Korrelation mellan visuell bedömning, tryckflammighet och topografi på kartongytor

Örebro universitet Örebro University

Institutionen för School of Science and Technology naturvetenskap och teknik SE-701 82 Örebro, Sweden

Korrelation mellan visuell bedömning,

tryckflammighet och topografi på kartongytor

Rezgar Palani

Maskiningenjörsprogrammet, 180 högskolepoäng Örebro Höstterminen 2019

Examinator: Sören Hilmerby

1 (53)

Sammanfattning

Tryckflammighet, ojämnheter på tryckta ytor är en icke önskvärd egenskap som länge bekymrat tryckeribranschen. Ojämnheterna har medfört en försämrad kvalité på

kartongmaterial som visuellt får materialet att se fläckig och sämre ut. Egenskapen har visat sig vara mer tydlig på ytor som tryckts med färgen cyan, vanligt förekommande i metoderna flexotryck och offsettryck.

Detta examensarbete har gjorts hos ett företag inom tryckeribranschen. Företaget har använt två metoder för bedömning av tryckflammighet på tryckta vätske- och förpackningskartong, en Parvis visuell bedömning och en instrumentell mätning med en skanner och programvaran STFI Mottling Expert. Programvaran har utvecklats med syftet att på ett identiskt sätt bedöma bland annat tryckflammighet på kartongmaterialytor så som den upplevs på den visuella bedömningen. Under en lång period har företaget använt instrumentet för att verifiera resultat som erhålls från den visuella metoden. Under de senaste åren har korrelationen mellan dessa metoder blivit sämre, till en punkt där företaget inte litar på instrumentet. Korrelationsanalys har därför utförts för att undersöka sambandet mellan dessa två metoder och orsaken till problemet. I samband med detta har företaget upptäckt en möjlighet, att undersöka topografiska egenskaper på otryckt material från samma produktionstillfälle och dess korrelation med tryckflammigheten. Topografiska värden har därför tagits fram via instrumentet L&W OptiTopo samt programvaran RISE OptiTopo Expert och

korrelationsanalys utförts. Resultaten indikerar en fortfarande väldigt hög korrelation mellan de två metoder som används för bedömning av tryckflammighet, dock inom andra våglängder än den rekommenderad av programvaran och orsakerna till tidigare problem har lagts fram. Topografiska värden som ytråhet samt andelen kratrar under en viss tröskel har kunnat kopplas till tryckflammighetsvärdet och sambandet visats.

Abstract

Print mottle, unevenness on printed surfaces is an undesirable property that has long worried the printing industry. The effect has led to a degraded quality in cartonboard which visually makes the material look stained and worse. The property has been shown to be more evident on surfaces printed with the color cyan, commonly in printing methods such as flexography and offset.

This project degree has been conducted at a company in the printing industry. The company has used two methods for assessing print mottle on printed liquid- and packaging board, a Pairwise visual assessment and an instrumental measurement with a scanner and software STFI Mottling Expert. The software has been developed with the purpose of identifying among others print mottle on cartonboard surfaces in an identical way as the visual assessment. For a long period of time, the company has used the instrument to verify the results from the visual assessment. In recent years, the correlation between these methods has gotten worse, to a point where company does not trust the instrument. Correlation analysis has therefore been performed to investigate the relationship between these two methods and the cause of the problem. In connection with this, the company has discovered an opportunity, to investigate topographical properties on unprinted materials from the same production line and its correlation with print mottle. Topographical values have therefore been determined using the L&W OptiTopo instrument and RISE OptiTopo Expert software. The results indicate that there is still a very high correlation between the two methods used to assess print mottle, though within wavelengths other than the one recommended by the software and the causes of previous problems have been presented. Topographical values such as surface roughness and the proportion of craters under a certain threshold have been linked to the print mottle value and the correlation between them shown.

Förord

Detta examensarbete är det slutliga arbetet på min maskiningenjörsutbildning på Örebro universitet. Arbetet utfördes HT 2019 och motsvarar 15 HP.

Jag vill tacka alla inblandade med ett stort tack. Först och främst företaget BillerudKorsnäs i Frövi för att de gav mig en chans att uppfylla mina mål och möjligheten att lära mig något nytt. Speciellt tack till min handledare hos företaget, Laura Malinovska och handledare på Örebro universitet Christer Korin. Utan deras stöd i form av kunskap, pedagogisk förmåga och engagemang hade arbetet inte blivit lika bra.

Utöver det vill jag dedicera detta arbete till mina föräldrar, Mina och Karim för deras oersättbara hårda arbete i hopp om att jag en dag skulle få en bra utbildning. Efter att ha vandrat från land till land i hopp om att leva i fred, föddes jag i ett öken, utan mycket liv och ett eget land. Aldrig hade jag trott att jag en dag skulle få denna möjligt, därför går mitt hjärta och tacksamhet ut till dem och alla andra som gjort detta möjligt.

Innehållsförteckning

2.2 Vad har företaget gjort tidigare ...9

2.3 Vad har andra gjort tidigare ...9

2.4 Beskrivning av teknikområdet ... 10

2.5 Teori ... 10

2.5.1 Tryckmetoder ... 10

2.5.2 Kartong som material ... 12

2.5.3 Tryckflammighet ... 13

2.5.4 Inhomogenitet ... 14

2.5.5 Topografi ... 16

2.6 Våglängder i Optiska Instrument ... 18

2.7 L&W OptiTopo och RISE OptiTopo Expert... 20

2.8 STFI Mottling Expert ... 22

2.8.1 Traditionell modell... 23

2.8.2 Ny modell ... 23

2.8.3 Jämförelse ... 23

2.9 Tryckflammighet och topografi ... 23

2.10 Statistisk analys ... 25 2.10.1 Regressionsanalys ... 25 2.10.2 Korrelationsanalys ... 26 2.10.3 Hypotestest ... 26 2.11 Övriga formler ... 27 3 METOD ... 28 3.1 Metoder för genomförande ... 28

3.1.1 Metod 1: Parvis visuell bedömning ... 28

3.1.2 Metod 2: Instrumentell mätning av tryckflammighet med Mottling Expert programvara ... 29

3.1.3 Metod 3: Instrumentell mätning av topografin med RISE L&W OptiTopo och OptiTopo Exp.. 30

3.1.4 Regressionsanalys & beräkningar i Excel ... 31

4 RESULTAT ... 33

4.1 Visuell och instrumentell mätning av tryckflammighet ... 33

4.1.1 Visuell mätning av vätskekartong ... 34

4.1.2 Instrumentell mätning av vätskekartong ... 34

4.1.3 Korrelation mellan visuell och instrumentell mätning av tryckflammighet för vätskekartong ... 34

4.1.4 Visuell mätning av förpackningskartong ... 36

4.1.6 Korrelation mellan visuell och instrumentell mätning av tryckflammighet för

förpackningskartong ... 36

4.2 Instrumentell mätning av topografi ... 38

4.2.1 Instrumentell mätning i OptiTopo av vätskekartong ... 39

4.2.2 Korrelation mellan topografi & mätning av tryckflammighet för vätskekartong ... 39

4.2.3 Instrumentell mätning i OptiTopo av förpackningskartong ... 42

4.2.4 Korrelation mellan topografi & mätning av tryckflammighet för förpackningskartong... 42

5 DISKUSSION ... 46

5.1 Parvis visuell bedömning & STFI Mottling Expert ... 46

5.2 Topografi (ADI) och tryckflammighet ... 47

5.3 Värdering av resultat ... 49

5.4 Fortsatt arbete & rekommendationer ... 50

6 SLUTSATSER ... 51

7 REFERENSER ... 52 BILAGOR

A1: Formler & Analys

A2: Bilder på tryckta vätskekartongprover A3: Bilder på tryckta förpackningskartongprover

B1: Material & instrument för den Parvis visuella bedömningen B2: Material & instrument vid mätning med STFI Mottling Expert

B3: Material & instrument vid mätning av topografi med L&W OptiTopo och RISE OptiTopo Expert

1

Inledning

Inledningsvis presenteras lite information om företaget och anläggningen där arbetet utförs.

1.1 Företaget

Företaget heter BillerudKorsnäs AB och bildades 2012 genom en fusion av Billerud AB och Korsnäs AB. Ett av deras bruk där examensarbetet behandlas ligger i Frövi, Örebro län, en halvtimme från Örebro centrum. Idag är företaget ett av Sveriges största tillverkare av kartongmaterial som används inom matbranschen, medicinbranschen, industrin och för konsumentprodukter. De erbjuder även en tjänst där företaget hjälper till med optimering och innovation av förpackningslösningar. Utvecklingscentret och laboratoriet där de testar

material och prestanda på de egna produkterna finns också i Frövi. Totalt finns 640 anställda i Frövi och de producerar mer än 470,000 ton kartongmaterial årligen. Detta innebär en

kapacitet att producera 1,7 miljoner 1-liters mjölkpaket per timme [1].

