[논문]그라비어 인쇄에서 속도와 압력변화에 따른 시뮬레이션에 관한 연구

박성준; 임수만; 윤종태

문제 정의

그라비어 인쇄의 메커니즘 해석에서 실험적인 방법과 이론적인 해석을 일치시키는데 그 목적을 두었다. 실험적인 방법을 위해 사용한 것은 인쇄적성 모사시스템 중 인쇄적성시험기(IGT)이고, 이론적인 해석을 위해 사용한 프로그램은 시뮬레이션(Polyflow)이다.
따라서 본 연구에서는 W. Kunz의 실험적인 방법과 J. M. BRethor와 H. Benkreir의 이론적인 연구 방법을 함께 수행하여 세운 가설이 일치하는 것을 알아보는 것에 그 목표로 두었다. 인쇄용지로 전이되는 잉크의 전이율과 상관관계가 있는 조건은 인쇄속도, 인쇄압력, 점도, 인쇄층, 잉크량 등이 있는데7)본 연구에서는 인쇄속도와 인쇄압력의 변화에 따른 잉크 전이량을 중점으로 연구하였다.
Benkreir의 이론적인 연구 방법을 함께 수행하여 세운 가설이 일치하는 것을 알아보는 것에 그 목표로 두었다. 인쇄용지로 전이되는 잉크의 전이율과 상관관계가 있는 조건은 인쇄속도, 인쇄압력, 점도, 인쇄층, 잉크량 등이 있는데7)본 연구에서는 인쇄속도와 인쇄압력의 변화에 따른 잉크 전이량을 중점으로 연구하였다.

가설 설정

8) 2-D는 CPU 시간을 줄이고 간략화 하여 계산을 할 수 있다. 또한 셀의 크기가 실린더의 크기에 비해 아주 작기 때문에 곡면 반경을 무시하였고 잉크가 종이에 완전히 부착되었다고 가정하고 수직으로 상승하는 모델을 채택하였다

