Разработка системы автоматического поддержания вязкости краски для флексографской печатной машины
Введение
Флексографская печать - способ высокой печати, в которой применяются гибкие эластичные печатные формы и жидкие краски.
Сегодня область применения флексографии очень широка, однако наиболее востребованным этот способ печати оказался в производстве упаковки и этикетки. Флексографским способом печатают на пластиках (в том числе на различных пленках), гофрокартоне, многослойных комбинированных материалах, алюминиевой фольге при изготовлении самой различной продукции: пакетов, этикеток, блистерной упаковки и т.д.
Доля флексографской печати по сравнению со всеми другими способами печати постоянно растет. Это объясняется тем, что флексографская печать является единственным способом, с помощью которого можно экономично запечатывать почти все используемые в упаковочной печати материалы, одновременно обеспечивая высокое качество полиграфического исполнения. В США, например, объем производства этикеточно-упаковочной продукции, изготовленной этим способом, достигает 85 %, в странах Западной Европы - до 50 %.
Благодаря экономичности и универсальности использования, флексографский способ печати постепенно сравнивается по масштабам использования с офсетным способом печати. Последние разработки в области фотополимерных печатных форм делают его конкурентоспособным и по качеству печати. Флексография смогла достичь сегодняшнего положения на рынке благодаря значительному улучшению качества и стабильности оттиска, а также большей универсальности и снижению себестоимости печатного процесса.
Управление красками - важный этап в достижении качества и, что немаловажно - дополнительной прибыли. Уже давно используются различные ручные вискозиметры, где основным принципом работы является отсчет времени, за которое заданный объем краски вытечет через отверстие. Однако для современных высокоскоростных флексографских машин этот способ контроля не является приемлемым. Если учесть, что скорость печати достигает 600 об/мин, то пока печатник делает измерения, расход краски может увеличиться на 10 %, а то и 20 % по сравнению с оптимальным расходом. По данным Brookfield Engineering Laboratories изменение вязкости всего на 1 с может увеличить расход краски на 25 %. Такое изменение обусловлено тесной связью расхода краски, вязкости и уровня pH [1]. Причем каждый раз для коррекции используются соответствующие добавки. Это является одной из причин непредсказуемого изменения цвета и уменьшения оптической плотности. Поэтому важно поддерживать вязкость на заданном уровне.
Целью данного дипломного проекта является разработка системы автоматического поддержания вязкости краски для флексографской печатной машины. Как уже отмечалось, качество оттиска во многом зависит от стабильности вязкости красок. Прежде всего, потому, что даже незначительное отклонение от нормы в процессе печати тиража может вызвать заметное изменение цвета на оттиске. Кроме того, при изменении вязкости в большую сторону расход краски значительно увеличивается, что невыгодно по экономическим соображениям и часто приводит к увеличению времени высыхания и закрепления красочного слоя. Чем ниже вязкость, тем больше разбрызгивание краски в зоне контакта дукторного вала и, что еще более неприятно, быстрее загрязняется печатная форма, так как краска легче заполняет пробельные элементы.
Изменение вязкости обусловлено механизмом переноса, циркуляции краски и испарением спирта. Циркуляция краски в красочном аппарате и изменение ее температуры вызывает в конечном итоге повышение вязкости, что в свою очередь делает непредсказуемым растискивание. Увеличение вязкости снижает глянец на оттиске и может послужить причиной засыхания краски прямо на печатной форме.
Таким образом, для поддержания вязкости в определенном диапазоне целесообразно использовать автоматизированную систему поддержания вязкости. Она позволит не только достичь желаемого качества, но и сократить затраты.
. Технология и оборудование флексографской печати
.1 Описание оборудования и технологического процесса печати
Основой технологии флексопечати является передача жидких быстросохнущих красок на материал (пленка, бумага, фольга) через гибкие полимерные формы, закрепленные на формных цилиндрах.
Печатные формы изготавливаются обычно из упругих эластомеров. Возвышенные элементы формы воспринимают печатную краску, а пробельные элементы, углубленные посредством гравирования, вулканизации, травления, растворения или вымывания, остаются свободными от нее.
Во флексографии используются быстросохнущие жидкие краски. Впрочем, в последнее время усиливается тенденция к применению пастообразных красок. Некоторые виды красок разбавляются растворителями, некоторые - водой.
В качестве формных материалов используют различные натуральные и синтетические резиновые смеси, подлежащие вулканизации, а также фотополимеры. Печатные формы крепятся на формном цилиндре с помощью двусторонней липкой ленты. Конструкция флексографских печатных машин позволяет применять формные цилиндры различного диаметра.
По типу построения различают планетарные, секционные (линейные) и ярусные печатные машины. Планетарные машины имеют один общий печатный цилиндр на все печатные аппараты, что позволяет получить достаточно высокую точность совмещения красок.
Для секционных печатных машин с горизонтальным линейным расположением печатных секций характерно нанесение одной краски в каждой печатной секции. Печатные секции располагаются на одном уровне, одна за другой последовательно и связываются между собой карданным валом либо другим подобным силовым механизмом.
