Technologie microstructurale laser pour la fabrication de plaques
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Dans la production industrielle de plaques d’héliogravure, une grande surface nécessite une résolution spatiale élevée. Le cycle de travail rapide du rouleau d'impression nécessite une gravure efficace de plusieurs mètres carrés avec une précision micrométrique dans un court laps de temps. L'application des lasers dans ce domaine présente les caractéristiques suivantes: vitesse de traitement élevée, mise au point précise et modulation numérique. La technologie de micro-structuration laser directe remplace les techniques traditionnelles d'héliogravure (telles que la gravure mécanique avec un stylo diamant ou une gravure chimique) grâce à une précision, une répétabilité, une flexibilité et une productivité accrues.
La plaque de gravure rotative se compose d'un rouleau de cuivre ou d'acier galvanisé uniforme. Les informations sur l'image sont gravées dans de minuscules cellules dans une couche de cuivre ou galvanisée qui transfère l'encre sur le substrat (voir la figure 1). Une fine couche de chrome assure une longue durée de vie de la presse dans des conditions de broyage sévères. En utilisant une racle, on s'assure que seule la quantité d'encre déterminée par la taille des cellules est transmise.
Le cylindre d'impression par gravure a une longueur de 0,3 à 4,4 mètres, une circonférence de 0,3 à 2,2 mètres et une surface pouvant atteindre 10 mètres carrés. Lorsque la résolution de l'écran est comprise entre 60 et 400 lignes / cm, le nombre de cellules sur le tambour est généralement compris entre 108 et 1010. Pour effectuer le traitement de l'image le plus rapidement possible, le laser doit avoir un taux de répétition élevé et puissance moyenne élevée.
Pour la micro-gravure à grande échelle sous forme d'ablation thermique, la méthode la plus efficace consiste à utiliser un faisceau laser pulsé avec une seule impulsion laser pour créer une cellule complète. Un système laser Nd: YAG à découpage Q avec une puissance de fonctionnement moyenne de 500 watts et un taux de répétition de 70 kHz (voir figure 3) permet d'atteindre un taux d'ablation en volume de 1 cm3 / min et un taux d'ablation de 0,1 m2 / minute. La forme de la cellule est déterminée par la forme d'onde d'intensité du faisceau laser.
Les cellules semi-autotypiques (profondeur et diamètre variables en échelle de gris) peuvent être générées par des lasers à forme d'onde de faisceau gaussien, tandis que les cellules traditionnelles (avec des profondeurs variables par valeur de gris) sont générées à l'aide de formes d'onde plates (voir figure 2). La taille des cellules dépend de l'énergie de l'impulsion et est contrôlée par l'ensemble de données d'image numérique en utilisant un modulateur acousto-optique. Un diamètre allant de 25 mètres à 150 mètres définit la résolution d'écran de l'image; une profondeur allant de 1 mètre à 40 mètres définit la valeur de gris des points imprimés.
Le transfert de chaleur et la convection thermique de la masse fondue doivent être minimisés. Daetwyler a donc développé un matériau spécial électrozingué avec des additifs organiques moins thermoconducteurs que les structures de zinc ordinaires. En procédant à l'ablation de ce zinc spécial par vaporisation, la zone de fusion et les bavures peuvent être réduites en une fine couche de dépôt (dans un rayon de 2 à 3 mètres autour de la cellule).
La surface entière du tambour est gravée en alternance par une piste continue en forme de spirale. Lorsque la vitesse du tambour atteint 20 tr / min, la tête d'usinage se déplace selon une avance de 15 à 150 μm / tr, parallèlement à l'axe du tambour (en fonction de la résolution de l'écran). L'épaisseur de la paroi de la maille entre les cellules n'est que de 4 à 6 microns lorsque la valeur de tonalité est maximale. Cela nécessite la précision de visée du faisceau pour éclairer le tambour à environ 1 micron.
Une autre méthode consiste à utiliser un laser à fibre haute puissance à modulation d'impulsions (puissance moyenne de 500 watts) avec une plage de modulation de fréquence de répétition des impulsions de 30 à 100 kHz. Lorsque la fréquence est de 35 kHz, il y a plus d'énergie par impulsion, de sorte qu'un seul coup peut percer une grande cellule (comme un écran d'un diamètre de 140 microns lorsque l'écran est de 70 lignes / cm). Lorsque la fréquence est de 100 kHz, l'énergie par impulsion diminue et une petite cellule est ainsi gravée (par exemple un écran de 25 µm de diamètre lorsque l'écran est à 400 lignes / cm).
Le fonctionnement du faisceau laser est sans contact, ce qui constitue un avantage clé par rapport à la gravure électromécanique utilisant un stylo diamant. Tant que le processus d'impression est prévisible et reproductible, l'uniformité de la gravure peut être garantie sur toute la largeur du tambour. En raison de la haute reproductibilité, le processus laser monotube à un seul trou est environ 10 fois plus rapide que la gravure électromécanique.