제안 방법

Kunz의 경우 직접 그라비어 실린더를 제판하여 동일한 망점에서 셀의 모양에 따라 가장 효율적인 셀을 찾는 연구를 하였다.4) 또한 J. M. BRethor와 H. Benkreir는 컴퓨터 시뮬레이션 시스템을 이용하여 그라비어 셀 안의 잉크의 채워짐과(filling)를 빠짐 (emptying)을 동역학적인 유체의 유동으로 해석하였다.5),6)
IGT 인쇄적성시험기 G1-5의 독터 블레이드는 60º로 고정되어 있고 인쇄 속도와 압력은 Table 1과 같이 0.1 %부터 1.01%까지 5단계로 실험하였으며 인쇄압력은 100N부터 900N까지 5단계를 변화시켰다.
IGT 인쇄적성시험기 중 평면 피인쇄체의 그라비어 인쇄가 가능한 G1-5을 선택하여 각각 sample들의 농도 값을 측정하였다. 이 때 기본적인 변수값들은 속도와 압력, 셀의 깊이를 기준으로 두었고, 이 sample들과 동일한 조건으로 컴퓨터 시뮬레이션 시스템을 사용하여 이론적으로 해석하였다.
W. Kunz의 경우 직접 그라비어 실린더를 제판하여 동일한 망점에서 셀의 모양에 따라 가장 효율적인 셀을 찾는 연구를 하였다.4) 또한 J.
그라비어 인쇄적성시험기로 얻은 sample의 농도를 측정하고, 같은 조건의 셀을 시뮬레이션하여 얻은 데이터를 비교 분석하였다.
또한 속도변화에 따른 시뮬레이션 조건은 BC2에 속도 값을 20% 40% 60% 80% 100%로 주었고, 압력변화에 따른 시뮬레이션 조건은 BC3, 4의 크기를 la, 2a, 3a, 4a, 5a로 주었다. 그리고 셀의 깊이 변화에 따른 시뮬레이션 조건은 도메인의 BC1에 해당하는 셀의 크기 중 깊이를 11 ㎛, 17㎛, 24㎛, 29㎛, 33㎛으로 주어 각각 시뮬레이션 하였다.
2%로 고정하였다. 그리고 셀의 깊이에 따른 변화를 관찰하여 속도변화가 거의 없는 부분을 예상구분선으로 하여 잉크가 빠져나간 것으로 추정되는 부분의 면적을 구하였다.
따라서 실제 조각된 모양의 가로와 세로의 비가 동일하므로 단면을 도메인으로 설정하여 2-D(dimension)를 선택하였다.8) 2-D는 CPU 시간을 줄이고 간략화 하여 계산을 할 수 있다.
12 〜 13는 셀 깊이에 따른 잉크 전이를 알아보기 위해 시뮬레이션 한 결과이다. 시뮬레이션 작업의 조건은 그라비어 인쇄적성시험기로 얻은 sample의 농도를 측정한 값과 시뮬레이션 결과를 비교하기 위하여 도메인의 깊이를 인쇄적성시험기 scale의 셀 깊이 단계와 동일하게 하였다. 또 free surface의 크기는 똑같이 a로 하고, 속도는 0.
시뮬레이션을 하였을 때 속도변화가 거의 없었던 부분을 잉크 분열의 예상구분선 (estimate separation boundary) 하여 인쇄 시 잉크의 유동이 없는 것으로 추정하였다. 그리고 그 결과를 통해 전이된 잉크의 양을 계산하였고 인쇄 속도가 빠를수록 잉크의 전이량이 적어짐을 확인할 수 있었다.
2 m/s로 하였다. 압력이 크면 셀과 free surface와의 간격 이 작고 압력 이 작으면 간격 이 큰 것으로 판단하여 free surface의 크기를 1a부터 5a까지 다섯 개의 도메인을 그렸다. 시뮬레이션 한 결과 압력이 큰 Fig.
sample들의 농도 값을 측정하였다. 이 때 기본적인 변수값들은 속도와 압력, 셀의 깊이를 기준으로 두었고, 이 sample들과 동일한 조건으로 컴퓨터 시뮬레이션 시스템을 사용하여 이론적으로 해석하였다.
인쇄 속도 S1 조건에서 인쇄압력 5단계(P1〜P5) 조건으로 각각 실험하고, 인쇄 속도 S2~S5 조건에서도 동일한 방법으로 실험하여 총 25개의 조건변화를 주었고, 각 조건별의 오차를 줄이기 위해 세 번씩 인쇄한 sample 1, sample2, sample3 평균값을 사용하였다. 인쇄용지는 100g/m2 아트지를 사용하였고, 그라비어 잉크는 점도가 2poise인 magenta 잉크를 사용하였다.
인쇄적성 모사시스템 중 그라비어 인쇄적성시험기와 시뮬레이션을 사용하여 압력과 속도 변화에 따른 잉크 전이를 알아보았다 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
인쇄적성 시뮬레이션은 점탄성 모델의 계산이 가능한 Polyflow(3. 10. 0)을 선택하여 속도, 압력, 셀의 깊이에 따른 해석과 IGT 인쇄적성시험기의 실험 방법을 비교하고자 하였다.
제작된 각각의 sample을 반사농도계(X-Rite 418, 미국)를 이용하여 인쇄물 농도를 측정하였다.

대상 데이터

세로 120㎛, 깊이 약 10~30㎛으로 설정하였다. 이 때 격자(mesh)는 tri 형태로서 총 계산된 element 수는 3, 846개이다. 또한 속도변화에 따른 시뮬레이션 조건은 BC2에 속도 값을 20% 40% 60% 80% 100%로 주었고, 압력변화에 따른 시뮬레이션 조건은 BC3, 4의 크기를 la, 2a, 3a, 4a, 5a로 주었다.
인쇄용지는 100g/m2 아트지를 사용하였고, 그라비어 잉크는 점도가 2poise인 magenta 잉크를 사용하였다. 인쇄실은 온도 27.
전체 모델은 IGT G1-5의 실린더의 conventional 제판법에 따라 기본 셀의 크기를 가로 120 ㎛(미크론), 세로 120㎛, 깊이 약 10~30㎛으로 설정하였다. 이 때 격자(mesh)는 tri 형태로서 총 계산된 element 수는 3, 846개이다.

이론/모형

목적을 두었다. 실험적인 방법을 위해 사용한 것은 인쇄적성 모사시스템 중 인쇄적성시험기(IGT)이고, 이론적인 해석을 위해 사용한 프로그램은 시뮬레이션(Polyflow)이다.

