«МЕТОДОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ОФСЕТНОЙ ПЕЧАТИ С УЧЕТОМ МИКРОГЕОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТИ ЗАПЕЧАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова»

На правах рукописи

Варепо Лариса Григорьевна

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА

ОФСЕТНОЙ ПЕЧАТИ С УЧЕТОМ МИКРОГЕОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТИ

ЗАПЕЧАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (печатные средства информации) Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор Бобров Владимир Иванович Москва –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….

ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

КАЧЕСТВА ОФСЕТНОЙ ПЕЧАТИ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ КРАСКИ

С ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗАПЕЧАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА ………….

Состояние проблемы и обзор исследований в области взаимодействия печатной краски с запечатываемым материалом...............

Подходы к моделированию и оценке показателей качества 1. взаимодействия краски с запечатываемым материалом ………….……..

Влияние микрогеометрии поверхности запечатываемого материала на качество воспроизведения элементов изображения …….…… Анализ современных методов оценки микрогеометрии поверхности бумаги (картона) …….. ………………………………………..

Особенности адгезионного взаимодействия в системе «краска 1. запечатываемый материал» ………………….…………………………..

Выводы к главе 1……………………………………..………..

1.6

2 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА ПЕРЕНОСА

КРАСКИ НА ЗАПЕЧАТЫВАЕМЫЙ МАТЕРИАЛ В ЗОНЕ ПЕЧАТНОГО

КОНТАКТА ………………………………………………………………… 2.1 Построение имитационной модели переноса краски на запечатываемый материал в зоне печатного контакта ….……………………….

2.2 Конечно-разностные методы решения переноса краски на запечатываемый материал с учетом деформаций контактирующих поверхностей …………….…………………………………………………………….

2.3 Количественная оценка относительных показателей процесса переноса краски на запечатываемый материал на основе численного моделирования ………………………………..…………………………….

2.3.1 Алгоритм численного моделирования переноса печатной краски на запечатываемый материал в зоне печатного контакта …….

2.3.2 Результаты численного моделирования переноса печатной краски на запечатываемый материал ………………………………….

2.4 Качественная оценка переноса печатной краски на запечатываемый материал в зоне печатного контакта на основе графического моделирования ………………………………………………………………… 2.4.1 Алгоритм графического моделирования…………………… 2.4.2 Результаты графического моделирования переноса печатной краски на запечатываемый материал в зоне печатного контакта 2.5. Прогнозирование количественной оценки относительного показа- теля «пыление» печатной краски ………….…..………………….

2.6. Выводы по главе 2…………………………………………………..

МОДЕЛИРОВАНИЕ КРАСКОВОСПРИЯТИЯ БУМАГИ

(КАРТОНА) С УЧЕТОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КРАСОЧНОГО СЛОЯ НА

ОТТИСКЕ…………………………………………………………………….

3.1 Результаты исследования распределения красочного слоя на границе раздела печатная краска – бумага методом растровой микроскопии ….……………………………………………………………..

Аналитическое представление профиля поверхности бумаги (картона) компонента печатной системы…………….………………….

Разработка математической модели для расчета красковосприятия бумаги (картона) ………….……………………………………… Выводы по главе 3 ……………….…………………………….

4 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА

АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ПЕЧАТНОЙ СИСТЕМЫ «КРАСКА –

БУМАГА (КАРТОН)» ……………………………………………………… Математическая модель для расчета адгезионной прочности печатной системы «краска – бумага (картон)» …..……………………….

Моделирование адгезионной прочности красочного слоя оттиска в печатной системе «краска – бумага (картон)» с использованием планирования эксперимента……………………..………………………… Корреляционно-регрессионный анализ взаимосвязи адгезионной прочности красочного слоя оттиска с характеристиками микрогеометрии поверхности ……………….…………………………………… Выводы по главе 4 ……………………………………………..

5 ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПЕЧАТИ С УЧЕТОМ

МИКРОГЕОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТИ ЗАПЕЧАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ……….…………………………………………………………….

Определение характеристик микрогеометрии поверхности бумаги (картона) бесконтактным методом на профилографе «Micro Measure 3D station» ………………………………………………………… Оценка цветового охвата многокрасочной печати с учетом особенностей оптических свойств и микрогеометрии поверхности запечатываемого материала ……………………………………………………. Оценка точности воспроизведения микроштриховых элементов на оттисках с различными характеристиками микрогеометрии поверхности бумаги (картона) методами электронной микроскопии …….

Качественная оценка взаимосвязи между однородностью поверхности бумаги (картона) и качеством оттиска методами электронной микроскопии …………………….…………………………………………..

Оценка взаимосвязи показателей качества красочного покрытия (укрывистости) оттиска и микрогеометрии поверхности в печатной системе «краска–бумага (картон)» …………………………………………… Оценка изменения климатических условий на показатели печатных свойств компонента печатной системы – бумаги (картона)...….

Разработка критерия для выбора режимов печатания и запечатываемого материала ……..………………………..…………………… Выводы по главе 5 …………… ……………………………….

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Фрагмент алгоритма программы для расчета впитывания краски в поры и определение границ около цилиндров …………… ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Фрагмент алгоритма программы для определения характеристик микрогеометрии запечатываемого материала …………….

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Фрагмент алгоритма программы для оценки красковосприятия …………………………………………………………………..

ПРИЛОЖЕНИЕ Рис.1.1 Трехмерное представление поверхности ……………….

Рис.1.2 Профиль поверхности по X и Y ………………………………. ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Цветоделенная шкала оценки цветового охвата ……. ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Микрофотографии тиражных оттисков ………………

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В условиях современного рынка при производстве полиграфической и упаковочной продукции ее конкурентоспособность, определяемая качеством, обусловленным возможностями производства и нормативными требованиями, во многом зависит от взаимодействия запечатываемого материала и краски.

Актуальность обусловлена требованиями потребителей к качеству печатного изображения, прежде всего к информационной функции упаковки, постоянным обновлением на рынке ассортимента компонентов печатной системы (с опережающим ростом запечатываемых материалов по отношению к печатному оборудованию) и отсутствием данных, учитывающих характеристики микрогеометрии поверхности новых материалов в процессе переноса краски в зоне печатного контакта.

Ныне действующий ГОСТ Р 54766 (ISO 12647-2) регламентирует требования к показателям качества печатной продукции, отпечатанной офсетным способом. Количество видов эталонной бумаги в нем ограничено, что затрудняет оценку качества тиражных оттисков в условиях мелко и среднесерийного производства [1, 2].

Соответствие цвета и удобочитаемость текста на упаковке повышает конкурентоспособность продукции в условиях рыночной экономики. При подборе компонентов печатной системы возникают проблемы при воспроизведении микроштриховых элементов изображения, что не позволяет обеспечить стабильность качества печатной продукции. Следует отметить, что воспроизведение микроштриховых элементов изображения на различной по отделке поверхности запечатываемого материала с учетом распределения красочного слоя на оттиске на данный момент еще недостаточно изучено и имеет первостепенное значение для обеспечения, как информационной функции изображения, так и функции защиты информации особенно на упаковочной продукции.

Теоретические основы печатного процесса были заложены в первой половине прошлого столетия. К числу одной из первых публикаций, выявивших проблемы изучения особенностей переноса печатной краски на бумагу, в которой описывается характер поведения слоя краски в зоне контакта и механизм его деления, относят работы A. Zettelmoyer [3–5]. Дальнейшие исследования, проводимые как зарубежными, так и отечественными учеными создали теоретический и экспериментальный задел в этом направлении. Результаты работ отечественных ученых позволили выявить влияние основных факторов скоростного печатного процесса на качество оттисков, определить необходимые величины давления и характер его распределения в полосе печатного контакта, процессы деформации контактирующих поверхностей, оказывающих прямое или косвенное влияние на процесс переноса печатной краски и обеспечивающих долговечность печатных машин [6–12].

В условиях ужесточения требований к печатным свойствам материалов, к надежности полиграфического оборудования и к качеству печатного оттиска начатые еще в середине прошлого века экспериментальные исследования офсетного печатного процесса не утратили своей актуальности и в наши дни. Процессы, протекающие в полосе печатного контакта, были и по-прежнему остаются в центре внимания конструкторов печатных машин и технологов полиграфического производства при оптимизации процесса печатания [13].

В работах ряда отечественных и зарубежных ученых приводятся различные подходы к математическому описанию красочных аппаратов, переносу и расщеплению печатной краски, в основу расчета которых положена система алгебраических уравнений, отражающих сложение и деление красочных слоев в контактных зонах, использование которых позволяет решать динамическую задачу передачи слоев краски на оттиск. Э.И. Избицкий [14] отмечает, что в ходе изучения печатного процесса были выявлены такие важные константы, как коэффициенты расщепления красочного слоя, коэффициенты передачи (переноса) краски на бумагу и т.п., пользуясь которыми, а также принимая во внимание структуру и конструктивные параметры красочных аппаратов можно строить формальное математическое описание объекта. Однако автором рассматривается поток краски только через последовательную цепочку валиков и цилиндров при структурно-математическом моделировании красочного аппарата.

Следует отметить, что наряду с экспериментальными методами интенсивно развиваются теоретические методы и подходы к описанию поведения материалов как иерархически организованных систем. Среди теоретических методов важным инструментом исследования с появлением производительной вычислительной техники является использование аппарата современной теории моделирования, в частности компьютерное моделирование. Такой подход позволяет наиболее точно и максимально адекватно реальному процессу изучить процессы, которые встречаются на практике при движении слоя жидкости (печатной краски) между вращающимися цилиндрами печатного аппарата и взаимодействии пористой структуры бумаги (картона) с жидкой средой.

В большинстве работ, посвященных вопросу переноса печатной краски с красконесущей поверхности (офсетное резинотканевое полотно) на красковоспринимающую (бумага, картон), авторы условно полагают, что красочный слой разделяется при первом контакте пополам [3–7, 15–18], отмечая при этом зависимость характера разрыва красочного слоя от скорости его разделения (скорость печатания). Следует заметить, что данных о количественной оценке разделения слоев жидкости непосредственно в зоне печатного контакта при условии, что субстрат с красковоспринимающей поверхностью – это материал с неоднородной поверхностью, в поры которого проникает печатная краска, авторами не найдено.

