Stampa a Getto d’Inchiostro su Materie Plastiche

Stampa a Getto d'Inchiostro su Polipropilene, Nylon e Altre Materie Plastiche

Stampa a Getto d'Inchiostro Industriale su Materie Plastiche

Scopra come ottenere una forte adesione dell'inchiostro e un'elevata resistenza agli agenti atmosferici esterni nella stampa a getto d'inchiostro su prodotti in polipropilene e materie plastiche a bassa energia superficiale utilizzando inchiostri UV LED per getto d'inchiostro. I processi di stampa a getto d'inchiostro progettati con competenza e i rivestimenti idrofobici su scala nanometrica su prodotti in plastica per interni ed esterni sono garantiti fino a 30 anni di esposizione ai raggi UV e agli agenti atmosferici. Le nuove tecnologie di inchiostri e rivestimenti fanno progredire in modo significativo le applicazioni per la stampa digitale a getto d'inchiostro UV LED drop-on-demand.

rivestimenti idrofobici su scala nanometrica

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La stampa a getto d'inchiostro piezoelettrica drop-on-demand UV LED su polimeri e substrati flessibili è più complessa e delicata rispetto alla tradizionale stampa analogica. La tecnologia di stampa a getto d'inchiostro drop-on-demand richiede che gli ugelli eroghino gocce di dimensioni precise con estrema accuratezza. I sistemi di stampa a getto d'inchiostro di alta qualità devono integrare simultaneamente testine di stampa, fluidi, controllori elettronici, pretrattamento e reticolazione. Tutti gli elementi devono funzionare in perfetta sinergia per produrre i risultati desiderati.

Esistono tre principali parametri di processo in ingresso: 1) il substrato polimerico, 2) la stampante a getto d'inchiostro e 3) la chimica dell'inchiostro e la compatibilità con la superficie del substrato. Tutti gli elementi devono essere precisi e stabili per ottenere una qualità di stampa eccellente. La modifica di uno qualsiasi di questi parametri produce uno squilibrio che richiede modifiche agli altri. La stampa su geometrie tridimensionali e sagomate è ulteriormente complicata dal fatto che esistono relativamente poche scelte di stampanti/testine OEM. Ogni OEM limita gli inchiostri certificati sviluppati per una gamma ristretta. Una conoscenza approfondita delle complessità della stampa a getto d'inchiostro e della scienza delle superfici consente capacità e risultati senza precedenti.

SABREEN ha recentemente sviluppato e commercializzato inchiostri UV LED e processi di stampa a getto d'inchiostro per la personalizzazione di prodotti in plastica flessibile e gomma che si allungano oltre il 100 percento. I prodotti includono bande per esercizi terapeutici, cuffie da nuoto, indumenti igienici indossabili e altro ancora. L'analisi tossicologica indipendente è conforme al CAL Prop 65, alla valutazione del rischio di tossicità statunitense e alla norma ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14).

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Per la stampa a getto d'inchiostro, l'adesione è fondamentale. Le variabili che influenzano l'adesione includono il materiale polimerico (compresi coloranti, cariche e additivi), il processo di stampaggio, le condizioni superficiali, la texture e lo stoccaggio e la movimentazione. È importante che i progettisti e gli ingegneri di produzione selezionino la termoplastica ottimale, che soddisfi i criteri di prestazione sul campo e sia facile da stampare. I rivestimenti protettivi trasparenti (topcoat) consentono una protezione estesa dalla resistenza chimica/all'abrasione, come la pulizia in lavastoviglie con acqua calda (oltre 500 cicli consecutivi). Questi rivestimenti vengono applicati sopra gli inchiostri pigmentati, sia in forma di fluido per getto d'inchiostro sia mediante atomizzazione a spruzzo.

Le termoplastiche si dividono in due sottocategorie: amorfe e cristalline. Le molecole a catena molto lunga sono tenute insieme da forze di Van der Waals relativamente deboli. In generale, i polimeri amorfi possiedono proprietà di adesione migliori rispetto a quelli cristallini. Il termine amorfo indica l'assenza di una forma definita, o una forma facilmente alterabile. Cristallino, invece, implica che esiste uno schema regolare e definito negli aggregati molecolari. Le resine amorfe come ABS, stirene e policarbonato presentano una struttura casuale, simile a spaghetti aggrovigliati. Quando viene applicato calore, si ammorbidiscono e non hanno una temperatura di fusione nettamente definita.

Le resine cristalline come le poliolefine, il PET e il nylon presentano uno schema ordinato, simile a una molla avvolta; così come una molla metallica smorza le vibrazioni, i materiali cristallini hanno una temperatura di fusione ben definita. In un polimero, questi due stati coesistono: sezioni adiacenti dei polimeri si compattano in fasci cristallini ordinati tenuti insieme da forze di attrazione secondarie, mentre altre sezioni delle stesse molecole non riescono a spostarsi fisicamente nel reticolo cristallino e rimangono amorfe. Vedere la Figura 2.

