Tintenstrahldruck für flexible und tragbare Kunststoffe

Tintenstrahldruck für flexible und tragbare Kunststoffe

UV-LED-härtbare flexible Tinten für den Farbdruck auf flexiblen bzw. dehnbaren Kunststoffprodukten und Wearables gehören zu den jüngsten Fortschritten der industriellen Tintenstrahltechnologie. Individuell gestaltbare, brillante Bilder und zweidimensionale Codes werden auf verschiedenste flexible Polymerprodukte gespritzt, etwa Polyolefin-Flaschen, Fitness-Dehnbänder und elastomere bzw. gummiartige Wearables, ohne dass das gedruckte Bild bei hoher prozentualer Dehnung reißt oder verzerrt wird. Dieser Durchbruch beruht auf einer neuen, proprietären UV-LED-Flexibeltinte mit vollem Farbraum, die für bestimmte Anwendungen toxikologisch und auf Biokompatibilität zertifiziert ist.

Das Wichtigste in Kürze

• Hochdehnbare Produkte dehnen sich um 50–200 %, daher muss die Tinte mitdehnen, ohne zu reißen oder das Bild zu verzerren.
• Tinte und LED-Härtung müssen ein aufeinander abgestimmtes System bilden – Wellenlänge, Bestrahlungsstärke, Energiedichte, Arbeitsabstand und Kühlung werden gemeinsam spezifiziert.
• Die Zertifizierung für Hautkontakt ist wichtig. Wearable-Tinten können nach ASTM D 4236 (LHAMA, 16 CFR 1500.14) für Erwachsene und Kinder qualifiziert werden.
• Weiße Tinte ist das Sorgenkind – dick, hoch pigmentiert, anfällig für Kohäsionsversagen und Sedimentation, weshalb sie kontinuierlich umgewälzt werden muss.
• Manche Substrate mit niedriger Energie benötigen bei richtig formulierter Tinte keine Vorbehandlung, darunter Nitrilkautschuk und Latex.

Häufig gestellte Fragen

Reißt die Tintenstrahltinte, wenn sich das Produkt dehnt?

Nicht bei einer flexiblen UV-LED-Formulierung. Speziell entwickelte Flexibeltinten drucken brillante Bilder und 2D-Codes auf Polyolefin-Flaschen, Fitness-Dehnbänder und elastomere Wearables, die sich um 50 bis 200 % dehnen, ohne dass das Bild reißt oder verzerrt.

Welche Substrate lassen sich für Wearables bedrucken?

Nitril, Vinyl, PVC, Polyolefine, thermoplastische Elastomere, gegossene Polyethylene, Latex, Polyurethane und Neopren, außerdem flexible Verpackungsfolien, flexible gedruckte Elektronik und dehnbare Verbindungsleiter.

Ist UV-LED-Tintenstrahltinte für den Hautkontakt sicher?

Sie kann entsprechend zertifiziert werden. Die Tinten sind so formuliert und qualifiziert, dass sie für Erwachsene und Kinder bei Hautkontakt nach ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) als sicher gelten. Die Zertifizierung gilt für die jeweilige Tinte und ihre Härtungsspezifikation; ein unter- oder übergehärteter Film sollte daher nicht als sicher angenommen werden.

Warum verursacht die Skalierung vom Flachbett- zum kontinuierlichen Single-Pass-Druck Probleme?

Tintenauftrag und Härtungsverhalten ändern sich grundlegend. Auf einem Flachbettdrucker werden dünne Schichten in mehreren Durchgängen aufgetragen und wiederholt gehärtet. Bei kontinuierlichen Maschinen mit feststehenden Köpfen werden alle Farben nass-in-nass von einem einzigen Druckbalken aufgetragen, sodass die zu härtende Schichtdicke bis zu 250 % einer einzelnen Farbe betragen kann; Unverträglichkeiten zwischen den Schichten führen zu mikroskopischen Trennungen und Zwischenschichtversagen.

Warum wird weiße Tinte anders behandelt als die Prozessfarben?

Aus drei Gründen. Sie ist meist die Grundierung, die ein farbiges oder transluzentes Substrat abdeckt; sie beruht auf Lichtstreuung statt Absorption und muss deshalb dicker aufgetragen werden; und Weißpigmente sind dicht und neigen zur Sedimentation, sodass die Tinte kontinuierlich umgewälzt und beim Abschalten aus dem Druckkopf gespült werden muss.

