Impressão a Jato de Tinta em Plásticos

Impressão a Jato de Tinta em Polipropileno, Náilon e Outros Plásticos

Impressão Industrial a Jato de Tinta em Plásticos

Saiba como obter forte adesão de tinta e resistência ao intemperismo severo em ambientes externos na impressão a jato de tinta em produtos de polipropileno e plásticos de baixa energia de superfície usando tintas UV LED para jato de tinta. Processos de impressão a jato de tinta projetados com expertise e revestimentos hidrofóbicos em nanoescala em produtos plásticos internos e externos são garantidos para até 30 anos de exposição UV e intemperismo. Novas tecnologias de tintas e revestimentos ampliam significativamente as aplicações da impressão digital a jato de tinta UV LED por gotejamento sob demanda.

revestimentos hidrofóbicos em nanoescala

Impressão a Jato de Tinta UV LED em Polipropileno (Foto Real Tirada com Smartphone)

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A impressão a jato de tinta UV LED piezoelétrica por gotejamento sob demanda em polímeros e substratos flexíveis é mais complexa e delicada do que a impressão analógica tradicional. A tecnologia de jato de tinta por gotejamento sob demanda exige que os bicos disparem gotas com tamanho e precisão exatos. Sistemas de impressão a jato de tinta de alta qualidade precisam integrar simultaneamente cabeçotes de impressão, fluidos, controladores eletrônicos, pré-tratamento e cura. Todos os elementos devem funcionar perfeitamente em conjunto para produzir os resultados desejados.

Existem três principais parâmetros de processo: 1) substrato polimérico, 2) impressora a jato de tinta e 3) química da tinta e compatibilidade com a superfície do substrato. Todos os elementos precisam ser precisos e estáveis para alcançar excelente qualidade de impressão. Alterar qualquer um desses parâmetros gera um efeito de desequilíbrio que exige ajustes nos demais. A impressão em geometrias tridimensionais e contornadas é ainda mais complicada, pois há relativamente poucas opções de impressoras/cabeçotes de fabricantes OEM. Cada fabricante OEM limita as tintas certificadas desenvolvidas para uma faixa reduzida. Um entendimento profundo das particularidades da impressão a jato de tinta e da ciência de superfícies possibilita capacidades e resultados sem precedentes.

A SABREEN desenvolveu e comercializou recentemente tintas UV LED e processos de impressão a jato de tinta para personalização de produtos plásticos e de borracha flexíveis que se esticam mais de 100%. Os produtos incluem faixas de exercício terapêutico, toucas de natação, vestíveis higiênicos e outros. A análise toxicológica independente está em conformidade com a Proposição 65 da Califórnia (CAL Prop 65), a Avaliação de Risco de Toxicidade dos EUA e a norma ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14).

Nosso processo de impressão a jato de tinta usa tintas de alta qualidade e tecnologia de impressão avançada para garantir imagens vibrantes e duradouras em todos os tipos de plásticos.

Na impressão a jato de tinta, a adesão é fundamental. As variáveis que afetam a adesão incluem o material polimérico (incluindo corantes, cargas e aditivos), o processo de moldagem, as condições de superfície, a textura e o armazenamento e manuseio. É importante que engenheiros de projeto e manufatura selecionem o termoplástico ideal, que atenda aos critérios de desempenho em campo e seja de fácil impressão. Revestimentos protetores transparentes (topcoat) permitem proteção estendida contra produtos químicos e abrasão, como lavagem em lava-louças com água quente (superando 500 ciclos consecutivos). Esses revestimentos são aplicados sobre tintas pigmentadas, seja em fluido de jato de tinta ou por atomização por spray.

Os termoplásticos se dividem em duas subcategorias: amorfos e cristalinos. As moléculas, longas e em forma de cadeia, são mantidas unidas por forças de Van der Waals relativamente fracas. Em geral, os polímeros amorfos apresentam propriedades de adesão melhores do que os cristalinos. O termo amorfo significa não ter forma definida, ou ter uma forma facilmente alterável. Cristalino implica que há um padrão regular e definido nos agregados moleculares. Resinas amorfas como ABS, poliestireno e policarbonato apresentam estrutura aleatória, semelhante a espaguete. Ao serem aquecidas, elas amolecem e não possuem temperatura de fusão bem definida.

Resinas cristalinas como poliolefinas, PET e náilon têm padrão ordenado, como uma mola enrolada — assim como uma mola metálica amortece vibração, também o fazem os materiais cristalinos. Elas possuem temperatura de fusão bem definida. Em um polímero, esses dois estados coexistem: seções adjacentes dos polímeros se agrupam em feixes cristalinos compactos, mantidos unidos por forças de atração secundárias, enquanto outras seções das mesmas moléculas não conseguem se organizar fisicamente na estrutura cristalina e permanecem amorfas. Veja a Figura 2.