Это также подтверждает актуальность решения поставленной задачи, как в теоретическом плане, так и в практическом отношении.

Анализ взаимосвязи основных элементов печатного процесса позволяет выделить следующие факторы, влияющие на качество продукции: запечатываемый материал, печатная краска, увлажняющий раствор, параметры настройки оборудования (основные составляющие печатной системы) [18]. Неоспорим тот факт, что для обеспечения четкости оттиска необходимым условием в процессе формирования красочной пленки является полное соприкосновение всех элементов изображения на контактирующих поверхностях в зоне печатного контакта. При этом существенная роль отводится микрогеометрии поверхности запечатываемого материала. Показатели шероховатости бумаги (картона) являются предметом исследования в данной работе ввиду постоянного обновления рынка материалов.

Чтобы спрогнозировать (в условиях мелкосерийного и среднесерийного производства) характер взаимодействия запечатываемого материала и краски в процессе печатания, необходимо иметь представление о красковосприятии используемых материалов, то есть о способности материала воспринимать определенное количество краски при заданных условиях контакта и разрыва красочного слоя. В производственных условиях нормирование указанного показателя осуществляется, как правило, по стандартам предприятия (времени на приладку, графиков процесса, норм отходов).

Развитие теоретических методов и математическое моделирование дают возможность исследовать и установить важные закономерности взаимодействия бумаги и краски в зоне печатного контакта в рамках единого динамического комплекса.

Это позволяет разработать более качественные методики настройки систем автоматизации для того, чтобы повысить эффективность эксплуатации печатного оборудования, а также обеспечить высокое качество печати. Выполненные автором исследования дают необходимый материал для теоретического обобщения процесса переноса краски в офсетной машине на запечатываемый материал с различной микрогеометрией поверхности.

Степень разработанности темы исследования. Тема исследования является продолжением одного из основных направлений прогнозирования качества – применение методов исследования, моделирующих условия взаимодействия компонентов печатной системы. Не смотря на наличие значительного количества работ зарубежных и отечественных ученых по отдельным аспектам прогнозирования качества офсетной печати, необходимо отметить несоответствие известных моделей и методов современным требованиям. Известные методы моделирования процесса переноса на запечатываемый материал характеризуются ограниченными функциональными возможностями, приводятся данные с упрощенным принятием половинного расщепления краски с нулевой впитывающей способностью, т.е. условно принято, что красочный слой разделяется пополам. Однозначно не решен вопрос, какая часть краски после ее деления остается в каждом цикле на красконесущей поверхности. Остается открытым вопрос, какие параметры запечатываемой поверхности определяют деление слоя, а также каков коэффициент, характеризующий долю краски, иммобилизованной запечатываемой поверхностью. Отсутствуют данные о количественной оценке пыления краски. Количественная оценка выше перечисленных показателей во многом предопределяет качество конечного продукта печати.

Сведения о характеристиках поверхности запечатываемого материала, во многом определяющих не только его взаимодействие с краской, но и потребительские свойства печатной и упаковочной продукции, включая информационную и эксплуатационную функции изображения, для большинства поставляемых на рынок материалов носят чисто рекламный характер. Выбор режимов печатания и материала для печати конкретного вида печатной продукции носит субъективный характер, отсутствует критерий оценки выбора для обеспечения требуемого качества при заданных характеристиках печатной системы.

Учитывая значительный ассортимент компонентов печатной системы, и принимая во внимание отмеченные недостатки существующих теоретических и практических подходов к оценке показателей, характеризующих процесс их взаимодействия, можно полагать, что проблема прогнозирования качества офсетной печати с учетом микрогеометрии поверхности запечатываемых материалов имеет важное хозяйственное значение и является актуальной. Решение данной проблемы требует развития известных и разработки новых методов оценки показателей качества, как компонентов печатной системы, так и печатного оттиска.

Личный вклад автора состоит в непосредственном участии на всех этапах процесса, в личной разработке и формулировании основных положений диссертации, составляющих ее новизну теоретическую и практическую ценность, выполнении всего объема исследований, постановке научных экспериментов, разработке и освоении методик исследований, обработке и интерпретации экспериментальных данных, отладке разработанных в соавторстве компьютерных программ.

Разработаны (в соавторстве) компьютерные программы, в которых реализована имитационная модель переноса краски на запечатываемый материал в зоне печатного контакта офсетного и печатного цилиндров офсетного печатного аппарата. Лично автором определены характеристики микрогеометрии для различных видов бумаги (картона), поставляемых на отечественный рынок, и создана информационная база данных. Проведены вычислительные и натурные эксперименты по определению работоспособности предложенных математических моделей.

В соавторстве разработан способ подбора компонентов печатной системы для оптимальной цветопередачи при многокрасочной печати. Даны практические рекомендации по оптимизации офсетного печатного процесса. Все расчеты, представленные в диссертации, выполнены, обработаны и проанализированы лично автором.

Цель работы – разработка методологии прогнозирования качества офсетной печати с учетом микрогеометрии поверхности запечатываемых материалов.

Для достижения поставленной цели были выделены следующие задачи, отражающие логику диссертационного исследования:

смоделировать процесс переноса краски на реальную поверхность запечатываемого материала в зоне печатного контакта офсетного печатного аппарата, разработать алгоритм и программное обеспечение для оценки показателей качества процесса переноса и расщепления печатной краски и его визуализации;

на границе раздела «печатная краска – запечатываемый материал»

исследовать глубину проникновения краски и распределение составных частей краски в поверхностных и объемных слоях запечатываемого материала;

разработать метод количественной оценки красковосприятия бумаги (картона) с учетом микрогеометрии поверхности и глубины впитывания краски в поры запечатываемого материала;

разработать метод оценки показателя адгезионной прочности красочного слоя на поверхности запечатываемого материала с учетом микрогеометрии поверхности, глубины впитывания в поры запечатываемого материала и действительной площади контакта;

разработать метод и алгоритм измерений показателей микрогеометрии поверхности запечатываемого материала бесконтактным 3-d принципом; исследовать тесноту взаимосвязи между характеристиками микрогеометрии поверхности запечатываемого материала и показателями качества тиражного оттиска; разработать критерий для выбора режимов печатания и бумаги (картона) с учетом микрогеометрии поверхности для обеспечения качества печатной продукции при подборе компонентов печатной системы.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые получены следующие результаты:

Количественная оценка процесса переноса краски на запечатываемый материал, выраженная относительными показателями: коэффициентом возврата краски, характеризующим относительное количество краски на офсетном цилиндре при выходе из зоны печатного контакта; коэффициентом переноса краски на запечатываемый материал, включающим относительное количество краски, впитавшейся в поры бумаги, и относительное количество краски, иммобилизованной запечатываемой поверхностью; коэффициентом пыления, характеризующим относительное количество печатной краски в виде красочных тяжей, перешедшей в «пыление», дающая возможность прогнозировать качество информационной функции изображения, а также эксплуатационной и защитной функций.

Разработана математическая модель, реализующая метод оценки красковосприятия запечатываемого материала с учетом профиля его поверхности, глубины впитывания и распределения краски в поверхностных и объемных слоях, давления и времени контакта.

Предложен показатель адгезионной прочности красочного слоя на поверхности запечатываемого материала на основе оценки действительной площади печатного контакта, учитывающей реальный профиль поверхности, показатели пористости и режима печатного процесса, характеризующий качество эксплуатационной функции изображения.

Предложен показатель оценки качества покрытия многокрасочного изображения, характеризующий величину потерь передаваемой информации на материале с различной микрогеометрией поверхности.

Для обеспечения высокого качества печати предложен критерий выбора режимов печатания и запечатываемого материала с учетом микрогеометрии поверхности для запатентованного способа подбора компонентов печатной системы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная имитационная модель процесса переноса краски на запечатываемый материал позволяет исключить натурный эксперимент со значительными материальными и энергетическими затратами, включая эксплуатацию производственного оборудования и позволяет прогнозировать не только показатели, определяющие качество оттиска, но и экологическую безопасность производства.

Разработаны алгоритмы и программные продукты численного моделирования и графической визуализации картин, происходящих в слое краски, который позволяет наглядно интерпретировать изменения, происходящие в красочном слое в зоне печатного контакта при переносе краски с офсетного цилиндра на красковоспринимающую поверхность [1921].

Разработан алгоритм и программный продукт оценки красковосприятия субстратов с различной микрогеометрией поверхности, что в условиях мелкосерийного и среднесерийного полиграфического производства дает возможность сокращения времени, необходимого на приладку [22].

Применение показателя, характеризующего величину потерь передаваемой информации при переносе краски на запечатываемый материал с различной микрогеометрией поверхности, и разработка метода его измерения позволяют получить количественную оценку качества покрытия многокрасочного изображения [23, 24].

Применение разработанных алгоритмов и программных продуктов с удобными интерфейсами дает возможность оперативно управлять процессом печати в автоматизированном режиме, контролировать показатели качества поверхности и оттиска на любых запечатываемых материалах и прогнозировать эксплуатационные свойства готовой продукции. Регистрация разработанных программных продуктов произведена в реестре программ для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам [25–27].

Применение методологии структурирования функций качества позволило провести оценку взаимодействий между потребительскими требованиями и характеристиками запечатываемого материала, выявить связи: требования потребителей / характеристики запечатываемого материала; требования потребителей / показатели качества печати, разработать метод подбора запечатываемого материала для обеспечения качества и повышения конкурентоспособности полиграфической и упаковочной продукции.

Разработана информационная база данных характеристик микрогеометрии поверхности для 50 видов бумаги (картона), которая позволит полиграфическим предприятиям осуществлять рациональный выбор запечатываемого материала при подборе компонентов печатной системы по запатентованному способу [28] для обеспечения высокого качества печати с учетом микрогеометрии поверхности материала, особенностей технологического процесса многокрасочной офсетной печати и требований стандарта ГОСТ Р 54766 (ISO 12647-2).

Результаты работы реализованы на полиграфических предприятиях: ОАО «Советская Сибирь» (г. Новосибирск), ЗАО «Полиграф» (г. Омск). Экономическая значимость полученных результатов состоит в том, что они позволяют избежать проведения дорогостоящих натурных экспериментов, связанных с материальными и энергетическими затратами, а также эксплуатацией производственного оборудования.

