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激光凹版雕刻制版技術基本知識介紹

   借助激光這種高效能手段進行印版制作,是印前處理及制版領域長期不懈努力的目標。作為一種高能量、高性能的記錄工具,自20世紀70年代以來,激光就已經在膠印、凹印制版領域發揮著日益重要的作用。在計算機圖文信息處理的基礎上,使用激光對膠片和膠印印版的圖文記錄輸出是目前最常見的及最有發展前途的膠印制版方法。所謂“CTFilm”,“CTPlate”中理所當然地包含了激光印版記錄。

    眾所周知,機械電磁式的凹版電子雕刻機是德國海爾(Hell GmbH)公司于1962年發明的。這與激光的發明時間很接近。實際上,該公司的技術人員當時就試圖利用激光進行鍍銅滾筒的雕刻,但由于銅對光線的高反射率而未能成功,他們轉而投入高能電子束雕刻的研究并取得了成功。

    凹印版的激光記錄開始于1977年,當時,英國Crosfield Electronics公司曾使用激光在帶聚合物樹脂層的凹印滾筒上雕刻出網穴,制作出凹版滾筒。盡管由于質量穩定性等原因,該系統并沒有真正大量地投入實用,但作為一種有益的技術研究和探索卻為激光凹印版的制版指出了可以繼續發展的途徑。

    2000年5月在德國杜塞爾多夫舉行的印刷盛會Drupa2000上,人們看到,激光印版記錄技術全面進入實用化階段,除用于平印CTPlate的技術成為熱點以外,多家廠商都推出了凹印印版和柔性版的激光制版設備,成為CTC(Computer To Cylinder)的一個亮點。

    一、激光雕刻凹版技術的類型

    就凹版網穴的類型而言,通常有四種類型,即:面積可變網穴、凹下深度可變網穴、面積和凹下深度都可變網穴、調頻網穴。在目前的技術發展水平上,這四種網穴的激光雕刻都已實現。

    1.面積可變網穴

    顧名思義,該類網穴僅通過改變其開口面積再現圖像的階調層次變化。顏色深處網穴面積較大,而顏色淺處網穴面積較小,網穴的凹下深度不變。就此特點而言,類似于膠印網點的圖像再現原理。故此,該類凹版也稱為"網點凹版"。

    應當注意的是,雖然其圖像階調再現的基本原理與膠印類似,但其網穴的結構卻不能脫離凹印版的基本技術要求,這就是:必須形成并保留網墻,不能在印版上出現大面積的無網墻實地。因此,從網穴的微觀結構上講,它與平印網點并不等同。

    2.凹下深度可變網穴

    這是最典型的凹版網穴,常被稱為"經典凹版"或"傳統凹版"。該類網穴僅通過改變其網穴凹下深度再現圖像的階調層次變化。顏色深處網穴凹下較深,而顏色淺處網穴凹下較淺,網穴的面積不變。由于網穴面積相同,故網墻的厚度是等同的。

    3.面積和凹下深度都可變網穴

    在機械電磁式電子凹版雕刻機所雕刻的滾筒上常可見這種網穴,它是非激光式電雕凹版最常用的網穴類型。其網穴特點是:顏色深處網穴開口面積和凹下深度都大,面顏色淺處網穴開口面積和凹下深度都小,顯然網墻的厚度是不相等的。

    4.調頻網穴

    將調頻加網的原理應用到凹版上,可以生成調頻網穴凹版。

其網穴特點是:面積相同,而在凹印版上出現的空間位置隨機變化。同樣,為了在圖像的暗調區域不出現大面積無網墻"地帶",調頻網穴的空間位置應受到合理的控制,不能完全隨機。

    二、激光凹版雕刻的基本原理和實現方式

    從原理上講,激光凹版雕刻是應用一路或多路高能激光束,在滾筒表面的待雕刻材料(金屬層或基漆層)上,燒蝕出網穴或露銅的網穴形狀,直接形成網穴印版,或為后續加工網穴做好準備。

    從上面所給出的基本原理可以知道,這其中包含了兩種略有差異的雕刻技術。第一種是用高能量激光直接雕刻滾筒金屬表面,形成凹版網穴。就目前的技術水準而言,直接雕刻銅層還未獲得成功。瑞士Daetwyler公司采取了雕刻鋅層的妥協方法,實現其激光雕刻的目標。第二種則是在銅滾筒上先涂覆黑色基漆層,用激光燒蝕網穴區域,使網穴處的銅層裸露出來,非網穴處由基漆保護抗蝕,待腐蝕后即可獲得凹下的網穴。這就是德國Hell公司在Drupa2000上推出的HelioBeam C2000所采用的技術方案。

