DE1927323A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Gravieren von Druckformen mit Laserstrahlen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Gravieren von Druckformen mit Laserstrahlen

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    • B41C1/02Engraving; Heads therefor
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  • Manufacture Or Reproduction Of Printing Formes (AREA)

Description

Dipl. ing. H. Hauck Dipt, i-: ;·*. W. Schmilz
U München 15, Macarfffr.23
id. 5 380586
Crosfield Electronics Limited
766 Hollovray Road, London/ N. 19, England
München, 29. Mai I969 (Anwaltsakte m-
Verfahren und Vorrichtung zum Gravieren von Druckformen mit Laserstrahlen
Es ist schon vorgeseh: .gen worden, Druckformzylinder mit Hilfe von Laserstrahlen zu gravieren. Nach diesen älteren Vorschlägen wurde der Laserstrahl gepulst, und jeder einzelne Energieimpuls : wurde dazu verwendet, eine Gravurzelle herzustellen, deren Abmessung oder Tiefe von der Energie des Impulses abhängt.
Bei der praktischen Ausführung des Verfahrens ergaben sich jedoch verschiedene Schwierigkeiten. Eine davon besteht darin, daß 6in j Teil des infolge der Aufheizung durch den Laser-Impuls aus der
I Oberfläche des DruekformzylInders zwecks Bildung einer Zelle ab-
■ ■ '
ciedampi'oüii Metalls sich um den Rand der Seile herum niederschlägt. H.L.I; Folge davou emäl'c eier Zylinder3 eine nlent genügend glatte
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Oberfläche, so daß es vorkommen kann, daß nach dem Abziehen mit einer Rakel die am Zylinder verbliebene Druckfarbe nicht die gewünschte Verteilung aufweist. Hinzukommt, daß das Verteilungsmuster der Zellen auf die Möglichkeiten beschränkt ist, die durch Modulation eines abtästenden Strahls bequem hergestellt werden können; dies hat zur Folge, daß es schwierig ist, übliche Rasterwinkel für farbige Arbeiten anzuwenden. Nachpem erfindungsgemäßen Verfahren werden in der zur Verwendung bestimmten Druckform-Oberfläche zunächst Zellen in dem erforderlichen Verteilungsmuster und mit der maximal erforderlichen Drucktiefe ausgebildet, und die Zellen werden mit einem härtbaren weichen Material ausgefüllt (z. B. einem thermoplastischen Material). Um die Druckform-Oberfläche zu gravieren, nachdem die Zellfüllungen gehärtet sind, wird die Oberfläche mit einem Laser-Liehtfleck abgetastet, dessen Energie entsprechend dem zu gravierenden Bild moduliert wird, wobei die Intensität und die Abtastgeschwindigkeit des Strahls so gewählt werden, daß das harte Metall, aus welchem die Druckform besteht* unbeeinflußt bleibt, das Füllmaterial jedoch bis zu einer Tiefe zersetzt oder verdampft wird, die von der Strahlenergie des auftreffenden Abtastflecks abhängt. Auf diese Weise wird auf dem Zylinder ein Bild aus tiefenj/ariablen Zellen aufgebaut, das dem mit herkömmlichen Verfahren erhaltenen ähnelt«
Im folgenden werden Beispiele von erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen in Verbindung mit dsri Zeichnungen beschrieben. Es zeigts
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Fig. 1 eine schematische Schnittansieht einer präparierten Oberfläche vor der Einwirkung des Laserstrahls,
Fig. 2 die in Fig.l dargestellte Oberfläche nach der Einwirkung des Laserstrahls,
Fig. j5 die in Fig.l dargestellte Oberfläche nach einem flächenvariablen und tiefenvariablen Aufzeichnungsvorgang,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Ausführung des Gravierverfahrens, und
Fig. 5 eine schematische Erläuterung einer zur Verwendung bei der Einrichtung nach Fig. ^ geeigneten Modulationseinrichtung.
