Empiryczne badania transportu farby

PRACE NAUKOWO - BADAWCZE
Celem pracy było przeprowadzenie badań procesu przenoszenia
farby na podłoża drukowe przez fleksograficzne zespoły farbowe.
Przedstawiono wpływ parametrów techniczno-technologicznych
wpływających na transport farby w zespole farbowym.
Badania testowe transportu farby przeprowadzono na aparacie
testowym IGT F1 i laboratoryjnej maszynie fleksograficznej firmy
Mark Andy. W badaniach zastosowano: cztery rodzaje testowych form
drukowych i tą samą taśmę montażową, cztery rodzaje podłoży papierowych oraz farbę wodorozcieńczalną o barwie magenta (o zmiennej
lepkości). Zmiennymi parametrami były: zakresy docisków pomiędzy
cylindrem formowym a cylindrami rastrowym i dociskowym, prędkość
drukowania, cylindry rastrowe o liniaturach rastra 180÷500 linii/
cm. Na wykresach przedstawiono zależności gęstości optycznych
pól testowych druków i grubości warstwy nałożonej farby na podłoża
od prędkości drukowania i docisków drukowania, przy zastosowaniu
różnych wariantów cylindrów rastrowych. Wraz ze wzrostem prędkości drukowania opróżnianie kałamarzyków cylindra rastrowego
poprawia się, dając w efekcie wyższy poziom gęstości na odbitkach.
Jeżeli zadrukowuje się pełną powierzchnię i wskazane jest nałożenie
dużej ilości farby na podłoże, to wtedy trzeba stosować cylindry
rastrowe z kałamarzykami o większym przekroju i mniejszej liniaturze rastra. Drukowanie na podłożach o znacznie nierównomiernym
profilu powierzchni wymaga nałożenia grubej warstwy farby w celu
uzyskania żądanej intensywności barwy nadruku. Wszelkie odchyłki
ponad ustalone granice tolerancji wykonania elementów maszyny
i zastosowanych materiałów poligraficznych zawsze się sumują.
Im są większe, tym bardziej pogarszają równomierność i stabilność
przekazywanej farby.
W Instytucie Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej prowadzone są badania mające na celu optymalizację konstrukcji fleksograficznych zespołów farbowych wyposażonych w cylindry rastrowe
oraz opracowanie modelu matematycznego symulacji ich pracy.
Słowa kluczowe: fleksografia, technologiczne parametry drukowania,
transport farby
The aim of the work was to perform tests of ink transfer on printing
substrates in flexographic inking unit. It shows the impact of technical
and technological parameters on ink transport in the inking unit.
The research tests of ink transfer were performed with IGT F1 testing
appliance and a Mark Andy laboratory flexographic printing machine.
In these tests the following factors were applied: four test printing
forms and the same assembly tape, four types of paper substrates
as well as the water soluble magenta ink (of variable viscosity). The
variable parameters were as follows: pressure ranges between form
cylinder against anilox and impression cylinders, printing speed, the
anilox rollers with screen rulings of 180÷500 lines/cm. The diagrams
show the relations of the optical fields density prints and the thickness
of the ink applied onto the printing substrate with printing speed and
pressures when using the different variants the anilox roller. Along
with the increase of printing speed the emptying of the anilox ink
cells improves and it results in higher level of density on the prints.
If a full area is being printed and a large amount of ink is used, it is
advisable to use anilox rollers with ink cells with bigger section and
smaller screen ruling. Printing on the substrates with considerably
irregular surface profile requires laying a thick ink film in order to
obtain the desired tinting power. All deviations above the established
tolerance limits of machine elements construction and application of
printing materials always accumulate. The higher they are, the less
regular and stabile the transferred ink is.
In the Institute of Papermaking and Printing at the Technical University
of Lodz there are tests aiming to optimize the design of flexographic
inking units equipped with anilox rollers and develop a mathematical
model simulating their work.
Keywords: flexography, technological parameters of printing, ink
transfer
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 ·kwiecień 2011
Empiryczne badania
transportu farby
Empiric tests of ink transfer
Krzysztof Stępień
Badania przenoszenia farby
Otrzymane wyniki analizy badań procesu przenoszenia farby
na formę wykonanych zgodnie z metodyką opisaną w (1, 2)
przedstawiono dla przykładu na rysunku 1.
