Pré-tratamentos de superfície e tintas personalizadas avançam a impressão a jato de tinta em plásticos e filmes

Pré-tratamentos de superfície e tintas personalizadas avançam a impressão a jato de tinta em plásticos e filmes

As tecnologias de impressão digital, como o jato de tinta e o laser em plásticos, oferecem vantagens enormes aos fabricantes em relação aos métodos analógicos tradicionais, como tampografia, hot stamping e serigrafia. A impressão digital permite personalização total do produto, identificação alfanumérica exclusiva de peças, segurança de produtos, serialização, códigos de barras e 2D, logotipos, gráficos e muito mais. Esses recursos são essenciais no universo digital e interativo de hoje. Um benefício adicional é a possibilidade de imprimir produtos já montados ao final das operações de fabricação, o que gera economia de custos e melhor controle de estoque. Este artigo examina dois tipos de processos de impressão/marcação digital: a impressão a jato de tinta piezoelétrica drop-on-demand em cores e a marcação a laser de fibra com direcionamento de feixe. O jato de tinta piezoelétrico drop-on-demand (DOD) e o laser de fibra são tecnologias modernas que oferecem inúmeras vantagens para a personalização de produtos (e em massa).

A impressão a jato de tinta piezoelétrica DOD e a marcação a laser de fibra com direcionamento de feixe são processos digitais e sem contato. Muitos fabricantes já reconhecem o valor de oferecer as duas tecnologias para atender a requisitos de impressão personalizada em diversos substratos poliméricos. Não é possível afirmar que uma tecnologia seja melhor ou pior que a outra, devido à diversidade dos requisitos de aplicação. A decisão sobre qual processo é o mais indicado (jato de tinta ou laser) para uma dada aplicação pode parecer simples. Por exemplo, se uma ou mais cores (personalizadas) são necessárias para imprimir em náilon branco com fibra de vidro, escolha o jato de tinta. Ou, se for necessário um contraste preto intenso e indelével em náilon branco, escolha a marcação a laser. Na realidade, porém, as tintas de jato de tinta não aderem facilmente ao náilon (nem à maioria dos polímeros de baixa energia de superfície) sem tinta especializada e pré-tratamento. Aditivos de realce para laser são necessários para obter contraste preto em náilon branco (e em muitos outros polímeros de cor clara).

Soluções robustas de marcação/impressão exigem engenharia precisa da química das tintas e do laser, da ciência de superfície dos polímeros, do projeto de processo e dos equipamentos. Com frequência, as empresas optam por comprar equipamentos genéricos “de prateleira” que não produzem os resultados exigidos. Por isso, os aspectos de “solução completa” das tecnologias de impressão a jato de tinta e marcação a laser tornam-se muito importantes como guia para a aquisição de sistemas e a otimização de processos.

Principais conclusões

• Jato de tinta e laser são complementares, não concorrentes. Nenhum é universalmente melhor; a aplicação decide.
• A adesão da tinta é um problema de energia de superfície. Busque uma energia de superfície do substrato cerca de 10 dinas/cm acima da tensão superficial da tinta.
• A cura por UV LED substituiu as lâmpadas de mercúrio — liga e desliga instantaneamente, vida útil de mais de 20.000 horas, sem aquecimento por IR e muito menos ozônio.
• A marcação a laser exige aditivos, pois a maioria dos polímeros não tem absorção própria no infravermelho próximo.
• Equipamentos de prateleira são o ponto de falha mais comum. O jato de tinta, em particular, exige integração entre cabeça de impressão, tinta, cura, pré-tratamento e manuseio.

Perguntas frequentes

Devo escolher impressão a jato de tinta ou marcação a laser para peças plásticas?

Jato de tinta quando você precisa de uma ou mais cores; laser quando precisa de marcas monocromáticas indeléveis e de alto contraste, sem consumíveis. Na prática, a decisão raramente é tão simples — as tintas de jato de tinta não aderem ao náilon e a outros polímeros de baixa energia de superfície sem tinta especializada e pré-tratamento, e a marcação a laser exige aditivos de realce para obter contraste em polímeros de cor clara.

Por que a tinta UV de jato de tinta não adere às minhas peças plásticas?

