フレキシブル・ウェアラブルプラスチックへのインクジェット印刷

フレキシブル・ウェアラブルプラスチックへのインクジェット印刷

フレキシブル/伸縮性・ウェアラブルのプラスチック製品へのカラー印刷に用いるUV LED硬化型フレキシブルインクは、産業用インクジェット技術における最新の進歩の1つです。ポリオレフィン製ボトル、運動用ストレッチバンド、エラストマー/ゴム製ウェアラブルなど、さまざまなフレキシブルポリマー製品に、カスタマイズ可能な鮮やかな画像や二次元コードを、高い伸び率でも印刷画像に割れや歪みを生じさせることなく吐出できます。この画期的な技術には、特定の用途向けに毒性と生体適合性の認証を受けた、フルカラーの色域を持つ新しい独自のUV LEDフレキシブルインクが採用されています。

重要ポイント

• 高伸縮性の製品は50～200%伸びるため、インクも画像の割れや歪みを起こさずに追従する必要があります。
• インクとLED硬化はマッチしたシステムでなければならず、波長、放射照度、エネルギー密度、作動距離、冷却をすべて併せて規定します。
• 皮膚接触の認証は重要です。ウェアラブル用インクは、大人と子どもの両方を対象とするASTM D 4236（LHAMA、16 CFR 1500.14）に適合させることができます。
• 白インクは厄介な存在です。厚みがあり顔料濃度が高く、凝集破壊や沈降を起こしやすいため、継続的な循環が必要です。
• 適切に配合されたインクであれば、ニトリルゴムやラテックスなど、前処理が不要な低エネルギー基材もあります。

よくあるご質問

製品が伸びると、インクジェットインクは割れませんか？

フレキシブルUV LED配合であれば割れません。専用設計のフレキシブルインクは、50～200%伸びるポリオレフィン製ボトル、運動用ストレッチバンド、エラストマー製ウェアラブルに、割れや歪みなしで鮮やかな画像や2Dコードを印刷できます。

ウェアラブル向けに印刷できる基材は何ですか？

ニトリル、ビニル、PVC、ポリオレフィン、熱可塑性エラストマー、キャストポリエチレン、ラテックス、ポリウレタン、ネオプレンのほか、フレキシブル包装フィルム、フレキシブルプリンテッドエレクトロニクス、伸縮性インターコネクトなどです。

UV LEDインクジェットインクは皮膚に触れても安全ですか？

認証を取得することが可能です。インクは、ASTM D 4236（LHAMA — 16 CFR 1500.14）に基づき、人の皮膚に触れる大人と子どもにとって安全であるよう配合され、適合性が確認されています。認証はインクとその硬化仕様に固有のものであるため、硬化不足や過硬化の膜が安全であるとは見なせません。

フラットベッドから連続シングルパス印刷へスケールアップすると問題が起こるのはなぜですか？

インクの付着と硬化の挙動が根本的に変わるためです。フラットベッドでは、薄い層を複数パスで重ね、繰り返し硬化させます。固定ヘッドの連続機では、すべての色が1本のプリントバーからウェットオンウェットで重ねられるため、硬化する厚みが単色の最大250%に達することがあり、層間の不適合により微細な分離や層間破壊が起こります。

白インクがプロセスカラーと異なる扱いになるのはなぜですか？

理由は3つあります。有色または半透明の基材を隠すためのベースコートとして使われることが多いこと。吸収ではなく光散乱に依存するため、より厚く塗布する必要があること。そして、白色顔料は密度が高く沈降しやすいため、インクを継続的に循環させ、停止時にはヘッドからパージする必要があることです。

カスタマイズ可能なウェアラブルへの需要

「ウェアラブル」「ウェアラブルデバイス」「ウェアラブルテクノロジー」という用語は、いずれも消費者が身に着けられる電子技術やコンピュータを指し、健康やフィットネスに関する追跡情報を含むことが多くあります。スイムキャップ、運動用ストレッチレジスタンスバンド、ヘッドギア、ヒジャブ、スウェットバンド、サイクリング/ランニング用品、リストウェア、メガネ、手袋、アームウェア、レッグウェア、フットウェア、皮膚用パッチ、エクソスケルトン、電子テキスタイルなどが含まれ、デバイス市場は巨大です。製品にはリジッドなものもフレキシブルなものもあります。

健康・フィットネス向けのパフォーマンス製品でも、スマートウォッチでも、数百種類に及ぶ代替のインタラクティブなバンド製品でも、カスタマイズへの需要が販売を牽引しています。大手市場調査会社のIDTechExは、ウェアラブル製品は好調で、2019年の市場規模は合計500億ドルを超え、2014年から2倍以上に拡大したとしています。Bain & Companyは次のように述べています。「カスタマイズを提供することで、ブランドはこれまで以上にロイヤルティを高められます。

