Михаил Кувшинов,
Александр Коновалов,
компания NISSA

Инвестиции на всю жизнь

Цифровой мир в целом, и цифровая сублимационная печать по тканям в частности, очень подвижен — за считаные годы меняется почти всё. Быстро развиваются технологии создания печатных головок, химики работают над новыми марками и видами чернил. Режущие плоттеры осваивают новые ниши. На этом изменчивом ландшафте гранитной скалой выделяется один тип оборудования — каландровые термопрессы, для краткости каландры*. Это тяжёлые аналоговые машины, хоть теперь и с цифровым управлением, задача которых перенести краситель на (скорее «в», как мы увидим ниже) ткань. Сублимационный перенос требует точного поддержания всех параметров. Прежде всего, постоянной и, ещё важнее, одинаковой по всему барабану температуры. Постоянный, несмотря на случайные внешние воздействия — это на языке физики инертный, массивный. И каландры ведущих мировых производителей — это тяжёлое промышленное оборудование со сроком службы не менее двадцати лет, а в реальности гораздо дольше. Очень может быть, вы замените ваш принтер через три, ну пять лет, а вот каландр вы выбираете надолго. Поэтому так важно сделать это предельно осознанно.

Физика

Физика замечательна тем, что действует одинаково для всех и абсолютно неотвратимо. Физико-химические процессы, происходящие при переносе краски, определяют конструкторские решения, применяемые производителями оборудования. Они могут быть более и менее удачными. Что же именно в каландре происходит, какие параметры важны и почему?

Схема каландра Klievrik
Рис. 1. Схема каландра


Сердце каландра — нагретый до температуры порядка 200°С вращающийся гладкий вал (в центре).

К нему бесконечный фетровый ремень (синий на схеме) прижимает «пирожок» из сублимационной бумаги, запечатанной ранее на принтере, ткани, на которую происходит перенос и защитной бумаги.

Принято говорить, что краска возгоняется с бумаги и оседает на ткани, и это хорошее описание процесса в первом приближении. Мне попался в сети график полноты возгонки. Понятно, это только иллюстрация, так как для разных марок сублимационных бумаг и красок кривые будут заметно другие, но нам важен сам принцип.

Иллюстрация зависимости сублимационного переноса красителя от температуры и длительности контакта
Рис. 2. Иллюстрация зависимости сублимационного переноса красителя от температуры и длительности контакта

На графике три кривые — для разной длительности контакта сублимационной бумаги и ткани в 15, 30 и 60 секунд. По горизонтальной оси абсцисс — температура, по вертикальной оси ординат — процент испарившегося красителя, который очевидным образом связан с насыщенностью цвета готовой ткани.

Видно, что процесс очень сильно зависит от температуры. Если на разных участках вала температура будет отличаться, перенос краски будет разным, разным будет и цвет ткани. Специалисты как Klieverik, так и других производителей говорят о предельно допустимом отклонении температуры поверхности вала в ±  2°С. В любом случае все согласны, что отклонение всего в пару градусов приводит к отклонениям по цвету, хорошо заметным глазу специалиста.

Первое, что приходит в голову при разглядывании графика: а давайте нагреем посильнее! Вся краска испарится, процесс пойдёт быстрее. Именно так. Но дьявол в деталях, и мы не зря говорили о первом приближении. Во втором приближении становится понятно, почему рабочие температуры ограничены и, скажем, 250°С — перебор. Дело даже не в краске. То есть, да, скорее всего, современные краски не будут нормально работать при такой температуре, но можно попытаться изменить рецептуру. Дело в ткани.

Полиэфирные волокна — смесь полимерных цепочек разной длины и, соответственно, разной температуры плавления. Рабочая температура каландра подбирается так, чтобы полимерная смесь ни в коем случае не расплавилась полностью, а лишь размягчилась. Находящаяся в газовой фазе краска растворяется в таком полимере. После остывания образуется твёрдый раствор с краской в слое волокна, устойчивой к стирке и пр.**

Есть и третье приближение. Вспомним, например, что при слишком высокой температуре ткани краска будет оседать иначе, о том, какое значение имеет равномерный прижим и т. д. и т. п.

И если мы бросим заключительный взгляд на график, то увидим, что в большинстве случаев можно ожидать не 100%-й перенос краски, что также увеличивает зависимость цвета ткани от параметров термопереноса.

