凹版印刷网型创新研究与应用

赵凯荣，薛元庆，瞿堃涛

（上海烟草包装印刷有限公司，上海 202308）

传统凹印油墨使用的是溶剂型油墨，该类油墨由连结料、填充料、助剂等物质组成，其中含有50%～70%的有机溶剂。虽目前已改进为低溶剂残留油墨，原墨中溶剂比例含量约为60%，但在印刷生产过程中，使用该类油墨还需再添加原墨比例约50%的溶剂。以1kg 红油墨为例，原墨中含有溶剂60%，即0.6kg，印刷过程中还需再添加约50%溶剂，即0.5kg，即1kg 油墨排放的溶剂总量约为1.1kg。

笔者通过对浅版化工艺技术进行研究，从溶剂使用的源头控制，大幅度减少印刷生产过程中的溶剂使用量、排放量，减少对环境、对社会的污染与影响。使用降低现有实地印版线数，加大印版网穴开口，从而提升油墨黏度的方法。2022 年数据显示，凹版平均使用转数150 万转，最高使用转数为160 万转，排摸在120 万转后有，网点还原情况会出现断崖式下降，在达到150 万转寿命后，产品工艺质量接近临界点，质量缺陷如刀丝、堵板频次上升，造成中途停机换版。

凹版使用若能克服还原情况断崖式下降的难题，可以为整个凹印生产线稳定带来创新性的突破，不仅可以有效的延长了凹版使用寿命，并且可以降低开停机造成的原辅材料的损耗。本文中提出的新网型设计，通过三维软件建模，并在正式投入生产前使用CFD 技术进行仿真测试，旨在解决浅版工艺的瓶颈问题。通过这一创新设计地应用于生产，笔者期望能够顺利实现印刷工艺的升级与转型，提高生产效率和降低成本。

1 凹印浅版工艺

浅版工艺：应用激光腐蚀制版，如图1 所示，相比传统电雕工艺油墨转印好，激光版20um 相当于电雕版40um 的油墨转移量。激光腐蚀网点转移率可达到67%，而电雕版和传统激光版网点转移率基本在38%。通过生产实践所得，凹版制作并非网穴越深越好，而是根据承印材料需要进行深度匹配。从传统六边形中仍然选取六边形网型进行降低线数，同时网穴开口增大，是之前的浅版方案[1]。

图1 激光制版与电雕制版网穴形状

该类浅版工艺技术较于传统高线数激光腐蚀工艺，无论是印刷品质量（主要因网穴变浅，使其整体油墨平整度更接近平版印刷工艺）还是油墨溶剂的消耗都明显降低，但由于油墨流动性、网墙磨损等问题，其使用寿命却大幅小于传统印版。若要将浅版凹印激光腐蚀工艺全面应用，必须解决印版使用寿命短的缺陷，需要研究一种高流动性浅版网型。

浅版激光腐蚀：网穴是应用激光雕刻技术，如图1 所示，相比传统电雕工艺油墨转印好，激光版20U相当于电雕版40U 的含墨量。如图2 所示，激光浅版工艺网点转移率可达到67%，而电雕版和传统激光版网点转移率基本在38%。

图2 传统高线数高深度实地网型＆低线数浅版对比图

凹印制版的基本工艺为：滚筒基体的制作→滚筒镀铜→印版图像的制作→腐蚀或雕刻形成网穴→镀铬处理→彩色打样[2]（图3）。作者打破整个制版流程中原有设备原始网型,以满足凹印车间需求，降低用版成本的新型网型设计。其步骤在电分后布网过程中予以新型激光腐蚀点阵设计。

2 流体力学模拟分析

2.1 流体力学软件计算流程

无论流动、传热、稳态问题，求解过程都可用图4 表示。初始条件与边界条件是控制方程具有确定解的前提，控制方程与相应的初始条件、边界条件的组和构成对一个物理过程完整的数学描述。初始与边界条件的处理，直接影响计算结果的精确度和时间。做为前处理的重要过程——模型简化在仿真中却被很多工程师所忽略，模型简化的正确及其质量将直接导致最终后处理云图中结果是否能计算、计算结果时间、计算的正确与否。参数设置对求解精度和效率有重要影响。正确理解所要解决的实际工程问题，给定合适的条件和目标，有助于较快的得到收敛解——云图、流线、粒子轨迹。