Na rysunku 2 przedstawiono wyniki pierwszego etapu badań
ilości farby przeniesionej na podłoża. Jest to charakterystyka
zbiorcza analizy badanych podłoży drukowych, w postaci liniowych zależności gęstości optycznej nadruku DPi na podłożach
Rys. 1. Zależność ilości farby, o lepkości 20 s, przeniesionej na formę f1
z cylindra C3
Rys. 2. Charakterystyka zbiorcza DPi = f (GPi) badanych podłoży drukowych
Dr inż. K. Stępień, Politechnika Łódzka, Instytut Papiernictwa i Poligrafii,
ul. Wólczańska 223, 90-924 Łódź
255
PRACE NAUKOWO - BADAWCZE
od ilości naniesionej na nie mokrej farby GPi. Na podłoża drukowe farbę nanoszono bezpośrednio z cylindra rastrowego, jak
w technice rotograwiurowej. Zmienną ilość farby nanoszonej na
podłoże otrzymywano poprzez: zastosowanie dysków rastrowych
o różnej pojemności, zmianę docisków w strefie przenoszenia
farby oraz zmianę prędkości drukowania. Maksymalne odchylenie
standardowe serii przedstawionych pomiarów przy pomiarze
masy wynosiło 0,0026 g.
W drugim etapie badań ilości farby przeniesionej na podłoża
wykonano na badanych podłożach druki testowe powierzchni apli
przy zastosowaniu zmiennych parametrów drukowania (docisków
DCF=CD i prędkości v) oraz różnych materiałów poligraficznych.
Określono gęstości optyczne otrzymanych druków, a następnie
dokonano analizy ich przypisania do ilości masy farby mokrej
nanoszonej na dane podłoże, zgodnie z wynikami pierwszego
etapu badań.
Maksymalne odchylenie standardowe pomiarów gęstości
optycznych druków wynosiło 0,02, zaś maksymalny współczynnik zmienności pomiaru wynosił 3,7 %.
Na podstawie dużej serii wyników pomiarów dokonano analizy
podziału farby pomiędzy badanymi formami i podłożami drukowymi. Metodą pośrednią, dla testów apli o określonej masie mokrej
farby mPi na danym podłożu Pi przypisano odpowiednią masę
farby mokrej znajdującą się na określonej formie przed strefą
drukowania mfi przy tych samych parametrach drukowania. Na
podstawie obliczeń scharakteryzowano podział farby pomiędzy
formą i podłożem w zależności od rodzaju zastosowanych materiałów poligraficznych i parametrów drukowania.
Wyznaczono procentowy podział farby jako stosunek masy
mokrej farby na podłożu mPi do masy farby na formie przed
zadrukiem mfi, oraz wskaźnik ilościowego przenoszenia farby
jako stosunek masy mokrej farby na podłożu mPi do masy farby
pozostałej na formie (mfi - mPi) po zadruku testu.
Na rysunku 10 przedstawiono procentowy podział farby
pomiędzy formą f1 i podłożem P6 przy różnych prędkościach v
i dociskach w strefie przenoszenia farby DCF-CD dla masy farby
mokrej na formie przed drukowaniem mf1 równej 0,055 g, a na
rysunkach 4 i 5 – ilościowe przenoszenie farby z formy f1 i f2 na
podłoże P6 w zależności od masy farby mokrej na formie przed
drukowaniem, przy prędkości drukowania równej 1,5 m/s.
Analiza oszacowania błędów badań wskaźników ilości farby
przeniesionej na podłoża przy zastosowaniu złożonej pośredniej
metody wagowej wyznaczania ich wartości wykazała, że maksymalny błąd wynosił 16%.
Druki testowe
Dokładność odwzorowania rastrowych wartości tonalnych na
drukach testowych oceniano na podstawie krzywej charakterystycznej drukowania oraz przyrostów wartości tonalnej (przyrostów punktów rastrowych). Przyrost jest związany z deformacją
punktów rastrowych i definiowany jest jako różnica między
mierzoną rastrową wartością tonalną na odbitce FD a rastrową
wartością tonalną na formie drukowej FF (wartość tonalną określono za pomocą urządzenia Vipflex 333). Do ustalenia przyrostu
wartości tonalnych na drukach najbardziej miarodajny jest zakres
tonów średnich. Właśnie w tym zakresie występują największe
256
Rys. 3. Procentowy podział farby pomiędzy formą f1 i podłożem P6
Rys. 4. Ilościowe przenoszenie farby z formy f1 na podłoże P6
Rys. 5. Procentowe i ilościowe przenoszenie farby z formy f2 na podłoże P6
odchylenia. W celu zbadania wpływu parametrów technologicznych na dokładność odwzorowania rastrowych wartości
tonalnych wykonano wydruki na aparacie IGT F1 i laboratoryjnej
przemysłowej maszynie fleksograficznej Mark Andy o szerokości
druku 0,17 m.