Figura 2. Termoplastiche Amorfe e Cristalline

Selezione delle Termoplastiche – Compatibilità di Processo

Perché la stampa a getto d'inchiostro abbia successo, l'inchiostro a temperatura elevata deve fuoriuscire facilmente dalla testina di stampa, interagire correttamente con il substrato e ottenere una forte adesione. Questo contatto intimo è definito “bagnatura” o “bagnatura completa” della superficie e si riferisce alla capacità dell'inchiostro di distendersi sulla superficie. Tuttavia, la maggior parte delle superfici polimeriche è naturalmente idrofobica e resiste alla bagnatura. Caratteristicamente, queste materie plastiche sono chimicamente inerti, con superfici non porose e bassa energia superficiale, il che rende l'adesione della stampa quasi impossibile. L'energia superficiale è l'energia in eccesso che esiste sulla superficie (in contrapposizione alla massa) di un solido.

Il processo di stampaggio primario è fondamentale per ottenere le proprietà dichiarate del materiale polimerico. L'impiego del corretto pretrattamento superficiale al plasma, unito a una texture superficiale adeguata e a buone pratiche di produzione, risolverà la maggior parte, se non la totalità, dei problemi di adesione e bagnatura. Selezionare la migliore termoplastica per una determinata applicazione non è semplice. I progettisti di componenti spesso ricercano proprietà chimiche del materiale in massa e superficiali che risultano spesso molto difficili da stampare. Esaminiamo alcuni esempi applicativi che dimostrano l'equilibrio critico tra la selezione del polimero e la facilità di stampabilità.

La stampa a getto d'inchiostro a colori su poliammide (nylon) è una delle applicazioni più richieste. La composizione chimica del nylon gli conferisce un punto di fusione elevato, rendendolo un'eccellente alternativa ai componenti metallici in ambienti ad alta temperatura, come i motori delle automobili e altri tipi di macchinari ad alto attrito. Come altri materiali termoplastici, il nylon si trasforma in liquido al suo punto di fusione anziché bruciare, il che significa che può essere fuso e ristampato o riciclato. Il materiale in nylon inoltre non si surriscalda facilmente quando utilizzato in applicazioni ad alto attrito. Tuttavia, gli inchiostri a getto non aderiscono facilmente al nylon (né alla maggior parte dei polimeri a bassa energia superficiale) senza un inchiostro specializzato e un pretrattamento adeguato. Ciò è dovuto, in parte, alle sue proprietà idrofobiche. Riferimento Figura 3.

Figura 3. Proprietà Tipiche della Plastica in Nylon (PA)

Prima di tutto, assicurarsi che i materiali in nylon siano correttamente essiccati e trattati per ottenere le proprietà di secco-come-stampato. I produttori di resine le realizzano chimicamente in modo diverso, il che può influire sulle prestazioni di adesione. Valutare fornitori alternativi per resina/grado e notare le differenze tra Nylon 6 e Nylon 66 (Nylon 11 e 12). A differenza del Nylon 6, il Nylon 66 è composto da due monomeri, l'esametilendiammina e l'acido adipico, ciascuno dei quali fornisce sei atomi di carbonio, da cui il nome 66. Il materiale ha natura più cristallina rispetto al Nylon 6, il che ne migliora la rigidità e il modulo a trazione e a flessione.

Il Nylon 6 assorbirà leggermente più umidità rispetto al Nylon 66. Dopo lo stampaggio e prima delle operazioni secondarie, i prodotti dovrebbero essere confezionati preferibilmente in sacchetti di poliestere e non in sacchetti di polietilene. Le specie a basso peso molecolare presenti nei sacchetti di polietilene migrano verso la superficie, causando problemi di contaminazione incrociata. Anche la durata dello stoccaggio e la temperatura influiscono sulle prestazioni di adesione. Stampare il prima possibile dopo lo stampaggio.

Se i problemi di stampa non possono essere risolti, si consideri l'uso di una plastica alternativa che possa avere proprietà simili ed essere più facile da stampare o marcare al laser. Questo aspetto sottolinea l'importanza, per progettisti e ingegneri di produzione, di sviluppare accuratamente le specifiche del prodotto. Il polipropilene e il polietilene ad alta densità (HDPE) sono meno sensibili ai problemi di stampaggio, materiale e stampa, e sono meno costosi. L'HDPE è il più semplice dei tre da stampare perché è termodinamicamente più stabile. Riferimento Figura 4.

Gli inchiostri a getto hanno bassa viscosità e bassa tensione superficiale, il che crea difficoltà di adesione su molti substrati polimerici come acetali, poliolefine e poliuretani. Questi tipi di materie plastiche chimicamente inerti sono idrofobiche e non naturalmente bagnabili. Si consideri una singola goccia di fluido liquido su una superficie solida piana a riposo (equilibrio). L'angolo formato dalla superficie solida e dalla retta tangente alla superficie superiore nel punto finale è chiamato angolo di contatto; è l'angolo (x) tra la retta tangente nel punto di contatto e la linea orizzontale della superficie solida. Riferimento Figura 2.

La forma della bolla/goccia è dovuta alle forze molecolari per cui tutti i liquidi, attraverso la contrazione della superficie, tendono a far assumere al volume contenuto una forma con la minima area superficiale. Le forze intermolecolari che contraggono la superficie sono chiamate “tensione superficiale”.