图4 流体力学模拟分析流程

2.2 FLOW Simulation 软件

Flow Simulation 是一款计算流体力学(CFD)软件，采用德国NIKA 公司的产品。软件与Solid works 紧密集成，使得CAD 和CFD 达到了无缝集成的效果，可以让使用者在同一界面下对所设计的三维模型直接进行流体、热交换、内外流等仿真分析[3]（图5）。

图5 Flow Simulation 应用

3 创新实例

3.1 网型设计

图6 虞字网型平面设计

图7 虞字网型三维设计

3.2 虞字网型参数设定

虞字网型深度预设范围为15μm ～30μm 的网线，预设范围为45 线/厘米～70 线/厘米；网值预设范围为120μm ～212μm；网墙宽度预设范围为10μm ～22μm；网角预设为0 ～60°。

3.3 CFD 仿真条件

如图8 所示，流体参数设定根据凹印机生产车速200 米/分钟测算，油墨流速约3.33 米/秒。

图8 流动参数设定

如图9 所示环境参数为293.15k=20℃，标准大气压为101325Pa。

图9 温度气压设定

如图10 凹印油墨参数设定密度为950kg/m3、动力黏度为0.02Pas、液体比热率为4000J/kg*k、热导率为0.33W/m*k。

图10 密度、黏度、比热率、热导率参数设定

3.4 模型前处理

如图11 使用外流体分析，由于计算量庞大，所以截取印版一部分区域进行仿真分析，首先就是设定计算域。

图11 计算域设定

3.5 后处理结果分析

流动轨迹：设定流动轨迹，观察图12、图13可以发现油墨在网穴内的流速基本在2.56 米/分钟～3.21 米/分钟，并且油墨的流动分布均匀。

图12 流动轨迹区域选择

图13 流动轨迹分布

如图14 所示，笔者进行点参数分析，通过点参数工具对网型的通沟、小网穴、大网穴进行流速的分析。

图14 局部网型区域点流体参数分析

如表1 所示，局部网型区域流体分析测得如下数据。从上述仿真分析可见，采用虞字从各项外流体数据，无论是在传统激光腐蚀大网穴内的流速，还是通过通沟的流速均达到目前可见网型的最大值。其流速的大幅提升，也使得凹版油墨具备更好的延展性，油墨能更好铺展于纸张表面。

3.6 与现有网型参数对比

1）如图15 所示，六边形网型仿真流体分布。如表2 所示，六边形网型仿真整体流速参数测得如下数据，整体仿真流速不如虞字网型。

2）如图16 所示，风车网型仿真流体分布。如表3 所示，风车网型仿真整体流速参数测得如下数据。

图16 风车网型仿真流体分布

3）如图17 所示，凹方网型仿真流体分布。如表4 所示，凹方网型仿真整体流速参数测得如下数据。

表4 凹方网型仿真整体流速

通过创新网型与现有网型进行参数上对比，得出虞字（新网型）的流速及流体分布皆优于现有各类凹版网型。

4 新网型的应用

在经过CFD 仿真后，笔者进行版才加工并投入生产验证，并得出结论。在使用新虞字网型后，订单量5000 万印张约230 万转大实地无异常停机换版，大实地印版均已切换虞字网型，且转印数量达到150万转以上，没有出现还原性断崖式下降的情况，远远超过了传统凹版的寿命，并且使用的溶剂更少，经过统计，各类溶剂消耗对比原先降低10%以上。

5 结论

笔者借助CFD 仿真软件创新研究了一种新型的虞字网型，攻克了浅版工艺油墨流通性差的问题，并且从创新设计－研究分析－试生产－批量应用，逐步地将浅版工艺真正的应用到生产当中，攻克了凹版近20 年仅有六边形和凹方两类单一激光腐蚀工艺网型的传统壁垒。结合中国“碳中和”的发展需求，采用新虞字网型使用更少的挥发性溶剂，可以达到更好的环保效果。虞字网型的研究和应用对于提升凹版印刷行业的可持续发展水平，促进绿色印刷产业的发展也具有重要的意义。