الطباعة النفاثة للحبر بالأشعة فوق البنفسجية LED بمرور واحد على البلاستيك ثلاثي الأبعاد: كيمياء الحبر وأسطح البوليمرات

الطباعة النفاثة للحبر بالأشعة فوق البنفسجية LED بمرور واحد على البلاستيك ثلاثي الأبعاد: كيمياء الحبر وأسطح البوليمرات

تترك الطباعة النفاثة الصناعية للحبر أثرًا كبيرًا في أعمال التزيين التي كانت تُنفَّذ تقليديًا بعمليات تناظرية مثل الطباعة بالتوسيد (Pad) والشاشة والفلكسو/الجرافور. فقد تطورت تقنية الطباعة النفاثة من أحبار مذيبية أحادية اللون مستمرة إلى ألوان كاملة الطيف بالقطرة عند الطلب، ومن الثنائية إلى تدرجات الرمادي، ومن مصابيح بخار الزئبق إلى المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية LED، ومن الطابعات المسطحة الماسحة إلى الدوارة بزاوية 360°. والحدود الجديدة هي الطباعة الملونة بالأشعة فوق البنفسجية LED بمرور واحد على منتجات البلاستيك ثلاثية الأبعاد باستخدام حبر جديد معتمد من حيث السمية والتوافق الحيوي. والمرور الواحد أسرع من المسح وأكثر إنتاجية من حيث الكلفة، لكن التقنية أكثر تعقيدًا وتتطلب هندسة دقيقة. وتتضافر هذه العوامل مع التحديات المتأصلة في التصاق الحبر على البوليمرات منخفضة طاقة السطح. وتُفحص زوايا التلامس الديناميكية لتحديد لزوجة الحبر وترطيب السطح.

أبرز النقاط

• المرور الواحد أسرع وأكثر إنتاجية من حيث الكلفة من المسح، لكنه أكثر تعقيدًا بكثير في الهندسة.
• المسح يخفي الأخطاء. فالمرورات المتعددة تخفي النقاط المفقودة أو الموضوعة في غير مكانها، أما المرور الواحد فلا يتسامح مع ذلك.
• اختيار الحبر هو القرار الأهم. فهو يحدد نوع رأس الطباعة ومعاملات المعالجة وما إذا كانت المعالجة الأولية لازمة.
• تسرب الألوان هو خطر المرور الواحد، لأن حجمًا كبيرًا من الحبر يُوضع في مرور واحد.
• تواجه الأحبار منخفضة اللزوجة والتوتر السطحي صعوبة على البولي أوليفينات والنايلون وTPE/المطاط، وهي غير قطبية وغير قابلة للبلل بطبيعتها.

الطباعة بالمسح مقابل الطباعة بمرور واحد

تطبع الطابعات النفاثة بتطبيق الحبر في مرور واحد أو عدة مرورات. فإما أن تتحرك رؤوس الطباعة فوق الجسم، أو يتحرك الجسم تحت رأس طباعة ثابت أو مصفوفة رؤوس ثابتة. والمسح، أو الطباعة متعددة المرورات، يعني أن الطابعة تجري مرورات عديدة فوق الركيزة لتغطيتها بالكامل وتوفير التفاصيل المطلوبة.

من فوائد المسح أنه يجعل أي أخطاء في الطباعة أقل وضوحًا، مثل النقاط المفقودة أو الموضوعة في غير مكانها. أما عيب المسح فهو بطؤه، إذ تلزم مرورات متعددة على المنطقة نفسها لتوفير تغطية كاملة بالحبر. وفي الطباعة بمرور واحد تطبع رؤوس الطباعة مباشرة على ركيزة (أو شريط) متحركة على نظام نقل متحرك. والميزة الكبيرة للمرور الواحد هي السرعة الأعلى وزيادة الإنتاجية.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين الطباعة النفاثة بالمسح والطباعة بمرور واحد؟

في المسح، أو الطباعة متعددة المرورات، تجري الطابعة مرورات عديدة فوق الركيزة لتحقيق تغطية كاملة وتفاصيل دقيقة. وفي المرور الواحد تطبع رؤوس الطباعة مباشرة على جسم متحرك في مرور واحد. المسح أبطأ لكنه أكثر تسامحًا، أما المرور الواحد فهو أسرع وأكثر إنتاجية لكنه أقل تحملًا بكثير للأخطاء.

