الطباعة النفاثة الصناعية للحبر على الأجهزة القابلة للارتداء

الطباعة النفاثة الصناعية للحبر على الأجهزة القابلة للارتداء

تشير المصطلحات «الأجهزة القابلة للارتداء» و«الأجهزة الملبوسة» و«التقنيات القابلة للارتداء» جميعها إلى تقنيات إلكترونية أو حواسيب يمكن للمستهلك ارتداؤها وتتضمن غالبًا معلومات تتبع متعلقة بالصحة واللياقة. وتشمل ما يُرتدى على المعصم والرأس والنظارات والذراع والساق والقدم، واللصقات الجلدية والهياكل الخارجية والمنسوجات الإلكترونية، وحجم أعمال هذه الأجهزة ضخم. والطباعة النفاثة الصناعية للحبر هي التقنية الرقمية الوحيدة التي تتيح الطباعة المخصصة الوظيفية وغير الوظيفية مباشرة على المنتج.

أبرز النقاط

• الطباعة النفاثة للحبر هي التقنية الرقمية الوحيدة التي تتيح الطباعة المخصصة الوظيفية وغير الوظيفية مباشرة على الأجهزة القابلة للارتداء.
• التخصيص هو ما يقود مبررات المبيعات، لا الطباعة نفسها، إذ تستخدمه العلامات التجارية لرفع الولاء وجمع ملاحظات التصميم.
• أصبحت شهادات ملامسة الجلد متوقعة الآن. فبعد استدعاء جهاز قابل للارتداء بمليون وحدة في عام 2014، يعتمد الموردون المواد وفق معايير ملامسة الجلد.
• احذروا المهيجات مثل PPD (بارافينيلين ديامين) في تركيبات المواد المخصصة للملامسة الطويلة للجلد.
• الطباعة النفاثة للحبر أكثر حساسية من الطباعة التناظرية، وتتطلب دمج رؤوس الطباعة والسوائل والمتحكمات والمعالجة الأولية والمعالجة النهائية كنظام واحد.

الطلب على التخصيص

الطلب على التخصيص هو ما يقود المبيعات، سواء في منتجات أداء الصحة واللياقة أو الساعات الذكية أو مئات منتجات الأساور التفاعلية البديلة. وذكرت IDTechEx في مقال حديث أن أعمال الإلكترونيات القابلة للارتداء ستنمو من 20 مليار دولار في عام 2015 إلى نحو 70 مليار دولار في عام 2025.1 وسيظل القطاع المهيمن هو قطاع الرعاية الصحية، الذي يجمع الطب واللياقة والعافية. وله أكبر عدد من الأسماء الكبرى، مثل Apple وAccenture وAdidas وFujitsu وNike وPhilips وReebok وSamsung وSAP وRoche، وراء أكثر التطورات الجديدة الواعدة. ووفق Bain & Company، يساعد تخصيص المنتجات العلامات التجارية على تعزيز المبيعات، والفرصة كبيرة.2 ويُقدَّر أن 25 إلى 30 بالمئة على الأقل من المتسوقين مهتمون بخيارات التخصيص. وفي أسواق مختارة، يعادل هذا 2 مليار دولار سنويًا لكل قطاع. وقد برز اتجاهان مهمان: الأول أن مستهلكي اليوم أكثر تعبيرًا عن أنفسهم؛ والثاني أن التخصيص هو الولاء الجديد.

الأسئلة الشائعة

ما الذي يُعد «جهازًا قابلًا للارتداء» لأغراض الطباعة؟

تقنيات إلكترونية أو حواسيب يرتديها المستهلك، وتتتبع غالبًا بيانات الصحة واللياقة. وعمليًا تشمل ما يُرتدى على المعصم والرأس والنظارات والذراع والساق والقدم، واللصقات الجلدية والهياكل الخارجية والمنسوجات الإلكترونية، وهي منتجات قد تكون صلبة أو مرنة.

لماذا تُستخدم الطباعة النفاثة للحبر بدلًا من الطباعة بالوسادة أو بالشاشة؟

لأن التخصيص هو المحرك التجاري. فالطباعة النفاثة للحبر هي التقنية الرقمية الوحيدة التي تتيح الطباعة المخصصة مباشرة على المنتج، بحيث يمكن لكل وحدة أن تحمل محتوى مختلفًا. أما العمليات التناظرية القائمة على التشغيل والتوقف فإنتاجيتها منخفضة نسبيًا، وتصبح الألوان المتعددة على السلع الأساسية شبه محظورة من حيث التكلفة.

