dl.1.3 process monitoring requirements 100613 - … · deliverable 1.3 process monitoring...

50
DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS 1/50 DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS

Upload: vannga

Post on 06-May-2018

223 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    1/50 

 

 

 

 

 

 

 

 

DELIVERABLE 1.3 

PROCESS MONITORING REQUIREMENTS 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    2/50 

 

1. Introduction 

2. Methodology 

3. Description of Commercial Bags production process 

3.1. Film processing 

3.1.1. Blown film extrusion 

3.1.2. Equipment used in blown film extrusion 

3.1.3. Blown film co‐extrusion 

3.2. Printing 

3.2.1. Printing presses in flexographic printing 

3.2.2 Printing substrates 

3.2.3 Inks 

3.2.4 Pre‐press in flexographic printing 

3.2.5.  Process control in Flexographic printing 

3.3.  Bags manufacturing (Cutting and converting) 

3.4.  Technical Procedures 

4.  Requirements of Commercial Bags production process 

4.1.  Mechanical requirements 

4.2.  Film processing requirements 

4.3.  Printing requirements 

4.4.  Legislative requirements 

4.5.  Environmental requirements 

4.6.  Economic, productivity and quality requirements 

5.  Conclusions 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    3/50 

 

1. Introduction 

ECOFLEXOBAG  (Development  and  Demonstration  of  Best  Practices  to  Design  and  Produce Sustainable  Commercial  Bags)  is  the  LIFE+  funded  European  project  that  aims  at  reduction  of negative environmental  impact of carrier bags during  their entire  lifecycle.  Its main objective  is  to develop  an  innovative methodology  that will  help manufacturers,  particularly  small  and medium enterprises, to design and produce environmentally sustainable commercial (carrier) bags. 

Taken  into account  time and  financial  limitations, project  focuses more  specifically on plastic bags that represent the most of commercial bags market. In particular, the following types of plastic bags (substrates) are considered: 

• HDPE/LDPE; 

• Recycled LDPE; 

• Oxo‐degradable HDPE/LDPE (HDPE/LDPE + oxodegradable additives); 

• Compostable materials (based on starch, PLA and polyester). 

Polyethylene  is one of the main materials used in manufacturing of commercial bags, so it is crucial to define sustainable procedures for this case. As this material is very used not only in a virgin form, but also in post‐consumer recycled form, coming as a separated current in integrated waste systems, it  is  important  for  the project  to  include  this  specific  case. Finally, oxo‐degradable polyethylene  is included  because  is  a widely  used  technology  in  an  important  segment  of market,  but  there  are several uncertainties related to this technology that should be clarified  

Biodegradable  /  compostable  bags  are  recently  started  to  be  available  for  consumers,  and considering a possible  increasing of  these bags  in market  in next  future,  it  is  important  to develop sustainable procedures for these compostable materials. These compostable materials have usually higher  prices  than  conventional  polymers  and  its  processing  conditions  should  be  adjusted when using  conventional  processing  machines.  The  more  usual  cases,  composed  of  blends  of starch/polyester and PLA/polyester, are selected. 

The report 

This  report has been prepared within project Action A.1 Assessment of  sustainable developments related  to  commercial  bags,  describing  requirements  for monitoring  of  bags  production  process (Deliverable 1.3 Process monitoring requirements). Together with other two reports (1.1 Report on trends on the commercial bags production, 1.2 Suitability of substrates and BATs), they represent key outputs of Action A.1, providing input for the next project activities (Actions B.1, B.2, B.3). 

Identification  of  key  aspects  to  be  identified  and  monitored  during  the  production  of  printed commercial bags provided by this report will be further used to determine concrete procedures for production  process  monitoring  (Action  B.3  Determination  of  procedures  for  monitoring  the sustainable production of commercial bags). 

 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    4/50 

 

2. Methodology 

The project focuses on production of plastic bags; several substrates that can be used are considered (see above). 

Regarding  life cycle of commercial bag, the project takes  into account and evaluates more  in detail production process phase that is connected with major negative environmental impacts (e.g. use of non‐renewable sources, VOC emissions) and at the same time, determines environmental impacts of use and end‐of‐life phases (e.g. one x multiple use, recyclability, degradability, compostability). 

Commercial bag production process includes three main steps: 

• Film processing; 

• Printing (flexography); 

• Cutting and converting. 

In order to determine the process monitoring requirements, the following information sources have been used: 

• Bibliography, existing studies; 

• Description of production process (developed by project partners AIDO and AIMPLAS); 

• Study on existing and emerging techniques (developed by WCPC); 

• Outputs of previous projects (BATsGRAPH, EEEI); 

• Current legislation (Solvent Directive, IPPC / IED Directive) 

• Survey among 52 stakeholders, including bag manufacturers, ink suppliers and substrates suppliers. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    5/50 

 

3. Description of Commercial Bags production process 

Production process of commercial bags consists of the following steps: 

• Film processing; 

• Printing (using flexography method); 

• Cutting and converting. 

Within  the  scope  of  the  project,  three  types  of  bags  are  considered  (specifically  for  defining sustainable procedure in confection stage): 

1.  T‐ Shirt bag – including reusable bags 2.  Die cut handle bag 3.  Soft look handle bag 

 

Figure1 ‐ T‐Shirt bag (1), Die cut handle bag (2), Soft look handle bag (3) 

3.1. Film processing 

The process for making films transform solid thermoplastic polymer resins in granular or pellet form into films on rolls. The first part of the transformation  is the extrusion sequence, which consists of the following steps: 

Polymer Feeding → Melting → Mixing → Metering → Filtration 

All extruded polymers must go through the complete sequence.  It takes place  in an extruder: solid polymer particles drop onto a screw which rotates  inside of a heating barrel where  the material  is melted and pumped as it is transported along the barrel. 

The second part, the film‐making sequence, consists of the following steps: 

Melt Film Formation → Quenching → Orientation → Windup 

First step consist in forcing the melt material to pass through a die with a special design. As the melt film  emerges  from  the  die  opening  it  is  critical  to  quench  the  film  quickly  to minimize  thickness variations. The orientation  step may or may not be used depending on  the polymer.  In all of  the 

1  2 3 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    6/50 

 

steps significant variations are found either because of the characteristics of the polymer  involved, because of the demand for specific properties or because of the processing method. 

Main methods for film extrusion at industrial level include cast film and blown film: 

A. Cast film 

The  extruder  plasticizers  the  polymer  and  pumps  it  through  a  flat  type  die  so  that  the material emerges as a sheet. Next the sheet must be solidified by cooling or quenching as it travels around the rolls of the calender. After leaving the usual three roll stack, the sheet cools further as it travels down the line being pulled by pull rolls.  

 Figure2 Extrusion line for cast film. 

B. Blown film 

In this process the molten polymer passes through a circular type die so that a tube  is formed and then, while it is molten, is blown up like a bubble to generate a large diameter tube from a relatively small  circular  die.  Downstream  a wide  nip  roll  pinches  off  the  inflated  tube  to maintain  the  air pressure. Also external air is blown against the outside of the bubble by circular vent to cooling the film. 

 Figure3 ‐ Extrusion line for blown film. 

The film properties are deeply controlled by the extrusion method and the process variables. Since in the blown film process the melt is allowed to cool over a relatively long period of time, blown films 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    7/50 

 

are more crystalline and have higher haze level than cast film. Nevertheless, there are some benefits of the higher crystallinity for blown films, such as greater stiffness and improved barrier to moisture and gases. Another difference between these processes is the much higher level of melt drawing or blown  film,  which  causes  inferiority  in  level  of  uniformity  of  film  thickness  and  sheet  flatness. However there is a better orientation of the polymer chains in the cross direction; this increases film strength, toughness and stiffnes. 

3.1.1. Blown film extrusion 

Blown film extrusion involves extruding a thermoplastic pipe then filling it with air to make it nearly several  times  its  initial diameter.   This creates a  tubular product which  is known as a balloon and, once the material has cooled, can be bound in the shape of a double film. 

The equipment is made up of five main elements: 

• Extruding press • Bolster • Cooling and calibration unit • Grinding unit • Winding/reeling 

 Figure4 – Typical Blown film Unit 

 

Legend of the figure:  

Extrusion de film soplado = Blown film extrusion,  Unidad de arrastre = grinding unit,  Unidad de calibracionaltura adjustable = Calibration unit with adjustable height,  

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    8/50 

 

rodillosguia = reference rollers, tubosoplado = blown film,  corte = edge,   bobinado = winding unit,  entrada de aire = input of air,  cabezal film soplado = blown film bolster,  extrusora = extruding press,  anillo de enfriamiento = cooling ring 

There are different types of blown film extrusion, depending on the bearing and direction  in which the balloon is set: 

• Upwards vertical: This  is the most common type of blow film extrusion. The balloon moves vertically upwards from the bolster to the grinding rollers. This type of film extrusion allows greater film stability and extension control, as well as improved thickness uniformity. 

 Figure5 – Blown film unit with upwards vertical bearing 

• Downwards  vertical:The  extruding  press  is  set  in  a  high  position  and  the  balloon moves down  towards  the calibration unit. This  type of extrusion  is used  to  take advantage of  the film’s own gravity and therefore downward movement. 

• Horizontal:This  type of blown  film extrusion  requires a greater cooling  length. However,  it carries some advantages such as the initial minimum cost, a bolster that does not change the flow direction, less height and the opportunity to work at higher extrusion velocities. 

The following materials are used for blown film extrusion: 

• Traditional polymeric materials in blown film  

1. Polyethylene (PE) 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    9/50 

 

2. Polypropylene 3. Polyester 4. Polyamides (Nylon) 

• Biodegradable polymers for blow film extrusion  

1. Polymers based on starch to blow extrusion  2. Polylactic acid (PLA) and blends to blow film extrusion  3. Polybutylene succinate adipate and copolymers  

3.1.2. Equipment used in blown film extrusion 

Blown film nozzles or bolsters 

The nozzles ought to facilitate the exit of the polymer so that it forms the shape of a pipe and should encourage a system that inflates the balloon from the inside. 

One  of  the  biggest  problems  with  blown  film  extrusion  is  the  setting  of  the  nozzle  around  the mandrel or peg. This fact affects the thickness uniformity and creates problems when it comes to the winding and feeding of auxiliary equipment.  

In order to avoid this problem there are rotation designs based on: 

• Oscillation of the nozzle.  This design is used for central feeding nozzles. • Oscillation of the extruding press, which  is  located above a type of cart that rotates around 

the central axis of the nozzle.  This method is used in vertical extruding presses. • Oscillation  of  the  reference  points.    This method  can  be  extremely  problematic  for  the 

operators. 

Types of nozzles 

The nozzles used  in blown  film extrusion make use of a  central mandrel, which  is what  gives  the material its tubular shape as it leaves. The mandrel design can be optimised by using a series of helix channels which improves the flow of material.  

 Figure6Corrogatedhelicoidal mandrel 

 

There are various types of nozzle, depending on how the material has been put into the system: 

1. Lateral entry nozzle 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    10/50 

 

 Figure7 ‐ Lateral entry nozzle 

This type of feeding is used for horizontal extrusion and changes the direction of flow to vertical. The disadvantages of this type of nozzle are: 

• Difficulty  attaining  thickness  uniformity  in  the  film  due  to  the  complex  nature  of achieving a good marriage in the furthest away side from the material opening. 

