Stampa a getto d’inchiostro UV LED single-pass su materie plastiche 3D: chimica degli inchiostri e superfici polimeriche

Stampa a getto d'inchiostro UV LED single-pass su materie plastiche 3D: chimica degli inchiostri e superfici polimeriche

La stampa industriale a getto d'inchiostro sta avendo un impatto significativo sulla decorazione, tradizionalmente eseguita con processi analogici convenzionali come tampografia, serigrafia e stampa flexo/rotocalco. La tecnologia a getto d'inchiostro è progredita dagli inchiostri a solvente monocolore continui ai colori a gamma completa drop-on-demand, dal binario alla scala di grigi, dalle lampade a vapori di mercurio alla polimerizzazione UV LED e dalle stampanti piane a scansione alla stampa rotativa a 360°. La nuova frontiera è la stampa a colori UV LED single-pass su prodotti 3D in plastica con un nuovo inchiostro certificato per tossicità e biocompatibilità. Il single-pass è più veloce della scansione e più produttivo in termini di costi, ma la tecnologia è più complessa e richiede una progettazione precisa. A questi fattori si aggiungono le difficoltà intrinseche dell'adesione dell'inchiostro sui polimeri a bassa energia superficiale. Gli angoli di contatto dinamici vengono esaminati per determinare la viscosità dell'inchiostro e la bagnabilità della superficie.

Punti chiave

• Il single-pass è più veloce e più produttivo in termini di costi rispetto alla scansione, ma molto più complesso da progettare.
• La scansione nasconde gli errori. I passaggi multipli mascherano punti mancanti o fuori posto: il single-pass non concede alcuna indulgenza.
• La scelta dell'inchiostro è la decisione più critica in assoluto. Determina il tipo di testina, i parametri di polimerizzazione e la necessità del pretrattamento.
• Lo sbavamento del colore è il rischio del single-pass, perché un grande volume di inchiostro viene depositato in un solo passaggio.
• Gli inchiostri a bassa viscosità e bassa tensione superficiale faticano su poliolefine, nylon e TPE/gomma, che sono non polari e non naturalmente bagnabili.

Stampa a scansione e stampa single-pass a confronto

Le stampanti a getto d'inchiostro stampano applicando l'inchiostro in uno o più passaggi. O sono le testine di stampa a muoversi sopra l'oggetto, oppure è l'oggetto a muoversi sotto una testina fissa o una serie di testine fisse. La scansione, o stampa multi-pass, significa che la stampante esegue molti passaggi sul substrato per coprirlo completamente e fornire il dettaglio richiesto.

Un vantaggio della scansione è che rende meno visibili eventuali errori di stampa, come punti mancanti o fuori posto. Lo svantaggio della scansione è la lentezza, poiché sono necessari più passaggi sulla stessa area per garantire una copertura completa di inchiostro. Nella stampa single-pass le testine stampano direttamente su un substrato (o nastro) in movimento su un sistema di trasporto in movimento. Il vantaggio significativo del single-pass è la maggiore velocità e produttività.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra stampa a getto d'inchiostro a scansione e single-pass?

Nella scansione, o multi-pass, la stampante esegue molti passaggi sul substrato per ottenere copertura e dettaglio completi. Nel single-pass le testine stampano direttamente su un oggetto in movimento in un unico passaggio. La scansione è più lenta ma più tollerante; il single-pass è più veloce e produttivo ma molto meno tollerante agli errori.

Perché la stampa single-pass è più difficile da ottenere correttamente?

Perché non c'è un secondo passaggio che copra gli errori. Qualsiasi punto mancante o fuori posto è visibile e il controllo dello sbavamento del colore diventa critico, poiché l'intero volume di inchiostro viene depositato in una volta anziché accumularsi gradualmente.

Qual è la decisione più importante in un progetto di stampa a getto d'inchiostro?

L'inchiostro. La sua scelta determina i componenti del sistema: tipo di testina, parametri di polimerizzazione e necessità di un pretrattamento superficiale. La chimica del fluido, la viscosità e il taglio e la fisica dell'eiezione di ogni goccia devono comportarsi con precisione in condizioni estreme, e queste esigenze sono amplificate nel single-pass.

Perché gli inchiostri per getto d'inchiostro faticano ad aderire a certe materie plastiche?

Gli inchiostri per getto d'inchiostro hanno bassa viscosità e bassa tensione superficiale, mentre poliolefine, nylon e substrati in TPE o gomma sono non polari, chimicamente inerti, idrofobici e non naturalmente bagnabili. Senza aumentare l'energia superficiale, l'inchiostro non può ottenere il contatto intimo richiesto dall'adesione.

