In phun công nghiệp lên thiết bị đeo

In phun công nghiệp lên thiết bị đeo

Các thuật ngữ “thiết bị đeo”, “thiết bị đeo được” và “công nghệ đeo được” đều chỉ các công nghệ điện tử hoặc máy tính mà người tiêu dùng có thể đeo trên người và thường bao gồm thông tin theo dõi liên quan đến sức khỏe và thể chất. Chúng gồm đồ đeo cổ tay, mũ, kính, đồ đeo tay, đồ đeo chân, giày dép, miếng dán da, bộ khung xương ngoài và vải điện tử, và ngành thiết bị này vô cùng lớn. In phun công nghiệp là công nghệ kỹ thuật số duy nhất cho phép in tùy biến chức năng và phi chức năng trực tiếp lên sản phẩm.

Điểm chính cần nhớ

• In phun là công nghệ kỹ thuật số duy nhất cho phép in tùy biến chức năng và phi chức năng trực tiếp lên thiết bị đeo.
• Tùy biến mới là yếu tố thúc đẩy doanh số, chứ không phải bản thân việc in — các thương hiệu dùng nó để tăng lòng trung thành và thu thập phản hồi thiết kế.
• Chứng nhận tiếp xúc với da hiện là điều được kỳ vọng. Sau vụ thu hồi một triệu thiết bị đeo năm 2014, các nhà cung cấp chứng nhận vật liệu theo tiêu chuẩn tiếp xúc với da.
• Cần lưu ý các chất gây kích ứng như PPD (p-Phenylenediamine) trong công thức vật liệu dành cho tiếp xúc lâu dài với da.
• In phun tinh vi hơn in analog, đòi hỏi đầu in, chất lỏng, bộ điều khiển, tiền xử lý và đóng rắn được tích hợp thành một hệ thống.

Nhu cầu tùy biến

Nhu cầu tùy biến thúc đẩy doanh số, dù là sản phẩm hiệu suất sức khỏe và thể chất, đồng hồ thông minh hay hàng trăm sản phẩm vòng đeo tương tác khác. IDTechEx cho biết trong một bài viết gần đây rằng ngành điện tử đeo được tăng từ 20 tỷ USD năm 2015 lên gần 70 tỷ USD vào năm 2025.1 Lĩnh vực chiếm ưu thế sẽ vẫn là chăm sóc sức khỏe, kết hợp y tế, thể chất và sức khỏe tổng quát. Lĩnh vực này có số lượng tên tuổi lớn nhất, như Apple, Accenture, Adidas, Fujitsu, Nike, Philips, Reebok, Samsung, SAP và Roche, đứng sau những phát triển mới triển vọng nhất. Theo Bain & Company, tùy biến sản phẩm giúp các thương hiệu tăng doanh số và cơ hội là rất đáng kể.2 Ước tính có ít nhất 25-30 phần trăm người mua sắm quan tâm đến các tùy chọn tùy biến. Với một số thị trường chọn lọc, điều này tương đương 2 tỷ USD mỗi năm cho mỗi lĩnh vực. Hai xu hướng quan trọng đã xuất hiện: thứ nhất, người tiêu dùng ngày nay thể hiện cá tính hơn; và thứ hai, tùy biến là hình thức trung thành mới.

Các câu hỏi thường gặp

Thế nào được coi là “thiết bị đeo” đối với việc in?

Là các công nghệ điện tử hoặc máy tính do người tiêu dùng đeo, thường theo dõi dữ liệu sức khỏe và thể chất. Trên thực tế, bao gồm đồ đeo cổ tay, mũ, kính, đồ đeo tay, đồ đeo chân, giày dép, miếng dán da, bộ khung xương ngoài và vải điện tử — các sản phẩm có thể cứng hoặc mềm dẻo.

Vì sao dùng in phun thay vì in tampon hoặc in lụa?

Vì tùy biến là động lực thương mại. In phun là công nghệ kỹ thuật số duy nhất cho phép in tùy biến trực tiếp lên sản phẩm, nên mỗi đơn vị có thể mang nội dung khác nhau. Các quy trình analog dừng/chạy có năng suất tương đối thấp và in nhiều màu trên các mặt hàng phổ thông gần như trở nên quá tốn kém.

