ПОДГОТОВКА ПЛАСТИКА К ЛАМИНИРОВАНИЮ
Каширование печатных листов, инлея и оверлея (формирование ламинационных пакетов) и сборка закладок из пакетов перед ламинированием на большинстве карточных производств производится вручную. Производительность этих процессов зависит от того, насколько оптимально организован процесс работы операторов, и от их физических данных.
Автоматические коллаторы надежно работают только с достаточно жесткими листами ПВХ, поскольку тонкие листы ламината из-за проблем с электростатикой, сложно брать из стопы и позиционировать с достаточной точностью. По этой причине автоматические коллаторы используют в основном для скрепления трех листов ПВХ, а оверлей позиционируется вручную при сборке-разборке ламинационных закладок. Существуют также версии таких коллаторов, в которых скрепленный пакет из трех листов автоматически подается в модуль, в котором на обеих сторонах пакета методом точечной сварки фиксируется и подрезается подаваемый из двух рулонов ламинат.
Ниже на видео показано как эти процессы организованы на китайских карточных фабриках. Заметим, что храение и сборка-разборка закладок с ламинационными пластинами производится на заземленных металлических столах, для исключения накопленя статических зарядов при трении материалов.
Каширование печатных листов, инлея и оверлея (формирование ламинационных пакетов) и сборка закладок из пакетов перед ламинированием на большинстве карточных производств производится вручную. Производительность этих процессов зависит от того, насколько оптимально организован процесс работы операторов, и от их физических данных.
Автоматические коллаторы надежно работают только с достаточно жесткими листами ПВХ, поскольку тонкие листы ламината из-за проблем с электростатикой, сложно брать из стопы и позиционировать с достаточной точностью. По этой причине автоматические коллаторы используют в основном для скрепления трех листов ПВХ, а оверлей позиционируется вручную при сборке-разборке ламинационных закладок. Существуют также версии таких коллаторов, в которых скрепленный пакет из трех листов автоматически подается в модуль, в котором на обеих сторонах пакета методом точечной сварки фиксируется и подрезается подаваемый из двух рулонов ламинат.
Ниже на видео показано как эти процессы организованы на китайских карточных фабриках. Заметим, что храение и сборка-разборка закладок с ламинационными пластинами производится на заземленных металлических столах, для исключения накопленя статических зарядов при трении материалов.
ЛАМИНИРОВАНИЕ
Этот термин имеет два значения: покрытие защитной пленкой и изготовление материала с помощью соединения отдельных слоeв. Бесклеевые соединения возможны между двумя слоями термопластов, или между термопластом и пористым реактопластом.
Термопластичные полимеры, к которым относится ПВХ, состоят из переплетенных длинных молекул, образующих структуру полимера, подобно тому, как ворсинки формируют структуру войлока или фетра. Отличие состоит в том, что при нагреве подвижность молекул в пластике растет, и при контакте поверхностей двух слоев подвижные молекулы «переползают», или говоря по-научному диффундируют в соседние слои, образуя скрепляющие два слоя перемычки. Эмпирически установлено, что для образования такого термодиффузионного соединения за время порядка 10-20 минут, требуется нагреть пластик до температуры примерно в два раза выше Vicat данного материала. Слои ПВХ и ПЭТГ ламинируется при температурах 130-150С, слои поликарбоната при 170-180С. Для ABC и полистирола, у которых Vicat превышает 100С, температуры ламинирования больше 200С. Краски не выдерживают таких температур, по этой причине из AБC и полистирола изготавливают только монолитные карты.
Этот термин имеет два значения: покрытие защитной пленкой и изготовление материала с помощью соединения отдельных слоeв. Бесклеевые соединения возможны между двумя слоями термопластов, или между термопластом и пористым реактопластом.
Термопластичные полимеры, к которым относится ПВХ, состоят из переплетенных длинных молекул, образующих структуру полимера, подобно тому, как ворсинки формируют структуру войлока или фетра. Отличие состоит в том, что при нагреве подвижность молекул в пластике растет, и при контакте поверхностей двух слоев подвижные молекулы «переползают», или говоря по-научному диффундируют в соседние слои, образуя скрепляющие два слоя перемычки. Эмпирически установлено, что для образования такого термодиффузионного соединения за время порядка 10-20 минут, требуется нагреть пластик до температуры примерно в два раза выше Vicat данного материала. Слои ПВХ и ПЭТГ ламинируется при температурах 130-150С, слои поликарбоната при 170-180С. Для ABC и полистирола, у которых Vicat превышает 100С, температуры ламинирования больше 200С. Краски не выдерживают таких температур, по этой причине из AБC и полистирола изготавливают только монолитные карты.
