Stampa industriale a getto d’inchiostro su dispositivi indossabili

Stampa industriale a getto d’inchiostro su dispositivi indossabili

I termini “wearable”, “dispositivi indossabili” e “tecnologia indossabile” si riferiscono tutti a tecnologie elettroniche o computer che possono essere indossati da un consumatore e che spesso includono il monitoraggio di informazioni relative a salute e fitness. Vi rientrano dispositivi da polso, copricapo, occhiali, per braccia, per gambe, calzature, cerotti cutanei, esoscheletri ed e-textile, e il mercato di questi dispositivi è enorme. Il getto d’inchiostro industriale è l’unica tecnologia digitale che consente la stampa personalizzata funzionale e non funzionale direttamente sul prodotto.

Punti chiave

• Il getto d’inchiostro è l’unica tecnologia digitale che consente la stampa personalizzata funzionale e non funzionale direttamente sul prodotto nei dispositivi indossabili.
• A guidare la proposta commerciale è la personalizzazione, non la stampa in sé: i marchi la utilizzano per aumentare la fidelizzazione e raccogliere riscontri sul design.
• La certificazione per il contatto con la pelle è ormai attesa. Dopo il richiamo di un milione di dispositivi indossabili nel 2014, i fornitori certificano i materiali secondo gli standard per il contatto con la pelle.
• Occorre prestare attenzione a sostanze irritanti come la PPD (p-fenilendiammina) nelle formulazioni dei materiali destinati al contatto prolungato con la pelle.
• Il getto d’inchiostro è più delicato della stampa analogica e richiede che testine, fluidi, controllori, pretrattamento e polimerizzazione siano integrati in un unico sistema.

Domanda di personalizzazione

La domanda di personalizzazione traina le vendite, si tratti di prodotti per salute e prestazioni fitness, smartwatch o delle centinaia di braccialetti interattivi alternativi. IDTechEx ha dichiarato in un recente articolo che il mercato dell’elettronica indossabile passerà da 20 miliardi di dollari nel 2015 a quasi 70 miliardi nel 2025.1 Il settore dominante resterà quello sanitario, che unisce ambito medicale, fitness e benessere. È il settore con il maggior numero di grandi nomi, come Apple, Accenture, Adidas, Fujitsu, Nike, Philips, Reebok, Samsung, SAP e Roche, dietro i nuovi sviluppi più promettenti. Secondo Bain & Company, la personalizzazione dei prodotti aiuta i marchi ad aumentare le vendite e l’opportunità è significativa.2 Si stima che almeno il 25-30 percento degli acquirenti sia interessato alle opzioni di personalizzazione. Per alcuni mercati ciò equivarrebbe a 2 miliardi di dollari all’anno per settore. Sono emerse due tendenze importanti: in primo luogo, i consumatori di oggi sono più espressivi; in secondo luogo, la personalizzazione è la nuova fidelizzazione.

Domande frequenti

Che cosa si intende per “wearable” ai fini della stampa?

Tecnologie elettroniche o computer indossati da un consumatore, che spesso monitorano dati di salute e fitness. In pratica comprendono dispositivi da polso, copricapo, occhiali, per braccia, per gambe, calzature, cerotti cutanei, esoscheletri ed e-textile: prodotti che possono essere rigidi o flessibili.

Perché si usa il getto d’inchiostro anziché la tampografia o la serigrafia?

Perché il motore commerciale è la personalizzazione. Il getto d’inchiostro è l’unica tecnologia digitale che consente la stampa personalizzata direttamente sul prodotto, per cui ogni unità può riportare contenuti diversi. I processi analogici con arresti e ripartenze hanno una produttività comparativamente bassa e la stampa di più colori su articoli di largo consumo diventa quasi proibitiva dal punto di vista dei costi.

Quali standard di sicurezza si applicano agli inchiostri sui dispositivi indossabili?

I materiali destinati al contatto prolungato con la pelle sono certificati secondo gli standard per il contatto con la pelle, un cambiamento accelerato dopo che un produttore ha richiamato un milione di dispositivi indossabili nel 2014. Le formulazioni devono evitare sostanze irritanti per la pelle come la PPD, ovvero la p-fenilendiammina.

Che cosa rende il getto d’inchiostro più difficile della stampa analogica?

La precisione. Il getto d’inchiostro richiede che gli ugelli emettano gocce di dimensioni precise con esatta accuratezza e un sistema di alta qualità deve integrare contemporaneamente testine, fluidi, controllori elettronici, pretrattamento e polimerizzazione. Tutti questi elementi devono lavorare insieme per produrre il risultato desiderato.

