3Dプラスチックへのシングルパス UV LEDインクジェット印刷：インクの化学組成とポリマー表面

3Dプラスチックへのシングルパス UV LEDインクジェット印刷：インクの化学組成とポリマー表面

産業用インクジェット印刷は、パッド印刷、スクリーン印刷、フレキソ／グラビア印刷といった従来のアナログプロセスで行われてきた加飾に、大きな影響を及ぼしています。インクジェット技術は、連続式の単色溶剤インクからドロップオンデマンドのフルガマットカラーへ、2値からグレースケールへ、水銀蒸気ランプからUV LED硬化へ、スキャン式フラットベッドプリンターから360°回転式へと進歩してきました。新たな領域は、毒性および生体適合性の認証を受けた新しいインクを用いた、3Dプラスチック製品へのシングルパスUV LEDカラー印刷です。シングルパスはスキャン方式より高速でコスト生産性にも優れますが、技術はより複雑で、精密なエンジニアリングが必要です。これらの要因に、低表面エネルギーポリマー上のインク密着性という本来的な課題が加わります。動的接触角を調べることで、インクの粘度と表面の濡れ性を判断します。

重要なポイント

• シングルパスはスキャン方式より高速でコスト生産性に優れますが、エンジニアリングははるかに複雑です。
• スキャン方式は不具合を目立たなくします。複数回のパスで、欠けたドットや位置ずれしたドットが隠れますが、シングルパスにはそのような余裕がありません。
• インクの選定は、最も重要な唯一の判断です。プリントヘッドの種類、硬化パラメータ、前処理の要否が、これによって決まります。
• カラーブリードはシングルパス特有のリスクです。大量のインクが1回のパスで塗布されるためです。
• 低粘度・低表面張力のインクは、非極性で本来濡れにくいポリオレフィン、ナイロン、TPE／ゴムでは苦戦します。

スキャン方式とシングルパス印刷

インクジェットプリンターは、1回または複数回のパスでインクを塗布して印刷します。プリントヘッドが対象物の上を移動する方式と、対象物が固定されたプリントヘッドまたはプリントヘッドアレイの下を移動する方式があります。スキャン（マルチパス）印刷とは、プリンターが基材の上を何度も往復して全面を覆い、必要な精細さを得る方式です。

スキャン方式の利点は、欠けたドットや位置ずれしたドットなど、印刷上の不具合が目立ちにくくなることです。欠点は、同じ領域に何度もパスして完全なインク被覆を得る必要があるため、速度が遅いことです。シングルパス印刷では、プリントヘッドが搬送システム上を移動する基材（またはウェブ）に直接印刷します。シングルパスの大きな利点は、高速化と生産性の向上です。

よくあるご質問

スキャン方式とシングルパスのインクジェットの違いは何ですか？

スキャン（マルチパス）方式では、プリンターが基材の上を何度も往復して、全面の被覆と精細さを実現します。シングルパスでは、プリントヘッドが移動する対象物に1回のパスで直接印刷します。スキャン方式は遅いものの許容度が高く、シングルパスは高速で生産性に優れますが、不具合に対する許容度ははるかに低くなります。

シングルパス印刷はなぜ難しいのですか？

不具合を覆い隠す2回目のパスがないためです。欠けたドットや位置ずれしたドットはすべて目に見え、インクの全量が徐々に積み重なるのではなく一度に塗布されるため、カラーブリードの制御が極めて重要になります。

インクジェットのプロジェクトで最も重要な判断は何ですか？

インクです。インクの選定が、プリントヘッドの種類、硬化パラメータ、表面前処理の要否といったシステム構成要素を決定します。流体の化学組成、粘度とせん断、そして各インク滴を吐出する物理現象は、極限条件下でも正確に挙動しなければならず、シングルパスではこの要求がさらに厳しくなります。