Những tiêu chuẩn an toàn nào áp dụng cho mực trên thiết bị đeo?

Vật liệu dành cho tiếp xúc lâu dài với da được chứng nhận theo tiêu chuẩn tiếp xúc với da, một chuyển biến tăng tốc sau khi một nhà sản xuất thu hồi một triệu thiết bị đeo năm 2014. Công thức phải tránh các chất gây kích ứng da như PPD, hay p-Phenylenediamine.

Điều gì khiến in phun khó hơn in analog?

Độ chính xác. In phun đòi hỏi các vòi phun bắn ra những giọt có kích thước chính xác với độ chuẩn xác tuyệt đối, và một hệ thống chất lượng cao phải đồng thời tích hợp đầu in, chất lỏng, bộ điều khiển điện tử, tiền xử lý và đóng rắn. Tất cả phải phối hợp với nhau để tạo ra kết quả mong muốn.

Mực in phun đóng rắn UV khác các loại mực khác như thế nào?

Polymer hình thành trong quá trình đóng rắn, nhờ phản ứng dây chuyền của monomer và oligomer. Monomer là chất lỏng có độ nhớt thấp đồng thời đóng vai trò chất mang mực, giúp loại bỏ nhu cầu dùng nước hoặc dung môi và khiến mực UV có 100% chất rắn.

In phun lên thiết bị đeo

Trọng tâm của bài viết này là “tùy biến” bằng in phun lên các thiết bị đeo đúc khuôn — từ thiết bị điện tử tương tác và đồng hồ đến giày thể thao, quần áo và sản phẩm in 3D. Một trong những thiết bị đeo đầu tiên và dễ nhận biết nhất là vòng đeo tay của Disney, còn gọi là “MagicBand”. Mỗi vòng chứa một chip RFID và một bộ thu phát vô tuyến giống như trong điện thoại không dây 2.4GHz. Vòng kết nối du khách với một hệ thống cảm biến và ứng dụng di động rộng lớn và mạnh mẽ trong công viên, đóng vai trò phương tiện thanh toán, vé vào cổng, chìa khóa phòng và nhiều chức năng khác. Phần lớn các vòng có màu trơn (như khi đúc khuôn). Mặt dưới của mỗi vòng được khắc laser, chứa thông tin nhận dạng (Xem ở trên. Nguồn ảnh: Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1). Các vòng được trang trí sẵn được bán tại cửa hàng bán lẻ. Tuy nhiên, để có trải nghiệm độc đáo, một không hai, những người đam mê tự tay làm vòng bằng các miếng dán trang trí, decal, hình xăm tạm thời, vòng bọc và sơn nhiều bước tốn công có bán ở cửa hàng đồ họa.

In phun đang thúc đẩy các quy trình sản xuất tiên tiến nhờ khả năng độc đáo trong việc lắng đọng chất lỏng chức năng trên nhiều ứng dụng, theo các họa tiết độc đáo hoặc phức tạp, hoặc lên các vật liệu nền mới. Ví dụ, mực dẫn điện cho mọi công nghệ đang mở đường trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt với vật liệu nền dẻo. Mực bạc, polymer dẫn điện hữu cơ, graphene và ống nano cacbon đang được dùng cho mạch và đầu nối trong toàn bộ điện tử dẻo. Với in phun, chúng trở nên hữu ích làm đầu nối giữa các nút bấm in (nút cảm ứng màng mỏng) trên quần áo (ví dụ: áo khoác trượt tuyết) với thiết bị di động, thẻ RFID thụ động hoặc chủ động, hoặc với chiếu sáng LED. Công nghệ điốt phát quang hữu cơ (OLED) không chỉ dẻo mà với in phun còn có thể được điều chỉnh cho nhận dạng, an toàn hoặc trang trí trên quần áo ngoài. Ngoài ra, với in phun, nhiều lớp vật liệu khác nhau đang được in để tạo cấu trúc sáu lớp riêng biệt trở lên.

