CN104870200B - 制造照相凹版滚筒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述用于制造具有滚筒基底的照相凹版滚筒的方法，所述滚筒基底由铝制成。所述方法包括用高速喷涂涂覆滚筒表面、在适当的溶液中镀铜、雕刻滚筒、及通过镀铬使滚筒硬化。喷涂工艺通过导致较少的表面孔隙度、对铜衬底的较好的粘附和较好的尺寸精度的高速空气燃料或高速氧气燃料热喷涂来实现。此方法的优点是消除表面粗化工艺和消除预镀工艺。此外，端板部分地由铝并且部分地由钢制造，这还减少滚筒的总重量。消除这些工艺相当大地减少滚筒的重量和总的制造时间。

Description

制造照相凹版滚筒的方法
发明领域
本发明涉及用于制造照相凹版或凹版滚筒的方法。
本发明还涉及如此获得的照相凹版滚筒。
本发明还涉及照相凹版滚筒在印刷工业中用于印刷包装材料(通过将油墨从印刷滚筒转移至包装材料)比如例如凹版印刷工艺的用途。
发明背景
凹版滚筒由滚筒基底、铜层和保护层组成(见示出这种滚筒的图1)，所述滚筒基底通常由钢或铝制成(1，图1；及1，图2)，所述铜层通常是0.5mm至1mm厚(2，图1；及2，图2)，所述保护层通常是典型地6μm至8μm厚的铬层(3，图1；及3，图2)。
铜层被电镀到滚筒基底上且形成通过化学方法或电动机械(金刚石)方法或电子(激光)方法用将被印刷(转移)到包装材料(纸、塑料薄膜、铝箔等)上的图案雕刻或蚀刻的表面。铜是用于雕刻的主要表面，因为其易于雕刻。雕刻的滚筒上的铬层保护滚筒表面免受在印刷工艺(将油墨转移至包装材料上)期间由刮刀施加在印刷滚筒上的压力。
滚筒主体通常由满足对精度的要求和在印刷过程中需要的小偏差的钢制成。可选择地，对于印刷工业，滚筒主体可以由轻重量金属如铝或铝合金制造。铝具有约2700kg/m3的比重，然而钢具有约7800kg/m3的比重。使用铝作为滚筒基底产生较轻的照相凹版滚筒(轻约三分之一)，这意味着显著减少的运输成本和在生产阶段期间较安全的操作。
然而，铝是电化学钝性材料且将其电镀铜是相当有挑战性的。这已经限制铝用于滚筒基底的用途。在使用铝的程度上来说，其需要多个工艺步骤以便获得用于铝主体的适当的铜表面。
用于制造包括铝基底、铜表面和铬保护层的照相凹版滚筒的一种方法从WO2011/073695A2中是已知的。铜表面在包括不少于六个步骤的工艺中产生。
在第一步骤中，通过机械手段比如砂纸、喷砂增加下方的滚筒的表面粗糙度。此后，10-50μm厚度的铜涂层在热喷涂工艺中被沉积。铜涂层被认为是用于随后的电镀的衬底。然后，进行用砂纸的另外的表面处理。
在第四步骤中，进行预镀铜步骤，其中镀上约100-300μm的铜层。在没有硬化剂的情况下镀铜，产生100-120HV的维氏硬度(Vickers hardness)。
此步骤之后的是另外的镀铜步骤，这使用包含硬化剂的浴，以便获得具有优选地200-240HV的维氏硬度的铜雕刻层。已知这样的维氏硬度对于雕刻是最佳的；在较低的值，雕刻的单元图案失去清晰度。此外，如果硬度超过240HV，在电子雕刻期间经常被用于雕刻滚筒的金刚石刻刀(styli)的寿命可能减少。WO2011/073695的铜雕刻层以约200μm的厚度被沉积。最后，进行抛光步骤以实现适当地在0.03-0.07mm的范围内的预定的表面粗糙度。
根据此方法，非常硬的铜雕刻层用较少硬的堆叠支撑。众所周知，铝或铝合金的维氏硬度是相对低的；已知中等强度的铝合金比如铝合金6082具有35HV的维氏硬度。包括铜粘附层和特别地随其的预镀层的铜支撑体具有在铝基底和硬铜层之间的中间硬度。此外，根据此方法，至少0.5mm的铜层中的约一半作为支撑体存在。需要这样的层厚度，以便获得在其顶上硬铜可以生长的合适地均匀的层的微结构。