Por causa da energia de superfície. As tintas UV têm baixa tensão superficial, cerca de 25 dinas/cm, e a maioria dos plásticos de engenharia é quimicamente inerte, não porosa e de baixa energia. Uma adesão aceitável geralmente exige que o substrato fique cerca de 10 dinas/cm acima da tinta. O pré-tratamento de superfície elimina essa diferença.

Quais são as vantagens da cura por UV LED em relação às lâmpadas de mercúrio?

O UV LED emite uma faixa estreita centrada perto de 395 nm, de modo que quase toda a energia é útil para a fotoiniciação. Liga e desliga instantaneamente, dura mais de 20.000 horas — cerca de dez vezes mais que uma lâmpada UV —, não emite infravermelho, o que é ideal para plásticos sensíveis ao calor, e gera muito menos ozônio.

O que é jato de tinta em escala de cinza e por que isso importa?

O jato de tinta padrão é binário: cada pixel recebe ou não uma gota. As cabeças de impressão em escala de cinza ejetam várias gotas pequenas rápido o bastante para formar um único ponto, e as cabeças avançadas oferecem oito níveis. O resultado é uma resolução aparente visivelmente maior com a mesma resolução nativa da cabeça.

Por que sistemas de jato de tinta de prateleira costumam falhar em plásticos?

Porque nenhum fabricante fornece todos os componentes. Um sistema funcional integra cabeça de impressão, eletrônica de acionamento, tintas, manuseio de peças, controle de movimento, irradiador de cura e software de protocolo de arquivos. Diferentemente da tampografia ou da serigrafia, não existe um pacote turnkey completo, então a compatibilidade entre componentes precisa ser projetada.

Tecnologia de jato de tinta UV LED piezoelétrica “Drop-On-Demand”

O jato de tinta é um processo sem contato, do computador para a impressão, no qual gotas de tinta são lançadas contra um substrato em um padrão regular de pixels x-y derivado de um arquivo digital. Os principais componentes do sistema são um conjunto de cabeça de impressão, controladores eletrônicos de acionamento da cabeça, tintas UV, irradiador de cura e manuseio de peças com movimento controlado.

O componente básico é a cabeça de impressão (Figura 2). Ela possui um suprimento de tinta e várias câmaras de tinta de pequeno volume com bicos circulares, de onde as gotas são ejetadas. Os bicos são dispostos linearmente, ortogonais à direção do movimento. Cada cabeça pode ter de uma a cinco fileiras de bicos — cada fileira com 128, 256, 512 ou 768 bicos. Cada cor tem seu próprio suprimento de tinta e suas próprias cabeças de impressão. Na impressora considerada, as cabeças varrem de um lado a outro (direção x) enquanto os itens avançam (direção y) a cada passagem. Os passos e o espaçamento dos bicos são compatíveis (Figura 1). Com disparos mais frequentes e passos menores, o espaçamento equivalente entre pixels pode ser bem menor que o espaçamento dos bicos. Por exemplo, uma cabeça de 300 dpi pode imprimir a 300×300, 300×600 e assim por diante, até 2400×2400 pontos por polegada. A impressão normal é binária — em cada posição há uma gota ou não há gota. A tecnologia de ponta oferece escala de cinza, o que significa que o volume de tinta de cada ponto pode ser variado deliberadamente.

Projeto da cabeça de impressão piezoelétrica DOD

No jato de tinta piezoelétrico drop-on-demand, a deformação do material piezocerâmico altera o volume de tinta na câmara de pressão e gera uma onda de pressão que se propaga em direção ao bico. Essa onda de pressão acústica vence a perda de pressão viscosa em um bico pequeno e a força de tensão superficial do menisco da tinta, de modo que uma gota possa começar a se formar no bico. Quando a gota está formada, a pressão precisa ser suficiente para expulsá-la em direção ao meio de registro (Figura 2). Uma viscosidade entre 10 e 20 mPa-s garante que o fluido se mova rapidamente. Em geral, a deformação de um atuador piezoelétrico é da ordem de submícrons. Para obter um deslocamento de volume de tinta suficiente para formar a gota, o tamanho físico do atuador piezoelétrico costuma ser muito maior que o orifício da tinta. Cada pixel do substrato é coberto de tinta ou não — uma escolha binária. O jato de tinta em escala de cinza difere porque a cabeça pode ejetar várias gotas pequenas de forma extremamente rápida — rápido o bastante para imprimirem como um único ponto. As cabeças avançadas têm oito níveis — de zero a sete gotas. O resultado é uma resolução aparente significativamente maior usando a mesma resolução nativa da versão binária.

