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          Révision : 29 janvier 2002 
 
Le phénomène de la voltige
 
Gustavo Barros, Jere Takala et Henna Sundqvist (étudiants EFPG)
Ce texte a reçu le deuxième prix au Grand Prix des Couleurs 2001
       
 
  Plan  
I -  Introduction
II -  Le mécanisme
III -  Étude rhéologique
IV -  Autres méthodes d'étude
V -  Conclusion
VI -  Bibliographie
 
        
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I - Introduction
Sommaire
La voltige, aussi connue sous le nom de "misting", est un défaut de qualité provoqué par la projection de particules d'encre sur le support que l'on vient d'imprimer. Celle-ci est générée dans le procédé offset dans les zones de pincement (entre deux rouleaux) lors de la scission d'un film d'encre. En plus d'une baisse de la qualité de l'imprimé, la voltige est responsable d'une augmentation de la consommation d'encre et d'une salissure de l'environnement de travail.
 
II - Le mécanisme
Sommaire
Zone de pincement      
Figure 1 : mécanisme de la voltige
La figure 1 ci-contre illustre le phénomène. Le film d'encre est mis en pression à l'entrée de la zone de pincement, le maximum de pression étant atteint juste avant le centre de la zone de contact entre les deux rouleaux (figure 2 ci-dessous). Le film se déforme avec la chute de pression, et l'on observe la formation des bulles d'air. Suite à la séparation asymétrique des deux films d'encre, les cavités produites par les bulles d'air se rallongent en formant des filaments. Quand ces filaments atteignent leur limite d'élongation, on constate leur rupture avec la formation de gouttelettes.
      Variation de pression
Figure 2 : variation de pression
Aujourd'hui, les phénomènes produits dans une zone de pincement sont généralement décomposés en différentes parties [1], chacune d'entre elles correspondant à un changement de pression, comme le montre la figure 2 ci-contre. La zone de pincement correspond à l'endroit où les deux rouleaux sont les plus proches.
La voltige croit avec la vitesse      
Figure 3 : mise en évidence du phénomène
On peut mesurer l'ampleur du phénomène en disposant une feuille de papier au voisinage des rouleaux pendant un temps donné. Comme le montre la figure 3 ci-contre, l'importance de la voltige augmente avec la vitesse de rotation des rouleaux (vitesse croissante de gauche à droite [2]).
      Modèle de Walker et Fetsko
Figure 4 : modèle de Walker et Fetsko
Différents modèles expliquant le transfert d'encre entre le blanchet et le support ont été établis [3, 4]. Walker et Fetsko ont présenté en 1955 le modèle le plus connu, dans lequel ils établissent une relation entre la quantité d'encre à transférer et la quantité d'encre effectivement transférée sur le support (figure 4 ci-contre). Une publication de Nordström et Grön présente une comparaison entre le modèle de Walker et Fetsko et les résultats obtenus lors des mesures effectuées sur une presse offset [4]. L'accord entre la théorie et l'expérience est relativement satisfaisant.
Comme on le voit sur la figure 4, le transfert d'encre peut être divisé en trois zones caractéristiques :
    Zone I : la quantité d'encre transférée sur le support augmente avec la quantité d'encre à transférer. On ne fournit pas assez d'encre pour recouvrir toutes les zones imprimantes ;
  Zone Il : le pourcentage d'encre transféré sur le support commence à diminuer et la quantité d'encre transférée augmente encore. La région optimale de travail se trouve donc sur cette zone ;
  Zone III : l'encrage commence à être trop élevé, la scission du film d'encre devient non-uniforme, il y a une accumulation d'encre dans le système d'encrage, la qualité de l'imprimé est donc sévèrement affectée. Du fait de l'excès d'encre dans cette zone, il y a apparition de voltige.
Ce modèle permet de vérifier l'existence d'un seuil d'encre à transférer au-delà duquel la quantité d'encre effectivement transférée sur le support reste pratiquement constante. Ce phénomène se manifeste indépendamment de la machine, de l'encre ou du support utilisés, qui influencent seulement le positionnement de ce seuil.
Les variables influençant directement l'importance de la voltige peuvent être scindées en trois groupes principaux : la machine, le support et l'encre.
II-1 Le rôle de la machine
Une augmentation de la vitesse provoque une augmentation exponentielle de la voltige [5-6]. La dureté et la compressibilité du revêtement des rouleaux du groupe d'impression influencent la pression dans la zone de pincement [7]. L'utilisation de matériaux souples et compressibles permet d'égaliser le profil de pression de la zone de pincement, celle-ci contribuant à une diminution de la voltige. En augmentant l'angle de décollement entre le support imprimé et le blanchet, la voltige augmente aussi. Cet angle est influencé par la vitesse de la machine et le matériau du revêtement des rouleaux [8-9].
II-2 Le rôle du support
Une augmentation de l'absorptivité et du lissé du support contribue à une diminution du risque de voltige, car la scission du film d'encre est plus uniforme et le seuil de déclenchement de la voltige est déplacé [10].
II-3 Le rôle de l'encre
Dans un environnement industriel, les possibilités de changement des variables liées à la machine et au support sont limitées. Il est donc plus simple d'envisager une modification des propriétés de l'encre pour minimiser l'apparition de la voltige. Ces modifications consistent le plus souvent à modifier son profil rhéologique, comme le montre le paragraphe suivant.
 
