Impressão industrial a jato de tinta em vestíveis

Impressão industrial a jato de tinta em vestíveis

Os termos “vestíveis”, “dispositivos vestíveis” e “tecnologia vestível” (wearables) referem-se a tecnologias eletrônicas ou computadores que podem ser usados por um consumidor e que muitas vezes incluem informações de monitoramento relacionadas à saúde e ao condicionamento físico. Envolvem itens de pulso, de cabeça, óculos, braços, pernas, calçados, adesivos de pele, exoesqueletos e e-têxteis, e o negócio de dispositivos é enorme. O jato de tinta industrial é a única tecnologia digital que permite a impressão personalizada, funcional e não funcional, diretamente no produto.

Principais conclusões

• O jato de tinta é a única tecnologia digital que permite a impressão personalizada, funcional e não funcional, diretamente em vestíveis.
• A personalização, e não a impressão em si, sustenta o argumento de vendas: as marcas a usam para aumentar a fidelidade e obter feedback sobre o design.
• Hoje se espera certificação de contato com a pele. Após o recall de um milhão de vestíveis em 2014, os fornecedores certificam os materiais conforme normas de contato com a pele.
• Fique atento a irritantes como o PPD (p-fenilenodiamina) em formulações de materiais destinados a contato prolongado com a pele.
• O jato de tinta é mais delicado que a impressão analógica e exige que cabeçotes de impressão, fluidos, controladores, pré-tratamento e cura sejam integrados como um único sistema.

Demanda por personalização

A demanda por personalização impulsiona as vendas, seja em produtos de desempenho para saúde e condicionamento físico, smartwatches ou nas centenas de pulseiras interativas alternativas. A IDTechEx afirmou em um artigo recente que o negócio de eletrônicos vestíveis passa de US$ 20 bilhões em 2015 para quase US$ 70 bilhões em 2025.1 O setor dominante continuará sendo o de cuidados de saúde, que reúne saúde, condicionamento físico e bem-estar. Ele tem o maior número de grandes nomes, como Apple, Accenture, Adidas, Fujitsu, Nike, Philips, Reebok, Samsung, SAP e Roche, por trás dos desenvolvimentos mais promissores. Segundo a Bain & Company, a personalização de produtos ajuda as marcas a impulsionar as vendas, e a oportunidade é significativa.2 Estima-se que pelo menos 25% a 30% dos consumidores se interessem por opções de personalização. Em mercados selecionados, isso equivaleria a US$ 2 bilhões por ano por setor. Surgiram duas tendências importantes: primeiro, os consumidores de hoje são mais expressivos; e segundo, a personalização é a nova fidelidade.

Perguntas frequentes

O que conta como “vestível” para fins de impressão?

Tecnologias eletrônicas ou computadores usados por um consumidor, muitas vezes monitorando dados de saúde e condicionamento físico. Na prática, abrange itens de pulso, de cabeça, óculos, braços, pernas, calçados, adesivos de pele, exoesqueletos e e-têxteis, produtos que podem ser rígidos ou flexíveis.

Por que usar jato de tinta em vez de tampografia ou serigrafia?

Porque a personalização é o motor comercial. O jato de tinta é a única tecnologia digital que permite a impressão personalizada diretamente no produto, de modo que cada unidade pode ter um conteúdo diferente. Os processos analógicos de para e segue têm produtividade comparativamente baixa, e várias cores em itens de grande consumo tornam-se quase inviáveis em custo.

Que normas de segurança se aplicam às tintas em vestíveis?

Materiais destinados a contato prolongado com a pele são certificados conforme normas de contato com a pele, uma mudança que se acelerou depois que um fabricante fez o recall de um milhão de dispositivos vestíveis em 2014. As formulações devem evitar irritantes da pele, como o PPD, ou p-fenilenodiamina.

O que torna o jato de tinta mais difícil que a impressão analógica?

A precisão. O jato de tinta exige que os bicos disparem gotas de tamanho preciso com exatidão, e um sistema de alta qualidade deve integrar simultaneamente cabeçotes de impressão, fluidos, controladores eletrônicos, pré-tratamento e cura. Tudo isso deve funcionar em conjunto para produzir o resultado desejado.

Como as tintas de jato de tinta curáveis por UV diferem de outros tipos de tinta?

