包裝印刷柔性印版7mm厚度版輥的設計探索

文 李繼鴻

引言

目前在包裝印刷中，柔性版印刷技術因其環(huán)保特性以及輕印刷壓力的特點，逐漸成為了不同種類產(chǎn)品外包裝印刷的首選方式，相對于目前產(chǎn)品外包裝常用的膠版印刷工藝的印版來說，柔性版印刷工藝的印版較為柔軟，在與包裝材料接觸時，不會因為印刷壓力過大而破壞包裝，并且其印版的耐印率較高，能夠大大節(jié)約印刷成本。柔性版版材因其自身的柔軟特性，在印刷過程中與承印物接觸時，版材會發(fā)生一定程度的接觸彈性形變，其形變越大，越會增大多色印刷時的套印難度，進而影響印刷質(zhì)量的穩(wěn)定性。版材的厚度直接會影響其本身的硬度、耐印率以及材質(zhì)的回彈性。一般情況下，柔印版版材越薄、其硬度就越大，壓印時的變形系數(shù)就越小，壓印回彈性也就越小，網(wǎng)點擴大也較小，圖像層次再現(xiàn)度越高，也越能夠?qū)崿F(xiàn)四色及多色印刷的高質(zhì)量印刷效果。反之，柔印版材越厚，硬度就越小，壓印時的變形就越大，壓印回彈性越大，與承印物的接觸越均勻，印刷出的墨色也均勻，但圖像層次再現(xiàn)性較差，且網(wǎng)點擴大較為顯著，不利于四色及多色印刷的套印，從而越難以控制印刷品的印刷質(zhì)量。但隨著液體感光樹脂版的出現(xiàn)，柔性版工藝的印版版材的厚度向著越來越薄的趨勢發(fā)展，硬度也相應提高。薄型印版降低了圖像的凸起高度，因此在印刷時變形極小，從而在一定程度上增加了復制圖像時的寬容度和穩(wěn)定性，降低了多色印刷的印版定位難度，增大了套印準確度，并且新型的薄型版材也適用于瓦楞紙預印，瓦楞紙板印刷，飲料盒、折疊紙盒及其他軟包裝材料等承印物。目前市面上的柔性版版材一般厚度在3～18mm，而液體感光樹脂版的厚度一般在3～7mm左右，這個尺寸的厚度薄板是否擁有較好的印刷適性還存在一定的異議，而柔性版印刷品的印刷質(zhì)量主要由印刷過程中的印刷壓力變化決定，因此，本文從印刷壓力的角度來探索7mm柔性版版材的印刷適性。

影響柔性版印刷壓力的因素

柔性版印刷屬于輕壓力印刷的范疇，在整個印刷過程中印版與承印材料的接觸壓應力非常小，印刷壓力的變化會直接對印刷品質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，因此在印刷過程中壓力控制非常重要，它能夠直接決定印刷的質(zhì)量。而決定柔性版印刷壓力的關鍵部件則是印版版輥，根據(jù)印刷要求要保證其在高速工作運轉(zhuǎn)的情況下，沿著輥面的跳動控制在一定范圍以內(nèi)。一般情況下制作好的整個印版厚度誤差應該控制在0．01～0．02mm之內(nèi)，印刷壓力的進給量即印版的壓縮量控制在0．1mm以內(nèi)，網(wǎng)版進給在0．05mm以內(nèi)。目前在柔性版印刷中造成印刷壓力變動的主要因素有：

1．版輥左右壓力變化引起的軸承徑向游隙的變化，反應到輥子上為輥面跳動的變化，進而引起印刷壓力的波動。這主要是由于樹脂版厚度誤差、版輥支撐軸兩側(cè)剛度不均造成的。

