Techniki drukowania opakowań

1. Streszczenie

W artykule scharakteryzowano techniki drukowania opakowań i materiałów opakowaniowych. Opakowania drukowane są najliczniejszą i najbardziej zróżnicowaną grupą produktów poligraficznych. Przestawiono wszystkie możliwe kombinacje łącznie z drukowaniem cyfrowym, analogowym i kombinowanym. Skupiono się na analogowych technikach drukowania opakowań. Scharakteryzowano najczęściej stosowane techniki drukarskie. W związku z powyższym omówiono zakres stosowania technik do drukowania materiałów opakowaniowych z których są formowane opakowania o różnych kształtach i gotowych zadrukowywanych opakowań (kształtki). Stosowane techniki poligraficzne zostały podzielone na cztery podstawowe grupy: technikę drukowania wypukłego, technikę drukowania wklęsłego, technikę drukowania płaskiego oraz  technikę drukowania farboprzenikalnego. W ramach technik podstawowych występują techniki pochodne, które stosowane są do drukowania  opakowań i materiałów opakowaniowych. W związku z tym przedstawiono zakres stosowania takich technik jak: typografia, fleksografia, typooffset, offset, rotograwiura, tampondruk i sitodruk.

2. Wprowadzenie

Opakowanie drukowane jest jednym z produktów poligraficznych. Opakowania drukowane to najliczniejsza i najbardziej zróżnicowana grupa produktów poligraficznych.

Są one zadrukowywane wszystkimi dostępnymi technikami drukowania
- tak analogowymi, jak i cyfrowymi lub/i kombinowanymi. W przypadku
opakowań drukuje się gotowe opakowania (kształtki, etykiety) lub
materiały opakowaniowe, z których formuje się opakowania o różnych
kształtach. Nie wszystkie techniki poligraficzne są powszechnie
stosowane do drukowania opakowań, przykładowo staloryt (drukowanie
wklęsłolinijne) stosuje się najczęściej do drukowania banknotów i
znaczków pocztowych - czasami bywa także stosowany do drukowania
ekskluzywnych etykiet.

Rodzaj zastosowanej techniki drukowania zależy od materiału i kształtu
zadrukowywane gopodłoża. Poniżej zostaną scharakteryzowane klasyczne (analogowe) techniki drukowania opakowań. W związku z
powyższym ich opis należy rozpocząć od klasyfikacji technik drukowania
[Jakucewicz Stefan. 2015. Techniki drukowania opakowań.
Opakowanie 2: 68 – 79].

3. Klasyfikacja technik drukowania

Przemysłowe techniki drukowania dzieli się współcześnie na:
analogowe (klasyczne) i cyfrowe. Jedną z różnic pomiędzy technikami
analogowymi i cyfrowymi jest brak materialnych form drukowych w
przypadku tych ostatnich.

Drukowanie analogowe (klasyczne techniki poligraficzne) to proces
polegający na wielokrotnym powieleniu obrazu z formy drukowej na
podłoże przy użyciu farby drukarskiej. Koszt jednostkowy odbitki
drukarskiej maleje wraz z nakładem - oczywiście w ramach wytrzymałości
nakładowej formy, która to wytrzymałość jest zwykle wysoka. Jej
wysokość zależy od stosowanej techniki.

Drukowanie cyfrowe charakteryzuje się następującymi cechami:

• materiały przeznaczone do drukowania są dostarczane do
  urządzenia drukującego w postaci danych komputerowych;
• komputerowy zapis cyfrowy pozwala na drukowanie bezpośrednie
  lub poprzez nośnik pośredni;
• w przypadku występowania nośnika pośredniego obraz znajdujący
  się na nim jest kasowany i zapisywany na nowo po każdym cyklu
  drukowania;
• istnieje możliwość zmian dowolnych elementów graficznych lub
  tekstowych dla każdej kolejnej odbitki (personalizacja);
• brak w urządzeniu formy drukowej (swoistą formą drukową jest sam
  zapis cyfrowy).

Obraz drukowany tworzony jest w cyfrowej maszynie drukarskiej i to
bezpośrednio w miejscu, z którego rozpoczyna się drukowanie. Koszt
jednostkowy odbitki drukarskiej jest stały bez względu na wysokość
drukowanego nakładu.

