Z sukcesem udaje się zastąpić istniejące technologie przemysłowe urządzeniami laserowymi tylko wtedy, gdy są zagwarantowane konkurencyjna jakość, efektywność produkcji i cena urządzenia laserowego. Dotyczy to również urządzeń laserowych we wklęsłodruku. Obserwując aktualny stan technologii laserowych wydaje się, że możliwe jest zastosowanie promieniowania laserowego w technologii przygotowania cylindrów dla wklęsłodruku.
Problemy obecnych technologii
Jak już opisywano w POLIGRAFICE nr 8/2006, s. 50, podstawowe zagadnienia ograniczające maksymalną rozdzielczość i jakość we wklęsłodruku, w oparciu o metodę grawerowania głowicą diamentową, to przede wszystkim zbyt mała gęstość optyczna oraz zygzakowate krawędzie linii drukowanego pełnego tonu (rys. 1).
Metoda laserowego przygotowywania cylindrów we wklęsłodruku pozwala na rozwiązanie obydwu tych problemów. Grawerując promieniowaniem laserowym można dowolnie budować objętość kałamarzyka piksel po pikselu (rys. 2).
Obecnie istnieją trzy rozwiązania maszyn do laserowego grawerowania cylindrów wklęsłodrukowych (chronologicznie): maszyna Laserstar szwajcarskiej firmy Dätwyler AG; maszyna Cellaxy niemieckiej firmy Hell Gravure Systems GmbH oraz maszyna Lexus również niemieckiej firmy Wetzel GmbH.
Najnowszą maszynę wprowadziła na rynek w ostatnim kwartale 2006 r. firma Wetzel GmbH. Nie ma jednak żadnych dostępnych informacji na ten temat, dlatego nie można zweryfikować zasady działania tego urządzenia. Wiadomo jedynie, że urządzenie tej firmy nie jest przeznaczone do sprzedaży, lecz do produkcji cylindrów wklęsłodrukowych na własny użytek.
W II kwartale 2006 roku firma Hell Gravure Systems zaprezentowała swoją najnowszą maszynę – Cellaxy. Próbki wydruków wykonanych na niej przedstawiono w POLIGRAFICE (nr 8/2006, s. 50).
Wszystkie wymienione maszyny działają generalnie w oparciu o schemat przedstawiony na rysunku 3.
Cylinder, w którym ma być wykonane grawerowanie, obracany jest wokół własnej osi wzdłużnej. Przed nim na przesuwie liniowym porusza się stolik z bezpośrednim wyjściem promieniowania laserowego. Sam laser i układ modulujący mogą być umieszczone w innym miejscu, a modulowana informacja może zostać przetransportowana do optyki wyjściowej poprzez światłowód pasywny. Jeśli natomiast układ modulujący uda się kompaktowo zamknąć w niewielkiej objętości, wówczas wszystko może się znajdować na przesuwie liniowym przed cylindrem. Kodowanie informacji obrazu realizuje się przez modulator akustooptyczny. Prędkość jego działania jest zsynchronizowana poprzez enkoder optyczny z prędkością obrotową cylindra.
Ważnym elementem urządzenia jest system odsysający produkty grawerowania. Musi on być na tyle wydajny, aby zapewnił czystość optyki wyjściowej. W innym przypadku transmisja optyki wyjściowej będzie spadać i może dojść do różnic, np. w głębokości grawerowanych kałamarzyków na początku i końcu cylindra.
Budowa podzespołów takiej maszyny jest zbliżona do budowy urządzeń grawerujących głowicą diamentową. Największe różnice to laser i wykorzystany system optyczny. Najważniejszymi parametrami laserów są: energia impulsu, częstotliwość repetycji impulsów, jakość wiązki laserowej i czas trwania impulsów. Ten ostatni parametr bezpośrednio przekłada się na ilość fazy ciekłej (roztopionego metalu). Im dłuższy impuls, tym więcej roztopionego metalu, przez co obniżona zostaje jakość ablacji i utrudniony jest proces jej kontroli. To powoduje, że niezbędna jest dalsza postprocesowa obróbka, np. polerowanie mechaniczne. Lasery o impulsach femtosekundowych pozwalają na zimną ablację w postaci odparowania materiału z powierzchni, czyli bez powstawania wypływów, lecz pracując tylko tuż nad progiem ablacji.
Z drugiej strony lasery generujące impulsy pikosekundowe i nanosekundowe obecne na rynku dostarczają poziomy energii i częstotliwości pozwalające na uzyskanie większej produktywności grawerowania. Nie jest zatem łatwe dobranie odpowiedniego źródła promieniowania laserowego w zależności od aplikacji.
