Удосконалення конструкцій книжкових оправ та оптимізація технології їх виготовлення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення конструкцій книжкових оправ та оптимізація технології їх виготовлення

Львів-2002

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Cучасне книговидання в Україні вимагає підвищення рівня зовнішнього оформлення та удосконалення технології виготовлення книжкових оправ з метою забезпечення їх конкурентоспроможності, зручності у користуванні, міцності та довговічності. Здійснення цих завдань можливе завдяки впровадженню нових конструкцій оправ, сучасних поліграфічних матеріалів, систем комп'ютерного керування технологічними процесами у брошурувально-палітурному виробництві (БПВ).

Удосконалення технології виготовлення книжкових оправ вимагає виконання комплексних досліджень фізико-механічних, технологічних та експлуатаційних властивостей матеріалів; розробки нових конструкцій оправ, покращення їх ергономічних, естетичних та експлуатаційних показників. Актуальність даної роботи полягає в оптимізації технології виготовлення книжкових оправ, що сприятиме збільшенню терміну їх експлуатації, покращенню якості поліграфічного виконання, раціональному використанню палітурних матеріалів. Існуюча проблема є актуальною не лише з точки зору її технічного вирішення у поліграфічному виробництві, але й з огляду на підвищення вимог до рівня оформлення книжкової продукції.

Науковою задачею даної роботи є необхідність розробки конструкцій книжкових оправ підвищеної міцності і довговічності, які б відповідали реальним умовам їх експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає науковому напряму досліджень кафедри технології друкарсько-обробних процесів Української академії друкарства (УАД) і переліку тематики УАД «Квалілогія книги» у контексті Державної програми розвитку національного книговидання і преси України, затвердженої Указом Президента України №58/95 від 28 лютого 1995 року. Вона виконувалась у рамках госпдоговору «Розробка та впровадження комплексної системи, методів оцінки і забезпечення якості книжкової продукції» (тема №970-97) із книжковою фабрикою Атлас (м. Львів), в якій автор розробляв методику оцінювання експлуатаційних показників книжкових оправ.

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження - розробка технології виготовлення нових конструкцій книжкових оправ та оптимізація їх експлуатаційних параметрів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

провести аналіз сучасного стану та тенденцій удосконалення технології виготовлення книжкових оправ і визначити конструктивні, технологічні та експлуатаційні показники, які впливають на якість книжкових оправ;

розробити нові конструкції книжкових оправ, технологію їх виготовлення і провести аналіз їх експлуатаційних і техніко-економічних показників;

дослідити фізико-механічні і технологічні властивості сучасних палітурних матеріалів та їх вплив на міцність і довговічність книжкових оправ;

виявити особливості плоского склеювання палітурних матеріалів у процесі виготовлення книжкових оправ і ламінування дубльованими термоплівками;

провести оптимізацію процесів розкрою палітурних матеріалів і ламінування книжкових оправ.

Об'єктом дослідження є технологічний процес виготовлення книжкових оправ і їх оздоблення способом ламінування.

Предметом дослідження є конструкція книжкових оправ, експлуатаційні і технологічні показники обкладинкових матеріалів, оптимізація технологічних параметрів їх розкрою і ламінування.

Методи дослідження. Для виконання поставленої мети автором використані статистичні методи контролю для аналізу кваліметричних показників книжкових оправ; фізико-механічний аналіз для дослідження міцності та довговічності оправ; рентгеноструктурний аналіз, оптична та електронна мікроскопія для дослідження особливостей плоского склеювання і ламінування. Обробка експериментальних даних здіснювалася за допомогою математичного редактора Maple V, а для оптимізації технологічних процесів розкрою і ламінування обкладинок використано методи математичного моделювання (метод найменших квадратів та цілочисельне лінійне програмування).

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено класифікацію книжкових оправ за кількістю основних і додаткових конструктивних елементів, а також способом приєднання до блока, що стало підставою для створення конструкцій оправ із порожнистим корінцем, які за міцністю і складністю виконання займають проміжне місце між обкладинками і палітурками.

Вперше за допомогою рентгеноструктурного аналізу встановлено глибину проникнення дисперсійних клеїв у пори обкладинкових паперів, що дозволило виявити особливості механізму протікання плоского склеювання і описати їх за допомогою механічної теорії адгезії.

Виявлено закономірності взаємозв'язку режимних і технологічних факторів процесу ламінування обкладинок орієнтованими поліпропіленовими плівками (ОПП) і впливу їх структури на деформацію ламінатів.

