Impresión por inyección de tinta para plásticos flexibles y vestibles

Impresión por inyección de tinta para plásticos flexibles y vestibles

Las tintas flexibles de curado UV LED para la impresión a color de productos plásticos flexibles/elásticos y vestibles son uno de los avances más recientes de la tecnología industrial de inyección de tinta. Imágenes vívidas personalizables y códigos bidimensionales se proyectan sobre una variedad de productos poliméricos flexibles, como botellas de poliolefina, bandas elásticas para ejercicio y prendas vestibles elastoméricas/de hule, sin agrietar ni distorsionar la imagen impresa aun con un alto porcentaje de elongación. Este avance incorpora una nueva tinta flexible UV LED patentada, de gama completa de colores, con certificación de toxicidad y biocompatibilidad para aplicaciones específicas.

Puntos clave

• Los productos de alta elasticidad se elongan entre 50 y 200 %, por lo que la tinta debe estirarse con ellos sin agrietarse ni distorsionar la imagen.
• La tinta y el curado LED deben ser un sistema acoplado: longitud de onda, irradiancia, densidad de energía, distancia de trabajo y enfriamiento se especifican en conjunto.
• La certificación para contacto con la piel es importante. Las tintas para wearables pueden calificarse según ASTM D 4236 (LHAMA, 16 CFR 1500.14) para adultos y niños.
• La tinta blanca es la más problemática: es gruesa, muy pigmentada y propensa a fallas cohesivas y a la sedimentación, por lo que requiere circulación continua.
• Algunos sustratos de baja energía no necesitan pretratamiento con una tinta correctamente formulada, entre ellos el hule nitrilo y el látex.

Preguntas frecuentes

¿Se agrietará la tinta de inyección cuando el producto se estire?

No con una formulación flexible UV LED. Las tintas flexibles diseñadas para este fin imprimen imágenes vívidas y códigos 2D en botellas de poliolefina, bandas elásticas para ejercicio y prendas vestibles elastoméricas que se elongan de 50 a 200 % sin agrietar ni distorsionar la imagen.

¿Qué sustratos se pueden imprimir para wearables?

Nitrilo, vinilo, PVC, poliolefinas, elastómeros termoplásticos, polietilenos colados, látex, poliuretanos y neopreno, además de películas flexibles para empaque, electrónica impresa flexible e interconexiones elásticas.

¿Es segura la tinta de inyección UV LED para el contacto con la piel?

Puede certificarse como tal. Las tintas se formulan y califican como seguras para adultos y niños en contacto con la piel humana según ASTM D 4236 (LHAMA — 16 CFR 1500.14). La certificación es específica para la tinta y su especificación de curado, por lo que no debe asumirse que una película subcurada o sobrecurada sea segura.

¿Por qué el escalamiento de plataforma plana a impresión continua de una sola pasada causa problemas?

El comportamiento de depósito y curado de la tinta cambia por completo. En una plataforma plana, se depositan capas delgadas en varias pasadas y se curan repetidamente. En las máquinas continuas de cabezales fijos, todos los colores se aplican húmedo sobre húmedo desde una sola barra de impresión, por lo que el espesor a curar puede llegar a 250 % del de un solo color, y la incompatibilidad entre capas causa separación microscópica y fallas entre capas.

¿Por qué la tinta blanca se maneja de forma distinta a los colores de proceso?

Por tres razones. Suele ser la capa base que oculta un sustrato coloreado o translúcido; depende de la dispersión de la luz y no de la absorción, por lo que debe aplicarse en mayor espesor; y los pigmentos blancos son densos y propensos a sedimentarse, por lo que la tinta debe circular de forma continua y purgarse del cabezal al apagar el equipo.

Demanda de wearables personalizados

Los términos «wearables», «dispositivos vestibles» y «tecnología vestible» se refieren a tecnologías electrónicas o computadoras que un consumidor puede llevar puestas y que con frecuencia incluyen el registro de información relacionada con la salud y el estado físico. Abarcan gorros de natación, bandas elásticas de resistencia para ejercicio, cubrecabezas, hiyabs, muñequeras y cintas para la cabeza, prendas para ciclismo y carrera, accesorios de muñeca, lentes, guantes, prendas para brazos y piernas, calzado, parches para la piel, exoesqueletos y textiles electrónicos, y el negocio de estos dispositivos es enorme. Los productos pueden ser rígidos o flexibles.

