In phun trên nhựa

In phun trên polypropylene, nylon và các loại nhựa khác

In phun công nghiệp trên nhựa

Tìm hiểu cách đạt được độ bám dính mực in bền vững và khả năng chịu thời tiết khắc nghiệt ngoài trời khi in phun trên các sản phẩm polypropylene và nhựa có năng lượng bề mặt thấp bằng mực in phun UV LED. Các quy trình in phun được thiết kế chuyên sâu cùng lớp phủ kỵ nước cấp độ nano trên sản phẩm nhựa dùng trong nhà và ngoài trời được bảo hành khả năng chịu tia UV và thời tiết lên đến 30 năm. Các công nghệ mực in và lớp phủ mới giúp mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của công nghệ in phun UV LED nhỏ giọt theo yêu cầu (drop-on-demand) kỹ thuật số.

lớp phủ kỵ nước cấp độ nano

In phun UV LED trên polypropylene (ảnh chụp thực tế bằng smartphone)

Nhận tấm bảng mẫu miễn phí

Nhận tấm bảng mẫu polypropylene kích thước 4”x6” theo yêu cầu, được in bằng công nghệ in phun UV LED đột phá.

Liên hệ ngay hôm nay

In phun UV LED áp điện theo kiểu nhỏ giọt theo yêu cầu (drop-on-demand) lên polymer và vật liệu nền mềm dẻo phức tạp và tinh vi hơn nhiều so với in analog truyền thống. Công nghệ in phun nhỏ giọt theo yêu cầu đòi hỏi đầu phun phải phun ra các giọt mực có kích thước chính xác với độ chính xác tuyệt đối. Các hệ thống in phun chất lượng cao phải tích hợp đồng thời đầu in, chất lỏng (mực), bộ điều khiển điện tử, khâu tiền xử lý và khâu sấy/đóng rắn. Tất cả các thành phần này phải phối hợp nhịp nhàng với nhau để đạt được kết quả mong muốn.

Có ba thông số quy trình đầu vào chính: 1) vật liệu nền polymer, 2) máy in phun và 3) tính tương thích giữa hóa học mực in và bề mặt vật liệu nền. Tất cả các yếu tố này phải chính xác và ổn định để đạt chất lượng in vượt trội. Việc thay đổi bất kỳ thông số nào trong số này đều gây mất cân bằng, đòi hỏi phải điều chỉnh các thông số còn lại. Việc in trên các bề mặt ba chiều và có biên dạng cong càng phức tạp hơn do số lượng lựa chọn máy in/đầu in của các nhà sản xuất OEM còn tương đối hạn chế. Mỗi OEM chỉ giới hạn các loại mực đã được chứng nhận, phát triển cho một phạm vi ứng dụng nhất định. Hiểu biết sâu sắc về những điểm phức tạp của công nghệ in phun và khoa học bề mặt sẽ mở ra những khả năng và kết quả chưa từng có.

SABREEN gần đây đã phát triển và thương mại hóa mực in UV LED cùng quy trình in phun để tùy biến các sản phẩm nhựa và cao su mềm dẻo có độ giãn trên 100%. Các sản phẩm bao gồm dây tập phục hồi chức năng, mũ bơi, sản phẩm đeo trên người phục vụ vệ sinh và nhiều loại khác. Kết quả phân tích độc chất học độc lập tuân thủ CAL Prop 65, đánh giá rủi ro độc tính của Hoa Kỳ và ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14).

Quy trình in phun của chúng tôi sử dụng mực in chất lượng cao và công nghệ in tiên tiến để đảm bảo hình ảnh sắc nét, bền màu trên mọi loại nhựa.

Đối với in phun, độ bám dính là yếu tố then chốt. Các biến số ảnh hưởng đến độ bám dính bao gồm vật liệu polymer (kể cả chất tạo màu, chất độn và phụ gia), quy trình ép khuôn, tình trạng bề mặt, độ nhám bề mặt và điều kiện lưu kho & xử lý. Kỹ sư thiết kế và sản xuất cần lựa chọn loại nhựa nhiệt dẻo tối ưu, vừa đáp ứng tiêu chí hiệu năng thực tế vừa dễ in. Lớp phủ bảo vệ trong suốt (lớp phủ ngoài) giúp kéo dài khả năng chống hóa chất/mài mòn, chẳng hạn như chịu được rửa bằng máy rửa chén nước nóng (trên 500 chu kỳ liên tục). Các lớp phủ này được phủ lên trên lớp mực có màu, dù ở dạng mực in phun hay phun sương.