Полная чаша

Физико-химические процессы, происходящие при переносе краски, определяют конструкторские решения, применяемые производителями оборудования. Они могут быть более и менее удачными — в зависимости от опыта, накапливаемого, как правило, десятилетиями.

Производителей с таким опытом на мировом рынке можно пересчитать буквально по пальцам, один из них — голландский Klieverik, который специализируется именно на оборудовании для термопереноса. Будущая компания Klieverik была образована как подразделение в корпорации Stork в 1965 году. Самостоятельность
и современное название Klieverik Heli BV фирма получила результате отделения от Stork в 1994 году. За более чем полвека работы в составе Stork и после отделения от материнской структуры был накоплен огромный опыт проектирования и производства тяжёлых промышленных каландровых прессов, овеществлённый в тысячи инсталляций по всему миру. Современные каландры от компании Klieverik Heli BV — одни из самых востребованных на рынке.

Конструктивная схема барабана каландров Klieverik
Рис. 3. Конструктивная схема барабана каландров Klieverik

У любого серьёзного производителя технологического оборудования есть своя фирменная фишка, и не одна. Гордость Klieverik — собственная конструкция маслонаполненного барабана, обеспечивающая:
• равномерную температуру по его поверхности,
• быстрый выход на режим,
• экономию электричества,
• вынос подшипников из зоны нагрева.

Барабан состоит из двух вложенных цилиндров разного диаметра, пространство между ними полностью (!) заполнено маслом. Каждая точка внешнего барабана постоянно контактирует с маслом, нет препятствующих теплообмену полостей. Поддержание постоянного заполнения обеспечивает классический расширительный бачок. Нагревательные элементы не сосредоточены в одном месте, а равномерно распределены в подлежащей нагреву зоне. Ось барабана удалена от зоны нагрева, подшипники работают в нормальном температурном режиме.

Давайте обойдём вниманием очевидно неудачные конструкции, в которых нагреватели висят в воздухе, а внутреннее пространство цилиндра заполнено маслом «на отвяжись», на донышке — только чтобы дать возможность маркетологам назвать такое устройство якобы масляным каландром. Вместо этого сравним конструкцию барабана Klieverik с фирменным решением уважаемого итальянского производителя, также опирающегося на тысячи инсталляций и заслуженную десятилетиями репутацию (рис. 4).

Схема барабана хороших каландров из Италии
Рис. 4. Схема барабана хороших каландров из Италии

Барабан заполнен маслом не полностью, оставлено место для теплового расширения. Затем оставшийся воздух откачан, а барабан герметизирован. Нагревательные элементы не располагаются в масле, но объединены в специальную цилиндрическую сборку, расположенную в центре барабана. Между этой сборкой и внешней поверхностью барабана выполнены пустоты, не заполненные маслом. Пустоты уменьшают массу заполняющего барабан масла. Между ними оставлены промежутки для циркуляции масла от нагревателя в центре до рабочей внешней поверхности барабана.

Вспомним школьную физику и сравним эти конструкции. Можно отметить, что в итальянской конструкции энергия передаётся маслу лишь опосредованно, через дополнительный конструктивный элемент. Это приводит к увеличению термического сопротивления. Удаление нагревательных элементов от внешней поверхности барабана ещё больше увеличивает термическое сопротивление. В результате замедляется нагрев и создаётся дополнительная нагрузка на нагревательные элементы. Кроме того, это создаёт потребность в сложной системе измерения и поддержания температуры с несколькими датчиками. Отметим, что датчик на внешнем барабане находится сбоку. Если используется не очень широкий материал, это может привести к отклонениям от оптимальных параметров.

Перейдём к обсуждению утверждений российского партнёра итальянского производителя качественных каландров. Говоря о легкоузнаваемой «Конструкции производителя хороших каландров из Голландии» наши коллеги отмечают: «Конструкция достаточно эффективна, но имеет ряд недостатков. Первый
и самый очевидный — масло контактирует с воздухом, окисляется и со временем требует замены. Второй, менее очевидный, (…) избыточное количество масла ведёт к увеличенному расходу электричества, возросшей массе и большему времени прогрева до рабочей температуры».