• When extrusion velocity is changed, the forces exerted on the mandrel are also changed, and so it re‐centres itself. 

2. Central input nozzles 

These nozzles provide a more uniform flow across the circumference of the nozzle, given that all the flow lines are practically equal.  Furthermore, these central nozzles normally have an adaptor which allows them to rotate mechanically or oscillate part of the nozzle in order to make the film thickness uniform. 

There are two types of central input nozzles: lampshade and spider legs 

Lampshade:  

 

Figure8 ‐ Central input lampshade nozzle 

 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    11/50 

 

The  main  aim  of  the  lampshade  is  to  work  in  the  same  way  as  a  static  mixer,  ensuring  flow uniformity.   However,  in  this model,  the access  to  the  interior bubble  for blowing  is  complicated; moreover it presents dead areas and regions of slow flow. 

Nozzle with spider´s legs nucleus 

 Figure9 ‐ Nozzle with spider´s legs nucleus 

As  in the other models there  is the problem of connecting  the mandrel  to the nozzle.    In this case they are connected using spiders´  legs,  taking care with  its design  to make sure  there are no dead areas.  

The blown  air  is  introduced  through one of  the  spiders´  legs..  These  legs ought  to be  sufficiently strong to be able to withstand all the melting pressure but not to interfere in the flow route. 

Balloon refrigeration system 

This  tends  to  comprise  a  ring which  circles  the nozzle only millimetres  from  the exit point of  the material, providing cold air to the balloon and physically stabilising the bubble. 

The cooling function will give out a volume of projected air, its speed and the temperature of the air. 

 Figure10 ‐ Diagram of the balloon during cooling 

 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    12/50 

 

The job of the cooling system is to offset the tendency of air inside the balloon to rise and to make sure it receives an input of heat via part of the melted plastic which leaves the bolster. 

In  some  cases,  an  oscillatory  ring  is  used  to  try  to  achieve  a  uniform  cooling  effect  around  the circumference of the bubble. 

 Figure11 ‐ Rotatory cooling ring 

Collection systems 

The balloon is pushed through rollers which hermetically seal it to make sure the air remains trapped inside.  In  this phase  the  film will acquire a  flat shape. The stretching rollers are between 9 and 12 metres above the nozzle, in order to guarantee the suitable cooling time.  

These rollers are normally covered in rubber to avoid air losses which would alter the diameter of the balloon.  In some cases, one of the rollers is cooled by water, which provides additional cooling which will allow the two sides of the film to be separated more easily at a later stage.  These rollers direct the film toward the collection and winding system.  

Closing the balloon, the edge and winding 

The closing of the pipe will be controlled with superior rollers in order to ensure that the amount of air  trapped  inside  remains  constant  and moreover  avoids  discontinuities  in  the  stretching  of  the melted material. 

In order to control the pipe there are a few guide rollers and two smooth V‐shaped external plates.  These plates tend to be perforated in order to allow the passage of air and to provide a layer of air which improves the grinding of the pipe by them. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    13/50 

 

 

 Figure12 ‐ Balloon closing system 

(Sistemacierre=closing system, film pegado=pasted film) 

At the edge, when the film has little resistance to tearing, there is a risk of creasing or ripping in the transversal direction to the edge. 

3.1.3. Blown film co­extrusion 

The principle elements of blown  film co‐extrusion are similar  to  those of  laminate co‐extrusion, as are described in detail in Unit 1 of Module 3.  The bolsters or nozzles used in blown film co‐extrusion are particularly relevant. 

In  the  same way  as  sheet  laminate  co‐extrusion,  in  blown  film  co‐extrusion  the marriage  of  the different layers can be done using a division block or with multiple distributor nozzles. 

The difference between both systems has already been discussed in Unit 1 of Module 3.  Moving on, let’s look at an example of each type of system: 

Division block 

 Figure13 ‐ Division block for the co‐extrusion of blown film 

 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    14/50 

 

Multiple distributors 

 Figure14  ‐ Blown film co‐extrusion nozzle with multiple distributors 

3.2. Printing 

For printing of commercial bags (as well as other type of packaging), a flexography printing method is used. 

The main  feature of  flexographic printing  is  the use of  flexible printing plates,  also  called  clichés, which are relatively soft and enable special ink feeding. Using the flexible (soft) printing plate and the appropriate  ink  (low viscosity)  for  the printing  substrate,  it  is possible  to print on a wide  range of absorbent and non‐absorbent printing substrates. The principle on which a flexographic printing unit works  is  illustrated  in the next figure. The  low‐viscosity  ink  is transferred to the printing plate via a roller that  is evenly screened with cells, the so‐called screen roller/anilox roller  (screen width 200–600 lines/cm, ceramic or hardchromed metal surface). The rubber or plastic plate is attached to the printing plate cylinder. Ink is transferred to the printing substrate by the pressure of the impression cylinder.  The  use  of  a  blade  (together  with  the  ink  supply  system)  on  the  screen  roller  has  a stabilizing effect on the printing process resulting from even filling of the cells on the screen roller 

Many  variations  of  the  basic  flexographic  printing  presses  exist,  each  developed  for  a  specific purpose.  The  transfer  of  ink  to  the  substrate  is  one  of  the most  important  factors  affecting  the quality of the final printed result. The thin, highly fluid and rapid‐drying  inks  in flexography require the use of an ink‐metering anilox roller, which is engraved with a cell pattern, to enable an even and fast ink transfer to the printing plate. The configuration of the cells in the anilox roller, the pressure between the rollers, and the use of a doctor blade mechanism control the amount of ink retained in the anilox roller and therefore available to be transferred to the printing plate. 

In this section emergent techniques are discussed with the expected benefits to the lifecycle of bag production any potential conflicts or disadvantages are also described. 

 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    15/50 

 

 Figure15 ‐ Scheme of printing process 

 Figure16‐ Anilox cylinder showing an enlarged view of the small cells crucial to controlled and uniform metering of the 

ink (left) and a printing plate illustrating relief printing (right). 

The  shape and volume of  the  cells are  chosen  to  suit  the anilox  surface  (chrome or  ceramic),  the doctoring system, the press capabilities, the printing substrate, the image type (solid or halftone) and the type of ink. Advances in anilox technology have resulted in laser‐engraved ceramic anilox rollers offering  tougher  and more  long‐wearing  rollers with  greatly  improved  ink‐release  characteristics compared to the conventional mechanically engraved chrome rollers.  

The flexographic printing plate, or cliché, which is mounted on the printing cylinder, is made either of rubber or more commonly of a photopolymeric material. The plate thickness varies from 1.14 mm up to  a  few millimetres,  and  its  hardness  has  a  pronounced  effect  on  the  printing  characteristics. Hardness  is  measured  by  using  a  Shore  gauge,  and  photopolymer‐plate  materials  are  normally available  in a range from 25 to 70 Shore A. The flexibility of the printing plate enables good quality printing even on rough substrates. The image area receives the ink, which is transferred to the print substrate when  the  latter  is  pressed with  support  of  the  impression  cylinder  against  the  printing plate. Flexography is a direct method, i.e. the printing plate transfers the ink directly to the substrate, and the image on the printing plate is therefore inverted. Flexographic presses are run at speeds up to  800 m/min,  and  presses  able  to  print  at  1000 m/min  are  now  appearing  on  the market.  The printing speed, however, also varies greatly depending on type of press and material being printed. Both  sheet‐fed  and web  presses  are  used  in  flexographic where  two  to  eight  printing  units  are 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    16/50 

 

arranged around a single central  impression cylinder. The other basic types of  flexographic presses are  stack  and  inline.  As  flexography  is  a  relief  printing  process,  ink  squash  can  be  visible  on  the printed work.  Ink squash  is a „halo” normally visible all around the edges of  letters,  lines and solid areas of print. During the printing, the ink is squashed between the printing plate and the substrate on impression, resulting in it being squeezed to the edges of the printed image surface and producing the „halo‐effect”. 

The range of materials for different end applications printed by flexography is extensive. Flexography is  the  predominant method  of  printing  in  the  packaging  industry  but  is  also  expanding  in  other segments.  It  is widely used  for  flexible  and  corrugated packaging,  folding  cartons, milk  and other liquid cartons,  food and rigid‐plastic containers, multiwall and paper bags,  tags and  labels, and gift wraps. Other applications include towels, tissues and napkins as well as newspapers and books. 

3.2.1. Printing presses in flexographic printing 

The Design of Presses  for Multicolour Printing Flexographic presses are predominantly designed as web presses in the three configurations: 

• Central printing cylinder system (Figure a), and 

• In‐line design (Figure b), and 

• Stack‐type design (Figure c). 

 Figure 17–(a) Central printing cylinder system (b) In‐line design (c) Stack‐type design 

Central printing cylinder presses (satellite printing units) have advantages over stack type presses in the precision of the longitudinal register, above all for printing flexible materials (plastic film), due to their  large wrap angle.  In‐line presses are  flexible and expandable with  respect  to  the number of printing units and the usable printing processes (combination of different processes). The stack type and central cylinder system, on the other hand, are restricted  to a specified choice of printing and inking units.  

Central printing cylinder system 

These presses were originally developed to make possible in‐register printing on flexible film (Figure a). The substrate  lies on  the  large  impression cylinder  throughout  the entire printing process,  thus achieving the greatest possible positional stability. Four to ten inking units with intermediate dryers can be configured round a central impression cylinder (diameter greater than 2m and web widths of 300–3000mm). To maintain the necessary even pressure  in the printing nip, the central  impression cylinder must be manufactured with a  low runout of  less than 5μm and be temperature controlled with  a  tolerance  of  +/–1°C  (in  the  case  of  a  1.80m  diameter  steel  cylinder,  for  example,  1°C 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    17/50 

 

difference  in  temperature  brings  about  a  difference  in  the  radius  of  approximately  10μm).  The printing units are engaged manually and/or by motor via adjusting spindles. Modern presses operate under NC control, which engages and positions the printing units in register with an accuracy of up to 1μm  in  relation  to  the  impression  cylinder,  taking  into  account  job  data  such  as  plate  thickness, rolling length, and substrate characteristics. Standard presses have a printing width of 1300mm and a printing length of up to 1000mm, with a production speed up to 6.7m/s. 

In‐line design 

Multi‐Cylinder  Presses  in  Unit  Design. With  these  types  of  presses,  the  same  printing  units  are arranged  in a row  (Figure b). The web of material  is usually diverted between  the printing units  in order  to accommodate dryers with  the corresponding drying  length as well as web‐tensioning and guidance elements. Unit design initially found favour in narrow web presses (with web width of up to around  500mm)  for  label  printing  and more  recently  has  tended  to  appear  increasingly  on  the market with web widths of up  to around 1500mm. Production  speeds of up  to 4m/s are possible. Direct drives on  the  individual printing units  facilitate extended  interconnection of machinery and high register accuracy in conjunction with high‐quality web travel controls even for flexible materials.  Flexographic  printing  units  are  interchangeable  and  can  also  be  combined with  offset  or  gravure printing units for the construction of hybrid printing systems. This type of printing press  is normally not used in the production of flexible bags as ECOFLEXOBAG is dealing with.  