Nachfrage nach individualisierten Wearables

Die Begriffe „Wearables“, „Wearable Devices“ und „Wearable Technology“ bezeichnen allesamt elektronische Technologien oder Computer, die von Verbrauchern getragen werden können und häufig gesundheits- und fitnessbezogene Daten erfassen. Dazu gehören Badekappen, Fitness-Dehnbänder, Kopfbedeckungen, Hidschabs, Schweißbänder, Rad- und Laufbekleidung, Armbänder, Brillen, Handschuhe, Armbekleidung, Beinbekleidung, Schuhwerk, Hautpflaster, Exoskelette und E-Textilien, und das Geschäft mit diesen Geräten ist enorm. Die Produkte können starr oder flexibel sein.

Die Nachfrage nach Individualisierung treibt den Absatz, ob bei Gesundheits- und Fitnessprodukten, Smartwatches oder den Hunderten alternativen interaktiven Armbandprodukten. Das führende Marktforschungsunternehmen IDTechEx stellt fest, dass Wearables florieren: Der Gesamtmarkt hatte 2019 einen Wert von über 50 Milliarden US-Dollar und hat sich seit 2014 mehr als verdoppelt. Bain & Company erklärt: „Durch Individualisierung steigern Marken die Kundenbindung – in einer Zeit, in der das wichtiger ist denn je.

Verkäufer entdecken den Wert darin, Kunden ihre eigenen, einzigartigen Produkte gestalten zu lassen.“ Händler wie Amazon nutzen Big Data, um ihren Kunden ein personalisiertes Produktsortiment zu präsentieren. Nun gehen Marken mit der Personalisierung einen großen Schritt weiter zur kundenindividuellen Massenfertigung. Unternehmen, die Individualisierung anbieten, können Verbraucher als Händler einsetzen, aus individuellen Designs fortlaufend Erkenntnisse gewinnen und Produkte in einer Feedbackschleife feinabstimmen, was ihnen hilft, der Konkurrenz voraus zu bleiben.

Ganzheitliche Prozesslösungen

Der piezoelektrische UV-Drop-on-Demand-Tintenstrahldruck ist deutlich komplexer und empfindlicher als analoge Druckverfahren. Beim Tintenstrahldruck müssen die Düsen exakt dimensionierte Tropfen mit höchster Genauigkeit ausstoßen. Hochwertige Tintenstrahlsysteme müssen Druckköpfe, Fluide, Steuerungen, Vorbehandlung und Härtung gleichzeitig integrieren. Die Sicherheitszertifizierung von Tintenstrahlfluiden und der Härtung ist entscheidend. Um auf temperaturempfindlichen, flexiblen Polymerwerkstoffen einen robusten Druck zu erzielen, müssen Anwender aufeinander abgestimmte flexible UV-LED-Tinten und ein LED-Härtungssystem einsetzen.

Zu den Anwendungssubstraten zählen Nitril, Vinyl, PVC, Polyolefine, thermoplastische Elastomere (TPE), gegossene Polyethylene (CPE), Latex, Polyurethane und Neopren. Weitere Anwendungen sind flexible Verpackungsfolien, flexible gedruckte Elektronik und dehnbare Verbindungsleiter.

UV-LED-härtende Tinte, Zertifizierung für Verbrauchersicherheit

Eine neue UV-LED-härtende Tintenstrahltinte, die Apollo-FTX-Tintenserie, wurde so formuliert und qualifiziert, dass sie nach ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) für Erwachsene und Kinder (Kontakt mit menschlicher Haut) sicher ist. Sie ist mehr als nur eine weitere Tinte: Diese Chemie ist exakt auf bestimmte UV-LED-Härtungsspezifikationen abgestimmt. Das gewährleistet robuste finale Härtungseigenschaften und eine ansprechende Optik, ohne Untergehärtung (klebrig) oder Übergehärtung (spröde). Die Herausforderung bei der Entwicklung von Tintenstrahltinten liegt darin, dass die Tinte im Zusammenspiel mit einem bestimmten Druckkopf entwickelt werden muss. Fluidchemie und Physik des Ausstoßes jedes Tintentropfens müssen sich präzise und konsistent verhalten, um unter extremen Bedingungen zu funktionieren, wie es für den Drop-on-Demand-Druck erforderlich ist.

