3D प्लास्टिक पर सिंगल-पास UV LED इंकजेट प्रिंटिंग – इंक रसायन और पॉलिमर सतहें

3D प्लास्टिक पर सिंगल-पास UV LED इंकजेट प्रिंटिंग – इंक रसायन और पॉलिमर सतहें

औद्योगिक इंकजेट प्रिंटिंग उस डेकोरेटिंग में उल्लेखनीय प्रभाव डाल रही है जो परंपरागत रूप से पैड, स्क्रीन और फ़्लेक्सो/ग्रेव्योर प्रिंटिंग जैसी पारंपरिक एनालॉग प्रक्रियाओं से होती आई है। इंकजेट तकनीक निरंतर एकल-रंग विलायक इंक से ड्रॉप-ऑन-डिमांड फ़ुल गैमट रंगों तक, बाइनरी से ग्रेस्केल तक, मरकरी वेपर लैंप से UV LED क्योरिंग तक, और स्कैनिंग फ़्लैटबेड प्रिंटर से 360° रोटेशनल तक आगे बढ़ी है। नई सीमा विषाक्तता और जैव-अनुकूलता प्रमाणित नई इंक का उपयोग करके 3D प्लास्टिक उत्पादों पर सिंगल-पास UV LED रंग प्रिंटिंग है। सिंगल-पास स्कैनिंग से तेज़ और अधिक लागत-उत्पादक है, पर यह तकनीक अधिक जटिल है और सटीक इंजीनियरिंग की माँग करती है। ये कारक निम्न-सतह-ऊर्जा पॉलिमर पर इंक आसंजन की अंतर्निहित चुनौतियों के साथ जुड़ जाते हैं। इंक की श्यानता और सतह के गीलेपन का निर्धारण करने के लिए गतिशील संपर्क कोणों की जाँच की जाती है।

मुख्य बातें

• सिंगल-पास स्कैनिंग से तेज़ और अधिक लागत-उत्पादक है, पर उसकी इंजीनियरिंग कहीं अधिक जटिल है।
• स्कैनिंग त्रुटियाँ छिपा देती है। कई पास छूटे या ग़लत जगह पड़े डॉट को ढँक देते हैं — सिंगल-पास में ऐसी कोई छूट नहीं होती।
• इंक का चयन सबसे महत्वपूर्ण निर्णय है। यह प्रिंटहेड का प्रकार, क्योरिंग पैरामीटर और पूर्व-उपचार की आवश्यकता तय करता है।
• सिंगल-पास में कलर ब्लीड का जोखिम रहता है, क्योंकि इंक की भारी मात्रा एक ही पास में गिरती है।
• कम श्यानता और कम सतह तनाव वाली इंक पॉलीओलेफ़िन, नायलॉन और TPE/रबर पर संघर्ष करती है, जो अध्रुवीय हैं और स्वाभाविक रूप से गीले नहीं होते।

स्कैनिंग बनाम सिंगल-पास प्रिंटिंग

इंकजेट प्रिंटर इंक को एकल या कई पास में लगाकर प्रिंट करते हैं। या तो प्रिंटहेड वस्तु के ऊपर चलते हैं, या वस्तु किसी स्थिर प्रिंटहेड या प्रिंटहेड ऐरे के नीचे चलती है। स्कैनिंग, या मल्टी-पास प्रिंटिंग, का अर्थ है कि प्रिंटर सब्सट्रेट को पूरी तरह कवर करने और आवश्यक बारीक़ी देने के लिए उस पर कई पास लगाता है।

स्कैनिंग का एक लाभ यह है कि प्रिंटिंग की कोई भी त्रुटि, जैसे छूटे या ग़लत जगह पड़े डॉट, कम दिखाई देती है। स्कैनिंग का नुकसान यह है कि यह धीमी है, क्योंकि पूरी इंक कवरेज देने के लिए उसी क्षेत्र पर कई पास चाहिए। सिंगल-पास प्रिंटिंग में प्रिंटहेड सीधे गतिशील ट्रांसपोर्ट सिस्टम पर चलते सब्सट्रेट (या वेब) पर प्रिंट करते हैं। सिंगल-पास का महत्वपूर्ण लाभ अधिक गति और बढ़ी हुई उत्पादकता है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

स्कैनिंग और सिंगल-पास इंकजेट में क्या अंतर है?

स्कैनिंग, या मल्टी-पास, में प्रिंटर पूरी कवरेज और बारीक़ी पाने के लिए सब्सट्रेट पर कई पास लगाता है। सिंगल-पास में प्रिंटहेड एक ही पास में सीधे चलती वस्तु पर प्रिंट करते हैं। स्कैनिंग धीमी है पर त्रुटियों के प्रति अधिक क्षमाशील; सिंगल-पास तेज़ और अधिक उत्पादक है पर त्रुटि के प्रति कहीं कम सहनशील।

सिंगल-पास प्रिंटिंग को सही करना कठिन क्यों है?