La demanda de personalización impulsa las ventas, ya se trate de productos de desempeño para salud y acondicionamiento físico, relojes inteligentes o cientos de productos alternativos de pulseras interactivas. La firma líder de investigación de mercado IDTechEx afirma que los productos vestibles están en auge, con un mercado total superior a 50,000 millones de dólares en 2019, que más que duplicó su tamaño desde 2014. Bain & Company señala: «Al ofrecer personalización, las marcas elevan la lealtad en un momento en que es más importante que nunca.

Los vendedores están descubriendo el valor de permitir que los clientes creen sus propios productos únicos». Minoristas como Amazon utilizan grandes volúmenes de datos para presentar a sus clientes un conjunto personalizado de productos. Ahora, las marcas están llevando la personalización un gran paso más allá, hacia la personalización masiva. Las empresas que ofrecen personalización pueden usar a los consumidores como comerciantes, obteniendo continuamente información de los diseños personalizados y afinando los productos en un ciclo de retroalimentación que les ayuda a mantenerse por delante de la competencia.

Soluciones integrales de proceso

La impresión por inyección de tinta UV piezoeléctrica de gota bajo demanda 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, pretratamiento y curado. La certificación de seguridad de los fluidos de inyección de tinta y del curado es crítica. Para lograr una impresión robusta en materiales poliméricos flexibles sensibles a la temperatura, los usuarios deben incorporar tintas flexibles UV LED acopladas y un sistema de curado LED.

Los sustratos de aplicación incluyen nitrilo, vinilo, PVC, poliolefinas, elastómeros termoplásticos (TPE), polietilenos colados (CPE), látex, poliuretanos y neopreno. Otras aplicaciones son las películas flexibles para empaque, la electrónica impresa flexible y las interconexiones elásticas.

Tinta de curado UV LED y certificación de seguridad para el consumidor

Una nueva tinta de inyección de curado UV LED, la serie Apollo FTX Ink, ha sido formulada y calificada como segura para adultos y niños (contacto con la piel humana) según ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14). Más que una simple tinta, esta química está acoplada con precisión a especificaciones de curado UV LED determinadas. Esto asegura propiedades finales de curado y estética robustas, sin subcurado (pegajoso) ni sobrecurado (quebradizo). El reto en el diseño de tintas de inyección radica en la importancia de desarrollar la tinta en sinergia con un cabezal específico. La química y la física del fluido al proyectar cada gota de tinta deben comportarse de forma precisa y constante para operar en condiciones extremas, lo cual es necesario en las operaciones de impresión de gota bajo demanda.

Esta nueva tinta demuestra una alta consistencia de flujo (comportamiento reológico estable) y del ángulo de contacto de salida de la tinta al abandonar la boquilla (rompimiento de chorro consistente). Posee una excepcional humectación y adhesión al sustrato, así como adhesión intermolecular entre la tinta blanca (capa base) y los colores de gama completa. El pretratamiento de superficies no es necesario en algunos materiales de sustrato de baja energía que tradicionalmente han sido difíciles de imprimir, por ejemplo, el hule nitrilo y el látex. Estas características permiten la impresión por inyección de tinta en línea, de alta velocidad y de una sola pasada. Dispersar los pigmentos a un tamaño de partícula preciso y mantener su separación es crítico para el desempeño de inyección y la calidad de impresión. Las tintas de curado UV constan de cuatro componentes: monómeros, oligómeros, pigmentos y fotoiniciadores.

