柔版印刷可为电子产品实现近1μm分辨率

1952年，于瑞典斯德哥尔摩召开的印刷会议上，对苯胺印刷的称呼给予否定，与会者一致同意改为Flexography。当时对它讨论的含义是，因为感光性树脂已经萌芽，聚乙烯、聚酯的出现，供作承印物的载体大为增加，所以Flexography的应用途径富有弹性，可以适合于各种用途的印刷，故命为此名，国内的译者在不了解它的背景的情况下，从字面上直译为柔性版印刷传了开来，约定俗成至今。

如果要把 Flexo 印刷机的各式机型都介绍出来，恐怕是相当困难；我们就以最普遍的迭床型 (Stack Press) 、中央辊筒型 (Central Impression Press or Common Impression Press) 、排列型 (In-line Press) 等三种做简单的介绍。事实上，这些印刷机被广泛运用于软性包装 (Flexible Packaging Printing) 、小型标签贴纸 (Narrow Web Printing) 、瓦楞纸箱 (corrugated Board Printing) 、出版印刷物 (Publication Printing) 等方面，近年来，又有人开始研究如何把它用在电子产品的生产制造领域。但无论如何它们的主要结构及印刷原理都非常相近的。

一、迭床型 Flexo 印刷机

名符其实，它的各色印刷座垂直重迭在一边或者两边。所有的转动以齿轮传动，带动每一座的版辊、网辊、墨辊及压力辊等。它最大的优点是印刷座都集中在一起很容易操控，欲变换成两面同时印刷亦非常容易。通常印刷机为宽幅及配有多种大大小小的版辊 (印刷长) ，适合用于印刷包装纸、铝锡箔纸等较不伸缩材质被印体。

二、中央辊筒型 Flexo 印刷机

它的各色印刷座同时围绕着一个特大的压力辊筒，所有的转动以齿轮传动，带动每一座的版辊、网辊、墨辊等。它最大的特点是被印体进入印刷座后，伏贴在共同压力辊筒上很容易控制压力及套准工作。这一型的印刷机非常适印刷彩色或多色套印工作，尤其更有利于薄膜塑胶等较会伸缩的材质的印刷。

三、排列型 Flexo 印刷机

此型的各色印刷完全分开，独立座排列成一水平直线，各座间以传动轴带动，再以齿轮转动每一座的版辊、网辊、墨辊等。它最大的特点是可随意增加印刷座，适合用于宽幅、窄幅及多种大大小小共用的版辊。这一型的印刷机非常容易操作，用于高速多色套印或彩色印刷工作。

无论那一型的 Flexo 印刷机，它的印刷座都有一支网辊 (Anilox Roller) ，配合弹性印版 (Flexible Plates) ，以轻压的方式印在被印体上。

柔版印刷的先进性

柔版印刷（flexography）以其清洁、环保、高效、成本低等优势，早已经成为西方工业文明国家食品、医药等行业的主导印刷包装工艺，被认为是世界上最先进、最有前途的印刷方式。柔版印刷产品质量已经与胶版、凹印印刷技术相媲美。由于柔版印刷所用油墨符合FDA（美国食品与药品管理局）卫生要求，特别是光敏油墨柔版印刷的全生命周期环境友好性，现在很多跨国公司的药品、食品的外包装，都要求使用用柔版印刷。西方国家在食品、药品类企业产品的包装己经成为柔版印刷的主要客户源，前景广阔，它在西方发达国家已被证实是一种最优秀、最有前途的印刷方法。

柔版印刷工艺

印版

印版是用于传递油墨至承印物上的图文载体。印版是任何印刷过程最基本也是最重要的工艺单元印版上有图文部分和非图文部分。非图文部分在印刷过程中不吸附油墨。又称空白部分。

