3D plastiklerde tek geçişli UV LED mürekkep püskürtmeli baskı – mürekkep kimyası ve polimer yüzeyleri

3D plastiklerde tek geçişli UV LED mürekkep püskürtmeli baskı – mürekkep kimyası ve polimer yüzeyleri

Endüstriyel mürekkep püskürtmeli baskı, geleneksel olarak tampon, serigrafi ve flekso/gravür gibi konvansiyonel analog proseslerle yapılan dekorasyonda önemli bir etki yaratmaktadır. Mürekkep püskürtmeli teknolojisi; sürekli tek renkli çözücü bazlı mürekkeplerden talep üzerine damlatmalı tam gam renklere, ikili sistemden gri tonlamaya, cıva buharlı lambalardan UV LED kürlemeye ve tarayan düz yataklı yazıcılardan 360° döner sistemlere ilerlemiştir. Yeni sınır, toksisite ve biyouyumluluk sertifikalı yeni bir mürekkep kullanarak 3D plastik ürünlerde tek geçişli UV LED renkli baskıdır. Tek geçiş taramadan daha hızlı ve maliyet açısından daha verimlidir, ancak teknoloji daha karmaşıktır ve hassas mühendislik gerektirir. Bu faktörler, düşük yüzey enerjili polimerlerde mürekkep yapışmasının doğal zorluklarıyla birleşir. Mürekkep viskozitesini ve yüzey ıslanmasını belirlemek için dinamik temas açıları incelenir.

Temel çıkarımlar

• Tek geçiş taramadan daha hızlı ve maliyet açısından daha verimlidir, ancak mühendisliği çok daha karmaşıktır.
• Tarama hataları gizler. Çoklu geçişler eksik veya yanlış yerleştirilmiş noktaları maskeler; tek geçişte böyle bir tolerans yoktur.
• Mürekkep seçimi tek başına en kritik karardır. Yazıcı kafası türünü, kürleme parametrelerini ve ön işlem gerekip gerekmediğini belirler.
• Renk taşması tek geçişin riskidir, çünkü yüksek mürekkep hacmi tek geçişte bırakılır.
• Düşük viskoziteli ve düşük yüzey gerilimli mürekkepler, polar olmayan ve doğal olarak ıslanmayan poliolefinlerde, naylonlarda ve TPE/kauçukta zorlanır.

Tarama ve tek geçişli baskı

Mürekkep püskürtmeli yazıcılar, mürekkebi tek veya çoklu geçişle uygulayarak baskı yapar. Ya yazıcı kafaları nesnenin üzerinde hareket eder ya da nesne sabit bir yazıcı kafasının veya yazıcı kafası dizisinin altında hareket eder. Tarama veya çoklu geçişli baskı, yazıcının altlık malzemeyi tam olarak kaplamak ve gereken ayrıntıyı sağlamak için üzerinden birçok geçiş yapması anlamına gelir.

Taramanın bir faydası, baskıdaki eksik veya yanlış yerleştirilmiş noktalar gibi hataları daha az görünür kılmasıdır. Taramanın dezavantajı yavaş olmasıdır; çünkü tam mürekkep kaplaması sağlamak için aynı alan üzerinden birden fazla geçiş gerekir. Tek geçişli baskıda yazıcı kafaları, hareketli bir taşıma sistemi üzerindeki hareketli bir altlık malzemenin (veya bandın) üzerine doğrudan baskı yapar. Tek geçişin önemli avantajı daha yüksek hız ve artan verimliliktir.

Sıkça sorulan sorular

Tarama ile tek geçişli mürekkep püskürtme arasındaki fark nedir?

Taramada veya çoklu geçişte yazıcı, tam kaplama ve ayrıntı elde etmek için altlık malzeme üzerinden birçok geçiş yapar. Tek geçişte yazıcı kafaları, hareketli bir nesneye tek geçişte doğrudan baskı yapar. Tarama daha yavaştır ancak daha toleranslıdır; tek geçiş daha hızlı ve daha verimlidir ancak hataya çok daha az toleranslıdır.

