In phun UV LED một lượt (single-pass) trên nhựa 3D – Hóa học mực in và bề mặt polymer

In phun UV LED một lượt (single-pass) trên nhựa 3D – Hóa học mực in và bề mặt polymer

In phun công nghiệp đang tạo tác động đáng kể trong lĩnh vực trang trí vốn từ trước đến nay được thực hiện bằng các quy trình tương tự truyền thống như in tampon, in lụa và in flexo/gravure. Công nghệ in phun đã tiến từ mực dung môi đơn sắc liên tục sang các màu đầy đủ gam theo giọt theo yêu cầu, từ nhị phân sang thang xám, từ đèn hơi thủy ngân sang đóng rắn UV LED, và từ máy in phẳng quét sang quay 360°. Lĩnh vực mới là in màu UV LED một lượt trên sản phẩm nhựa 3D bằng loại mực mới được chứng nhận an toàn về độc tính và tương thích sinh học. In một lượt nhanh hơn và hiệu quả chi phí hơn in quét, nhưng công nghệ phức tạp hơn và đòi hỏi thiết kế kỹ thuật chính xác. Những yếu tố này kết hợp với thách thức vốn có về độ bám dính của mực trên các polymer có năng lượng bề mặt thấp. Góc tiếp xúc động được xem xét để xác định độ nhớt mực và độ thấm ướt bề mặt.

Điểm chính cần nhớ

• In một lượt nhanh hơn và hiệu quả chi phí hơn in quét, nhưng phức tạp hơn đáng kể về thiết kế kỹ thuật.
• In quét che giấu lỗi. Nhiều lượt in che đi các điểm ảnh bị thiếu hoặc lệch — in một lượt không có sự du di như vậy.
• Lựa chọn mực là quyết định then chốt nhất. Nó quyết định loại đầu phun, thông số đóng rắn và việc có cần tiền xử lý hay không.
• Lem màu là rủi ro của in một lượt, vì lượng mực lớn được phủ xuống chỉ trong một lượt.
• Mực có độ nhớt và sức căng bề mặt thấp gặp khó khăn trên polyolefin, nylon và TPE/cao su, vốn không phân cực và không tự thấm ướt.

In quét so với in một lượt

Máy in phun in bằng cách phủ mực trong một hoặc nhiều lượt. Hoặc các đầu phun di chuyển trên vật thể, hoặc vật thể di chuyển bên dưới một đầu phun hoặc dàn đầu phun cố định. In quét, hay in nhiều lượt, nghĩa là máy in thực hiện nhiều lượt trên vật liệu nền để phủ kín hoàn toàn và tạo chi tiết cần thiết.

Lợi ích của in quét là làm cho mọi lỗi in ít nhìn thấy hơn, chẳng hạn điểm ảnh bị thiếu hoặc lệch. Nhược điểm của in quét là chậm, vì cần nhiều lượt trên cùng một vùng để phủ mực hoàn chỉnh. Trong in một lượt, các đầu phun in trực tiếp lên vật liệu nền (hoặc cuộn) đang chuyển động trên hệ thống băng tải. Ưu điểm đáng kể của in một lượt là tốc độ cao hơn và năng suất tăng.

Câu hỏi thường gặp

Khác biệt giữa in phun quét và in phun một lượt là gì?

Ở in quét, hay nhiều lượt, máy in thực hiện nhiều lượt trên vật liệu nền để đạt độ phủ đầy đủ và chi tiết. Ở in một lượt, các đầu phun in trực tiếp lên vật thể đang chuyển động chỉ trong một lượt. In quét chậm hơn nhưng du di hơn; in một lượt nhanh hơn và năng suất hơn nhưng chịu lỗi kém hơn nhiều.

Vì sao in một lượt khó thực hiện đúng hơn?

Vì không có lượt thứ hai để che lỗi. Mọi điểm ảnh thiếu hoặc lệch đều nhìn thấy, và việc kiểm soát lem màu trở nên then chốt do toàn bộ lượng mực được phủ cùng lúc thay vì tích lũy dần.

Quyết định quan trọng nhất trong dự án in phun là gì?

Là mực in. Việc chọn mực quyết định các thành phần của hệ thống — loại đầu phun, thông số đóng rắn và việc có cần tiền xử lý bề mặt hay không. Hóa học chất lỏng, độ nhớt và ứng suất trượt, cùng vật lý phun từng giọt phải hoạt động chính xác trong điều kiện khắc nghiệt, và những yêu cầu này còn được khuếch đại với in một lượt.

Vì sao mực in phun khó bám dính trên một số loại nhựa?

Mực in phun có độ nhớt và sức căng bề mặt thấp, trong khi polyolefin, nylon và vật liệu nền TPE hoặc cao su không phân cực, trơ về mặt hóa học, kỵ nước và không tự thấm ướt. Nếu không nâng năng lượng bề mặt, mực không thể đạt sự tiếp xúc chặt chẽ mà độ bám dính đòi hỏi.