Stack‐type design 

Stack‐type  Presses.  These  press  types  are  only  used  for  simple  print  jobs  because  of  their  poor register accuracy (around +/‐ 0.2 mm in longitudinal register), for instance, as auxiliary printing units for bag production  (Figure  c). An  advantage  that  this design has over  central  impression  cylinder presses is that with appropriate web guidance printing can be done on both sides.  

3.2.1.1. Examples of Flexographic printing presses 

An  eight‐colour  central  printing  cylinder  flexographic  printing  press  (the  corresponding  layout  is shown  in  Figure  a)  with  the  state‐of‐the‐art  control  technology  and  automatic  reel  change  is illustrated in the next figure. The dryer is configured in the superstructure between the reelstand and the printing unit.  

 Figure 18 ‐ Eight‐colour flexographic printing press with a central printing cylinder, cylinder diameter2275mm, web width up to 1700mm, printing length up to 1400mm, printing speed  m/s (34 DF/8‐CNC, Fischer &Krecke) 

 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    18/50 

 

Equipping  of  the  press with  plate  cylinders  by means  of  a  robot  system  from  a  loading  trolley  is shown in this figure. It takes around twelve minutes to change eight cylinders. 

 Figure 19Plate cylinder change with automatic cylinder  loading system  for a  flexographic printing press with a central printing cylinder (Fischer &Krecke) 

 Figure 20 ‐ Change of a plate cylinder and anilox roller sleeve in a flexographic printing unit (Soloflex, W&H) 

The fundamental developments in recent years in the design of flexographic central printing cylinder presses are summarized  in the model shown  in the next figure.  Individual drives for the  inking and printing units and automation modules are interfaced via an „industrial field bus”, so that faults can be  analyzed  via  a  modem  by  means  of  a  remote  diagnostics  system;  computer  controlled engagement and cut‐off of the inking units, non‐stop winding systems with automatic reel change at maximum production speed, and so on. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    19/50 

 

 Figure 21  ‐  Flexographic printing press with a  central printing  cylinder with eight printing units and a high degree of automation (Astraflex, W&H) 

A  flexographic printing press  in unit design and comprising an  integrated die‐cutting unit  is shown below.  It  is used for producing folding boxes. Board from 200 to 600g/m2 can be processed, with a maximum reel diameter of almost 2m and a maximum width of 82cm. 

 Figure 22 ‐ Flexographic printing press with in‐line units (unit design) and with integrated diecutting unit for folding box production (printing on reel material, delivery of diecut sheets), production speed 3.5m/s (Lemanic 82 F, Bobst) 

3.2.2. Printing substrates 

Flexographic printing is distinguished from other print methods by the variety of substrates that can be printed on and it is therefore a central process in packaging printing, next to gravure‐ and offset printing. The packaging market can be divided into flexible packaging (paper, film and foil), multi‐wall bags, corrugated and pre‐printed linerboard, labels and wrappers, folding cartons, beverage carriers and cans. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    20/50 

 

The  choice  of  printing  substrate  is  in  most  cases  determined  by  the  end  application  and  the requirements demanded by it. Printing substrates can be grouped into five categories, namely paper and paperboard, corrugated board, laminates, foils and films. 

3.2.3. Inks 

The  flexographic  technique can be used on a variety of substrates and  the  formulation of  the  inks depends on the process and printed matter. There are UV inks, solvent‐based and water based inks. The UV‐ ink needs UV‐radiation to polymerise or dry it and electron beam curing is basically the same as UV inks, however, they do not contain photoinitiators and need highly energized electrons to cure. In  the  simplest  term,  the  solvent based  and water‐borne  inks dry  as  the  solvent evaporates or  is absorbed  in  the  substrate.  As  legislation  demands  a more  environment‐friendly  ink, water‐borne inks, which  now  contain  only  small  amounts  of  volatile  organic  compounds  (VOC),  have  become more frequently used for absorbent substrates. The basic elements in flexographic inks are colorant, binder and solvent. Additives of various types are also used to  impart printability and runability on the press.  

Reduction in solvent emission is focused upon substitution of solvent based inks and varnishes with water  based,  ultraviolet  radiation  cured  (UV),  electron  beam  (EB)  technology  and  in  the  case  of varnishes with  co‐extrusion.  If no  substitution has  taken place,  solvent emission  reduction  can be achieved  by  extracting  and  treating  waste  gasses  from  driers,  presses,  production  areas  and automatic cleaning machines. Further  reduction  in VOC emissions could be brought about  through substituting cleaning materials, in press cleaning of cylinders, high pressure water cleaning and other non‐solvent cleaning techniques. 

Waste  gas  collection  and  treatment  is  to  be  conducted  using  the  most  appropriate  method dependent upon the amount of air to be extracted, the solvent levels and number of hours a year of operation. The system should minimize energy consumption, optimize waste gas treatment and,  in the  case of  thermal  treatment,  recover and  reuse  surplus energy. The efficiency of any waste gas collection and treatment system must be kept optimal through a planned maintenance schedule. 

Reduction of solvent emissions for Gravure is focused on the reduction of fugitive emissions and the VOCs  remaining  after  gas  treatment. Waste  gas  should be  treated with  an  absorption  system  for toluene  recovery  with  waste  gas  extracted  continuously  from  the  driers,  discontinuously  from enclosed press air and air extraction  from  the press driers and pressroom. The waste water  from toluene recovery should contain 10mg/l or less when discharged to municipal waste water. 

3.2.4. Pre­press in flexographic printing 

The requirements on  the artwork and pre‐press  for  flexographic printing have –  like every printing method – his own specifications regarding to the printing parameters. Some special characteristics of flexographic  has  to  be  considered  as  smallest  printing  details  are  30µm  and  some  limitations  in printing halftone images and colour management. 

Digital pre‐press 

In  following  the  specifications, which must be  respected  in  the digital pre‐press print production. These specifications are considered for flexographic print production. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    21/50 

 

Digital  files;  Generally,  image  files  are  welcome  as  PDF,  EPS,  TIFF,  PSD,  JPEG  (at  the  lowest compression possible  to avoid quality  loss).  It  is not  recommended using GIF, BMP and PICT  files, even if they have got a sufficient resolution. 

Not  suitable are  files  created with Office‐applications  like Word, Excel or Power‐Point. Converting these files  into printable data would cause an  immense effort. Simple text files without any  images can be used. 

Used  Fonts;  All  fonts  used  are  to  be  supplied  along with  the  complete  PostScript  character  set. Before supplying fonts, the legal position has to be considered. It is also possible to create outlines of all  fonts.  This  should  only  be  applied  to  a  copy  of  the  original  file,  because  in  the  outlined  text‐elements neither  content nor  the program‐specific  text‐features  can be  changed.  If  the  text  is  to change due to a correction, the original file has to be used.  It’s up to STI to decide, which of those possibilities is to prefer. 

Type sizes and stroke strength; To preserve printability and  legibility, type sizes should not be  less than 6 points. Thickness of negative characters  is reduced due to the printing process. No negative characters  should be positioned on multi‐coloured objects. The  stroke  strength  should be at  least 0.15 mm.  Deviations  from  these  guidelines  are  to  be  discussed with  the  display‐  and  packaging manufacturer with regard to realization. 

Text attributes / text effects; The distance between graphic elements/text and cut or  folding  lines should not be less than 3 mm. Types used, their sizes and other attributes of fonts used in finishing processes  are  subject  to  agreement,  because  of  their  special  parameters.  Program‐specific  text‐effects (e.g. underline, shadow etc) cannot be vectorized and must not be used. 

Pictures; Half‐tone images, coming with a 70 l/cm screening ought to have a resolution of 300 dpi at 100%  size.  For  finer  screening widths  the  resolution has  to be  increased  accordingly.  If  there  are images to be digitalized as monochrome bitmaps, they have to be rasterized with 1200 dpi at least. To guarantee smooth edges a resolution of 2400 dpi is required. For high resolution images TIFF, EPS, PDF or PSD files are to be produced. 

Black full‐tone surfaces; With multicoloured prints, black full‐tone surfaces should be underlaid with 40% cyan. 

Under colour removal (UCR); The maximum colour quantity of the printing colours (incl. black) has to be 280%. 

Colour proof 

All parties involved with a project must agree on the process and terminology used to evaluate and communicate  colour.  Specifically,  every  proof  created  throughout  the workflow  should  be  clearly labelled to communicate: 

- The purpose of the proof. 

- The system or device on which the proof was created. 

- Whether the output device was profiled, and if so, which profile was used? 

- The suitability of the proof for judging colour. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    22/50 

 

Concept Proofs; This proof is common in the early creative stages of the project. It is used to capture input  from all partners  in  the supply chain during design development and  is also  referred  to as a “collaborative  proof'”.  This  proof  is  not  typically  colour  profiled.  Therefore,  it  is  not  used  for matching colour. 

Profiled  Contract  Proof;  The  profiled  contact  proof  represents  the  customer's  expectation  of  the printed product. The profiled contract proof represents the customer's complete content and colour expectations for the final printed product and is the basis for negotiations on project performance. It illustrates how the printed image is expected to look when reproduced on press and is an important quality  control  tool  and  communication  device.  It  is  profiled  using  a  colour management  system (CMS) and is prepared based on profiles provided by the specific printing house or common standard ISO profiles and is produced according to ISO specifications. The contract proof does not have to be a dot‐for‐dot  reproduction, but  it must be an overall visual  simulation of  the expected print  results. Therefore, it must simulate the dot gain, colour attributes, detail, and contrast of the printed image. It must also contain a control target that is processed and imaged as part of the proof, which will be used to verify accuracy and consistency throughout the design, proofing, and printing process. The control target must contain specific screen values, which should be determined with the printer, for any colours printing dots,  including vignettes. This control  target should be a FOGRA MediaWedge V3. Although most digital proofing devices may not reproduce a conventional dot pattern, the tone scales should be measured using a densitometer (or spectralphotometer) in the dot area function. 

Each one of the tone scales must equal the weight (dot area) identified by the press profile. Before a contract proof can be accurately used, the entire reproduction system must be characterized so that the proofing  system  is  calibrated  to match  the printed  result. Afterward, both press and proofing systems must be maintained  for  consistency  and  repeatability.  The matching  is  to be  carried out under standard light of 5000K. [1] 

Reprographic films 

In the conventional pre‐press surrounding without using Computer‐to‐Plate (CtP) Technology, there are still reprographic films in use. These films are produced by a filmmaking exposure and afterwards preceded by a processor, which automatically develop, fix, wash, and dry the exposed photographic film.  Reprographic films have some characteristics to be respect: 

Film Density; The clear area  (Dmin) of the film should have a base orthochromatic density  less than 0.05 and an ultraviolet density less than 0.10. The measurement of Dmin using the ultraviolet channel on a transmission densitometer  is  important to ensure optimum proofing and plate exposures. The higher  the  Dmin  number,  more  ultraviolet  light  is  filtered  out.  Most  proofing  systems  and photopolymer  plates  require  ultraviolet  light  to  accurately  and  consistently  expose  the  image. Therefore, the lower the Dmin value, the better. 

The  black maximum  density  (Dmax)  area  of  the  film  should  have  orthochromatic  and  ultraviolet densities greater than 4.00. 

