Industrieller Tintenstrahldruck auf Wearables

Industrieller Tintenstrahldruck auf Wearables

Die Begriffe „Wearables“, „tragbare Geräte“ und „Wearable-Technologie“ bezeichnen allesamt elektronische Technologien oder Computer, die ein Verbraucher am Körper tragen kann und die häufig Daten zu Gesundheit und Fitness erfassen. Dazu gehören Handgelenkgeräte, Kopfbedeckungen, Brillen, Armbänder, Beinbekleidung, Schuhe, Hautpflaster, Exoskelette und E-Textilien; das Geschäft mit diesen Geräten ist enorm. Der industrielle Tintenstrahl ist die einzige Digitaltechnologie, die funktionalen und nicht funktionalen kundenindividuellen Direktdruck auf das Produkt ermöglicht.

Wichtigste Erkenntnisse

• Der Tintenstrahl ist die einzige Digitaltechnologie, die funktionalen und nicht funktionalen kundenindividuellen Direktdruck auf Wearables ermöglicht.
• Die Individualisierung treibt das Verkaufsargument, nicht der Druck selbst – Marken nutzen sie, um die Kundenbindung zu erhöhen und Design-Feedback einzuholen.
• Zertifizierungen für Hautkontakt werden inzwischen erwartet. Nach dem Rückruf von einer Million Wearables im Jahr 2014 zertifizieren Zulieferer ihre Materialien nach Hautkontakt-Normen.
• Achten Sie in Materialformulierungen für langfristigen Hautkontakt auf Reizstoffe wie PPD (p-Phenylendiamin).
• Tintenstrahl ist empfindlicher als analoger Druck; Druckköpfe, Flüssigkeiten, Steuerungen, Vorbehandlung und Aushärtung müssen als ein System integriert werden.

Nachfrage nach Individualisierung

Die Nachfrage nach Individualisierung treibt den Absatz, ob bei Gesundheits- und Fitness-Leistungsprodukten, Smartwatches oder den Hunderten alternativer interaktiver Armbandprodukte. IDTechEx erklärte in einem aktuellen Artikel, dass das Geschäft mit tragbarer Elektronik von 20 Milliarden US-Dollar im Jahr 2015 auf fast 70 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 wächst.¹ Der dominierende Sektor bleibt das Gesundheitswesen, das Medizin, Fitness und Wellness zusammenführt. Dort stehen die meisten großen Namen wie Apple, Accenture, Adidas, Fujitsu, Nike, Philips, Reebok, Samsung, SAP und Roche hinter den vielversprechendsten neuen Entwicklungen. Laut Bain & Company hilft die Produktindividualisierung Marken, den Umsatz zu steigern, und das Potenzial ist erheblich.² Schätzungen zufolge interessieren sich mindestens 25–30 Prozent der Käufer für Individualisierungsoptionen. In ausgewählten Märkten entspräche das 2 Milliarden US-Dollar pro Jahr und Sektor. Zwei wichtige Trends haben sich herausgebildet: Erstens sind die heutigen Verbraucher ausdrucksfreudiger, und zweitens ist Individualisierung die neue Kundenbindung.

Häufig gestellte Fragen

Was gilt für den Druck als „Wearable“?

Elektronische Technologien oder Computer, die ein Verbraucher am Körper trägt und die häufig Gesundheits- und Fitnessdaten erfassen. In der Praxis umfasst das Handgelenkgeräte, Kopfbedeckungen, Brillen, Armbänder, Beinbekleidung, Schuhe, Hautpflaster, Exoskelette und E-Textilien – Produkte, die starr oder flexibel sein können.

Warum wird Tintenstrahl statt Tampon- oder Siebdruck eingesetzt?

Weil die Individualisierung der kommerzielle Treiber ist. Der Tintenstrahl ist die einzige Digitaltechnologie, die kundenindividuellen Direktdruck auf das Produkt ermöglicht, sodass jedes Stück einen anderen Inhalt tragen kann. Analoge Stop-and-Go-Verfahren sind vergleichsweise unproduktiv, und mehrere Farben auf Massenartikeln werden nahezu unwirtschaftlich.