2．版輥的動平衡不當引起。由于柔印版輥受到材料質(zhì)量、加工技術和裝配誤差等因數(shù)的影響，版輥上的質(zhì)量分布與中心線不可能絕對地軸對稱，因此不可能做到絕對平衡，版輥質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心線之間總是有偏心距存在，這就使得版輥旋轉(zhuǎn)時形成周期性離心力干擾，在軸承上產(chǎn)生動載荷，進而引起支座的振動，根據(jù)后續(xù)的計算可知，如果柔印版輥兩端支撐為剛性，在300m/min的工作速度下離心力對輥子的表面跳動影響很小，可以忽咯，但會對彈性支座產(chǎn)生動載荷，如果支座剛度差，則會使棍子跳動增加。

3．版輥中心不對中，其原因有由于動力側(cè)與操作側(cè)熱膨脹的作用效果不同、絲杠傳動系統(tǒng)未鎖緊、聯(lián)軸器與版滾連接的對中差以及絲杠本身支撐剛性差等。

4．由于樹脂版為彈性物質(zhì)并且存在版間間隙，在印刷時版間間隙在空隙處釋放接觸壓力，使得版輥兩側(cè)壓力發(fā)生變化，從而使版輥承受高頻的瞬時沖擊力，由于軸承支撐游隙的存在，會引起版輥旋轉(zhuǎn)的震蕩，由于支撐的非線性以及支撐動剛度的變化，使旋轉(zhuǎn)非常復雜，本文不進行這方面的分析，結(jié)合以前的試機經(jīng)驗，軸承的游隙控制在0．01～0．02mm內(nèi)較合適。

5．版輥為剛性轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)下自身的共振，以及壓印沖擊力載荷下的振動響應。

除了上述涉及支撐、對中誤差等因數(shù)的影響外，柔印版版輥本身不同結(jié)構(gòu)的剛度；離心力和動不平衡附加力對版輥變形影響；印版固有的頻率；印刷時的壓印力都是造成柔性版印刷壓力的主要因素，本文為了簡化模型，只針對以上與柔性版版輥相關的客觀因素進行探索研究。

圖1 柔性版版輥計算結(jié)構(gòu)圖

表1 版輥結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

柔性版版輥對印刷壓力的影響探索分析

柔印版版輥剛度計算分析

本次計算模型版輥結(jié)構(gòu)采用熱軋（擠壓擴）無縫鋼管作為主體材料，在版輥主體上包裹液態(tài)感光樹脂材料，形成完整的柔性印刷版輥，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

選取版輥規(guī)格根據(jù)GB/T8162-1987（無縫鋼管尺寸規(guī)格）和GB/T8162-1999 （結(jié)構(gòu)用無縫鋼管的尺寸偏差），最終確定選用規(guī)格為外徑φ152的無縫鋼管為主體，其柔性版材壁厚與版輥結(jié)構(gòu)選取如下表1所示。

根據(jù)查表得碳鋼密度一般在7．3～7．85T/m3，碳鋼彈性模量E=196～206Gpa，泊松比為υ=0．3，本次實驗為保證數(shù)據(jù)的優(yōu)化性，選取碳鋼密度最大數(shù)值7．3T/m3，彈性模量最小值206GPa進行計算。樹脂版的主要材料為環(huán)氧樹脂，其常溫固化后的彈性模量約1GPa，泊松比為υ=0．38，因樹脂版還含有光引發(fā)劑、阻聚劑等所以計算彈性模量假設用20Gpa，泊松比為0．38進行計算。計算結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 壁厚7mmh和18.25mm沿著軸向重力方向的位移圖

圖3 壁厚與重力方向的最大位移關系圖

圖4 一階固有頻率與壁厚的關系圖

上述數(shù)據(jù)計算結(jié)果，分別采用7mm的薄壁印版和18．5mm的常規(guī)印版進行比較分析計算，從計算結(jié)果可以看出薄壁印版的滾筒形變偏小，但是變形的趨勢相同，這就說明版輥壁厚在7～18．5mm間，版輥在兩端支撐下剛度隨著壁厚變小而變大，另一方面，一階固有頻率的提高也說明這個問題（上述結(jié)果為兩端支撐重力載荷下）。