Адаптированные методы, отличающиеся последовательностью проводимых операций, типом применяемого индентора и режимными параметрами процесса, позволяют оперативно проводить:

оценку характеристик микрогеометрии поверхности запечатываемого материала бесконтактной оптической профилометрии;

оценку адгезии красочной пленки и трибологических показателей (прочности красочного покрытия на истирание) на запечатываемом материале.

Данные методы могут быть широко использованы для оперативного контроля при производстве бумаги (картона). Внедрены в Центре измерения свойств материалов Физико-технического института Томского политехнического университета (ТПУ ФТИ ЦИСМ, г. Томск).

Разработанные методы исследований использованы в учебном процессе при подготовке специалистов отрасли в условиях Российской Федерации [29] и в диссертационных работах аспирантов [30, 31], что является важной частью практиМетодология и методы исследования. Объект исследования печатная ческой реализации выполненной работы.

система. Предмет исследования – методология прогнозирования качества, в частности процесса взаимодействия краски с микронеровностями текстуры запечатываемого материала в зоне печатного контакта офсетного способа печати. При решении поставленных задач использовались методы системного анализа, математического моделирования, основные положения теории вероятностей и математической статистики, численные методы, методы электронной микроскопии, бесконтактной профилометрии, скретч-тестирования, трибологических исследований, методы структурирования функции качества, а также современные программные средства обработки информации (MathCAD, Matlab, Maple).

В работе использовалось метрологически калиброванное оборудование и приборы: офсетная машина Speedmaster SM-102; сканирующие электронные микроскопыJSM7500F JEOL, JSM7001+ X-Max20, Quanta 200; лазерный сканирующий конфокальный микроскоп KEYENCE VK-9700; спектрофотометры UVPC SHIMADZU, Gretag Macbeth SpectroEye; профилограф MICRO MEASURE 3D station; установки Micro Scratch Tester CSEM, HighTemperature Tribometer CSEM.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методология прогнозирования показателей качества, характеризующих процесс переноса краски в офсетной печати на запечатываемый материал с учетом микрогеометрии поверхности включающая:

имитационную модель, построенную на методах конечно-разностной аппроксимации системы уравнений Навье – Стокса с учетом микрогеометрии контактирующих поверхностей (бумага/картон, офсетное резинотканевое полотно) и деформации контактирующих поверхностей; впитывания краски в поры запечатываемого материала и режима печатного процесса;

тельными показателями: pо – коэффициент возврата краски, равный относительколичественную оценку процесса переноса краски, выраженную относитакта; pот коэффициент переноса краски на запечатываемый материал, вклюному количеству краски на офсетном цилиндре при выходе из зоны печатного кончающий относительное количество краски в, впитавшейся в поры бумаги, и отностью; pпыл относительное количество краски, перешедшей в «пыление».

сительное количество краски Крп, иммобилизованной запечатываемой поверхноТеоретические и экспериментальные исследования процессов взаимодействия «краска – запечатываемый материал» с учетом текстуры поверхности запечатываемого материала и режимов печатания включающие:

меру распределения составных частей красочной системы в поверхностных и объемных слоях запечатываемого материала;

метод оценки и математическую модель красковосприятия бумаги (картона);

математическую модель оценки показателя адгезионной прочности системы «печатная краска – бумага (картон)».

3. Критерии выбора режимов печатания и бумаги (картона) для обеспечения качества печати при переносе краски на поверхность запечатываемого материала с учетом действительной поверхности контакта при подборе компонентов печатной системы по запатентованному способу [28], включающие:

метод оценки характеристик микрогеометрии поверхности;

критерии выбора режимов печатания и запечатываемого материала для обеспечения высокого качества печати.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность положений, выводов и результатов обеспечивается корректностью постановки задач, основана на применении методов математического моделирования, математического анализа и численных методов, положительными результатами внедрения методов, алгоритмов и программного обеспечения, а также достаточно широкой публикацией результатов исследований, полученных с применением высокоинформативных методов, в научно-технических и производственно-технических журналах, их обсуждении на конференциях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, опубликованы в печати, в том числе в изданиях, которые индексируются в международной системе научного цитирования: V, VI, VII, VIII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004, 2007, 2009, 2012); Международной научнотехнической конференции «Визуальная культура: дизайн, реклама, полиграфия»

(Омск, 2003, 2004, 2006); Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» (Омск, 2005);

Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania nauki i techniki» (Przemys, 2007); Scientific-Practical Conference «Innovations of publishing, printing and multimedia technologies» (Kaunas, Litva, 2008, 2010, 2013, 2014); включены в программу 35-й международной конференции IARIGAI (Spain, 2008); VIII Международной научно-технической конференции «Визуальная культура: дизайн, реклама, информационные технологии» (Омск, 2009); «China Academic Conference on Printing and Packaging» (Beijing, China, 2010); 42-ой Международной научно-технической конференции высших учебных заведений в области технологий полиграфического производства (Москва, 2010); VI Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании»

(Варна, Болгария, 2010); Международной научно-практической конференции «Прикладная оптика-2010» (СПб); Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СПб, 2010); Международной научно-практической конференции «Измерения в современном мире» (СПб, 2011, 2013); X, XI Международной научнопрактической конференции «Качество, стандартизация, контроль: теория и практика» (Ялта-Киев, 2010, 2011); Международной конференции «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика»

(Новосибирск, 2011); 1-ой Международной научно-практической конференции "Упаковочная индустрия: современные тенденции развития и подготовка кадров" (Львов, Украина, 2012); International Multidisciplinary Microscopy Congress – INTERM 2013 (Antalya, Turkey, 2013), на совместном заседании профилирующих кафедр МГУП имени Ивана Федорова.

Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных научных исследований МГУП имени Ивана Федорова.

По теме диссертации опубликовано 103 научных работы, в том числе 37 работ в ведущих отечественных и (или) зарубежных рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, 1 патент на изобретение, 2 монографии, 8 свидетельств о официальной регистрации программы для ЭВМ, общий объем публикаций 46,4 печатных листов, авторских публикаций 28 печатных листов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 300 наименований. Объём диссертации составляет 300 страниц машинописного текста, в том числе 77 рисунков и 31 таблицу.

В приложении приведены результаты исследований, акты внедрения разработанных методик на предприятиях полиграфической отрасли и алгоритмы разработанных программ.

Автор признателен д.х.н., с.н.с. Е.Б. Баблюку, д.т.н., проф. В.И. Боброву, д.т.н., проф. А.И. Винокуру, д.х.н., д.т.н., проф. Н.А. Нечипоренко, д.т.н., проф.

Б.А. Роеву за ценные советы и замечания при обсуждении научных результатов.

Автор благодарит к.ф.м.н., с.н.с. Паничкина А.В. за сотрудничество в разработке программного обеспечения.

1 ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА

ОФСЕТНОЙ ПЕЧАТИ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ КРАСКИ

С ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗАПЕЧАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА

Состояние проблемы и обзор исследований в области взаимодействия печатной краски с запечатываемым материалом Значительный вклад в теорию взаимодействия системы «краска запечатываемый материал» внесли отечественные и зарубежные ученые Б. В. Дерягин, В. Г. Георгиевский, Е. Д. Климова, Л. А. Козаровицкий, К. Корте, Д.М. Фляте, Д.М. Ольшанский, Б.Н. Шахкельдян, Д. Толленаар, A.C. Zettelmoyer, J.M. Fetsko, John MacPhee, C.C. Mill, R. Riedel, R. Ruder, H. Rech, W.C. Walker, H. Koivula, Saybil Nuray Ercan, В. Валенски и др., в области механики печатного контакта с учетом физико-химических закономерностей печатного процесса Л. К. Белозерский, С. А. Гуляев, В. С. Лапатухин, П. А. Попрядухин, А. Н. Раскин, П. А. Ребиндер, В. И. Ромейков, К. В. Тир, В. П. Тихонов, А. А. Тюрин, Я. И.

Чехман и другие ученые.

В области динамических исследований различных узлов печатных машин основополагающими являются исследования Б.И. Климова, В.П. Митрофанова, В.А. Перова, Ю.В. Пономарева, А.Б. Роева, В.Н. Румянцева, П.Н. Силенко и др.

В упрощенном виде перенос краски может быть представлен как повторяющийся сдвиг краски под давлением в зоне печатного контакта с последующим процессом расщепления в результате его разрыва, который в общем случае приводит к неравномерному распределению красочного слоя на поверхности резинотканевого полотна офсетного цилиндра и красковоспринимающей поверхности запечатываемого материала на печатном цилиндре. Количество краски на красковоспринимающей поверхности после расщепления влияет на показатели качества конечного печатного продукта, в частности на оптическую плотность, приращение тона (растискивание), прочность красочного слоя на оттиске, графическую и градационую точность изображения.

Основным показателем, характеризующим взаимодействие краски с бумагой (картоном), является коэффициент переноса, величина которого зависит как от условий печатания и свойств запечатываемого материала, так и от геометрии печатной пары. В литературе до сих пор приводятся противочечивые сведения о оценке коэффициентов расщепления и переноса печатной краски либо они отсутствуют.

Условно зону печатного контакта при получении оттиска на офсетной машине разделяют на пять отдельных стадий процесса (рисунок 1.1) [16].

Рисунок 1.1 – Зона печатного контакта между резинотканевой пластиной, листом запечатываемого материала и печатным цилиндром [16]:

1 – офсетный цилиндр; 2 – резинотканевая пластина; 3 – печатная краска перед ее разделением; 4 – зона образования утолщения; 5 – 1-, 2-, 3-, 4-, 5-я стадии процесса;

6 – зона разделения слоя; 7 – печатный цилиндр; 8 – ширина зоны печатного контакта;

9 – лист с краской; 10 – захват печатного цилиндра; 11 – лист бумаги Вход листа бумаги в зону контакта наглядно иллюстрирует первая стадия.

Период печатного контакта, в течение которого происходит взаимодействие краски с запечатываемым материалом, характеризуемый такими явлениями, как смачивание и прилипание, заполнение краской неровностей и пор материала под действием давления в зоне контакта, проникновение (впитывание) краски в капилляры материала и расщепление слоя краски, составляет доли секунды.