Film Thickness 

All film should be a consistent thickness and dimensionally stable. The recommended film thickness for photopolymer platemaking  is 0.18 mm and for wide‐web and 0.10 mm for narrow‐web printing applications. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    23/50 

 

Film Negatives ‐ Physical Specifications 

• All film must be matte finish as specified by the raw plate material manufacturer. 

• Film must be supplied as one piece per colour,  identified by the colour (Magenta, PMS 186 

red, etc.). 

• All films supplied for the flexographic printing process must be negative. 

• No etching or hand colour corrections may be made on supplied film. 

• Opaquing may be done on the non‐emulsion side of the  film. Opaquing should be minimal 

and  thin  in consistency  to preclude high spots  in  the  film  that may create contact and dot 

gain problems during platemaking. 

• All extraneous marks, smaller than a minimum dot, should be opaqued or covered. 

• Excessive opaquing is unacceptable. 

• All films must be orthochromatic; camera or soft‐edged film is unacceptable. 

• The film must be free of kinks and scratches. 

• Visible  fingerprints, bleaching, or  coloured markings  are not  acceptable when  viewing  the 

film’s clear areas. 

Film Negative Emulsion 

• Negatives prepared for surface print must be right reading emulsion up. 

• Negatives prepared for reverse print must be right reading emulsion down. 

Printing plates, tape and sleeve assembly 

The  printing  plates  are made  from  rubber  or  photopolymers.  Their  hardness  and  thickness  are adapted to the particular substrate and motif. Since, on the one hand, the types of substrate to be printed  range  from corrugated board via paper, plastic  film, and metal  foil  to composite materials and on the other, extremely varied requirements (different requirements apply for the packaging of industrial products than those for the packaging of foodstuffs) have to be met, numerous types of ink are used for flexography – water‐based inks, inks containing alcohol or benzene, ester inks, UV curing inks, and so forth. The printing plate material must be selected so that it will not be swollen, etched, or embrittled by the inks. 

Printing  plates  are  either  flat  or  fastened  onto  the  plate  cylinder with  adhesive  or  double‐sided adhesive film, or they are produced in cylindrical form (e. g., sleeve technology). 

Rubber  Plates;  Rubber  plates  are  produced  by molding  a matrix  (embossed  casting mold)  using natural rubber with subsequent vulcanization. The plate  is sometimes worked to an even thickness by grinding of the reverse side. The best quality rubber and elastomer plates are produced when the print  image  relief  is applied by  laser engraving  to plate cylinders  that have been  fully coated with elastomer and then precision‐ground. With this process, the side walls of the printing elements can be shaped – in contrast to photo‐chemical production – so that only the foot is at a slant, to increase stability, and the upper area has a vertical side wall, so that any resulting dot gain is to a large extent avoided during abrasion of the plate during printing (Figure 23). [2] 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    24/50 

 

 Figure 23: Comparison of the relief of a photopolymer printing plate produced in a photographic/chemical process with a 

laser engraved printing plate (rubber) 

Laser‐engraved plates are not yet widely used; at approximately 40 lines/cm, the screen frequency is clearly lower than with photopolymer plates (around 60 lines/cm). 

Photopolymer  Printing  Plates;  Photopolymers  for  flexographic  printing  plate  production  are available  in  liquid  or  solid  form,  with  the  solid  systems  becoming  increasingly  more  prevalent. Untreated photopolymers  consist of  elastomeric  vehicles, unsaturated monomers,  and UV photo‐initiators. They are soluble  in water or  in organic solvents. A crosslinking  reaction  takes place as a result  of  exposure  with  UV  light.  The  crosslinked  photopolymers  are  then  no  longer  soluble. Photopolymers  can be  crosslinked  locally by partial exposure,  the unexposed areas  retaining  their solubility and  therefore  their wash‐off ability. This property  is exploited  to produce  relief printing plates. 

Solid photopolymer base plates are nowadays  supplied  ready‐for‐use  (e.g. Nyloflex printing plates from BASF or Cyrel from DuPont). They are available as single or multi‐layer plates. 

Single‐layer plates consist of a relief layer (untreated photopolymer) that is covered with a protective film. A separation  layer allows easy removal of  the protective  film. A polyester  film on  the reverse side of the plate serves to stabilize the untreated plate. The layer structure of a single‐layer plate is shown in Figure 1‐25a. 

To process the single‐layer plate, the reverse side of the plate is first exposed completely and evenly without  film copy  through  the  stabilization  film  (usually polyester  film). The  reverse  side exposure brings about the full‐surface crosslinking of the  lower area of the untreated plate and thus restricts the wash‐off depth.  It also  increases  the  light‐sensitivity of  the  coating, ensures a  stable  side wall structure, and facilitates the anchoring of a relief with a greater number of recessed layers. 

After the protective film has been peeled off from the top surface, the main exposure is done under vacuum  through  the negative  film  (film copy)  that has been placed on  top. The relief  is  formed by photopolymerization. The duration and intensity of the main exposure affect the dot anchoring, the  

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    25/50 

 

 

side wall angle, and the intermediate depths in fine structures, such as halftone areas (Figure 24). [1] 

Figure 24: Main exposure, effect of exposure time. (a) Dot anchoring (e.g., with line structures) by UV exposure; (b) Side wall angle and intermediate depth (with screened image elements); relief in the case of a 1.14 mm digiflex plate about 0.6–0.7mm, intermediate depth min. 70μm 

 Figure 25: Fig. 2.3‐7 Structure of the various flexographic plates.  (a) Single‐layer plate (BASF);  (b) Multi‐layer plate (BASF);  (c) Plate for computer to plate imaging systems (digiflex, BASF) 

 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    26/50 

 

The main exposure is followed by the washing‐off process. The unpolymerized areas of the plate are dissolved with a solvent, with brushes supporting this dissolving process mechanically. After washing‐off,  the  plate  has  to  be  dried  thoroughly,  in  order  to  evaporate  any  wash‐off  agent  that  has penetrated  the  relief  layer.  This  is  followed  by  all‐over  post‐exposure  without  film,  in  order  to crosslink all parts of  the  relief completely.  In  this state,  the  flexographic printing plate has a sticky surface, on which dust and dirt would collect. This stickiness disappears as a  result of exposure  to UV‐C light or after immersion in a bromine solution. Now the flexographic printing plate is complete. 

Single‐layer plates are made in thicknesses of 0.76mm (e.g., for printing on plastic bags, film, and fine cardboard products) to 6.35 mm (e.g., for corrugated board and heavy‐duty bags made from paper and film). Screen frequencies of up to 60lines/cm (150lpi) can be achieved with plates  less than 3.2 mm thick. The possible tonal range here is about 2–95%. Thicker plates (around 4–5 mm) are suitable for screen frequencies of up to 24 lines/cm (60 lpi) with a tonal range of approximately 3–90%. 

Multi‐layer  plates  for  high‐quality  halftone  printing  are  structured  as  shown  in  Figure  25b.  In  their  structure  they  combine  the  principle  of  relatively  hard  thin  layered  plates  with  a compressible substructure. The base layer itself forms a compressible substructure for the relief layer and  consequently  absorbs  deformation  during  printing;  the  image  relief  remains  static,  however (Figure 26). The stabilization film ensures that virtually no longitudinal extension occurs as a result of bending during mounting of the flat plate on the impression cylinder. A comparable improvement in print quality  is also achieved when thin single‐layer plates with compressible cellular film are stuck onto the plate cylinder. [2] 

 Figure  26;  Print  image  transfer  in  flexography.  (a)  Printing  plate  deformation,  single‐layer  plate  (Figure  1‐11a);  (b) Adequate transfer of the print image using a printing plate with compressible base (multi‐layer plate in accordance with Fig. 1‐11b) 

Untreated plates  for digital print  image  transfer by  computer  to plate  systems have  the  structure illustrated in Figure 1‐11c (e.g., BASF digiflex plates). The “black” layer is revealed on removal of the protective film, and it can be ablated to produce the image with the beam of a YAG laser (1064 nm wavelength). In this process the laser beam destroys the black, energy‐absorbent layer, so that dot‐by‐dot  imaging of the plate takes place. The black  layer takes on the role of the film copy (negative film). After imaging, the full surface of the plate is exposed (first exposure and main exposure) and it 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    27/50 

 

is  further processed  in  the same way as a single  layer plate  in order  to create  the  relief  (no  laser‐engraving takes place here, as was explained for the production of rubber plates). 

Mounting the Printing Plate; The flat plates are fastened in accurate register onto the plate cylinder with double‐sided adhesive  film. When doing  this,  the plate must be brought  into  the  shape of a cylinder shell. The  image dimensions have to be reduced  in prepress  in the direction of printing to compensate for the longitudinal increase in size. 

Sleeve  Technology;  The principle of  sleeve  technology  consists of  a  thin‐walled metal  sleeve,  the inside diameter of which  is dimensioned so that the sleeve can be expanded under compressed air and pushed axially onto the plate cylinder. Once the compressed air has been turned off, the sleeve sits firmly on the plate cylinder by force fit. Before being pushed onto the plate cylinder, the entire outer  surface  of  this  sleeve  is  covered with  plate  base material.  The  cylindrical  plate  is  directly imaged using lasers in a round imagesetter (Fig.27 

 Figure 27: Laser exposure of a sleeve printing master (digiflex, BASF) 

With this process the  longitudinal extension that takes place during conventional mounting and the inaccuracies connected with the attachment of the block do not occur. 

There are two modes of procedure for sleeve technology: 

• Covering the sleeve with a laser exposable plate cut exactly to the size of its cylinder casing, 

in which case the sleeve has a seam. 

• The use of  seamless  sleeves which have been already  fully prepared by  the manufacturer 

with the relief layer (e. g., BASF digisleeve). [2] 

Bar Code specifications 

Bar code print specifications are produced by combining three types of related specifications: 

1. Application Standards are published by accredited standards organizations. 

Bar codes are used  in many different applications with different scanning conditions. For example, one application  involves packaging  for retail checkout  lanes while another application  is  for coding shipments for conveyor lane routing in distribution centres. The specifications for bar codes used in these two applications are different because the conditions for scanning the bar codes are different. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    28/50 

 

Accredited standards organizations provide specifications in the form of guidelines and standards to assist in: 

- Selecting the bar code type to be used, - Structuring the data inside the bar code, - Defining the printed human‐readable information that is inside the bar code, - Selecting bar code size within the acceptable range, - Understanding where the bar code should be placed on the product, and - Defining the minimum print quality requirements. 

2. FIRST Print Specifications prescribe a minimal level of capability for all compliant printers. 

These specifications fall within the acceptable limits of the appropriate Application Standard for the bar code being printed and will assist in: 

Determining  the minimum  size  for a bar code depending on  the printing press and  substrate, and identifying the preferred bar code orientation given the direction the web or sheet will travel. 

3. Job Specifications should be published for film or plate output. 

These specifications should assist in: 

- Identifying optimum film/plate output resolution, and - Determining bar width reduction (BWR) required by the specified print conditions. 

 

Figure 28 Colour Considerations: The optimum bar code colour combination is opaque black ink for the bars and opaque white substrate or ink for the background. [11] 

Handling Flexographic printing plates 

The printing plates provided are high‐quality flexographic printing plates. Please note that they can hold a considerable value. 

