將激光微構造技術用于制版
發布時間：2024-07-15 點擊：80
在工業凹版印版制作中，寬大的表面區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間內，以微米級精度有效地雕刻若干平方米的面積。激光在這一領域的應用有如下特點：加工率高，聚焦精確以及具備數字調制的優勢。由于精密度、可重復性、靈活性和生產率的提高，直接激光微構造技術正在取代傳統的凹版制版技術（例如用金剛石筆或化學蝕刻進行機械雕刻）。
旋轉型凹版印版由一個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穴，將印墨轉移到基底上（見圖1）。一層薄的鉻層可確保在劇烈研磨條件下印刷機仍具較長的使用壽命。通過使用刮刀，能夠確保只傳遞網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10平方米。當網屏分辨率為60～400線/厘米時，滾筒上的網穴數量通常為108～1010。為了在最經濟的時間內做好圖像處理，要求激光具有高脈沖重復率和高平均功率。
對于以熱光燒蝕為途徑的大規模微雕刻來說，最有效的方法是：采用一束脈沖激光光束，其單個激光脈沖創建一個完整的網穴。一種工作聚焦平均功率為500瓦、重復頻率為70千赫的調q nd:yag激光系統（參見圖3）能夠使鋅的體積燒蝕率達到1cm3/分鐘，面積燒蝕率達到0.1m2/分鐘。網穴的形狀由激光光束的強度波形決定。
half-autotypical網穴（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生，而傳統網穴（每一灰度值上深度變化直徑不變）通過使用平底波形產生（參見圖2）。網穴的大小取決于脈沖能量，通過使用聲光調制器由數字圖像數據組控制。范圍為25米到150米的直徑，可以定義圖像的網屏分辨率；范圍為1米到40米的深度，可以定義印刷點的灰度值。
熔料的熱傳導和熱對流必須減至最低限度。因此，daetwyler公司開發了一種附帶有機添加劑的特殊電鍍鋅材料，其熱傳導性比普通鋅結構更低。通過汽化燒蝕這種特殊鋅，熔化區域和毛刺可以被減至一層薄薄的沉積物（網穴周圍2～3米內）。[next]
整個滾筒表面通過一條連續的螺旋狀網穴軌道進行交替雕刻。當滾筒轉速達到20轉/秒時，加工頭以15～150微米/轉的橫移進給量，平行于滾筒軸線移動（取決于網屏分辨率）。網穴之間的網墻厚度在階調值最大時只有4～6微米。這要求光束照射滾筒的瞄準精度達到約1微米。
另一種方法是使用脈沖調制的高功率光纖激光器（平均功率500瓦），其脈沖重復頻率可調制范圍為30-100千赫。當頻率為35千赫時，每次脈沖上有更多能量，從而使得單次擊發能夠鉆出大網穴（如網屏為70線/厘米時直徑為140微米）。當頻率為100千赫時，每次脈沖上的能量變少，因而雕刻出小網穴（如網屏為400線/厘米時直徑為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電雕刻相比，這是一個關鍵的優勢。只要印刷工藝具備可預測性和可重復性，就能在滾筒整個寬度上保證雕刻的均勻性。正是因為高可重復率，單發單穴激光工藝大約比機電雕刻快10倍。
光束強度波形調制
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。油墨轉移的優化方法依賴于：基底表面（如粗糙度、油墨吸收能力）、油墨參數（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穴以達到最優。
除熱傳導和對流之外，網穴精確表示了激光光束的焦點強度波形。為了讓每個網穴都達到特定形狀，光束的立體強度波形是主動實時形成的，由圖像數據控制的頻率高達100千赫。這一立體調制技術的總體方案如圖4所示。
通過強度波形的主動調制以及每次激光脈沖能量的獨立變化，每一單網穴的形狀、直徑和深度都可以獨立決定。印版制作工藝中的這一新型網穴叫做超級halfautotypical網穴（shc），是halfautotypical網穴的延伸（半自動型網穴的深度和直徑是變化的，但不能獨立控制）。
shc調制使得一臺激光系統就能雕刻各種網穴（傳統的、autotypical、halfautotypical）。過去則需要不同的工藝（機電雕刻、化學蝕刻）。現在，能夠生成全新網穴形狀，從而為每種顏色%-階調值和印刷基底優化油墨轉移特性和適印性能。
戰略與應用
除了shc光束波形調制的“單發單穴”方法外，還可以通過疊加連續激光脈沖的方式來設計雕刻網穴，只不過光點直徑比要求的網穴尺寸小（比如光點直徑10～15微米，網穴尺寸100微米）。所形成網穴的形狀和內部結構有賴于調制、重疊以及激光脈沖的掃描方案（如圖像排版機掃描算法）。
連續波激光器是開關或灰階調制的，可以雕刻出細小的重疊條紋，形成菱形網穴。其優勢在于圖像的高分辨率（例如正向輸送步長為10微米時分辨率達到1000線/厘米，光點直徑為15～20 微米）。其劣勢在于生產能力的損耗，需要通過使用更高的調制頻率（約1兆赫）以及多光束雕刻頭來彌補。
由于其聚焦時的高峰值功率，高亮度光纖激光器（200～600瓦，連續波，脈沖調制）或者超短脈沖激光器能夠實現這種先進的雕刻方法。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。
