Impresión por inyección de tinta UV LED de una sola pasada sobre plásticos 3D: química de la tinta y superficies poliméricas

Impresión por inyección de tinta UV LED de una sola pasada sobre plásticos 3D: química de la tinta y superficies poliméricas

La impresión industrial por inyección de tinta está teniendo un impacto significativo en la decoración que tradicionalmente se realizaba con procesos analógicos convencionales como la tampografía, la serigrafía y la impresión flexográfica/rotograbado. La tecnología de inyección de tinta ha avanzado de tintas de solvente monocolor continuas a colores de gama completa por goteo bajo demanda, de binario a escala de grises, de lámparas de vapor de mercurio a curado UV LED, y de impresoras de cama plana con escaneo a impresión rotativa de 360°. La nueva frontera es la impresión a color UV LED de una sola pasada sobre productos plásticos 3D con una nueva tinta con certificación de toxicidad y biocompatibilidad. La impresión de una sola pasada es más rápida que la de escaneo y más rentable, pero la tecnología es más compleja y requiere ingeniería precisa. Estos factores se suman a los retos inherentes de la adhesión de la tinta en polímeros de baja energía superficial. Se examinan los ángulos de contacto dinámicos para determinar la viscosidad de la tinta y la humectación de la superficie.

Puntos clave

• La impresión de una sola pasada es más rápida y más rentable que la de escaneo, pero considerablemente más compleja de diseñar.
• El escaneo oculta los errores. Las pasadas múltiples enmascaran puntos faltantes o mal colocados; la impresión de una sola pasada no perdona.
• La selección de la tinta es la decisión más crítica. Determina el tipo de cabezal de impresión, los parámetros de curado y si se necesita pretratamiento.
• El sangrado de color es el riesgo de la impresión de una sola pasada, porque se deposita un gran volumen de tinta en una sola pasada.
• Las tintas de baja viscosidad y baja tensión superficial tienen dificultades en poliolefinas, nylons y TPE/hule, que son no polares y no se humectan de forma natural.

Impresión por escaneo frente a una sola pasada

Las impresoras de inyección de tinta imprimen aplicando la tinta en una sola pasada o en varias. O bien los cabezales de impresión se mueven sobre el objeto, o bien el objeto se mueve debajo de un cabezal fijo o de un arreglo de cabezales. El escaneo, o impresión multipasada, significa que la impresora realiza muchas pasadas sobre el sustrato para cubrirlo por completo y aportar el detalle requerido.

Una ventaja del escaneo es que hace menos visibles los errores de impresión, como puntos faltantes o mal colocados. La desventaja del escaneo es que es lento, ya que se necesitan múltiples pasadas sobre la misma zona para dar una cobertura completa de tinta. En la impresión de una sola pasada, los cabezales imprimen directamente sobre un sustrato (o banda) en movimiento en un sistema de transporte móvil. La ventaja significativa de la impresión de una sola pasada es la mayor velocidad y productividad.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre inyección de tinta por escaneo y de una sola pasada?

En el escaneo, o multipasada, la impresora realiza muchas pasadas sobre el sustrato para lograr cobertura y detalle completos. En la impresión de una sola pasada, los cabezales imprimen directamente sobre un objeto en movimiento en una sola pasada. El escaneo es más lento pero más tolerante; la impresión de una sola pasada es más rápida y productiva, pero mucho menos tolerante a los errores.

¿Por qué es más difícil lograr buenos resultados con impresión de una sola pasada?

Porque no hay una segunda pasada que cubra los errores. Cualquier punto faltante o mal colocado es visible, y controlar el sangrado de color se vuelve crítico, ya que todo el volumen de tinta se deposita de una vez en lugar de acumularse gradualmente.

¿Cuál es la decisión más importante en un proyecto de inyección de tinta?

La tinta. Su selección determina los componentes del sistema: el tipo de cabezal de impresión, los parámetros de curado y si se requiere pretratamiento de superficie. La química del fluido, la viscosidad y el cizallamiento, y la física del chorro de cada gota deben comportarse con precisión en condiciones extremas, y esas exigencias se magnifican en la impresión de una sola pasada.

¿Por qué a las tintas de inyección les cuesta adherirse a ciertos plásticos?

Las tintas de inyección tienen baja viscosidad y baja tensión superficial, mientras que las poliolefinas, los nylons y los sustratos de TPE o hule son no polares, químicamente inertes, hidrofóbicos y no se humectan de forma natural. Sin elevar la energía superficial, la tinta no puede lograr el contacto íntimo que requiere la adhesión.