Flexographic printing plates are designed for the mechanical strain in the printing press. If subjected to any form of improper strain outside the printing press, the quality of the plate and thus the print may be affected. The finest printing elements, such as halftone and fine line elements are particularly influenced by adverse mechanical effects. Digital printing plates are more  sensitive  than analogue printing plates due to their small detail and must therefore be handled with particular care. [1] 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    29/50 

 

Goods  inward; Make sure the packaging of the delivered material  is correct. The plates have to be placed  back‐to‐back  and  the  printing  surface must  be  protected with  foam.  In  order  to  prevent indentations or similar damage, plates should not be stacked  in too  large quantities on top of each other (depending on size and weight/thickness) and should not be packed too tightly. Digital printing plates are more sensitive than analogue plates in some parts of the images. 

The quality of a printing plate  in conjunction with printing  ink  is determined by the surface quality. The plates therefore usually have a certain degree of residual adhesiveness when used properly. For this  reason,  it  is  important  the  plates  are  not  placed  directly  on  top  of  each  other  as  they may otherwise  become  stuck.  On  delivery,  the  individual  printing  plates  are  protected  by  a  layer  of material placed between each one. This should be kept in place as far as possible. 

The printing plate maker must also take care not to finish the printing plates too strongly as this may cause  light  cracking  in  the background  and on  the  surface. A  certain  smell  from  residual  solvent, although not pleasant,  is unavoidable.  It does however decrease constantly over time and  is not to be regarded as a health risk. [1] 

Preparation for printing; Generally the printing plates are checked for the relevant parameters at the print preparation stage in order to ensure that further processing runs smoothly. The printing plates which  are  carefully  produced  and  packed  by  the  trade  shop may  be  subjected  to  the  first  stress during this inspection, e.g. by being stacked or creased. This should be avoided. [1] 

Mounting  plates;  Before  the  printing  plates  can  be  mounted,  they  should  be  given  time  to compensate  for any climatic  fluctuations during transportation and when being passed on  into the printing  shop as  temperature and air humidity has an effect on  the polyester backing material.  In practice, printing plates are still quite often “distorted” which can be traced back to ambient climate related problems. Later problems with the register can then not be ruled out. 

During  the mounting process  it  is  important not  to apply  too much pressure  to  the surface. A soft foam  helps  to  distribute  the  pressure  evenly  and  prevents  friction  on  printing  elements  in  the highlight tonal range which are sensitive on both analogue and digital plates. The position should not be frequently adjusted by repeatedly removing the plates from the adhesive tape. 

If a final test proof is made, the proof printing ink must be removed from the surface carefully. This is best performed using a soft, lint‐free cloth and not using brushes. Special proof inks can be washed off with water. Substances which  contain oil or acetate must not be used. The printing  surface  in halftone areas must be dabbed and not rubbed. The polymer should in general be given enough time after each contact with ink/cleaning agent for the liquids to evaporate. [1] 

Printing process; Cleaning poses  the biggest danger  for  the printing plate.  In addition  to problems during mounting, such as rubbing/friction on the surface and the related losses in the finest printing elements, at  this  further stage  the printing plates are also exposed  to solvents and,  in  the case of other  ink systems, such as UV curing systems,  the effects of other components  in  the printing  ink. The  incorrect  solvent or  cleaning  agent  can  cause,  for example, everything  from  swelling  and  the possible loss of parts of the image to register problems in repeat jobs. 

Photopolymer printing plates are subject to high  levels of mechanical force from the application of the  print,  from  forced  control  on  gearless  printing  presses,  between  the  impression  cylinder  and anilox  roller.  This  force  is  increased  exponentially  if  the  surface  speeds  do  not  match.  This 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    30/50 

 

mismatched ratio can be caused by the height of the printing plate being incorrect (printing cylinder diameter, sleeve diameter, thickness of adhesive tape, thickness of printing plate), the anilox roller and/or the impression cylinder being applied incorrectly, the use of an anilox roller with the incorrect diameter  or  the  use  of  substrate  which  is  too  thick  or  thin  (relative  to  the  dimensions  of  the impression cylinder). Premature wear and tear or the breakup of small elements of the design may be caused as a result. 

The trend in anilox roll technology is towards finer lines with higher volume. Even with more coarse engravings  it  is  important  that  the  ceramic  coating  is of an even  thickness and has a  low  level of porousness. A homogenous formation of cell walls stabilises the halftone dots especially with digital or point light exposed printing plates. 

Most  factories  use  a  mix  of  both  analogue  and  digital  printing  plates.  If  they  are  not  labelled accordingly,  the printer does not know whether he  is working with digital or analogue plates and cannot  therefore  deliberately  apply  the  appropriate  precautionary measures.  It  is  therefore  very important that sets of printing plates are marked permanently. [1] 

Cleaning and archiving; The statements made for mounting and printing are equally valid here, too. Whether the printing plates remain on the sleeve or are stored flat  ‐ they must be protected from pressure and light. 

The appropriate cleaning agents for the type of plate must be volatilised before storage. If a cleaning machine  is used,  the  stiffness of  the brushes and  the pressure applied by  the brush and  spraying systems must  be  checked  before  use with  digital  printing  plates.  Special  cleaners may  contain  a higher concentration of corrosive solvents which will attack the structure of the printing plates. The printing plates should be powdered before storing. Climatic fluctuations during storage lead to later problems with the register and thickness tolerances. The date of storage should be recorded. [1]  

3.2.5. Process control in Flexographic printing 

For  consistent,  repeatable product –  in  the  case of ECOFLEXOBAG  a  flexible bag –  there must be allocated  (either on  the design or  in  the waste matrix of  the  job)  to accommodate an appropriate control  target.  The  same  control  target  (run  target)  included  on  all  optimization,  fingerprint  and characterization  trials must also be  included on  “live”  jobs.  It  is  impossible  to  control what  is not measured. By measuring  the process  control parameters  (print density, dot gain, gray balance, as well as print contrast, Total area coverage, spot colour, bar code scan rate, etc) and key mechanical control parameters  (ink viscosity, pH,  film surface  tension, etc) and comparing  the results –  in real time – to the average and control limits established from the fingerprint data, it is possible to control the  printing  process  for  repeatable  results.  Realtime  control  charting,  with  appropriate  training, makes  it  easy  for  press  crews  to  determine  when  press  adjustments  are  necessary  and,  as importantly, when they are not necessary to maintain print quality and consistency. Overadjusting a press  can  actually  increase  the  amount of  variation  in print quality  and  generate more  scrap  and downtime. Basic statistical training clarifies for press crews what variation is inherent in the process – and therefore, should not attempt to correct – and what variation is due to a change in the process (special cause) – and therefore, should be corrected. [1] 

• Press Maintenance – A properly maintained press is capable of achieving similar print results run after run. However, a press in need of maintenance will have a difficult time duplicating 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    31/50 

 

previous results. Press maintenance is an example of “special cause variation” which must be corrected in order to print “in control”. 

• Process  Documentation  –  Strong  documentation  systems  make  it  easy  to  monitor  and control the components coming to press and to set‐up and run the press the same way every time a  job  is  run. Some examples of process documentation  that help  to reduce variability include: 

o Press Operating Data  Sheet  –  Ensures  the  press  is  set‐up  and  run  the  same way every time. 

o Anilox Roll Identification Code & Card – By labelling each individual anilox roll with a unique code, the printer can ensure the same roll  is put  in each deck  ‐ not  just the same  cell  count,  volume,  and  angle.  The  card  that  accompanies  the  anilox  roll includes manufacturer,  date  new,  date  last  cleaned,  cell  count,  screen  angle,  and actual cell volume measurement. The anilox roll card makes it easy to determine the last time a roll was cleaned, how old it is, and the latest volume measurement. 

o Printing Plate Labelling & Card – Each printing plate should have clearly imaged, in a non‐print  zone,  the  appropriate  CMYK,  Spot  1,  Spot  2,  etc.  label.  This  provides  a quick and easy check throughout the manufacturing process to confirm each plate is printing  in  the correct deck. Also,  the plate card  tracks date new, plate  type, each date it is used, and the number of impressions on the plate. This information helps to determine when  a  plate  should  be  replaced  and  the  plate material  to  use when making a replacement plate. [1] 

Throughout  the  press  run,  the  press  crew  should measure  and  record,  on  a  standardized  form, spreadsheet,  or  database,  the  process  control  parameters  and  appropriate  mechanical  control parameters. This information is used, real‐time, to control the printing process. 

Standardized printing plate production 

This  section  provides  information  on  the  manufacturing,  specifications,  tolerances,  and measurement methods for the three main types of flexographic printing plates: 

- Single‐layer plate - Multi‐layer plate  - Plate for computer to plate imaging systems 

This information will assist the print production team in selecting the most appropriate printing plate to best produce the design and ensure consistent performance. 

Flexographic plates are  supplied by  the manufacturer  in a variety of  forms, which determines  the platemaking process required to produce a press‐ready flexographic printing plate. [1] 

Imaging  and  processing  parameters;  In  order  to  establish  optimum  imaging  parameters,  it  is imperative to check the Laser focus settings. To do so, follow the instructions of the manufacturer. In certain circumstances this function may not be necessary or available if an automatic focus is in use. To optimise the fundamental laser power balance, image the DFTA CtP strip in the pixel version and appropriate platesetter´s resolution several times side by side. 

Depending on  the utilized platesetter´s capabilities  the  individual  imaging settings are supposed  to differ either in the energy setting of the laser or in the rotation speed of the drum.  

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    32/50 

 

 Figure 29: DFTA CtP control strip. [12] 

For more detailed  information, please contact the manufacturer of your platesetter. The evaluation of  the  optimum  laser  power  balance may  be  performed  as  follows.  Visual  evaluation  should  be recommended due to its ease‐of‐use and precision. 

Flexographic  printing  plates  require  a  certain  relief  depth,  therefore  the  settings  in  the  plate processor must be held constant and it must be assumed that a certain brush pressure is constantly set per every plate thicknesses.  

The  thicknesses  of  the  finished  flexographic  printing  plates  are  very  important  for  the  printing process as  larger  fluctuation within  the printing plates contained on one print cylinder can only be compensated with great difficulty and usually with clear loss of quality. It is therefore very important to  perform  an  inspection  regularly  of  the  printing  plates  produced.  Using  a  thickness measuring device  is  indispensable  to  determine  the  optimum  washing  time.  It  is  also  important  that  the measuring device used  in each  case  is  suitable  for  the purpose. Thus, devices which apply a  large degree of pressure on the soft elastic samples being measured should be avoided. They may deform the printing plate material  considerably  and  thus distort  the measurements. They  are particularly unsuited to measurements in halftone tints. 

Print quality in flexographic printing 

The print quality that can be achieved in flexographic printing is lower than the achieved in gravure and offset printing. The resolution is generally lower with flexography (48 lines/cm) than with offset which has a standard of 60 up to 120 lines/cm. [2] Mottling and optical print density variations in full tones are critical in flexographic printing, due to the low ink transfer. 