Welche Sicherheitsnormen gelten für Tinten auf Wearables?

Materialien für langfristigen Hautkontakt werden nach Hautkontakt-Normen zertifiziert; dieser Wandel hat sich beschleunigt, nachdem ein Hersteller 2014 eine Million Wearables zurückgerufen hat. Formulierungen müssen Hautreizstoffe wie PPD bzw. p-Phenylendiamin vermeiden.

Was macht den Tintenstrahl schwieriger als analogen Druck?

Die Präzision. Beim Tintenstrahl müssen die Düsen exakt bemessene Tropfen mit höchster Genauigkeit ausstoßen, und ein hochwertiges System muss Druckköpfe, Flüssigkeiten, elektronische Steuerungen, Vorbehandlung und Aushärtung gleichzeitig integrieren. Alles muss zusammenwirken, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Wie unterscheiden sich UV-härtende Tintenstrahltinten von anderen Tintenarten?

Das Polymer entsteht erst bei der Aushärtung durch Kettenreaktion von Monomeren und Oligomeren. Monomere sind niedrigviskose Flüssigkeiten, die zugleich als Tintenträger dienen; dadurch entfallen Wasser oder Lösemittel, und UV-Tinten sind zu 100 % Feststoff.

Tintenstrahldruck auf Wearables

Der Schwerpunkt dieses Beitrags ist die „Individualisierung“ durch Tintenstrahldruck auf geformte Wearables – von interaktiven elektronischen Geräten und Uhren über Sportschuhe und Bekleidung bis zu 3D-gedruckten Produkten. Eines der ersten und bekanntesten Wearables ist das Armband von Disney, auch „MagicBand“ genannt. Jedes Band enthält einen RFID-Chip und ein Funkmodul wie in einem 2,4-GHz-Schnurlostelefon. Das Band verbindet die Besucher mit einem umfangreichen, leistungsfähigen System aus Sensoren und mobilen Apps im Park und dient als Zahlungsmittel, Eintrittskarte, Zimmerschlüssel und mehr. Die Mehrzahl der Bänder ist einfarbig (wie gespritzt). Die Unterseite jedes Bands ist lasergekennzeichnet und enthält Identifikationsdaten (siehe oben. Bildquelle: Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1). Vordekorierte Bänder werden im Einzelhandel verkauft. Für ein einzigartiges Erlebnis gestalten Enthusiasten ihre Bänder jedoch von Hand mit aufwendigen, mehrstufigen Applikationen, Abziehbildern, temporären Tattoos, Überziehbändern und Farben aus dem Künstlerbedarf.

Der Tintenstrahldruck treibt fortschrittliche Fertigungsverfahren voran, weil er Funktionsflüssigkeiten in einem breiten Spektrum von Anwendungen, in einzigartigen oder komplizierten Mustern oder auf neuartigen Substraten aufbringen kann. So erschließen leitfähige Tinten für alle Technologien in vielen Bereichen Neuland, insbesondere auf flexiblen Substraten. Tinten aus Silber, organischen leitfähigen Polymeren, Graphen und Kohlenstoffnanoröhren werden für Schaltungen und Verbinder in der gesamten flexiblen Elektronik eingesetzt. Im Tintenstrahldruck werden sie zu nützlichen Verbindungen zwischen gedruckten Tasten (Dünnschicht-Touch-Tasten) auf Kleidungsstücken (Beispiel: Skijacken) und mobilen Geräten, passiven oder aktiven RFID-Tags oder LED-Beleuchtung. Die Technologie organischer Leuchtdioden (OLED) ist nicht nur flexibel, sondern lässt sich mit Tintenstrahl auch für Kennzeichnung, Sicherheit oder Dekoration auf Oberbekleidung anpassen. Zudem werden per Tintenstrahl mehrere Schichten unterschiedlicher Materialien gedruckt, sodass Aufbauten aus sechs oder mehr verschiedenen Schichten entstehen.

