Оптоволоконні лазери - №1 в цифровий флексографії
Цифрова флексография - новаторська технологія, при якій зображення за допомогою лазера записується на чорному масочний шарі фотополімерної пластини. Після цього фотополімерна пластина піддається подальшій обробці для формування тривимірного друкованого профілю (як традиційна пластина). Тип застосовуваного лазера має вирішальне значення для визначення можливостей використання, продуктивності, якості та економічної ефективності CtFP-системи (Computer-to-Flexo-Plate).
Тип модуляції і фокусна пляма
Залежно від особливостей зображення модуляція лазерного випромінювання може бути зовнішньої - через акустооптичний модулятор - або шляхом прямої внутрішньої модуляцією самого джерела лазерного випромінювання (зі значним зниженням рівня якості).
Незаперечна перевага CO2-лазера - висока потужність і продуктивність. Довжина хвилі лазера становить 10,6 мкм. В реальних умовах фокусування лазерного променя не може дати плями, діаметр якого не перевищував би довжину хвилі лазера менш ніж в п'ять разів. Тому у потужного CO2-лазера розмір плями становить приблизно 50 мкм. Це відповідає реальному вирішенню тільки в 500 DPI і максимально можливої линиатуре близько 20 ліній / см. Що більша роздільна здатність розмір плями лазера залишається незмінним, внаслідок чого зменшується число реєстрових точок у світлі і в тіньових областях. При друку пропадають контраст і прозорість зображення, а переходи стають неплавное і ступінчастими.
Спостерігається помітне розходження в розмірах плями різних джерел лазерного випромінювання, тому використання CO2-лазера призводить до сильного зменшення кількості переданих тонових градацій.
На відміну від CO2-лазерів, Nd: YAG-лазери і оптоволоконні лазери завдяки короткій довжині хвилі (1,06 мкм або 1064 нм) можуть точно записувати високолініатурних зображення і тому широко використовуються в цифровий флексографії.
У цифровій флексографии використовуються звичайні фотополімерні пластини, покриті чорним LAMS-шаром. Товщина LAMS-шару складає кілька мікрометрів, а зображення записується за допомогою інфрачервоного лазера (зазвичай оптоволоконного лазера з довжиною хвилі 1064 нм або лазерних діодів з довжиною хвилі 830 нм).
LAMS-шар замінює плівку, використовувану в традиційних способах друку. Він повністю видаляється лазерним променем в потрібних для друку місцях (абляція). LAMS-шар із записаним зображенням називається також «цифровий плівкою» (digital Film).
Після запису зображення на LAMS-шарі цифрова друкована флексографская пластина піддається подальшій обробці так само, як і традиційні пластини, включаючи основне експонування, зворотне експонування за допомогою УФ випромінювання, вимивання, сушку, додаткову обробку (Див. Рис. 2).
Двоступеневий технологічний процес в повному обсязі відповідає сучасним вимогам з якості та продуктивності. Передача напівтонових зображень при линиатуре до 200 ліній / см вже стала стандартом у пресі флексографским способом на складних коробках і етикетках. Навіть для гофрованого картону можливі лініатури до 60 ліній / см. Сьогодні для друку захисних елементів, застосовуваних у пресі упаковки, етикеток і лотерейних квитків, виробляються цифрові флексографские форми з линиатурой до 400 ліній / см - тобто дозвіл в цьому випадку досягає 8000 DPI.
Видалення LAMS-шару з цифровою флексографічного пластини вимагає приблизно в 30 разів більшої потужності лазера, ніж запис зображення на термальною офсетного пластині, і приблизно в 100 разів меншої потужності, ніж пряма гравірування фотополімерною пластини, чутливої до УФ-випромінювання. Таким чином, ні лазерні технології, розроблені для прямої гравіювання, ні ті, що використовуються для запису зображення на термальні офсетні пластини, не застосовні для цифрової флексографії, якщо тільки не знижувати рівень якості, продуктивність і рентабельність. Тут найчастіше застосовуються оптоволоконні лазери. Їх перевага полягає в потужності, достатньої для технології видалення LAMS шару на флексографічного пластині, що дозволяє забезпечити високу якість лазерного променя. Останнє дає можливість створювати глибину різкості, компенсуючи великі допуски по товщині флексографських пластин і рукавних форм без необхідності застосування дорогих і часто неефективних на практиці систем автофокусування.