¿Dónde ha demostrado ya su valor la inyección de tinta de una sola pasada?

Principalmente en aplicaciones 2D: boletos de lotería en banda, tarjetas inteligentes, azulejos cerámicos, cartones y cajas de cartón. La frontera más reciente es la impresión a color de una sola pasada sobre productos plásticos 3D con tintas con certificación de toxicidad y biocompatibilidad.

Tintas de curado UV

En todas las aplicaciones, la selección de la tinta es la decisión más crítica y determina los componentes del sistema, incluidos el tipo de cabezal de impresión, los parámetros de curado y la posible necesidad de pretratamiento de superficies. La química del fluido (viscosidad y cizallamiento) y la física del chorro de cada gota de tinta deben comportarse con precisión para operar en condiciones extremas. Estos factores se magnifican en la impresión de una sola pasada frente al escaneo.

La inyección de tinta de una sola pasada existe desde hace tiempo, con énfasis en la impresión 2D de boletos de lotería en banda, tarjetas inteligentes, azulejos cerámicos, cartones y cajas de cartón, entre otros. Se han superado los primeros retos tecnológicos y, junto con los avances recientes en química de tintas y ciencia de polímeros, hoy es posible la impresión por inyección de tinta UV LED a todo color de una sola pasada en polímeros de baja energía superficial. Existen sistemas de producción en masa totalmente automatizados con pretratamiento y visión en línea opcionales. Este artículo examina las tintas de curado UV, las superficies poliméricas y la humectación.

Las tintas UV se curan hasta convertirse en un sólido cuando los fotoiniciadores de la tinta interactúan con una fuente de luz ultravioleta de alta intensidad. Las tintas UV se consideran más amigables con el medio ambiente porque prácticamente no contienen solventes. Sin embargo, estas tintas presentan preocupaciones de toxicidad. La tinta UV sin curar contiene monómero sin reaccionar, que es nocivo para el cuerpo humano. Incluso las impresiones terminadas y curadas pueden tener monómero residual sin reaccionar. Se recomienda ampliamente el uso de radiómetros.

Los componentes individuales de las tintas pigmentadas de curado UV suelen incluir monómeros (líquidos de baja viscosidad), oligómeros (propiedades de adhesión y curado), pigmentos (color), fotoiniciadores (curado UV) y aditivos (humectación y dispersantes).

Cada componente desempeña un papel importante en la optimización de las propiedades de desempeño de la fórmula final de la tinta. Formular una tinta blanca UV en comparación con los colores de proceso para la impresión por inyección de tinta de una sola pasada es un reto por sus partículas de pigmento de TiO2, grandes y pesadas, que sedimentan con facilidad.

La viscosidad (o, estrictamente, la viscosidad de cizallamiento) es un parámetro crítico que regula el flujo a través de la boquilla del cabezal de impresión y el pulso de disparo. En los cabezales piezoeléctricos de goteo bajo demanda, el pulso de disparo es un voltaje que crea el movimiento de un elemento piezoeléctrico para inducir un diferencial de presión (Figura 1).

Una vez disparada una gota, una oscilación alterna de presión se reduce con el tiempo (efecto de amortiguamiento). Debido a los altos caudales y a los diámetros pequeños de las boquillas, los fluidos operan en un régimen de altas tasas de cizallamiento. Además, la viscosidad influye en el llenado de la tinta en la cámara del cabezal de impresión. La viscosidad generalmente disminuye al aumentar la tasa de cizallamiento, y a esto se le llama fluido “adelgazante por cizallamiento” (el fenómeno inverso, en el que la viscosidad aumenta con la tasa de cizallamiento, se denomina fluido “tixotrópico”).

Cuando las tintas se vuelven más espesas o más delgadas, el cambio en el cizallamiento puede afectar de forma adversa el desempeño del chorro. En la boquilla, la tinta se cizalla y se alarga a la vez, y es importante comprender la viscosidad elongacional porque afecta la formación y la ruptura del filamento de tinta y la posterior formación de la gota.

Por ejemplo, la serie de tintas Apollo FTX está formulada y calificada para ser segura para adultos y niños (contacto con la piel humana) conforme a ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) y probada en biocompatibilidad†. La química se ajusta con precisión a propiedades específicas de curado UV LED y a la estética, sin subcurado (pegajoso) ni sobrecurado (quebradizo).