Nhựa nhiệt dẻo được chia thành hai phân nhóm: vô định hình (amorphous) và tinh thể (crystalline). Các phân tử dạng chuỗi rất dài được liên kết với nhau bằng lực Van der Waals tương đối yếu. Nhìn chung, polymer vô định hình có đặc tính bám dính tốt hơn polymer tinh thể. Thuật ngữ vô định hình nghĩa là không có hình dạng xác định, hoặc hình dạng dễ bị thay đổi. Tinh thể hàm ý rằng các tập hợp phân tử có cấu trúc sắp xếp đều đặn, xác định. Các loại nhựa vô định hình như ABS, styrene và polycarbonate có cấu trúc ngẫu nhiên, giống như sợi mì spaghetti đan xen. Khi gia nhiệt, chúng mềm ra và không có nhiệt độ nóng chảy xác định rõ ràng.

Các loại nhựa tinh thể như polyolefin, PET và nylon có cấu trúc sắp xếp trật tự, giống như lò xo cuộn giúp giảm chấn, nhờ vậy vật liệu tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định rõ ràng. Trong một polymer, hai trạng thái này cùng tồn tại: các đoạn phân tử liền kề sắp xếp chặt chẽ thành các bó tinh thể được liên kết bởi lực hút thứ cấp, trong khi các đoạn khác của cùng phân tử không thể sắp xếp vào mạng tinh thể và vẫn ở trạng thái vô định hình. Xem Hình 2.

Hình 2. Nhựa nhiệt dẻo vô định hình và tinh thể

Lựa chọn nhựa nhiệt dẻo – khả năng tương thích với quy trình

Để in phun thành công, mực in ở nhiệt độ cao phải dễ dàng phun ra từ đầu in, tương tác phù hợp với vật liệu nền và đạt được độ bám dính tốt. Sự tiếp xúc chặt chẽ này được gọi là “thấm ướt” hay “làm ướt” bề mặt, ám chỉ khả năng mực lan rộng trên bề mặt. Tuy nhiên, hầu hết bề mặt polymer vốn kỵ nước và có xu hướng chống lại việc bị làm ướt. Đặc trưng của các loại nhựa này là bề mặt trơ về mặt hóa học, không xốp, có năng lượng bề mặt thấp, khiến việc bám dính khi in gần như không thể thực hiện được. Năng lượng bề mặt là phần năng lượng dư ra tồn tại tại bề mặt (khác với phần bên trong khối vật liệu) của một vật rắn.

Quy trình ép khuôn ban đầu đóng vai trò then chốt trong việc đạt được các đặc tính đã công bố của vật liệu polymer. Việc áp dụng tiền xử lý plasma bề mặt phù hợp, kết hợp với độ nhám bề mặt và các thực hành sản xuất tốt, sẽ giải quyết được hầu hết, nếu không muốn nói là toàn bộ, các vấn đề về độ bám dính và khả năng thấm ướt. Việc lựa chọn loại nhựa nhiệt dẻo tốt nhất cho một ứng dụng cụ thể không hề đơn giản. Các kỹ sư thiết kế chi tiết thường tìm kiếm vật liệu có đặc tính hóa học khối và bề mặt vốn rất khó in. Hãy cùng xem xét các ví dụ ứng dụng minh họa sự cân bằng then chốt giữa việc lựa chọn polymer và khả năng dễ in.

In phun màu lên polyamide (nylon) là một trong những ứng dụng được tìm kiếm nhiều nhất. Thành phần hóa học của nylon mang lại điểm nóng chảy cao, giúp nó trở thành giải pháp thay thế tuyệt vời cho các chi tiết kim loại trong môi trường nhiệt độ cao, như động cơ ô tô và các loại máy móc có ma sát cao khác. Giống như các vật liệu nhựa nhiệt dẻo khác, nhựa nylon chuyển sang trạng thái lỏng tại điểm nóng chảy thay vì cháy, nghĩa là có thể được nung chảy để tái ép khuôn hoặc tái chế. Vật liệu nylon cũng không dễ bị nóng lên khi sử dụng trong các ứng dụng ma sát cao. Tuy nhiên, mực in phun không dễ bám dính lên nylon (hoặc hầu hết các polymer có năng lượng bề mặt thấp) nếu không có mực chuyên dụng và tiền xử lý phù hợp. Điều này một phần là do đặc tính kỵ nước của vật liệu. Tham khảo Hình 3.

