Nowoczesne technologie trójstronnego krojenia opraw
17 lis 2017 13:24

Współczesny czytelnik biorący książkę do rąk zwraca uwagę nie tylko na zawartość, ale też na wykonanie poligraficzne oprawy – szatę graficzną, użyte w produkcji materiały, jak książka została wydrukowana oraz jakość obróbki introligatorskiej. Do jednych z podstawowych operacji technologicznych w poligrafii odnoszą się operacje krojenia papieru, które mają szerokie zastosowanie w całym cyklu wykonania produkcji poligraficznej: przed drukowaniem – podczas okrawania stosów niezadrukowanych arkuszy na krajarkach jednonożowych, jak również przy obróbce końcowej wkładów książkowych – za pomocą krajarek trójnożowych. 

Jeszcze do niedawna krojenie papieru było uważane za proces drugorzędny i pomocniczy. Obecnie przykłada się do niego więcej wagi, ponieważ od prawidłowego krojenia w znacznym stopniu zależy sprawny przebieg innych operacji technologicznych, co ma duży wpływ na jakość oraz koszt wykonania finalnego produktu poligraficznego.

Oprawy w końcowym etapie produkcji poddawane są krojeniu z trzech boków: górnego, dolnego oraz przedniego. Trójstronne okrawanie opraw jest realizowane za pomocą specjalistycznych maszyn – krajarek trójnożowych (tzw. trójnoży). Znane są również przykłady zastosowania krajarek jednonożowych do realizacji trójstronnej obróbki, jednak takie okrawanie jest stosowane rzadko, ponieważ charakteryzuje się małą dokładnością oraz niską wydajnością. 

Trójnoże są intensywnie eksploatowane w drukarniach jako maszyny wolno stojące albo jako urządzenia wchodzące w skład szybkobieżnych automatycznych linii potokowych do produkcji książek w oprawach miękkich lub twardych. 

Najczęściej stosowanym sposobem okrawania w krajarkach trójnożowych jest tzw. krojenie jednopozycyjne, kiedy unieruchomiony i zaciśnięty wsad wkładów jest obrabiany w jednej pozycji: najpierw nożami bocznymi, a potem nożem przednim [1]. Poruszając się z góry na dół noże wykonują złożony ruch, a ich ostrza w dolnym położeniu zagłębiają się w listwę podnożową, zazwyczaj wykonaną z tworzywa sztucznego. Jednopozycyjne okrawanie trójstronne umożliwia obcięcie opraw z dobrą dokładnością i jakością cięcia, jednak czas niezbędny na ustawienie i zacisk opraw w pozycji cięcia oraz krojenie dwuetapowe (najpierw nożami bocznymi, a następnie przednim) ograniczają wydajność takich maszyn. W celu uniknięcia „wąskiego gardła” w szybkobieżnych liniach automatycznych do produkcji książek niejednokrotnie na końcu tych linii ustawiane są po dwa trójnoże. 

Prędkość mechaniczna jednopozycyjnych krajarek trójnożowych o budowie tradycyjnej z powodu znacznych obciążeń technologicznych już osiągnęła swoje szczytowe wartości: 120÷130 cykli/min. Jednym z zaleceń doboru trójnoży do realizacji procesu produkcyjnego jest uwzględnienie zależności wydajności krojenia od wysokości wsadu wkładów książkowych. Maszyny o niewielkiej prędkości pracy obcinają wsady wkładów o większej wysokości i odwrotnie – sekcje tnące zautomatyzowanych linii potokowych o najwyższej wydajności przystosowane są do obcinania broszur o mniejszej grubości. 

Do trójstronnego okrawania książek stosowany jest również „nożycowy” sposób krojenia, w którym uczestniczą dwa noże: ruchomy nóż górny oraz nieruchomy dolny, tzw. przeciwnóż. W liniach automatycznych tym sposobem zazwyczaj są krojone pojedyncze wkłady w dwóch pozycjach – najpierw przód, a po przesunięciu wkładu do następnej pozycji – jednoczesne krojenie z dwóch boków. Coraz częściej w liniach automatycznych znajduje zastosowanie potokowe (w trakcie transportu) krojenie wkładów broszurowych za pomocą systemów noży krążkowych lub specjalnych zębatych noży krążkowych. Niestety, chociaż krojenie nożycowe oraz nożami krążkowymi umożliwia podniesienie wydajności trójstronnego okrawania, to jednak te sposoby cięcia nie mogą być wykorzystywane do krojenia grubych opraw.

