Штанцевание этикеток

Владимир Филин

Высечка, или штанцевание, является важным технологическим этапом изготовления этикеток. От качества высечки в значительной степени зависит качество самой этикетки, поэтому процессу штанцевания необходимо уделять большое внимание. В настоящее время рядом фирм проведены или выполняются исследования с целью определения оптимальных условий проведения этой важной и сложной операции. В предлагаемом реферативном обзоре приводятся сведения об основных параметрах процесса штанцевания, причинах возможных дефектов, а также даются советы по их выявлению и устранению, ряд которых основан на результатах исследований немецкой фирмы Electro Optic GmbH.

Этикеточное производство, наряду с изготовлением упаковочной продукции, является в настоящее время одним из наиболее быстроразвивающихся секторов полиграфического производства. Одной из важнейших операций в процессе изготовления этикеток является штанцевание отпечатанной продукции.

В этикеточном производстве широкое применение нашли два вида штанцевальных устройств: ротационные и плоскостные.

Основные достоинства ротационных штанцевальных устройств:

• небольшие объемы инвестиций в оборудование;
• высокие скорости штанцевания;
• постоянная скорость разрезки и биговки;
• небольшой выход макулатуры.

Плоскостное штанцевание имеет следующие достоинства:

• невысокая стоимость штанцевальных инструментов;
• очень высокая геометрическая точность штанцевания;
• возможность наладить собственное производство штанцевальных инструментов и тем самым сократить сроки выполнения заказов.

Ротационное штанцевание — процесс, характеризующийся незначительным выходом макулатуры и высокой скоростью высечки. При ротационном штанцевании используются дорогие круглые штампы, что ощутимо повышает стоимость продукции при малых тиражах. Инвестиции в ротационное штанцевальное устройство меньше, чем в плоскостное, но из-за дороговизны ротационных штанцевальных штампов их применение целесообразно только при высоких тиражах. Ротационное штанцевание является идеальным решением для производства высокотиражной продукции по схеме «с рулона на рулон», так как скорости обработки при этом составляют до 300 м/мин и более. Тиражестойкость металлических ротационных штанцевальных штампов может достигать 30 млн. циклов.

Секция высечки флексографской печатной машины Variflex французской фирмы Malbate

Штанцевальный цилиндр фирмы Gerhardt International

При незначительных тиражах целесообразно использовать плоскостные устройства, изготовление штампов для которых можно организовать на полиграфическом предприятии. Производительность плоских штанцевальных устройств обычно в 2-3 раза ниже, чем ротационных. Штанцевание при использовании плоскостных устройств отличается очень высокой точностью. Тиражестойкость металлических плоских штанцевальных штампов достигает 5 млн. циклов.

При использовании ротационных штанцевальных устройств процесс настройки печатной машины обычно занимает меньше времени, чем при применении плоскостных устройств. Это обусловлено тем, что плоский штамп требует приправки в машине, по крайней мере при первой его установке. Ротационные штампы предварительно устанавливаются на цилиндры вне машины во время печати предыдущего заказа.

Штанцевание может выполняться как в режиме offline, так и «в линию», непосредственно после печатания. При обеих схемах процесса штанцевания могут использоваться как ротационные, так и плоскостные устройства. При штанцевании «в линию» визуальный контроль печатных листов достаточно сложен и возможность отбраковки дефектных листов перед высечкой отсутствует. Поэтому при данной схеме требуются соответствующие меры для контроля качества, в частности рекомендуется использовать видеосистемы наблюдения за качеством печати. При работе «в линию» могут происходить периодические остановки линии из-за неполадок при штанцевании, поэтому при применении в этикеточном производстве печатно-отделочных линий очень важно обеспечить высокую надежность штанцевальных устройств.

Плоскостные устройства при штанцевании «в линию» могут существенно снижать скорость работы машины. При использовании плоскостного штанцевания в печатно-отделочных линиях из-за циклического характера работы этих устройств полотно движется через секцию высечки с переменной скоростью, образуя перед ней петлю.

В зависимости от характера продукции может использоваться как рулонное, так и листовое выводное устройство. Рулонный вывод применяется главным образом при работе с самоклеящимися материалами, листовой — стапельный или каскадный — при высечке картонной упаковки.

Штанцевание является сложным технологическим процессом, на качество которого влияет множество факторов. При штанцевании «в линию» неправильный выбор параметров штанцевания может стать препятствием для повышения скорости работы печатной машины.

