การพิมพ์อิงก์เจ็ท UV LED แบบพาสเดียวบนพลาสติก 3 มิติ – เคมีของหมึกและพื้นผิวพอลิเมอร์

การพิมพ์อิงก์เจ็ท UV LED แบบพาสเดียวบนพลาสติก 3 มิติ – เคมีของหมึกและพื้นผิวพอลิเมอร์

การพิมพ์อิงก์เจ็ทเชิงอุตสาหกรรมกำลังส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่องานตกแต่งที่แต่เดิมทำด้วยกระบวนการอนาล็อกแบบดั้งเดิม เช่น การพิมพ์แพด สกรีน และเฟล็กโซ/กราวัวร์ เทคโนโลยีอิงก์เจ็ทพัฒนาจากหมึกตัวทำละลายสีเดียวแบบต่อเนื่องไปสู่สีเต็มรูปแบบแบบหยดตามต้องการ จากแบบไบนารีไปสู่เกรย์สเกล จากหลอดไอปรอทไปสู่การบ่มด้วย UV LED และจากเครื่องพิมพ์แบบแท่นแบนที่สแกนไปสู่แบบหมุน 360° พรมแดนใหม่คือการพิมพ์สี UV LED แบบพาสเดียวบนผลิตภัณฑ์พลาสติก 3 มิติ โดยใช้หมึกรุ่นใหม่ที่ได้รับการรับรองด้านความเป็นพิษและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ แบบพาสเดียวเร็วกว่าแบบสแกนและคุ้มค่ากว่า แต่เทคโนโลยีซับซ้อนกว่าและต้องอาศัยการออกแบบทางวิศวกรรมที่แม่นยำ ปัจจัยเหล่านี้ยังรวมกับความท้าทายโดยธรรมชาติของการยึดเกาะของหมึกบนพอลิเมอร์ที่มีพลังงานพื้นผิวต่ำ มีการตรวจสอบมุมสัมผัสแบบไดนามิกเพื่อกำหนดความหนืดของหมึกและการเปียกผิว

ประเด็นสำคัญ

• แบบพาสเดียวเร็วกว่าและคุ้มค่ากว่าแบบสแกน แต่ซับซ้อนกว่ามากในการออกแบบทางวิศวกรรม
• การสแกนช่วยซ่อนข้อผิดพลาด การพิมพ์หลายพาสช่วยปิดบังจุดที่ขาดหายหรือวางผิดตำแหน่ง แต่แบบพาสเดียวไม่มีความอภัยเช่นนั้น
• การเลือกหมึกเป็นการตัดสินใจที่สำคัญที่สุดเพียงอย่างเดียว เพราะกำหนดชนิดหัวพิมพ์ พารามิเตอร์การบ่ม และความจำเป็นในการปรับสภาพ
• สีเลอะซึมเป็นความเสี่ยงของแบบพาสเดียว เพราะปริมาณหมึกจำนวนมากถูกพิมพ์ลงในพาสเดียว
• หมึกความหนืดต่ำและแรงตึงผิวต่ำมีปัญหาบนพอลิโอเลฟิน ไนลอน และ TPE/ยาง ซึ่งไม่มีขั้วและไม่เปียกผิวตามธรรมชาติ

การพิมพ์แบบสแกนเทียบกับแบบพาสเดียว

เครื่องพิมพ์อิงก์เจ็ทพิมพ์โดยการป้อนหมึกในพาสเดียวหรือหลายพาส โดยหัวพิมพ์เคลื่อนที่ผ่านวัตถุ หรือวัตถุเคลื่อนที่ใต้หัวพิมพ์หรือชุดหัวพิมพ์ที่ติดตั้งอยู่กับที่ การสแกนหรือการพิมพ์หลายพาส หมายความว่าเครื่องพิมพ์ผ่านวัสดุรองรับหลายรอบเพื่อครอบคลุมทั้งพื้นที่และให้รายละเอียดตามที่ต้องการ