柔版印刷

相对于通常的刚性印版，柔版印刷是使用柔性的感光树脂印版，通过特有的网纹传墨辊传递油墨施印的一种印刷方式。

柔版印刷具有独特的灵活性、经济性，并对保护环境有利。 通常柔版印刷速度可以达到100 m/min以上，一台柔印机效率差不多等于两台甚至三台轮转凸印刷机的效率。更主要的是，现在的柔性版印刷机同时安装了很多印后加工装置，可以实现快速的压痕、烫金、模切〈包括卷到卷、卷到单张〉一站式的加工成型，及时有效地保障交贷。根据印刷部分的排列方式，柔版印刷机分为层叠式、卫星式和机组式三类。本文重点研讨层叠式与卫星式柔版印刷机运动控制问题。

无轴传动

传动是所有印刷工艺过程的工作基础。

无轴传动是印刷机械行业的专有技术名词。无轴传动的工业自动化工程定义是直轴传动或者多轴传动。直轴传动的由来是相对于工业革命早期的共轴或者主轴或者单轴传动，甚至可以追溯到原始的河谷水轮动力时代……

进入变频伺服控制器传动时代以来，西方印刷纺织包装等传统意义的轻工纺织行业中的高端制造商，开创了直轴传动机械新技术系统取代主轴传动，直轴传动的精致、准确、超高速、稳定、柔性化、综合联动集成制造等等一系列的技术优势，从动力传动数字化智能化的基础上，推动了轻纺包装装备产业的阶跃型装备进步。

层叠式印刷机运动控制

系统分析

层叠式柔版印刷机，有时也称为堆积型柔版印刷机。独立的印刷单元上下层叠，排列在印刷机主墙板的一端或两端，或者在机架上安装各色印刷单元。每个印刷单元由安装在主墙板上的齿轮转动。层叠式油印机可以印刷1-8色，但是通常为6色。层叠式柔版印刷机工艺自动化需求分析参见图1所示。

（1）层叠式柔版印刷机的传动机构主要由“前牵引单元、印刷单元、后牵引单元组成。

（2）每组印刷机组需要配4套伺服电机，以6色印刷为例，共需要伺服27轴。

图1 层叠式柔版印刷机工艺自动化需求

层叠式柔版印刷机工艺自动化解决方案如图2所示。

卫星单元分析

由于柔印机的印版滚筒、网纹辊的转动是通过压印滚筒齿轮带动印版滚筒齿轮，印版滚筒齿轮带动网纹辊的齿轮，形成同步转动。印刷品的重复长度取决于印版滚筒和印版滚筒的齿轮，而齿轮受到节距和模数的限制，因此，印刷品的重复周长与齿轮的节距相同。而无轴柔印机网纹辊的转动是通过印版滚筒直接带动的，解决了柔印机印刷产品重复长度受齿轮节距限制的问题。卫星式无轴传动柔印机的每个印刷机组由多个马达带动，其中4个马达带动印版滚筒、网纹辊的前後移动，1个马达控制印版滚筒的纵向套准和转动，1个马达控制印版滚筒的横向套准和印版滚筒的横行移动，1个马达带动网纹辊的转动。装版後输入印版滚筒的印版滚筒周长，通过PLC控制，使印版滚筒和网纹辊达到预印刷、预套准位置，大大缩短了印刷压力和印刷套准时间，同时也节省了原材料。同时由于采用无轴传动，因此更换不同周长的印刷产品时，不需要更换齿轮。无轴传动卫星式柔印机更换一个机组上的柔性版滚筒和网纹辊仅需1分钟，大大缩短了更换产品时换版滚筒和网纹辊所花费的时间。

（1）卫星式柔版印刷机主要由收放卷单元、牵引单元、烘干单元、印刷单元和中心滚筒及部分结构组成。

（2）从电气控制的角度，印刷单元又可分成辊驱动控制和调压控制。

（3）每组印刷机组需要配6套伺服，以6色印刷为例，共需要伺服电机46轴。

卫星单元无轴传动示意如图3所示。图3中，调压控制——伺服传动（轴向）；辊驱动控制——伺服传动（纵向）；版辊横向位置——普通电机。

通过设置虚拟主轴和虚拟从轴，在印刷过程中需要切换色组时，可通过建立或解除虚轴之间的关系，不影响其他正在使用的色组。

柔版印刷可为电子产品实现近1μm分辨率

柔性版印刷使用的油墨，是类似于凹版印刷的低粘度油墨。要根据产品的质量要求来选择不同连结料和溶剂的油墨进行印刷。因此要在高分辨率的电子产品上采用柔版印刷，就需要解决设备精度、制版技术与油墨材料三大难题。

