激光雕刻机国外研究现状论文

电子雕刻机雕刻头研究现状与发展[摘要] 介绍了电子雕刻机雕刻头的研究现状与发展。目前成熟应用的主要是电磁驱动式的,分为摆动式和直动式,具有雕刻频率高、雕刻质量好的特点;同时介绍了工作原理不同于电磁式雕刻头的电子束雕刻和激光雕刻,尤其激光雕刻,具有强大的发展潜力;以及正在研究和发展的压电陶瓷和超磁致伸缩驱动器,这些功能材料的应用为雕刻头的发展提供了很好的参考方向。关键词:雕刻头; 电磁驱动; 激光雕刻; 电子束雕刻; 压电陶瓷; 超磁致伸缩驱动器凹版印刷以其印品墨层厚实、颜色鲜艳、饱和度高、印版耐印力高、印刷速度快等优点在图文出版和包装印刷领域内占据重要的地位。目前,电雕凹版因技术先进、成本低、制版质量高且稳定、适应范围广、利于环保等优点已在凹版制造中占主导地位,一直是近年来的主流雕刻方法。印版的好坏是决定印刷质量的一个关键因素,凹版电子雕刻效率的高低直接影响到整个凹版制版的进程。印版是电雕系统根据数字化的图文信息驱动雕刻头在版辊上雕刻网穴后处理而成,因此,雕刻头的驱动装置在整个制版过程中起着重要作用。从上个世纪60年代开始,此领域的科技人员不断探索,希望能提高电子凹版雕刻的效率及质量,雕刻效率及质量可以从多方面提高,提高电子雕刻机的雕刻频率是一种最有效最直接的途径。德国、美国、瑞土和日本在电子雕刻技术方面处领先地位,我国在这方面的研究基本为空白[ 1O2 ]。文中主要介绍了电子雕刻头的研究现状及发展方向。1 电子机械雕刻电子机械雕刻是由电O机械转换器驱动雕刻刀,在滚筒上雕刻出网穴的一种方法,其关键在于电O机械转换器的工作性能。111 常用结构的原理及特点一般而言,磁钢产生稳恒磁通,控制线圈产生控制磁通,二者差动叠加产生驱动衔铁运动的电磁力,带动衔铁运动。112 转动式电磁铁结构原理如图1所示[ 2 ] ,磁钢在气隙中产生稳恒磁场,在控制线圈未加电时,通过装配时的调试,衔铁处于相对平衡位置;当控制线圈加电时,衔铁被极化,产生磁力拉动衔铁转动,图中显示了衔铁的一种极化方式。当控制线圈加以高频变化的电流或电压时,衔铁便产生高频摆动,带动雕刻刀进行雕刻工作。高刚度的回复弹簧是利用衔铁所在扭杆的弹性扭转来得到,结构简单,高刚度易实现;且带有稳恒磁场调节结构,可以调节电磁铁系统的工作点,使磁钢发挥最好效能;控制线圈只有一个,与采用2个控制线圈的相比,简化了结构,缩小了体积。Hell公司的电雕机采用的摆动式雕刻头如图2所示,其衔铁结构如图3所示。通过衔铁的摆动带动金刚石雕刻刀在版辊上雕刻凹穴,利用扭杆的扭转变形来实现高刚度回复弹簧的功能,并且其半圆型的一端用来调节扭杆的刚度,输出杆上有45张策等 电子雕刻机雕刻头研究现状与发展阻尼环,用来调节电磁铁系统的输出特性[ 3 ]。图1 摆动式电磁铁 图2 电磁雕刻头Fig. 1 Swing electromagnet Fig. 2 Electeomagnetic engraving head113 直动式电磁铁[ 2O5 ]结构原理如图4所示,带有雕刻刀的直动轴固定在衔铁上,装配时调节衔铁,使之在磁场中处于相对平衡状态,当控制线圈未加电时,磁钢的引力不能使衔铁产生动作;当控制线圈加电时,衔铁产生极性,在电磁力的作用下,克服衔铁刚度,运动一定位移。给控制线圈加以高频电压或电流,衔铁产生上下运动,从而带动雕刻刀的垂直运动,完成在版辊上雕刻凹穴的工作。图3 衔铁结构 图4 直动式电磁铁Fig. 