Diese neue Tinte zeigt ein sehr gleichmäßiges Fließverhalten (stabiles rheologisches Verhalten) und einen gleichmäßigen Austrittskontaktwinkel der Tinte an der Düse (konsistenter Strahlzerfall). Sie besitzt eine außergewöhnliche Substratbenetzung und Haftung sowie eine intermolekulare Haftung zwischen weißer Tinte (Grundschicht) und den Farben des vollen Farbraums. Bei einigen Substraten mit niedriger Energie, die sich traditionell schwer bedrucken lassen, z. B. Nitrilkautschuk und Latex, ist keine Oberflächenvorbehandlung nötig. Diese Eigenschaften erlauben einen schnellen Inline-Single-Pass-Tintenstrahldruck. Das Dispergieren der Pigmente auf eine exakte Partikelgröße und der Erhalt der Trennung sind entscheidend für Ausstoßleistung und Druckqualität. UV-härtende Tinten bestehen aus vier Komponenten: Monomeren, Oligomeren, Pigmenten und Photoinitiatoren.

Zu große oder agglomerierte Partikel würden die Ausstoßgenauigkeit beeinträchtigen und zu inakzeptabler Druckqualität führen. Den größten Teil jeder trockenen Tinte macht das Bindemittel aus – es fixiert die Farbe, schützt sie vor Abrieb und verbindet sich mit der Oberfläche. Das Bindemittel ist in der Regel ein Polymer. Der UV-Tintendruck unterscheidet sich von anderen Arten dadurch, dass das Polymer erst beim Härten durch eine Kettenreaktion aus Monomeren und Oligomeren entsteht. Monomere sind niedrigviskose Flüssigkeiten und dienen deshalb zugleich als flüssiger Tintenträger, sodass Wasser oder Lösemittel entfallen – deshalb sind UV-härtende Tinten zu 100 % Feststoff und eine ideale Alternative zu Lösemitteltinten. Oligomere – größere reaktive Moleküle – besitzen mehrere chemische Funktionalitäten und sind entscheidend für den richtigen Aufbau des Bindemittels.

LED- versus herkömmliche UV-Härtung

UV-Tinten und LED-Härtung müssen aufeinander abgestimmte Systeme sein. Es muss eine eindeutige Spezifikation für Faktoren wie Wellenlänge, Bestrahlungsstärke, Energiedichte, Arbeitsabstand und Kühlung geben. Nicht alle UV-LED-Systeme sind gleich. Leider werben zahlreiche UV-LED-Systeme und Anbieter mit ähnlichen Produktmerkmalen und der Fähigkeit, alle UV-Tinten zu härten. Die Apollo-FTX-Tinte ist für die Härtung mit LEDs ausgelegt, einer Alternative zu UV-Bogenlampensystemen. UV-LEDs unterscheiden sich von Quecksilberdampf-Härtungssystemen dadurch, dass das Licht weder fokussiert noch über Reflektoren gelenkt wird. Das auf das Substrat gerichtete Licht ist diffus. Bei UV-LED-Systemen sind die emittierten Wellenlängen relativ monochromatisch, dargestellt durch schmale Normalverteilungskurven mit nominellem Bestrahlungsmaximum bei 395 nm und in der Regel einer Toleranz von +/- 5 nm. Dabei werden 98 % der Leistung im Bereich von 377 nm bis 422 nm emittiert.

Mit der Einführung von UV-LED-Lichtquellen mit 4+ Watt und 395 nm lassen sich Tinten bei den für Sieb- und Digitaldruck typischen hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten wirksam härten. Systeme unter 4 Watt würden beim Härten einen dünneren Tintenauftrag, geringer pigmentierte Tinte, einen geringeren Abstand zwischen Lampe und bedruckter Tinte sowie eine langsamere Scan- bzw. Bandgeschwindigkeit erfordern. UV-LED-Lampen benötigen Kühlung an Lampe und Elektronik, um effizient und wirksam zu arbeiten. Ein gutes Kühlsystem sollte eine Lampenlebensdauer von 20.000 oder mehr Stunden im Dauerbetrieb ermöglichen. UV-LED-Lampen benötigen Kühlung an Lampe und Elektronik, um effizient und wirksam zu arbeiten. Ein gutes Kühlsystem sollte eine Lampenlebensdauer von 20.000 oder mehr Stunden im Dauerbetrieb ermöglichen.