Tek geçişli baskıyı doğru yapmak neden daha zordur?

Çünkü hataları kapatacak ikinci bir geçiş yoktur. Her eksik veya yanlış yerleştirilmiş nokta görünür ve tüm mürekkep hacmi kademeli olarak birikmek yerine bir anda bırakıldığından renk taşmasının kontrolü kritik hale gelir.

Bir mürekkep püskürtmeli baskı projesinde en önemli karar nedir?

Mürekkep. Seçimi, sistem bileşenlerini (yazıcı kafası türü, kürleme parametreleri ve yüzey ön işlemi gerekip gerekmediği) belirler. Akışkan kimyası, viskozite ve kayma ile her damlanın püskürtülme fiziği aşırı koşullar altında tam olarak doğru davranmalıdır; bu talepler tek geçişte daha da büyür.

Mürekkep püskürtmeli mürekkepler bazı plastiklere yapışmakta neden zorlanır?

Mürekkep püskürtmeli mürekkepler düşük viskoziteli ve düşük yüzey gerilimlidir; poliolefinler, naylonlar ve TPE veya kauçuk altlık malzemeler ise polar olmayan, kimyasal olarak inert, hidrofobik ve doğal olarak ıslanmayan malzemelerdir. Yüzey enerjisi artırılmadıkça mürekkep, yapışmanın gerektirdiği yakın temasa ulaşamaz.

Tek geçişli mürekkep püskürtme kendini nerede kanıtlamıştır?

Öncelikle 2D uygulamalarda: bant lotarya biletleri, akıllı kartlar, seramik karolar, karton koliler ve kutular. Daha yeni sınır, toksisite ve biyouyumluluk sertifikalı mürekkeplerle 3D plastik ürünlerde tek geçişli renkli baskıdır.

UV ile kürlenebilir mürekkepler

Tüm uygulamalarda mürekkep seçimi; yazıcı kafası türü, kürleme parametreleri ve yüzey ön işlemi ihtiyacı dahil sistem bileşenlerini belirleyen tek başına en kritik karardır. Akışkan kimyası (viskozite ve kayma) ile her mürekkep damlasının püskürtülme fiziği, aşırı koşullarda çalışabilmek için tam olarak doğru davranmalıdır. Bu faktörler tek geçişli baskıda taramaya kıyasla daha da büyür.

Tek geçişli mürekkep püskürtme bir süredir mevcuttur ve ağırlık bant lotarya biletleri, akıllı kartlar, seramik karolar, karton koliler ve kutuların 2D baskısındadır. İlk teknolojik zorlukların üstesinden gelinmiş; mürekkep kimyası ve polimer bilimindeki son gelişmelerle birlikte düşük yüzey enerjili polimerlerde tam renkli, tek geçişli UV LED mürekkep püskürtmeli baskı mümkün hale gelmiştir. İsteğe bağlı hat içi ön işlem ve görüntü sistemli tam otomatik seri üretim sistemleri mevcuttur. Bu makale UV ile kürlenebilir mürekkepleri, polimer yüzeylerini ve ıslanmayı incelemektedir.

UV mürekkepler, mürekkepteki foto başlatıcıların yüksek yoğunluklu bir ultraviyole ışık kaynağıyla etkileşime girmesiyle katı hale kürlenir. UV mürekkepler fiilen çözücü içermediğinden daha çevre dostu kabul edilir. Ancak bu mürekkeplerin toksisite sorunları vardır. Kürlenmemiş UV mürekkep, insan vücuduna zararlı olan reaksiyona girmemiş monomer içerir. Bitmiş, kürlenmiş baskılarda bile artık reaksiyona girmemiş monomer bulunabilir. Radyometre kullanılması şiddetle tavsiye edilir.

