Контроль вязкости: современные методики

Дмитрий Тараненко, издательство «Курсив»

Растущие требования к качеству во флексографии вынуждают использовать все новые и новые методики контроля. Стабильность процесса печати в целом зависит от стабилизации всех его компонентов. Важно не только достичь высокого уровня качества - важно его удержать. Именно для этого типографии обзаводятся спектрофотометрами, денситометрами, pH-метрами, вискозиметрами и пытаются использовать новые формные пластины. Хотя до окончательной стандартизации во флексографии еще далеко, уже сейчас понятно, что флексографские краски - основной ключ к качеству печати. Для оценки и контроля свойств спиртовых и водных красок придумали много параметров, но оценка вязкости уже давно занимает важное место во всем флексографском процессе.

Почему измерение вязкости так важно? Прежде всего, потому, что даже незначительное отклонение от нормы в процессе печати тиража может вызвать заметное изменение цвета на оттиске. Кроме того, при изменении вязкости в большую сторону расход краски значительно увеличивается, что невыгодно по экономическим соображениям и часто приводит к увеличению времени высыхания и закрепления красочного слоя. Чем ниже вязкость, тем больше разбрызгивание краски в зоне контакта дукторного вала и, что еще более неприятно, быстрее загрязняется печатная форма, так как краска легче заполняет пробельные элементы.

Изменение вязкости происходит не только по недосмотру печатника - оно также обусловлено механизмом переноса, циркуляции краски и испарением растворителя. Циркуляция краски в красочном аппарате и изменение ее температуры вызывает в конечном итоге повышение вязкости, что в свою очередь делает непредсказуемым растискивание - и весь процесс калибровки теряет смысл. Увеличение вязкости снижает глянец и укрывистость красочного слоя на оттиске и может послужить причиной засыхания краски прямо на печатной форме.

Управление красками - важный этап в достижении качества и, что немаловажно - достижения дополнительной прибыли. Существует много систем измерения вязкости - но некоторые приносят реальную пользу только в одних условиях, а при использовании других требуются столь значительные затраты времени, что сводит на нет все усилия, направленные на стандартизацию производства.

Уже давно используются различные ручные вискозиметры, где основным принципом работы является отсчет времени, за которое заданный объем краски вытечет через отверстие. Подходит ли такой метод для современных высокоскоростных флексографских машин? Думаю, отрицательный ответ напрашивается сам собой. Если учесть, что скорость печати достигает 600 об/мин, то пока печатник делает измерения, расход краски, по сравнению с оптимальным, может увеличиться на 10, а то и 20%! По данным Brookfield Engineering Laboratories, изменение вязкости всего на 1 с может увеличить расход краски на 25%. Такое изменение обусловлено тесной связью расхода краски, вязкости и уровня pH. И каждый раз для коррекции используются соответствующие добавки. Это является одной из причин непредсказуемого изменения цвета и уменьшения оптической плотности. А если учесть, что контролировать вязкость необходимо непрерывно, а не раз в 30 мин, как это обычно происходит, то возникает очевидный вопрос: а есть ли решение у этой проблемы?

Использование ручных вискозиметров-воронок

Это традиционный подход, не требующий больших затрат. Некоторые типографии вполне удовлетворены качеством таких измерений и навряд ли станут использовать другие системы. Но большинство рано или поздно сталкивается с некоторыми проблемами, присущими именно этому способу. Следует понимать, что ответственность за измерения таким способом лежит целиком на печатнике. Добросовестный печатник должен делать замеры не менее чем раз в 10 мин. Но в дело вступает человеческий фактор - напряженная работа вполне может отвлечь от них. Кроме простоты измерений, метод обладает и серьезными недостатками:

