Bezpośrednie grawerowanie promieniem laserowym metali (chrom, cynk, miedź, stal) na potrzeby wklęsłodruku - prezentacja technologii, możliwości i rozwiązań obecnych na rynku.
Bezpośrednie grawerowanie cylindrów wklęsłodrukowych laserem Aplikacji urządzeń laserowych w każdej dziedzinie przemysłu jest coraz więcej. Dotyczy to również wklęsłodruku. Ośrodki badawcze i producenci urządzeń próbują z coraz większymi sukcesami wykorzystać lasery do mikroobróbki metali, co ma bezpośrednie zastosowanie we wklęsłodruku.
Jakie zalety oferuje potencjalnie grawerowanie cylindrów promieniem laserowym? Jednym z podstawowych argumentów jest występowanie efektu „zębów” na krawędziach elementów pełnego tonu, jak np. linie kodów kreskowych na opakowaniach (rys.1). Jest to spore ograniczenie jakości druku na cylindrach przygotowywanych metodą elektromechaniczną. Praktycy wklęsłodruku znają ten problem bardzo dobrze. Zygzakowate linie są jednocześnie ograniczeniem dla maksymalnej możliwej do uzyskania rozdzielczości. Producenci systemów dla wklęsłodruku próbują zniwelować ten efekt, między innymi umieszczając mniejsze kałamarzyki na krawędziach, co ma „wygładzić” krawędzie linii (rys. 2a) lub zwiększając rozdzielczość rastra, co jednak powoduje redukcję gęstości optycznej druku (rys. 2b).
Promieniowanie laserowe pozwala potencjalnie uzyskać jakość druku pełnego tonu i przejść tonalnych porównywalną z technologiami flekso lub offsetową. Pojedynczy punkt rastrowy wykonany jednym cięciem końcówki diamentowej jest w maszynie laserowej obrabiany na przykład trzydziestoma strzałami lasera z dokładnością do 10 µm (rys. 3a). Urządzenia laserowe grawerujące bezpośrednio kałamarzyki w miedzi lub innym metalu pracują z rozdzielczością 2540 dpi, co oznacza, że średnica pojedynczego piksela wynosi około 10 µm. Profil objętości pojedynczego punktu rastrowego jest dokładnie zaplanowany co do wielkości i głębokości każdego piksela. Zdecydowanym rozwiązaniem problemu zygzakowatych linii na krawędzi pełnego tonu będzie dodanie konturu w postaci linii ciągłej na obwodzie punktów rastrowych lub grawerowanie połówkowych kałamarzyków.
Jako podstawowe zalety laserowego przygotowywania cylindrów można wymienić: gładkie linie pełnego tonu; wysoką rozdzielczość 2540 dpi; stabilną jakość zależną jedynie od stabilności i okresu żywotności źródła laserowego; dokładne kontrolowanie gęstości optycznej nadruku, czyli objętości farby w pojedynczym kałamarzyku; regulowanie średnicy rastra na powierzchni cylindra przy stałej głębokości (raster klasyczny), regulowanie głębokości przy stałej średnicy (raster autotypijny) lub obydwu wielkości jednocześnie (raster półautotypijny).
Skoro technologia laserowa posiada tyle zalet, co zatem jest głównym problemem w technologii mikroobróbki laserowej metali?
Odpowiedź można łatwo sformułować: produktywność z zachowaniem odpowiedniej jakości. To stawia najwyższe wymagania producentom laserów i twórcom systemów optycznych. Do dziś wiele firm i instytucji badawczych wykonało liczne badania i próby w celu określenia optymalnych warunków obróbki miedzi. Jaki dokładnie typ lasera ma być użyty, jaka długość fali, jaka moc średnia, jaka długość impulsów czy moc ciągła, jaka energia i jaka częstotliwość repetycji impulsów? Określenie tych parametrów w odniesieniu do obróbki miedzi było i jest ciągle aktualnym tematem prac badawczych wielu projektów naukowych. Do tego cena laserów i ich niezawodność (ang. time between failure) komplikują proces stworzenia maszyny laserowej.
Wraz z rozwojem technik laserowych przeprowadzane są na świecie próby mikroobróbki miedzi laserami o różnych długościach impulsów promieniowania, laserami mikro- (10-6), nano- (10-9), piko- (10-12) czy nawet femtosekundowymi (10-15). Które są optymalne?
