Impresión industrial por inyección de tinta sobre wearables

Impresión industrial por inyección de tinta sobre wearables

Los términos «wearables», «dispositivos portátiles» y «tecnología vestible» se refieren a tecnologías electrónicas o computadoras que un consumidor puede llevar puestas y que con frecuencia incluyen información de seguimiento relacionada con la salud y el estado físico. Abarcan artículos para la muñeca, la cabeza, anteojos, brazos, piernas, calzado, parches para la piel, exoesqueletos y textiles electrónicos, y el negocio de los dispositivos es enorme. La inyección de tinta industrial es la única tecnología digital que permite la impresión personalizada, funcional y no funcional, directamente sobre el producto.

Puntos clave

• La inyección de tinta es la única tecnología digital que permite la impresión personalizada funcional y no funcional directamente sobre wearables.
• La personalización impulsa el argumento de venta, no la impresión en sí: las marcas la usan para elevar la lealtad y recabar opiniones sobre el diseño.
• Ahora se espera la certificación de contacto con la piel. Tras el retiro del mercado de un millón de wearables en 2014, los proveedores certifican los materiales conforme a normas de contacto con la piel.
• Se deben vigilar irritantes como la PPD (p-fenilendiamina) en las formulaciones de materiales destinados a un contacto prolongado con la piel.
• La inyección de tinta es más delicada que la impresión analógica y requiere que cabezales, fluidos, controladores, pretratamiento y curado se integren como un solo sistema.

Demanda de personalización

La demanda de personalización impulsa las ventas, ya se trate de productos de desempeño para salud y estado físico, relojes inteligentes o los cientos de pulseras interactivas alternativas. IDTechEx señaló en un artículo reciente que el negocio de la electrónica vestible crecerá de 20 mil millones de dólares en 2015 a casi 70 mil millones en 2025.1 El sector dominante seguirá siendo el de la atención a la salud, que combina lo médico, el estado físico y el bienestar. Cuenta con el mayor número de grandes nombres, como Apple, Accenture, Adidas, Fujitsu, Nike, Philips, Reebok, Samsung, SAP y Roche, detrás de los desarrollos nuevos más prometedores. Según Bain & Company, la personalización de productos ayuda a las marcas a impulsar las ventas y la oportunidad es significativa.2 Se estima que al menos entre 25 y 30 por ciento de los compradores están interesados en opciones de personalización. Para mercados selectos, esto equivaldría a 2 mil millones de dólares al año por sector. Han surgido dos tendencias importantes: primero, los consumidores actuales son más expresivos; y segundo, la personalización es la nueva lealtad.

Preguntas frecuentes

¿Qué se considera un «wearable» para fines de impresión?

Tecnologías electrónicas o computadoras que lleva puestas un consumidor y que con frecuencia registran datos de salud y estado físico. En la práctica abarcan artículos para la muñeca, la cabeza, anteojos, brazos, piernas, calzado, parches para la piel, exoesqueletos y textiles electrónicos, productos que pueden ser rígidos o flexibles.

¿Por qué se usa inyección de tinta en lugar de tampografía o serigrafía?

Porque la personalización es el motor comercial. La inyección de tinta es la única tecnología digital que permite la impresión personalizada directamente sobre el producto, de modo que cada unidad puede llevar un contenido distinto. Los procesos analógicos de arranque y paro tienen una productividad comparativamente baja, y varios colores en artículos de gran volumen resultan casi prohibitivos en costo.

¿Qué normas de seguridad aplican a las tintas en wearables?

Los materiales destinados a un contacto prolongado con la piel se certifican conforme a normas de contacto con la piel, un cambio que se aceleró después de que un fabricante retirara del mercado un millón de dispositivos wearables en 2014. Las formulaciones deben evitar irritantes de la piel como la PPD, o p-fenilendiamina.

¿Qué hace más difícil la inyección de tinta que la impresión analógica?

La precisión. La inyección de tinta requiere que las boquillas disparen gotas de tamaño preciso con exactitud absoluta, y un sistema de alta calidad debe integrar simultáneamente cabezales, fluidos, controladores electrónicos, pretratamiento y curado. Todos ellos deben trabajar en conjunto para producir el resultado previsto.