Hình 3. Đặc tính điển hình của nhựa nylon (PA)

Trước tiên và quan trọng nhất, cần đảm bảo vật liệu nylon được sấy khô và xử lý đúng cách để đạt được đặc tính khô ngay sau ép khuôn (dry-as-molded). Các nhà sản xuất resin sản xuất sản phẩm của họ theo quy trình hóa học khác nhau, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu năng bám dính. Hãy đánh giá các nhà cung cấp thay thế theo loại resin/cấp độ, và lưu ý sự khác biệt giữa Nylon 6 và Nylon 66 (Nylon 11 & 12). Không giống Nylon 6, Nylon 66 được cấu thành từ hai loại monomer là hexamethylenediamine và axit adipic, mỗi loại cung cấp sáu nguyên tử carbon, do đó có tên gọi 66. Vật liệu này có tính tinh thể cao hơn Nylon 6, giúp cải thiện độ cứng cũng như mô-đun kéo và mô-đun uốn.

Nylon 6 sẽ hấp thụ độ ẩm nhiều hơn một chút so với Nylon 66. Sau khi ép khuôn và trước các công đoạn gia công thứ cấp, sản phẩm nên được đóng gói bằng túi polyester thay vì túi polyetylen (polybag) thông thường. Các thành phần có khối lượng phân tử thấp trong túi polyetylen có thể di chuyển ra bề mặt sản phẩm, gây ra hiện tượng nhiễm chéo. Thời gian lưu kho và nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến hiệu năng bám dính. Nên in càng sớm càng tốt sau khi ép khuôn.

Nếu không thể khắc phục được vấn đề khi in, hãy cân nhắc sử dụng loại nhựa thay thế có đặc tính tương tự nhưng dễ in hoặc dễ khắc laser hơn. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kỹ sư thiết kế và kỹ sư sản xuất cùng phối hợp xây dựng thông số kỹ thuật sản phẩm. Polypropylene và polyethylene mật độ cao (HDPE) ít nhạy cảm hơn với các vấn đề về ép khuôn, vật liệu và in ấn, đồng thời có chi phí thấp hơn. Trong ba loại vật liệu này, HDPE là loại dễ in nhất vì có tính ổn định nhiệt động học cao hơn. Tham khảo Hình 4.

Mực in phun có độ nhớt thấp và sức căng bề mặt thấp, gây ra thách thức về liên kết bám dính trên nhiều loại vật liệu nền polymer như nhựa acetal, polyolefin và polyurethane. Các loại nhựa trơ về mặt hóa học này có tính kỵ nước và vốn không dễ bị làm ướt. Hãy xem xét một giọt chất lỏng đơn lẻ trên bề mặt rắn phẳng ở trạng thái tĩnh (cân bằng). Góc tạo bởi bề mặt rắn và đường tiếp tuyến với bề mặt trên tại điểm cuối được gọi là góc tiếp xúc; đó là góc (x) giữa đường tiếp tuyến tại điểm tiếp xúc và đường nằm ngang của bề mặt rắn. Tham khảo Hình 2.

Hình dạng của bong bóng/giọt chất lỏng là do các lực phân tử, thông qua sự co lại của bề mặt, khiến mọi chất lỏng có xu hướng tạo thành hình dạng có diện tích bề mặt nhỏ nhất cho một thể tích nhất định. Các lực liên phân tử làm co bề mặt được gọi là “sức căng bề mặt”.

Sức căng bề mặt, một thước đo của năng lượng bề mặt, được biểu thị bằng đơn vị dyne/cm. Năng lượng bề mặt của vật liệu nền rắn càng cao so với sức căng bề mặt của chất lỏng (nước, mực in, keo dán/vật liệu bọc, lớp phủ, v.v.) thì “khả năng thấm ướt” càng tốt, và góc tiếp xúc sẽ càng nhỏ (Hình 2).

Theo nguyên tắc chung, độ bám dính chấp nhận được đạt khi năng lượng bề mặt của vật liệu nền cao hơn sức căng bề mặt của chất lỏng khoảng 8 đến 10 dyne/cm.

Hình 2. Góc tiếp xúc và mức độ thấm ướt

Hình 3. Dòng chảy chất lỏng và góc tiếp xúc động

Trên thực tế, chất lỏng và góc tiếp xúc mang tính động, không tĩnh. Tham khảo Hình 3. Góc tiếp xúc động (DCA) là yếu tố quan trọng nhất. Khi một giọt chất lỏng bám trên bề mặt rắn và bề mặt rắn bị nghiêng, giọt chất lỏng sẽ trượt về phía trước và trôi xuống dưới. Các góc được tạo thành lần lượt được gọi là góc tiến (θa) và góc lùi (θr).

