DE10036995A1 - Verfahren zum Gravieren einer Druckform mit Laserstrahl - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Gravieren einer Druckform mit einem Laserstrahl beschrieben, bei dem auf die Oberfläche der Druckform eine absorbierende Schicht aufgebracht wird, deren Absorption für das Laserlicht höher ist als die Absorption des Druckformmaterials. Dadurch wird die für das Schmelzen oder Verdampfen des Druckformmaterials benötigte Laserleistung herabgesetzt. Die absorbierende Schicht kann durch chemische Veränderung der Oberfläche der Druckform erzeugt werden, durch galvanische Abscheidung oder durch ein mechanisches Verfahren wie Aufdampfen, Aufsprühen, Aufschmelzen oder Lackieren. Zusätzlich kann die Absorption der Oberfläche der Druckform durch Aufrauhen des Druckformmaterials oder der absorbierenden Schicht erhöht werden. Das Verfahren wird vorzugsweise zum Gravieren von Tiefdruckformen mit einer Kupferoberfläche eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gravieren einer Druckform mit einem Laser­ strahl, beispielsweise für Tiefdruck, Offsetdruck, Hochdruck, Siebdruck oder Fle­ xodruck. Bei der Herstellung von Druckformen ist es erforderlich, sehr feine Strukturen auf der Oberfläche der Druckform zu erzeugen, da hochaufgelöste Bildinformationen wie Text, Rasterbilder, Grafiken (Linework) und Linienmuster wiedergegeben werden sollen.

Nach dem Stand der Technik bekannte Gravierverfahren zur direkten Gravur von Tief­ druckformen arbeiten entweder mit einem Diamantstichel, einem Elektronenstrahl oder einem Laserstrahl, um Vertiefungen - sogenannte Näpfchen -, die jeweils einen Rast­ erpunkt bilden, aus dem Druckformmaterial herauszuarbeiten. Im Tiefdruck werden normalerweise als Druckformen Druckzylinder verwendet, deren Oberfläche aus Kup­ fer besteht, in die die für den Druck erforderlichen Strukturen in Form von Näpfchen mittels eines Diamantstichels in den Druckzylinder eingraviert werden. Die Druckzylin­ der werden nach ihrer Fertigstellung in eine Druckmaschine eingebracht, in der die Näpfchen mit Druckfarbe gefüllt werden und die Druckfarbe beim Druckprozeß auf den Bedruckstoff übertragen wird.

Man verwendet Kupferzylinder wegen ihrer langen Standzeit im Druckprozeß. Eine lange Standzeit ist bei hohen Auflagen erforderlich, insbesondere im Magazindruck oder Verpackungsdruck, da beim Druckprozeß die Oberfläche der Druckform ver­ schleißt. Um die Standzeit noch weiter zu verlängern, werden die Druckzylinder nach der Gravur auch noch galvanisch verchromt. Hieraus ergibt sich, daß Kupfer als Mate­ rial für die Oberfläche von Tiefdruckzylindern am geeignetsten ist. Andere Materialien als Kupfer haben sich bisher für hohe Auflagen nicht bewährt.

Bei der Erzeugung der Näpfchen schneidet der Diamantstichel entlang einer Umfangs­ linie Vertiefungen in den rotierenden Druckzylinder, während sich das Graviersystem in Achsrichtung entlang des Druckzylinders bewegt. Die Hubbewegung des Diamantsti­ chels erfolgt über ein elektromechanisch angetriebenes Magnetsystem mit einem os­ zillierenden Anker, auf dem der Diamantstichel befestigt ist. Ein solches elektromecha­ nisches Schwingungssystem kann wegen der aufzubringenden Kräfte, die zum Gravie­ ren der Näpfchen erforderlich sind, nicht beliebig schnell gemacht werden. Um die Graviergeschwindigkeit noch weiter zu steigern, sind bei den heutigen Graviermaschi­ nen mehrere solcher Graviersysteme nebeneinander in Achsrichtung des Druckzylin­ ders angeordnet. Beim Einsatz mehrerer Graviersysteme werden in die Oberfläche des Druckzylinders gleichzeitig mehrere sogenannte Stränge eingraviert. Ein solcher Strang enthält z. B. eine oder mehrere ganze Magazinseiten. Ein dabei auftretendes Problem ist, daß in den einzelnen Strängen wegen der verschiedenen Graviersysteme, die unabhängig voneinander angesteuert werden, bei gleichem zu gravierenden Ton­ wert Näpfchen unterschiedlicher Volumina erzeugt werden, was zu Unterschieden in den einzelnen Strängen führt, die das Auge beim späteren Betrachten erkennt. Aus diesem Grund wird z. B. beim Verpackungsdruck nur mit einem Graviersystem gear­ beitet, damit diese Fehler, die im Magazindruck toleriert werden, nicht auftreten.

