脉冲光纤激光器在精密印刷制辊行业中的应用

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摘要：随着现代柔性印刷技术向更高印刷质量的要求发展，对柔性印刷机的核心部件----网纹辊的制作提出了非常高的要求，以前采用的CO2，Nd:YAG激光制作网纹辊已经出现了其固有的局限性，限制了网纹辊向更高精度的方向发展；脉冲光纤激光器的出现，以其独一无二的性能，解除了这种限制。    网纹辊是柔性印刷机的核心部分，主要的应用场合有宽幅柔版印刷机、窄幅柔版印刷机、凹板机、上光机、涂布机、瓦楞纸箱印刷机及其它印刷机等。如何生产出高质量的网纹辊，如何使网纹辊的几何尺寸精度，耐磨性，耐蚀性，载墨量，释墨量，使用寿命等达到很高的要求，而使其能满足向印刷版定时，场匀地供应油墨的要求，将直接关系到印刷品的质量。而选择网纹辊的加工生产方式对网纹辊的质量起决定性的作用。    目前生产网纹辊的方法有两种，一种是机械加工的方法，一种是传统的激光加工的方法，现分别介绍如下：一、机械加工的方法：机械加工的方法主要是对金属辊体进行加工，对高硬度的陶瓷辊则因为辊的高硬度问题致使加工速度非常慢，对加工的器具的要求非常高而无法进行加工，而且加工出来的辊精度很差，线数受限（指每英寸长度上网孔的数量），无法适应对印刷上多品种及对印刷质量的越来越高的要求，主要应用于稍大的纸箱或塑料的印刷加工和涂布。机械加工主要有3种方法：    1、直接用机床加工，在金属辊上车出纹路或用钻床钻出网孔。这种方法加工的精度低，加工速度慢，是一种比较落后的处于被淘汰的加工方式，但被国内厂家大量采用。　　2、滚压法制金属网纹辊：是在已加工好的金属辊体上，用专用的滚压工具在辊面上滚压出所需的网穴，然后再对辊面镀铬，以提高耐磨性和耐蚀性，此法存在的问题是：　　1）镀铬层的硬度不够高，耐磨性不够好，一根金属网纹辊一般只能使用一个多月至三个月，换辊很频繁，影响正常生产，生产成本很高。　　2）用滚压方法，滚压工具上必须制作出许许多多凸出的硬压头，每个压头应有较大的锥度，才能使之顺利压入和退出金属辊面，因此辊面上所形成的网孔的锥度相应也比较大，处于锥尖端的油墨不容易传出，一旦此处的油墨干枯，并渐扩大，就会堵塞网孔，使网纹辊失去传墨的能力。 　　3）每种不同的辊需要换不同的压头，影响加工速度，滚压工具上的硬压头，而且用机械的制作方法不可能做得很细小，排列得非常密，因此金属网纹辊的线数不可能做得比较高。一般仅为200L/in，难以满足印刷上多品种及高印刷质量的要求。3、电子雕刻金属网纹辊，主要问题也是速度慢，成本高，线数受限（500L/in），难以满足高印刷质量的要求。二、传统激光制辊技术激光雕刻网纹辊技术是以高功率密度激光束作用在网纹辊的表面上直接雕刻出网纹的一种先进应用技术。整个生产工序涉及到激光微加工技术、计算机控制技术、高精度检测及机械精密加工技术等领域的高新技术，是多学科的高科技产品。对比机械加工网纹辊，它的优点是非接触性加工，既能加工金属辊，又能加工像陶瓷等高硬度的辊，而且通过数控系统改变控制参数，能非常方便的加工各种不同型号、不同大小、不同孔型的产品，即能进行柔性加工；具有孔形清晰、传墨量可选、耐磨等特点。传统激光加工的方法有如下两种。