinder rastrowy [8].
Podstawową wadą tych rozwiązań jest niestabilne przekazywanie płynu do układu zasilającego, szczególnie w zastosowaniu w technologiach poligraficznych przy 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. Na rys. 3 zilustrowano niestabilność eksploatacji różnych konstrukcji otwartych zespołów farbowych stosowanych w technologii fleksograficznej. Przedstawiono na nim wpływ prędkości drukowania na wartość otrzymanej gęstości optycznej druków.
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. Na rys. 4 przedstawiono przykładową konstrukcję omawianego zespołu zamkniętego. Do komory raklowej, w zamkniętym obiegu, podawane i odbierane jest medium układem wyposażonym 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 również wyposażone w dysze natryskowe stosowane do okresowego czyszczenia układu podającego.
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 na bazie 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 przypadku konwencjonalnych konstrukcji metalowych.
Rozwiązania w maszynach drukujących
Współcześnie istnieje wiele opatentowanych konstrukcji nowoczesnych systemów komór raklowych, które oferują producenci oraz firmy produkujące maszyny fleksograficzne, m.in. Harris & Bruno, FlexoArt, Tresu, Deneka Printing System, Flexo Inking Technologies, Windmöller & Hölscher, Valmet-Rotomec. Na rys. 5 przedstawiono schematycznie usytuowanie komory raklowej oraz mechanizmów ustawiających, z dokładnością 1÷5 µm, położenie cylindrów w zespole farbowo-drukującym w maszynie fleksograficznej [1,7].
Rozwiązania konstrukcyjne krótkich zespołów farbowych występują dziś powszechnie w zespołach uszlachetniających (wieżach lakierujących) offsetowych maszyn arkuszowych i zwojowych. Kompletne systemy komór raklowych firmy Tresu, zwane Modular Coating System, Jet Litho są z powodzeniem instalowane w arkuszowych maszynach offsetowych Speedmaster SM 74, XL 75, CD 74 firmy Heidelberg jako układy uszlachetniające, często w konfiguracji podwójnego lakierowania. Systemy zamknięte firmy Harris & Bruno są instalowane na
stałe LithoCoat Inline, na przykład w arkuszowych maszynach offsetowych KBA Rapida lub jako jednostki dodatkowe – LithoCoat Add-On – w maszynach GTO Printmaster. W nowych maszynach Speedmaster XL 105 zastosowano unikatowe rozwiązanie Multi Loader System, które usprawnia wymianę cylindra rastrowego w zespole lakierującym. Inna znana firma, Flexo Inking Technologies, oferuje systemy Autoflex TC, które są instalowane w zespołach uszlachetniających arkuszowych maszyn offsetowych wielu czołowych producentów, między innymi firm MAN Roland, KBA/Planeta, Komori, Heidelberg. Układ Autoflex N jest stosowany w szybkobieżnych fleksograficznych maszynach gazetowych pracujących z prędkością obrotową cylindra rastrowego wynoszącą 8 obrotów na sekundę. Konstrukcje tego systemu są instalowane w maszynach MAN Roland, Goss, KBA-Motter/PEC, Cerutti i Koppers. Inny układ, Autoflex R, zaczyna być z powodzeniem wdrażany w maszynach rotograwiurowych, na przykład PCMC (Tissue Press), Bobst, Zerand i Champlain.
Dynamiczny rozwój technologii offsetowej spowodował, że zasadę podawania farby przez cylinder rastrowy wykorzystano również w budowaniu zespołów farbowych w maszynach arkuszowych, szczególnie pracujących w technologii Computer-to-Press i w technologii offsetu bezwodnego. Przykładem omawianych maszyn są rozwiązania firmy KBA: 74 Karat i Rapida 74G. Obie maszyny mają zespoły farbowe wyposażone w systemy zamknięte Gravuflow. W komory raklowe są także wyposażone inne arkuszowe maszyny offsetowe KBA: Genius 52 i 52 UV. Innym innowacyjnym przykładem nowego rozwiązania arkuszowych maszyn offsetowych z zastosowaniem krótkich zespołów farbowych jest Anicolor firmy Heidelberg. Omawiane rozwiązania konstrukcyjne zespołów tych maszyn offsetowych przedstawiono na rys. 6 i 7.
Zamknięte systemy farbowe z cylindrem rastrowym (jako krótkie zespoły farbowe) są stosowane również w zwojowych maszynach offsetowych coldset, na przykład Newsflow w maszynach Fourier, Cortina firmy KBA, pracujących w technologii offsetu bezwodnego, czy też wiele opatentowanych rozwiązań firmy manroland. Na rys. 8 przedstawiono jeden z proponowanych wariantów.
Efektywność działania układu podającego
W przypadku zastosowania krótkich zespołów farbowych z cylindrem rastrowym nie występuje, jak w standardowych maszynach offsetowych, regulacja strefowa warstwy farby przekazywanej na formę drukową na szerokości maszyny. Sterowanie ilością farby nanoszonej na podłoże drukowe odbywa się głównie poprzez odpowiedni dobór pojemności i geometrii kałamarzyków rastrowych. Rzeczywista ilość przekazywanej farby zależy także od efektywności działania komory raklowej, właściwości fizycznych powłoki cylindra rastrowego oraz współczynników rozdziału warstw farby we współpracujących strefach cylindrów. Równie ważnym jak dobór odpowiednich parametrów technologicznych procesu drukowania warunkiem otrzymania dobrych jakościowo odbitek jest rodzaj, wyposażenie i stan techniczny maszyny drukującej, szczególnie zainstalowany typ zespołu farbowego i sposób jego eksploatacji.