Globalt har företaget över 4400 anställda i över 16 länder och omsätter 23,7 miljarder SEK. De har 8 produktionsanläggningar som är belägna i Sverige, Finland och Storbritannien [1]. Branschen är mycket konkurrensutsatt av företag som finns på den svenska marknaden så som Stora Enso, Svenska Cellulosa AB och Smurfit Kappa Kraftliner Piteå [2].

Den avdelning inom BillerudKorsnäs Frövi som examensarbetet behandlar är Development Support och ligger under Division Board/Product Management & Development. Totalt finns tre divisioner, Division Board, Division Paper och Division Solutions [1]. Majoriteten av nettoomsättningen görs av Division Board (54%) och därefter Division paper (36%), Division Solutions står endast för en liten andel. Division Board tillverkar och säljer vätskekartong och förpackningskartong samt fluting och liner. Division Paper tillverkar och säljer

högpresterande kraft och säckpapper av premiumkvalitet till de utvalda segment som

nämndes tidigare. Överskott av pappersmassa säljs också vidare till externa kunder. Division Solutions erbjuder förpackningslösningar och tjänster till globala varumärkesägare.

Anläggningens uppdelning i Frövi är gjord utifrån materialets behov och kan delas upp i tre huvudområden (se figur 1). På första huvudområdet ligger vedgården, här förvaras och tvättas råmaterialet, som sedan förs vidare till det andra huvudområdet som är beläggen i mitten av anläggningen. Här finns sulfatfabriken där massaproduktionen sker samt blekning, tvättning och kokning inför tillverkning av kartongmaterialet. Massan förs vidare till det tredje och slutliga huvudområdet där produktionen sker [1].

Figur 1. Översiktsbild av företaget BillerudKorsnäs anläggning i Frövi [1]. 1.2 Projektet

Under detta avsnitt presenteras arbetets syfte, de mål och frågeställningar som formulerats utifrån det samt de avgränsningar som gjorts.

1.2.1 Syfte

Examenarbetets syfte är att utföra mätningar och korrelationsanalys av resultat från tre mätmetoder, listad nedan. Arbetet är ett första steg på ett planerat större utvecklingsarbete på företagets laboratorium, som är främst kopplat till metoden för visuell bedömning. Eftersom det är slutkundens (människors) upplevelse som avgör om ett material säljer bra eller inte ger den visuella bedömningen ett resultat som är så nära denna upplevelse som möjligt. Den instrumentella mätningen ger då stöd för den visuella bedömningen och minimerar riskerna för fel. Inför arbetet behöver företaget därför ha data på hur värden från samtliga metoder korrelerar med varandra. Utifrån detta kan företaget sedan avgöra om korrelationen är tillräckligt bra och om justeringar behöver göras i någon av metoderna. Ur ett större perspektiv underlättar och effektiviserar detta företagets ambitioner till förbättringar eller utveckling av nya produkter. Ett första steg i arbetet är därför att undersöka kartongmaterial som är tryckta i fullton (100% av ytan är täckt med färg) och sedan i nästa steg, som sker utanför detta arbete, att undersöka kartongmaterial med mindre andel tryckta ytor. Målet med analysen är att undersöka om det fortfarande finns en korrelation mellan hur tryckflammighet (ojämnheter på tryckta kartongytor, se avsnitt 2.5.3) i vätske- och

förpackningskartong bedöms i den Parvis visuella bedömningen och STFI Mottling Expert programmet samt hur hög denna korrelation är (se metod 1 och 2 för utförligare beskrivning). Den Parvis visuella bedömningen är en visuell metod som företaget använder för att bedöma tryckflammighet och går ut på att jämföra tryckta kartongprover parvis, d.v.s. sida vid sida tills att alla prover jämförts med varandra. Mottling är en programvara som utvecklats för att simulera den visuella bedömningen och bedömer tryckflammighet på ett likadant men instrumentellt sätt. I samband med den tidigare nämnda analysen skall även otryckta

kartongmaterial från samma produktionstillfälle analyseras för att se om topografiska egenskaper på något sätt kan korreleras med den tryckflammighet som uppstår.

1. En Parvis visuell bedömning

2. En instrumentell mätning av tryckflammighet med Mottling Expert

3. En instrumentell mätning av topografin med L&W OptiTopo instrument och programvaran RISE OptiTopo Expert

1.2.2 Frågeställningar

Utifrån syftet formuleras två frågeställningar som arbetet avser att behandla och besvara. • Mål 1: Kan STFI Mottling Expert förklara den tryckflammighet som upplevs på den

visuella bedömningen, om ja, hur ser korrelationen ut?

• Mål 2: Kan topografi på kartongytorna förklara tryckflammigheten?

1.2.3 Avgränsningar

Eftersom tidsramen för examensarbetet endast är tio veckor måste visa avgränsningar göras för att arbetet ska vara genomförbar inom denna tidsram. Mätningarna avgränsas till de metoder som finns hos företaget, d.v.s. samtliga metoder som nämnts i syftet. Materialen som kommer att mätas är endast vätske- och förpackningskartong, tryckta i fullton (ytan täckt med 100% färg) eller helt otryckta. Analys av mätningar från OptiTopo begränsas med avseende på våglängder samt andel kratrar och toppar till ett specifikt intervall, på grund av dess

korrelation med tryckbarheten (förmågan att uppnå bra tryckkvalité) [3]. Våglängden som används är 0,01-0,5 mm och andelen kratrar och toppar begränsas till mellan 0,2-10%. Dessa begränsningar definieras i OptiTopo programmet och presenteras under metod 3, samt förklaras delvist i nästa stycke.

Genomförandet av bestämning av andelen kratrar i OptiTopo illustreras i figur 2, där beräkningen sker genom att programmet utgår från ytans medelvärde, sedan sätts ett tröskelvärde och programmerat determinerar därefter hur stor andel av hela ytan under medelvärdet som finns under denna tröskel. Den yta som är under medelvärdet anses vara kratrar och över det toppar. Ytan i det här fallet illustreras i tvådimensioner, men i verkliga fall sker det i tredimensioner. Den andel yta som beräknas blir då andel kratrar om en negativ tröskel sätts, och andel toppar om en positiv tröskel sätts. Beräkning av andelen toppar sker på likadant sätt men tröskel sätts alltså över medelvärdet istället [3].

Figur 2. Grov uppskattning av tryckt kartongyta, det blåa är tryckfärg och röda indikerar andel kratrar/toppar som beräknas under/över den tröskel som sätts.

2

Bakgrund

Under detta avsnitt presenteras problemet, vad företaget samt andra har gjort tidigare för att angripa problemet.

2.1 Problemet

Företaget har under många år använts sig av två metoder att för att bestämma

tryckflammighet på tryckta kartong, som alltså är ojämnheter av olika former på tryckta kartongmaterial [4]. Visuellt ser tryckflammighet ut som ljusa eller mörka fläckar på det annars tryckta materialet (se figur 7a-b). Metoderna är den Parvis visuella bedömningen och den instrumentella mätningen med STFI Mottling Expert programvara. Värden från den visuella bedömningen har tidigare kunnat verifieras med värden från Mottling programmet och på så sätt har företaget litat på att resultaten stämmer. De senaste åren har förändringar, vars ursprung är okänt av företaget, medfört att resultaten från metoderna inte alltid stämmer överens. Detta har lett till att företaget inte längre kunnat lita på resultaten från Mottling programmet. Eftersom företaget inte har ett annat instrument att verifiera tryckflammigheten mot är detta problematiskt. Det finns för närvarande inga teorier om varför problemet har uppstått och analysen i detta arbete avser då att ta reda på vad det kan bero på.

2.2 Vad har företaget gjort tidigare

Företaget har tidigare inte gjort studier för att undersöka varför tryckflammighetsvärdet från Mottling programmet inte längre stämmer med värden från den visuella bedömningen.

Företaget har inte heller gjort någon undersökning för att undersöka någon korrelation mellan värdena från de tidigare nämnda metoderna och topografin på kartong.

2.3 Vad har andra gjort tidigare

Tidigare arbeten som studerat sambandet mellan tryckflammighetsvärdet från den visuella bedömningen och Mottling programmet är de som legat bakom utveckling av programvaran. Metoden introducerades först av Johansson [5] och senare utvecklades av Fahlcrantz [4]. Där upptäckte Johansson att våglängden 1-8 mm var den som bäst förklarade tryckflammigheten. Studien nämner papper som det substrat som testet utfördes på. Fahlcrantz [4] fortsatte arbetet med att utveckla programmet för att förbättra tekniken och föreslog att våglängder mellan 0,25-16 mm bör inkluderas för att utvärdera variationer. Hans mätningar baserades på kartongmaterial tryckta i fullton i färgen cyan, liksom i detta arbete. Den visuella

bedömningen bestod av en panel på 10 personer och antalet prover var 14. Bilder av proverna togs i 300 PPI men dock i gråskala. Proverna hade också liksom i detta arbete medelvärden på reflektansen som var nära varandra. I hans metod mättes sambandet med en

variationskoefficient, som i det här fallet var 0,93.

Gigac et al. [6] utförde en studie på sex papper bestrukna och tryckta i offsettryck, där syftet var att undersöka hur topografin på bestrykningen påverkade tryckflammigheten.

