表面前處理與客製化油墨推動塑膠與薄膜噴墨列印發展

表面前處理與客製化油墨推動塑膠與薄膜噴墨列印發展

與移印、熱燙印、網版印刷等傳統類比方式相比，噴墨與塑膠雷射打標等數位列印技術為製造商帶來顯著優勢。數位列印可實現完整的產品客製化、獨一無二的英數字零件識別、產品安全、序號化、條碼／二維碼、標誌、圖形等功能，這些能力對當今的數位互動世界至關重要。另一項附帶優勢，是能在製造流程末端直接列印已組裝完成的產品，進而節省成本並改善庫存管理。本文探討兩種數位列印／打標製程：全彩壓電式按需滴墨（DOD）噴墨列印，以及光束掃描式光纖雷射打標。壓電式 DOD 噴墨與光纖雷射皆為現代技術，對產品（及大量）客製化具有無數優勢。

壓電式 DOD 噴墨列印與光束掃描式光纖雷射打標皆為數位化、非接觸式製程。許多製造商已認知到同時提供這兩種技術的價值，以滿足各種聚合物基材上的客製化列印需求。由於應用需求多元，無法斷言其中一項技術優於或劣於另一項。針對特定應用選擇噴墨或雷射，看似簡單。例如，若需在白色玻纖填充尼龍上列印一種或多種（客製）顏色，就選擇噴墨；若需在白色尼龍上取得永久性的純黑對比，則選擇雷射打標。然而實際上，若無專用油墨與前處理，噴墨油墨並不容易附著於尼龍（或大多數低表面能聚合物）；而要在白色尼龍（及許多其他淺色聚合物）上取得黑色對比，則需要雷射增強添加劑。

穩健的打標／列印解決方案，需要對油墨／雷射化學、聚合物表面科學、製程設計與設備進行精密工程設計。許多公司過於常見地選購「現成」的通用設備，卻無法達到所需成果。因此，將噴墨列印與雷射打標技術的「整體解決方案」面向作為系統採購與製程最佳化的指引，就顯得格外重要。

重點摘要

• 噴墨與雷射是互補而非競爭的技術。沒有哪一種普遍更優，應由應用需求決定。
• 油墨附著是表面能問題。目標是使基材表面能比油墨表面張力高約 10 dynes/cm。
• UV LED 固化已取代水銀燈：瞬間開關、壽命超過 20,000 小時、無 IR 加熱，且臭氧大幅減少。
• 雷射打標需要添加劑，因為大多數聚合物本身不具近紅外線吸收能力。
• 現成設備是常見的失敗原因。尤其噴墨需要整合噴頭、油墨、固化、前處理與搬運等環節。

常見問題

塑膠零件應選擇噴墨列印還是雷射打標？

需要一種或多種顏色時選擇噴墨；需要永久性、高對比單色標記且不想使用耗材時選擇雷射。實務上，決定很少如此簡單：若無專用油墨與前處理，噴墨油墨無法附著於尼龍及其他低表面能聚合物；而雷射打標則需要增強添加劑，才能在淺色聚合物上取得對比。

為什麼 UV 噴墨油墨無法附著於我的塑膠零件？

原因在於表面能。UV 油墨的表面張力低，約為 25 dynes/cm，而大多數工程塑膠具化學惰性、無孔且表面能低。要取得可接受的附著，通常需要基材比油墨高出約 10 dynes/cm，而表面前處理正可縮小這個差距。

UV LED 固化相較於水銀燈有哪些優勢？

UV LED 發射以約 395 nm 為中心的窄頻帶，幾乎所有能量都可用於光起始反應。它可瞬間開關，壽命超過 20,000 小時（約為 UV 燈的十倍），不發射紅外線（適合熱敏感塑膠），且產生的臭氧大幅減少。

