Przemysłowy druk atramentowy na urządzeniach ubieralnych

Przemysłowy druk atramentowy na urządzeniach ubieralnych

Określenia „wearables”, „urządzenia ubieralne” i „technologia ubieralna” odnoszą się do technologii elektronicznych lub komputerów, które konsument może nosić na sobie i które często obejmują śledzenie informacji dotyczących zdrowia i kondycji. Dotyczy to opasek na nadgarstek, nakryć głowy, okularów, wyrobów na ramiona, nogi i stopy, plastrów na skórę, egzoszkieletów i e-tekstyliów, a rynek tych urządzeń jest ogromny. Przemysłowy druk atramentowy to jedyna technologia cyfrowa, która umożliwia bezpośredni druk funkcjonalny i niefunkcjonalny, dostosowany do indywidualnych potrzeb, bezpośrednio na produkcie.

Najważniejsze wnioski

• Druk atramentowy to jedyna technologia cyfrowa umożliwiająca bezpośredni, funkcjonalny i niefunkcjonalny druk personalizowany na urządzeniach ubieralnych.
• O opłacalności sprzedaży decyduje personalizacja, a nie sam druk — marki wykorzystują ją do zwiększenia lojalności klientów i zbierania opinii o projektach.
• Certyfikacja pod kątem kontaktu ze skórą jest obecnie oczekiwana. Po wycofaniu z rynku miliona urządzeń ubieralnych w 2014 roku dostawcy certyfikują materiały według norm dotyczących kontaktu ze skórą.
• W recepturach materiałów przeznaczonych do długotrwałego kontaktu ze skórą należy zwracać uwagę na substancje drażniące, takie jak PPD (p-fenylenodiamina).
• Druk atramentowy jest bardziej delikatny niż druk analogowy i wymaga zintegrowania głowic drukujących, płynów, sterowników, obróbki wstępnej i utwardzania w jeden system.

Zapotrzebowanie na personalizację

Zapotrzebowanie na personalizację napędza sprzedaż — dotyczy to zarówno produktów sportowych i zdrowotnych, jak i smartwatchy czy setek alternatywnych interaktywnych opasek. IDTechEx podała w niedawnym artykule, że rynek elektroniki ubieralnej wzrośnie z 20 mld USD w 2015 roku do prawie 70 mld USD w 2025 roku.1 Dominującym sektorem pozostanie ochrona zdrowia, łącząca medycynę, kondycję i dobre samopoczucie. Za najbardziej obiecującymi nowymi rozwiązaniami stoi w nim najwięcej znanych nazw, takich jak Apple, Accenture, Adidas, Fujitsu, Nike, Philips, Reebok, Samsung, SAP i Roche. Według Bain & Company personalizacja produktów pomaga markom zwiększać sprzedaż, a szanse z tym związane są znaczące.2 Szacuje się, że co najmniej 25–30 procent kupujących jest zainteresowanych opcjami personalizacji. Na wybranych rynkach oznaczałoby to 2 mld USD rocznie na sektor. Wyłoniły się dwa istotne trendy: po pierwsze, dzisiejsi konsumenci są bardziej ekspresyjni; po drugie, personalizacja to nowa lojalność.

Najczęściej zadawane pytania

Co uznaje się za „urządzenie ubieralne” w kontekście druku?

Technologie elektroniczne lub komputery noszone przez konsumenta, często śledzące dane dotyczące zdrowia i kondycji. W praktyce obejmuje to opaski na nadgarstek, nakrycia głowy, okulary, wyroby na ramiona, nogi i stopy, plastry na skórę, egzoszkielety i e-tekstylia — produkty, które mogą być sztywne lub elastyczne.

Dlaczego stosuje się druk atramentowy zamiast tampondruku lub sitodruku?

Ponieważ motorem rynku jest personalizacja. Druk atramentowy to jedyna technologia cyfrowa umożliwiająca bezpośredni druk personalizowany na produkcie, dzięki czemu każda sztuka może mieć inną treść. Procesy analogowe z cyklem start/stop cechują się stosunkowo niską wydajnością, a druk wielobarwny na towarach masowych staje się niemal nieopłacalny.