Tintenstrahl-Druckköpfe, Druckauflösung, Single-/Multi-Pass-Maschine

Tintenchemie und LED-Härtungssysteme allein garantieren weder Druckerfolg noch Haftung oder Qualität. Es sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen, darunter die Druckauflösung in dpi, die Druckgeschwindigkeit und Tintenaspekte für Multi-Pass gegenüber Single-Pass. Die meisten Installationen zum Bedrucken von Kunststoffprodukten sind kleine UV-härtende Flachbett-Tintenstrahldrucker mit mindestens den vier Grundfarben (RGBK), häufig auch Weiß (W) und Klarlack (Cl bzw. Überlack) und gelegentlich mit erweitertem Farbraum (CMYRGBK). Diese Portaldrucker sind in der Regel günstig, sodass die Stückkosten einzelner Artikel viele neue Märkte rentabel machen.

Die Nachfrage nach höherer Produktivität wächst jedoch rasant. Robotergestütztes Be- und Entladen verkürzt die Rüstzeit für das Be- und Entladen der Plattformen. Wie in der grafischen Industrie kann der Durchsatz jedoch nicht mit Systemen mithalten, bei denen das Druckprodukt kontinuierlich unter feststehenden Köpfen hindurchgeführt wird. Die Skalierung vom Flachbett zum kontinuierlichen Inline-Druck erscheint auf den ersten Blick unkompliziert. Aus Sicht von Tintenauftrag und Härtung besteht jedoch ein erheblicher Unterschied. Flachbett-„Portal“-Drucker haben hin- und herfahrende Druckköpfe mit Lampen an der vorderen und hinteren Seite. Aus Kostengründen, da UV-taugliche Druckköpfe teuer sind, steht bei den Basisdruckern für jede Tintenfarbe nur eine einzige Düsenreihe zur Verfügung.

Betrachten wir ein 300-dpi-System: Das Tintenvolumen, das zur Abdeckung eines Pixels von 300 x 300 dpi nötig ist, ist groß, verschwenderisch und für sich allein sichtbar. Mehrfache Durchgänge in Schritten von ¼ der Kopfbreite erhöhten die native Auflösung auf 1200 dpi. Erfolgt dies in beide Richtungen, wird aus dem einzelnen 300-dpi-Pixel eine 4 x 4-Matrix kleinerer Quadrate. Bei jedem Durchgang bringt der Drucker für jede Farbe Tinte an vier dieser Positionen auf. Das ergibt ein besseres visuelles Erscheinungsbild und geringeren Tintenverbrauch. Zudem ist die bei jedem Durchgang zu härtende Tintenschicht relativ dünn. Bei jedem Durchgang werden die anderen Farben nicht auf nasse Tinte aufgetragen, sondern dort, wo keine Tinte ist oder die Tinte gehärtet ist. Nur eine kleine Menge Nass-in-nass-Tinte ist nötig. Die Härtung ist unkompliziert, und jede Schicht wird mehrfach belichtet. Bei kontinuierlichen Köpfen wird die gesamte Tinte jeder Farbe von einem einzigen Druckbalken aufgetragen – einer Anordnung von Druckköpfen Ende an Ende über die gesamte Druckbreite. Setzt man sie aus 300-dpi-Düsen zusammen, ergeben zwei Reihen 600 dpi und vier Reihen 1.200 dpi Äquivalenz. Für volle Farbdichte benötigen die größeren Pixel entsprechend mehr Tinte. Graustufenfähige Druckköpfe (variables Tropfenvolumen) sind die Norm, sodass niedrige Dichten kleine Punkte in jedem Pixel enthalten und nicht den gelegentlichen großen Punkt. Da alle Köpfe hintereinander angeordnet sind, werden die Tinten nass-in-nass aufgetragen; die zu härtende Dicke entspricht somit der intensivsten Farbe – vielleicht bis zu 250 %. Unverträglichkeiten der Schichtoberflächen können zu mikroskopischen Trennungen führen – wie Öl auf Wasser –, die bestenfalls geringfügige optische Artefakte sind, aber auch zum Zwischenschichtversagen führen können. Die Oberflächenchemie der Tinte muss auf die Reihenfolge abgestimmt werden. Eine gründliche Härtung der substratnahen Tinte wird typischerweise mit intensiveren Lampen und wirksameren Photoinitiator-Paketen erreicht.