Wirklich elastische Leiter sind in jeder Technologie selten. Die Purdue University hat eine neue Klasse tintenstrahldruckbarer Flüssigmetall-Leiter vorgestellt, die sich für dehnbare und gummiartige Materialien eignen.³ Sie könnten eine neue Klasse biegsamer Roboter und dehnbarer Kleidungsstücke ermöglichen, die Menschen tragen könnten, um mit Computern zu interagieren oder für therapeutische Zwecke.

Klebstoffe sind ein Grundpfeiler von Wearables und werden oft für komplexe Geometrien benötigt (zum Beispiel Sportschuhe). Robotergesteuerte Druckköpfe für große Tropfen tragen Klebstoffe auf eine wachsende Zahl unregelmäßiger Strukturen auf und sorgen für vollständige Abdeckung ohne Überschuss, wobei sie auch kleine Serien und häufige Wechsel bewältigen. Latex-Tintenstrahlklebstoffe können mit herkömmlichen Formulierungen mithalten. Ultraviolett(UV)- und Elektronenstrahl(EB)-härtende Tintenstrahlklebstoffe sind zunehmend verfügbar und erfüllen den Bedarf an sofortiger Aushärtung bei gleichzeitiger Verbindung unterschiedlicher Materialien.

Der UV-härtende Tintenstrahl ist bei Oberbekleidung, Abzeichen, Reflexausrüstung, Sportgeräten und Sportschuhen beliebt. Der Großteil des Drucks erfolgt auf Artikeln, die mithilfe von Schablonen exakt auf Trays oder Formen angeordnet unter oszillierenden Druckköpfen hindurchlaufen. Für hohe Produktivität bringen Single-Pass-Drucker mit stationären Druckköpfen über die volle Breite Bilder auf Artikel auf, die auf einem Band mit Geschwindigkeiten bis 60 fpm (ca. 18 m/min) oder mehr transportiert werden. Das Band besitzt oft Trays, sodass die Artikel immer an einer festen Position liegen, oder der Drucker ermittelt per Kameras Position und Ausrichtung der Artikel und druckt das Bild entsprechend. Für die UV-Härtung befindet sich hinter den Druckköpfen eine Lampe. LED-Lampen werden wegen ihrer langen Lebensdauer, konstanten Leistung, geringen Ozonbildung und ihres niedrigeren Energiebedarfs immer beliebter. Bei Wearables liegt der größte Vorteil darin, dass sie kühl sind und das Substrat kaum erwärmen. Wärmeempfindliche Kunststoffe, Textilien und Folien lassen sich ohne Angst vor Schrumpf oder Verzug bedrucken. Ein Hinweis für Anwender energiehärtender Tinten: Da die flüssigen Tinten gefährlich sind, müssen sie aus Sicherheitsgründen und wegen der Beständigkeit stets ordnungsgemäß ausgehärtet werden.

UV-härtende Tintenstrahltinten

Der Tintenstrahldruck ist weit komplexer und empfindlicher als analoger Druck. Beim Tintenstrahl müssen die Düsen exakt bemessene Tropfen mit höchster Genauigkeit ausstoßen. Hochwertige Tintenstrahl-Drucksysteme müssen Druckköpfe, Flüssigkeiten, elektronische Steuerungen, Vorbehandlung und Aushärtung gleichzeitig integrieren. All diese Elemente müssen zusammenwirken, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

UV-härtende Tintenstrahltinten trocknen sofort. Der UV-Tintendruck unterscheidet sich von anderen Arten dadurch, dass das Polymer erst bei der Aushärtung durch Kettenreaktion von Monomeren und Oligomeren entsteht. Monomere sind niedrigviskose Flüssigkeiten, daher dienen sie zugleich als flüssiger Tintenträger und machen Wasser oder Lösemittel überflüssig – deshalb sind UV-härtende Tinten zu 100 Prozent Feststoff und eine ideale Alternative zu Lösemitteltinten. Oligomere (größere reaktive Moleküle) besitzen mehrere chemische Funktionalitäten und sind entscheidend für den richtigen Aufbau des Bindemittels.