성능/효과

1. 인쇄 속도가 낮을수록 전이되는 잉크의 양이 많아 농도가 높게 나타나는 것을 그라비어 인쇄적성시 험기와 시뮬레이션 결과에서 공통적으로 확인하였다.
2. 압력이 클수록 전이되는 잉크의 양이 많아 농도가 높게 나타나는 것을 그라비어 인쇄적성시험기와 시뮬레 이 션 결과에서 공통적 으로 확인하였다.
3. 그라비어 셀의 섀도우부와 하이라이트부의 농도 값의 변화를 그라비어 인쇄적성시험기와 시뮬레이션 결과에서 공통적으로 확인하였고, 셀의 깊이가 30㎛ 이상이면 잉크전이량의 변화, 즉 농도 값의 변화가 적 음을 확인하였다.
11과 같이 그래프로 나타내었다. 그 결과 셀의 깊이가 깊을수록 농도 값이 높게 나타남을 알 수 있었고, 약 30 ㎛까지는 거의 정비례에 가까운 증가를 보임을 확인할 수 있었다.
3에 나타내었다. 그 결과 인쇄 속도가 빠를수록 잉크 농도가 낮음을 알 수 있었다. 또 인쇄 압력이 낮을수록 인쇄농도가 낮음을 확인하였는데 그 중 빠른 속도에서는 압력에 따른 농도 차이가 느린 속도에서 보다 적게 나타남을 확인하였다.
그라비어 인쇄적성시 험기와 시뮬레이션을 이용한 인쇄적성 모사시스템으로 인쇄의 조건변화에 따른 인쇄현상을 과학적인 수치로 나타낼 수 있었으며, 실험적인 방법의 결과와 시뮬레이션의 결과가 동일함을 확인하였다. 따라서 그라비어 셀의 잉크 유동을 시뮬레이션하여 그라비어 시험인쇄 등에 이용 가능할 것이며, 또한 효율적 측면에서 시간적, 경제적일 것으로 사료된다.
수 있었다. 그리고 33㎛에서 잉크 잔여율이 약 30%로 잉크의 전이 효율이 급격이 떨어짐을 볼 수 있었다. 따라서 그라비어 제판 시 섀도우부 셀의 깊이를 약 30㎛ 정도로 하는 것이 적당하다고 사료되고 그 이상으로 셀의 깊이를 깊게 한다면 전이되지 않는 잉크 소비의 양이 많아지기 때문에 비효율적임이 사료된다.
추정하였다. 그리고 그 결과를 통해 전이된 잉크의 양을 계산하였고 인쇄 속도가 빠를수록 잉크의 전이량이 적어짐을 확인할 수 있었다.
그 결과 인쇄 속도가 빠를수록 잉크 농도가 낮음을 알 수 있었다. 또 인쇄 압력이 낮을수록 인쇄농도가 낮음을 확인하였는데 그 중 빠른 속도에서는 압력에 따른 농도 차이가 느린 속도에서 보다 적게 나타남을 확인하였다. 이것은 그라비어 잉크가 매우 저점도이며 빠른 속도로 인쇄가 되기 때문에 잉크 실린더와 피인쇄체가 접촉하는 시간이 느린 속도에 비해 짧기 때문으로 사료된다
셀의 깊이가 클수록 잉크의 전이량은 많고, 따라서 잉크 농도 값도 커짐을 추정할 수 있었고, 셀의 깊이가 30㎛ 이상일 경우에 잉크 전이량과 인쇄 농도 값의 변화가 작아짐을 확인할 수 있었다. 그리고 33㎛에서 잉크 잔여율이 약 30%로 잉크의 전이 효율이 급격이 떨어짐을 볼 수 있었다.
압력이 크면 셀과 free surface와의 간격 이 작고 압력 이 작으면 간격 이 큰 것으로 판단하여 free surface의 크기를 1a부터 5a까지 다섯 개의 도메인을 그렸다. 시뮬레이션 한 결과 압력이 큰 Fig. 8이 압력이 작은 Fig. 9에서보다 잉크의 유동이 크게 나타났다.
8〜10에 나타내었다. 여기서 속도분포 등고선과 속도 벡터의 장이 nip의 중심점을 기준으로 대칭을 이루고 있었고, 셀의 중심에서의 이동현상이 양쪽의 이동 현상보다 현저히 빠름을 알 수 있었다. 또한 잉크의 분리가 셀의 직경으로 균일하게 부착되는 것이 아니고 파동이 생기면서 부착됨을 알 수 있었다.

후속연구

결과가 동일함을 확인하였다. 따라서 그라비어 셀의 잉크 유동을 시뮬레이션하여 그라비어 시험인쇄 등에 이용 가능할 것이며, 또한 효율적 측면에서 시간적, 경제적일 것으로 사료된다.

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