क्योंकि गलतियाँ ढँकने के लिए कोई दूसरा पास नहीं होता। कोई भी छूटा या ग़लत जगह पड़ा डॉट दिखाई देता है, और कलर ब्लीड नियंत्रित करना निर्णायक हो जाता है, क्योंकि पूरी इंक मात्रा धीरे-धीरे बनने के बजाय एक साथ जमा होती है।

इंकजेट परियोजना में सबसे महत्वपूर्ण निर्णय क्या है?

इंक। इसका चयन सिस्टम के घटक तय करता है — प्रिंटहेड का प्रकार, क्योरिंग पैरामीटर और सतह पूर्व-उपचार आवश्यक है या नहीं। तरल रसायन, श्यानता और अपरूपण, और हर बूँद को जेट करने की भौतिकी को चरम परिस्थितियों में सटीक व्यवहार करना होता है, और सिंगल-पास के लिए ये माँगें और बढ़ जाती हैं।

इंकजेट इंक कुछ प्लास्टिक पर चिपकने में संघर्ष क्यों करती हैं?

इंकजेट इंक की श्यानता और सतह तनाव कम होते हैं, जबकि पॉलीओलेफ़िन, नायलॉन और TPE या रबर सब्सट्रेट अध्रुवीय, रासायनिक रूप से निष्क्रिय, जल-विरोधी और स्वाभाविक रूप से गीले न होने वाले हैं। सतह ऊर्जा बढ़ाए बिना इंक वह घनिष्ठ संपर्क नहीं बना पाती जो आसंजन के लिए आवश्यक है।

सिंगल-पास इंकजेट ने अपनी उपयोगिता कहाँ सिद्ध कर दी है?

मुख्यतः 2D अनुप्रयोगों में — वेब लॉटरी टिकट, स्मार्ट कार्ड, सिरेमिक टाइल, गत्ते के कार्टन और बॉक्स। नई सीमा विषाक्तता और जैव-अनुकूलता प्रमाणित इंक से 3D प्लास्टिक उत्पादों पर सिंगल-पास रंग प्रिंटिंग है।

UV-क्योर होने योग्य इंक

सभी अनुप्रयोगों के लिए इंक का चयन सबसे महत्वपूर्ण निर्णय है, जो सिस्टम के घटक तय करता है, जिनमें प्रिंटहेड का प्रकार, क्योरिंग पैरामीटर और सतह पूर्व-उपचार की संभावित आवश्यकता शामिल हैं। तरल रसायन (श्यानता और अपरूपण) और हर इंक बूँद को जेट करने की भौतिकी को चरम परिस्थितियों में चलने के लिए सटीक व्यवहार करना होता है। स्कैनिंग की तुलना में सिंगल-पास प्रिंटिंग के लिए ये कारक और बढ़ जाते हैं।

सिंगल-पास इंकजेट कुछ समय से मौजूद है, जिसमें वेब लॉटरी टिकट, स्मार्ट कार्ड, सिरेमिक टाइल, गत्ते के कार्टन और बॉक्स आदि की 2D प्रिंटिंग पर ज़ोर रहा है। शुरुआती तकनीकी चुनौतियाँ इंक रसायन और पॉलिमर विज्ञान की हालिया प्रगति के साथ दूर हो चुकी हैं, जिससे निम्न-सतह-ऊर्जा पॉलिमर की फ़ुल-कलर सिंगल-पास UV LED इंकजेट प्रिंटिंग संभव हुई है। वैकल्पिक इनलाइन पूर्व-उपचार और विज़न के साथ पूर्णतः स्वचालित मास प्रोडक्शन सिस्टम उपलब्ध हैं। यह लेख UV-क्योर होने योग्य इंक, पॉलिमर सतहों और गीलेपन की जाँच करता है।

UV इंक तब ठोस में क्योर होती हैं जब इंक में मौजूद फ़ोटोइनिशिएटर पराबैंगनी प्रकाश के उच्च-तीव्रता स्रोत से अंतःक्रिया करते हैं। UV इंक को अधिक पर्यावरण-अनुकूल माना जाता है क्योंकि उनमें प्रभावी रूप से विलायक नहीं होते। हालाँकि, इन इंक में विषाक्तता की चिंताएँ हैं। अक्योर UV इंक में अप्रतिक्रियित मोनोमर होता है, जो मानव शरीर के लिए हानिकारक है। तैयार, क्योर हो चुके प्रिंट में भी अवशिष्ट अप्रतिक्रियित मोनोमर हो सकता है। रेडियोमीटर के उपयोग की पुरज़ोर सिफ़ारिश की जाती है।

