Impressão a jato de tinta para plásticos flexíveis e vestíveis

Impressão a jato de tinta para plásticos flexíveis e vestíveis

As tintas flexíveis curáveis por UV LED para impressão em cores de produtos plásticos flexíveis/elásticos e vestíveis são um dos avanços mais recentes da tecnologia industrial de jato de tinta. Imagens vívidas personalizáveis e códigos bidimensionais são jateados em diversos produtos poliméricos flexíveis, como garrafas de poliolefina, faixas elásticas de exercício e vestíveis de elastômero/borracha, sem rachar nem distorcer a imagem impressa mesmo com alto percentual de alongamento. Esse avanço incorpora uma nova tinta flexível UV LED proprietária, de gama de cores completa, com certificação de toxicidade e biocompatibilidade para aplicações específicas.

Principais conclusões

• Produtos de alta elasticidade se alongam de 50 a 200%, então a tinta precisa esticar junto, sem rachar nem distorcer a imagem.
• A tinta e a cura por LED devem formar um sistema combinado — comprimento de onda, irradiância, densidade de energia, distância de trabalho e resfriamento especificados em conjunto.
• A certificação para contato com a pele importa. As tintas para vestíveis podem ser qualificadas conforme a ASTM D 4236 (LHAMA, 16 CFR 1500.14) para adultos e crianças.
• A tinta branca é a mais problemática — espessa, altamente pigmentada, propensa a falha coesiva e à sedimentação, por isso exige circulação contínua.
• Alguns substratos de baixa energia dispensam pré-tratamento com uma tinta corretamente formulada, incluindo borracha nitrílica e látex.

Perguntas frequentes

A tinta de jato de tinta racha quando o produto estica?

Não, com uma formulação flexível de UV LED. Tintas flexíveis desenvolvidas para essa finalidade imprimem imagens vívidas e códigos 2D em garrafas de poliolefina, faixas elásticas de exercício e vestíveis de elastômero que se alongam de 50 a 200% sem rachar nem distorcer a imagem.

Quais substratos podem ser impressos para vestíveis?

Nitrila, vinil, PVC, poliolefinas, elastômeros termoplásticos, polietilenos fundidos, látex, poliuretanos e neoprene, além de filmes de embalagem flexíveis, eletrônica impressa flexível e interconexões elásticas.

A tinta de jato de tinta UV LED é segura para contato com a pele?

Ela pode ser certificada para isso. As tintas são formuladas e qualificadas como seguras para adultos e crianças em contato com a pele humana conforme a ASTM D 4236 (LHAMA — 16 CFR 1500.14). A certificação é específica para a tinta e sua especificação de cura, portanto não se deve presumir que um filme subcurado ou supercurado seja seguro.

Por que a passagem de flatbed para impressão contínua de passagem única causa problemas?

O comportamento de deposição e cura da tinta muda fundamentalmente. Em uma flatbed, camadas finas são depositadas em várias passagens e curadas repetidamente. Em máquinas contínuas de cabeças fixas, todas as cores são depositadas úmido sobre úmido a partir de uma única barra de impressão, então a espessura a curar pode chegar a 250% da de uma única cor, e a incompatibilidade entre camadas causa separação microscópica e falha entre camadas.

Por que a tinta branca é tratada de forma diferente das cores de processo?

Por três razões. Ela costuma ser a camada de base que esconde um substrato colorido ou translúcido; depende do espalhamento da luz, e não da absorção, então precisa ser aplicada em camada mais espessa; e os pigmentos brancos são densos e propensos à sedimentação, então a tinta deve circular continuamente e ser purgada da cabeça no desligamento.

Demanda por vestíveis personalizados

Os termos “wearables”, “dispositivos vestíveis” e “tecnologia vestível” se referem a tecnologias eletrônicas ou computadores que podem ser usados por um consumidor e que muitas vezes incluem informações de monitoramento relacionadas à saúde e ao condicionamento físico. Envolvem toucas de natação, faixas elásticas de resistência para exercício, artigos para a cabeça, hijabs, munhequeiras, artigos para ciclismo/corrida, itens de pulso, óculos, luvas, itens para os braços, itens para as pernas, calçados, adesivos para a pele, exoesqueletos e e-têxteis, e o negócio de dispositivos é enorme. Os produtos podem ser rígidos ou flexíveis.

