CC BY
11
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
УДК 655.344 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-3-358-365
ПОДХОДЫ К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ
В ПЕЧАТНОЙ СИСТЕМЕ
Е.Ю. Орлова, И.В. Черная, Ю.М. Султанова, Л.Г. Варепо, О.В. Трапезникова, А.А. Ровенских
Приводены результаты CFD-исследования с использованием VOF метода с открытым исходным кодом Open Foam. Цифровая модель показала, что вытеснение воздушного слоя с поверхности бумажной подложки происходит в первые 0,006 с вместе с формированием газожидкостной смеси у ее поверхности. Модель позволяет анализировать и прогнозировать процесс взаимодействия увлажняющего раствора с поверхностью бумаги в первые 0,013 с которые не воспроизводятся современными измерительными системами. Практическая значимость исследований заключается в осуществлении возможности оценивать параметры увлажняющего раствора, управлять режимами его подачи с учетом применения современных бумаг и печатных систем.
Ключевые слова: ультразвуковой метод, ультразвуковой прибор PDA, увлажняющие аппараты, офсетная печать, программа с открытым исходным кодом
При подходе к прогнозированию взаимодействия компонентов печатной системы, таких как: увлажняющий раствор и бумага, выделены несколько этапов:
слой воздуха вытесняется с поверхности бумаги;
увлажняющий раствор проникает и движется по порам бумаги, сжимая воздух, находящийся внутри;
формируются пузырьки воздуха и начинают двигаться в обратном направлении течения в порах.
В печатных системах дозирование при нанесении увлажняющего раствора на плоскую печатную форму осуществляется валиками увлажняющего аппарата посредством проскальзывания или регулирования скорости их вращения [1]. Для того, чтобы установить обратную связь между дозированием увлажняющего раствора и его толщиной на печатной форме применяются различные системы измерения. Для эффективной работы новых измерительных систем [2] необходимо найти количественные связи между толщиной слоя на валиках увлажняющего аппарата, нанесением его на печатную форму и офсетное резинотканевое полотно с последующей минимальной передачей на запечатываемый материал (бумагу). Для оценки одностороннего смачивания поверхности бумаги наиболее эффективным является ультразвуковой метод [3-10]. Он заключается в создании акустического контакта через слой жидкости и измерении уменьшения интенсивности ультразвука. В ультразвуковом измерительном
358
приборе после погружения образца бумаги в емкость с увлажняющим раствором воздух вытесняется с его поверхности и начинается проникновение увлажняющего раствора в поры бумаги [11]. На время начала взаимодействия увлажняющего раствора с бумагой влияет микрогеометрия поверхности бумаг [12]. Для изучения распределения растворов с учетом микрогеометрии поверхности бумаги могут использоваться изображения, полученные на профилометрах или электронном сканирующем микроскопах [13-17]. Однако ультразвуковой прибор PDA не фиксирует данные в первые 8 мс от начала измерений. Этот временной интервал, возможно, смоделировать в программном обеспечении с открытым исходным кодом. Программный пакет Open Foam с решателем VOF (Version 7) позволяет смоделировать процесс вытеснения воздуха и начало взаимодействия увлажняющего раствора с поверхностью бумаги после того как образец помещен в кювету прибора PDA. Метод объемной жидкости, реализуется в пакете Open Foam и определяет границу как свойство поля объемной доли жидкости. Межфазная граница размыта и представляет собой область, где объемная доля жидкости находится между 1 и 0 [18].
Схематическое представление связи между смачиванием и проникновением жидкости в бумагу и ее влиянием на передачу ультразвука описывается производителями [9]. В момент времени t=0, когда бумага не смочена, между водой и поверхностью бумаги находится тонкая пленка воздуха[19]. Небольшая часть сигнала отражается этой пленкой. Образец сухой бумаги ослабляет передаваемый сигнал. Полученный сигнал интенсивности ультразвука определяется как 100%.
