Impression jet d’encre sur plastiques

Impression jet d'encre sur polypropylène, nylon et autres plastiques

Impression jet d'encre industrielle sur plastiques

Découvrez comment obtenir une adhérence d'encre solide et une résistance aux intempéries extérieures sévères sur des produits en polypropylène imprimés par jet d'encre et des plastiques à faible énergie de surface, grâce aux encres jet d'encre UV LED. Des procédés d'impression jet d'encre savamment conçus et des revêtements hydrophobes à l'échelle nanométrique appliqués sur des produits plastiques d'intérieur et d'extérieur garantissent jusqu'à 30 ans de résistance aux UV et aux intempéries. De nouvelles technologies d'encres et de revêtements font considérablement progresser les applications de l'impression jet d'encre UV LED goutte-à-la-demande numérique.

revêtements hydrophobes à l'échelle nanométrique

Impression jet d'encre UV LED sur polypropylène (photo réelle prise avec un smartphone)

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L'impression jet d'encre UV LED piézoélectrique goutte-à-la-demande sur des polymères et des substrats flexibles est plus complexe et délicate que l'impression analogique traditionnelle. La technologie goutte-à-la-demande exige que les buses éjectent des gouttes de taille précise avec une exactitude rigoureuse. Les systèmes d'impression jet d'encre de haute qualité doivent intégrer simultanément les têtes d'impression, les fluides, les contrôleurs électroniques, le prétraitement et la polymérisation (cure). Tous ces éléments doivent fonctionner de façon parfaitement coordonnée pour obtenir les résultats souhaités.

Il existe trois principaux paramètres d'entrée du procédé : 1) le substrat polymère, 2) l'imprimante jet d'encre et 3) la chimie de l'encre et sa compatibilité avec la surface du substrat. Tous ces éléments doivent être précis et stables pour obtenir une excellente qualité d'impression. Modifier l'un de ces paramètres déséquilibre l'ensemble et nécessite d'ajuster les autres. L'impression sur des géométries tridimensionnelles et galbées est encore plus complexe, car les choix d'imprimantes et de têtes d'impression OEM restent limités. Chaque fabricant OEM homologue des encres certifiées pour une gamme restreinte. Une compréhension approfondie des subtilités de l'impression jet d'encre et de la science des surfaces permet d'atteindre des capacités et des résultats inédits.

SABREEN a récemment développé et commercialisé des encres UV LED et des procédés d'impression jet d'encre pour la personnalisation de produits en plastique et en caoutchouc flexibles pouvant s'étirer de plus de 100 %. Ces produits incluent des bandes d'exercice thérapeutique, des bonnets de bain, des dispositifs portables hygiéniques et bien d'autres. Une analyse toxicologique indépendante confirme la conformité à la loi californienne CAL Prop 65, à l'évaluation américaine des risques de toxicité (US Toxicity Risk Assessment) et à la norme ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14).

Notre procédé d'impression jet d'encre utilise des encres de haute qualité et une technologie d'impression avancée pour garantir des images éclatantes et durables sur tous types de plastiques.

En impression jet d'encre, l'adhérence est un facteur critique. Les variables qui influencent l'adhérence incluent le matériau polymère (colorants, charges et additifs compris), le procédé de moulage, l'état de surface, la texture, ainsi que le stockage et la manutention. Il est essentiel que les ingénieurs de conception et de fabrication sélectionnent le thermoplastique optimal répondant aux critères de performance sur le terrain tout en étant facile à imprimer. Des revêtements protecteurs transparents (vernis de finition) offrent une résistance chimique et à l'abrasion prolongée, par exemple pour un lavage au lave-vaisselle à l'eau chaude (plus de 500 cycles consécutifs). Ces revêtements sont appliqués par-dessus les encres pigmentées, que ce soit par voie jet d'encre ou par pulvérisation.

Les thermoplastiques se divisent en deux sous-catégories : amorphes et cristallins. Les molécules, sous forme de longues chaînes, sont maintenues entre elles par des forces de Van der Waals relativement faibles. En général, les polymères amorphes présentent de meilleures propriétés d'adhérence que les polymères cristallins. Le terme « amorphe » signifie une absence de forme définie, ou une forme facilement modifiable. « Cristallin » implique au contraire un arrangement régulier et défini des agrégats moléculaires. Les résines amorphes telles que l'ABS, le styrène et le polycarbonate présentent une structure aléatoire, semblable à des spaghettis. Sous l'effet de la chaleur, elles se ramollissent progressivement, sans point de fusion nettement défini.

Les résines cristallines telles que les polyoléfines, le PET et le nylon présentent un arrangement ordonné, comparable à un ressort enroulé ; de même qu'un ressort métallique amortit les vibrations, les matériaux cristallins possèdent un point de fusion bien défini. Dans un polymère, ces deux états coexistent : certaines sections des chaînes polymères s'assemblent en faisceaux cristallins compacts maintenus par des forces d'attraction secondaires, tandis que d'autres sections des mêmes molécules ne peuvent pas s'insérer physiquement dans le réseau cristallin et demeurent amorphes. Voir la figure 2.