Długość impulsów w procesie ablacji ma bezpośredni przekład na ilość fazy ciekłej (roztopionego metalu). Im dłuższy impuls, tym więcej roztopionego metalu, co obniża jakość ablacji (rys. 4).
Roztopiony metal tworzy wypływy na powierzchni cylindra, co obniża jakość grawerowanego elementu i powoduje, że niezbędna jest dalsza obróbka - polerowanie mechaniczne. Ponadto przy długich impulsach materiał jest podgrzewany do wysokich temperatur, co może prowadzić do zmian strukturalnych czy nawet uszkodzeń mechanicznych materiału. Na rys. 5 pokazane są rezultaty obróbki metali dla różnych długości impulsów. Jak widać, im krótsze impulsy laserowe, tym mniejsze wypływy fazy ciekłej. Lasery generujące obecnie najkrótsze impulsy na świecie - femtosekundowe również nie pozwalają na uzyskanie ablacji jedynie w postaci odparowania materiału z powierzchni. Dodając do tego ich małą moc średnią, skomplikowaną budowę oraz cenę, zdecydowanie nie nadają się do aplikacji we wklęsłodruku. Oznacza to zatem, że to właśnie lasery o długościach impulsów nanosekundowych lub pikosekundowych powinny dać optymalne wyniki (rys. 5).
Do dzisiaj zjawisko ablacji krótkimi impulsami jest badane i wciąż podejmowane są próby jego wyjaśnienia. Fizyka zjawiska ablacji, nawet przy pojedynczym strzale lasera na powierzchnię metalu, dotyka zagadnień termodynamiki, zmian faz przy bardzo krótkich impulsach (porównywalnych z czasem życia elektronów na poziomach wzbudzonych), mechaniki płynów, fizyki plazmy, fal uderzeniowych. Jest to efekt niezwykle złożony, który faktycznie rozgrywa się w ciągu kilku nanosekund (0,00000000001 sekundy), zaprząta umysły setek naukowców na całym świecie, a od którego zależy w rezultacie jakość linii kodu kreskowego na opakowaniu kawy, która nie ma właściwie znaczenia dla końcowego odbiorcy (konsumenta).
Kolejnym istotnym parametrem laserów do mikroobróbki miedzi jest długość fali promieniowania laserowego. Ta wielkość decyduje bezpośrednio o stopniu absorpcji promieniowania przez obrabiany metal (im krótsze fale, tym większa wartość absorpcji - rys. 6). Im łatwiej materiał absorbuje promieniowanie laserowe, tym łatwiej jest go precyzyjnie obrabiać. Powstaje zatem pytanie, czy lasery mogą dostarczyć wystarczająco dużo energii, aby produktywność cylindra do wklęsłodruku była porównywalna z metodą elektromechaniczną (np. 0,6 m2/h)? W dalszej kolejności stawiane są pytania: jak obrabiać metale, żeby nie niszczyć ich powierzchni, nie tworzyć pęknięć czy odkształceń plastycznych? jaka jest rola plazmy powstającej podczas ablacji? czy zastosować gazy techniczne (O2, N2, He)? Te pytania utrudniają dodatkowo budowę systemu optycznego i przez to całej maszyny.
Wszystkie te pytania są przedmiotem testów i badań wielu laboratoriów.
Czy w związku z tym istnieją już na rynku urządzenia tego typu?
Obecnie dwie firmy proponują laserowe urządzenia do wklęsłodruku: Daetwyler AG (Szwajcaria) i Hell Gravure Systems GmbH (Niemcy). Pierwsza z nich od około 5 lat oferuje maszynę laserową, która pracuje jednak nie na cylindrach z pokryciem miedzianym, lecz z pokryciem cynkowym. Podstawowym powodem tego są właściwości termodynamiczne cynku (np. zdolność przewodzenia ciepła, ilość energii wymaganej do stopienia lub odparowania danej objętości materiału) pozwalające grawerować mniejszą ilością energii laserowej niż w miedzi.
Według opinii praktyków cylindry cynkowe pokryte warstwą chromu pozwalają na wydrukowanie mniejszej ilości kopii niż cylindry miedziane z tym samym pokryciem. Warto wspomnieć, że ta maszyna została nagrodzona w 2000 roku za innowację przez Europejskie Stowarzyszenie Wklęsłodruku (European Rotogravure Association).
