Impresión por inyección de tinta sobre polipropileno, nylon y otros plásticos
Impresión industrial por inyección de tinta sobre plásticos
Conozca cómo lograr una adhesión de tinta resistente y una intemperización severa al aire libre en productos de polipropileno impresos por inyección de tinta y en plásticos de baja energía superficial, utilizando tintas de inyección UV LED. Los procesos de impresión por inyección de tinta diseñados con experiencia y los recubrimientos hidrofóbicos a nanoescala en productos plásticos para interiores y exteriores están garantizados hasta 30 años de exposición UV e intemperización. Las nuevas tecnologías de tintas y recubrimientos impulsan de manera significativa las aplicaciones de la impresión digital por inyección de tinta UV LED de gota bajo demanda.
recubrimientos hidrofóbicos a nanoescala
Impresión por inyección de tinta UV LED sobre polipropileno (fotografía real tomada con smartphone)
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La impresión piezoeléctrica por inyección de tinta UV LED de gota bajo demanda sobre polímeros y sustratos flexibles es más compleja y delicada que la impresión analógica tradicional. La tecnología de gota bajo demanda requiere que las boquillas disparen gotas de tamaño preciso con exactitud absoluta. Los sistemas de impresión por inyección de tinta de alta calidad deben integrar simultáneamente cabezales de impresión, fluidos, controladores electrónicos, pretratamiento y curado. Todos estos elementos deben funcionar de manera perfectamente coordinada para lograr los resultados deseados.
Existen tres parámetros principales del proceso: 1) el sustrato polimérico, 2) la impresora de inyección de tinta y 3) la química de la tinta y su compatibilidad con la superficie del sustrato. Todos los elementos deben ser precisos y estables para lograr una excelente calidad de impresión. Modificar cualquiera de estos parámetros genera un efecto de desequilibrio que exige ajustes en los demás. La impresión sobre geometrías tridimensionales y con contornos complejos se complica aún más debido a que existen relativamente pocas opciones de impresoras/cabezales OEM. Cada fabricante OEM limita las tintas certificadas desarrolladas para un rango específico. Un conocimiento profundo de las particularidades de la impresión por inyección de tinta y de la ciencia de superficies permite alcanzar capacidades y resultados sin precedentes.
SABREEN ha desarrollado y comercializado recientemente tintas UV LED y procesos de impresión por inyección de tinta para la personalización de productos plásticos y de hule flexibles que se estiran más del 100 por ciento. Estos productos incluyen bandas de ejercicio terapéutico, gorros de natación, dispositivos vestibles higiénicos y más. El análisis toxicológico independiente cumple con la Propuesta 65 de California (CAL Prop 65), la evaluación de riesgo de toxicidad de EE. UU. y la norma ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14).
Nuestro proceso de impresión por inyección de tinta utiliza tintas de alta calidad y tecnología de impresión avanzada para garantizar imágenes vibrantes y duraderas en todo tipo de plásticos.
En la impresión por inyección de tinta, la adhesión es un factor crítico. Las variables que afectan la adhesión incluyen el material polimérico (incluyendo colorantes, cargas y aditivos), el proceso de moldeo, las condiciones de la superficie, la textura, y el almacenamiento y manejo. Es fundamental que los ingenieros de diseño y manufactura seleccionen el termoplástico óptimo que cumpla con los criterios de desempeño en campo y que sea fácil de imprimir. Los recubrimientos transparentes protectores (topcoat) permiten una protección prolongada contra agentes químicos y abrasión, como el lavado en lavavajillas con agua caliente (superando 500 ciclos consecutivos). Estos recubrimientos se aplican sobre las tintas pigmentadas, ya sea en forma de fluido para inyección de tinta o mediante atomización por aspersión.
Los termoplásticos se dividen en dos subcategorías: amorfos y cristalinos. Las moléculas, muy largas y en forma de cadena, se mantienen unidas por fuerzas de Van der Waals relativamente débiles. Por lo general, los polímeros amorfos presentan mejores propiedades de adhesión que los cristalinos. El término amorfo significa que no tiene una forma definida, o que su forma se altera con facilidad. Cristalino, en cambio, implica que existe un patrón regular y definido en los agregados moleculares. Las resinas amorfas como el ABS, el estireno y el policarbonato presentan una estructura aleatoria, similar a un plato de espagueti. Al aplicarles calor, se ablandan y no tienen una temperatura de fusión claramente definida.
Las resinas cristalinas, como las poliolefinas, el PET y el nylon, presentan un patrón ordenado, similar a un resorte enrollado; así como un resorte metálico amortigua las vibraciones, los materiales cristalinos tienen una temperatura de fusión bien definida. En un polímero, estos dos estados coexisten: las secciones adyacentes se agrupan en haces cristalinos compactos, mantenidos unidos por fuerzas de atracción secundarias, mientras que otras secciones de las mismas moléculas no logran integrarse físicamente a la red cristalina y permanecen amorfas. Vea la Figura 2.
