הדפסת הזרקת דיו והידבקות על פולימרים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה

הדפסת הזרקת דיו והידבקות על פולימרים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה

הרבה לפני שטיפת הדיו הראשונה מוזרקת על מוצר פלסטיק, המעצבים מקבלים החלטות מפתח הקובעות מראש אם הדפסה בדיו תהיה קלה או קשה. הידבקות היא בעיקרה תופעת פני שטח, שכן היא תלויה באינטראקציות בין הדיו הנוזלי לבין פני המצע.

הגורמים העיקריים המשפיעים על ההידבקות הם בחירת הפולימר (כולל חומרי צבע, חומרי מילוי ותוספים), תהליך היציקה, מצב פני השטח, ואחסון וטיפול. הדפסת הזרקת דיו מורכבת ביותר ומערבת תחומים בין-תחומיים רבים. הראשון והחשוב שבהם הוא התאימות בין הדיו למצע הפולימרי.

מאמר זה בוחן את בחירת הפולימרים והעיבוד הראשוני להשגת הידבקות דיו יציבה. גישה זו, שתוכננה לייצור, מספקת תובנות בעלות ערך ופתרונות שהוכחו בשטח למניעת כשלי הידבקות.

הדפסת הזרקת דיו מורכבת ורגישה בהרבה מהדפסה אנלוגית. הזרקת דיו על פולימרים קשה מטבעה, משום שלעיתים קרובות יש הבדלים כימיים ופיזיקליים ניכרים בין סוגי פלסטיק – אפילו בתוך אותה משפחה פולימרית. הדפסה בהזרקת דיו על גיאומטריות מעוקלות מוסיפה קשיים נוספים, בניגוד להדפסת טמפו ומשי בתכשירי דיו על בסיס ממס בעלי מתח פנים נמוך יותר מטבעם, המרטיבים בקלות מצעים פולימריים.

נקודות עיקריות

• ההידבקות נקבעת בשלב התכנון, הרבה לפני הזרקת הטיפה הראשונה — על ידי בחירת הפולימר, חומר הצבע, חומרי המילוי והתוספים.
• פולימרים אמורפיים מודפסים בדרך כלל טוב יותר מגבישיים, שהמבנה המסודר שלהם מתנגד להרטבה.
• פני השטח של ניילון הידרופוביים, אך במסה שלו הוא הידרופילי ובולע מעל 3% ממסתו במים — ולכן ייבוש הוא קריטי.
• מרקם התבנית מעניק הידבקות בחינם. גימור מלוטש ביהלום 1200 grit עדיף על גימור יהלום עדין 8000 grit.
• סיליקונים הם האויב. יש למנוע סיליקונים פנימיים וחיצוניים ולצמצם תוספי עיבוד.

שאלות נפוצות

אילו פולימרים הכי קשה להדפיס עליהם בהזרקת דיו?

אצטלים, פוליאמידים, פוליאולפינים, פוליאסטר, PPS, PEEK, PEI, פוליאימיד, PTFE ופוליאורתנים. מעצבים בוחרים בחומרים אלה בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה כתחליף למתכת, לקשיחות, לעמידות כימית ולביצועים בטמפרטורות גבוהות — אותן תכונות שהופכות את ההדפסה לקשה.

מדוע ניילון גורם לבעיות הידבקות מתמשכות?

ניילון הוא הידרופובי, אינרטי כימית ובעל אנרגיית פני שטח נמוכה בפני השטח, אך קבוצות האמיד בשרשרת מושכות מים ולכן הוא מתנהג באופן הידרופילי במסה, ובולע מהאטמוספרה מעל 3% ממסתו. התנהגות מפוצלת זו, יחד עם הלחות עצמה, יוצרת בעיות הידבקות אלא אם כן ייבוש השרף מבוקר כראוי.

כיצד תכנון התבנית יכול לשפר את הידבקות הדיו?

על ידי הוספת מרקם. פסגות ועמקים מספקים נעילה מכנית, ומרקם שנוצר בתבנית עדיף על שפשוף ידני משום שאינו עולה דבר בעבודה או בכימיקלים. גימור NTMA "40 — Diamond buffed 1200 Grit" יניב בדרך כלל תוצאות טובות יותר מ-"10 — Fine Diamond 8000 Grit". סיכות ליבה חרוטות פועלות היטב בחורים שקועים.

באילו ממסים יש להשתמש לניקוי ניילון ו-PPS לפני ההדפסה?

טולואן, קסילן, אצטון או MEK. אלכוהול הוא ממס חלש המסיר לכלוך שטחי אך לא מזהמי פחמימנים. יש להשתמש במטליות נטולות סיבים ובכפפות ללא אבקה, ולהימנע מעודף ממס, המותיר שכבות גבול חלשות וערפול המעכבים הדבקה.