販売者は、顧客が自分だけの製品を作れることの価値に気付きつつあります。」Amazonなどの小売業者は、ビッグデータを使って顧客にパーソナライズされた商品群を提示しています。今やブランドは、パーソナライゼーションをマスカスタマイゼーションへと大きく前進させています。カスタマイズを提供する企業は、消費者を販売者として活用し、カスタマイズされたデザインから継続的に知見を得て、フィードバックループの中で製品を微調整することで、競合に先んじ続けることができます。

トータルプロセスソリューション

ピエゾ式ドロップオンデマンドUVインクジェット印刷は、アナログ印刷よりはるかに複雑で繊細です。インクジェットでは、ノズルが正確なサイズの液滴を極めて高い精度で吐出する必要があります。高品質なインクジェット印刷システムでは、プリントヘッド、インク、コントローラ、前処理、硬化を同時に統合しなければなりません。インクジェット用インクと硬化の安全認証は極めて重要です。温度に敏感なフレキシブルポリマー材料に堅牢な印刷を行うには、対応するUV LEDフレキシブルインクとLED硬化システムを組み合わせる必要があります。

適用基材には、ニトリル、ビニル、PVC、ポリオレフィン、熱可塑性エラストマー（TPE）、キャストポリエチレン（CPE）、ラテックス、ポリウレタン、ネオプレンがあります。そのほかの用途として、フレキシブル包装フィルム、フレキシブルプリンテッドエレクトロニクス、伸縮性インターコネクトがあります。

UV LED硬化インクと消費者安全認証

新しいUV LED硬化型インクジェットインクのApollo FTXインクシリーズは、ASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）に基づき、大人と子どもが皮膚に触れても安全であるように配合され、適合性が確認されています。単なる新しいインクではなく、この化学組成は特定のUV LED硬化仕様に精密に適合させています。これにより、硬化不足（べたつき）や過硬化（もろさ）を避け、堅牢な最終硬化特性と外観が得られます。インクジェットインクの設計上の課題は、特定のプリントヘッドと相乗的にインクを開発することの重要性に起因します。ドロップオンデマンド印刷の運用に必要な過酷な条件下でも、個々のインク滴を吐出する際の流体化学と物理が、正確かつ一貫してふるまう必要があります。

この新しいインクは、流動の高い一貫性（安定したレオロジー挙動）と、ノズルから出るインクの接触角（一貫したジェットブレークアップ）を示します。このインクは、優れた基材への濡れと密着性、そして白インク（ベース層）とフルカラーの色域との間の分子間密着性を備えています。ニトリルゴムやラテックスなど、従来は印刷が難しかった一部の低エネルギー基材では、表面前処理が不要です。これらの特長により、高速のインラインシングルパスインクジェット印刷が可能になります。顔料を精密な粒子サイズに分散し、分離状態を維持することは、吐出性能と印刷品質にとって極めて重要です。UV硬化型インクは、モノマー、オリゴマー、顔料、光開始剤の4成分で構成されます。

粒子が大きすぎたり凝集したりすると、吐出精度が損なわれ、許容できない印刷品質になります。乾燥インクの大部分はバインダーであり、色を所定の位置に固定し、摩耗から保護し、表面に接着します。バインダーは通常ポリマーです。UVインク印刷が他の方式と異なるのは、硬化中にモノマーとオリゴマーの連鎖反応でポリマーが形成される点です。モノマーは低粘度の液体であるため、液体のインクキャリアとしても機能し、水や溶剤が不要になります。これがUV硬化インクが100%固形分で、溶剤インクの理想的な代替品となる理由です。より大きな反応性分子であるオリゴマーは、複数の化学的官能性を持ち、バインダーを適切に構築する上で欠かせません。

LEDと従来のUV硬化の比較

UVインクとLED硬化はマッチしたシステムでなければなりません。波長、放射照度、エネルギー密度、作動距離、冷却機構などの要素について、明確な仕様が必要です。すべてのUV LEDシステムが同等というわけではありません。残念ながら、多数のUV LEDシステムとベンダーが、似たような製品特長や、あらゆるUVインクを硬化できる能力を謳っています。Apollo FTXインクは、UVアークシステムの代替であるLEDで硬化するよう設計されています。UV LEDは、水銀蒸気硬化システムと異なり、集光もリフレクターも使用しません。基材に向けられる光は拡散光です。UV LEDシステムの発光波長は比較的単色で、公称ピーク放射照度が395 nmの狭い正規分布曲線で表され、許容範囲は一般に±5 nmです。なお、出力の98%は377 nm～422 nmの範囲で放射されます。