Chất dẫn điện thực sự co giãn là hiếm với mọi công nghệ. Đại học Purdue đã công bố một loại chất dẫn điện kim loại lỏng có thể in phun mới, được chứng minh là phù hợp với vật liệu co giãn và cao su.3 Chúng có thể mở ra một lớp robot mềm dẻo mới và quần áo co giãn mà con người có thể mặc để tương tác với máy tính hoặc cho mục đích trị liệu.

Keo dán là nền tảng của thiết bị đeo và thường cần thiết cho các hình học phức tạp (ví dụ: giày thể thao). Các đầu in giọt lớn điều khiển bằng robot phủ keo lên ngày càng nhiều cấu trúc không đều, đảm bảo phủ toàn bộ mà không dư thừa, đồng thời đáp ứng các lô ngắn và thay đổi thường xuyên. Keo in phun latex có thể sánh với công thức truyền thống. Keo in phun đóng rắn bằng tia cực tím (UV) và chùm điện tử (EB) ngày càng sẵn có, đáp ứng nhu cầu đóng rắn tức thì đồng thời dán được các vật liệu khác nhau.

In phun đóng rắn UV phổ biến với áo khoác ngoài, huy hiệu, đồ phản quang, thiết bị thể thao và giày thể thao. Phần lớn việc in được thực hiện trên các mặt hàng được sắp xếp chính xác bằng khuôn mẫu trên khay hoặc khuôn đi qua bên dưới các đầu in chuyển động qua lại. Để đạt năng suất cao, máy in một lượt với đầu in cố định toàn chiều rộng phủ hình ảnh lên các mặt hàng được mang trên băng tải với tốc độ đến 60fpm hoặc nhanh hơn. Băng tải thường có khay để các mặt hàng luôn ở vị trí cố định, hoặc máy in có thể dựa vào camera để xác định vị trí và hướng của mặt hàng rồi phun hình ảnh tương ứng. Với đóng rắn UV, có một đèn sau các đầu in. Đèn LED ngày càng phổ biến nhờ tuổi thọ dài, đầu ra ổn định, ít sinh ozone và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Với các mặt hàng đeo, giá trị lớn nhất là chúng mát, vật liệu nền nhận rất ít nhiệt. Nhựa, vải và màng nhạy nhiệt có thể được in mà không lo co ngót hoặc biến dạng. Một lưu ý cho người dùng mực đóng rắn bằng năng lượng: vì mực lỏng nguy hại, chúng luôn phải được đóng rắn đúng cách để bảo đảm an toàn và độ bền.

Mực in phun đóng rắn UV

In phun phức tạp và tinh vi hơn nhiều so với in analog. In phun đòi hỏi các vòi phun bắn ra những giọt có kích thước chính xác với độ chuẩn xác tuyệt đối. Các hệ thống in phun chất lượng cao phải đồng thời tích hợp đầu in, chất lỏng, bộ điều khiển điện tử, tiền xử lý và đóng rắn. Tất cả những yếu tố này phải phối hợp với nhau để tạo ra kết quả mong muốn.

Mực in phun đóng rắn UV khô tức thì. In mực UV khác các loại khác ở chỗ polymer được hình thành trong quá trình đóng rắn nhờ phản ứng dây chuyền của monomer và oligomer. Monomer là chất lỏng có độ nhớt thấp, nên đồng thời đóng vai trò chất mang mực lỏng và loại bỏ nhu cầu dùng nước hoặc dung môi — đó là lý do mực đóng rắn UV có 100 phần trăm chất rắn và là giải pháp thay thế lý tưởng cho mực dung môi. Oligomer (các phân tử phản ứng lớn hơn) có nhiều nhóm chức hóa học và đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng chất kết dính đúng cách.

