Tintenstrahldruck und Haftung auf Polymeren mit niedriger Oberflächenenergie

Tintenstrahldruck und Haftung auf Polymeren mit niedriger Oberflächenenergie

Lange bevor der erste Tintentropfen auf ein Kunststoffprodukt gespritzt wird, treffen Konstrukteure wesentliche Entscheidungen, die vorherbestimmen, ob der Tintendruck einfach oder schwierig wird. Haftung ist im Wesentlichen ein Oberflächenphänomen, denn sie beruht auf den Wechselwirkungen zwischen der flüssigen Tinte und der Oberfläche des Substrats.

Die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Haftung sind die Polymerauswahl (einschließlich Farbmittel, Füllstoffe und Additive), das Formgebungsverfahren, der Oberflächenzustand sowie Lagerung und Handhabung. Der Tintenstrahldruck ist hochkomplex und berührt viele Fachgebiete. An erster Stelle steht die Verträglichkeit von Tinte und Polymersubstrat.

Dieser Artikel untersucht die Auswahl der Polymere und die Primärverarbeitung, um eine robuste Tintenhaftung zu erreichen. Dieser fertigungsgerechte Ansatz liefert wertvolle Erkenntnisse und praxiserprobte Lösungen, die Haftungsversagen verhindern.

Der Tintenstrahldruck ist deutlich komplexer und empfindlicher als analoge Druckverfahren. Das Bedrucken von Polymeren im Tintenstrahlverfahren ist von Natur aus schwierig, da es zwischen Kunststoffen oft erhebliche chemische und physikalische Unterschiede gibt – selbst innerhalb derselben Polymerfamilie. Das Bedrucken konturierter Geometrien im Tintenstrahlverfahren bringt zusätzliche Komplikationen mit sich, anders als beim Tampon- und Siebdruck mit lösemittelhaltigen Tintenformulierungen, die von Natur aus eine niedrigere Oberflächenspannung haben und Polymersubstrate leicht benetzen.

Das Wichtigste in Kürze

• Die Haftung wird bereits in der Konstruktion entschieden, lange bevor der erste Tropfen gespritzt wird – durch die Wahl von Polymer, Farbmittel, Füllstoff und Additiven.
• Amorphe Polymere lassen sich im Allgemeinen besser bedrucken als kristalline, deren geordnete Struktur die Benetzung erschwert.
• Nylon ist an der Oberfläche hydrophob, im Volumen jedoch hydrophil und nimmt über 3 % seiner Masse an Wasser auf – daher ist die Trocknung entscheidend.
• Formwerkzeug-Texturierung verbessert die Haftung ohne Zusatzkosten. Eine mit Diamant polierte Oberfläche der Körnung 1200 schneidet besser ab als eine feine Diamantoberfläche der Körnung 8000.
• Silikone sind der Feind. Vermeiden Sie interne und externe Silikone und minimieren Sie Verarbeitungsadditive.

Häufig gestellte Fragen

Welche Polymere sind im Tintenstrahlverfahren am schwersten zu bedrucken?

Acetale, Polyamide, Polyolefine, Polyester, PPS, PEEK, PEI, Polyimid, PTFE und Polyurethane. Konstrukteure wählen diese Werkstoffe mit niedriger Oberflächenenergie als Metallersatz sowie für Steifigkeit, chemische Beständigkeit und Leistungsfähigkeit bei erhöhten Temperaturen – genau die Eigenschaften, die den Druck erschweren.

Warum verursacht Nylon so hartnäckige Haftungsprobleme?

Nylon ist an der Oberfläche hydrophob, chemisch inert und hat eine niedrige Oberflächenenergie; die Amidgruppen in der Kette ziehen jedoch Wasser an, sodass es sich im Volumen hydrophil verhält und über 3 % seiner Masse aus der Atmosphäre aufnimmt. Dieses zweigeteilte Verhalten und die Feuchtigkeit selbst führen zu Haftungsproblemen, sofern die Harztrocknung nicht sachgerecht kontrolliert wird.

Wie kann die Werkzeugkonstruktion die Tintenhaftung verbessern?

Durch Texturierung. Erhebungen und Vertiefungen sorgen für mechanische Verzahnung, und eine im Werkzeug angeformte Textur ist dem manuellen Anschleifen vorzuziehen, da sie weder Arbeitszeit noch Chemikalien kostet. Die NTMA-Oberfläche „40 – Diamond buffed 1200 Grit“ schneidet in der Regel besser ab als „10 – Fine Diamond 8000 Grit“. Geätzte Kernstifte eignen sich gut für vertiefte Bohrungen.

Welche Lösemittel sollten zur Reinigung von Nylon und PPS vor dem Druck verwendet werden?