Bei der Gravur der Näpfchen wird das Näpfchenvolumen abhängig vom Bildinhalt der zu druckenden Vorlage variiert. Hierbei soll der jeweilige Tonwert der Vorlage beim Druck möglichst genau wiedergegeben werden. Um die entsprechenden Volumina zu erzeugen, wird die Eindringtiefe des Diamantstichels in die Kupferoberfläche durch die Ansteuerung des Magnetsystems variiert, wobei sich die Geometrie der Näpfchen et­ wa zwischen 120 µm Durchmesser bei einer Tiefe von 40 µm und etwa 30 µm Durch­ messer bei einer Tiefe von 3 µm ändert. Weil nur ein sehr kleiner Variationsbereich in der Tiefe der Näpfchen zwischen 40 µm und 3 µm zur Verfügung steht, muß die Ein­ dringtiefe des Stichels, mit dem die Näpfchen graviert werden, mit sehr hoher Präzisi­ on gesteuert werden, um den gewünschten Tonwertumfang reproduzierbar zu errei­ chen. Da die Geometrie der gravierten Näpfchen direkt von der Form des Stichels ab­ hängt, werden außerdem noch sehr hohe Anforderungen an die Geometrie des Dia­ mantstichels gestellt. Außerdem unterliegt der Diamantstichel einem Verschleiß, da bei der Gravur eines großen Druckzylinders ca. 20 Millionen Näpfchen von einem Stichel graviert werden müssen. Bricht während der Gravur eines Druckzylinders einer der Di­ amantstichel ab, so ist der ganze Druckzylinder unbrauchbar, was einerseits einen er­ heblichen finanziellen Schaden anrichtet und zum anderen einen beträchtlichen Zeit­ verlust darstellt, da ein neuer Zylinder graviert werden muß und der Druckbeginn um Stunden hinausgeschoben wird.

Die gravierten Näpfchen, die später die Druckfarbe aufnehmen sollen, sind entspre­ chend dem Druckraster auf der Oberfläche der Druckform angeordnet, wobei für jede Druckfarbe ein separater Druckzylinder hergestellt wird, der jeweils ein anderes Raster mit unterschiedlichem Winkel und unterschiedlicher Rasterweite erhält. Bei diesen Rastern verbleiben zwischen den einzelnen Näpfchen schmale Stege, die beim Druck in der Druckmaschine das Rakelmesser tragen, das die überflüssige Farbe nach dem Einfärben abrakelt. Bedingt durch die Einschränkung, daß die Näpfchen nur entlang einer Umfangslinie graviert werden können, steht für die Raster auch nur eine be­ schränkte Auswahl an Rasterwinkeln zur Verfügung. Ein weiterer Nachteil der Be­ triebsweise der elektromechanischen Gravur ist, daß auch Texte und Linien gerastert wiedergegeben werden müssen, was zu Vertreppungen der Konturen der Schriftzei­ chen und der Linien führt, die das Auge als störend erkennt. Dies ist ein Nachteil des Tiefdrucks gegenüber dem Offsetdruck, bei dem diese Vertreppung so klein gehalten werden kann, daß die Konturen von Schriftzeichen und Linien dem Auge vollkommen glatt erscheinen.

Ebenso können bei der Tiefdruckgravur bedingt durch die mechanische Randbedin­ gung in der Graviermaschine, daß die Näpfchen nur entlang einer Umfangslinie gra­ viert werden können, keine frequenzmodulierten Raster erzeugt werden, bei denen die Größe und die Position der Näpfchen dem Tonwert entsprechend zufällig verteilt wird. Solche frequenzmodulierten Raster hätten den Vorteil einer verbesserten Bild­ qualität, weil Details schärfer wiedergegeben werden können und weil kein Moire zwi­ schen den Grundfarben des Drucks auftreten kann.

Alles in allem ist die elektromechanische Gravur gut geeignet, um Tiefdruckzylinder hoher Qualität herzustellen. Sie hat aber doch eine Reihe von Schwachpunkten und ist sehr aufwendig. Man würde diese Nachteile gerne durch ein anderes Gravierverfahren eliminieren, das nicht mit den Einschränkungen der elektromechanischen Gravur ar­ beitet.