A demanda por personalização impulsiona as vendas, sejam produtos de desempenho para saúde e condicionamento físico, smartwatches ou as centenas de produtos alternativos de pulseiras interativas. A empresa líder de pesquisa de mercado IDTechEx afirma que os produtos vestíveis estão prosperando, com um mercado total superior a US$ 50 bilhões em 2019, mais que o dobro do tamanho de 2014. A Bain & Company afirma: “Ao oferecer personalização, as marcas aumentam a fidelidade num momento em que isso é mais importante do que nunca.

Os vendedores estão descobrindo o valor de deixar os clientes criarem seus próprios produtos exclusivos.” Varejistas como a Amazon usam big data para apresentar aos clientes um conjunto personalizado de produtos. Agora, as marcas estão levando a personalização um grande passo adiante, rumo à personalização em massa. As empresas que oferecem personalização podem usar os consumidores como vendedores, obtendo continuamente insights de projetos personalizados e ajustando os produtos em um ciclo de feedback que ajuda as empresas a se manterem à frente da concorrência.

Soluções completas de processo

A impressão a jato de tinta UV piezoelétrica drop-on-demand é muito mais complexa e delicada que a impressão analógica. O jato de tinta exige que os bicos disparem gotas de tamanho preciso com exatidão. Sistemas de impressão a jato de tinta de alta qualidade devem integrar simultaneamente cabeças de impressão, fluidos, controladores, pré-tratamento e cura. A certificação de segurança dos fluidos e da cura é crítica. Para obter impressão robusta em materiais poliméricos flexíveis e sensíveis à temperatura, os usuários devem adotar tintas flexíveis UV LED compatíveis e um sistema de cura por LED.

Os substratos de aplicação incluem nitrila, vinil, PVC, poliolefinas, elastômeros termoplásticos (TPE), polietilenos fundidos (CPE), látex, poliuretanos e neoprene. Outras aplicações são filmes de embalagem flexíveis, eletrônica impressa flexível e interconexões elásticas.

Tinta de cura por UV LED e certificação de segurança do consumidor

Uma nova tinta de jato de tinta de cura por UV LED, a série Apollo FTX Ink, foi formulada e qualificada como segura para adultos e crianças (contato com a pele humana) conforme a ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14). Mais que apenas mais uma tinta, essa química é combinada com precisão a especificações específicas de cura por UV LED. Isso garante propriedades finais de cura e estética robustas, sem subcura (pegajosa) nem supercura (quebradiça). O desafio no projeto de tintas de jato de tinta vem da importância de desenvolver a tinta em sinergia com uma cabeça de impressão específica. A química e a física do fluido no jateamento de cada gota de tinta devem se comportar de forma precisa e consistente para operar em condições extremas, o que é necessário nas operações de impressão drop-on-demand.

Essa nova tinta demonstra alta consistência de escoamento (comportamento reológico estável) e do ângulo de contato de saída da tinta ao deixar o bico (quebra consistente do jato). Ela possui excelente molhabilidade e adesão ao substrato, além de adesão intermolecular entre a tinta branca (camada de base) e as cores da gama completa. O pré-tratamento de superfície não é necessário em alguns materiais de substrato de baixa energia que tradicionalmente eram difíceis de imprimir, como a borracha nitrílica e o látex. Esses recursos permitem impressão a jato de tinta em linha, de alta velocidade e passagem única. Dispersar os pigmentos em um tamanho de partícula preciso e manter a separação é crítico para o desempenho de jateamento e a qualidade da impressão. As tintas curáveis por UV são compostas de quatro componentes: monômeros, oligômeros, pigmentos e fotoiniciadores.