III - Étude rhéologique
Sommaire
Les forces engagées dans la zone de pincement provoquent une contrainte de cisaillement importante dans le film d'encre. Simultanément, ce dernier est soumis à une traction issue de la séparation des rouleaux. La réaction du film à la résultante de ces forces s'explique d'après son profil rhéologique. Plusieurs études [5, 11] ont montré l'importance du profil rhéologique, notamment de la caractéristique de viscoélasticité vis-à-vis de la manifestation du phénomène de voltige. Le rôle du tack a aussi été analysé.
La viscoélasticité peut être décrite comme une combinaison des propriétés visqueuses et élastiques d'un matériau. Donc, lorsqu'une force lui est appliquée, il peut la dissiper en s'écoulant (caractère visqueux) ou l'emmagasiner en se déformant, pour plus tard la restituer en retournant à sa position initiale (caractère élastique). C'est le caractère élastique qui contribue à l'élongation des filaments d'encre à la sortie de la zone de pincement, et favorise donc la formation de gouttelettes [5]. Pour éviter la voltige, on doit donc minimiser le caractère élastique d'encre. Il faut aussi que le niveau de viscosité soit suffisamment élevé, même après l'application de contraintes successives (passage par la batterie d'encrage).
Aucune définition exacte n'est universellement reconnue pour le tack, cependant l'industrie graphique associe le plus souvent la notion de tack à la force engendrée par le film d'encre lors de sa scission dans la zone de pincement, qui est en relation avec l'énergie de cohésion. Une corrélation entre l'augmentation de tack et diminution de voltige a été établie [11]. Pourtant, les changements dans le tack provoquent en général aussi des modifications dans la viscosité. Il est donc important d'avoir un tack stable vis-à-vis des conditions d'impression (température, vitesse) afin de minimiser la voltige.
 
IV - Autres méthodes d'étude
Sommaire
En plus de mesurer les paramètres rhéologiques et le tack, il est intéressant de pouvoir quantifier la voltige pour permettre d'établir des corrélations entre les différentes causes. Trois méthodes d'acquisition sont couramment utilisées : la vidéo haute définition [6], la pesée en temps réel [5] et le dépôt sur une surface connue [8, 11]. Les deux premières méthodes permettent de faire des suivis en temps réel.
Avec la vidéo, on obtient des images de la sortie de la zone de pincement, tandis que pour effectuer une pesée on place une balance électronique dans la zone de voltige de façon à récupérer des gouttelettes. La troisième méthode consiste à recouvrir une partie de la zone de voltige avec un support de propriétés connues afin de récupérer un échantillon représentatif des gouttelettes générées.
La vidéo permet surtout une analyse qualitative  ; quant à la pesée en temps réel, elle permet un suivi continu de l'effet des paramètres à étudier. La méthode la plus répandue est le dépôt sur une surface connue, ses avantages étant le bas prix et la facilité d'utilisation, aussi bien que la possibilité de générer des échantillons qui peuvent être ultérieurement analysés. Par contre, les résultats sont très dépendants des propriétés, dimensions et positionnement de la surface d'acquisition.
Avec ces méthodes, on peut quantifier la voltige par différents indicateurs : masse d'encre par unité de surface et de temps, analyse de fréquence d'apparition, localisation et distribution de la taille des gouttelettes. En utilisant ces résultats, on peut faire des corrélations avec des paramètres influençant l'apparition de voltige.
 
