Impression jet d’encre industrielle sur les objets connectés portables

Impression jet d'encre industrielle sur les objets connectés portables

Les termes « objets connectés portables », « dispositifs portables » et « technologie portable » désignent tous des technologies électroniques ou des ordinateurs pouvant être portés par un consommateur et incluant souvent le suivi d'informations liées à la santé et à la forme physique. Sont concernés les bracelets, coiffes, lunettes, brassards, jambières, chaussures, patchs cutanés, exosquelettes et textiles électroniques, et le marché de ces dispositifs est considérable. Le jet d'encre industriel est la seule technologie numérique qui permet l'impression personnalisée fonctionnelle et non fonctionnelle directement sur le produit.

Points clés

• Le jet d'encre est la seule technologie numérique qui permet l'impression personnalisée fonctionnelle et non fonctionnelle directement sur les objets portables.
• C'est la personnalisation qui fonde l'argument commercial, et non l'impression elle-même : les marques l'utilisent pour renforcer la fidélité et recueillir des retours sur les designs.
• La certification de contact cutané est désormais attendue. Après le rappel d'un million d'objets portables en 2014, les fournisseurs certifient leurs matériaux selon les normes de contact cutané.
• Surveillez les irritants tels que la PPD (p-phénylènediamine) dans les formulations de matériaux destinés à un contact cutané prolongé.
• Le jet d'encre est plus délicat que l'impression analogique : têtes d'impression, fluides, contrôleurs, prétraitement et polymérisation doivent être intégrés en un seul système.

Demande de personnalisation

La demande de personnalisation stimule les ventes, qu'il s'agisse de produits de performance santé et forme, de montres connectées ou des centaines d'autres bracelets interactifs. IDTechEx indiquait dans un article récent que le marché de l'électronique portable passe de 20 milliards de dollars en 2015 à près de 70 milliards en 2025.1 Le secteur dominant restera celui de la santé, qui réunit médical, forme et bien-être. Il compte le plus grand nombre de grands noms, comme Apple, Accenture, Adidas, Fujitsu, Nike, Philips, Reebok, Samsung, SAP et Roche, derrière les développements nouveaux les plus prometteurs. Selon Bain & Company, la personnalisation des produits aide les marques à accroître leurs ventes, et l'opportunité est considérable.2 On estime qu'au moins 25 à 30 pour cent des acheteurs s'intéressent aux options de personnalisation. Pour certains marchés, cela représenterait 2 milliards de dollars par an et par secteur. Deux grandes tendances se dégagent : d'une part, les consommateurs d'aujourd'hui sont plus expressifs ; d'autre part, la personnalisation est la nouvelle fidélité.

Foire aux questions

Qu'est-ce qu'un objet « portable » pour l'impression ?

Des technologies électroniques ou des ordinateurs portés par un consommateur, suivant souvent des données de santé et de forme physique. En pratique, cela couvre les bracelets, coiffes, lunettes, brassards, jambières, chaussures, patchs cutanés, exosquelettes et textiles électroniques, des produits qui peuvent être rigides ou souples.

Pourquoi utiliser le jet d'encre plutôt que la tampographie ou la sérigraphie ?

Parce que la personnalisation est le moteur commercial. Le jet d'encre est la seule technologie numérique permettant l'impression personnalisée directement sur le produit, de sorte que chaque unité peut porter un contenu différent. Les procédés analogiques avec arrêts et redémarrages ont une productivité comparativement faible, et l'impression de plusieurs couleurs sur des articles courants devient presque prohibitive en coût.

Quelles normes de sécurité s'appliquent aux encres sur les objets portables ?

Les matériaux destinés à un contact cutané prolongé sont certifiés selon les normes de contact cutané, une évolution accélérée après le rappel d'un million d'appareils portables par un fabricant en 2014. Les formulations doivent éviter les irritants cutanés comme la PPD, ou p-phénylènediamine.

Pourquoi le jet d'encre est-il plus difficile que l'impression analogique ?

La précision. Le jet d'encre exige que les buses projettent des gouttes de taille précise avec une exactitude parfaite, et un système de haute qualité doit intégrer simultanément têtes d'impression, fluides, contrôleurs électroniques, prétraitement et polymérisation. Tous ces éléments doivent fonctionner ensemble pour produire le résultat attendu.

En quoi les encres jet d'encre polymérisables aux UV diffèrent-elles des autres types d'encres ?