لماذا يصعب إتقان الطباعة بمرور واحد؟

لأنه لا يوجد مرور ثانٍ لتغطية الأخطاء. فأي نقطة مفقودة أو في غير موضعها تكون ظاهرة، ويصبح التحكم في تسرب الألوان حاسمًا لأن الحجم الكامل من الحبر يُرسَّب دفعة واحدة بدلًا من أن يتراكم تدريجيًا.

ما القرار الأهم في مشروع الطباعة النفاثة للحبر؟

الحبر. فاختياره يحدد مكونات النظام: نوع رأس الطباعة ومعاملات المعالجة وما إذا كانت المعالجة الأولية للسطح لازمة. ويجب أن تتصرف كيمياء السائل واللزوجة والقص وفيزياء نفث كل قطرة بدقة في ظروف قصوى، وتتضاعف هذه المتطلبات في المرور الواحد.

لماذا تواجه أحبار الطباعة النفاثة صعوبة في الالتصاق ببعض أنواع البلاستيك؟

أحبار الطباعة النفاثة منخفضة اللزوجة ومنخفضة التوتر السطحي، بينما البولي أوليفينات والنايلون وركائز TPE أو المطاط غير قطبية وخاملة كيميائيًا وكارهة للماء وغير قابلة للبلل بطبيعتها. ودون رفع طاقة السطح لا يستطيع الحبر تحقيق التلامس الوثيق الذي يتطلبه الالتصاق.

أين أثبتت الطباعة النفاثة بمرور واحد جدارتها بالفعل؟

أساسًا في التطبيقات ثنائية الأبعاد: تذاكر اليانصيب الشريطية والبطاقات الذكية وبلاط السيراميك والكراتين والصناديق الكرتونية. أما الحدود الأحدث فهي الطباعة الملونة بمرور واحد على منتجات البلاستيك ثلاثية الأبعاد باستخدام أحبار معتمدة من حيث السمية والتوافق الحيوي.

أحبار المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية

في جميع التطبيقات، يُعد اختيار الحبر القرار الأهم الذي يحدد مكونات النظام، ومنها نوع رأس الطباعة ومعاملات المعالجة والحاجة المحتملة إلى المعالجة الأولية للسطح. ويجب أن تتصرف كيمياء السائل (اللزوجة والقص) وفيزياء نفث كل قطرة حبر بدقة كي تعمل في ظروف قصوى. وتتضاعف هذه العوامل في الطباعة بمرور واحد مقارنة بالمسح.

الطباعة النفاثة بمرور واحد موجودة منذ فترة، مع التركيز على الطباعة ثنائية الأبعاد لتذاكر اليانصيب الشريطية والبطاقات الذكية وبلاط السيراميك والكراتين والصناديق الكرتونية وغيرها. وقد جرى تجاوز التحديات التقنية المبكرة، إلى جانب التطورات الحديثة في كيمياء الأحبار وعلم البوليمرات، لتمكين الطباعة النفاثة الملونة الكاملة بالأشعة فوق البنفسجية LED بمرور واحد على البوليمرات منخفضة طاقة السطح. وتتوافر أنظمة إنتاج شامل مؤتمتة بالكامل مع معالجة أولية ورؤية آلية اختياريتين مدمجتين في الخط. ويتناول هذا المقال أحبار المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية وأسطح البوليمرات والترطيب.

تتصلد أحبار الأشعة فوق البنفسجية إلى مادة صلبة عندما تتفاعل المبادرات الضوئية في الحبر مع مصدر عالي الشدة للأشعة فوق البنفسجية. وتُعد أحبار الأشعة فوق البنفسجية أكثر صداقة للبيئة لأنها لا تحتوي فعليًا على مذيبات. غير أن لهذه الأحبار مخاوف تتعلق بالسمية. فالحبر غير المعالَج يحتوي على مونومر غير متفاعل ضار بجسم الإنسان. وحتى المطبوعات النهائية المعالَجة قد تحتوي على مونومر متبقٍ غير متفاعل. ويُوصى بشدة باستخدام مقاييس الإشعاع.