Tintas curáveis por UV

As tintas e revestimentos curáveis por ultravioleta (UV) são preferidos em aplicações industriais e externas porque, depois de curados, são resistentes e duráveis. Têm gama de cores completa e, com resolução fina, produzem excelente qualidade de impressão. As formulações curáveis por UV incluem fotoiniciadores, monômeros, oligômeros, corantes e aditivos. Os monômeros e oligômeros representam cerca de 85% da formulação, os corantes podem chegar a 10%, os fotoiniciadores a cerca de 5% e os surfactantes e estabilizantes de 1 a 2%.

A exposição ao UV faz as ligações do fotoiniciador se romperem, gerando dois radicais livres. Eles iniciam uma reação em cadeia através dos monômeros e oligômeros, resultando em reticulação (cura) extensa, porém incompleta, das resinas. A reação é exotérmica, e as fontes UV também emitem calor. O aumento de temperatura pode ajudar tanto a adesão quanto o grau de cura, o que contribui para a resistência à abrasão, a marcas e a riscos dos fluidos curados1. Um desafio na formulação de tintas de cura UV é atender à exigência de viscosidade muito baixa e, ao mesmo tempo, formar polímeros úteis. No entanto, aquecendo a tinta, as cabeças de impressão e o sistema de fornecimento de tinta a cerca de 50 ºC, obtêm-se viscosidades adequadas às cabeças piezoelétricas, ainda que com custo significativamente maior que os sistemas à temperatura ambiente.

Compatibilidade entre tinta e substrato plástico

Todos os processos de impressão com tinta exigem que a química da tinta líquida (UV, sólidos, térmica etc.) seja compatível com o substrato plástico para obter a molhabilidade adequada da superfície. As tintas UV costumam ter viscosidade menor (aproximadamente 25 dinas/cm) que as tintas de tampografia ou serigrafia. Um fator importante para a compatibilidade entre tinta e substrato é que muitos plásticos têm superfícies quimicamente inertes, não porosas e de baixa energia de superfície. Pré-tratamentos de superfície nas resinas de engenharia de alto desempenho atuais resolvem a maior parte dos problemas de adesão de tinta. Como regra, obtém-se adesão aceitável da tinta quando a energia de superfície de um substrato (medida em dinas/cm) é aproximadamente 10 dinas/cm maior que a tensão superficial do líquido. Nessa situação, diz-se que o líquido “molha” a superfície ou adere a ela.

A tensão superficial, que é uma medida da energia de superfície, é a propriedade (devida a forças moleculares) pela qual todos os líquidos, por contração da superfície, tendem a conduzir o volume contido a uma forma com a menor área superficial. Portanto, quanto maior a energia de superfície do substrato sólido em relação à tensão superficial de um líquido, melhor será sua “molhabilidade” e menor o ângulo de contato. (Para informações detalhadas sobre pré-tratamentos de superfície, consulte “Plasma Surface Pretreatment of Polymers for Improved Adhesion”, nas páginas 44-51 da edição de abril/maio de 2018 da Plastics Decorating.)

Os pré-tratamentos de superfície são usados para aumentar a energia de superfície e melhorar as propriedades de molhabilidade e adesão dos materiais poliméricos. Diversos processos de pré-tratamento por oxidação da superfície em fase gasosa são usados na indústria, incluindo plasma frio de baixa pressão (micro-ondas/RF), descarga elétrica (tratamento corona), plasma de chama e plasma atmosférico de baixa temperatura e sem tensão. Cada método é específico para a aplicação e tem vantagens exclusivas e possíveis limitações. Cada um desses processos se caracteriza pela capacidade de gerar “plasma gasoso” — um gás extremamente reativo composto de elétrons livres, íons positivos e outras espécies químicas. Na física, os mecanismos de geração desses plasmas são diferentes, mas seus efeitos sobre a molhabilidade da superfície são semelhantes. Primers químicos podem, às vezes, ser usados no lugar dos processos de plasma gasoso.