Toluol, Xylol, Aceton oder MEK. Alkohol ist ein schwaches Lösemittel, das oberflächlichen Schmutz, aber keine Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen entfernt. Verwenden Sie fusselfreie Tücher und puderfreie Handschuhe und vermeiden Sie überschüssiges Lösemittel, das schwache Grenzschichten und Trübungen hinterlässt, welche die Verbindung beeinträchtigen.

Welche einfachen Maßnahmen verbessern die Tintenhaftung ohne Zusatzkosten am meisten?

Interne und externe Silikone vermeiden und Verarbeitungsadditive minimieren; Werkzeugtextur einbringen; das Harz richtig trocknen; Oberflächen sauber halten; überschüssiges Lösemittel vermeiden; Spritzgussteile eng in Beuteln aus Nicht-Polyethylen oder Polyester mit Trockenmittel verpacken; und so bald wie möglich nach dem Spritzgießen bedrucken.

Thermoplaste

Die Art des zu bedruckenden Thermoplasts beeinflusst den gesamten Tintenstrahlprozess erheblich. In einem thermoplastischen Werkstoff werden die sehr langen, kettenförmigen Moleküle durch relativ schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Thermoplaste werden in zwei Unterkategorien eingeteilt: amorph und kristallin (siehe Abbildung 2). Im Allgemeinen haben amorphe Polymere bessere Hafteigenschaften als kristalline.

Der Begriff „amorph“ bedeutet, dass keine definierte oder eine leicht veränderbare Form vorliegt. „Kristallin“ bedeutet, dass die Molekülaggregate ein regelmäßiges, definiertes Muster aufweisen. Amorphe Harze zeigen zufällige, spaghettiartige Strukturen. Sie dämpfen die in das Material eingebrachte Energie nicht stark. Bei Wärmezufuhr erweichen sie und besitzen keine scharf definierte Schmelztemperatur.

Kristalline Harze haben geordnete Muster (siehe Abbildung 3). Sie besitzen außerdem klar definierte Schmelztemperaturen. In einem Polymer koexistieren beide Zustände: Benachbarte Abschnitte der Polymerketten packen sich zu dichten kristallinen Bündeln zusammen, die durch sekundäre Anziehungskräfte gehalten werden, während andere Abschnitte derselben Moleküle sich physisch nicht in das Kristallgitter einfügen können und amorph bleiben. Ob ein bestimmtes Polymersegment kristallin oder amorph vorliegt, ist überwiegend ein Zufallsereignis, das von der Dynamik des Kristallisationsprozesses gesteuert wird.

Teilkristalline Werkstoffe haben eine hochgeordnete Molekularstruktur mit scharfen Schmelzpunkten. Sie erweichen bei steigender Temperatur nicht allmählich, sondern bleiben fest, bis eine bestimmte Wärmemenge aufgenommen wurde, und gehen dann rasch in eine niedrigviskose Flüssigkeit über. Amorphe Polymere haben eine ungeordnete Molekularstruktur ohne scharfen Schmelzpunkt. Stattdessen erweichen amorphe Werkstoffe mit steigender Temperatur allmählich. Diese Werkstoffe ändern beim Erwärmen ihre Viskosität, sind aber selten so leichtfließend wie teilkristalline. Amorphe Polymere verlieren oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur (Tg) schnell an Festigkeit.

Verträglichkeit von Tinte und Polymersubstrat

Zu den am schwierigsten im Tintenstrahlverfahren zu bedruckenden Polymeren zählen: Acetale (POM), Polyamide (Nylon), Polyolefine, Polyester (PET), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyimid „Kapton“ (PI), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyurethane (PUR). Konstrukteure wählen diese Werkstoffe mit niedriger Oberflächenenergie (LSE) wegen ihres geringen Gewichts als Metallersatz, ihrer Steifigkeit und Festigkeit, ihrer chemischen Beständigkeit und ihrer physikalischen Eigenschaften bei erhöhten Einsatztemperaturen.

Damit der Tintenstrahldruck erfolgreich ist, muss er eine langfristige Haftung auf der Polymeroberfläche erreichen. Die Haftung hängt maßgeblich von Oberflächenphänomenen ab, d. h., die erwärmte Tinte muss sich leicht aus dem Druckkopf ausstoßen lassen und in geeigneter Weise mit dem Substrat wechselwirken. Die Tinte muss engen Kontakt mit der Oberfläche des Polymersubstrats herstellen können. Dieser enge Kontakt wird als Benetzung bezeichnet und beschreibt die Fähigkeit der Tinte, sich auf der Oberfläche auszubreiten. Die meisten Polymeroberflächen sind von Natur aus hydrophob und widerstehen der Benetzung. Diese Kunststoffe haben typischerweise chemisch inerte, nicht poröse Oberflächen mit niedriger Oberflächenenergie, was die Druckhaftung nahezu unmöglich macht. Die Oberflächenenergie ist die überschüssige Energie, die an der Oberfläche (im Gegensatz zum Volumen) eines Festkörpers vorliegt. Diese überschüssige Energie entsteht, weil Moleküle an der Oberfläche mit weniger gleichartigen Nachbarn wechselwirken können als Moleküle im Volumen; sie besitzen daher überschüssige Wechselwirkungsenergie.

