柔性版印刷油墨轉(zhuǎn)移率特性實驗研究

劉美華, 李 艷, 袁英才, 喬俊偉

(1. 北京印刷學(xué)院機電工程學(xué)院,北京 102600;2. 上海出版印刷高等?？茖W(xué)校,上海 200093)

近年來,柔性版印刷技術(shù)以綠色環(huán)保的優(yōu)勢在全球范圍內(nèi)得到快速發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展[1],但目前柔版刷技術(shù)仍然不能滿足科技的進步以及市場的需求[2]。我國在柔版工藝改進、提高印刷精度方面做了大量研究工作,尤其對柔印過程中的供墨關(guān)鍵部件網(wǎng)紋輥[3]進行多方面研究。本文是對柔印過程中的參數(shù)對網(wǎng)紋輥油墨轉(zhuǎn)移率的影響進行探究,這對提高柔版印刷供墨效果有重要意義。

國內(nèi)外對柔印網(wǎng)紋輥油墨轉(zhuǎn)移特性開展研究,江南大學(xué)的陳家祥將網(wǎng)紋輥結(jié)構(gòu)簡化為軸對稱的梯形槽,使用有限元法對網(wǎng)紋輥油墨轉(zhuǎn)移過程進行數(shù)值模擬,即模擬油墨從網(wǎng)紋輥向印版進行轉(zhuǎn)移,并且加入網(wǎng)紋輥和印版滾筒的運動情況,研究了接觸角、梯形槽高寬比和角速度對油墨轉(zhuǎn)移的影響[4]。江南大學(xué)的付堯建研究柔印壓力和油墨轉(zhuǎn)移率的關(guān)系,通過實驗和Origin軟件,擬合出最佳印刷壓力與油墨轉(zhuǎn)移關(guān)系的函數(shù)方程從而達到對柔印質(zhì)量的控制[5]。英國斯旺西大學(xué)土木工程學(xué)的DC Bould研究結(jié)果證明了網(wǎng)紋輥的攜墨量對連續(xù)油墨薄膜復(fù)制和半色調(diào)網(wǎng)點形成的影響最大[6]。Szentgy 通過正交試驗證明了印版與網(wǎng)紋輥壓力大小對油墨轉(zhuǎn)移率的影響最大[7]。本文在柔性版印刷過程油墨轉(zhuǎn)移影響因素分析的基礎(chǔ)上,通過實驗對柔性版印刷工藝參數(shù)影響油墨轉(zhuǎn)移率進行探討,得出速度、合壓量、網(wǎng)穴形狀對油墨轉(zhuǎn)移率的曲線。

1 柔性版印刷過程中油墨轉(zhuǎn)移影響因素分析

在柔性版印刷過程中,存在油墨從網(wǎng)穴向印版和印版向承印物轉(zhuǎn)移兩個過程,其中油墨從網(wǎng)穴向柔性印版轉(zhuǎn)移是影響柔性版印刷油墨轉(zhuǎn)移率的主要因素。油墨從網(wǎng)穴向柔性印版轉(zhuǎn)移在過程中存在拉絲、斷裂和回彈現(xiàn)象,如圖1 所示,油墨的連續(xù)方程為

圖1 油墨從網(wǎng)穴向印版轉(zhuǎn)移分析

式(1)中,ρ為油墨密度,kg/m3;u為印版滾筒與網(wǎng)紋輥分離速度,m/s;λ為流動參數(shù),無量綱。

油墨量動方程為

式(2)中,P為壓力,N;μ為粘度,cp;Fg為重力,N;Fst為表面張力,N;▽沿自由表面切線方向的梯度算子,無量綱。

為了表示油墨和氣體之間的界面關(guān)系,需要定義一個液體體積分數(shù)的傳輸方程,體積分數(shù)φ表示,定義為

油墨體積分數(shù)方程ψ 滿足以下關(guān)系:

采用二階分段線性界面構(gòu)造(PLIC)方案重構(gòu)界面形狀,位于界面的流體的密度和粘度是根據(jù)流體和空氣的體積分數(shù)計算出來的

表面張力由Brackbill 方程確定:

