油墨黏度標準化:標籤及軟包裝印刷的重要控制手段



儘管印刷設備的品質控制及自動化程度越來越高,油墨黏度做為一個重要的印刷作業參數,仍常使用油墨杯及落球黏度計等不精確的方式測量,並採用「杯-秒」(即油墨在多少時間內、在幾號杯裡流完)的傳統方式來計量。


實際上,油墨黏度是影響最終印刷品質的重要因素,需要特別關注:


- 錯誤的油墨黏度將改變油墨的流動性及墨層厚度,也導致印刷品質發生變化


- 不合適的油墨黏度可能導致油墨損耗大、成本高


- 自動化的油墨黏度監控系統可以減少浪費並提高效率


雖然現在有不同的油墨黏度連線監控解決方案,但敏感度、適用情況、計量原理各異,本文將比較各種方案的優劣以及使用穩定可靠、易清洗感應器的好處。藉由這些感應器的幫助,印刷操作人員可以對色彩及印刷系統進行即時、自動化及動態的控制,實現印刷全過程的有效監控。


 

控制 = 效率


印刷品質是最重要的目標!在日益激烈的競爭中,利潤越來越微薄,因質量問題被客戶退貨將造成聲譽及利潤上的雙重打擊。退貨可能意味成噸的材料報廢!


油墨黏度控制的首要目標是確保印刷過程從頭到尾的品質水準,無論多少印量及複雜度。其次是印刷效率的提高,自調機開始,保證每個色站油墨黏度的工作狀態,就可以快速切換工作,保持設備的運轉,減少停機。要達成這些目標需要一套系統,其中最關鍵的,是能準確並重複提供油墨黏度計量的感應器,這樣才能印出準確並穩定的顏色。同時也需要可持續監控並及時調整油墨黏度的自動控制系統,還要把現場溫度及溶劑揮發率等環境變數考慮進去。


圖 1 配備自動油墨黏度控制系統的印刷主控台


 

準確度


油墨黏度杯是種常見的黏度測量工具,但並不符合標準化要求,測量區間較小且存在較大的誤差(大約 5~10 %)。誤差的產生跟量杯本身有關,也有測量操作上的原因:


- 這種計量方式不具重複性


- 環境溫度對測量結果有很大的影響,且難以控制


- 沾附在量杯上的物質以及油墨的密度,都會影響油墨通過的速度


- 上述因素造成黏度杯測量方式不具重複性且不準確


實際誤差範圍可以高達 10 %,這對油墨黏度已是相當嚴重。例如黏度 20 秒的油墨,5~10 % 的誤差即 1~2 秒的差別。


有一類黏度感應器使用機電共振器,藉由評估感應器振動受油墨影響的程度來計量黏度。感應器振動的方式有石英晶體、超音波、金屬棒及扭矩等。扭矩振動方式受油墨雜質及印刷機振動造成的影響較小,這對其他振動方式則是嚴苛的挑戰。


SRV 感應器(基於 symmetric torsional resonator 對稱扭矩振動)(美國專利產品)能夠提供高準確性的黏度測量(誤差範圍 5 % 以內、重複誤差 1 % 以內),特別適合對顏色還原要求精確的印刷。這種感應器的設計不受操作環境影響,而且十分堅固,必要時可以直接用溶劑浸濕的抹布擦拭。


實際操作時,這樣的準確性能帶來什麼幫助?我們進行一項測試,在 25 公斤的油墨中添加 20 克溶劑,感應器測得 0.1 mPa.s(毫帕-秒)的變化,相當於黏度杯 0.02 秒的差異,是採用傳統黏度計無法想像的精確度。而且 SRV 感應器對溫度很敏感,可以準確補償溫度的影響。


黏度杯的計量方式不僅過時,也對生產力造成阻礙,有越來越多業者升級油墨黏度控制系統,讓這個印刷參數的控制步入先進行列。藉由這樣的感應器,能進一步探索油墨的特性。油墨是複雜的流體,SRV 賦予我們研究油墨黏度杯無法提供的可能性。


 

違反牛頓力學的特性


溶劑墨具備違反牛頓力學的特性,在剪力影響下黏度是變化的,靜態油墨與流動中的油墨黏度不同,差距可達 20 %。同時,油墨黏度受溫度影響甚大,所以工作場所的室溫以及印刷機產生的熱能,都會對油墨溫度(也因此對油墨黏度)造成影響。我們設置一個比照印刷機上油墨管道流速的油墨迴路,然後逐漸加熱,測量每一秒鐘油墨的溫度及黏度。圖 2 顯示針對不同油墨(黃色、紅色、銀色及白色)加熱 20 度的觀測結果,黏度可以出現 60 % 的差異。