Jakie normy bezpieczeństwa obowiązują dla farb na urządzeniach ubieralnych?

Materiały przeznaczone do długotrwałego kontaktu ze skórą certyfikuje się według norm dotyczących kontaktu ze skórą, a zmiana ta przyspieszyła po tym, jak w 2014 roku producent wycofał milion urządzeń ubieralnych. Receptury muszą unikać substancji drażniących skórę, takich jak PPD, czyli p-fenylenodiamina.

Co sprawia, że druk atramentowy jest trudniejszy niż analogowy?

Precyzja. Druk atramentowy wymaga, aby dysze wyrzucały krople o precyzyjnie określonej wielkości z dokładnością co do najmniejszego szczegółu, a wysokiej jakości system musi jednocześnie integrować głowice drukujące, płyny, sterowniki elektroniczne, obróbkę wstępną i utwardzanie. Wszystkie te elementy muszą współdziałać, aby dać zamierzony rezultat.

Czym farby UV do druku atramentowego różnią się od innych rodzajów farb?

Polimer powstaje podczas utwardzania w reakcji łańcuchowej monomerów i oligomerów. Monomery to ciecze o niskiej lepkości, które pełnią też funkcję nośnika farby, co eliminuje potrzebę stosowania wody lub rozpuszczalnika i sprawia, że farby UV zawierają 100% substancji stałych.

Druk atramentowy na urządzeniach ubieralnych

W tym artykule uwagę skupiono na „personalizacji” za pomocą druku atramentowego na formowanych urządzeniach ubieralnych — od interaktywnych urządzeń elektronicznych i zegarków po obuwie sportowe, odzież i produkty drukowane 3D. Jednym z pierwszych i najbardziej rozpoznawalnych urządzeń ubieralnych jest opaska na nadgarstek Disneya, zwana także „MagicBand”. Każda opaska zawiera układ RFID oraz radio, takie jak w telefonie bezprzewodowym 2,4 GHz. Opaska łączy odwiedzających z rozległym i wydajnym systemem czujników i aplikacji mobilnych na terenie parku, pełniąc funkcję środka płatniczego, biletu wstępu do parku, klucza do pokoju i wiele więcej. Większość opasek ma jednolite kolory (takie jak po formowaniu). Spód każdej opaski jest znakowany laserowo i zawiera informacje identyfikacyjne (patrz wyżej. Źródło zdjęcia: Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1). Wstępnie zaprojektowane, zdobione opaski sprzedaje się w punktach sprzedaży detalicznej. Jednak aby uzyskać wyjątkowe, jedyne w swoim rodzaju wrażenia, entuzjaści ręcznie wykonują opaski z użyciem pracochłonnych, wieloetapowych aplikacji, kalkomanii, tatuaży tymczasowych, nakładek i farb dostępnych w sklepach dla grafików.

Druk atramentowy napędza zaawansowane procesy produkcyjne dzięki unikalnej zdolności nanoszenia płynów funkcjonalnych w szerokim zakresie zastosowań, w unikalnych lub złożonych wzorach albo na nowatorskie podłoża. Na przykład farby przewodzące, we wszystkich technologiach, torują drogę w wielu obszarach, zwłaszcza na podłożach elastycznych. Farby ze srebra, organicznych polimerów przewodzących, grafenu i nanorurek węglowych stosuje się do obwodów i złączy w elektronice elastycznej. Dzięki drukowi atramentowemu stają się użyteczne jako połączenia między drukowanymi przyciskami (cienkowarstwowymi przyciskami dotykowymi) na odzieży (na przykład kurtkach narciarskich) a urządzeniami mobilnymi, pasywnymi lub aktywnymi znacznikami RFID albo oświetleniem LED. Technologia organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED) jest nie tylko elastyczna, ale dzięki drukowi atramentowemu można ją także dostosować do identyfikacji, bezpieczeństwa lub dekoracji odzieży wierzchniej. Ponadto za pomocą druku atramentowego drukuje się wiele warstw z różnych materiałów, tworząc konstrukcje z sześciu lub więcej odrębnych warstw.