ما معايير السلامة التي تنطبق على الأحبار على الأجهزة القابلة للارتداء؟

تُعتمد المواد المخصصة للملامسة الطويلة للجلد وفق معايير ملامسة الجلد، وهو تحول تسارع بعد أن استدعت إحدى الشركات المصنّعة مليون جهاز قابل للارتداء في عام 2014. ويجب أن تتجنب التركيبات مهيجات الجلد مثل PPD، أي بارافينيلين ديامين.

ما الذي يجعل الطباعة النفاثة للحبر أصعب من الطباعة التناظرية؟

الدقة. فالطباعة النفاثة للحبر تتطلب أن تطلق الفوهات قطرات بأحجام محددة بدقة تامة، ويجب أن يدمج النظام عالي الجودة في آن واحد رؤوس الطباعة والسوائل والمتحكمات الإلكترونية والمعالجة الأولية والمعالجة النهائية. ويجب أن تعمل كلها معًا لإنتاج النتيجة المطلوبة.

كيف تختلف أحبار الطباعة النفاثة القابلة للمعالجة بـ UV عن أنواع الأحبار الأخرى؟

يتكوّن البوليمر أثناء المعالجة، بتفاعل متسلسل بين المونومرات والأوليغومرات. والمونومرات سوائل منخفضة اللزوجة تعمل أيضًا كحامل للحبر، مما يلغي الحاجة إلى الماء أو المذيب ويجعل أحبار UV صلبة بنسبة 100%.

الطباعة النفاثة للحبر على الأجهزة القابلة للارتداء

يتركز هذا المقال على «التخصيص» باستخدام الطباعة النفاثة للحبر على الأجهزة القابلة للارتداء المقولبة، من الأجهزة الإلكترونية التفاعلية والساعات إلى الأحذية الرياضية والملابس والمنتجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد. ومن أوائل الأجهزة القابلة للارتداء وأكثرها شهرة سوار Disney للمعصم، ويُسمى أيضًا «MagicBand». ويحتوي كل سوار على RFID وجهاز راديو مماثل لما في الهاتف اللاسلكي 2.4GHz. ويربط السوار الزوار بنظام واسع وقوي من المستشعرات وتطبيقات الجوال داخل المتنزه، ويعمل كوسيلة دفع وتذكرة دخول للمتنزه ومفتاح غرفة وغير ذلك. ومعظم الأساور بألوان موحدة (كما قُولبت). ويُوسم الجانب السفلي من كل سوار بالليزر ويحتوي على معلومات التعريف (انظروا أعلاه. مصدر الصورة: Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1). وتُباع الأساور المزينة مسبقًا في منافذ البيع بالتجزئة. غير أن المتحمسين، لتجربة فريدة من نوعها، يصنعون الأساور يدويًا باستخدام زخارف وملصقات ووشوم مؤقتة وأغطية أساور وطلاءات متعددة الخطوات كثيفة العمالة، متوفرة في متاجر الفنون الغرافيكية.

تقود الطباعة النفاثة للحبر عمليات التصنيع المتقدمة بفضل قدرتها الفريدة على ترسيب السوائل الوظيفية في نطاق واسع من التطبيقات، وفي أنماط فريدة أو معقدة، أو على ركائز جديدة. فمثلًا، تشق الأحبار الموصلة لجميع التقنيات طريقًا جديدًا في مجالات كثيرة، وخصوصًا للركائز المرنة. وتُستخدم أحبار الفضة والبوليمرات الموصلة العضوية والجرافين والأنابيب النانوية الكربونية للدارات والموصلات في الإلكترونيات المرنة عمومًا. ومع الطباعة النفاثة للحبر تصبح مفيدة كموصلات بين أزرار مطبوعة (أزرار لمس رقيقة الغشاء) على الملابس (مثل سترات التزلج) وأجهزة الجوال، أو بطاقات RFID سلبية أو نشطة، أو إضاءة LED. وتقنية الصمامات الثنائية العضوية الباعثة للضوء (OLED) ليست مرنة فحسب، بل يمكن أيضًا تكييفها بالطباعة النفاثة للتعريف أو السلامة أو التزيين على الملابس الخارجية. وبالإضافة إلى ذلك، تُطبع بالطباعة النفاثة طبقات متعددة من مواد مختلفة لصنع تركيبات من ست طبقات متمايزة أو أكثر.

