Оптоволоконные лазеры – №1 в цифровой флексографии

Цифровая флексография – новаторская технология, при которой изображение с помощью лазера записывается на черном масочном слое фотополимерной пластины. После этого фотополимерная пластина подвергается последующей обработке для формирования трехмерного печатного профиля (как традиционная пластина). Тип применяемого лазера имеет решающее значение для определения возможностей использования, производительности, качества и экономической эффективности CtFP-системы (Computer-to-Flexo-Plate).

Тип модуляции и фокусное пятно

В зависимости от особенностей изображения модуляция лазерного излучения может быть внешней – через акустооптический модулятор – или путем прямой внутренней модуляцией самого источника лазерного излучения (со значительным снижением уровня качества).

Неоспоримое преимущество CO2-лазера – высокая мощность и производительность. Длина волны лазера составляет 10,6 мкм. В реальных условиях фокусировка лазерного луча не может дать пятна, диаметр которого не превышал бы длину волны лазера менее чем в пять раз. Поэтому у высокомощного CO2-лазера размер пятна составляет примерно 50 мкм. Это соответствует реальному разрешению только в 500 DPI и максимально возможной линиатуре около 20 линий/см. При увеличении разрешения размер пятна лазера остается неизменным, вследствие чего уменьшается число растровых точек в светах и в теневых областях. При печати пропадают контраст и прозрачность изображения, а переходы становятся неплавными и ступенчатыми.

На рис. 1 представлено пиксельное изображение растровой точки с линиатурой 50 линий/см (127 lpi) при разрешении 2000 ppi для источника излучения CO2-лазера и Nd:YAG- или оптоволоконного лазера.

Наблюдается заметное различие в размерах пятна разных источников лазерного излучения, поэтому использование CO2-лазера приводит к сильному уменьшению количества передаваемых тоновых градаций.

В отличие от CO2-лазеров, Nd:YAG-лазеры и оптоволоконные лазеры благодаря короткой длине волны (1,06 мкм или 1064 нм) могут точно записывать высоколиниатурные изображения и поэтому широко используются в цифровой флексографии.

LAMS-технология

Под «цифровой флексографией» обычно подразумевается так называемая LAMS-технология CtFP (где LAMS расшифровывается как Laser Ablatable Mask и переводится «маска, удаляемая лазером»). Эта технология была впервые представлена на выставке Drupa 1995 и с тех пор заняла значительную долю европейского рынка.

В цифровой флексографии используются обычные фотополимерные пластины, покрытые черным LAMS-слоем. Толщина LAMS-слоя составляет несколько микрометров, а изображение записывается с помощью инфракрасного лазера (обычно оптоволоконного лазера с длиной волны 1064 нм или лазерных диодов с длиной волны 830 нм).

LAMS-слой заменяет пленку, используемую в традиционных способах печати. Он полностью удаляется лазерным лучом в нужных для печати местах (абляция). LAMS-слой с записанным изображением называется также «цифровой пленкой» (digital Film).

После записи изображения на LAMS-слое цифровая печатная флексографская пластина подвергается дальнейшей обработке так же, как и традиционные пластины, включая основное экспонирование, обратное экспонирование с помощью УФ излучения, вымывание, сушку, дополнительную обработку (См. рис. 2).

Двухступенчатый технологический процесс в полном объеме отвечает современным требованиям по качеству и производительности. Передача полутоновых изображений при линиатуре до 200 линий/см уже стала стандартом в печати флексографским способом на складных коробках и этикетках. Даже для гофрированного картона возможны линиатуры до 60 линий/см. Сегодня для печати защитных элементов, применяемых в печати упаковки, этикеток и лотерейных билетов, производятся цифровые флексографские формы с линиатурой до 400 линий/см – т.е. разрешение в этом случае достигает 8000 DPI.

