可穿戴设备的工业喷墨打印

可穿戴设备的工业喷墨打印

“可穿戴设备”“穿戴式设备”和“可穿戴技术”均指消费者可以佩戴的电子技术或计算机，通常包含与健康和健身相关的追踪信息。涉及的产品包括腕戴、头戴、眼镜、臂戴、腿戴、鞋类、皮肤贴片、外骨骼和电子织物，设备市场规模庞大。工业喷墨是唯一能够实现直接对产品进行功能性和非功能性定制打印的数字技术。

要点

• 喷墨是唯一能够在可穿戴设备上直接对产品进行功能性和非功能性定制打印的数字技术。
• 推动销售的是定制化，而不是打印本身：品牌借此提升客户忠诚度并收集设计反馈。
• 皮肤接触认证现已成为预期要求。2014 年一款可穿戴设备发生百万台召回后，供应商开始按皮肤接触标准对材料进行认证。
• 对于需长期接触皮肤的材料配方，应留意 PPD（对苯二胺）等刺激物。
• 喷墨比模拟印刷更为精密，需要将喷头、流体、控制器、预处理和固化作为一个系统集成。

定制化需求

定制化需求推动销售，无论是健康和健身性能产品、智能手表，还是数以百计的各类交互式腕带产品。IDTechEx 在近期一篇文章中指出，可穿戴电子产品业务将从 2015 年的 200 亿美元增长到 2025 年的近 700 亿美元。1 占主导地位的仍将是医疗保健领域，它融合了医疗、健身和健康。最具前景的新进展背后，有着数量最多的知名企业，如 Apple、Accenture、Adidas、Fujitsu、Nike、Philips、Reebok、Samsung、SAP 和 Roche。据 Bain & Company 称，产品定制有助于品牌提升销售，机会十分可观。2 据估计，至少 25%–30% 的消费者对定制选项感兴趣。在特定市场中，这相当于每个细分领域每年 20 亿美元。出现了两个重要趋势：一是如今的消费者更具表现力；二是定制化是新的忠诚度。

常见问题

就打印而言，什么算作“可穿戴设备”？

指消费者佩戴的电子技术或计算机，通常追踪健康和健身数据。实际上涵盖腕戴、头戴、眼镜、臂戴、腿戴、鞋类、皮肤贴片、外骨骼和电子织物，这些产品可以是刚性的，也可以是柔性的。

为什么使用喷墨而不是移印或丝印？

因为定制化是商业驱动力。喷墨是唯一能实现直接对产品定制打印的数字技术，因此每件产品都可以承载不同的内容。模拟式的走停工艺生产效率相对较低，在普通产品上进行多色印刷的成本几乎高得令人望而却步。

可穿戴设备上的油墨适用哪些安全标准？

用于长期接触皮肤的材料需按皮肤接触标准进行认证，2014 年一家制造商召回一百万台可穿戴设备后，这一趋势有所加快。配方必须避免使用 PPD（对苯二胺）等皮肤刺激物。

喷墨为何比模拟印刷更难？

关键在于精度。喷墨要求喷嘴以精确的准确度喷射尺寸精准的墨滴，高质量的系统必须同时集成喷头、流体、电子控制器、预处理和固化。所有这些必须协同工作才能获得预期结果。

UV 固化喷墨油墨与其他类型的油墨有何不同？

聚合物在固化过程中由单体和低聚物的链式反应形成。单体是低粘度液体，同时充当油墨载体，因此无需水或溶剂，使 UV 油墨的固含量为 100%。

可穿戴设备的喷墨打印

本文的重点是在模塑可穿戴设备上使用喷墨打印实现“定制化”，产品范围从交互式电子设备和手表，到运动鞋和服装，再到 3D 打印产品。最早也最具代表性的可穿戴设备之一是迪士尼的腕带，也称为“MagicBand”。每条腕带内含一个 RFID 和一个与 2.4GHz 无绳电话类似的无线电模块。该腕带将游客连接到园区内庞大而强大的传感器和移动应用系统，可用作支付方式、园区门票、房间钥匙等。大多数腕带为纯色（模塑成型时即成色）。每条腕带的底面经过激光打标，包含识别信息（见上图。图片来源：Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1）。预先设计好装饰的腕带在零售店出售。然而，为了获得独一无二的体验，爱好者们使用图形艺术商店里出售的贴花、贴纸、临时纹身、外套腕带和涂料，通过费工费时的多步骤工序手工制作腕带。

