그라비어 인쇄의 장력 제어: 구역, 피드백 및 정합
그라비어 장력 제어는 웹 공급 방식 인쇄기에서 가장 중요합니다. 매엽 그라비어는 해결해야 할 장력 문제가 없습니다. 각 매엽은 그리퍼에 의해 고정되고, 압인 시 인쇄기가 순간적으로 정지한 상태에서 전면 및 측면 정렬 장치에 의해 정합되기 때문입니다. 로터리 그라비어는 다르게 작동합니다. 고무 압인 롤러가 일치된 속도로 압력을 가하는 동안 피인쇄체가 일정한 속도로 진행하며, 이 두 운동이 결합하여 판과 웹 사이에 사실상 정지 상태를 만들어냅니다. 따라서 다색 정합은 무엇보다도 한 가지 요건에 달려 있습니다. 즉, 권출에서 권취까지 안정적인 장력을 유지하며 일정하게 진행하는 웹입니다.
장력 구역과 각 구역의 역할
그라비어 인쇄기는 일반적으로 장력 제어를 네 구역으로 나눕니다. 권출, 인피드 드로우, 아웃피드 드로우, 권취입니다. 구동 고무 롤러가 각 구역을 구분합니다. 인쇄 구역은 인피드 구동 롤러에서 아웃피드 구동 롤러까지 이어지며, 이곳에서 요구되는 것은 일정한 장력입니다. 일정한 값만이 정합을 유지할 수 있기 때문입니다. 권출 장력은 인쇄 구역에 봉사하기 위해 존재합니다. 권출은 롤 직경에 관계없이 롤을 풀고 일정한 장력을 전달해야 합니다. 권출에서의 어떤 변동도 인쇄 구역으로 전파되어 정합 오차로 나타나기 때문입니다. 권취는 더 느슨한 요건 아래에서 작동합니다. 그 시점에서는 모든 색상 스테이션이 이미 인쇄를 마쳤기 때문입니다. 품질 목표에 따라 권취는 일정 장력 또는 가변 장력으로 운전할 수 있으며, 익숙한 테이퍼 장력 패턴은 두 번째 그룹에 속합니다. 가변 권취 장력은 마지막 색상 스테이션을 교란할 수 있으므로, 인쇄기는 구동 고무 롤러를 삽입하여 두 영역을 격리합니다. 그러면 인쇄 구역은 일정 장력을 유지하는 동안 권취는 테이퍼를 적용합니다. 제어를 분할하면서 전체를 조정하는 것이 그라비어를 포함한 모든 로터리 인쇄기의 웹 장력 설계에서 핵심 개념입니다.
장력 감지와 피드백
각 구역은 보통 자체 감지 하드웨어를 갖춥니다. 스트레인 게이지 또는 용량성 소자로 만든 로드셀 롤러가 장력을 직접 측정합니다. 포텐셔미터와 결합된 플로팅 롤러는 대신 위치를 측정하여 웹이 롤러 경로 내 어디에 위치하는지 추적합니다. 두 접근 방식은 서로 다른 역할을 합니다. 로드셀 롤러는 빠르게 반응하지만, 롤 자체에서 발생하는 불안정성, 예를 들어 원형이 아닌 권취를 교정하는 데 어려움을 겪습니다. 위치 제어기는 장력을 전혀 측정하지 않지만, 웹을 플로팅 롤러 경로 내 안정된 지점에 유지하여 장력을 일정하게 유지합니다. 불량한 입고 롤로 인한 변동을 감쇠하는 이 능력은 로드셀 롤러가 따라올 수 없는 부분입니다.
장력 액추에이터
일반적인 액추에이터로는 전자기 및 자기 입자 클러치 또는 브레이크, 공압 클러치 및 브레이크, 서보 모터가 있습니다. 구형 기어 구동 라인은 360도 기어박스에 소형 액추에이터 모터를 사용하기도 합니다. 제어 이론은 이들을 서로 다른 등급으로 분류합니다. 클러치나 브레이크는 1차 선형 요소로 작동하지만, 선형 구간은 응답 곡선의 일부만 차지합니다. 상단과 하단은 준선형으로 남아 있으므로 이 액추에이터 유형은 항상 어느 정도 한계를 지닙니다. 서보 모터는 2차 요소이며, 현재 제어 이론 아래에서 안정성과 추종성 모두를 위해 튜닝할 수 있습니다. 그래서 고급 장력 시스템은 서보 모터로 웹을 직접 구동합니다.