O polímero se forma durante a cura, por reação em cadeia de monômeros e oligômeros. Os monômeros são líquidos de baixa viscosidade que também servem de veículo da tinta, o que elimina a necessidade de água ou solvente e faz das tintas UV um produto com 100% de sólidos.

Impressão a jato de tinta em vestíveis

O foco deste artigo é a “personalização” por meio da impressão a jato de tinta em vestíveis moldados, de dispositivos eletrônicos interativos e relógios a calçados esportivos, vestuário e produtos impressos em 3D. Um dos primeiros e mais conhecidos vestíveis é a pulseira da Disney, também chamada de “MagicBand”. Cada pulseira contém um RFID e um rádio semelhante aos de um telefone sem fio de 2,4 GHz. A pulseira conecta os visitantes a um vasto e poderoso sistema de sensores e aplicativos móveis dentro do parque, servindo como forma de pagamento, ingresso, chave de quarto e muito mais. A maioria das pulseiras é de cores sólidas (como moldadas). A parte inferior de cada pulseira é marcada a laser e contém informações de identificação (veja acima. Fonte da foto: Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1). Pulseiras decoradas pré-projetadas são vendidas no varejo. Porém, para a experiência única e exclusiva, os entusiastas personalizam as pulseiras à mão, com aplicações trabalhosas em várias etapas, como apliques, decalques, tatuagens temporárias, capas e tintas vendidas em lojas de artes gráficas.

A impressão a jato de tinta impulsiona processos avançados de fabricação por sua capacidade exclusiva de depositar fluidos funcionais em uma ampla gama de aplicações, em padrões únicos ou complicados, ou em substratos inovadores. Por exemplo, as tintas condutivas de todas as tecnologias abrem caminhos em muitas áreas, especialmente em substratos flexíveis. Tintas de prata, polímeros condutores orgânicos, grafeno e nanotubos de carbono são usadas em circuitos e conectores em toda a eletrônica flexível. Com o jato de tinta, tornam-se úteis como conectores entre botões impressos (botões sensíveis ao toque de filme fino) em roupas (exemplo: jaquetas de esqui) e dispositivos móveis, etiquetas RFID passivas ou ativas ou iluminação por LED. A tecnologia de diodo orgânico emissor de luz (OLED) não só é flexível, mas, com o jato de tinta, também pode ser adaptada para identificação, segurança ou decoração em roupas externas. Além disso, com o jato de tinta são impressas várias camadas de materiais diferentes para criar construções de seis ou mais camadas distintas.

Condutores verdadeiramente elásticos são raros em qualquer tecnologia. A Purdue University anunciou uma nova classe de condutores de metal líquido imprimíveis a jato de tinta, demonstrados como adequados para materiais elásticos e emborrachados.3 Eles poderiam viabilizar uma nova classe de robôs flexíveis e roupas elásticas que as pessoas poderiam usar para interagir com computadores ou para fins terapêuticos.

Os adesivos são fundamentais nos vestíveis e muitas vezes são necessários em geometrias complexas (por exemplo, tênis esportivos). Cabeçotes de impressão de gotas grandes, controlados por robôs, aplicam adesivos em uma gama crescente de estruturas irregulares, dando cobertura total sem excesso e, ao mesmo tempo, comportando pequenas séries e trocas frequentes. Adesivos de látex para jato de tinta podem igualar as formulações tradicionais. Adesivos para jato de tinta curados por ultravioleta (UV) e por feixe de elétrons (EB) estão cada vez mais disponíveis, atendendo à demanda por cura imediata e, ao mesmo tempo, colagem a materiais dissimilares.

O jato de tinta de cura UV é popular em vestuário externo, crachás, artigos refletivos, equipamentos esportivos e calçados esportivos. A maior parte da impressão é feita em itens posicionados com precisão por gabaritos em bandejas ou formas que passam sob cabeçotes de impressão alternativos. Para alta produtividade, impressoras de passagem única com cabeçotes estacionários de largura total aplicam imagens em itens transportados em uma esteira a velocidades de até 60 fpm (pés por minuto) ou mais. A esteira costuma ter bandejas para que os itens fiquem sempre em posição fixa, ou a impressora pode recorrer a câmeras para localizar a posição e a orientação do item e jatear a imagem de acordo. Na cura UV, há uma lâmpada após os cabeçotes de impressão. As lâmpadas de LED estão cada vez mais populares pela longa vida útil, saída constante, baixa geração de ozônio e menor consumo de energia. Para itens vestíveis, o maior valor é que são frias, e o substrato recebe muito pouco calor. Plásticos, tecidos e filmes sensíveis ao calor podem ser impressos sem receio de encolhimento ou distorção. Uma advertência para usuários de tintas de cura por energia: como as tintas líquidas são perigosas, elas sempre devem ser curadas adequadamente, por segurança e durabilidade.