Die Polymerisation wird durch eine kurze Belichtung mit UV-Licht ausgelöst, einer elektromagnetischen Strahlung mit kürzerer Wellenlänge und höherer Energie als sichtbares Licht. Für die meiste UV-Härtung wird das nahe UV (Wellenlänge 390–200 Nanometer) genutzt. Es wird weiter unterteilt in UV-A (390–320 Nanometer) bzw. langwellig, UV-B (320–280 Nanometer) bzw. mittelwellig und UV-C (280–200 Nanometer) bzw. kurzwellig. Neben dem nahen UV gibt es weitere UV-Bereiche, darunter fernes UV (200–10 Nanometer) und tiefes UV (31–1 Nanometer). Die gängigste Peak-Wellenlänge herkömmlicher UV-Härtungslampen mit Quecksilber beträgt 365 Nanometer, auch als Quecksilber-I-Linie (Lichtspektrum) bezeichnet.

Bedruckte Wearables werden von Verbrauchern in der Hand gehalten und sehr genau betrachtet. Alphanumerischer Text kann sechs Punkt oder kleiner sein. Um sichtbare Artefakte zu vermeiden und die Lesbarkeit sicherzustellen, ist ein hochauflösender Druck erforderlich. Der hochauflösende Tintenstrahldruck hat zwei Hauptkomponenten – den Punktabstand auf dem Substrat und die Größe (das Volumen) der Tröpfchen, aus denen die Punkte bestehen. Hohe Auflösung wird durch dichtes Platzieren der Tröpfchen erreicht (inzwischen bis zu 1.800 x 1.800 dpi), was bei typischen Druckern mit oszillierendem Kopf mehrere Durchgänge und winzige Schritte erfordert.

Die UV-reaktiven Komponenten sind Photoinitiatoren – Verbindungen, die die Energie absorbieren und dabei in hochreaktive chemische Spezies zerfallen, je nach Typ freie Radikale oder Kationen. Jede davon kann an einen Teil eines Monomers oder Oligomers binden und überträgt die Aktivität auf einen weiteren Teil, der wiederum mit einem weiteren Monomer reagieren kann, und so fort, bis das Polymer aufgebaut ist. UV-Tinten verwenden Pigmentfarbmittel. Entwicklungen bei Formulierung und Tintenherstellung ermöglichen es Herstellern, Weiß (W) anzubieten, das besonders als Grundierung auf dunklen Substraten oder als Hintergrund auf transparentem Material nützlich ist. Die Tintenstrahl-Grundfarben Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz (CMYK) bieten gemeinsam einen großen Farbraum.

Das Ausbleichen im Sonnenlicht kann ein wesentliches Problem für die Druckbeständigkeit sein. Da UV-Tinten Pigmente statt Farbstoffe verwenden, sind sie von Natur aus weniger lichtempfindlich als Tinten für Bürodrucker. Sehr gute Ausbleichbeständigkeit wird erreicht, wenn die Tinten mit Pigmenten aus der Automobillackindustrie hergestellt werden. Sie sind teurer und werden in Premium-Tinten eingesetzt. Sonnenlicht kann auch das Polymer schädigen und Kreiden und Versprödung verursachen. Eine fünfjährige dauerhafte Außenbewitterung ist eine häufig erfüllte Erwartung.

Additive sind in allen Tintenformulierungen unverzichtbar. Tinten zum Bedrucken von Kunststoffen enthalten üblicherweise Haftvermittler. Das Ausstoßen und die Tropfenbildung, offensichtlich zentral für den Tintenstrahl, erfordern eine sorgfältige Abstimmung von Viskositätsmodifikatoren und Tensiden. Stimmt sie nicht, kann die Tinte nebeln oder am Kopf benetzen, was beides nicht akzeptabel ist. Dieselben Verbindungen steuern auch die Benetzung und das Fließen der Tinte auf dem Substrat – d. h. Haftung und Punktzuwachs. Sie sind in der Regel auf eine bestimmte Oberflächenchemie optimiert, aber es gibt Grenzen. Beispielsweise läuft eine Tinte, die ein Substrat mit niedriger Oberflächenenergie benetzt, aus dem Druckkopf aus. Aus diesem Grund müssen viele Oberflächen behandelt werden, um sie in den Funktionsbereich der Tinte zu bringen.