When designing  the  fingerprint  test  form,  the  test elements  typically  included can be divided  into two general categories: 

• Process Control Parameters/Elements, which  indicate  the print  capability of a particular press, operating  with  specific  settings  and  materials  as  required  by  the  graphic  design.  These  test elements measure key quality attributes of the graphic design. Typical process control parameters on a fingerprint test form include:  o Solid Colour Patches 

Process  Colours:  With  process  printing,  the  solid  test  patches  represent  important “anchor points” for the colour reproduction process, so it is important to quantify them. The process colour solids can be measured using both densitometry  (solid  ink density) and spectrophotometry (L*a*b*C*hº).  

Custom/Spot Colours: Using  the best press  set‐up and  ink  formulation  (as determined during  the optimization process), quantify, using  spectrophotometry  (L*a*b*C*hº DE) and  visual  evaluation,  how  well  the  printing  process  is  able  to match  the  specified 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    33/50 

 

colour. A sample of the fingerprint test form, printed with the same substrate, press, ink formulation,  etc.  as  future  production,  should  be  sent  to  the  customer  for  colour approval. Once approved,  the solid custom colour printed on  the  fingerprint  test  form should be used to create the “standard”  in the colour measurement software to which all “live” jobs will be compared.   

o Gray Balance Patches: This test element should include patches representing highlights, 1/4‐tones, mid‐tones,  3/4‐tones  and  shadows.  Gray  balance  is  influenced  by  the  colour  and density of the process  inks, dot gain, and  ink trapping. It  is the most sensitive parameter to monitor  and  the  easiest  to  evaluate  visually. While  gray  balance  will  not  identify  which variable has deviated,  it  is  the  first place where a change  in  the printing process  is usually detected.   

o OverprintTrap Patches: These patches are used  to assess how well  inks  trap, or print over one another.  In addition to the process colour solids, process colour overprints (red, green, blue) represent additional “anchor points”  in the colour reproduction process. They can be quantified either densitometrically (trap equations) or colorimetrically (L*a*b*C*hº). Also, if there  are  any  non‐process  overprints  (spot with  process,  spot with  spot),  they  should  be quantified as well. Traps should appear smooth and free of pinholes. Refer to Print Section 20.4.6 for additional information.  

o Tone Scales: Tone scales are flat tints typically ranging from 2%, as measured in the film/file, to as much as 98%. They can be used to measure dot area, dot gain, print contrast, and tint density. Regardless of the measurement equations used,  it  is  important to understand how halftone dots are reproduced on the press and to quantify the results (establish aim points and tolerances) for future runs.  In addition to evaluating tone compression, tone scales are useful  for  identifying  the  best  screen  ruling  and  screening  technology (conventional/stochastic/ hybrid) for the design requirements.  

o Vignettes: A vignette is a continuously graduated scale that smoothly transitions from a solid to the minimum dot held on the plate. Vignettes may be included in several screen rulings to visually determine the optimum ruling to use on “live” jobs given the press set‐up and design parameters.  

o Bar  Codes:  For  the  appropriate  symbology,  include  several  different  combinations  of magnification (size) and BarWidth Reduction (BWR). Orient the symbols in both the web and cross directions to determine the optimum combination to use on the “live”  jobs given the press set‐up and design parameters.  

o Line & Type Elements: These test elements are used to determine the minimum type size and rule  width  to  use  on  “live”  jobs  given  the  press  set‐up  and  design  parameters.  These elements  should be printed on every deck  since  the minimum printable  size will vary with deck  set‐up  conditions.  The  test  elements  should  include  both  positive  and  reverse lines/rules  and  serif &  sans‐serif  fonts.  Include  the point  size of each  line of  text  for easy identification. [1]  

• Mechanical Control Parameters/Elements are used to ensure the press is mechanically operating as  it should be. These elements should be  included  in several places across  the  fingerprint  test 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    34/50 

 

form (gear, centre & operator sides) to ensure the press is balanced across the sheet/web. Typical mechanical control parameters on a fingerprint test form include:  o Impression &  Slur  Targets:  These  elements  evaluate  plate‐to‐substrate  and  anilox‐to‐plate 

impression, ink volume, ink dry rate, and fluting (in corrugated applications).  

o Plate Exposure Guides: These test elements confirm optimum exposure and processing of the printing plates.  

o Registration Targets: There are several  registration  targets used  to determine  the accuracy and consistency of colour‐to‐colour registration on press. These test elements also monitor the position of the image (centre marks) and confirm the image is square to the lead edge (in corrugated and envelope blank applications).  

o Solid  Ink Colour Patches:  In addition  to  the process control parameters  that are evaluated using these test elements, they can also be used to evaluate mechanical control parameters such as anilox‐to‐plate and plate‐to‐substrate impression.  

o Vignettes: Vignettes can also be used to identify defects that result in light and dark areas, or bands that stretch across the entire web/sheet width. Common names include barring, gear marking, or gear chatter. This defect is typically attributed to gear problems, form layout, or doctor blade  chatter. There  can also be  localized banding problems as a  result of  imaging problems in platemaking. Higher line screens are more likely to show barring.   

o FlatTint:  This  test  element  is  very  useful  to  quickly  identify  press  problems  during  the fingerprint  trial associated with:  ink volume & dry  rate, anilox volume, bad bearings, plate impression  settings,  and  fluting  (in  corrugated  applications).  The printer  should  select  the best tint for their operation; a 30% ‐35% tint is typical. [1] 

3.3. Bags manufacturing (Cutting and converting) After the printing process  is complete, the  large roll of  film  is then cut to size with hot knives that seam the sides of the bags together when cut. 

Then, the film  is fed  into bag manufacturing machines where the top and bottom seals are formed and  the  handles  are  cut  out.  All  of  internal  „scrap”  is  usually  then  reintroduced  into  the manufacturing process as a closed loop system to eliminate any wasted material. 

There are four basic sealing methods: 

• sideweld seal, • bottomseal, • twinseal, • slit seal. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    35/50 

 

Sideweld seal 

 Figure23 ‐ Sideweld‐seal mechanism 

A sideweld seal is made with a heated round‐edged sealing knife or blade that cuts, severs and seals two  layers  of  film when  the  knife  is  depressed  through  the  film material  and  into  a  soft  rubber backup roller. The material is fused by a combination of pressure and heat.  

This  is  the most usual bag‐sealing method. Typical high usage bags, e.g. bread bags and  sandwich bags, are produced using  the sideweld  technique. The  term sideweld  is derived  from  the  fact  that many of the bags produced  in this way pass through the bag machine with the  length (or depth) of the finished bag perpendicular to the machine floor. The film fed into the machine is either prefolded or folded during the in‐feed process. 

Bottom seal 

 Figure30 Bottom‐seal mechanism (top heat only) 

 

 Figure31 ‐ Bottom‐seal mechanism (top and bottom heat) 

The bottom‐seal technique seals the bag at the bottom only. Tube stock  is fed  into a bag machine, the single seal is produced at the bottom of the bag, and the bag is cut off with a knife action that is separate from the sealing action. A bottom seal is generally made by a flat, heated sealing bar which presses the layers of film to be sealed against a Teflon‐covered rubber pad, i.e. seal pad, or another 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    36/50 

 

seal bar.   A  separate cutoff knife  is used  to  separate  the bag  from  the  feedstock while  the  seal  is made or  immediately thereafter.Both bottom‐seal mechanism designs produce a bag with only one seal,  unless  the  tube  has  been  manufactured  by  slit‐sealing  (see  below).  The  small  amount  of unusable, wasted film between the edge of the seal and the cutoff point, called the „skirt” of the bag, is an  important factor  in the total cost of the bag. Any disadvantage caused by the presence of the unwanted skirt are usually offset by greater control of the sealing process. 

The bottom‐seal method is commonly used to produce HDPE merchandise bags and LDPE industrial liners,  trash  bags,  vegetable  and  fruit  bags,  and many  other  types  of  bags  supplied  in  a  roll.  In contrast to the sideweld method, designed primarily for high‐speed production of bags made from relatively light‐gauge films, i.e. 13‐51 µm, bottom‐seal methods are often used to produce bags from film from 13‐ 150 µm at slower production speeds. Bags manufactured by bottom‐seal methods are delivered through and out of the bag machine with the  length (or depth) of the bag parallel to the machine direction. Since all of  the bags are produced  from  tube  sock, multiple‐lane production of bags is limited only by the widths of the machine and the bags and the film‐handling capability of the bag machine. 

Twin seal 

The  twin‐seal method  employs  a  dual  bottom‐seal mechanism with  a  heated  or  unheated  cutoff knife located between the two seal heads. The unique feature of the twin‐seal mechanism  is that it supplies heat to both the top and bottom of the film material and makes two completely separate and independent seals each time the seal head cycles. 

 Figure32‐ Twin‐seal mechanism 

Like the bottom‐seal method, the twin‐seal technique can supply a  large amount of controlled heat for  a  given  duration.  This makes  the  twin  seal  useful  in  sealing  heavier‐gauge  films  as  well  as coextrusions and laminates. Since two seals are made with each machine cycle, the twin‐seal method can be used to make bags with the seals on the sides of the finished bag, i.e. like sideweld bags, or on the bottom of  the bag  in some special applications, such as retail bags with handles. Many special applications  call  for  the  use  of  a  twin‐seal  type  sealing method,  but  it  is most  often  used  in  the production of the plastic „T‐shirt” grocery sack. 

Slit seal 

Another type of sealing method, the slit seal,  involves sealing two or more  layers (usually only two) of film together in the machine direction through the use of a heated knife, hot air, laser beam, or a combination of methods. The slit‐seal technique is usually used to convert a single large tube of film into smaller tubes. In the production of grocery sacks, for example, a single extruded 152 cm lay‐flat tube of  film can be  run  through  two slit sealers  in  line with  the bag machine. This  results  in  three tubes of 51 cm lay‐flat material being fed to the bag making system. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    37/50 

 

 Figure24 ‐ Slit sealer (hot‐knife type): Left: Side view; Right: Top view 

3.4. Technical Procedures 

3.4.1. Standard Layouts Standard  layouts  should  be  used  to minimize waste  both  in  the  print  process  and  during  further processing. For example arrows can be placed  in the bearer bars or outside cutter guides to ensure print  is  always  heads  up  to  the  converting  equipment.  Ideas  like  this  should  be  included  in  the standard layout in collaboration with the converter so that overruns can be minimized.  

3.4.1.1. Colour Management 

Colour management  is of paramount  importance, poor  colour management  results  in  large waste production caused by, for example, extended set up times or customer rejection.  

In order to achieve consistent colour control, gamut profiling of each  input device (scanner, design) and  output  device  (proofer,  press)  should  be  conducted.  Colour  management  software  then transforms the output profile so that it matches the input. Good colour management will also include ink supplier certification of supplied  ink to specified tolerances.  In house colour mixing will also be supplied to press within a given tolerance and with colour chips for colour matching on press. 

3.4.1.2. Standard Operating Procedures 

Standard operating procedures detail  the optimum methodology  for  conducting  a particular  task. The  SOP which  should  be written  in  consultation with  operators  ensures  optimum  performance, maintains consistency and retains knowledge ‐ should personnel leave. The SOP should be regularly updated so that any improvements identified are recorded. 

3.4.1.3. Ink Tank Volume Reduction 

Ink tanks often require a set volume of ink to prime and run the system, when using spot colours this could be significantly  larger than that actually required to produce the  job.  Ink tank volume can be reduced simply by inserting a rubber brick or using a variable volume ink tank so that a minimum of press ready ink can be produced saving on ink wastage due to overproduction. 