4ワット以上・395 nmのUV LED光源の登場により、スクリーン印刷やデジタル印刷に典型的な速い処理速度でも、インクを効果的に硬化できるようになりました。4ワット未満のシステムでは、硬化時にインクの付着量を薄くする、顔料濃度を下げる、ランプと印刷インクとの距離を近づける、走査/ベルト速度を遅くするといった対応が必要になります。UV LEDランプは、効率的かつ効果的に動作させるため、ランプと電子部品の冷却が必要です。優れた冷却システムなら、連続使用でランプ寿命が20,000時間以上になります。UV LEDランプは、効率的かつ効果的に動作させるため、ランプと電子部品の冷却が必要です。優れた冷却システムなら、連続使用でランプ寿命が20,000時間以上になります。

インクジェットプリントヘッド、印刷解像度、シングルパス/マルチパス機

インク化学とLED硬化システムだけでは、印刷の成功、密着、品質は保証されません。印刷解像度（DPI）、印刷速度、マルチパスとシングルパスでのインクの検討事項など、考慮すべき要素がいくつかあります。プラスチック製品への印刷で最も多く導入されているのは、少なくとも基本4色（RGBK）を備え、多くの場合は白（W）とクリア（Clまたはオーバーバーニッシュ）、場合によっては拡張色域セット（CMYRGBK）も備えた、小型のフラットベッドUV硬化インクジェットプリンターです。これらのガントリー型プリンターは一般に安価であるため、個別品の単価が下がり、多くの新市場で採算が取れるようになっています。

しかし、生産性の向上に対する需要は急速に高まっています。ロボットによる搬入・搬出は、プラットフォームの積み降ろしによる段取り替え時間を短縮します。ただし、グラフィックアートと同様に、印刷物を固定ヘッドの下で連続的に通過させるシステムにはスループットで及びません。フラットベッドから連続インラインへのスケールアップは、一見すると単純に思えます。しかし、インクの付着と硬化の観点では大きな違いがあります。フラットベッドの「ガントリー」型プリンターは、往復動するプリントヘッドの前後にランプを備えています。UV硬化インクに対応したプリントヘッドは高価であるため、経済性を考慮して、基本的なプリンターでは各インク色につきノズル列は1列のみです。

300 dpiのシステムを考えてみましょう。単位となる300 x 300 dpiのピクセルを覆うのに必要なインク量は多く、無駄が大きく、それ自体が目に見えてしまいます。ヘッド幅の1/4ずつ段階的に複数回パスすることで、基本解像度は1200 dpiに向上しました。両方向に行うと、1つの300 dpiピクセルは、より小さな正方形の4 x 4マトリックスになります。各パスで、プリンターは各色について、そのうち4か所にインクを付着させます。これにより、見た目が向上し、インク使用量も減ります。さらに、各パスで硬化させるインク層は比較的薄くなります。パスごとに他の色は、ウェットなインクの上ではなく、インクがない場所か、インクが硬化済みの場所に塗布されます。ウェットオンウェットとなるインクはごくわずかで済みます。硬化は簡単で、各層は複数回露光されます。連続式のヘッドでは、どの色のインクも、全印刷幅にわたってプリントヘッドを端から端まで並べた1本のプリントバーから塗布されます。300 dpiのノズルで組み立てる場合、2列で600 dpi、4列で1,200 dpi相当になります。フルカラーの濃度を出すには、大きなピクセルにはそれに見合う量のインクが必要です。グレースケール（可変液滴量）対応のプリントヘッドが標準であるため、低濃度部では、まれに大きなドットが現れるのではなく、各ピクセルに小さなドットが配置されます。すべてのヘッドが順に並ぶとインクはウェットオンウェットで重なるため、硬化すべき厚みは最も濃い色と同程度、場合によっては250%にも達します。層表面同士の不適合は、水の上の油のような微細な分離につながることがあり、良くても軽微な外観上のアーティファクトですが、層間破壊に至ることもあります。インクの表面化学は、順序に基づいて処理する必要があります。基材に隣接するインクの十分な硬化は、通常、より高強度のランプとより効果的な光開始剤パッケージによって実現されます。