Weiterhin ist es bekannt, zur Erzeugung der Näpfchen das in der Materialbearbeitung angewendete Elektronenstrahlgravierverfahren einzusetzen, das wegen der hohen Energie des Elektronenstrahls und der Präzision bezüglich Strahlablenkung und Strahl­ geometrie sehr gute Resultate gezeigt hat. Dieses Verfahren ist in der Druckschrift "Schnelles Elektronenstrahlgravierverfahren zur Gravur von Metallzylindern", Optik 77, No. 2 (1987) Seiten 83-92, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart, be­ schrieben. Wegen des sehr hohen Aufwandes, der für die Hardware und Elektronik erforderlich ist, wurde die Elektronenstrahlgravur in der Praxis bisher nicht für die Gra­ vur von Kupferzylindern für den Tiefdruck eingesetzt, sondern nur in der Stahlindustrie zur Oberflächengravur von sogenannten Texturwalzen für die Blechherstellung, mit denen Texturen in die Bleche gewalzt werden.

In der Fachliteratur und auch in der Patentliteratur ist wiederholt vorgeschlagen wor­ den, die Kupferzylinder mittels Laser zu gravieren. Da Kupfer aber für Laserstrahlung ein sehr guter Reflektor ist, sind sehr hohe Leistungen und insbesondere sehr hohe Leistungsdichten der Laser erforderlich, um in das Kupfer einzudringen und es aufzu­ schmelzen bzw. zu verdampfen. Es gibt bisher keine Lasergraviereinheit mit Laser­ strahlungsquellen entsprechend hoher Leistungsdichte und Energie, mit der es gelingt, die Kupferzylinder für den Tiefdruck mit der geforderten Näpfchenstruktur in der Kup­ feroberfläche zu versehen.

Man hat trotzdem versucht, Laser für die Tiefdruckgravur einzusetzen, indem man auf andere Materialien als Kupfer ausgewichen ist. So ist z. B. in der Druckschrift DE-A-19 27 323 vorgeschlagen worden, Kupferzylinder mittels chemischer Ätzung so vorzube­ reiten, daß die Oberfläche des Kupferzylinders bereits Näpfchen aufweist, die ein Vo­ lumen haben, das der maximalen Druckdichte entspricht. Diese Näpfchen werden mit einem festen Füllmaterial z. B. Kunststoff gefüllt. Mittels eines Lasers wird dann von dem Füllmaterial soviel entfernt, bis das gewünschte Näpfchenvolumen erreicht ist. Dieses Verfahren kommt zwar mit geringerer Laserleistung aus, als nötig wäre, um das Kupfer wie bei der Elektronenstrahlgravur aufzuschmelzen und zu verdampfen. Bei diesem Verfahren wird aber im Druckprozeß der verbleibende Kunststoff vom Lö­ sungsmittel der Druckfarbe angegriffen und zersetzt, so daß nur eine geringe Druck­ auflage möglich ist. Dieses Verfahren hat sich in der Praxis nicht bewährt und ist nicht zum Einsatz gekommen.

Es ist weiterhin in der Druckschrift der VDD Seminarreihe "Direktes Lasergravierver­ fahren für metallbeschichtete Tiefdruckzylinder", herausgegeben im Rahmen eines "Kolloquium vom Verein Deutscher Druckingenieure e.V. und dem Fachgebiet Druck­ maschinen und Druckverfahren, Fachbereich Maschinenbau, Technische Hochschule Darmstadt", von Dr. phil. nat. Jakob Frauchiger, MDC Max Dätwyler, AG, Darmstadt, 12. Dez. 1996, vorgeschlagen worden, mit Zink beschichtete Tiefdruckzylinder durch einen mit Bogenlampen gepumpten, gütegeschalteten Nd : YAG Hochleistungs- Festkörperlaser zu gravieren. Bei diesem Verfahren wird das Volumen der Näpfchen durch die optische Leistung des Lasers bestimmt.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die zum Pumpen des Lasers erforderlichen Bogenlampen eine relativ kurze Lebensdauer haben und nach ca. 500 Betriebsstun­ den ersetzt werden müssen. Beim einem Ausfall der Pumplichtquelle während der Gravur wird der Gravierzylinder unbrauchbar. Dies entspricht einem Ausfall des Dia­ mantstichels bei der elektromechanischen Gravur und hat die gleichen Nachteile zur Folge.

