Lasermikrostrukturtechnologie für die Plattenherstellung
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In der industriellen Tiefdruckplattenherstellung erfordert eine große Oberfläche eine hohe räumliche Auflösung. Der schnelle Arbeitszyklus der Druckwalze erfordert eine effektive Gravur von mehreren Quadratmetern in Mikrometer Präzision in kurzer Zeit. Die Anwendung von Lasern in diesem Bereich hat folgende Eigenschaften: hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, präzise Fokussierung und digitale Modulation. Die Technologie der direkten Laser-Mikrostrukturierung ersetzt traditionelle Gravurtechniken (wie mechanische Gravur mit einem Diamantstift oder chemisches Ätzen) aufgrund von erhöhter Präzision, Wiederholbarkeit, Flexibilität und Produktivität.
Die Rotationstiefdruckplatte besteht aus einer gleichmäßigen Rolle aus Kupfer oder verzinktem Stahl. Die Bildinformationen werden in winzige Zellen in einer Kupfer- oder galvanisierten Schicht eingraviert, die die Tinte auf das Substrat überträgt (siehe Abbildung 1). Eine dünne Chromschicht sorgt für eine lange Lebensdauer der Presse unter extremen Schleifbedingungen. Durch die Verwendung einer Rakel wird sichergestellt, dass nur die durch die Größe der Zellen bestimmte Tintenmenge übertragen wird.
Der Tiefdruckzylinder hat eine Länge von 0,3 bis 4,4 Metern, einen Umfang von 0,3 bis 2,2 Metern und eine Fläche von bis zu 10 Quadratmetern. Wenn die Bildschirmauflösung 60 bis 400 Zeilen / cm beträgt, beträgt die Anzahl der Zellen auf der Trommel üblicherweise 108 bis 1010. Um eine Bildverarbeitung in der wirtschaftlichsten Zeit durchzuführen, muss der Laser eine hohe Impulswiederholrate und a hohe Durchschnittsleistung.
Für eine großflächige Mikrogravur in Form von thermischer Ablation ist die effektivste Methode, einen gepulsten Laserstrahl mit einem einzelnen Laserpuls zu verwenden, um eine vollständige Zelle zu erzeugen. Ein gütegeschaltetes Nd: YAG-Lasersystem mit einer durchschnittlichen Betriebsleistung von 500 Watt und einer Wiederholrate von 70 kHz (siehe Abbildung 3) ermöglicht eine Volumenabtragsrate von Zink von 1 cm3 / min und eine Flächenabtragsrate von 0,1 m2 / Minute. Die Form der Zelle wird durch die Intensitätswellenform des Laserstrahls bestimmt.
Halbautotypische Zellen (sowohl Tiefe als auch Durchmesser sind in Graustufen veränderbar) können durch Laser mit Gaußschen Strahlwellenformen erzeugt werden, während herkömmliche Zellen (mit unterschiedlichen Tiefen pro Grauwert) unter Verwendung von Flachbodenwellenformen erzeugt werden (siehe 2). Die Größe der Zellen hängt von der Pulsenergie ab und wird durch den digitalen Bilddatensatz unter Verwendung eines akusto-optischen Modulators gesteuert. Ein Durchmesser von 25 Metern bis 150 Metern definiert die Bildschirmauflösung des Bildes; Eine Tiefe von 1 Meter bis 40 Meter definiert den Grauwert der gedruckten Punkte.
Die Wärmeübertragung und Wärmekonvektion der Schmelze muss minimiert werden. Als Ergebnis hat Dätwyler ein spezielles elektrogalvanisiertes Material mit organischen Zusätzen entwickelt, das weniger wärmeleitend ist als herkömmliche Zinkstrukturen. Durch das Abtragen dieses speziellen Zinks durch Verdampfung können die Schmelzzone und die Grate zu einer dünnen Ablagerungsschicht (innerhalb von 2 bis 3 Metern um die Zelle herum) reduziert werden.