Naprawdę elastyczne przewodniki są rzadkością w każdej technologii. Uniwersytet Purdue ogłosił nową klasę drukowanych atramentowo przewodników z ciekłego metalu, których przydatność wykazano dla materiałów rozciągliwych i gumopodobnych.3 Mogłyby one umożliwić powstanie nowej klasy giętkich robotów i rozciągliwej odzieży, którą ludzie mogliby nosić do interakcji z komputerami lub w celach terapeutycznych.

Kleje są kamieniem węgielnym urządzeń ubieralnych i często są wymagane przy złożonych geometriach (na przykład w obuwiu sportowym). Głowice drukujące o dużej wielkości kropli, sterowane robotycznie, nanoszą kleje na coraz szerszy zakres nieregularnych struktur, zapewniając pełne pokrycie bez nadmiaru i umożliwiając krótkie serie oraz częste zmiany. Lateksowe kleje do druku atramentowego mogą dorównywać tradycyjnym recepturom. Coraz częściej dostępne są kleje do druku atramentowego utwardzane promieniowaniem ultrafioletowym (UV) i wiązką elektronów (EB), spełniające zapotrzebowanie na natychmiastowe utwardzanie przy łączeniu różnych materiałów.

Druk atramentowy z utwardzaniem UV jest popularny w odzieży wierzchniej, odznakach, sprzęcie odblaskowym, sprzęcie sportowym i obuwiu sportowym. Większość druku wykonuje się na elementach precyzyjnie ułożonych według szablonów na tacach lub formach przesuwających się pod posuwisto-zwrotnymi głowicami. Dla wysokiej wydajności drukarki jednoprzebiegowe z nieruchomymi głowicami o pełnej szerokości nanoszą obrazy na elementy przenoszone na taśmie z prędkością do 60 stóp na minutę lub większą. Taśma często ma tace, aby elementy zawsze znajdowały się w stałym położeniu, albo drukarka może korzystać z kamer do określenia położenia i orientacji elementu i odpowiedniego wyrzucania obrazu. Do utwardzania UV za głowicami drukującymi znajduje się lampa. Lampy LED zyskują na popularności dzięki długiej żywotności, stałej mocy wyjściowej, ograniczonemu wytwarzaniu ozonu i niższemu zużyciu energii. W przypadku urządzeń ubieralnych największą wartością jest to, że są zimne, a podłoże otrzymuje bardzo mało ciepła. Wrażliwe na ciepło tworzywa, tkaniny i folie można drukować bez obawy o skurcz lub odkształcenie. Przestroga dla użytkowników farb utwardzanych energią: ponieważ farby ciekłe są niebezpieczne, zawsze muszą być prawidłowo utwardzone, dla bezpieczeństwa i trwałości.

Farby do druku atramentowego utwardzane promieniowaniem UV

Druk atramentowy jest znacznie bardziej złożony i delikatny niż druk analogowy. Wymaga on, aby dysze wyrzucały krople o precyzyjnie określonej wielkości z dokładnością co do najmniejszego szczegółu. Wysokiej jakości systemy druku atramentowego muszą jednocześnie integrować głowice drukujące, płyny, sterowniki elektroniczne, obróbkę wstępną i utwardzanie. Wszystkie te elementy muszą współdziałać, aby dać zamierzony rezultat.

Farby do druku atramentowego utwardzane UV schną natychmiast. Druk farbami UV różni się od innych rodzajów tym, że polimer powstaje podczas utwardzania w reakcji łańcuchowej monomerów i oligomerów. Monomery to ciecze o niskiej lepkości, więc pełnią również funkcję ciekłego nośnika farby i eliminują potrzebę stosowania wody lub rozpuszczalnika — dlatego farby utwardzane UV zawierają 100 procent substancji stałych i są idealną alternatywą dla farb rozpuszczalnikowych. Oligomery (większe cząsteczki reaktywne) mają wiele grup funkcyjnych i są kluczowe dla prawidłowego zbudowania spoiwa.

