グラビア印刷における張力制御：ゾーン、フィードバック、見当合わせ

グラビア印刷の張力制御は、ウェブ輪転機で最も重要になります。枚葉グラビアには解決すべき張力問題がありません。各枚葉はグリッパーで保持され、圧胴が一時停止している間に前当てと横当てで見当合わせされるからです。輪転グラビアは動作が異なります。基材は一定速度で送られ、ゴム製の圧胴が同調した速度で圧力を加え、この二つの動きが組み合わさって、版とウェブの間では実質的に静止した状態が生まれます。したがって、多色の見当合わせは何よりもまず一つの要件にかかっています。巻き出しから巻き取りまで安定した張力でウェブが一定に送られることです。

張力ゾーンとそれぞれの役割

グラビア印刷機は通常、張力制御を四つのゾーンに分けます。巻き出し、インフィードドロー、アウトフィードドロー、巻き取りです。駆動ゴムローラーが各ゾーンを分離します。印刷ゾーンはインフィード駆動ローラーからアウトフィード駆動ローラーまでで、そこでは一定張力が求められます。一定値だけが見当合わせを維持できるからです。巻き出し張力は印刷ゾーンに供給するために存在します。巻き出しはロールを繰り出し、ロール径に関係なく安定した張力を供給しなければなりません。巻き出しでの変動は印刷ゾーンに伝播し、見当誤差として現れるからです。巻き取りはより緩い要件で動作します。その時点ですべての色ステーションが印刷を終えているからです。品質目標に応じて、巻き取りは一定張力または変動張力で運転でき、よく知られたテーパー張力パターンは後者に属します。変動する巻き取り張力は最後の色ステーションを乱す可能性があるため、印刷機は駆動ゴムローラーを挿入して二つの領域を分離します。すると印刷ゾーンは一定張力を保ち、巻き取りはテーパーをかけます。全体を調整しながら制御を分割することが、グラビアを含むあらゆる輪転機のウェブ張力設計における中心的な考え方です。

張力の検出とフィードバック

各ゾーンは通常、独自の検出機器を備えています。ひずみゲージや静電容量素子で作られたロードセルローラーは張力を直接測定します。ポテンショメーターと組み合わせたフローティングローラーは代わりに位置を測定し、ローラー経路内でウェブがどこにあるかを追跡します。二つのアプローチは異なる役割を果たします。ロードセルローラーは応答が速いですが、巻きムラなどロール自体に起因する不安定性を補正するのは苦手です。位置コントローラーは張力をまったく測定しませんが、フローティングローラー経路内の安定した点にウェブを保持し、それによって張力を安定させます。入ってくるロールの不良による変動を減衰させるこの能力は、ロードセルローラーには及びません。

張力アクチュエーター

一般的なアクチュエーターには、電磁クラッチ・ブレーキや磁粉クラッチ・ブレーキ、空圧クラッチ・ブレーキ、サーボモーターがあります。古いギア駆動ラインでは、360度ギアボックス上の小型アクチュエーターモーターも使用します。制御理論ではこれらを異なるクラスに分類します。クラッチやブレーキは一次遅れ要素として動作しますが、線形部分は応答曲線の一部を占めるにすぎません。上限と下限は準線形のままで、このタイプのアクチュエーターには常に何らかの制限があります。サーボモーターは二次要素であり、現在の制御理論では安定性と追従性の両方に調整できます。そのため、高度な張力システムはサーボモーターでウェブを直接駆動します。

ウェブ全体で生じる速度損失の補正

機械的な同期速度を低下させる要因は三つあります。ウェブ全幅に加わる圧胴圧、基材がガイドローラーに接触する際の摩擦、硬いローラーベアリングによる抵抗です。なかでも各色ステーションのゴムローラーによる圧胴圧の影響が最も大きく、すべての印刷方式のうちグラビアは転写時に最も高い圧力をかけます。ローラーの硬度と圧力は基材に合わせて選定します。フィルムは通常、ショア硬度65から70のローラーを900 kg/mの単位圧力で使用します。紙はショア硬度70から80で1800 kg/mです。板紙はショア硬度80から90で4500 kg/mです。より軟らかいローラーを高い圧力で使うほど、速度損失は大きくなります。

従来の対策は、各ステーションの版胴の直径を大きくする方法です。線速度は2πrnで表されるため、印刷機は版胴の速度を、回転数nを変えて補正するか、ローラー直径を変えて補正するかのいずれかになります。前者はサーボ駆動のグラビア印刷機が行う方法で、後者は20年以上にわたり使われてきた方法です。直径の増分は0.02から0.03 mm、場合によっては0.04 mmで、精密な計算ではなく経験の積み重ねから導かれています。基材が異なれば圧力の幅も異なり、速度損失も異なるため、理想的な補正値も本来は異なるはずです。固定の増分は、せいぜい近似にすぎません。

国内の印刷機メーカーがサーボ式グラビア機を開発した際、直径の増分を廃止できると考えました。サーボの速度設定であらかじめずれを吸収できるという理由です。しかし現場の実践はそうなりませんでした。ステーションごとにサーボ速度を調整しても、直径の増分を残したほうが除去した場合より見当精度が良かったのです。現在のサーボシステムも、同期損失の補正は主に経験によって行われており、真に計算されたモデルによるものではありません。

見当合わせは安定した張力に支えられる

グラビア印刷機の見当制御は、張力制御がすでに安定している場合にのみ機能します。先に挙げた四つの問題がほぼ解決されて初めて、精密な見当が可能になります。見当については広く誤解されています。サーボ印刷機では、毎秒数百万カウントのエンコーダー分解能を挙げ、見当は保証されると考えられがちです。しかし実際には、コンピューターは見当マークそのものを追跡しているわけではありません。追跡しているのはマークの動きの傾向です。ちょうど射手が、鳥が今いる位置を狙うのではなく、動く標的を先読みするのと同じです。傾向こそが見当の前提条件です。印刷されたマークがウェブ上をどう動くかを制御できなければ、400万カウントのエンコーダーでも誤差を許容範囲内に収めることはできません。

ウェブの変形

サーボ駆動は運転中の速度損失を補正できますが、基材自体の変形には依然として信頼できる補正方法がありません。同じ厚さと同じ幅のフィルムでも、ポリマーの種類によって挙動が異なります。同じフィルムでも20 µmと40 µmでは、同一の乾燥条件下で変形の仕方が異なります。同じ品種と同じ厚さの紙でも、含水率5パーセントと8パーセントでは、変形の数値が異なります。こうした違いに対応するには、数理モデルを構築して見当制御装置に組み込む必要があります。この工程がなければ、グラビア印刷機はPETフィルムのように厚く寸法安定性の高い基材を使うことでしか見当を守れません。現場では、色ずれや見当誤差の増大が起きたとき、オペレーターは版や基材のせいだと決めつけがちですが、具体的な原因を特定できないことがよくあります。この変形補正の欠如が、実際の原因であることが多いのです。