Impression jet d’encre UV LED en un seul passage sur plastiques 3D : chimie des encres et surfaces polymères

Impression jet d'encre UV LED en un seul passage sur plastiques 3D : chimie des encres et surfaces polymères

L'impression jet d'encre industrielle a un impact considérable sur la décoration, traditionnellement réalisée par des procédés analogiques conventionnels tels que la tampographie, la sérigraphie et l'impression flexographique/héliogravure. La technologie jet d'encre est passée des encres solvantées monochromes en jet continu aux couleurs pleine gamme en goutte à la demande, du binaire aux niveaux de gris, des lampes à vapeur de mercure au durcissement UV LED, et des imprimantes à plat à balayage aux systèmes rotatifs à 360°. La nouvelle frontière est l'impression couleur UV LED en un seul passage sur des produits plastiques 3D, avec une nouvelle encre certifiée sans danger sur le plan toxicologique et biocompatible. Le passage unique est plus rapide que le balayage et plus productif en coût, mais la technologie est plus complexe et exige une ingénierie précise. Ces facteurs s'ajoutent aux difficultés inhérentes à l'adhérence de l'encre sur les polymères à faible énergie de surface. Les angles de contact dynamiques sont examinés pour déterminer la viscosité de l'encre et le mouillage de la surface.

Points clés à retenir

• Le passage unique est plus rapide et plus productif en coût que le balayage, mais nettement plus complexe à concevoir.
• Le balayage masque les erreurs. Les passages multiples dissimulent les points manquants ou mal placés ; le passage unique n'offre aucune tolérance de ce type.
• Le choix de l'encre est la décision la plus critique. Il détermine le type de tête d'impression, les paramètres de durcissement et la nécessité d'un prétraitement.
• La migration des couleurs est le risque du passage unique, car un fort volume d'encre est déposé en un seul passage.
• Les encres de faible viscosité et de faible tension superficielle peinent sur les polyoléfines, les nylons et les TPE/caoutchoucs, qui sont non polaires et naturellement non mouillables.

Balayage ou passage unique

Les imprimantes jet d'encre impriment en appliquant l'encre en un seul passage ou en plusieurs. Soit les têtes d'impression se déplacent au-dessus de l'objet, soit l'objet se déplace sous une tête d'impression fixe ou un réseau de têtes. Le balayage, ou impression multipasse, signifie que l'imprimante effectue de nombreux passages sur le substrat pour le couvrir entièrement et fournir le niveau de détail requis.

L'un des avantages du balayage est qu'il rend moins visibles les erreurs d'impression, comme les points manquants ou mal placés. Son inconvénient est sa lenteur, car il faut plusieurs passages sur la même zone pour assurer une couverture complète d'encre. Dans l'impression en passage unique, les têtes d'impression impriment directement sur un substrat (ou une bande) en mouvement sur un système de transport mobile. Le principal avantage du passage unique est une vitesse supérieure et une productivité accrue.

Foire aux questions

Quelle est la différence entre le jet d'encre à balayage et en passage unique ?

En balayage, ou multipasse, l'imprimante effectue de nombreux passages sur le substrat pour obtenir une couverture et un niveau de détail complets. En passage unique, les têtes d'impression impriment directement sur un objet en mouvement en un seul passage. Le balayage est plus lent mais plus tolérant ; le passage unique est plus rapide et plus productif, mais bien moins tolérant aux erreurs.

Pourquoi l'impression en passage unique est-elle plus difficile à maîtriser ?

Parce qu'il n'y a pas de second passage pour couvrir les erreurs. Tout point manquant ou mal placé est visible, et la maîtrise de la migration des couleurs devient critique, car tout le volume d'encre est déposé d'un coup au lieu de s'accumuler progressivement.

Quelle est la décision la plus importante dans un projet jet d'encre ?

L'encre. Son choix détermine les composants du système : type de tête d'impression, paramètres de durcissement et nécessité d'un prétraitement de surface. La chimie du fluide, la viscosité et le cisaillement, ainsi que la physique de l'éjection de chaque goutte doivent se comporter avec précision dans des conditions extrêmes, et ces exigences sont amplifiées en passage unique.

Pourquoi les encres jet d'encre adhèrent-elles difficilement à certains plastiques ?

Les encres jet d'encre ont une faible viscosité et une faible tension superficielle, alors que les polyoléfines, les nylons et les substrats en TPE ou en caoutchouc sont non polaires, chimiquement inertes, hydrophobes et naturellement non mouillables. Sans augmenter l'énergie de surface, l'encre ne peut pas établir le contact intime que requiert l'adhérence.