Tryckflammighetsvärdet mättes med instrumentet APT 1 i våglängden 2,54 mm och

topografin (ytjämnheten) med instrumentet PPI samt med en metod nära relaterad till samma teknik som i OptiTopo (på engelska photoclinometry). Han sammanfattar med att mellan tryckflammighetsvärdet och ytjämnheten mät med PPI så erhölls en korrelationskoefficient mellan 0,81-0,90 och med photoclinometry 0,96-0,99.

Ett annat nära relaterat arbete gjordes av Barros et al. [7] där han studerade hur topografin på kartongmaterial påverkade fördelningen på tryckfärgen över ytan. Ojämn färgfördelning är en av anledningarna till tryckflammighet. Hans upptäckt som gjordes med OptiTopo instrumentet var att extremt djupa nedtryckningar orsakar något som kallas UCA (ytor som inte täcks av tryckfärg). Hans sammanfattning var att gropar (kratrar) var större anledning till den ojämna färgfördelningen än toppar. Detta för att topparna normalt sett trycks ner vid påläggning av tryckfärg då de trycks ned med maskinen.

Utöver dessa har många studier gjorts med syfte att utvärdera hur topografin påverkas av olika processer och hur det i sin tur påverkar bland annat tryckflammigheten. Många av dessa relaterar hur bestrykningen kan påverka tryckflammigheten. Madstedt [8] visade bland annat hur bestrykningen påverkade tryckflammigheten och Rosenberger [9] visade att det fanns en hög korrelation mellan topografins (ytans) medelvärde och tryckflammigheten.

2.4 Beskrivning av teknikområdet

Kunskap från maskintekniken som mestadels tillämpats i detta arbete har varit matematiken, specifikt statistik analys. Dessa kurser är valfria kurser inom Maskiningenjörsprogrammet i Örebro och något som studenten hade innan projektets gång. Det maskintekniska sättet att se kartong som ett mekaniskt material har också varit relevant, liksom förståelsen för hur kartong konstruerats enligt visa mekaniska principer. Utan kunskap från kurser som Mekanik och Hållfasthetslära hade dessa principer varit svåra att förstå. Speciellt inom maskintekniken brukar mekaniska beräkningar och analys vara något som bedöms väldigt hårt och detta är ett tankesätt som ingenjören får med sig i princip överallt. Den positiva effekten är att man alltid är kritisk om något är rätt eller inte. Kurser som omfattat laborationer och materiallära, till exempel, Konstruktionsmaterial, Mekanik och Produktutveckling har förstärkt

ingenjörstänkandet väldigt mycket och sättet att på ett vetenskapligt sätt utföra mätningar och analys. Likadana kurser, men ej specifikt dessa, är nödvändiga för att förstå och identifiera syftet bakom en laboration och hur det bör gå till väga att på bästa möjliga sätt utföra ett korrekt arbete. I övrigt har det kunskap, förutom matematiken, som anskaffats för just detta arbete varit något som studenten inte stött på under programmets gång. Det är mestadels det ingenjörsmässiga tankesättet och metodiken som omfattas i maskintekniken som underlättat detta arbete.

2.5 Teori

Den teori som är nödvändig för att föra fram arbetet och öka förståelsen tas upp i detta avsnitt. Först presenteras lite fakta kring tryckning samt kartongmaterialet och därefter gås

tryckflammighet igenom. Efter det tas topografi upp med avseende på kartong samt så beskrivs våglängder innan arbetet går in på att förklara de instrumentella mätningarna.

2.5.1 Tryckmetoder

Tryckning är en process som används för att reproducera text och bild på lämpliga substrat med tryckfärg. Med substrat menas kartongmaterial i denna skrift [10]. Eftersom

kartongproven är tryckta i flexotryck och offsettryck ingår det i arbetet att beskriva tryckmetoderna.

2.5.1.1 Grundläggande flexotryck

Flexografi eller flexotryck är en vanlig tryckmetod som används för att trycka på bland annat papper, film, folie, påsar, kartong och mycket annat [10]. Tryckmetoden anses vara en

högtrycksmetod, d.v.s. de tryckande ytorna (ytor som ska färgas) är upphöjda över de icke-tryckande ytorna (ytor som inte ska färgas). Endast de förhöjda ytorna utsätts för inpressning. Metoden är också en direkt tryckmetod, som innebär att klichén trycker direkt mot

tryckbäraren (substratet). Kliché är en flexibel tryckform som läggs runt en vals för att föra över den tänkta bilden eller texten på substratet. Substratet trycks mellan klichévalsen (stålvals med klichén på) och en mottryckscylinder som fungerar som stöd (se figur 3) [11].

Figur 3. Enkel beskrivning av tryckverk i flexopress med mottryckscylinder (orange), klichévals (grön) och substratet (svart). Figuren är inspirerad av figur 2.72 från [11].

2.5.1.2 Grundläggande offsettryck

Offset är en tryckmetod som används för tryckning på de mest skilda materialen så som plast, papper och plåt [10]. Offset är en indirekt tryckmetod som innebär att tryckfärgen först överförs från en plåtcylinder till en gummidukscylinder innan det överförs till substratet. Gummi används för att få bättre täckning på tryckytor på ytråa substrat. Offsetplåten som har som uppgift att skilja mellan tryckande och icke-tryckande ytor är av väldigt tunn aluminium belagd med ett tunt ljuskänsligt skikt. Denna plåt sitter runt det så kallade plåtcylindern. Till skillnad mot flexotryck trycks substratet här mellan gummidukscylindern och en

Figur 4. Enkel beskrivning av trecylinderstryckverk för offsettryck med plåtcylinder (gul),

gummidukscylinder (grön), mottryckscylinder (röd) och substrat (svart). Figuren är inspirerad av figur 2.6 från [11].

2.5.2 Kartong som material

Kartong är ett mekaniskt anisotropisk material som har bra styrka relativt till viktförhållandet och har bra förmåga att ta upp färg. Anisotropisk innebär att kartongmaterialet har olika fysikaliska egenskaper i olika riktningar. De olika styrkorna ligger i olika riktningar i

förhållande till kartongmaterialet. Det finns tre olika riktningar, en i-planet riktning (MD), den riktning som kartong tillverkas mot, en tvärs maskin riktning (CD) som är vinkelrät mot tillverkningsriktningen och en ut-ur-planet riktning (ZD), alltså tjockleken (se figur 5). I i-planet riktningen så är styvheten 100 gånger eller mer än ut-ur-i-planet riktningen. Vidare mer så är dragsträckgränsen i i-planet riktningen minst 10 gånger så stor som brottgränsen för ut-ur-planet riktningen [12].

Figur 5. Riktningar på kartongmaterial. I-planet riktningen (MD), tvärs maskin riktningen (CD) och ut-ur-planet riktningen (ZD). Ritad med inspiration utifrån beskrivning från [12].

Kartong kan beskrivas som en struktur med flera lager innehållande fibrer som är mer eller mindre komprimerade, se figur 6. Fibrer är massans beståndsdelar innan det blir kartong. Beroende på tillverkningsmetod kallas massan antingen mekanisk-, kemisk- eller thermo-kemimekanisk (CTMP) massa. Om framställningen av massan skett med mekaniska processer kallas den för mekanisk massa och med kemisk framställningsmetod för kemisk massa [13]. Den tredje typen, thermo-kemimekanisk massa framställs genom både mekaniska och kemiska processer. I Frövi tillverkas kartong av kemisk- och thermo-kemimekanisk massa (CTMP). Thermo innebär att massan även värmebehandlats någon gång under

framställningen [1].

Figur 6. Fiberstrukturen på papper förstorad 100 gånger [14].

Mekanisk massa har låg genomskinlighet, d.v.s. opacitet och används huvudsakligen för tillverkning av tidningar. Kemisk massa ger hög styrka och används för att tillverka

kraftpapper eller förpackningar, till exempel kartong. Blandning som består av både kemiska och mekaniska massor, kemimekanisk massa, används i mittskikten i kartong för dess höga bulkegenskaper (volym per vikt) som ger hög böjstyvhet, [15]. Förutom massan förekommer det andra fyllningsmaterial som kaolinlera, talk och kemikalier under tillverkningsprocessen för att bland annat öka körbarheten i processen [10].

2.5.3 Tryckflammighet

Tryckflammighet är ojämnheter på ett tryckt substrat (exempelvis kartong) med avseende på vissa faktorer. Fahlcrantz [4] definierar tryckflammigheten som störningar i reflektansen på trycket som leder till att det visuellt upplevs som en försämring av kvaliteten. En brist på dessa ojämnheter, d.v.s. en jämn fördelning av bland annat reflektansen skulle då skapa ett material med bra kvalité. Ojämnheterna är inte önskvärda och idén bakom identifieringen har varit att eliminera dess orsaker. Enligt Fahlcrantz [4] är konsekvensen av att färger är

inblandade vid en visuell bedömning är det därför inte enbart reflektansen som avgör hur det mänskliga ögat bedömer tryckflammigheten, det är också andra faktorer som spelar roll, nämligen färgnyansen (vilken sorts färg det är) och mättningsvariationer (hur starkt färgen är). Han nämner också att tryckflammighet aldrig kan elimineras på fysisk nivå, utan endast på en visuell nivå. Och det om ojämnheten kan minskas till en nivå då ögat inte längre kan urskilja variationen [4].