インクジェットインクは、なぜ特定のプラスチックに密着しにくいのですか？

インクジェットインクは低粘度・低表面張力である一方、ポリオレフィン、ナイロン、TPEやゴムの基材は、非極性で化学的に不活性、疎水性で、本来濡れにくいためです。表面エネルギーを高めなければ、インクは密着に必要な密接な接触を得られません。

シングルパスのインクジェットは、これまでどこで実績を上げてきましたか？

主に2D用途で、ウェブ方式の宝くじ券、スマートカード、セラミックタイル、段ボールカートンや箱などです。より新しい領域は、毒性および生体適合性の認証を受けたインクを用いた、3Dプラスチック製品へのシングルパスカラー印刷です。

UV硬化型インク

あらゆる用途において、インクの選定は、プリントヘッドの種類、硬化パラメータ、表面前処理の要否といったシステム構成要素を決定する、最も重要な唯一の判断です。流体の化学組成（粘度とせん断）と、各インク滴を吐出する物理現象は、極限条件下で運用できるよう正確に挙動しなければなりません。これらの要因は、スキャン方式と比べてシングルパス印刷でさらに増幅されます。

シングルパスのインクジェットは以前から存在し、ウェブ方式の宝くじ券、スマートカード、セラミックタイル、段ボールカートンや箱などの2D印刷が中心でした。初期の技術的課題は克服され、インク化学とポリマー科学の最近の進歩とあいまって、低表面エネルギーポリマーへのフルカラー・シングルパスUV LEDインクジェット印刷が可能になっています。オプションでインライン前処理とビジョンシステムを備えた、完全自動の量産システムも利用できます。本稿では、UV硬化型インク、ポリマー表面、濡れ性について検討します。

UVインクは、インク中の光開始剤が高強度の紫外線光源と相互作用することで、固体に硬化します。UVインクは、実質的に溶剤を含まないため、より環境に優しいと考えられています。しかし、これらのインクには毒性の懸念があります。未硬化のUVインクには未反応のモノマーが含まれ、人体に有害です。硬化した完成印刷物にも、未反応のモノマーが残留している場合があります。放射計の使用を強くお勧めします。

顔料入りUV硬化型インクの個々の成分には、通常、モノマー（低粘度の液体）、オリゴマー（密着性と硬化特性）、顔料（色）、光開始剤（UV硬化）、添加剤（濡れ性と分散剤）が含まれます。

各成分は、最終的なインク配合の性能特性を最適化するうえで重要な役割を果たします。シングルパスのインクジェット印刷向けのUV白インクは、プロセスカラーと比べて、大きく重いTiO2顔料粒子が沈降しやすいため、配合が困難です。

粘度（厳密にはせん断粘度）は、プリントヘッドのノズルを通る流れと吐出パルスを左右する重要なパラメータです。ピエゾ式のドロップオンデマンドプリントヘッドでは、吐出パルスは電圧であり、ピエゾ素子を動かして圧力差を生じさせます（図1）。

インク滴が吐出されると、圧力の交互の振動が時間とともに減衰します（ダンピング効果）。流量が多くノズル径が小さいため、流体は高せん断速度の領域で動作します。また、粘度はプリントヘッドのインク室へのインクの充填にも影響します。粘度は一般にせん断速度の増加とともに低下し、これを「せん断減粘性（シェアシンニング）」流体と呼びます（粘度がせん断速度とともに上昇する逆の現象を示す流体は「チキソトロピー」流体と呼ばれます）。

インクが濃くなったり薄くなったりすると、せん断が変化して吐出性能に悪影響が及ぶ場合があります。ノズル内ではインクにせん断と伸長の両方が加わり、伸長粘度はインクのフィラメントの形成と分離、そしてその後の液滴の形成に影響するため、理解しておくことが重要です。

たとえば、Apollo FTX インクシリーズは、ASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）に基づき、大人や子どもにとって安全（人体の皮膚との接触）であるよう配合・認定されており、生体適合性試験も実施されています†。化学組成は、特定のUV LED硬化特性と美観に正確に適合しており、硬化不足（べたつき）や過硬化（脆化）を起こしません。