Podział analogowych technik drukowania oparty jest na wzajemnym
położeniu względem siebie elementów drukujących formy (przenoszących
farbę na zadrukowywane podłoże) i niedrukujących (nieprzenoszących
farby drukowej).

Rys. 1. Podział analogowych technik drukowania:

a) technika drukowania wypukłego,
b) technika drukowania wklęsłego,
c) technika drukowania płaskiego,
d) technika drukowania farboprzenikalnego;

1 – forma drukowa, 
2 – zadrukowywane podłoże,
3 – farba drukowa,
4 – cylinder dociskający,
5 – rakiel

4. Przemysłowe techniki drukowania

Zgodnie z normą ISO 12637-1:2008 [Norma ISO 12637-1:2008 Graphic technology - Vocabulary - Part] techniki te dzielone są na: bezfarbowe, bezformowe i z formą. Te ostatnie to techniki klasyczne czyli, tzw. analogowe, niestety techniki drukowania cyfrowe występują w obu pierwszych grupach.

W przypadku technik analogowych, czyli z formą, wyróżniamy cztery rodzaje technik drukowania. Podział ten jest oparty na wzajemnym względem siebie położeniu elementów formy drukowej przenoszących farbę drukową i nieprzenoszących jej na zadrukowywane podłoże.

Istnieją więc:

• technika drukowania wypukłego: drukowanie fleksograficzne, typograficzne i typooffsetowe;
• technika drukowania wklęsłego: rotograwiura, drukowanie tamponowe i wklęsłolinijne;
• technika drukowanie płaskiego: offset arkuszowy i offset zwojowy CSWO i HSWO;
• technika drukowania farboprzenikalnego: sitodruk i risografia.
  Do drukowania opakowań (w tym etykiet, które są do nich zaliczane) teoretycznie mogą być stosowane wszystkie powyższe techniki drukowania. 

Jednakże zastosowania przemysłowego w zadrukowywaniu opakowań nie znajdują: offset zwojowy HSWO, drukowanie wklęsłolinijne i risograficzne. Powszechnie stosowane jest natomiast niewymienione w powyższej klasyfikacji drukowanie offsetowe (zarówno zwojowe, jak i arkuszowe), w przypadku którego używa się farb utrwalanych promieniowaniem UV, poza drukowaniem kserograficznym (niestosowane do drukowania opakowań), jest to jednak problem klasyfikacji, a nie techniki. Na rys. 1. Przedstawiono podział klasycznych technik drukowania.

5. Techniki cyfrowe są zazwyczaj dzielone na:

• elektrofotograficzne (ze wszystkimi odmianami, takimi jak elektrograficzne, elektrostatyczne itp.);
• natryskowe (tj. inkjet): ciągły, kropla na żądanie;
• termotransferowe: z nośnikiem woskowym, termosublimacyjne;
• elkograficzne, strumieniem elektronów, magnetograficzne.

W druku opakowań i materiałów opakowaniowych praktyczne zastosowanie znalazły: technika elektrofotograficzna (bezpośrednia i pośrednia), technika natryskowa, termograficzna bezpośrednia oraz termotransferowa z nośnikiem pośrednim. Teoretycznie pozostałe techniki drukowania cyfrowego także mogą być wyjątkowo zastosowane do drukowania specyficznych rodzajów opakowań. Spotyka się często techniki hybrydowe (maszyny) łączące techniki analogowe z cyfrowymi.

6. Techniki pochodne analogowych technik podstawowych

Technika drukowania wypukłego charakteryzuje się tym, że wszystkie powierzchnie drukujące (przenoszące farbę) są położone wyżej niż niedrukujące (niepokryte farbą). Technikami fleksografia i typooffset.

Drukowanie typograficzne (typografia) charakteryzuje się tym, że obraz przenoszony jest na podłoże za pomocą nacisku. Dla zapewnienia równomiernego nacisku formy walec lub powierzchnia dociskająca wyposażone są w tzw. obciągi, czyli elastyczny materiał, który niweluje ewentualne różnice wysokości.

Formy mogą być wykonane z metalu lub z tworzyw sztucznych (fotopolimerów), a farby są maziste lub półciekłe. Techniką tą drukowane są obecnie etykiety samoprzylepne, sporadycznie gazety lub inne nieskomplikowane druki na papierze. Nie wykonuje się nią druków wielobarwnych, ale jedno- i wielokolorowe.