Die in Fig. 1 dargestellte Druckform-Oberfläche 10 ist durch ein
• - ■
herkömmliches Verfahren derart geätzt worden, daß ihre gesamte
AafzeiehnungE-Oberfläche mit einem Muster von Vertiefungen oder Zellen 11 versehen ist. Diese Zellen wurden danach mit Polyäthy- :· len 12 gefüllt, am den in Fig. 1 dargestellten Druckformträger zu ergeben.
Die Wirkung des Abtastens dieses Druckformträgers mit einem moduliert-en Laserstrahl ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Die
j Heizwirkung des Laserstrahls hängt von der Strahlenergie und der Abtastgeschwindigkeit ab. Die maximale Strahlenergie und die Ab-
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tastgeschwindigkeit werden so gewählt, daß das Grundmaterial 10, das beispielsweise Kupfer oder Stahl sein kann, von einem Strahl maximaler Intensität unbeeinflußt bleibt, daß jedoch durch einen solchen Strahl maximaler Intensität im wesentlichen das gesamte in einer Zelle vorhandene Polyäthylen zersetzt oder verdampft wird Strahlen mit geringerer Intensität entfernen entsprechend geringe·; re Mengen der Polyäthylenfüllung. So ist in Fig. 2 eine Modulation des Laserstrahls angenommen, bei der die Intensität stark abnimmt, während der Laserstrahl die drei dargestellten Zellen ;
von links nach rechts abtastet. ;
Auf diese Weise wird auf dem Druckformzylinder oder einer anderen j
Druckform-Oberfläche ein Bild aus flächenvariablen Zellen aufgebaut, das dann in einem Tiefdruckverfahren verwendet werden kann, j
Bei dem vorliegenden Verfahren ist es nicht erforderlich, daß der' Laserstrahl entsprechend der Verteilung der Zellen moduliert '-wirdj stattdessen braucht der Strahl nur entsprechend dem auf- ; zuzeichnenden Bild moduliert zu werden. Somit braucht der Abtast- ; Vorgang nicht mit der Verteilung der Zellen synchronisiert zu sein, und es ist lediglich notwendig, sicherzustellen, daß der abtastende Strahl während seines Abtastweges die gesamte Druckform-Oberfläche des Zylinders überstreicht. Die. einleitenden Schritte der Herstellung der mit Zellen versehenen Oberfläche, Deispielsweise durch Ätzen, und der Füllung der Zellen mit dem härtbaren Material sind Schritte, die zum Präparieren der auf ! Lager zu nehmenden Zylinder oder anderen Druckformen-Oberflächen, !ausgeführt werden. Diese Oberflächen tragen die Zellen mit einem
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Verteilungsmuster mit jedem beliebigen Rasterwinkel. Wenn ein Druckbild aufgezeichnet werden soll, wird eine der Oberflächen aus dem Lager entnommen und dem Abtastvorgang unterworfen.
Um bei den auf Lager genommenen Zylindern eine glatte Oberfläche zu erhalten, kann eine Rakelklinge über die Oberfläche gezogen werden, solange die Füllung noch heiß, 1st, oder die Oberfläche kann leicht überschliffen werden, wenn die Füllung kalt ist,Auch andere als thermoplastische Materialien können verwendet werdenj es ist lediglich notwendig, daß das Material während der Verarbeitung verhältnismäßig hart ist und die Fähigkeit hat, die Energie eines Laserstrahls zu absorbieren und davon zersetzt zu werden.
Die Tiefe der anfänglich in die Druckform-Oberfläche eingeätzten Zellen ist nicht wichtig und braucht demzufolge nicht in engen Grenzen eingehalten zu werden.
Der vom Laserstrahl zu liefernde erforderliche Energiebetrag ist beträchtlich kleiner als für den Fall, daß das Zylindermaterial zersetzt oder verdampft werden muß, da das Zylindermaterial notwendigerweise ziemlich hart ist, um übermäßige Abnutzung beim Drucken zu vermeiden. In der gleichen Weise erfordert das zum Glätten der Füllungen erforderliche leichte Überschleifen erheblich weniger Energie als erforderlich wäre, um die Metallniederschläge zu entfernen, die sich um die Zellränder herum absetzen, wenn ein Laserstrahl zum Abdampfen von Zylindermetall verwendet wird.