При термокомпресии, между термопластом типа ПВХ и пористым реактопластом типа Теслина образуется механическое соединение за счет вдавливания размягченного пластика в поры реактопласта. После остывания, продавленный в поры пластик, подобно вросшим в грунт корням дерьевьев прочно скрепляется с Теслином.
ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВРЕМЯ ЛАМИНАЦИОННОГО ЦИКЛА?
Из доклада "What Happens in the Lamination Cycle…and When? " Bill Crawford, Waytek Corporation ICMA Workshop Presentation in Chicago, IL June 7-8, 2006.
При постепенном нагреве в ламинаторе ПВХ –пакета, происходят следующие процессы:
72-82 С - плавление термоклеевых покрытий ( вплавление магнитной ленты в поверхность оверлея, склеивание листов ПВХ в случае наличия на них клеевого слоя).
82-92 С - поверхность оверлея становится глянцевой (исчезает фактура оверлея).
94-103 С - оверлей с клеевым слоем спекается с запечатанной поверхностью ПВХ - на его поверхности исчезают матовые области, где отсутствует спекание, так называемая «изморозь».
117 -126 С - листы ПВХ спекаются между собой
150 -160С - пластик начинает «течь» и желтеть, изображение деформируется, краски меняют цвет.
Оверлей и запечатанная поверхность ПВХ могут полностью спекаться при температурах ниже 100 С, в том смысле что видимые дефекты (матовые области), связанные с наличием микропустот между пластиком и оверлеем могут исчезнуть. Однако для достижения максимальной силы адгезии между оверлеем и пластиком необходим прогрев до более высоких температур. Ниже показана типичная зависимость силы адгезии оверлея к запечатанному УФ отверждаемой краской ПВХ от температуры ламинирования.
Из доклада "What Happens in the Lamination Cycle…and When? " Bill Crawford, Waytek Corporation ICMA Workshop Presentation in Chicago, IL June 7-8, 2006.
При постепенном нагреве в ламинаторе ПВХ –пакета, происходят следующие процессы:
72-82 С - плавление термоклеевых покрытий ( вплавление магнитной ленты в поверхность оверлея, склеивание листов ПВХ в случае наличия на них клеевого слоя).
82-92 С - поверхность оверлея становится глянцевой (исчезает фактура оверлея).
94-103 С - оверлей с клеевым слоем спекается с запечатанной поверхностью ПВХ - на его поверхности исчезают матовые области, где отсутствует спекание, так называемая «изморозь».
117 -126 С - листы ПВХ спекаются между собой
150 -160С - пластик начинает «течь» и желтеть, изображение деформируется, краски меняют цвет.
Оверлей и запечатанная поверхность ПВХ могут полностью спекаться при температурах ниже 100 С, в том смысле что видимые дефекты (матовые области), связанные с наличием микропустот между пластиком и оверлеем могут исчезнуть. Однако для достижения максимальной силы адгезии между оверлеем и пластиком необходим прогрев до более высоких температур. Ниже показана типичная зависимость силы адгезии оверлея к запечатанному УФ отверждаемой краской ПВХ от температуры ламинирования.
НАГРЕВ ПЛАСТИКА В ПАКЕТАХ В СЕРЕДИНЕ И У КРАЕВ ЗАКЛАДКИ
Типичные кривые, показывающие изменение во время цикла температуры в пакетах, располагающихся в центре закладки (между 5-м и 6-ым пакетом) и по краям закладки (в 1-ом и 10-м пакетах). Нагрев производился в одно-просветном ламинаторе, в течение 16 минут, после чего пластины охлаждались проточной водой.
Из графиков видно, что за счет теплообмена между внутренними слоями закладки, пакеты в средних слоях продолжают нагреваться даже во время фазы охлаждения. Пластик в середине и у краев закладки во время ламинационного цикла получает примерно одинаковое количество тепловой энергии, отличие только в том, что нагрев пакетов в середине закладки отстает на 3-5 минут, от пакетов у краев закладки, примыкающих к нагревательным пластинам. Охлаждение идет с таким же опозданием.