• в мире насчитывается более 50 разновидностей воронок, обладающих разным объемом, геометрией и площадью отверстия. Таким образом, при измерении всегда необходимо делать поправку на конкретную воронку и при уточнении у поставщика красок оптимальной вязкости в секундах не забывать спрашивать еще и о воронке, на которой это было измерено. Простой пример: изменение вязкости с 16 до 19 с, замеренное на воронке Shell №2, будет соответствовать изменению с 20 до 29 с на воронке Zahn. Иногда наиболее продвинутые поставщики указывают рабочую вязкость в сантипуазах (сП) или в сантистоксах (сСт), тогда для перевода в секунды истечения краски из конкретной воронки можно воспользоваться специальными графиками;
  
  
• далеко не все типы воронок позволяют достоверно и недвусмысленно определить время истечения. Если проделать небольшой эксперимент и попросить разных печатников с одинаковыми воронками измерить вязкость одной и той же жидкости, то, как это ни странно, результат окажется разным у всех. Каждый профессионал имеет свое понимание начала и конца отсчета измерения. Безусловно, можно воспользоваться методом параллельных измерений и усреднять несколько значений, но будет ли польза от затраченного на это времени?
  
  
• каждая воронка имеет свой диапазон измерения вязкости. Большинство производителей воронок склоняются в пользу того, чтобы измеренное время было больше 20 с. То есть каждому типу жидкостей соответствует своя величина и форма отверстия. На практике же печатники для большей скорости измерения пользуются воронками, дающими результат в 10–15 с. При таком времени истечения и так невысокая точность измерений падает на несколько десятков процентов!

Один из самых простых и недорогих автоматических вискозиметров - Color Control Super Digital производства Flexologic

Самые распространенные за рубежом воронки - Shell и Zahn. Кроме них, в нашей стране традиционно используются отечественные ВЗ-234.

Современные системы

Если все-таки точности измерения вышеописанным методом не хватает, возникают проблемы со стабильностью качества или вообще невозможно применение воронок, выход один - применение автоматических систем контроля вязкости.

Решений в этой области предлагается очень много, и они охватывают все типы красок и лаков. Как правило, подобные системы устанавливаются на вместительные емкости для измеряемой жидкости и требуют достаточно длительных пробных тиражей для настройки и калибровки.

Такой контроль наиболее предпочтителен, так как он происходит непрерывно в реальном времени и дает достаточно точные результаты. При выборе таких систем покупателям можно рекомендовать основывать выбор на нескольких критериях:

• наличие дополнительных функций, таких как контроль уровня pH, температуры, уровня заполнения красочного резервуара. Это позволит сэкономить значительные средства, тем более что большинство стандартных систем автоматического измерения вязкости включают в себя подобные датчики;
  
  
• простота настройки аппарата - печатник не должен каждый раз обращаться к инструкции, чтобы внести небольшую корректировку. Это сэкономит значительное время и нервы всему персоналу типографии;
  
  
• несколько видов представления результатов. Намного удобнее и быстрее получать данные сразу в нужных единицах измерения, будь то секунды, сП или сСт. Более того, если данные представляются в секундах, приведенных для уже давно используемого в типографии вискозиметра-воронки, это значительно облегчит печатникам переход на новое оборудование;
  
  
• простота установки. Конечно, лучше, если установку устанавливает сервисный специалист, проводящий к тому же еще и инструктаж персонала. Но на самом деле чаще наблюдается противоположная картина: экономя на вызове специалиста, многие пытаются доверить эту работу штатному технологу. Поэтому, чтобы избежать трудностей в настройке, наладке и установке, следует заранее озаботится такими вопросами, как, например, обязательное наличие источника питания 110 В;
  
  
• объем дальнейшего сервисного обслуживания и профилактики. Некоторые системы требуют довольно частой очистки составных частей для того, чтобы обеспечить заданную точность. Чем больше времени на простой, тем менее экономически выгодным выглядит конкретное решение;
  
  
• выбор должен производится с учетом конкретного печатного оборудования. Во внимание должна приниматься вибрация печатной машины, если это встроенная система. Кроме того, немаловажным является и размещение приборов - соблюдение рекомендованных климатических условий еще никому не мешало;
  