Quá trình trùng hợp được khởi đầu bằng tiếp xúc ngắn với ánh sáng UV, là bức xạ điện từ có bước sóng ngắn hơn và năng lượng cao hơn ánh sáng nhìn thấy. UV gần (bước sóng 390–200 nanomet) được dùng cho hầu hết quá trình đóng rắn UV. Nó được chia nhỏ thêm thành UV-A (390–320 nanomet) hay sóng dài, UV-B (320–280 nanomet) hay sóng trung và UV-C (280–200 nanomet) hay sóng ngắn. Ngoài UV gần, các loại UV khác gồm UV xa (200–10 nanomet) và UV sâu (31–1 nanomet). Bước sóng đỉnh phổ biến nhất của đèn đóng rắn UV thủy ngân thông thường là 365 nanomet, còn gọi là vạch I của thủy ngân (phổ ánh sáng).

Thiết bị đeo được in được người tiêu dùng cầm trên tay và chịu sự kiểm tra bằng mắt rất kỹ. Chữ-số có thể có kích thước sáu điểm hoặc nhỏ hơn. Để tránh lỗi nhìn thấy được và bảo đảm khả năng đọc, cần in độ phân giải cao. In phun độ phân giải cao có hai thành phần chính: khoảng cách giữa các điểm trên vật liệu nền và kích thước (thể tích) của các giọt tạo nên điểm. Độ phân giải cao đạt được nhờ đặt giọt sát nhau (hiện lên đến 1,800 x 1,800dpi), điều này cần nhiều lượt in và các bước nhỏ trên máy in đầu dao động điển hình.

Các thành phần phản ứng UV là chất khơi mào quang — các hợp chất hấp thụ năng lượng và tách ra để tạo ra các chất hóa học phản ứng mạnh, gốc tự do hoặc cation tùy loại. Mỗi loại có thể liên kết với một phần của monomer hoặc oligomer, truyền hoạt tính sang phần khác, phần này lại có thể phản ứng với monomer khác và cứ thế xây dựng polymer. Mực UV dùng bột màu làm chất tạo màu. Các phát triển trong pha chế và sản xuất mực cho phép các nhà sản xuất cung cấp màu trắng (W), đặc biệt hữu ích làm lớp nền trên vật liệu nền tối màu hoặc làm nền trên vật liệu trong suốt. Các màu cơ bản của in phun — lục lam, đỏ tươi, vàng và đen (CMYK) — cùng nhau cho dải màu rộng.

Phai màu dưới ánh nắng có thể là mối quan tâm lớn về độ bền của bản in. Vì mực UV dùng bột màu chứ không phải thuốc nhuộm, chúng vốn ít nhạy với ánh nắng hơn mực máy in để bàn. Có thể đạt khả năng chống phai rất tốt khi mực được làm bằng bột màu từ ngành sơn ô tô. Dù đắt hơn, chúng được dùng trong mực cao cấp. Ánh nắng cũng có thể làm suy giảm polymer, gây phấn hóa và giòn. Chịu ánh sáng ngoài trời liên tục năm năm là kỳ vọng thường đạt được.

Phụ gia là thiết yếu trong mọi công thức mực. Mực in nhựa thường chứa chất tăng bám dính. Việc phun và hình thành giọt, rõ ràng là trung tâm của in phun, đòi hỏi cân bằng cẩn thận giữa chất điều chỉnh độ nhớt và chất hoạt động bề mặt. Nếu không đúng, mực có thể tạo sương hoặc thấm ướt trên đầu in, cả hai đều không đạt yêu cầu. Chính các hợp chất này cũng kiểm soát khả năng thấm ướt và chảy của mực trên vật liệu nền, tức là độ bám dính và độ loang điểm. Chúng thường được tối ưu cho một hóa học bề mặt cụ thể, nhưng có những giới hạn. Ví dụ, mực có thể thấm ướt vật liệu nền năng lượng bề mặt thấp sẽ rò rỉ khỏi đầu in. Vì lý do đó, nhiều bề mặt phải được xử lý để đưa chúng vào phạm vi hoạt động của mực.