Повышение скорости печати, как правило, приводит к необходимости увеличения усилия штанцевания. Надо отметить, что усилие штанцевания должно быть значительно больше, чем те силы, которые необходимы для резки материала. Штанцевание как физический процесс — это, в отличие от резки продукции, прессование и уплотнение материала посредством специального штанцевального инструмента до той степени, когда обрабатываемый материал начнет разделяться. Как при плоскостном, так и при ротационном штанцевании, в отличие от резки, нет никакого относительного перемещения между высекаемым материалом и штанцевальным инструментом. В результате штанцевания происходит отделение этикетки от полотна материала (бумаги, фольги, полимерной пленки).

Рассмотрим процессы, происходящие при ротационном штанцевании. Основными элементами ротационного штанцевального устройства являются магнитный цилиндр, опорный или печатный цилиндр, а также устройство натиска, обеспечивающее необходимое усилие высечки.

Одним из направлений совершенствования печатных машин для производства этикеток является повышение скорости их работы. В связи с этим повышаются и требования к формным материалам, краскам, системам сушки оттисков, а также к штанцевальным инструментам. Наряду со штанцевальными инструментами совершенствуются и узлы машин, ответственные за качество штанцевания.

Для прижима магнитного цилиндра к штанцевальному инструменту, то есть для создания давления, в результате которого и происходит процесс штанцевания, используются различные системы. Обычно применяются пневматические, гидравлические или механические устройства.

Пневматические системы по сравнению с гидравлическими и механическими значительно более чувствительны к колебаниям. Среди механических прижимных устройств имеются системы с приложением силы к валу магнитного цилиндра или к штанцевальному инструменту, а также системы с нагрузкой на опорные кольца. В системах с приложением силы к валу магнитного цилиндра, в случае если его диаметр не превышает 30 мм, возникает большая нагрузка на изгиб, что нередко приводит к деформации вала, а в некоторых случаях — даже к его поломке. В более совершенных системах используется передача силы механически — от специального прижимного механизма («моста») или же гидравлическим путем.

При работе с бумагами и некоторыми полимерными материалами, например полиэфирными пленками, в процессе штанцевания необходимо преодолевать очень высокое сопротивление материала. Для этого необходимо прикладывать силу 6-10 кН с каждой стороны, то есть производить высокую нагрузку на штанцевальное устройство. Подобные нагрузки могут привести к прогибу магнитных цилиндров и тонких штанцевальных инструментов. В связи с этим для повышения качества штанцевания рекомендуется увеличивать диаметр магнитного цилиндра и повышать твердость штанцевального инструмента. Недостаточный размер магнитного цилиндра приводит к прогибу вала цилиндра при штанцевании, в результате которого на левом и правом краях цилиндра штанцевание проходит безупречно, а посередине глубина высечки заметно меньше.

Магнитная штанцевальная форма и магнитный цилиндр фирмы Gerhardt International

Опорный цилиндр оказывает на качество штанцевания такое же влияние, как и магнитный цилиндр. В результате прогиба опорного цилиндра качество штанцевания может значительно понизиться, поэтому некоторые производители машин подпирают опорные цилиндры парой роликов, что обеспечивает повышение их жесткости.

При отношении диаметра цилиндра к его длине 1:1 величина прогиба является незначительной. При узкой рабочей ширине использование магнитного цилиндра с более длинной разверткой экономично и может рекомендоваться по причине большей универсальности (при длинной развертке значительно больше количество вариантов различных форматов этикеток). С увеличением рабочей ширины при сохранении диаметра прогибание элементов ротационного штанцевального устройства увеличивается.

Большой проблемой для печатника является штанцевание твердых материалов, особенно в случае, если штанцевальный инструмент не рассчитан на данный материал. В ряде случаев и менее твердые материалы, например полиэтилен, могут создавать проблемы. Так, при работе с ними требуется большая глубина высечки. Это означает, что даже небольшие величины прогиба цилиндров ведут к плохим результатам штанцевания.

При ротационном штанцевании инструмент и этикетка перемещаются во время работы машины с одинаковой скоростью, преодолевая сопротивление материала. Еще раз подчеркнем, что процесс штанцевания — это не резка, а уплотнение, вплоть до разделения материала, и на поперечных линиях материал оказывает значительно более высокое сопротивление, чем на продольных линиях, так как он испытывает при этом различные нагрузки.

В связи с необходимостью точного измерения глубины штанцевания для повышения скорости выполнения этой операции в настоящее время произведены соответствующие исследования, например, германской фирмой Electro Optic GmbH, которая для определения этой чрезвычайно важной величины разработала прецизионный измерительный щуп. С его помощью можно определить текущую величину глубины штанцевания и согласовать ее с требуемым значением.