然而，在关于根据WO2011/073695A2制造的滚筒的另外的研究中，观察到滚筒的可靠性少于期望的。特别地，约1-5％的滚筒在客户使用后相对迅速地发生缺陷。然而，缺陷以不可预知的方式不规则地发生。这类缺陷明显地导致不期望的对替换缺陷滚筒的需求。
发明概述
因此，目标是克服来自现有技术的已知的缺点，且提供具有良好的可靠性的具有铝基底、铜支撑体和硬铜层的照相凹版滚筒的制造方法。
另外的目标是提供具有改进的性质的产生的照相凹版滚筒及这种改进的滚筒用于印刷工艺的用途。
根据本发明的第一方面，提供制造照相凹版滚筒的方法，其中铜支撑体被提供到圆柱形基底上，并且铜雕刻层被电镀到铜支撑体上，且其中铜雕刻层此后根据期望的图案被雕刻且用保护层保护。在本文中提供铜支撑体包括通过至少部分熔融沉积的铜颗粒形成在基底的圆周处的铜层。
根据本发明的第二方面，提供中间产品，所述中间产品包括铝圆柱形基底，圆周铜层(circumferential copper layer)延伸到所述铝圆柱形基底上，基底和圆周铜层具有共同的界面，其中圆周铜层用固有的压缩应力在下方的基底上获得且充当电镀的铜雕刻层的支撑体。
根据本发明的第三方面，提供了提供照相凹版滚筒的方法，所述方法包括用预定的图案雕刻中间产品的雕刻层及随后沉积保护层的步骤。
根据本发明的另外的方面，提供随其可获得的照相凹版滚筒及这种照相凹版滚筒用于通过将油墨从照相凹版滚筒转移至包装材料来印刷包装材料的用途。
在导致本发明的研究中发现，缺陷起因于不足够的粘附。令人惊讶地，用本发明的改进的工艺(其中铜被至少部分地熔融)可以强有力地改进此粘附。此外，意想不到的是，改进的工艺产生连续的圆周层，以便引起压缩应力。
本发明的优点是，具有铝基底的凹版滚筒的制造工艺被简化。特别地，与如在上文提到的WO2011/073695的现有技术方法中描述的软铜表面镀相比，滚筒表面的粗化处理可以被消除。
更确切地说，本发明允许产生铜支撑体，所述铜支撑体可以由单层组成且然而匹配特别地具有铝的基底和具有高硬度的铜雕刻层之间的性质差异。这被实现，因为铜支撑体包括在基底周围圆周地延伸的铜层且包含压缩应力。此压缩应力更特别地起因于在至少部分熔融后圆周层的冷却。其中的层具有固有的收缩倾向，且多于下方的基底。这被适当地实现，其中铜颗粒被加热超过任何的圆柱形基底。
铜颗粒在喷涂工艺中被适当地沉积。更优选地，使用高速喷涂工艺。在这样的工艺中，颗粒以比如至少300m/s的高速度被应用到滚筒。适当地，在本文中滚筒在沉积工艺期间旋转。颗粒将冲击圆柱形基底，这导致大量的能量以热的形式释放。这样的热将使颗粒加温以便至少部分地熔融。
本发明的优点是，铜支撑体层和铜雕刻层可以是薄的，优选地各自小于100μm。这变得可能，因为形成的圆周铜层具有非常低的孔隙度，适当地小于1.0％，优选地小于0.5％或甚至小于0.2％。这与WO2011/073695A2的现有技术的铜支撑体层相对照。分析根据现有技术制成的照相凹版滚筒证实大孔隙度，在单个滚筒之间具有明显的铺展，这仅仅通过沉积厚的预镀层来克服。
在一个实施方案中，圆周层具有至少50μm、更优选地至少60μm的厚度。这具有圆周层可以具有与随后沉积的铜雕刻层的厚度大体上对应的厚度的优点。
在可选择的优选的实施方案中，提供以小于50μm、优选地小于40μm或甚至至多30μm的厚度的圆周层。具有这样的小厚度的适当的圆周层用高速喷涂步骤、随后的磨削步骤来实现。
最适当地，圆周层在形成后甚至重新变薄。这种变薄例如通过锯削进行。润滑剂溶液可以与冷却同时应用。此外，此工艺产生圆周层表面的适当的抛光。然后，抛光的圆周层适合用于铜雕刻层的电镀。