Согласно [7, 15–18], при входе в зону контакта (вторая стадия) слой краски испытывает напряжение сжатия, а при выходе из нее (третья стадия) – напряжение растяжения, так как скорости протекания отдельных этапов процесса и характер деформаций резко отличны. Знакопеременные напряжения, испытываемые краской, приводят к кавитации (нарушению непрерывности) ее слоя в результате захватывания воздуха краской в месте входа ее в зону контакта и образованию в ней микроскопических пузырьков, вызывающих расщепление слоя.

Расщеплению частиц краски препятствуют относительно прочные когезионные связи, способствующие ее сдвигу в зоне печатного контакта, в результате чего образуется один большой красочный тяж, при разрыве (пятая стадия) которого наблюдается разбрызгивание частиц краски центробежными силами в виде «пыления» (рисунок 1.2) [17].

Рисунок 1.2 – Течение в зоне печатного контакта и типичный профиль давления для жестких цилиндров (стрелки показывают форму профиля скорости [17]) Следует заметить, что данная модель наиболее точно имитирует расщепление только идеальной жидкости, при этом не учитывает деформации контактирующих поверхностей.

Угол отрыва между оттиском и резинотканевой пластиной зависит непосредственно от конструкции печатной машины и определяется углом между осями офсетного и печатного цилиндров, усилием натяжения резинотканевого полотна, свойствами его поверхности и печатной краски; ширина зоны печатного контакта определяется диаметром печатного цилиндра и типом декеля.

Научную и практическую значимость имеют теоретические исследования А.А. Тюрина [18], позволяющие оценить ширину зоны контакта, суммарные нагрузки в печатных аппаратах ротационных машин, деформации цилиндров печатных аппаратов. Площадь контактной зоны определяется произведением ширины двух цилиндров для частного случая 1 = 2 =, находится из приближенного полосы контакта b на ее длину l. Ширина полосы контакта при взаимодействии равенства 2.

краска обладает переменной вязкостью, зависящей от отношения напряжения Изучение механики течения дисперсных систем показало, что печатная сдвига к скорости деформации:

краски в направлении, перпендикулярном ее движению [18]. Данные о количегде градиент скорости, определяющий изменение смещения отдельных слоев ственной оценке переноса печатной краски в зоне контакта на бумагу (картон) с различной фактурой поверхности отсутствуют.

Несмотря на значимость исследований В.П. Митрофанова, основное внимание в которых было уделено исследованиям динамического характера при рассмотрении схемы офсетного печатного аппарата, когда цилиндры вращаются с одинаковой скоростью, вопрос определения коэффициента переноса краски в зоне контакта не рассматривался.

В работах [32–35] из множества факторов, определяющих качество печатной продукции, исследуются те, которые влияют на динамику процесса печати – изменение и распределение давления печати и связанную с ним точность работы печатного аппарата, дается обоснование требований к точности изготовления составных частей печатного аппарата офсетных машин. Несмотря на то, что данными авторами были получены новые, практически значимые результаты:

впервые получены зависимости, отражающие изменение давления печати, как функции случайных величин [32];

разработаны методики динамического расчета и динамической модели поведения систем печатных аппаратов [33];

опытным путем найдены значения коэффициента сцепления для двух зон силового контакта с учетом их нагружения и состояния контактирующих поверхностей [34];

предложено новое научное направление по расчетам и проектированию полиграфических машин (разработка как теоретических, так и практических методик расчета упругих систем с учетом нелинейности их упругих свойств и стохастического характера динамических и статистических воздействий) [35], механика печатного процесса в зоне контакта полностью не раскрывается, не приводятся данные по численному значению коэффициента расщепления краски.

Диссертация [36] посвящена математическому моделированию и синтезу раскатных красочных систем печатных машин. Обосновано моделирование красочных аппаратов с разными диаметрами красочных валиков и цилиндров, которое базируется на новых подходах, названных операторным методом анализа, в основе которого лежит дискретное преобразование Лапласа в виде z-преобразования. Построенные модели процесса раската краски относительно просты, наглядны, имеют четкое физическое содержание и удобны для программирования и цифрового моделирования на ЭВМ. Получены аналитические зависимости толщины слоя краски на бумаге, в зонах контакта и на красочных валиках при дискретной подаче краски для разветвленных и последовательных красочных систем.

Выполнен анализ структур красочных систем, аналитически доказано и цифровым моделированием подтверждено, что взаимное размещение красочных валиков не влияет на монотонность переходных процессов в красочных системах, поэтому можно размещать красочные валики и цилиндры исходя из конструктивных соображений, которые облегчают задачу конструирования красочного аппарата.

Однако полученные аналитические зависимости толщины слоя краски на бумаге не учитывают особенностей микрогеометрии запечатываемого материала.

Подходы к моделированию и оценке показателей качества взаимодействия краски с запечатываемым материалом Как отмечает Л.А. Козаровицкий, значительная часть работ в области исследований печатного процесса посвящена изучению механизма послойного деления краски между контактными поверхностями [37]. Разрыв красочного слоя зависит, в первую очередь, от когезионных сил. Выделить каждое из этих двух явлений и определить отдельно работу адгезионных сил вокруг частицы – трудно.

Адгезия краски к поверхностям в печатном процессе обычно достаточно велика и много выше ее когезии – сил внутреннего сцепления. Поэтому при раскате краски, нанесении ее на печатную форму, переносе на резинотканевое полотно и бумагу – разделение происходит по слою краски. При исследовании взаимодействия краски с бумагой в печатном контакте изучалось влияние факторов на перенос краски, зависящих от свойств бумаги, краски и условий печатания. Значение коэффициента переноса между красконесущей (печатающей) и запечатываемой поверхностями зависит от многих факторов и может меняться в широких пределах.

Для определения коэффициента переноса краски отечественные и зарубежные ученые использовали различные подходы, разработано большое число уравнений, моделирующих перенос краски и дающих противоречивые объяснения этому явлению.

Согласно данным, опубликованным в работе [37] первые эмпирические уравнения (1.1) переноса были предложены I. Olsson и L. Pihl, а также несколько позднее Американской ассоциацией издателей газет в середине прошлого столетия (1952–1953 г г.), которые основывались на определении числа переноса Y и T:

где и – количество краски, перенесенное на оттиск; и – первоначальное количество краски на форме.

Отмечается, что эти линейные уравнения применимы в основном для избыточных слоев краски на форме, когда число переноса приближается к 0,5. Данные уравнения не получили широкого применения ввиду того, что они не учитывают ни одного из основных факторов, влияющих на перенос краски.

W. Walker и J. Fetsko предложили уравнение, получившее достаточно широкое распространение и ставшее впоследствии базовым [38, 39]:

где и – те же значения, что и в уравнении (1.1); – фактор гладкости или шероховатости бумаги; – количество краски, иммобилизованное бумагой; – конВ уравнении (1.2) показатели,, являются основными константами пестанта разделения слоя краски.

реноса. Однако в этом уравнении не решен вопрос, с какой точностью можно рассчитать данные параметры.

В 1960 г. К.К. Милл [40] впервые была представлена методика расчета, позволяющая определить толщину красочного слоя на оттиске. Уравнение баланса количества краски для каждого звена приводит к системе уравнений с величинами толщины красочных слоев как неизвестными.

В работе [18] со ссылкой на работу [41] авторы теоретически исследовали поведение бумаги при отрыве ее от краски, исходя из модели упруго-вязкого поформации под действием нормального напряжения определяется уравнением тока жидкости по Максвеллу, в которой скорость изменения относительной дегде – абсолютная деформация красочного слоя в сечении под действием нормального напряжения ; 0 – толщина красочного слоя до его расщепления;

– модуль упругого сдвига; – вязкость краски.

Учитывая, что (где скорость движения красочного слоя), погонная нагрузка, действующая на изгибающий при отрыве отрезок бумаги, будет (IE – жесткость бумаги при изгибе). Тогда уравнение (1.3) можно переписать в следующем виде:

Решением этого уравнения является выражение для расчета максимального напряжения где, усилие и угол отрыва; 0 изгибающий момент силы ;, числовые параметры.

Форма распределения напряжений в зоне отрыва бумаги от слоя жидкости свидетельствует о том, что закон распределения давления почти не зависит от свойства жидкого слоя. При этом отмечается, что ярко выражена область сжатия бумаги и краски, образующаяся непосредственно перед разрывом. Определение коэффициента расщепления печатной краски при отрыве авторы не рассматривают.

Математическая модель, которая основывается на определении величин толщины красочного слоя по коэффициентам геометрии красочного аппарата, была разработана R. Ruder [42]. Особенность работ [40, 42] заключается в том, что обе методики предназначены только для расчета средней величины красочного слоя на оттиске, но не для определения поведения слоя на валиках и печатной форме. Кроме того, расчеты применительно к каждой печатной машине индивидуальны и трудоемки, не отражают взаимосвязи с запечатываемой поверхностью.

Другое достаточно известное уравнение K. Schirmer и D. Tollenaar [43] где и – оптическая плотность растрового оттиска и плашки соответственно; F – фактическая площадь растровых точек на форме; предельная плотный с изменением вследствие растискивания точек на оттиске, позволяет свяность оттиска-плашки при большой толщине слоя краски; S – параметр, связанзать количество перенесенной краски с элементами красочного изображения (оптической плотностью и деформацией). Но оно также не дает полного ответа для решения поставленной задачи, так как в нем указанная оптическая плотность красочного слоя на оттиске, измеренная через некоторое время после получения оттиска, изменяется, что, вероятно, является, следствием дальнейшего взаимодействия бумаги и краски после расщепления красочного слоя.

Наряду с работами зарубежных ученых представляют интерес работы ВНИИ полиграфии. Отметим работу Ю.М. Овчинникова [44], в которой он предложил уравнения для определения коэффициента переноса краски с плашки и растровых элементов соответственно:

где – ширина столбика краски; 1 – угол, образующийся между поверхностью жения частиц краски, находящихся в контакте с плоскостью, см/с; вязкость формного цилиндра и краской в момент разрыва красочного слоя; V – скорость двикраски, пз; r – расстояние между фазами разрыва; поверхностное натяжение краски; а – толщина красочного слоя; предельное напряжение сдвига, дин/см2.

В отличие от чисто эмпирических уравнений переноса краски, в предложенных уравнениях (1.5) и (1.6) [44], сделана попытка рассмотреть явление переноса на теоретической модели растяжения и последующего когезионного расщепления образца вязко-пластической среды Шведова – Бигмана.