  
• диапазон измеряемой вязкости и точность измерений. При покупке стоит задумываться не только о применении системы к уже используемым жидкостям, но и согласовать с дальнейшими планами развития предприятия. С точностью же все ясно - чем точнее, тем лучше, но лишь бы не в ущерб производительности;
  
  
• производительность. Чем чаще делаются замеры, тем более точно и своевременно можно отреагировать на изменения вязкости и внести соответствующие поправки в процесс;
  
  
• соответствие международным стандартам (ISO 25554 или ASTM). Это обеспечит надежность и достоверность результатов;
  
  
• управление клапаном автоматического введения добавок и растворителей: время открытия, минимальный и максимальный объем добавки. Если принять во внимание, что при введении растворителя проходит еще какое-то время на его распределение по объему краски, то становится ясно, что наличие таких регулировок дает возможность более полно управлять процессом.

Ниже мы рассмотрим наиболее распространенные системы.

Система падающего тела

Самоочищающийся сенсор на основе падающего тела (Flexologic)

Этот метод уже давно применяется в полиграфии. Изобретатель этого принципа - Остин Норкросс, основатель одного из самых известных производителей вискозиметров - компании Norcross. Время падения тела в жидкости тесно связано с ее вязкостью, поэтому, зная характеристики падающего тела и время прохождения им определенного расстояния через жидкость, можно достаточно точно определить вязкость (для сравнения: автоматическая система измерения вязкости на основе падающего тела может вычислять вязкость с точностью до 0,2 с по воронке Zahn). Можно сказать, что система использует для измерений силу земного притяжения, - так как величина земного притяжения постоянна, можно измерять только время падения. Такие сенсоры устанавливаются в системах с отводом краски (или как их еще называют, байпасами), подаваемой под небольшим напором в модуль измерения. Производительность - обычно два–три замера в минуту.

Есть несколько особенностей применения таких систем:

• сенсоры необходимо регулярно и, что самое главное, правильно очищать. Лучше всего, если система обладает функциями автоматической самоочистки, что позволит проводить ее одновременно с очисткой печатной машины. Нередко предлагаются полуавтоматические методы очистки - при этом оборудование вручную разбирают и последовательно промывают - от трубок и насоса до датчиков вязкости.
  
  
• необходим определенный объем краски и подходящее давление потока краски для заполнения измерительной емкости.

Для достижения максимальной точности измерения такие системы должны пройти своего рода акклиматизацию, то есть перед началом измерений необходимо «успокоить» систему. При выборе системы, работающей на таком принципе, надо обратить внимание, чтобы диапазон измерения вязкости был наибольшим без замены измерительного тела, то есть без какой либо сборки/разборки модуля.

Производители: Norcross, opti-color Mess- und Regelanlagen, New Celio Engineering, Flexologic.

Ротационные вискозиметры

Они достаточно распространены - по некоторым данным, из всех установленных систем контроля вязкости до 80% - именно ротационные вискозиметры. Их можно использовать как напрямую в резервуарах с краской, так и в системах с отводом краски для измерения. Размещение - строго вертикальное. Мы уже писали о принципах работы таких устройств (см. «Флексо Плюс» №4-2002), но вкратце опишем основные принципы работы.

Ротационный вискозиметр состоит из трех основных частей: электродвигателя, вращающего верхнюю ось, и насадки, соединенной спиральной пружиной с вращающейся осью. При погружении работающего вискозиметра в жидкость из-за разности формы насадки и оси между ними возникает смещение. Это смещение напрямую зависит от сопротивления среды, а значит, и от вязкости.

Ротационный вискозиметр полного погружения, производимый немецкой компанией Opti-color

Следует понимать, что если прибор используется для измерения напрямую в емкости с краской, то полученные значения будут зависеть от уровня ее заполнения. О качестве вискозиметра говорит то, что значения, полученные при минимальном уровне, мало отличаются от полученных при максимальном.