Удаление LAMS-слоя с цифровой флексографской пластины требует примерно в 30 раз большей мощности лазера, чем запись изображения на термальной офсетной пластине, и примерно в 100 раз меньшей мощности, чем прямая гравировка фотополимерной пластины, чувствительной к УФ-излучению. Таким образом, ни лазерные технологии, разработанные для прямой гравировки, ни те, что используются для записи изображения на термальные офсетные пластины, не применимы для цифровой флексографии, если только не снижать уровень качества, производительность и рентабельность. Здесь чаще всего применяются оптоволоконные лазеры. Их преимущество заключается в мощности, достаточной для технологии удаления LAMS слоя на флексографской пластине, что позволяет обеспечить хорошее качество лазерного луча. Последнее дает возможность создавать глубину резкости, компенсируя большие допуски по толщине флексографских пластин и рукавных форм без необходимости применения дорогостоящих и часто неэффективных на практике систем автофокусировки.

Еще один подход к источникам излучения в цифровой флексографии – применение для записи цифровых форм экспонирующих головок с лазерными диодами от офсетных формных экспонирующих устройств. Недостатком таких систем является низкое качество излучения. Это осложняет выравнивание множества отдельных маломощных лучей, применяемых в данной технологии, таким образом, чтобы нанесение растрового изображения с применением флексографских углов происходило без появления дефектов изображения (полосы, муар). Результатом низкого качества излучения является недостаточная глубина резкости, которая не сможет в полном объеме компенсировать большие допуски на толщину для флексографских пластин и особенно рукавных форм.

Оптоволоконные лазеры

С 2000 г. широко применяются новые лазерные системы на так называемых оптоволоконных лазерах, в которых под воздействием лазерных диодов происходит накачка оптических волокон. Сердцевина волокон легирована редкоземельными элементами, такими как неодим (Nd), иттрий (Y), иттербий (Yb) и др. Оптоволоконные лазеры дают отличное качество излучения, обладают необходимой мощностью и отличной стабильностью работы. Для точной передачи растров и переходов с высокими линиатурами требуется идентичность отдельных экспонирующих лучей. Для этого используется принцип «1 источник излучения + 1 модуляционный блок». В качестве модуляционного блока в системах с оптоволоконным лазером применяется акустооптический модулятор (AOM). AOM создает голографические копии исходного луча. Из этого определения следует, что отдельные лучи будут идентичными по качеству и мощности. Таким образом, исключаются дефекты изображения при записи, и, прежде всего, муар при применении флексографских углов.

Для оптимизации процесса записи оптимизируется соотношение между мощностью лазера и числом лучей. Мощность оптоволоконных лазеров позволяет это реализовать. В современных системах на оптоволоконных лазерах в настоящее время используются системы с числом лучей от 4 до 16. От числа лучей зависит скорость записи, которая, как правило, составляет от 1,5 до 4 м² в час соответственно.

Так в CtFP системе Esko-Graphics CDI после накачки оптоволоконного лазера луч делится на несколько абсолютно идентичных лучей. Как уже упоминалось, для точной передачи растров и переходов с высокими линиатурами требуется именно идентичность отдельных экспонирующих лучей. Для ее достижения этого рекомендуется использовать один источник излучения в комбинации с акустооптическим модулятором, который и делит луч на множество идентичных.

Свойства луча остаются неизменными на протяжении всей жизни лазера, нет необходимости в ежедневной или еженедельной калибровке оптики, благодаря чему длительное время сохраняется высокая точность записи пластин и качество технологического процесса. Оптоволоконные лазеры накачиваются очень большим числом отдельных диодов, поэтому отказ в работе отдельных диодов не приведет к остановке системы. Хотелось бы обратить внимание на существенное отличие в этой части оптоволоконных лазеров от лазеров диодных, а именно, на более высокую надежность – чрезвычайно важное свойство для пользователей лазерных систем. Строго говоря, для оптической накачки в оптоволоконных лазерах также используются лазерные диоды, однако, в каждом лазере их – десятки, кроме того, они работают в ненагруженном режиме, что обеспечивает их долговечность. При выходе из строя одного из лазеров компенсация потери мощности накачки осуществляется повышением тока на остальных диодах, это гарантирует длительную работу оптоволоконного лазера с постоянной выходной мощностью: на протяжении нескольких лет эксплуатации отклонение выходной мощности оптоволоконного лазера не превышает 1%. Такой подход к применению лазерных диодов в свое время диктовался областью применения оптоволоконных лазерных систем: усилители оптоволоконных линий связи, где вопрос надежности и стабильной долговременной работы был вопросом работоспособности многокилометрового сегмента оптоволоконной линии.