Mực in phun có độ nhớt thấp và sức căng bề mặt thấp, tạo ra các thách thức liên kết bám dính trên nhiều vật liệu nền polymer, như acetal, polyolefin và polyurethane. Các loại nhựa trơ về mặt hóa học này kỵ nước và không tự nhiên dễ thấm ướt. Theo nguyên tắc chung, đạt được độ bám dính chấp nhận được khi năng lượng bề mặt của vật liệu nền lớn hơn sức căng bề mặt của chất lỏng khoảng 8 đến 10 dyne/cm.

Tốc độ của máy in cũng có thể ảnh hưởng đến sức căng bề mặt hiệu dụng của mực. Một loại mực đo tĩnh có sức căng bề mặt 25 dyne có thể hoạt động động lực như mực có sức căng bề mặt 40 dyne trên máy in tốc độ cao. Tác động của đầu in phun và hệ thống in lên các chất lỏng mà chúng phân phối có thể ảnh hưởng đáng kể đến cách các thành phần chất lỏng sắp xếp lại trong quá trình phân phối và tương tác với bề mặt in cũng như các lớp mực hoặc lớp phủ khác.

Mức độ hoặc chất lượng xử lý chịu ảnh hưởng bởi độ sạch của bề mặt nhựa. Bề mặt phải sạch để đạt tiền xử lý tối ưu và độ bám dính mực sau đó. Ô nhiễm bề mặt, như chất chống dính khuôn silicone, bụi bẩn, mỡ, dầu và dấu vân tay, cản trở việc xử lý. Độ tinh khiết của vật liệu cũng là một yếu tố quan trọng.

Kết luận: phương pháp giải pháp tổng thể

Phương pháp giải pháp tổng thể là thiết yếu để phát triển vật liệu polymer và in phun lên thiết bị đeo. Khi yêu cầu của người tiêu dùng và chức năng phát triển, yêu cầu đối với các vật liệu dành cho tiếp xúc lâu dài với da cũng tăng theo. Sau khi FitBit thu hồi một triệu thiết bị đeo năm 2014, các nhà cung cấp đang chứng nhận vật liệu theo tiêu chuẩn tiếp xúc với da. Kiểm soát quy trình in phun cũng quan trọng không kém. Các yếu tố quan trọng gồm:

• Công thức vật liệu (bao gồm da, cao su, polyurethane nhiệt dẻo, nhựa đàn hồi copolyester và phụ gia) không gây kích ứng da, như PPD hay p-Phenylenediamine.
• Yêu cầu vật liệu bao gồm độ bền, khả năng chịu hóa chất, khả năng chống UV và chống trầy xước.
• Tiêu chuẩn tuân thủ quốc tế về độc tính như ISO 10993-10:2010 – Đánh giá sinh học đối với thiết bị y tế – Phần 10.
• Độ bám dính mực xuất sắc. Giảm thiểu các hợp chất khối lượng phân tử thấp di chuyển lên bề mặt.
• Hóa học chất lỏng mực và hiệu suất phun.
• Hệ thống máy in bền bỉ, có thể lắp đặt tại ki-ốt cũng như tại cơ sở sản xuất.

Tài liệu tham khảo

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

Scott R. Sabreen là người sáng lập và chủ tịch của The Sabreen Group, Inc., công ty kỹ thuật chuyên về các quy trình sản xuất nhựa thứ cấp: khắc laser, tiền xử lý bề mặt, dán keo, trang trí & hoàn thiện bề mặt và bảo mật sản phẩm. Sabreen đã phát triển các công nghệ tiên phong và giải quyết các vấn đề sản xuất trong hơn 30 năm. Có thể liên hệ ông theo số 972.820.6777 hoặc truy cập www.sabreen.com hoặc www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., thành lập SPF-Inc. năm 2000 để phục vụ ngành in và bao bì, tập trung vào việc điều chỉnh in kỹ thuật số cho các thị trường và ứng dụng mới. Vốn là nhà hóa học nano, khoảng một nửa trong số 25 bằng sáng chế tại Hoa Kỳ của ông liên quan đến in kỹ thuật số. Ông là thành viên của SGIA, TAPPI và RadTech. Có thể liên hệ ông qua [email protected].

---