圖 2 黏度在不同溫度下的變化



油墨黏度監控的重要目的就是決定補充溶劑因揮發短少的量及時機。溶劑短少導致油墨固含量提高,不僅傷害印刷品質,還會增加油墨消耗。既然黏度受溫度影響很大,分辨黏度受溫度或是溶劑揮發影響的程度就很關鍵。若忽略溫度因素,低溫狀態下的油墨會有更高的黏度,似乎應該添加溶劑。但加入溶劑的結果讓顏色密度下降,因為黏度升高的原因是溫度而不是固含量提高。


透過如上圖顯示的溫度與黏度關係,我們開發出黏度受溫度影響補償的演算法,這樣可以得出油墨固含量的真實數據,也能計算出溶劑揮發的正確補充量。透過這個演算法,可將黏度計量誤差縮小到 1 % 的範圍,並可按油墨種類選擇不同的補償曲線,就能精確控制油墨固含量及印刷品質。









圖 3 油墨黏度感應器


圖 4 安裝在油墨管道上的感應器


 

安裝


感應器安裝的位置在油墨泵跟供墨腔之間(見圖 4),印刷機振動及隔膜泵的壓力脈衝不會影響感應器的運作和準確度。感應器無需維護,因為當油墨管道及供墨腔沖洗時,自然也對感應器進行清洗,只會在上面留下一點淡淡的顏色,對準確度和重複精度沒有什麼影響。而且感應器的設計很堅固,即使用浸濕溶劑的抹布直接清潔,也不會有損壞或失準的疑慮。


感應器分別以信號線纜與控制系統連接(見圖 5),控制系統會驅動氣動閥補充溶劑。控制系統(見圖 6)帶觸控螢幕,讓使用者透過人機介面進行操作。這個介面必須簡潔明瞭,以便快速並有效執行。介面上顯示每個色站的黏度數據,操作人員可以選擇啟動或關閉每個色站的感應器工作狀態,進行自動控制並設置好黏度的變動容許範圍。色站選擇開關可切換特定的感應器和閥門進行即時監控及調整。當黏度變化太大時,系統也會提醒操作人員進行必要修正。


圖 5 四個感應器分別與油墨管道連接


圖 6 油墨黏度控制系統示意圖


 

預測性控制


溶劑在印刷過程中會不斷揮發,且揮發隨著印刷速度及溫度的上升加速。感應器按每秒鐘對油墨溫度及黏度進行監測,再由軟體計算溫度補償,這樣控制系統就可以判別真實的黏度是否保持在設定範圍內。控制系統會按照黏度與目標值偏離的多寡添加溶劑,能保持在與預設目標值 0.5 % 以內的波動範圍。為達到這種精確度,溶劑的添加量可以控制在很微小的程度。圖7-1 及圖 7-2 是相同圖表,只是縱軸的區間不同,可以顯示控制的精確程度。


圖 7-1 溫度補償後的黏度監測情況,綠色線條是溫度變化


圖 7-2 與圖 7-1 相同的數據顯示

只是將縱軸的間隔縮小為 0.1,黏度的波動小於 0.2 毫帕-秒



這個控制系統十分精確,因為它在印刷過程中隨時監控並補充揮發的溶劑,有時甚至需要做到每 30 秒鐘添加 10 克溶劑的微量補充。


當大量高濃度的新墨倒入油墨槽,控制系統會立即反應添加溶劑(見圖 8),將黏度拉回設定目標值,過度拉回的量不會太大。即使油墨槽內的油墨液位很低,系統還是可以保持穩定的黏度。


圖 8 倒入新墨的黏度調整過程


 

標準化


經驗豐富的操作人員會針對不同的印刷方式及使用油墨的種類來決定黏度的控制範圍。油墨種類對黏度造成的差異很大,例如金屬油墨及白墨的溫度特性就跟一般油墨不同,另外,不同的印刷材料及印刷方式也會造成影響。我們進行一連串試驗來研究油墨黏度與印刷品質之間的關係,得出不同印刷材料(紙張、PET、PE、PP)應該保持的黏度範圍。


第一個試驗在 10 公斤油墨裡添加 10 % 溶劑沖淡,印刷機速 200 米/分,使用 PP 材料。隨後每次增加 3 % 溶劑沖淡,待油墨充分混合後再進行印刷,總共重複 15 次。使用分光密度儀測量密度並拍照進行視覺比對。


