將激光微構(gòu)造技術(shù)用于制版
發(fā)布時(shí)間：2024-07-15 點(diǎn)擊：83
在工業(yè)凹版印版制作中，寬大的表面區(qū)域要求高度的空間分辨率。而印刷輥的快速工作流程周期要求在很短的時(shí)間內(nèi)，以微米級精度有效地雕刻若干平方米的面積。激光在這一領(lǐng)域的應(yīng)用有如下特點(diǎn)：加工率高，聚焦精確以及具備數(shù)字調(diào)制的優(yōu)勢。由于精密度、可重復(fù)性、靈活性和生產(chǎn)率的提高，直接激光微構(gòu)造技術(shù)正在取代傳統(tǒng)的凹版制版技術(shù)（例如用金剛石筆或化學(xué)蝕刻進(jìn)行機(jī)械雕刻）。
旋轉(zhuǎn)型凹版印版由一個(gè)均勻鍍銅或鍍鋅的鋼輥組成。圖像信息被雕刻到鍍銅或鍍鋅層里的微小網(wǎng)穴，將印墨轉(zhuǎn)移到基底上（見圖1）。一層薄的鉻層可確保在劇烈研磨條件下印刷機(jī)仍具較長的使用壽命。通過使用刮刀，能夠確保只傳遞網(wǎng)穴尺寸確定的油墨量。
凹版印刷滾筒長0.3～4.4米，圓周長0.3～2.2米，表面積可達(dá)10平方米。當(dāng)網(wǎng)屏分辨率為60～400線/厘米時(shí)，滾筒上的網(wǎng)穴數(shù)量通常為108～1010。為了在最經(jīng)濟(jì)的時(shí)間內(nèi)做好圖像處理，要求激光具有高脈沖重復(fù)率和高平均功率。
對于以熱光燒蝕為途徑的大規(guī)模微雕刻來說，最有效的方法是：采用一束脈沖激光光束，其單個(gè)激光脈沖創(chuàng)建一個(gè)完整的網(wǎng)穴。一種工作聚焦平均功率為500瓦、重復(fù)頻率為70千赫的調(diào)q nd:yag激光系統(tǒng)（參見圖3）能夠使鋅的體積燒蝕率達(dá)到1cm3/分鐘，面積燒蝕率達(dá)到0.1m2/分鐘。網(wǎng)穴的形狀由激光光束的強(qiáng)度波形決定。
half-autotypical網(wǎng)穴（深度和直徑在灰階上均可變）可以由高斯光束波形的激光產(chǎn)生，而傳統(tǒng)網(wǎng)穴（每一灰度值上深度變化直徑不變）通過使用平底波形產(chǎn)生（參見圖2）。網(wǎng)穴的大小取決于脈沖能量，通過使用聲光調(diào)制器由數(shù)字圖像數(shù)據(jù)組控制。范圍為25米到150米的直徑，可以定義圖像的網(wǎng)屏分辨率；范圍為1米到40米的深度，可以定義印刷點(diǎn)的灰度值。
熔料的熱傳導(dǎo)和熱對流必須減至最低限度。因此，daetwyler公司開發(fā)了一種附帶有機(jī)添加劑的特殊電鍍鋅材料，其熱傳導(dǎo)性比普通鋅結(jié)構(gòu)更低。通過汽化燒蝕這種特殊鋅，熔化區(qū)域和毛刺可以被減至一層薄薄的沉積物（網(wǎng)穴周圍2～3米內(nèi)）。[next]
整個(gè)滾筒表面通過一條連續(xù)的螺旋狀網(wǎng)穴軌道進(jìn)行交替雕刻。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到20轉(zhuǎn)/秒時(shí)，加工頭以15～150微米/轉(zhuǎn)的橫移進(jìn)給量，平行于滾筒軸線移動(dòng)（取決于網(wǎng)屏分辨率）。網(wǎng)穴之間的網(wǎng)墻厚度在階調(diào)值最大時(shí)只有4～6微米。這要求光束照射滾筒的瞄準(zhǔn)精度達(dá)到約1微米。