Здійснено оптимізацію процесу ламінування обкладинок ОПП плівками, що дозволило зменшити скручування ламінатів без втрати міцності скріплення плівки з папером.

Побудовано математичну модель розкрою палітурних матеріалів із врахуванням технологічних параметрів, що забезпечило зменшення їх відходів.

Практичне значення одержаних результатів. Створено і запатентовано конструкції книжкових оправ з порожнистим корінцем (Патенти України №№25601 A, 29271 А, 32803 А), які міцніші (у 4-6 разів) від обкладинок відомих стандартних конструкцій з «глухим» корінцем.

Розроблено комп'ютерну програму у середовищі Тurbo Pascal 6, для розрахунку оптимальних схем розкладок при розкрої палітурних матеріалів.

Розроблено технологічні схеми виготовлення видань в обкладинках новостворених конструкцій і практичні рекомендації щодо підбору матеріалів для їх виготовлення, які реалізовані в технологічній інструкції «Критво книжкових видань обкладинкою» (затверджені на ВО «Поліграфкнига», м. Київ).

Отримані в процесі математичного моделювання практичні рекомендації щодо оптимальних режимів процесу ламінування апробовані в умовах ВАТ «Бібльос» (м. Львів). Нові конструкції книжкових оправ апробовані на книжковій фабриці «Атлас» (м. Львів).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові ідеї отримані та розроблені автором самостійно. У роботах, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: [5] - опрацювання аналітичної частини, участь в експериментальних дослідженнях; [7] - пошук та аналіз поданої інформації; [8] - [10] - ідеї створення конструкцій книжкових оправ і способів їх виготовлення; [11], [13], [14] - пошук і систематизація поданої інформації.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідалися на 1-ій Міжнародній конференції «Комп'ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали, системи» (Львів, 1998); 38-ій конференції Московського державного університету друку (1998); 2-ій і 3-ій Міжнародних наукових конференціях «Квалілогія книги» (Львів, 1998, 2000); звітних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УАД (1997-2002 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 14 наукових праць, у тому числі три патенти України і навчальний посібник «Конструкція книги» у співавторстві.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Матеріал викладений на 200 сторінках машинописного тексту, містить 63 рисунки, 23 таблиці, п'ять додатків на 34 сторінках. У бібліографії наведено 222 назви літературних джерел.

книжковий оправа розкрій технологія

Зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність роботи, викладені її мета та завдання, наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі аналізуються тенденції удосконалення конструкцій книжкових оправ у сучасному БПВ в Україні і за кордоном:

збільшення варіантів виконання оправ і диференціації у використанні конструкцій оправ, їх оформлення, матеріалів, залежно від призначення і тематики видань, умов експлуатації тощо;

ускладнення конструкцій обкладинок і спрощення конструкції видань у палітурках, що дозволяє говорити про стирання межі між ними;

широке застосування нових матеріалів та способів оздоблення для підвищення художньої виразності видань, які забезпечують також необхідну міцність і довговічність книжок при використанні порівняно дешевих матеріалів (лакування, припресування плівки тощо).

Технологічні аспекти вдосконалення книжкових оправ досліджували Д. Воробйов, І. Корнілов, О. Купцова, Ю. Лебедєв; естетичні - Б. Валуєнко, В. Ляхов, Я. Чіхольд та інші. Проте, не проводилися теоретичні та експериментальні роботи, які б комплексно розглядали проблеми вдосконалення книжкових оправ і оптимізації технології їх виготовлення. Зокрема, недостатня увага приділялась удосконаленню конструкцій книжкових оправ з метою збільшення довговічності видань, не вивчений вплив сучасних матеріалів і способів оздоблення на експлуатаційні показники книжкових оправ.

Розроблено класифікацію книжкових оправ, згідно з якою палітурки поділяються на суцільнокриті (тип 7), складені (тип 5, 8, 9 і бібліотечна) і з однієї деталі (тип 6, Full-Flaps, Integraldecke); обкладинки - на прості з однієї деталі (тип 1, 2, 3), ускладнені з однієї деталі (обкладинки з клапанами) і складені (тип 4). Залежно від способу з'єднання з книжковим блоком, корінець оправи може бути порожнистий або «глухий».

Аналіз способів припресування полімерної плівки показав, що найбільш придатним (за техніко-економічними і споживчими показниками) для оздоблення книжкових оправ є спосіб ламінування дубльованими ОПП плівками, що підтверджує актуальність досліджень закономірностей цього процесу.