Druki jednokolorowe to takie, które mają jedną barwę na tle. Druki, które mają na tle więcej niż jedna barwę, nazywa się wielokolorowymi. Druki jednotonalne mają takie samo nasilenie barwy we wszystkich miejscach, na drukach wielotonalnych w różnych miejscach występuje różne nasilenie danej barwy. Druki wielobarwne są drukami wielotonalnymi wielokolorowymi.

Drukowanie fleksograficzne (fleksografia) używa elastycznych form drukowych (fotoreliefowych albo grawerowanych w elastomerze). Stosuje się tu ciekłe farby, a cylindry dociskowe nie mają obciągów. Naciski tu stosowane są 4 do 5 razy niższe niż w typografii. Tą techniką wykonuje się druki na materiałach opakowaniowych: foliach z tworzyw sztucznych, foliach aluminiowych, papierach, tekturach falistych, laminatach. Tą techniką wykonywane są druki jedno- i wielobarwne.

7. Techniki pochodne analogowych technik podstawowych

Drukowanie typoofsetowe (letterset), zwane również suchym offsetem, jest techniką pośrednią – obraz z wypukłej formy drukowej przy pomocy mazistej farby przenoszony jest przez obciąg gumowy (offsetowy) na zadrukowywane podłoże.

Tą techniką drukowane są akcydensy informacyjne, tkaniny, tworzywa sztuczne (głównie kształtki: kubki, wieczka, karty plastykowe, etykiety, owijki, nalepki itp.) oraz metalowe puszki napojowe (rys. 3. i 4.) i kształtki typu tuby, pojemniki aerozolowe itp. Stosuje się tu druk jedno- i wielobarwny.

Technika drukowania wklęsłego (wklęsłodruk) wyróżnia się tym, że elementy drukujące formy są zagłębione, czyli położone niżej niż elementy niedrukujące (równe i gładkie). Farbą pokrywa się całą formę, a następnie rakiel (czyli nóż zgarniający) zbiera farbę z powierzchni niedrukujących, pozostawiając ją tylko we wgłębieniach, i przenoszony jest na podłoże. Wyróżniamy tu techniki pochodne drukowania: rotograwiurowe, wklęsłolinijne i tamponowe.

Drukowanie rotograwiurowe (rotograwiura) jest techniką typowo rotacyjną, tzn. forma ma zawsze postać cylindryczną.

Współcześnie formy rotograwiurowe otrzymywane są na drodze elektromechanicznego grawerowania, grawerowania laserem, grawerowania laserowego w warstwie maski (pośrednie) + trawienie.

W rotograwiurze do drukowania stosuje się farby ciekłe. Tym sposobem można zadrukowywać zwoje i arkusze. Najczęściej spotykane zastosowanie to drukowanie zwojów papieru (wielobarwne czasopisma) i folii opakowaniowych (zadrukowane wielobarwnie lub wielokolorowo materiały do produkcji opakowań giętkich). Otrzymywane druki rotograwiurowe charakteryzują się wysoką jakością. Rotograwiura stosowana jest do zadrukowania podłoży chłonnych (papier i jego laminaty) oraz niechłonnych (folie opakowaniowe). Ostatnio daje się zauważyć renesans rotograwiury arkuszowej. Jest ona stosowana do drukowania tektur wielowarstwowych (FBB) przeznaczonych głównie do produkcji wysokojakościowych typu premium pudelek składanych.

8. Techniki pochodne analogowych technik podstawowych

Drukowanie wklęsłolinijne to drukowanie wklęsłe z oryginałowych płytek stalorytniczych (wykonywanych ręcznie przez artystę rytownika) zwielokrotnianych mechanicznie lub galwaniczne albo w inny sposób (trawienie, odcisk w tworzywie) zwielokrotnianych galwanicznie.

Drukowanie wklęsłolinijne stosowane jest do drukowania znaczków pocztowych, banknotów oraz różnego rodzaju papierów wartościowych. W tej technice nie jest stosowany rakiel – nadmiar farby usuwa się przez jej wycieranie papierem, płótnem, filcem lub elastycznym wałkiem.

Do drukowania stosowane są farby maziste o dużej lepkości. Zadrukowywać można zarówno zwoje, jak i arkusze papieru.

