Tintenstrahldruck auf Kunststoffen

Tintenstrahldruck auf Polypropylen, Nylon und anderen Kunststoffen

Industrieller Tintenstrahldruck auf Kunststoffen

Erfahren Sie, wie sich mit UV-LED-Tintenstrahltinten eine starke Haftung und eine hohe Beständigkeit gegenüber Witterungseinflüssen im Außeneinsatz bei im Tintenstrahldruck bedruckten Polypropylen-Produkten und Kunststoffen mit niedriger Oberflächenenergie erzielen lassen. Fachgerecht entwickelte Tintenstrahldruckverfahren und nanoskalige hydrophobe Beschichtungen für Kunststoffprodukte im Innen- und Außenbereich sind für bis zu 30 Jahre UV-Belastung und Bewitterung ausgelegt. Neue Tinten- und Beschichtungstechnologien treiben die Anwendungsmöglichkeiten für digitalen Drop-on-Demand-UV-LED-Tintenstrahldruck erheblich voran.

nanoskalige hydrophobe Beschichtungen

UV-LED-Tintenstrahldruck auf Polypropylen (Original-Smartphone-Foto)

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Piezoelektrischer Drop-on-Demand-UV-LED-Tintenstrahldruck auf Polymeren und flexiblen Substraten ist komplexer und anspruchsvoller als herkömmlicher analoger Druck. Die Drop-on-Demand-Tintenstrahltechnologie erfordert, dass die Düsen exakt bemessene Tropfen mit hoher Präzision abgeben. Hochwertige Tintenstrahldrucksysteme müssen Druckköpfe, Fluide, elektronische Steuerungen, Vorbehandlung und Aushärtung gleichzeitig integrieren. Alle Komponenten müssen nahtlos zusammenwirken, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Es gibt drei zentrale Eingangs-Prozessparameter: 1) das Polymersubstrat, 2) den Tintenstrahldrucker und 3) die Kompatibilität von Tintenchemie und Substratoberfläche. Alle Elemente müssen präzise und stabil sein, um eine hervorragende Druckqualität zu erzielen. Die Änderung eines dieser Parameter wirkt sich destabilisierend aus und erfordert Anpassungen der übrigen Parameter. Der Druck auf dreidimensionalen und konturierten Geometrien wird zusätzlich dadurch erschwert, dass es vergleichsweise wenige OEM-Drucker-/Druckkopf-Optionen gibt. Jeder OEM beschränkt die zertifizierten Tinten auf einen begrenzten Bereich. Ein fundiertes Verständnis der Feinheiten des Tintenstrahldrucks und der Oberflächenwissenschaft ermöglicht beispiellose Möglichkeiten und Ergebnisse.

SABREEN hat kürzlich UV-LED-Tinten und Tintenstrahldruckverfahren zur individuellen Gestaltung flexibler Kunststoff- und Gummiprodukte entwickelt und zur Marktreife gebracht, die sich um mehr als 100 Prozent dehnen lassen. Zu den Produkten zählen therapeutische Übungsbänder, Badekappen, hygienische Wearables und mehr. Eine unabhängige toxikologische Analyse entspricht CAL Prop 65, der US Toxicity Risk Assessment und ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14).

Unser Tintenstrahldruckverfahren nutzt hochwertige Tinten und fortschrittliche Drucktechnologie, um brillante, langlebige Bilder auf allen Arten von Kunststoffen zu gewährleisten.

Beim Tintenstrahldruck ist die Haftung von entscheidender Bedeutung. Zu den Einflussgrößen auf die Haftung zählen das Polymermaterial (einschließlich Farbmittel, Füllstoffe und Additive), der Formgebungsprozess, die Oberflächenbeschaffenheit, die Textur sowie Lagerung und Handhabung. Für Konstruktions- und Fertigungsingenieure ist es wichtig, den optimalen Thermoplast auszuwählen, der die Anforderungen an die Praxisleistung erfüllt und sich leicht bedrucken lässt. Schützende Klarlackbeschichtungen (Decklack) ermöglichen einen erweiterten Schutz gegen Chemikalien und Abrieb, etwa bei der Reinigung im Heißwasser-Geschirrspüler (über 500 aufeinanderfolgende Zyklen). Diese Beschichtungen werden im Tintenstrahl- oder Sprühverfahren auf die pigmentierten Tinten aufgebracht.