पिगमेंटेड UV-क्योर होने योग्य इंक के अलग-अलग घटकों में आमतौर पर मोनोमर (कम श्यानता वाले तरल), ऑलिगोमर (आसंजन और क्योर गुण), पिगमेंट (रंग), फ़ोटोइनिशिएटर (UV क्योरिंग) और एडिटिव्स (गीलापन और डिस्पर्सेंट) शामिल होते हैं।

प्रत्येक घटक अंतिम इंक फ़ॉर्मूले के प्रदर्शन-गुणों को अनुकूलित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। सिंगल-पास इंकजेट प्रिंटिंग के लिए प्रोसेस रंगों की तुलना में UV सफ़ेद इंक का फ़ॉर्मूला बनाना चुनौतीपूर्ण है, क्योंकि इसके TiO2 पिगमेंट कण बड़े और भारी होते हैं, जो आसानी से नीचे बैठ जाते हैं।

श्यानता (या सख़्ती से कहें तो अपरूपण श्यानता) एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है जो प्रिंटहेड नोज़ल और फ़ायरिंग पल्स से प्रवाह को नियंत्रित करता है। पीज़ोइलेक्ट्रिक ड्रॉप-ऑन-डिमांड प्रिंटहेड में फ़ायरिंग पल्स एक वोल्टेज है जो पीज़ो की गति उत्पन्न कर दाब-अंतर बनाता है (चित्र 1)।

बूँद के फ़ायर होने के बाद दाब का एकांतर दोलन समय के साथ घटता है (अवमंदन प्रभाव)। उच्च प्रवाह दर और छोटे नोज़ल व्यास के कारण तरल उच्च अपरूपण दर व्यवस्था में काम करते हैं। साथ ही, श्यानता का प्रभाव प्रिंटहेड इंक चैंबर में इंक भरने पर भी पड़ता है। अपरूपण दर बढ़ने के साथ श्यानता आमतौर पर घटती है और इसे “शीयर-थिनिंग” तरल कहा जाता है (इसकी उलटी परिघटना, जिसमें अपरूपण दर के साथ श्यानता बढ़ती है, “थिक्सोट्रोपिक” तरल कहलाती है)।

जैसे-जैसे इंक गाढ़ी या पतली होती है, बदलते अपरूपण से जेटिंग प्रदर्शन पर हानिकारक प्रभाव पड़ सकता है। नोज़ल में इंक पर अपरूपण भी लगता है और उसका खिंचाव भी होता है, और खिंचाव श्यानता को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इंक फ़िलामेंट के बनने और टूटने तथा उसके बाद बूँद बनने को प्रभावित करती है।

उदाहरण के लिए, Apollo FTX ink series को ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) के अनुसार वयस्कों और बच्चों (मानव त्वचा के संपर्क) के लिए सुरक्षित होने हेतु फ़ॉर्मूलेट और योग्य किया गया है, और इसका जैव-अनुकूलता परीक्षण हुआ है†। रसायन-क्रिया विशिष्ट UV LED क्योर गुणों और सौंदर्य से सटीक मेल खाती है, न अंडरक्योर (चिपचिपी) और न ओवरक्योर (भंगुर)।

इस इंक का प्रवाह उच्च व सुसंगत है (स्थिर रियोलॉजिकल व्यवहार) और नोज़ल से निकलती इंक का निकास संपर्क कोण एकसमान जेट ब्रेक-अप देता है। इस इंक में उत्कृष्ट गीलापन, आसंजन, तथा सफ़ेद इंक (आधार परत) और CMYK++ रंगों के बीच अंतर-आणविक आसंजन है। नाइट्राइल रबर और लेटेक्स सहित कई निम्न-सतह-ऊर्जा सब्सट्रेट पर सतह पूर्व-उपचार आवश्यक नहीं है।

अंतिम क्योर गुण बेजोड़ खरोंच/मार और रासायनिक प्रतिरोध दर्शाते हैं, जिसमें डिशवॉशर परीक्षण भी शामिल है। यह इंक Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba, Konica Minolta के विशिष्ट प्रिंटहेड मॉडल के साथ संगत है।

पॉलिमर सतहें और गीलापन

स्कैन प्रिंटर की तुलना में सिंगल-पास प्रिंटिंग के लिए सटीक इंक श्यानता कलर ब्लीड (एक पास में गिरी इंक की भारी मात्रा के कारण) को नियंत्रित करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। इंकजेट इंक की श्यानता और सतह तनाव कम होते हैं, जिससे पॉलीओलेफ़िन, नायलॉन, TPE/रबर आदि जैसे कई पॉलिमर पर आसंजन की समस्याएँ पैदा होती हैं। इस प्रकार के सब्सट्रेट अध्रुवीय, रासायनिक रूप से निष्क्रिय प्लास्टिक हैं जो जल-विरोधी हैं और स्वाभाविक रूप से गीले नहीं होते।