Die gesamte Trommeloberfläche wird abwechselnd von einer kontinuierlichen spiralförmigen Gitterbahn graviert. Wenn die Trommelgeschwindigkeit 20 U / min erreicht, bewegt sich der Bearbeitungskopf mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 15 bis 150 μm / U parallel zur Trommelachse (abhängig von der Bildschirmauflösung). Die Dicke der Gitterwand zwischen den Zellen beträgt nur 4 bis 6 Mikrometer, wenn der Tonwert maximal ist. Dies erfordert die Zielgenauigkeit des Strahls, um die Trommel auf ungefähr 1 Mikron zu beleuchten.
Ein anderes Verfahren besteht darin, einen pulsmodulierten Hochleistungsfaserlaser (Durchschnittsleistung von 500 Watt) mit einem Pulswiederholfrequenzmodulationsbereich von 30 bis 100 kHz zu verwenden. Wenn die Frequenz 35 kHz beträgt, gibt es mehr Energie pro Impuls, so dass ein einzelner Schuss eine große Zelle bohren kann (z. B. einen Bildschirm mit einem Durchmesser von 140 Mikron, wenn der Bildschirm 70 Zeilen / cm groß ist). Wenn die Frequenz 100 kHz beträgt, wird die Energie pro Impuls geringer, und somit wird eine kleine Zelle eingraviert (z. B. ein Bildschirm mit einem Durchmesser von 25 um, wenn der Bildschirm 400 Zeilen / cm groß ist).
Die Funktionsweise des Laserstrahls ist berührungslos, was einen entscheidenden Vorteil gegenüber der elektromechanischen Gravur mit einem Diamantstift darstellt. Solange der Druckvorgang vorhersehbar und wiederholbar ist, kann die Gleichmäßigkeit der Gravur über die gesamte Breite der Trommel gewährleistet werden. Aufgrund der hohen Wiederholgenauigkeit ist das Single-Shot-Einloch-Laserverfahren etwa 10 mal schneller als das elektromechanische Gravieren.
Modulation der Strahlintensitätswellenform
Auf dem Druckmarkt gibt es viele verschiedene Substratmaterialien (wie Papier oder elastische Folie) mit jeweils unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften. Die Optimierung des Farbtransfers hängt ab von: der Oberfläche des Substrats (wie z. B. Rauheit, Tintenabsorptionsvermögen), Tintenparametern (wie der Viskosität oder dem Modell des Pigments), Druckplatten. Für jeden Fall können verschiedene Formen von gravierten Zellen verwendet werden, um das Optimum zu erreichen.
Zusätzlich zur Wärmeleitung und Konvektion repräsentieren die Zellen genau die Fokusintensitätswellenform des Laserstrahls. Um eine spezifische Form für jede Zelle zu erreichen, wird die stereoskopische Intensitätswellenform des Strahls aktiv in Echtzeit gebildet, und die von den Bilddaten gesteuerte Frequenz ist so hoch wie 100 kHz. Das Gesamtschema dieser Stereo-Modulationstechnik ist in 4 gezeigt.
Die Form, der Durchmesser und die Tiefe jeder einzelnen Zelle können unabhängig durch die aktive Modulation der Intensitätswellenform und die unabhängige Änderung der Energie jedes Laserimpulses bestimmt werden. Dieser neue Zelltyp im Plattenherstellungsverfahren wird als Super Halfautotypical Cell (SHC) bezeichnet, das eine Erweiterung der halbautotypischen Zelle ist (die Tiefe und der Durchmesser der halbautomatischen Zelle sind unterschiedlich, aber nicht unabhängig gesteuert).
Mit der SHC-Modulation kann ein Lasersystem verschiedene Zellen gravieren (traditionell, autotypisch, halbautotypisch). In der Vergangenheit waren verschiedene Prozesse (elektromechanisches Gravieren, chemisches Ätzen) erforderlich. Jetzt können neue Zellformen erzeugt werden, um die Tintenübertragungseigenschaften und die Bedruckbarkeit für jeden Farb-Tonwert und jedes Drucksubstrat zu optimieren.
