Jednoprzebiegowy druk atramentowy UV LED na trójwymiarowych tworzywach sztucznych – chemia tuszy i powierzchnie polimerów

Jednoprzebiegowy druk atramentowy UV LED na trójwymiarowych tworzywach sztucznych – chemia tuszy i powierzchnie polimerów

Przemysłowy druk atramentowy ma istotny wpływ na zdobienie, które tradycyjnie wykonywano konwencjonalnymi procesami analogowymi, takimi jak tampondruk, sitodruk i fleksodruk/druk wklęsły. Technologia druku atramentowego przeszła drogę od ciągłych jednokolorowych tuszy rozpuszczalnikowych do pełnogamowych kolorów drop-on-demand, od binarnego do skali szarości, od lamp rtęciowych do utwardzania UV LED oraz od skanujących drukarek płaskich do rotacyjnych 360°. Nowym obszarem jest jednoprzebiegowy druk kolorowy UV LED na trójwymiarowych wyrobach z tworzyw sztucznych z użyciem nowego tuszu certyfikowanego pod względem toksyczności i biokompatybilności. Druk jednoprzebiegowy jest szybszy niż skanujący i bardziej opłacalny, ale technologia jest bardziej złożona i wymaga precyzyjnego zaprojektowania. Czynniki te łączą się z nieodłącznymi trudnościami przyczepności tuszu do polimerów o niskiej energii powierzchniowej. Dynamiczne kąty zwilżania bada się w celu określenia lepkości tuszu i zwilżania powierzchni.

Najważniejsze wnioski

• Druk jednoprzebiegowy jest szybszy i bardziej opłacalny niż skanujący, ale znacznie bardziej złożony pod względem projektowania.
• Skanowanie ukrywa błędy. Wiele przebiegów maskuje brakujące lub przesunięte punkty – druk jednoprzebiegowy nie wybacza takich błędów.
• Dobór tuszu jest najważniejszą decyzją. Decyduje o typie głowicy drukującej, parametrach utwardzania i o tym, czy potrzebna jest obróbka wstępna.
• Ryzykiem druku jednoprzebiegowego jest rozmycie kolorów, ponieważ duża objętość tuszu jest nanoszona w jednym przebiegu.
• Tusze o niskiej lepkości i niskim napięciu powierzchniowym słabo sprawdzają się na poliolefinach, nylonach i TPE/gumach, które są niepolarne i nie ulegają naturalnie zwilżaniu.

Druk skanujący a jednoprzebiegowy

Drukarki atramentowe drukują, nanosząc tusz w jednym lub wielu przebiegach. Albo głowice drukujące przemieszczają się nad przedmiotem, albo przedmiot przemieszcza się pod stałą głowicą lub zespołem głowic. Skanowanie, czyli druk wieloprzebiegowy, oznacza, że drukarka wykonuje wiele przejść nad podłożem, aby w pełni je pokryć i uzyskać wymagany poziom szczegółów.

Zaletą skanowania jest to, że ewentualne błędy druku, takie jak brakujące lub przesunięte punkty, są mniej widoczne. Wadą skanowania jest niska szybkość, ponieważ do pełnego pokrycia tuszem potrzeba wielu przejść nad tym samym obszarem. W druku jednoprzebiegowym głowice drukują bezpośrednio na poruszającym się podłożu (lub wstędze) na ruchomym systemie transportowym. Istotną zaletą druku jednoprzebiegowego jest wyższa szybkość i większa wydajność.

Najczęściej zadawane pytania

Czym różni się druk atramentowy skanujący od jednoprzebiegowego?

W druku skanującym, czyli wieloprzebiegowym, drukarka wykonuje wiele przejść nad podłożem, aby uzyskać pełne pokrycie i szczegółowość. W druku jednoprzebiegowym głowice drukują bezpośrednio na poruszającym się przedmiocie w jednym przebiegu. Druk skanujący jest wolniejszy, ale bardziej wybaczający; jednoprzebiegowy jest szybszy i wydajniejszy, ale znacznie mniej tolerancyjny na błędy.

Dlaczego druk jednoprzebiegowy trudniej dopracować?

Ponieważ nie ma drugiego przebiegu, który pokryłby błędy. Każdy brakujący lub przesunięty punkt jest widoczny, a kontrola rozmycia kolorów staje się krytyczna, gdyż cała objętość tuszu jest nanoszona naraz, a nie budowana stopniowo.

Jaka jest najważniejsza decyzja w projekcie druku atramentowego?

Tusz. Jego dobór określa elementy systemu – typ głowicy drukującej, parametry utwardzania i to, czy wymagana jest obróbka wstępna powierzchni. Chemia płynu, lepkość i ścinanie oraz fizyka wyrzucania każdej kropli muszą zachowywać się precyzyjnie w ekstremalnych warunkach, a w druku jednoprzebiegowym wymagania te ulegają wzmocnieniu.

Dlaczego tusze atramentowe słabo przywierają do niektórych tworzyw sztucznych?