Верно здесь, пожалуй, лишь то, что голландская конструкция действительно эффективна, и то, что утверждение про избыточное количество масла, мягко говоря, совершенно не очевидно. При рассмотрении схем можно заметить, что суммарное пустое пространство на схеме рис. 3 скорее даже больше, чем на схеме рис. 4.
Другое дело, что разница по массе хоть и в пользу голландцев, но вряд ли принципиальна. Да и достоверно оценить разницу можно, только сравнив объёмы заливаемого в каландры масла, а подобные технические детали выяснить затруднительно. А вот насчёт большего времени прогрева — тут позвольте вам не позволить.
Совершенно очевидно, что прогрев рабочей зоны по схеме рис. 3 произойдёт быстрее, чем по схеме рис. 4. Потому что размещённые непосредственно в рабочей зоне нагреватели в этом эффективнее нагревателей, удалённых от рабочей зоны на максимально возможное расстояние, да ещё и отделённых корпусом сборки, а затем полостями, препятствующими свободному движению масла. Так что именно в итальянской схеме можно ожидать некоторого избытка энерго­потребления.

Что касается замены масла из-за окисления, то такого на практике не происходит даже после десяти лет и более эксплуатации. Да, масло в барабане каландра Klieverik возможно заменить.
Однако этого не требуется, и причина довольно очевидна. Просто крайне невелика циркуляция между расширительным бачком и рабочим барабаном. Они конструктивно соединены трубами, через которые масло проходит лишь при расширении. В результате открытое воздуху масло в баке остаётся прохладным и его температура значительно ниже рекомендуемых 55°С. При такой температуре окисление масла кислородом воздуха практически не проявляется.

Напомним курс химии: скорость химических реакций, включая окисление, экспоненциально зависит от температуры и изменяется примерно в два раза на каждые 10°С. То есть разница между 230°С и 55°С просто огромна.

На самом деле можно отметить, что и в итальянской конструкции дело вовсе не в кислороде, иначе полость могла быть заполнена тем же азотом — такая конструкция проще, надёжнее и дешевле. Но это невозможно, так как азот мешал бы термическому расширению масла, которое достигает величины порядка 15% при нагреве от комнатной до рабочей температуры.

Возвращаясь к особенностям конструктивной схемы барабана Klieverik, необходимо подчеркнуть, что вся поверхность внешнего барабана непрерывно находится в контакте с маслом. Это принципиально важно, так как она постоянно отдаёт огромное количество тепла и, значит, охлаждается. А прерывание подачи тепла на верхнюю часть барабана из-за пузыря в альтернативной конструкции не может не приводить к её дополнительному охлаждению. Это особенно важно для моделей SP Flowline, в которых материал подаётся сверху на поверхность барабана. Конечно, с проблемой можно успешно бороться, например, увеличивая толщину стенки барабана, но, значит, и его массу.

Конечно же, за всё надо платить. В конструкции с полностью заполненным маслом барабаном возникает дополнительный узел — расширительный бачок. К счастью, узел совершенно не уникальный, выпускаемый во всевозможных вариациях даже не миллионами, а миллиардами. Каждый может увидеть расширительный бачок под капотом своего автомобиля. Конструкции автомобилей без расширительного бачка для теплоносителя тоже были, но давно ушли в историю.

Нагреватели расположены и смонтированы так, что любой из них можно заменить без полной разборки барабана
Рис. 5. Нагреватели расположены и смонтированы так, что любой из них можно заменить без полной разборки барабана

Как по маслу

Кроме поддержания постоянной температуры по всей площади барабана и экономии энергии, конструкция Klieverik имеет и дополнительное преимущество, существенно влияющее на эксплуатацию. Это щадящий тепловой режим на оси барабана, где расположены несущие подшипники, щётки для передачи электроэнергии к нагревателям, да и другие важнейшие узлы.

Действительно, и нагреватели, и нагретое масло располагается во внешней части барабана. Нет никакой нужды поддерживать высокую температуру на оси. Поэтому подшипники работают при температуре не превышающей 80°С. И по регламенту обслуживания замена смазки производится через 1000 рабочих часов.

А что в альтернативной итальянской схеме? Она также полностью работоспособна. Но подшипники работают в условиях высокой температуры. Согласно опубликованной российским дилером информации, температура на краях барабана до 230°С, подшипники работают при 120–150°С, в результате «смазку необходимо заменять не реже чем каждые 40 часов работы каландра».