Для компьютерного моделирования предложено процесс взаимодействия бумаги с увлажняющим раствором разделить на несколько этапов, а именно: вытеснение слоя воздуха с поверхности бумаги, проникновение и течение жидкости в порах бумаги с одновременным сжатием воздуха в порах, формирование пузырьков воздуха и движение их в обратном направлении. Измерения на приборе PDA позволили найти время соответствующее t max, после которой начинается набухание волокон бумаг [12].
Постановка задачи исследования заключается в изучении возможностей и эффективности метода конечных объемов в двухфазном режиме при моделировании момента взаимодействия увлажняющего раствора с поверхностью бумаги в измерительной кювете рис. 1 ультразвукового прибора PDA.
Результаты экспериментов. На рис. 2 представлена конфигурация двумерной модельной задачи, которая имеет следующие допущения: за стенки кюветы приняты подложка, несущая образец, а так же нижняя граница жидкости поз.1, которая совпадает с уровнем нижней кромки несущей бумагу подложки. Модель имитируют выдавливание воздуха захваченного образцом бумаги и некоторый объем воздуха, захватываемый в жидкость с нижней кромкой бумаги.
Модель представлена в виде резервуара длиной 45.5 мм и высотой 92 мм. На правой стенке резервуара закреплен образец бумаги толщиной 0.14 мм нижний край, которого находится на высоте 18 мм от дна резервуара.
Область для расчета создана с помощью утилиты blockMesh и представлена в виде трех блоков - гексаэдров. Гексаэдры включают 80 ячеек в направлении Х и Y с градиентом на уменьшение по оси Х от 0,1 до 0,5. Фаза жидкости помещена внутри кюветы. Высота столба жидкости установлена 56 мм. Толщина слоя воздуха между бумагой и фазой воды для компьютерной симуляции принята 0,05 мм. Толщина бумаги и толщина захваченного слоя воздуха под нижней кромкой бумажного образца приняты 0,14 мм [20]. Файл граничной геометрии содержит пять патчей границ: leftWall - стенка кюветы, rightWall - подложка, на которой закреплен образец, lowerWall - уровень нижней кромки подложки несущей бумагу, atmosphere, патч FrontandBack обозначен как empty (пустой) и не решается в этом двумерном случае. Все компоненты скорости равны нулю, потому что до момента времени t=0 движение отсутствует. Влияние сил поверхностного натяжения жидкости к стенкам не учитывается. В моделировании турбулентности установлен ламинарный тип. Вычисления проводятся с использованием ре-
шателя тХегБоат. Время окончания симуляции - 0,025 с, шаг по времени симуляции -1- 10_3 с и 10_4 с. Кинематическая вязкость увлажняющего раствора принята 1 10_4 м2/с; плотность р = 1 103 кг/м3.
уровень жидкости
т
Рис. 1. Схема погружения образца бумаги
в кювету с увлажняющим раствором ультразвукового измерительного прибора: 1 — кювета; 2 — источник ультразвукового сигнала; 3— поверхность, несущая образец; 4 — образец бумаги
Рис. 2. Эскиз для компьютерной модели: 1 — граница жидкости представлена в виде стенки
Результаты и их обсуждение. В момент времени 1=0 столб жидкости, имеющий вертикальное ограничение по линии с координатами (0 0 0)(0.4531 0.056 0.001), начинает движение в правую сторону к образцу, где на поверхности удерживается воздушная прослойка. Начиная от времени 0,007 с жидкость соприкасается с поверхностью образца (рис. 3).
В интервале от 0,002 до 0,005 с воздух вытесняется и формируется газо-жидкостная фаза, взаимодействие которой происходит по некоторым площадкам в интервале времени между 0,009 с и 0,013 с. Согласно данным производителя ультразвукового прибора, в этой фазе начинают набухать волокна бумаги [12] (рис.4).
На рис. 5-8 представлены численные результаты для скалярной величины скорости Ш и давленияp при расчетах с шагом 0,001 с и 0,0001с.
Графики скалярного поля Их, представляющие х компоненту скорости вдоль вектора, проведенного между точками координат 1(0; 0,045; 0,001) и 2(0,0455; 0,045; 0,001) построены для двумерной модели (рис 5-8). Вектор проходит параллельно оси Х и совпадает с центрами передатчика и приемника ультразвукового сигнала.