Ein entscheidender Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß Zink wesent­ lich weicher als Kupfer ist und als Oberflächenmaterial für Druckzylinder nicht geeignet ist. Da das Rakelmesser, mit dem vor dem Druck in der Druckmaschine die über­ schüssige Farbe abgerakelt wird, ein Stahlmesser ist, wird die Zinkoberfläche nach ei­ ner gewissen Zeit beschädigt und der Druckzylinder wird unbrauchbar. Ein Druckzylin­ der mit einer Oberfläche aus Zink erreicht daher nicht annähernd eine so lange Stand­ zeit im Druck, wie ein Druckzylinder mit einer Oberfläche aus Kupfer. Druckformen mit Zinkoberfläche sind deshalb nicht für hohe Auflagen geeignet.

Auch wenn man, wie weiterhin vorgeschlagen wurde, die Zinkoberfläche nach der Gravur verchromt, um die Standzeit zu erhöhen, kommt die Standfestigkeit den nor­ malen Kupferzylindern nicht nahe. Chrom haftet auf Zink nicht so gut, wie auf Kupfer und das sog. "Heißverchromen", das bei Kupferzylindern mit Erfolg angewendet wird, um eine optimale Haftung des Chroms auf dem Kupfer zu erreichen, ist bei Zink nicht möglich, da das Zink hierbei schmelzen würde. Da die Chromschicht nicht sehr gut auf dem Zink haftet, wird sie ebenfalls vom Rakelmesser angegriffen, was zu einem relativ frühen Ausfall der Druckzylinder führt. Werden dagegen Kupferzylinder nach diesem Verfahren verchromt, so sind extrem hohe Auflagen möglich, da das Chrom fest auf der Kupferoberfläche haftet, so daß diese Kupferzylinder die verchromten Zinkzylinder bei weitem übertreffen.

Aus der Druckschrift EP-B-0 473 973, die ebenfalls das im vorangehenden beschrie­ bene Verfahren betrifft, geht hervor, daß bei diesem Verfahren zum Ausheben eines Näpfchens mit einem Durchmesser von 120 µm und einer Tiefe von 30 µm bei Zink ei­ ne Energie von 6 mWsec erforderlich ist. Für Kupfer wird in dieser Druckschrift eine E­ nergie von 165 mWsec angegeben, was einen Faktor von 27,5 bei der erforderlichen Laserleistung ausmacht. Damit werden Laser mit einer Dauerstrichleistung von einigen Kilowatt bei guter Strahlqualität erforderlich, um Näpfchen in Kupfer mit einer für die Druckindustrie annehmbaren Geschwindigkeit herzustellen. Eine solche Leistung kann aber mit der im vorangehenden beschriebenen Laseranordnung nicht erzeugt werden. Aus diesem Grunde ist es auch nur möglich, in eine Zinkoberfläche zu gravie­ ren.

Weiterhin wäre bei einer solchen Anordnung für die Gravur von Kupferzylindern ein aufwendiger Modulator erforderlich. Modulatoren für sehr hohe Laserleistungen sind langsam, was zu einer Verringerung der Modulationsfrequenz und damit der Gravier­ frequenz führt. Ist die Gravierfrequenz aber zu gering, diffundiert die Energie in die Umgebung des Bearbeitungsfleckes auf der Oberfläche, ohne ein Näpfchen auszuhe­ ben. Daher ist es erforderlich, neben der hohen Energie zum Ausheben auch eine ho­ he Leistung aufzubringen.

Will man die Vorteile der Kupferoberfläche nutzen und diese mit einem Laser gravie­ ren, ist es unabdingbar, die zum Eindringen in die Oberfläche des Kupfers erforderli­ che hohe Leistungsdichte und die zum Aufschmelzen bzw. Verdampfen des Kupfers erforderliche hohe Energie aufzubringen. Dies ist aber bisher mit einem Festkörperla­ ser nicht gelungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die beschriebenen Nachteile der Verfahren nach dem Stand der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zum Gravie­ ren von Druckformen - vorzugsweise von Kupferzylindern für den Tiefdruck - mit einem Laserstrahl anzugeben, das mit einer geringeren Leistungsdichte und Energie aus­ kommt und deshalb kostengünstig ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der An­ sprüche 1 bis 8 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Beobachtung, daß sich die Absorpti­ on der Kupferoberfläche für Lichtenergie stark erhöht, wenn ein Teil des Kupfers im Bearbeitungsfleck bereits verdampft ist. In der Druckschrift "Der Laser in der Druckin­ dustrie" von Werner Hülsbuch, Seite 540, Verlag W. Hülsbusch, Konstanz, ist be­ schrieben, daß es bei der Materialbearbeitung bei Leistungsdichten ab typisch 10⁷ bis 10⁸ W/cm² bei allen Materialien zu einer spontanen Verdampfung des Materials kommt, die mit einem sprunghaften Absorptionsanstieg verbunden ist, was besonders vorteilhaft ist, da dann anschließend die Laserleistung nicht mehr von der Metallober­ fläche reflektiert wird.