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 podstawowych czynników [6÷11]:
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.
Działanie czynników wpływających na poziom obciążeń listew zainstalowanych w komorze jest takie samo jak w przypadku sił występujących w otwartych zespołach farbowych, z tym, że dodatkowo występuje tu siła parcia płynu na powierzchnię jego styku z listwą. Siła ta zależy od ciśnienia panującego wewnątrz komory. Działa również na kształtki boczne stanowiące czołowe uszczelnienia komory.
W niektórych współczesnych rozwiązaniach krótkich zespołów farbowych ilość farby przekazywanej na formę drukową na szerokości maszyny jest regulowana, w określonym zakresie, poprzez strefowe oddziaływanie termiczne na lepkość farby, co ułatwia miejscowo wyprowadzanie farby z kałamarzyków cylindra rastrowego i wpływa na zmianę współczynnika rozdziału warstw farby w danej strefie współpracujących cylindrów.
Podział warstw farby w kolejnych strefach styku współpracujących cylindrów jest procesem bardzo złożonym. Na przykład w technologii fleksograficznej, jeśli przyjmiemy 100-procenowe wypełnienie farbą pojemności kałamarzyków cylindra rastrowego, okazuje się, że na podłoże drukowe zostaje przekazane tylko 20–30% tej ilości.
Do podstawowych parametrów technologicznych i konstrukcyjnych, mających wpływ na charakter podziału i ilość przenoszonej farby w zespole farbowo-drukującym należy zaliczyć:
n konstrukcję zespołu nadającego farbę,
n parametry cylindra rastrowego,
n rozkład docisku w strefach przekazywania farby,
n ilość farby na formie,
n prędkość drukowania,
n parametry formy drukowej,
n właściwości farby drukowej,
n rodzaj podłoża drukowego i jego właściwości.
Szybkość rozprowadzania i równomierność warstwy przenoszonego medium w układach podających są uzależnione od właściwości powierzchniowych kałamarzyków cylindra rastrowego, cylindra nanoszącego, elementu pośredniego (formy lub obciągu) i podłoża drukowego, szczególnie od ich zwilżalności oraz rodzaju i własności farby. Do oceny zwilżalności powierzchni stosuje się często kryterium porównania wartości napięcia powierzchniowego farby z napięciem powierzchniowym fazy stałej. Zbliżone wartości napięć powierzchniowych zapewniają dobre zwilżanie, a tym samym i adhezję. Praktycznie określane są wartości krytycznych napięć powierzchniowych. Oznaczają one maksymalne napięcie powierzchniowe, które pozwala na zwilżenie danego rodzaju powierzchni.
Równie ważnym czynnikiem wpływającym na oddziaływanie międzyfazowe jest struktura powierzchni substratu. Im bardziej rozwinięta, porowata jest jego powierzchnia, tym lepsza jest adhezja warstwy płynu.
Podsumowanie
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.
LITERATURA
[1] Stępień K: Nowoczesne zespoły farbowe z cylindrem rastrowym,
Świat Druku 11, 3, 4, 2006
[2] Stępień K.: Współczesne technologie zadruku opakowań,
Tworzywa Sztuczne i Chemia 7, 2, 16, 2007
[3] Stępień K.: Pokrycie ceramiczne powierzchni cylindrów rastrowych,
Opakowanie 54, 3, 23, 2009
[4] Stępień K.: Konstrukcja zamkniętych zespołów farbowych w maszynach
drukujących, Przegląd konstrukcji zamkniętych zespołów farbowych,
Opakowanie 50, 2-6, 35 i nr 3, 16-19 2005
[5] Stępień K.: Optymalizacja ewolucyjna konstrukcji fleksograficznego
zespołu drukującego, badawczy projekt własny KBN 3 T08E 065 28, 2005-07, kierownik projektu
[6] Stępień K.: „Eksploatacja zespołów farbowo-drukujących”,
Przegląd Papierniczy 66, nr 12, s. 729-734, 2010
[7] Stępień K.: „Badania transferu farby przez krótkie zespoły farbowe”,
materiały Konferencji Naukowo-Technicznej „Kierunki rozwoju polskiej
poligrafii i opakowań z nadrukiem”, Poznań, 8÷9.04.2010
[8] Stępień K.: „Analiza przekazywania farby w technologii
fleksograficznej”, XI Forum Fleksograficzne,
Zrzeszenie Polskich Fleksografów PLFTA, Warszawa, 06 ÷ 07.10.2009
[9] Stępień K.: „Badania i symulacja transportu farby przez
fleksograficzne zespoły farbowe”, materiały XI Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej INPAP „Nowoczesne technologie i maszyny w papiernictwie, przetwórstwie i poligrafii, Słok k. Bełchatowa, 21÷23 06. 2010
[10] Stępień K., Khadzynowa S., Leks-Stępień J.: „Czynniki wpływające
na przenoszenie farby we fleksografii”, Opakowanie 52, 3, nr 7, s. 7-11, 2007
[11] Stępień K., Khadzynowa S., Leks-Stępień J.: „Wpływ materiałów
poligraficznych na przenoszenie farby w technice fleksograficznej”,
Opakowanie 52, nr 3, s. 37- 43, 2007