另一種方法是使用脈沖調(diào)制的高功率光纖激光器（平均功率500瓦），其脈沖重復(fù)頻率可調(diào)制范圍為30-100千赫。當(dāng)頻率為35千赫時(shí)，每次脈沖上有更多能量，從而使得單次擊發(fā)能夠鉆出大網(wǎng)穴（如網(wǎng)屏為70線/厘米時(shí)直徑為140微米）。當(dāng)頻率為100千赫時(shí)，每次脈沖上的能量變少，因而雕刻出小網(wǎng)穴（如網(wǎng)屏為400線/厘米時(shí)直徑為25微米）。
激光光束的操作是非接觸式的，與使用金剛石筆的機(jī)電雕刻相比，這是一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)勢。只要印刷工藝具備可預(yù)測性和可重復(fù)性，就能在滾筒整個(gè)寬度上保證雕刻的均勻性。正是因?yàn)楦呖芍貜?fù)率，單發(fā)單穴激光工藝大約比機(jī)電雕刻快10倍。
光束強(qiáng)度波形調(diào)制
印刷市場上有許多不同的基底材料（比如紙張或彈性箔），每種材料有著不同的表面特性。油墨轉(zhuǎn)移的優(yōu)化方法依賴于：基底表面（如粗糙度、油墨吸收能力）、油墨參數(shù)（如顏料的粘度或型號）、印版。對于每種不同情況，可以使用不同形狀的雕刻網(wǎng)穴以達(dá)到最優(yōu)。
除熱傳導(dǎo)和對流之外，網(wǎng)穴精確表示了激光光束的焦點(diǎn)強(qiáng)度波形。為了讓每個(gè)網(wǎng)穴都達(dá)到特定形狀，光束的立體強(qiáng)度波形是主動(dòng)實(shí)時(shí)形成的，由圖像數(shù)據(jù)控制的頻率高達(dá)100千赫。這一立體調(diào)制技術(shù)的總體方案如圖4所示。
通過強(qiáng)度波形的主動(dòng)調(diào)制以及每次激光脈沖能量的獨(dú)立變化，每一單網(wǎng)穴的形狀、直徑和深度都可以獨(dú)立決定。印版制作工藝中的這一新型網(wǎng)穴叫做超級halfautotypical網(wǎng)穴（shc），是halfautotypical網(wǎng)穴的延伸（半自動(dòng)型網(wǎng)穴的深度和直徑是變化的，但不能獨(dú)立控制）。
shc調(diào)制使得一臺激光系統(tǒng)就能雕刻各種網(wǎng)穴（傳統(tǒng)的、autotypical、halfautotypical）。過去則需要不同的工藝（機(jī)電雕刻、化學(xué)蝕刻）?，F(xiàn)在，能夠生成全新網(wǎng)穴形狀，從而為每種顏色%-階調(diào)值和印刷基底優(yōu)化油墨轉(zhuǎn)移特性和適印性能。
戰(zhàn)略與應(yīng)用
除了shc光束波形調(diào)制的“單發(fā)單穴”方法外，還可以通過疊加連續(xù)激光脈沖的方式來設(shè)計(jì)雕刻網(wǎng)穴，只不過光點(diǎn)直徑比要求的網(wǎng)穴尺寸?。ū热绻恻c(diǎn)直徑10～15微米，網(wǎng)穴尺寸100微米）。所形成網(wǎng)穴的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有賴于調(diào)制、重疊以及激光脈沖的掃描方案（如圖像排版機(jī)掃描算法）。
連續(xù)波激光器是開關(guān)或灰階調(diào)制的，可以雕刻出細(xì)小的重疊條紋，形成菱形網(wǎng)穴。其優(yōu)勢在于圖像的高分辨率（例如正向輸送步長為10微米時(shí)分辨率達(dá)到1000線/厘米，光點(diǎn)直徑為15～20 微米）。其劣勢在于生產(chǎn)能力的損耗，需要通過使用更高的調(diào)制頻率（約1兆赫）以及多光束雕刻頭來彌補(bǔ)。
由于其聚焦時(shí)的高峰值功率，高亮度光纖激光器（200～600瓦，連續(xù)波，脈沖調(diào)制）或者超短脈沖激光器能夠?qū)崿F(xiàn)這種先進(jìn)的雕刻方法。除了鋅之外，這種高亮度同樣能夠用于雕刻其他材料，比如銅和陶瓷。