Pigmentli UV ile kürlenebilir mürekkeplerin bireysel bileşenleri genellikle monomerler (düşük viskoziteli sıvılar), oligomerler (yapışma ve kür özellikleri), pigmentler (renk), foto başlatıcılar (UV kürleme) ve katkı maddeleri (ıslatma ve dağıtıcılar) içerir.

Her bileşen, nihai mürekkep formülünün performans özelliklerini optimize etmede önemli bir rol oynar. Tek geçişli mürekkep püskürtmeli baskıda UV beyaz mürekkebin, proses renklerine kıyasla formüle edilmesi, kolayca çöken büyük ve ağır TiO2 pigment parçacıkları nedeniyle zordur.

Viskozite (veya kesin ifadeyle kayma viskozitesi), yazıcı kafası nozulundaki akışa ve ateşleme darbesine aracılık eden kritik bir parametredir. Piezoelektrik talep üzerine damlatmalı yazıcı kafalarında ateşleme darbesi, bir basınç farkı oluşturmak için piezonun hareketini sağlayan bir gerilimdir (Şekil 1).

Bir damla ateşlendikten sonra dönüşümlü basınç salınımı zamanla azalır (sönümleme etkisi). Yüksek akış hızları ve küçük nozul çapları nedeniyle akışkanlar yüksek kayma hızı rejiminde çalışır. Ayrıca viskozite, mürekkebin yazıcı kafası mürekkep haznesine dolmasını da etkiler. Viskozite genellikle artan kayma hızıyla azalır ve bu, “kayma incelmesi” gösteren akışkan olarak adlandırılır (viskozitenin kayma hızıyla arttığı ters olgu ise “tiksotropik” akışkan olarak adlandırılır).

Mürekkepler kalınlaştıkça veya inceldikçe, değişen kayma püskürtme performansını olumsuz etkileyebilir. Nozulda mürekkep hem kayar hem de uzar; uzama viskozitesinin anlaşılması, mürekkep filamentinin oluşumunu ve kopmasını ve sonrasında damla oluşumunu etkilediği için önemlidir.

Örneğin Apollo FTX mürekkep serisi, ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) uyarınca yetişkinler ve çocuklar için (insan cildiyle temas) güvenli olacak şekilde formüle edilmiş ve nitelendirilmiştir ve biyouyumluluk testinden geçirilmiştir†. Kimya, belirli UV LED kür özelliklerine ve estetiğe hassas biçimde uyarlanmıştır; yetersiz kür (yapışkan) veya aşırı kür (kırılgan) yoktur.

Bu mürekkep yüksek ve tutarlı akışa (kararlı reolojik davranış) ve nozuldan çıkan mürekkebin çıkış temas açısına (düzgün jet kopması) sahiptir. Bu mürekkep, beyaz mürekkep (taban katman) ile CMYK++ renkleri arasında olağanüstü ıslanma, yapışma ve moleküller arası yapışma sağlar. Nitril kauçuk ve lateks dahil birçok düşük yüzey enerjili altlık malzemede yüzey ön işlemi gerekmez.

Nihai kür özellikleri, bulaşık makinesi testi dahil eşsiz çizilme/sıyrılma ve kimyasal direnç gösterir. Mürekkep, belirli Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba ve Konica Minolta yazıcı kafası modelleriyle uyumludur.

Polimer yüzeyleri ve ıslanma

Tek geçişli baskı için doğru mürekkep viskozitesi, tarama yazıcılarına kıyasla (tek geçişte bırakılan yüksek mürekkep hacmi nedeniyle) renk taşmasını kontrol etmek için kritiktir. Mürekkep püskürtmeli mürekkepler düşük viskoziteli ve düşük yüzey gerilimlidir; bu da poliolefinler, naylonlar, TPE/kauçuk vb. birçok polimerde yapışma sorunlarına yol açar. Bu tür altlık malzemeler, polar olmayan, kimyasal olarak inert, hidrofobik ve doğal olarak ıslanmayan plastiklerdir.