Согласно уравнениям теоретической модели, представленной в работе Ю.М. Овчинникова, получено предельное значение коэффициента переноса, которое правомерно только между двумя гладкими невпитывающими поверхностями, равное 0,5.

Продолжением исследований является работа K. Hultgren [45], показывающая хорошую корреляцию между расчетными и экспериментальными данными, отличие которой от предыдущей состоит в выводе уравнения, учитывающего влим яние вязкости краски и условий печатания на количество перенесенной краски h:

где м – среднее удельное давление контакта; – количество краски на форме;

– вязкость краски; – скорость печатания; – ширина полоски контакта;

– относительное сжатие бумаги; 0, 0, 2, 3 – константы бумаги [45].

Уравнение (1.7) оценивает количество перенесенной краски в полосе контакта без учета ее впитывания в запечатываемый материал.

В.А. Коржев и Г.В. Шепитиновский [46] отмечают, что наиболее полное и всестороннее изучение механизма переноса краски должно обязательно учитывать процессы формирования адгезионного контакта, а также фазовую структуру слоя краски, которая предопределяет координату его разрыва, зависящую от толщины красочного слоя. Авторы полагают, что разрыв красочного слоя между формой и бумагой может носить несимметричный характер, вызванный различимеющих различную молекулярную природу. Суммарное количество краски, ной степенью ориентации краски со стороны поверхностей формы и бумаги, воспринимаемое оттиском, состоит из количества краски на выступах и иммобилизированной во впадинах и определяется следующим выражением:

где удельный вес краски; толщина красочной пленки; средняя глубина затекания иммобилизованной краски во впадины; эффективная доля поверхности, занятой впадинами; относительная площадь адгезионного контакта.

Авторами [46] рассматривается идеализированный случай переноса красочного слоя на шероховатую поверхность, при этом не учитывают количество печатной краски, впитавшееся в бумагу.

В последующих работах [47, 48] ими предложен графоаналитический метод определения красочного слоя на оттиске, основанный на анализе характеристик переноса краски с формы на бумагу, и уравнение баланса краски при контакте с бумагой в печатном процессе. Отличительная особенность графоаналитического метода – ввод в рассмотрение степени асимметрии. Однако установление на графике точки, характеризующей изменение характера разрыва красочного слоя с оттиском, носит, на наш взгляд, несколько приближенный характер.

Уравнение баланса краски при контакте с бумагой в печатном процессе имеет вид где (0) предельное значение при 0, зависящее от площади выступов микрорельефа поверхности оттиска; среднее значение увеличения толщины слоя краски на форме в месте контакта с впадинами; толщина слоя краски на форме; параметр, характеризующий реологические свойства краски при фиксированных условиях процесса.

В уравнении (1.9) так же, как и в работах [46-48] авторами не учтено количество краски, впитавшейся в бумагу.

Результаты экспериментов моделирования и расчета переноса печатной краски представлены также в работах [49–52]. В работе [49] указывается, что процесс растяжения краски, предшествующий разрыву слоя и образованию красочного изображения, изучали на основе гидродинамической теории Стефана – Рейжидкость вязкостью, и определяющей соотношение между временем растяженольдса, рассматривающей удаление двух дисков диаметром D, погруженных в ния t и расстоянием между дисками в зависимости от растягивающего усилия F.

Следует отметить, что численных данных по количественной оценке красочных слоев при разрыве не приводится.

John MacPhee раскрывает достаточно подробно в своей работе [50] механику самого процесса офсетной печати. Однако он не освещает изменений, происходящих в красочном слое в зоне печатного контакта.

В работе [52] рассмотрен вопрос переноса краски без учета впитывания в поры с запечатываемого материала в зоне контакта.

Отмечается растущий интерес к данному вопросу и в наши дни, обусловленный расширением возможности компьютерной техники и программного обеспечения, что позволило значительно упростить моделирование гидродинамических процессов и подтверждается целым рядом работ, проведенных зарубежными исследователями на протяжении последнего десятилетия, среди которых значительное количество научных работ немецких исследователей [53].

Согласно данным работы [53], B. Patzelt и R. Ruder для этих целей была разработана программа моделирования, в которой учтены следующие параметры:

геометрия красочного аппарата (количество, геометрия и расположение валиков);

постоянная или непостоянная подача краски; транспортировка веществ (краски и увлажняющего раствора) в окружном и поперечном направлениях; подача увлажняющего раствора и эффект испарения; температура (влияние ее на процесс деления красочного слоя); осевой растир; передача краски с формы (плашки и растровые печатные формы). Действие данной программы состоит в том, что при каждом вычислительном процессе деление красочного слоя и подача краски во всем красочном аппарате рассчитываются до тех пор, пока поведение красочного слоя на печатном листе не стабилизируется. Однако сопоставление результатов моделирования с результатами эксперимента не всегда давало положительный результат, объяснение этому факту находят, прежде всего, в одновременном варьировании значений многих переменных, а также в точности их задания. Кроме того, не были определены реальные коэффициенты расщепления красочного слоя.

Г. Киппхан в работе [53] отмечает, что определить реальные коэффициенты расщепления красочного слоя и сопоставить их с результатами моделирования, выполненными ранее B. Patzelt и R. Ruder, пытались Брёц и Харс. Эксперименты по определению всех величин, влияющих на коэффициент расщепления, проводились на комплексном испытательном стенде. Стенд состоял из пленочного красочного аппарата секционного построения (т.е. без передаточного валика) с консольным расположением валиков в красочном аппарате, одного печатного аппарата (формный, офсетный и печатный цилиндры) и устройства размотки и намотки бумажного полотна.

Особое значение придавалось измерению толщины красочного слоя, которое должно было осуществляться по возможности бесконтактно. Наряду с имеющимся прибором для измерения толщины красочного слоя была использована специально разработанная система измерения. Прибор работает источником инфракрасного излучения, так как в этом диапазоне происходит максимальное поглощение энергии увлажняющим раствором и краской. Спектры поглощения увлажняющего раствора и краски перекрываются в диапазоне максимума. Разделение сигналов и, таким образом, абсолютное измерение толщины слоя краски и увлажняющего раствора возможно только после дорогостоящей калибровки.

Новая система измерений толщины красочного слоя работает с источником видимого спектра, но пригодна только для опытов без увлажняющего раствора. Обе краски применялся коэффициент расщепления суммарного слоя или коэффициент системы измерения калибруются. В качестве характеристик для описания переноса расщепления одного слоя в соответствии со следующими равенствами:

где коэффициент расщепления суммарного слоя; толщина слоя;

коэффициент расщепления одного слоя; W толщина транспортируемого красочного слоя.

Большое число варьируемых параметров (скорость краски, диаметр валиков, их материал и температура) затрудняет как проведение эксперимента, так и получение результатов.

H. Rech в работе [54], используя сектора окружности одинаковой длины для моделирования печатного процесса, предложил компьютерный метод оценки переноса краски. При использовании этого метода определение толщины красочного слоя на отдельных участках валиков определяется путем составления и решения систем линейных уравнений с помощью разработанного программного обеспечения, при этом перенос краски на бумагу как красковоспринимающую поверхность, не рассматривался.

Авторы работ [55, 56] указывают, что в процессе переноса печатной краски доминирующую роль имеют характеристики структуры запечатываемого материала, формы пор и отверстий, присутствующих на ее поверхности. Однако в работах [55, 56] нет данных количественной оценки переноса и расщепления краски в зоне контакта, и результаты, полученные при моделировании процесса переноса и расщепления краски в лабораторных условиях, имеют существенные различия с результатами производственной практики.

Другой тип моделирования был предложен Y. Jiang: красочные аппараты описываются с использованием математических выражений как система переноса краски в пределах регулируемого участка [57]. В моделируемой системе подача краски рассматривалась как входной сигнал, а перенос краски на запечатываемый материал – как выходной сигнал. Совокупная функция переноса краски в аппарате составляется из отдельных функций переноса пар валиков. Данная модель, как и предыдущая, имеет свои отрицательные стороны, обусловленные сложностью описания процесса переноса краски на печатную форму из-за дисперсии и нелинейности и необходимости упрощения расчетов за счет применения линеаризации исходных зависимостей.

Результаты численного моделирования переноса жидкости между двумя параллельными пластинами приводят авторы работы [58], отмечая взаимосвязь толщины передаваемой жидкости с величиной контактного угла верхней пластины. Результаты переноса краски получены в этой работе при моделировании процесса, имеющего место в глубокой офсетной печати между формным и офсетным цилиндрами, перенос печатной краски на запечатываемый материал в работе не рассматривался.

Вопрос о процессе смачивания поверхности и его роли в офсетной печати рассматривают авторы в работе [59], учитывая при моделировании процесса динамический характер передачи краски. В качестве критерия оценки передачи краски рассчитывается прочность сцепления пленки с поверхностью. Следует отметить, что авторы [59] в качестве поверхности для печати рассматривают поверхность тефлона как материала, который характеризуется более низкой свободной поверхностной энергией, чем печатные чернила (краска).

В работе [60] Voltaire Joakim представлены акустические исследования кавитационного шума от смещения красочного слоя и акустические характеристики в процессе расщепления красочной пленки. На основе обработки высокочастотных сигналов и шумов, которые фиксировались с помощью специального приспособления при разделении слоя печатной краски на выходе оттиска из зоны контакта, в работе приводятся результаты исследований процессов динамического взаимодействия, происходящих между краской, увлажняющим раствором и подложкой в офсетной печати. Экспериментальные испытания проведены при запечатывании оттисков офсетными красками только на газетной бумаге. Для фиксирования изменения акустических сигналов (в процессе расщепления красочной пленки) необходимо устанавливать специальный разработанный пресс-датчик. Точность измерений зависит от установки датчика и качества обработки входных сигналов.

Dein Wang в работе [61] представил результаты применения уравнения [38] для изучения переноса печатной краски в процессе рулонной офсетной печати, показано влияние вязкости краски на процесс ее переноса, экспериментально подтверждено существующее значительное различие в поведении впитывания бумаг с покрытием и без покрытия, форма пор не учитывалась.