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. Statt Polyäthylen kann auch Glas als Füllmaterial für die Zellen verwendet werden. Sowohl Glas als auch Polyäthylen können mit Zusammensetzungen hergestellt werden, die ein hohes Absorptionsvermögen für Strahlung aus einem Kohlendioxyd-Laser haben, und können in einem zur 'Füllung der Zellen geeigneten weichen Zustand' verarbeitet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Ver- \ wendung von Antimon. Dieses Metall kann leicht schmelzflüssig in j die Löcher eingefüllt werden. Es hat ein größeres Absorptionsver-; mögen.für Strahlung eines Kohlendioxyd-Lasers als das Grundmetall und ist auch leichter verdampfbar. Außerdem ist es für eine nach-j folgende Galvanisierung geeignet, durch die der fertige Zylinder j
i zwecks Verminderung von Abnutzung mit hartem Material überzogen I
werden kann. Ein solcher Überzug kann auch durch ein stromloses j
Plattierverfahren hergestellt werden. . !
Es gibt ein Tiefdruckverfahren, bei dem sowohl die Tiefe als auch ; die Fläche jeder farbaufnehmenden Rasterzelle sich mit der an der! betreffenden Stelle erforderlichen Tondichte des Bildes verändernj Dieses Verfahren wird als flächen- und tiefenvariables Drucken j
{ bezeichnet. Ein derartiges Verfahren kann auch unter Anwendung
der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Dabei macht man die
Zellenfüllungen im Zellenzentrum weicher und leichter verdampfbar oder zersetzbar als an den Kanten der Zellen. Dieses differenzierte Härten kann z.B. chemisch dadurch erzielt werden, daß man die geätzten. Zellen so behandelt, daß sie entlang ihrer Zellkanten den Aushärtvorgang katalytisch beschleunigen; in diesem Fall kann das
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Füllmaterial auf einem Epoxy-Kunstharz basieren.Stattdessen kann auch ein kaltes warmhärtendes Füllmaterial auf eine erwärmte geätzte Oberfläche aufgebracht werden. Die näher an der Zelloberfläche liegenden Teile des Füllmaterial werden dann vollständiger ausgehärtet als die mittleren Teile des Füllmaterials. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform können die Zellen zum Teil miteinem harten Material gefüllt werden, und danach kann die Füllung j mit einem weicheren Material vervollständigt werden.
Figur 3 zeigt die Wirkung eines modulierten Laserstrahls auf ZeIlJ füllungen, die in einer der oben vorgeschlagenen Weisen differen- ' tiell gehärtet wurden. Die Modulation des Laserstrahls ist die gleiche wie in Fig. 2.
In der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung sind der abzutastende Bildzylinder 20 und der zu gravierende präparierte Zylinder 22 auf einer gemeinsamen Welle 24 angebracht, die von einem Motor 26 über ein Getriebe 28 angetrieben wird. Die abzutastende transparente Vorlage wird auf den Bildzylinder 20 aufgebracht, in welchem sich ein Prisma 30 befindet, das von einer Lichtquelle 32 kommendes Licht durch die transparente Vorlage reflektiert. Das Prisma 30 ist mittels eines Arms y\ auf einem Analysatorkopf 36 befestigt, der einen Foto-Vervielfacher enthält. Der Foto-Vervielfacher betrachtet die auf dem Zylinder 20 befindliche transparente Vorlage durch ein Linsensystem 38, das der reflektierenden Oberfläche des Prismas 3© gegen über liegt. Somit fällt Licht-, das von der Lanpi"- y?. kommt und vom Prisma 30 durch die transparente Vorlage reflektiert wird, auf den Foto-Vervielfacher, Dieser
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erzeugt elektrische Signale, deren Amplitude der Intensität des empfangenen Lichts und somit der Dichte des abgetasteten Elements der transparenten Vorlage entspricht.