Partículas grandes demais ou aglomeradas comprometeriam a precisão do jateamento, resultando em qualidade de impressão inaceitável. A maior parte de qualquer tinta seca é o ligante — ele prende a cor no lugar, a protege da abrasão e adere à superfície. O ligante costuma ser um polímero. A impressão com tinta UV difere de outros tipos porque o polímero se forma durante a cura, por reação em cadeia de monômeros e oligômeros. Os monômeros são líquidos de baixa viscosidade, então também funcionam como veículo líquido da tinta e eliminam a necessidade de água ou solvente — por isso as tintas de cura UV têm 100% de sólidos e são alternativas ideais às tintas à base de solvente. Os oligômeros — moléculas reativas maiores — têm múltiplas funcionalidades químicas e são críticos para formar corretamente o ligante.

LED versus cura UV tradicional

As tintas UV e a cura por LED devem ser sistemas combinados. Deve haver uma especificação definitiva para fatores como comprimento de onda, irradiância, densidade de energia, distância de trabalho e mecanismo de resfriamento. Nem todos os sistemas de UV LED são iguais. Infelizmente, há abundância de sistemas e fornecedores de UV LED que alegam recursos semelhantes e capacidade de curar todas as tintas UV. A tinta Apollo FTX é projetada para curar com LEDs, uma alternativa aos sistemas de arco UV. O UV LED difere dos sistemas de cura por vapor de mercúrio porque não é focalizado nem usa refletores. A luz dirigida ao substrato é difusa. Nos sistemas de UV LED, os comprimentos de onda emitidos são relativamente monocromáticos, representados por distribuições normais estreitas com irradiância de pico nominal em 395 nm e, em geral, com faixa de tolerância de +/- 5 nm. Observe que 98% da potência é emitida na faixa entre 377 nm e 422 nm.

Com a introdução de fontes de luz UV LED de 4+ watts e 395 nm, as tintas podem ser curadas com eficácia nas altas velocidades de processamento típicas da serigrafia e da impressão digital. Sistemas abaixo de 4 watts exigiriam um depósito de tinta mais fino, tinta menos pigmentada, menor distância entre a lâmpada e a tinta impressa e menor velocidade de varredura/esteira na cura. As lâmpadas de UV LED exigem resfriamento na lâmpada e na eletrônica para operar de forma eficiente e eficaz. Um bom sistema de resfriamento deve proporcionar vida útil da lâmpada de 20.000 horas ou mais de uso contínuo. As lâmpadas de UV LED exigem resfriamento na lâmpada e na eletrônica para operar de forma eficiente e eficaz. Um bom sistema de resfriamento deve proporcionar vida útil da lâmpada de 20.000 horas ou mais de uso contínuo.

Cabeças de impressão a jato de tinta, resolução de impressão e máquinas de passagem única/múltipla

A química da tinta e os sistemas de cura por LED, por si sós, não garantem o sucesso, a adesão nem a qualidade da impressão. Há vários fatores a considerar, incluindo a resolução de impressão em DPI, a velocidade de impressão e as considerações de tinta para passagem múltipla versus passagem única. O maior número de instalações para impressão de produtos plásticos é de pequenas impressoras de jato de tinta flatbed de cura UV com pelo menos as quatro cores primárias (RGBK), comumente também branco (W) e transparente (Cl ou verniz de cobertura) e, ocasionalmente, com um conjunto de gama de cores estendida (CMYRGBK). Essas impressoras do tipo pórtico geralmente são baratas, e por isso o custo unitário de cada item está tornando muitos mercados novos lucrativos.

A demanda por maior produtividade, no entanto, cresce rapidamente. O carregamento e descarregamento robotizados reduzem o tempo de troca associado ao carregamento e descarregamento das plataformas. Contudo, como nas artes gráficas, a produtividade não consegue igualar a de sistemas nos quais o produto a imprimir passa continuamente sob cabeças fixas. A ampliação de escala de flatbed para linha contínua parece, a princípio, simples. No entanto, do ponto de vista da deposição e da cura da tinta, há uma diferença substancial. As impressoras flatbed “de pórtico” têm cabeças de impressão alternadas com lâmpadas nas extremidades dianteira e traseira. Por economia, já que as cabeças de impressão compatíveis com tinta de cura UV são caras, nas impressoras básicas há apenas uma fileira de bicos para cada cor de tinta.