Le polymère se forme pendant la polymérisation, par réaction en chaîne de monomères et d'oligomères. Les monomères sont des liquides de faible viscosité qui servent aussi de véhicule de l'encre, ce qui supprime le besoin d'eau ou de solvant et rend les encres UV à 100 % d'extrait sec.

Impression jet d'encre sur les objets portables

Cet article porte sur la « personnalisation » par impression jet d'encre sur des objets portables moulés, des dispositifs électroniques interactifs et des montres aux chaussures de sport et vêtements, jusqu'aux produits imprimés en 3D. L'un des premiers objets portables et des plus reconnaissables est le bracelet de Disney, aussi appelé « MagicBand ». Chaque bracelet contient une puce RFID et une radio comme celles d'un téléphone sans fil 2,4 GHz. Le bracelet relie les visiteurs à un vaste et puissant système de capteurs et d'applications mobiles au sein du parc, et sert de moyen de paiement, de billet d'entrée, de clé de chambre, etc. La majorité des bracelets sont unis (couleur de moulage). La face inférieure de chaque bracelet est marquée au laser et porte des informations d'identification (voir ci-dessus. Source de la photo : Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1). Des bracelets décorés préconçus sont vendus en points de vente. Toutefois, pour une expérience unique en son genre, des passionnés fabriquent leurs bracelets à la main avec des appliqués, décalcomanies, tatouages temporaires, bracelets de recouvrement et peintures en plusieurs étapes fastidieuses, disponibles dans les magasins d'arts graphiques.

L'impression jet d'encre stimule les procédés de fabrication avancés grâce à sa capacité unique de dépôt de fluides fonctionnels dans un large éventail d'applications, selon des motifs uniques ou complexes, ou sur de nouveaux substrats. Par exemple, les encres conductrices, toutes technologies confondues, ouvrent la voie dans de nombreux domaines, notamment pour les substrats souples. Des encres d'argent, de polymères conducteurs organiques, de graphène et de nanotubes de carbone sont utilisées pour les circuits et connecteurs dans toute l'électronique souple. Avec l'impression jet d'encre, elles deviennent utiles comme connecteurs entre des boutons imprimés (boutons tactiles à couche mince) sur des vêtements (exemple : vestes de ski) et des appareils mobiles, des étiquettes RFID passives ou actives ou un éclairage LED. La technologie des diodes électroluminescentes organiques (OLED) est non seulement souple, mais, avec le jet d'encre, peut aussi être adaptée à l'identification, à la sécurité ou à la décoration sur les vêtements d'extérieur. De plus, avec le jet d'encre, plusieurs couches de matériaux différents sont imprimées pour réaliser des structures de six couches distinctes ou plus.

De véritables conducteurs élastiques sont rares, toutes technologies confondues. L'université Purdue a annoncé une nouvelle classe de conducteurs en métal liquide imprimables par jet d'encre, dont l'adéquation aux matériaux extensibles et caoutchouteux a été démontrée.3 Ils pourraient rendre possible une nouvelle classe de robots souples et de vêtements extensibles que l'on pourrait porter pour interagir avec des ordinateurs ou à des fins thérapeutiques.

Les adhésifs sont une pierre angulaire des objets portables et sont souvent nécessaires pour des géométries complexes (par exemple, les chaussures de sport). Des têtes d'impression à grosses gouttes, commandées par robot, appliquent des adhésifs sur une gamme croissante de structures irrégulières, assurant une couverture complète sans excès, tout en s'adaptant aux petites séries et aux changements fréquents. Les adhésifs latex jet d'encre peuvent égaler les formulations traditionnelles. Des adhésifs jet d'encre à polymérisation ultraviolette (UV) et par faisceau d'électrons (EB) sont de plus en plus disponibles, répondant à la demande de polymérisation immédiate tout en adhérant à des matériaux disparates.

Le jet d'encre à polymérisation UV est très répandu pour les vêtements d'extérieur, les badges, les équipements réfléchissants, le matériel sportif et les chaussures de sport. La plupart des impressions sont réalisées sur des articles disposés avec précision au moyen de gabarits sur des plateaux ou des formes défilant sous des têtes d'impression à va-et-vient. Pour une productivité élevée, des imprimantes à passage unique, dotées de têtes d'impression fixes pleine largeur, appliquent les images sur des articles transportés sur un tapis à des vitesses allant jusqu'à 60 pieds par minute, voire plus. Le tapis comporte souvent des plateaux pour que les articles soient toujours en position fixe, ou l'imprimante peut s'appuyer sur des caméras pour repérer la position et l'orientation de l'article et projeter l'image en conséquence. Pour la polymérisation UV, une lampe est placée après les têtes d'impression. Les lampes LED sont de plus en plus populaires pour leur longue durée de vie, leur puissance constante, leur faible génération d'ozone et leur moindre consommation d'énergie. Pour les articles portables, le plus grand avantage est qu'elles sont froides : le substrat reçoit très peu de chaleur. Les plastiques, tissus et films sensibles à la chaleur peuvent être imprimés sans crainte de rétrécissement ou de déformation. Une mise en garde pour les utilisateurs d'encres à polymérisation par énergie : les encres liquides étant dangereuses, elles doivent toujours être correctement polymérisées, par sécurité et par durabilité.