Różnorodność produkcji poligraficznej w ostatnich latach znacznie się zwiększyła, liczba wydawanych tytułów ma tendencję wzrostową, natomiast przeciętne wysokości nakładów zmniejszają się. Nowe możliwości drukowania cyfrowego stosowane w liniach produkcyjnych wymuszają wprowadzenie zmian w technologii trójstronnego krojenia opraw. 

Zastosowanie tradycyjnych trójnoży przy realizacji niskonakładowej produkcji książek lub nawet produkcji jednego zleconego egzemplarza jest obecnie nieopłacalne. Wyjściem w tej nowej sytuacji, zapewniającym efektywną produkcję coraz mniejszych nakładów, jest opracowanie nowych koncepcji krojenia trójstronnego oraz krajarek przystosowanych do obróbki pojedynczych egzemplarzy opraw przy minimalnym czasie przezbrojenia na inny format. Takie maszyny już wchodzą na rynek.

Firma Horizon (Japonia) wprowadziła na rynek krajarkę trójnożową HT-30C, w której trójstronne cięcie książek odbywa się jednym nożem. Oprawy przed krojeniem są podawane na specjalny stół wyposażony w układ pozycjonowania. Konstrukcja stołu pozwala na precyzyjny obrót książki lub wsadów książek (maks. grubość 50 mm) w celu obcięcia jednym nożem każdego z trzech boków oprawy. Dzięki zastosowaniu automatycznego sterowania maszyną oraz technologii krojenia tylko jednym nożem czas przezbrojenia krajarki skrócono do 1 min. Prędkość pracy maszyny HT-30C wynosi 240 cykli/h, co jest wystarczające przy niskonakładowej produkcji typu Book on Demand. Producent maszyny nazwał krajarkę HT-30C urządzeniem bezobsługowym, ponieważ automatyczne podawanie, krojenie i wyprowadzenie pokrojonych opraw umożliwia operatorowi podczas pracy krajarki obsługiwanie innej maszyny.

Firma Kolbus (Niemcy) na targach drupa 2016 przedstawiła nową technologię zautomatyzowanego trójstronnego krojenia opraw o zmiennych wymiarach bez konieczności jakichkolwiek przezbrojeń podczas procesu produkcyjnego. Innowacyjny system krojenia  HD-HD 143 z dwoma modułami tnącymi został specjalnie dostosowany do niskonakładowej i wysokonakładowej obróbki opraw wydrukowanych cyfrowo. Cały cykl pracy krajarki HD-HD 143 został w pełni zautomatyzowany; gdy nowy wkład jest podawany do urządzenia, następuje automatyczna (w trybie 3D) zmiana ustawień na nowy format: rolka pomiarowa ocenia grubość wkładu, następnie specjalna kamera odczytuje nadrukowany kod paskowy na wkładzie lub na okładce, a noże krajarki automatycznie dostosowują się do żądanego formatu, zgodnie z otrzymaną informacją o produkcie. Przód wkładów jest krojony w pierwszym module tnącym, a w tym czasie noże boczne i listwy oporowe automatycznie dostosowują się w drugim module tnącym do wymiaru krojenia bocznego. Dzięki rozdzieleniu procesu krojenia stało się możliwe zastosowanie technologii zmiany formatu „w locie”, co umożliwia dostosowanie pracy krajarki do zmieniających się wymiarów krojonych wkładów, bez konieczności wymiany jakichkolwiek części w maszynie. Przy produkcji opraw o zmiennych formatach maksymalna wydajność krajarki nowej generacji HD-HD 143 wynosi 3000 egz./h, a przy krojeniu produktów o tych samych wymiarach – 8000 egz./h. Krajarka HD-HD 143 może być wykorzystywana jako maszyna wolno stojąca lub pracująca w linii z automatyczną maszyną oprawiającą. 