Типичные кривые, показывающие изменение во время цикла температуры в пакетах, располагающихся в центре закладки (между 5-м и 6-ым пакетом) и по краям закладки (в 1-ом и 10-м пакетах). Нагрев производился в одно-просветном ламинаторе, в течение 16 минут, после чего пластины охлаждались проточной водой.
Из графиков видно, что за счет теплообмена между внутренними слоями закладки, пакеты в средних слоях продолжают нагреваться даже во время фазы охлаждения. Пластик в середине и у краев закладки во время ламинационного цикла получает примерно одинаковое количество тепловой энергии, отличие только в том, что нагрев пакетов в середине закладки отстает на 3-5 минут, от пакетов у краев закладки, примыкающих к нагревательным пластинам. Охлаждение идет с таким же опозданием.
ПЕЧАТЬ КАРТ НА СТРУЙНЫХ ПРИНТЕРАХ
Струйные принтеры сконструированы для печати на достаточно тонких бумажных носителях, толщиной до 0,1 мм. При печати на толстом пластике 0,3 мм, из-за вынужденной деформации подающих резиновых валов, уменьшается значение их эффективного радиуса. В результате этого, при том же угловом шаге поворота вала толстый носитель перемещается на меньшее расстояние. В результате изображение немного «сжимается» в направлении печати. Этот фактор надо принимать во внимание, в частности, при совмещении изображения с оверлеем с нанесенной магнитной полосой. Другим следствием является ускоренный износ валов принтера. По этим причинам для струйных принтеров больше подходит тонкий пластик 150 -200 мкм. При этом, для получения карт стандартной толщины, между листами ПВХ требуется вкладывать дополнительный слой пластика толщиной около 200 мкм.
Струйные принтеры сконструированы для печати на достаточно тонких бумажных носителях, толщиной до 0,1 мм. При печати на толстом пластике 0,3 мм, из-за вынужденной деформации подающих резиновых валов, уменьшается значение их эффективного радиуса. В результате этого, при том же угловом шаге поворота вала толстый носитель перемещается на меньшее расстояние. В результате изображение немного «сжимается» в направлении печати. Этот фактор надо принимать во внимание, в частности, при совмещении изображения с оверлеем с нанесенной магнитной полосой. Другим следствием является ускоренный износ валов принтера. По этим причинам для струйных принтеров больше подходит тонкий пластик 150 -200 мкм. При этом, для получения карт стандартной толщины, между листами ПВХ требуется вкладывать дополнительный слой пластика толщиной около 200 мкм.
ДАВЛЕНИЕ НА ПЛАСТИК В ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ЛАМИНАТОРЕ
На результат ламинирования влияет давление на листы пластика p в процессе их термокомпрессии в ламинаторе. Для того чтобы определить это давление, кроме давления в гидросистеме P, которое показывают приборы (цифровой дисплей или манометр) необходимо знать диаметр штока поршня гидроцилиндра D и размеры ламинационных пластин. Остальные параметры – вес нагревательных пластин, как показано в данной статье не оказывают существенного влияния на результат ламинирования. Давление на пластик равно
p=P*So/S
где So/S - отношение площади штока к площади ламинационной пластины. Для ламинаторов А3+ это сотношение примерно 0,2. То есть давление на пластике в этих ламинаторах в 5 раз ниже, чем давление в гидросистеме.
Давление на пластик надо рассчитывать в тех случаях, когда оператор нашел оптимальный режим спекания для конкретного материала и ламинатора, и ему требуется повторить результат на ламинаторе другой конструкции, с другим размерами поршня и/или ламинационных пластин.
Это не относится к ламинаторам high-end класса, которые сами вычисляют и выводят на дисплей значения p, во время ламинирования.
На результат ламинирования влияет давление на листы пластика p в процессе их термокомпрессии в ламинаторе. Для того чтобы определить это давление, кроме давления в гидросистеме P, которое показывают приборы (цифровой дисплей или манометр) необходимо знать диаметр штока поршня гидроцилиндра D и размеры ламинационных пластин. Остальные параметры – вес нагревательных пластин, как показано в данной статье не оказывают существенного влияния на результат ламинирования. Давление на пластик равно
p=P*So/S
где So/S - отношение площади штока к площади ламинационной пластины. Для ламинаторов А3+ это сотношение примерно 0,2. То есть давление на пластике в этих ламинаторах в 5 раз ниже, чем давление в гидросистеме.