Figura 2. Termoplásticos amorfos y cristalinos
Selección de termoplásticos: compatibilidad con el proceso
Para que la impresión por inyección de tinta sea exitosa, la tinta a temperatura elevada debe salir fácilmente del cabezal de impresión, interactuar de forma adecuada con el sustrato y lograr una adhesión resistente. Este contacto íntimo se denomina “mojado” o “humectación” de la superficie, y se refiere a la capacidad de la tinta de extenderse sobre ella. Sin embargo, la mayoría de las superficies poliméricas son naturalmente hidrofóbicas y se resisten a ser humectadas. Por lo general, estos plásticos son superficies químicamente inertes y no porosas con baja energía superficial, lo que hace que la adhesión de la impresión sea casi imposible. La energía superficial es el exceso de energía que existe en la superficie (a diferencia del interior del material) de un sólido.
El proceso de moldeo primario es fundamental para lograr las propiedades declaradas del material polimérico. Incorporar el pretratamiento de superficies por plasma adecuado, junto con la textura superficial y buenas prácticas de manufactura, resolverá la mayoría, si no todos, los problemas de adhesión y humectación. Seleccionar el mejor termoplástico para una aplicación determinada no es sencillo. Los diseñadores de piezas suelen buscar propiedades químicas del material a granel y propiedades superficiales que, con frecuencia, son muy difíciles de imprimir. Examinemos algunos ejemplos de aplicación que demuestran el equilibrio crítico entre la selección del polímero y la facilidad de impresión.
La impresión a color por inyección de tinta sobre poliamida (nylon) es una de las aplicaciones más solicitadas. La composición química del nylon le confiere un punto de fusión elevado, lo que lo convierte en una excelente alternativa a los componentes metálicos en entornos de alta temperatura, como motores automotrices y otros tipos de maquinaria de alta fricción. Al igual que otros materiales termoplásticos, el nylon se convierte en líquido en su punto de fusión en lugar de quemarse, lo que significa que puede fundirse y remoldearse o reciclarse. El nylon tampoco se calienta con facilidad cuando se emplea en aplicaciones de alta fricción. Sin embargo, las tintas de inyección no se adhieren fácilmente al nylon (ni a la mayoría de los polímeros de baja energía superficial) sin una tinta especializada y un pretratamiento adecuado. Esto se debe, en parte, a sus propiedades hidrofóbicas. Vea la Figura 3.
Figura 3. Propiedades típicas del nylon (PA)
En primer lugar, asegúrese de que los materiales de nylon se sequen y procesen correctamente para lograr propiedades “secas tal como moldeadas” (dry-as-molded). Los fabricantes de resinas producen químicamente sus productos de manera diferente, lo cual puede afectar el desempeño de la adhesión. Evalúe proveedores alternativos por resina/grado y observe las diferencias entre el Nylon 6 y el Nylon 66 (Nylon 11 y 12). A diferencia del Nylon 6, el Nylon 66 está compuesto por dos monómeros, la hexametilendiamina y el ácido adípico, cada uno de los cuales aporta seis átomos de carbono, de ahí el nombre 66. Este material es de naturaleza más cristalina que el Nylon 6, lo que mejora la rigidez y el módulo de tensión y flexión.
El Nylon 6 absorbe ligeramente más humedad que el Nylon 66. Después del moldeo y antes de las operaciones secundarias, los productos deben empacarse preferentemente en bolsas de poliéster y no en bolsas de polietileno (polybags). Las especies de bajo peso molecular presentes en las bolsas de polietileno migran hacia la superficie, provocando problemas de contaminación cruzada. El tiempo de almacenamiento y la temperatura también afectan el desempeño de la adhesión. Imprima lo antes posible después del moldeo.
Si los problemas de impresión no pueden resolverse, considere utilizar un plástico alternativo que tenga propiedades similares y sea más fácil de imprimir o de marcar con láser. Este punto resalta la importancia crítica de que tanto los diseñadores como los ingenieros de manufactura desarrollen conjuntamente las especificaciones del producto. El polipropileno y el polietileno de alta densidad (HDPE) son menos sensibles a los problemas de moldeo, material e impresión, y también son menos costosos. El HDPE es el más fácil de imprimir de los tres, ya que es termodinámicamente más estable. Vea la Figura 4.
Las tintas de inyección tienen baja viscosidad y baja tensión superficial, lo que genera dificultades de adhesión en muchos sustratos poliméricos como los acetales, las poliolefinas y los poliuretanos. Este tipo de plásticos químicamente inertes son hidrofóbicos y no se humectan de forma natural. Considere una sola gota de fluido líquido sobre una superficie sólida plana en reposo (equilibrio). El ángulo formado entre la superficie sólida y la línea tangente a la superficie superior en el punto final se denomina ángulo de contacto; es el ángulo (x) entre la línea tangente en el punto de contacto y la línea horizontal de la superficie sólida. Vea la Figura 2.
