הדפסת הזרקת דיו UV LED במעבר יחיד על פלסטיק תלת-ממדי – כימיית הדיו ומשטחי פולימר

הדפסת הזרקת דיו UV LED במעבר יחיד על פלסטיק תלת-ממדי – כימיית הדיו ומשטחי פולימר

הדפסת הזרקת דיו תעשייתית משפיעה באופן משמעותי על עיטור שנעשה באופן מסורתי בתהליכים אנלוגיים קונבנציונליים כגון הדפסת טמפו, הדפסת מסך והדפסת פלקסו/גרווור. טכנולוגיית הזרקת הדיו התקדמה מדיו ממס רציף בצבע יחיד להזרקה לפי דרישה (drop-on-demand) בטווח צבעים מלא, מבינארי לגווני אפור, ממנורות אדי כספית לריפוי UV LED, ומהדפסת שולחן שטוח סורקת לסיבוב של 360°. החזית החדשה היא הדפסת צבע UV LED במעבר יחיד על מוצרי פלסטיק תלת-ממדיים באמצעות דיו חדש המאושר מבחינת רעילות ותאימות ביולוגית. מעבר יחיד מהיר יותר מסריקה ויעיל יותר מבחינת עלות, אך הטכנולוגיה מורכבת יותר ודורשת הנדסה מדויקת. גורמים אלה משתלבים עם האתגרים הטבועים בהידבקות דיו על פולימרים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה. זוויות מגע דינמיות נבחנות כדי לקבוע את צמיגות הדיו ואת הרטבת המשטח.

עיקרי הדברים

• מעבר יחיד מהיר ויעיל יותר מבחינת עלות מסריקה, אך מורכב הרבה יותר להנדסה.
• סריקה מסתירה שגיאות. מעברים מרובים מסווים נקודות חסרות או שהוצבו במקום שגוי, ומעבר יחיד אינו סולח כך.
• בחירת הדיו היא ההחלטה הקריטית ביותר. היא קובעת את סוג ראש ההדפסה, את פרמטרי הריפוי ואת הצורך בטיפול מקדים.
• דימום צבע הוא הסיכון במעבר יחיד, משום שנפח דיו גדול מונח במעבר אחד.
• דיו בצמיגות נמוכה ובמתח פנים נמוך מתקשה על פוליאולפינים, ניילונים ו-TPE/גומי, שהם לא קוטביים ואינם ניתנים להרטבה באופן טבעי.

סריקה לעומת הדפסה במעבר יחיד

מדפסות הזרקת דיו מדפיסות באמצעות יישום דיו במעבר יחיד או במעברים מרובים. או שראשי ההדפסה נעים מעל האובייקט, או שהאובייקט נע מתחת לראש הדפסה קבוע או למערך ראשי הדפסה. סריקה, או הדפסה רב-מעברית, פירושה שהמדפסת מבצעת מעברים רבים על המצע כדי לכסות אותו במלואו ולספק את הפירוט הנדרש.

יתרון של סריקה הוא שהיא הופכת כל שגיאה בהדפסה, כגון נקודות חסרות או שהוצבו במקום שגוי, לפחות גלויה. החיסרון בסריקה הוא שהיא איטית, משום שנדרשים מעברים מרובים על אותו אזור כדי לספק כיסוי דיו מלא. בהדפסה במעבר יחיד, ראשי ההדפסה מדפיסים ישירות על מצע נע (או על סרט) במערכת הובלה נעה. היתרון המשמעותי של מעבר יחיד הוא מהירות גבוהה יותר ותפוקה מוגברת.

שאלות נפוצות

מה ההבדל בין הזרקת דיו סורקת להזרקת דיו במעבר יחיד?

בסריקה, או הדפסה רב-מעברית, המדפסת מבצעת מעברים רבים על המצע כדי להשיג כיסוי ופירוט מלאים. במעבר יחיד, ראשי ההדפסה מדפיסים ישירות על אובייקט נע במעבר אחד. סריקה איטית יותר אך סלחנית יותר; מעבר יחיד מהיר ויעיל יותר אך סובל הרבה פחות שגיאות.