Ще один підхід до джерел випромінювання в цифровий флексографії - застосування для запису цифрових форм експонують головок з лазерними діодами від офсетних формних пристроїв, що експонують. Недоліком таких систем є низька якість випромінювання. Це ускладнює вирівнювання безлічі окремих малопотужних променів, що застосовуються в даній технології, таким чином, щоб нанесення растрового зображення із застосуванням флексографських кутів відбувалося без появи дефектів зображення (смуги, муар). Результатом низької якості випромінювання є недостатня глибина різкості, яка не зможе в повному обсязі компенсувати великі допуски на товщину для флексографічних пластин і особливо рукавних форм.
Для оптимізації процесу запису буде оптимізований співвідношення між потужністю лазера і числом променів. Потужність оптоволоконних лазерів дозволяє це реалізувати. У сучасних системах на оптоволоконних лазерах в даний час використовуються системи з числом променів від 4 до 16. Від числа променів залежить швидкість запису, яка, як правило, становить від 1,5 до 4 м 2 на годину відповідно.
Так в CtFP системі Esko-Graphics CDI після накачування оптоволоконного лазера промінь ділиться на кілька абсолютно ідентичних променів. Як уже згадувалося, для точної передачі растрів і переходів з високими лініатурами потрібно саме ідентичність окремих експонують променів. Для її досягнення цього рекомендується використовувати одне джерело випромінювання в комбінації з акустооптичні модулятором, який і ділить промінь на безліч ідентичних.
Властивості променя залишаються незмінними протягом усього життя лазера, немає необхідності в щоденній або щотижневій калібрування оптики, завдяки чому тривалий час зберігається висока точність запису пластин і якість технологічного процесу. Оптоволоконні лазери накачуються дуже великим числом окремих діодів, тому відмова в роботі окремих діодів не приведе до зупинки системи. Хотілося б звернути увагу на істотну відмінність в цій частині оптоволоконних лазерів від лазерів діодних, а саме, на більш високу надійність - надзвичайно важлива властивість для користувачів лазерних систем. Строго кажучи, для оптичного накачування в оптоволоконних лазерах також використовуються лазерні діоди, проте, в кожному лазері їх - десятки, крім того, вони працюють в ненавантаженому режимі, що забезпечує їх довговічність. При виході з ладу одного з лазерів компенсація втрати потужності накачування здійснюється підвищенням струму на інших діодах, це гарантує тривалу роботу оптоволоконного лазера з постійною вихідною потужністю: на протязі декількох років експлуатації відхилення вихідної потужності оптоволоконного лазера не перевищує 1%. Такий підхід до застосування лазерних діодів свого часу диктувався областю застосування оптоволоконних лазерних систем: підсилювачі оптоволоконних ліній зв'язку, де питання надійності і стабільної довгострокової роботи був питанням працездатності багатокілометрового сегмента оптоволоконної лінії.
Переваги оптоволоконних лазерів - запорука їхнього успіху на ринку
Сьогодні на ринку в області цифрового виготовлення форм для флексографічного друку реально конкурують дві технології. Перша базується на використанні оптоволоконного лазера з довжиною хвилі 1064 нм. У Росії добре відомі CtFP системи російського виробника ALPHA Research Manufacturing і системи CDI розробки компаній Esko-Graphics і DuPont. Інша технологія, на базі інфрачервоних (IR) діодних лазерів з довжиною хвилі 830 нм, представлена пристроями компанії Creo і прийшла у флексографию недавно з офсетного друку.