喷墨打印因其在广泛应用中，以独特或复杂的图案、或在新型基材上沉积功能性流体的独特能力，正在推动先进制造工艺的发展。例如，各类技术的导电油墨正在许多领域取得突破，尤其是在柔性基材上。银、有机导电聚合物、石墨烯和碳纳米管油墨正被用于整个柔性电子领域的电路和连接器。借助喷墨打印，它们可用作服装（例如滑雪服）上印刷按键（薄膜触摸按键）与移动设备、无源或有源 RFID 标签或 LED 照明之间的连接器。有机发光二极管（OLED）技术不仅具有柔性，借助喷墨还可针对外层服装进行定制，用于识别、安全或装饰。此外，借助喷墨可打印多层不同材料，制成包含六层或更多不同层的结构。

真正的弹性导体在任何技术中都很罕见。普渡大学宣布了一类新型的可喷墨打印液态金属导体，并证明其适用于可拉伸和橡胶类材料。3 它们可能催生一类新型的柔性机器人和可拉伸服装，人们可穿戴它们与计算机交互或用于治疗目的。

胶粘剂是可穿戴设备的基石，通常用于复杂几何形状（例如运动鞋）。由机器人控制的大墨滴喷头可将胶粘剂涂覆到越来越多的不规则结构上，实现全覆盖而不过量，同时适应小批量生产和频繁换型。乳胶喷墨胶粘剂可媲美传统配方。紫外线（UV）和电子束（EB）固化的喷墨胶粘剂日益普及，可满足即时固化并粘接不同材料的需求。

UV 固化喷墨在外套、徽章、反光装备、运动器材和运动鞋上很受欢迎。大多数打印是在用模板精确排列于托盘或模具上的物品上进行的，物品从往复式喷头下方通过。为实现高生产率，采用固定全幅喷头的单程打印机，将图像打印到传送带上以最高 60 英尺/分钟或更快速度运送的物品上。传送带通常带有托盘，使物品始终处于固定位置；打印机也可以依靠摄像头定位物品的位置和方向，并据此喷射图像。对于 UV 固化，喷头后方设有灯具。LED 灯因寿命长、输出稳定、臭氧产生量有限和能耗较低而日益普及。对可穿戴产品而言，最大的价值在于它们是冷光源，基材受热极少。热敏塑料、织物和薄膜可以打印而不必担心收缩或变形。给使用能量固化油墨者的提醒：由于液态油墨有害，为了安全和耐久，必须始终使其得到适当固化。

UV 固化喷墨油墨

喷墨打印远比模拟印刷复杂和精密。喷墨要求喷嘴以精确的准确度喷射尺寸精准的墨滴。高质量的喷墨打印系统必须同时集成喷头、流体、电子控制器、预处理和固化，所有这些要素必须协同工作才能获得预期结果。

UV 固化喷墨油墨可瞬间干燥。UV 油墨印刷不同于其他类型，因为聚合物是在固化过程中由单体和低聚物的链式反应形成的。单体是低粘度液体，因此也充当液态油墨载体，无需水或溶剂，这就是 UV 固化油墨固含量为 100% 并成为溶剂型油墨理想替代品的原因。低聚物（较大的反应性分子）具有多种化学官能团，对于正确构建粘结剂至关重要。

聚合反应由短时间的紫外光照射引发，紫外光是波长比可见光更短、能量比可见光更高的电磁辐射。大多数 UV 固化使用近紫外（波长 390–200 纳米），并进一步细分为 UV-A（390–320 纳米，长波）、UV-B（320–280 纳米，中波）和 UV-C（280–200 纳米，短波）。除近紫外外，其他紫外类别还包括远紫外（200–10 纳米）和深紫外（31–1 纳米）。传统汞灯 UV 固化灯最常见的峰值波长为 365 纳米，也称为汞 I 线（光谱）。

印刷类可穿戴设备由消费者拿在手中，需接受非常近距离的目视检查。字母数字文本可能只有六磅或更小。为避免出现可见瑕疵并确保可读性，需要高分辨率打印。高分辨率喷墨打印有两个主要组成部分：基材上的墨点间距，以及构成墨点的墨滴大小（体积）。高分辨率是通过紧密的墨滴布置（目前高达 1,800 x 1,800dpi）获得的，这在典型的往复式喷头打印机上需要多次扫描和微小步进。