附图简述
本发明的这些和其他方面还将关于以下的附图来阐明，其中：
图1示出照相凹版滚筒的鸟瞰示意图；
图2示出照相凹版滚筒的横截面示意图；
图3示出照相凹版滚筒的端板的示意图。
详细实施方案的例证讨论
图1、2和3未按比例绘制且它们仅被意图用于例证性的目的。在不同的图中相等的参考数字指的是相同的或相应的图。
本文中，术语“照相凹版滚筒”指的是照相凹版滚筒和/或用于印刷工业、特别地用于印刷包装材料的任何的凹版滚筒。这种滚筒的长度通常是至少1.0米，更优选地在1.5-2.5米左右。
如在本发明的上下文中使用的术语“圆柱形基底”不需要基底是块状材料。更确切地说，基底可以是中空的。可选择地，基底可以包括若干层，比如钢芯和铝顶层。
本发明中的术语铝指的是纯铝、具有少量添加的其他材料的铝、或铝合金。同样地，术语铜指的是纯铜、具有少量添加的其他材料的、或铜合金。然而，最适当地，在根据本发明的优选的实施方案的工艺中，喷涂包含至少99％的铜、更优选地至少99.5％的铜或更多的颗粒。
术语高速喷涂涉及其中颗粒以至少300m/s、更优选地至少500m/s、至少800m/s或甚至至少1,000m/s的速度被喷涂的喷涂工艺。优选地，利用具有超过所述颗粒速度的速度的喷射。超速喷射的产生被认为是最有利的。本文中，喷射速度可以高于1,400m/s。
高速喷涂可以例如用高速空气燃料(HVAF)技术和如从来自Oilville,VA 23129,USA的Uniquecoat Technologies,LLC商购的枪实施。
术语“至少部分熔融”指的是其中至少单个颗粒的表面被熔融以便产生均匀层的工艺。不排除的是，所述颗粒的内芯保持在固体形式。此外，不排除的是，通过熔融铜颗粒产生的圆周层实际上是具有下方的圆柱形基底的某些铝的合金。这样的合金很可能产生，特别地是在接近于与圆柱形基底的界面处。因此，远离圆柱形基底的圆周层的组成可以与靠近所述界面的组成不同。
在优选的实施方案(其中铜颗粒在高速工艺中被喷涂到基底上)中，预知的是铜颗粒对基底的冲击可以导致基底的顶层变形和破裂。这样的变形被认为是有益的，以便获得较大的界面面积和/或铜到铝内的某些机械锚定。随后的熔融步骤和此外的变薄步骤以其组合是高度适当的，以便确保当在垂直于圆柱形基底的轴向方向的横截面图中观察时适当的尺寸和特别适当的圆度。
在一个优选的实施方案中，具有铝基底的凹版滚筒由铝管生产为期望的尺寸。此后，高速喷涂工艺被用于喷涂铜颗粒。利用如购自Uniquecoat Technologies,LLC的如以M3出售的枪。具有小于50μm、优选地在40-45μm的范围内的平均直径的铜颗粒以1,200-1,400m/s的喷射速度被喷涂，产生900-1000m/s的颗粒速度。在喷涂工艺期间，旋转滚筒。大体上纯的铜颗粒对滚筒的冲击导致铝滚筒的变形并且加热颗粒到至少部分熔融的程度。此熔融导致形成在基底的周围圆周地延伸的单层。压缩应力在冷却过程中形成。在一个实施方案中，这样的冷却通过等待实现；在可选择的实施方案中，将喷射的空气喷涂到具有圆周层的滚筒上。对于喷射喷涂，使用如上文提到的相同的枪，但这不被认为是必要的。
在一个实施方案中，产生的层具有约125μm的厚度。此后此层借助于锯削工艺变薄并且抛光。利用如用于锯削铜或含铜的元件已知的金刚石锯。当锯削时喷涂润滑剂以防止过多加热铜层。此外，同此，也实现抛光。锯削导致除去约50μm厚度的铜。此处由铜圆周层组成的铜支撑体随后准备就绪。然而不排除沉积另外的层。
在可选择的实施方案中，沉积层具有40-80微米、例如约50微米的厚度。此后使此层变薄例如40-60％。本文中利用用具有磨削石和抛光石的常规磨削机械的磨削。