Figure 2. Thermoplastiques amorphes et cristallins

Sélection des thermoplastiques – compatibilité avec le procédé

Pour qu'une impression jet d'encre réussisse, l'encre portée à température élevée doit s'éjecter facilement de la tête d'impression, interagir correctement avec le substrat et obtenir une adhérence solide. Ce contact intime est appelé « mouillage » ou « mouillage complet » de la surface et désigne la capacité de l'encre à s'étaler sur celle-ci. Cependant, la plupart des surfaces polymères sont naturellement hydrophobes et résistent au mouillage. Ces plastiques présentent typiquement des surfaces chimiquement inertes et non poreuses à faible énergie de surface, ce qui rend l'adhérence de l'impression presque impossible. L'énergie de surface correspond à l'excès d'énergie présent à la surface (par opposition au volume) d'un solide.

Le procédé de moulage primaire est déterminant pour obtenir les propriétés annoncées du matériau polymère. L'application d'un prétraitement plasma de surface adapté, associé à une texture de surface appropriée et à de bonnes pratiques de fabrication, permet de résoudre la plupart, voire la totalité, des problèmes d'adhérence et de mouillage. Choisir le meilleur thermoplastique pour une application donnée n'est pas simple. Les concepteurs de pièces recherchent souvent des propriétés de matériau et de surface qui s'avèrent très difficiles à imprimer. Examinons quelques exemples d'application qui illustrent l'équilibre critique entre le choix du polymère et la facilité d'impression.

L'impression jet d'encre couleur sur polyamide (nylon) est l'une des applications les plus recherchées. La composition chimique du nylon lui confère un point de fusion élevé, ce qui en fait une excellente alternative aux composants métalliques dans les environnements à haute température, comme les moteurs automobiles et d'autres machines soumises à des frottements importants. Comme d'autres matériaux thermoplastiques, le nylon se liquéfie à son point de fusion plutôt que de brûler, ce qui signifie qu'il peut être fondu puis remoulé ou recyclé. Le nylon ne chauffe pas non plus facilement lorsqu'il est utilisé dans des applications à fort frottement. Cependant, les encres jet d'encre n'adhèrent pas facilement au nylon (ni à la plupart des polymères à faible énergie de surface) sans encre spécialisée et prétraitement adapté, en partie en raison de ses propriétés hydrophobes. Voir la figure 3.

Figure 3. Propriétés typiques du plastique nylon (PA)

Il faut avant tout s'assurer que les matériaux en nylon sont correctement séchés et transformés pour obtenir des propriétés « sec tel que moulé ». Les fabricants de résines produisent chimiquement leurs produits de façon différente, ce qui peut affecter les performances d'adhérence. Évaluez les fournisseurs alternatifs par résine/grade, et notez les différences entre le nylon 6 et le nylon 66 (nylon 11 et 12). Contrairement au nylon 6, le nylon 66 est composé de deux monomères, l'hexaméthylènediamine et l'acide adipique, chacun apportant six atomes de carbone, d'où le nom « 66 ». Ce matériau est de nature plus cristalline que le nylon 6, ce qui améliore la rigidité ainsi que les modules de traction et de flexion.

Le nylon 6 absorbe légèrement plus d'humidité que le nylon 66. Après le moulage et avant les opérations secondaires, les produits doivent de préférence être emballés dans des sacs en polyester plutôt que dans des sacs en polyéthylène (polybags). Les espèces de faible poids moléculaire présentes dans les sacs en polyéthylène migrent vers la surface, ce qui entraîne des problèmes de contamination croisée. La durée de stockage et la température influencent également les performances d'adhérence. Imprimez le plus rapidement possible après le moulage.

Si les problèmes d'impression ne peuvent être résolus, envisagez d'utiliser un plastique alternatif présentant des propriétés similaires mais plus facile à imprimer ou à marquer au laser. Ce point souligne l'importance, pour les concepteurs comme pour les ingénieurs de fabrication, d'élaborer conjointement les spécifications du produit. Le polypropylène et le polyéthylène haute densité (PEHD) sont moins sensibles aux problèmes de moulage, de matériau et d'impression, et sont moins coûteux. Le PEHD est le plus facile des trois à imprimer, car il est thermodynamiquement plus stable. Voir la figure 4.

Les encres jet d'encre présentent une faible viscosité et une faible tension superficielle, ce qui complique l'adhérence sur de nombreux substrats polymères tels que les acétals, les polyoléfines et les polyuréthanes. Ces plastiques chimiquement inertes sont hydrophobes et ne se mouillent pas naturellement. Considérons une seule goutte de liquide déposée sur une surface solide plane, au repos (à l'équilibre). L'angle formé par la surface solide et la ligne tangente à la surface supérieure au point de contact est appelé angle de contact ; il correspond à l'angle (x) entre la ligne tangente au point de contact et la ligne horizontale de la surface solide. Voir la figure 2.