Dove il single-pass a getto d'inchiostro ha già dimostrato il suo valore?

Soprattutto in applicazioni 2D: biglietti della lotteria in bobina, smart card, piastrelle ceramiche, cartoni e scatole di cartone. La nuova frontiera è la stampa a colori single-pass su prodotti 3D in plastica con inchiostri certificati per tossicità e biocompatibilità.

Inchiostri polimerizzabili UV

Per tutte le applicazioni la scelta dell'inchiostro è la decisione più critica in assoluto e determina i componenti del sistema, tra cui il tipo di testina, i parametri di polimerizzazione e l'eventuale necessità di un pretrattamento superficiale. La chimica del fluido (viscosità e taglio) e la fisica dell'eiezione di ogni goccia d'inchiostro devono comportarsi con precisione per funzionare in condizioni estreme. Questi fattori risultano amplificati nella stampa single-pass rispetto alla scansione.

Il single-pass a getto d'inchiostro esiste da tempo, con enfasi sulla stampa 2D di biglietti della lotteria in bobina, smart card, piastrelle ceramiche, cartoni e scatole di cartone e altro. Le prime difficoltà tecnologiche sono state superate insieme ai recenti progressi nella chimica degli inchiostri e nella scienza dei polimeri, consentendo la stampa a getto d'inchiostro UV LED single-pass a colori pieni di polimeri a bassa energia superficiale. Sono disponibili sistemi di produzione di massa completamente automatizzati con pretrattamento e visione in linea opzionali. Questo articolo esamina inchiostri polimerizzabili UV, superfici polimeriche e bagnabilità.

Gli inchiostri UV polimerizzano trasformandosi in un solido quando i fotoiniziatori presenti nell'inchiostro interagiscono con una sorgente di luce ultravioletta ad alta intensità. Gli inchiostri UV sono considerati più ecologici perché di fatto non contengono solventi. Tuttavia questi inchiostri pongono problemi di tossicità. L'inchiostro UV non polimerizzato contiene monomero che non ha reagito, dannoso per il corpo umano. Anche le stampe finite e polimerizzate possono contenere monomero residuo non reagito. L'uso di radiometri è vivamente raccomandato.

I singoli componenti degli inchiostri pigmentati polimerizzabili UV comprendono tipicamente monomeri (liquidi a bassa viscosità), oligomeri (proprietà di adesione e polimerizzazione), pigmenti (colore), fotoiniziatori (polimerizzazione UV) e additivi (bagnabilità e disperdenti).

Ogni componente svolge un ruolo importante nell'ottimizzare le proprietà prestazionali della formulazione finale dell'inchiostro. Formulare un inchiostro bianco UV rispetto ai colori di quadricromia per la stampa a getto d'inchiostro single-pass è impegnativo a causa delle sue particelle di pigmento TiO2, grandi e pesanti, che sedimentano facilmente.

La viscosità (o, a rigore, la viscosità di taglio) è un parametro critico che regola il flusso attraverso l'ugello della testina e l'impulso di eiezione. Nelle testine piezoelettriche drop-on-demand l'impulso di eiezione è una tensione che crea il movimento di un elemento piezoelettrico per indurre una differenza di pressione (Figura 1).

Una volta espulsa una goccia, un'oscillazione alternata della pressione si riduce nel tempo (effetto di smorzamento). A causa delle elevate portate e dei piccoli diametri degli ugelli, i fluidi operano in un regime di alte velocità di taglio. Inoltre la viscosità influisce sul riempimento dell'inchiostro nella camera della testina. La viscosità in genere diminuisce con l'aumentare della velocità di taglio e questo fluido si definisce «pseudoplastico» (il fenomeno inverso, in cui la viscosità aumenta con la velocità di taglio, si definisce fluido «dilatante»).

Quando gli inchiostri diventano più densi o più fluidi, al variare del taglio le prestazioni di eiezione possono risentirne negativamente. Nell'ugello l'inchiostro è sottoposto sia a taglio sia ad allungamento, ed è importante comprendere la viscosità estensionale perché influisce sulla formazione e sulla rottura del filamento di inchiostro e sulla successiva formazione della goccia.

Ad esempio, la serie di inchiostri Apollo FTX è formulata e qualificata come sicura per adulti e bambini (contatto con la pelle umana) secondo ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) ed è stata sottoposta a test di biocompatibilità†. La chimica è abbinata con precisione a specifiche proprietà di polimerizzazione UV LED e all'estetica, senza sotto-polimerizzazione (appiccicosità) né sovra-polimerizzazione (fragilità).