Thermoplaste werden in zwei Unterkategorien unterteilt: amorph und kristallin. Die sehr langen, kettenartigen Moleküle werden durch relativ schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Amorphe Polymere weisen im Allgemeinen bessere Haftungseigenschaften auf als kristalline. Der Begriff amorph bedeutet, keine definierte Form oder eine leicht veränderbare Form zu besitzen. Kristallin bedeutet, dass die molekularen Aggregate ein regelmäßiges, definiertes Muster aufweisen. Amorphe Harze wie ABS, Styrol und Polycarbonat weisen eine ungeordnete, spaghettiartige Struktur auf. Unter Wärmeeinwirkung erweichen sie, ohne eine klar definierte Schmelztemperatur zu besitzen.

Kristalline Harze wie Polyolefine, PET und Nylon weisen ein geordnetes Muster auf, vergleichbar mit einer gewundenen Feder – so wie eine Metallfeder Schwingungen dämpft, verhalten sich auch kristalline Materialien. Sie besitzen eine klar definierte Schmelztemperatur. In einem Polymer koexistieren beide Zustände: Benachbarte Polymerabschnitte lagern sich zu dichten kristallinen Bündeln zusammen, die durch sekundäre Anziehungskräfte zusammengehalten werden, während andere Abschnitte derselben Moleküle sich physikalisch nicht in das kristalline Gitter einfügen können und amorph bleiben. Siehe Abbildung 2.

Abbildung 2. Amorphe und kristalline Thermoplaste

Auswahl von Thermoplasten – Prozesskompatibilität

Damit der Tintenstrahldruck erfolgreich ist, muss die auf erhöhte Temperatur gebrachte Tinte problemlos aus dem Druckkopf austreten, angemessen mit dem Substrat interagieren und eine starke Haftung erzielen. Dieser innige Kontakt wird als „Benetzung“ oder „Ausbenetzung“ der Oberfläche bezeichnet und beschreibt die Fähigkeit der Tinte, sich über die Oberfläche auszubreiten. Die meisten Polymeroberflächen sind jedoch von Natur aus hydrophob und widerstehen der Benetzung. Charakteristisch für diese Kunststoffe sind chemisch inerte, nichtporöse Oberflächen mit niedriger Oberflächenenergie, was eine Druckhaftung nahezu unmöglich macht. Die Oberflächenenergie ist die überschüssige Energie, die an der Oberfläche (im Gegensatz zum Volumenmaterial) eines Festkörpers vorhanden ist.

Der primäre Formgebungsprozess ist entscheidend, um die angegebenen Eigenschaften des Polymermaterials zu erreichen. Der Einsatz einer geeigneten Plasma-Oberflächenvorbehandlung in Verbindung mit der Oberflächentextur und guter Fertigungspraxis löst die meisten, wenn nicht alle Haftungs- und Benetzungsprobleme. Die Auswahl des besten Thermoplasts für eine bestimmte Anwendung ist nicht einfach. Bauteilkonstrukteure suchen häufig nach chemischen Volumenmaterial- und Oberflächeneigenschaften, die sich oft nur sehr schwer bedrucken lassen. Betrachten wir Anwendungsbeispiele, die das kritische Gleichgewicht zwischen Polymerauswahl und Bedruckbarkeit verdeutlichen.

Der Farbtintenstrahldruck auf Polyamid (Nylon) zählt zu den gefragtesten Anwendungen. Die chemische Zusammensetzung von Nylon verleiht ihm einen hohen Schmelzpunkt, wodurch es sich hervorragend als Alternative zu Metallbauteilen in Hochtemperaturumgebungen wie Automotoren und anderen stark reibungsbelasteten Maschinen eignet. Wie andere thermoplastische Materialien wird auch Nylon an seinem Schmelzpunkt flüssig, anstatt zu verbrennen, wodurch es eingeschmolzen und wiederverwendet oder recycelt werden kann. Nylon erwärmt sich zudem bei reibungsintensiven Anwendungen nicht leicht. Ohne spezielle Tinten und Vorbehandlung haftet Tintenstrahltinte jedoch nicht ohne Weiteres auf Nylon (oder den meisten Polymeren mit niedriger Oberflächenenergie). Dies liegt zum Teil an seinen hydrophoben Eigenschaften. Siehe Abbildung 3.