In che cosa gli inchiostri UV per getto d’inchiostro differiscono dagli altri tipi di inchiostro?

Il polimero si forma durante la polimerizzazione, per reazione a catena di monomeri e oligomeri. I monomeri sono liquidi a bassa viscosità che fungono anche da veicolo dell’inchiostro, il che elimina la necessità di acqua o solvente e rende gli inchiostri UV al 100% di solidi.

Stampa a getto d’inchiostro su dispositivi indossabili

Il tema di questo articolo è la “personalizzazione” mediante stampa a getto d’inchiostro su dispositivi indossabili stampati a iniezione, da dispositivi elettronici interattivi e orologi a calzature sportive e capi di abbigliamento fino a prodotti stampati in 3D. Uno dei primi e più riconoscibili dispositivi indossabili è il braccialetto di Disney, detto anche “MagicBand”. Ogni braccialetto contiene un chip RFID e una radio simile a quella dei telefoni cordless a 2,4 GHz. Il braccialetto collega i visitatori a un vasto e potente sistema di sensori e app mobili all’interno del parco, fungendo da mezzo di pagamento, biglietto d’ingresso, chiave della camera e altro ancora. La maggior parte dei braccialetti è di colore unico (come stampati a iniezione). La parte inferiore di ciascun braccialetto è marcata al laser e contiene le informazioni di identificazione (vedere sopra. Fonte della foto: Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1). Braccialetti già decorati sono venduti nei punti vendita al dettaglio. Tuttavia, per un’esperienza unica e irripetibile, gli appassionati realizzano a mano braccialetti con applicazioni multifase laboriose, decalcomanie, tatuaggi temporanei, copribraccialetti e vernici disponibili nei negozi di grafica.

La stampa a getto d’inchiostro sta guidando i processi di produzione avanzata grazie alla sua capacità unica di depositare fluidi funzionali in un’ampia gamma di applicazioni, con motivi unici o complessi, o su substrati innovativi. Ad esempio, gli inchiostri conduttivi per tutte le tecnologie stanno aprendo nuovi orizzonti in molti campi, soprattutto per i substrati flessibili. Inchiostri di argento, polimeri conduttivi organici, grafene e nanotubi di carbonio vengono utilizzati per circuiti e connettori in tutta l’elettronica flessibile. Con il getto d’inchiostro diventano utili come connettori tra pulsanti stampati (pulsanti touch a film sottile) su capi di abbigliamento (ad esempio giacche da sci) e dispositivi mobili, tag RFID passivi o attivi o illuminazione a LED. La tecnologia dei diodi organici a emissione di luce (OLED) non è solo flessibile, ma con il getto d’inchiostro può anche essere adattata per identificazione, sicurezza o decorazione sugli indumenti esterni. Inoltre, con il getto d’inchiostro vengono stampati più strati di materiali diversi per realizzare strutture di sei o più strati distinti.

I conduttori davvero elastici sono rari in qualsiasi tecnologia. La Purdue University ha annunciato una nuova classe di conduttori a metallo liquido stampabili a getto d’inchiostro, dimostrati idonei per materiali estensibili e gommosi.3 Potrebbero rendere possibile una nuova classe di robot flessibili e di indumenti elastici che le persone potrebbero indossare per interagire con i computer o a scopo terapeutico.

Gli adesivi sono un elemento cardine dei dispositivi indossabili e sono spesso necessari per geometrie complesse (ad esempio le scarpe sportive). Testine di stampa a gocce grandi controllate da robot applicano adesivi a una gamma crescente di strutture irregolari, garantendo una copertura completa senza eccessi e adattandosi a piccole tirature e a cambi frequenti. Gli adesivi al lattice per getto d’inchiostro possono eguagliare le formulazioni tradizionali. Sono sempre più disponibili adesivi per getto d’inchiostro polimerizzati con raggi ultravioletti (UV) e a fascio di elettroni (EB), che soddisfano l’esigenza di polimerizzazione immediata e di adesione a materiali dissimili.