ข้อดีของการสแกนคือทำให้ข้อผิดพลาดในการพิมพ์มองเห็นได้น้อยลง เช่น จุดที่ขาดหายหรือวางผิดตำแหน่ง ข้อเสียของการสแกนคือช้า เนื่องจากต้องผ่านพื้นที่เดิมหลายรอบเพื่อให้หมึกครอบคลุมสมบูรณ์ ในการพิมพ์แบบพาสเดียว หัวพิมพ์พิมพ์ลงบนวัสดุรองรับ (หรือเว็บ) ที่เคลื่อนที่อยู่บนระบบลำเลียงโดยตรง ข้อได้เปรียบสำคัญของแบบพาสเดียวคือความเร็วที่สูงกว่าและผลิตภาพที่เพิ่มขึ้น

คำถามที่พบบ่อย

การพิมพ์อิงก์เจ็ทแบบสแกนและแบบพาสเดียวต่างกันอย่างไร

ในแบบสแกนหรือหลายพาส เครื่องพิมพ์ผ่านวัสดุรองรับหลายรอบเพื่อให้ครอบคลุมสมบูรณ์และได้รายละเอียด ในแบบพาสเดียว หัวพิมพ์พิมพ์ลงบนวัตถุที่เคลื่อนที่อยู่โดยตรงในพาสเดียว แบบสแกนช้ากว่าแต่ให้อภัยข้อผิดพลาดได้มากกว่า ส่วนแบบพาสเดียวเร็วกว่าและมีผลิตภาพสูงกว่า แต่ทนต่อข้อผิดพลาดได้น้อยกว่ามาก

เหตุใดการพิมพ์แบบพาสเดียวจึงทำให้ถูกต้องได้ยากกว่า

เพราะไม่มีพาสที่สองมาปิดข้อผิดพลาด จุดที่ขาดหายหรือวางผิดตำแหน่งทุกจุดจะมองเห็นได้ และการควบคุมสีเลอะซึมมีความสำคัญยิ่ง เนื่องจากปริมาณหมึกทั้งหมดถูกพิมพ์ลงพร้อมกัน ไม่ได้ค่อย ๆ สะสมทีละน้อย

การตัดสินใจที่สำคัญที่สุดในโครงการอิงก์เจ็ทคืออะไร

คือหมึก การเลือกหมึกกำหนดส่วนประกอบของระบบ ได้แก่ ชนิดหัวพิมพ์ พารามิเตอร์การบ่ม และความจำเป็นในการปรับสภาพพื้นผิว เคมีของของไหล ความหนืดและแรงเฉือน และฟิสิกส์ของการพ่นหยดแต่ละหยดต้องทำงานอย่างแม่นยำภายใต้สภาวะสุดขั้ว และข้อกำหนดเหล่านี้ยิ่งเข้มข้นสำหรับแบบพาสเดียว

เหตุใดหมึกอิงก์เจ็ทจึงยึดเกาะพลาสติกบางชนิดได้ยาก

หมึกอิงก์เจ็ทมีความหนืดต่ำและแรงตึงผิวต่ำ ขณะที่พอลิโอเลฟิน ไนลอน และวัสดุรองรับ TPE หรือยางไม่มีขั้ว เฉื่อยทางเคมี ไม่ชอบน้ำ และไม่เปียกผิวตามธรรมชาติ หากไม่เพิ่มพลังงานพื้นผิว หมึกจะไม่สามารถสัมผัสอย่างใกล้ชิดที่การยึดเกาะต้องการได้

การพิมพ์อิงก์เจ็ทแบบพาสเดียวพิสูจน์ตัวเองแล้วที่ใด

ส่วนใหญ่ในงาน 2 มิติ ได้แก่ ตั๋วสลากแบบเว็บ สมาร์ตการ์ด กระเบื้องเซรามิก กล่องและลังกระดาษแข็ง พรมแดนใหม่คือการพิมพ์สีแบบพาสเดียวบนผลิตภัณฑ์พลาสติก 3 มิติ โดยใช้หมึกที่ได้รับการรับรองด้านความเป็นพิษและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ

หมึกที่บ่มด้วย UV

ในทุกการใช้งาน การเลือกหมึกเป็นการตัดสินใจที่สำคัญที่สุดเพียงอย่างเดียวซึ่งกำหนดส่วนประกอบของระบบ รวมถึงชนิดหัวพิมพ์ พารามิเตอร์การบ่ม และความจำเป็นที่อาจต้องมีการปรับสภาพพื้นผิว เคมีของของไหล (ความหนืดและแรงเฉือน) และฟิสิกส์ของการพ่นหยดหมึกแต่ละหยดต้องทำงานอย่างแม่นยำเพื่อให้ใช้งานภายใต้สภาวะสุดขั้วได้ ปัจจัยเหล่านี้ยิ่งเข้มข้นขึ้นสำหรับการพิมพ์แบบพาสเดียวเมื่อเทียบกับแบบสแกน

