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穗升中起着重要作用。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余槐节扭杆的刚度,输出杆上有
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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 head
113 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,完成在版辊猜毁老上雕刻凹穴的
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 beam
p 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
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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 le
engraving head of GMM driver
GMM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。
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