В машинах ярусного построения отдельные печатные секции группируются в две конструкции башенного типа, от одного до четырех печатных аппаратов на каждой стороне вертикальной станины. Лента запечатываемого материала движется от рулонной установки той или иной степени сложности через стабилизатор натяжения к печатной секции. В ней происходит запечатывание ленты несколькими красками, при этом после получения каждого оттиска его запечатанная поверхность подвергается сушке. После получения последнего оттиска лента проходит через общую туннельную сушку, где все нанесенные краски должны окончательно закрепиться. Большим достоинством машин секционного ярусного построения является возможность печатания на ленте с двух сторон в одной секции за один прогон [2].
Типовая флексографская печатная секция имеет два красочных валика и два цилиндра. Дукторный валик, вращающийся в красочном резервуаре, передает краску на накатной красочный валик, называемый анилоксовым или растровым. Поверхность этого валика несет на себе мельчайшие ячейки в виде углублений различной формы и профиля сечения.
Избыток краски с поверхности анилокса удаляется с помощью ракельного ножа. После этого дозированный слой краски переносится на печатные элементы формы, установленной на печатном цилиндре, а с формы - на запечатываемый материал. Поскольку толщина красочного слоя точно регулируется, отпадает необходимость зональной регулировки краски, что сильно упрощает процесс наладки на тираж. Поскольку печатные и пробельные элементы на форме разнесены физически, то нет необходимости в аппарате увлажнения. Все это сильно удешевляет конструкцию машины.
Следует обратить внимание на то, что слишком сильная деформация гибкой печатной формы приводит к значительному растискиванию растровых точек. В особенности это заметно на светлых участках, где находятся маленькие, тонкие и поэтому легко деформируемые печатные элементы. Износ печатной формы, который увеличивается с числом отпечатанных оттисков, также приводит к увеличению размеров растровых точек, т.е. к растискиванию [3].
Для разработки системы автоматического поддержания вязкости краски за основу была взята шестикрасочная печатная машина Soloflex 6L, представленная на рисунке 1.1.
Машина предназначена для нанесения отпечатка на различные материалы способом флексографской печати и имеет планетарный тип построение. Нанесение краски осуществляется посредством красочного аппарата, состоящего из формного цилиндра, анилоксового валика и закрытого камерно-ракельного устройства. Печатная краска находится в емкости, которая расположена на отдельной стойке. Краска подается к ракельному устройству под действием насоса.
С секции размотки, оснащенной системой контроля натяжения полотна, запечатываемый материал подается в печатающий механизм и поступает на откидной резиновый прижимной ролик. Полотно проходит поочередно через все шесть красочных аппаратов по окружности цилиндра противодавления. Лента при этом не сдвигается относительно цилиндра, а значит, во время печатания не происходит нарушения приводки красок. Между отдельными красочными аппаратами установлены щелевые вентиляторы, предназначенные для промежуточной сушки краски.
После запечатывания полотно проходит через сушильный блок. Для снабжения сушильного устройства достаточным количеством воздуха над электронным блоком управления установлен циркуляционный вентилятор. Прежде чем попасть к сушильным устройствам, воздух проходит через электрический нагреватель, который осуществляет нагрев воздуха до определенной температуры. Затем через распределительную трубу подаваемый воздух попадает в сушильное устройство и к щелевым вентиляторам. Отработанный воздух отсасывается через вытяжную трубу.
Завершающим этапом является подвод полотна к секции намотки. Устройство подачи полотна к этой секции состоит из системы поддержания натяжения полотна и охлаждающего валика. Он предназначен для охлаждения полотна после выхода из сушильного устройства [4].
.2 Варианты построения красочных аппаратов флексографских печатных машин
Вязкость флексографских красок близка к вязкости воды, это дает возможность отказаться от сложной системы из 10-20 раскатных валиков, которая используется для получения тонкого красочного слоя в офсетных машинах.
Обычно используется один из двух типов красочных аппаратов: дукторный, или двухцилиндровый (считая вместе с формным - трехцилиндровый), и ракельный.
Дукторные красочные аппараты относительно просты в обслуживании и наладке и имеют весьма гибкие технические возможности. В открытой дукторной системе в красочный ящик наливается краска, внутри вращается дукторный вал. Он перемешивает краску и часть ее передает на растровый вал. В красочный же ящик краска подается автоматически с помощью насоса или вручную с помощью печатника.
Изменением межцентрового расстояния между дукторным валиком и растрированным цилиндром в таких системах можно варьировать количество подаваемой на форму краски. Это является большим достоинством систем данного типа. Недостатком их является то, что при изменениях скорости работы меняется и количество подаваемой на форму краски, что ведет к изменениям плотности оттисков. Чтобы этого избежать, требуется устанавливать в контакте с растрированным цилиндром ракель, тогда на форму передается только та краска, которая находится в ячейках растрированного цилиндра, а краска с его поверхности полностью стирается. При этом происходит постоянный износ поверхности растрированного цилиндра, который в обычных безракельных дукторных аппаратах незначителен.
