Druk atramentowy na tworzywach

Druk atramentowy na polipropylenie, nylonie i innych tworzywach

Przemysłowy druk atramentowy na tworzywach sztucznych

Dowiedz się, jak uzyskać silną przyczepność tuszu i odporność na trudne warunki zewnętrzne w druku atramentowym na wyrobach z polipropylenu i tworzywach o niskiej energii powierzchniowej z użyciem tuszów UV LED. Fachowo zaprojektowane procesy druku i nanoskalowe powłoki hydrofobowe na wyrobach do wnętrz i na zewnątrz objęte są gwarancją do 30 lat ekspozycji na UV i czynniki atmosferyczne. Nowe technologie tuszów i powłok znacząco poszerzają zastosowania cyfrowego druku UV LED typu drop-on-demand.

nanoskalowe powłoki hydrofobowe

Druk atramentowy UV LED na polipropylenie (rzeczywiste zdjęcie ze smartfona)

Odbierz bezpłatną plakietkę

Otrzymaj indywidualną plakietkę z polipropylenu 4”x6”, zadrukowaną przełomową technologią atramentową UV LED.

Skontaktuj się z nami już dziś

Piezoelektryczny druk atramentowy UV LED typu drop-on-demand na polimerach i podłożach elastycznych jest bardziej złożony i delikatny niż tradycyjny druk analogowy. Technologia drop-on-demand wymaga, aby dysze wystrzeliwały krople o precyzyjnym rozmiarze z absolutną dokładnością. Wysokiej klasy systemy druku muszą jednocześnie integrować głowice, płyny, sterowniki elektroniczne, obróbkę wstępną i utwardzanie. Wszystkie elementy muszą współpracować bezbłędnie, aby dać zamierzony efekt.

Istnieją trzy główne parametry wejściowe procesu: 1) podłoże polimerowe, 2) drukarka atramentowa oraz 3) chemia tuszu i zgodność z powierzchnią podłoża. Wszystkie elementy muszą być precyzyjne i stabilne, by uzyskać doskonałą jakość druku. Zmiana któregokolwiek z parametrów zaburza równowagę i wymaga modyfikacji pozostałych. Druk na geometriach trójwymiarowych i konturowych dodatkowo komplikuje stosunkowo mały wybór drukarek/głowic OEM. Każdy OEM ogranicza certyfikowane tusze do wąskiego zakresu. Dogłębne zrozumienie zawiłości druku atramentowego i nauki o powierzchniach otwiera bezprecedensowe możliwości i wyniki.

SABREEN niedawno opracował i skomercjalizował tusze UVLED oraz procesy druku atramentowego do personalizacji elastycznych wyrobów z tworzyw i gumy rozciągających się o ponad 100 procent. Produkty obejmują taśmy rehabilitacyjne, czepki pływackie, higieniczne artykuły noszone i inne. Niezależne analizy toksykologiczne potwierdzają zgodność z CAL Prop 65, amerykańską oceną ryzyka toksyczności i ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14).

Nasz proces druku atramentowego wykorzystuje wysokiej jakości tusze i zaawansowaną technologię druku, zapewniając żywe, trwałe obrazy na wszystkich rodzajach tworzyw.

W druku atramentowym przyczepność jest krytyczna. Zmienne wpływające na adhezję to materiał polimerowy (w tym barwniki, wypełniacze i dodatki), proces formowania, stan powierzchni, tekstura oraz przechowywanie i transport. Inżynierowie projektowi i produkcyjni powinni wybrać optymalny termoplast, który spełnia kryteria eksploatacyjne i łatwo się drukuje. Ochronne powłoki bezbarwne (topcoat) zapewniają przedłużoną odporność chemiczną i na ścieranie, np. mycie w zmywarce gorącą wodą (ponad 500 kolejnych cykli). Powłoki te nakłada się na tusze pigmentowe w postaci płynu atramentowego lub natrysku.

Termoplasty dzielą się na dwie podkategorie: amorficzne i krystaliczne. Bardzo długie, łańcuchowe cząsteczki utrzymują stosunkowo słabe siły van der Waalsa. Polimery amorficzne mają na ogół lepsze właściwości adhezyjne niż krystaliczne. Amorficzny znaczy: bez określonego kształtu lub o łatwo zmiennym kształcie. Krystaliczny oznacza regularny, zdefiniowany układ agregatów molekularnych. Żywice amorficzne, takie jak ABS, styren i poliwęglan, mają przypadkową, „spaghetti-podobną" strukturę. Pod wpływem ciepła miękną i nie mają ostro zdefiniowanej temperatury topnienia.

Żywice krystaliczne, takie jak poliolefiny, PET i nylon, mają uporządkowany układ przypominający zwiniętą sprężynę — i tak jak metalowa sprężyna tłumi drgania, tak zachowują się materiały krystaliczne. Mają dobrze zdefiniowaną temperaturę topnienia. W polimerze oba stany współistnieją: sąsiednie odcinki łańcuchów upakowują się w ciasne krystaliczne wiązki utrzymywane wtórnymi siłami przyciągania, podczas gdy inne odcinki tych samych cząsteczek nie mogą fizycznie wejść w sieć krystaliczną i pozostają amorficzne. Patrz rysunek 2.