如例如在具有在20微米和40微米之间的最终层厚度的后者的实施方案下实现的产生的表面粗糙度Rz适当地小于0.5μm。对技术人员已知的是，存在多种表面粗糙度参数(其已在规范DIN EN ISO 4287:1998和DIN EN ISO 4288:1998中定义)。表面粗糙度Rz，也称为(平均)表面粗糙度深度或十品脱平均粗糙度。其被定义为连续的取样长度的单个粗糙度深度的算术平均值。更适当地，表面粗糙度Rz小于0.4μm，例如在0.2μm至0.4μm之间，且在一个优选的实施方案中接近于0.3μm(即0.25-0.35μm)。
在随后的步骤中，具有适当地在200-240HV的范围内的高硬度的铜雕刻层被沉积。该层以60-100μm、例如75μm的厚度被沉积。在一个实施方案中，选择与铜支撑体的层厚度大体上对应的层厚度。然而，不排除较厚的层。用于这样的雕刻层的沉积工艺本身是已知的且包括电镀。在一个实施方案中利用硫酸铜(200-230克CuSO4x 5H2O)和硫酸(60-65克H2SO4每升溶液)的溶液和用于硬化的催化剂。催化剂没有任何特别的性质且可以在市场中容易地找到。在电镀期间，滚筒以约100rpm的速度旋转。在此阶段中在电镀期间的电流密度在从20安培/dm2至25安培/dm2的范围中持续约80-100min且使溶液温度维持在约30℃。关于此工艺的另外的细节从多个专利中是已知的，比如美国专利第4,334,966号、第4,781,801号、第5,417,841号和第7,153,408号，这些美国专利通过引用被包括在本文中。
在特别地与如上文讨论的磨削并且薄的圆周层组合地测试的可选择的实施方案中，铜雕刻层通过沉积和随后的变薄和抛光形成。此外，此处，变薄至沉积厚度的约一半实际上证明是适当的。然而，不排除的是，变薄仅除去20-40％的沉积厚度。
此后，滚筒被抛光以实现期望的表面粗糙度(通常Rz在0.03μm和0.07μm之间)。随后中间产品准备就绪。在随后的步骤中，此中间产品根据期望的和预定的图案被雕刻。可以利用本身已知的任何雕刻技术，包括所谓的电子雕刻。使用激光似乎是有益的。如果需要，雕刻可以在不同位置中进行。雕刻之后，应用保护层。此保护层适当地是约6μm至10μm的铬涂层，且通过在氧化铬溶液(250-280克Cr2O3每升溶液)和硫酸(2.5-2.8克H2SO4每升溶液)中电镀约30min产生。
为了另外减少凹版滚筒的重量，凹版滚筒的端板(端板的典型的横截面在图3中示出)由两种材料即一种轻重量(4，图3)例如铝、和钢(5，图3)制成。端板的典型的厚度是25mm。钢被用于端板的与印刷机的支撑体进行接触的一部分，因为与铝相比，钢具有更好的耐磨性和更高的强度。
端板的尺寸由客户规格决定。这是尺寸(和键槽)没有在图3中示出的原因。铝与钢的比例由端板的尺寸决定。端板越大，使用的铝的百分比越高。理念是为了使钢部分保持在最小的重量下。
端板的制造使用以下的简单步骤进行：
a)铝端板部分(4，图3)的外径制造为适合滚筒基底的内径。铝端板部分的内径制成为以适合钢端板部分的外径。
b)钢端板部分(5，图3)的外径制造为适合铝端板部分的内径。
c)端板的铝部分和钢部分的组装简单地通过加热(正常加热或感应加热)并且压装两部分实现。
虽然上文的描述是用于制造具有由铝制成的基底和由铝和钢制成的端板的轻重量凹版滚筒的推荐的方法，对本领域专家明显的是，可以实施小的偏差或改变或修改而不明显偏离本发明。
测试结果
根据WO2011/073695A2的现有技术制成的半成品滚筒和根据本发明制成的半成品滚筒经受结合强度测试。半成品滚筒具有铝基底、铜支撑体和铜雕刻层。在铜雕刻层中没有应用雕刻。没有应用保护层。在两个半成品滚筒中的滚筒基底是相同的；仅铜支撑体的制造不同。