Modulation de forme d'onde d'intensité de faisceau
Il existe de nombreux matériaux de support différents (tels que le papier ou le film élastique) sur le marché de l’impression, chacun ayant des caractéristiques de surface différentes. L'optimisation du transfert d'encre dépend de: la surface du substrat (telle que la rugosité, la capacité d'absorption d'encre), les paramètres d'encre (tels que la viscosité ou le modèle du pigment), les plaques d'impression. Pour chaque cas, différentes formes de cellules gravées peuvent être utilisées pour obtenir un résultat optimal.
En plus de la conduction thermique et de la convection, les cellules représentent avec précision la forme d'onde d'intensité de focalisation du faisceau laser. Afin d'obtenir une forme spécifique pour chaque cellule, la forme d'onde d'intensité stéréoscopique du faisceau est formée activement en temps réel et la fréquence contrôlée par les données d'image peut atteindre 100 kHz. Le schéma général de cette technique de modulation stéréo est illustré à la figure 4.
La forme, le diamètre et la profondeur de chaque cellule peuvent être déterminés indépendamment par la modulation active de la forme d'onde d'intensité et par la variation indépendante de l'énergie de chaque impulsion laser. Ce nouveau type de cellule dans le processus de fabrication des plaques est appelé Super Cellule Autauto-Authentique (SHC), qui est une extension de la cellule Halfautotypique (la profondeur et le diamètre de la cellule semi-automatisée sont variés mais non contrôlés indépendamment).
La modulation SHC permet à un système laser de graver différentes cellules (traditionnelle, autotypique, semi-autotypique). Dans le passé, différents processus (gravure électromécanique, gravure chimique) étaient nécessaires. Désormais, de nouvelles formes de cellules peuvent être créées pour optimiser les caractéristiques de transfert d’encre et l’imprimabilité de chaque couleur, en fonction de la valeur et du support d’impression.
Stratégie et application
En plus de la méthode "single-shot single-hole" de modulation de forme d'onde du faisceau SHC, il est également possible de concevoir des cellules gravées en superposant des impulsions laser continues, sauf que le diamètre du spot est plus petit que la taille diamètre de 10-15). Micron, taille de cellule 100 microns). La forme et la structure interne des cellules formées dépendent des schémas de modulation, de chevauchement et de balayage des impulsions laser (tels que les algorithmes de numérisation de la machine de composition d'image).
Les lasers à onde continue sont modulés ou modulés en niveaux de gris pour créer de petites bandes superposées qui forment une cellule en forme de losange. L'avantage est la haute résolution de l'image (par exemple, une résolution de 1000 lignes / cm avec une taille d'étape de transport vers l'avant de 10 microns et un diamètre de spot de 15-20 microns). L'inconvénient est la perte de capacité de production qu'il convient de compenser en utilisant une fréquence de modulation plus élevée (environ 1 MHz) et une tête de gravure à faisceaux multiples.
Les lasers à fibre haute luminosité (200-600 watts, onde continue, modulation d'impulsion) ou les lasers à impulsions ultracourtes permettent cette méthode de gravure avancée en raison de leur puissance de pointe élevée pendant la mise au point. Outre le zinc, cette haute luminosité peut également être utilisée pour graver d'autres matériaux tels que le cuivre et les céramiques.
L'algorithme de processus de numérisation de la machine de disposition d'image convient à de nombreuses applications 2D (impression) haute résolution et applications 3D (impression). Par exemple, graver un rouleau de gravure RFID.
L'électronique imprimée est une nouvelle technologie à venir, et la haute précision requise pour les composants et les circuits électroniques établira une nouvelle référence en matière de précision et d'uniformité des impressions. La plupart des encres organiques ou inorganiques des conducteurs et des semi-conducteurs sont en forme de pâte, ce qui est très laborieux à imprimer.
Pour un délaminage uniforme et non poreux de ces encres, un contrôle précis de la géométrie de la cellule et de la texture de surface de la plaque de gravure est essentiel. La figure 5C montre un test de gravure d'une antenne d'étiquette RFID avec une largeur de contour de seulement 10 microns.
Résumé et perspectives
La technologie laser associe des méthodes d’imagerie numérique pour améliorer le processus d’impression traditionnel, améliorant ainsi l’efficacité des impressions, la gamme d’écrans, la précision et la qualité. Différents algorithmes peuvent être utilisés pour utiliser différents types de laser. Utilisant la forme d'onde du faisceau laser modulé, le procédé SHC monotrou à un seul trou est actuellement le procédé le plus rapide pour l'héliogravure et peut être utilisé pour une variété de substrats, d'encres et d'impression. Le nouvel algorithme de gravure utilisant des sources TEM00 à haute puissance étend la gamme des méthodes d'ablation laser à de nombreuses applications industrielles, telles que les rouleaux anilox pour le transfert de matériaux de grande surface, l'impression hélio haute précision pour l'électronique imprimée et les outils d'impression 3D. . Les lasers à impulsions ultra-courtes seront capables d’entraîner et d’améliorer les méthodes ci-dessus lorsque la puissance laser nécessaire et le nouvel algorithme de gravure sont satisfaits. Le défi pour l'avenir sera d'utiliser un laser à impulsions ultracourtes picoseconde pour optimiser le processus d'ablation.