Il getto d’inchiostro a polimerizzazione UV è diffuso per capi d’abbigliamento esterno, distintivi, articoli riflettenti, attrezzature sportive e calzature sportive. La maggior parte della stampa viene eseguita su articoli disposti con precisione tramite dime su vassoi o forme che passano sotto testine di stampa alternative. Per un’elevata produttività, le stampanti a passaggio singolo con testine di stampa fisse a tutta larghezza applicano le immagini agli articoli trasportati su un nastro a velocità fino a 60 piedi al minuto o superiori. Il nastro ha spesso dei vassoi in modo che gli articoli siano sempre in posizione fissa, oppure la stampante può affidarsi a telecamere per individuare posizione e orientamento dell’articolo ed espellere l’immagine di conseguenza. Per la polimerizzazione UV è presente una lampada dopo le testine di stampa. Le lampade LED stanno diventando sempre più diffuse per la lunga durata, la potenza costante, la limitata generazione di ozono e il minore consumo energetico. Per gli articoli indossabili, il vantaggio maggiore è che sono fredde e il substrato riceve pochissimo calore. Materie plastiche, tessuti e film sensibili al calore possono essere stampati senza timore di ritiro o distorsione. Un avvertimento per chi utilizza inchiostri a polimerizzazione energetica: poiché gli inchiostri liquidi sono pericolosi, devono sempre essere polimerizzati correttamente per sicurezza e durabilità.

Inchiostri per getto d’inchiostro polimerizzabili con UV

La stampa a getto d’inchiostro è molto più complessa e delicata della stampa analogica. Il getto d’inchiostro richiede che gli ugelli emettano gocce di dimensioni precise con esatta accuratezza. I sistemi di stampa a getto d’inchiostro di alta qualità devono integrare contemporaneamente testine, fluidi, controllori elettronici, pretrattamento e polimerizzazione. Tutti questi elementi devono lavorare insieme per produrre i risultati desiderati.

Gli inchiostri per getto d’inchiostro polimerizzabili con UV asciugano istantaneamente. La stampa con inchiostro UV differisce dagli altri tipi perché il polimero si forma durante la polimerizzazione per reazione a catena di monomeri e oligomeri. I monomeri sono liquidi a bassa viscosità, per cui fungono anche da veicolo liquido dell’inchiostro ed eliminano la necessità di acqua o solvente: per questo gli inchiostri UV sono al 100 percento di solidi e rappresentano un’alternativa ideale agli inchiostri a solvente. Gli oligomeri (molecole reattive più grandi) hanno più funzionalità chimiche e sono fondamentali per costruire correttamente il legante.

La polimerizzazione viene avviata da una breve esposizione alla luce UV, una radiazione elettromagnetica con lunghezza d’onda più corta ed energia più elevata della luce visibile. Per la maggior parte delle polimerizzazioni UV si utilizza l’UV vicino (lunghezza d’onda 390–200 nanometri), a sua volta suddiviso in UV-A (390–320 nanometri) o onde lunghe, UV-B (320–280 nanometri) o onde medie e UV-C (280–200 nanometri) o onde corte. Oltre all’UV vicino, altre categorie UV comprendono l’UV lontano (200–10 nanometri) e l’UV profondo (31–1 nanometri). La lunghezza d’onda di picco più comune per le lampade UV convenzionali al mercurio è 365 nanometri, detta anche linea I del mercurio (spettro luminoso).

I dispositivi indossabili stampati vengono tenuti in mano dai consumatori e sono sottoposti a un’ispezione visiva molto ravvicinata. Il testo alfanumerico può essere di corpo sei o inferiore. Per evitare artefatti visibili e garantire la leggibilità è necessaria una stampa ad alta risoluzione. La stampa a getto d’inchiostro ad alta risoluzione ha due componenti principali: la spaziatura dei punti sul substrato e la dimensione (volume) delle gocce che compongono i punti. L’alta risoluzione si ottiene con un posizionamento ravvicinato delle gocce (oggi fino a 1.800 x 1.800 dpi), che richiede più passaggi e piccoli avanzamenti sulla tipica stampante a testina oscillante.

I componenti reattivi ai raggi UV sono i fotoiniziatori: composti che assorbono l’energia e si scindono producendo specie chimiche altamente reattive, radicali liberi o cationiche a seconda del tipo. Ciascuna può legarsi a una parte di un monomero o di un oligomero, che trasferisce l’attività a un’altra parte, la quale a sua volta può reagire con un altro monomero, e così via fino a costruire il polimero. Gli inchiostri UV utilizzano coloranti a pigmento. Gli sviluppi nella formulazione e nella produzione degli inchiostri consentono ai produttori di offrire il bianco (W), particolarmente utile come base su substrati scuri o come sfondo su materiali trasparenti. I colori primari del getto d’inchiostro (ciano, magenta, giallo e nero, CMYK) offrono insieme un’ampia gamma cromatica.

La decolorazione alla luce solare può essere un grave problema di durabilità della stampa. Poiché gli inchiostri UV utilizzano pigmenti e non coloranti, sono intrinsecamente meno sensibili alla luce solare rispetto agli inchiostri da ufficio. Un’ottima resistenza alla decolorazione si ottiene quando gli inchiostri sono prodotti con pigmenti dell’industria delle vernici per autoveicoli. Pur essendo più costosi, vengono utilizzati negli inchiostri premium. La luce solare può anche degradare il polimero, provocando sfarinamento e fragilità. Un’esposizione continua alla luce esterna di cinque anni è un’aspettativa comunemente soddisfatta.

