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激光在工业凹版制版中的微雕刻应用

2010-12-23 16:04
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  在工业凹版印版制作中,宽大的表面区域要求高度的空间分辨率。而印刷辊的快速工作流程周期要求在很短的时间内,以微米级精度有效地雕刻若干平方米的面积。激光在这一领域的应用有如下特点:加工率高,聚焦精确以及具备数字调制的优势。由于精密度、可重复性、灵活性和生产率的提高,直接激光微构造技术正在取代传统的凹版制版技术(例如用金刚石笔或化学蚀刻进行机械雕刻)。

  旋转型凹版印版由一个均匀镀铜或镀锌的钢辊组成。图像信息被雕刻到镀铜或镀锌层里的微小网穴,将印墨转移到基底上(见图1)。一层薄的铬层可确保在剧烈研磨条件下印刷机仍具较长的使用寿命。通过使用刮刀,能够确保只传递网穴尺寸确定的油墨量。

  凹版印刷滚筒长0.3-4.4米,圆周长0.3-2.2米,表面积可达10平方米。当网屏分辨率为60-400线/厘米时,滚筒上的网穴数量通常为108到1010。为了在最经济的时间内做好图像处理,要求激光具有高脉冲重复率和高平均功率。

  对于以热光烧蚀为途径的大规模微雕刻来说,最有效的方法是:采用一束脉冲激光光束,其单个激光脉冲创建一个完整的网穴。一种工作聚焦平均功率为500瓦、重复频率为70千赫的调Q Nd:YAG激光系统(参见图3)能够使锌的体积烧蚀率达到1立方厘米/分钟,面积烧蚀率达到0.1平方米/分钟。网穴的形状由激光光束的强度波形决定。

  Half-autotypical网穴(深度和直径在灰阶上均可变)可以由高斯光束波形的激光产生,而传统网穴(每一灰度值上深度变化直径不变)通过使用平底波形产生(参见图2)。网穴的大小取决于脉冲能量,通过使用声光调制器由数字图像数据组控制。范围为25米到150米的直径,可以定义图像的网屏分辨率;范围为1米到40米的深度,可以定义印刷点的灰度值。

  熔料的热传导和热对流必须减至最低限度。因此,Daetwyler公司开发了一种附带有机添加剂的特殊电镀锌材料,其热传导性比普通锌结构更低。通过汽化烧蚀这种特殊锌,熔化区域和毛刺可以被减至一层薄薄的沉积物(网穴周围2-3米内)。

  整个滚筒表面通过一条连续的螺旋状网穴轨道进行交替雕刻。当滚筒转速达到20转/秒时,加工头以15-150微米/转的横移进给量,平行于滚筒轴线移动(取决于网屏分辨率)。网穴之间的网墙厚度在阶调值最大时只有4-6微米。这要求光束照射滚筒的瞄准精度达到约1微米。

  另一种方法是使用脉冲调制的高功率光纤激光器(平均功率500瓦),其脉冲重复频率可调制范围为30-100千赫。当频率为35千赫时,每次脉冲上有更多能量,从而使得单次击发能够钻出大网穴(如网屏为70线/厘米时直径为140微米)。当频率为100千赫时,每次脉冲上的能量变少,因而雕刻出小网穴(如网屏为400线/厘米时直径为25微米)。

  激光光束的操作是非接触式的,与使用金刚石笔的机电雕刻相比,这是一个关键的优势。只要印刷工艺具备可预测性和可重复性,就能在滚筒整个宽度上保证雕刻的均匀性。正是因为高可重复率,单发单穴激光工艺大约比机电雕刻快10倍。

  光束强度波形调制

  印刷市场上有许多不同的基底材料(比如纸张或弹性箔),每种材料有着不同的表面特性。油墨转移的优化方法依赖于:基底表面(如粗糙度、油墨吸收能力)、油墨参数(如颜料的粘度或型号)、印版。对于每种不同情况,可以使用不同形状的雕刻网穴以达到最优。

  除热传导和对流之外,网穴精确表示了激光光束的焦点强度波形。为了让每个网穴都达到特定形状,光束的立体强度波形是主动实时形成的,由图像数据控制的频率高达100千赫。这一立体调制技术的总体方案如图4所示。

 

  通过强度波形的主动调制以及每次激光脉冲能量的独立变化,每一单网穴的形状、直径和深度都可以独立决定。印版制作工艺中的这一新型网穴叫做超级Halfautotypical网穴(SHC),是Halfautotypical网穴的延伸(半自动型网穴的深度和直径是变化的,但不能独立控制)。

  SHC调制使得一台激光系统就能雕刻各种网穴(传统的、Autotypical、Halfautotypical)。过去则需要不同的工艺(机电雕刻、化学蚀刻)。现在,能够生成全新网穴形状,从而为每种颜色%-阶调值和印刷基底优化油墨转移特性和适印性能。

  战略与应用

  除了SHC光束波形调制的“单发单穴”方法外,还可以通过叠加连续激光脉冲的方式来设计雕刻网穴,只不过光点直径比要求的网穴尺寸小(比如光点直径10-15微米,网穴尺寸100微米)。所形成网穴的形状和内部结构有赖于调制、重叠以及激光脉冲的扫描方案(如图像排版机扫描算法)。

  连续波激光器是开关或灰阶调制的,可以雕刻出细小的重叠条纹,形成菱形网穴。其优势在于图像的高分辨率(例如正向输送步长为10微米时分辨率达到1000线/厘米,光点直径为15-20 微米)。其劣势在于生产能力的损耗,需要通过使用更高的调制频率(约1兆赫)以及多光束雕刻头来弥补。

  由于其聚焦时的高峰值功率,高亮度光纤激光器(200-600瓦,连续波,脉冲调制)或者超短脉冲激光器能够实现这种先进的雕刻方法。除了锌之外,这种高亮度同样能够用于雕刻其他材料,比如铜和陶瓷。

  图像排版机扫描过程算法适用于许多高分辨率二维(印刷)应用和三维(印花)应用。例如雕刻RFID凹印辊。

  印制电子技术是一项即将到来的新技术,电子元件和电路要求的高精度将为打印输出的精确性和均匀性设定新的基准。导体及半导体的有机或无机油墨大部分都是糊状的,印刷起来很费劲。

  对于这些油墨的均匀无孔分层来说,精确控制网穴几何形状和凹版印版的表面纹理是非常关键的。图5C显示了RFID标签天线的雕刻试验,轮廓线宽度只有10微米。

 

  总结与展望

  激光技术结合了数字成像方法,改进了传统印刷制版工艺,提升了打印输出的效率、网屏范围、精确性和质量。可以运用相应的算法,利用不同的激光器类型。利用调制的激光光束波形,目前单发单穴SHC工艺是用于凹版的速度最快的工艺,可用于各种基底、油墨和印刷。使用高功率TEM00源的新型雕刻算法,将激光烧蚀方法的应用范围扩展至一系列的工业应用,如用于大面积材料转印的网纹辊、用于印刷电子的高精度凹版印刷图案以及用于三维印花工具。当必需的激光功率以及新型雕刻成熟算法这两个条件都满足时,超短脉冲激光将能够推动和改进上述方法。将来所面临的挑战将是:使用皮秒超短脉冲激光来优化烧蚀工艺。

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