อิงก์เจ็ทแบบพาสเดียวมีมาระยะหนึ่งแล้ว โดยเน้นการพิมพ์ 2 มิติของตั๋วสลากแบบเว็บ สมาร์ตการ์ด กระเบื้องเซรามิก กล่องและลังกระดาษแข็ง และอื่น ๆ ความท้าทายทางเทคโนโลยีในช่วงแรกได้รับการเอาชนะแล้ว พร้อมกับความก้าวหน้าล่าสุดในเคมีของหมึกและวิทยาศาสตร์พอลิเมอร์ ที่ทำให้การพิมพ์อิงก์เจ็ท UV LED สีเต็มรูปแบบแบบพาสเดียวบนพอลิเมอร์พลังงานพื้นผิวต่ำเป็นไปได้ มีระบบผลิตจำนวนมากแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบพร้อมตัวเลือกการปรับสภาพและระบบตรวจสอบด้วยภาพแบบอินไลน์ บทความนี้ตรวจสอบหมึกที่บ่มด้วย UV พื้นผิวพอลิเมอร์ และการเปียกผิว

หมึก UV บ่มตัวเป็นของแข็งเมื่อสารเริ่มปฏิกิริยาด้วยแสง (photoinitiator) ในหมึกทำปฏิกิริยากับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตความเข้มสูง หมึก UV ถือว่าเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าเพราะแทบไม่มีตัวทำละลาย อย่างไรก็ตาม หมึกเหล่านี้มีข้อกังวลด้านความเป็นพิษ หมึก UV ที่ยังไม่บ่มมีมอนอเมอร์ที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยา ซึ่งเป็นอันตรายต่อร่างกายมนุษย์ แม้งานพิมพ์ที่บ่มเสร็จแล้วก็อาจมีมอนอเมอร์ตกค้างที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยา จึงแนะนำอย่างยิ่งให้ใช้เครื่องวัดรังสี

ส่วนประกอบแต่ละอย่างของหมึกที่มีเม็ดสีและบ่มด้วย UV โดยทั่วไปประกอบด้วย มอนอเมอร์ (ของเหลวความหนืดต่ำ) โอลิโกเมอร์ (สมบัติการยึดเกาะและการบ่ม) เม็ดสี (สี) สารเริ่มปฏิกิริยาด้วยแสง (การบ่มด้วย UV) และสารเติมแต่ง (การเปียกผิวและสารช่วยกระจายตัว)

ส่วนประกอบแต่ละอย่างมีบทบาทสำคัญในการปรับสมรรถนะของสูตรหมึกสุดท้ายให้เหมาะสม การปรับสูตรหมึกขาว UV เมื่อเทียบกับสีกระบวนการสำหรับการพิมพ์อิงก์เจ็ทแบบพาสเดียวนั้นท้าทาย เนื่องจากอนุภาคเม็ดสี TiO2 ที่มีขนาดใหญ่และหนัก ตกตะกอนได้ง่าย

ความหนืด (หรือกล่าวโดยเคร่งครัดคือความหนืดเชิงเฉือน) เป็นพารามิเตอร์สำคัญที่ควบคุมการไหลผ่านหัวฉีดของหัวพิมพ์และพัลส์การยิง ในหัวพิมพ์แบบพีโซอิเล็กทริกชนิดหยดตามต้องการ พัลส์การยิงคือแรงดันไฟฟ้าที่ทำให้พีโซเคลื่อนที่เพื่อเหนี่ยวนำความแตกต่างของความดัน (รูปที่ 1)