什麼是灰階噴墨？為什麼重要？

標準噴墨為二元式：每個像素要麼獲得一滴墨，要麼沒有。灰階噴頭可快速噴出多顆小墨滴，快到足以合併列印成單一網點，進階噴頭提供八個階層。如此可在相同的原生噴頭解析度下，明顯提升表觀解析度。

為什麼現成的噴墨系統在塑膠上常常失敗？

因為沒有任何單一製造商能供應所有元件。一套可運作的系統需整合噴頭、驅動電子、油墨、零件搬運、運動控制、固化照射器與檔案協定軟體。與移印或網版印刷不同，噴墨沒有完整的統包套件，因此元件相容性必須經過工程設計。

壓電式「按需滴墨」UV LED 噴墨技術

噴墨是一種非接觸式、由電腦直接輸出的列印製程，墨滴依據數位檔案產生的規則 x-y 像素圖案噴向基材。主要系統元件包括噴頭組件、噴頭驅動電子控制器、UV 油墨、固化照射器，以及具運動控制的零件搬運裝置。

基本元件是噴頭（圖 2）。噴頭具有油墨供應及多個小容量墨腔，墨腔配有圓形噴嘴，墨滴由此噴出。噴嘴沿與移動方向正交的方向線性排列。每個噴頭可有一至五排噴嘴，每排有 128、256、512 或 768 個噴嘴。每種顏色各有獨立的油墨供應與噴頭。在預期的印表機中，噴頭來回掃描（x 方向），物品則於每次掃描後步進（y 方向）。步進與噴嘴間距互相匹配（圖 1）。藉由更頻繁的噴射與更小的步進，等效像素間距可遠小於噴嘴間距。例如，300 dpi 的噴頭可列印 300×300、300×600 等，最高可達 2400×2400 dpi。一般列印為二元式，即每個位置不是有墨滴就是沒有墨滴。高階技術提供灰階，表示每個網點的墨量可刻意改變。

壓電式 DOD 噴頭設計

在壓電式按需滴墨噴墨中，壓電陶瓷材料的形變使壓力腔內的墨量改變，產生朝噴嘴傳播的壓力波。這個聲壓波必須克服細小噴嘴中的黏滯壓力損失，以及墨液彎月面的表面張力，墨滴才得以在噴嘴處開始形成。墨滴形成後，壓力必須足以將墨滴射向記錄媒材（圖 2）。10 至 20 mPa-s 的黏度可確保流體快速移動。一般而言，壓電驅動器的形變在次微米尺度。為了取得足夠大的墨量位移以形成墨滴，壓電驅動器的實際尺寸通常遠大於墨水孔口。基材上的每個像素不是被墨覆蓋就是沒有，屬於二元選擇。灰階噴墨的不同之處，在於噴頭可極快速地噴出多顆小墨滴，快到足以合併列印成單一網點。進階噴頭具有八個階層，即零至七顆墨滴。如此可在與二元式相同的原生解析度下，取得明顯更高的表觀解析度。

UV 固化油墨

紫外線（UV）固化油墨與塗料因固化後堅韌耐用，是工業與戶外應用的首選。它們具備完整的色域，加上精細的解析度，可呈現出色的列印品質。UV 固化配方包括光起始劑、單體、寡聚物、著色劑與添加劑。單體與寡聚物約占配方的 85%，著色劑可能占 10%，光起始劑約 5%，界面活性劑與穩定劑占 1% 至 2%。

UV 照射會使光起始劑鍵結斷裂，產生兩個自由基。這些自由基在單體與寡聚物之間引發鏈鎖反應，使樹脂產生廣泛但不完全的交聯（固化）。此反應為放熱反應，且 UV 光源也會散發熱量。溫度上升有助於附著及固化程度，進而提升固化後流體的耐磨、耐刮傷與抗刮痕性能1。UV 固化油墨配方的一項挑戰，是在必須具有極低黏度的同時，仍要形成有用的聚合物。不過，將油墨、噴頭與供墨系統加熱至約 50ºC，即可取得適用於壓電噴頭的黏度，但成本明顯高於室溫系統。

