Single-Pass-UV-LED-Tintenstrahldruck auf 3D-Kunststoffen – Tintenchemie und Polymeroberflächen

Single-Pass-UV-LED-Tintenstrahldruck auf 3D-Kunststoffen – Tintenchemie und Polymeroberflächen

Industrieller Tintenstrahldruck hat erheblichen Einfluss auf die Dekoration, die traditionell mit konventionellen Analogverfahren wie Tampon-, Sieb- und Flexo-/Tiefdruck erfolgt. Die Tintenstrahltechnologie hat sich weiterentwickelt: von kontinuierlichen einfarbigen Lösemitteltinten zu Drop-on-Demand-Vollfarbdruck, von binär zu Graustufen, von Quecksilberdampflampen zur UV-LED-Härtung und von scannenden Flachbettdruckern zum 360°-Rotationsdruck. Die neue Grenze ist der Single-Pass-UV-LED-Farbdruck auf dreidimensionalen Kunststoffprodukten mit einer neuen, toxikologisch und auf Biokompatibilität zertifizierten Tinte. Single-Pass ist schneller und kostengünstiger als Scannen, doch die Technologie ist komplexer und erfordert präzise Auslegung. Hinzu kommen die grundlegenden Herausforderungen der Tintenhaftung auf Polymeren mit niedriger Oberflächenenergie. Dynamische Kontaktwinkel werden untersucht, um Tintenviskosität und Benetzung der Oberfläche zu bestimmen.

Das Wichtigste in Kürze

• Single-Pass ist schneller und kostengünstiger als Scannen, in der Auslegung aber deutlich komplexer.
• Scannen verdeckt Fehler. Mehrere Durchgänge kaschieren fehlende oder falsch platzierte Punkte – Single-Pass verzeiht das nicht.
• Die Tintenwahl ist die wichtigste einzelne Entscheidung. Sie bestimmt Druckkopftyp, Härtungsparameter und ob eine Vorbehandlung nötig ist.
• Farbverlaufen (Color Bleed) ist das Single-Pass-Risiko, da ein großes Tintenvolumen in einem Durchgang aufgetragen wird.
• Tinten mit niedriger Viskosität und niedriger Oberflächenspannung tun sich auf Polyolefinen, Nylons und TPE/Gummi schwer, die unpolar und von Natur aus nicht benetzbar sind.

Scannender Druck und Single-Pass-Druck im Vergleich

Tintenstrahldrucker tragen Tinte in einem einzigen oder in mehreren Durchgängen auf. Entweder bewegen sich die Druckköpfe über das Objekt, oder das Objekt bewegt sich unter einem feststehenden Druckkopf bzw. einer Druckkopfanordnung. Beim scannenden bzw. Mehrfachdurchgangsdruck (Multi-Pass) fährt der Drucker mehrfach über das Substrat, um es vollständig abzudecken und das erforderliche Detail zu liefern.

Ein Vorteil des Scannens ist, dass Druckfehler wie fehlende oder falsch platzierte Punkte weniger sichtbar werden. Der Nachteil des Scannens ist, dass es langsam ist, da für eine vollständige Tintenabdeckung mehrere Durchgänge über dieselbe Fläche nötig sind. Beim Single-Pass-Druck drucken die Druckköpfe direkt auf ein bewegtes Substrat (oder eine Bahn) auf einem bewegten Transportsystem. Der wesentliche Vorteil von Single-Pass sind höhere Geschwindigkeit und Produktivität.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen scannendem und Single-Pass-Tintenstrahldruck?

Beim Scannen bzw. Multi-Pass fährt der Drucker mehrfach über das Substrat, um vollständige Abdeckung und Detail zu erreichen. Beim Single-Pass drucken die Druckköpfe in einem Durchgang direkt auf ein bewegtes Objekt. Scannen ist langsamer, aber fehlertoleranter; Single-Pass ist schneller und produktiver, aber deutlich weniger fehlertolerant.