圖像排版機掃描過程算法適用于許多高分辨率二維（印刷）應用和三維（印花）應用。例如雕刻rfid凹印輥。
印制電子技術是一項即將到來的新技術，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定新的基準。導體及半導體的有機或無機油墨大部分都是糊狀的，印刷起來很費勁。
對于這些油墨的均勻無孔分層來說，精確控制網穴幾何形狀和凹版印版的表面紋理是非常關鍵的。圖5c顯示了rfid標簽天線的雕刻試驗，輪廓線寬度只有10微米。
總結與展望
激光技術結合了數字成像方法，改進了傳統印刷制版工藝，提升了打印輸出的效率、網屏范圍、精確性和質量。可以運用相應的算法，利用不同的激光器類型。利用調制的激光光束波形，目前單發單穴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用范圍擴展至一系列的工業應用，如用于大面積材料轉印的網紋輥、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。當必需的激光功率以及新型雕刻成熟算法這兩個條件都滿足時，超短脈沖激光將能夠推動和改進上述方法。將來所面臨的挑戰將是：使用皮秒超短脈沖激光來優化燒蝕工藝。
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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10平方米。當網屏分辨率為60～400線/厘米時，滾筒上的網穴數量通常為108～1010。為了在最經濟的時間內做好圖像處理，要求激光具有高脈沖重復率和高平均功率。
對于以熱光燒蝕為途徑的大規模微雕刻來說，最有效的方法是：采用一束脈沖激光光束，其單個激光脈沖創建一個完整的網穴。一種工作聚焦平均功率為500瓦、重復頻率為70千赫的調q nd:yag激光系統（參見圖3）能夠使鋅的體積燒蝕率達到1cm3/分鐘，面積燒蝕率達到0.1m2/分鐘。網穴的形狀由激光光束的強度波形決定。
half-autotypical網穴（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生，而傳統網穴（每一灰度值上深度變化直徑不變）通過使用平底波形產生（參見圖2）。網穴的大小取決于脈沖能量，通過使用聲光調制器由數字圖像數據組控制。范圍為25米到150米的直徑，可以定義圖像的網屏分辨率；范圍為1米到40米的深度，可以定義印刷點的灰度值。
熔料的熱傳導和熱對流必須減至最低限度。因此，daetwyler公司開發了一種附帶有機添加劑的特殊電鍍鋅材料，其熱傳導性比普通鋅結構更低。通過汽化燒蝕這種特殊鋅，熔化區域和毛刺可以被減至一層薄薄的沉積物（網穴周圍2～3米內）。[next]
整個滾筒表面通過一條連續的螺旋狀網穴軌道進行交替雕刻。當滾筒轉速達到20轉/秒時，加工頭以15～150微米/轉的橫移進給量，平行于滾筒軸線移動（取決于網屏分辨率）。網穴之間的網墻厚度在階調值最大時只有4～6微米。這要求光束照射滾筒的瞄準精度達到約1微米。
另一種方法是使用脈沖調制的高功率光纖激光器（平均功率500瓦），其脈沖重復頻率可調制范圍為30-100千赫。當頻率為35千赫時，每次脈沖上有更多能量，從而使得單次擊發能夠鉆出大網穴（如網屏為70線/厘米時直徑為140微米）。當頻率為100千赫時，每次脈沖上的能量變少，因而雕刻出小網穴（如網屏為400線/厘米時直徑為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電雕刻相比，這是一個關鍵的優勢。只要印刷工藝具備可預測性和可重復性，就能在滾筒整個寬度上保證雕刻的均勻性。正是因為高可重復率，單發單穴激光工藝大約比機電雕刻快10倍。
光束強度波形調制
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。油墨轉移的優化方法依賴于：基底表面（如粗糙度、油墨吸收能力）、油墨參數（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穴以達到最優。
除熱傳導和對流之外，網穴精確表示了激光光束的焦點強度波形。為了讓每個網穴都達到特定形狀，光束的立體強度波形是主動實時形成的，由圖像數據控制的頻率高達100千赫。這一立體調制技術的總體方案如圖4所示。
通過強度波形的主動調制以及每次激光脈沖能量的獨立變化，每一單網穴的形狀、直徑和深度都可以獨立決定。印版制作工藝中的這一新型網穴叫做超級halfautotypical網穴（shc），是halfautotypical網穴的延伸（半自動型網穴的深度和直徑是變化的，但不能獨立控制）。
shc調制使得一臺激光系統就能雕刻各種網穴（傳統的、autotypical、halfautotypical）。過去則需要不同的工藝（機電雕刻、化學蝕刻）。現在，能夠生成全新網穴形狀，從而為每種顏色%-階調值和印刷基底優化油墨轉移特性和適印性能。
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對于這些油墨的均勻無孔分層來說，精確控制網穴幾何形狀和凹版印版的表面紋理是非常關鍵的。圖5c顯示了rfid標簽天線的雕刻試驗，輪廓線寬度只有10微米。
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