Aus diesem Grund muss die Skalierung vom Flachbett- zum kontinuierlichen Druck in gewisser Weise ein Neustart bei der Suche nach oder Anpassung einer Formulierung sein. Beim kontinuierlichen Druck mit feststehenden Köpfen ist es üblich, die Prozessfarb-Druckköpfe dicht beieinander anzuordnen und alle am Ende zu härten. Bei Rollenmaschinen der grafischen Industrie können die Köpfe weiter auseinanderliegen, und dazwischen kann eine Härtungseinheit mit geringer Leistung die Tinte andicken bzw. anhärten (Pinning). Eine Bahnführung, die den Passer auf dem Äquivalent von 1.200 dpi hält, ist üblich. Bei Teilen, die auf Förderbändern oder Ketten nicht fest gehalten werden, verändern selbst kleine Vibrationen die Punktposition von Farbe zu Farbe. Eine enge Anordnung minimiert dies. Weiße Tinte wird aus drei Gründen anders gehandhabt als Prozessfarben. Erstens ist sie häufig die Grundierung, die ein farbiges Substrat abdeckt oder ein transluzentes Material opak macht. Beim Rückseitendruck auf klaren Substraten kommt sie natürlich zuletzt und in einem separaten Durchgang. Zweitens beruhen weiße Tinten und Beschichtungen auf Lichtstreuung, nicht auf Absorption.

Sie sind weniger effizient als jede der Farben und müssen dicker aufgetragen werden. Drittens wirken mit Weiß gemischte Farben blass. Eine Trennung wird vermieden, wenn Weiß zumindest teilweise gehärtet ist, bevor weitere nasse Tinte aufgetragen wird. Schließlich sind Weißpigmente dicht und neigen zur Sedimentation. Die Tinte muss kontinuierlich durch den Druckkopf umgewälzt werden. Wird der Drucker abgeschaltet, sollte die weiße Tinte aus dem Kopf gespült werden.

Ein zentrales Merkmal der Druckqualität ist die Druckauflösung. Sie wird unter zwei Gesichtspunkten betrachtet. Erstens müssen bei feinem Text, Linien und klaren Grenzen zwischen Vollfarben die Abweichungen von geraden Linien und Kurven feiner sein als das kleinste für das menschliche Auge sichtbare Merkmal. Grundlage dafür ist die Pixelzahl bzw. native Auflösung. Diese ergibt sich aus dem Düsenabstand in einer Richtung und den Kopf- bzw. Substratschritten in der anderen. Graustufenfähigkeit, mit der kleine Punkte zwischen die größeren gesetzt werden können, verbessert die scheinbare Auflösung eines Kopfes mit niedrigerer Auflösung. Nitrilhandschuhe, Apollo-FTX-UV-Tinte, toxikologisch als sicher zertifiziert nach ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) 4 www.plasticsdecorating.com Januar/Februar 2020.

Das zweite Element der Auflösung ist die Vermeidung harter Strukturen in Bereichen mit sanften Übergängen oder hellen Farben. Beispielsweise fallen einzelne Cyan- oder Schwarzpunkte eines 300-dpi-Druckbalkens in einem Pastellbereich sofort auf.

Auch hier ermöglichen Graustufen-Druckköpfe, einen einzelnen größeren sichtbaren Punkt durch mehrere kleine, verteilte Punkte zu ersetzen. Mit der Auflösung hängt der Passer der verschiedenen Farben zueinander und zum bedruckten Objekt zusammen. Auf einem Flachbettdrucker lässt sich das Teil fest fixieren. Diese Maschinen sind so konstruiert, dass Vibrationen usw. kleiner sind als die zulässige Abweichung der Tropfenposition. Bei Maschinen mit feststehenden Köpfen, bei denen die auf dem Förderer platzierten Teile nicht fest gehalten werden und Vibrationen des Förderers ausgesetzt sind, kann in der ursprünglichen Spezifikation mehr Spielraum für den Passer angebracht sein, oder es sind die Mehrkosten für eine fortschrittliche Teilehandhabung einzuplanen. Bis zu diesem Punkt war die Software ein Hintergrundthema.