Преимущества оптоволоконных лазеров – залог их успеха на рынке

Сегодня на рынке в области цифрового изготовления форм для флексографской печати реально конкурируют две технологии. Первая базируется на использовании оптоволоконного лазера с длиной волны 1064 нм. В России хорошо известны CtFP системы российского производителя ALPHA Research & Manufacturing и системы CDI разработки компаний Esko-Graphics и DuPont. Другая технология, на базе инфракрасных (IR) диодных лазеров с длиной волны 830 нм, представлена устройствами компании Creo и пришла во флексографию недавно из офсетной печати.

Абсолютным мировым лидером по числу продаж можно назвать устройства разработки компаний Esko-Graphics и DuPont марки CDI предназначенные для прямого экспонирования флексографских форм для печати гибкой упаковки, упаковки из картона, гофрокартона и печати этикеток. Около 75% CtFP систем во всем мире – это устройства Esko-Graphics CDI. По статистике, на устройствах CDI выводится до 90% мирового объема форм. В России, при наличии российского изготовителя систем на оптоволоконных лазерах, доля CtFP систем с оптоволоконным лазером составляет не менее 90% рынка, а их доля в объеме форм, изготавливающихся на этих устройствах, – еще выше.

Почему система на оптоволоконных лазерах фактически стала стандартом? Вероятно, она предоставляет определенные преимущества. Зададимся вопросом: «Что такое правильная технология для Computer-to-Flexo-Plate?». Видимо, правильная технология – это та, которая, во-первых, позволяет получать стабильный результат с предсказуемым качеством и производительностью, а, во-вторых, связана с наименьшими инвестициями на единицу продукции и минимальными эксплуатационными затратами.

Рассмотрим преимущества по порядку. Пункт первый: «стабильный результат». Он возможен, когда процесс контролируем и управляем. Что нужно контролировать, чем можно управлять? Управлять нужно и можно переменными параметрами на входе процесса таким образом, чтобы получить стабильный результат. Переменными при изготовлении флексографских форм цифровым способом можно считать: погрешности аблативной маски, повторяемость аблативной маски, изменения времени/интенсивности УФ облучения, действие химикатов, время сушки.

Как достичь управляемости процесса? Например, применить единое программно-аппаратное решение, включая адекватную технологию экспонирования. Компания Esko-Graphics поставляет специализированное программное обеспечение, начиная от разработки упаковки до экспонирования. В результате сотрудничества Esko-Graphics и DuPont появилась уникальная возможность получения единого технологического решения, включая программное обеспечение, CtFP устройство, цветопробу, оборудование для обработки экспонированных форм и материалы.

Как выбрать технологию экспонирования? Правильная технология экспонирования должна обеспечивать жесткий профиль луча при экспонировании. В любом учебнике по лазерной технике можно прочитать, что в соответствии с законами квантовой физики, лазерный луч с ограниченной дифракцией имеет самый жесткий энергетический профиль. Это означает, что профиль энергии луча диода, который использует система на диодах, с длиной волны 830 нм рассеян в 20 раз больше, чем профиль луча оптоволоконного лазера используемого в CDI от Esko-Graphics.

Несколько слов о фокусе

Глубина фокуса должна превышать глубину неровностей поверхности флексографской пластины. Глубина фокуса зависит от длины волны лазера и рассчитывается по формуле, где l - длина волны:

Параметр M² используют для комплексной количественной характеристики качества лазерного излучения, это своего рода попытка одним числом характеризовать лазерный пучок. Определить M² можно следующим образом:

где d_real – диаметр пятна реального лазерного пучка, Q_real – расходимость реального лазерного пучка, d_gauss – диаметр пятна гауссова (идеального) лазерного пучка, Q_gauss– расходимость гауссова (идеального) лазерного пучка, d_gauss – диаметр пятна гауссова (идеального) лазерного пучка,

Можно считать, что параметр M² (Magnifications, «произведение увеличений» диаметра и расходимости) характеризует степень приближения реального лазерного пучка к идеальному гауссовому распределению, когда излучение можно сфокусировать в минимально возможное пятно при заданной длине волны и расходимости. Чем ближе M² к единице, тем лазерный пучок «лучше» – в это слово вкладывается одновременно несколько смыслов: это и способность обеспечить малое пятно фокусировки, и большую глубину фокуса, и повышение надежности и эффективности системы модуляции лазерного излучения.

