Impressão a jato de tinta UV LED em passagem única em plásticos 3D: química da tinta e superfícies poliméricas

Impressão a jato de tinta UV LED em passagem única em plásticos 3D: química da tinta e superfícies poliméricas

A impressão a jato de tinta industrial está causando um impacto significativo na decoração feita tradicionalmente por processos analógicos convencionais, como tampografia, serigrafia e flexografia/rotogravura. A tecnologia de jato de tinta evoluiu de tintas de solvente monocromáticas contínuas para cores de gama completa por gota sob demanda, de binário para escala de cinza, de lâmpadas de vapor de mercúrio para cura UV LED e de impressoras planas com varredura para rotacionais de 360°. A nova fronteira é a impressão colorida UV LED em passagem única em produtos plásticos 3D, com uma nova tinta certificada quanto à toxicidade e à biocompatibilidade. A passagem única é mais rápida que a varredura e mais produtiva em custo, mas a tecnologia é mais complexa e exige engenharia precisa. Esses fatores se somam aos desafios inerentes à adesão da tinta em polímeros de baixa energia de superfície. Os ângulos de contato dinâmicos são examinados para determinar a viscosidade da tinta e a molhabilidade da superfície.

Principais conclusões

• A passagem única é mais rápida e mais produtiva em custo que a varredura, mas consideravelmente mais complexa de projetar.
• A varredura esconde erros. Várias passagens mascaram pontos ausentes ou mal posicionados; a passagem única não perdoa.
• A escolha da tinta é a decisão mais crítica. Ela determina o tipo de cabeça de impressão, os parâmetros de cura e a necessidade de pré-tratamento.
• O borrão de cor (color bleed) é o risco da passagem única, pois um grande volume de tinta é depositado em uma só passagem.
• Tintas de baixa viscosidade e baixa tensão superficial têm dificuldade em poliolefinas, náilons e TPE/borracha, que são apolares e não molháveis naturalmente.

Impressão por varredura versus passagem única

As impressoras a jato de tinta imprimem aplicando a tinta em uma única passagem ou em várias. Ou as cabeças de impressão se movem sobre o objeto, ou o objeto se move sob uma cabeça de impressão fixa ou um conjunto fixo de cabeças. A varredura, ou impressão multipassagem, significa que a impressora faz muitas passagens sobre o substrato para cobri-lo totalmente e fornecer o detalhe exigido.

Um benefício da varredura é que ela torna menos visíveis quaisquer erros de impressão, como pontos ausentes ou mal posicionados. A desvantagem é a lentidão, pois são necessárias várias passagens sobre a mesma área para cobertura completa de tinta. Na impressão em passagem única, as cabeças de impressão imprimem diretamente em um substrato (ou bobina) em movimento, em um sistema de transporte móvel. A vantagem significativa da passagem única é a maior velocidade e produtividade.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre jato de tinta por varredura e em passagem única?

Na varredura, ou multipassagem, a impressora faz muitas passagens sobre o substrato para obter cobertura e detalhe completos. Na passagem única, as cabeças de impressão imprimem diretamente em um objeto em movimento, em uma só passagem. A varredura é mais lenta, porém mais tolerante; a passagem única é mais rápida e produtiva, mas muito menos tolerante a erros.

Por que a impressão em passagem única é mais difícil de acertar?

Porque não há segunda passagem para cobrir erros. Qualquer ponto ausente ou mal posicionado fica visível, e o controle do borrão de cor torna-se crítico, pois todo o volume de tinta é depositado de uma só vez, e não acumulado aos poucos.

Qual é a decisão mais importante em um projeto de jato de tinta?

A tinta. Sua escolha determina os componentes do sistema: tipo de cabeça de impressão, parâmetros de cura e necessidade de pré-tratamento da superfície. A química do fluido, a viscosidade e o cisalhamento, e a física de jateamento de cada gota precisam se comportar com precisão em condições extremas, e essas exigências são ampliadas na passagem única.

Por que as tintas de jato de tinta têm dificuldade de aderir a certos plásticos?