Flammigheten (ojämnheterna på ytan) kan vara av olika typer och bero på en rad egenskaper, men fokuset ligger här mest på den flammighet som orsakas på tryckta substrat, d.v.s.

tryckflammighet.

Att ett substrat har en hög nivå av tryckflammighet innebär att trycket generellt kommer ha en fläckig och icke-uniformt utseende med ljusa fläckar omkring det färgade området (se figur 7a-b). Det upplevs som att färg saknas på en del regioner i figur 7b.

Figur 7. Tryckt vätskekartong i färgen cyan. Tryckflammighet på prov b) syns betydligt mer än på prov a).

Eftersom tryckflammigheten beskrivs som ojämnheter vore det essentiell att veta vad som orsakar dessa ”ojämnheter”. I detta arbete, liksom andra arbeten, kommer dessa ojämnheter att beskrivas som inhomogeniteter med avseende på olika faktorer. Dessa faktorerna kan då vara händelser, processer eller egenskaper som skapar förutsättningar för att tryckflammighet bildas. De förklaras vidare i arbetet.

2.5.4 Inhomogenitet

Denna sektion av arbetet behandlar relationen mellan tryckflammighet och de typer av inhomogenitet som kan uppstå på tryckta substrat och ge upphov till tryckflammighet.

2.5.4.1 Optisk inhomogenitet

Illustrera att ett papper är optiskt inhomogent, det vill säga att de optiska (visuella) egenskaperna på pappret är inhomogent fördelade. Då kan en konsekvens vara att ytan

varierar i form av ljusabsorbering. Johansson [5] förklarar detta fenomen delvist som orsak av att tryckfärgens tjocklek varierar över ytan. Materialets färg i grunden är oftast en ljus färg innan det trycks. Denna ljusa färg kan komma att synas på materialets yta om tryckfärgens tjocklek är tunn nog. Resultatet av detta är då att materialets reflektans varierar över ytan

eftersom vissa områden på ytan har tjockare färgtjocklek och andra områden tunnare. Han nämner också att topografiska egenskaper spelar roll eftersom ytan kan avgöra hur väl färgen appliceras. En liknande fenomen förklaras även i avsnitt 2.9. Beroende på dessa variationer (då det inte finns en exakt gräns) kan det ljus som absorberas av materialet ge upphov till olika sorters flammighet som kan upptäckas visuellt. Tre former av flammighet kan då upplevas på grund av variationen. Det första skulle ses som tryckflammighet i tryckt papper under oskarp eller riktad belysning. Om pappret däremot belyses från en bestämd vinkel på så sätt att pappret speglar fås det andra fallet, glansflammighet. Glans är andelen ljus som

reflekteras från ytan vid en bestämd vinkel utifrån en standard. Ett tredje sätt är att belysa pappret väldigt nära och parallellt med ytan. Då kommer topografiska funktioner så som skuggor synas över den tryckta ytan [5].

2.5.4.2 Mekanisk inhomogenitet

Inhomogenitet i papprets mekaniska struktur kan innebära att fibrernas strukturer får olika stora mellanrum, d.v.s. att porositeten ökar och minskar. Dessa mellanrum kommer att fyllas med olika mycket tryckfärg beroende på storleken och tryckkraften från maskinen.

Tryckfärgen på ytan kan då komma att fördelas inhomogent även om ytan är jämn.

Tjockleken på tryckfärgen och ljuset från underliggande ljus substrat kommer då att påverka tryckflammigheten. Ett sätt att kunna minska variationen på ytan är genom kalandrering: en process i tillverkningsprocessen där materialet löper genom stålvalsar så att ytan blir jämnare. Syftet med denna process, med avseende på tillverkning av otryckt kartongmaterial är att förberedda ytan för beläggning eller för färgläggning så att det fördelas så jämnt som möjligt. Detta innebär inte nödvändigtvis att tryckflammigheten minskar. Det som ökar är den lokala massdensiteten och lokala absorberingen av tryckfärg [4]. Ett annat sätt att minska variationen på ytan är genom bestrykning, något som företaget i Frövi gör på sina produkter.

2.5.4.3 Inhomogenitet i bestrykning

En vanlig metod som används inom kartongtillverkning för att minska tryckflammigheten är genom bestrykningar. Det är ett steg i tillverkningsprocessen där kartongmaterialets yta bestryks med bestrykningssmet som består av olika sorters pigment och bindemedel för att förbättra ljusspridning på ytan och fylla igen mikrostrukturella brister. Förutom att ytan blir jämnare är några andra fördelar enligt Fahlcrantz [4]:

• Mer homogen absorbering av tryckfärgen

• Högre opacitet (mindre genomskinlighet) som minskar att färgen syns igenom pappret • Förhöjning av papprets ljusstyrka och reflektansnivå

Svårigheten och nackdelen med bestrykningar är hur de appliceras och distribueras på ytan. Beroende på hur bestrykningen appliceras kan ytan bli jämnare än substratets yta. Istället för att täcka ojämnheter på ytan kan det istället skapa egna ojämnheter och svårigheter som måste tas itu med. Detta beror på att om bestrykningen fördelar tryckfärgen så jämnt som möjligt så kommer ojämnheter ändå att uppstå på grund av substratets yta. Regioner på substratet där toppar och dalar finns kommer då att få för mycket eller för lite tryckfärg. På så sätt uppstår skiftningar på ytan med avseende på reflektans och färgdensitet [4]. Variationen på

ljusmikroskopet kan göra detta gås igenom i detta arbete.

2.5.4.4 Inhomogenitet i tryckfärg

Jämfört med ytan brukar flytande tryckfärg generellt anses vara homogent [4]. Inhomogenitet i blandningen av tryckfärgens ingredienser brukar därför oftast inte vara så stora att det är relevant att diskuteras här. Däremot kan tryckfärg som inte är flytande eller flytande tryckfärg med tillsatser vara relevanta. I offsettryck kan för mycket dämpande lösning i tryckfärgen ge en blek färg på substratet i form av vita prickar. Dessa prickar skulle då upptäckas mycket lättare på tryckt svart papper [4].

När det gäller papper tryckta i fullton så kan hårda och mindre komprimerbara tryckformar vara orsaken att tryckfärgen endast når topparna på ytan och att dalarna inte får tillräckligt med färg. Enligt Johansson [5] kan tjockare film av tryckfärg och högre tryck på klichévalsen i flexotryck medföra mer kontakt mellan ytorna eftersom den är flexibel, nackdelen är då att tryckfärgen kan distribueras mer åt sidorna på grund av att tryckfärgen har låg viskositet. Kliché är en flexibel tryckplåt som sitter runt en vals, oftast av fotopolymer, som används i flexografi. Då kommer filmtjockleken vara lägre på topparna och högre på kratrarna. I offsettryck används tryckfärg med högre viskositet och tryckformen som är mer flexibel kan fördelaktigt forma sig efter ojämnheterna på papprets yta [5].

2.5.4.5 Inhomogenitet vid tryckkontakt

Tryckfärgens förmåga att stanna kvar och släppa färg från trycknypet är ett typiskt fall i offsettryck. Trycknypet är kontaktytan mellan mottryckscylindern och gummiduken (se figur 4) [11]. Släpper den för mycket färg kommer rester färdas vidare i processen och kanske hamna där färg inte ska finnas, kommer för lite färg ut kan trycknypet sannolikt dra av material från substratet. Materialet kommer då att finnas kvar på trycknypet och störa resten av produktionen [4].

2.5.4.6 Inhomogenitet i tillverkningsprocessen

Johansson [5] nämner att under tryckningsprocessen i offsettryck så kan tryckfärg ibland förhindras från att fastna på substratet. Detta på grund av att substratet konstant våtas ner i lösningar under den tid den passerar olika stationer i tryckverket. Från en station till nästa kan detta medföra att substratet inte absorberar tryckfärgen lika bra.

Tryckningsprocessen som drivs mekaniskt är en komplex process och av naturliga skäl finns det många delar som kan slitas ner och behöva bytas. Eftersom tryckningsprocessen oftast är väldigt snabb och krävande kan nedslitningen av dessa delar orsaka felaktigheter i processen som kan leda till tryckflammighet. Även andra faktorer som den mänskliga faktorn och fukthalten i tryckrummet kan påverka tryckningen. Fukthalten kan orsaka krympning eller expansion av materialet och medföra andra konsekvenser som i sin tur kan påverka

tryckflammigheten [4].