אילו שינויים פשוטים משפרים את הידבקות הדיו ביותר ללא עלות?

מניעת סיליקונים פנימיים וחיצוניים וצמצום תוספי עיבוד; הוספת מרקם לתבנית; ייבוש נכון של השרף; שמירה על ניקיון פני השטח; הימנעות מעודף ממס; אריזה הדוקה של חלקים יצוקים בשקיות שאינן מפוליאתילן או בשקיות פוליאסטר עם חומר ייבוש; והדפסה בהקדם האפשרי לאחר היציקה.

תרמופלסטים

סוג התרמופלסט שנבחר להדפסה משפיע באופן משמעותי על כל תהליך הזרקת הדיו. בחומר תרמופלסטי מולקולות ארוכות דמויות שרשרת מוחזקות יחד על ידי כוחות ון דר ואלס חלשים יחסית. תרמופלסטים מתחלקים לשתי תת-קטגוריות: אמורפיים וגבישיים (ראו איור 2). בדרך כלל לפולימרים אמורפיים תכונות הידבקות טובות יותר מלגבישיים.

המונח "אמורפי" פירושו חסר צורה מוגדרת או בעל צורה הניתנת לשינוי בקלות. "גבישי" משמעו שיש תבנית סדירה ומוגדרת של צבירי המולקולות. לשרפים אמורפיים מבנה אקראי, דמוי ספגטי. הם אינם מרסנים במידה רבה אנרגיה המוכנסת לחומר. עם הפעלת חום הם מתרככים ואין להם טמפרטורת היתוך מוגדרת בחדות.

לשרפים גבישיים יש תבניות מסודרות (ראו איור 3). יש להם גם טמפרטורות היתוך מוגדרות היטב. בפולימר שני המצבים הללו מתקיימים יחד: קטעי פולימר סמוכים נארזים לצרורות גבישיים צפופים המוחזקים על ידי כוחות משיכה משניים, ואילו קטעים אחרים של אותן מולקולות אינם יכולים לנוע פיזית אל סריג הגביש ונשארים אמורפיים. ההסתברות שקטע פולימר מסוים יהיה גבישי או אמורפי היא ברובה אירוע אקראי, הנשלט על ידי הדינמיקה של תהליך הגיבוש.

לחומרים חצי-גבישיים מבנה מולקולרי מסודר מאוד עם נקודות התכה חדות. הם אינם מתרככים בהדרגה עם עליית הטמפרטורה; במקום זאת הם נשארים מוצקים עד שנקלטת כמות חום מסוימת, ואז הופכים במהירות לנוזל בעל צמיגות נמוכה. לפולימרים אמורפיים מבנה מולקולרי מסודר באקראי ללא נקודת התכה חדה. במקום זאת חומרים אמורפיים מתרככים בהדרגה עם עליית הטמפרטורה. חומרים אלה משנים צמיגות בחימום, אך לעיתים רחוקות זורמים בקלות כמו חומרים חצי-גבישיים. פולימרים אמורפיים מאבדים חוזק במהירות מעל טמפרטורת מעבר הזכוכית (Tg) שלהם.

תאימות בין הדיו למצע הפולימרי

בין הפולימרים המאתגרים ביותר להדפסת הזרקת דיו: אצטלים (POM), פוליאמידים (ניילון), פוליאולפינים, פוליאסטר (PET), פוליפנילן סולפיד (PPS), פוליאתר-אתר-קטון (PEEK), פוליאתר-אימיד (PEI), פוליאימיד "Kapton" (PI), פוליטטרפלואורואתילן (PTFE) ופוליאורתנים (PUR). מעצבים בוחרים בחומרים אלה בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה (LSE) בשל היותם תחליף קל משקל למתכת, קשיחותם וחוזקם, עמידותם הכימית ותכונותיהם הפיזיקליות בטמפרטורות שירות גבוהות.

כדי שהדפסת הזרקת דיו תצליח, עליה להשיג הידבקות ארוכת טווח לפני השטח של הפולימר. ההידבקות תלויה במידה רבה בתופעות פני שטח, כלומר הדיו בטמפרטורה גבוהה חייב להיפלט בקלות מראש ההדפסה ולקיים אינטראקציה מתאימה עם המצע. הדיו חייב להיות מסוגל ליצור מגע הדוק עם פני המצע הפולימרי. מגע הדוק זה נקרא הרטבה, והוא מתייחס ליכולת הדיו להתפשט על פני השטח. רוב פני הפולימרים הידרופוביים מטבעם ומתנגדים להרטבה. אופייני לפלסטיקים אלה שהם משטחים אינרטיים כימית, לא נקבוביים ובעלי אנרגיית פני שטח נמוכה, מה שהופך את ההידבקות בהדפסה לכמעט בלתי אפשרית. אנרגיית פני שטח היא האנרגיה העודפת הקיימת בפני השטח של מוצק (בניגוד למסה). אנרגיה עודפת זו קיימת משום שמולקולות בפני השטח אינן יכולות ליצור אינטראקציה עם מספר שכנות דומות כמו מולקולות במסה, ולכן יש להן אנרגיית אינטראקציה עודפת.