किसी समतल ठोस सतह पर विराम अवस्था (साम्यावस्था) में एक अकेली तरल बूँद पर विचार करें। ठोस सतह और अंतिम बिंदु पर ऊपरी सतह की स्पर्श रेखा के बीच बनने वाला कोण संपर्क कोण कहलाता है। यह संपर्क बिंदु पर स्पर्श रेखा और ठोस सतह की क्षैतिज रेखा के बीच का कोण है।

हालाँकि, इंक तरल और संपर्क कोण गतिशील होते हैं, स्थिर नहीं। जब बूँद किसी ठोस सतह से जुड़ी हो और ठोस सतह को झुकाया जाए, तो बूँद आगे की ओर लपकेगी और नीचे फिसलेगी। बनने वाले कोण क्रमशः अग्रगामी कोण (θa) और पश्चगामी कोण (θr) कहलाते हैं (चित्र 2)।

बूँद का आकार उन आणविक बलों के कारण होता है जिनसे सभी तरल, सतह के संकुचन द्वारा, अपने समाहित आयतन को न्यूनतम सतह क्षेत्रफल वाला आकार देने की प्रवृत्ति रखते हैं। सतह को संकुचित करने वाले अंतर-आणविक बल “सतह तनाव” कहलाते हैं। इंकजेट इंक का सतह तनाव प्रिंटहेड से उचित जेटिंग को नियंत्रित करता है।

सतह तनाव, जो सतह ऊर्जा का माप है, dynes/cm में व्यक्त किया जाता है। तरल (इंक) के सतह तनाव की तुलना में ठोस सब्सट्रेट की सतह ऊर्जा जितनी अधिक होगी, उसका गीलापन उतना बेहतर होगा और संपर्क कोण उतना छोटा होगा। नियमतः, स्वीकार्य बंधन आसंजन तब प्राप्त होता है जब सब्सट्रेट की सतह ऊर्जा तरल के सतह तनाव से लगभग 8 से 10 dynes/cm अधिक हो।

संपर्क कोण आमतौर पर सतह रसायन में परिवर्तनों और सतह स्थलाकृति में परिवर्तनों से प्रभावित होते हैं। अग्रगामी संपर्क कोण सब्सट्रेट सतह के निम्न-ऊर्जा (असंशोधित) घटकों के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील होता है, जबकि पश्चगामी कोण सतह पूर्व-उपचार द्वारा जोड़े गए उच्च-ऊर्जा, ऑक्सीकृत समूहों के प्रति अधिक संवेदनशील होता है।

पश्चगामी कोण वह माप है जो पूर्व-उपचार के बाद सतह के संशोधित घटक का सबसे अधिक प्रतिनिधित्व करता है। सतही अंतःक्रियाओं, इष्टतम जेटिंग, और बूँद रखे जाने तथा क्योरिंग शुरू होने के बीच लगने वाले समय को समझने के लिए गतिशील संपर्क कोण मापना महत्वपूर्ण है। इस जानकारी के बिना इंकजेट प्रिंटिंग की गुणवत्ता की बड़ी समस्याएँ होंगी, जैसे सैटेलाइट, ओवरस्प्रे, मिस्ट आदि। सुझाव है कि dyne घोलों के बजाय बैलिस्टिक डिपॉज़िशन का उपयोग करने वाला संपर्क कोण माप उपकरण प्रयोग किया जाए।

निष्कर्ष

कठोर और लचीले/तन्य उत्पादों की सिंगल-पास UV LED रंग प्रिंटिंग औद्योगिक इंकजेट तकनीक को बदलने वाली नवीनतम प्रगतियों में से एक है। सफल उत्पादन के लिए किसी भी परियोजना की शुरुआत में ही कई प्रक्रिया-कारकों और उनके आपसी संबंधों को समझना आवश्यक है।

संदर्भ

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

†Apollo FTX Ink series ख़रीद के लिए उपलब्ध है। The Sabreen Group से 972.820.6777 पर या [email protected] पर संपर्क करें।

Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc. के संस्थापक और अध्यक्ष हैं, जो प्लास्टिक द्वितीयक प्रसंस्करण में विशेषज्ञ एक इंजीनियरिंग कंसल्टिंग कंपनी है — सतह पूर्व-उपचार, आसंजन बंधन, इंकजेट प्रिंटिंग, लेज़र मार्किंग, डेकोरेटिंग व फिनिशिंग, और उत्पाद सुरक्षा। Sabreen 30 से अधिक वर्षों से अग्रणी प्रौद्योगिकियाँ विकसित कर रहे हैं और विनिर्माण समस्याएँ सुलझा रहे हैं। उनसे 972.820.6777 पर या www.sabreen.com पर संपर्क किया जा सकता है।

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