式(6)中σ為表面張力系數(shù),N/m;κ為界面曲率,無量綱;n為各界面點法向界面的單位矢量,m。n和κ計算為

由油墨在轉(zhuǎn)移過程中的動量方程可知:油墨從網(wǎng)穴向印版轉(zhuǎn)移過程中油墨轉(zhuǎn)移量主要受網(wǎng)穴形狀、油墨屬性、印刷速度、網(wǎng)紋輥與印版滾筒接觸狀態(tài)等因素影響。

2 實驗方案

為分析印刷速度、網(wǎng)穴形狀、網(wǎng)紋輥與印版滾筒接觸狀態(tài)對油墨轉(zhuǎn)移率的影響,實驗使用不需干燥的布瑞特UV6000 系列油墨,用不同網(wǎng)線數(shù)的網(wǎng)紋輥在多種網(wǎng)紋輥與印版滾筒接觸狀態(tài)下以不同印刷速度進行滿版實地印刷。通過對印刷前后紙張的質(zhì)量變化,分析柔性版印刷油墨轉(zhuǎn)移。

2.1 網(wǎng)紋輥與印版滾筒接觸狀態(tài)測定與調(diào)整

實驗用柔性版印刷機印刷單元結(jié)構(gòu)如圖2 所示,網(wǎng)紋輥與壓印滾筒中心固定,通過調(diào)整印版滾筒中心O1改變其與網(wǎng)紋輥和壓印滾筒接觸狀態(tài)。

圖2 柔性版印刷單元結(jié)構(gòu)示意圖

對于網(wǎng)紋輥與印版滾筒接觸狀態(tài),通過在印版滾筒兩端安放兩個千分表A、B,并盡可能使兩千分表保持垂直,如圖3 所示。通過塞尺設(shè)置印版與網(wǎng)紋輥的間隙,讀取千分表A、B顯示數(shù)據(jù)。

圖3 千分表的安裝位置圖

設(shè)定多組印版滾筒與網(wǎng)紋輥的間隙值,讀取多組千分表A、B顯示數(shù)據(jù)。設(shè)印版與網(wǎng)紋輥接觸值為δ,千分表A讀數(shù)為a,千分表B讀數(shù)為b。計算各組印版與網(wǎng)紋輥接觸值δ、千分表讀數(shù)a、b的差值Δδ、Δa、Δb。對多組測試數(shù)據(jù)進行擬合,即可得出印版滾筒與網(wǎng)紋輥接觸值Δδ和千分表讀數(shù)Δa、Δb的關(guān)系

式(10)中Δδ為印版滾筒與網(wǎng)穩(wěn)固間隙量差值,mm;Δa、Δb為千分表讀數(shù)差值,mm。

2.2 網(wǎng)紋輥參數(shù)

網(wǎng)線數(shù)分別為600LPI、800LPI、1000LPI,網(wǎng)穴均為六棱臺狀,網(wǎng)穴角度分別為60°、75°、60°,如圖4 所示。

圖4 600 線、800 線、1000 線網(wǎng)紋輥網(wǎng)穴形狀圖

網(wǎng)紋輥供墨為

式(11)中,S為每組所取印張印刷總面積,m2;B為BCM 數(shù)值,無量綱;NA為單位平方內(nèi)1BCM 網(wǎng)紋輥的供墨量,1BCM=1.55cm3/m2。

3 油墨轉(zhuǎn)移率測試實驗

實驗采用富林特樹脂板,幅面為210×250mm,硬度為73HA。紙張為厚度0.07mm,90g 的雙面銅版紙。采用上述印版滾筒與網(wǎng)紋輥接觸狀態(tài)測定和調(diào)整方法及3 種型號的網(wǎng)紋輥,在速度為5m/min,20m/min,40m/min,60m/min 條件下進行多組印刷實驗。

印刷完成后,對印刷品取樣,印刷樣張如圖5 所示。每種實驗條件取樣16 張,不連續(xù)地取三組。用精度為0.001g 的天平秤進行三次稱重,取平均值。紙張前后質(zhì)量差Δm稱為油墨轉(zhuǎn)移量,單位為g。