圖像排版機(jī)掃描過程算法適用于許多高分辨率二維（印刷）應(yīng)用和三維（印花）應(yīng)用。例如雕刻rfid凹印輥。
印制電子技術(shù)是一項(xiàng)即將到來的新技術(shù)，電子元件和電路要求的高精度將為打印輸出的精確性和均勻性設(shè)定新的基準(zhǔn)。導(dǎo)體及半導(dǎo)體的有機(jī)或無機(jī)油墨大部分都是糊狀的，印刷起來很費(fèi)勁。
對于這些油墨的均勻無孔分層來說，精確控制網(wǎng)穴幾何形狀和凹版印版的表面紋理是非常關(guān)鍵的。圖5c顯示了rfid標(biāo)簽天線的雕刻試驗(yàn)，輪廓線寬度只有10微米。
總結(jié)與展望
激光技術(shù)結(jié)合了數(shù)字成像方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)印刷制版工藝，提升了打印輸出的效率、網(wǎng)屏范圍、精確性和質(zhì)量?？梢赃\(yùn)用相應(yīng)的算法，利用不同的激光器類型。利用調(diào)制的激光光束波形，目前單發(fā)單穴shc工藝是用于凹版的速度最快的工藝，可用于各種基底、油墨和印刷。使用高功率tem00源的新型雕刻算法，將激光燒蝕方法的應(yīng)用范圍擴(kuò)展至一系列的工業(yè)應(yīng)用，如用于大面積材料轉(zhuǎn)印的網(wǎng)紋輥、用于印刷電子的高精度凹版印刷圖案以及用于三維印花工具。當(dāng)必需的激光功率以及新型雕刻成熟算法這兩個(gè)條件都滿足時(shí)，超短脈沖激光將能夠推動(dòng)和改進(jìn)上述方法。將來所面臨的挑戰(zhàn)將是：使用皮秒超短脈沖激光來優(yōu)化燒蝕工藝。
首個(gè)自愈合彈性半導(dǎo)體問世：電腦可以穿在身上
綠色印刷產(chǎn)品正在逐漸深入人心
紫光DQB404型騎馬訂書機(jī)
門頭燈箱有一個(gè)字不亮了，是壞了，還是有意為之？
印刷 4.0對印刷業(yè)不僅僅是一個(gè)生產(chǎn)理念！
美知名噴墨材料供應(yīng)商提高產(chǎn)能
印后包裝技術(shù)：防銹防蝕原理介紹
3D打印離“飛入尋常百姓家”還有多遠(yuǎn)？
旋轉(zhuǎn)型凹版印版由一個(gè)均勻鍍銅或鍍鋅的鋼輥組成。圖像信息被雕刻到鍍銅或鍍鋅層里的微小網(wǎng)穴，將印墨轉(zhuǎn)移到基底上（見圖1）。一層薄的鉻層可確保在劇烈研磨條件下印刷機(jī)仍具較長的使用壽命。通過使用刮刀，能夠確保只傳遞網(wǎng)穴尺寸確定的油墨量。
凹版印刷滾筒長0.3～4.4米，圓周長0.3～2.2米，表面積可達(dá)10平方米。當(dāng)網(wǎng)屏分辨率為60～400線/厘米時(shí)，滾筒上的網(wǎng)穴數(shù)量通常為108～1010。為了在最經(jīng)濟(jì)的時(shí)間內(nèi)做好圖像處理，要求激光具有高脈沖重復(fù)率和高平均功率。
對于以熱光燒蝕為途徑的大規(guī)模微雕刻來說，最有效的方法是：采用一束脈沖激光光束，其單個(gè)激光脈沖創(chuàng)建一個(gè)完整的網(wǎng)穴。一種工作聚焦平均功率為500瓦、重復(fù)頻率為70千赫的調(diào)q nd:yag激光系統(tǒng)（參見圖3）能夠使鋅的體積燒蝕率達(dá)到1cm3/分鐘，面積燒蝕率達(dá)到0.1m2/分鐘。網(wǎng)穴的形狀由激光光束的強(qiáng)度波形決定。