Давление на пластик надо рассчитывать в тех случаях, когда оператор нашел оптимальный режим спекания для конкретного материала и ламинатора, и ему требуется повторить результат на ламинаторе другой конструкции, с другим размерами поршня и/или ламинационных пластин.
Это не относится к ламинаторам high-end класса, которые сами вычисляют и выводят на дисплей значения p, во время ламинирования.
КАК ИЗМЕРИТЬ ДАВЛЕНИЕ В ЛАМИНАТОРЕ С ВИНТОВЫМ ПРИЖИМОМ
Почти одновременно с изобретением ПВХ для струйной печати, в 2001 году в КНР появились винтовые ламинаторы, которые произвели революцию в производстве пластиковых карт, сделав карточное производство бывшим прерогативою небольшого количества крупных фабрик, доступным для малого бизнеса.
Почти одновременно с изобретением ПВХ для струйной печати, в 2001 году в КНР появились винтовые ламинаторы, которые произвели революцию в производстве пластиковых карт, сделав карточное производство бывшим прерогативою небольшого количества крупных фабрик, доступным для малого бизнеса.
Конструкция винтового пресса для спекания листов термопластичных полимеров. На чертеже показаны силы, действующие на прижимной винт. Fd - сила, прикладываемая к колесу при сжатии пластин, Fu, - сила прикладываемая при разжимании пластин. R –радиус колеса, r- радиус винта, Fp – сила, давления на плиту.
Для того, чтобы винтовой̆ пресс можно было использовать для обработки листов пластика он должен обладать свойством самоторможения, то есть после затягивания, винт не должен сам раскручивается под действием контрдавления, создаваемого силой̆ упругости пластика. Записав уравнения равновесия в системе винт-фланец, можно получить условие самоторможения пресса
k > α,
где k – коэффициент трения в винтовой паре, а α – угол наклона резьбы. В винтовых парах значения k лежат в диапазоне 0,07 - 0,25, в зависимости от марки стали и типа смазки. В продаваемых на российском рынке моделях прессов радиус винта r =15 мм, шаг резьбы s = 4 мм, то есть α составляет 0,044 радиана или 2,5 градуса, таким образом k > α, чем обеспечивается самоторможение пресса. Если бы коэффициент трения между винтом и фланцем был бы очень мал, или угол наклона резьбы велик, так, что условие k > α не соблюдалось, то после затягивания винта, в процессе ламинирования штурвал пришлось бы удерживать руками или фиксировать замком. При этом связь между силой Fd, прикладываемой к штурвалу при затягивании и силой давления на пластик Fp и выражалась бы простой формулой рычага
Fp= Fd* R/rα
Подставив в эту формулу параметры пресса R=0,135 м, r =0,015 м, и α=0,044, получим Fp= Fd*204.
То есть, при отсутствии трения, винтовая пара увеличивала бы прикладываемую к штурвалу силу в 200 раз. На практике, из-за необходимости соблюдения условия самоторможения в прессах используются винтовые пары с коэффициентом трения порядка 0,23.
Можно записать два уравнения условий вывода зажатого пресса из равновесия, когда его выводят из равновесия «дожимая» силой Fd, и «ослабляя» силой Fu, из которых следует, что при k=0,23
Fp= (Fd+Fu)/2 * R/rk=Fc*R/rk= Fc*40
То есть реально, из-за трения в винтовой паре, винтовая передача, преобразующая силу затягивания в силу давления, усиливает первую не в 200, а только примерно в 40 раз. А связь между средней силой затягивания Fc=(Fd+Fu)/2 в Кг с давлением Pd на лист формата А4 в MPa определятся по полуэмпирической формуле: P=0,006*Fc
На практике удобней пользоваться динамометрическим ключом, который имеет шкалу в Н*м, измеряя моменты Md и Mu, при этом силу давления мы получим соответственно в ньютонах.
Fp =Mc/rk,
где Mc – среднее значение момента сил Mc=R*(Fd+Fu)/2=(Md+Mu)/2
Таким образом, оператор после затягивания штурвала, с помощью динамометрического ключа может определить силу сжатия пластин и давление на пластике по двум значениям моментов сил Md и Mu.