Polimeryzację inicjuje krótka ekspozycja na światło UV, czyli promieniowanie elektromagnetyczne o krótszej długości fali i wyższej energii niż światło widzialne. Do większości procesów utwardzania UV stosuje się bliski UV (długość fali 390–200 nanometrów). Dzieli się go dalej na UV-A (390–320 nanometrów), czyli fale długie, UV-B (320–280 nanometrów), czyli fale średnie, oraz UV-C (280–200 nanometrów), czyli fale krótkie. Poza bliskim UV wyróżnia się także inne kategorie UV, w tym daleki UV (200–10 nanometrów) i głęboki UV (31–1 nanometrów). Najczęstsza długość fali szczytowej dla konwencjonalnych lamp rtęciowych do utwardzania UV to 365 nanometrów, nazywana także linią I rtęci (widmo światła).

Drukowane urządzenia ubieralne konsumenci trzymają w ręku i poddają bardzo dokładnej ocenie wzrokowej. Tekst alfanumeryczny może mieć wielkość sześciu punktów lub mniej. Aby uniknąć widocznych artefaktów i zapewnić czytelność, wymagany jest druk o wysokiej rozdzielczości. Wysokorozdzielczy druk atramentowy ma dwa podstawowe składniki — rozstaw punktów na podłożu oraz wielkość (objętość) kropli tworzących punkty. Wysoką rozdzielczość uzyskuje się przez gęste umieszczanie kropli (obecnie do 1800 x 1800 dpi), co wymaga wielu przejść i drobnych kroków w typowej drukarce z oscylującą głowicą.

Składnikami reagującymi na UV są fotoinicjatory — związki, które pochłaniają energię i rozpadają się, tworząc wysoce reaktywne indywidualne cząstki chemiczne, zależnie od typu rodnikowe lub kationowe. Każda z nich może połączyć się z jedną częścią monomeru lub oligomeru, co przenosi aktywność na inną część, która z kolei może reagować z kolejnym monomerem i tak dalej, aż powstanie polimer. Farby UV wykorzystują barwniki pigmentowe. Postępy w formułowaniu i produkcji farb pozwalają producentom oferować biel (W), szczególnie przydatną jako podkład na ciemnych podłożach lub tło na przezroczystych. Podstawowe kolory druku atramentowego — cyjan, magenta, żółty i czarny (CMYK) razem — dają dużą gamę kolorów.

Płowienie na słońcu może być poważnym problemem trwałości druku. Ponieważ farby UV wykorzystują pigmenty, a nie barwniki rozpuszczalne, są z natury mniej wrażliwe na światło słoneczne niż farby biurkowe. Bardzo dobrą odporność na płowienie uzyskuje się, gdy farby wytwarza się z pigmentów z przemysłu lakierów samochodowych. Choć są droższe, stosuje się je w farbach premium. Światło słoneczne może również degradować polimer, powodując kredowanie i kruchość. Pięcioletnia ciągła ekspozycja na światło na zewnątrz to powszechnie spełniane oczekiwanie.

Dodatki są niezbędne we wszystkich recepturach farb. Farby do druku na tworzywach sztucznych zawierają zwykle promotory przyczepności. Wyrzucanie i tworzenie kropli, oczywiście kluczowe dla druku atramentowego, wymagają starannej równowagi modyfikatorów lepkości i środków powierzchniowo czynnych. Jeśli nie jest ona prawidłowa, farba może tworzyć mgłę lub zwilżać głowicę, co jest niedopuszczalne. Te same związki kontrolują także zwilżanie i rozpływ farby na podłożu, czyli przyczepność i rozlewanie punktu. Zazwyczaj optymalizuje się je pod kątem konkretnej chemii powierzchni, ale istnieją ograniczenia. Na przykład farba, która zwilży podłoże o niskiej energii powierzchniowej, będzie wyciekać z głowicy drukującej. Z tego powodu wiele powierzchni należy poddać obróbce, aby przenieść je w zakres funkcjonalności farby.