版滾離心力和動不平衡量影響

當模擬版輥轉(zhuǎn)速為300m/min，旋轉(zhuǎn)直徑取版輥直徑146．5mm，動不平衡質(zhì)量為10kg作用在印版滾筒表面即距旋轉(zhuǎn)中心為版滾半徑。假設版輥為兩端剛性支撐，模擬應力云圖如下：

圖5 純重力載荷下不同厚度印版壓力云圖

圖6 重力和離心力組合載荷作用不同厚度印版壓力云圖

從圖5與圖6的比較可以看出，在工作轉(zhuǎn)速上，離心力和附加力對版輥應力和變形幾乎不起作用。因此可以確定在不同厚度的柔性印刷版并不會受到版滾離心力和動不平衡量的影響，使得自身的版輥應力和變形發(fā)生變化。

版輥固有頻率的影響

版輥固有頻率與其支撐剛度、材料密度、版輥結(jié)構(gòu)、約束等因數(shù)有關，剛性輥子在其非共振頻率下工作，其支撐剛度越大，固有頻率越高，動態(tài)響應越小，在實際生產(chǎn)運行中，其輥軸的支撐為彈性支撐（包括軸承和支座），其原理結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 計算加載示意圖

柔性印版滾筒是在版輥軸頭處通過4個彈簧固定，彈簧的剛度設定為其支撐的剛度，根據(jù)參考文獻，一般軸承剛度取值在1．10＊107～108N/m之間，為了簡便計算，實驗取值軸承剛度為1．10＊107N/m。計算7mm厚度的柔性版印版滾筒，其一階固有頻率頻率1330．32Hz，二階頻率53．69Hz；18．5mm厚度的柔性版印版其一階固有頻率頻率為1740．54Hz，二階頻率47．36Hz。通過比較發(fā)現(xiàn)，當印版厚度降低后，印版自身的固有頻率都會變低，但是根據(jù)多次計算在印版滾筒正常工作的轉(zhuǎn)速范圍不可能發(fā)生共振。

印刷壓力、網(wǎng)紋輥壓力對版輥輥筒受力的影響

在模擬柔印版印刷時，印版滾筒、網(wǎng)紋輥以及對版滾筒三者之間合壓印刷，使印版滾筒受到壓力產(chǎn)生形變，在此次模擬實驗中，計算時樹脂版的壓縮量最大取0．1mm，假設樹脂版材料彈性模量E=20Gpa，對壁厚為7mm和18．5mm的柔性印版進行合壓后的印壓力和版滾壓縮量進行比較分析，討論結(jié)構(gòu)變化后對印刷質(zhì)量的影響，結(jié)果如下圖8所示。

圖8 7mm和18.5mm版輥接觸位移及版輥面壓縮量對比圖

圖8上面曲線為印版壁厚為7mm和18．5mm的版滾在進給量為0．1mm時樹脂版的接觸處的位移圖，下面曲線則為沿著版輥輥面樹脂版壓縮量的變化量，從圖中可以看出，沿輥面樹脂版壓縮量7mm印版最大有0．019324mm不均勻量，而18．5mm印版壓縮不均量有0．01723mm。通過實驗得出，在給不同厚度的柔性印版相同的壓縮量的情況下，7mm厚度樹脂版的接觸變形與18．5mm厚度樹脂版差距不大，而且其接觸變形的變化趨勢與18．5mm厚度樹脂版一致，對整體印刷質(zhì)量的影響可以忽略不計。

結(jié)論

通過7mm厚度柔性版的版輥與目前生產(chǎn)上所用的18．5mm厚度版輥的各方面印刷壓力變化計算結(jié)果比較分析得出：包裝印刷柔性版版輥在壁厚變薄后，其剛度相應增加，同時在版輥固有振動頻率優(yōu)于厚壁印版，接觸壓力變形稍差于厚壁，但兩者之間僅為0．002mm，這并不影響包裝印刷品的印刷質(zhì)量。

因此，從客觀的版輥本身性能方面來說7mm厚度的柔性版印版與常用的18．5mm厚度的柔性印版性能差異不大，完全能夠滿足包裝印刷品的印刷質(zhì)量要求。