Die Primärverarbeitung ist entscheidend, um die angegebenen Eigenschaften des Polymerwerkstoffs zu erreichen. Betrachten wir beispielsweise zwei schwer im Tintenstrahlverfahren zu bedruckende Polymere mit niedriger Oberflächenenergie – Polyamid (PA) und Polyphenylensulfid (PPS):

Polyamid, allgemein als Nylon bekannt, ist ein teilkristallines Polymer. Die beiden gebräuchlichsten Typen sind Nylon 6 und Nylon 6/6. Nylon-Polymere lassen sich von Natur aus schwer verkleben, weil sie hydrophob und chemisch inert sind und eine schlechte Oberflächenbenetzbarkeit (d. h. niedrige Oberflächenenergie) besitzen. Darüber hinaus sind Nylons hygroskopisch und nehmen aus der Atmosphäre mehr als 3 % ihrer Masse an Wasser auf. Feuchtigkeit an sich verursacht Haftungsprobleme. Eine ordnungsgemäße Trocknung von Nylonharzen ist entscheidend für die Verarbeitung und die Bauteilqualität. Besonders bemerkenswert: Das hydrophobe Verhalten von Nylon ist eine Oberflächeneigenschaft, das hydrophile Verhalten eine Volumeneigenschaft. Da Nylon ein organisches Polymer ist, hat es eine relativ niedrige Oberflächenenergie. Das ist eine Folge der Oberflächenchemie und Oberflächenphysik von Polymeren und anderen organischen Stoffen. Die Amidgruppen in der Nylonkette ziehen jedoch Wasser an und verursachen das hydrophile Verhalten des Werkstoffs bei der Wasseraufnahme im Volumen. Somit kann sich Nylon im Volumen hydrophil verhalten, an der Oberfläche jedoch hydrophobes Verhalten zeigen.

Polyphenylensulfid (PPS) bietet die breiteste Beständigkeit gegenüber korrosiven Stoffen unter allen Hochleistungskunststoffen. PPS-Produkte sind nicht hygroskopisch und zeigen daher keine Maßänderungen durch Quellung wie Nylon (Polyamide). Dennoch ist es wichtig, für das Spritzgießen trockenes Harz zu verwenden. Feuchtigkeit an sich ist problematisch. Hohe Feuchtegehalte können Lunker verursachen, die die Bauteilleistung beeinträchtigen, die Haftung beeinflussen und das Aussehen verändern können. Die Zeit zwischen Trocknung und Verarbeitung sollte so kurz wie möglich sein. PPS sollte in Trockenlufttrocknern mit Entfeuchtung getrocknet werden. Umluftöfen werden im Allgemeinen nicht empfohlen. Um einen vollständig kristallinen Zustand zu erreichen, sind Werkzeugtemperaturen von mindestens 275 bis 300 °F (etwa 135 bis 150 °C) erforderlich. Wird PPS unterhalb von 275 °F verarbeitet, sind die Formteile amorph oder teilkristallin und bleiben in diesem Zustand, bis sie höheren Einsatztemperaturen (einschließlich Wärmehärtung) ausgesetzt werden. Übersteigt die Einsatztemperatur die Formgebungstemperatur, werden die Teile kristalliner, was zu Änderungen der Maße und Eigenschaften führt. So beträgt die Wärmeformbeständigkeit (HDT) bei 264 psi (1,8 MPa) von PPS mit 40 % Glasfaseranteil im nichtkristallinen Zustand nur 350 °F, steigt aber im kristallinen Zustand auf >500 °F (260 °C). Außerdem hat die Werkzeugtemperatur einen erheblichen Einfluss auf das Oberflächenaussehen.

Um Nylon- und PPS-Oberflächen geeignet zu reinigen und niedermolekulare Stoffe (LMWM) zu entfernen, verwenden Sie Toluol, Xylol, Aceton oder MEK. Alkohol ist ein schwaches Lösemittel und entfernt nur oberflächlichen Schmutz, aber keine Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen. Es muss stets die richtige Technik angewandt werden, einschließlich fusselfreier Tücher und puderfreier Schutzhandschuhe. Überschüssiges Lösemittel erzeugt schwache Grenzschichten aus nicht entfernten Chemikalien und hinterlässt einen Trübungsfilm, der die Verbindung beeinträchtigt.2 Druckprozesse sollten so bald wie möglich nach dem Spritzgießen durchgeführt werden, oder die Teile werden eng in Beutel aus Nicht-Polyethylen, etwa Polyester, verpackt. Nylon- und PPS-Klebeanwendungen erfordern häufig eine Plasma-Vorbehandlung, etwa Koronabehandlung, elektrisches Atmosphärendruckplasma, Luftplasma (elektrische Entladung), Flammenplasma und Niederdruck-HF-Kaltgasplasma.