Las partículas demasiado grandes o aglomeradas comprometerían la precisión de la inyección y darían una calidad de impresión inaceptable. La mayor parte de cualquier tinta seca es el aglutinante: fija el color en su lugar, lo protege de la abrasión y se une a la superficie. El aglutinante suele ser un polímero. La impresión con tinta UV difiere de otros tipos porque el polímero se forma durante el curado mediante la reacción en cadena de monómeros y oligómeros. Los monómeros son líquidos de baja viscosidad, por lo que también funcionan como el vehículo líquido de la tinta y eliminan la necesidad de agua o solvente; por eso las tintas de curado UV son 100 % sólidos y una alternativa ideal a las tintas base solvente. Los oligómeros, moléculas reactivas de mayor tamaño, tienen múltiples funcionalidades químicas y son críticos para construir correctamente el aglutinante.

Curado LED frente al curado UV tradicional

Las tintas UV y el curado LED deben ser sistemas acoplados. Debe existir una especificación definitiva para factores como la longitud de onda, la irradiancia, la densidad de energía, la distancia de trabajo y el mecanismo de enfriamiento. No todos los sistemas UV LED son iguales. Lamentablemente, abundan los sistemas UV LED y los proveedores que aseguran características similares y capacidad de curar todas las tintas UV. La tinta Apollo FTX está diseñada para curar con LED, una alternativa a los sistemas de arco UV. El UV LED es distinto de los sistemas de curado de vapor de mercurio en que no está enfocado ni utiliza reflectores. La luz dirigida al sustrato es difusa. En los sistemas UV LED, las longitudes de onda emitidas son relativamente monocromáticas, representadas por distribuciones estrechas de curva normal con irradiancia pico nominal en 395 nm y, en general, con un rango de tolerancia de +/- 5 nm. Cabe señalar que el 98 % de la potencia se emite en el rango de 377 nm a 422 nm.

Con la introducción de fuentes de luz UV LED de 4 W o más y 395 nm, las tintas pueden curarse eficazmente a las altas velocidades de proceso típicas de la serigrafía y la impresión digital. Los sistemas de menos de 4 W requerirían un depósito de tinta más delgado, tinta menos pigmentada, una distancia menor entre la lámpara y la tinta impresa y una velocidad de barrido/banda más lenta durante el curado. Las lámparas UV LED requieren enfriamiento en la lámpara y en la electrónica para operar de manera eficiente y eficaz. Un buen sistema de enfriamiento debe lograr una vida útil de la lámpara de 20,000 horas o más de uso continuo. Las lámparas UV LED requieren enfriamiento en la lámpara y en la electrónica para operar de manera eficiente y eficaz. Un buen sistema de enfriamiento debe lograr una vida útil de la lámpara de 20,000 horas o más de uso continuo.

Cabezales de inyección de tinta, resolución de impresión y máquinas de una o varias pasadas

La química de la tinta y los sistemas de curado LED por sí solos no garantizan el éxito, la adhesión ni la calidad de la impresión. Hay varios factores que considerar, entre ellos la resolución de impresión en DPI, la velocidad de impresión y las consideraciones de tinta para varias pasadas frente a una sola pasada. La mayor cantidad de instalaciones para imprimir productos plásticos son pequeñas impresoras de inyección de tinta de curado UV de plataforma plana con al menos los cuatro colores primarios (RGBK), comúnmente también blanco (W) y transparente (Cl o sobrebarniz) y, en ocasiones, con un conjunto de gama de colores ampliada (CMYRGBK). Estas impresoras de tipo pórtico generalmente son económicas, por lo que el costo unitario de cada artículo está haciendo rentables muchos mercados nuevos.

Sin embargo, la demanda de mayor productividad crece con rapidez. La carga y descarga robotizadas reducen el tiempo de cambio de la carga y descarga de las plataformas. No obstante, como en las artes gráficas, el rendimiento no puede igualar al de los sistemas en los que el producto a imprimir pasa de manera continua bajo cabezales fijos. Escalar de plataforma plana a línea continua parecería, en principio, sencillo. Sin embargo, desde la perspectiva del depósito de tinta y del curado hay una diferencia sustancial. Las impresoras de plataforma plana de «pórtico» tienen cabezales reciprocantes con lámparas en los extremos delantero y trasero. Por economía, dado que los cabezales compatibles con tintas de curado UV son costosos, en las impresoras básicas solo se dispone de una fila de boquillas por cada color de tinta.