У другому розділі здійснено вибір об'єктів дослідження і описані методики теоретичних та експериментальних досліджень.

Зразки книжкових оправ різних конструкцій виготовляли з паперів масою 100-300 г./м² різних виробників (всього 15 марок), а також відбитків, ламінованих ОПП плівками GBS (Голландія). Для дослідження можливості використання у процесі виготовлення книжкових оправ вибрано дисперсійні клеї: полівінілацетатна дисперсія (ПВАД) (№1), модифікована ПВАД (№2), CR Atest (№3), акрилова емульсія (№4), Planatol (№5), Jowaplast (№6)) і термоклеї - ТК-3П (№7), ЛХ-6 (№8), ТК-У (№9), Теплакс 2П (№10).

Дослідження міцності та довговічності оправ розроблених конструкцій проводили на тестері «Зіглох» (Німеччина), використовуючи «Флекс-тест» на багаторазове розкриття сторінок обкладинок. Фізико-механічні властивості обкладинкових паперів досліджували за відомими методиками: на динамометрі РБМ-10 (розривне зусилля і відносне видовження), на фальцері ДФП (міцність на багаторазове згинання), приладі Ельмендорфа (міцність на роздирання), а також їх цупкість, гладкість і проклейку. Фізико-хімічні і технологічні властивості клеїв визначали за стандартними методиками. Якісні показники ламінування визначали за показниками: усадка плівки, міцність ламінування, скручуваність ламінатів, коефіцієнт зміцнення системи «плівка-папір», а також за оптичними властивостями ламінатів: глянець і світлостійкість.

Для дослідження особливостей процесів плоского склеювання і ламінування використовували рентгеноструктурний аналіз (прилад ДРОН-2), електронний мікроскоп РЭМ-200 та оптичний мікроскоп МИН-8.

Для моделювання процесу розкрою палітурних матеріалів використано методи лінійного програмування. Оптимізацію технологічних параметрів ламінування обкладинок ОПП плівками здійснювали методом найменших квадратів із використанням математичного редактора Maple-V. Проведена кількість дослідів забезпечила вірогідність результатів 0,96.

У третьому розділі описано результати досліджень розроблених і запатентованих конструкцій книжкових оправ із порожнистим корінцем. Встановлено, що подвійна обкладинка (рис. 1., а) з так званим порожнистим корінцем забезпечує зміцнення видання на передніх зрізах, по всій площі сторінок і корінцю. Інші розроблені конструкції (рис. 1. б, в) є модифікаціями подвійної обкладинки, мають порожнистий корінець і забезпечують достатню міцність книжкового видання при значно менших витратах матеріалів. Конструкції книжкових оправ з порожнистим корінцем є довговічнішими, а при відкриванні книги не утворюють заломів на корінцю, що характерно для «глухого» з'єднання обкладинки з блоком.

Те, що описані книжкові оправи з'єднуються з книжковим блоком без форзаца дозволяє їх класифікувати як обкладинки, а наявність порожнистого корінця - як палітурки.

Результати досліджень експлуатаційних показників розроблених книжкових оправ показали більшу міцність подвійної обкладинки в 4-6 разів (залежно від виду паперу) у порівнянні з обкладинкою тип 2, яка досягається за рахунок шарнірного з'єднання подвійної обкладинки з книжковим блоком, завдяки чому відбувається перерозподіл зовнішніх навантажень. Економічні розрахунки показали, що при однаковій міцності загальні затрати на видання у подвійній обкладинці менші майже на 20% у порівнянні з витратами на видання в обкладинці з суперобкладинкою.

У четвертому розділі висвітлені результати досліджень фізико-механічних та деформаційних властивостей обкладинкових паперів і підтверджено їх вплив на міцність книжкових оправ. При збільшенні маси обкладинкових паперів їх міцність на роздирання зростає, а на перегинання, навпаки, зменшується. Крім того, значний вплив на міцність паперів має ступінь проклейки. Виявлені залежності дозволяють рекомендувати для виготовлення обкладинок папери масою 100-200 г./м² з проклейкою не менше 1 мм (за штриховим методом).

Дослідження процесу склеювання ламінованих ОПП плівками поверхонь показали, що дисперсійні клеї забезпечують міцність склеювання в межах 17-38 кПа. Дисперсійні клеї №2, №3 і №4 мають достатню адгезію до ламінованих поверхонь, що можна пояснити їх хімічною спорідненістю з ОПП, яка підтверджується відповідними значеннями крайових кутів змочування (табл. 1).