מדוע קשה יותר לבצע נכון הדפסה במעבר יחיד?

משום שאין מעבר שני שיכסה טעויות. כל נקודה חסרה או שהוצבה במקום שגוי גלויה, ובקרת דימום הצבע הופכת לקריטית משום שכל נפח הדיו מופקד בבת אחת ולא נבנה בהדרגה.

מהי ההחלטה החשובה ביותר בפרויקט הזרקת דיו?

הדיו. בחירתו קובעת את רכיבי המערכת: סוג ראש ההדפסה, פרמטרי הריפוי והאם נדרש טיפול מקדים בפני השטח. כימיית הנוזל, הצמיגות והגזירה, והפיזיקה של הזרקת כל טיפה חייבות להתנהג במדויק בתנאים קיצוניים, ודרישות אלה מוגברות במעבר יחיד.

מדוע דיו להזרקה מתקשה להידבק לפלסטיקים מסוימים?

דיו להזרקה הוא בצמיגות נמוכה ובמתח פנים נמוך, ואילו פוליאולפינים, ניילונים ומצעי TPE או גומי הם לא קוטביים, אינרטיים מבחינה כימית, הידרופוביים ואינם ניתנים להרטבה באופן טבעי. ללא העלאת אנרגיית פני השטח, הדיו אינו יכול להשיג את המגע ההדוק שההידבקות דורשת.

היכן הזרקת דיו במעבר יחיד כבר הוכיחה את עצמה?

בעיקר ביישומים דו-ממדיים: כרטיסי הגרלה בגליל, כרטיסים חכמים, אריחי קרמיקה, קרטוני קרטון וקופסאות. החזית החדשה יותר היא הדפסת צבע במעבר יחיד על מוצרי פלסטיק תלת-ממדיים באמצעות דיו המאושר מבחינת רעילות ותאימות ביולוגית.

דיו מתרפא UV

בכל היישומים, בחירת הדיו היא ההחלטה הקריטית ביותר הקובעת את רכיבי המערכת, כולל סוג ראש ההדפסה, פרמטרי הריפוי והצורך האפשרי בטיפול מקדים בפני השטח. כימיית הנוזל (צמיגות וגזירה) והפיזיקה של הזרקת כל טיפת דיו חייבות להתנהג במדויק כדי לפעול בתנאים קיצוניים. גורמים אלה מוגברים בהדפסה במעבר יחיד לעומת סריקה.

הזרקת דיו במעבר יחיד קיימת כבר זמן מה, בדגש על הדפסה דו-ממדית של כרטיסי הגרלה בגליל, כרטיסים חכמים, אריחי קרמיקה, קרטוני קרטון וקופסאות ועוד. האתגרים הטכנולוגיים המוקדמים נפתרו, יחד עם התקדמויות אחרונות בכימיית הדיו ובמדעי הפולימרים, המאפשרים הדפסת הזרקת דיו UV LED בצבע מלא במעבר יחיד על פולימרים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה. זמינות מערכות ייצור המוני אוטומטיות לחלוטין עם טיפול מקדים משולב בקו וראייה ממוחשבת כאופציה. מאמר זה בוחן דיו מתרפא UV, משטחי פולימר והרטבה.

דיו UV מתרפא והופך למוצק כאשר פוטו-יוזמים בדיו מקיימים אינטראקציה עם מקור עוצמתי של אור אולטרה-סגול. דיו UV נחשב ידידותי יותר לסביבה משום שבפועל הוא אינו מכיל ממסים. עם זאת, לדיו זה יש חששות של רעילות. דיו UV שלא התרפא מכיל מונומר שלא הגיב, המזיק לגוף האדם. גם בהדפסות מוגמרות ומרופאות עשוי להיות מונומר שיורי שלא הגיב. מומלץ מאוד להשתמש במכשירי רדיומטר.