La forma de la burbuja o gota se debe a las fuerzas moleculares mediante las cuales todos los líquidos, a través de la contracción de la superficie, tienden a formar el volumen contenido en una forma con la menor área superficial posible. Las fuerzas intermoleculares que contraen la superficie se denominan “tensión superficial”.
La tensión superficial, una medida de la energía superficial, se expresa en dinas/cm. Cuanto mayor sea la energía superficial del sustrato sólido en relación con la tensión superficial de un líquido (agua, tintas de impresión, adhesivos/encapsulantes, recubrimientos, etc.), mejor será su “humectabilidad” y menor será el ángulo de contacto (Figura 2).
Como regla general, se logra una adhesión aceptable cuando la energía superficial de un sustrato es aproximadamente de 8 a 10 dinas/cm mayor que la tensión superficial del líquido.
Figura 2. Ángulo de contacto y grado de humectación
Figura 3. Flujo del fluido y ángulo de contacto dinámico
En realidad, los fluidos y los ángulos de contacto son dinámicos, no estáticos. Vea la Figura 3. El ángulo de contacto dinámico (DCA, por sus siglas en inglés) es el más importante. Cuando una gota está adherida a una superficie sólida y esta se inclina, la gota avanza hacia adelante y se desliza hacia abajo. Los ángulos que se forman se denominan, respectivamente, ángulo de avance (θa) y ángulo de retroceso (θr).
En general, se considera que los ángulos de contacto se ven afectados tanto por los cambios en la química superficial como por los cambios en la topografía de la superficie. El ángulo de contacto de avance es más sensible a los componentes de baja energía (sin modificar) de la superficie del sustrato, mientras que el ángulo de retroceso es más sensible a los grupos oxidados de alta energía introducidos por los pretratamientos de superficie. Por lo tanto, el ángulo de retroceso es en realidad la medición más característica del componente modificado de la superficie después del pretratamiento, tal como se mide utilizando soluciones de dinas. Por ello, es importante medir tanto el ángulo de avance como el de retroceso en todos los materiales con superficies modificadas.
La pureza del material también es un factor importante. La vida útil de los plásticos tratados depende del tipo de resina, la formulación y el ambiente de la zona de almacenamiento. La vida útil de los productos tratados está limitada por la presencia de materiales como antioxidantes, plastificantes, agentes deslizantes y antiestáticos, colorantes y pigmentos, estabilizadores, etc. La exposición de las superficies tratadas a temperaturas elevadas incrementa la movilidad de las cadenas moleculares; cuanto mayor sea la movilidad de las cadenas, más rápido envejecerá el tratamiento. La movilidad de las cadenas poliméricas en los materiales tratados provoca que los sitios de unión creados por el tratamiento se alejen de la superficie. Estos componentes pueden eventualmente migrar hacia la superficie del polímero. Por lo tanto, se recomienda pegar, recubrir, pintar, imprimir o decorar el producto lo antes posible después del pretratamiento.
Las tintas UV utilizan únicamente colorantes a base de pigmentos, pero la gama es amplia y no representa una limitación seria. Los avances en formulación y fabricación de tintas permiten a los fabricantes ofrecer blanco (W), que es especialmente útil como base sobre sustratos de color oscuro o como fondo sobre sustratos transparentes. Los colores primarios de inyección de tinta —cian, magenta, amarillo y negro (CMYK)— ofrecen una amplia gama de colores, ya que las capas de tinta pueden ser gruesas. Sin embargo, al estar basados en pigmentos, son al menos parcialmente opacos y ocultan los colores subyacentes. La intensidad no se traduce completamente en los colores secundarios, lo que excluye a varios colores Pantone populares entre las marcas líderes.
La impresión analógica utiliza colores directos formulados específicamente. Estos podrían estar disponibles en este mercado, especialmente en máquinas con 6, 8 y 10 cabezales de impresión, pero no son populares porque es mucho más difícil cambiar un color directo en una impresora de inyección de tinta que en la impresión flexográfica o serigráfica. Esto también entra en conflicto con la capacidad de la impresión digital para alternar trabajos con imágenes consecutivas. Una alternativa es emplear juegos de tintas de gama extendida, con tintas intensas de tono intermedio entre CM y Y. El rojo, verde y azul (RGB), o el naranja, verde y violeta (OGV), se utilizan en la impresión de etiquetas y publicidad para ampliar la gama y cubrir la mayoría de los colores de marca brillantes, específicos e intensos. Estos colores también pueden formularse a la medida para productos plásticos tridimensionales.
La reproducción de colores claros, especialmente los tonos de piel, representa una dificultad constante para la impresión por inyección de tinta de curado UV. Incluso las gotas más pequeñas de CMK, hoy tan pequeñas como 4 picolitros, resultan demasiado grandes para lograr el fotorrealismo. Sin embargo, si se incluye un juego secundario de magenta claro (lm) y cian claro (lc), se eliminan los artefactos visibles de los puntos individuales. Los fabricantes OEM de impresoras ofrecen en este mercado la opción CMYKlclmW.
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