圖 9 顏色密度隨油墨沖淡及黏度的變化出現差異



圖 9 顯示不同沖淡程度下視覺效果的變化,就是密度上出現差異。在最少沖淡(即最高油墨黏度)下,油墨的流動性很差,所以有很多針孔,整體印刷效果不佳。雖然看起來顏色較深,但由於針孔太多,測量下來的密度值反而不高。隨著沖淡程度提高,油墨黏度下降,流動性得到改善,但固含量下降導致顏色變淺。每個樣本使用分光密度儀測量並與標準色卡進行對比。圖 10 及圖 11 顯示色差值及密度值,Sample 6 做為標準黏度樣本,因為它的密度值符合設定的目標。


圖 10 油墨沖淡程度與色差值的比較


圖 11 色差值、黏度與沖淡程度的比較



試驗證明,該系統可以進行精確的黏度控制,精確度達到 0.5 %。經由每 30 秒鐘進行微量的溶劑添加,微量的色差值可以被調整出來。而傳統的黏度杯每 15~20 分鐘檢測一次,黏度控制精度只能做到 0.5 杯-秒(相當 2.2 毫秒-帕)。溶劑添加的最小量只能在 0.2~0.5 公斤之間(按油墨遮蔽率、溶劑種類、網目輪載墨量、印刷機速及溫度而定)。


這樣的認識將使我們改變印刷習慣,油墨黏度必須隨著印刷材料調整,並可以控制在精確的範圍。有些材料由於油墨吸收較好,需要較高的黏度,否則遮蔽效果差,導致色彩強度弱;有些材料則因表面光滑、上墨良好,就不需要太高的油墨黏度。透過這些測試可以得出針對不同材料的最佳黏度範圍,同時也制定了標準化的操作規範。開始印刷時,操作人員測量顏色密度並檢查油墨黏度是否合適(實務上油墨黏度不會一下子調至目標值,因為材料的表面品質可能在批次間存有差異,需要預留調整空間)。


按以往的做法,當顏色密度過高時,我們會沖淡油墨或更換網目輪,若對黏度存在疑問,再用黏度杯進行檢測,過程很繁雜。現在則可以測量溫度補償後的油墨黏度,再自動調整到預設的黏度範圍。由於黏度控制精確,從網目輪到印版,最後到印刷材料的油墨轉移也比較好。網目輪若有堵塞情況能夠及早發現,因為我們已經預知油墨黏度與顏色密度的對應關係。


過高的黏度導致油墨轉移不良,容易出現視覺上的 "鬼影" 效果,隨著黏度的精確控制,網目輪的網穴比較容易被清空且油墨流動更好,墨層更平順而且色強度更高。當提高印刷速度時,一般會弱化油墨轉移。如果黏度控制良好,能夠得出比傳統控制方式更少的差異。


藉此,我們改善了色彩的品質並可以保持更小的色差,尤其是長車項目。更精確的油墨黏度控制也在全檢系統裡出現更少因色彩強度波動出現的不良。操作人員則對精確控制及可重複性更具信心,也提升了印刷品質。我們不需要對探頭進行維護或校正,除了最初的溫度與黏度補償測試外,不需要額外測試。只要確保針對特定的材料使用合適的黏度控制範圍,並記錄好每次印刷設定的黏度,就能精準地再現相同的印刷效果。


雖然可以將毫帕-秒換算為 DIN 杯秒,但我們認為這麼做沒有意義。首先是兩種計量方式的理念完全不同,傳統的黏度杯計量無法做到精準控制,也使得良好的印刷控制遙不可及。其次是我們會想用黏度杯來檢驗感應器的準確度,但兩者的精確程度根本不在同一水平,最後容易誤認為探頭並不準確。唯有當與實際印刷結果比對時,才會發現新系統可以進行更細微的比較。此外,更精確的黏度控制帶來的直接好處是印刷品質的明顯提升,這才是真正的目標。


隨著印刷速度提高以及利潤空間的擠壓,”開頭就把事情做對 " 顯得尤其重要。錯誤的黏度將導致大量廢品,這是無法承受的。精確且反應快速的黏度控制能讓印刷流程更順暢,提升印刷品質並減少損耗。


 

※ 本文翻譯自美國 FTA " FLEXO " 雜誌 2021年 2月刊

原文標題:Viscosity Standardization

由「信華柔印科技 * 嘉昱有限公司」提供予「台灣柔版印刷協會」網站使用


※ 作者:Bert Verweel

荷蘭 Maasmond Papierindustrie bv Oostvoorne 公司 所有人

超過25年的從業經驗,開發多款油墨黏度監測及控制系統產品








※ 譯者:信華柔印科技 * 嘉昱有限公司--林嘉彥 先生