Figura 2. Termoplásticos Amorfos e Cristalinos

Seleção de Termoplásticos – Compatibilidade de Processo

Para que a impressão a jato de tinta seja bem-sucedida, a tinta em temperatura elevada precisa ser ejetada com facilidade pelo cabeçote, interagir adequadamente com o substrato e alcançar forte adesão. Esse contato íntimo é chamado de “molhamento” da superfície e se refere à capacidade da tinta de se espalhar sobre ela. No entanto, a maioria das superfícies poliméricas é naturalmente hidrofóbica e resiste ao molhamento. Caracteristicamente, esses plásticos são quimicamente inertes, com superfícies não porosas e baixa energia de superfície, o que torna a adesão da impressão quase impossível. A energia de superfície é o excesso de energia presente na superfície (em oposição ao volume interno) de um sólido.

O processo de moldagem primária é fundamental para alcançar as propriedades declaradas do material polimérico. Incorporar o pré-tratamento por plasma adequado, em conjunto com a textura de superfície e boas práticas de fabricação, resolve a maioria — senão todos — os problemas de adesão e molhamento. Selecionar o melhor termoplástico para uma determinada aplicação não é tarefa fácil. Os projetistas de peças costumam buscar propriedades de material em volume e de superfície que, muitas vezes, são difíceis de imprimir. Vamos examinar exemplos de aplicação que demonstram o equilíbrio crítico entre a seleção do polímero e a facilidade de impressão.

A impressão a jato de tinta colorida sobre poliamida (náilon) é uma das aplicações mais procuradas. A composição química do náilon confere a ele um ponto de fusão elevado, tornando-o uma excelente alternativa a componentes metálicos em ambientes de alta temperatura, como motores automotivos e outros tipos de máquinas de alto atrito. Assim como outros materiais termoplásticos, o náilon se transforma em líquido no ponto de fusão, em vez de queimar, o que significa que pode ser derretido e remoldado ou reciclado. O material de náilon também não esquenta facilmente quando usado em aplicações de alto atrito. No entanto, as tintas de jato de tinta não aderem facilmente ao náilon (nem à maioria dos polímeros de baixa energia de superfície) sem tinta especializada e pré-tratamento. Isso se deve, em parte, às suas propriedades hidrofóbicas. Veja a Figura 3.

Figura 3. Propriedades Típicas do Náilon Plástico (PA)

Antes de tudo, é preciso garantir que os materiais de náilon sejam devidamente secos e processados para alcançar propriedades equivalentes às do material recém-moldado e seco. Os fabricantes de resina produzem seus produtos com processos químicos diferentes, o que pode afetar o desempenho da adesão. Avalie fornecedores alternativos por resina/grau e observe as diferenças entre o Náilon 6 e o Náilon 66 (Náilon 11 e 12). Diferente do Náilon 6, o Náilon 66 é composto por dois monômeros, a hexametilenodiamina e o ácido adípico, cada um fornecendo seis átomos de carbono — daí o nome 66. O material é mais cristalino por natureza do que o Náilon 6, o que melhora a rigidez e o módulo de tração e flexão.

O Náilon 6 absorve ligeiramente mais umidade do que o Náilon 66. Após a moldagem e antes das operações secundárias, os produtos devem ser embalados preferencialmente em sacos de poliéster, e não em sacos plásticos comuns (polybags). Espécies de baixo peso molecular presentes nos sacos plásticos comuns migram para a superfície, causando problemas de contaminação cruzada. O tempo de armazenamento e a temperatura também afetam o desempenho da adesão. Imprima o mais rápido possível após a moldagem.

Se os problemas de impressão não puderem ser resolvidos, considere usar um plástico alternativo que tenha propriedades semelhantes e seja mais fácil de imprimir ou marcar a laser. Esse ponto reforça a importância, tanto para projetistas quanto para engenheiros de manufatura, de desenvolver as especificações do produto. O polipropileno e o polietileno de alta densidade (PEAD/HDPE) são menos sensíveis a problemas de moldagem, material e impressão, além de serem menos caros. O HDPE é o mais fácil dos três de imprimir, por ser termodinamicamente mais estável. Veja a Figura 4.

As tintas de jato de tinta têm baixa viscosidade e baixa tensão superficial, o que gera desafios de adesão em muitos substratos poliméricos, como acetais, poliolefinas e poliuretanos. Esses tipos de plásticos quimicamente inertes são hidrofóbicos e não são naturalmente molháveis. Considere uma única gota de fluido líquido sobre uma superfície sólida plana em repouso (equilíbrio). O ângulo formado pela superfície sólida e pela linha tangente à superfície superior no ponto final é chamado de ângulo de contato; é o ângulo (x) entre a linha tangente no ponto de contato e a linha horizontal da superfície sólida. Veja a Figura 2.