Où le jet d'encre en passage unique a-t-il déjà fait ses preuves ?

Principalement dans des applications 2D : tickets de loterie en bobine, cartes à puce, carreaux de céramique, cartons et boîtes en carton. La nouvelle frontière est l'impression couleur en passage unique sur des produits plastiques 3D à l'aide d'encres certifiées sans danger sur le plan toxicologique et biocompatibles.

Encres durcissables aux UV

Pour toutes les applications, le choix de l'encre est la décision la plus critique : il détermine les composants du système, dont le type de tête d'impression, les paramètres de durcissement et la nécessité éventuelle d'un prétraitement de surface. La chimie du fluide (viscosité et cisaillement) et la physique de l'éjection de chaque goutte d'encre doivent se comporter avec précision pour fonctionner dans des conditions extrêmes. Ces facteurs sont amplifiés pour l'impression en passage unique par rapport au balayage.

Le jet d'encre en passage unique existe depuis un certain temps, principalement pour l'impression 2D de tickets de loterie en bobine, de cartes à puce, de carreaux de céramique, de cartons et de boîtes, entre autres. Les premiers défis technologiques ont été surmontés, et les avancées récentes en chimie des encres et en science des polymères permettent désormais l'impression jet d'encre UV LED en couleur, en passage unique, sur des polymères à faible énergie de surface. Des systèmes de production de masse entièrement automatisés sont disponibles, avec prétraitement en ligne et vision en option. Cet article examine les encres durcissables aux UV, les surfaces polymères et le mouillage.

Les encres UV durcissent en un solide lorsque les photoamorceurs qu'elles contiennent interagissent avec une source de lumière ultraviolette de haute intensité. Les encres UV sont considérées comme plus respectueuses de l'environnement, car elles ne contiennent effectivement pas de solvants. Toutefois, ces encres posent des problèmes de toxicité. L'encre UV non durcie contient du monomère n'ayant pas réagi, nocif pour l'organisme humain. Même des impressions finies et durcies peuvent contenir du monomère résiduel n'ayant pas réagi. L'utilisation de radiomètres est vivement recommandée.

Les composants individuels des encres UV pigmentées comprennent généralement des monomères (liquides de faible viscosité), des oligomères (propriétés d'adhérence et de durcissement), des pigments (couleur), des photoamorceurs (durcissement UV) et des additifs (mouillage et dispersants).

Chaque composant joue un rôle important dans l'optimisation des propriétés de performance de la formule d'encre finale. La formulation d'une encre blanche UV, par rapport aux couleurs de quadrichromie, est difficile pour l'impression jet d'encre en passage unique en raison de ses particules de pigment TiO2 grosses et lourdes, qui sédimentent facilement.

La viscosité (ou plus exactement la viscosité de cisaillement) est un paramètre critique qui régit l'écoulement dans la buse de la tête d'impression et l'impulsion d'éjection. Dans les têtes d'impression piézoélectriques à goutte à la demande, l'impulsion d'éjection est une tension qui provoque le mouvement d'un élément piézoélectrique afin d'induire une différence de pression (figure 1).

Une fois la goutte éjectée, une oscillation alternée de la pression diminue avec le temps (effet d'amortissement). En raison des débits élevés et des petits diamètres de buse, les fluides fonctionnent dans un régime de taux de cisaillement élevés. La viscosité a aussi un impact sur le remplissage de la chambre d'encre de la tête d'impression. La viscosité diminue généralement lorsque le taux de cisaillement augmente ; on parle alors de fluide « rhéofluidifiant » (le phénomène inverse, où la viscosité augmente avec le taux de cisaillement, caractérise un fluide « rhéoépaississant »).

Lorsque les encres deviennent plus épaisses ou plus fluides, la variation du cisaillement peut nuire aux performances d'éjection. Dans la buse, l'encre est à la fois cisaillée et étirée, et il est important de comprendre la viscosité élongationnelle, car elle influe sur la formation et la rupture du filament d'encre, puis sur la formation de la goutte.

Par exemple, la gamme d'encres Apollo FTX est formulée et qualifiée comme sûre pour les adultes et les enfants (contact avec la peau humaine) selon la norme ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) et testée pour sa biocompatibilité†. La chimie est précisément adaptée à des propriétés de durcissement UV LED et à un aspect spécifiques, sans sous-durcissement (collant) ni surdurcissement (fragile).