העיבוד הראשוני קריטי להשגת התכונות המוצהרות של חומר הפולימר. לדוגמה, נבחן שני פולימרים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה שקשה להזריק עליהם דיו – פוליאמיד (PA) ופוליפנילן סולפיד (PPS):

פוליאמיד, הידוע בכינויו ניילון, הוא פולימר חצי-גבישי. שתי הדרגות הנפוצות ביותר הן Nylon 6 ו-Nylon 6/6. קשה מטבעם להדביק פולימרי ניילון משום שהם הידרופוביים, אינרטיים כימית ובעלי יכולת הרטבה ירודה של פני השטח (כלומר אנרגיית פני שטח נמוכה). בנוסף, ניילונים הם היגרוסקופיים ובולעים מהאטמוספרה לחות העולה על 3% ממסתם במים. הלחות, כשלעצמה, יוצרת בעיות הידבקות. נוהל ייבוש נכון של שרפי ניילון הוא קריטי לעיבוד ולביצועי החלק. יש לציין בעיקר שההתנהגות ההידרופובית של ניילון היא תכונת פני שטח, וההתנהגות ההידרופילית היא תכונת מסה. מכיוון שניילון הוא פולימר אורגני, אנרגיית פני השטח שלו נמוכה יחסית. זוהי תוצאה של הכימיה והפיזיקה של פני השטח של פולימרים וחומרים אורגניים אחרים. עם זאת, קבוצות האמיד בשרשרת הניילון מושכות מים, והן מולידות את ההתנהגות ההידרופילית של חומר זה בכל הנוגע לבליעת מים במסה. כך, במסה ניילון יכול להתנהג כחומר הידרופילי, אך בפני השטח הוא יכול להפגין התנהגות הידרופובית.

פוליפנילן סולפיד (PPS) מציע את העמידות הרחבה ביותר לחומרים מאכלים מבין כל פלסטיקי ההנדסה המתקדמים. מוצרי PPS אינם היגרוסקופיים ולכן אינם סובלים מבעיות התפשטות ממדית כמו ניילון (פוליאמידים). ועדיין חשוב להשתמש בשרף יבש ביציקת חלקים. הלחות, כשלעצמה, בעייתית. רמות לחות גבוהות עלולות ליצור חללים, שיפגעו בביצועי החלק, ישפיעו על ההידבקות וישנו את המראה. הזמן שבין הייבוש לעיבוד צריך להיות קצר ככל האפשר. יש לייבש PPS במייבשי מיכל מסירי לחות. תנורי אוויר חם אינם מומלצים בדרך כלל. כדי להגיע למצב גבישי מלא נדרשות טמפרטורות תבנית של לפחות 275 עד 300°F. כאשר PPS נוצק מתחת ל-275°F, החלקים היצוקים אמורפיים או חצי-גבישיים, ונשארים במצב זה עד שהם נחשפים לטמפרטורות שירות גבוהות יותר (כולל ריפוי בחום). אם טמפרטורת השירות עולה על טמפרטורת היציקה, החלקים יהפכו גבישיים יותר, מה שיגרום לשינויים ממדיים ולשינויים בתכונות. לדוגמה, טמפרטורת עיוות בחום (HDT) ב-264 psi (1.8 MPa) של PPS מחוזק ב-40% סיבי זכוכית שנוצק במצב לא גבישי היא רק 350°F, אך עולה ל-500°F ומעלה (260°C) במצב הגבישי. יתר על כן, לטמפרטורת התבנית השפעה דרמטית על מראה פני השטח.

כדי לנקות כראוי משטחי ניילון ו-PPS ולהסיר LMWM (חומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך), יש להשתמש בטולואן, קסילן, אצטון או MEK. אלכוהול הוא ממס חלש ומסיר רק לכלוך שטחי אך לא מזהמי פחמימנים. יש להשתמש בכל עת בטכניקה נכונה, לרבות מטליות נטולות סיבים וכפפות מגן ללא אבקה. עודף ממס יוצר שכבות גבול חלשות של כימיקלים שלא הוסרו, ומותיר הצטברות ערפול שתעכב הדבקה.2 יש לבצע את תהליכי ההדפסה בהקדם האפשרי לאחר פעולות היציקה, או לארוז את החלקים היטב בשקיות שאינן מפוליאתילן, כגון פוליאסטר. יישומי הדבקה של ניילון ו-PPS דורשים לעיתים קרובות טיפול מקדים בפלזמה, כגון פריקת קורונה חשמלית, פלזמה אטמוספרית חשמלית, פלזמת אוויר חשמלית, פלזמת להבה ופלזמת גז קר RF בלחץ נמוך.