Düz bir katı yüzeyde durgun halde (denge) duran tek bir sıvı damlacığını düşünün. Katı yüzey ile uç noktada üst yüzeye teğet çizgi arasında oluşan açıya temas açısı denir. Bu, temas noktasındaki teğet çizgi ile katı yüzeyin yatay çizgisi arasındaki açıdır.

Ancak mürekkep akışkanları ve temas açıları statik değil, dinamiktir. Bir damlacık katı bir yüzeye tutunmuşken katı yüzey eğildiğinde damlacık öne doğru atılır ve aşağı kayar. Oluşan açılara sırasıyla ilerleme açısı (θa) ve gerileme açısı (θr) denir (Şekil 2).

Damlacık şekli, tüm sıvıların yüzey büzülmesi yoluyla, içerdikleri hacmi en az yüzey alanına sahip bir şekle sokma eğiliminde olduğu moleküler kuvvetlerden kaynaklanır. Yüzeyi büzen moleküller arası kuvvetlere “yüzey gerilimi” denir. Mürekkep püskürtmeli mürekkebin yüzey gerilimi, yazıcı kafasından doğru püskürtmeyi kontrol eder.

Yüzey enerjisinin bir ölçüsü olan yüzey gerilimi, dyne/cm cinsinden ifade edilir. Katı altlık malzemenin yüzey enerjisi, sıvının (mürekkebin) yüzey gerilimine göre ne kadar yüksekse ıslanabilirliği o kadar iyi ve temas açısı o kadar küçük olur. Kural olarak, altlık malzemenin yüzey enerjisi sıvının yüzey geriliminden yaklaşık 8 ila 10 dyne/cm daha yüksek olduğunda kabul edilebilir bağlanma yapışması elde edilir.

Temas açıları genellikle yüzey kimyasındaki ve yüzey topografyasındaki değişikliklerden etkilenir. İlerleme temas açısı, altlık malzeme yüzeyinin düşük enerjili (değiştirilmemiş) bileşenlerine en duyarlı olanıdır; gerileme açısı ise yüzey ön işlemleriyle eklenen yüksek enerjili, oksitlenmiş gruplara daha duyarlıdır.

Gerileme açısı, ön işlemlerden sonra yüzeyin değiştirilmiş bileşenini en iyi karakterize eden ölçümdür. Yüzey etkileşimlerini, optimum püskürtmeyi ve damla yerleştirme ile kürlemenin başlaması arasında gereken süreyi anlamak için dinamik temas açılarını ölçmek önemlidir. Bu bilgi olmadan uydu damlalar, aşırı püskürtme, sis vb. gibi büyük mürekkep püskürtmeli baskı kalitesi sorunları ortaya çıkar. Dyne çözeltileri yerine balistik biriktirme kullanan bir temas açısı ölçüm cihazının kullanılması önerilir.

Sonuç

Sert ve esnek/gerilebilir ürünlerde tek geçişli UV LED renkli baskı, endüstriyel mürekkep püskürtme teknolojisini değiştiren en yeni gelişmelerden biridir. Başarılı bir üretim elde etmek için herhangi bir projenin başında birçok proses faktörü ve karşılıklı ilişki anlaşılmalıdır.

Kaynaklar

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

†Apollo FTX Ink serisi satın alınabilir. The Sabreen Group ile 972.820.6777 numaralı telefondan veya [email protected] adresinden iletişime geçin.

Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc.'in kurucusu ve başkanıdır. Şirket; yüzey ön işlemleri, adhezyon ile birleştirme, mürekkep püskürtmeli baskı, lazer markalama, dekorasyon ve yüzey işleme ile ürün güvenliği alanlarında uzmanlaşmış, plastik ikincil işleme üzerine faaliyet gösteren bir mühendislik danışmanlığı şirketidir. Sabreen, 30 yılı aşkın süredir öncü teknolojiler geliştirmekte ve üretim sorunlarını çözmektedir. Kendisine 972.820.6777 numaralı telefondan veya www.sabreen.com adresinden ulaşılabilir.

---