Góc tiếp xúc nhìn chung được cho là chịu ảnh hưởng bởi cả sự thay đổi trong hóa học bề mặt lẫn hình thái bề mặt. Góc tiến nhạy cảm nhất với các thành phần năng lượng thấp (chưa được biến tính) của bề mặt vật liệu nền, trong khi góc lùi nhạy cảm hơn với các nhóm oxy hóa năng lượng cao được tạo ra bởi quá trình tiền xử lý bề mặt. Do đó, góc lùi thực chất là phép đo đặc trưng nhất cho thành phần bề mặt đã được biến tính sau tiền xử lý, được đo bằng các dung dịch dyne. Vì vậy, việc đo cả góc tiến lẫn góc lùi trên mọi vật liệu đã qua biến tính bề mặt là rất quan trọng.

Độ tinh khiết của vật liệu cũng là một yếu tố quan trọng. Thời hạn sử dụng của nhựa đã qua xử lý phụ thuộc vào loại resin, công thức pha chế và môi trường xung quanh khu vực lưu kho. Thời hạn sử dụng của sản phẩm đã qua xử lý bị giới hạn bởi sự hiện diện của các thành phần như chất chống oxy hóa, chất hóa dẻo, chất trợ trượt và chống tĩnh điện, chất tạo màu và bột màu, chất ổn định, v.v. Việc để bề mặt đã qua xử lý tiếp xúc với nhiệt độ cao làm tăng độ linh động của chuỗi phân tử – độ linh động của chuỗi càng cao thì quá trình lão hóa của lớp xử lý càng nhanh. Độ linh động của chuỗi polymer trong vật liệu đã qua xử lý khiến các vị trí liên kết được tạo ra bởi quá trình xử lý dịch chuyển ra xa bề mặt. Các thành phần này cuối cùng có thể di chuyển ra bề mặt polymer. Vì vậy, nên tiến hành dán keo, phủ, sơn, in hoặc trang trí sản phẩm càng sớm càng tốt sau khi tiền xử lý.

Mực UV chỉ sử dụng chất tạo màu dạng bột màu (pigment), nhưng phạm vi màu sắc khá rộng nên không phải là hạn chế nghiêm trọng. Những tiến bộ trong công thức pha chế và sản xuất mực cho phép nhà sản xuất cung cấp mực trắng (W), đặc biệt hữu ích khi làm nền trên vật liệu màu tối hoặc làm lớp nền trên vật liệu trong suốt. Các màu cơ bản của in phun – cyan, magenta, vàng và đen (CMYK) kết hợp với nhau – mang lại dải màu rộng vì lớp mực có thể được in dày. Tuy nhiên, do dựa trên bột màu, các màu này ít nhiều có tính che phủ và che lấp màu bên dưới. Cường độ màu không phản ánh đầy đủ vào các màu thứ cấp, khiến một số màu Pantone được các thương hiệu lớn ưa chuộng không thể tái tạo được.

In analog sử dụng các màu pha riêng (spot color) được phối chế đặc thù. Các màu này có thể có mặt trên thị trường in phun, đặc biệt với các máy có 6, 8 hoặc 10 đầu in, nhưng không phổ biến vì việc thay đổi một màu pha riêng trên máy in phun khó khăn hơn nhiều so với in flexo hay in lụa. Điều này cũng mâu thuẫn với khả năng của công nghệ in kỹ thuật số trong việc chuyển đổi liên tục giữa các hình ảnh khác nhau. Một giải pháp thay thế là sử dụng bộ mực mở rộng dải màu với các mực có sắc độ đậm nằm trung gian giữa cyan/magenta và vàng. Đỏ, xanh lá và xanh dương (RGB), hoặc cam, xanh lá và tím (OGV) được dùng trong in nhãn mác và in quảng cáo để mở rộng dải màu và bao phủ hầu hết các màu thương hiệu tươi sáng, đặc thù, đậm nét. Các màu này cũng có thể được pha chế theo yêu cầu riêng cho các sản phẩm nhựa ba chiều.

Việc tái tạo các màu sáng nhạt, đặc biệt là tông màu da, luôn là một khó khăn đối với in phun mực UV đóng rắn. Ngay cả những giọt mực CMK nhỏ nhất hiện nay, chỉ khoảng 4 picoliter, cũng vẫn quá lớn để đạt độ chân thực như ảnh chụp. Tuy nhiên, nếu bổ sung thêm bộ màu thứ cấp gồm magenta nhạt (lm) và cyan nhạt (lc), các hiện tượng nhiễu hạt (artifact) của từng điểm ảnh sẽ được loại bỏ. Tùy chọn CMYKlclmW hiện đã có sẵn trên thị trường từ các nhà sản xuất máy in OEM.

---