2.5.5 Topografi

Topografi eller studien om ytans struktur på substrat har spelat en stor roll för tryckbarheten och för hur färgen fördelar sig på materialet. Analys och identifiering av dess struktur har

därför varit betydelsefull i utvecklingen för att få bra tryckkvalité. Eftersom alltmer färger och typer av material trycks idag ställs det därför större krav på att tryckbarheten hålls på en bra nivå. Material med grövre ytor har varit en del av den anledning för att utveckla metoder specifikt för att kunna belägga ytan och öka tryckbarheten [16]. Ett sätt att möta behovet av att behöva identifiera ytstrukturen har tidigare varit med ytprofilsmätare som mäter med luft, som L&W PPS och Bendtsen Roughness Tester, som idag substituerats av optiska instrument med mer avancerade funktioner och noggrannhet så som L&W OptiTopo [3].

I och med utvecklingen och användning av bland annat bestrykningsmedel har ytan på olika substrat kunnat bli finare och finare. Noggrannheten i mätvärdena från de olika instrumenten har därför varit en viktig aspekt i att försöka identifiera topografin på dessa nivåer. Detta har ställt krav på att instrumenten kan mäta djupare in på materialet för att urskilja skillnader i ytjämnheten. Detta är speciellt viktigt då tidigare studier har kunnat visa att den bästa korrelationen mellan vissa defekter på tryckta substrat relaterad till tryckflammigheten och ytjämnheten ligger i de finare områdena [7]. Detta förklaras i avsnitt 2.9.

Vid tryck av kartong med vattenbaserad tryckfärg kom Zang och Aspler [17] till slutsatsen att ytjämnhet var en av de viktigaste egenskaperna att ta hänsyn till för bra tryckkvalitet.

2.5.5.1 Ytjämnhet

Ytjämnhet är en mätning av den topografiska strukturen på kartongmaterialets yta. Den kan mätas med ytprofilsmätare (luftdrivna och vanligast förekommande) instrument eller med instrument som använder ljusspridning och matematiska algoritmer. Ytan kan även visualiseras med det senare instrumentet [3].

Strukturen på ytan har enligt Mark [16] två identifierbara dimensioner i en

tvådimensionellskala, en vertikal och en horisontell dimension (se figur 8). Den tredje dimensionen är svårare att beskriva. Han berättar att det generellt finns tre skalor som identifierar ytans struktur och som accepterats med mer eller mindre skillnader bland vissa författare om huruvida stora dessa dimensioner är. De tre skalorna är ytjämnhet, vågighet och form (se figur 9) [16]. Anledningen till skalorna baseras på en del studier som inte diskuteras här, det är hur som helst relaterat till materialets ytstruktur.

Figur 8. Godtycklig uppskattning av ytstrukturen på kartongmaterial. Bilden representerar inte ett riktigt fall och är endast för illustrativt syfte.

Figur 9. Godtycklig uppskattning av ytstrukturen på kartong i olika skalor med inspiration från [16].

avseende på bland annat ytbehandling med maskin, fibrernas längd och diameter o.s.v. gjorde Mark [16] tillägg till ett diagram som en annan författare ursprungligen tagit fram, som använder våglängder som enhetskala. Diagrammet visar vid vilka våglängder som dessa egenskaper kan identifieras vid. Fibrernas längd identifieras i våglängderna 1-10 mm, deras diameter i 10-150 µm och pigmentet från bestrykningen i 0,1-10 µm. Det finns även andra indelningar som är för många för att nämna här. Eftersom ytstrukturen täcker stora områden i olika våglängder har det därför varit svårare att karaktärisera ytan, speciellt då pigmentet i bestrykningen måste undersökas vid väldiga små våglängder [16].

Ytjämnheten kan därför delas in i tre skalor med avseende på deras storlek och associeras med olika relevanta egenskaper på materialets ytstruktur [18]. Värden på ytråheten från ett

modernt mätinstrument kan då möjligtvis bidra till att identifiera vad som syns på ytan för olika värden. De olika punkterna förklaras efter listan.

• Optiskt, <0,1 µm • Mikro, 1-100 µm • Makro, >0,1 mm

Ytjämnhet på optiskt skala (gränsen för moderna ljusmikroskop [19]) i bestruket papper brukar därför associeras med pigmentytans form och själva pigmentets form med

mikroskalan. Generellt brukar makro-skalan associeras med fiberstrukturen i pappret [20]. Detta är relevant eftersom kartongmaterialen som behandlas i detta arbete är bestrukna och med OptiTopo instrumentet och dess programvara kan variationer på ytan mätas på den optiska skalan [3]. Detta innebär att pigmentytans form möjligtvis kan beskrivas med instrumentet och ge information om bestrykningens egenskaper.

2.6 Våglängder i Optiska Instrument

I optiska instrument, liksom instrumenten i detta arbete används våglängder för att beskriva resultat i olika skalor. En kombination av ljus som kan beskrivas i våglängder och matematisk bildanalys används för att visualisera kartongytor och utföra beräkningar.

I verkligheten är ljus elektromagnetisk strålning som behandlas som våglängder. Ljus som strålas ut kan beskrivas som en upprepande våg, annars skulle ljuset inte konstant vara

visuellt. I en våg är en våglängd avståndet mellan en punkt som repeteras (se figur 10). Dessa våglängder brukar också oftast beskrivas som frekvenser, där våglängden anges per tidsenhet [21].

Figur 10. En våglängd.

Synligt ljus (för det mänskliga ögat) har en våglängd mellan 400 nm (violett) och 780 nm (röd). Eftersom vit synligt ljus består av alla färger som ögat kan se finns de olika färgerna mellan våglängderna 400-780 nm. Utanför dessa synliga våglängder finns mindre och större våglängder som inte är identifierbara med det mänskliga ögat. UV-, röntgen-, och

gammastrålningar har mycket mindre våglängder som varierar från 10 nm ner till 0,0001 nm. Högre våglängder än det synliga är IR-, mikrovåg-, och radiovågstrålning som varierar från 780 nm upp till 10 m [21].

Ibland finns det intresse att göra mätningar mellan vissa våglängder för att se på ett ungefär i vilka våglängder som en mätning kan ge bäst resultat. Det vanligaste sättet att göra detta är med så kallade oktavband, som har en undre och övre våglängdsgräns. Den övre gränsen är då alltså dubbelt så stort som den undre. Oktavbandet i ex. beräkningar representeras då av dess centrala våglängd, som beräknas via medelvärdet av det undre och övre våglängdsgränsen. Oktavbanden kan därför exempelvis representeras som intervallen 1-2 mm, 2-4 mm. Med sådana mätningar går det att se med ett ungefär vilken skala som skall användas för olika syften [22].

För att sammanfatta våglängdernas roll i de instrument som används i detta arbete kan våglängderna ses som en skala för att mäta variationer med, bäst beskrivet av manualen från L&W OptiTopo instrumentet (se figur 11) [3]. Variationer (på ytan) på kartongmaterial kan se olika ut beroende på hur ”nära” det inspekteras. Små våglängder analyserar ytan ”närmare” än större våglängder. Utifrån detta går det att se hur ytan på materialet varierar i olika skalor (våglängder). Mindre våglängder kan detektera små variationer och större våglängder större variationer. Fördelen med de olika skalorna är då att kunna koppla olika variationer med vissa egenskaper eller processer o.s.v. Instrumenten anger sina enheter i millimeter istället för nanometer och orsaken till detta är oklart.

Figur 11. Ytråheten i ett material vid mätning i olika våglängder. 2.7 L&W OptiTopo och RISE OptiTopo Expert

Ett sätt att mäta topografi på tryckt och otryckt kartong är via instrumentet L&W OptiTopo (utvecklad av Innventia AB) och medföljande programvara RISE OptiTopo Expert. Tekniken är relativt ny och gör det möjligt att ta högupplösta bilder och beräkningar på ytor av olika material. Metoden bakom tekniken är att via ljusspridning visualisera och beräkna variationer på ytor av olika material, bland dem kartongmaterial, utan någon kontakt med materialets yta. Fördelar med tekniken har medfört snabbare bilder och beräkningar och att noggrannare värden än tidigare kan fås [3].

Tekniken är baserad på en patenterad fotometrisk stereoprincip som innebär att med ljus kunna skapa en tredimensionell bild med tvådimensionella bilder. Principen i instrumentet funkar som så att den yta som ska mätas belyses vid separata tillfällen från två olika sidor med vinklade speglar (se figur 12). Ytan belyses ovanifrån av två lampor (vit led) med känd riktning, position och intensitet. Ljuset som kastas mot ytan bildar skuggor utefter materialets topografi, föreställ sanddyner vid solnedgång. Bilderna av ytan reflekteras tillbaka mot den högupplösta CMOS kameran och används för beräkning av den tredimensionella ytan [7].

Figur 12. Illustration av tekniken bakom L&W OptiTopo instrumentet. Två lampor belyser en yta från vänster och höger vid en viss vinkel och en CMOS kamera används för att ta bilder. L1 och L2 är lampor, S1 och S2 är speglar.

De två bilderna som tas kombineras och filtreras för att skapa en intensitetskarta på ytan (se figur 13). Kartan är svart och vit och visar reflektansen på materialets yta. De områden på intensitetskartan som är vita indikerar att ljuset från lampan reflekterats tillbaka mot området och fångats upp av CMOS kameran, de svarta områdena visar motsatsen. Områden där ljuset inte reflekteras tillbaka mot kameran kan indikera var djupa kratrar finns. Intensitetskartan ger bara en helhetsbild av ytstrukturen utan färgindikationer och djup [7].