このインクは、流量が高いレベルで一定（安定したレオロジー挙動）で、ノズルから出るインクの出口接触角も安定しています（均一なジェット分離）。白インク（ベース層）とCMYK++カラー間の濡れ性、密着性、分子間接着性にも優れています。ニトリルゴムやラテックスなど、多くの低表面エネルギー基材では、表面前処理は不要です。

最終的な硬化特性は、食器洗い機試験を含め、比類のない耐擦傷性・耐摩耗性と耐薬品性を示します。このインクは、Ricoh、Mimaki、Xaar、Toshiba、Konica Minoltaの特定のプリントヘッドモデルと互換性があります。

ポリマー表面と濡れ性

スキャン式プリンターと比べ、シングルパス印刷では、（1回のパスで大量のインクが塗布されるため）カラーブリードを抑えるうえで、インクの正確な粘度が重要です。インクジェットインクは低粘度・低表面張力であるため、ポリオレフィン、ナイロン、TPE／ゴムなど、多くのポリマーで密着性の問題が生じます。これらの種類の基材は、非極性で化学的に不活性なプラスチックであり、疎水性で、本来濡れにくい性質を持っています。

平らな固体表面上に静止している（平衡状態の）1滴の液体を考えてみましょう。固体表面と、端点における液滴上面の接線がなす角度を、接触角といいます。これは、接触点での接線と、固体表面の水平線との間の角度です。

しかし、インクの流体と接触角は静的ではなく動的です。液滴が固体表面に付着した状態で固体表面を傾けると、液滴は前方に突き出して下方に滑り落ちます。このときに形成される角度は、それぞれ前進角（θa）と後退角（θr）と呼ばれます（図2）。

液滴の形状は、すべての液体が表面を収縮させることで、含まれる体積をできるだけ表面積の小さな形にしようとする分子間力によって生じます。表面を収縮させる分子間力は「表面張力」と呼ばれます。インクジェットインクの表面張力は、プリントヘッドからの適切な吐出を左右します。

表面エネルギーの尺度である表面張力は、dyne/cmで表されます。液体（インク）の表面張力に対して固体基材の表面エネルギーが高いほど、濡れ性は良好になり、接触角は小さくなります。目安として、基材の表面エネルギーが液体の表面張力よりおよそ8〜10 dyne/cm高いとき、許容できる接着・密着性が得られます。

接触角は一般に、表面の化学組成の変化と、表面形状（トポグラフィー）の変化の影響を受けます。前進接触角は、基材表面の低エネルギー（未改質）成分に最も敏感であり、後退角は、表面前処理によって導入された高エネルギーの酸化基に、より敏感です。

後退角は、前処理後の表面の改質された成分を最もよく表す測定値です。表面の相互作用、最適な吐出、そして液滴の着弾から硬化開始までに必要な時間を理解するには、動的接触角を測定することが重要です。この情報がないと、サテライト、オーバースプレー、ミストなど、インクジェット印刷の品質に関する重大な問題が発生します。dyne溶液ではなく、弾道式（バリスティック）堆積を利用した接触角測定装置の使用をお勧めします。

結論

硬質および軟質／伸縮性のある製品へのシングルパスUV LEDカラー印刷は、産業用インクジェット技術を変えつつある最新の進歩の一つです。生産を成功させるには、あらゆるプロジェクトの初期段階で、多くのプロセス要因とその相互関係を理解しておく必要があります。

参考文献

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

†Apollo FTX Inkシリーズは購入可能です。The Sabreen Group（972.820.6777、[email protected]）までお問い合わせください。

Scott R. Sabreenは、プラスチック二次加工プロセス（表面前処理、接着接合、インクジェット印刷、レーザーマーキング、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。連絡先は972.820.6777、またはwww.sabreen.comをご覧ください。

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