Tusze atramentowe mają niską lepkość i niskie napięcie powierzchniowe, natomiast poliolefiny, nylony oraz podłoża z TPE lub gumy są niepolarne, chemicznie obojętne, hydrofobowe i naturalnie niezwilżalne. Bez podniesienia energii powierzchniowej tusz nie osiągnie ścisłego kontaktu, którego wymaga przyczepność.

Gdzie druk jednoprzebiegowy już się sprawdził?

Głównie w zastosowaniach 2D – losy loteryjne na wstędze, karty inteligentne, płytki ceramiczne, kartony i pudełka. Nowszym obszarem jest jednoprzebiegowy druk kolorowy na trójwymiarowych wyrobach z tworzyw sztucznych z użyciem tuszy certyfikowanych pod względem toksyczności i biokompatybilności.

Tusze utwardzane UV

We wszystkich zastosowaniach dobór tuszu jest najważniejszą decyzją, która określa elementy systemu, w tym typ głowicy drukującej, parametry utwardzania i ewentualną potrzebę obróbki wstępnej powierzchni. Chemia płynu (lepkość i ścinanie) oraz fizyka wyrzucania każdej kropli tuszu muszą zachowywać się precyzyjnie, aby układ działał w ekstremalnych warunkach. Czynniki te ulegają wzmocnieniu w druku jednoprzebiegowym w porównaniu z skanującym.

Druk jednoprzebiegowy istnieje już od pewnego czasu, przy czym nacisk kładziono na druk 2D losów loteryjnych na wstędze, kart inteligentnych, płytek ceramicznych, kartonów i pudełek oraz inne zastosowania. Wczesne wyzwania technologiczne zostały pokonane, a dzięki niedawnym postępom w chemii tuszy i nauce o polimerach możliwy jest pełnokolorowy, jednoprzebiegowy druk atramentowy UV LED polimerów o niskiej energii powierzchniowej. Dostępne są w pełni zautomatyzowane systemy produkcji masowej z opcjonalną liniową obróbką wstępną i wizją. Artykuł omawia tusze utwardzane UV, powierzchnie polimerów i zwilżanie.

Tusze UV utwardzają się do postaci stałej, gdy fotoinicjatory w tuszu oddziałują ze źródłem promieniowania ultrafioletowego o wysokim natężeniu. Tusze UV uważa się za bardziej przyjazne środowisku, ponieważ praktycznie nie zawierają rozpuszczalników. Budzą jednak obawy dotyczące toksyczności. Nieutwardzony tusz UV zawiera nieprzereagowany monomer, który jest szkodliwy dla organizmu człowieka. Nawet gotowe, utwardzone nadruki mogą zawierać resztkowy nieprzereagowany monomer. Zdecydowanie zaleca się stosowanie radiometrów.

Poszczególne składniki pigmentowanych tuszy utwardzanych UV to zwykle monomery (ciecze o niskiej lepkości), oligomery (właściwości przyczepności i utwardzania), pigmenty (kolor), fotoinicjatory (utwardzanie UV) i dodatki (zwilżanie i dyspergatory).

Każdy składnik odgrywa ważną rolę w optymalizacji właściwości użytkowych końcowej receptury tuszu. Opracowanie białego tuszu UV w porównaniu z kolorami procesowymi do jednoprzebiegowego druku atramentowego jest trudne ze względu na duże i ciężkie cząstki pigmentu TiO2, które łatwo sedymentują.

Lepkość (a ściślej lepkość ścinania) jest krytycznym parametrem, który reguluje przepływ przez dyszę głowicy drukującej i impuls wyrzutu. W piezoelektrycznych głowicach drop-on-demand impuls wyrzutu to napięcie, które powoduje ruch elementu piezoelektrycznego wywołujący różnicę ciśnień (rys. 1).

Po wyrzuceniu kropli naprzemienne oscylacje ciśnienia zmniejszają się w czasie (efekt tłumienia). Ze względu na duże natężenia przepływu i małe średnice dysz płyny pracują w reżimie wysokich szybkości ścinania. Lepkość wpływa również na napełnianie komory tuszu w głowicy. Lepkość zwykle maleje wraz ze wzrostem szybkości ścinania i taki płyn określa się jako „rozrzedzany ścinaniem” (zjawisko odwrotne, w którym lepkość rośnie wraz z szybkością ścinania, określa się jako płyn „tiksotropowy”).

Gdy tusze stają się gęstsze lub rzadsze, zmiana warunków ścinania może niekorzystnie wpływać na wydajność wyrzutu. W dyszy tusz jest jednocześnie ścinany i rozciągany, a zrozumienie lepkości wydłużeniowej jest ważne, ponieważ wpływa ona na tworzenie i rozpad strugi tuszu oraz późniejsze formowanie kropli.

Przykładowo seria tuszy Apollo FTX jest opracowana i zakwalifikowana jako bezpieczna dla dorosłych i dzieci (kontakt ze skórą człowieka) zgodnie z ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) i przebadana pod względem biokompatybilności†. Chemia jest precyzyjnie dopasowana do określonych właściwości utwardzania UV LED i estetyki, bez niedoutwardzenia (lepkość) i przeutwardzenia (kruchość).