Warum ist Single-Pass-Druck schwerer zu beherrschen?

Weil es keinen zweiten Durchgang gibt, der Fehler überdeckt. Jeder fehlende oder falsch platzierte Punkt ist sichtbar, und die Kontrolle des Farbverlaufens wird entscheidend, da das gesamte Tintenvolumen auf einmal aufgetragen statt schrittweise aufgebaut wird.

Was ist die wichtigste Entscheidung in einem Tintenstrahlprojekt?

Die Tinte. Ihre Auswahl bestimmt die Systemkomponenten – Druckkopftyp, Härtungsparameter und ob eine Oberflächenvorbehandlung erforderlich ist. Fluidchemie, Viskosität und Scherverhalten sowie die Physik des Ausstoßes jedes einzelnen Tropfens müssen unter extremen Bedingungen präzise funktionieren, und diese Anforderungen verstärken sich beim Single-Pass.

Warum haften Tintenstrahltinten auf bestimmten Kunststoffen schlecht?

Tintenstrahltinten haben niedrige Viskosität und niedrige Oberflächenspannung, während Polyolefine, Nylons und TPE- oder Gummisubstrate unpolar, chemisch inert, hydrophob und von Natur aus nicht benetzbar sind. Ohne Erhöhung der Oberflächenenergie kann die Tinte nicht den innigen Kontakt herstellen, den die Haftung erfordert.

Wo hat sich Single-Pass-Tintenstrahldruck bereits bewährt?

Vor allem in 2D-Anwendungen – Rollen-Lottoscheine, Chipkarten, Keramikfliesen, Kartons und Schachteln. Die neuere Grenze ist der Single-Pass-Farbdruck auf dreidimensionalen Kunststoffprodukten mit toxikologisch und auf Biokompatibilität zertifizierten Tinten.

UV-härtende Tinten

Für alle Anwendungen ist die Tintenwahl die wichtigste einzelne Entscheidung; sie bestimmt die Systemkomponenten, darunter Druckkopftyp, Härtungsparameter und den möglichen Bedarf an Oberflächenvorbehandlung. Fluidchemie (Viskosität und Scherung) und Physik des Ausstoßes jedes Tintentropfens müssen präzise funktionieren, um unter extremen Bedingungen zu laufen. Diese Faktoren verstärken sich beim Single-Pass-Druck im Vergleich zum Scannen.

Single-Pass-Tintenstrahldruck gibt es schon länger, mit Schwerpunkt auf dem 2D-Druck von Rollen-Lottoscheinen, Chipkarten, Keramikfliesen, Kartons und Schachteln und mehr. Die anfänglichen technologischen Herausforderungen sind überwunden; zusammen mit jüngsten Fortschritten in Tintenchemie und Polymerwissenschaft ermöglichen sie den Vollfarb-Single-Pass-UV-LED-Tintenstrahldruck auf Polymeren mit niedriger Oberflächenenergie. Vollautomatische Serienfertigungssysteme sind mit optionaler Inline-Vorbehandlung und Bildverarbeitung erhältlich. Dieser Artikel untersucht UV-härtende Tinten, Polymeroberflächen und Benetzung.

UV-Tinten härten zu einem Feststoff aus, wenn Photoinitiatoren in der Tinte mit einer hochintensiven Quelle ultravioletten Lichts wechselwirken. UV-Tinten gelten als umweltfreundlicher, da sie praktisch keine Lösemittel enthalten. Allerdings gibt es toxikologische Bedenken. Ungehärtete UV-Tinte enthält nicht umgesetztes Monomer, das für den menschlichen Körper schädlich ist. Auch fertige, gehärtete Drucke können Restmonomer enthalten. Der Einsatz von Radiometern wird dringend empfohlen.

Zu den einzelnen Komponenten pigmentierter UV-härtender Tinten gehören typischerweise Monomere (niedrigviskose Flüssigkeiten), Oligomere (Haftungs- und Härtungseigenschaften), Pigmente (Farbe), Photoinitiatoren (UV-Härtung) und Additive (Benetzung und Dispergiermittel).