为了突破柔版印刷分辨率仅几十微米的限制，MIT研究人员开发出一种新型的压印材料，可搭配常见的电子油墨实现近1μm的分辨率…

美国麻省理工学院（MIT）的研究人员在《Science Advances》期刊中发表最新研究成果——「利用奈米孔隙压印实现超薄的高分辨率柔版印刷」（Ultrathin high-resolution flexographic printing using nanoporous stamps），重新探讨柔版印刷技术，期望实现高分辨率、低成本且大尺寸的印刷电子。

由于压印期间的液体不稳定性以及油墨扩散等问题，利用橡胶压印的柔版印刷分辨率通常受限于几十微米；研究人员因而开发出一种新型的压印材料，使其适用于搭配许多常见的电子油墨实现近1μm的分辨率。

这种材料必须具有足够大的孔隙，才能在以电子油墨润湿时容纳胶体油墨颗粒，但又不能太大以避免对于印刷特性造成负面影响。此外，它还必须具有抗溶性以及机械兼容性，才能形成均匀的接触，而又极其耐用。

研究人员在微影图案化的硅基板上生长垂直排列的碳奈米管（CNT），创造出99%多孔隙且可重覆的微结构。在经过不同的化学表面处理和适形pPFDA聚合物涂层后，印模即适用于此目的，支持毛细管驱动的油墨加载，以及奈米级触点介导的油墨转移。

压印微结构的SEM图像，25μm x 25μm（左）；以及（右）该结构数组的光学和原子力显微镜图像，及其所取得的银（Ag）印刷油墨图案（来源：MIT）

接着在刚性和软性基板上，研究人员为ZnO、WO3与CdSe/ZnS等各种不同功能的奈米粒子油墨印刷许多微米级图案。其执行时的分辨率与印刷速度（0.2m/s）远远优于当今业界所采用的技术。研究人员并在文中指出，如果将这一制程转换为卷对卷制造，就可能让低成本量产电子成为现实。

例如，MIT研究团队印刷了透明电极的导电网络——这是连接至LCD、LED、触控屏幕面板或太阳能电池等应用的关键层。在利用蜂巢图案化奈米多孔隙压印的单一柔版印刷步骤中，研究人员能以相邻孔隙之间至少3μm的线宽印刷薄层的Ag蜂巢图案，并达到94%（从200-800nm）的透明度，以及3.6Ω/sq的电阻。印刷图案表现出相当均匀的奈米级厚度，大约从5至50nm。

（左上）最小内部线宽为3μm的蜂巢结构CNT压印放大像。配合光学显微镜图像的机制显示各种不同条件下的CNT压印，干燥的、涂染油墨的以及溶剂蒸发后在玻璃基板上形成的印刷图案。（来源：MIT）

压印特性（左上）的图像图，以及线宽约20-150μm花状图案的印刷Ag NP油墨图案（左下）光学图像图。右边是印刷QD油墨（CdSe/ZnS，5-6nm）图案的荧光显微镜图像图象，具有5μm的最小内部线宽以及11μm的孔隙大小。（来源：MIT）

另一项展示是印刷胶体量子点油墨（CdSe/ZnS），具有5μm的最小内部线宽以及直径11μm的孔隙尺寸。

为了确保精确的印刷，以及施加施加合适的印模压力以实现纤薄均匀的结果，研究团队开发出一种模型，考虑压印和基底的粗糙度以及油墨中的奈米颗粒浓度。

在此研究中，印刷图案的分辨率可能受限于所使用的微影设备分辨率，研究人员认为，采用单壁CNT明显较小（1-2nm）的直径与间距，可望有助于将柔性印刷推向次微米的特性。

研究人员期，多层的卷对卷印刷途径可望以低本的工业规模实现完整的电路与能量采集解决方案。其应用领域包括从食品包装上无所不在的感测器，到印刷在玻璃窗上的天气监测解决方案。

在整个印刷过程中，将油墨从奈米多孔压印转移到目标基板