このため、フラットベッドから連続印刷へのスケールアップは、ある意味で、配合を探し直す、あるいは修正するやり直しになります。固定ヘッドによる連続印刷では、プロセスカラーのプリントヘッドを互いに近接させ、最後にすべてを硬化させるのが通例です。グラフィックアートのウェブ輪転機では、ヘッド間隔を広くとり、その間にインクを増粘させる、またはピニングするための低出力の硬化ユニットを置くことがあります。1,200 dpi相当で見当を維持できるウェブ制御は一般的です。コンベアやチェーンでしっかり保持されていない部品では、わずかな振動でも色ごとにドット位置が変わってしまいます。密に並べることで、これを最小限に抑えられます。白インクは、3つの理由でプロセスカラーと異なる扱いになります。第一に、有色の基材を隠したり、半透明の材料を不透明にしたりするためのベースコートとして塗布されることが多いためです。透明基材への裏面印刷では、当然ながら最後の別パスになります。第二に、白インクやコーティングは吸収ではなく光散乱に依存するためです。

白はどの色よりも効率が低く、より厚く塗布する必要があります。第三に、白を混ぜた色は淡くなります。他のウェットなインクを付着させる前に白を少なくとも部分的に硬化させておけば、分離を避けられます。最後に、白色顔料は密度が高く沈降しやすいため、インクをプリントヘッド内で継続的に循環させる必要があります。プリンターを停止する場合は、白インクをヘッドからパージしてください。

印刷品質の主要な特性の1つが印刷解像度です。これは2つの観点から検討します。第一に、細かい文字、線、ベタ色どうしの明確な境界では、直線や曲線からのずれが、人間の目に見える最小の特徴より細かくなければなりません。その基礎となるのがピクセル数、すなわち基本解像度です。これは、一方向ではノズル間隔、もう一方向ではヘッドまたは基材の送り量に基づきます。大きなドットの間に小さなドットを使えるグレースケール機能があれば、低解像度のヘッドでも見かけの解像度が向上します。ニトリル手袋、Apollo FTX UVインクはASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）に基づく毒性認証取得済みで安全 4 www.plasticsdecorating.com January/February 2020。

解像度の第二の要素は、滑らかな階調の移行部や淡色部で、硬い特徴（ざらつき）を避けることです。たとえば、300 dpiのプリントバーによるシアンや黒のドットが少数あるだけでも、パステル調の領域ではすぐに目立ちます。

ここでもグレースケール対応のプリントヘッドは、1つの大きく目立つドットの代わりに、分散した複数の小さなドットを使えるようにします。解像度に関連するのが、異なる色どうし、および印刷対象物に対する見当合わせです。フラットベッドでは、対象物をしっかり固定できます。これらの機械は、振動などが液滴位置の許容ばらつきより小さくなるよう設計されています。コンベア上の部品がしっかり保持されず、コンベアの振動を受ける固定ヘッド機では、初期仕様で見当合わせの許容範囲を広めにとるか、高度なマテリアルハンドリングの追加コストを見込む必要があるかもしれません。ここまで、ソフトウェアは背景的な課題でした。

言うまでもなく、業界が求める短時間での大量印刷に応えるため、プロセス速度は継続的に引き上げられてきました。しかし現在、ソフトウェアは別の面でも効果を発揮しています。たとえば、先端や後端を形成する曲面で見られるアーティファクトに対する許容度は低くなっています。その結果生じる画像濃度の差は、グレースケール機能を使うことで軽減できます。また別の場合には、ドットの吐出を生じさせる電気パルスの構造を画像の一部だけで調整し、表面形状に起因する局所的なアーティファクトに対処できます。これは、最良のカラーマネジメントシステムが、色ごと、あるいはキャリブレーション時に個々のノズルごとにパルスを調整するだけでなく、動的モードで使用できることに対する進歩です。大量生産向けの幅広い両面シングルパスウェブプリンターに組み込まれるもう1つの技術的進歩は、プリンターのわずか数インチ手前に設置したカメラに基づき、変形しやすい基材の可変な特徴に合わせて印刷を動的に見当合わせする機能です。当然ながら、コンベアに無造作に置かれた対象物全体に印刷を合わせることは、それに比べれば簡単です。一方、自動車部品などの3D部品向けロボット印刷機では、ソフトウェアとビジョンシステムが中心的な役割を果たします。この場合、ヘッドと基材との距離が変化するため、印刷に使うノズルを選択し、飛行距離に応じて液滴の吐出を調整する必要があります。異なる角度で隣接するパスから生じるアーティファクトを回避しながら印刷領域を追跡することも、現在取り組まれている課題です。この広がりを後押ししているのは、ポリマーネットワーク用の新しいモノマー、最終ポリマーに結合できるエチレン性結合を持つ光開始剤、より微細で純色度の高い顔料、より効果的な分散剤です。