เมื่อยิงหยดหมึกแล้ว การสั่นสลับของความดันจะลดลงตามเวลา (ผลการหน่วง) เนื่องจากอัตราการไหลสูงและเส้นผ่านศูนย์กลางหัวฉีดเล็ก ของไหลจึงทำงานในช่วงอัตราเฉือนสูง นอกจากนี้ ความหนืดยังส่งผลต่อการเติมหมึกเข้าสู่ห้องหมึกของหัวพิมพ์ ความหนืดโดยทั่วไปลดลงเมื่ออัตราเฉือนเพิ่มขึ้น เรียกว่าของไหล "เฉือนบาง" (shear-thinning) (ปรากฏการณ์ตรงข้ามที่ความหนืดเพิ่มขึ้นตามอัตราเฉือนเรียกว่าของไหล "ทิกโซทรอปิก")

เมื่อหมึกข้นขึ้นหรือบางลง การเปลี่ยนแปลงแรงเฉือนอาจส่งผลเสียต่อสมรรถนะการพ่นหยด ในหัวฉีด หมึกถูกทั้งเฉือนและยืดออก และความหนืดเชิงยืดสำคัญที่ต้องเข้าใจ เพราะส่งผลต่อการก่อตัวและการแตกของเส้นหมึกและการก่อตัวของหยดหมึกที่ตามมา

ตัวอย่างเช่น หมึกซีรีส์ Apollo FTX ได้รับการปรับสูตรและผ่านการรับรองว่าปลอดภัยต่อผู้ใหญ่และเด็ก (การสัมผัสผิวหนังมนุษย์) ตาม ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) และผ่านการทดสอบความเข้ากันได้ทางชีวภาพ† เคมีของหมึกถูกออกแบบให้ตรงกับสมบัติการบ่มด้วย UV LED เฉพาะและความสวยงามอย่างแม่นยำ ไม่บ่มไม่เต็มที่ (เหนียวเหนอะ) หรือบ่มเกิน (เปราะ)

หมึกนี้มีการไหลที่สม่ำเสมอสูง (พฤติกรรมรีโอโลยีที่เสถียร) และมุมสัมผัสขาออกของหมึกที่ออกจากหัวฉีด (การแตกตัวของหยดหมึกสม่ำเสมอ) หมึกนี้มีการเปียกผิว การยึดเกาะ และการยึดเกาะระหว่างโมเลกุลระหว่างหมึกสีขาว (ชั้นฐาน) และสี CMYK++ ที่โดดเด่น ไม่จำเป็นต้องปรับสภาพพื้นผิวบนวัสดุรองรับพลังงานพื้นผิวต่ำหลายชนิด รวมถึงยางไนไทรล์และน้ำยางธรรมชาติ

สมบัติหลังบ่มแสดงความทนทานต่อรอยขีดข่วน/รอยครูด และสารเคมีที่ไม่มีใครเทียบได้ รวมถึงการทดสอบในเครื่องล้างจาน หมึกนี้เข้ากันได้กับหัวพิมพ์รุ่นเฉพาะของ Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba และ Konica Minolta

พื้นผิวพอลิเมอร์และการเปียกผิว

ความหนืดของหมึกที่แม่นยำสำหรับการพิมพ์แบบพาสเดียวมีความสำคัญต่อการควบคุมสีเลอะซึม (เนื่องจากปริมาณหมึกจำนวนมากถูกพิมพ์ลงในพาสเดียว) เมื่อเทียบกับเครื่องพิมพ์แบบสแกน หมึกอิงก์เจ็ทมีความหนืดต่ำและแรงตึงผิวต่ำ ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาการยึดเกาะบนพอลิเมอร์หลายชนิด เช่น พอลิโอเลฟิน ไนลอน TPE/ยาง ฯลฯ วัสดุรองรับประเภทนี้เป็นพลาสติกไม่มีขั้วและเฉื่อยทางเคมี ไม่ชอบน้ำ และไม่เปียกผิวตามธรรมชาติ

พิจารณาหยดของเหลวเดี่ยวบนพื้นผิวของแข็งเรียบที่อยู่นิ่ง (สมดุล) มุมที่เกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวของแข็งกับเส้นสัมผัสของผิวด้านบนที่จุดปลายเรียกว่ามุมสัมผัส คือมุมระหว่างเส้นสัมผัสที่จุดสัมผัสกับเส้นแนวนอนของพื้นผิวของแข็ง