Tintas para jato de tinta curáveis por UV

A impressão a jato de tinta é muito mais complexa e delicada do que a impressão analógica. O jato de tinta exige que os bicos disparem gotas de tamanho preciso com exatidão. Sistemas de impressão a jato de tinta de alta qualidade precisam integrar simultaneamente cabeçotes de impressão, fluidos, controladores eletrônicos, pré-tratamento e cura. Todos esses itens devem funcionar juntos para produzir os resultados desejados.

As tintas para jato de tinta curáveis por UV secam instantaneamente. A impressão com tinta UV difere dos demais tipos porque o polímero se forma durante a cura, por reação em cadeia de monômeros e oligômeros. Os monômeros são líquidos de baixa viscosidade, por isso também funcionam como veículo líquido da tinta e eliminam a necessidade de água ou solvente; é por isso que as tintas de cura UV têm 100 por cento de sólidos e são alternativas ideais às tintas à base de solvente. Os oligômeros (moléculas reativas maiores) têm múltiplas funcionalidades químicas e são essenciais para construir o ligante corretamente.

A polimerização é iniciada por uma breve exposição à luz UV, que é radiação eletromagnética com comprimento de onda menor e energia maior que a luz visível. O UV próximo (comprimento de onda de 390 a 200 nanômetros) é usado na maior parte da cura UV. Ele se subdivide em UV-A (390 a 320 nanômetros) ou onda longa, UV-B (320 a 280 nanômetros) ou onda média e UV-C (280 a 200 nanômetros) ou onda curta. Além do UV próximo, outras categorias de UV incluem o UV distante (200 a 10 nanômetros) e o UV profundo (31 a 1 nanômetros). O comprimento de onda de pico mais comum nas lâmpadas convencionais de mercúrio para cura UV é 365 nanômetros, também chamado de linha I do mercúrio (espectro de luz).

Os vestíveis impressos são segurados nas mãos dos consumidores e sujeitos a inspeção visual muito próxima. O texto alfanumérico pode ter corpo seis ou menor. Para evitar artefatos visíveis e garantir a legibilidade, é necessária impressão de alta resolução. A impressão a jato de tinta de alta resolução tem dois componentes principais: o espaçamento dos pontos no substrato e o tamanho (volume) das gotas que formam os pontos. A alta resolução é obtida com o posicionamento próximo das gotas (hoje até 1.800 x 1.800 dpi), o que exige várias passagens e passos minúsculos na impressora típica de cabeçote oscilante.

Os componentes reativos ao UV são os fotoiniciadores: compostos que absorvem a energia e se dividem para produzir espécies químicas altamente reativas, radicais livres ou catiônicas, conforme o tipo. Cada uma pode se ligar a uma parte de um monômero ou oligômero, o que transfere a atividade a outra parte, que por sua vez pode reagir com outro monômero, e assim por diante até formar o polímero. As tintas UV usam corantes pigmentados. Os avanços em formulação e fabricação de tintas permitem aos fabricantes oferecer branco (W), especialmente útil como base em substratos de cor escura ou como fundo em substratos transparentes. As cores primárias do jato de tinta (ciano, magenta, amarelo e preto, ou CMYK) juntas oferecem uma grande gama de cores.

O desbotamento sob a luz do sol pode ser uma grande preocupação de durabilidade da impressão. Como as tintas UV usam pigmentos, e não corantes solúveis, elas são inerentemente menos sensíveis à luz solar do que as tintas de mesa. Obtém-se resistência muito boa ao desbotamento quando as tintas são feitas com pigmentos da indústria de tintas automotivas. Embora mais caros, eles são usados em tintas premium. A luz solar também pode degradar o polímero, causando calcinação (chalking) e fragilidade. Uma exposição contínua à luz externa de cinco anos é uma expectativa comumente atendida.