Абсолютним світовим лідером за кількістю продажів можна назвати пристрої розробки компаній Esko-Graphics і DuPont марки CDI призначені для прямого експонування флексографічних форм для друку гнучкої упаковки, упаковки з картону, гофрокартону і друку етикеток. Близько 75% CtFP систем у всьому світі - це пристрої Esko-Graphics CDI. За статистикою, на пристроях CDI виводиться до 90% світового обсягу форм. У Росії, за наявності російського виробника систем на оптоволоконних лазерах, частка CtFP систем з оптоволоконним лазером становить не менше 90% ринку, а їх частка в обсязі форм, що виготовляються на цих пристроях, - ще вище.
Чому система на оптоволоконних лазерах фактично стала стандартом? Ймовірно, вона надає певні переваги. Задамося питанням: «Що таке правильна технологія для Computer-to-Flexo-Plate?». Мабуть, правильна технологія - це та, яка, по-перше, дозволяє отримувати стабільний результат з певної якості і продуктивністю, а, по-друге, пов'язана з найменшими інвестиціями на одиницю продукції і мінімальними експлуатаційними витратами.
Розглянемо переваги по порядку. Пункт перший: «стабільний результат». Він можливий, коли процес контролюємо і керований. Що потрібно контролювати, чим можна управляти? Управляти потрібно і можна змінними параметрами на вході процесу таким чином, щоб отримати стабільний результат. Змінними при виготовленні флексографічних форм цифровим способом можна вважати: похибки аблатівная маски, повторюваність аблатівная маски, зміни часу / інтенсивності ультрафіолетового опромінювання, дія хімікатів, час сушіння.
Як досягти керованості процесу? Наприклад, застосувати єдине програмно-апаратне рішення, включаючи адекватну технологію експонування. Компанія Esko-Graphics поставляє спеціалізоване програмне забезпечення, починаючи від розробки упаковки до експонування. В результаті співпраці Esko-Graphics і DuPont з'явилася унікальна можливість отримання єдиного технологічного рішення, включаючи програмне забезпечення, CtFP пристрій, цветопробу, обладнання для обробки експонованих форм і матеріали.
Як вибрати технологію експонування? Правильна технологія експонування повинна забезпечувати жорсткий профіль променя при експонуванні. У будь-якому підручнику з лазерної техніки можна прочитати, що відповідно до законів квантової фізики, лазерний промінь з обмеженою дифракцією має найжорсткіший енергетичний профіль. Це означає, що профіль енергії променя діода, який використовує система на діодах, з довжиною хвилі 830 нм розсіяний в 20 разів більше, ніж профіль променя оптоволоконного лазера використовується в CDI від Esko-Graphics.
Кілька слів про фокусі
Глибина фокусу повинна перевищувати глибину нерівностей поверхні флексографічного пластини. Глибина фокусу залежить від довжини хвилі лазера і розраховується за формулою, де l - довжина хвилі:
Параметр M 2 використовують для комплексної кількісної характеристики якості лазерного випромінювання, це свого роду спроба одним числом характеризувати лазерний пучок. Визначити M 2 можна наступним чином:
де dreal - діаметр плями реального лазерного пучка, Qreal - розбіжність реального лазерного пучка, dgauss - діаметр плями гауссова (ідеального) лазерного пучка, Qgauss - розбіжність гауссова (ідеального) лазерного пучка, dgauss - діаметр плями гауссова (ідеального) лазерного пучка,
Можна вважати, що параметр M 2 (Magnifications, «твір збільшень» діаметра і розбіжність) характеризує ступінь наближення реального лазерного пучка до ідеального гауссова розподілу, коли випромінювання можна сфокусувати в мінімально можливий пляма при заданій довжині хвилі і розбіжність. Чим ближче M 2 до одиниці, тим лазерний пучок «краще» - в це слово вкладається одночасно кілька смислів: це і здатність забезпечити мале пляма фокусування, і велику глибину фокуса, і підвищення надійності та ефективності системи модуляції лазерного випромінювання.
Параметр M 2 лазерний пучок отримує «при народженні» в лазері, в подальшій оптичній системі його неможливо поліпшити (тобто зменшити), тому властивості лазерних пристроїв запису зображень так сильно залежать від типу використовуваних в них лазерів. Для оптоволоконних лазерів M 2 дорівнює 1,1 - 1,2, тобто ці лазери практично ідеальні. З іншого боку, для потужних діодних лазерів, наприклад з довжиною хвилі 830 нм, значення M 2 = 20 є воістину «чемпіонським», так як зазвичай для таких лазерів цей параметр набагато гірше і становить 40, 60 і навіть 100.