Что и говорить, неудобный для исполнения (и контроля) регламент, даже не кратный суткам. При этом процедура проводится только «на горячую», при работающем каландре. Понятно, каким облегчением для наших коллег стала новинка 2020 года — система дистанционной подачи смазки к подшипникам греющего вала. Жаль, конечно, что облегчение не распространяется на владельцев оборудования предыдущих модельных лет. Но гордость за новинку всё равно понятна.

А вот огульная критика со стороны российского дилера всех остальных конструкций как якобы неудачных, напротив, вызывает улыбку и выдаёт некоторую зашоренность. Господа, снова всё просто. Если подшипник работает при нормальной температуре, смазку не надо менять несколько раз в неделю. Да и менять смазку можно и нужно на остановленной машине. Если, конечно, её конструкция это позволяет делать. Разница в 25 (!) раз и вызвана разным конструктивным подходом: героически преодолевать проблему или устранить сам её источник.

Ремонтопригодность

Ремонтопригодность на протяжении всей истории развития техники считалась важнейшим, просто необходимым свойством любой конструкции. К сожалению, во второй половине XX века во многих областях возобладал противоположный подход.

Датчик температуры снабжен коннектором, что избавляет от необходимости протягивания провода внутри всей конструкции при его демонтаже
Рис. 6. Датчик температуры снабжен коннектором, что избавляет от необходимости протягивания провода внутри всей конструкции при его демонтаже

Ряд компаний новой школы осознал, что можно неплохо заработать, если клиент не сможет починить старое устройство и вынужден будет купить новое, в крайнем случае не сломавшуюся шестерёнку, а дорогостоящий узел в сборе.

Хорошо известно, как менялись конструкции автомобилей последние десятилетия. Сегодня доходит до того, что фермеры судятся с производителем тракторов за право самостоятельно отремонтировать купленный за свои деньги трактор, производителя смартфонов штрафуют за сознательное замедление старых моделей, а право на ремонт техники государства вынуждены поддерживать уже на законодательном уровне.

Klieverik в этом отношении яркий пример компании старой школы, по мнению представителей которой техника не только должна быть ремонтопригодной, но конструктор должен обеспечить простоту, удобство
и безопасность ремонта. Это проявляется во всех узлах.

Приведём для примера нагреватели, термодатчик да и само масло. Да, все эти элементы служат очень долго и вряд ли их замена реально понадобится. Просто старая техническая школа даже в этом случае требует неукоснительно соблюдать ремонтопригодность.

Оператор заменяет чистящую медную пластину
Рис. 7. Оператор заменяет чистящую медную пластину

Автоматическая очистка

Большинство, если не все каландры для защиты фетра от нежелательных воздействий используют защитную бумагу. Но барабану тоже нелегко. Каждый, кто держал в руках горячий утюг, знает, как быстро его подошва умеет собирать нагар и как трудно этот нагар удалять.

Klieverik использует для автоматической очистки барабана от нагара и загрязнений очень простую, дешёвую и эффективную фишку — медные пластины, установленные вдоль всего барабана и касающиеся его поверхности. Медь мягкий, но всё же металл.

Пластины, прижатые одной стороной к барабану, удаляют все попавшие на его поверхность загрязнения и постепенно стачиваются, не повреждая рабочей поверхности. Замена этих пластин, как видно на фото, также учитывает принцип ремонтопригодности.

Вместо заключения

Конечно, простые, надёжные и эффективные решения, использующиеся в каландрах Klieverik, далеко не исчерпываются вышеизложенным. Примечателен механизм равнения фетра, один из важнейших в любом каландре, или пневматический узел регулирования натяжения материала, использующий решения, знакомые по автомобильной коробке передач. Можно рассказать о фетровом ремне DuPont NOMEX и т. д. Но не будем пытаться одной статьёй объять всё — оставим интересные темы и для следующих.


* Само слово «каландр» происходит от французского calandre, которое в свою очередь произошло от древне-греческого κύλινδρος (каток, валик). Слово цилиндр происходит от того же слова. Так что мы вполне могли бы называть каландры цилиндрами.

** Кстати, в этом месте также становится очевидно, почему натуральные ткани вроде хлопка нельзя окрашивать методом сублимации. Краска-то на них может и осядет. Но не растворится в целлюлозе. Её температура плавления значительно выше, 467 °C, но раньше на воздухе она загорится, так как температура воспламенения — 275 °С.


Впервые опубликовано в журнале «Цифровой текстиль» №2 2021