Cura por UV LED

Até pouco tempo atrás, toda cura era iniciada com lâmpadas de descarga de mercúrio. O mercúrio tem um espectro de emissão muito amplo, com mais energia emitida como calor do que como UV. A baixa eficiência é uma desvantagem. Outra é o aquecimento da tinta e do substrato, o que impede o uso da cura UV em um grande número de aplicações. (As lâmpadas de mercúrio produzem ozônio em níveis perigosos à saúde, uma complicação adicional.) As lâmpadas de UV LED (Figura 3) estão agora substituindo as lâmpadas de mercúrio. A cura por UV LED usa diodos emissores de luz que emitem uma faixa estreita de UV, entregando um pico de energia UV — tipicamente centrado em 400 nm — de modo que a maior parte da energia é útil para a fotoiniciação. Uma pequena parcela é visível, mas muito pouco é infravermelho (IR).

Outra vantagem é que liga e desliga quase instantaneamente, reduzindo o tempo ocioso, bem como o desperdício de energia e de material, como ocorre quando as lâmpadas de mercúrio estão chegando à potência máxima. A cura por UV LED tem outras vantagens em relação às lâmpadas tradicionais de vapor de mercúrio (Hg). Dispositivos semicondutores compactos são projetados para durar mais de 20.000 horas de operação, cerca de 10 vezes mais que as lâmpadas UV. A saída é extremamente consistente por longos períodos. O UV LED emite UV puro, sem IR, o que o torna adequado ao processo com substratos plásticos sensíveis ao calor. Sem a luz de comprimento de onda muito curto, gera-se muito menos ozônio.

Sistemas de equipamentos de jato de tinta

O processo de impressão a jato de tinta se distancia das técnicas convencionais de impressão com tinta porque exige engenharia em muitas disciplinas distintas para a integração de sistemas turnkey (chave na mão). Em contraste, os fabricantes de equipamentos de tampografia e serigrafia quase sempre conseguem fornecer sistemas turnkey incluindo tintas, consumíveis de impressão, equipamentos de cura, automação e equipamentos de limpeza química. Os componentes de um sistema de jato de tinta são a cabeça de impressão, a eletrônica de acionamento, as tintas, o hardware de manuseio de peças e controle de movimento e o irradiador de cura. Além disso, a informação digital precisa ser transmitida à cabeça de impressão por meio de um protocolo de arquivos em hardware/software, incluindo o software de acionamento do controlador principal. Nenhum fabricante fornece todos os componentes mencionados para toda aplicação personalizada. Um alto grau de conhecimento de engenharia de todos os componentes do jato de tinta e da compatibilidade entre as peças é essencial para operações de fabricação robustas.

Tecnologia de marcação a laser de fibra de itérbio

Os marcadores a laser com direcionamento de feixe usam espelhos montados em galvanômetros de alta velocidade controlados por computador para direcionar o feixe de laser sobre a superfície a ser marcada, de forma muito parecida com escrever com lápis e papel. Cada galvanômetro, um no eixo Y e outro no eixo X, proporciona o movimento do feixe dentro do campo de marcação. Um conjunto de lentes de campo plano foca a luz do laser para obter alta densidade de potência na superfície do substrato. A Figura 4 mostra um sistema óptico de entrega de feixe com galvanômetros controlados por computador.

Mecanismos de reação da marcação a laser em polímeros

A maioria dos polímeros não possui propriedades de absorção no NIR sem aditivos químicos e, por isso, é difícil ou impossível de marcar a laser. Aditivos químicos inovadores podem produzir contraste preto intenso, claro e em cores personalizadas, tanto em operações em linha (on-the-fly) quanto secundárias. A transparência do polímero, a transmissão espectral e as propriedades físicas de base não são afetadas.

Os polímeros que podem ser marcados por laser são aqueles que absorvem a luz do laser e a convertem de energia luminosa em energia térmica. Os especialistas utilizam aditivos, cargas, pigmentos e corantes para aumentar a absorção da energia do laser e provocar mudanças de cor localizadas. Ao contrário da crença popular, não existe um único aditivo para laser que resolva todos os problemas de marcação. Química de formulação muito diferente, tipo de laser (fibra, YAG, vanadato) e parâmetros de óptica e configuração do laser são usados conforme o contraste e a funcionalidade desejados para a marcação.