In phun một lượt đã chứng tỏ hiệu quả ở đâu?

Chủ yếu trong các ứng dụng 2D — vé số dạng cuộn, thẻ thông minh, gạch men, thùng và hộp carton. Lĩnh vực mới hơn là in màu một lượt trên sản phẩm nhựa 3D bằng mực được chứng nhận an toàn về độc tính và tương thích sinh học.

Mực đóng rắn UV

Đối với mọi ứng dụng, việc chọn mực là quyết định then chốt nhất, quyết định các thành phần của hệ thống gồm loại đầu phun, thông số đóng rắn và khả năng cần tiền xử lý bề mặt. Hóa học chất lỏng (độ nhớt và ứng suất trượt) và vật lý phun từng giọt mực phải hoạt động chính xác để vận hành trong điều kiện khắc nghiệt. Những yếu tố này được khuếch đại với in một lượt so với in quét.

In phun một lượt đã có từ lâu, tập trung vào in 2D vé số dạng cuộn, thẻ thông minh, gạch men, thùng và hộp carton, v.v. Các thách thức công nghệ ban đầu đã được khắc phục cùng với những tiến bộ gần đây về hóa học mực và khoa học polymer, cho phép in phun UV LED một lượt toàn màu trên polymer có năng lượng bề mặt thấp. Có sẵn các hệ thống sản xuất hàng loạt hoàn toàn tự động với tùy chọn tiền xử lý và thị giác máy trong dây chuyền. Bài viết này xem xét mực đóng rắn UV, bề mặt polymer và độ thấm ướt.

Mực UV đóng rắn thành thể rắn khi các chất khơi mào quang trong mực tương tác với nguồn tia cực tím cường độ cao. Mực UV được xem là thân thiện với môi trường hơn vì về cơ bản không chứa dung môi. Tuy nhiên, loại mực này có mối lo ngại về độc tính. Mực UV chưa đóng rắn chứa monomer chưa phản ứng, có hại cho cơ thể con người. Ngay cả bản in hoàn thiện đã đóng rắn cũng có thể còn monomer dư chưa phản ứng. Rất khuyến nghị sử dụng máy đo bức xạ.

Các thành phần riêng lẻ của mực đóng rắn UV có bột màu thường gồm monomer (chất lỏng độ nhớt thấp), oligomer (tính chất bám dính và đóng rắn), bột màu (màu sắc), chất khơi mào quang (đóng rắn UV) và phụ gia (thấm ướt và phân tán).

Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa các tính chất hiệu năng của công thức mực cuối cùng. Pha chế mực trắng UV so với các màu quy trình cho in phun một lượt là thách thức do các hạt bột màu TiO2 lớn và nặng, dễ lắng đọng.

Độ nhớt (hay chính xác là độ nhớt trượt) là thông số then chốt điều tiết dòng chảy qua vòi đầu phun và xung kích hoạt. Ở đầu phun áp điện theo giọt theo yêu cầu, xung kích hoạt là điện áp tạo ra chuyển động của phần tử áp điện để tạo chênh lệch áp suất (Hình 1).

Khi một giọt được bắn ra, dao động áp suất luân phiên giảm dần theo thời gian (hiệu ứng tắt dần). Do lưu lượng cao và đường kính vòi nhỏ, chất lỏng hoạt động ở chế độ tốc độ trượt cao. Ngoài ra, độ nhớt có ảnh hưởng đến việc nạp mực vào buồng mực của đầu phun. Độ nhớt nhìn chung giảm khi tốc độ trượt tăng, và chất lỏng này được gọi là chất lỏng “loãng khi trượt” (hiện tượng ngược lại, trong đó độ nhớt tăng theo tốc độ trượt, gọi là chất lỏng “thixotropic”).

Khi mực trở nên đặc hơn hoặc loãng hơn, thay đổi trượt có thể ảnh hưởng bất lợi đến hiệu năng phun. Trong vòi phun, mực vừa bị trượt vừa bị kéo giãn, và cần hiểu độ nhớt kéo giãn vì nó ảnh hưởng đến sự hình thành và đứt của sợi mực và sự tạo giọt sau đó.

Ví dụ, dòng mực Apollo FTX được pha chế và đánh giá đạt là an toàn cho người lớn và trẻ em (tiếp xúc với da người) theo ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) và đã được thử nghiệm tương thích sinh học†. Hóa học của mực được khớp chính xác với các tính chất đóng rắn UV LED cụ thể và thẩm mỹ, không đóng rắn thiếu (dính tay) cũng không đóng rắn quá (giòn).