1、CO2激光雕刻网纹辊：为了提高制辊速度，并可以进行柔性制辊，可以利用激光的高能量，高单色性，高方向性配以高精度，高性能的数控机床，来对金属辊进行加工。为了提高金属网纹辊的的耐磨性，在金属辊体上喷涂一层陶瓷层，制成陶瓷辊，因为陶瓷的硬度很高，所有耐磨性大大提高。这时用机械方法已无法雕刻这么硬的辊子，必须用激光方法才能雕刻。用此法生产的陶瓷网纹辊的耐磨性能比金属网纹辊提高很多，是网纹辊的主要发展方向。用激光加工金属网纹辊与陶瓷网纹辊，目前使用最多的是CO2气体激光雕刻，能满足中低档纸箱印刷的基本需要，可印刷全色调及较粗的文字，但这种方法仍存在很大的问题，表现在：　　1）CO2激光的波长较长，其波长为10.6微米，聚焦后光斑比较大，因此适用于雕刻网孔比较大，网孔排列不太密的网纹辊，即线数不太高的网纹辊，此类型的有效网线约为80－300lpi。　　2）CO2激光在雕刻陶瓷时， CO2激光的峰值功率密度与能量密度还不是很高，在雕刻时，部分陶瓷材料气化，还有部分陶瓷材料仍处于熔覆状态，在网孔内壁不可避免地留下了岩浆状的表面，容易引起油墨或水墨的堵塞；而且因为金属对长波长的CO2激光的反射率很高，因此对金属辊的加工也不是很合适，对激光要求的功率较高，增加相应的运行成本。　3）较大功率的CO2激光器，结构较复杂，体积较大，运行时需消耗氦气、氮气、CO2、所以运行费用较大，相应的生产成本较高。　　2 、Nd:YAG激光雕刻网纹辊：　　用Nd:YAG激光雕刻网纹辊，因为YAG激光器的波长为1.06微米，通过聚焦后光斑的大小可以减小到CO2激光器的十分之一，提高了功率密度，但因光束模式不好，聚焦后光斑还是较大，也使加工的线数只能提高到600---800线左右。在加工金属辊时克服因CO2激光对金属材料的高反射率问题，在加工陶瓷辊时克服了网孔和网墙残存陶瓷熔融物造成网孔轮廓不够清晰和辊面不够平整的问题，使激光雕刻之后无需再精整加工。YAG激光技术的出现使网线数及网孔清晰度得到了一定的改善，可以配合清晰度稍高的柔版印刷。但是用Nd:YAG激光雕刻网纹辊也存在相应的问题，主要表现在：输出功率不稳定，不能长期连续运行，使其较难控制整个网纹辊的网孔形状的一致性，易引起不同部位的供墨量不平均，因而制约其在精细雕刻中的使用。1） 因为几十及上百瓦量级的Nd:YAG激光器都是多模激光器，激光光束质量较差，光斑形状不好，因而雕刻出来的网孔质量不是很理想；而且其激光输出的是多模光束限制了聚焦的光斑不能更小。这两方面的因素同样限制了其在精细雕刻中的应用。 由于YAG激光器的转换效率非常低，不超过3%，可靠性低，维护周期短（几百小时需维护一次），造成用户使用时的运行成本如电费、维护费用非常高，不能24小时连续运行，对精密制辊是一个致命的缺陷。　　三．脉冲光纤激光器的特点及其在网纹辊中的应用高档柔版印刷技术日益向精细、高清晰方向发展，因而对陶瓷网纹辊的技术要求越来越高，需要高强度、高线数、网孔质地均一、墨量足够且稳定、寿命长久的新型激光网纹辊。世界上最先进的激光器高功率脉冲光纤激光器20瓦脉冲的出现，为高性能网纹辊的制作提供最理想的激光光源，主要体现在：4m3m极其优异的接近衍射极限的光束质量，标准的TEM00单模输出，输出波长为1.06微米，单脉冲能量1MJ，准直后光束直径10mm，M2