الموصلات المرنة حقًا نادرة في أي تقنية. وقد أعلنت جامعة Purdue فئة جديدة من الموصلات المعدنية السائلة القابلة للطباعة النفاثة، وأثبتت ملاءمتها للمواد القابلة للتمدد والمطاطية.3 ويمكن أن تتيح فئة جديدة من الروبوتات المرنة والملابس القابلة للتمدد التي قد يرتديها الناس للتفاعل مع الحواسيب أو لأغراض علاجية.

المواد اللاصقة حجر زاوية في الأجهزة القابلة للارتداء وغالبًا ما تلزم للهندسات المعقدة (مثل الأحذية الرياضية). وتطبق رؤوس طباعة ذات قطرات كبيرة يتحكم بها الروبوت المواد اللاصقة على نطاق متزايد من التراكيب غير المنتظمة، مما يعطي تغطية كاملة دون زيادة، مع استيعاب الكميات القصيرة والتغييرات المتكررة. ويمكن للمواد اللاصقة اللاتكسية النفاثة مضاهاة التركيبات التقليدية. وتتوفر بصورة متزايدة مواد لاصقة نفاثة معالجة بالأشعة فوق البنفسجية (UV) وبالحزمة الإلكترونية (EB)، تلبي الطلب على المعالجة الفورية مع الالتصاق بمواد متباينة.

تشتهر الطباعة النفاثة المعالجة بـ UV في الملابس الخارجية والشارات والمعدات العاكسة والمعدات الرياضية والأحذية الرياضية. وتتم معظم الطباعة على عناصر مرتبة بدقة بواسطة قوالب على صواني أو نماذج تمر تحت رؤوس طباعة ترددية. ولتحقيق إنتاجية عالية، تطبق الطابعات ذات التمريرة الواحدة برؤوس طباعة ثابتة كاملة العرض الصور على عناصر محمولة على سير بسرعات تصل إلى 60fpm أو أكثر. وغالبًا ما يحتوي السير على صواني بحيث تكون العناصر دائمًا في موضع ثابت، أو قد تعتمد الطابعة على كاميرات لتحديد موضع العنصر واتجاهه ونفث الصورة وفقًا لذلك. وللمعالجة بـ UV يوجد مصباح بعد رؤوس الطباعة. وتزداد شعبية مصابيح LED لطول عمرها واتساق قدرتها الخارجة وقلة توليد الأوزون وانخفاض استهلاك الطاقة. وبالنسبة للعناصر القابلة للارتداء، أكبر قيمة أنها باردة، إذ لا تتلقى الركيزة إلا حرارة ضئيلة جدًا. ويمكن طباعة البلاستيك والأقمشة والأغشية الحساسة للحرارة دون خوف من الانكماش أو التشوه. وتحذير لمستخدمي أحبار المعالجة بالطاقة: لأن الأحبار السائلة خطرة، يجب معالجتها دائمًا بصورة صحيحة للسلامة والمتانة.

أحبار الطباعة النفاثة القابلة للمعالجة بـ UV

الطباعة النفاثة للحبر أكثر تعقيدًا وحساسية بكثير من الطباعة التناظرية. فهي تتطلب أن تطلق الفوهات قطرات بأحجام محددة بدقة تامة. ويجب أن تدمج أنظمة الطباعة النفاثة عالية الجودة في آن واحد رؤوس الطباعة والسوائل والمتحكمات الإلكترونية والمعالجة الأولية والمعالجة النهائية. ويجب أن تعمل هذه العناصر جميعها معًا لإنتاج النتائج المطلوبة.

تجف أحبار الطباعة النفاثة القابلة للمعالجة بـ UV فورًا. وتختلف طباعة أحبار UV عن الأنواع الأخرى لأن البوليمر يتكوّن أثناء المعالجة بتفاعل متسلسل بين المونومرات والأوليغومرات. والمونومرات سوائل منخفضة اللزوجة، ولذلك تعمل أيضًا كحامل سائل للحبر وتلغي الحاجة إلى الماء أو المذيب، ولهذا فإن أحبار المعالجة بـ UV صلبة بنسبة 100 بالمئة وبدائل مثالية للأحبار المذيبية. أما الأوليغومرات (الجزيئات التفاعلية الأكبر) فلها وظائف كيميائية متعددة وهي حاسمة لبناء الرابط بصورة صحيحة.