В работе [62] приводятся исследования уравнения Стефана процесса расщепления краски, в котором показано, что силы, необходимые для разделения тонкой пленки, обратно пропорциональны кубу толщины этой пленки. Авторами сделан вывод, исходя из экспериментальных данных, обработанных на основе регрессионного анализа, что данная связь между толщиной красочной пленки и силой ее расщепления вызывает сомнение.

Представляют интерес результаты визуализации процесса офсетной печати, иллюстрирующие передачу печатной краски на запечатываемый материал с помощью различных методов. В работе [63] представлена визуализация распределения компонентов краски при печатании на мелованной бумаге. Разделение компонентов краски оценено с помощью ИК-Фурье спектроскопии. Результаты показывают, что компоненты печатной краски, входящие в слой покрытия в процессе офсетной печати, могут быть визуализированы в инструмент FIB. Однако данные исследования дают в большей мере лишь качественную оценку наблюдаемых явлений.

В работе Allenborn и Raszillier представлена одна из первых попыток численного моделирования распространения и поглощения капли жидкости на пористой подложке [64]. Авторы основывают свои разработки на основе закона Дарси, считая капиллярность движущей силой для проникновения жидкостей в субстрат.

Авторами [65] была получена численная модель для изучения динамики воздействия / поглощения капли жидкости в пористой среде. Отмечено, что контакт капли жидкости с пористой средой представляет сложную совокупность физических явлений. Давление в точке удара заставляет жидкость перемещаться по проницаемой поверхности и в подложку. В своих исследованиях авторы были сосредоточены на описании численного метода и его проверки без учета влияния определяющих параметров и их изменений. Эта проблема – изучение влияния определяющих параметров на характеристики потока жидкости была исследована C. Neyval. Jr. Reis, Richard F. Griffiths, Jane Mri Santos [66]. Ими была разработана математическая модель на основе метода конечных объемов для изучения динамики воздействия / поглощения капли жидкости, падающей на пористую поверхность. Особое внимание авторами уделялось воздействию поверхностного натяжения и капиллярным силам для более точного представления динамики жидкости, а также связи между потоком жидкости снаружи и внутри пористой среды. Эта разработка представляет решение численного моделирования переноса краски (чернил) на поверхность, но только для струйной печати.

Представляет научный интерес работа Тихонова В.П., Гуляева С.А., Семенюта С.С. [67], которые рассматривая модель разрыва слоя вязко-пластической жидкости между двумя плоскими поверхностями (в частном случае для печатной скоростей, при которых происходит ее разрыв:

краски), получили аналитическое выражение, позволяющее производить оценку где 0 /0 – отношение толщины первоначального слоя жидкости и ее размера.

Скорость критериального деформирования красочного слоя при этом зависит как от ее геометрических, так и физико-химических показателей. Следует заметить, что данных о коэффициенте расщепления красочного слоя при его разрыве авторы данной работы не приводят.

Автором работы [68] изучено влияние скорости рулонной печати на оптическую плотность оттисков и неприводку красок, установлена качественная связь гидродинамического давления в краскоподающих группах печатных машин с изменением оптической плотности оттисков при повышении или снижении скорости печати. Следует заметить, что данные закономерности получены автором для флексографского способа печати, особенность которого заключается в передаче печатной краски через анилоксовый вал. Для этого случая имеет место турбулентное движение жидкости. Количественная оценка разделения слоев краски в зоне контакта не проводилась.

Исследования, проводившиеся до настоящего времени, привели к расширению теории печатного процесса, заметному углублению научных знаний в области процессов переноса увлажняющего раствора и краски в печатной машине. Однако полного их математического описания получить до сих пор не удалось. Не решенной до конца остается также проблема улучшения и стабилизации качества печати в связи с разработкой и созданием новых производственных материалов и оборудования. Поэтому изучение процесса офсетной печати на основе современных средств и методов визуализации, позволяющих моделировать течение краски в зоне печатного контакта с учетом изложенного, не теряет своей актуальности и в настоящее время представляет как научный, так и практический интерес.

1.3 Влияние микрогеометрии поверхности запечатываемого материала на качество воспроизведения элементов изображения В работах Б.В. Дерягина, В.Г. Георгиевского, Е.Д. Климовой, Л.А. Козаровицкого, К. Корте, Б.Н. Шахкельдяна, Д. Толленаара, Ж. Фетско и других ученых исследовано влияние структуры и шероховатости поверхности запечатываемого материала на качество воспроизведения изображения. Проведение дальнейших исследований в этом направлении обусловлено постоянно обновляемым ассортиментом запечатываемых материалов, в частности дизайнерских и упаковочных.

Микpогеометpия поверхности в целом пpедставляет собой совокупность шеpоховатости, волнистости и макpоотклонений фоpмы. Под шеpоховатостью понимается совокупность микpонеpовностей с относительно малым шагом, обpазующим pельеф повеpхности. Известно, что микрогеометрия твердой поверхности и в частности бумаги (картона) состоит из различных по форме и величине неровностей, характер которых имеет существенное значение для определения ее роли при контакте бумаги (картона) с носителем информации (для офсетной печати с поверхностью резинотканевого полотна). Неровности на поверхности бумаги (картона) условно можно разделить на статистически неравномерно распределенные микро- и макронеровности, а также систематические неровности.

Микронеровности – это неровности поверхности, связанные с первичными элементами структуры: тонко разработанные волокна и их переплетения, отдельные частицы минерального наполнителя, расположенные внутри участка поверхности, не превышающего 1 мм2. Под макронеровностями подразумевают неровности вторичных элементов структуры, связанные с макронеоднородностью объема (толщей листа), местным скоплением волокон (уплотнением) и местными разреженными участками, а также отдельными неразработанными грубыми волокнами древесной массы.

В работе [7] Л.А. Козаровицкий отмечает, что для практических целей целесообразно рассмотрение двух категорий неровностей: собственно неровность или ровность поверхности и ее шероховатость или гладкость. Составляющие 1 и (соответственно кривые на схеме, рисунок 1.3) характеризуют амплитуду накладывающихся друг на друга волн (кривая 3). Составляющая 1 соответствует волнам с более короткими периодами. Анализ профиля печатных бумаг показывает, что неровности, образованные первичными и вторичными элементами ее структуры, могут быть аналогично классифицированы.

1 – неровности малого периода и высоты; 2 – неровности большого периода и высоты;

3 – профиль поверхности с наложенными на него неровностями типа 1 и Шероховатые, но ровные поверхности (кривая 1, рисунок 1.3) – это поверхности, у которых вторая составляющая ничтожно мала и существенное значение приобретает только первая составляющая. Гладкая, но не ровная поверхность (кривая 2, рисунок 1.3) имеет, наоборот, только вторую составляющую.

Исходя из указанной классификации неровностей поверхности бумаги, можно сделать вывод, что для оценки эффективной площади контакта краскопередающей поверхности и бумаги следует различать два понятия: гладкость (шероховатость), характеризующую в основном ее микроструктуру, и ровность, характеризующую вторичную структуру бумаги – ее объемную макронеоднородность. Шероховатость проявляет себя на оттиске неокрашиваемыми (белесыми) участками, возвышающимися над поверхностью и тем самым снижающими оптическую плотность оттиска [69].

Основные положения о роли структуры и ее влиянии на свойства бумаги и качество оттиска были изложены в работах [70-72]. Следует отметить, что в процессе офсетной печати при смачивании бумаги волокна на ее поверхности разбухают, и, как следствие, ее шероховатость несколько увеличивается, что снижает интенсивность оттиска. Кроме того, большие неровности поверхности бумаги (картона) могут привести к большим деформациям офсетной покрышки, а это способствует увеличению размеров печатающих элементов на оттиске. При печати на шероховатой бумаге в офсетной печати также наблюдается пониженная интенсивность оттисков, это связано с тем, что различные по своему характеру поверхности по-разному отражают свет. Шероховатость может быть теоретически причиной локальной неоднородности бумаги по влажности.

Пределы значений микронеровностей (шероховатости) для различных групп печатной бумаги определяются размерами воспроизводимых элементов изображения и жесткостью печатной формы. Размеры микронеровностей могут быть большими для текстовых работ, а также для иллюстраций со штриховыми или крупнолинеатурными растровыми изображениями при печатании с эластичных форм и несколько меньшими при печатании с жестких форм. Для высоколинеатурных растровых иллюстраций и особенно для четырехцветной репродукции бумага должна иметь очень тонкую высокоразвитую микро- и субмикроструктуру поверхности с диффузным (матовым) или зеркальным (глянцевым) характером отражения света [73–75]. На неровной или грубошероховатой бумаге краска как внутри, так и вне контура элементов изображения скапливается в отдельных выемках поверхности, искажая форму этих элементов, и, как следствие, приводя к нечеткости изображения.

Авторами работы [76] разработана методика экспертной оценки, согласно которой члены экспертной группы оценивают качество 10 образцов оттисков путем их попарного сравнения. Результаты экспертных оценок обрабатываются с помощью теории размытых множеств. Однако следует отметить, что эксперты способны различать и обнаруживать различия в качестве оттисков, полученных разными способами только при увеличении элементов теста, которое для различных устройств различно, а характер восприятия качества отпечатанного элемента теста (буквы) без увеличения может полностью изменяться при оценке ее с большим увеличением.

Для бумаги с неравномерным глянцем велика вероятность пятнистости оттиска. Микронеоднородность (шероховатость) и макронеоднородность, связанная с облачностью (неоднородным распределением массы), проявляют себя поразному на глянцевой поверхности. Если первая приводит к уменьшению глянца, то вторая – к его пятнистости и соответственно к пятнистости оттисков.

У шероховатой бумаги пятнистость наблюдается при рассмотрении оттиска на листе в перпендикулярном к его плоскости направлении. У глянцевой (не шероховатой) бумаги пятнистость наблюдается под углами, при которых принято оценивать гладкость. Наиболее часто этот дефект появляется на оттисках, отпечатанных на чистоцеллюлозной мелованной бумаге. Требование однородности бумаги, используемой для выполнения конкретного заказа, в первую очередь относится к оптической однородности, оцениваемой визуально или с помощью цветовых характеристик в системе SIE Lab, рекомендованной Международной Комиссией по освещению (МКО).