Farby do druku atramentowego mają niską lepkość i niskie napięcie powierzchniowe, co stwarza wyzwania dla łączenia adhezyjnego na wielu podłożach polimerowych, takich jak acetale, poliolefiny i poliuretany. Te chemicznie obojętne tworzywa są hydrofobowe i nie są naturalnie zwilżalne. Zasadniczo akceptowalną przyczepność uzyskuje się, gdy energia powierzchniowa podłoża jest o około 8 do 10 dyn/cm większa niż napięcie powierzchniowe cieczy.

Prędkość maszyny drukującej może również wpływać na efektywne napięcie powierzchniowe farby. Farba, której statyczne napięcie powierzchniowe wynosi 25 dyn, może dynamicznie zachowywać się jak farba o napięciu powierzchniowym 40 dyn na szybkiej maszynie. Działanie głowic i systemów druku atramentowego na dozowane przez nie płyny może znacząco wpływać na sposób, w jaki składniki płynu przegrupowują się podczas dozowania oraz oddziaływania z powierzchnią drukowaną i innymi warstwami farby lub powłoki.

Stopień lub jakość obróbki zależy od czystości powierzchni tworzywa. Powierzchnia musi być czysta, aby uzyskać optymalną obróbkę wstępną, a następnie przyczepność farby. Zanieczyszczenia powierzchni, takie jak silikonowy środek antyadhezyjny do form, brud, kurz, smar, oleje i odciski palców, utrudniają obróbkę. Ważnym czynnikiem jest także czystość materiału.

Podsumowanie: metodyka kompleksowych rozwiązań

Metodyka kompleksowych rozwiązań jest niezbędna przy opracowywaniu materiałów polimerowych i druku atramentowego na urządzeniach ubieralnych. Wraz z rozwojem wymagań konsumentów i funkcjonalności rosną wymagania wobec materiałów przeznaczonych do długotrwałego kontaktu ze skórą. Po tym, jak FitBit wycofał w 2014 roku milion urządzeń ubieralnych, dostawcy certyfikują materiały według norm dotyczących kontaktu ze skórą. Równie kluczowa jest kontrola procesu druku atramentowego. Do ważnych czynników należą:

• receptury materiałów (w tym skóry, gumy, termoplastycznego poliuretanu, elastomerów kopoliestrowych i dodatków), które nie będą podrażniać skóry, takie jak PPD, czyli p-fenylenodiamina;
• wymagania materiałowe, w tym trwałość, odporność chemiczna, odporność na UV i odporność na zarysowania;
• międzynarodowe normy zgodności dotyczące toksyczności, takie jak ISO 10993-10:2010 — Biologiczna ocena wyrobów medycznych — Część 10;
• doskonała przyczepność farby; ograniczenie do minimum związków o małej masie cząsteczkowej migrujących na powierzchnię;
• chemia płynu farby i wydajność wyrzucania;
• niezawodne systemy drukujące, które można uruchomić w kioskach oraz w zakładach produkcyjnych.

Źródła

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

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc., firmy inżynieryjnej specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych — znakowaniu laserowym, obróbce wstępnej powierzchni, klejeniu, zdobieniu i wykańczaniu oraz bezpieczeństwie produktu. Sabreen opracowuje pionierskie technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne od ponad 30 lat. Można się z nim skontaktować pod numerem 972.820.6777 lub odwiedzając stronę www.sabreen.com albo www.plasticslasermarking.com.

Dr Dene Taylor założył w 2000 roku firmę SPF-Inc., obsługującą branże poligraficzną i opakowaniową, ze szczególnym naciskiem na dostosowywanie druku cyfrowego do nowych rynków i zastosowań. Z wykształcenia nanochemik, około połowa jego 25 patentów amerykańskich dotyczy druku cyfrowego. Jest członkiem SGIA, TAPPI i RadTech. Można się z nim skontaktować pod adresem [email protected].

---