¿En qué se diferencian las tintas de inyección curables por UV de otros tipos de tinta?

El polímero se forma durante el curado, por reacción en cadena de monómeros y oligómeros. Los monómeros son líquidos de baja viscosidad que además funcionan como portador de la tinta, lo que elimina la necesidad de agua o solvente y hace que las tintas UV sean 100 % sólidos.

Impresión por inyección de tinta sobre wearables

El enfoque de este artículo es la «personalización» mediante impresión por inyección de tinta sobre wearables moldeados: desde dispositivos electrónicos interactivos y relojes hasta calzado deportivo y prendas y productos impresos en 3D. Uno de los primeros wearables y de los más reconocibles es la pulsera de Disney, también llamada «MagicBand». Cada pulsera contiene un RFID y un radio como los de un teléfono inalámbrico de 2.4 GHz. La pulsera conecta a los visitantes con un vasto y potente sistema de sensores y aplicaciones móviles dentro del parque, y sirve como medio de pago, pase de admisión al parque, llave de habitación y más. La mayoría de las pulseras son de colores sólidos (tal como se moldean). La parte inferior de cada pulsera está marcada con láser y contiene información de identificación (véase arriba. Fuente de la foto: Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1). Las pulseras decoradas prediseñadas se venden en tiendas al menudeo. Sin embargo, para lograr una experiencia única e irrepetible, los aficionados elaboran las pulseras a mano con aplicaciones de varios pasos que requieren mucho trabajo, calcomanías, tatuajes temporales, fundas y pinturas disponibles en tiendas de artes gráficas.

La inyección de tinta impulsa procesos avanzados de manufactura por su capacidad única de depositar fluidos funcionales en una amplia gama de aplicaciones, en patrones únicos o complicados, o sobre sustratos novedosos. Por ejemplo, las tintas conductoras de todas las tecnologías están abriendo camino en muchas áreas y especialmente en sustratos flexibles. Se utilizan tintas de plata, polímeros conductores orgánicos, grafeno y nanotubos de carbono para circuitos y conectores en toda la electrónica flexible. Con la inyección de tinta, resultan útiles como conectores entre botones impresos (botones táctiles de película delgada) en prendas (por ejemplo, chamarras de esquí) y dispositivos móviles, etiquetas RFID pasivas o activas o iluminación LED. La tecnología de diodos orgánicos emisores de luz (OLED) no solo es flexible, sino que con inyección de tinta también puede adaptarse para identificación, seguridad o decoración en ropa exterior. Además, con la inyección de tinta se imprimen múltiples capas de distintos materiales para crear construcciones de seis o más capas diferenciadas.

Los conductores verdaderamente elásticos son raros en cualquier tecnología. La Universidad de Purdue anunció una nueva clase de conductores de metal líquido imprimibles por inyección de tinta, con los que se demostró su idoneidad para materiales elásticos y gomosos.3 Podrían hacer posible una nueva clase de robots flexibles y prendas elásticas que las personas podrían usar para interactuar con computadoras o con fines terapéuticos.

Los adhesivos son piedra angular de los wearables y con frecuencia se requieren para geometrías complejas (por ejemplo, calzado deportivo). Cabezales controlados por robot, de gotas de gran tamaño, aplican adhesivos a una gama creciente de estructuras irregulares, con cobertura total sin excesos, y a la vez admiten corridas cortas y cambios frecuentes. Los adhesivos de inyección de tinta de látex pueden igualar las formulaciones tradicionales. Cada vez hay más adhesivos de inyección de tinta curados por ultravioleta (UV) y por haz de electrones (EB), que satisfacen la demanda de curado inmediato mientras se unen a materiales dispares.