Gli additivi sono essenziali in tutte le formulazioni di inchiostro. Gli inchiostri per la stampa su materie plastiche contengono comunemente promotori di adesione. L’espulsione e la formazione delle gocce, ovviamente centrali nel getto d’inchiostro, richiedono equilibri accurati di modificatori di viscosità e tensioattivi. Se non sono corretti, l’inchiostro può nebulizzarsi o bagnare la testina, due situazioni insoddisfacenti. Gli stessi composti controllano anche la bagnatura e il flusso dell’inchiostro sul substrato, ovvero l’adesione e l’allargamento del punto. In genere sono ottimizzati per una particolare chimica superficiale, ma esistono dei limiti. Ad esempio, un inchiostro in grado di bagnare un substrato a bassa energia superficiale gocciolerà dalla testina. Per questo motivo molte superfici devono essere trattate per portarle nell’intervallo di funzionalità dell’inchiostro.

Gli inchiostri per getto d’inchiostro hanno bassa viscosità e bassa tensione superficiale, che creano difficoltà di adesione su molti substrati polimerici, come acetali, poliolefine e poliuretani. Questi tipi di materie plastiche chimicamente inerti sono idrofobici e non naturalmente bagnabili. Come regola generale, un’adesione accettabile si ottiene quando l’energia superficiale di un substrato è circa 8-10 dyne/cm superiore alla tensione superficiale del liquido.

Anche la velocità della macchina da stampa può influire sulla tensione superficiale effettiva dell’inchiostro. Un inchiostro che misura staticamente 25 dyne di tensione superficiale potrebbe comportarsi dinamicamente come un inchiostro con 40 dyne di tensione superficiale su una macchina da stampa ad alta velocità. Le azioni delle testine e dei sistemi di stampa a getto d’inchiostro sui fluidi erogati possono influire in modo significativo sul modo in cui i componenti del fluido si riallineano durante l’erogazione e l’interazione con la superficie di stampa e con altri strati di inchiostro o rivestimento.

Il grado o la qualità del trattamento dipendono dalla pulizia della superficie plastica. La superficie deve essere pulita per ottenere un pretrattamento ottimale e la successiva adesione dell’inchiostro. Contaminazioni superficiali come distaccante siliconico, sporco, polvere, grasso, oli e impronte digitali inibiscono il trattamento. Anche la purezza del materiale è un fattore importante.

Conclusione: metodologia delle soluzioni complete

Una metodologia di soluzioni complete è essenziale per sviluppare materiali polimerici e la stampa a getto d’inchiostro su dispositivi indossabili. Con l’evolvere delle esigenze dei consumatori e della funzionalità, aumentano anche le richieste ai materiali destinati al contatto prolungato con la pelle. Dopo che FitBit ha richiamato un milione di dispositivi indossabili nel 2014, i fornitori certificano i materiali secondo gli standard per il contatto con la pelle. Anche i controlli del processo di stampa a getto d’inchiostro sono altrettanto fondamentali. Tra i fattori importanti figurano i seguenti:

• Formulazioni dei materiali (compresi pelle, gomma, poliuretano termoplastico, elastomeri copoliesteri e additivi) che non irritino la pelle, come la PPD o p-fenilendiammina.
• Requisiti dei materiali, tra cui durabilità, resistenza chimica, resistenza ai raggi UV e resistenza ai graffi.
• Norme internazionali di conformità sulla tossicità, come ISO 10993-10:2010 – Valutazione biologica dei dispositivi medici – Parte 10.
• Eccellente adesione dell’inchiostro. Ridurre al minimo i composti a basso peso molecolare che migrano verso la superficie.
• Chimica del fluido dell’inchiostro e prestazioni di espulsione.
• Sistemi di stampa robusti che si installano nei chioschi oltre che negli stabilimenti di produzione.

Riferimenti bibliografici

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

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di ingegneria specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: marcatura laser, pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura e sicurezza del prodotto. Sabreen sviluppa tecnologie pionieristiche e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., ha fondato SPF-Inc. nel 2000 per servire i settori della stampa e dell’imballaggio, con particolare attenzione all’adattamento della stampa digitale a nuovi mercati e applicazioni. Nanochimico di formazione, circa la metà dei suoi 25 brevetti statunitensi riguarda la stampa digitale. È membro di SGIA, TAPPI e RadTech. Può essere contattato all’indirizzo [email protected].

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