Rysunek 2. Termoplasty amorficzne i krystaliczne

Dobór termoplastów — zgodność procesowa

Aby druk atramentowy się powiódł, tusz o podwyższonej temperaturze musi łatwo wystrzeliwać z głowicy, właściwie oddziaływać z podłożem i uzyskiwać silną przyczepność. Ten ścisły kontakt nazywa się „zwilżaniem" powierzchni i oznacza zdolność tuszu do rozpływania się po niej. Większość powierzchni polimerowych jest jednak naturalnie hydrofobowa i opiera się zwilżaniu. Te tworzywa to z reguły chemicznie obojętne, nieporowate powierzchnie o niskiej energii powierzchniowej, co czyni przyczepność druku niemal niemożliwą. Energia powierzchniowa to nadmiar energii istniejący na powierzchni ciała stałego (w odróżnieniu od jego wnętrza).

Pierwotny proces formowania jest kluczowy dla uzyskania deklarowanych właściwości materiału polimerowego. Włączenie właściwej plazmowej obróbki wstępnej w połączeniu z teksturą powierzchni i dobrymi praktykami produkcyjnymi rozwiązuje większość, jeśli nie wszystkie, problemów adhezji i zwilżania. Wybór najlepszego termoplastu do danego zastosowania nie jest łatwy. Projektanci części często oczekują właściwości materiału i powierzchni bardzo trudnych do zadrukowania. Przyjrzyjmy się przykładom, które pokazują krytyczną równowagę między doborem polimeru a łatwością druku.

Kolorowy druk atramentowy na poliamidzie (nylonie) to jedno z najbardziej pożądanych zastosowań. Skład chemiczny nylonu daje mu wysoką temperaturę topnienia, dzięki czemu doskonale zastępuje elementy metalowe w środowiskach wysokotemperaturowych, jak silniki samochodowe i inne maszyny o dużym tarciu. Jak inne termoplasty, nylon w temperaturze topnienia przechodzi w ciecz zamiast się palić, więc można go przetapiać i formować ponownie lub poddawać recyklingowi. Nylon nie nagrzewa się też łatwo w zastosowaniach o wysokim tarciu. Jednak tusze atramentowe nie przywierają łatwo do nylonu (ani większości polimerów o niskiej energii powierzchniowej) bez specjalistycznego tuszu i obróbki wstępnej — po części z powodu jego hydrofobowości. Patrz rysunek 3.

Rysunek 3. Typowe właściwości tworzywa nylonowego (PA)

Przede wszystkim upewnij się, że materiały nylonowe są właściwie wysuszone i przetworzone, aby uzyskać właściwości „suche jak po formowaniu". Producenci żywic wytwarzają swoje produkty odmiennymi metodami chemicznymi, co może wpływać na przyczepność. Oceń alternatywnych dostawców według żywicy/gatunku i zwróć uwagę na różnice między nylonem 6 a nylonem 66 (oraz nylonem 11 i 12). W odróżnieniu od nylonu 6, nylon 66 składa się z dwóch monomerów — heksametylenodiaminy i kwasu adypinowego — z których każdy dostarcza sześć atomów węgla, stąd nazwa 66. Materiał ten jest bardziej krystaliczny niż nylon 6, co poprawia sztywność oraz moduły rozciągania i zginania.

Nylon 6 chłonie nieco więcej wilgoci niż nylon 66. Po formowaniu, przed operacjami wtórnymi, wyroby należy pakować najlepiej w worki poliestrowe, a nie polietylenowe. Substancje o niskiej masie cząsteczkowej z worków polietylenowych migrują na powierzchnię, powodując zanieczyszczenia krzyżowe. Czas i temperatura przechowywania również wpływają na przyczepność. Drukuj możliwie najszybciej po formowaniu.

Jeśli problemów z drukiem nie da się rozwiązać, rozważ tworzywo alternatywne o podobnych właściwościach, łatwiejsze w druku lub znakowaniu laserowym. To podkreśla, jak ważne jest wspólne opracowywanie specyfikacji przez projektantów i inżynierów produkcji. Polipropylen i polietylen o wysokiej gęstości (HDPE) są mniej wrażliwe na problemy formowania, materiału i druku oraz tańsze. HDPE drukuje się najłatwiej z tej trójki, bo jest bardziej stabilny termodynamicznie. Patrz rysunek 4.

Tusze atramentowe mają niską lepkość i niskie napięcie powierzchniowe, co stwarza wyzwania adhezyjne na wielu podłożach polimerowych, takich jak acetale, poliolefiny i poliuretany. Te chemicznie obojętne tworzywa są hydrofobowe i naturalnie niezwilżalne. Rozważmy pojedynczą kroplę cieczy spoczywającą na płaskiej powierzchni ciała stałego (w równowadze). Kąt utworzony przez powierzchnię ciała stałego i styczną do górnej powierzchni kropli w punkcie końcowym nazywa się kątem zwilżania; to kąt (x) między styczną w punkcie styku a poziomą linią powierzchni ciała stałego. Patrz rysunek 2.