Ракельный красочный аппарат состоит из прижатого к формному цилиндру растрированного цилиндра, ракельного устройства и красочного корыта. Обрезиненный красочный валик отсутствует. Такие аппараты обеспечивают нанесение тонкого, равномерного и строго определенного по толщине красочного слоя по всей длине образующей формы при всех скоростях работы машины.
На основе положительных результатов работы с красочными аппаратами ракельного типа, были разработаны закрытые красочные камеры.
В закрытых камерно-ракельных системах присутствуют два ракеля - верхний и нижний, и также отсутствует дукторный вал. Камера открытой своей стороной прижимается напрямую к поверхности растрового вала. Внутри камеры под давлением насосом подается краска, которая заполняет углубленные ячейки анилокса. А «лишней» краске попасть на поверхность анилоксового вала не позволяет верхний ракель [5].
Ракельный нож обычно изготовляется из стали, но в последнее время в комплекте с керамическими цилиндрами стали использовать синтетические ножи. Достоинствами такой камеры являются равномерная подача краски по всей ширине под небольшим давлением, незначительная циркуляция краски, минимальное испарение растворителей благодаря использованию закрытой системы, щадящие условия работы для растрированного цилиндра благодаря специальному устройству подвески всей камеры и возможность простой и быстрой смывки аппарата при смене краски. Благодаря использованию негативного ракеля такая система позволяет очень точно дозировать подачу краски и подавать ее строго стабильно на различных скоростях работы машины (расход краски при этом меньше, чем обычно).
Камерно-ракельные системы чаще всего применяются на широкоформатных машинах, скорость печати которых превышает 200 м/мин. В открытых системах на таких скоростях краска будет просто разбрызгиваться. Системы дукторные чаще встречаются на узкорулонных машинах, где реальными рабочими скоростями является диапазон от 30 до 120 м/мин.
Красочный аппарат с открытой дукторной системой намного проще и быстрее обслуживать при переходе с одного заказа на другой. Шланги же закрытой камерно-ракельной системы имеют свойство периодически засоряться, забиваться пигментом краски.
.3 Обзор технических решений по построению систем контроля вязкости флексографских красок
Использование ручных вискозиметров-воронок - это традиционный подход в определении вязкости, не требующий больших затрат. Однако, кроме простоты измерений, метод обладает и серьезными недостатками:
·в мире насчитывается более 50 разновидностей воронок, обладающих разным объемом, геометрией и площадью отверстия. Таким образом, при измерении всегда необходимо делать поправку на конкретную воронку;
·каждая воронка имеет свой диапазон измерения вязкости. Большинство производителей воронок склоняются в пользу того, чтобы измеренное время было больше 20 с. То есть каждому типу жидкостей соответствует своя величина и форма отверстия. На практике же печатники для большей скорости измерения пользуются воронками, дающими результат в 10-15 с. При таком времени истечения и так невысокая точность измерений падает на несколько десятков процентов.
Самые распространенные за рубежом воронки - Shell и Zahn. Кроме них, традиционно используются отечественные вискозиметры ВЗ-234.
Если все-таки точности измерения вышеописанным методом не хватает, возникают проблемы со стабильностью качества или вообще невозможно применение воронок, следует применять автоматические системы контроля вязкости. Такой контроль наиболее предпочтителен, так как он происходит непрерывно в реальном времени и дает достаточно точные результаты.
Система падающего тела. Время падения тела в жидкости тесно связано с ее вязкостью, поэтому, зная характеристики падающего тела и время прохождения им определенного расстояния через жидкость, можно достаточно точно определить вязкость (для сравнения: автоматическая система измерения вязкости на основе падающего тела может вычислять вязкость с точностью до 0,2 с по воронке Zahn). Можно сказать, что система использует для измерений силу земного притяжения, а так как величина земного притяжения постоянна, можно измерять только время падения. Такие сенсоры устанавливаются в системах с отводом краски (или как их еще называют, байпасами), подаваемой под небольшим напором в модуль измерения. Производительность обычно два-три замера в минуту.
Есть несколько особенностей применения таких систем:
·сенсоры необходимо регулярно и, что самое главное, правильно очищать. Лучше всего, если система обладает функциями автоматической самоочистки, что позволит проводить ее одновременно с очисткой печатной машины. Нередко предлагаются полуавтоматические методы очистки, при этом оборудование вручную разбирают и последовательно промывают (от трубок и насоса до датчиков вязкости);
·необходим определенный объем краски и подходящее давление потока краски для заполнения измерительной емкости.
При выборе системы, работающей на таком принципе, надо обратить внимание, чтобы диапазон измерения вязкости был наибольшим без замены измерительного тела, то есть без какой либо сборки/разборки модуля.
Производители: Norcross, New Celio Engineering, Flexologic.
Ротационные вискозиметры можно использовать как напрямую в резервуарах с краской, так и в системах с отводом краски для измерения.