Logiczne wydaje się więc, iż kolejnym krokiem powinno być powstanie maszyny pozwalającej pracować na cylindrach miedzianych, dokładnie tych samych, które są wykorzystywane do grawerowania elektromechanicznego, bez jakichkolwiek dodatkowych kroków technologicznych. Taką próbą jest ostatnia nowość na rynku - urządzenie Cellax firmy Hell Gravure Systems. 28 czerwca tego roku odbyła się, na terenie firmy 4Packaging w Dissen, prezentacja (kilkakrotnie przekładana) wersji beta tej maszyny. Firma Hell jest zdecydowanie na dobrej drodze do opanowania tej technologii. Kontrowersyjne wydaje się użycie lasera generującego promieniowanie ciągłe (o mocy poniżej 1 kW) z wykorzystaniem modulatora akustooptycznego jak w technologii flekso, podczas gdy wyniki badań przytoczone powyżej wskazują na słuszność użycia laserów impulsowych. Podobnie jest z długością fali promieniowania laserowego. Firma Hell zdecydowała się na laser podczerwony, dla którego absorpcja promieniowania laserowego przez miedź jest bardzo mała, lecz z drugiej strony rynek oferuje takie lasery o dużej mocy i w przystępnej cenie. Owa maszyna jest efektem kilku lat pracy pracowników firmy Hell. Przypuszczalnie dzisiaj do jej budowy zostałby wybrany inny laser. Przykłady nadruków wykonanych na tej maszynie pokazano na rys. 7. Pozytywnym elementem są gładkie linie bez efektów zębów pokazanych na rys. 1. Można jednak zauważyć zbyt małą gęstość optyczną linii o małej grubości. Rozwiązaniem tego problemu będzie zwiększenie głębokości kałamarzyków, co pewnie jest tematem obecnych badań w firmie Hell.
Należy wspomnieć, że obie maszyny laserowe Daetwyler i Hell kosztują około 1,5 miliona euro. Nie są to zatem urządzenia, które byłyby konkurencyjne cenowo wobec urządzeń grawerujących elektromechanicznie. Idealnym rozwiązaniem wydaje się zatem maszyna laserowa pozwalająca grawerować elementy pełnego tonu o produktywności np. około 0,6 m2/h i cenie zdecydowanie poniżej 1 miliona euro. Przyglądając się trendom na rynku laserów i mikroobróbki materiałów można stwierdzić, iż z pewnością zbudowanie takiego urządzenia jest możliwe już dzisiaj bądź też będzie możliwe już niedługo. Z jednej strony pojawiają się coraz to nowe, mocniejsze i stabilniejsze źródła laserowe, a ich ceny w ostatnich kilku latach obniżyły się. Z drugiej strony nie ustaje trend do miniaturyzacji, budowania coraz mniejszych struktur (MEMS, litografia promieniowaniem X, nanotechnologia). To sprawia, że technologię laserową coraz częściej próbuje się wprowadzić na rynek wklęsłodruku. Jak dotychczas jednak ewentualnie tylko w etapach pośrednich wspomagano się laserami. Z pewnością idea bezpośredniego grawerowania laserem cylindrów z pokryciem miedzianym jest technologią obiecującą podniesienie jakości, np. do rozdzielczości 5080 dpi (security printing), zwiększenie stabilności i wzrost produktywności. Czy wobec takich argumentów urządzenia laserowe za cenę poniżej 1 mln euro są w stanie opanować rynek wklęsłodruku?
Literatura: 1. K.H. Leong, A. Kar, Evolving Laser Processing Applications, Laser Material Processing Conference, Sec E, 2005.
2. W. Yhang, Y.L. Yao, K. Chen, Modelling and Analysis of UV Laser Micromachining of Copper, Int J of Adv Manuf Techn (2001) 18.
3. F. Dausinger, Prezisionsbohren mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen, „Forschung&EntwicklungÓ 04/05 2004, Nr 1.
4. G. Chryssolouris, Laser Machining, Springer Verlag, 1991.
5. Umweltaspekte des Direkten Laser Systems (DLS), „Daetwyler News“, Nov. 2004, Nr 10.