La inyección de tinta de curado UV es popular en ropa exterior, insignias, equipo reflectante, equipo deportivo y calzado deportivo. La mayor parte de la impresión se realiza sobre artículos colocados con precisión mediante plantillas en charolas o moldes que pasan bajo cabezales de vaivén. Para una alta productividad, impresoras de una sola pasada con cabezales fijos de ancho completo aplican las imágenes a artículos transportados en una banda a velocidades de hasta 60 pies por minuto (unos 18 m/min) o más. La banda suele tener charolas para que los artículos estén siempre en una posición fija, o la impresora puede apoyarse en cámaras para ubicar la posición y orientación del artículo y proyectar la imagen en consecuencia. Para el curado UV, hay una lámpara después de los cabezales. Las lámparas LED son cada vez más populares por su larga vida, salida constante, generación limitada de ozono y menor consumo de energía. Para los artículos wearables, el mayor valor es que son frías, y el sustrato recibe muy poco calor. Los plásticos, telas y películas sensibles al calor pueden imprimirse sin temor a contracción o distorsión. Una advertencia para los usuarios de tintas de curado por energía: como las tintas líquidas son peligrosas, siempre deben curarse correctamente por seguridad y durabilidad.

Tintas de inyección curables por UV

La impresión por inyección de tinta es mucho más compleja y delicada que la impresión analógica. La inyección de tinta 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, fluidos, controladores electrónicos, pretratamiento y curado. Todos estos elementos deben trabajar en conjunto para producir los resultados previstos.

Las tintas de inyección curables por UV secan al instante. La impresión con tintas UV difiere de otros tipos porque el polímero se forma durante el curado por reacción en cadena de monómeros y oligómeros. Los monómeros son líquidos de baja viscosidad, por lo que también funcionan como portador líquido de la tinta y eliminan la necesidad de agua o solvente; por eso las tintas de curado UV son 100 por ciento sólidos y una alternativa ideal a las tintas de solvente. Los oligómeros (moléculas reactivas más grandes) tienen múltiples funcionalidades químicas y son críticos para construir correctamente el aglutinante.

La polimerización se inicia con una breve exposición a la luz UV, que es radiación electromagnética con una longitud de onda más corta y mayor energía que la luz visible. El UV cercano (longitud de onda de 390 a 200 nanómetros) se utiliza para la mayor parte del curado UV. Se subdivide en UV-A (390 a 320 nanómetros) u onda larga, UV-B (320 a 280 nanómetros) u onda media, y UV-C (280 a 200 nanómetros) u onda corta. Además del UV cercano, otras categorías de UV incluyen el UV lejano (200 a 10 nanómetros) y el UV profundo (31 a 1 nanómetros). La longitud de onda pico más común en las lámparas convencionales de curado UV de mercurio es de 365 nanómetros, también conocida como línea I del mercurio (espectro de luz).

Los wearables impresos los sostienen los consumidores en la mano y están sujetos a una inspección visual muy cercana. El texto alfanumérico puede ser de seis puntos o menor. Para evitar artefactos visibles y asegurar la legibilidad, se requiere impresión de alta resolución. La impresión por inyección de tinta de alta resolución tiene dos componentes principales: el espaciado de los puntos sobre el sustrato y el tamaño (volumen) de las gotas que forman los puntos. La alta resolución se obtiene con una colocación cercana de las gotas (actualmente hasta 1,800 × 1,800 dpi), lo que requiere múltiples pasadas y pasos diminutos en la impresora típica de cabezal oscilante.

Los componentes reactivos a UV son los fotoiniciadores: compuestos que absorben la energía y se dividen para producir especies químicas altamente reactivas, radicales libres o catiónicas según el tipo. Cada una puede unirse a una parte de un monómero u oligómero, lo que transfiere la actividad a otra parte, que a su vez puede reaccionar con otro monómero, y así sucesivamente hasta construir el polímero. Las tintas UV usan colorantes pigmentados. Los avances en formulación y fabricación de tintas permiten a los fabricantes ofrecer blanco (W), especialmente útil como base sobre sustratos de color oscuro o como fondo sobre material transparente. Los colores primarios de inyección de tinta (cian, magenta, amarillo y negro, CMYK) en conjunto ofrecen una amplia gama de color.

El desvanecimiento por la luz solar puede ser una preocupación importante de durabilidad de la impresión. Como las tintas UV usan pigmentos, no colorantes solubles, son inherentemente menos sensibles a la luz solar que las tintas de escritorio. Se obtiene muy buena resistencia al desvanecimiento cuando las tintas se fabrican con pigmentos de la industria de pinturas automotrices. Aunque son más costosos, se usan en tintas premium. La luz solar también puede degradar el polímero y producir caleo y fragilidad. Una exposición continua a la luz exterior de cinco años es una expectativa que se cumple comúnmente.