V - Conclusion
Sommaire
Comme indiqué ci-dessus, trois groupes principaux de paramètres influencent la voltige : la machine, le support et l'encre. En augmentant le lissé et l'absorptivité du support ou en diminuant la vitesse de la machine, on peut diminuer le degré de voltige [10]. Souvent, pourtant, il n'y a pas de possibilité ni de changer le support, ni de diminuer la vitesse de la machine du fait des contraintes économiques. Il faut donc agir sur la formulation de l'encre.
L'augmentation de la charge pigmentaire associée à une augmentation de la taille et distribution des particules de pigment s'est montrée efficace dans la réduction de voltige [5,11]. Un bon moyen de contrôle du phénomène consiste à ajouter des charges ayant la capacité d'absorber l'huile, ce qui permet de réduire la fluidité de l'encre. Pour cela, on utilise souvent du talc ou de la silice [11]. Une autre conséquence est que les particules ajoutées permettent aux filaments de se rompre plus rapidement, avant qu'ils ne soient trop longs.
On a montré également que l'utilisation des encres gélifiées, qui combinent un tack modéré avec une viscosité suffisamment élevée, diminue aussi la voltige [12]. En comparaison avec une encre offset classique contenant un épaississant, l'encre gélifiée provoque une voltige similaire, quand les valeurs de viscosité sont au même niveau. En plus d'une diminution de voltige, les encres gélifiées ont aussi des autres avantages économiques et qualitatifs. En conclusion, on peut dire qu'il faut optimiser les propriétés de l'encre aux contraintes de vitesse et de support utilisé pour minimiser la voltige et pour optimiser la qualité de l'imprimé. Les deux possibilités les plus connues sont l'ajout des charges et l'utilisation des encres gélifiées, afin d'obtenir un profil rhéologique optimal.
 
VI - Bibliographie
Sommaire
Documents imprimés
[01] A Unified View of the Film Splitting Process, Part I MacPhee J. American Ink Maker, vol. 75, no 1, 1997, pp.42-49
  A Unified View of the Film Split ting Process, Part II MacPhee J. American Ink Maker, vol.75, no2, 1997, pp.51-56
[02] Communication personnelle Blayo A. École Française de Papeterie et des Industries Graphiques, Grenoble, France.
[03] Measurements of ink transfer in the printing of coated paper Fetsko J.M. et Walker W.C. American Ink Maker vol.33, no11, 1955, pp.38-40
[04] Thin Film Transfer in Printing and Coating Nordstrüm J-E et Grün J. Stockholm, STFI, PTF-Rapport no.39, 1998, 16p.
[05] Film split ting and Misting on Metering Size Presses Reimers O., Galle P.A.C., Spielmann D., Kogler W. et Kleemann S. 52nd Appita Annual General Conference, England, Appita Inc., Part 1 (of2), 1998, pp. 253-258
[06] Optimisation of Formulation Parameters to Reduce Misting and Orange Peel Formation on Meterd Film Coaters Roper III J.A., Salminen P., Urscheler R. et Moore E. Metered Size Press Forum II, 30 April - 2 May 1998, New Orleans, LA, USA, Atlanta, GA, USA, Tappi Press, pp. 37-55
[07] Improved Runnability of Film Press Coatings Glittenberg D. Metered Size Press Forum II, 30 April- 2 May 1998, New Orleans, LA, USA, Atlanta, GA, USA, Tappi Press, pp. 107-118
[08] Influence of Coating Composition on Web Release in High Speed Film Transfer Coating Grün J., Nikula E. et Sunde H. Tappi Journal, Vol. 81, no.1, 1998, pp.216-225
[09] Solutions to High Speed Film Coating Bassett W., Knowles T. et Hynnek P. Metered Size Press Forum II, 30 April -2 May 1998, New Orleans, LA, USA, Atlanta, GA, USA, Tappi Press, pp. 119-124
[10] Studies of Orange Peel Formation in High Speed Film Coating Roper III J.A., Salminen P., Urscheler R. et Bousfield D.W. Tappi Journal, Vol. 82, no.1, 1999, pp.231-238
[11] Study of Ink Misting Phenomena Blayo A., Waig Fang S., Gandini A. et Le Nest J.F. Taga Proceedings, 1997, pp.791-806
[12] Propriétés Viscoélastiques d'Encres et Vernis Offset Contenant des Résines dites Structurées Blayo A., Gandini A. et Le Nest J.F. Eurocoat 1997, Lyon
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