Encres jet d'encre polymérisables aux UV

L'impression jet d'encre est bien plus complexe et délicate que l'impression analogique. Le jet d'encre exige que les buses projettent des gouttes de taille précise avec une exactitude parfaite. Les systèmes d'impression jet d'encre de haute qualité doivent intégrer simultanément têtes d'impression, fluides, contrôleurs électroniques, prétraitement et polymérisation. Tous ces éléments doivent fonctionner ensemble pour produire les résultats attendus.

Les encres jet d'encre polymérisables aux UV sèchent instantanément. L'impression avec encre UV diffère des autres types parce que le polymère se forme pendant la polymérisation par réaction en chaîne de monomères et d'oligomères. Les monomères sont des liquides de faible viscosité ; ils servent donc aussi de véhicule liquide de l'encre et éliminent le besoin d'eau ou de solvant, ce qui explique pourquoi les encres à polymérisation UV sont à 100 pour cent d'extrait sec et constituent d'excellentes alternatives aux encres à solvant. Les oligomères (molécules réactives plus grosses) possèdent de multiples fonctionnalités chimiques et sont essentiels à la bonne construction du liant.

La polymérisation est déclenchée par une brève exposition à la lumière UV, un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde plus courte et d'énergie plus élevée que la lumière visible. Le proche UV (longueur d'onde de 390 à 200 nanomètres) est utilisé pour la plupart des polymérisations UV. Il se subdivise en UV-A (390-320 nanomètres) ou ondes longues, UV-B (320-280 nanomètres) ou ondes moyennes et UV-C (280-200 nanomètres) ou ondes courtes. Outre le proche UV, les autres catégories d'UV comprennent l'UV lointain (200-10 nanomètres) et l'UV profond (31-1 nanomètres). La longueur d'onde de crête la plus courante pour les lampes UV classiques à mercure est de 365 nanomètres, aussi appelée raie I du mercure (spectre lumineux).

Les objets portables imprimés sont tenus en main par les consommateurs et soumis à un examen visuel très rapproché. Le texte alphanumérique peut être en corps six ou plus petit. Pour éviter les défauts visibles et garantir la lisibilité, une impression haute résolution est nécessaire. L'impression jet d'encre haute résolution comporte deux composantes principales : l'espacement des points sur le substrat et la taille (volume) des gouttelettes qui forment les points. La haute résolution s'obtient par un placement rapproché des gouttelettes (jusqu'à 1 800 x 1 800 dpi aujourd'hui), ce qui exige plusieurs passes et de minuscules pas sur l'imprimante typique à tête oscillante.

Les composants réactifs aux UV sont les photo-initiateurs : des composés qui absorbent l'énergie et se scindent pour produire des espèces chimiques très réactives, radicalaires ou cationiques selon le type. Chacune peut se lier à une partie d'un monomère ou d'un oligomère, qui transfère l'activité à une autre partie, laquelle peut à son tour réagir avec un autre monomère, et ainsi de suite jusqu'à construire le polymère. Les encres UV utilisent des colorants pigmentaires. Les progrès de la formulation et de la fabrication d'encres permettent aux fabricants de proposer du blanc (W), particulièrement utile comme base sur des substrats de couleur foncée ou comme fond sur un support transparent. Les couleurs primaires du jet d'encre, cyan, magenta, jaune et noir (CMJN) ensemble, offrent une large gamme de couleurs.

La décoloration au soleil peut être un enjeu majeur de durabilité de l'impression. Comme les encres UV utilisent des pigments et non des colorants, elles sont par nature moins sensibles à la lumière solaire que les encres de bureau. Une très bonne résistance à la décoloration est obtenue lorsque les encres sont fabriquées avec des pigments issus de l'industrie de la peinture automobile. Plus coûteux, ils sont utilisés dans les encres haut de gamme. La lumière solaire peut aussi dégrader le polymère, provoquant farinage et fragilité. Une exposition continue de cinq ans à la lumière extérieure est une attente couramment satisfaite.