Для склеювання шорстких вбираючих поверхонь важливим фактором адгезійної взаємодії є забезпечення максимального контакту між субстратами, який забезпечується при певній товщині клейової плівки. За клеючою здатністю дисперсійні клеї можна розмістити у ряд: №3 > №4 > №2 > №6 > №5 > №1.

Отже, для виготовлення складених оправ можна рекомендувати дисперсійні клеї №2, №3 і №4, оскільки вони забезпечують достатню міцність склеювання при мінімальному часі загону (табл. 1).

Термоклеї (ТК) характеризуються малим часом загону (6-12 с), що ускладнює їх використання для виготовлення книжкових оправ згідно з традиційним технологічним процесом. Проте, існує можливість використання палітурних матеріалів з попередньо нанесеним шаром ТК. За швидкістю втрати липкості термоклеї можна розмістити в ряд: №10 > №9>№8 > №7.

Особливості взаємодії системи «обкладинковий папір-клей» виявлені за допомогою рентгеноструктурного аналізу. Рентгенограми обкладинкових паперів вказують на наявність у них кристалічних та аморфних структур. Так, для паперу Аляска характерні піки 0,30 нм і 0,39 нм, які відповідають структурі крейди, в межах 24^о-20^о (2 И^о); для паперу Ensogloss - кристалічні піки 0,39 нм в межах 24^о-20^о (2 И^о). Піки 0,42 нм, які відповідають нанесеному на папір клею №2, зникають після першого зрізу для паперу Аляска і після другого - для паперу Ensogloss (рис. 3, а і б).

Таким чином, рентгеноструктурний аналіз дозволив виявити особливості механізму взаємодії дисперсійних клеїв із обкладинковими паперами: клеї проникають тільки у невпорядковані (аморфні) зони паперу, чим можна пояснити утворення менш міцних клейових з'єднань крейдованих сортів паперу.

На основі аналізу результатів досліджень виділено два показники якості ламінування обкладинок: міцність ламінування і ступінь скручування ламінату, а також три основні фактори, які на них впливають: температура, швидкість і товщина паперу. Із підвищенням температури міцність ламінування зростає і, одночасно, збільшується небезпека скручування ламінатів. При збільшенні швидкості міцність ламінування зменшується через скорочення часу контакту між плівкою і папером. Чим товстіший папір, тим більшою повинна бути температура ламінування, чим менша товщина паперу, тим більше він схильний деформуватись. Таким чином, якість ламінування обкладинок визначається міцністю з'єднання плівки з папером і ступенем скручування ламінату.

Деформування ламінатів можна пояснити усадкою ОПП плівок як наслідок температурного впливу при ламінуванні (рис. 4, а). Це підтвердив рентгеноструктурний аналіз, який показав поперечну орієнтацію і зменшення ступеня впорядкування структури плівок, вираженого висотою кристалічних гало (Н_кр..г.), при підвищенні температури.

Мікроскопічні дослідження поперечних зрізів ламінатів показали, що на гладкому крейдованому папері і коли поверхня відбитку вирівняна при багаторазовому накладанні фарби, спостерігається чітка границя між плівкою і папером (рис. 5, а); на відбитках із шорсткуватою поверхнею - границя більш розмита і плівка частково повторює рельєф макронерівностей паперу, за рахунок чого адгезійний зв'язок між ними міцніший (рис. 5, б).

П'ятий розділ узагальнює результати досліджень впливу конструкції, матеріалів і технологічних режимів виготовлення книжкових оправ на їх якість. Побудовано ієрархічно-структурну схему (дерево властивостей) якості книжкової оправи за конструктивними, технологічними та експлуатаційними параметрами, що дозволило виявити найважливіші фактори впливу на якість книжкових оправ.

Проведено дослідження процесу формування якості книжкових оправ статистичними методами, які показали, що невідповідність лінійних розмірів книжкових оправ номінальним становить більше ніж 70% від загальної кількості дефектів, а причиною їх виникнення (у 60% випадків) є неточність розкрою палітурних матеріалів на заготовки. Оскільки аналіз результатів досліджень показав збільшення кількості дефектів з кожною наступною технологічною операцією, було здійснено математичне моделювання процесу розкрою палітурних матеріалів, як такого, що визначає протікання наступних операцій, а, отже, і кінцеву якість книжкових оправ. Економіко-математична модель розкрою палітурних матеріалів з мінімальними відходами має вигляд:

, ,

, , Z>0,

де а_ij - вихід заготовок з j-го варіанту розкрою; х_j - компонент схеми розкрою; b_і, - необхідна кількість заготовок і-го виду; с_j - кількість відходів; Z - сумарна кількість відходів.