Kształt pęcherzyka/kropli wynika z sił molekularnych, przez które wszystkie ciecze — kurcząc powierzchnię — dążą do nadania zawartej objętości kształtu o najmniejszym polu powierzchni. Siły międzycząsteczkowe kurczące powierzchnię nazywamy „napięciem powierzchniowym".

Napięcie powierzchniowe, miara energii powierzchniowej, wyraża się w dynach/cm. Im wyższa energia powierzchniowa stałego podłoża względem napięcia powierzchniowego cieczy (wody, tuszów, klejów/zalew, powłok itd.), tym lepsza „zwilżalność" i mniejszy kąt zwilżania (rysunek 2).

Zasada ogólna: akceptowalną przyczepność uzyskuje się, gdy energia powierzchniowa podłoża jest o około 8–10 dyn/cm wyższa od napięcia powierzchniowego cieczy.

Rysunek 2. Kąt zwilżania i stopień zwilżenia

Rysunek 3. Przepływ płynu i dynamiczny kąt zwilżania

W rzeczywistości płyny i kąty zwilżania są dynamiczne, nie statyczne. Patrz rysunek 3. Najważniejszy jest dynamiczny kąt zwilżania (DCA). Gdy kropla przylega do powierzchni ciała stałego, a powierzchnię przechylimy, kropla rzuci się naprzód i ześlizgnie w dół. Powstałe kąty nazywamy odpowiednio kątem natarcia (advancing) i kątem cofania (receding).

Przyjmuje się, że na kąty zwilżania wpływają zarówno zmiany chemii powierzchni, jak i jej topografii. Kąt natarcia jest najczulszy na niskoenergetyczne (niezmodyfikowane) składniki powierzchni podłoża, a kąt cofania — na wysokoenergetyczne, utlenione grupy wprowadzone obróbką wstępną. To właśnie kąt cofania najlepiej charakteryzuje zmodyfikowany składnik powierzchni po obróbce, mierzony płynami dyne. Dlatego na wszystkich materiałach o zmodyfikowanej powierzchni należy mierzyć oba kąty: natarcia i cofania.

Ważnym czynnikiem jest też czystość materiału. Okres przydatności tworzyw po obróbce zależy od rodzaju żywicy, formulacji i warunków otoczenia w miejscu przechowywania. Ograniczają go substancje takie jak antyutleniacze, plastyfikatory, środki poślizgowe i antystatyczne, barwniki i pigmenty, stabilizatory itd. Ekspozycja obrobionych powierzchni na podwyższone temperatury zwiększa ruchliwość łańcuchów molekularnych — im wyższa ruchliwość, tym szybsze starzenie się obróbki. Ruchliwość łańcuchów sprawia, że miejsca wiązań utworzone przez obróbkę oddalają się od powierzchni, a składniki te mogą ostatecznie na nią wymigrować. Dlatego zaleca się kleić, powlekać, malować, drukować lub zdobić wyrób jak najszybciej po obróbce wstępnej.

Tusze UV używają wyłącznie barwników pigmentowych, ale ich zakres jest szeroki i nie stanowi poważnego ograniczenia. Postępy w formulacji i produkcji tuszów pozwalają oferować biel (W), szczególnie przydatną jako baza na ciemnych podłożach lub tło na przezroczystych. Kolory podstawowe druku — cyjan, magenta, żółty i czarny (CMYK) — razem dają szeroki gamut, bo warstwy tuszu mogą być grube. Ponieważ jednak bazują na pigmentach, są przynajmniej częściowo kryjące i maskują kolory pod spodem. Intensywność nie przekłada się w pełni na kolory wtórne, co wyklucza część kolorów Pantone popularnych wśród dużych marek.

Druk analogowy używa specjalnie formułowanych kolorów spotowych. Mogłyby być dostępne i na tym rynku, zwłaszcza w maszynach 6-, 8- i 10-głowicowych, ale nie są popularne, bo wymiana koloru spotowego w drukarce atramentowej jest dużo trudniejsza niż we fleksografii czy sitodruku. Kłóci się to też ze zdolnością cyfry do zmiany zadań przy kolejnych obrazach. Alternatywą są zestawy tuszów o rozszerzonym gamucie z intensywnymi tuszami o odcieniach pośrednich między CM i Y. Czerwień, zieleń i błękit (RGB) albo pomarańcz, zieleń i fiolet (OGV) stosuje się w druku etykiet i reklam, by rozszerzyć gamut i pokryć większość jaskrawych, zdefiniowanych kolorów marek. Kolory te można też formułować na zamówienie dla trójwymiarowych wyrobów z tworzyw.

Odwzorowanie jasnych kolorów, zwłaszcza odcieni skóry, to stała trudność druku UV. Nawet najmniejsze krople CMK, dziś zaledwie 4 pikolitry, są zbyt duże dla fotorealizmu. Jeśli jednak dołączy się zestaw wtórny jasnej magenty (lm) i jasnego cyjanu (lc), artefakty pojedynczych kropek znikają. Opcja CMYKlclmW jest dostępna na tym rynku u producentów OEM drukarek.

---