Якщо порівнювати оптичні системи на базі оптоволоконних і доданих лазерів, то, з наведеної вище формули видно, що для отримання на матеріалі рівних плям лазерного випромінювання на діодному лазері необхідно забезпечити в майже в 20 разів більшу розбіжність, ніж на оптоволоконному. Розбіжність - це кут сходження лазерного пучка в пляма. Очевидно, чим менше розбіжність, тим більше глибина фокуса - зона розміщення оброблюваного матеріалу уздовж оптичної осі, в межах якої не відбувається помітних змін запису зображення. Таким чином, в разі діодних лазерів, коли розбіжність більша, глибина фокуса помітно зменшується в порівнянні з оптоволоконними лазерами.
Якщо лазерні діоди застосовуються не для накачування, а для прямого експонування матеріалу, крім малої глибини фокусування існує кілька небезпек, в цілому знижують надійність систем. Наприклад, коли використовується ряд окремих лазерних діодів, необхідно вирішувати проблему вирівнювання потужності їх випромінювання перед кожним сеансом запису. А коли застосовується лінійка лазерних діодів на одному кристалі, то завжди необхідно пам'ятати, що при виході з ладу одного з діодів досить швидко починають виходити з ладу інші діоди лінійки. Звичайно, виробники лазерних систем вирішують такого роду проблеми шляхом додаткових пристроїв калібрування, контролю, автофокусування і т.д. Однак все це ускладнює систему, і, отже, знижує її надійність.
Як згадувалося вище, для оптоволоконного лазера M 2 = 1,1, для діодних лазерів M 2 = 20. Тобто глибина фокуса для Esko-Graphics CDI = 2х (15 мк) 2 / 1,064 мк / 1,1 = 380 мк. Для систем на доданих лазерах, глибина фокуса дорівнює 2х (10 мк) 2 / 0,830 мк / 20 = 12 мк. Нерівність же поверхні флексографічного пластини в листах становить 50 мк і до 250 мк для рукавних форм. Особливо проблематичний випадок експонування рукавних форм. Тобто, системи на діодах мають конструктивний недолік. Навіть при діаметрі плями в 10 мк глибина фокуса недостатня.
Як вимушена реакція з'являється система динамічної автофокусування, яка, в свою чергу, породжує дві інших проблеми: автофокус може обманюватися фокусуючись на частинках пилу, з'являється ефект ореолу (гало). Так, і з технічної точки зору: уявіть собі, що зображення пишеться відразу багатьма променями, кожен з яких потрібно піддавати процедурі автофокусування. Нерівність флексографічного пластини мають, як правило, локальний характер, т. Е. В ідеалі один промінь потрібно піддати автофокусування, а сусідні промені не треба. Система автофокусування, наприклад, Creo може регулювати тільки блоки променів, але не кожен промінь окремо. Запис ведеться 64-ю променями по 10 мк, т. Е. Зображення пишеться смугою 0,64 мм. Це унеможливлює компенсацію пилу із застосуванням автофокусування.
Який ще параметр важливий для правильної системи експонування? Висока роздільна здатність при високій однорідності експонування і лінійності. Розтиск потрібно контролювати незалежно від розміру лазерної плями на поверхні матеріалу. У цьому сенсі пляма в 10 мк систем з діодними лазерами з довжиною хвилі випромінювання 830 нм не дає ніяких переваг в порівнянні з 15-ти мікронним плямою CDI. Навпаки 10-ти мікронна точка може стати джерелом полошения при записі форми.
Результат багатослівної опису особливостей побудови оптичної системи можна резюмувати декількома фразами. По-перше, в системах, побудованих на оптоволоконних лазерах, спочатку закладений рівень якості на порядок вище, ніж у систем на доданих лазерах. По-друге, експлуатаційні витрати нижче за тим же принципових міркувань.