Os aditivos para laser no infravermelho próximo melhoram o grau de contraste, que pode ser intensificado ainda mais ao alterar os parâmetros de configuração do laser. Tanto a forma granulada quanto a em pó podem ser misturadas a material de cor pré-composto ou a concentrado de cor. A escolha do aditivo a incorporar depende da composição do polímero, da cor do substrato, da cor de contraste desejada para a marcação e dos requisitos de certificação de uso final.

Os polímeros possuem características inerentes que geram contraste de marcação escuro ou claro. Alguns compostos corantes com pequenas quantidades de dióxido de titânio (TiO2) e negro de fumo também podem absorver a luz do laser e, em alguns casos, melhorar o contraste da marcação. Cada grade de polímero, mesmo dentro da mesma família polimérica, pode produzir resultados diferentes. As formulações de aditivos não podem ser tóxicas nem afetar negativamente a aparência, as propriedades físicas ou o desempenho funcional dos produtos.

O mecanismo de reação de superfície mais comum é chamado de carbonização termoquímica, ou “carbonização (charring)”, em que a energia absorvida no substrato eleva a temperatura local do material ao redor do ponto de absorção o suficiente para causar degradação térmica do polímero (Figura 5 [b]). A intensidade escura ou clara da marcação depende da energia absorvida e da via de degradação térmica própria do material. Com a otimização da configuração do laser, o resíduo de carbonização superficial é mínimo.

Os aditivos que, quando misturados à matriz de corante da resina, geram contraste escuro de marcação costumam conter misturas de óxido de estanho dopado com antimônio, trióxido de antimônio ou partículas de alumínio. Todos se dispersam facilmente nos polímeros. Os níveis típicos de concentração em peso vão de 0,01 a 3,0%. Muitas das formulações finais receberam aprovação da FDA para uso nas condições A a H da norma 21 CFR 178.3297 (Colorant for Polymers).

Uma segunda reação de superfície é a mudança química, por meio de aditivos que liberam vapor durante a degradação, o que resulta na formação de espuma no polímero (Figura 5(c)). Durante o processo de espumação, a energia do laser é absorvida por um aditivo próximo ao agente de expansão. O calor do absorvedor faz o agente de expansão se degradar, liberando vapor. Exemplos de agentes de expansão são o hidróxido de alumínio ou diversos carbonatos. Para evitar a carbonização, o mecanismo exige que o polímero se degrade a uma temperatura mais alta que a do aditivo de espumação. Com controle rigoroso dos parâmetros operacionais do laser, é possível gerar marcas claras, duráveis e de alta qualidade em substratos escuros. Um controle deficiente do laser pode gerar uma marca friável ou de baixo contraste, que se risca facilmente (baixa durabilidade). A Figura 5(e), desenvolvida recentemente, demonstra contraste preto intenso e branco opaco na mesma formulação (aprovada pela FDA). Esse avanço é ideal para polímeros transparentes (amorfos).

Em terceiro lugar, a energia do laser é usada para aquecer/degradar um corante em uma mistura de corantes, resultando em mudança de cor (Figura 5 [d]). Um exemplo é uma mistura de negro de fumo e um corante inorgânico estável. Quando aquecido, o negro de fumo é removido, deixando para trás o corante inorgânico. Esses sistemas de corantes mistos dependem da estabilidade específica de cada corante, e nem todas as mudanças de cor são possíveis.

Outra reação de superfície especializada, mostrada na Figura 5 (a), incorpora aditivos para laser em uma estrutura de camadas multilaminadas para um crachá de identificação com foto. Recursos exclusivos de marcação de alta resolução, visíveis e invisíveis, e RFID proporcionam forte segurança anticontrafação.

Em comparação com os processos de impressão com tinta (tampografia, serigrafia e jato de tinta), os aditivos para laser reduzem custos e podem apresentar velocidades de marcação 20% mais altas ou mais em relação a materiais não otimizados. Os aditivos para laser são fornecidos em forma de pellets granulados e em pó. Os produtos granulados podem ser misturados diretamente à resina do polímero, enquanto as formas em pó são convertidas em masterbatch. A maioria se dispersa facilmente nos polímeros. Conforme o aditivo e o polímero, a concentração em peso (na peça final) varia entre 0,01 e 4,0%.