W testach na IGT F1 zastosowano materiały opisane wyżej
w metodyce. W badaniach porównawczych na maszynie zastosowano takie same rodzaje form drukowych i cylindry rastrowe
z trzema strefami wygrawerowanymi na ich szerokości, o pojemnościach: 4,5; 6 i 8 cm3 /m2, o liniaturach odpowiednio: 300, 200
i 180 linii/cm. Testy wydrukowano na papierze P1.
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 ·kwiecień 2011
PRACE NAUKOWO - BADAWCZE
Z analizy badań dotyczących wpływu docisku pomiędzy cylindrem formowym a dociskowym na przenoszenie farby wynika,
że ilość farby przenoszonej z cylindra formowego na podłoże
rośnie wraz ze zwiększaniem docisku DCF-CD i zwiększenie ilości
przenoszonej farby ma wpływ na jakość odwzorowania obrazu
rastrowego. Na rysunku 13 przedstawiono dla przykładu krzywe
charakterystyczne drukowania dla formy f1 o liniaturze 54 lpi
i podłożu P6. Przebieg krzywych wskazuje wyraźnie, że im większy docisk, tym większy przyrost punktu rastrowego.
Nadmierne zwiększenie docisku pomiędzy cylindrem dociskowym a formowym prowadzi do rozgniecenia punktów
rastrowych, a tym samym pogorszenia jakości wydrukowanego
obrazu. Stosunkowo największe przyrosty punktu wystąpiły
w tonach średnich; przy docisku 100 N były one na poziomie
10%, a przy 500 N dochodziły do 30%. Zwiększenie wartości
przyrostów punktów rastrowych dotyczyło wszystkich form,
zaś wielkości przyrostów zależą od rodzaju stosowanej formy,
co przedstawiono w tabeli 1.
Rys. 6. Krzywe drukowania przy zmiennym docisku DCF-CD
Tabela 1. Wyniki pomiarów przyrostów tonalnych testów dla rodzaju stosowanej formy
Rodzaj formy/liniatura
[lpi] / wartość tonalna
pola na formie dla którego obliczono przyrost
tonalny
f1-84 / 47%
f2-84 / 49%
f3-80 / 50%
f4-80 / 47%
Przyrost stopnia pokrycia przy następujących dociskach pomiędzy cylindrem formowym a dociskowym DCF-CD w [%]
100 N
200N
300N
400N
500N
17
21
18
32
35
25
24
39
32
31
24
47
39
35
27
46
40
39
30
-
Wyniki badań wykazały również wpływ docisku pomiędzy
cylindrem formowym a rastrowym DCR-CF na dokładność odwzorowania pól rastrowych. Ze zwiększeniem docisku przyrosty pól
rastrowych na odbitkach testowych były progresywne. Na rysunku 7 przedstawiono przyrosty tonalne pól rastrowych postępujące
ze wzrostem docisku DCF-CR na polu 47% o liniaturze 84 lpi formy
f1 przy stałym docisku drukowania DCF-CD równym 300 N.
Zgodnie z wynikami badań gęstości optycznej apli, uzyskanych
z form testowych o zbliżonej liniaturze, zmiana prędkości miała
wpływ na ilość farby przenoszonej z formy na podłoże. Formy
f1, f2, f3 przeniosły więcej farby przy większej prędkości, forma
f4 – odwrotnie: więcej farby przy mniejszej prędkości. Jednak
na dokładność odwzorowania pól rastrowych zmiany prędkości
w badanym zakresie nie miały istotnego wpływu.
Parametrem mającym wpływ na dokładność odwzorowania
punktów rastrowych, a co za tym idzie i przyrost rastrowej wartości tonalnej, był rodzaj zastosowanej formy drukowej. Z badań
wynika, że największy przyrost punktu rastrowego osiągnięto na
wydrukach z formy f4, a najmniejszy z formy f3 (rys. 8). Jest to
spowodowane tym, że forma ta przenosi największą ilość farby.