הרכיבים הבודדים של דיו מתרפא UV מפוגמנט כוללים בדרך כלל מונומרים (נוזלים בצמיגות נמוכה), אוליגומרים (תכונות הידבקות וריפוי), פיגמנטים (צבע), פוטו-יוזמים (ריפוי UV) ותוספים (הרטבה ומפזרים).

כל רכיב ממלא תפקיד חשוב באופטימיזציה של תכונות הביצועים של נוסחת הדיו הסופית. ניסוח דיו UV לבן, בהשוואה לצבעי תהליך, להדפסת הזרקת דיו במעבר יחיד הוא מאתגר בשל חלקיקי פיגמנט TiO2 גדולים וכבדים המשקיעים בקלות.

צמיגות (או ליתר דיוק צמיגות גזירה) היא פרמטר קריטי המתווך את הזרימה דרך חרטום ראש ההדפסה ואת פולס הירי. בראשי הדפסה פיאזואלקטריים מסוג drop-on-demand, פולס הירי הוא מתח היוצר תנועה של רכיב פיאזו כדי לגרום להפרש לחצים (איור 1).

לאחר ירי טיפה, תנודה מתחלפת של לחץ פוחתת עם הזמן (אפקט שיכוך). בשל קצבי זרימה גבוהים וקטרי חרטום קטנים, הנוזלים פועלים במשטר של קצבי גזירה גבוהים. בנוסף, לצמיגות יש השפעה על מילוי הדיו בתא הדיו של ראש ההדפסה. הצמיגות יורדת בדרך כלל עם עליית קצב הגזירה, ותופעה זו מכונה נוזל "מדלל גזירה" (התופעה ההפוכה, שבה הצמיגות עולה עם קצב הגזירה, מכונה נוזל "תיקסוטרופי").

כאשר הדיו הופך סמיך או דליל יותר, ביצועי ההזרקה בגזירה משתנה עלולים להיפגע. בחרטום הדיו נגזר ונמתח כאחד, וחשוב להבין את צמיגות המתיחה משום שהיא משפיעה על היווצרות חוט הדיו ועל התפרקותו ועל היווצרות הטיפה לאחר מכן.

לדוגמה, סדרת הדיו Apollo FTX מנוסחת ומוכשרת להיות בטוחה למבוגרים ולילדים (מגע עם עור אדם) לפי ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) ונבדקה לתאימות ביולוגית†. הכימיה מותאמת במדויק לתכונות ריפוי UV LED ספציפיות ולאסתטיקה, ללא תת-ריפוי (דביק) או ריפוי יתר (שביר).

לדיו זה זרימה גבוהה ועקבית (התנהגות ריאולוגית יציבה) וזווית מגע ביציאה של הדיו מהחרטום (פיצול סילון אחיד). לדיו זה הרטבה, הידבקות והידבקות בין-מולקולרית יוצאות דופן בין דיו לבן (שכבת בסיס) לצבעי CMYK++. טיפול מקדים בפני השטח אינו נחוץ בהרבה מצעים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה, ובהם גומי ניטריל ולטקס.

תכונות הריפוי הסופיות מפגינות עמידות ללא תחרות בפני שריטות/שפשוף ובפני כימיקלים, כולל בדיקות מדיח כלים. הדיו תואם לדגמי ראשי הדפסה מסוימים של Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba ו-Konica Minolta.

משטחי פולימר והרטבה

צמיגות דיו מדויקת להדפסה במעבר יחיד קריטית לבקרת דימום צבע (בשל נפח הדיו הגדול המונח במעבר אחד) בהשוואה למדפסות סורקות. דיו להזרקה הוא בצמיגות נמוכה ובמתח פנים נמוך, מה שיוצר בעיות הידבקות בפולימרים רבים, כגון פוליאולפינים, ניילונים, TPE/גומי וכדומה. סוגי מצעים אלה הם פלסטיקים לא קוטביים ואינרטיים מבחינה כימית, הידרופוביים ואינם ניתנים להרטבה באופן טבעי.