Questo inchiostro ha un flusso elevato e costante (comportamento reologico stabile) e un angolo di contatto in uscita dall'ugello (rottura uniforme del getto) ottimale. Possiede una bagnabilità, un'adesione e un'adesione intermolecolare eccezionali tra l'inchiostro bianco (strato di base) e i colori CMYK++. Il pretrattamento superficiale non è necessario su molti substrati a bassa energia superficiale, tra cui gomma nitrilica e lattice.

Le proprietà finali di polimerizzazione dimostrano una resistenza ai graffi/abrasioni e agli agenti chimici senza pari, incluso il test in lavastoviglie. L'inchiostro è compatibile con specifici modelli di testine Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba e Konica Minolta.

Superfici polimeriche e bagnabilità

Una viscosità precisa dell'inchiostro per la stampa single-pass è fondamentale per controllare lo sbavamento del colore (dovuto al grande volume di inchiostro depositato in un solo passaggio) rispetto alle stampanti a scansione. Gli inchiostri per getto d'inchiostro hanno bassa viscosità e bassa tensione superficiale, il che crea problemi di adesione su molti polimeri, come poliolefine, nylon, TPE/gomma e così via. Questi tipi di substrati sono plastiche non polari e chimicamente inerti, idrofobiche e non naturalmente bagnabili.

Si consideri una singola goccia di fluido liquido su una superficie solida piana a riposo (equilibrio). L'angolo formato dalla superficie solida e dalla tangente alla superficie superiore della goccia nel punto finale è detto angolo di contatto. È l'angolo tra la tangente nel punto di contatto e la linea orizzontale della superficie solida.

Tuttavia i fluidi degli inchiostri e gli angoli di contatto sono dinamici, non statici. Quando una goccia è aderente a una superficie solida e questa viene inclinata, la goccia si sposta in avanti e scivola verso il basso. Gli angoli che si formano sono detti, rispettivamente, angolo di avanzamento (θa) e angolo di recessione (θr) (Figura 2).

La forma della goccia è dovuta alle forze molecolari per cui tutti i liquidi, contraendo la superficie, tendono a portare il volume contenuto in una forma con la minima area superficiale. Le forze intermolecolari che contraggono la superficie sono dette «tensione superficiale». La tensione superficiale dell'inchiostro per getto d'inchiostro controlla la corretta eiezione dalla testina.

La tensione superficiale, misura dell'energia superficiale, si esprime in dyne/cm. Quanto più alta è l'energia superficiale del substrato solido rispetto alla tensione superficiale di un liquido (inchiostro), tanto migliore sarà la bagnabilità e tanto minore l'angolo di contatto. Di norma si ottiene un'adesione accettabile quando l'energia superficiale di un substrato è superiore di circa 8-10 dyne/cm alla tensione superficiale del liquido.

Gli angoli di contatto sono generalmente influenzati da variazioni della chimica e della topografia della superficie. L'angolo di contatto di avanzamento è il più sensibile alle componenti a bassa energia (non modificate) della superficie del substrato, mentre l'angolo di recessione è più sensibile ai gruppi ossidati ad alta energia introdotti dai pretrattamenti superficiali.

L'angolo di recessione è la misura più caratteristica della componente modificata della superficie dopo i pretrattamenti. È importante misurare gli angoli di contatto dinamici per comprendere le interazioni superficiali, l'eiezione ottimale e il tempo necessario tra il deposito della goccia e l'inizio della polimerizzazione. Senza queste informazioni si verificheranno gravi problemi di qualità della stampa a getto d'inchiostro, ad esempio satelliti, overspray, nebbia e simili. Si raccomanda di utilizzare uno strumento di misura dell'angolo di contatto con deposizione balistica anziché soluzioni in dyne.

Conclusioni

La stampa a colori UV LED single-pass di prodotti rigidi e flessibili/estensibili è uno dei progressi più recenti che stanno cambiando la tecnologia industriale a getto d'inchiostro. Per ottenere una produzione di successo, all'inizio di qualsiasi progetto occorre comprendere molti fattori di processo e le loro interrelazioni.

Riferimenti bibliografici

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

†La serie di inchiostri Apollo FTX è disponibile per l'acquisto. Contatti The Sabreen Group al numero 972.820.6777 o all'indirizzo [email protected].

Scott R. Sabreen è il fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di consulenza ingegneristica specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio per adesione, stampa a getto d'inchiostro, marcatura laser, decorazione e finitura e sicurezza del prodotto. Sviluppa tecnologie innovative e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com.

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