Z analizy badań dotyczących wpływu rodzaju zastosowanych
form na ilość przeniesionej farby wynika, że, bez względu na
stosowany docisk cylindra formowego do cylindra dociskowego
DCF-CD oraz inne parametry, największą gęstość optyczną nadruku
D apli uzyskano przy zastosowaniu formy f4, wykonanej metodą
konwencjonalną, najsłabszą z formy f 3, wykonanej metodą
cyfrową.
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 ·kwiecień 2011
Rys. 7. Wpływ docisku DCF-CR na przyrost rastrowej wartości tonalnej
druku
Rys. 8. Krzywe charakterystyczne drukowania przy różnych formach
drukowych
Wszystkie badane formy uzyskały największy przyrost punktu
w tonach średnich. Forma f4 cechowała się dużo większym przyrostem punktu rastrowego w tonach średnich, sięgającym prawie
45%, przy docisku DCF-CD równym 100 N i ponad 65% przy docisku
300 N. Forma f3 wykazywała przyrost punktu rastrowego o około
5% przy docisku DCF-CD równym 100 N, zaś przy docisku 300 N
poniżej 15% w tonach średnich. Zdecydowanie największe przyrosty punktów rastrowych obserwowano również na odbitkach
wydrukowanych z formy f4 na maszynie doświadczalnej.
Ocena wpływu liniatury formy na dokładność odwzorowania
wartości tonalnych wykazuje, że w odniesieniu do wszystkich
badanych form drukowych zwiększenie liniatury powoduje zwiększenie przyrostów punktów rastrowych, a wielkość przyrostów
257
PRACE NAUKOWO - BADAWCZE
jest uzależniona od rodzaju formy (przy jednakowych pozostałych
czynnikach).
Podstawą powodzenia w rastrowym druku fleksograficznym
jest odpowiednie dopasowanie parametrów cylindra rastrowego
i formy drukowej. Wyniki przeprowadzonych badań wykazały, że
większy stosunek liniatury formy do liniatury cylindra rastrowego
przekłada się na mniejszy przyrost wartości tonalnych pól rastrowych. Wynika z nich, że im wyższy stosunek liniatury formy
do liniatury cylindra rastrowego, tym mniej wartości tonalne
odbiegają od wartości teoretycznej. Dlatego też w praktyce
niezmiernie istotne jest ustalenie zależności liniatury cylindra
rastrowego i liniatury formy drukowej.
Jednym z wielu czynników mających wpływ na jakość procesu
drukowania jest podłoże drukowe. W przypadku zastosowania
papieru niepowlekanego największym problemem jest przyrost
punktu rastrowego. Jest on większy na papierze niepowlekanym niż na papierze powlekanym. Wynika to z faktu, że papier
niepowlekany ma bardziej chropowatą strukturę powierzchni
i do wypełnienia nierówności potrzebna jest większa ilość farby
drukowej. Zwiększenie ilości farby powoduje, że każdy punkt
rastrowy powiększa się. Zjawisko to wymaga kompensacji. Przy
drukowaniu na papierze niepowlekanym zaleca się stosowanie
większej ilości farby, by zagwarantować odpowiednią jakość
obrazu. Należy jednak zawsze pamiętać o tym, by w całym
procesie drukowania oraz przy drukowaniu kolejnych nakładów
tego samego produktu stosować te same wartości docisku i gęstości, gdyż w przeciwnym razie wydrukowane materiały mogą
się różnić wyglądem.
Przebieg krzywych serii wydruków na podłożach powlekanych
i niepowlekanych wykazuje, że w przypadku papieru niepowlekanego P1 przy tych samych warunkach procesu drukowania
(własności: formy f3 o liniaturze 80 lpi, dysków rastrowych C3
i C5, docisku DCF-CD równego 100 N) uzyskuje się wyższe wartości przyrostu punktu rastrowego w porównaniu z podłożem
powlekanym P6; było to widoczne szczególnie w tonach niskich
i średnich. Zjawisko to może być przyczyną obniżenia ostrości
lub też utraty szczegółów na podłożu niepowlekanym.
Podsumowanie
Wykonane badania przenoszenia farby drukowej na podłoża
potwierdziły tezy dotyczące zależności parametrów procesu.