Les additifs sont essentiels dans toutes les formulations d'encre. Les encres pour l'impression sur plastiques contiennent couramment des promoteurs d'adhérence. La projection et la formation des gouttes, évidemment au cœur du jet d'encre, exigent des équilibres précis entre modificateurs de viscosité et tensioactifs. S'ils sont incorrects, l'encre peut se vaporiser en brouillard ou mouiller la tête, deux comportements inacceptables. Ces mêmes composés contrôlent aussi le mouillage et l'écoulement de l'encre sur le substrat, c'est-à-dire l'adhérence et l'engraissement du point. Ils sont généralement optimisés pour une chimie de surface particulière, mais il existe des limites. Par exemple, une encre qui mouille un substrat à faible énergie de surface fuira de la tête d'impression. Pour cette raison, de nombreuses surfaces doivent être traitées pour les amener dans la plage de fonctionnalité de l'encre.

Les encres jet d'encre ont une faible viscosité et une faible tension superficielle, ce qui crée des difficultés de liaison par adhérence sur de nombreux substrats polymères, tels que les acétals, les polyoléfines et les polyuréthanes. Ces types de plastiques chimiquement inertes sont hydrophobes et naturellement non mouillables. En règle générale, une adhérence de liaison acceptable est obtenue lorsque l'énergie de surface d'un substrat est supérieure d'environ 8 à 10 dynes/cm à la tension superficielle du liquide.

La vitesse de la presse d'impression peut aussi influer sur la tension superficielle effective de l'encre. Une encre dont la tension superficielle mesurée statiquement est de 25 dynes pourrait se comporter dynamiquement comme une encre de 40 dynes de tension superficielle sur une presse à grande vitesse. Les actions des têtes d'impression jet d'encre et des systèmes d'impression sur les fluides qu'ils distribuent peuvent avoir un effet significatif sur la façon dont les composants du fluide se réalignent pendant la distribution et l'interaction avec la surface imprimée et les autres couches d'encre ou de revêtement.

Le degré ou la qualité du traitement dépend de la propreté de la surface du plastique. La surface doit être propre pour obtenir un prétraitement optimal et une bonne adhérence ultérieure de l'encre. Les contaminations de surface, telles que les agents de démoulage silicone, la saleté, la poussière, la graisse, les huiles et les traces de doigts, inhibent le traitement. La pureté du matériau est également un facteur important.

Conclusion : une méthodologie de solutions globales

Une méthodologie de solutions globales est essentielle pour développer les matériaux polymères et l'impression jet d'encre sur les objets portables. À mesure que les exigences des consommateurs et les fonctionnalités évoluent, les exigences pesant sur les matériaux destinés à un contact cutané prolongé évoluent aussi. Après le rappel d'un million d'appareils portables par FitBit en 2014, les fournisseurs certifient leurs matériaux selon les normes de contact cutané. Le contrôle du procédé d'impression jet d'encre est tout aussi primordial. Les facteurs importants sont les suivants :

• Des formulations de matériaux (y compris le cuir, le caoutchouc, le polyuréthane thermoplastique, les élastomères copolyester et les additifs) qui n'irritent pas la peau, comme la PPD ou p-phénylènediamine.
• Des exigences matérielles incluant la durabilité, la résistance chimique, la résistance aux UV et la résistance aux rayures.
• Des normes internationales de conformité en matière de toxicité, telles que l'ISO 10993-10:2010 (évaluation biologique des dispositifs médicaux, partie 10).
• Une excellente adhérence de l'encre. Réduire au minimum les composés de faible masse moléculaire qui migrent vers la surface.
• La chimie du fluide d'encre et les performances de projection.
• Des systèmes d'impression robustes, pouvant être installés dans des kiosques comme sur les sites de fabrication.

Références

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

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., une société d'ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : marquage laser, prétraitements de surface, collage, décoration et finition, et sécurité des produits. Scott Sabreen développe des technologies pionnières et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez le joindre au 972.820.6777 ou en visitant www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., a fondé SPF-Inc en 2000 pour servir les industries de l'impression et de l'emballage, en se concentrant sur l'adaptation de l'impression numérique à de nouveaux marchés et applications. Nanochimiste de formation, il détient environ 25 brevets américains, dont la moitié environ concerne l'impression numérique. Il est membre de SGIA, TAPPI et RadTech. Vous pouvez le joindre à [email protected].

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