3.4.2. Overlooked Techniques 

3.4.2.1. Energy Reduction 

When considering  the  lifecycle of bag production, reducing  the use of energy at  the printing stage will  contribute  to  a  reduction  in  the  overall  carbon  footprint.  Therefore  any  system  that  can  be applied to the production process should be considered for BAT. Systems for the reduction in energy use are suggested in this section. 

3.4.2.2. Switch Off When Not in Use 

In principle the concept of switching off equipment when not in use is simple, however many items of  equipment will  be  left  on  or  in  standby when  not  in  use.  For  example when  the  press  is  not running web cleaners, antistatic equipment,  registration and  inspection cameras and sensors  (web 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    38/50 

 

break, web  alignment  etc) will  remain working when  they  could be  switched off. Dryers will  also continue working at reduced power however  this may be necessary  to remove solvents during set up. 

Off press equipment that may be left in operation or standby are cleaning equipment, compressors, cooling systems. Cleaning equipment  like ultra sonic cleaners may be  left on  in preparation while a job is running and the principle also applies to all areas of the production plant including lighting, air‐conditioning, computing equipment and automatic flush systems in lavatories. 

The BAT would therefore be to survey the plant and identify any equipment that is routinely left on when  not  in  use  and  systems  put  in  place  to  reduce  the  occurrence.  This  could  be  included  in standard operating procedures or automation. 

3.4.2.3. Centralized Systems 

In many  cases  it will be possible  to  reduce energy use by using  centralized  systems.  For example consideration should be given to a centralized compressor system. This reduces energy consumption as a centralized compressor system is more efficient than multiple small compressors at point of use. 

3.4.2.4. Minimum Dryer Requirements 

The specific requirements for drying/curing will vary from colour to colour and job to job therefore a BAT  should be  considered where  the dryer  settings are adjusted  for each  job/  colour  individually. With  good  communication  between  press  and  pre  press  operators,  job  and  colour  specific  dryer settingscan be included in the job file. The dryer system should also be linked to press speed so that the dryer power is ramped with speed.  

Dryer power  is usually thought of  in terms of temperature; however  increased airflow will  increase osmotic  potential  ‐  increasing  the  rate  of  drying.  Consideration  should  therefore  be  given  to increasing airflow as a less energy intensive means of improving drying than increasing temperature. However this should be done with the understanding that some dryers must retain a certain solvent content to maintain waste gas treatment efficiency. 

Residual Solvent Removal by Final Dryer 

In BREF STS  it  is stated that a residual solvent content of typically 2‐3% remains  in the dry  ink film and this solvent should be removed with higher dryer power. This residual solvent could however be removed using only  the  final dryer  in  the print  sequence, avoiding  the need  for high power on all inter unit dryers. The same principle can be applied with UV cured inks where a complete cure is only achieved at the final unit. 

3.4.2.5. Weight Reduction 

Reduction of weight has an energy saving. An example of this  is the use of reduced weight gravure cylinders  or  sleeves.  A  gravure  sleeve  can  weigh  7kg  where  a  standard  cylinder  would  weigh 225kg[16] this large weight reduction provides several environmental benefits. The reduced weight is an operational improvement as lifting and transport equipment such as cranes can be eliminated and changeover  speed  can  be  increased  reducing  press  downtime.  An  additional  benefit  is  reduced storage  and  transportation  requirements,  the  lower  weight  will  require  less  fuel  usage  in transportation between the plant and engraver. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    39/50 

 

4. Requirements of Commercial Bags production process 

In  this  chapter, aspects  to be  taken  into account and monitored during  the production of printed commercial  bags  are  identified  based  on  survey  that  have  been  carried  out  within  the  project, analysis of legislation and experience from previous projects. 

The following groups of requirements are considered: 

• Mechanical requirements • Film processing requirements • Printing requirements • Legislative requirements • Environmental requirements • Economic, productivity and quality requirements 

As  a  next  step,  the most  relevant  key  aspects will  be  selected  and  used  to  determine  concrete procedures  for  production  process  monitoring  in  the  following  project  steps  (Action  B.3 Determination of procedures for monitoring the sustainable production of commercial bags). 

4.1. Mechanical requirements Materials  used  in  Commercial  Bags  production  process  are  characterised  by  the  following main properties: 

• Thermal properties: Melting temperature, sealing conditions, etc.; • Physical properties: Density, surface tension, etc.; • Mechanical properties: Tensile strength, elongation, tear resistance, static and dynamic load 

resistance, coefficient of friction, etc. 

It  is  important  to  maintain  the  main  properties,  namely  strength  properties,  when  sustainable substrates  are  used.  While  recycled  materials  provide  more  or  less  the  same  strength,  some producers  report  that biodegradable plastic bags do not  reach  the  same  strength as  conventional bags made from virgin material and stretch. 

The main mechanical requirements to be considered include: 

• Viscosity • Temperature profile  • Speed of the press • Extrusion speed  • Extension ratio • Melt temperature control • Melt pressure control  • Torque control • Blow‐up ratio • Fast ink transfer to the printing plate • Thickness of plates • Hardness of plates 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    40/50 

 

• Flexibility of printing plates • Pressure between the aniloxrol and printing plate and substrate • Nature of the substrate surface – substrate characteristics • Amount of volatile organic compounds • Production speed • Accuracy • Orthochromatis density • UV density less • Black maximum density 

4.2. Film processing requirements 

Before the printing plates can be mounted, they should be given time to compensate for any climatic fluctuations during transportation and when being passed on into the printing shop as temperature and air humidity has an effect on the polyester backing material. In practice, printing plates are still quite  often  „distorted”  which  can  be  traced  back  to  ambient  climate  related  problems.  Later problems with the register can then not be ruled out. To maintain the necessary even pressure in the printing nip,  the central  impression cylinder must be manufactured with a  low  runout of  less  than 5μm and be temperature controlled with a tolerance of +/–1°C (in the case of a 1.80m diameter steel cylinder,  for  example,  1°C  difference  in  temperature  brings  about  a  difference  in  the  radius  of approximately 10μm). 

Extension ratio is the ratio between the speed of collection of the film and the lineal extrusion speed, and therefore tells us the degree of longitudinal extension.  It needs to be greater than the blow ratio for better balloon stability control.  The extension ratio is what controls the gauge or thickness of the film. The maximum extension ratio is around 1:25. 

Flexographic presses are run at speeds up to 800 m/min, and presses able to print at 1000 m/min are now appearing on the market. The printing speed, however, also varies greatly depending on type of press and material being printed. Both  sheet‐fed and web presses are used  in  flexographic where two to eight printing units are arranged around a single central impression cylinder. The other basic types of flexographic presses are stack and inline. 

The main control parameters to be considered in blown film extrusion are: 

• Temperature profile  • Extrusion speed  • Extension ratio • Melt temperature control • Torque control • Melt pressure control  • Blow‐up ratio 

4.3. Printing requirements 

The  printing  requirements  of  the  Commercial  Bags  are  not  so  exhaustive  for  supermarkets. Customers expect a high quality  reproduction of  their  logo but are not  looking  for more  complex 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    41/50 

 

graphics.Mainly Commercial Bags are printed with single colour printing and they don´t need process colour printing. 

However,  Commercial  Bags  for more  expensive  products  have  higher  printing  requirements,  for instance: 

• Hue  and  intensity  of  every  color  should  be  correct  and  consistent.  (Appropriate  color management); 

• The global positioning of the print should be ‘in register’ – exactly the correct position; • Inks may not  transfer off  the bag  surface  (not under mechanical  tension,  friction or under 

heat pressure); • Adhesive strength of the ink; • Colour requirements; • Smooth printing quality. 

With  sustainable  substrates  (oxe‐degradable,  recycled material),  a  bag  surface  is  rougher  which results in lower printing quality (less sharpness/resolution, true color). This fact is often accepted by clients,  and  the  printed  image  is  then  adjusted  to  show  that  the  bag  is  recycled.  Better  printing quality can be achieved with Biodegradable plastic; but new materials are under development for the time being. 

When  the  bag  contains  some  part  of  recycled  material,  the  bag  is  not  purely  whitewhich  is understood by clients (they accept the grey colour of bags). 

Main printing requirements: 

• Viskosity of inks • Thin, highly fluid and rapid‐drying inks • Ink film thickness • Printing width, length • Printing on both sides • Transfer characteristics of the ink  • Printing speed • Temperature of drying • Consumption of electricity 

4.4. Legislative requirements Industrial Emissions Directive (IED) 2010/75/EU 

Industrial production processes account  for a considerable share of  the overall pollution  in Europe (for emissions of greenhouse gases and acidifying substances, wastewater emissions and waste).  In order  to  take  further  steps  to  reduce  emissions  from  such  installations,  the  Industrial  Emissions Directive (IED) has been introduced. 

The  IED  is  the  successor of  the  IPPC Directive and aims at minimization of pollution  from  various industrial  sources  throughout  the  European Union. Operators  of  industrial  installations  operating activities  covered  by  Annex  I  of  the  IED  are  required  to  obtain  an  integrated  permit  from  the authorities  in  the EU countries. Permit needs  to contain permit conditions  including emission  limit 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    42/50 

 

values  (ELVs)  for  all  relevant  pollutants, which  are  to  be  based  on  the  use  of  the  best  available techniques (BAT). 

The  IED  entered  6/1/2011;  the Member  States were  obliged  to  fully  transpose  the  Directive  by 6/1/2013.  The  Directive  applies  to  all  new  installations  from  this  date  onwards.  All  existing installations previously subject  to  IPPC, WI, SE and TiO2 Directives must meet  the requirements of the IED by 6/1/2014. Large Combustion Plants (LCP) do not yet need to meet the new ELVs. 

BAT reference document (BREF) already exists for Organic Solvents Printing,  including requirements in  relation  to  air  emissions  (namely  VOC),  energy  consumption  and  resources, waste  and waste water. 

VOC Directive 

The Council Directive on  the  limitation of  emissions of  volatile organic  compounds due  to use of organic solvents in certain activities and installations 1999/13/EC (VOC Directive) aims at prevention and reduction of both direct andindirect effects of emissions of volatileorganic compounds  into the environment,mainly into air, and the potential risks tohuman health. 