נבחן טיפת נוזל בודדת על משטח מוצק שטוח במנוחה (שיווי משקל). הזווית שנוצרת בין המשטח המוצק לבין המשיק למשטח העליון בנקודת הקצה נקראת זווית המגע. זוהי הזווית בין המשיק בנקודת המגע לבין הקו האופקי של המשטח המוצק.

עם זאת, נוזלי הדיו וזוויות המגע הם דינמיים ולא סטטיים. כאשר טיפה מחוברת למשטח מוצק והמשטח המוצק מוטה, הטיפה תזנק קדימה ותחליק מטה. הזוויות שנוצרות נקראות, בהתאמה, זווית ההתקדמות (θa) וזווית ההתכנסות (θr) (איור 2).

צורת הטיפה נובעת מהכוחות המולקולריים שבאמצעותם כל הנוזלים, בהתכווצות המשטח, נוטים ליצור מהנפח הכלוא צורה בעלת שטח פנים מינימלי. הכוחות הבין-מולקולריים המכווצים את המשטח נקראים "מתח פנים". מתח הפנים של דיו להזרקה שולט בהזרקה תקינה מראש ההדפסה.

מתח פנים, מדד לאנרגיית פני שטח, מבוטא ב-dynes/cm. ככל שאנרגיית פני השטח של המצע המוצק גבוהה יותר ביחס למתח הפנים של נוזל (דיו), כך יכולת ההרטבה שלו טובה יותר וזווית המגע קטנה יותר. ככלל, הידבקות מקובלת מושגת כאשר אנרגיית פני השטח של מצע גבוהה בכ-8 עד 10 dynes/cm ממתח הפנים של הנוזל.

זוויות מגע מושפעות בדרך כלל משינויים בכימיית פני השטח ומשינויים בטופוגרפיית פני השטח. זווית המגע המתקדמת רגישה ביותר לרכיבים בעלי האנרגיה הנמוכה (הלא משונים) של משטח המצע, ואילו זווית ההתכנסות רגישה יותר לקבוצות המחומצנות בעלות האנרגיה הגבוהה שמכניסים טיפולים מקדימים בפני השטח.

זווית ההתכנסות היא המדידה האופיינית ביותר לרכיב המשונה של המשטח לאחר טיפולים מקדימים. חשוב למדוד זוויות מגע דינמיות כדי להבין את האינטראקציות בפני השטח, את ההזרקה האופטימלית ואת הזמן הנדרש בין הנחת הטיפה לבין תחילת הריפוי. ללא מידע זה יתרחשו בעיות איכות מרכזיות בהדפסת הזרקת דיו, כגון לוויינים, ריסוס יתר, ערפל וכדומה. מומלץ להשתמש במכשיר למדידת זווית מגע המשתמש בהפקדה בליסטית ולא בתמיסות dyne.

סיכום

הדפסת צבע UV LED במעבר יחיד של מוצרים קשיחים וגמישים/נמתחים היא אחת ההתקדמויות החדשות ביותר המשנות את טכנולוגיית הזרקת הדיו התעשייתית. כדי להשיג ייצור מוצלח, יש להבין גורמי תהליך ויחסי גומלין רבים בתחילת כל פרויקט.

מקורות

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

†סדרת הדיו Apollo FTX זמינה לרכישה. צרו קשר עם The Sabreen Group בטלפון 972.820.6777 או בדוא"ל [email protected].

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת ייעוץ הנדסי המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק: טיפולים מקדימים בפני השטח, הידבקות והדבקה, הדפסת הזרקת דיו, סימון בלייזר, עיטור וגימור, ואבטחת מוצרים. Sabreen מפתח טכנולוגיות חלוציות ופותר בעיות ייצור למעלה מ-30 שנה. אפשר ליצור איתו קשר בטלפון 972.820.6777 או דרך האתר www.sabreen.com.

---