As tintas de jato de tinta têm baixa viscosidade e baixa tensão superficial, enquanto poliolefinas, náilons e substratos de TPE ou borracha são apolares, quimicamente inertes, hidrofóbicos e não molháveis naturalmente. Sem elevar a energia de superfície, a tinta não consegue o contato íntimo que a adesão exige.

Onde o jato de tinta em passagem única já se comprovou?

Principalmente em aplicações 2D: bilhetes de loteria em bobina, cartões inteligentes, ladrilhos cerâmicos, caixas e embalagens de papelão. A fronteira mais nova é a impressão colorida em passagem única em produtos plásticos 3D, com tintas certificadas quanto à toxicidade e à biocompatibilidade.

Tintas de cura UV

Em todas as aplicações, a escolha da tinta é a decisão mais crítica, que determina os componentes do sistema, incluindo o tipo de cabeça de impressão, os parâmetros de cura e a eventual necessidade de pré-tratamento de superfície. A química do fluido (viscosidade e cisalhamento) e a física do jateamento de cada gota de tinta precisam se comportar com precisão para funcionar em condições extremas. Esses fatores se ampliam na impressão em passagem única em comparação com a varredura.

O jato de tinta em passagem única existe há algum tempo, com ênfase na impressão 2D de bilhetes de loteria em bobina, cartões inteligentes, ladrilhos cerâmicos, caixas e embalagens de papelão, entre outros. Os desafios tecnológicos iniciais foram superados, junto com avanços recentes em química de tintas e ciência de polímeros, permitindo a impressão a jato de tinta UV LED colorida em passagem única de polímeros de baixa energia de superfície. Estão disponíveis sistemas de produção em massa totalmente automatizados, com pré-tratamento em linha e visão opcionais. Este artigo examina as tintas de cura UV, as superfícies poliméricas e a molhabilidade.

As tintas UV são curadas até se tornarem sólidas quando os fotoiniciadores da tinta interagem com uma fonte de luz ultravioleta de alta intensidade. As tintas UV são consideradas mais ecológicas por, na prática, não conterem solventes. No entanto, essas tintas levantam preocupações de toxicidade. A tinta UV não curada contém monômero que não reagiu, o que é prejudicial ao corpo humano. Mesmo impressões finalizadas e curadas podem ter monômero residual que não reagiu. Recomenda-se fortemente o uso de radiômetros.

Os componentes individuais das tintas pigmentadas de cura UV normalmente incluem monômeros (líquidos de baixa viscosidade), oligômeros (propriedades de adesão e cura), pigmentos (cor), fotoiniciadores (cura UV) e aditivos (molhabilidade e dispersantes).

Cada componente tem papel importante na otimização das propriedades de desempenho da fórmula final da tinta. Formular uma tinta branca UV, em comparação com as cores de processo, para impressão a jato de tinta em passagem única é desafiador devido às suas partículas de pigmento de TiO2, grandes e pesadas, que sedimentam com facilidade.

A viscosidade (ou, a rigor, a viscosidade de cisalhamento) é um parâmetro crítico que regula o fluxo pelo bico da cabeça de impressão e o pulso de disparo. Em cabeças de impressão piezoelétricas de gota sob demanda, o pulso de disparo é uma tensão que cria um movimento de um elemento piezo para induzir um diferencial de pressão (Figura 1).

Depois que uma gota é disparada, uma oscilação alternada de pressão diminui com o tempo (efeito de amortecimento). Devido às altas vazões e aos pequenos diâmetros dos bicos, os fluidos operam em um regime de altas taxas de cisalhamento. Além disso, a viscosidade influencia o enchimento da câmara de tinta da cabeça de impressão. A viscosidade geralmente diminui com o aumento da taxa de cisalhamento, e esse fluido é chamado de “pseudoplástico” (shear-thinning); o fenômeno inverso, em que a viscosidade aumenta com a taxa de cisalhamento, caracteriza um fluido “dilatante” (shear-thickening).

À medida que as tintas ficam mais espessas ou mais finas, a alteração do cisalhamento pode prejudicar o desempenho de jateamento. No bico, a tinta é cisalhada e alongada ao mesmo tempo, e é importante entender a viscosidade elongacional, pois ela afeta a formação e a quebra do filamento de tinta e a subsequente formação da gota.