3 Armature structure Fig. 4 DirectOacting electromagnet在此结构中,衔铁的运动是平动,气隙两侧是异名磁极;高刚度回复弹簧通过衔铁的弹性变形得到。国外某些公司采用该结构原理,也可以达到很高频率。该结构电磁铁结构较复杂,体积也较大,装配调试也有一定的难度。在电子机械雕刻方面, Hell公司雕刻头的雕刻频率由起初的4000Hz发展到如今的12800Hz,MDC公司的V ISION3雕刻头达到8100Hz,在网穴深度稍减时可达8600Hz,提高了生产效率,电子雕刻具有雕刻网穴的深度和面积均可变化、重复性强的优点,且雕刻过程中无污染。2 激光雕刻和电子束雕刻211 激光雕刻[ 5O8 ]20世纪70年代,激光就开始在胶印、凹印制版领域发挥作用,在90年代,国外的公司开始激光直接雕刻的研究。激光直接雕刻铜版,在技术上一直认为是不可行的,但它可以直接雕刻锌。瑞士MDC公司通过制版工艺的改进,实现激光直接雕刻。先在钢辊上电镀一薄层镍,然后再在其表面镀铜,随后又镀了一层锌。这层锌可吸收激光能量并被蒸发,随之蒸发的还有其下面的铜,便生成了载墨的网穴。雕刻后,像其他雕刻滚筒一样,最终在滚筒上镀一层坚硬的铬。还开发了大约500W功率的YAG激光器,每秒能雕刻7万个网穴。直接激光雕刻系统主要由3部分组成:高能量的激光;激光传输系统;光学系统,通过调节焦距,来调节单位面积上的能量。激光的原理如图5所示。激光脉冲的聚焦点直径和入射能量决定网点的几何形状。简单的直接激光雕版系统只能调整能量的大小,而激光聚焦点的直径根据所需的网点预先设置,在雕版过程中不能改变。网点直径由激光聚焦点的直径决定。先进的SHC (New Super Halfautotyp ical Cell)调整方法使每个激光脉冲的2 个参数:能量和聚焦点的直径都可以调整。“先进”意味着每个网点的几何形状网点的直径和网点的深度可以相互独立,在确保直接激光雕版的精度下任意调整。Hell解决了激光直接雕刻铜版的技术困难,在Drupa2004上展示了所研制的可直接在铜版或铬版上进行雕刻的激光雕刻机样机,给业界带来了巨大反响。随着激光技术的发展,激光雕刻不仅体现了电子机械雕刻的优点,而且具有许多自身的优点,比如无接触雕刻等,目前该方法制作版辊成本稍高,但其众多优点使其成为雕刻发展的一个方向。212 镀铜凹版的电子束雕刻[ 1 ]图5 激光雕刻原理图 图6 电子束雕刻示意图Fig. 5 Laser engraving Fig. 6 Electron beamp rincip le engraving p rincip le如图6所示,采用高能电子束可以对镀铜的凹版滚筒进行雕刻。电子束由热阴极产生,在2. 5～5万V电场的加速下射向滚筒表面。在此过程中、电子束受到电磁场的会聚控制。在小于l的时间内使电子束会聚到网穴所应该达到的直径。电子束按所需网穴深度大小在镀铜层上作用一定时间,以便达到所需深度。每个网穴的雕刻时间不长于6,以此达到l5万个网穴/ s的高频率。在滚筒表面上,电子束的动能转化为热能,使铜熔化和汽化,残留在网穴边缘的熔化物被刮刀刮掉。由此可46包装工程 PACKAGING ENGINEER ING Vol. 26 No12 2005知,电子束凹版雕刻所形成的网穴是开口面积和凹下深度都变化类型的。由于电于束的能量会与空气中的各种离子碰撞而损失,因此,电子束雕刻必须在真空装置内进行。