Considere un sistema de 300 dpi: el volumen de tinta necesario para cubrir el píxel unitario de 300 x 300 dpi es grande, desperdicia tinta y por sí mismo es visible. Las pasadas múltiples en pasos de ¼ del ancho del cabezal aumentaron la resolución nativa a 1200 dpi. Al hacerse en ambas direcciones, el píxel individual de 300 dpi se convierte en una matriz de 4 x 4 cuadros más pequeños. En cada pasada, la impresora depositará, para cada color, tinta en cuatro de esas posiciones. Esto da una mejor apariencia visual y menor uso de tinta. Además, la capa de tinta que se debe curar en cada pasada es relativamente delgada. En cada pasada, los demás colores se aplicarán no sobre tinta húmeda, sino donde no hay tinta o donde la tinta ya está curada. Solo se requiere una pequeña cantidad de tinta húmeda sobre húmeda. El curado es directo y cada capa se expone varias veces. En los cabezales continuos, toda la tinta de cualquier color se aplica desde una sola barra de impresión: un conjunto de cabezales de extremo a extremo que cubre todo el ancho de impresión. Si se arma con boquillas de 300 dpi, dos filas dan 600 dpi y cuatro filas equivalen a 1,200 dpi. Para una densidad de color completa, los píxeles más grandes necesitan proporcionalmente más tinta. Los cabezales con capacidad de escala de grises (volumen de gota variable) son la norma, por lo que en baja densidad cada píxel contiene puntos pequeños y no el ocasional punto grande. Con todos los cabezales en secuencia, las tintas se aplican húmedo sobre húmedo, por lo que el espesor a curar es tanto como el del color más intenso, quizá hasta 250 %. La incompatibilidad de las superficies de las capas puede provocar separaciones microscópicas, como aceite sobre agua, que en el mejor de los casos son artefactos visuales menores, pero también pueden causar fallas entre capas. La química superficial de la tinta debe procesarse según la secuencia. El curado completo de la tinta adyacente al sustrato normalmente se logra con lámparas de mayor intensidad y con paquetes de fotoiniciadores más eficaces.

Por esta razón, el escalamiento de plataforma plana a impresión continua debe ser, en cierta medida, un reinicio de la búsqueda o modificación de una formulación. En la impresión continua con cabezales fijos, es habitual tener los cabezales de colores de proceso muy cercanos entre sí, con el curado de todos al final. En las prensas de banda de artes gráficas, los cabezales pueden estar más separados, y entre ellos puede haber una unidad de curado de baja potencia para espesar o fijar la tinta. El control de banda, para mantener el registro al equivalente de 1,200 dpi, es común. Con piezas que no están firmemente sujetas en transportadores o cadenas, incluso vibraciones menores cambiarán la posición del punto de un color a otro. Un empaquetado cercano minimiza este efecto. La tinta blanca se maneja de forma distinta a los colores de proceso por tres razones. Primero, con frecuencia es la capa base que se aplica para ocultar un sustrato coloreado o para opacar un material translúcido. En la impresión por el reverso sobre sustratos transparentes, será, por supuesto, la última y en una pasada aparte. Segundo, las tintas y recubrimientos blancos dependen de la dispersión de la luz y no de la absorción.

Son menos eficientes que cualquiera de los colores y deben aplicarse en mayor espesor. Tercero, los colores mezclados con blanco resultan pálidos. Se evita la separación si el blanco se cura al menos parcialmente antes de depositar otra tinta húmeda. Por último, los pigmentos blancos son densos y propensos a sedimentarse. Es necesario hacer circular continuamente la tinta por el cabezal. Si la impresora va a apagarse, la tinta blanca debe purgarse del cabezal.