Ten tusz ma wysoką, stałą płynność (stabilne zachowanie reologiczne) i kąt kontaktu przy wylocie z dyszy (jednorodny rozpad strugi). Tusz wykazuje wyjątkowe zwilżanie, przyczepność i przyczepność międzycząsteczkową między tuszem białym (warstwą bazową) a kolorami CMYK++. Na wielu podłożach o niskiej energii powierzchniowej, w tym na kauczuku nitrylowym i lateksie, obróbka wstępna powierzchni nie jest konieczna.

Końcowe właściwości utwardzenia wykazują niezrównaną odporność na zarysowania/otarcia i odporność chemiczną, w tym w testach zmywarkowych. Tusz jest zgodny z określonymi modelami głowic Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba i Konica Minolta.

Powierzchnie polimerów i zwilżanie

Dokładna lepkość tuszu w druku jednoprzebiegowym jest krytyczna dla kontroli rozmycia kolorów (ze względu na dużą objętość tuszu nanoszoną w jednym przebiegu) w porównaniu z drukarkami skanującymi. Tusze atramentowe mają niską lepkość i niskie napięcie powierzchniowe, co powoduje problemy z przyczepnością do wielu polimerów, takich jak poliolefiny, nylony, TPE/gumy itp. Tego rodzaju podłoża to niepolarne, chemicznie obojętne tworzywa, które są hydrofobowe i naturalnie niezwilżalne.

Rozważmy pojedynczą kroplę cieczy na płaskiej powierzchni ciała stałego w spoczynku (w równowadze). Kąt utworzony przez powierzchnię ciała stałego i styczną do górnej powierzchni kropli w punkcie krańcowym nazywa się kątem zwilżania. Jest to kąt między styczną w punkcie kontaktu a linią poziomą powierzchni ciała stałego.

Jednak płyny tuszu i kąty zwilżania są dynamiczne, a nie statyczne. Gdy kropla przylega do powierzchni ciała stałego, a powierzchnię się przechyli, kropla wysuwa się do przodu i ześlizguje w dół. Powstałe kąty nazywa się odpowiednio kątem napływania (θa) i kątem cofania (θr) (rys. 2).

Kształt kropli wynika z sił molekularnych, dzięki którym wszystkie ciecze, poprzez kurczenie powierzchni, dążą do nadania zawartej objętości kształtu o najmniejszym polu powierzchni. Siły międzycząsteczkowe kurczące powierzchnię nazywa się „napięciem powierzchniowym”. Napięcie powierzchniowe tuszu atramentowego steruje prawidłowym wyrzutem z głowicy drukującej.

Napięcie powierzchniowe, miara energii powierzchniowej, wyraża się w dyn/cm. Im wyższa energia powierzchniowa podłoża stałego względem napięcia powierzchniowego cieczy (tuszu), tym lepsza jest jego zwilżalność i mniejszy kąt zwilżania. Zasadniczo akceptowalną przyczepność łączenia uzyskuje się, gdy energia powierzchniowa podłoża jest wyższa o około 8–10 dyn/cm od napięcia powierzchniowego cieczy.

Na kąty zwilżania na ogół wpływają zmiany chemii powierzchni i zmiany topografii powierzchni. Kąt napływania jest najbardziej czuły na składniki o niskiej energii (niemodyfikowane) powierzchni podłoża, natomiast kąt cofania jest bardziej czuły na grupy utlenione o wysokiej energii wprowadzone przez obróbki wstępne powierzchni.

Kąt cofania jest miarą najbardziej charakterystyczną dla zmodyfikowanego składnika powierzchni po obróbkach wstępnych. Pomiar dynamicznych kątów zwilżania jest ważny dla zrozumienia oddziaływań powierzchniowych, optymalnego wyrzutu oraz czasu potrzebnego między naniesieniem kropli a rozpoczęciem utwardzania. Bez tych informacji wystąpią poważne problemy z jakością druku atramentowego, np. satelity, overspray, mgła itp. Zaleca się stosowanie przyrządu do pomiaru kąta zwilżania wykorzystującego osadzanie balistyczne zamiast roztworów dynowych.

Podsumowanie

Jednoprzebiegowy druk kolorowy UV LED na sztywnych oraz elastycznych/rozciągliwych wyrobach to jedno z najnowszych osiągnięć zmieniających przemysłową technologię druku atramentowego. Aby osiągnąć udaną produkcję, na początku każdego projektu należy zrozumieć wiele czynników procesowych i ich wzajemnych zależności.

Bibliografia

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

†Seria tuszy Apollo FTX jest dostępna w sprzedaży. Prosimy o kontakt z The Sabreen Group pod numerem 972.820.6777 lub adresem [email protected].

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc., firmy doradztwa inżynieryjnego specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych – obróbce wstępnej powierzchni, łączeniu adhezyjnym, druku atramentowym, znakowaniu laserowym, zdobieniu i wykańczaniu oraz bezpieczeństwie produktu. Sabreen opracowuje pionierskie technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne od ponad 30 lat. Można się z nim skontaktować pod numerem 972.820.6777 lub odwiedzając stronę www.sabreen.com.

---