Los aditivos son esenciales en todas las formulaciones de tinta. Las tintas para imprimir plásticos suelen contener promotores de adhesión. El proyectado y la formación de gotas, evidentemente centrales en la inyección de tinta, requieren balances cuidadosos de modificadores de viscosidad y surfactantes. Si no son correctos, la tinta puede formar neblina o mojar el cabezal, y ninguna de las dos cosas es satisfactoria. Estos mismos compuestos también controlan la humectación y el flujo de la tinta sobre el sustrato, es decir, la adhesión y la ganancia de punto. Generalmente se optimizan para una química de superficie particular, pero existen limitaciones. Por ejemplo, una tinta que humecte un sustrato de baja energía superficial goteará del cabezal. Por ello, muchas superficies deben tratarse para colocarlas en el rango de funcionalidad de la tinta.

Las tintas de inyección tienen baja viscosidad y baja tensión superficial, lo que genera retos de unión por adhesión en muchos sustratos poliméricos, como los acetales, las poliolefinas y los poliuretanos. Estos tipos de plásticos químicamente inertes son hidrofóbicos y no se humectan de forma natural. 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.

La velocidad de la prensa de impresión también puede afectar la tensión superficial efectiva de la tinta. Una tinta que en condiciones estáticas mide 25 dinas de tensión superficial podría comportarse dinámicamente como una tinta con 40 dinas de tensión superficial en una prensa de alta velocidad. Las acciones de los cabezales y sistemas de impresión por inyección de tinta sobre los fluidos que dispensan pueden afectar de manera significativa la forma en que los componentes del fluido se realinean durante la dispensación y la interacción con la superficie de impresión y con otras capas de tinta o recubrimiento.

El grado o la calidad del tratamiento se ve afectado por la limpieza de la superficie del plástico. La superficie debe estar limpia para lograr un pretratamiento óptimo y la posterior adhesión de la tinta. La contaminación superficial, como el desmoldante de silicón, la suciedad, el polvo, la grasa, los aceites y las huellas dactilares, inhibe el tratamiento. La pureza del material también es un factor importante.

Conclusión: metodología de soluciones integrales

Una metodología de soluciones integrales es esencial para desarrollar materiales poliméricos e imprimir por inyección de tinta sobre wearables. A medida que evolucionan los requisitos del consumidor y la funcionalidad, también lo hacen las exigencias sobre los materiales designados para un contacto prolongado con la piel. Después de que FitBit retiró del mercado un millón de dispositivos wearables en 2014, los proveedores certifican los materiales conforme a normas de contacto con la piel. Los controles del proceso de impresión por inyección de tinta son igualmente primordiales. Los factores importantes incluyen los siguientes:

• Formulaciones de materiales (incluidos piel, hule, poliuretano termoplástico, elastómeros de copoliéster y aditivos) que no irriten la piel, como la PPD o p-fenilendiamina.
• Requisitos del material, incluidas durabilidad, resistencia química, resistencia a los rayos UV y resistencia al rayado.
• Normas internacionales de cumplimiento sobre toxicidad, como ISO 10993-10:2010, Evaluación biológica de dispositivos médicos, Parte 10.
• Excelente adhesión de la tinta. Minimizar los compuestos de bajo peso molecular que migran a la superficie.
• Química del fluido de la tinta y desempeño de proyección.
• Sistemas de impresión robustos que se instalen en quioscos, así como en sitios de manufactura.

Referencias

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

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: marcado láser, pretratamiento de superficies, pegado, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen ha desarrollado tecnologías pioneras y resuelto problemas de manufactura durante más de 30 años. Puede contactarlo al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., fundó SPF-Inc. en 2000 para atender a las industrias de la impresión y el empaque, con enfoque en adaptar la impresión digital a nuevos mercados y aplicaciones. Nanoquímico de formación, cerca de la mitad de sus 25 patentes estadounidenses están relacionadas con la impresión digital. Es miembro de SGIA, TAPPI y RadTech. Puede contactarlo en [email protected].

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