Tintenstrahltinten haben eine niedrige Viskosität und eine niedrige Oberflächenspannung, was auf vielen Polymersubstraten wie Acetalen, Polyolefinen und Polyurethanen Herausforderungen für die Adhäsionsverbindung schafft. Diese chemisch inerten Kunststoffe sind hydrophob und von Natur aus nicht benetzbar. Als Faustregel wird eine akzeptable Haftung erreicht, wenn die Oberflächenenergie eines Substrats etwa 8 bis 10 dyn/cm höher ist als die Oberflächenspannung der Flüssigkeit.

Auch die Geschwindigkeit der Druckmaschine kann die effektive Oberflächenspannung der Tinte beeinflussen. Eine Tinte mit einer statisch gemessenen Oberflächenspannung von 25 dyn könnte sich auf einer schnell laufenden Maschine dynamisch wie eine Tinte mit 40 dyn Oberflächenspannung verhalten. Die Wirkung von Tintenstrahl-Druckköpfen und Drucksystemen auf die von ihnen abgegebenen Flüssigkeiten kann erheblich beeinflussen, wie sich die Flüssigkeitskomponenten beim Ausstoß und bei der Wechselwirkung mit der Druckoberfläche und anderen Tinten- oder Beschichtungsschichten neu ausrichten.

Grad bzw. Qualität der Behandlung hängen von der Sauberkeit der Kunststoffoberfläche ab. Die Oberfläche muss sauber sein, um eine optimale Vorbehandlung und anschließend eine gute Tintenhaftung zu erreichen. Oberflächenverunreinigungen wie Silikon-Trennmittel, Schmutz, Staub, Fett, Öle und Fingerabdrücke behindern die Behandlung. Auch die Materialreinheit ist ein wichtiger Faktor.

Fazit: Methodik der Gesamtlösung

Für die Entwicklung von Polymerwerkstoffen und den Tintenstrahldruck auf Wearables ist eine Methodik der Gesamtlösung unerlässlich. Mit der Entwicklung von Verbraucheranforderungen und Funktionalität steigen auch die Anforderungen an Materialien für langfristigen Hautkontakt. Nachdem FitBit 2014 eine Million Wearables zurückgerufen hat, zertifizieren Zulieferer ihre Materialien nach Hautkontakt-Normen. Ebenso entscheidend sind die Prozesskontrollen des Tintenstrahldrucks. Zu den wichtigen Faktoren zählen:

• Materialformulierungen (einschließlich Leder, Gummi, thermoplastisches Polyurethan, Copolyester-Elastomere und Additive), die die Haut nicht reizen, etwa durch PPD bzw. p-Phenylendiamin.
• Materialanforderungen wie Beständigkeit, Chemikalienbeständigkeit, UV-Beständigkeit und Kratzfestigkeit.
• Internationale Konformitätsnormen zur Toxizität, etwa ISO 10993-10:2010 – Biologische Beurteilung von Medizinprodukten – Teil 10.
• Ausgezeichnete Tintenhaftung. Niedermolekulare Verbindungen, die an die Oberfläche wandern, minimieren.
• Chemie der Tintenflüssigkeit und Ausstoßverhalten.
• Robuste Druckersysteme, die sich an Kiosken ebenso wie an Fertigungsstandorten aufbauen lassen.

Literatur

• www.idtechex.com
• www.bain.com
• www.purdue.edu

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group, Inc., einem Ingenieurunternehmen, das auf Verfahren der sekundären Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Laserbeschriftung, Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung sowie Produktsicherheit. Sabreen entwickelt seit mehr als 30 Jahren wegweisende Technologien und löst Fertigungsprobleme. Sie erreichen ihn unter 972.820.6777 oder auf www.sabreen.com bzw. www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., gründete im Jahr 2000 SPF-Inc., um die Druck- und Verpackungsindustrie zu bedienen, mit dem Schwerpunkt, den Digitaldruck an neue Märkte und Anwendungen anzupassen. Als ausgebildeter Nanochemiker steht rund die Hälfte seiner 25 US-Patente im Zusammenhang mit dem Digitaldruck. Er ist Mitglied von SGIA, TAPPI und RadTech. Sie erreichen ihn unter [email protected].

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