使用高能电子束发生器和真空仓,造成设备成本高昂,最终导致其难以实用化。由于电子束离子与金属表面的吸附作用,使得所雕刻的网穴偏深,尤其在雕刻中调颜色的网穴时,得不到预期效果[ 9 ]。3 正在研究和发展的雕刻头311 压电陶瓷( PZT)在压电陶瓷两端加以电场,压电陶瓷发生伸长现象,这是压电陶瓷内部的晶体结构变化引起的。利用压电晶体的逆压电效应,实现电机械转换[ 10 ]。单片压电陶瓷的伸长量很小,一般要多片叠加成压电陶瓷堆,以满足雕刻位移要求;其输出力很大,可以比电磁力大10倍左右。对压电陶瓷堆加以高频变化电压时,其伸缩随之变化。理论上可达1～2. 5万网穴/ s的雕刻频率[ 4 ] 。压电晶体会产生较大的滞环,必须设计合适的驱动电路以减小压电晶体的滞环影响[ 11 ]。压电陶瓷驱动器结构如图7[ 1O2 ]所示。超磁致伸缩材料( Giant Magnetostrictive Material,简写为GMM)是一种新型功能材料,具有高刚度、磁滞小、应变大、响应速度快、能量传输密度高和输出力大等特点[ 12O13 ]。图7 压电陶瓷雕刻头示意图 图8 超磁致伸缩驱动结构原理图Fig. 7 Princip le of pzt driving Fig. 8 Structure p rincip leengraving head of GMM driverGMM电O机械转换器常见结构如图8所示,当给线圈提供电流时,在线圈内产生磁场,超磁致伸缩材料便产生长度变化,推动输出件工作,其具体工作情况见文献[ 13 ]。在电子雕刻中需要高频率,输出力并不需要很大,因此GMM的输出力大的优点并不适用于此处; GMM的输出是非线形的,受热效应的影响较大,这些都需要进行补偿,特别是高频时必须处理好焦耳热效应和涡流;此外, GMM需专门的驱动装置来提供磁场,材料本身价格也较高[ 12 ]。虽然如此, GMM所具有的许多优异性能,仍使其成为高频电O机械转换器开发的一个参考方向。4 结 语电子机械雕刻头主要有摆动式和直动式,其特点是雕刻频率高,雕刻质量好,且已产品化,为许多制版企业应用;激光雕刻,经过多年的发展,在版辊雕刻方面已表现出了优异性能,目前虽然成本较高,但其表现出了强大的发展潜力。在发展电子机械雕刻头方面,压电陶瓷和超磁致伸缩等功能材料是很好的发展方向。参考文献[ 1 ] 金杨1 凹版电子雕刻原理及其技术进展[ J ] 1 印刷技术, 1999,(4)[ 2 ] 朱广宙, 方平, 王传礼,等1现代电子雕刻系统及其关键技术[ J ]1现代机械, 2003, (2)[ 3 ] Laserstrahl versus DiamantstichelOTeil 3 Druck &MedienOMagazin,2004, (5)[ 4 ] 朱广宙1 电子雕刻机高频电机械转换器的研究[ C ] 1硕士学位论文, 2003[ 5 ] 张改梅, 王辉1 激光雕刻会取代电子雕刻吗[ J ] 1 印刷技术,2003, (7)[ 6 ] 金杨1 从德鲁巴看激光雕刻凹版及柔版制版技术的发展[ J ] 1印刷技术, 2000, (10)[ 7 ] Laserstrahl versus DiamantstichelOTeil 4 Druck &MedienOMagazin,2004, (7～8)[ 8 ] 王棣坊1 新的雕刻方法给凹印开拓新的未来[ J ] 1 印刷世界印刷杂志, 2001, (10)