يبدأ البلمرة تعرض قصير لضوء UV، وهو إشعاع كهرومغناطيسي ذو طول موجي أقصر وطاقة أعلى من الضوء المرئي. ويُستخدم الأشعة فوق البنفسجية القريبة (الطول الموجي 390–200 نانومتر) في معظم عمليات المعالجة بـ UV. ويُقسَّم أكثر إلى UV-A (390–320 نانومتر) أو الموجة الطويلة، وUV-B (320–280 نانومتر) أو الموجة المتوسطة، وUV-C (280–200 نانومتر) أو الموجة القصيرة. وإلى جانب UV القريب، تشمل فئات UV الأخرى UV البعيد (200–10 نانومتر) وUV العميق (31–1 نانومتر). وأشيع طول موجي ذروي لمصابيح المعالجة بـ UV الزئبقية التقليدية هو 365 نانومتر، ويُشار إليه أيضًا بخط I الزئبقي (في طيف الضوء).

يحمل المستهلكون الأجهزة القابلة للارتداء المطبوعة بأيديهم وتخضع لفحص بصري دقيق جدًا. وقد يكون حجم النص الأبجدي الرقمي ست نقاط أو أصغر. ولتجنب العيوب المرئية وضمان سهولة القراءة، تلزم طباعة عالية الدقة. وللطباعة النفاثة عالية الدقة مكونان رئيسيان: تباعد النقاط على الركيزة وحجم (حجم) القطرات المكونة للنقاط. وتُحصل الدقة العالية بوضع القطرات متقاربة (يصل الآن إلى 1,800 × 1,800dpi)، وهو ما يتطلب عدة تمريرات وخطوات صغيرة على طابعة الرأس المتذبذب النموذجية.

المكونات المتفاعلة مع UV هي البادئات الضوئية، وهي مركبات تمتص الطاقة وتنشطر فتنتج أنواعًا كيميائية شديدة التفاعل، إما جذورًا حرة أو كاتيونية بحسب النوع. ويمكن لكل منها الارتباط بجزء من مونومر أو أوليغومر، فينقل النشاط إلى جزء آخر، والذي يمكنه بدوره التفاعل مع مونومر آخر، وهكذا لبناء البوليمر. وتستخدم أحبار UV ملونات صبغية. وقد أتاحت تطورات الصياغة وصناعة الأحبار للمصنّعين تقديم الأبيض (W)، وهو مفيد بوجه خاص كقاعدة على الركائز الداكنة أو كخلفية على الشفاف. وتوفر الألوان الأساسية للطباعة النفاثة، وهي السماوي والأرجواني والأصفر والأسود (CMYK) معًا، نطاق ألوان كبيرًا.

يمكن أن يكون البهتان في ضوء الشمس مصدر قلق كبير لمتانة الطباعة. ولأن أحبار UV تستخدم صبغات لا أصباغًا، فهي بطبيعتها أقل حساسية لضوء الشمس من أحبار الطابعات المكتبية. وتتحقق مقاومة بهتان جيدة جدًا عندما تُصنع الأحبار بصبغات من صناعة طلاء السيارات. ومع أنها أكثر تكلفة، فإنها تُستخدم في الأحبار الفاخرة. كما يمكن لضوء الشمس أن يُتلف البوليمر، فيسبب التطبّش والهشاشة. والتعرض المتواصل للضوء الخارجي لمدة خمس سنوات توقع يتحقق عادةً.

الإضافات ضرورية في جميع تركيبات الأحبار. وتحتوي أحبار طباعة البلاستيك عادةً على معززات الالتصاق. أما النفث وتكوين القطرات، وهما محوريان بديهيًا في الطباعة النفاثة، فيتطلبان موازنات دقيقة بين معدِّلات اللزوجة والمواد الفاعلة بالسطح. وإذا لم تكن صحيحة، فقد يتحول الحبر إلى رذاذ أو يبلل الرأس، وكلاهما غير مرضٍ. وتتحكم هذه المركبات نفسها أيضًا في بلل الحبر وتدفقه على الركيزة، أي الالتصاق وتوسع النقطة. وهي محسّنة عمومًا لكيمياء سطح معينة، لكن هناك قيودًا. فمثلًا، الحبر الذي يبلل ركيزة منخفضة طاقة السطح سيتسرب من رأس الطباعة. ولهذا السبب يجب معالجة كثير من الأسطح لوضعها ضمن نطاق وظيفة الحبر.