تشمل المكونات الفردية لأحبار الأشعة فوق البنفسجية الملونة عادة المونومرات (سوائل منخفضة اللزوجة)، والأوليغومرات (خصائص الالتصاق والمعالجة)، والصبغات (اللون)، والمبادرات الضوئية (المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية)، والإضافات (الترطيب والمشتتات).

يؤدي كل مكون دورًا مهمًا في تحسين خصائص أداء تركيبة الحبر النهائية. وتركيب حبر أبيض بالأشعة فوق البنفسجية مقارنة بالألوان الأساسية للطباعة النفاثة بمرور واحد أمر صعب بسبب جسيمات صبغة TiO2 الكبيرة والثقيلة التي تترسب بسهولة.

اللزوجة (أو بدقة لزوجة القص) معامل حاسم يتوسط التدفق عبر فوهة رأس الطباعة ونبضة الإطلاق. وفي رؤوس الطباعة الكهروضغطية بالقطرة عند الطلب، تكون نبضة الإطلاق جهدًا كهربائيًا يولّد حركة في العنصر الكهروضغطي لإحداث فرق ضغط (الشكل 1).

بعد إطلاق القطرة، يتناقص تذبذب الضغط المتناوب بمرور الوقت (تأثير التخميد). وبسبب معدلات التدفق العالية وأقطار الفوهات الصغيرة، تعمل السوائل في نظام معدلات قص عالية. كما أن للزوجة تأثيرًا في ملء الحبر لحجرة الحبر في رأس الطباعة. وتنخفض اللزوجة عمومًا مع زيادة معدل القص، ويُسمى هذا سائلًا «رقيق القص» (أما الظاهرة المعاكسة التي تزداد فيها اللزوجة مع معدل القص فتُسمى سائلًا «تكسوتروبيًا»).

عندما تصبح الأحبار أسمك أو أرق، قد يتأثر أداء النفث المتغير بالقص سلبًا. ففي الفوهة، يتعرض الحبر للقص والاستطالة معًا، ومن المهم فهم لزوجة الاستطالة لأنها تؤثر في تكوّن خيط الحبر وتفككه وما يتبعه من تكوّن القطرات.

فعلى سبيل المثال، صُممت سلسلة أحبار Apollo FTX وأُهِّلت لتكون آمنة للبالغين والأطفال (ملامسة جلد الإنسان) وفق ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) وخضعت لاختبار التوافق الحيوي†. وتتطابق الكيمياء بدقة مع خصائص معالجة محددة بالأشعة فوق البنفسجية LED ومع المظهر الجمالي، دون معالجة ناقصة (لزجة) أو مفرطة (هشة).

يتميز هذا الحبر بتدفق عالٍ ثابت (سلوك ريولوجي مستقر) وزاوية تلامس خروج للحبر من الفوهة (تفكك نفاثات منتظم). ويمتلك هذا الحبر ترطيبًا والتصاقًا استثنائيين والتصاقًا بين جزيئيًا بين الحبر الأبيض (الطبقة الأساسية) وألوان CMYK++. ولا تلزم المعالجة الأولية للسطح على كثير من الركائز منخفضة طاقة السطح، ومنها مطاط النتريل واللاتكس.

تُظهر خصائص المعالجة النهائية مقاومة لا مثيل لها للخدش/التآكل السطحي والمواد الكيميائية، بما في ذلك اختبار غسالة الأطباق. والحبر متوافق مع طرازات محددة من رؤوس الطباعة من Ricoh وMimaki وXaar وToshiba وKonica Minolta.

أسطح البوليمرات والترطيب

تُعد لزوجة الحبر الدقيقة في الطباعة بمرور واحد حاسمة للتحكم في تسرب الألوان (بسبب الحجم الكبير من الحبر الموضوع في مرور واحد) مقارنة بطابعات المسح. وأحبار الطباعة النفاثة منخفضة اللزوجة ومنخفضة التوتر السطحي، مما يسبب مشكلات التصاق على كثير من البوليمرات، مثل البولي أوليفينات والنايلون وTPE/المطاط وغيرها. وهذه الأنواع من الركائز بلاستيك غير قطبي وخامل كيميائيًا وكاره للماء وغير قابل للبلل بطبيعته.