Considere um sistema de 300 dpi: o volume de tinta necessário para cobrir o pixel unitário de 300 x 300 dpi é grande, desperdiça tinta e, por si só, é visível. Múltiplas passagens em passos de ¼ da largura da cabeça aumentaram a resolução nativa para 1200 dpi. Quando em ambas as direções, o único pixel de 300 dpi se torna uma matriz 4 x 4 de quadrados menores. Em cada passagem, a impressora depositará, para cada cor, tinta em quatro dessas posições. Isso dá melhor aparência visual e menor uso de tinta. Além disso, a camada de tinta a curar a cada passagem é relativamente fina. A cada passagem, as outras cores serão aplicadas não sobre tinta úmida, mas onde não há tinta ou a tinta já está curada. Só é necessária uma pequena quantidade de tinta úmido sobre úmido. A cura é direta e cada camada é exposta várias vezes. Em cabeças contínuas, toda a tinta de qualquer cor é aplicada a partir de uma única barra de impressão — um conjunto de cabeças de impressão lado a lado para toda a largura de impressão. Se montada com bicos de 300 dpi, duas fileiras dão 600 dpi e quatro fileiras equivalem a 1.200 dpi. Para a densidade de cor total, os pixels maiores precisam de proporcionalmente mais tinta. Cabeças de impressão com capacidade de escala de cinza (volume de gota variável) são a norma; assim, a baixa densidade contém pontos pequenos em cada pixel, e não o ponto grande ocasional. Com todas as cabeças em sequência, as tintas são depositadas úmido sobre úmido; assim, a espessura a curar é tanto quanto a da cor mais intensa — talvez até 250%. A incompatibilidade entre as superfícies das camadas pode levar a separações microscópicas — como óleo sobre água —, que, na melhor das hipóteses, são pequenos artefatos visuais, mas também podem levar a falha entre camadas. A química de superfície da tinta precisa ser tratada conforme a sequência. A cura completa da tinta adjacente ao substrato normalmente é obtida com lâmpadas de maior intensidade e com pacotes de fotoiniciadores mais eficazes.

É por essa razão que a ampliação de escala de flatbed para impressão contínua deve, em certos aspectos, ser um recomeço na busca ou modificação de uma formulação. Na impressão contínua com cabeças fixas, é comum manter as cabeças de impressão das cores de processo próximas, com a cura de todas ao final. Nas impressoras de bobina das artes gráficas, as cabeças podem ser mais espaçadas, e pode haver entre elas uma unidade de cura de baixa potência para engrossar ou fixar (pinning) a tinta. O controle da bobina, de modo que o registro seja mantido no equivalente a 1.200 dpi, é comum. Com peças que não são firmemente presas em esteiras ou correntes, até pequenas vibrações mudam a posição do ponto de uma cor para outra. O empacotamento próximo minimiza isso. A tinta branca é tratada de forma diferente das cores de processo por três razões. Primeiro, ela costuma ser a camada de base aplicada para esconder um substrato colorido ou tornar opaco um material translúcido. Na impressão pelo verso em substratos transparentes, será, é claro, a última, em uma passagem separada. Em segundo lugar, as tintas e revestimentos brancos dependem do espalhamento da luz, e não da absorção.

São menos eficientes que qualquer uma das cores e precisam ser aplicados em camada mais espessa. Em terceiro lugar, as cores misturadas com branco ficam pálidas. A separação é evitada se o branco for pelo menos parcialmente curado antes de depositar outra tinta úmida. Por fim, os pigmentos brancos são densos e propensos à sedimentação. É necessário fazer a tinta circular continuamente pela cabeça de impressão. Se a impressora for desligada, a tinta branca deve ser purgada da cabeça.