Jede Komponente spielt eine wichtige Rolle bei der Optimierung der Leistungseigenschaften der fertigen Tintenrezeptur. Die Formulierung einer weißen UV-Tinte im Vergleich zu Prozessfarben für den Single-Pass-Tintenstrahldruck ist wegen ihrer großen und schweren TiO2-Pigmentpartikel, die leicht sedimentieren, anspruchsvoll.

Die Viskosität (genauer: die Scherviskosität) ist ein kritischer Parameter, der den Fluss durch die Druckkopfdüse und den Zündimpuls steuert. Bei piezoelektrischen Drop-on-Demand-Druckköpfen ist der Zündimpuls eine Spannung, die eine Bewegung eines Piezoelements erzeugt und so eine Druckdifferenz hervorruft (Abbildung 1).

Sobald ein Tropfen ausgestoßen ist, klingt eine wechselnde Druckschwingung mit der Zeit ab (Dämpfungseffekt). Aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten und kleiner Düsendurchmesser arbeiten die Fluide in einem Bereich hoher Scherraten. Zudem beeinflusst die Viskosität das Befüllen der Tintenkammer des Druckkopfs. Die Viskosität sinkt im Allgemeinen mit steigender Scherrate, was als „scherverdünnendes“ Fluid bezeichnet wird (das umgekehrte Phänomen, bei dem die Viskosität mit der Scherrate steigt, wird als „thixotropes“ Fluid bezeichnet).

Wenn Tinten dicker oder dünner werden, kann sich die veränderte Scherung nachteilig auf die Ausstoßleistung auswirken. In der Düse wird die Tinte sowohl geschert als auch gedehnt, und die Dehnviskosität ist wichtig zu verstehen, da sie die Bildung und den Abriss des Tintenfadens und die anschließende Tropfenbildung beeinflusst.

So ist beispielsweise die Apollo FTX Ink Series so formuliert und qualifiziert, dass sie nach ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) für Erwachsene und Kinder (Kontakt mit menschlicher Haut) sicher und auf Biokompatibilität geprüft ist†. Die Chemie ist präzise auf bestimmte UV-LED-Härtungseigenschaften und Ästhetik abgestimmt, ohne Untervernetzung (klebrig) oder Übervernetzung (spröde).

Diese Tinte hat ein hohes, gleichmäßiges Fließverhalten (stabiles rheologisches Verhalten) und einen gleichmäßigen Kontaktwinkel beim Austritt aus der Düse (einheitlicher Strahlzerfall). Sie besitzt außergewöhnliche Benetzung, Haftung und intermolekulare Haftung zwischen weißer Tinte (Basisschicht) und CMYK++-Farben. Auf vielen Substraten mit niedriger Oberflächenenergie, darunter Nitrilkautschuk und Latex, ist keine Oberflächenvorbehandlung notwendig.

Die endgültigen Härtungseigenschaften zeigen unübertroffene Kratz-/Scheuer- und Chemikalienbeständigkeit, einschließlich Spülmaschinentests. Die Tinte ist mit bestimmten Druckkopfmodellen von Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba und Konica Minolta kompatibel.

Polymeroberflächen und Benetzung

Eine genaue Tintenviskosität ist beim Single-Pass-Druck entscheidend, um im Vergleich zu Scan-Druckern das Farbverlaufen (bedingt durch das große in einem Durchgang aufgetragene Tintenvolumen) zu kontrollieren. Tintenstrahltinten haben niedrige Viskosität und niedrige Oberflächenspannung, was auf vielen Polymeren wie Polyolefinen, Nylons, TPE/Gummi usw. Haftungsprobleme verursacht. Diese Substrate sind unpolare, chemisch inerte Kunststoffe, die hydrophob und von Natur aus nicht benetzbar sind.