O formato da bolha/gota se deve às forças moleculares pelas quais todos os líquidos, por meio da contração da superfície, tendem a organizar o volume contido em uma forma com a menor área de superfície possível. As forças intermoleculares que contraem a superfície são chamadas de “tensão superficial”.

A tensão superficial, uma medida da energia de superfície, é expressa em dinas/cm. Quanto maior a energia de superfície do substrato sólido em relação à tensão superficial de um líquido (água, tintas de impressão, adesivos/encapsulamento, revestimentos etc.), melhor será sua “molhabilidade” e menor será o ângulo de contato (Figura 2).

Como regra geral, obtém-se adesão aceitável quando a energia de superfície de um substrato é aproximadamente 8 a 10 dinas/cm maior do que a tensão superficial do líquido.

Figura 2. Ângulo de Contato e Grau de Molhamento

Figura 3. Fluxo do Fluido e Ângulo de Contato Dinâmico

Na prática, os fluidos e os ângulos de contato são dinâmicos, não estáticos. Veja a Figura 3. O ângulo de contato dinâmico (ACD) é o mais importante. Quando uma gota está fixada a uma superfície sólida e essa superfície é inclinada, a gota avança e desliza para baixo. Os ângulos formados são chamados, respectivamente, de ângulo de avanço (θa) e ângulo de recuo (θr).

Em geral, considera-se que os ângulos de contato são afetados tanto por mudanças na química da superfície quanto por mudanças na topografia da superfície. O ângulo de contato de avanço é mais sensível aos componentes de baixa energia (não modificados) da superfície do substrato, enquanto o ângulo de recuo é mais sensível aos grupos oxidados de alta energia introduzidos pelos pré-tratamentos de superfície. Assim, o ângulo de recuo é, na verdade, a medida mais característica do componente modificado da superfície após os pré-tratamentos, conforme medido com soluções de dinas. Por isso, é importante medir tanto o ângulo de contato de avanço quanto o de recuo em todos os materiais com superfície modificada.

A pureza do material também é um fator importante. A vida útil de plásticos tratados depende do tipo de resina, da formulação e do ambiente de armazenamento. A vida útil de produtos tratados é limitada pela presença de substâncias como antioxidantes, plastificantes, agentes deslizantes e antiestáticos, corantes e pigmentos, estabilizantes etc. A exposição de superfícies tratadas a temperaturas elevadas aumenta a mobilidade das cadeias moleculares — quanto maior a mobilidade das cadeias, mais rápido é o envelhecimento do tratamento. A mobilidade das cadeias poliméricas em materiais tratados faz com que os sítios de ligação criados pelo tratamento se afastem da superfície. Esses componentes podem eventualmente migrar para a superfície do polímero. Por isso, recomenda-se colar, revestir, pintar, imprimir ou decorar o produto o mais rápido possível após o pré-tratamento.

As tintas UV usam apenas corantes pigmentados, mas a variedade é ampla e não representa uma limitação significativa. Os avanços na formulação e fabricação de tintas permitem que os fabricantes ofereçam a cor branca (W), especialmente útil como base em substratos de cores escuras ou como fundo em substratos transparentes. As cores primárias de jato de tinta — ciano, magenta, amarelo e preto (CMYK) — juntas oferecem uma ampla gama de cores, pois as camadas de tinta podem ser espessas. Porém, por serem baseadas em pigmentos, elas são pelo menos parcialmente opacas e encobrem as cores abaixo. A intensidade não se traduz totalmente nas cores secundárias, o que exclui diversas cores Pantone populares entre grandes marcas.

A impressão analógica utiliza cores diretas (spot colors) formuladas especificamente. Elas poderiam estar disponíveis nesse mercado, especialmente com máquinas de 6, 8 e 10 cabeçotes, mas não são populares porque é muito mais difícil trocar uma cor direta em uma impressora a jato de tinta do que em impressão flexográfica ou serigrafia. Isso também conflita com a capacidade digital de alternar trabalhos com imagens consecutivas. Uma alternativa é usar conjuntos de tintas de gama estendida, com tintas intensas de tonalidade intermediária entre ciano/magenta e amarelo. Vermelho, verde e azul (RGB), ou laranja, verde e violeta (OGV), são usados em rótulos e impressão publicitária para ampliar a gama e cobrir a maioria das cores vivas, específicas e intensas das marcas. Essas cores também podem ser formuladas sob medida para produtos plásticos tridimensionais.

Reproduzir cores claras, especialmente tons de pele, é uma dificuldade constante na impressão a jato de tinta UV. Mesmo as menores gotas de CMK, atualmente de apenas 4 picolitros, ainda são grandes demais para o fotorrealismo. No entanto, ao incluir um segundo conjunto de magenta claro (lm) e ciano claro (lc), os artefatos de pontos individuais são eliminados. A opção CMYKlclmW está disponível nesse mercado pelos fabricantes OEM de impressoras.

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