Drukowanie tamponowe jest drukowaniem pośrednim stosującym płaskie wklęsłe formy i element elastyczny przenoszący ciekłą farbę na zadrukowywaną kształtkę. Element ten, wykonany najczęściej z gumy silikonowej, zwany jest tamponem.

Kształtka nazwa się formę przestrzenną podlegającą zadrukowaniu, np. zapalniczki, długopisy, kubki itp. Kształtki mogą być wykonane zarówno z materiału chłonnego, jak też niechłonnego.

Formy do drukowania tamponowego wykonywane są w różnych materiałach różnymi sposobami od chemicznego trawienia do elektronicznego grawerowania.

9. Techniki pochodne analogowych technik podstawowych

Technika drukowania płaskiego charakteryzuje się tym, że powierzchnie drukujące i niedrukujące położone są na formie drukowej na tej samej powierzchni, różnią się tylko właściwościami.

Powierzchnie drukujące przyjmują farbę, zaś powierzchnie niedrukujące nie przyjmują jej.

W najczęściej stosowanych technikach pochodnych drukowania płaskiego powierzchnie niedrukujące mają właściwości zwane hydrofilowymi, tzn. przyciągają wodę, która pokrywa je cienką równomierną warstwą. Powierzchnie drukujące mają właściwości zwane oleofilowymi, tzn. przyciągają tłustą farbę, która pokrywa je cienką równomierną warstwą. Ze względu na fakt, że woda i tłuszcz nie mieszają się ze sobą, ale odpychają się wzajemnie, powierzchnie niedrukujące, tzn. hydrofilowe, są równocześnie oleofobowe, tzn. odpychają tłustą farbę, zaś powierzchnie drukujące, tzn. oleofilowe, są równocześnie hydrofobowe, tzn. odpychają wodę. Na tym zjawisku opiera mechanizm drukowania płaskiego. Forma drukowa mysi być wykonana tak, by miała spreparowane na swej powierzchni miejsca przyjmujące wodę oraz miejsca przyjmujące tłustą farbę.

W drukowaniu płaskim na powierzchnię formy drukowej nanosi się wałkami najpierw wodę. Pokrywa ona tylko powierzchnie drukujące.

W drugim etapie drukowania do formy drukowej zostaje dociśnięte zadrukowywane podłoże, najczęściej papier. Farba z powierzchni drukujących oraz woda z powierzchni niedrukujących przechodzą na zadrukowywane podłoże.

W trzecim etapie farba wysycha, wysycha też woda, nie pozostawiając śladu. Tym samym drukowanie zostaje zakończone, powstaje gotowy druk.
Stosowanymi w skali przemysłowej technikami pochodnymi drukowania płaskiego są: offset i technika kserograficzna.

Technika drukowania offsetowego jest rotacyjnym drukowaniem pośrednim. Występuje ona w dwóch głównych wariantach – jako technika arkuszowa i zwojowa.

10. Techniki pochodne analogowych technik podstawowych

Drukowanie offsetowe arkuszowe jest współcześnie dzielone na drukowanie z nawilżaniem formy (wariant klasyczny zwany po prostu offsetem) oraz drukowanie offsetowe bez nawilżania zwane waterless offset.

W drukowaniu tym stosowane są farby maziste o dużej lepkości, typu olejowego (pokostowego), niezawierające substancji lotnych. Offset arkuszowy jest obecnie podstawową techniką zadrukowywania opakowaniowych materiałów papierowych (papier oraz różnego rodzaju tektury wielowarstwowe i lite). Offset arkuszowy stosowany jest także do drukowania płyt i arkuszy sztywnych z tworzyw sztucznych oraz do drukowania blachy.

Drukowanie offsetowe zwojowe występuje współcześnie w dwóch wariantach: jako CSWO i HSWO. Żaden z wariantów drukowania offsetowego zwojowego nie jest stosowany do drukowania materiałów opakowaniowych i opakowań.

11. Techniki pochodne analogowych technik podstawowych

Drukowanie kserograficzne zaliczane jest do technik płaskich, choć jego działanie opiera się na innej zasadzie niż drukowanie offsetowe. Zasada ta wykorzystuje właściwości elektrostatyczne niektórych materiałów. Formą drukową jest cylinder lub rzadziej płyta metalowa, pokryta warstwą fotoprzewodzącą.