Betrachten Sie einen einzelnen Flüssigkeitstropfen auf einer ebenen, ruhenden (im Gleichgewicht befindlichen) Feststoffoberfläche. Der Winkel, den die Feststoffoberfläche und die Tangente an die obere Tropfenoberfläche am Endpunkt bilden, heißt Kontaktwinkel. Er ist der Winkel zwischen der Tangente am Kontaktpunkt und der Horizontalen der Feststoffoberfläche.

Tintenfluide und Kontaktwinkel sind jedoch dynamisch, nicht statisch. Haftet ein Tropfen an einer festen Oberfläche und wird die Oberfläche geneigt, springt der Tropfen nach vorn und gleitet abwärts. Die dabei gebildeten Winkel heißen Fortschreitwinkel (θa) bzw. Rückzugswinkel (θr) (Abbildung 2).

Die Tropfenform beruht auf den molekularen Kräften, durch die alle Flüssigkeiten durch Kontraktion der Oberfläche danach streben, das enthaltene Volumen in eine Form mit der kleinsten Oberfläche zu bringen. Die zwischenmolekularen Kräfte, die die Oberfläche zusammenziehen, heißen „Oberflächenspannung“. Die Oberflächenspannung der Tintenstrahltinte steuert den korrekten Ausstoß aus dem Druckkopf.

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 (Tinte), desto besser ist die Benetzbarkeit und desto kleiner der Kontaktwinkel. In der Regel wird eine ausreichende Haftung erreicht, wenn die Oberflächenenergie eines Substrats etwa 8 bis 10 dyn/cm über der Oberflächenspannung der Flüssigkeit liegt.

Kontaktwinkel werden im Allgemeinen durch Änderungen der Oberflächenchemie und der Oberflächentopografie beeinflusst. Der Fortschreitwinkel reagiert am empfindlichsten auf die niederenergetischen (unmodifizierten) Anteile der Substratoberfläche, während der Rückzugswinkel empfindlicher auf die hochenergetischen, oxidierten Gruppen reagiert, die durch Oberflächenvorbehandlungen eingebracht werden.

Der Rückzugswinkel ist die Messgröße, die den nach Vorbehandlungen modifizierten Anteil der Oberfläche am besten charakterisiert. Es ist wichtig, dynamische Kontaktwinkel zu messen, um die Oberflächenwechselwirkungen, den optimalen Ausstoß und die Zeit zwischen Tropfenplatzierung und Beginn der Härtung zu verstehen. Ohne diese Informationen treten gravierende Qualitätsprobleme im Tintenstrahldruck auf, z. B. Satelliten, Overspray, Nebel usw. Empfohlen wird ein Kontaktwinkel-Messgerät mit ballistischer Abscheidung statt Testtinten (dyn-Lösungen).

Fazit

Der Single-Pass-UV-LED-Farbdruck auf starren sowie flexiblen/dehnbaren Produkten ist eine der neuesten Entwicklungen, die die industrielle Tintenstrahltechnologie verändern. Für eine erfolgreiche Produktion müssen zu Beginn jedes Projekts viele Prozessfaktoren und Wechselwirkungen verstanden werden.

Quellen

• Sabreen, S., Taylor D., Inkjet Printing for Flexible and Wearable Plastic, Plastics Decorating, Januar/Februar 2020

†Die Apollo FTX Ink Series ist käuflich erhältlich. Wenden Sie sich an The Sabreen Group unter 972.820.6777 oder [email protected].

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group, Inc., einem Ingenieurberatungsunternehmen, das auf Verfahren der sekundären Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Oberflächenvorbehandlung, Adhäsionsverbindung, Tintenstrahldruck, Laserbeschriftung, Dekoration und Veredelung sowie Produktsicherheit. Sabreen entwickelt seit mehr als 30 Jahren wegweisende Technologien und löst Fertigungsprobleme. Er ist unter 972.820.6777 erreichbar oder über www.sabreen.com.

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