Параметр M² лазерный пучок получает «при рождении» в лазере, в последующей оптической системе его невозможно улучшить (т.е. уменьшить), поэтому свойства лазерных устройств записи изображений так сильно зависят от типа используемых в них лазеров. Для оптоволоконных лазеров M² равен 1,1 – 1,2, т.е. эти лазеры практически идеальны. С другой стороны, для мощных диодных лазеров, например с длиной волны 830 нм, значение M²=20 является поистине «чемпионским», так как обычно для таких лазеров этот параметр намного хуже и составляет 40, 60 и даже 100.

Если сравнивать оптические системы на базе оптоволоконных и диодных лазеров, то, из приведенной выше формулы видно, что для получения на материале равных пятен лазерного излучения на диодном лазере необходимо обеспечить в почти в 20 раз большую расходимость, чем на оптоволоконном. Расходимость – это угол схождения лазерного пучка в пятно. Очевидно, чем меньше расходимость, тем больше глубина фокуса – зона размещения обрабатываемого материала вдоль оптической оси, в пределах которой не происходит заметных изменений записи изображения. Таким образом, в случае диодных лазеров, когда расходимость большая, глубина фокуса заметно уменьшается по сравнению с оптоволоконными лазерами.

Если лазерные диоды применяются не для накачки, а для прямого экспонирования материала, помимо малой глубины фокусировки существует несколько опасностей, в целом снижающих надежность систем. Например, когда используется ряд отдельных лазерных диодов, необходимо решать проблему выравнивания мощности их излучения перед каждым сеансом записи. А когда применяется линейка лазерных диодов на одном кристалле, то всегда необходимо помнить, что при выходе из строя одного из диодов довольно быстро начинают выходить из строя другие диоды линейки. Конечно, изготовители лазерных систем решают такого рода проблемы путем дополнительных устройств калибровки, контроля, автофокусировки и т.д. Однако все это усложняет систему, и, следовательно, снижает ее надежность.

Как упоминалось выше, для оптоволоконного лазера M²=1,1, для диодных лазеров M²=20. То есть глубина фокуса для Esko-Graphics CDI = 2х(15 мк)² / 1,064 мк / 1,1 =380 мк. Для систем на диодных лазерах, глубина фокуса равна 2х(10 мк) ² / 0,830 мк / 20 = 12 мк. Неровность же поверхности флексографской пластины в листах составляет 50 мк и до 250 мк для рукавных форм. Особенно проблематичен случай экспонирования рукавных форм. То есть, системы на диодах имеют конструктивный недостаток. Даже при диаметре пятна в 10 мк глубина фокуса недостаточна.

Как вынужденная реакция появляется система динамической автофокусировки, которая, в свою очередь, порождает две других проблемы: автофокус может обманываться фокусируясь на частичках пыли, появляется эффект ореола (гало). Да, и с технической точки зрения: представьте себе, что изображение пишется сразу многими лучами, каждый из которых нужно подвергать процедуре автофокусировки. Неровности флексографской пластины имеют, как правило, локальный характер, т. е. в идеале один луч нужно подвергнуть автофокусировке, а соседние лучи не надо. Система автофокусировки, например, Creo может регулировать только блоки лучей, но не каждый луч в отдельности. Запись ведется 64-ю лучами по 10 мк, т. е., изображение пишется полосой 0,64 мм. Это делает невозможной компенсацию пыли с применением автофокусировки.

Какой еще параметр важен для правильной системы экспонирования? Высокое разрешение при высокой однородности экспонирования и линейности. Растискивание нужно контролировать вне зависимости от размера лазерного пятна на поверхности материала. В этом смысле пятно в 10 мк систем с диодными лазерами с длиной волны излучения 830 нм не дает никаких преимуществ в сравнении с 15-ти микронным пятном CDI. Напротив 10-ти микронная точка может стать источником полошения при записи формы.

Результат многословного описания особенностей построения оптической системы можно резюмировать несколькими фразами. Во-первых, в системах, построенных на оптоволоконных лазерах, изначально заложен уровень качества на порядок выше, чем у систем на диодных лазерах. Во-вторых, эксплуатационные расходы ниже по тем же принципиальным соображениям.