圖5 印刷樣張

則油墨轉(zhuǎn)移率為

式(12)中,tr為油墨轉(zhuǎn)移率,%;R1為網(wǎng)紋輥半徑,mm;R2為印版滾筒半徑,mm。

在柔性版印刷過程中,印版滾筒與網(wǎng)紋輥接觸常為擠壓狀態(tài),壓縮量稱為合壓量。在合壓量為0.043mm,油墨轉(zhuǎn)移量隨速度變化情況,如圖6 所示,可以得出:(1)油墨轉(zhuǎn)移量與網(wǎng)紋輥形狀有著緊密關(guān)系。1000LPI 網(wǎng)紋輥的網(wǎng)穴尺寸最小,因而油墨轉(zhuǎn)移量最低,600LPI 的網(wǎng)紋輥的網(wǎng)穴尺寸最大,但網(wǎng)穴數(shù)量少,因而油墨轉(zhuǎn)移量比800LPI 要少。(2)印刷速度快,油墨從網(wǎng)穴向印版轉(zhuǎn)移時間短,會影響油墨轉(zhuǎn)移,因而,轉(zhuǎn)移量總體隨速度上升而下降。在速度較低的情況下,印版對網(wǎng)穴產(chǎn)生的毛細力偏小,油墨的流動性減弱,影響油墨從網(wǎng)穴向印版轉(zhuǎn)移。因而,在速度較低的情況下會出現(xiàn)油墨轉(zhuǎn)移量隨速度上升而增加的情況。(3)600LPI網(wǎng)紋輥的油墨轉(zhuǎn)移量隨著速度上升下降迅速,將會對印刷質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。

圖6 油墨轉(zhuǎn)移量隨速度變化

將油墨轉(zhuǎn)移量轉(zhuǎn)化為油墨轉(zhuǎn)移率進行分析,得到油墨轉(zhuǎn)移率隨速度變化曲線,如圖7 所示?？梢缘贸?(1)800LPI 網(wǎng)紋輥的油墨轉(zhuǎn)移率較高,總體保持在40%以上,而且變化率最小。(2)1000LPI網(wǎng)紋輥由于網(wǎng)穴小,供墨量小,雖然油墨轉(zhuǎn)移量低于600LPI 網(wǎng)紋輥,但油墨轉(zhuǎn)移率高于600LPI 網(wǎng)紋輥,能保持在30%以上。

圖7 油墨轉(zhuǎn)移率隨速度變化

1000LPI 網(wǎng)紋輥,合壓量與油墨轉(zhuǎn)移率關(guān)系如圖8 所示?？梢缘贸?反映網(wǎng)紋輥與印版滾筒接觸狀態(tài)的合壓量對油墨轉(zhuǎn)移率有較大影響。對于測試的柔性版印刷機,合壓量在0.025～0.05mm,油墨轉(zhuǎn)移率保持較高水平。

圖8 1000LPI 下油墨轉(zhuǎn)移率隨合壓量變化

4 結(jié)論

油墨從網(wǎng)紋輥網(wǎng)穴向印版滾筒轉(zhuǎn)移是影響油墨轉(zhuǎn)移率的關(guān)鍵因素。在分析影響油墨從網(wǎng)穴向印版滾筒轉(zhuǎn)移因素的基礎(chǔ)上,進行柔性版印刷機油墨轉(zhuǎn)移實驗。測試結(jié)果可得出以下結(jié)論:

(1)網(wǎng)穴尺寸和形狀對油墨轉(zhuǎn)移量和油墨轉(zhuǎn)移率的關(guān)鍵因素。實驗所使用的三種規(guī)格的網(wǎng)紋輥中800LPI 的油墨轉(zhuǎn)移率相較最高,且受速度影響最小,600LPI 的油墨轉(zhuǎn)移率相較最低,且受速度影響最大。

(2)網(wǎng)紋輥與印版滾筒接觸狀態(tài)對油墨轉(zhuǎn)移率有著重要影響。選擇合適的合壓量,能有效地提高油墨轉(zhuǎn)移率,保證印刷品的質(zhì)量。

(3)油墨轉(zhuǎn)移率隨速度上升而下降,但選擇合適的網(wǎng)紋輥,調(diào)整合壓量,能有效地抑制油墨轉(zhuǎn)移下降,達到印刷質(zhì)量的相對穩(wěn)定。