Esta tinta tiene un flujo consistente alto (comportamiento reológico estable) y un ángulo de contacto de salida de la tinta al abandonar la boquilla (ruptura uniforme del chorro). Esta tinta posee una humectación, adhesión y adhesión intermolecular excepcionales entre la tinta blanca (capa base) y los colores CMYK++. No es necesario el pretratamiento de superficie en muchos sustratos de baja energía superficial, incluidos el hule nitrilo y el látex.

Las propiedades finales de curado demuestran una resistencia inigualable al rayado/marcado y a los químicos, incluidas las pruebas en lavavajillas. La tinta es compatible con modelos específicos de cabezales de impresión Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba y Konica Minolta.

Superficies poliméricas y humectación

Una viscosidad de tinta precisa es crítica en la impresión de una sola pasada para controlar el sangrado de color (por el gran volumen de tinta depositado en una sola pasada) en comparación con las impresoras de escaneo. Las tintas de inyección tienen baja viscosidad y baja tensión superficial, lo que genera problemas de adhesión en muchos polímeros, como poliolefinas, nylons, TPE/hule, etc. Estos tipos de sustratos son plásticos no polares y químicamente inertes, hidrofóbicos y no humectables de forma natural.

Considere una sola gota de fluido líquido sobre una superficie sólida plana en reposo (equilibrio). El ángulo formado por la superficie sólida y la línea tangente a la superficie superior de la gota en el punto extremo se denomina ángulo de contacto. Es el ángulo entre la línea tangente en el punto de contacto y la línea horizontal de la superficie sólida.

Sin embargo, los fluidos de tinta y los ángulos de contacto son dinámicos, no estáticos. Cuando una gota está adherida a una superficie sólida y esta se inclina, la gota se lanza hacia adelante y se desliza hacia abajo. Los ángulos formados se denominan, respectivamente, ángulo de avance (θa) y ángulo de retroceso (θr) (Figura 2).

La forma de la gota se debe a las fuerzas moleculares por las cuales todos los líquidos, mediante la contracción de la superficie, tienden a dar al volumen contenido la forma de menor área superficial. Las fuerzas intermoleculares que contraen la superficie se denominan “tensión superficial”. La tensión superficial de la tinta de inyección controla el chorro correcto desde el cabezal de impresión.

La tensión superficial, una medida de la energía superficial, se expresa en dynes/cm. Cuanto mayor sea la energía superficial del sustrato sólido en relación con la tensión superficial de un líquido (tinta), mejor será su humectabilidad y menor será el ángulo de contacto. Como regla, se logra una adhesión aceptable cuando la energía superficial de un sustrato es aproximadamente de 8 a 10 dynes/cm mayor que la tensión superficial del líquido.

Los ángulos de contacto generalmente se ven afectados por cambios en la química de la superficie y en la topografía de la superficie. El ángulo de contacto de avance es más sensible a los componentes de baja energía (sin modificar) de la superficie del sustrato, mientras que el ángulo de retroceso es más sensible a los grupos oxidados de alta energía introducidos por los pretratamientos de superficie.

El ángulo de retroceso es la medición más característica del componente modificado de la superficie tras los pretratamientos. Es importante medir los ángulos de contacto dinámicos para comprender las interacciones superficiales, el chorro óptimo y el tiempo necesario entre la colocación de la gota y el inicio del curado. Sin esta información se presentarán problemas graves de calidad en la impresión por inyección de tinta, por ejemplo, satélites, sobreaspersión, neblina, etc. Se recomienda utilizar un instrumento de medición de ángulo de contacto con deposición balística en lugar de soluciones dyne.

Conclusión

La impresión a color UV LED de una sola pasada de productos rígidos y flexibles/elásticos es uno de los avances más recientes que están transformando la tecnología industrial de inyección de tinta. Para lograr una producción exitosa, deben comprenderse desde el inicio de cualquier proyecto muchos factores de proceso y sus interrelaciones.

Referencias

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

†La serie de tintas Apollo FTX está disponible para su compra. Contacte a The Sabreen Group al 972.820.6777 o en [email protected].

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de consultoría en ingeniería especializada en procesos secundarios de manufactura de plásticos: pretratamiento de superficies, unión por adhesión, impresión por inyección de tinta, marcado láser, 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.

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