Figur 13. Intensitetskarta på vätskekartong. Provområdets storlek är 32x32 mm.

Utifrån samma två bilder, med hjälp av partiella derivator av ytorna och ljusets vinkel kan programmet skapa en gradientkarta (se figur 14), som med en tvådimensionell bild visar en tredimensionell yta. Den tredimensionella bilden föreställer ytstrukturen en person skulle observera vid en visuell kontroll under homogena ljusförhållandet, d.v.s. vid en normal visuell

kontroll. Vid integration av de partiella derivatorna fås höjdkartor. Avancerad bildanalys (signalanalys) med hjälp av matematiska algoritmer, d.v.s. snabb Fouriertransform (FFT) används för att beräkna ytråheten (standardavvikelsen) på materialet i olika våglängdsintervall [7].

Figur 14. Gradientkarta på samma prov som i figur 13.

Med bandpass-filtrering (isolering av vissa våglängder) och manipulering av algoritmerna som används för att beräkna höjdkartan går det att bestämma tröskelvärden och identifiera kratrar/toppar under/över olika nivåer (trösklar), se figur 15 [3].

Figur 15. Toppar- och kraterkarta på samma prov som figur 13. Röd färg indikerar kratrar (% under given tröskel) och grön toppar (% över given tröskel). Tröskeln är ±0,90 µm.

2.8 STFI Mottling Expert

Innventia AB) för mätning av bland annat tryckflammighet på kartong. Tekniken använder sig av en skanner som tillsammans med avancerad bildanalys filtrerar bilderna för att simulera det mänskliga synsystemet. Tryckflammighetsvärdet som erhålls baseras på variationer i reflektansen och presenteras som en variationskoefficient mät i olika våglängder [23]. Modellen finns i en traditionell variant och en ny som ersatt denna.

2.8.1 Traditionell modell

Den traditionella modellen bakom programmet använder endimensionellt kraftspektrum (amplituden hos en signal) av snabb Fouriertransform för att erhålla standardavvikelsen för reflektansen. Band-passfiltrering (isolering av vissa våglängder) i våglängden 1-8 mm

används här. Eftersom tryckflammighet inte enbart beror på standardavvikelsen i reflektansen tas även medelvärdet i hänsyn. Tryckflammighetsvärdet eller variationskoefficienten ges då av standardavvikelsen genom medelvärdet. Modellen multiplicerar sedan

tryckflammighetsvärdet med 100 för att erhålla ett värde i procent [24].

2.8.2 Ny modell

Fahlcrantz [4] sammanfattar den nya modellen i en sex-stegsprocess. Först tas en digital RGB (grundfärgerna, röd, gul, blå) bild med en skanner som sedan kalibreras mot ett färgsystem som matematiskt beskriver olika färger för digitalt syfte. Färgsystemets tre olika komponenter (koordinatsystem) transformeras till frekvenser med Fouriertransform (två dimensionell) och kraftspektrum beräknas. Kraftspektrumen filtreras två gånger med bildanalys, för

kontrastkänslighet och texturförbättring. Energin i det filtrerade kraftspektrumet integreras för varje komponent i färgsystemet och ett enstaka flammighetsvärde erhålls som kvadratroten ur summan av de kvadrerade variationerna för de tre komponenterna. Eftersom medelvärdet för reflektansen ingick i den gamla modellen multipliceras flammighetsvärdet här med sjätte roten av medelvärdet för reflektansen. Liksom den traditionella modellen multipliceras flammighetsvärdet med 100 för att erhålla ett värde i procent [4].

2.8.3 Jämförelse

Skillnaden mellan den traditionella- och nya varianten är att den gamla använde våglängderna 1-8 mm och den nya 0,25-16 mm istället, samt att medelvärdet för reflektansen multipliceras istället för divideras. De nya våglängderna baseras på en ökad förståelse för det mänskliga ögats förmåga med avseende på kontrastkänslighet. Anledningen till det nyare sättet att applicera medelvärdet för reflektansen var för att den äldre varianten var känslig mot för mörka eller för ljusa material och kunde överskatta flammighetsvärdet. Den nyare varianten kan också skilja mellan gråskaliga bilder och färgbilder genom en modifiering i hur

färgsystemet används. Eftersom detta förändrar ordningen på flammighetsvärdet mellan gråskaliga och färgade bilder kompenseras färgade bilder med det nya sättet att applicera medelvärdet som nämnts tidigare. Det ger en möjlighet att jämföra de två olika bilderna med avseende på flammighet trots ordningsskillnaden [24].

2.9 Tryckflammighet och topografi

En logisk utgångspunkt för korrelationsanalysen mellan de två variablerna – tryckflammighet och topografi – vore att utgå från tidigare studier som gjorts. Från dessa studier kan möjligtvis användbar information deriveras som utgångspunkt för analysen. Förutom att tidigare studier

ger förståelse för hur arbetet bör gå till kan de hjälpa med att upplysa om var sambanden kan mer eller mindre sannolikt finnas. Av logiska skäl vore det rimligt att utgå från studier där dessa instrument använts antingen för mätning av tryckflammighet och/eller topografi. En sådan studie står Barros [7] bakom, där han förklarar hur topografin kan vara orsaken till att vissa delar av substratets yta inte täcks av färg.

Barros [7] har i sin studie där han undersökt hur inflytandet i ett substrats (pappers) topografi påverkar tryckfärgsfördelningen i flexografiska tryck visat att det är nedtryckningar (som kratrar) som är den större anledningen till bildandet av UCA (ytor som inte täcks med färg) än toppar. De extrema nedtryckningarna på ytan, som han nämner det, är den huvudsakliga orsaken till den icke-kompletta färgfördelningen och bildandet av UCA. Figur 16 nedan visar hur det kan se ut. Eftersom substratet oftast är ljust under färgen kommer områden med UCA att ha högre reflektans och kan därför med algoritmer och trösklar särskiljas i OptiTopo instrumentet enligt honom. I ett av Barros studier där han utförde en korrelationsanalys mellan vilka våglängder som bäst korrelerar med UCA upptäckte han att våglängden 0,25-0,5 mm funkade bäst för att förutsäga UCA.

Figur 16. Icke-komplett färgfördelning på en tryckt yta (UCA). Illustration inspirerad av OptiTopo manualen.

I hans studier upptäckte han också två vanliga mönster i flexografiska tryck, avlånga

strukturer på 0,125-0,3 mm och fläckar på 0,8-1,6 mm på substratets yta. Han kopplade dessa mönster till substratets ytjämnhet före tryckningen respektive avvikelser på substratets

topografi och nämner att högre ytor brukar ha tjockare filmtjocklek på grund av att det är mer lokalt nedtryckning i dessa områden vid tryckning [7].

Barros [7] bevisade alltså att topografin (ytjämnheten) var en kontribuerande faktor till tryckfärgsfördelningen på substratet och att detta även medförde att visa områden på ytan förblev otäckt med färg (UCA). Kopplingen mellan tryckflammigheten och tryckfärgens fördelningen är väldigt tydligt enligt både Johansson [5] och Fahlcrantz [4]. I och med att andelen kratrar och toppar kan bestämmas med OptiTopo instrumentet bör det gå att utföra en sådan analys där dessa egenskaper går att jämföra med tryckflammigheten. Barros [7] kallade nedtryckningarna gropar, skillnaden här är att dessa gropar definieras som kratrar i OptiTopo och andelen kan med instrumentet identifieras och bestämmas med hjälp av tröskelsättning. Eftersom OptiTopo manualen för instrumentet rekommenderar en viss andel procent kratrar (0,2%-10%) som bör undersökas för relevans mot tryckbarheten är det förslagsvis kanske rimligt att utgå från detta. Instrumentet är även kapabel till att mäta standardavvikelser på ytan och bör därför tas till hänsyn också [3].

2.10 Statistisk analys

Följande statistiska analys i arbetet beskrivs översiktligt här och mer utförlig i bilaga A1.

2.10.1 Regressionsanalys

Regressionsanalys är en statistisk metod som behandlar analys av sambandet mellan minst två variabler. Analysen används som ett verktyg i detta arbete för att studera hur utfallet för en viss variabel beror på värden på en annan variabel. Detta kan hjälpa med att [24]:

• Förstå hur värden på y-axeln ändras med värden på x-axeln • Undersöka om det finns ett samband mellan y- och x-variablerna • Hur starkt sambandet är (om det finns)

• Vad sannolikheten är att sambandet är sann

Den enklaste formen av regressionsanalys är enkel linjär regressionsanalys och den typ som förekommer i detta arbete. Med enkel menas att det är endast två variabler som jämförs. Innan regressionsanalysen påbörjas måste det antas att sambandet mellan y- och x-variablerna är linjärt, vilket går ungefär att se med en scatterdiagram. Om sambandet vore icke-linjärt skulle regressionsanalysen kunna misstolkas och andra metoder bör då övervägas [25].