Firma Müller Martini (Szwajcaria) na targach drupa 2016 zaprezentowała maszynę InfiniTrim, w której została zrealizowana alternatywna technologia krojenia trójstronnego. Nowa koncepcja technologiczna zasadniczo różni się od konwencjonalnego krojenia opraw w trójnożu. W krajarce InfiniTrim zamiast wspólnej belki dociskowej, stołu i poziomego transportu opraw zastosowano system osobnych serwonapędów do każdego z trzech mechanizmów noża, szczęk transportowych opraw i innych elementów wykonawczych. Dzięki unikalnej konstrukcji serwonapędów, innowacyjnemu systemowi transportu wkładów w trzech płaszczyznach maszyna wykonuje automatyczną zmianę formatu obróbki z jednego wymiaru na inny praktycznie bez konieczności jej zatrzymywania. Takie rozwiązanie umożliwia efektywną produkcję niezależnie od wielkości nakładu, nawet przy obróbce pojedynczego egzemplarza oprawy. W 2017 roku na konkursie innowacyjnych rozwiązań technologicznych „Innovation Excellence Award” w Wielkiej Brytanii maszynie InfiniTrim firmy Müller Martini przyznano nagrodę Novel Manufacturing Technology za najlepszą nowatorską technologię zautomatyzowanego trójstronnego krojenia opraw. 

 Analizując tendencje rozwoju technologii trójstronnego krojenia można stwierdzić, że wciąż trwają poszukiwania nowych koncepcji i sposobów krojenia opraw, a krajarki trójnożowe wyposaża się w coraz bardziej zaawansowane systemy komputerowego sterowania zapewniające wyższą wydajność pracy przez automatyczne przestawienie na inny format i rodzaj produkcji, łatwiejszą obsługę oraz zmniejszenie lub eliminację udziału krajacza w procesie obróbki.

W Zakładzie Technologii Poligraficznych Instytutu Mechaniki i Poligrafii Politechniki Warszawskiej prowadzone są badania nowych sposobów krojenia opraw umożliwiających trójstronne potokowe krojenie wkładów książkowych podczas ich transportu w oprawiających liniach automatycznych. Jednym z kierunków tych badań są badania procesów krojenia opraw nożami krążkowymi.

Krojenie nożami krążkowymi jest najbardziej rozpowszechnioną metodą cięcia spośród różnych sposobów rozkroju papieru i tektury. Operacja krojenia nożami krążkowymi posiada znaczne zalety technologiczne – wysoką wydajność i jakość obróbki, a krążkowe zespoły tnące charakteryzują się dość prostymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi [2]. Niestety, wysokojakościowe krojenie krążkowe opraw o grubości ponad 10-15 mm jest praktycznie niemożliwe. Przy krojeniu grubych książek powstają wysokie siły krojenia oraz tarcia powierzchni noża o papier, co powoduje intensywny wzrost temperatury i może skutkować przepalaniem powierzchni krojenia oraz pogorszeniem jakości obróbki. Przeprowadzone badania procesów cięcia przy nadaniu krążkowym narzędziom tnącym wymuszonych ruchów o określonych trajektorii, amplitudzie i częstotliwości wykazały możliwość zmniejszenia sił obróbki i temperatury w strefie krojenia [3]. 

Wysoka jakość i wydajność procesów krojenia opraw nożami krążkowymi w dużym stopniu zależą od parametrów geometrycznych noży, ich ustawienia i parametrów pracy. Jednym z najważniejszych parametrów geometrycznych noża jest kąt naostrzenia ostrza narzędzia tnącego. Badania wykazują, że zmniejszenie kąta naostrzenia powoduje zmniejszenie siły krojenia, jednak wybór minimalnie możliwego kąta naostrzenia jest ograniczany właściwościami wytrzymałościowymi materiału noża oraz oddziaływaniem krojonego materiału na ostrze narzędzia tnącego. Podczas krojenia obracającym się nożem następuje transformacja – zmniejszenie „statycznego” kąta naostrzenia, co przejawia się w kinematycznym zaostrzeniu ostrza, które zależy od parametrów procesu obróbki [4].

Analizę transformacji kąta zaostrzenia noża krążkowego przeprowadzono dla dwóch możliwych kierunków obrotów: współbieżnego – gdy kierunek obrotów jest współbieżny z kierunkiem posuwu obrabianego wkładu (rys. 1a) oraz przeciwbieżnego – kiedy kierunek obrotów noża jest przeciwny do kierunku posuwu wkładu książkowego (rys. 1b). 

Badania transformacji kąta zaostrzenia ostrza przy krojeniu nożem płaskim przedstawiono w pracy [5], gdzie rzeczywisty kąt krojenia aT określa się wg wzoru (1):

(1)

gdzie:

a0 – „statyczny” kąt naostrzenia noża,

ν – rzeczywista (wypadkowa) prędkość krojenia,

νN – normalna składowa prędkości ν. 