Uno de los atributos clave de la calidad de impresión es la resolución de impresión. Esta se examina desde dos puntos de vista. Primero, para texto fino, líneas y límites nítidos entre colores sólidos, las desviaciones respecto a líneas rectas y curvas deben ser más finas que el detalle más pequeño visible para el ojo humano. La base de esto es el conteo de píxeles o resolución nativa, que depende de la separación de las boquillas en una dirección y de los pasos del cabezal o del sustrato en la otra. La capacidad de escala de grises, que permite usar puntos pequeños entre los más grandes, dará una mejora aparente en la resolución a partir de un cabezal de menor resolución. Guantes de nitrilo, tinta UV Apollo FTX con certificación toxicológica de seguridad ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) 4 www.plasticsdecorating.com enero/febrero de 2020.

El segundo elemento de la resolución es evitar rasgos duros en áreas de transición suave o de colores claros. Por ejemplo, una pequeña población de puntos cian o negros de una barra de impresión de 300 dpi se verá fácilmente en un área pastel.

Nuevamente, los cabezales de escala de grises permiten que varios puntos pequeños y dispersos sustituyan a un solo punto grande y visible. Relacionado con la resolución está el registro de los diferentes colores entre sí y con el objeto que se imprime. En una plataforma plana, el artículo puede quedar firmemente sujeto. Estas máquinas están diseñadas para asegurar que las vibraciones, etc., sean menores que la variación permitida en la posición de la gota. En las máquinas de cabezales fijos, donde las piezas colocadas en el transportador no están sujetas con firmeza y están sujetas a la vibración del transportador, puede justificarse una mayor tolerancia de registro en la especificación inicial o incluir el costo adicional de un manejo de materiales avanzado. Hasta este punto, el software ha sido un tema de segundo plano.

Evidentemente, la velocidad de proceso se ha incrementado continuamente para adelantarse a las exigencias de la industria de imprimir grandes cantidades en menos tiempo. Pero el software ahora es eficaz de otras maneras. Hay menos tolerancia a los artefactos que se observan en superficies curvas que forman, por ejemplo, bordes de ataque o de salida. Las diferencias resultantes en la densidad de la imagen pueden atenuarse con la función de escala de grises. En otros casos, la estructura del pulso eléctrico que produce la expulsión del punto puede ajustarse solo en una parte de la imagen para, de nuevo, atender artefactos locales que pueden surgir de la topografía de la superficie. Esto constituye un avance respecto a la capacidad de los mejores sistemas de gestión de color, que no solo ajustan el pulso para un color, o para boquillas individuales durante la calibración, sino que lo utilizan en modo dinámico. Otro avance tecnológico, incorporado en una impresora de banda de doble cara, de una sola pasada, ancha y de alto volumen, es el registro dinámico de la impresión para coincidir con rasgos variables del sustrato deformable, con base en cámaras ubicadas a pocos centímetros antes de la impresora. Por supuesto, alinear toda la impresión sobre un objeto colocado al azar en un transportador es, en comparación, sencillo. Por otra parte, el software y los sistemas de visión desempeñan un papel central en las impresoras robóticas para piezas 3D, como los componentes automotrices. En estas, la distancia entre el cabezal y el sustrato varía, por lo que las boquillas utilizadas para imprimir deben seleccionarse y la expulsión de gotas ajustarse según la distancia de proyección. Dar seguimiento a las áreas impresas y evitar artefactos de pasadas adyacentes con ángulos diferentes es otro reto que se está atendiendo. Contribuyen a esta expansión los nuevos monómeros para la red polimérica, fotoiniciadores con enlaces etilénicos que pueden incorporarse al polímero final, pigmentos más finos de color más puro y dispersantes más eficaces.