Если же в типографии используются красочные резервуары большого объема или, например, из емкости должна быть выведена вся краска, то используют решения с отводом краски - вискозиметр помещают в отдельную емкость. В эту емкость подается краска из резервуара. Чаще всего для удобства подобную систему размещают наверху основного красочного резервуара.

Ротационные вискозиметры могут быть использованы, даже если краска загрязнена, и в ней находятся крупные частицы. В этом случае немного уменьшается лишь точность измерения. Если же говорить о чистых растворах, то возможная неточность на сегодняшний день составляет всего 1%. Отдельно стоит остановиться и на вопросе калибровки вискозиметров. Это необходимая процедура для достижения высокой точности измерений. Суть достаточно проста - измеряются одна или несколько специальных жидкостей с уже известной вязкостью, после чего полученное значение используется для калибрации.

Одно преимущество подобных систем - очень большой диапазон измерений. Гибкое управление осуществляется изменением скорости вращения, что обеспечивает измерение вязкости без дополнительной замены насадок.

Самые известные представители: Brookfield, Rheotest, Flexologic.

Принципиальная схема электромагнитных вискози - метров компании Cambridge Applied Systems

Электромагнитные сенсоры

Неплохим решением является установка несложного датчика для контроля вязкости прямо в систему подачи краски. Применение в этом случае ротационных вискозиметров возможно, но не всегда оправдано. В этом случае рекомендуется установка электромагнитного сенсора сразу после красочного насоса, что обеспечивает высокую точность и своевременность измерений.

При чистке таких систем нет необходимости затрачивать дополнительные усилия на демонтаж и разбор модуля. Очистка производится вместе с красочным аппаратом. Для этого часто используются специальные растворы.

Одним из примеров такого сенсора могут служить поршневые вискозиметры фирмы Cambridge Applied Systems. И хотя своим устройством они могут показаться очень похожими на системы с падающим телом, однако это не так. Основой служат две электромагнитные катушки и стальной поршень, перемещающийся в заполненной краской небольшой полости. Объем краски постоянно обновляется специальной нагнетательной системой. Принцип заключается в попеременном активировании катушек, что вызывает изменение электромагнитного поля. При активации нижней катушки поршень притягивается к ней, вторая же катушка служит в этот момент датчиком движения, замеряя скорость прохождения поршня. Как только поршень дошел до конца, происходит противоположный процесс: верхняя катушка тянет поршень вверх, а нижняя замеряет скорость. Вполне понятно, что скорость движения поршня зависит от вязкости жидкости - чем она больше, тем медленнее он движется. В качестве результата используется среднее время перемещения поршня вверх и вниз, что обеспечивает отклонение результатов не более 1%.

Плюсом такой системы является ее абсолютная независимость от вибрации и ориентации в пространстве. Быстродействие - 6–12 измерений в минуту. Кроме того, измерительный модуль может быть оснащен еще и датчиком температуры.

Другие типы систем

Новый вибрационный сенсор AST-100 (Brookfield)

В промышленности применяется достаточно много других типов вискозиметров - капиллярные, кориолисовы, вибрационные и др. Однако во флексографии, пожалуй, может быть применен только один из этих типов - вибрационный. Устройства подобного рода основаны на принципе измерения затухания осцилляции сенсора, напрямую зависящего от вязкости исследуемой жидкости. Основное назначение таких приборов - применение в лабораториях, однако существуют и модификации, ориентированные на производственные условия. К достоинствам прибора относится большой диапазон измерений и возможность проводить их непрерывно. В качестве примера можно привести работающий на частоте вибрации 30 Гц вискозиметр CJV 5000, разработанный компанией A&D. Высококачественные вискозиметры, построенные на таком принципе, также выпускает компания Nametre.