Warstwa ta w ciemności nie przewodzi prądu elektrycznego, jest izolatorem, a po naświetleniu staje się przewodnikiem prądu elektrycznego. Najpierw forma zostaje w ciemności naładowana jednoimiennymi ładunkami elektrostatycznymi. Na jej powierzchni powstają równomierne rozłożone ładunki elektrostatyczne. Tak przygotowany cylinder lub płyta zostają naświetlone światłem odbitym od oryginału. Powierzchnie naświetlone warstwy fotoprzewodzącej stają się półprzewodnikiem i ładunki elektrostatyczne spływają do metalowego uziemionego podłoża tej warstwy (cylindra, płyty). Na powierzchniach nienaświetlonych ładunki elektrostatyczne pozostają. Pozostaje niewidoczny obraz utajony z ładunków elektrostatycznych.

Obraz utajony zostaje następnie wywołany wywoływaczem, którym jest zabarwiony bardzo drobny proszek (pył – toner) naładowany ładunkami przeciwnymi do ładunków powierzchni płyty. Pył ten sczepia się z powierzchnią naładowanej warstwy.

Na części powierzchni niemającej ładunków elektrostatycznych pył nie osiada. Pył z warstwy przewodzącej zostaje przeniesiony najczęściej na zadrukowany papier. Przeniesienie następuje przez zastosowanie odpowiedniego pola elektrycznego. Pył na papierze łatwo jest zetrzeć i trzeba go odpowiednio utrwalić. Obecnie utrwalenie następuje głównie przez stopienie, wcześniej było także stosowane utrwalanie przez rozpuszczanie w oparach odpowiednich rozpuszczalników. Po utrwaleniu na powierzchni papieru tworzy się jednolita warstwa barwna, która odgrywa rolę farby. W ten sposób uzyskuje się druk.

Warstwa fotoprzewodząca po przeniesieniu wywoływacza (tonera) na papier zostaje oczyszczona z resztek pyłu, może być powtórnie naładowana i cały proces może zostać powtórzony.

Zasada ta została wykorzystana przy stworzeniu procesu drukowania cyfrowego opartego na elektrofotografii. Współcześnie drukowanie kserograficzne jest stosowane głównie do powielania prac biurowych. Nie stosuje się go do drukowania materiałów opakowaniowych.

12. Techniki drukowania opakowań

Technika drukowania farboprzenikalnego charakteryzuje się tym, że farba przechodzi przez formę drukową na zadrukowywane podłoże. Drukowanie farboprzenikalne ma dwie techniki pochodne:

• drukowanie sitowe;
• drukowanie risograficzne.

Drukowanie sitowe (zwane potocznie sitodrukiem) jest techniką pochodną drukowania farboprzenikalnego, w której proces drukowania odbywa się metodą bezpośrednią lub pośrednią z zastosowaniem formy płaskiej lub cylindrycznej.

Zastosowanie sitodruku jest wszechstronne, służy on do zadrukowywania zarówno kształtek, jak i podłoży płaskich. Praktycznie przy tej technice nie występują żadne ograniczenia względem rodzajów podłoży – można drukować m.in.: kształtki (w tym butelki szklane), blachy, płyty z tworzyw sztucznych, tekturę falistą itp.

Podstawą formy sitodrukowej jest siatka (stąd nazwa tejtechniki) z tworzywa. Najczęściej stosuje się różne fotochemiczne metody wykonywania form sitowych.

Forma powstaje w ten sposób, że miejsca niedrukujące na siatce zakrywa się, tj. tak je preparuje, by nie przepuszczały farby drukowej. W sitodruku stosowane są farby maziste, półpłynne i ciekłe. Lepkość farby zależy od rodzaju zadrukowywanego materiału.

Risografia jest technologią, w której zapis formy dostarczany jest do maszyny drukowej w formie elektronicznej, a następnie zmieniany wewnątrz urządzenia na fizyczną formę drukową, przyjmującą postać perforowanej folii, automatycznie zakładaną na zespół drukujący.

Risografia służy do szybkiego wykonywania druków jednobarwnych, rzadziej wielobarwnych, w nakładach małych i średnich. Jest to typowa technika stosowana do drukowania prac biurowych i niskonakładowych jednobarwnych materiałów naukowych. Technika ta nie jest przeznaczona do drukowania materiałów opakowaniowych.