Между координатами 1(0; 0,045; 0,001) и 2(0,0455; 0,045; 0,001) скорость Их принимает отрицательные значения. Такое изменение, предположительно, возникает вследствие движения жидкости в обратном направлении после столкновения с поверхностью бумаги. Для склярной величины скорости Их, давления р и давления изменение шага расчета с 0,001с на 0,0001 с показало значительные изменения графиков и результатов вычислений для значений времени X = 0.002 с, X = 0.005 с, 1 = 0.013 с, X = 0.025 с при похожей визуализации происходящих процессов.
Рис. 3. Визуализация взаимодействия увлажняющего раствора с образцом бумаги в пакете Para View для времени t=0,007 с
_ 10е+00
Г
0.4 |
г о
-04 %
M "
■-0,2
' ООсмОО
Рис. 4. Визуализация взаимодействия увлажняющего раствора с образцом бумаги в пакете Para View для времени t=0,013 с
Рис. 5. График зависимости давления р от ширины кюветы Ь для времени 1=0,009 с, шаг расчета 0,001с
1Л
£ м
.У
0.Й25
L[m]
Рис. 6. График зависимости давления p от ширины кюветы L для времени t=0,009 c, шаг расчета 0,0001с
0.(144 0.0*145 0.CI45
Цт]
Рис. 7. График зависимости давления p от ширины кюветы L для времени t=0,013 c, шаг расчета 0,001с
Рис. 8. График зависимости давления p от ширины кюветы L для времени t=0,013 c, шаг расчета 0,0001с
Заключение. Моделирование с использованием программного пакета Open Foam является информативным инструментом численных исследований. Меняя входные данные можно изучать и прогнозировать процесс движения увлажняющих растворов по направлению к поверхности бумажного образца и взаимодействие с ним в измерительной кювете прибора PDA в промежуток времени, который не фиксируется. Численный расчет показал, что заданная толщина воздушной пленки, которую образец захватывает с собой при погружении значительно мал, по отношению к размерам кюветы и неудобен для расчета, т. к. дает математические погрешности при изменении шага расчета с 0,001 на 0,0001 с. В этой модели сложно учитывать микрогеометрию поверхности бумажного образца. Рекомендуется моделировать небольшие участки, где происходит взаимодействие жидкости с поверхностью образца с учетом ее шероховатости.
Из визуализации расчетов в пакете ParaView установлено, что удаление воздушного слоя прилегающего к поверхности бумаги, происходит мгновенно и занимает 0,006 с и далее формируется газо-жидкостная смесь у поверхности бумаги, которая постепенно отводится. Отрицательные значения скорости жидкости предполагают ее движение в кювете в противоположном направлении после столкновении с поверхностью бумаги по отношению к вектору, проведенному между точками координат 1(0; 0,045; 0,001) и 2(0,0455; 0,045; 0,001). Численная модель взаимодействия увлажняющего раствора на границе раздела «жидкость-воздух» с поверхностью бумаги в измерительной кювете прибора PDA успешно протестирована. Модель, созданная в программном пакете OpenFoam с использованием VOF метода, может применяться для визуализации и оценки времени начала взаимодействия увлажняющего раствора с поверхностью бумаги, но требует дополнительной проверки математической точности.
Список литературы
1. Орлова Е.Ю. Исследование параметров пленочных увлажняющих аппаратов: монография. М.: МГУП имени Ивана Федорова, 2013. 252 с.
2. Герценштейн И.Ш., Углев А.В, Орлова Е.Ю. Применение емкостного метода для контроля подачи увлажняющего раствора в офсетных печатных машинах // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2018. № 2. С. 13-20.
3. Губарев А. А., Шишкина Н.И. Ультразвуковые методы оценки гидрофобно-сти печатных сортов бумаги // Труды БГТУ. Минск: БГТУ, 2012. № 9. С. 52-55.
4. PDA.C 02 MST - Module standart [Электронный ресурс]. URL: https://www. emtec-electrQnic.de/en/pda-c-02-mst-mQdule-standard.html (дата обращения: 14.09.2020).