Printing according to this directive means any reproduction activity of text and/or  images  in which, with  the  use  of  an  image  carrier,  ink  istransferred  onto  whatever  type  of  surface.  It  includes associated varnishing, coating and laminating techniques. However, only the following sub‐processes are subject to the Directive: 

• Flexography ‐ a printing activity using an image carrier of rubber or elastic photopolymers on which  the  printing  areas  are  above  the  non‐printing  areas,  using  liquid  inks  which  dry through evaporation,  

• Heatsetweb offset  ‐ a web‐fed printing activity using an  image carrier  in which the printing and non‐printing area are  in the same plane, where web‐fed means that the material to be printed  is fed to the machine from a reel as distinct from separate sheets. The non‐printing area is treated to attract water and thus reject ink. The printing area is treated to receive and transmit ink to the surface to be printed. Evaporation takes place in an oven where hot air is used to heat the printed material,  

• Laminating associated to a printing activity  ‐  the adhering together of two or more  flexible materials to produce laminates,   

• Publication  rotogravure  ‐  a  rotogravure  printing  activity  used  for  printing  paper  for magazines, brochures, catalogues or similar products, using toluene‐based inks,   

• Rotogravure ‐ a printing activity using a cylindrical image carrier in which the printing area is below the non‐printing area, using  liquid  inks which dry through evaporation. The recesses are filled with  ink and the surplus  is cleaned off the non‐printing area before the surface to be printed contacts the cylinder and lifts the ink from the recesses,   

• Rotary screen printing ‐ a web‐fed printing activity in which the ink is passed onto the surface to be printed by forcing it through a porous image carrier, in which the printing area is open and the nonprinting area is sealed off, using liquid inks which dry only through evaporation. Web‐fed means that the material to be printed is fed to the machine from a reel as distinct from separate sheets,  

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    43/50 

 

• Varnishing  ‐ an activity by which a varnish or an adhesive coating  for  the purpose of  later sealing the packaging material is applied to a flexible material. 

Installations subject to the VOC Directive has to demonstrate that they fulfil relevant emission  limit values in waste gases, fugitive emissionvalues and total emission limit values or the requirements of the reduction scheme. A Solvent Management Plan can be established by the installation in order to demonstrate compliance with these requirements. 

 

In 2004,  the Directive on  the  limitation of emissions of volatile organic  compounds due  to use of organic solvents  in certain paints and varnishers and vehicle refinishing products (2004/42/EC) was published.  It  amends  the  VOC  Directive  and  its  aim  is  to  limit  the  total  content  of  VOCs  in certainpaints and varnishes and vehicle refinishingproducts in order to prevent or reduce airpollution resulting from the contribution of VOCsto the formation of tropospherical ozone. 

Waste Management Directives 

In 1999, the Landfill Directive was published with the main aim to prevent, or minimise the negative effects on both  the environment  and human health  caused by  landfilling of wastes. The directive requires the amount of biodegradable municipal solid waste sent to landfill to be reduced 

• to 75% of 1995 levels by 2010; • to 50% of 1995 levels by 2013; • to 35% of 1995 levels by 2020. 

Packaging and Packaging WasteDirective (and amendments) requires packaging to be minimised and designed for recovery and re‐use, and sets recovery targets to be met by the European countries for waste packaging. Heavy metals in packaging are restricted. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    44/50 

 

Waste Management Plans 

In  several  countries,  national  plans  in  a  field  of  waste management  exist  dealing  with  issue  of packaging including Commercial Bags. Targets relating to reduction of their use and replacement by biodegradable bags are often set. 

On the other hand, plastic bags are not included in the EU Green Public Procurement criteria nor the EU Ecolabel product groups exist. 

Main legislative requirements: 

• Production according to Industrial Emissions Directive • Production according to VOC Directive • Production according to Waste management legislation • Production according to national waste management plans 

4.5. Environmental requirements The main environmental concernsin Commercial Bags are  the consumption of resources caused by the increasing consumption of these products, VOC emissions and waste‐related issues. 

While  some  commercial  distributors  ask  their  suppliers  to  provide  sustainable  Commercial  Bags, others  do  not  set  any  specific  environmental  criteria.  However, when  recycled  or  biodegradable materials are demanded, often proof in a form of certification is required. 

Plastic bags made  from recycled material appear  to be  the most  favourable alternative. Unlike  the results of earlier studies, cotton bags did not emerge as the best product, the reason for this being the  substantial  amount  of  energy  and  irrigation  water  required  in  cotton  production,  and  the resulting  greenhouse  gas  emissions.  Biodegradable  plastic  bags  turned  out  to  be  the  worst alternative due to the fossil  ingredients which are added to their material mix to enhance stability. Their biodegradation, whether through composting or as landfill waste, has a negative effect on the climate. 

Main environmental requirements: 

• Reusable bags • Using recycled PE • Compostability • Certification of reusable commercial bags • Biodegradable materials • Oxo‐biodegradable materials • Recyclability • VOC emissions • Energy consumption • Water consumption 

4.6. Economic, productivity and quality requirements 

Economic  factors have  to do with  the economical sustainability of a process. Nowadays, economic sustainability  (long  term  profit)  has  become mixed  with  other  aspects  of  sustainability  (people, planet).  This  is  due  to  the  increased  importance  of  stakeholders  such  as  a  company’s  employees 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    45/50 

 

(people make  the  difference)  and  volatile  customers with  rapidly  shifting  perceptions  and  values (CSR,  planet).  This  means  that  an  effective  set  of  indicators  will  not  only  be  concerned  with immediate  profits  (added  value,  delivery  time,  turnover,  etc.)  but  also  with  planet  and  people aspects. 

Facts are best expressed  in numbers as they are unambiguous.  It  is  important to only measure the data that directly contributes to the desired final result. In practice, it is often found to be difficult to connect strategic‐level goals to specific units on the work floor (work place / cell / unit). 

The  desire  is  to  control  and monitor  in  increasing  detail  (from  strategic  level  to  departments  (or product types/families) to finally the machine  level)  in such a way that there  is a strong connection between high‐level measurements and detailed measurements. As the  level of detail  increases, the technical nature of performance indicators also increases.  

The different aspects in the company that need to be controlled (expressed as KPI’s) are relevant for the company as a whole and therefore relevant for every employee – but not every employee will be able  to  work  with  them.  Financial  controllers  do  not  run  machines,  the  management  doesn’t measure  the  temperature of  a machine,  a machine maintenance  crew does not  receive  feedback about customer satisfaction. It is therefore appropriate to separate KPI’s and place them where they are relevant, as long as the connection between the KPI’s is ensured. Everything must work towards the  common goal. Specific goals  for departments or machines are ever more  related  to  individual companies, but in general a division can be made of KPI’s into the strategic, operational and machine level. This division ranges from high‐level to detailed level.1 

 

                                                            1 More detailed division of KPI’s into the strategic, operational and machine level is provided in Annex I. 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    46/50 

 

5. Conclusions 

Production  of  printed  Commercial  Bags  consists  of  several  production  phases,  in  which  various aspects  have  to  be  considered  and  controlled  in  order  to  achieve  the  highest  effectiveness  and efficiency of the process possible. 

Therefore, the ECOFLEXOBAG project focuses on identification of key aspects and requirements to be monitored,  and  development  of  process  monitoring  requirements  procedure.  Mechanical,  film processing, printing, legislative, environmental, economic, productivity and quality requirements are taken into account. 

In this report, a wide range of  important aspects and  indicators was  identified. As a next step, the most  relevant  key  aspects  will  be  selected  and  used  to  determine  concrete  procedures  for production process monitoring in project Action B.3 (Determination of procedures for monitoring the sustainable production of commercial bags). 

 

Table 1 – Process monitoring requirements divided into six main areas 

Mechanical requirements  Film processing requirements 

• Viscosity • Temperature profile  • Speed of the press • Extrusion speed  • Extension ratio • Melt temperature control • Melt pressure control  • Torque control • Blow‐up ratio • Fast ink transfer to the printing plate • Thickness of plates • Hardness of plates • Flexibility of printing plates • Pressure between the aniloxrol and 

printing plate and substrate • Nature of the substrate surface – 

substrate characteristics • Amount of volatile organic compounds • Production speed • Accuracy • Orthochromatis density • UV density less • Black maximum density 

 

• Temperature profile  • Extrusion speed  • Extension ratio • Melt temperature control • Torque control • Melt pressure control  • Blow‐up ratio 

 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    47/50 

 

Printing requirements  Legislative requirements 

• Viscosity of inks • Thin, highly fluid and rapid‐drying inks • Ink film thickness • Printing width, length • Printing on both sides • Transfer characteristics of the ink  • Printing speed • Temperature of drying • Consumption of electricity 

 

• Production according to Industrial Emissions Directive 

• Production according to VOC Directive • Production according to Waste 

management legislation • Production according to national waste 

management plans  

Environmental requirements  Economic requirements 

• Reusable bags • Using recycled PE • Compostability • Certification of reusable commercial 

bags • Biodegradable materials • Oxo‐biodegradable materials • Recyclability • VOC emissions • Energy consumption • Water consumption 

 

• See Annex I 

The project will make use of and integrate already existing procedures and tools. For printing process and monitoring of VOC emissions, the following tools have been identified as relevant: 

• Solvent Management Tool (Spain); • VOC Tool (Germany); • Risk Inventarisation and Evaluation tool (Netherlands). 

The Action B.3 will be finished by 31/12/2013. 

 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    48/50 

 

Annex I – Economic KPIs for ECOFLEXOBAG 

Strategic 

(some of these indicators below can be used directly or 'per turnover unit (euro)' or 'per bag') 

• Turnover • Number of bags produced • Total weight of bags produced • Profit • Absolute / Relative substrate consumption (total) • Absolute / Relative ink consumption (total) • Absolute / Relative energy consumption (total) • Absolute / Relative water consumption (total) • Absolute / relative solvent consumption (total) • Total amount of substrate waste produced (kg) • Total amount of ink waste produced (kg) • Total amount of waste water produced (l), if any • Net cost of waste production / disposal • Average delivery time  • Customer satisfaction scores 

Operational 

(the indicators below can be used directly or 'per bag' or 'per product family') 

• Relative substrate consumption per product family (Yield) • Relative ink consumption per product family (Yield) • (average) % added value per product family  • Error rate at department / product family level. • Cost of errors at department / product family level • External (customer) complaints and associated error cost • Cost of corrective production runs (as a result of error) • Stock levels per department / product family • Cost of Stock (warehousing, depreciation, tied‐up capital) • VOC emissions at department / product family level • Solvent use per unit per product family • Cost of bag design / pre‐manufacture as % of total product cost • Cost of actual bag manufacture as % of total cost • cost of pre‐press activities as % of total product cost • Cost of printing activities as % of total cost • Cost of post‐print production as % of total cost • Cost of logistics / transport as % of total cost • Scheduling attainment / deadline overrun per product type • Throughput time per product type (associated with delivery time) • Amount of Work In Progress per product type (hidden stock) 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    49/50 

 

• Competence training / competence errors regarding innovation at department level • Number of running improvement projects at department / product type level • Supplier performance scores 

Work area 

• Ink circulation • Substrate and ink Yield per product family / product / machine level (this also leads to waste at 

the machine level) • Added value at machine level • Machine operation speed • Average productivity of machine • Error rate at machine • Cost of errors at machine level • Machine maintenance time (or % downtime) • Machine maintenance cost • Setup / Changeover time • Total operational effectiveness  • VOC emissions at machine level • Internal complaints/ failures (errors) and failure cost • Competence level at machine level (education, ability to handle innovation) • (Sales) ‐ Lead acquisition rate • (Sales) ‐ Lead conversion rate • (Sales) ‐ Value of jobs  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                     

DELIVERABLE 1.3 PROCESS MONITORING REQUIREMENTS                                                                                    50/50 

 

 

References  

 

 [1]  Flexographic Image Reproduction, Specifications&Tolerances, Volume 4, Flexographic Technical Association of the USA (2012) 

 [2]  Kipphahn H., Handbook of Print Media, Technologies and Production Methods, Springer‐Verlag, Heidelberg, 2001