משטחי מצע נקיים

חומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך – כגון סיליקונים, חומרי שחרור מתבנית, חומרים נגד החלקה ותוספי תהליך – מעכבים את יכולת הדיו לזרום וליצור את המגע ההדוק החיוני להידבקות. חומרים מסוימים, מסיסים או בלתי מסיסים, המשמשים בחומרי צבע מסוג פיגמנט וצבען, יכולים לפגוע בהידבקות. להרכב הכימי של המשטח היצוק, למרקמו ולנקבוביותו השפעה משמעותית על זרימת הדיו וההידבקות. מידת הטיפול ואיכותו וההידבקות מושפעות מניקיון פני הפלסטיק. פני השטח חייבים להיות נקיים כדי להשיג טיפול מקדים אופטימלי והידבקות דיו לאחר מכן. זיהום פני שטח – כגון חומר שחרור סיליקוני, לכלוך, אבק, גריז, שמנים וטביעות אצבע – מעכב את הטיפול. גם טוהר החומר הוא גורם חשוב.

חיי המדף של פלסטיק שעבר טיפול תלויים בסוג השרף, בתכשיר ובסביבה של אזור האחסון. חיי המדף של מוצרים שעברו טיפול מוגבלים בשל נוכחות חומרים מחומצנים בעלי משקל מולקולרי נמוך (LMWOM), כגון נוגדי חימצון, פלסטיסייזרים, חומרים מחליקים ואנטי-סטטיים, חומרי צבע ופיגמנטים, ומייצבים וכו'. חשיפת משטחים שעברו טיפול לטמפרטורות גבוהות מגבירה את ניידות שרשראות המולקולות – ככל שניידות השרשרת גבוהה יותר, כך הטיפול מזדקן מהר יותר. ניידות שרשראות הפולימר בחומרים שעברו טיפול גורמת לאתרי ההדבקה שנוצרו בטיפול להתרחק מפני השטח. רכיבים אלה עשויים בסופו של דבר להגר אל פני הפולימר.

תכנון תבנית ומרקם פני שטח

מעצבים יכולים לשפר את ההידבקות על ידי הוספת מרקם לפני התבנית. מרקם יוצר פסגות ועמקים ומספק הידבקות בנעילה מכנית. ניתן ליצור מרקם בתוך התבנית או ידנית באמצעות פד Scotch-Brite וניקוי בממס. מרקם שנוצר בתבנית עדיף משום שהוא שומר על מאפייני פני השטח ללא עלויות עבודה או כימיקלים נוספות.

לדוגמה, גימור חלל תבנית NTMA "40-Diamond buffed 1200 Grit" ישפר ככל הנראה את חוזק ההדבקה בהשוואה לגימור "10-Fine Diamond 8000 Grit" (טווח 0 עד 3 מיקרון). ראו איור 4, גימור משטח תבנית לפי SPI. גם משטחים בעלי מרקם קל מועילים. ביישומי חורים שקועים, כמו מחברים, סיכות ליבה חרוטות בתבנית יעילות ביותר.

לסיכום, להשגת הידבקות דיו יציבה ו/או הדבקה בעלת חוזק גבוה של פולימרים, מומלץ לנקוט את הפעולות הבאות. אף אחת מהן אינה מוסיפה עלות, ולמעשה הן חוסכות בעלויות.

• ללא סיליקונים פנימיים או חיצוניים. צמצום תוספי עיבוד.
• מרקם בתבנית.
• ייבוש נכון של השרף לפני היציקה.
• פני השטח חייבים להיות נקיים.
• הימנעות משימוש בעודף ממס היוצר שכבות גבול חלשות של כימיקלים שלא הוסרו.
• אריזה הדוקה של חלקים יצוקים בשקיות שאינן מפוליאתילן עם חומר ייבוש, או שימוש בשקיות פוליאסטר.
• ביצוע תהליך ההדפסה בהקדם האפשרי לאחר היציקה.

מקורות

• Innovations in Bonding to Low Surface Energy Surfaces, 3M Technical Guide
• Best Practices for Bonding Semi-Crystalline Thermoplastics, The Sabreen Group, January 2015

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת הנדסה המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק – אבטחת מוצרים, סימון בלייזר, טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור. Sabreen פורץ דרך בטכנולוגיות ופותר בעיות ייצור מזה למעלה מ-30 שנה. ניתן ליצור עמו קשר בטלפון 972.820.6777 או באתר www.Sabreen.com.

---