half-autotypical網(wǎng)穴（深度和直徑在灰階上均可變）可以由高斯光束波形的激光產(chǎn)生，而傳統(tǒng)網(wǎng)穴（每一灰度值上深度變化直徑不變）通過使用平底波形產(chǎn)生（參見圖2）。網(wǎng)穴的大小取決于脈沖能量，通過使用聲光調(diào)制器由數(shù)字圖像數(shù)據(jù)組控制。范圍為25米到150米的直徑，可以定義圖像的網(wǎng)屏分辨率；范圍為1米到40米的深度，可以定義印刷點(diǎn)的灰度值。
熔料的熱傳導(dǎo)和熱對流必須減至最低限度。因此，daetwyler公司開發(fā)了一種附帶有機(jī)添加劑的特殊電鍍鋅材料，其熱傳導(dǎo)性比普通鋅結(jié)構(gòu)更低。通過汽化燒蝕這種特殊鋅，熔化區(qū)域和毛刺可以被減至一層薄薄的沉積物（網(wǎng)穴周圍2～3米內(nèi)）。[next]
整個(gè)滾筒表面通過一條連續(xù)的螺旋狀網(wǎng)穴軌道進(jìn)行交替雕刻。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到20轉(zhuǎn)/秒時(shí)，加工頭以15～150微米/轉(zhuǎn)的橫移進(jìn)給量，平行于滾筒軸線移動(dòng)（取決于網(wǎng)屏分辨率）。網(wǎng)穴之間的網(wǎng)墻厚度在階調(diào)值最大時(shí)只有4～6微米。這要求光束照射滾筒的瞄準(zhǔn)精度達(dá)到約1微米。
另一種方法是使用脈沖調(diào)制的高功率光纖激光器（平均功率500瓦），其脈沖重復(fù)頻率可調(diào)制范圍為30-100千赫。當(dāng)頻率為35千赫時(shí)，每次脈沖上有更多能量，從而使得單次擊發(fā)能夠鉆出大網(wǎng)穴（如網(wǎng)屏為70線/厘米時(shí)直徑為140微米）。當(dāng)頻率為100千赫時(shí)，每次脈沖上的能量變少，因而雕刻出小網(wǎng)穴（如網(wǎng)屏為400線/厘米時(shí)直徑為25微米）。
激光光束的操作是非接觸式的，與使用金剛石筆的機(jī)電雕刻相比，這是一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)勢。只要印刷工藝具備可預(yù)測性和可重復(fù)性，就能在滾筒整個(gè)寬度上保證雕刻的均勻性。正是因?yàn)楦呖芍貜?fù)率，單發(fā)單穴激光工藝大約比機(jī)電雕刻快10倍。
光束強(qiáng)度波形調(diào)制
印刷市場上有許多不同的基底材料（比如紙張或彈性箔），每種材料有著不同的表面特性。油墨轉(zhuǎn)移的優(yōu)化方法依賴于：基底表面（如粗糙度、油墨吸收能力）、油墨參數(shù)（如顏料的粘度或型號）、印版。對于每種不同情況，可以使用不同形狀的雕刻網(wǎng)穴以達(dá)到最優(yōu)。
除熱傳導(dǎo)和對流之外，網(wǎng)穴精確表示了激光光束的焦點(diǎn)強(qiáng)度波形。為了讓每個(gè)網(wǎng)穴都達(dá)到特定形狀，光束的立體強(qiáng)度波形是主動(dòng)實(shí)時(shí)形成的，由圖像數(shù)據(jù)控制的頻率高達(dá)100千赫。這一立體調(diào)制技術(shù)的總體方案如圖4所示。
通過強(qiáng)度波形的主動(dòng)調(diào)制以及每次激光脈沖能量的獨(dú)立變化，每一單網(wǎng)穴的形狀、直徑和深度都可以獨(dú)立決定。印版制作工藝中的這一新型網(wǎng)穴叫做超級halfautotypical網(wǎng)穴（shc），是halfautotypical網(wǎng)穴的延伸（半自動(dòng)型網(wǎng)穴的深度和直徑是變化的，但不能獨(dú)立控制）。
shc調(diào)制使得一臺激光系統(tǒng)就能雕刻各種網(wǎng)穴（傳統(tǒng)的、autotypical、halfautotypical）。過去則需要不同的工藝（機(jī)電雕刻、化學(xué)蝕刻）?，F(xiàn)在，能夠生成全新網(wǎng)穴形狀，從而為每種顏色%-階調(diào)值和印刷基底優(yōu)化油墨轉(zhuǎn)移特性和適印性能。