لنتأمل قطرة سائل واحدة على سطح صلب مستوٍ في حالة سكون (اتزان). تُسمى الزاوية المتكونة بين السطح الصلب والمماس للسطح العلوي عند نقطة النهاية زاوية التلامس. وهي الزاوية بين المماس عند نقطة التلامس والخط الأفقي للسطح الصلب.

غير أن سوائل الحبر وزوايا التلامس ديناميكية وليست ساكنة. فعندما تلتصق قطرة بسطح صلب ويُمال السطح الصلب، تندفع القطرة إلى الأمام وتنزلق للأسفل. وتُسمى الزوايا المتكونة على التوالي زاوية التقدم (θa) وزاوية التراجع (θr) (الشكل 2).

يعود شكل القطرة إلى القوى الجزيئية التي تميل بها جميع السوائل، عبر انكماش السطح، إلى تشكيل الحجم المحتوى في شكل ذي أقل مساحة سطح. وتُسمى القوى بين الجزيئية التي تقلص السطح «التوتر السطحي». ويتحكم التوتر السطحي لحبر الطباعة النفاثة في النفث السليم من رأس الطباعة.

يُعبَّر عن التوتر السطحي، وهو مقياس لطاقة السطح، بوحدة dyne/cm. وكلما ارتفعت طاقة سطح الركيزة الصلبة بالنسبة إلى التوتر السطحي للسائل (الحبر)، تحسنت قابلية البلل وصغرت زاوية التلامس. وكقاعدة، يتحقق التصاق مقبول عندما تزيد طاقة سطح الركيزة بنحو 8 إلى 10 dyne/cm عن التوتر السطحي للسائل.

تتأثر زوايا التلامس عمومًا بالتغيرات في كيمياء السطح والتغيرات في طبوغرافيا السطح. وتكون زاوية التقدم الأكثر حساسية للمكونات منخفضة الطاقة (غير المعدلة) في سطح الركيزة، بينما تكون زاوية التراجع أكثر حساسية للمجموعات المؤكسدة عالية الطاقة التي تُدخلها المعالجات الأولية للسطح.

زاوية التراجع هي القياس الأكثر تعبيرًا عن المكوّن المعدَّل للسطح بعد المعالجات الأولية. ومن المهم قياس زوايا التلامس الديناميكية لفهم تفاعلات السطح والنفث الأمثل والزمن اللازم بين وضع القطرة وبدء المعالجة. ودون هذه المعلومات ستحدث مشكلات كبيرة في جودة الطباعة النفاثة، مثل القطرات التابعة والرش الزائد والضباب وغيرها. ويُوصى باستخدام جهاز قياس زاوية التلامس الذي يعتمد الترسيب البالستي بدلًا من محاليل dyne.

الخلاصة

تُعد الطباعة الملونة بالأشعة فوق البنفسجية LED بمرور واحد للمنتجات الصلبة والمرنة/القابلة للتمدد من أحدث التطورات التي تغير تقنية الطباعة النفاثة الصناعية. ولتحقيق إنتاج ناجح، يجب فهم كثير من عوامل العملية وعلاقاتها المتبادلة في بداية أي مشروع.

المراجع

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

†سلسلة أحبار Apollo FTX Ink متاحة للشراء. تواصلوا مع The Sabreen Group على الرقم 972.820.6777 أو عبر البريد [email protected].

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة استشارات هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوي للبلاستيك: المعالجة الأولية للسطح، والربط بالالتصاق، والطباعة النفاثة للحبر، والوسم بالليزر، والتزيين والتشطيب، وأمن المنتج. يعمل Sabreen على تطوير تقنيات رائدة وحل مشكلات التصنيع منذ أكثر من 30 عامًا. ويمكن التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو بزيارة www.sabreen.com.

---