Por exemplo, a série de tintas Apollo FTX é formulada e qualificada como segura para adultos e crianças (contato com a pele humana) conforme a ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) e testada quanto à biocompatibilidade†. A química é precisamente ajustada às propriedades específicas de cura UV LED e à estética, sem subcura (pegajosa) nem supercura (quebradiça).

Essa tinta tem fluxo alto e consistente (comportamento reológico estável) e ângulo de contato de saída da tinta que deixa o bico (quebra uniforme do jato). Essa tinta possui excepcional molhabilidade, adesão e adesão intermolecular entre a tinta branca (camada base) e as cores CMYK++. O pré-tratamento de superfície não é necessário em muitos substratos de baixa energia de superfície, incluindo borracha nitrílica e látex.

As propriedades finais de cura demonstram resistência incomparável a riscos/marcas e a produtos químicos, inclusive em ensaio de lava-louças. A tinta é compatível com modelos específicos de cabeças de impressão Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba e Konica Minolta.

Superfícies poliméricas e molhabilidade

A viscosidade precisa da tinta na impressão em passagem única é crítica para controlar o borrão de cor (devido ao grande volume de tinta depositado em uma só passagem) em comparação com as impressoras de varredura. As tintas de jato de tinta têm baixa viscosidade e baixa tensão superficial, o que cria problemas de adesão em muitos polímeros, como poliolefinas, náilons, TPE/borracha etc. Esses tipos de substrato são plásticos apolares e quimicamente inertes, hidrofóbicos e não molháveis naturalmente.

Considere uma única gota de líquido sobre uma superfície sólida plana em repouso (equilíbrio). O ângulo formado pela superfície sólida e pela tangente à superfície superior da gota no ponto final é chamado de ângulo de contato. É o ângulo entre a tangente no ponto de contato e a linha horizontal da superfície sólida.

No entanto, os fluidos de tinta e os ângulos de contato são dinâmicos, não estáticos. Quando uma gota está aderida a uma superfície sólida e esta é inclinada, a gota avança e escorre para baixo. Os ângulos formados são chamados, respectivamente, de ângulo de avanço (θa) e ângulo de recuo (θr) (Figura 2).

A forma da gota se deve às forças moleculares pelas quais todos os líquidos, por contração da superfície, tendem a dar ao volume contido a forma de menor área superficial. As forças intermoleculares que contraem a superfície são chamadas de “tensão superficial”. A tensão superficial da tinta de jato de tinta controla o jateamento correto a partir da cabeça de impressão.

A tensão superficial, uma medida da energia de superfície, é expressa em dynes/cm. Quanto maior a energia de superfície do substrato sólido em relação à tensão superficial do líquido (tinta), melhor será sua molhabilidade e menor será o ângulo de contato. Como regra, obtém-se uma adesão aceitável quando a energia de superfície de um substrato é cerca de 8 a 10 dynes/cm maior que a tensão superficial do líquido.

Os ângulos de contato geralmente são afetados por mudanças na química da superfície e 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.

O ângulo de recuo é a medida mais característica do componente modificado da superfície após os pré-tratamentos. É importante medir os ângulos de contato dinâmicos para entender as interações da superfície, o jateamento ideal e o tempo necessário entre a deposição da gota e o início da cura. Sem essa informação, ocorrerão grandes problemas de qualidade de impressão a jato de tinta, como satélites, overspray, névoa etc. Recomenda-se usar um instrumento de medição de ângulo de contato com deposição balística, em vez de soluções de dyne.

Conclusão

A impressão colorida UV LED em passagem única de produtos rígidos e flexíveis/elásticos é um dos avanços mais recentes que mudam a tecnologia industrial de jato de tinta. Para uma produção bem-sucedida, muitos fatores de processo e inter-relações precisam ser compreendidos no início de qualquer projeto.

Referências

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

†A série de tintas Apollo FTX está disponível para compra. Entre em contato com a The Sabreen Group pelo telefone 972.820.6777 ou pelo e-mail [email protected].

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de consultoria em engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos: pré-tratamento de superfície, união por adesão, impressão a jato de tinta, marcação a laser, 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 pelo site www.sabreen.com.

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