戰(zhàn)略與應(yīng)用
除了shc光束波形調(diào)制的“單發(fā)單穴”方法外，還可以通過疊加連續(xù)激光脈沖的方式來設(shè)計(jì)雕刻網(wǎng)穴，只不過光點(diǎn)直徑比要求的網(wǎng)穴尺寸?。ū热绻恻c(diǎn)直徑10～15微米，網(wǎng)穴尺寸100微米）。所形成網(wǎng)穴的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有賴于調(diào)制、重疊以及激光脈沖的掃描方案（如圖像排版機(jī)掃描算法）。
連續(xù)波激光器是開關(guān)或灰階調(diào)制的，可以雕刻出細(xì)小的重疊條紋，形成菱形網(wǎng)穴。其優(yōu)勢在于圖像的高分辨率（例如正向輸送步長為10微米時(shí)分辨率達(dá)到1000線/厘米，光點(diǎn)直徑為15～20 微米）。其劣勢在于生產(chǎn)能力的損耗，需要通過使用更高的調(diào)制頻率（約1兆赫）以及多光束雕刻頭來彌補(bǔ)。
由于其聚焦時(shí)的高峰值功率，高亮度光纖激光器（200～600瓦，連續(xù)波，脈沖調(diào)制）或者超短脈沖激光器能夠?qū)崿F(xiàn)這種先進(jìn)的雕刻方法。除了鋅之外，這種高亮度同樣能夠用于雕刻其他材料，比如銅和陶瓷。
圖像排版機(jī)掃描過程算法適用于許多高分辨率二維（印刷）應(yīng)用和三維（印花）應(yīng)用。例如雕刻rfid凹印輥。
印制電子技術(shù)是一項(xiàng)即將到來的新技術(shù)，電子元件和電路要求的高精度將為打印輸出的精確性和均勻性設(shè)定新的基準(zhǔn)。導(dǎo)體及半導(dǎo)體的有機(jī)或無機(jī)油墨大部分都是糊狀的，印刷起來很費(fèi)勁。
對于這些油墨的均勻無孔分層來說，精確控制網(wǎng)穴幾何形狀和凹版印版的表面紋理是非常關(guān)鍵的。圖5c顯示了rfid標(biāo)簽天線的雕刻試驗(yàn)，輪廓線寬度只有10微米。
總結(jié)與展望
激光技術(shù)結(jié)合了數(shù)字成像方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)印刷制版工藝，提升了打印輸出的效率、網(wǎng)屏范圍、精確性和質(zhì)量?？梢赃\(yùn)用相應(yīng)的算法，利用不同的激光器類型。利用調(diào)制的激光光束波形，目前單發(fā)單穴shc工藝是用于凹版的速度最快的工藝，可用于各種基底、油墨和印刷。使用高功率tem00源的新型雕刻算法，將激光燒蝕方法的應(yīng)用范圍擴(kuò)展至一系列的工業(yè)應(yīng)用，如用于大面積材料轉(zhuǎn)印的網(wǎng)紋輥、用于印刷電子的高精度凹版印刷圖案以及用于三維印花工具。當(dāng)必需的激光功率以及新型雕刻成熟算法這兩個(gè)條件都滿足時(shí)，超短脈沖激光將能夠推動(dòng)和改進(jìn)上述方法。將來所面臨的挑戰(zhàn)將是：使用皮秒超短脈沖激光來優(yōu)化燒蝕工藝。
首個(gè)自愈合彈性半導(dǎo)體問世：電腦可以穿在身上
綠色印刷產(chǎn)品正在逐漸深入人心
紫光DQB404型騎馬訂書機(jī)
門頭燈箱有一個(gè)字不亮了，是壞了，還是有意為之？
印刷 4.0對印刷業(yè)不僅僅是一個(gè)生產(chǎn)理念！
美知名噴墨材料供應(yīng)商提高產(chǎn)能
印后包裝技術(shù)：防銹防蝕原理介紹
3D打印離“飛入尋常百姓家”還有多遠(yuǎn)？