Abbildung 3. Typische Eigenschaften von Nylon-Kunststoff (PA)

Zunächst ist sicherzustellen, dass Nylon-Materialien ordnungsgemäß getrocknet und verarbeitet werden, um die Eigenschaften im „dry-as-molded“-Zustand zu erzielen. Harzhersteller stellen ihre Produkte chemisch unterschiedlich her, was sich auf die Haftungsleistung auswirken kann. Bewerten Sie alternative Lieferanten nach Harz/Type und beachten Sie die Unterschiede zwischen Nylon 6 und Nylon 66 (Nylon 11 & 12). Im Gegensatz zu Nylon 6 besteht Nylon 66 aus zwei Monomeren, Hexamethylendiamin und Adipinsäure, die jeweils sechs Kohlenstoffatome liefern, daher der Name 66. Das Material ist von Natur aus stärker kristallin als Nylon 6, was Steifigkeit sowie Zug- und Biegemodul verbessert.

Nylon 6 nimmt etwas mehr Feuchtigkeit auf als Nylon 66. Nach dem Formen und vor Sekundäroperationen sollten Produkte vorzugsweise in Polyesterbeuteln und nicht in Polybeuteln verpackt werden. Niedermolekulare Bestandteile in Polybeuteln wandern an die Oberfläche und verursachen Kreuzkontaminationsprobleme. Auch die Lagerdauer und die Temperatur beeinflussen die Haftungsleistung. Bedrucken Sie die Teile so bald wie möglich nach dem Formen.

Wenn Druckprobleme nicht gelöst werden können, sollten Sie den Einsatz eines alternativen Kunststoffs in Betracht ziehen, der ähnliche Eigenschaften aufweist und sich leichter bedrucken oder lasermarkieren lässt. Dieser Punkt unterstreicht, wie wichtig es für Konstrukteure und Fertigungsingenieure ist, die Produktspezifikationen gemeinsam zu entwickeln. Polypropylen und High-Density-Polyethylen (HDPE) reagieren weniger empfindlich auf Form-, Material- und Druckprobleme und sind kostengünstiger. HDPE lässt sich von den dreien am leichtesten bedrucken, da es thermodynamisch stabiler ist. Siehe Abbildung 4.

Tintenstrahltinten weisen eine niedrige Viskosität und eine geringe Oberflächenspannung auf, was auf vielen polymeren Substraten wie Acetalen, Polyolefinen und Polyurethanen Haftungsprobleme verursacht. Diese chemisch inerten Kunststoffarten sind hydrophob und von Natur aus nicht benetzbar. Betrachten Sie einen einzelnen Flüssigkeitstropfen auf einer flachen, festen Oberfläche im Ruhezustand (Gleichgewicht). Der Winkel, der von der festen Oberfläche und der Tangente an die obere Oberfläche am Endpunkt gebildet wird, wird als Kontaktwinkel bezeichnet; es ist der Winkel (x) zwischen der Tangente am Kontaktpunkt und der horizontalen Linie der festen Oberfläche. Siehe Abbildung 2.

Die Form der Blase bzw. des Tropfens ist auf die molekularen Kräfte zurückzuführen, durch die alle Flüssigkeiten mittels Kontraktion der Oberfläche dazu neigen, das eingeschlossene Volumen in eine Form mit der geringstmöglichen Oberfläche zu bringen. Die intermolekularen Kräfte, die die Oberfläche zusammenziehen, werden als „Oberflächenspannung“ bezeichnet.

Die Oberflächenspannung, ein Maß für die Oberflächenenergie, wird in dyn/cm angegeben. Je höher die Oberflächenenergie des festen Substrats im Verhältnis zur Oberflächenspannung einer Flüssigkeit (Wasser, Drucktinten, Klebstoffe/Verguss, Beschichtungen usw.) ist, desto besser ist dessen „Benetzbarkeit“ und desto kleiner ist der Kontaktwinkel (Abbildung 2).

Als allgemeine Regel gilt, dass eine akzeptable Haftung erzielt wird, wenn die Oberflächenenergie eines Substrats etwa 8 bis 10 dyn/cm über der Oberflächenspannung der Flüssigkeit liegt.

Abbildung 2. Kontaktwinkel und Benetzungsgrad

Abbildung 3. Flüssigkeitsfluss und dynamischer Kontaktwinkel

In der Realität sind Flüssigkeiten und Kontaktwinkel dynamisch und nicht statisch. Siehe Abbildung 3. Der dynamische Kontaktwinkel (DCA) ist dabei am wichtigsten. Wenn ein Tropfen an einer festen Oberfläche haftet und diese Oberfläche geneigt wird, schiebt sich der Tropfen vorwärts und gleitet nach unten. Die dabei entstehenden Winkel werden als Vorlaufwinkel (θa) bzw. Nachlaufwinkel (θr) bezeichnet.