Um dos principais atributos da qualidade de impressão é a resolução de impressão. Ela é examinada sob dois pontos de vista. Primeiro, para textos finos, linhas e limites nítidos entre cores sólidas, os desvios de linhas retas e curvas precisam ser menores que o menor detalhe visível ao olho humano. A base disso é a contagem de pixels ou resolução nativa, que se baseia no espaçamento dos bicos em uma direção e nos passos da cabeça ou do substrato na outra. A capacidade de escala de cinza, que permite usar pontos pequenos entre os maiores, dá uma melhora aparente de resolução a partir de uma cabeça de menor resolução. Luvas de nitrila, tinta UV Apollo FTX com certificação toxicológica de segurança ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) 4 www.plasticsdecorating.com janeiro/fevereiro de 2020.

O segundo elemento da resolução é evitar detalhes duros em áreas de transição suave ou de cores claras. Por exemplo, uma pequena população de pontos ciano ou pretos de uma barra de impressão de 300 dpi será facilmente vista em uma área pastel.

Novamente, as cabeças de impressão em escala de cinza permitem que vários pontos pequenos e dispersos substituam um único ponto maior e visível. Relacionado à resolução está o registro das diferentes cores entre si e com o objeto impresso. Em uma flatbed, o item pode ser firmemente contido. Essas máquinas são projetadas para garantir que vibrações etc. sejam menores que a variação permitida na posição da gota. Em máquinas de cabeça fixa, nas quais as peças colocadas na esteira não são presas firmemente e estão sujeitas à vibração da esteira, pode ser justificada maior tolerância de registro na especificação inicial ou a inclusão do custo adicional de um manuseio de materiais avançado. Até este ponto, o software tem sido uma questão de segundo plano.

Obviamente, a velocidade do processo vem sendo continuamente aumentada para acompanhar as exigências do setor de imprimir grandes quantidades em menos tempo. Mas agora o software é eficaz de outras maneiras. Há menos tolerância para os artefatos observados em superfícies curvas que formam, por exemplo, bordas de ataque ou de saída. As diferenças de densidade de imagem resultantes podem ser atenuadas usando o recurso de escala de cinza. Em outros casos, a estrutura do pulso elétrico que produz a ejeção do ponto pode ser ajustada em apenas uma parte da imagem, para, mais uma vez, tratar artefatos locais que podem surgir da topografia da superfície. Este é um avanço sobre a capacidade dos melhores sistemas de gerenciamento de cor de não apenas ajustar o pulso para uma cor — ou para bicos individuais, durante a calibração —, mas de usá-lo em modo dinâmico. Outro avanço tecnológico, incorporado em uma impressora de bobina larga, de alto volume, passagem única e dois lados, é o registro dinâmico da impressão para acompanhar características variáveis do substrato deformável, com base em câmeras posicionadas a poucos centímetros antes da impressora. Obviamente, alinhar toda a impressão a um objeto colocado aleatoriamente em uma esteira é, em comparação, simples. Por outro lado, o software e os sistemas de visão têm papel central nas impressoras robotizadas para peças 3D, como componentes automotivos. Nelas, a distância entre a cabeça e o substrato varia, de modo que os bicos usados na impressão devem ser selecionados e a ejeção das gotas ajustada para a distância de lançamento. Rastrear as áreas impressas e evitar artefatos de passagens adjacentes em ângulos diferentes é outro desafio em resolução. Contribuem para a difusão novos monômeros para a rede polimérica, fotoiniciadores com ligações etilênicas, que podem se ligar ao polímero final, com pigmentos mais finos de cor mais pura e dispersantes mais eficazes.

As indústrias de impressão e revestimento que usam cura UV se beneficiaram do considerável esforço dedicado à manufatura aditiva e à modelagem 3D, para a qual surgiram formulações capazes de emular polímeros tradicionais de extrusão. A demanda por personalização impulsiona as vendas, sejam produtos de desempenho para saúde e condicionamento físico, smartwatches ou as centenas de produtos alternativos de pulseiras interativas. Esses novos polímeros oferecem combinações de propriedades físico-químicas não alcançadas nas formulações originais das artes gráficas. Por exemplo, a flexibilidade pode ser oferecida em uma faixa muito maior de resistência à tração para a mesma espessura. No mercado de vestíveis, grande parte dos itens é de materiais de alta elasticidade, como luvas descartáveis, faixas elásticas de resistência para exercício e toucas de natação. Esses produtos se alongam de 50 a 200%. Historicamente, a tampografia e a serigrafia eram usadas para imprimir esses produtos, mas — por serem analógicas, com ciclo de para e anda — tinham produtividade relativamente baixa em comparação com o jato de tinta contínuo de passagem única. Várias cores em itens de grande volume são quase inviáveis em custo. A implantação bem-sucedida do jato de tinta de cura UV foi viabilizada por formulações de alta elasticidade originadas no mercado de vinil automotivo. No entanto, os vestíveis exigem mais, pois precisam ter flexibilidade e elasticidade em amplas faixas de temperatura.