Das Ziel der Erfindung ist, das Einsetzen des Aufschmelzens bzw. der Verdampfung des Kupfers und den damit verbundenen Anstieg der Absorption schon bei wesentlich geringeren Leistungsdichten zu erreichen. Wenn die Absorption durch die einsetzende Verdampfung entsprechend erhöht ist, genügt die geringere Leistungsdichte auch zur Fortsetzung des Abtragungsprozesses, so daß weiteres Material aus der Kupferober­ fläche entfernt wird. Auf diese Weise wird es möglich, den Gravierprozeß aufrechtzu­ erhalten und Näpfchen mit variabler Tiefe in die Kupferoberfläche zu gravieren.

Die Herabsetzung der Leistungsdichteschwelle für das Einsetzen der Verdampfung wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, indem durch eine Vorbehand­ lung des Tiefdruckzylinders die Absorption der Kupferoberfläche erhöht wird. Vor­ zugsweise wird die Oberfläche in einer dünnen Schicht in eine chemische Kupferver­ bindung umgewandelt, die eine hohe Absorption für Laserlicht aufweist, beispielsweise in eine Kupferoxidschicht. Die chemische Umwandlung der Kupferoberfläche kann durch die Einwirkung von Säuren, Laugen oder Salzlösungen erreicht werden, wobei der Vorgang bei Bedarf durch Erwärmung oder auch durch Elektrolyse beschleunigt und intensiviert werden kann.

Nach einer alternativen Lösung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Kup­ feroberfläche eine dünne Schicht eines anderen Metalls mit höherer Absorption für das Laserlicht aufgebracht, vorzugsweise auf galvanischem Weg. Diese Metallschicht soll nicht wie bei den bekannten Verfahren so dick sein, daß die Näpfchen ausschließlich in dieses andere Metall graviert werden. Sie soll nur durch das Verdampfen dieser dünnen Schicht und die damit verbundene Erhöhung der Absorption die Leistungs­ schwelle für die Kupferverdampfung herabsetzen. Die eigentliche Gravur der Näpfchen erfolgt dann in der Kupferschicht.

Eine weitere Lösung zur Erhöhung der Absorption der Kupferoberfläche ist das me­ chanische Aufbringen einer dünnen gut absorbierenden Schicht, beispielsweise einer Kunststoffschicht. Dazu können Techniken wie Aufdampfen, Aufsprühen, Aufschmel­ zen oder Lackieren verwendet werden, gegebenenfalls unterstützt durch einen nach­ folgenden Einbrennvorgang. Auch hier soll die aufgebrachte Schicht nur die Einsatz­ schwelle für die Kupferverdampfung herabsetzen, so daß die eigentliche Gravur der Näpfchen dann in der Kupferschicht erfolgt.

Eine erhöhte Absorption der Kupferoberfläche kann schließlich auch durch eine Erhö­ hung der Rauhigkeit der Oberfläche erreicht werden, beispielsweise durch Ätzen der Oberfläche. Die Erhöhung der Rauhigkeit kann auch mit den zuvor genannten Lösun­ gen kombiniert werden, d. h. nach der Erzeugung bzw. dem Aufbringen der dünnen ab­ sorbierenden Schicht wird diese Schicht noch zusätzlich aufgerauht.

Claims (8)

1. Verfahren zum Gravieren einer Druckform mit einem Laserstrahl, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf die Oberfläche der Druckform eine absorbierende Schicht aufgebracht wird, deren Absorption für das Laserlicht höher ist als die Absorpti­ on des Druckformmaterials.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierende Schicht die für das Schmelzen oder Verdampfen des Druckformmaterials benö­ tigte Laserleistung herabsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbie­ rende Schicht durch chemische Veränderung der Oberfläche der Druckform er­ zeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbie­ rende Schicht durch galvanische Abscheidung erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbie­ rende Schicht durch ein mechanisches Verfahren wie Aufdampfen, Aufsprühen, Aufschmelzen oder Lackieren aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorption der Oberfläche der Druckform durch Aufrauhen des Druckformmate­ rials oder der absorbierenden Schicht erhöht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckform eine Tiefdruckform ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckformmaterial Kupfer ist.