Cette encre présente un débit constant élevé (comportement rhéologique stable) et un angle de contact de sortie de buse (rupture uniforme du jet) adaptés. Elle possède un mouillage, une adhérence et une adhérence intermoléculaire exceptionnels entre l'encre blanche (couche de base) et les couleurs CMYK++. Un prétraitement de surface n'est pas nécessaire sur de nombreux substrats à faible énergie de surface, dont le caoutchouc nitrile et le latex.

Les propriétés finales de durcissement démontrent une résistance inégalée aux rayures/marques et aux produits chimiques, y compris aux essais au lave-vaisselle. L'encre est compatible avec des modèles précis de têtes d'impression Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba et Konica Minolta.

Surfaces polymères et mouillage

Une viscosité d'encre précise pour l'impression en passage unique est critique pour maîtriser la migration des couleurs (due au fort volume d'encre déposé en un seul passage) par rapport aux imprimantes à balayage. Les encres jet d'encre ont une faible viscosité et une faible tension superficielle, ce qui crée des problèmes d'adhérence sur de nombreux polymères, tels que les polyoléfines, les nylons, les TPE/caoutchoucs, etc. Ces types de substrats sont des plastiques non polaires et chimiquement inertes, hydrophobes et naturellement non mouillables.

Considérons une goutte de fluide liquide sur une surface solide plane au repos (équilibre). L'angle formé par la surface solide et la tangente à la surface supérieure de la goutte au point d'extrémité s'appelle l'angle de contact. C'est l'angle entre la tangente au point de contact et la ligne horizontale de la surface solide.

Cependant, les fluides d'encre et les angles de contact sont dynamiques, et non statiques. Lorsqu'une goutte est fixée à une surface solide et que celle-ci est inclinée, la goutte s'élance vers l'avant et glisse vers le bas. Les angles formés sont appelés respectivement angle d'avancée (θa) et angle de reculée (θr) (figure 2).

La forme de la goutte résulte des forces moléculaires par lesquelles tous les liquides, par contraction de leur surface, tendent à donner au volume contenu la forme présentant la plus petite surface. Les forces intermoléculaires qui contractent la surface s'appellent la « tension superficielle ». La tension superficielle de l'encre jet d'encre régit l'éjection correcte depuis la tête d'impression.

La tension superficielle, mesure de l'énergie de surface, s'exprime en dynes/cm. Plus l'énergie de surface du substrat solide est élevée par rapport à la tension superficielle d'un liquide (l'encre), meilleure est la mouillabilité et plus l'angle de contact est petit. En règle générale, une adhérence acceptable est obtenue lorsque l'énergie de surface d'un substrat est supérieure d'environ 8 à 10 dynes/cm à la tension superficielle du liquide.

Les angles de contact sont généralement influencés par les variations de la chimie de surface et de la topographie de surface. L'angle d'avancée est le plus sensible aux composants de faible énergie (non modifiés) de la surface du substrat, tandis que l'angle de reculée est plus sensible aux groupes oxydés de haute énergie introduits par les prétraitements de surface.

L'angle de reculée est la mesure la plus caractéristique du composant modifié de la surface après les prétraitements. Il est important de mesurer les angles de contact dynamiques pour comprendre les interactions de surface, l'éjection optimale et le temps nécessaire entre le dépôt de la goutte et le début du durcissement. Sans ces informations, de graves problèmes de qualité d'impression jet d'encre surviendront, par exemple des satellites, du surpulvérisé, de la brume, etc. Il est recommandé d'utiliser un instrument de mesure de l'angle de contact à dépôt balistique plutôt que des solutions de dynes.

Conclusion

L'impression couleur UV LED en un seul passage de produits rigides et flexibles/extensibles est l'une des avancées les plus récentes qui transforment la technologie jet d'encre industrielle. Pour réussir la production, de nombreux facteurs de procédé et leurs interrelations doivent être compris dès le début de tout projet.

Références

• Sabreen, S., Taylor D., Inkjet Printing for Flexible and Wearable Plastic, Plastics Decorating, January/February 2020

†La gamme d'encres Apollo FTX est disponible à l'achat. Contactez The Sabreen Group au 972.820.6777 ou à [email protected].

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., une société de conseil en ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : prétraitements de surface, liaison par adhérence, impression jet d'encre, marquage laser, décoration et finition, et sécurité des produits. Sabreen développe des technologies pionnières et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez le joindre au 972.820.6777 ou en visitant www.sabreen.com.

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