При измерении давления таким способом, вспоминается принцип неопределённости Гейзенбе́рга, который говорит о том, что положение квантовой частицы невозможно определить, не изменив ее состояние в процессе измерения. То есть процедура измерения воздействует на объект, изменяя его состояние. Так и в нашем случае, для того, чтобы измерить давление в винтовом ламинаторе, находящемся в неком стационарном состоянии, необходимо вывести его из равновесия, измерив Mu и Md, немного уменьшив, а затем снова немного увеличив давление.
k > α,
где k – коэффициент трения в винтовой паре, а α – угол наклона резьбы. В винтовых парах значения k лежат в диапазоне 0,07 - 0,25, в зависимости от марки стали и типа смазки. В продаваемых на российском рынке моделях прессов радиус винта r =15 мм, шаг резьбы s = 4 мм, то есть α составляет 0,044 радиана или 2,5 градуса, таким образом k > α, чем обеспечивается самоторможение пресса. Если бы коэффициент трения между винтом и фланцем был бы очень мал, или угол наклона резьбы велик, так, что условие k > α не соблюдалось, то после затягивания винта, в процессе ламинирования штурвал пришлось бы удерживать руками или фиксировать замком. При этом связь между силой Fd, прикладываемой к штурвалу при затягивании и силой давления на пластик Fp и выражалась бы простой формулой рычага
Fp= Fd* R/rα
Подставив в эту формулу параметры пресса R=0,135 м, r =0,015 м, и α=0,044, получим Fp= Fd*204.
То есть, при отсутствии трения, винтовая пара увеличивала бы прикладываемую к штурвалу силу в 200 раз. На практике, из-за необходимости соблюдения условия самоторможения в прессах используются винтовые пары с коэффициентом трения порядка 0,23.
Можно записать два уравнения условий вывода зажатого пресса из равновесия, когда его выводят из равновесия «дожимая» силой Fd, и «ослабляя» силой Fu, из которых следует, что при k=0,23
Fp= (Fd+Fu)/2 * R/rk=Fc*R/rk= Fc*40
То есть реально, из-за трения в винтовой паре, винтовая передача, преобразующая силу затягивания в силу давления, усиливает первую не в 200, а только примерно в 40 раз. А связь между средней силой затягивания Fc=(Fd+Fu)/2 в Кг с давлением Pd на лист формата А4 в MPa определятся по полуэмпирической формуле: P=0,006*Fc
На практике удобней пользоваться динамометрическим ключом, который имеет шкалу в Н*м, измеряя моменты Md и Mu, при этом силу давления мы получим соответственно в ньютонах.
Fp =Mc/rk,
где Mc – среднее значение момента сил Mc=R*(Fd+Fu)/2=(Md+Mu)/2
Таким образом, оператор после затягивания штурвала, с помощью динамометрического ключа может определить силу сжатия пластин и давление на пластике по двум значениям моментов сил Md и Mu.
При измерении давления таким способом, вспоминается принцип неопределённости Гейзенбе́рга, который говорит о том, что положение квантовой частицы невозможно определить, не изменив ее состояние в процессе измерения. То есть процедура измерения воздействует на объект, изменяя его состояние. Так и в нашем случае, для того, чтобы измерить давление в винтовом ламинаторе, находящемся в неком стационарном состоянии, необходимо вывести его из равновесия, измерив Mu и Md, немного уменьшив, а затем снова немного увеличив давление.
Ниже показана экспериментальная зависимость давления на пластике P в МПа от времени цикла, полученная по описанной̆ выше методике при типичных значениях ламинирования закладки из 10 слоев: заданная максимальная температура 125 С, время выдержки 200 с, температура окончания цикла 30С. Сила давления Fp, и соответственно давление P=Fp/S, где S – площадь листов пластика в ламинационном цикле винтового пресс-ламинатора сначала увеличиваются за счет теплового удлинения винта и увеличения толщин нагревательных и ламинационных пластин, затем уменьшаются из-за растискивания ПВХ и охлаждения оснастки.
В гидравлических ламинаторах запекание офсетного пластика производят при давлениях на листе 0,5 – 1,5 MPa. В винтовом ламинаторе максимальное давление удалось получить на уровне 0,35 Mpa, которое выросло до 0,45 Mpа за счет теплового удлинения винта. Для струйного пластика с клеем этого давления похоже достаточно.