,Der Ana lys a tor kopf 36 ist auf einer Spindel 4<|)
angebracht, die ebenfalls vom Motor 26 über das Getriebe 28 angetrieben wird. Wenn sich die Spindel 40 dreht, bewegen sich der Analysatorkopf 36 und das Prisma jJOparallel zur Welle 24. Diese Längsbewegung des Analysatorkopfes bewirkt zusammen mit der Drehung der Welle 24, daß der Foto-Vervielfacher die auf dem Bildzylinder befindliche transparente Vorlage in einer Folge von benachbarten Linien« und zwar je einer Linie pro Umdrehung der Well«! abtastet, bis die gesamte transparente Vorlage überstrichen is.t.
Die zum abtastenden Gravieren dienende Vorrichtung enthält einen Laser 42, der in diesem Fall ein bei 10,6 Mikrometer arbeitender Kohlendioxyd-Dauersignal-Laser ist, und einen beweglichen Wiedergabekopf 46, der einen Modulator enthält. Der Wiedergabekopf enthält ferner reflektierende Oberflächen, um den modulierten Laserstrahl auf den präparierten Zylinder 22 zu reflektieren.
Der Wiedergabekopf 46 ist ebenfalls auf der Spindel 40 gelagert und bewegt sich infolgedessen bei Drehung der Welle 40 in einer zur Welle 24 parallelen Richtung. Man erkennt, daß der modulierte Laserstrahl die präparierte Oberfläche 22 mit einem Abtastmuster überstreicht, daß dem Abtastmuster gleicht, mit welchem die
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transparente Vorlage von dem aus der Lichtquelle 32 kommenden Lichtstrahl überstrichen wird. Die Signale, die der im Analysator kopf 36 vorgesehene Foto-Vervielfacher abgibt, werden einem Korrec turrechner 50 zugeführt, in welchem in bekannter Weise eine Tonkorrektur ausgeführt wird. Das Ausgangssignal des Rechners 50 steuert die Modulationseinrichtung. Somit wird jede gefüllte Zelle des präparierten Zylinders 22 von dem Laserstrahl in einem Ausmaß beeinflußt, das . der Dichte des entsprechenden Bildelements der auf dem Zylinder 20 aufgebrachten transparenten Vorlage entspricht.
Man erkennt ferner, daß der Rechner 50 auch andere als Tonwertkorrekturen ausführen kann. Zum Beispiel kann es bei einem Farbabtaster erforderlich sein, Farbkorrekturen auszuführen; dafür geeignete Schaltungen sind bereits bekannt.
Figur 5 zeigt eine Ausführungs form einer Modulationseinrichtung, die für die Verwendung in dem Wiedergabekopf 46 geeignet fct. Der vom Laser kommende Strahl 52 wird auf einen beweglichen Spiegel 54 eines Hochfrequenzgalvanometers geleitet, das innerhalb des Wiedergabekopfs 46 angeordnet ist und mit dem Ausgangssignal aus dem Tonwert-Korrekturrechner 50 beschickt wird. Das Laser-Licht wird vom Spiegel 50 auf den nach Art einer scharfen Kante ausgebildeten Randteil eines stationären Spiegels 56 reflektiert, so daß im allgemeinen ein Teil des Lichts seitlich an der Kante des stationären Spiegels vorbeigeht und der Rest vom stationären Spiegel reflektiert wird. Das am Spiegel 56 vorbeigehende Licht läuft
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, zu einem konvexen Spiegel 58 und danach zu einem Absorber 6o. Der Konvexspiegel hat den ,Zweck, das empfangene Licht über eine große. Fläche des Absorbers zu verteilen. Das vom Spiegel 56 reflektierte Licht fällt auf einen Konkavspiegel 62, der den Strahl auf eine Stelle auf der Oberfläche des zu gravierenden Zylinders 22 rieh- ". tet. Die Krümmung des Konkavspiegels ist so gewählt, daß die Lage; der Auftreffstelle auf dem Zylinder sich bei einer Winkelablen4-kung des Galvanometerspiegels nicht verändert. Durch geeignete ....; Wahl der Abmessungen innerhalb des Kopfes 46 kann der Strahldurch-i messer durch den Konkavspiegel auf ein Ausmaß vermindert werden, j daß sich aufeinanderfolgende Abtastlinien oder -zeilen ohne über-;
lappung berühren. Die Menge an Laserlicht, die von den Spiegeln j 56 und 62 reflektiert wird undjauf die präparierte Druckformober- ; fläche gelangt, hängt von der augenblicklichen Stellung des Spiegels des Hochfrequenzgalvanometers und somit .von der Amplitude des vom Rechner abgeleiteten Modulationssignals ab. Die Spiegel sollen eine mehrlagige Beschichtung aufweisen, so daß sie ein hohes Reflexionsvermögen haben und Beschädigungen durch Überhitzung durch absorbierte Energie vermieden werden. Pur die Anwendung bei Lasern geeignete Beschichtungen sind bereits entwickelt worden.