อย่างไรก็ตาม ของไหลหมึกและมุมสัมผัสเป็นแบบไดนามิก ไม่ใช่สถิต เมื่อหยดของเหลวติดอยู่บนพื้นผิวของแข็งและเอียงพื้นผิวนั้น หยดจะพุ่งไปข้างหน้าและไหลลงด้านล่าง มุมที่เกิดขึ้นเรียกตามลำดับว่ามุมเคลื่อนที่เข้า (θa) และมุมเคลื่อนที่ถอย (θr) (รูปที่ 2)

รูปร่างของหยดเกิดจากแรงระหว่างโมเลกุลซึ่งของเหลวทุกชนิดมีแนวโน้มจะหดพื้นผิวเพื่อทำให้ปริมาตรที่บรรจุอยู่มีรูปร่างที่มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด แรงระหว่างโมเลกุลที่หดพื้นผิวเรียกว่า "แรงตึงผิว" แรงตึงผิวของหมึกอิงก์เจ็ทควบคุมการพ่นหยดที่เหมาะสมจากหัวพิมพ์

แรงตึงผิวซึ่งเป็นการวัดพลังงานพื้นผิว แสดงเป็น dyne/cm ยิ่งพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับของแข็งสูงเมื่อเทียบกับแรงตึงผิวของของเหลว (หมึก) ยิ่งเปียกผิวได้ดีและมุมสัมผัสยิ่งเล็ก โดยหลักการแล้ว จะได้การยึดติดด้วยแรงยึดเกาะที่ยอมรับได้เมื่อพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับสูงกว่าแรงตึงผิวของของเหลวประมาณ 8 ถึง 10 dyne/cm

มุมสัมผัสโดยทั่วไปได้รับผลจากการเปลี่ยนแปลงของเคมีพื้นผิวและลักษณะภูมิประเทศพื้นผิว มุมสัมผัสเคลื่อนที่เข้าไวต่อองค์ประกอบพลังงานต่ำ (ไม่ได้ดัดแปลง) ของพื้นผิววัสดุรองรับมากที่สุด ขณะที่มุมเคลื่อนที่ถอยไวต่อหมู่ออกซิไดซ์พลังงานสูงที่เกิดจากการปรับสภาพพื้นผิวมากกว่า

มุมเคลื่อนที่ถอยเป็นค่าที่บ่งบอกลักษณะขององค์ประกอบที่ถูกดัดแปลงของพื้นผิวหลังการปรับสภาพได้ดีที่สุด การวัดมุมสัมผัสแบบไดนามิกเป็นสิ่งสำคัญเพื่อทำความเข้าใจอันตรกิริยาที่พื้นผิว การพ่นหยดที่เหมาะสมที่สุด และเวลาที่ต้องใช้ระหว่างการวางหยดหมึกกับการเริ่มบ่ม หากไม่มีข้อมูลนี้ จะเกิดปัญหาคุณภาพการพิมพ์อิงก์เจ็ทที่สำคัญ เช่น ดาวเทียม (satellites) โอเวอร์สเปรย์ ละอองหมอก ฯลฯ แนะนำให้ใช้เครื่องมือวัดมุมสัมผัสที่ใช้การสะสมแบบกระสุน (ballistic deposition) แทนสารละลาย dyne

บทสรุป

การพิมพ์สี UV LED แบบพาสเดียวสำหรับผลิตภัณฑ์แบบแข็งและแบบยืดหยุ่น/ยืดได้ เป็นหนึ่งในความก้าวหน้าล่าสุดที่เปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีอิงก์เจ็ทเชิงอุตสาหกรรม เพื่อให้การผลิตประสบความสำเร็จ ต้องเข้าใจปัจจัยของกระบวนการและความสัมพันธ์ระหว่างกันหลายประการตั้งแต่เริ่มต้นโครงการ

เอกสารอ้างอิง

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

†ซีรีส์หมึก Apollo FTX มีจำหน่าย ติดต่อ The Sabreen Group ที่ 972.820.6777 หรือ [email protected]

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. บริษัทที่ปรึกษาด้านวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญด้านกระบวนการผลิตพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ การพิมพ์อิงก์เจ็ท การมาร์กด้วยเลเซอร์ การตกแต่งและการเก็บงานผิว และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ Sabreen พัฒนาเทคโนโลยีบุกเบิกและแก้ปัญหาด้านการผลิตมานานกว่า 30 ปี ติดต่อได้ที่ 972.820.6777 หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com

---