Kontaktwinkel werden im Allgemeinen sowohl durch Veränderungen der Oberflächenchemie als auch der Oberflächentopografie beeinflusst. Der Vorlaufwinkel reagiert am empfindlichsten auf die niederenergetischen (unmodifizierten) Bestandteile der Substratoberfläche, während der Nachlaufwinkel empfindlicher auf die durch Oberflächenvorbehandlungen eingebrachten hochenergetischen, oxidierten Gruppen reagiert. Der Nachlaufwinkel ist somit tatsächlich der Messwert, der die modifizierte Komponente der Oberfläche nach der Vorbehandlung am charakteristischsten wiedergibt, gemessen mit Dyn-Lösungen. Daher ist es wichtig, sowohl den Vorlauf- als auch den Nachlaufwinkel bei allen oberflächenmodifizierten Materialien zu messen.

Auch die Materialreinheit ist ein wichtiger Faktor. Die Haltbarkeit behandelter Kunststoffe hängt von der Harzart, der Formulierung und der Umgebung des Lagerbereichs ab. Die Haltbarkeit behandelter Produkte wird durch das Vorhandensein von Stoffen wie Antioxidantien, Weichmachern, Gleit- und Antistatikmitteln, Farbmitteln und Pigmenten, Stabilisatoren usw. begrenzt. Die Einwirkung erhöhter Temperaturen auf behandelte Oberflächen erhöht die Beweglichkeit der Molekülketten – je höher die Kettenbeweglichkeit, desto schneller altert die Behandlung. Die Beweglichkeit der Polymerketten in behandelten Materialien führt dazu, dass sich die durch die Behandlung geschaffenen Bindungsstellen von der Oberfläche entfernen. Diese Bestandteile können schließlich an die Polymeroberfläche wandern. Es wird daher empfohlen, das Produkt so bald wie möglich nach der Vorbehandlung zu kleben, zu beschichten, zu lackieren, zu bedrucken oder zu dekorieren.

UV-Tinten verwenden ausschließlich Pigmentfarbmittel, doch die Bandbreite ist groß und stellt keine ernsthafte Einschränkung dar. Entwicklungen in der Formulierung und Tintenherstellung ermöglichen es Herstellern, Weiß (W) anzubieten, was sich besonders als Untergrund auf dunkel gefärbten Substraten oder als Hintergrund auf transparentem Material eignet. Die primären Tintenstrahlfarben – Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz (CMYK) zusammen – bieten einen großen Farbraum, da die Tintenschichten dick aufgetragen werden können. Da sie jedoch auf Pigmenten basieren, sind sie zumindest teilweise deckend und überdecken darunterliegende Farben. Die Intensität überträgt sich nicht vollständig auf die Sekundärfarben, wodurch eine Reihe von bei führenden Marken beliebten Pantone-Farben ausgeschlossen ist.

Der analoge Druck verwendet speziell formulierte Schmuckfarben (Sonderfarben). Diese wären auch in diesem Marktsegment verfügbar, insbesondere bei Maschinen mit 6, 8 oder 10 Druckköpfen, sind jedoch wenig verbreitet, da ein Wechsel der Schmuckfarbe bei einem Tintenstrahldrucker weitaus schwieriger ist als beim Flexo- oder Siebdruck. Dies steht zudem im Widerspruch zur Fähigkeit des digitalen Drucks, Aufträge mit aufeinanderfolgenden Bildern zu wechseln. Eine Alternative besteht in der Verwendung erweiterter Farbraum-Tintensets mit intensiven Farbtönen zwischen Cyan/Magenta und Gelb. Rot, Grün und Blau (RGB) oder Orange, Grün und Violett (OGV) werden im Etiketten- und Werbedruck eingesetzt, um den Farbraum zu erweitern und die meisten hellen, spezifizierten, intensiven Markenfarben abzudecken. Diese Farben können auch individuell für dreidimensionale Kunststoffprodukte formuliert werden.

Die Wiedergabe heller Farbtöne, insbesondere von Hauttönen, stellt für den UV-härtenden Tintenstrahldruck eine anhaltende Herausforderung dar. Selbst die kleinsten CMK-Tropfen, mittlerweile nur noch 4 Picoliter, sind für Fotorealismus zu groß. Wird jedoch ein zusätzlicher Satz aus Hellmagenta (lm) und Hellcyan (lc) eingesetzt, lassen sich die Artefakte einzelner Punkte beseitigen. Die Option CMYKlclmW steht diesem Markt von den Drucker-OEMs zur Verfügung.

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