La forme de la bulle ou de la goutte résulte des forces moléculaires par lesquelles tous les liquides, en contractant leur surface, tendent à donner au volume contenu la forme présentant la plus petite surface possible. Les forces intermoléculaires qui contractent la surface sont appelées « tension superficielle ».

La tension superficielle, qui est une mesure de l'énergie de surface, s'exprime en dynes/cm. Plus l'énergie de surface du substrat solide est élevée par rapport à la tension superficielle d'un liquide (eau, encres d'impression, adhésifs/encapsulants, revêtements, etc.), meilleure sera sa « mouillabilité » et plus petit sera l'angle de contact (figure 2).

En règle générale, une adhérence de liaison acceptable est obtenue lorsque l'énergie de surface d'un substrat dépasse d'environ 8 à 10 dynes/cm la tension superficielle du liquide.

Figure 2. Angle de contact et degré de mouillage

Figure 3. Écoulement du fluide et angle de contact dynamique

En réalité, les fluides et les angles de contact sont dynamiques et non statiques. Voir la figure 3. L'angle de contact dynamique (ACD) est celui qui importe le plus. Lorsqu'une goutte adhère à une surface solide et que celle-ci est inclinée, la goutte s'élance vers l'avant et glisse vers le bas. Les angles ainsi formés sont appelés respectivement l'angle d'avance (θa) et l'angle de recul (θr).

Les angles de contact sont généralement considérés comme influencés à la fois par les variations de la chimie de surface et par celles de la topographie de surface. L'angle de contact d'avance est le plus sensible aux composants à faible énergie (non modifiés) de la surface du substrat, tandis que l'angle de recul est plus sensible aux groupes oxydés à haute énergie introduits par les prétraitements de surface. Ainsi, l'angle de recul constitue en réalité la mesure la plus caractéristique de la composante modifiée de la surface après prétraitement, telle que mesurée à l'aide de solutions dyne. Il est donc important de mesurer à la fois l'angle d'avance et l'angle de recul sur tous les matériaux dont la surface a été modifiée.

La pureté du matériau est également un facteur important. La durée de conservation des plastiques traités dépend du type de résine, de la formulation et de l'environnement ambiant de la zone de stockage. Cette durée de conservation est limitée par la présence de substances telles que les antioxydants, les plastifiants, les agents glissants et antistatiques, les colorants et pigments, les stabilisants, etc. L'exposition des surfaces traitées à des températures élevées accroît la mobilité des chaînes moléculaires — plus cette mobilité est importante, plus le vieillissement du traitement est rapide. La mobilité des chaînes polymères dans les matériaux traités entraîne l'éloignement des sites de liaison créés par le traitement par rapport à la surface. Ces composants peuvent finir par migrer vers la surface du polymère. Il est donc recommandé de coller, revêtir, peindre, imprimer ou décorer le produit le plus rapidement possible après le prétraitement.

Les encres UV n'utilisent que des colorants pigmentaires, mais la palette disponible est large et ne constitue pas une limitation sérieuse. Les avancées en formulation et en fabrication d'encres permettent aux fabricants de proposer du blanc (W), particulièrement utile comme base sur des substrats de couleur foncée ou comme fond sur des supports transparents. Les couleurs primaires de l'impression jet d'encre — cyan, magenta, jaune et noir (CMJN) — offrent ensemble une large gamme de couleurs, car les couches d'encre peuvent être épaisses. Cependant, étant à base de pigments, elles sont au moins partiellement opaques et masquent les couleurs sous-jacentes. L'intensité ne se traduit pas totalement dans les couleurs secondaires, ce qui exclut un certain nombre de couleurs Pantone très prisées des grandes marques.

L'impression analogique utilise des couleurs d'accompagnement (spot colors) spécifiquement formulées. Elles pourraient être disponibles sur ce marché, notamment avec les machines à 6, 8 et 10 têtes d'impression, mais elles restent peu répandues, car il est bien plus difficile de changer une couleur d'accompagnement sur une imprimante jet d'encre qu'en impression flexographique ou en sérigraphie. Cela entre également en conflit avec la capacité du numérique à enchaîner des travaux avec des images consécutives. Une alternative consiste à utiliser des jeux d'encres à gamme étendue, avec des encres intenses de teinte intermédiaire entre le cyan-magenta et le jaune. Le rouge, le vert et le bleu (RVB), ou l'orange, le vert et le violet (OGV), sont utilisés en impression d'étiquettes et publicitaire pour étendre la gamme et couvrir la plupart des couleurs de marque vives, spécifiées et intenses. Ces couleurs peuvent également être formulées sur mesure pour des produits en plastique tridimensionnels.

La reproduction des couleurs claires, en particulier des tons chair, reste une difficulté constante pour l'impression jet d'encre à séchage UV. Même les plus petites gouttes de CMN, désormais aussi fines que 4 picolitres, restent trop grosses pour un rendu photoréaliste. Cependant, l'ajout d'un second jeu de magenta clair (lm) et de cyan clair (lc) permet d'éliminer les artefacts liés aux points individuels. L'option CMJNlclmW est proposée sur ce marché par les fabricants OEM d'imprimantes.

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