UV 反应性成分是光引发剂，即吸收能量后裂解，产生高活性化学物种的化合物，视类型而定为自由基或阳离子。每种活性物种都可与单体或低聚物的某一部分结合，并将活性传递给另一部分，后者又可与另一个单体反应，如此循环构建聚合物。UV 油墨使用颜料着色剂。配方和油墨制造方面的进展使制造商能够提供白色（W），这在深色基材上作底色或在透明材料上作背景时尤为有用。喷墨原色青、品红、黄和黑（CMYK）组合使用可提供较大的色域。

日晒褪色可能是影响打印耐久性的主要问题。由于 UV 油墨使用的是颜料而非染料，其对阳光的敏感度天生低于桌面油墨。使用汽车涂料行业的颜料制成的油墨，具有非常好的耐褪色性。这类颜料成本更高，用于高端油墨。阳光还会使聚合物降解，产生粉化和脆化。连续五年户外光照是普遍能够满足的预期。

添加剂在所有油墨配方中都不可或缺。用于塑料印刷的油墨通常含有附着力促进剂。喷射和墨滴形成显然是喷墨的核心，需要谨慎平衡粘度调节剂和表面活性剂。如果不正确，油墨可能会雾化或在喷头上润湿铺展，这两种情况都不理想。这些化合物同样控制油墨在基材上的润湿和流动，即附着力和网点扩大。它们通常针对特定的表面化学特性进行优化，但存在局限。例如，能够润湿低表面能基材的油墨会从喷头渗漏。因此，许多表面必须经过处理，才能使其处于油墨发挥功能的范围内。

喷墨油墨粘度低、表面张力低，这给缩醛、聚烯烃和聚氨酯等许多聚合物基材的附着粘接带来挑战。这类化学惰性塑料具有疏水性，天然不易润湿。一般规律是，当基材的表面能比液体的表面张力大约高 8 至 10 dynes/cm 时，即可获得可接受的粘接附着力。

印刷机的速度也会影响油墨的有效表面张力。在高速印刷机上，静态测得表面张力为 25 dynes 的油墨，其动态表现可能类似于表面张力为 40 dynes 的油墨。喷墨喷头和打印系统对其所喷射流体的作用，会显著影响流体组分在喷射过程中，以及与打印表面和其他油墨或涂层层相互作用时的重新排列方式。

处理程度或质量受塑料表面清洁度的影响。表面必须清洁，才能实现最佳的预处理和后续的油墨附着力。有机硅脱模剂、污垢、灰尘、油脂、油和指纹等表面污染物会抑制处理效果。材料纯度也是一个重要因素。

结论：整体解决方案方法

对于可穿戴设备的聚合物材料开发和喷墨打印而言，整体解决方案方法至关重要。随着消费者需求和功能的发展，对长期接触皮肤的指定材料的要求也在提高。2014 年 FitBit 召回一百万台可穿戴设备后，供应商开始按皮肤接触标准对材料进行认证。喷墨打印工艺控制同样至关重要。重要因素包括：

• 不会刺激皮肤的材料配方（包括皮革、橡胶、热塑性聚氨酯、共聚酯弹性体和添加剂），例如不含 PPD（对苯二胺）。
• 包括耐久性、耐化学性、耐紫外线性和耐刮擦性在内的材料要求。
• 有关毒性的国际合规标准，如 ISO 10993-10:2010，医疗器械生物学评价第 10 部分。
• 出色的油墨附着力。尽量减少会迁移到表面的低分子量化合物。
• 油墨流体化学特性和喷射性能。
• 可在展位以及制造现场部署的稳健打印系统。

参考文献

• www.idtechex.com
• www.bain.com
• www.purdue.edu

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，这是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程公司，业务涵盖激光打标、表面预处理、粘接、装饰与表面精饰以及产品安全。Sabreen 开发开创性技术并解决制造难题已逾 30 年。您可致电 972.820.6777，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 与他联系。

Dene Taylor 博士于 2000 年创立 SPF-Inc.，服务于印刷和包装行业，专注于使数字印刷适应新的市场和应用。他是纳米化学专业出身，其持有的约 25 项美国专利中有一半左右与数字印刷相关。他是 SGIA、TAPPI 和 RadTech 的会员。您可通过 [email protected] 与他联系。

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