Um segundo fator que precisava ser resolvido para produtos de alta elasticidade é a adesão. Nitrila e outras borrachas TPE são comumente usadas em produtos elásticos. Surgem fragilidades na ligação entre tintas, especialmente da cor com o branco, e dentro da própria tinta. O branco, por ser espesso e altamente pigmentado, é particularmente propenso a falhas coesivas. As ligações entre tintas dependem das substâncias químicas que se acumulam na interface. É necessária a capacidade de criar alguma formação de ligação direta entre as camadas. Além disso, ao montar ou imprimir camadas, deve haver uma gradação regular nas propriedades. Por exemplo, na impressão analógica úmido sobre úmido, a viscosidade da tinta diminui em sequência, de modo que a separação ocorre sempre com a tinta do topo. O jato de tinta, por ser sem contato, não tem essa exigência para a tinta úmida, mas precisa ter, depois de curada, uma sequência semelhante de resistência de ligação interna e entre camadas. Especialistas do setor sabem gerenciar a sequência de formulação, começando pelo branco. Durante o desenvolvimento e a ampliação de escala, os especialistas reconhecem os artefatos e as causas-raiz. Por exemplo, com a perda de adesão, qual é o mecanismo de falha? Onde ocorreu a falha? A resposta pode ser diferente do local onde ela é mais visível.

As respostas discutidas aqui não vêm tanto da tinta jateada, porque, para uma ejeção de gotas e uma formação de gotículas bem-sucedidas, as cabeças de impressão e os suprimentos de tinta têm regulação precisa de temperatura. Em relação à temperatura do substrato ou do item, a tinta é tão fina que a temperatura muda entre a deposição e a lâmpada. Esse efeito é uma diferença importante entre a impressão para artes gráficas, onde a tecnologia se originou, e a impressão em artigos plásticos dos quais se espera durabilidade prolongada.

Conclusão

A tinta flexível curável por UV LED para impressão em cores de produtos plásticos flexíveis/elásticos e vestíveis é um dos avanços mais recentes da tecnologia industrial de jato de tinta. Com as complicações e inter-relações entre os fatores, otimizar a produtividade e o desempenho em uso final não deve ser considerado como uma série de estudos lineares. Em vez disso, deve ser visto como um sistema de processo completo de formulação, deposição da tinta, cura, velocidade e temperatura, no qual qualquer mudança em um fator provavelmente interferirá em outros resultados e exigirá mudanças adicionais no processo de materiais. Foi assim que os principais OEMs desenvolveram soluções de jato de tinta para artes gráficas, onde havia apenas alguns substratos. Com os vestíveis, há um grande número de substratos, formatos e requisitos de soluções de engenharia complexas para obter operações produtivas e lucrativas.

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de consultoria em engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos — impressão a jato de tinta, marcação a laser, pré-tratamento de superfície, colagem, decoração e acabamento e segurança de produtos. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Ele pode ser contatado pelo telefone 972.820.6777 ou pelos sites www.sabreen.com e www.plasticslasermarking.com. Dene Taylor, Ph.D., fundou a SPF Inc. em 2000 para atender às indústrias de impressão e embalagem, com foco em adaptar a impressão digital a novos mercados e aplicações. Nanoquímico de formação, cerca de metade de suas 25 patentes nos EUA está relacionada à impressão digital. É membro da SGIA, da TAPPI e da RadTech. Ele pode ser contatado em [email protected].

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