Przyjmując, że transformacja kąta zaostrzenia noża krążkowego odbywa się podobnie jak dla noża płaskiego, obliczamy z wzorów (2) i (3) rzeczywiste kąty krojenia przy cięciu współbieżnym (rys. 1 a) oraz przeciwbieżnym (rys. 1 b):

krojenie współbieżne: 

(2)

krojenie przeciwbieżne:

(3)

gdzie:

ϕ = ω ⋅ t - kąt obrotu noża w czasie t.

Nadanie obracającemu się nożowi krążkowemu wymuszonych drgań lub ruchów o określonej trajektorii powoduje okresową zmianę wielkości i kierunku wektora prędkości krojenia, co doprowadza do cyklicznych wahań znaczeń kinematycznych kątów zaostrzenia ostrza noża podczas obróbki oraz dynamicznego oddziaływania ostrza narzędzia tnącego na obrabiany materiał [6]. 

W tym wypadku proces krojenia może odbywać się w dwóch różnych trybach: 

– przerywane (impulsowe) krojenie, kiedy ostrze noża w pewnej fazie obrotu noża wychodzi z kontaktu z wkładem książkowym i – nieprzerywane (stałe) krojenie, kiedy ostrze obracającego się noża znajduje się podczas krojenia w stałym kontakcie z wkładem książkowym w cyklu obrotu noża. 

Zmianę charakteru procesu krojenia powoduje zmiana kierunku (w cyklu jednego obrotu noża) poziomej składowej liniowej prędkości krojenia.

Na rys. 2 przedstawiono typowe wykresy zmian rzeczywistego kąta krojenia wkładu książkowego w czasie jednego pełnego obrotu noża krążkowego wykonującego wymuszone ruchy o określonej trajektorii. Przy obliczeniach przyjęto wartość kąta naostrzenia ostrza noża a0 = 20°. Pionowe przerywane linie na obu wykresach oznaczają położenie noża, kiedy proces cięcia jest wznawiany. Kąty obrotu noża, przy których proces cięcia jest wznawiany, oblicza się z wzorów (2 i 3) uwzględniając zmianę kinematyki procesu krojenia z wymuszonymi trajektoriami ruchów ostrza noża. Analizując wykresy można wywnioskować, że dla krojenia przeciwbieżnego rzeczywisty kąt krojenia jest mniejszy niż w przypadku krojenia współbieżnego. Oznacza to, że w przypadku zastosowania krojenia przeciwbieżnego można oczekiwać mniejszej siły krojenia wkładów książkowych.

Wnioski

Przeprowadzone badania kinematyki procesu krojenia wkładów książkowych nożem krążkowym wykazały, że w zależności od wybranych parametrów trajektorii wymuszonych ruchów noża proces krojenia może odbywać się w dwóch trybach: krojenie nieprzerywane – ze stałym kontaktem ostrza noża z wkładem książkowym oraz przerywanym – kiedy w określonej fazie cyklu obrotu noża odbywa się przerwanie procesu krojenia, a ostrze noża w tym momencie nie dotyka obrabianej powierzchni krojonego wkładu. W przypadku zastosowania dynamicznego trybu krojenia można oczekiwać znacznego zmniejszenia sił krojenia oraz temperatury w strefie cięcia (wskutek braku tarcia ostrza o papier w fazie przerwy), co stwarza możliwość realizacji nowej technologii trójstronnego potokowego krojenia wkładów książkowych w szybkobieżnych automatycznych liniach oprawiających.

Georgij Petriaszwili, Piotr Janicki

Literatura:

[1] Ciupalski S. Maszynoznawstwo poligraficzne. Część II. Maszyny niedrukujące. WNT, Warszawa, 1970

[2] Kikiewicz Z. Teoria i budowa maszyn papierniczych. Część II, WNT, Warszawa, 1977

[3] Petriaszwili G. Analiza kinematyki procesów krojenia papieru i tektury wibracyjnymi nożami krążkowymi. Opakowanie. 2014, 12, s. 55-57

[4] Janicki P., Petriaszwili G. Transformacja kinematycznego kąta zaostrzenia ostrza noża w procesach rozkroju tektury i papieru nożami krążkowymi. Opakowanie, 2015, 9, s. 79-81

[5] Mordowin B. M. Buchbindereimaschinen I. VEB Verlag Technik, Berlin, 1962

[6] Janicki P., Petriaszwili G. Analiza kinematyczna parametrów procesu krojenia wkładów książkowych mimośrodowym nożem krążkowym. Przegląd Papierniczy, 2017, 7, s. 468-472 

 

cript>