تتميز أحبار الطباعة النفاثة بلزوجة منخفضة وتوتر سطحي منخفض، مما يخلق تحديات في الربط بالالتصاق على كثير من الركائز البوليمرية مثل الأسيتال والبولي أوليفينات والبولي يوريثان. وأنواع البلاستيك الخاملة كيميائيًا هذه كارهة للماء وغير قابلة للبلل بطبيعتها. وكقاعدة عامة، يتحقق التصاق ربط مقبول عندما تزيد طاقة سطح الركيزة بنحو 8 إلى 10 dynes/cm على التوتر السطحي للسائل.

يمكن لسرعة مكبس الطباعة أيضًا أن تؤثر في التوتر السطحي الفعال للحبر. فالحبر الذي يقيس توترًا سطحيًا ساكنًا قدره 25 dynes قد يتصرف ديناميكيًا مثل حبر توتره السطحي 40 dynes على مكبس عالي السرعة. ويمكن أن تؤثر أفعال رؤوس الطباعة النفاثة وأنظمة الطباعة في السوائل التي تنفثها تأثيرًا كبيرًا في كيفية إعادة اصطفاف مكونات السائل أثناء النفث والتفاعل مع سطح الطباعة وطبقات الحبر أو الطلاء الأخرى.

تتأثر درجة المعالجة أو جودتها بنظافة سطح البلاستيك. ويجب أن يكون السطح نظيفًا لتحقيق معالجة أولية مثلى والتصاق حبر لاحق. فملوثات السطح، مثل مادة تحرير القالب السيليكونية والأوساخ والغبار والشحوم والزيوت وبصمات الأصابع، تعيق المعالجة. كما أن نقاء المادة عامل مهم.

الخلاصة: منهجية الحلول المتكاملة

منهجية الحلول المتكاملة ضرورية لتطوير المواد البوليمرية والطباعة النفاثة للحبر على الأجهزة القابلة للارتداء. ومع تطور متطلبات المستهلكين والوظائف، تتطور كذلك متطلبات المواد المخصصة للملامسة الطويلة للجلد. وبعد أن استدعت FitBit مليون جهاز قابل للارتداء في عام 2014، يعتمد الموردون المواد وفق معايير ملامسة الجلد. وضوابط عملية الطباعة النفاثة للحبر بالأهمية نفسها. وتشمل العوامل المهمة ما يلي:

• تركيبات المواد (بما في ذلك الجلد والمطاط والبولي يوريثان الحراري والمرنات البوليستر المشتركة والإضافات) التي لا تهيج الجلد، مثل PPD أي بارافينيلين ديامين.
• متطلبات المواد، بما في ذلك المتانة والمقاومة الكيميائية ومقاومة UV ومقاومة الخدش.
• معايير الامتثال الدولية بشأن السمية مثل ISO 10993-10:2010 — التقييم البيولوجي للأجهزة الطبية — الجزء 10.
• التصاق ممتاز للحبر. تقليل المركبات منخفضة الوزن الجزيئي التي تهاجر إلى السطح.
• كيمياء سائل الحبر وأداء النفث.
• أنظمة طابعات متينة تُركَّب في الأكشاك وكذلك في مواقع التصنيع.

المراجع

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

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوي للبلاستيك: الوسم بالليزر، والمعالجة الأولية للسطح، واللصق، والتزيين والتشطيب، وأمن المنتج. وقد عمل Sabreen على تطوير تقنيات رائدة وحل مشكلات التصنيع لأكثر من 30 عامًا. ويمكن التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو بزيارة www.sabreen.com أو www.plasticslasermarking.com.

أسس Dene Taylor, Ph.D. شركة SPF-Inc. عام 2000 لخدمة قطاعي الطباعة والتغليف، مع التركيز على تكييف الطباعة الرقمية للأسواق والتطبيقات الجديدة. وهو كيميائي نانوي بالتدريب، ويرتبط نحو نصف براءات اختراعه الأمريكية البالغ عددها 25 بالطباعة الرقمية. وهو عضو في SGIA وTAPPI وRadTech. ويمكن التواصل معه عبر [email protected].

---