Однако существуют ограничения, заложенные в конструкции подобных устройств: чувствительность к внешней вибрации, что ставит под вопрос достоверность измерений, полученных на реальном производстве.

Как устанавливаются такие системы?

На первом этапе развития подобных устройств предлагался только один вариант установки: вискозиметры подключались автономно, и печатник должен был вручную отслеживать показания и при необходимости использовать добавки. Процесс достаточно трудоемкий, а результаты зависят от опыта.

На смену подобным системам пришли автоматические, участие человека в которых минимально. Система сама принимает решение о введении добавок на основе показаний датчиков. При необходимости возможно непосредственное вмешательство печатника.

Следующее поколение систем позволяет объединить множество датчиков и модулей в единую сеть. Причем сбор и обработка информации со всех устройств может происходить как на автономных панелях управления, так и на персональных компьютерах. Преимущество подобного подхода очевидно - все процессы управляются из одного места с использованием современного программного обеспечения. Изменение настроек любой из машин занимает еще меньше времени и даже не требует появления технолога в печатном цехе. А главное преимущество заключается в статистическом анализе информации о процессе печати тиража. Это позволяет сделать правильные выводы и достичь значительной экономии краски, а также обеспечить стабильный уровень качества. Любой сбой при такой системе протоколирования вычисляется достаточно легко. Кроме того, требования к компьютеру для управления невелики: наличие порта RS-232, операционная система Windows 98 или 2000, процессор - начиная от обычного Pentium-II.

Подобных анализирующих систем много, и мы перечислим лишь некоторые из них: WinVisc (от Norcross), Opti-color 5000 (от opti-color Mess- und Regelanlagen), много решений для сбора и обработки показаний вискозиметров поставляет Brookfield.

Как выбирать?

Безусловно, прежде всего необходимо исходить из требований к печатной продукции, предъявляемых типографией. Если же говорить о необходимости достижения максимального качества, то рациональной будет установка вискозиметров даже на тихоходные узкорулонные машины. Правда, в этом случае на дорогие модели разоряться не стоит - подойдет самая доступная по стоимости модель. Кроме того, перед покупкой необходимо проанализировать экономическую эффективность выбираемых систем контроля вязкости. Большинство печатников утверждает, что внедрение системы автоматического контроля вязкости позволило сэкономить в среднем 15% краски. Еще один плюс - уменьшение количества остановок для смывки и очистки печатной формы.

Автоматизированный комплекс контроля за вязкостью C.V.S. MK II. Выпускается компанией Flexologic

Дать конкретные советы по выбору модели в рамках статьи не представляется возможным из-за сложности и многогранности факторов, однако стоит еще раз упомянуть, что подавляющая часть вискозиметров, установленных по всему миру на флексографских предприятиях, - ротационные. Очень перспективны вискозиметры, основанные на электромагнитном принципе.

Если брак из-за недостаточного контроля за красками возникает часто, а требования к продукции достаточно жесткие, то наилучшим решением будет установка автоматической системы контроля вязкости. А если типография оснащена несколькими печатными машинами и выпускает широкий ассортимент продукции с часто повторяющимися заказами - функция статистической обработки может стать весьма эффективным вложением денег.

Отдельного рассмотрения заслуживает вариант с покупкой машины, уже оснащенной системой контроля вязкости. Многие фирмы предлагают опциональную установку таких систем (например, на широкорулонных машинах компании RMF). При такой покупке в основном надо руководствоваться заявленной точностью измерений и удобством использования. Существует и другой вариант - покупка оборудования, бывшего в употреблении (обычно объявления о продаже подержанных флексографских машин пестрят надписями line-in viscosity control). Тут надо подходить разумно - обязательно узнать, насколько давно была установлена система контроля и насколько интенсивно она использовалась, а также действуют ли еще гарантийные обязательства разработчика. Это достаточно важный момент, так как речь может идти о многих тысячах долларов.