Отримана модель лягла в основу програми автоматизованого пошуку оптимальних схем розкрою палітурних матеріалів (за показником кількості відходів і з врахуванням технологічних вимог).

На основі аналізу експериментальних досліджень параметрів ламінування обкладинок ОПП плівками, отримано математичні моделі, які описують міцність ламінування (Q) та скручуваність (С) ламінатів залежно від маси паперу (m), температури ламінування (T) і робочої швидкості ламінатора (V):

З урахуванням технологічних умов:

Q (T, V, m) >20 кПа і С (T, V, m) ?5 мм,

отримали нерівність, яка описує область допустимих температур ламінування:

,

де ,

.

З використанням отриманих математичних моделей розроблено програму «Розрахунок оптимальних режимів ламінування обкладинок», яка дозволяє спростити процес підбору параметрів ламінування із забезпеченням отримання якісної продукції при максимальній продуктивності і мінімальних енергозатратах.

Висновки

У роботі розв'язано наукову задачу розробки конструкцій книжкових оправ підвищеної міцності і довговічності, які б відповідали реальним умовам їх експлуатації і при цьому отримано такі результати:

На основі аналізу фахових вітчизняних і зарубіжних патентних і літературних джерел розроблено класифікацію книжково-журнальних оправ за їх конструктивними ознаками (кількістю деталей, наявністю додаткових конструктивних елементів, способу з'єднання з книжковим блоком).

Розроблено конструкції обкладинок із порожнистим корінцем і технологічні схеми їх виготовлення. Лабораторні та виробничі випробовування новостворених конструкцій книжкових оправ в умовах поліграфічних підприємств показали, що їх міцність і довговічність у 4-6 разів більша у порівнянні з відомими конструкціями. Опрацьовано технологічні інструкції «Критво книжкових блоків обкладинкою». Проведений техніко-економічний аналіз показав, що, при однаковій міцності, загальні затрати на видання у подвійній обкладинці менші майже на 20% у порівнянні із витратами на видання в обкладинці і з суперобкладинкою.

На основі проведених випробувань фізико-механічних показників обкладинкових паперів (всього 15 марок), розроблено рекомендації щодо його вибору для виготовлення обкладинок за показниками:

маса паперу - 100-200 г./м²;

ступінь проклейки - не менше 1 мм (за штриховим методом);

міцність на згинання - не менше 200 подвійних перегинів.

Методом рентгеноструктурного аналізу встановлено характер і глибину проникнення клейових композицій у пори обкладинкових паперів, що дозволило описати особливості механізму протікання процесу плоского склеювання обкладинкових матеріалів на підставі механічної теорії склеювання.

Досліджено вплив режимних і технологічних факторів на якість ламінування обкладинок, а також міцнісні та оптичні властивості ламінатів. Виявлено поперечну орієнтованість структури ОПП плівки. Пояснено механізм скручування ламінатів зменшенням впорядкованості ОПП плівки при збільшенні температури ламінування, що спричиняє усадку плівки. Мікрофотографії поперечних зрізів ламінатів показали, що краща адгезія буде у випадку ламінування відбитків з меншою гладкістю.

Створено структурно-ієрархічну схему формування якісних показників книжкової оправи. Встановлено, що найбільше дефектів (до 45%) при виготовленні книжкових оправ виникає під час проведення технологічної операції розкрою матеріалів на заготовки. Методом лінійного програмування здійснено математичне моделювання процесу розкрою палітурних матеріалів, розроблено програму пошуку оптимальних схем розкрою палітурних матеріалів для їх раціонального використання.

Розроблено математичні моделі, які описують міцність скріплення плівки з папером і ступінь скручування ламінатів, на основі яких створено програму для визначення оптимальних режимів ламінування при певних вихідних умовах, що дозволило спростити процес вибору параметрів ламінування із забезпеченням отримання якісної продукції при максимальній продуктивності процесу і мінімальних матеріальних та енергетичних затратах.

книжковий оправа розкрій технологія

Размещено на Allbest.ru