Autor niniejszego artykułu stawia sobie za cel przedstawienie możliwości różnych źródeł laserowych pod kątem wykorzystania do produkcji cylindrów wklęsłodrukowych. W tym celu przeprowadzono szereg prób eksperymentalnych z laserami najnowszej generacji. Zaprezentowane zostały najważniejsze wyniki badań charakterystyczne dla następujących grup laserów: lasery generujące promieniowanie ciągłe, lasery impulsowe o czasach trwania poniżej 200 ns oraz lasery pikosekundowe.
Promieniowanie ciągłe
Obróbka laserem generującym promieniowanie ciągłe (testowano laser o mocy wyjściowej 200 W) polega głównie na topieniu materiału w objętości wokół padającej wiązki laserowej. To oznacza duże wypływy zastygniętego materiału wokół grawerowanego elementu. Tego typu obróbka może być teoretycznie wykorzystana we wklęsłodruku, jeśli zastosować mechaniczne odcinanie powstających wypływów bezpośrednio w procesie grawerowania
Teoretycznie, dysponując promieniowaniem laserowym ciągłym o mocy około 3 kW, można osiągnąć dobre efekty ablacji. Stwarza to jednak kolejne trudności. Dotychczas tak duża moc promieniowania oznaczała niewystarczającą jakość wiązki, czyli niemożność skupienia wiązki laserowej do małych średnic (10-40 µm). Modulowanie takiego promieniowania z prędkością w zakresie megaherców jest kolejną trudnością, gdyż najsprawniejsze obecnie modulatory na dwutlenku teluru nie mogą zostać zastosowane ze względu na próg uszkodzenia termicznego. Wymusza to konieczność wykorzystania innych modulatorów, np. kwarcowych, bardziej odpornych, ale sprawność modulacji sięga maksymalnie 60%. Powyższe argumenty wymuszają konieczność zainstalowania lasera o większej mocy wyjściowej około 5 kW, co rzutuje na końcową cenę maszyny.
Lasery impulsowe o impulsach w zakresie nanosekund
W zakresie impulsów o nanosekundowych czasach trwania oddziaływanie pomiędzy materiałem a promieniowaniem laserowym ma charakter termiczny. Padające promieniowanie zostaje częściowo zaabsorbowane i częściowo odbite od powierzchni metalu. Następuje zwiększenie temperatury metalu, rośnie ciśnienie. W kolejnym kroku ma miejsce mikroeksplozja, w której część stopiona odrywa również części materiału stałego. Produkty ablacji mogą się odkładać promieniście wokół krateru na powierzchni metalu lub dalej ulegać spaleniu bądź odparowaniu pod wpływem dodatkowo działającej plazmy. Jest to efekt niezmiernie złożony i czuły na wszelkie parametry pracy lasera. Przykłady kałamarzy utworzonych promieniowaniem laserowym przedstawia rys. 4.
Niekorzystny dla aplikacji wklęsłodruku jest trójkątny profil kałamarzyka. Mimo uzyskanej głębokości np. 25 µm efektywna użytkowa objętość kałamarzyka będzie zmniejszona nawet o połowę. Powodem tego jest gęstość farby używanej do drukowania, która ze względu na siły kapilarne nie zostanie oddana na materiał nadruku. Oznacza to, że jeden kałamarzyk nie może zostać przygotowany pojedynczym impulsem laserowym. Pozostają zatem następujące możliwości tworzenia kałamarzyków:
pojedynczym impulsem lub drążeniem perkusyjnym o profilu gaussowskim,
pojedynczym impulsem lub drążeniem perkusyjnym o profilu jednorodnym („top-hat”),
kilkoma impulsami leżącymi obok siebie ze strefą nakładania się w postaci rozety.
W celu usuwania produktów ablacji w trakcie procesu grawerowania można zastosować dodatkowy gaz techniczny pod dużym ciśnieniem, aby ukierunkować wypływy do dyszy odsysającej.
W procesie drążenia perkusyjnego (kilka impulsów laserowych na jeden piksel) laserami o czasach trwania impulsów od 13 do 120 ns obserwowano wypływy w postaci rozrzuconych na powierzchni kropel zastygłego materiału. Taki efekt był do przewidzenia dla nanosekundowych czasów trwania impulsów laserowych i wymagał postprocesowej obróbki powierzchni materiału. Przykładowe wyniki eksperymentów dla stali przedstawiają rys. 5 a i b.
Maksymalne osiągnięte prędkości ablacji w kierunku głębokości materiału wynosiły 3,6 µm/impuls dla stali i 5,8 µm/impuls dla miedzi.
Testy grawerowania w próbkach miedzianych i stalowych pokazały, że głębokość grawerowanych kałamarzyków można kontrolować liczbą impulsów przypadających na jeden piksel, a ich średnicę – częstotliwością pracy lasera, czyli faktycznie poprzez zmianę czasu trwania impulsów i ich energii. Te informacje mogą posłużyć do kontroli głębokości i średnicy kałamarzyków w celu przedstawienia różnych wartości tonalnych kolorów na nadruku. cdn.