Os aditivos são essenciais em todas as formulações de tinta. As tintas para impressão em plásticos costumam conter promotores de adesão. O jateamento e a formação de gotas, obviamente centrais no jato de tinta, exigem equilíbrio cuidadoso entre modificadores de viscosidade e tensoativos. Se não estiver correto, a tinta pode formar névoa ou molhar excessivamente o cabeçote, e nenhuma das duas situações é satisfatória. Esses mesmos compostos também controlam o molhamento e o escoamento da tinta no substrato, ou seja, a adesão e o ganho de ponto. Geralmente são otimizados para uma química de superfície específica, mas há limitações. Por exemplo, uma tinta que molhe um substrato de baixa energia de superfície vazará do cabeçote de impressão. Por isso, muitas superfícies precisam ser tratadas para ficarem na faixa de funcionalidade da tinta.

As tintas para jato de tinta têm baixa viscosidade e baixa tensão superficial, o que cria desafios de adesão em muitos substratos poliméricos, como acetais, poliolefinas e poliuretanos. Esses tipos de plásticos quimicamente inertes são hidrofóbicos e não molháveis naturalmente. Como regra geral, obtém-se adesão aceitável quando a energia de superfície de um substrato é aproximadamente 8 a 10 dynes/cm maior que a tensão superficial do líquido.

A velocidade da impressora também pode afetar a tensão superficial efetiva da tinta. Uma tinta que mede estaticamente 25 dynes de tensão superficial pode se comportar dinamicamente como uma tinta com 40 dynes de tensão superficial em uma impressora de alta velocidade. A ação dos cabeçotes e dos sistemas de impressão a jato de tinta sobre os fluidos que dispensam pode afetar de forma significativa o modo como os componentes do fluido se realinham durante a dispensação e a interação com a superfície de impressão e com outras camadas de tinta ou revestimento.

O grau ou a qualidade do tratamento é afetado pela limpeza da superfície do plástico. A superfície deve estar limpa para obter o pré-tratamento ideal e, em seguida, a adesão da tinta. Contaminações superficiais, como desmoldante de silicone, sujeira, poeira, graxa, óleos e impressões digitais, inibem o tratamento. A pureza do material também é um fator importante.

Conclusão: metodologia de soluções completas

Uma metodologia de soluções completas é essencial para desenvolver materiais poliméricos e a impressão a jato de tinta em vestíveis. À medida que os requisitos dos consumidores e a funcionalidade evoluem, aumentam também as exigências sobre os materiais destinados a contato prolongado com a pele. Depois que a FitBit fez o recall de um milhão de dispositivos vestíveis em 2014, os fornecedores passaram a certificar os materiais conforme normas de contato com a pele. Os controles do processo de impressão a jato de tinta são igualmente fundamentais. Os fatores importantes incluem:

• Formulações de materiais (incluindo couro, borracha, poliuretano termoplástico, elastômeros de copoliéster e aditivos) que não irritem a pele, como o PPD ou p-fenilenodiamina.
• Requisitos de material, incluindo durabilidade, resistência química, resistência a UV e resistência a riscos.
• Normas internacionais de conformidade sobre toxicidade, como a ISO 10993-10:2010 (Avaliação biológica de dispositivos médicos, Parte 10).
• Excelente adesão da tinta. Minimizar compostos de baixa massa molecular que migram para a superfície.
• Química do fluido da tinta e desempenho de jateamento.
• Sistemas de impressão robustos, que possam ser instalados em quiosques e em unidades de fabricação.

Referências

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

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de engenharia especializada em processos secundários de fabricação de plásticos: marcação a laser, pré-tratamentos de superfície, colagem, decoração e acabamento e segurança de produtos. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Ele pode ser contatado pelo telefone 972.820.6777 ou pelos sites www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., fundou a SPF-Inc. em 2000 para atender às indústrias de impressão e embalagem, com foco em adaptar a impressão digital a novos mercados e aplicações. Nano-químico de formação, cerca de metade de suas 25 patentes nos EUA está relacionada à impressão digital. Ele é membro da SGIA, da TAPPI e da RadTech. Pode ser contatado pelo e-mail [email protected].

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