Strategie und Anwendung
Zusätzlich zu dem "single-shot single-hole" -Verfahren der SHC-Strahlwellenformmodulation ist es auch möglich, gravierte Zellen durch Überlagerung kontinuierlicher Laserimpulse zu entwerfen, mit der Ausnahme, dass der Punktdurchmesser kleiner ist als die erforderliche Zellengröße (z. B. ein Punkt) Durchmesser von 10-15). Micron, Zellgröße 100 Mikron). Die Form und die innere Struktur der gebildeten Zellen hängen von Modulations-, Überlappungs- und Abtastschemata von Laserimpulsen ab (wie Bildsetzmaschine-Abtastalgorithmen).
Dauerstrichlaser sind geschaltet oder graustufenmoduliert, um kleine überlappende Streifen zu erzeugen, die eine rautenförmige Zelle bilden. Der Vorteil ist die hohe Auflösung des Bildes (zum Beispiel eine Auflösung von 1000 Linien / cm mit einer Vorwärtstransportschrittgröße von 10 Mikron und einem Fleckdurchmesser von 15-20 Mikron). Der Nachteil ist der Verlust an Produktionskapazität, der durch Verwendung einer höheren Modulationsfrequenz (etwa 1 MHz) und eines Mehrstrahl-Gravierkopfs kompensiert werden muss.
Lichtstarke Faserlaser (200-600 Watt, Dauerstrich, Pulsmodulation) oder Ultrakurzpulslaser ermöglichen diese fortschrittliche Gravurmethode aufgrund ihrer hohen Spitzenleistung beim Fokussieren. Neben Zink kann diese hohe Helligkeit auch zum Gravieren anderer Materialien wie Kupfer und Keramik verwendet werden.
Der Algorithmus zum Scannen eines Bildlayout-Maschinenabtastsystems ist für viele hochauflösende 2D- (Druck-) Anwendungen und 3D-Anwendungen (Drucken) geeignet. Zum Beispiel Gravieren einer RFID Gravurrolle.
Gedruckte Elektronik ist eine aufkommende neue Technologie, und die hohe Präzision, die für elektronische Bauteile und Schaltkreise erforderlich ist, wird einen neuen Maßstab für die Genauigkeit und Gleichmäßigkeit der Druckausgabe setzen. Die meisten organischen oder anorganischen Tinten von Leitern und Halbleitern sind pastenartig, was sehr mühsam zu drucken ist.
Für eine gleichmäßige, nicht poröse Delaminierung dieser Tinten ist eine genaue Kontrolle der Zellgeometrie und der Oberflächentextur der Tiefdruckplatte entscheidend. Fig. 5C zeigt einen Gravurtest einer RFID-Tag-Antenne mit einer Konturbreite von nur 10 Mikron.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Lasertechnologie kombiniert digitale Bildgebungsverfahren, um den traditionellen Druckprozess zu verbessern und die Druckausgabeeffizienz, den Bildschirmbereich, die Genauigkeit und Qualität zu verbessern. Verschiedene Algorithmen können verwendet werden, um verschiedene Lasertypen zu verwenden. Unter Verwendung der Wellenform des modulierten Laserstrahls ist der Single-Shot-Einloch-SHC-Prozess derzeit der schnellste Prozess für den Tiefdruck und kann für eine Vielzahl von Substraten, Tinten und Drucken verwendet werden. Der neue Gravuralgorithmus mit Hochleistungs-TEM00-Quellen erweitert die Palette der Laserablationsverfahren auf eine Reihe von industriellen Anwendungen, wie Rasterwalzen für den großflächigen Materialtransfer, Hochpräzisions-Tiefdruck für gedruckte Elektronik und Einsatz in 3D-Druckwerkzeugen . Ultrakurzpulslaser werden in der Lage sein, die obigen Verfahren anzutreiben und zu verbessern, wenn sowohl die erforderliche Laserleistung als auch der neue Gravur-Reifungsalgorithmus erfüllt sind. Die Herausforderung für die Zukunft besteht darin, einen Pikosekunden-Ultrakurzpulslaser zu verwenden, um den Ablationsprozess zu optimieren.