Selbstverständlich wurde die Prozessgeschwindigkeit ständig erhöht, um den Anforderungen der Branche nach großen Mengen in kürzerer Zeit gerecht zu werden. Doch Software wirkt inzwischen auch auf andere Weise. Die Toleranz für Artefakte, die an gekrümmten Oberflächen etwa an Vorder- oder Hinterkanten auftreten, ist geringer. Die daraus resultierenden Unterschiede der Bilddichte lassen sich mit der Graustufenfunktion abmildern. In anderen Fällen lässt sich die Struktur des elektrischen Impulses, der den Punktausstoß bewirkt, nur in einem Teil des Bildes anpassen, um lokale Artefakte durch die Oberflächentopografie zu beheben. Das ist ein Fortschritt gegenüber den Fähigkeiten der besten Farbmanagementsysteme, den Impuls nicht nur für eine Farbe – oder für einzelne Düsen während der Kalibrierung – anzupassen, sondern dynamisch zu nutzen. Ein weiterer technologischer Fortschritt bei einem breiten, doppelseitigen Single-Pass-Rollendrucker für hohe Stückzahlen ist die dynamische Passerkorrektur des Drucks, um variable Merkmale des verformbaren Substrats auszugleichen, basierend auf Kameras nur wenige Zentimeter vor dem Drucker. Dagegen ist das Ausrichten des gesamten Drucks auf ein wahllos auf ein Förderband gelegtes Objekt vergleichsweise einfach. Andererseits spielen Software und Bildverarbeitungssysteme bei robotergeführten Druckern für 3D-Teile, etwa Automobilkomponenten, eine zentrale Rolle. Hier variiert der Abstand zwischen Kopf und Substrat, sodass die zum Druck verwendeten Düsen ausgewählt und der Tropfenausstoß an die Wurfweite angepasst werden müssen. Die Nachverfolgung der bedruckten Bereiche und die Vermeidung von Artefakten durch benachbarte Durchgänge in unterschiedlichen Winkeln ist eine weitere Herausforderung, an der gearbeitet wird. Zur Verbreitung tragen neue Monomere für das Polymernetzwerk bei, Photoinitiatoren mit ethylenischen Bindungen, die sich in das Endpolymer einbinden lassen, sowie feinere Pigmente mit reinerer Farbe und wirksamere Dispergiermittel.

Die Druck- und Beschichtungsindustrie, die UV-Härtung nutzt, hat von den erheblichen Anstrengungen in der additiven Fertigung und der 3D-Modellierung profitiert, für die Formulierungen verfügbar geworden sind, die herkömmliche Extrusionspolymere nachbilden können. Die Nachfrage nach Individualisierung treibt den Absatz, ob bei Gesundheits- und Fitnessprodukten, Smartwatches oder den Hunderten alternativen interaktiven Armbandprodukten. Diese neuen Polymere bieten Kombinationen physikalisch-chemischer Eigenschaften, die mit den ursprünglichen Formulierungen der grafischen Industrie nicht erreicht wurden. So lässt sich bei gleicher Dicke Flexibilität über einen deutlich größeren Zugfestigkeitsbereich bereitstellen. Im Wearables-Markt besteht ein großer Teil der Artikel aus hochdehnbaren Materialien, etwa Einweghandschuhen, Fitness-Dehnbändern und Badekappen. Diese Produkte dehnen sich um bis zu 50 bis 200 %. Historisch wurden solche Produkte im Tampon- und Siebdruck bedruckt, doch da diese analog im Start-Stopp-Betrieb arbeiten, war die Produktivität im Vergleich zum kontinuierlichen Single-Pass-Tintenstrahldruck relativ gering. Mehrere Farben sind bei Massenartikeln nahezu unbezahlbar. Der erfolgreiche Einsatz des UV-härtenden Tintenstrahldrucks wurde durch hochdehnbare Formulierungen ermöglicht, die aus dem Automobil-Vinylmarkt stammen. Wearables verlangen jedoch mehr, da sie Flexibilität und Dehnbarkeit über weite Temperaturbereiche aufweisen müssen.