При выборе бумаги необходимо учитывать, что в процессе печатания офсетным способом на бумагу начинают действовать силы растяжения в захватах, силы сжатия, величина которых зависит от гладкости бумаги и свойств резинотканевого полотна и скорости печати. Качественному прохождению процесса печати препятствует наличие в стопе разнородности свойств по воздухопроницаемости и колебаниям шероховатости их поверхности.

В работах [77–79] отмечается степень влияния микрогеометрии бумаги на взаимодействие бумаги и краски для получения равномерного оттиска, а также рассмотрены преимущества и недостатки различных способов оценки качества изображения, в частности метод частотно-контрастных характеристик, к недостаткам которого относят большую трудоемкость и длительность расчетов.

Авторами [80] разработан метод исследования печатных оттисков для определения уровня качества, учитывающий колебания качества бумаги на микроуровне. Применение этого метода также затруднено, ввиду того, что он требует наличия специального оборудования (прибора TAPIO Paper Machine Analyzer и сенсорного устройства Tapio Printability Sensor), предназначенного для быстрого измерения количества непропечатанных точек.

Исследования шероховатости бумаги в условиях высокой влажности с помощью электронного микроскопа ESEM (Environmental scanning electron microscope), представленные в работе [73, 81], позволили сделать вывод, что в условиях высокой влажности окружающей среды, сопровождающейся конденсацией воды на поверхности бумаги, происходят большие структурные изменения поверхности. Бумага становится значительно более шероховатой. Предполагается, что повышение шероховатости бумаги типа LWC происходит в результате того, что волокна набухают, переходя из формы лент в форму труб. Данное явление наблюдается только применительно к древесным волокнам, сдавленным в процессе обработки на суперкаландре.

В работах Э. Белозерова [82, 83] показано, что во время перехода краски с формы на запечатываемый материал нарушается соответствие размеров элементов изображения на оригинале и на оттиске, изменяются размеры изображения при сохранении их геометрического подобия, что особенно сильно сказывается на микроштриховом изображении и на градационных характеристиках растрового изображения. Это обусловлено не только шероховатостью бумаги, но и дискретным расположением краски на оттиске. Поэтому необходима дальнейшая разработка объективных методов оценки неравномерности запечатанной поверхности.

Несмотря на подтверждение предположения о неравномерности распределения краски по микроэлементам в работе [84], полученные данные не являются полностью корректными, так как не учитывают светорассеивание бумаги при измерении оптической плотности растрового элемента.

Для контроля качества оттиска предложен метод анализа изображений, основанный на оценке оптической плотности [85]. Этот метод позволяет измерять покрытие оттиска краской в процентах, средний уровень серого, равномерность и зернистость, а также получать гистограммы интенсивности цвета. Но он имеет ряд ограничений, например, при проведении анализа изображений, если покрытие оттиска краской составляет более 50 %, то точки могут сцепляться между собой и при измерениях необходимо обеспечить их разделение.

Авторы [86] на основании проведенных исследований совокупного влияния переменных различного происхождения на качество оттисков, отмечают в числе прочих факторов влияние неравномерности плотности бумажного листа на проникновение краски и в результате – на глянец, пробивание и отмарывание оттиска, возможность возникновения муара под влиянием структуры поверхности листа.

Авторами [87] разработана методика определения характеристики функции передачи модуляции (ФПМ) полиграфических систем «краска – бумага», которая позволяет количественно оценивать их печатно-технологические свойства и, следовательно, целесообразно осуществлять подбор полиграфических красок и бумаг для оптимизации качества воспроизведения изображений на оттисках. Учитывая быстро расширяющийся ассортимент бумаги, разработанная методика требует уточнения ее положений.

Исследования характеристик поверхности различных по составу бумаг посредством прибора PAKKER Print Surf, определения пористости методом ртутной порозиметрии [88, 89] и системы анализа изображений NACHET NS-1500 для оценки качества оттисков, проведенные в Ecole Francaise de Papetrie EFP-G (Франция), выявили значимость показателей и «извилистости» поверхности бумаги в оценке ее текстуры. Показатель, выраженный отношением «извилистости»

поверхности к ее пористости, может быть связан с качеством контура точки, чем выше значения этого показателя, тем меньше зазубренность краев точки. Впервые показатели текстуры для некоторых видов бумаги были определены в работе [90].

Данных о влиянии текстурных характеристик на деформационные, прочностные и иные показатели бумаги (картона) и в итоге – на потребительские свойства продукции полиграфического и упаковочного производства не приведено.

Таким образом, неправильный выбор бумаги, обусловленный отсутствием данных о характеристиках микрогеометрии поверхности, может явиться одной из первостепенных причин брака продукции и, как следствие, невозможности удовлетворить требования заказчика и потребителя.

1.4 Анализ современных методов оценки микрогеометрии Для установления механизма взаимодействия компонентов в печатной системе и оценки эксплуатационных показателей качества печатной продукции в целях обеспечения высокого качества печатной продукции с точки зрения практической значимости необходимо знать численное значение показателей шероховатости поверхности бумаги (картона) и однородности поверхности.

В различных областях промышленности контроль шероховатости поверхностей осуществляют различными методами, которые позволяют отобразить и измерить трехмерный рельеф поверхности с различной точностью [91–94]. Каждый метод имеет свои особенности, свой диапазон измеряемых размеров.

Сравнительный бесконтактный метод основан на сравнении реальной почения параметра (ГОСТ 9378-93) и изготавливаются для определенных спосоверхности изделия с образцами шероховатости, которые имеют стандартные знабов обработки материалов. Этот метод является простым и доступным, но не приемлем для контроля шероховатости бумаг (картонов), т.к. контрольные образцы представляют собой набор пластин или образцовых деталей, которые обработаны с определенной шероховатостью.

Известны методы [95] для определения высоты рельефа поверхности по нескольким изображениям, которые получены при различных положениях фокуса микроскопа. Принцип действия метода Depth from focus methods (DFF) основан на том, что область объекта изображается наиболее четко, когда она находится в фокусе. Для количественной оценки четкости изображения для каждой области строится функция «измерения фокуса».

Авторами [96–98] отмечается, что в реальном случае методы определения высоты рельефа по фокусу сильно зависят от текстуры, максимум функции измерения фокуса не всегда совпадает с высотой рельефа поверхности по сравнению с идеальным случаем, для которого функция измерения фокуса имеет один максимум, по положению которого находится высота рельефа поверхности. Погрешность может составлять более 0,5 мкм, что является неприемлемым для изменения микрорельефа печатных бумаг. По этой же причине для данных целей ограничено применение метода DFD (Depth from Defocus) определения высоты рельефа по расфокусировке, в котором обрабатываются два изображения, снятых при различных положениях фокуса [99].

Основная задача профилометров это определение шероховатости поверхности по вертикальному срезу (скану). С точки зрения методов реконструкции трехмерной поверхности это прямые методы, не требующие практически никаких вычислений.

Механические профилометры непосредственно контактируют зондом (обычно в форме иглы с диаметром наконечника от нескольких микрометров) с поверхностью объекта. Вертикальное разрешение таких профилометров достигает нескольких ангстрем, горизонтальное же разрешение определяется размером зонда и обычно составляет не больше нескольких микрометров, что является неприемлемым при оценке объектов малых размеров или сильно шероховатого рельефа.

Оценка шероховатости поверхности может осуществляться качественными и количественными методами. Известны различные методы изучения микрорельефа поверхности, в частности методы поперечных и косых шлифов, метод поперечных срезов, интерферометрический метод, метод отражения, ультразвуковой, пневматический, метод оптического контакта, рентгеновский микроанализ и ряд других методов.

Количественные методы основаны на измерении микронеровностей специальными приборами, которые разделяют на две группы: бесконтактные и контактные [100, 101]. Определение шероховатости поверхности контактным механическим методом осуществляется с помощью щуповых приборов. Принцип работы заключается в контактном сканировании поверхности алмазной иглой, перпендикулярной к контролируемой поверхности, которая перемещается по исследуемой поверхности вдоль некоторой линии, преобразовании колебаний иглы оптическим или электрическим способом в сигналы, фиксировании прибором либо числового значения шероховатости поверхности (профилометры), либо изображения профиля шероховатой поверхности (профилографы) [94, 102]. По различным причинам, например, нестабильности результатов, высокой трудоемкости, чувствительности к вибрации, неопределенности (в каком направлении производить замер и какую базовую длину выбирать), все эти методы не нашли столь широкого применения. В виду волокнистого состава для микрогеометрии бумаги (картона) этот метод не информативен.

В настоящее время известны различные оптические методы измерения шероховатости, представляющие собой измерение показателей шероховатости бесконтактными оптическими приборами (двойными микроскопами, микроинтерферометрами и др.) и которые можно разделить на две группы: профильные и рефлектометрические [103]. Оптические приборы для измерения показателей шероховатости поверхности (ГОСТ 9847-79) основаны на принципе одновременного ров ; ; по ГОСТ 2789-73.

преобразования профиля поверхности и предназначены для измерения параметОптические бесконтактные профилометры используют интерференцию лазерного луча для измерения высоты поверхности в каждой точке, что позволяет увеличить горизонтальное разрешение и скорость сканирования. При бесконтактном измерении шероховатостей наибольшее распространение получили следующие оптические приборы: светового сечения, теневой проекции и интерференции света [100,104-108]. К ним относится метод светового (метод В.И. Линника) и теневого сечения профиля, растровый и метод двухлучевой интерференции, а также методы, отличающиеся по используемому для измерения информативному параметру: интенсивность отраженного от поверхности излучения, его поляризационные характеристики и т.д.

Преимущество данного направления в том, что методы свободны от перечисленных проблем, обеспечивается возможность производить интегральную оценку высотных параметров шероховатости, возможность эффективной интеграции их (методов) контроля в автоматизированные технологические процессы.

Сканирующая зондовая микроскопия возникла с изобретением в 1981 г. в Цюрихе сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) учеными исследовательской лаборатории IBM Г. Биннигом и Х. Рёрером. С его помощью были получены изображения поверхностей с атомарным разрешением. По сути, сканирующая зондовая микроскопия – это поверхностная профилометрия со специальным зондом, работающим на уровне атомарных взаимодействий. Основными недостатками СТМ являются требование к проводимости и работа в вакууме. В 1986 г.