使用通用的测试机器(如由TLCLO,Dartec Ltd,Stourbridge,England提供的)进行结合强度测试。其中，以1mm/min的十字头速度尽可能接近铝-铜界面地应用剪切力。失效极限负载以牛顿(N)记录，且重复若干次以确保足够的统计量。表1提供结果。由此清楚的是，结合强度已经被显著地改进。然而，现有技术的滚筒具有接近15N的极限或甚至低于15N的极限的结合强度，本发明的结合强度使得任何变化都不再影响。
样品制备 结合强度(N)
WO2011/073695A2 12N
本发明 70N
表1。

Claims (14)

1.一种制造照相凹版滚筒的方法，包括以下步骤：
将铜支撑体提供到圆柱形基底上，提供所述铜支撑体包括铜颗粒的热喷涂以形成涂层；
将铜雕刻层电镀到所述铜支撑体上，
此后根据期望的图案雕刻所述铜雕刻层，
用保护层保护被雕刻的所述铜雕刻层，
其中，
所述热喷涂的工艺是高速喷涂工艺，所述高速喷涂工艺以至少300m/s的颗粒速度被进行，其中利用具有超过所述颗粒速度的速度的喷射，其中所述圆柱形基底在铜颗粒的沉积期间旋转，
提供所述铜支撑体包括通过至少部分熔融沉积的铜颗粒形成在所述圆柱形基底的圆周处的具有小于1.0％的孔隙度的单一的圆周铜层，
所述铜支撑体被设置成厚度小于100μm，并且
所述铜雕刻层被设置成厚度小于100μm。
2.如权利要求1所述的方法，还包括冷却产生的圆周铜层、导致压缩应力的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述圆周铜层随后被变薄。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述圆周铜层随后通过锯削被变薄。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述锯削工艺还导致所述铜支撑体的抛光。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述圆周铜层通过磨削变薄至小于0.5μm的表面粗糙度。
7.如权利要求3所述的方法，其中所述铜雕刻层通过沉积，之后变薄而形成。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述圆柱形基底包括铝主体。
9.一种用于制造照相凹版滚筒的中间产品，包括铝的圆柱形基底，圆周铜层延伸到所述圆柱形基底上，所述圆柱形基底和所述圆周铜层具有共同的界面，其中所述圆周铜层具有小于1.0％的孔隙度，并且所述圆周铜层在下方的圆柱形基底上被获得且具有固有的压缩应力，其中所述圆周铜层充当电镀的铜雕刻层的支撑体，其中所述圆周铜层和所述铜雕刻层均具有小于100μm的厚度。
10.如权利要求9所述的中间产品，其中所述圆周铜层具有小于50μm的厚度。
11.如权利要求9所述的中间产品，由权利要求1所述的方法获得。
12.如权利要求9所述的中间产品用于将预定的图案雕刻到所述铜雕刻层和随后沉积保护层的用途。
13.一种照相凹版滚筒，包括圆柱形基底、在所述圆柱形基底周围延伸的圆周铜层，其中所述圆周铜层具有小于1.0％的孔隙度，并且所述圆周铜层在下方的圆柱形基底上被获得且具有固有的压缩应力，其中所述圆周铜层充当电镀的铜雕刻层的支撑体，所述电镀的铜雕刻层根据预定的图案被雕刻且用保护层保护，其中所述圆周铜层和所述铜雕刻层均具有小于100μm的厚度。
14.如权利要求13所述的照相凹版滚筒用于通过将油墨从所述照相凹版滚筒转移至包装材料来印刷所述包装材料的用途。
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