Ein zweiter Faktor, der bei hochdehnbaren Produkten gelöst werden musste, ist die Haftung. Nitril und andere TPE-Kautschuke werden häufig für dehnbare Produkte verwendet. Schwachstellen entstehen bei der Verbindung von Tinte zu Tinte, insbesondere von Farbe zu Weiß, und innerhalb der Tinte selbst. Weiß ist dick und hoch pigmentiert und daher besonders anfällig für Kohäsionsversagen. Die Bindungen zwischen den Tinten hängen von den Chemikalien ab, die sich an der Grenzfläche ansammeln. Die Fähigkeit, eine gewisse direkte Bindungsbildung zwischen den Schichten zu erzeugen, ist notwendig. Außerdem sollte beim Aufbau bzw. Drucken der Schichten ein gleichmäßiger Verlauf der Eigenschaften bestehen. Beim analogen Nass-in-nass-Druck nimmt beispielsweise die Tintenviskosität in der Reihenfolge ab, sodass die Trennung stets an der obersten Tinte erfolgt. Der berührungslose Tintenstrahldruck hat diese Anforderung an nasse Tinte nicht, benötigt aber im gehärteten Zustand eine ähnliche Abfolge der inneren Festigkeit und der Zwischenschichtfestigkeit. Branchenexperten wissen, wie die Formulierungsreihenfolge, beginnend mit Weiß, zu steuern ist. Bei Entwicklung und Skalierung erkennen Experten die Artefakte und ihre Ursachen. Wie lautet beispielsweise bei Haftungsverlust der Versagensmechanismus? Wo ist das Versagen aufgetreten? Die Antwort kann sich von der Stelle unterscheiden, an der es am sichtbarsten ist.

Die hier besprochenen Reaktionen gehen weniger von der gespritzten Tinte aus, denn für einen erfolgreichen Tropfenausstoß und eine erfolgreiche Tropfenbildung sind Druckköpfe und Tintenversorgung präzise temperaturgeregelt. Durch die Temperatur des Substrats bzw. des Artikels ist die Tinte so dünn, dass sich die Temperatur zwischen Auftrag und Lampe ändert. Dieser Effekt ist ein wesentlicher Unterschied zwischen dem Druck für die grafische Industrie, dem Ursprung dieser Technologie, und dem Druck auf Kunststoffartikeln, von denen eine lange Haltbarkeit erwartet wird.

Fazit

UV-LED-härtbare flexible Tinte für den Farbdruck auf flexiblen bzw. dehnbaren Kunststoffprodukten und Wearables gehört zu den jüngsten Fortschritten der industriellen Tintenstrahltechnologie. Angesichts der Komplikationen und Wechselwirkungen zwischen den Faktoren sollte die Optimierung von Produktivität und Endeinsatzleistung nicht als Abfolge linearer Untersuchungen verstanden werden. Vielmehr ist sie als vollständiges Prozesssystem aus Formulierung, Tintenauftrag, Härtung, Geschwindigkeit und Temperatur zu betrachten, bei dem jede Änderung eines Faktors voraussichtlich andere Ergebnisse beeinflusst und zusätzliche Anpassungen bei Prozess oder Werkstoffen erfordert. So haben führende Erstausrüster Tintenstrahllösungen für die grafische Industrie entwickelt, wo es nur wenige Substrate gab. Bei Wearables gibt es sehr viele Substrate, Formen und Anforderungen, die komplexe technische Lösungen verlangen, um einen produktiven und profitablen Betrieb zu erreichen.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group, Inc., einem Ingenieurberatungsunternehmen, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Tintenstrahldruck, Laserbeschriftung, Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung sowie Produktsicherheit. Sabreen entwickelt seit über 30 Jahren wegweisende Technologien und löst Fertigungsprobleme. Sie erreichen ihn unter 972.820.6777 oder über www.sabreen.com bzw. www.plasticslasermarking.com. Dr. Dene Taylor gründete 2000 SPF Inc., um die Druck- und Verpackungsindustrie zu bedienen, mit Schwerpunkt auf der Anpassung des Digitaldrucks an neue Märkte und Anwendungen. Als studierter Nanochemiker steht etwa die Hälfte seiner 25 US-Patente im Zusammenhang mit dem Digitaldruck. Er ist Mitglied von SGIA, TAPPI und RadTech. Er ist erreichbar unter [email protected].

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