Eine andere Aus führ ungs form einer Modulationseinrichtung verwendet ein Interferometer, dessen beweglicher Spiegel auf einem magnetostriktiven Element (z.B. einem Nickelstab) angebracht ist. Das magnetostriktive Element wird einem magnetischen Längsf©ld i
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einer Spule ausgesetzt, die durch das vom Rechner abgegebene Signal erregt wird. Der Laserstrahl wird von diesem Spiegel reflektiert, und die Bewegung dieses Spiegels ändert die Weglänge eines Strahls im Interferometer,- so daß sich im Ausgang des Interferometers entweder addierende oder auslöschende Interferenz ergibt. Auf diese Welse wird die Ausgangsint en«-* tat moduliert. Als Interferometer können beispielsweise Geräte nach Michelson oder Twyman-Green verwendet werden. Wiederum müssen die reflektierten Oberflächen hoch reflektierende Beschichtungen aufweisen, um Beschädigungen durch überhitzung zu vermeiden.
In einer abgewandelten AusfUhrungsform der Interferometer-Modulatlonselnrichtung ist der bewegliche Spiegel des Interferometers auf einer Platte aus elektrostriktivem Material (z.B. Bleizirkona Bleititanat oder Barlumtitanat) angebracht» Sin derartiges Material verändert unter dem Einfluß eines vom Rechner-Ausgangssignal erzeugten elektrischen Feldes geringfügig seine Dicke und verändert somit ebenso wie im vorher beschriebenen Beispiel die Weglänge eines Strahle im interferometer.
Es ist^klar, daß die Anwendung der Erfindung nicht auf die dargestellte Form von Abtasteinrichtungen beschränkt ist. Zum Beispiel kann statt der dargestellten zylinder- oder trommeiförmigen Abtesteinrichtungen auch ein Schwlngtiseh-Abtaster bekannter Form verwendet werden.
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Claims (9)

η ~ " ——- — Patentanwälte Dr. Ing. H. Hegendank DlpUng. H. Hau* hys. W. Schmitz Crosfield Electronics Limited Holloway Road, München, 29. Mai 1969 London, N. 19, England (Anwaltsakte M-740) Pa tentansprüche
1. Verfahren zum Gravieren eines metallischen Werkstücks zur Bildung einer gravierten Druckform-Oberfläche, bei dem die Oberfläche des metallischen Werkstücks mit einem Laserstrahl abgetastet wird, dessen Strahlenergie entsprechend dem auf der Druckform-Oberfläche einzugravierenden Bild moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche Zellen ausgebildet sind, die eine der maximal erforderlichen Drucktiefe entsprechende Tiefe haben und mit einem festen Material gefüllt sind, das von dem Laserstrahl leichter zersetzt oder verdampft wird als das Material des metallischen Werkstücks, und daß die Intensität und die Abtastgeschwindigkeit dee Strah! so gewählt werden, daß das Metall, aus dem das Druckform-Werkstück besteht, unbeeinflußt bleibte, das Füllmaterial jedoch
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bis zu einer Tiefe zersetzt oder verdampft wird, die von der Strahlenergie des auf das Füllmaterial auftreffenden Abtastflecks abhängt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche auf das Abtasten -vorbereitet wird, injäem in die Oberfläche eine Anzahl von vertieften Zellen in einem vorgegebenen Muster eingeätzt wird, wobei die Zellen die maximal erforderliche Drucktiefe aufweisen, und daß die Zellen mit einem weichen Material gefüllt werden, das gehärtet wird, bevor der Abtastvorgang stattfindet.
5· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial der Zellen in der Nähe der Wände der Zellen härter ist als in den Zentren der Zellen, so daß die nach dem Abtasten durch den Laserstrahl verbleibenden Druckfarbenzellen entsprechend der Strahlenergie des Abtastflecks sowohl der Fläche nach als auch der Tiefe nach veränderlich sind.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens naoh Anspruch 1, mit einem Bildanalysatorkopf und einem Wiedergabekopf, einem relativ zum Bildanalysatorkopf drehbar gelagerten Bildzylinder, dessen zylindrische Oberfläche zur Aufnahme des Bildes dient, einem Druckformzylinder, Antriebsmitteln zur Erzielung einer relativen Längsbewegung des Analysator- bzw. Wiedergabekopfes in bezug auf den Bildzylinder und den Druckformzylinder, so daß, die bildtragende Oberfläche des Bildzylinders und die Ober-
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fläche des Druckforrazylinders von dem Bildanalyse tor- bzw.
Wiedergabekopf durch eine kombinierte Dreh- und Längsbewegung [
• abgetastet werden können, wobei der Analysatorkopf Signale
ι liefert, die den Augenblicks-Tonwerten der abgetasteten Bild- ;
flächenelemente entsprechen, einem Laser, einer im Wiedergabekopf vorgesehenen Einrichtung, die vom Laser kommendes Lieht j auf die Oberfläche des Druekformzylinders lenkt, einer im Weg des vom Laser abgegebenen Lichts wirksamen Modulationseinrichtung, und einer Modulationssteuereinrichtung, die die Modula- ; tionselnrichtung entsprechend dem Ausgangssignal des Analyse- !
torkopfes steuert, um den Laserstrahl entsprechend der Dichte j der abgetasteten Bildelemente zu steuern, dadurch gekennzeich- j net, daß der Druckformzylinder (22) eine Oberfläche aufweist, ι in der Zellen (11) ausgebildet sind, und daß die zellen alt
einem Material (12) gefüllt sind, das von dem Laserstrahl (52) leichter entfernt wird als das Material des Druckformzylinders j (22).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Modulationseinrichtung einen stationären Spiegel (56), ein
mit einem beweglichen Spiegel (54) versehenes Hochfrequenzöalvanometer und Mittel aufweist, durch die der Laserstrahl
(52) auf den Spiegel (54) des Hochfrequenz-Galvanometers und
den*oh auf einen Randteil des stationären Siegels (56) gelenkt wird, so d«g ein Teil des Lichts am stationären Spiegel
e
vorbeigeht und der Best vom stationären Spiegel auffangen wir<f,
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Ml f «
und daß die Erregung des Galvanometers eine Funktion des Ausgangssignals des Analysatorkopfes (36) ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung ein Interfero-meter aufweist, dessen sich bewegende reflektierende Oberfläche av einem Element angebracht 1st, das als Funktion des Ausgangssignals des Analysatorkopfes bewegbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sieh bewegende reflektierende Oberfläche auf einem magnetostriktiven Element angebracht ist, und daß das magnetbstriktive Element einem magnetischen Feld ausgesetzt ist, das von einem sich mit dem Ausgangssignal des Analysatorkopfes verändernden Strom erzeugt wird.
8. Verrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sich bewegende reflektierende Oberfläche auf einer Platte aus elektrostrlktivem Material angebracht ist« und daß die Platte einem elektrischen Feld ausgesetzt ist, das sich mit dem Ausgansssignal des'Analysatorkopfes verändert.
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