油墨與塑膠基材的相容性

所有油墨列印製程都要求液態油墨化學（UV、固體、熱等）與塑膠基材相容，才能達到適當的表面潤濕。UV 油墨的黏度通常低於移印或網版印刷油墨（約 25 dynes/cm）。油墨與基材相容性的一項主要影響因素，在於許多塑膠具有化學惰性、無孔且表面能低的表面。針對當今高性能工程樹脂進行表面前處理，可解決大多數油墨附著問題。一般而言，當基材的表面能（以 dynes/cm 衡量）比液體的表面張力大約 10 dynes/cm 時，即可取得可接受的油墨附著。此時液體會「潤濕」或附著於表面。

表面張力是表面能的一種量測方式，指所有液體因分子間作用力而收縮表面，傾向使所含體積形成表面積最小的形狀。因此，固體基材的表面能相對於液體表面張力越高，其「潤濕性」越好，接觸角也越小。（有關表面前處理的詳細資訊，請參閱《Plastics Decorating》2018 年 4／5 月號第 44-51 頁的「Plasma Surface Pretreatment of Polymers for Improved Adhesion」。）

表面前處理用於提高聚合物材料的表面能，並改善其潤濕與黏著性能。業界採用多種氣相表面氧化前處理製程，包括低壓冷氣體電漿（微波／RF）、電氣式（電暈放電）、火焰電漿，以及低溫無電壓大氣電漿。每種方法皆依應用而異，各有獨特優勢與潛在限制。這些製程的共同特徵，是都能產生「氣體電漿」，即由自由電子、正離子與其他化學物種組成的極具反應性氣體。在物理學上，這些電漿的產生機制雖不同，但對表面潤濕性的效果相似。有時也可用化學助黏劑（Primer）取代氣體電漿製程。

UV LED 固化

直到最近，所有固化都由水銀放電燈起始。水銀燈的發射光譜非常寬，以熱形式釋放的能量多於 UV。效率低是缺點之一；另一個缺點是會加熱油墨與基材，使 UV 固化無法用於大量應用。（水銀燈還會產生達到危害健康程度的臭氧，使情況更為複雜。）UV LED 燈（圖 3）現正取代水銀燈泡。UV LED 固化使用發光二極體，發射窄頻帶的 UV，提供峰值 UV 能量（通常以 400nm 為中心），因此大部分能量都可用於光起始反應。其中有少量為可見光，但紅外線（IR）極少。

另一項優勢是幾乎可瞬間開關，減少停機時間，並降低如水銀燈達到全功率期間所造成的能源與材料浪費。UV LED 固化相較於傳統水銀（Hg）蒸氣燈還有更多優勢。小型半導體裝置的設計運作壽命超過 20,000 小時，約為 UV 燈的 10 倍。輸出在長時間內極為穩定。UV LED 發射純 UV 而無 IR，使製程對熱敏感塑膠基材更為友善。由於沒有極短波長的光，產生的臭氧也少得多。

噴墨設備系統

噴墨列印製程與傳統油墨列印技術不同，因為統包系統整合需要許多不同領域的工程。相比之下，移印與網版印刷設備製造商幾乎都能提供包含油墨、列印耗材、固化設備、自動化及化學清洗設備的統包系統。噴墨系統元件包括噴頭、驅動電子、油墨、零件搬運與運動控制硬體，以及固化照射器。此外，數位資訊還需透過硬體／軟體檔案協定（包括主控制器驅動軟體）傳送至噴頭。沒有任何單一製造商能為每種客製化應用提供上述所有元件。要達成穩健的製造作業，必須對所有噴墨元件及零組件的相容性具備高度的工程知識。