был изобретен атомно-силовой микроскоп (АСМ), в основе работы которого лежит использование различных видов силового взаимодействия зонда с поверхнокивания атомов [107]. К достоинствам АСМ можно отнести высокое (до 1 ) разстью: баланс между силами Ван-дер-Вальса и силами электростатического отталрешение, к недостаткам – большое время сканирования и сложность работы.

Наряду с СТМ и АСМ, в последние десятилетия быстро развиваются методы измерения трехмерного рельефа поверхности с помощью оптического микроскопа. Эти методы подразделяют на пассивные, концентрируемые на методах анализа изображения, и активные, использующие аппаратные усовершенствования микроскопа, дополнительное освещение через фильтр или лазер [95,109–111].

Наибольший эффект получается от сочетаний вышеуказанных методов вместе.

В настоящее время наибольшее распространение получила лазерная сканирующая конфокальная микроскопия (LSCM – Laser Scanning Confocal Microscopy). Объемное изображение в LSCM формируется при помощи регистрации флуоресценции в фокусе лазерного луча. Излучаемые фотоны фокусируются объективом на небольшом (~50 мкм) отверстии, которое ослабляет флуоресцентный сигнал от участков, находящихся в фокусе. Для регистрации рельефа поверхности сканируется несколько оптических срезов, подобно методам определения высоты по фокусу, и строится функция измерения фокуса, что требует значительных затрат времени. В качестве значения функции измерения фокуса выбирается интенсивность отраженного от точки света. Высота рельефа поверхности определяется по максимуму функции измерения фокуса [112,113]. Следует отметить, что ввиду своей высокой стоимости такие микроскопы не являются широко распространенными и доступными.

К числу дорогостоящих методов измерения микрогеометрии поверхности относится и метод электронной микроскопии [114], в котором изображение получается облучением объекта пучком электронов, ускоренных до 10–1000 кэВ. Наибольшее распространение получили просвечивающий (ПЭМ) и растровый (РЭМ) электронные микроскопы, основным преимуществом которых является высокое пространственное разрешение (порядка 0,1–10 нм), универсальность. Применение метода поперечных срезов для определения рельефа поверхности подробно описано в работе [115] при исследовании влияния распределения наполнителя на свойства бумаги.

Первым количественным методом оценки качества поверхности бумаги (картона), ее шероховатости был метод оценки по сопротивлению скольжению или качению (по углу сползания по бумаге нагруженной площадки или по углу скоса стопки бумаги, уложенной на наклонную плоскость). Оценка суммарной шероховатости бумаг (картонов) состоит в определении коэффициента трения между поверхностями бумаги, т.е. сопротивления скольжению или качению.

Большинство спектральных методов анализа основано на воздействии на поверхность бумаги (картона) различных излучений. Применение этих методов позволило получить более полную информацию о химических превращениях в поверхностных слоях [116–118]. Исследование структуры бумаги посредством анализа изображений, проводившееся при использовании -излучений, показало возможность получать более точную подробную информацию о структуре бумаги, однако, этот метод имеет свои ограничения и отличается значительной длительностью эксперимента по времени [119–120].

Частотный метод анализа, производимый при помощи анализаторов резонансного типа, позволяет определить не только общую интенсивность неоднородностей, но и их распределение по периодичности или по размерам «облаков».

Недостаток метода заключается в необходимости соблюдения в процессе измерений постоянства выбранного диаметра светового пятна [121].

Метод теневого свечения профиля не нашел применения для измерения шезателей шероховатости, у которых значение больше 40 мкм. Бесконтактные роховатости бумаги (картона) ввиду того, что он осуществим при измерении покарефлектометрические методы оценки качества поверхности представляют интерес для выбора бумаг с определенным характером отражения света, требуемым для воспроизведения блестящих или матовых оригиналов, т.к. они позволяют характеризовать суммарную микро- или субмикрошероховатость поверхности, но для оценки ровности поверхности, ее поведения в процессе контакта и влияния на разрешающую способность они также не могут быть применены [116].

Наибольшее распространение для определения геометрических размеров неровностей или шероховатостей поверхности бумаги (картона) получили следующие методы:

оценки профиля неровностей поверхности, их линейных размеров;

оценки размеров контактной площади, образованной между эталонной и испытуемой поверхностью, которые позволяют непосредственно определять фактическую площадь контакта между поверхностью бумаги и печатающей поверхностью;

оценки емкости поверхности – свободного объема, образованного между выступающими ее неровностями (пневматический или жидкостный).

При оценке качества поверхности бумаги (картона) обычно принято определять ее гладкость как некоторую суммарную характеристику поверхности, определяющую степень контакта ее с печатной формой [122]. Такая оценка является результатом смешения, суммирования двух принципиально различных категорий неровностей, являющихся следствием неоднородности (неровности) макроструктуры бумажного листа и микрошероховатости (гладкости) поверхности листа.

Пневматический метод лежит в основе оценки гладкости бумаги (картона) по методу Бекка, Бендстсена, Шеффилда и др. Скорость прохождения воздуха над поверхностью бумаги является косвенной характеристикой, позволяющей оценивать структурную гладкость поверхности бумаги, которая является интегральным показателем ее гладкости. Существенным недостатком пневматических приборов является то, что они не позволяют оценить состояние поверхности бумаги при печатании; качество оценки зависит больше от наличия крупных выемок или пор и их глубины, чем от эквивалентных им по площади мелких пор, вследствие чего случайные дефекты оказывают большее влияние на окончательный результат измерения данного параметра.

Так как бумага имеет вязкоэластичную природу и обладает сжимаемостью, определение шероховатости должно производиться в тех же условиях, что и печатание. В работе [123] шероховатость поверхности незапечатанной бумаги определялась в условиях динамического контакта с помощью тестера гладкости, разработанного в Технологическом университете Хельсинки. Рассмотренный в работах [123, 124] метод определения так называемой «печатной гладкости» на приборе Чепмэна дает неточности в оценке данного показателя, т.к. при печати используется динамическое давление, а не статистическое.

Авторы работ [125] отмечают, что изучение микрорельефа бумажной поверхности методами комбинированной стереоскопической сканирующей электронной микроскопии позволяет осуществлять наблюдение поверхности без искажений, получать информацию о состоянии поверхности на значительной площади и производить трехмерные измерения, в том числе глубины впадин. В работах [126–128] показано, что достаточно эффективным средством наблюдения и анализа структуры бумаги, в частности распределения наполнителей в поверхностном слое бумаги, является электронный сканирующий микроскоп и микроанализатор рентгеновского излучения с электронным зондом.

Для оценки шероховатости поверхности используется ее профиль, представляющий собой сечение поверхности плоскостью, перпендикулярной к этой поверхности и ориентированной в каком-то заданном направлении [91]. К основсятся:,,.

ным показателям, характеризующим микрорельеф поверхности материала, отноПоиск методов эффективной оценки шероховатости поверхности, позволяющих получать наиболее полную и точную информацию о параметрах поверхности материала, является достаточно актуальной задачей в настоящее время и решается путем аналитического представления профиля поверхности рядом авторов.

Весьма интересные работы выполнили Ю.Р. Витенберг и Я.А. Рудзит [92,129], в которых они использовали теории случайных функций. Авторы работ [125, 130], разделяющие шероховатые поверхности на поверхность, обладающую некоторой периодичностью, и случайную поверхность, которая может быть изотропной и анизотропной, выделяют две модели профиля шероховатой поверхности:

представление профиля шероховатой поверхности как детерминированного периодической функции со случайной фазой, которую считают гармонической:

где – детерминированная величина, случайная величина, равномерно распределенная на интервале (0,2). Характер периодичности определяется технологическими факторами, а фаза – случайным выбором начала отсчета профилограммы.

деленной стационарной случайной функции () с нулевым математическим представление профиля шероховатой поверхности как нормально распреожиданием и корреляционной функцией где – расстояние между точками профиля В работах [101, 108] авторы оценивают профиль поверхности с помощью некоторой периодической функции или с наложенной на нее случайной составляющей. Данный подход применим к поверхностям, имеющим периодическую компоненту профиля, т.е. поверхностям, полученным путем резания или фрезерования, как и в случае рассмотрения работ [129,131]. Поэтому данный подход нельзя применить к оценке микрогеометрии поверхности полиграфических материалов (бумаги, картона, комбинированных материалов).

Анализ существующих методов и их технологических возможностей, представленных в работах [130, 132] позволяет сделать вывод, что результат измерения статистических показателей шероховатости поверхности может быть зависимым от используемого метода при измерении, кроме того, мультимасштабный характер геометрии поверхности не подается учету статистико-вероятностными методами. Указанные недостатки статистического подхода проложили дорогу методам фрактальной геометрии применительно к моделированию шероховатой поверхности. Этот новый подход был предложен Б. Мандельбротом и Ф.Ф. Лингом [133] и в дальнейшем стал основой многих интересных и в значительной степени успешных попыток переноса методов фрактальной геометрии на решение задач, относящихся к шероховатым поверхностям. В работе [134] подчеркивается, что фрактальные свойства поверхностей обнаружены у самых различных по природе происхождения материалов.

Проведено огромное количество численных экспериментов, в которых выявлялись закономерности фрактальной природы реальных объектов на основе модельных механизмов. Показатель фрактальной размерности по праву считается основным в теории фракталов. Основываясь на данном показателе, можно судить о форме фрактала. Применение теории фракталов для описания свойств полиграфических материалов представлено в работах [72,135–138]. М.И. Кулак и его соавторами проведено фрактальное описание поверхности некоторых видов бумаги.

Построена фрактальная теория краскопереноса между контактирующими поверхностями печатного аппарата, изложен фрактальный подход к исследованию влияния давления на процесс печатания. На основе методов теории фракталов исследованы процессы впитывания типографской краски до момента ее закрепления на оттиске. Однако ассортимент исследуемых материалов по показателю неоднородности поверхности достаточно ограничен.

Представляют интерес результаты исследователей Санкт-Петербургской школы. Разработанный с точки зрения мультифрактального формализма А.Б. Лихачевым метод [138] предоставляет возможность оперативно и достаточно точно получить оценки, которые в полной мере количественно отражают топологические особенности поверхности носителей, но следует заметить, предназначенных только для цифровой печати.

Новый способ описания неоднородности бумажного полотна с помощью функции, названной функцией рельефа, представленный в работе [139] достаточно информативен и нагляден в интерпретации неоднородного случайного поля.