Установлено, что величина усилия штанцевания определяется тремя факторами.

Во-первых, свойствами материала, из которого изготавливается этикетка, в частности его твердостью и вязкостью. Например, белая писчая бумага с массой 80 г/м2 перед разделением уплотняется до 60-79% ее первоначального объема, а полиэтилен должен для разделения уплотниться до 90% первоначального объема. Обычно для штанцевания бумаги необходима значительно меньшая сила, чем для штанцевания полимерных материалов.

Во-вторых, величина усилия штанцевания определяется углом заточки штанцевального инструмента. Чем круче угол заточки штанцевального лезвия, тем меньше требуемая сила прижима.

И наконец, в-третьих, важным параметром является рабочая ширина штанцевального инструмента и длина линии штанцевания: чем больше контур, тем больше должно быть усилие штанцевания.

Независимо от вида материала следует учитывать также положение линий штанцевания относительно направления движения полотна в машине: линии, расположенные поперек полотна, требуют в сотни раз больших усилий штанцевания, чем продольные линии. При высечке продольных линий воздействие на материал производится точкообразно в области размером в несколько десятых долей миллиметра, причем в результате вращения штанцевального инструмента, опорного валика и движения полотна материала процесс штанцевания облегчается. При штанцевании поперечной линии, напротив, отделение высекаемой этикетки происходит одновременно по всей рабочей ширине.

Для того чтобы глубина штанцевания продольных и поперечных линий была одинаковой, несмотря на сильно различающиеся величины сопротивления материала, нужно, чтобы усилие, прижимающее штанцевальный инструмент к опорному цилиндру, было выше, чем возникающее в процессе высечки сопротивление материала. Обычно значение силы штанцевания составляет от 3 до 12 кН с каждой стороны ротационного штампа.

При небольших значениях прижима штанцевальный инструмент начинает вибрировать, а при высоких — преждевременно изнашиваются подшипники качения и опорный цилиндр.

Даже после установки необходимого давления прижима результат может быть неудовлетворительным. Например, поперечная линия может штанцеваться слабее, чем продольная, особенно в середине штанцевального цилиндра. Возможные причины этого — в слишком малых размерах опорного валика, штанцевального или магнитного цилиндра либо, в худшем случае, — в чересчур малых размерах обоих элементов штанцевального устройства. Даже если давление натиска принимает на себя пара подшипников под опорным цилиндром, сила сопротивления материала, которая возникает при штанцевании по поперечной линии, приводит к прогибу опорного валика или штанцевального цилиндра. Наиболее сильный прогиб этих цилиндров наблюдается в их середине — точке, наиболее удаленной от опор. Это может быть причиной того, что контур штанцевания на краях будет глубже, чем на середине полотна.

При высечке самоклеящихся этикеток следует обращать внимание на сжимаемость материала-носителя. Необходимо оставить материал-носитель неповрежденным, разделив при этом поверхностный материал, что требует существенно более высокой точности регулировки штанцевального устройства.

Допуски, которые должны приниматься во внимание при штанцевании на ротационных штанцевальных устройствах, имеют очень узкие пределы. Для того чтобы обеспечить высокое качество штанцевания, допуски на отклонение цилиндров от теоретической геометрической формы и на параллельность поверхностей штанцевального и опорного цилиндров не должны превышать 3-5 мкм.

На качество штанцевания также оказывают влияние специфические параметры штанцевального устройства, например вибрация. Повышенная вибрация обычно обусловлена неправильным выбором параметров подшипников качения или высоты линии реза у штанцевального инструмента. Другими возможными причинами может быть высокая плотность материала или деформация опорного валика в местах расположения опорных колец штанцевального устройства. В результате уменьшения диаметра опорного валика зазор между острием штанцевального штампа и опорным валиком становится меньше. В итоге глубина проникновения штампа увеличивается, и печатник должен во избежание полного прорезания обрабатываемого изделия уменьшать давление прижима. Вследствие этого может получиться, что продольная линия будет штанцеваться безупречно, а поперечная линия — слабо.

Печатник не всегда может определить, что является причиной брака при штанцевании. Однако очевидно, что свести проблемы к минимуму позволяют качественное выполнение штанцевального штампа, правильное определение параметров технологического процесса, а также стабильность всех элементов штанцевального устройства.

«Мир Этикетки» 9'2002