5. Gigac Juraj, Stankovska Monika and Kasajová M. Interactions between offset papers and liquids // Wood research. 2011. 56. P. 363-370.
6. Stankovska Monika and Gigac Jurai. Ultrasound device for measurement of liquids penetration dynamics. Papir A Celuloza. 2016. 71.
7. Stankovska M., Kasajová M. Characterization of papers by wetting and dynamic penetration of liquids IX // Int. Symposium. Selected Processes at the wood processing, 2011. P. 52-64.
8. Oliver J., D'Souza E., Hayes R.E. Hayes 2002 Application of Ultrasonic and Porometric Techniques to Measure Liquid Penetration in Digital Printing Papers // International Conference on Digital Printing Technologies. 2002.
9. Климова Е., Комарова Л., Шабиев Р. Еще раз о бумаге и методах испытания ее свойств // Полиграфия. 2009. № 3. С. 76-77.
10. Shields G., Pekarovicova A., Fleming P.D., Pekarovic J. Papermaking Factors Affecting Lateral Web Position during Commercial Heat Set Web Offset Printing International Circular of Graphic Education and Research, 2018. 11.
11. Alexandra Hodes, Holger Zellmer, Lutz Engisch. Simulation von Ultraschalldämpfungen durch Luftblasen in Fluiden. iP3 Leipzig - Institute for Printing, Processing and Packaging. 2019. 1 -10.
12. Orlova E.Yu., Varepo L.G., Hodes A. Diagnostics of paper - dampening solution printing system parameters for open source software applications J. of Physics: Conf. Series 1546 012023. 2020.
13. Varepo L.G., Brazhnikov A.Yu., Volinsky A.A., Nagornova I.V., Kondratov A.P. Control of the offset printing image quality indices J. of Physics: Conf. Series 858 12038. 2017.
14. Varepo L.G., Brazhnikov A.Yu., Nagornova I.V, Novoselskaya O.A. Methodsof Measurement the Quality Metrics in a Printing System J. of Physics: Conf. Series 998 12040. 2018.
15. Varepo L.G., Nagornova I.V. A study of the process of ink penetration in to paper by electron microscopy // Materials Methodsand Technologies. 2014. 8 P. 134-140.
16. Varepo L.G., Nagornova I.V., Trapeznikova O.V. Application of electronmicroscopy to quality control of surface ink layers Procedia Engineering, 2015. 113. P. 357-36.1
17. Varepo L.G., Borisova A.S., Golunov A.V. Evaluation of surface microgeometry and quality provision of printed materials // Papers of the 42-th Conf.: int. circle of educational institutes for graphic arts technology and management (Moscow, MSUPA). 2010. P. 145-151.
18. Жайнаков А.Ж., Курбфналиев А.Ы. Верификация открытого пакета Open-FOAM на задачах прорыва дамб // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 4. С. 461-472.
19. Peters I.R., Gordillo J.M., D. van der Meer, Lohse D. Supersonic air flow due to solid-liquid impact. Phys. Rev. Lett., 104:0240501, 2010.
20. Орлoва Е.Ю., Целлмер Х., Хoдес А. Истолкование прoграммнoгo пакета OpenFoam для кoнтрoля и прoгнoзирoвания параметрoв взаимoдействия увлажняю-щегo раствoра с шерoхoватoй пoверхнoстью бумаг // Техника и технoлoгия нефтехимическoгo и нефтегазoвoгo прoизвoдства: материалы 10-й Междунарoднoй научнo-техническoй кoнференции. 2020. С. 247-248.