    盡管從基本原理上兩者的差異似乎并不大,但從網穴特征、工藝過程等細節上分析,兩者還是各具特色的。

    三、兩種激光凹版雕刻技術的比較

    1.激光雕刻凹版基漆層技術

    以德國Hell公司的HelieBeam C2000系統為代表,激光雕刻凹版基漆層技術成為Drupa2000上激光雕刻凹版的新熱點。

    德國Hell公司的激光雕刻凹版方案的實質是:充分利用激光記錄的高分辨率,使激光在基漆上燒蝕出的網穴輪廓、文字、圖形輪廓達到高精度。網穴輪廓面積隨圖像顏色的深淺明暗而變化。因此,經過后續腐蝕處理所得到的網穴屬于前述的"面積可變、凹下深度不變網穴"(實際上,在腐蝕過程中,網穴輪廓面積的大小仍然會在一定程度上影響網穴腐蝕深度)。熟悉膠印制版的人員會發現,這是"平印化"的凹版。

    長期以來,凹版制作中存在文字和圖形質量低于膠印的問題。其原因是膠印制版通常使用1200-3000線/英寸的記錄分辨率記錄文字和圖文的輪廓,精度較高;而電子雕刻機的雕刻分辨率(網線數)較低,一般在60-140線/厘米,即150-356線/英寸。這樣的線數對圖像層次和細節的再現是可以的,但對于文字和圖形的輪廓質量而言就顯得不足,以此分辨率雕刻出的文字和圖形邊緣不夠光滑,品質與膠印不可同日而語,特別是雕刻小字號的文字時問題更突出。

    膠印網點是由多個激光曝光點組合成的,利用這一特點,人們可以做兩件事:第一,可以實現網點面積的多級變化。如果100%面積率的網點由16x16個記錄曝光點組合而成,則網點面積率可以有257級(包括0%)變化;第二,網點的形狀可以較為自由地設計,如將不同面積率的網點設計成不同的形狀,這樣可以相應補償印刷過程中的網點擴大或網點縮小,使圖像的層次和顏色再現更趨完美。

    常見的機械電磁式電子雕刻機雕刻刀的一次雕刻動作就生成一個網穴。網穴的形狀僅決定于雕刻刀的角度、滾筒轉速和雕刻頭的橫向進給速度等,改變網穴形狀的自由度是比較小的。

由此可知,非組合式網穴的形狀變化少,而且由于分辨率較低,文字和圖形的邊緣雕刻品質不佳。為了解決這個問題,Hell和Daetwyler-Ohio公司的技術人員采用過一些方法,例如Daetwyler-Ohio公司的TransCell技術在雕刻文字的筆劃時微量改變網穴的間距,使其間距變小,局部地增加雕刻分辨率;Hell公司除雕刻刀的微量移動外,還采用類似"反混淆技術"的方法,用小網穴補充在筆劃的鋸齒空隙處,從視覺效果上予以彌補。

    文字、圖形邊緣精度低這一問題的真正解決途徑在于提高記錄分辨率。在HelioBeam C2000激光雕刻機上,由于采用“準平印方式”進行激光基漆燒蝕,可以用2540-5080點/英寸的高分辨率記錄圖文(激光光斑直徑5-10微米),雕刻分辨率是原來分辨率的10-20倍,因此從根本上解決了上述問題,提高了文字和圖形的再現質量。同時,由于燒蝕出的每個網穴是由多個激光曝光點組合而成的,因此可以較為方便地設計網穴輪廓形狀,以改善圖像層次的傳遞效果。在HelioBeam C2000激光雕刻機上,除Hell公司原有的網穴形狀外,還可以產生其他網穴形狀。例如,該系統上產生的內凹形網穴對補償印刷中的網點擴大有益。從原理上講,雕刻調頻網穴也是可以實現的。