鐿光纖雷射打標技術

光束掃描式雷射打標機利用安裝於高速電腦控制振鏡上的反射鏡，將雷射光束引導過待打標表面，就像以鉛筆在紙上書寫。Y 軸與 X 軸各有一個振鏡，提供打標範圍內的光束運動。平場透鏡組將雷射光聚焦，以在基材表面取得高功率密度。圖 4 顯示使用電腦控制振鏡的光學光束傳輸系統。

聚合物雷射打標反應機制

大多數聚合物若無化學添加劑，就不具備近紅外線吸收特性，因此難以或無法進行雷射打標。新型化學添加劑可產生純黑、淺色及客製化顏色的對比，適用於在線（on-the-fly）及二次加工作業，且不影響聚合物的透明度、光譜穿透率與基本物理性質。

可被雷射打標的聚合物，是能吸收雷射光並將光能轉換為熱能的聚合物。專家會利用添加劑、填料、顏料與染料，增強對雷射能量的吸收，以產生局部變色。與一般認知相反，並不存在能解決所有打標問題的單一雷射添加劑。依所需的打標對比與功能，會使用截然不同的配方化學、雷射類型（光纖、YAG、釩酸鹽）以及雷射光學／設定參數。

近紅外線雷射添加劑可提升對比程度，並可透過改變雷射設定參數進一步增強。顆粒與粉末形式皆可混入預先配製的色料或色母粒。選擇何種添加劑，取決於聚合物組成、基材顏色、期望的打標對比顏色，以及最終用途的認證要求。

聚合物本身具有可產生深色或淺色打標對比的固有特性。某些含少量二氧化鈦（TiO2）與碳黑的著色劑化合物也可能吸收雷射光，在某些情況下可改善打標對比。即使同屬一個聚合物家族，每個聚合物牌號也可能產生不同的結果。添加劑配方不得有毒，也不得對產品外觀或物理、功能性質造成不良影響。

最常見的表面反應機制稱為熱化學碳化，或稱「炭化」，即基材吸收的能量使吸收點周圍材料的局部溫度升高到足以造成聚合物熱降解（圖 5 [b]）。標記的深淺取決於所吸收的能量，以及材料獨特的熱降解路徑。透過最佳化雷射設定，可使表面碳化殘留物降至最少。

混入樹脂著色劑基質後可產生深色打標對比的添加劑，通常含有摻銻氧化錫、三氧化二銻或鋁粒子的混合物。它們都很容易分散於聚合物中。以重量計的典型添加濃度為 0.01 至 3.0%。許多最終配方已取得 FDA 核准，可在 21 CFR 178.3297「聚合物用著色劑」的 A 至 H 條件下使用。

第二種表面反應是化學變化，即使用在降解時釋放蒸氣的添加劑，使聚合物發泡（圖 5(c)）。發泡過程中，雷射能量由緊鄰發泡劑的添加劑吸收，吸收劑產生的熱使發泡劑降解並釋放蒸氣。發泡劑的例子有氫氧化鋁或各種碳酸鹽。為避免炭化，此機制要求聚合物的降解溫度高於發泡添加劑。透過嚴格控制雷射操作參數，可在深色基材上產生高品質且耐久的淺色標記。雷射控制不良，則可能產生易碎或低對比的標記，容易被刮傷（耐久性差）。近期開發的圖 5(e) 展示了在同一配方中同時產生純黑與不透明白色對比（經 FDA 核准）。這項突破非常適合透明（非晶態）聚合物。

第三種是利用雷射能量加熱／降解著色劑混合物中的一種著色劑，造成顏色改變（圖 5 [d]）。例如碳黑與穩定無機著色劑的混合物：加熱時碳黑被去除，留下無機著色劑。這些混合著色劑系統取決於特定著色劑的穩定性，並非所有顏色變化都可實現。

圖 5 (a) 所示的另一種特殊表面反應，是將雷射添加劑納入用於證件照識別徽章的多層積層結構。獨特的高解析度打標特徵（明顯與隱形）加上 RFID，提供強大的防偽安全性。