Varje punk på ett scatterdiagram representerar en koordinatpunkt, alltså ett värde från y-variabeln på y-axeln och ett värde från x-y-variabeln på x-axeln, koordinatpunkterna kallas här för observationspar. Dessa observationspar kommer då att bilda en rad med punkter i ett scatterdiagram. Ju fler av dessa punkter som ligger nära varandra i en rät linje desto starkare kommer det linjära sambandet vara. Det starkaste sambandet vore då en exakt rät linje med punkter [26].

Med hjälp av den minsta kvadratmetoden uppskattas en linje som bäst beskriver det linjära sambandet mellan de två variabler som jämförs [27]. Eftersom en rät linje matematiskt representeras av den räta linjens ekvation är det också den ekvation som linjen skattas utifrån (se formel 1 och 2) [24]. Linjen som skattas kallas för regressionslinjen och kan användas för att prediktera (förutsäga) värden från y-variabeln med värden från x-variabeln [26]. Denna linje visualiserar samtidigt sambandet mellan variablerna och visar om det verkligen finns ett linjärt samband mellan dem.

Den räta linjens ekvation har många olika former, men kan skrivas som [25]:

𝑌 = 𝛽𝑋 + 𝛼 (1)

Där Y är variabeln på y-axeln, α och β är skärningspunkten på y-axeln respektive lutningen på linjen och X är variabeln på x-axeln.

Eftersom regressionslinjen är endast en skattning av den räta linjens ekvation skrivs formeln om för att parametrarna ska representera skattningen istället. Den beskrivs av följande formel enligt Lantz [25]:

𝑌̂ = 𝑏𝑋 + 𝑎 (2)

2.10.2 Korrelationsanalys

Korrelationsanalysen är ett mått på hur stark sambandet på det linjära sambandet är mellan de olika variabler som jämförs och ges i form av korrelationskoefficienten r. Den beräknas enligt Lantz med formeln nedan [25]:

𝑟 = 𝑆𝑆𝑋𝑌

√𝑆𝑆𝑋∗SSY (3)

Där 𝑆𝑆_𝑋𝑌 är produktsumman av x- och y-värdena, 𝑆𝑆_𝑋 kvadratsumman av värdena för x-variabeln och SS_Y kvadratsumman av värdena för y-variabeln.

Korrelationskoefficienten kommer alltid att anta ett värde mellan -1 och 1 och vissa tolkningar kan göras utifrån det [25]:

• Om r är nära -1 så är det linjära sambandet negativt.

• Om r är nära 0 så är finns förmodligen inget linjärt samband • Om r är nära 1 så är sambandet positivt

Värdet på korrelationskoefficienten indikerar hur sambandet är mellan de olika variablerna. Ett värde på 0 visar inte nödvändigtvis att det inte finns ett samband mellan variablerna, utan att det inte kan förklaras som linjärt [25]. Ett mått som brukar användas i samband med korrelationskoefficienten är determinationskoefficient r2_{, som alltså är kvadraten av}

korrelationskoefficienten. Den kan inte anta ett negativt värde och anledningen är att det är ett kvadrerat värde, värdet kommer då endast kunna anta värden mellan 0 och 1. Den är som en mätning för hur nära de verkliga värdena är till deras skattade värden på regressionslinjen. Detta innebär samtidigt hur exakt regressionslinjen är på att förutsäga de observerade värdena [25].

2.10.3 Hypotestest

Hypotestest eller hypotesprövningar formuleras på grund av att något vill statistiskt bevisas eller motbevisas [27]. Eftersom regressionsanalysen också är en skattning (hypotes) av verkliga värden kan det testas för att se om det finns någon sanning i de erhållna värdena. Vid all form av hypotesprövning formuleras därför en nollhypotes (H0) och en mothypotes (H1). Generellt formuleras mothypotesen för att enklare bestämma nollhypotesen. Hypotestestet avser då att bedöma bevisets styrka mot nollhypotesen, d.v.s. med vilken säkerhet

nollhypotesen kan vara sann eller inte. I prövningen sägs det att nollhypotesen antingen förkastas, eller inte förkastas. Om nollhypotesen inte förkastas så accepteras det [26]. För att testa sanningen i hypotesen görs därför ett signifikanstest som visar sannolikheten att

resultaten som erhållits från regressionsanalysen är slumpmässigt. Normalt sett brukar en signifikansnivå på 0,05 (5%) formuleras, där signifikansnivån indikerar vad sannolikheten vore att man har fel med nollhypotesen, d.v.s. att nollhypotesen förkastas när den borde accepteras. Signifikansnivån betecknas med bokstaven α följt med ett nedsänkt procenttal i decimalform [25]. Regressionsmodellen (linjen) som helhet testas med ett så kallat F-test som är en hypotesprövning som följer en F-distribuerad fördelning [25].

2.10.3.1 F-test

F-testet testar regressionsmodellen som helhet, på grund av det problematik som uppstår när flera enskilda tester utförs för parametrarna. När flera sannoliksvärden erhålls för enskilda parametrar är det svårare att se sannolikheten att helheten sker [27]. F-testet är alltså ett sätt att mätta hur medelvärdet i en provgrupp förhåller sig till standardavvikelsen hos individuella proverna inom samma grupp. Om olika gruppers medelvärden är långt från varandra relativt till variationen i individuella prover inom samma grupper så är det bevis på att annat än slumpen är orsaken. Eftersom testet är en form av variationsanalys brukar termen ANOVA (Analysis of Variance) användas [27]. Se bilaga A1 för mer information. Enligt Lantz är denna nollhypotes i samband med ett F-test för regressionsmodellen då: att ingen av variablerna har ett linjärt samband med y-variabeln. Mothypotesen är då att minst ett av x-variablerna har ett linjärt samband med y-variabeln [25].

Från testet erhålls en F-kvot som visar sambandet mellan olika variationer i analysen (se bilaga A1) och används i samband med det F-kritiska värdet och sannolikhetsvärdet p för att determinera sannolikheten att resultatet inte är slumpmässigt. Det F-kritiska värdet är ett teoretiskt värde på den distribuerade fördelningen som används för jämförelse med F-kvoten. Enligt teorin bör då nollhypotesen förkastas om F-kvot är större än F-kritisk och p-värdet är lägre än den signifikansnivå som valts [25].

2.11 Övriga formler

Det aritmetiska medelvärdet - som även kallas medelvärdet - är summan av de observerade värdena dividerad med antalet observationer [26].

𝒙

̅ =𝑥1+𝑥2+⋯+𝑥𝑛

𝑛 = ∑𝑥

𝑛 (4)

Där 𝒙̅ är medelvärdet, 𝑥₁+ 𝑥₂+ ⋯ + 𝑥_𝑛 de observerade värdena, n antalet observationsvärden och ∑ innebär summan av dessa.

Medelvärdet - stickprovsmedelvärdet - för den visuella bedömningen bestäms av ekvation (5) som till skillnad mot det aritmetiska medelvärdet (4) divideras med n-1. Anledningen är att antalet värden per prov som fås alltid är totala antalet minus ett, detta eftersom provet inte kan jämföras med sig självt och ett värde faller bort [26].

𝒙

̅ =𝑥1+𝑥2+⋯+𝑥𝑛

(𝑛−1) = ∑𝑥

(𝑛−1)

Medianen är det mittersta talet i en serie av storleksordnade värden. Om antalet tal är ojämna så tas det mittersta talet, om antalet tal är jämna tas medelvärdet (4) av summan av de två

mittersta talen [26]. (6)

Standardavvikelsen är ett sammanfattande mått på de enskilda observationernas spridning kring medelvärdet [26].

𝑠 = √∑(𝑥−𝑥̅)2

𝑛−1 (7)

Där 𝑠 är standardavvikelsen, 𝑥 det observerade värdet vid en punkt, 𝑥̅ medelvärdet av alla observationsvärden, n antalet observationer och ∑ summan.

3

Metod

Under detta avsnitt tas metoderna i detta arbete upp och förklaras i koppling till relevant teori som beskrivits.

3.1 Metoder för genomförande

Genomförandet av de tre olika metoderna kommer att beskrivas under respektive delkapitel. Den första metoden för bedömningen av tryckflammighet är den Parvis visuella

bedömningen, den andra metoden är mätning av tryckflammighet med STFI Mottling Expert och den tredje metoden mätning av topografi med instrumentet L&W OptiTopo och

programvaran RISE OptiTopo Expert. Sist görs en genomgång och beskrivning av analysen och funktionerna för beräkningarna i Excel.

Kartongmaterialen som analyseras i detta arbete är både tryckta i fullton (ytan är täckt med tryckfärgen till 100%) med färgen cyan samt otryckta. De tryckta materialen är tryckta i metoderna flexotryck och offsettryck av ett annat företag. I Frövi tillverkas endast otryckt vätske- och förpackningskartong.