Loại mực này có dòng chảy ổn định cao (hành vi lưu biến ổn định) và góc tiếp xúc khi rời vòi phun (sự đứt tia đồng đều). Mực có khả năng thấm ướt, độ bám dính và độ bám dính liên phân tử vượt trội giữa mực trắng (lớp nền) và các màu CMYK++. Không cần tiền xử lý bề mặt trên nhiều vật liệu nền có năng lượng bề mặt thấp, kể cả cao su nitrile và latex.

Tính chất đóng rắn cuối cùng cho thấy khả năng chống xước/trầy và kháng hóa chất vượt trội, kể cả thử nghiệm máy rửa chén. Mực tương thích với các mẫu đầu phun cụ thể của Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba, Konica Minolta.

Bề mặt polymer và độ thấm ướt

Độ nhớt mực chính xác cho in một lượt là then chốt để kiểm soát lem màu (do lượng mực lớn được phủ xuống trong một lượt) so với máy in quét. Mực in phun có độ nhớt và sức căng bề mặt thấp, gây ra vấn đề bám dính trên nhiều polymer, chẳng hạn polyolefin, nylon, TPE/cao su, v.v. Những loại vật liệu nền này là nhựa không phân cực, trơ về mặt hóa học, kỵ nước và không tự thấm ướt.

Xét một giọt chất lỏng đơn trên bề mặt rắn phẳng ở trạng thái nghỉ (cân bằng). Góc tạo bởi bề mặt rắn và đường tiếp tuyến với mặt trên của giọt tại điểm cuối được gọi là góc tiếp xúc. Đó là góc giữa đường tiếp tuyến tại điểm tiếp xúc và đường nằm ngang của bề mặt rắn.

Tuy nhiên, chất lỏng mực và góc tiếp xúc mang tính động, không tĩnh. Khi một giọt bám trên bề mặt rắn và bề mặt rắn được nghiêng, giọt sẽ lao về phía trước và trượt xuống. Các góc tạo thành được gọi lần lượt là góc tiến (θa) và góc lùi (θr) (Hình 2).

Hình dạng giọt là do các lực phân tử mà nhờ đó mọi chất lỏng, thông qua sự co bề mặt, có xu hướng tạo thể tích chứa trong thành hình dạng có diện tích bề mặt nhỏ nhất. Các lực liên phân tử làm co bề mặt được gọi là “sức căng bề mặt”. Sức căng bề mặt của mực in phun kiểm soát việc phun đúng từ đầu phun.

Sức căng bề mặt, một phép đo năng lượng bề mặt, được biểu thị bằng dyne/cm. Năng lượng bề mặt của vật liệu nền rắn càng cao so với sức căng bề mặt của chất lỏng (mực), khả năng thấm ướt càng tốt và góc tiếp xúc càng nhỏ. Theo quy tắc chung, đạt được độ bám dính chấp nhận được khi năng lượng bề mặt của vật liệu nền cao hơn sức căng bề mặt của chất lỏng khoảng 8 đến 10 dyne/cm.

Góc tiếp xúc nhìn chung bị ảnh hưởng bởi thay đổi hóa học bề mặt và thay đổi hình thái bề mặt. Góc tiến nhạy nhất với các thành phần năng lượng thấp (chưa biến tính) của bề mặt vật liệu nền, trong khi góc lùi nhạy hơn với các nhóm oxy hóa năng lượng cao được đưa vào bởi tiền xử lý bề mặt.

Góc lùi là phép đo đặc trưng nhất cho thành phần đã biến tính của bề mặt sau tiền xử lý. Cần đo góc tiếp xúc động để hiểu các tương tác bề mặt, việc phun tối ưu và thời gian cần có giữa lúc đặt giọt và khi bắt đầu đóng rắn. Nếu thiếu thông tin này, sẽ xảy ra các vấn đề lớn về chất lượng in phun, ví dụ giọt vệ tinh, phun tràn, sương mực, v.v. Khuyến nghị dùng thiết bị đo góc tiếp xúc sử dụng phương pháp lắng đọng đạn đạo (ballistic) thay vì dung dịch dyne.

Kết luận

In màu UV LED một lượt trên sản phẩm cứng và dẻo/co giãn là một trong những tiến bộ mới nhất đang thay đổi công nghệ in phun công nghiệp. Để sản xuất thành công, cần hiểu nhiều yếu tố quy trình và mối quan hệ tương hỗ ngay từ đầu của mọi dự án.

Tài liệu tham khảo

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

†Dòng mực Apollo FTX có bán. Liên hệ The Sabreen Group theo số 972.820.6777 hoặc [email protected].

Scott R. Sabreen là người sáng lập và chủ tịch của The Sabreen Group, Inc., công ty tư vấn kỹ thuật chuyên về các quy trình gia công nhựa thứ cấp – tiền xử lý bề mặt, liên kết bám dính, in phun, khắc laser, trang trí & hoàn thiện bề mặt và bảo mật sản phẩm. Ông 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.

---