    提高雕刻分辨率引出了如何保證雕刻效率的問題。Hell公司的技術人員在HelioBeam C2000激光雕刻機上采用了多束激光并行曝光的方法,將功率為60瓦的新型纖維紅外激光(1110納米)分成8束(每束7.5瓦),對鍍銅滾筒上的基漆層進行熱燒蝕。纖維激光器產生的激光束質量好、聚焦深度(景深)大,而基漆的性質穩定,僅在高能激光下得以汽化。

    從雕刻制版工藝路線上觀察,采用該系統不必改變滾筒鍍銅。滾筒表面加工(車/磨/拋)的配置,僅需要在工藝流程中加入基漆涂布和腐蝕兩個步驟。系統可以比較方便地與原有的雕刻工藝共存,即加工好的帶銅層滾筒既可以進行機械電磁式雕刻,也可以經過基漆涂布進入HelioBeam C2000進行激光雕刻,再經過腐蝕和去除基漆層得到凹版滾筒。隨后進行的鍍鉻等工藝布置也是相同的。因此,該系統具有較高的工藝靈活性。

    在Drupa2000上,Daetwyler-Ohio公司推出的Digilas激光雕刻系統也屬于同類的激光燒蝕基漆層系統。該系統采用1束或2束YAG激光(1064納米),雕刻記錄的分辨率為1250-2540點/英寸(激光光斑直徑10-20微米)。

    日本ThinkLab公司也在Drupa2000上推出了其TB-21系列激光雕刻系統FP-20/40/80。該系統采用多束激光對感光抗蝕層進行曝光,隨后經過顯影加工使網穴處的銅層裸露出來,再進行銅層網穴腐蝕,得到凹版滾筒。其基本特征雖與上述兩個公司的系統類似,但其激光記錄的是感光層,需要進行顯影加工,而未采用基漆燒蝕方法。

    2.激光雕刻金屬鋅層技術

    瑞士Daetwyler公司是一個勇于探索的公司,在Drupa2000舉辦之前,他們與美國Ohio電雕機公司合并成立了Daetwyler-Ohio公司,以面對雕刻技術領域的競爭。在1995年的Drupa上,該公司首次推出了雕刻金屬鋅的系統LaserStar。
系統采用單束氬離子激光雕刻,雕刻速度為35000-70000網穴/秒。當時,以"傳統凹版的復興"為口號,展示了其凹下深度可變、具有"影寫凹版"特征的網穴。該公司還進行調頻圖像激光雕刻系統的開發。

    從激光記錄技術上看,曝光光斑尺寸不變,用圖像記錄信號調制激光的記錄強度,即可雕刻出上述特征的網穴。一次激光曝光即產生一個網穴。這一技術的關鍵之處是:為了保證圖像層次再現,對激光曝光強度的精確控制。如果圖像數字信號為8位,可以攜帶256級圖像層次信息,要求激光能量也精確地控制為256等級,在數十至數百微米的范圍內雕刻出多級深度的網穴。圖像層次的再現依賴于激光雕刻精度控制。由于網線數在70-200線/厘米,在此雕刻分辨率下,文字和圖形的輪廓精度尚可,但并不很高。

    為了改善雕刻質量,該公司又在提高雕刻分辨率的基礎上,推出了多光束組合網穴。具體的實現方法是用7個激光曝光點組成一個網穴(雕刻分辨率為原來的3倍),這樣雕刻的網穴為"面積和凹下深度都可變"類型。網穴的面積率可以有7級變化而凹深有多級變化。分辨率的提高可以改善文字和圖形的雕刻質量,同時,網穴面積的多級變化又可以降低對激光強度調制的精度要求。

    從雕刻工藝流程上看,因為雕刻對象是金屬鋅層,因此需要為鍍鋅、鋅層表面加工等建立生產線。

    從上面所進行的技術比較,可以得到目前激光凹版雕刻技術的類型,技術水平、網穴特征和工藝流程構成。

    四、柔性版激光雕刻技術概況

    柔性版材料的激光雕刻同樣可以利用高能激光進行曝光形成凸版網點。在Drupa2000上,Hell公司和Daetwyler-Ohio公司都展示了柔性版激光雕刻系統。兩個公司的系統都使用激光直接對單張柔性版或柔性版套筒進行曝光,形成柔性印版。系統的基本配置與凹版激光雕刻系統類似。

    綜上所述,激光雕刻制版技術正處在穩步發展的過程中,隨著激光技術、印版材料等科技的發展,它在凹版和柔性版制版領域還將取得更大的進展。

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