UV硬化を用いる印刷・コーティング業界は、積層造形と3Dモデリングに注がれた多大な努力の恩恵を受けています。そこでは、従来の押出成形ポリマーを再現できる配合が利用可能になっています。健康・フィットネス向けのパフォーマンス製品でも、スマートウォッチでも、数百種類に及ぶ代替のインタラクティブなバンド製品でも、カスタマイズへの需要が販売を牽引しています。これらの新しいポリマーは、当初のグラフィックアート向け配合では得られなかった物理的・化学的特性の組み合わせを提供します。たとえば、同じ厚みで、はるかに広い引張強度の範囲にわたって柔軟性を持たせることができます。ウェアラブル市場では、使い捨て手袋、運動用ストレッチレジスタンスバンド、スイムキャップなど、多くの製品が高伸縮性材料でできています。これらの製品は最大50～200%伸びます。従来、このような製品の印刷にはパッド印刷やスクリーン印刷が用いられてきましたが、アナログの断続的な方式であるため、連続シングルパスのインクジェットに比べて生産性が比較的低いものでした。汎用品での多色印刷は、コスト面でほぼ成り立ちません。UV硬化インクジェットの導入が成功したのは、自動車用ビニル市場で生まれた高伸縮性の配合のおかげです。ただし、ウェアラブルではさらに多くが求められ、広い温度範囲にわたって柔軟性と伸縮性を保たなければなりません。

高伸縮性製品で解決が必要だった第二の要因は密着です。伸縮性製品には、ニトリルなどのTPEゴムがよく使われます。弱点は、インクどうしの結合、特に色と白との結合と、インク自体の内部に生じます。白は厚みがあり顔料濃度が高いため、特に凝集破壊を起こしやすくなります。インク間の結合は、界面に蓄積する化学物質に左右されます。層間で何らかの直接的な結合を形成できることが必要です。さらに、層を組み立てたり印刷したりする際は、特性に規則的な勾配があるべきです。たとえば、アナログのウェットオンウェット印刷では、インクの粘度が順に低くなるため、分離は常に最上層のインクで起こります。非接触のインクジェットには、ウェットなインクに関するこの要件はありませんが、硬化時に内部と層間の結合強度で同様の順序性が必要です。業界の専門家は、白から始まる配合の順序を管理する方法を知っています。開発とスケールアップの過程で、専門家はアーティファクトとその根本原因を見抜きます。たとえば、密着が失われた場合、その破壊メカニズムは何か。どこで破壊が起きたのか。答えは、最も目立つ場所とは異なるかもしれません。

ここで論じている応答は、吐出されたインクそのものによるものとは言い切れません。液滴の吐出と形成を成功させるために、プリントヘッドとインク供給部は精密に温度調整されているからです。基材または対象物の温度により、インクは非常に薄いため、付着からランプまでの間に温度が変化します。この効果は、この技術の発祥であるグラフィックアート向けの印刷と、長期耐久性が期待されるプラスチック製品への印刷との間にある重要な違いです。

まとめ

フレキシブル/伸縮性・ウェアラブルのプラスチック製品へのカラー印刷に用いるUV LED硬化型フレキシブルインクは、産業用インクジェット技術における最新の進歩の1つです。要因の複雑さと相互関係を踏まえると、生産性と最終用途での性能の最適化を、一連の直線的な検討として考えるべきではありません。むしろ、配合、インク付着、硬化、速度、温度からなる一連のプロセスシステム全体として捉えるべきです。1つの要因を変更すれば、他の結果に影響し、材料やプロセスにさらなる変更が必要になる可能性が高いためです。基材が少数だったグラフィックアート向けに、主要なOEMがインクジェットソリューションを開発したのもこの考え方によるものです。ウェアラブルでは、基材、形状、要件が非常に多く、生産的で収益性の高い運用を実現するために、複雑なエンジニアリングソリューションが求められます。

Scott R. Sabreenは、プラスチックの二次加工プロセス（インクジェット印刷、レーザーマーキング、表面前処理、接着接合、加飾・仕上げ、製品セキュリティ）を専門とするエンジニアリングコンサルティング会社、The Sabreen Group, Inc.の創業者兼社長です。Sabreenは30年以上にわたり、先駆的な技術の開発と製造上の課題の解決に取り組んできました。ご連絡は972.820.6777、またはwww.sabreen.comもしくはwww.plasticslasermarking.comまでお願いいたします。Dene Taylor博士は、デジタル印刷を新しい市場や用途に適応させることに注力し、印刷・包装業界向けに2000年にSPF Inc.を設立しました。専門はナノ化学で、保有する25件の米国特許のうち約半数がデジタル印刷に関するものです。SGIA、TAPPI、RadTechの会員です。連絡先は [email protected] です。

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