La tensione superficiale, una misura dell'energia superficiale, è espressa in dine/cm. Più elevata è l'energia superficiale del substrato solido rispetto alla tensione superficiale di un liquido (acqua, inchiostri da stampa, adesivi/incapsulanti, rivestimenti, ecc.), migliore sarà la sua “bagnabilità” e più piccolo sarà l'angolo di contatto (Figura 2).

Come regola generale, si ottiene un'adesione accettabile quando l'energia superficiale di un substrato è di circa 8-10 dine/cm superiore alla tensione superficiale del liquido.

Figura 2. Angolo di Contatto e Grado di Bagnatura

Figura 3. Flusso del Fluido e Angolo di Contatto Dinamico

In realtà, i fluidi e gli angoli di contatto sono dinamici, non statici. Riferimento Figura 3. L'angolo di contatto dinamico (DCA) è il più importante. Quando una goccia è attaccata a una superficie solida e la superficie solida viene inclinata, la goccia avanzerà e scivolerà verso il basso. Gli angoli così formati sono chiamati, rispettivamente, angolo di avanzamento (θa) e angolo di regressione (θr).

Gli angoli di contatto sono generalmente considerati influenzati sia dai cambiamenti nella chimica superficiale sia dai cambiamenti nella topografia superficiale. L'angolo di contatto di avanzamento è più sensibile ai componenti a bassa energia (non modificati) della superficie del substrato, mentre l'angolo di regressione è più sensibile ai gruppi ossidati ad alta energia introdotti dai pretrattamenti superficiali. Pertanto, l'angolo di regressione è in realtà la misura più caratteristica del componente modificato della superficie in seguito ai pretrattamenti, misurato mediante soluzioni dine. È quindi importante misurare sia gli angoli di contatto di avanzamento sia quelli di regressione su tutti i materiali con superficie modificata.

Anche la purezza del materiale è un fattore importante. La durata di conservazione delle materie plastiche trattate dipende dal tipo di resina, dalla formulazione e dall'ambiente circostante dell'area di stoccaggio. La durata di conservazione dei prodotti trattati è limitata dalla presenza di sostanze quali antiossidanti, plastificanti, agenti scivolanti e antistatici, coloranti e pigmenti, stabilizzanti, ecc. L'esposizione delle superfici trattate a temperature elevate aumenta la mobilità delle catene molecolari: maggiore è la mobilità delle catene, più rapido è l'invecchiamento del trattamento. La mobilità delle catene polimeriche nei materiali trattati fa sì che i siti di legame creati dal trattamento si allontanino dalla superficie. Questi componenti possono infine migrare verso la superficie del polimero. Pertanto, si raccomanda di incollare, rivestire, verniciare, stampare o decorare il prodotto il prima possibile dopo il pretrattamento.

Gli inchiostri UV utilizzano solo coloranti a base di pigmenti, ma la gamma è ampia e non rappresenta una limitazione seria. Gli sviluppi nella formulazione e nella produzione di inchiostri consentono ai produttori di offrire il bianco (W), particolarmente utile come base su substrati di colore scuro o come sfondo su substrati trasparenti. I colori primari per stampa a getto d'inchiostro – ciano, magenta, giallo e nero (CMYK) insieme – offrono un'ampia gamma cromatica poiché gli strati di inchiostro possono essere spessi. Tuttavia, essendo a base di pigmenti, sono almeno parzialmente opachi e mascherano i colori sottostanti. L'intensità non si traduce pienamente nei colori secondari, il che esclude numerosi colori Pantone popolari tra i grandi marchi.

La stampa analogica utilizza colori spot formulati appositamente. Potrebbero essere disponibili su questo mercato, specialmente con macchine a 6, 8 e 10 testine, ma non sono popolari perché è molto più difficile sostituire un colore spot in una stampante a getto d'inchiostro rispetto alla stampa flessografica o serigrafica. Questo inoltre entra in conflitto con la capacità del digitale di alternare lavori con immagini consecutive. Un'alternativa consiste nell'impiegare set di inchiostri a gamma estesa con inchiostri intensi di tonalità intermedia tra CM e Y. Rosso, verde e blu (RGB), oppure arancione, verde e viola (OGV) sono utilizzati nella stampa di etichette e materiale pubblicitario per estendere la gamma e coprire la maggior parte dei colori brillanti, specifici e intensi dei marchi. Questi colori possono anche essere formulati su misura per prodotti in plastica tridimensionali.

Riprodurre i colori chiari, in particolare le tonalità della pelle, rappresenta una difficoltà costante per la stampa a getto d'inchiostro UV-cure. Anche le gocce più piccole di CMK, oggi fino a soli 4 picolitri, sono troppo grandi per la fotorealisticità. Tuttavia, se viene incluso un secondo set di magenta chiaro (lm) e ciano chiaro (lc), gli artefatti dei singoli punti vengono eliminati. L'opzione CMYKlclmW è disponibile su questo mercato presso gli OEM produttori di stampanti.

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