웹 전반의 속도 손실 보정
기계적 동기화 속도를 떨어뜨리는 요인은 세 가지입니다. 웹 전체 폭에 가해지는 압인 압력, 기재가 가이드 롤러에 접촉할 때 발생하는 마찰, 그리고 뻑뻑한 롤러 베어링의 저항입니다. 각 색상 스테이션의 고무 롤러가 가하는 압인 압력이 가장 큰 비중을 차지하며, 모든 인쇄 방식 중 그라비어가 전사 시 가장 높은 압력을 가합니다. 롤러 경도와 압력은 기재에 맞춰 조정합니다. 필름은 일반적으로 쇼어 경도 65~70의 롤러를 900 kg/m 단위 압력으로 사용합니다. 종이는 쇼어 70~80을 1800 kg/m로, 판지는 쇼어 80~90을 4500 kg/m로 사용합니다. 더 무른 롤러에 더 높은 압력을 가하면 속도 손실이 커집니다.
전통적인 해법은 각 스테이션의 판 롤러 지름을 키우는 것입니다. 선속도는 2πrn이므로, 인쇄기는 회전 속도 n을 바꾸거나, 서보 구동 그라비어 인쇄기가 하는 방식으로, 롤러 지름을 바꾸는 방식으로 판 롤러 속도를 보정할 수 있습니다. 후자는 20년 넘게 쓰인 방법입니다. 0.02~0.03 mm, 때로는 0.04 mm의 지름 증분은 정밀한 계산이 아니라 축적된 경험에서 나온 값입니다. 기재가 다르고 압력 폭이 다르면 속도 손실도 달라지므로, 이상적인 보정값도 달라야 합니다. 고정 증분은 기껏해야 근사치입니다.
국내 인쇄기 제조사들이 서보 그라비어 기기를 개발했을 때, 지름 증분을 버릴 수 있으리라 기대했습니다. 서보 속도 설정이 오프셋을 미리 흡수할 수 있다고 본 것입니다. 현장 실무는 달랐습니다. 스테이션별 서보 속도 램핑을 적용해도 지름 증분을 유지하는 편이 제거하는 편보다 정합이 더 좋았습니다. 오늘날 서보 시스템도 동기화 손실을 대부분 경험으로 보정하며, 진정한 계산 모델로 보정하지는 않습니다.
정합은 안정된 장력 위에 성립합니다
그라비어 인쇄기의 정합 제어는 장력 제어가 이미 안정된 상태에서만 작동합니다. 앞서 다룬 네 가지 문제가 대부분 해결되면 정밀 정합이 가능해집니다. 정합은 또한 널리 오해받습니다. 서보 인쇄기에서 사람들은 초당 수백만 카운트의 엔코더 분해능을 가리키며 정합이 보장된다고 가정합니다. 실제로 컴퓨터는 정합 마크 자체를 추적하지 않습니다. 마크 움직임의 추세를 추적합니다. 사수가 새가 현재 있는 위치를 겨냥하지 않고 움직이는 표적을 앞질러 조준하는 것과 비슷합니다. 추세는 정합의 전제 조건입니다. 인쇄된 마크가 웹을 가로질러 움직이는 방식을 통제하지 못하면, 400만 카운트 엔코더로도 오차를 허용 범위 안에 유지할 수 없습니다.
웹 변형
서보 구동은 운전 중 속도 손실을 보정할 수 있지만, 기재 자체의 변형은 여전히 신뢰할 만한 보정 수단이 없습니다. 같은 두께와 폭의 필름도 폴리머 종류에 따라 다르게 거동합니다. 같은 필름이라도 20 µm와 40 µm는 동일한 건조 조건에서 다르게 변형됩니다. 같은 등급과 두께의 종이라도 함수율 5퍼센트와 8퍼센트는 서로 다른 변형 수치를 보입니다. 이런 차이를 다루려면 수학적 모델을 만들어 정합 컨트롤러에 탑재해야 합니다. 이 단계가 없으면 그라비어 인쇄기는 PET 필름처럼 더 두껍고 치수 안정성이 높은 기재를 사용하는 방식으로만 정합을 지킬 수 있습니다. 현장에서 작업자는 색상이 흐트러지거나 정합 오차가 커질 때 판이나 기재를 탓하는 경우가 많지만, 구체적으로 짚을 대상을 찾지 못합니다. 이 변형 보정의 공백이 보통 진짜 원인입니다.