Valet av metoder för mätningar gjordes av företaget och för den statistiska analysen av studenten. Den visuella bedömningen har företaget använt sedan en lång tid tillbaka, den är simpel och använts rutinmässigt enligt företagets egna instruktioner. Instrumentet STFI Mottling Expert har också använts sedan tidigare och följer en företagsstandard. OptiTopo instrumentet har företaget nyligen köpt in för att mäta topografi på kartongytor. Den har designats om av L&W sedan några år tillbaka som gjort instrumentet mer användarvänlig med funktioner som är lättare att förstå [3].

Det finns få motsvariga instrument på marknaden för att göra en jämförelse mellan fördelar och nackdelar gentemot instrumenten i detta arbete. Korrelationsanalysen brukar generellt sätt utföras med en variationskoefficient, som har många likheter med regressionsanalysen [4]. Fördelen med regressionsanalysen är att den är mer detaljerad, kan visualiseras och prövas med sannolikshetsstatistik [27].

För båda instrumenten L&W OptiTopo och STFI Mottling Expert krävs att bilder skannas in innan programvaran kan mäta topografi respektive tryckflammighet. Dessa steg beskrivs innan beräkningsmomenten för instrumenten beskrivs [3, 23].

3.1.1 Metod 1: Parvis visuell bedömning

Den visuella bedömningen utförs på 12 vätskekartongprover och 10

förpackningskartongprover, dimensionerna är 150x130 mm respektive 80x60 mm. Proverna är tryckta i fullton i färgen cyan. Se bilaga A2 för bilder på vätskekartongproverna och bilaga A3 för bilder på förpackningskartongproverna.

Antalet bedömare som utförde den visuella bedömningen på vätskekartong var 6 och för förpackningskartong 5. Antalet skulle ursprungligen vara samma för båda materialen men gick inte att genomföra på grund av sjukdom vid bedömningstillfället. Det finns en blandad mängd män och kvinnor i båda grupperna för att skapa en variation i bedömningen.

Bedömningen utförs av en expertpanel som är utbildade för syftet och eftersom det finns två typer av material bedöms dessa vid separata tillfällen.

Bedömningen sker i ett ljusskåp (se figur 64 och 65, bilaga B1) med standardiserat ljuskälla för att alla bedömare ska ha samma förutsättningar oavsett var de befinner sig. I standarden (ISO3664:2009) anges ljuskällan D50 med färgtemperatur 5000K som standard, den ska enligt standarden representera dagsljus (D står för daylight) och reproducera förhållandet under vilket produkten slutligen kommer att ses. Bedömarna placerar sig framför ljusskåpet och bedömer med avseende på tryckflammighet vilket av två prover som ser bäst ut, d.v.s. har minst tryckflammighet. Proverna jämförs i par, alltså två och två, tills att alla prover har jämförts med varandra. I den försedda tabellen (se tabell 5, bilaga B1) ges proverna poäng baserad på vilket som ser bäst ut. Varje prov har en kolumnbeteckning och en radbeteckning i tabellen. När proverna jämförs så ges 2 poäng om provet som representerar

kolumnbeteckningen ser bäst ut och 0 om provet som representerar radbeteckningen ser bäst ut. Är proverna lika så ges båda 1 poäng. Poängen summeras för varje enskilt prov och summan mellan de olika bedömarna summeras. Sedan beräknas stickprovsmedelvärdet för varje provnummer.

3.1.2 Metod 2: Instrumentell mätning av tryckflammighet med Mottling Expert programvara

Mätning av tryckflammighet via instrumentet utförs på samma prover som för den visuella bedömningen. Anledningen är att för att undersöka om värdena är motsvarande i jämförelse med den visuella bedömningen. De olika materialen mäts vid olika tillfällen för att minimera risken att de blandas ihop. För att undvika att de tryckta ytorna påverkas hanteras proverna varsamt och beröring begränsas endast till kanterna. Det går på så sätt att undvika mäta dessa kanter i programmet.

Mätning av tryckflammigheten sker med programvaran STFI Mottling Expert v1.34, skannern Epson Perfection V850 Pro och tillhörande programvara SilverFast 8.8 (se bilaga B2). Inför tryckflammighetstestet i programvaran skannas proverna in en och en med hjälp av SilverFast programmet och sparas på den inkopplade datorn, se figur 66 bilaga B2. Programmet kommer med en fil med förinstallerade inställningar för mätning av tryckflammighet som måste laddas upp innan bilderna tas. Filen innehåller inställningar som är anpassade för skannern och är nödvändiga för att mätningen ska fungera korrekt. Bildkvalitén för bilderna som skannas tas i 300 PPI (pixlar per tum). Det är viktigt att bilderna som tas täcker materialets yta samt

gråskalan som sitter på glaset på skannern (se figur 68, bilaga B2). Gråskalan används i programmet för kalibrering av reflektansen [23].

När alla prover skannats beräknas tryckflammighetsvärdet via STFI Mottling Expert programvaran (se figur 68 bilaga B2). Även här måste en förinstallerad fil laddas upp för mätning av tryckflammighet i fulltonstryck innan mätningen görs. Filen har som syfte att konfigurera programvaran inför mätningen enligt den nya versionen av programmet (se avsnitt 2.8.2). Först tar skannern en RGB-bild (grundfärgerna) som kalibreras mot ett färgsystem som matematiskt beskriver färgerna för digitalt syfte. Ett av proven för en typ av material laddas upp i programmet. Antalet provområden per prov väljs till ett för båda

kartongtyperna, men storleken på provområdet är 86,7 mm för vätskekartong och 43,3 mm för förpackningskartong (se figur 68). Det går att ha fler provområden och mindre storlek, syftet är att försöka täcka så mycket yta som möjligt inför mätningen. Med en funktion i

valts. Efter det påbörjas mätningen genom att bilderna behandlas med avancerad bildanalys som inkluderar algoritmer. Programmet beräknar sedan variationskoefficienten av

reflektansen, eller tryckflammighetsvärdet som det kallas i det här fallet. Värdet är en relation mellan standardavvikelsen för reflektansen och dess medelvärde som beskrivs enligt avsnitt 2.8.2, som även multipliceras med 100 för att erhålla ett värde i procent istället. Testet utförs sedan på samma sätt för det andra materialet. Resultaten erhålls därefter som en textfil och öppnas därför i Excel för analys.

Programmet utför och rekommenderar mätning av tryckflammighet för kartong tryckt i fullton i våglängden 1-8 mm men ger per automatik även resultat i oktavbandsområdena 0,25-0,5 mm, 0,25-0,5-1 mm, 2-4 mm, 4-8 mm, 8-16 mm, 16-32 mm samt 4-16 mm. Reflektansvärdet i procent ges också för varje prov [23]. I det här fallet ger programmet inga mätningar i

våglängden 16-32 mm för förpackningskartong på grund av att storleken på proverna var för små och därför har det inte använts. Eftersom en korrelationsanalys ska utföras är det viktigt att värden från samtliga våglängder finns tillgängligt, det kan vara så att ett skifte i materialets egenskaper medfört att andra våglängder än den rekommenderade är mer lämpliga för

mätning av just tryckflammigheten.

3.1.3 Metod 3: Instrumentell mätning av topografin med RISE L&W OptiTopo och OptiTopo Expert

Mätning av topografin görs på 12 otryckta vätskekartongprover och 10 otryckta

förpackningskartongprover. Dessa kommer från samma produktionstillfälle som de tryckta proverna. Dimensionerna är 420x290 mm för vätskekartong, 420x290 mm för

förpackningskartong grupp A till F och 520x200 mm grupp G till J.

Förpackningskartongproverna delas i två grupper om sex (grupp A till F) och fyra (grupp G till J) efter upptäckten att det var en för stor skillnad mellan proverna för att med samma tröskel få andelen kratrar och toppar att hamna inom 0,2% till 10% gränsen, denna tröskel förklaras senare. Enligt manualen [3] ska andelen ligga inom den gränsen för att resultatet ska vara meningsfullt, därför har företaget valt att använda detta område. Eftersom proverna har delats in i tre grupper kommer dessa att mätas separat, annars finns det en risk att de blandas ihop. Beröring av proverna begränsas till kanterna för att inte påverka ytan som ska mätas. När provområden ska väljas på ytan väljs områden som ligger längre in mot centrum för att minska risken att externa defekter nära kanterna påverkar resultatet.

Mätning av topografin görs med mätinstrumentet Lorenzten & Wettre (L&W) OptiTopo och medföljande programvara RISE OptiTopo Expert (se figur 69 bilaga B3). Inför mätningen tas bilder först med instrumentet via programvaran på den inkopplade datorn. Antalet

provområden per kartongprov är vald till fyra, det fanns inga rekommendationer och antalet valdes med tanke på storleken på materialen och mätinstrumentets yta som är 32x32 mm. Tanken var att täcka så mycket yta som möjligt inför mätningen för att få så bra resultat av hela ytan som möjligt utan att behöva mäta runt kanterna, där fysisk beröring kan ha påverkat materialet. Av dessa skäl valdes därför fyra provområden per prov. Kartongmaterialen är i två olika former, rektangulära och fyrkantiga (se figur 70 och 71) och provområdena fördelas så att de får plats under mätinstrumentet och fördelas så jämnt som möjligt. När proverna