Орлова Елена Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, orrlova@bk.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Черная Илона Витальевна, канд. техн. наук, доцент, ilona1456@,mail.ru , Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Султанова Юлия Михайловна, старший преподаватель, english224@,mail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Варепо Лариса Григорьевна, д-р техн. наук, профессор, larisavarepo@yandex. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Трапезникова Ольга Валерьевна, старший преподаватель, ol-trapeznikova@yandex. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Ровенских Анжела Анатольевна, канд. полит. наук, доцент, angelrov-en@mail.ru, Южная Корея, Тэджон, Университет Джунгбу
APPROACHES TO PREDICTING THE INTERACTION OF COMPONENTS
IN PRINTING SYSTEM
E.Yu. Orlova, I.V. Chernaya, Yu.M. Sultanova, L.G. Varepo, O. V. Trapeznikova, А.А. Rovenskikh
One of the important tasks of design and operation of any machines is to ensure reliable operation of each node. In printing machines, much attention is paid to the sheet transfer system. The most common way to transfer a sheet in a cylinder is by means of grippers. In this case, a large role is played by the support rollers, which are subject to significant wear during operation.
Key words: rolling bearing, printing pair, printing machine.
Orlova Elena Yurievna, candidate of technical sciences, docent, orrlova@bk.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Chernaya Ilona Vitalievna, candidate of technical sciences, docent, ilo-na1456@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Sultanova Yulia Mihailovna, senior lecturer, english224@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Varepo Larisa Grigorievna, doctor of technical sciences, professor, larisava-repo@yandex. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Trapeznikova Olga Valerievna, senior lecturer, ol-trapeznikova@yandex. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Rovenskikh Anzhela Anatolievna, candidate of political sciences, professor, an-gelrovenamail.ru, South Korea, Taejon, University Joongbu
УДК 655.3.6:678.674 Б01: 10.24412/2071-6168-2021-3-365-370
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК В ПЕЧАТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ
А.В. Чиженко, Е.А. Вилкова, Е.Г. Шаймарданов, Е.Б. Баблюк
Рассматрены подходы к выбору конструкции коронирующих устройств для обработки пленок из полиэтилентерефталата, предназначенных для изготовления изделий печатной электроники. Обоснован выбор материалов для изготовления коронирующих электродов, а также их конструкция. Даны рекомендации по выбору материала диэлектрического покрытия заземленного электрода.
Ключевые слова: пленка из ПЭТФ, коронный разряд, конструкция коронато-
ров.
Важное звено проблемы повышения качества изделий печатной электроники -создание гибкой прозрачной подложки с высокой адгезионной способностью к функциональным слоям. В настоящее время наиболее часто в качестве подложки изделий печатной электроники используют двухосно-ориентированные и термофиксированные пленки из полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Однако будучи гидрофобным полимером, ПЭТФ не способен к сильному адгезионному взаимодействию с гидрофильными композициями функциональных слоев изделий печатной электроники. Известно много способов повышения гидрофильности полимерных пленок, в том числе из ПЭТФ [1-3]. Из них наиболее эффективен способ активации пленок из ПЭТФ коронным разрядом [4,5]. Для успешной реализации способа активации пленок из ПЭТФ необходимо предложить конструкцию коронирующего устройства с параметрами его элементов позволяющими наиболее эффективно осуществлять активацию поверхности. В ряде работ [68] приведены конструкции коронирующих устройств, но из этих данных не ясно, каким особенностям нужно отдать предпочтение и как эти особенности будут влиять на адгезионные свойства пленок из ПЭТФ.
В качестве объекта исследования использовали пленку из ПЭТФ, ориентированную в двух взаимно перпендикулярных направлениях толщиной 65 мкм, изготовленную по ГОСТ 24234-80. Гидрофильность поверхности пленки оценивали по величине краевого угла смачивания дистиллированной водой. Обработку поверхности пленки проводили в переменном поле частотой 40 кГц на специальной лабораторной установке (рис.1).
Исследования показали [9], что при обработке ПЭТФ пленок коронным разрядом на ее поверхности индуцируется электрический заряд. Этот заряд распределяется неравномерно, что приводит к сильному разбросу гидрофильных свойств на активированной поверхности. Покрывая заземленный электрод слоем диэлектрика, как это показано в работе [9], удается снизить неравномерность распределения заряда и краевого угла смачивания по поверхности ПЭТФ пленки после её активации. На рис. 2 представлена диаграмма изменения гидрофильности поверхности по ширине пленки на образцах, обработанных коронным разрядом с применением диэлектрического покрытия
365