Las industrias de impresión y recubrimiento que usan curado UV se han beneficiado del considerable esfuerzo dedicado a la manufactura aditiva y al modelado 3D, para los cuales han surgido formulaciones capaces de emular polímeros de extrusión tradicionales. Estos La demanda de personalización impulsa las ventas, ya se trate de productos de desempeño para salud y acondicionamiento físico, relojes inteligentes o cientos de productos alternativos de pulseras interactivas. nuevos polímeros ofrecen combinaciones de propiedades físicas y químicas que no se lograban con las formulaciones originales de artes gráficas. Por ejemplo, puede lograrse flexibilidad en un rango mucho mayor de resistencia a la tracción con el mismo espesor. En el mercado de wearables, gran parte de los artículos son de materiales de alta elasticidad, como guantes desechables, bandas elásticas de resistencia para ejercicio y gorros de natación. Estos productos se elongan hasta de 50 a 200 %. Históricamente, para imprimir estos productos se ha usado la tampografía y la serigrafía, pero, al ser procesos analógicos de arranque y paro, su productividad era relativamente baja en comparación con la inyección de tinta continua de una sola pasada. Los colores múltiples en artículos de gran consumo resultan casi prohibitivos por su costo. El despliegue exitoso de la inyección de tinta de curado UV ha sido posible gracias a formulaciones de alta elasticidad originadas en el mercado del vinilo automotriz. Sin embargo, los wearables exigen más, ya que deben tener flexibilidad y elasticidad en amplios rangos de temperatura.

Un segundo factor que requirió solución en los productos de alta elasticidad es la adhesión. El nitrilo y otros hules TPE se usan comúnmente en productos elásticos. Aparecen debilidades en la unión entre tintas, especialmente del color al blanco, y dentro de la propia tinta. El blanco, al ser grueso y muy pigmentado, es especialmente propenso a fallas cohesivas. Las uniones entre tintas dependen de los productos químicos que se acumulan en la interfaz. Es necesario poder crear cierta formación directa de enlaces entre las capas. Además, al ensamblar o imprimir capas, debe haber una gradación regular en las propiedades. Por ejemplo, en la impresión analógica húmedo sobre húmedo, la viscosidad de la tinta disminuirá en secuencia, de modo que la división ocurre siempre con la tinta superior. La inyección de tinta, al ser sin contacto, no tiene este requisito para la tinta húmeda, pero necesita una secuencia similar de resistencia de unión interna y entre capas una vez curada. Los expertos de la industria saben manejar la secuencia de formulación, comenzando por el blanco. Durante el desarrollo y el escalamiento, los expertos reconocen los artefactos y sus causas raíz. Por ejemplo, ante una pérdida de adhesión, ¿cuál es el mecanismo de falla? ¿Dónde ocurrió la falla? La respuesta puede diferir del lugar donde es más visible.

Las respuestas aquí analizadas no provienen tanto de la tinta proyectada, porque, para lograr una expulsión y formación de gotas exitosas, los cabezales y los suministros de tinta tienen una regulación de temperatura precisa. Con respecto a la temperatura del sustrato o del artículo, la tinta es tan delgada que la temperatura cambia entre el depósito y la lámpara. Este efecto es una diferencia importante entre la impresión para artes gráficas, donde se originó la tecnología, y la impresión sobre artículos plásticos de los que se espera una durabilidad prolongada.

Conclusión

La tinta flexible de curado UV LED para la impresión a color de productos plásticos flexibles/elásticos y vestibles es uno de los avances más recientes de la tecnología industrial de inyección de tinta. Dadas las complicaciones e interrelaciones entre los factores, la optimización de la productividad y del desempeño en el uso final no debe considerarse una serie de estudios lineales. Más bien, debe verse como un sistema de proceso completo de formulación, depósito de tinta, curado, velocidad y temperatura, donde cualquier cambio en un factor probablemente interferirá con otros resultados y exigirá cambios adicionales en el proceso de los materiales. Así desarrollaron los principales OEM sus soluciones de inyección de tinta para las artes gráficas, donde había pocos sustratos. Con los wearables, existe una gran cantidad de sustratos, formas y requisitos de soluciones de ingeniería complejas para lograr operaciones productivas y rentables.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de consultoría en ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: impresión por inyección de tinta, marcado láser, pretratamiento de superficies, pegado, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen desarrolla tecnologías pioneras y resuelve problemas de manufactura desde hace 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 impresión y empaque, con enfoque en adaptar la impresión digital a nuevos mercados y aplicaciones. Nanoquímico de formación, cerca de la mitad de sus 25 patentes en EE. UU. se relaciona con la impresión digital. Es miembro de SGIA, TAPPI y RadTech. Puede contactarse en [email protected].

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