Tecnologia de laser de fibra de itérbio em nanossegundos

Os avanços na tecnologia de laser foram fundamentais para o rápido desenvolvimento da nova geração de aditivos para laser aprovados pela FDA. O surgimento dos lasers de fibra de itérbio em nanossegundos é um dos avanços mais significativos para marcação, soldagem e corte. Fundamentalmente, os lasers de fibra são diferentes dos demais lasers de marcação de estado sólido bombeados por diodo (DPSS). Nos lasers de fibra, o meio ativo que gera o feixe está disperso dentro de um cabo de fibra óptica especializado. Em contraste com os lasers de entrega por fibra, todo o percurso do feixe ocorre dentro do cabo de fibra óptica, até a óptica de entrega do feixe. Essa estrutura totalmente em fibra é em grande parte responsável pela confiabilidade e robustez desses lasers, o que explica seu rápido crescimento.

Os lasers de fibra oferecem qualidade de feixe (M2) e brilho superiores aos dos lasers de Nd:YAG. Um laser com qualidade de feixe superior pode ser focado em um ponto pequeno, o que resulta em alta densidade de energia. Lasers de fibra MOPA (master oscillator power amplifier) de pulso fixo e variável, com energia de pulso de até 1 mJ e alta densidade de potência, conseguem marcar muitos polímeros historicamente difíceis. Os lasers de vanadato também possuem valor de M2 baixo, com largura de pulso menor que a dos lasers de fibra fixos e YAG. A duração do pulso influencia o grau de calor e de carbonização no material. Pulsos curtos, tipicamente ‹40 ns, permitem um aporte de energia mais controlado no processamento de materiais poliméricos sensíveis. Esses pulsos ainda têm potência de pico para superar os limiares dos materiais, mas com menor energia de pulso para reduzir danos térmicos localizados.

Nem todos os lasers de fibra com direcionamento de feixe são iguais. Os componentes de hardware e software que um fabricante de laser incorpora aos seus sistemas fazem grande diferença no contraste, na qualidade e na velocidade da marcação. Um atributo primário é a densidade de potência (watts/cm) na superfície da marcação — que é diferente da potência de saída bruta do laser. O modo de saída do feixe de laser é crítico para o desempenho da marcação. Esses modos de saída se relacionam a fatores como a divergência do feixe e a distribuição de potência ao longo do diâmetro do feixe de laser.

A densidade de potência é função do tamanho do ponto focal do laser. O tamanho do ponto focal do laser, para qualquer distância focal da lente e comprimento de onda do laser, é função da divergência do feixe, que é controlada pela configuração do laser, pelo tamanho da abertura seletora de modo e pela ampliação do upcollimator (expansor de feixe). A taxa de repetição de pulsos e a densidade de potência de pico são parâmetros críticos para formar a marcação e obter o contraste e a velocidade ideais. Uma alta potência de pico em baixa frequência eleva rapidamente a temperatura da superfície, vaporizando o material e conduzindo calor mínimo ao substrato. À medida que a taxa de repetição aumenta, uma potência de pico menor produz vaporização mínima, mas conduz mais calor.

Conclusão

As tecnologias digitais de jato de tinta piezoelétrico DOD e de laser de fibra oferecem inúmeras vantagens para a personalização de produtos. Soluções robustas de marcação/impressão exigem engenharia precisa da química das tintas e do laser, da ciência de superfície dos polímeros, do projeto de processo e dos equipamentos. Com frequência, as empresas que optam por comprar equipamentos baratos de prateleira não conseguem integrar sistemas robustos por falta de conhecimento do processo. Cada processo tem vantagens e possíveis limitações. Muitos fabricantes já reconhecem o valor de oferecer as duas tecnologias. Um benefício adicional é a possibilidade de imprimir produtos totalmente montados ao final das operações de fabricação, o que gera economia de custos e melhor controle de estoque.

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Referências

• S. Sabreen, “Innovating inkjet technologies for plastics products,” Plastics Decorating magazine (Aug. 2013).
• M. Gailey, “Plastics additives allow inkless marking,” Photonics Spectra (Sept. 2013).
• S. Sabreen, “Fiber laser enables marking of advanced plastics,” Industrial Laser Solutions (Feb. 2013).

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