與油墨列印製程（移印／網版印刷及噴墨）相比，雷射添加劑可節省成本，且相較於未最佳化的材料，打標速度可提高 20% 以上。雷射添加劑以顆粒粒料與粉末形式供應。顆粒產品可直接與聚合物樹脂混合，粉末形式則需製成色母粒。大多數都易於分散於聚合物中。視添加劑與聚合物而定，（最終零件中）以重量計的添加濃度介於 0.01 至 4.0%。

奈秒鐿光纖雷射技術

雷射技術的進步，對最新一代 FDA 核准雷射添加劑的快速發展至關重要。奈秒鐿光纖雷射的出現，是打標、焊接與切割領域最重大的進展之一。從根本上說，光纖雷射不同於其他二極體泵浦固態（DPSS）打標雷射。光纖雷射產生雷射光束的增益介質分散於特殊的光纖纜線中。與光纖傳輸雷射不同的是，光束的整條路徑一直到光束傳輸光學元件都在光纖纜線內。這種全光纖結構在很大程度上造就了這類雷射的可靠性與堅固耐用，也是其快速成長的原因。

與 Nd:YAG 雷射相比，光纖雷射具有更優異的光束品質（M2）與亮度。光束品質優異的雷射可聚焦到較小的光點尺寸，進而產生高能量密度。脈衝能量高達 1mJ、具高功率密度的固定與可變脈衝主振盪功率放大器（MOPA）光纖雷射，可為許多歷來難以處理的聚合物打標。釩酸鹽雷射同樣具有較小的 M2 值，且脈衝寬度比固定式光纖雷射與 YAG 雷射更短。脈衝持續時間會影響熱量與碳化進入材料的程度。短脈衝（通常小於 40ns）在處理敏感聚合物材料時，能使能量輸入更受控制。這些脈衝仍具有足以克服材料門檻的峰值功率，但脈衝能量較低，可減少局部熱損傷。

並非所有光束掃描式光纖雷射都一樣。雷射製造商在系統中採用的硬體與軟體元件，會對打標對比、品質與速度造成顯著差異。一項主要屬性是打標表面的功率密度（瓦特／cm），這與雷射的原始輸出功率不同。雷射光束的輸出模式對打標性能至關重要。這些輸出模式與光束發散度及雷射光束直徑上的功率分布等因素有關。

功率密度是聚焦雷射光點尺寸的函數。在任何給定的透鏡焦距與雷射波長下，聚焦光點尺寸取決於雷射光束發散度，而發散度由雷射配置、選模光圈大小與擴束器（beam expander）放大倍率控制。脈衝重複率與峰值功率密度，是形成標記並達到最佳對比與速度的關鍵參數。低頻率下的高峰值功率會使表面溫度快速上升，使材料汽化，同時傳導至基材的熱量極少。隨著脈衝重複率提高，較低的峰值功率造成的汽化極少，但傳導的熱量較多。

結論

數位壓電式 DOD 噴墨與光纖雷射技術為產品客製化帶來無數優勢。穩健的打標／列印解決方案，需要對油墨／雷射化學、聚合物表面科學、製程設計與設備進行精密工程設計。選購廉價現成設備的公司，經常因缺乏對製程的理解而無法整合出穩健的系統。每種製程各有優勢與潛在限制，許多製造商已認知到同時提供兩種技術的價值。另一項附帶優勢，是能在製造流程末端直接列印已完全組裝的產品，從而節省成本並改善庫存管理。

The Sabreen Group 提供有關附著接合製程、電漿前處理及先進製造技術的全面現場教育訓練。前處理設備示範於內部進行，使用實際生產零件並進行即時測試。保證成果。

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁，該公司是專精於塑膠二次加工製程的工程公司，服務涵蓋雷射打標、噴墨列印、表面前處理、黏接、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 開發開創性技術並解決製造問題已超過 30 年。歡迎撥打 972.820.6777，或造訪 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 與他聯絡。

參考文獻

• 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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