Z literatury wynika, że wpływ docisku pomiędzy cylindrem rastrowym i formowym na ilość przenoszonej farby na formę jest
minimalny. W pracy udowodniono jednak, że wpływ ten wynika
z zastosowania wysokich docisków pomiędzy tymi cylindrami
i zależy od indywidualnych właściwości materiałów poligraficznych, nie tylko takich, jak grubość, twardość, ale i od własności
strukturalnych, takich jak chropowatość, kąt zwilżalności powierzchni czy penetracja w głąb materiału.
Największe gęstości optyczne pola pełnego pokrycia wystąpiły
na drukach testowych z formy f4, co ma związek z niskim kątem
zwilżania jej powierzchni i wyższą chropowatością, a także większą hydrofilowością polimeru, z którego została ona wykonana.
Natomiast najmniejsze wartości gęstości optycznej otrzymano
258
na drukach dla formy f1, która ma wyższą o 18% gładkość niż
forma f4.
Oceniono, że na formę drukową z kałamarzyków cylindra rastrowego przy niskiej prędkości drukowania przenosi się 30-40%
ilości farby, a przy prędkości 1,5 m/s można osiągnąć poziom
50% ilości przenoszonej farby.
Na podstawie otrzymanych wyników dokonano analizy podziału
farby pomiędzy badanymi formami i podłożami drukowymi.
Wyznaczono procentowy podział farby jako stosunek masy mokrej farby na badanym podłożu do masy farby na formie przed
zadrukiem oraz wskaźnik ilościowego przenoszenia farby jako
stosunek masy mokrej farby na podłożu do masy farby pozostałej na formie po zadruku testu. Wyniki badań stanowiły dane
porównawcze dla prowadzonych równolegle teoretycznych badań
symulacji procesu. Współczynnik podziału farby między badanymi formami drukowymi a podłożami zawierał się w szerokich
granicach od 35 do ponad 50%, przy ekstremalnych warunkach
drukowania (docisku w strefie przekazania obrazu równym 10
kN/m i prędkości drukowania równej 1,5 m/s).
Wielkości docisku cylindra formowego do dociskowego oraz
cylindra formowego do rastrowego mają znaczący wpływ na
przyrost wartości tonalnych. Większy docisk powoduje wzrost
stopnia pokrycia wartości tonalnych pól rastrowych, a co za
tym idzie – większe wartości przyrostu punktu rastrowego.
W obydwu strefach zwiększenie docisku może doprowadzić
do znaczącego obniżenia kontrastu druku i do strat szczegółów
w tonach ciemnych.
Nie stwierdzono znaczącego wpływu prędkości drukowania
na dokładność odwzorowania rastrowanej skali tonalnej. Przy
zmianie prędkości z 0,5 na 1,5 m/s krzywe charakterystyczne
drukowania prawie pokrywają się, i to zarówno w przypadku
druków wykonanych na maszynie fleksograficznej, jak i odbitek
wydrukowanych na aparacie IGT F1.
Rodzaj formy drukowej (rodzaj materiału, z którego jest wykonana forma, oraz sposób wykonania formy) wpływają na przyrost
punktów rastrowych na odbitkach. Największe przyrosty punktów
rastrowych obserwowano na odbitkach wydrukowanych z zastosowaniem formy f4, na aparacie IGT F1 i maszynie fleksograficznej.
Można to tłumaczyć tym, że forma ta jest lepiej zwilżana przez
farbę wodorozcieńczalną, na skutek czego zwiększa się transfer
farby do podłoża. Przenoszona większa ilość farby (w porównaniu do pozostałych badanych form drukowych) powoduje
większe przyrosty punktów rastrowych. Najlepszą dokładność
obrazu rastrowego uzyskano, używając form fleksograficznych
wykonanych metodami cyfrowymi – f2 i f3.
Literatura
1.Stępień K.: „Metodyka badań transportu farby”, Przegl. Papiern. 67, 2,
105 (2011).
2.Stępień K.: „Optymalizacja ewolucyjna konstrukcji fleksograficznego
zespołu drukującego”, badawczy projekt własny KBN 3 T08E 065 28,
2005-07.
Opracowanie w ramach projektu badawczego NN508 484638
MNiSzW, 2010-12
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 ·kwiecień 2011