Saubere Substratoberflächen

Niedermolekulare Stoffe – wie Silikone, Trennmittel, Gleitmittel und Prozessadditive – beeinträchtigen die Fließfähigkeit der Tinte und den für die Haftung wesentlichen engen Kontakt. Bestimmte lösliche oder unlösliche Verbindungen in Pigment- und Farbstoff-Farbmitteln können die Haftung beeinträchtigen. Die chemische Zusammensetzung der Formteiloberfläche, ihre Textur und Porosität beeinflussen Tintenfluss und Haftung erheblich. Grad und Qualität der Behandlung sowie die Haftung hängen von der Sauberkeit der Kunststoffoberfläche ab. Die Oberfläche muss sauber sein, um eine optimale Vorbehandlung und die anschließende Tintenhaftung zu erzielen. Oberflächenverunreinigungen – wie Silikon-Trennmittel, Schmutz, Staub, Fett, Öle und Fingerabdrücke – behindern die Behandlung. Auch die Reinheit des Materials ist ein wichtiger Faktor.

Die Lagerfähigkeit behandelter Kunststoffe hängt von Harztyp, Formulierung und den Umgebungsbedingungen am Lagerort ab. Die Lagerfähigkeit behandelter Produkte wird durch niedermolekulare oxidierte Stoffe (LMWOM) begrenzt, etwa Antioxidantien, Weichmacher, Gleit- und Antistatikmittel, Farbmittel und Pigmente sowie Stabilisatoren. Werden behandelte Oberflächen erhöhten Temperaturen ausgesetzt, steigt die Beweglichkeit der Molekülketten – je höher die Kettenbeweglichkeit, desto schneller altert die Behandlung. Die Beweglichkeit der Polymerketten in behandelten Werkstoffen führt dazu, dass sich die durch die Behandlung erzeugten Bindungsstellen von der Oberfläche wegbewegen. Diese Komponenten können schließlich an die Polymeroberfläche wandern.

Werkzeugkonstruktion und Oberflächentextur

Konstrukteure können die Haftung verbessern, indem sie die Werkzeugoberfläche(n) texturieren. Die Textur erzeugt Erhebungen und Vertiefungen und sorgt so für Haftung durch mechanische Verzahnung. Die Texturierung kann im Werkzeug selbst oder manuell mit einem Scotch-Brite-Vlies und anschließender Lösemittelreinigung erfolgen. Eine im Werkzeug angeformte Textur ist vorzuziehen, da sie die Oberflächeneigenschaften ohne zusätzliche Arbeits- oder Chemikalienkosten erhält.

So verbessert beispielsweise die NTMA-Werkzeugoberfläche „40 – Diamond buffed 1200 Grit“ die Verbundfestigkeit voraussichtlich gegenüber „10 – Fine Diamond 8000 Grit“ (Bereich 0 bis 3 Mikrometer). Siehe Abbildung 4, SPI-Werkzeugoberflächengüten. Schon leicht texturierte Oberflächen sind von Vorteil. Bei Anwendungen mit vertieften Bohrungen, etwa bei Steckverbindern, sind geätzte Kernstifte im Werkzeug äußerst wirksam.

Zusammenfassend werden die folgenden Punkte empfohlen, um eine robuste Tintenhaftung und/oder eine hochfeste Adhäsionsverbindung von Polymeren zu erreichen. Keiner dieser Punkte verursacht Kosten; vielmehr sparen sie Kosten.

• Keine internen oder externen Silikone. Verarbeitungsadditive minimieren.
• Werkzeugtextur.
• Das Harz vor dem Spritzgießen richtig trocknen.
• Oberflächen müssen sauber sein.
• Überschüssiges Lösemittel vermeiden, das schwache Grenzschichten aus nicht entfernten Chemikalien erzeugt.
• Spritzgussteile eng in Beutel aus Nicht-Polyethylen mit Trockenmittel verpacken oder Polyesterbeutel verwenden.
• Den Druckprozess so bald wie möglich nach dem Spritzgießen durchführen.

Literatur

• Innovations in Bonding to Low Surface Energy Surfaces, 3M Technical Guide
• Best Practices for Bonding Semi-Crystalline Thermoplastics, The Sabreen Group, Januar 2015

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group, Inc., einem Ingenieurunternehmen, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Produktsicherheit, Laserbeschriftung, Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung. Sabreen entwickelt seit über 30 Jahren wegweisende Technologien und löst Fertigungsprobleme. Sie erreichen ihn unter 972.820.6777 oder über www.Sabreen.com.

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