穿戴式裝置的工業噴墨列印

穿戴式裝置的工業噴墨列印

「wearables」、「wearable devices」與「wearable technology」等詞，皆指可由消費者穿戴的電子技術或電腦，通常包含與健康及健身相關的追蹤資訊。範圍涵蓋腕戴式、頭戴式、眼鏡、臂戴式、腿部穿戴、鞋類、皮膚貼片、外骨骼與電子紡織品，裝置市場規模龐大。工業噴墨是唯一能夠對產品直接進行功能性與非功能性客製列印的數位技術。

重點摘要

• 噴墨是唯一能對穿戴式裝置直接進行功能性與非功能性客製列印的數位技術。
• 推動銷售的是客製化，而非列印本身，品牌以此提高忠誠度並蒐集設計回饋。
• 如今市場已預期取得皮膚接觸認證。2014 年一款穿戴式裝置發生百萬台召回事件後，供應商已依皮膚接觸標準對材料進行認證。
• 對於預定長期接觸皮膚的材料配方，須留意 PPD（對苯二胺）等刺激物。
• 噴墨比類比列印更為精細，需要將列印頭、墨液、控制器、前處理與固化整合成單一系統。

客製化需求

客製化需求推動銷售，無論是健康健身性能產品、智慧型手錶，或是數百種其他互動式腕帶產品皆然。IDTechEx 在近期一篇文章中指出，穿戴式電子產業將從 2015 年的 200 億美元，成長至 2025 年的近 700 億美元。1 主導領域仍將是整合醫療、健身與保健的醫療保健領域，在最具前景的新發展背後，該領域擁有最多知名企業，例如 Apple、Accenture、Adidas、富士通、Nike、Philips、Reebok、Samsung、SAP 與 Roche。根據貝恩策略顧問公司（Bain & Company）的說法，產品客製化有助品牌提升銷售，商機相當可觀。2 據估計，至少有 25% 至 30% 的消費者對客製化選項感興趣。在特定市場中，這相當於每個領域每年 20 億美元。現已浮現兩大趨勢：第一，當今的消費者更注重自我表達；第二，客製化是新的忠誠度。

常見問題

就列印而言，什麼算是「穿戴式裝置」？

由消費者穿戴的電子技術或電腦，通常追蹤健康與健身資料。實務上涵蓋腕戴式、頭戴式、眼鏡、臂戴式、腿部穿戴、鞋類、皮膚貼片、外骨骼與電子紡織品，這些產品可以是硬質或軟質。

為什麼採用噴墨，而非移印或網版印刷？

因為客製化是商業驅動力。噴墨是唯一能對產品直接進行客製列印的數位技術，因此每件產品都可帶有不同內容。類比的走停式製程生產力相對較低，而在大宗商品上使用多種顏色，成本幾乎高到令人卻步。

穿戴式裝置上的油墨適用哪些安全標準？

預定長期接觸皮膚的材料，須依皮膚接觸標準進行認證，這項轉變在 2014 年一家製造商召回百萬台穿戴式裝置後加速。配方必須避免使用皮膚刺激物，例如 PPD，即對苯二胺。

是什麼讓噴墨比類比列印更困難？

精密度。噴墨要求噴嘴以極高的精準度噴射尺寸精確的墨滴，而高品質的系統必須同時整合列印頭、墨液、電子控制器、前處理與固化。這些都必須協同運作，才能產生預期的結果。

UV 固化噴墨油墨與其他油墨類型有何不同？

聚合物是在固化過程中，由單體與寡聚物的鏈鎖反應形成。單體是低黏度液體，同時兼作油墨載體，因此省去水或溶劑的需求，使 UV 油墨成為 100% 固含量。

穿戴式裝置的噴墨列印

本文著重於使用噴墨列印在成型穿戴式裝置上進行「客製化」，範圍從互動式電子裝置與手錶，到運動鞋類與服飾，乃至 3D 列印產品。最早且最廣為人知的穿戴式裝置之一，是迪士尼的腕帶，又稱「MagicBand」。每條腕帶內含 RFID 與一個類似 2.4GHz 無線電話所用的無線電。腕帶將遊客連接至園區內龐大而強大的感測器與行動應用程式系統，兼具支付工具、園區入場憑證、房間鑰匙等功能。大多數腕帶為單色（成型時的原色）。每條腕帶的底面皆經雷射打標，內含識別資訊（見上圖。照片來源：Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1）。預先設計的裝飾腕帶於零售店銷售。然而，為了獨一無二的獨特體驗，愛好者會使用美術用品店販售的貼花、轉印貼紙、暫時性刺青、腕帶套與塗料，以費工的多道步驟手工製作腕帶。

噴墨列印獨特的能力，可在廣泛的應用中，以獨特或複雜的圖案，或在新穎的基材上沉積功能性墨液，因而推動了先進製造製程。例如，適用於各種技術的導電油墨正在許多領域開拓新局，尤其是軟性基材。銀、有機導電聚合物、石墨烯與奈米碳管等油墨，正用於整個軟性電子產業的電路與連接器。透過噴墨列印，它們可用作服飾（例如滑雪外套）上的列印按鍵（薄膜觸控按鍵）與行動裝置、被動或主動式 RFID 標籤或 LED 照明之間的連接器。有機發光二極體（OLED）技術不僅具備柔性，搭配噴墨還能量身訂做，用於外衣上的識別、安全或裝飾。此外，噴墨還能列印多層不同材料，構成六層或更多不同層的結構。

真正具彈性的導體在任何技術中都很罕見。普渡大學宣布了一類新型可噴墨列印的液態金屬導體，並證實適用於可拉伸與橡膠質材料。3 這可能催生新一類柔順的機器人，以及人們穿戴來與電腦互動或用於治療目的的可拉伸服飾。

黏著劑是穿戴式裝置的基石，且常用於複雜幾何形狀（例如運動鞋）。機器人控制的大墨滴列印頭，將黏著劑塗佈於越來越多種不規則結構上，既能完整覆蓋又不過量，同時兼顧小批量與頻繁換款。乳膠噴墨黏著劑可與傳統配方相媲美。紫外線（UV）與電子束（EB）固化的噴墨黏著劑也越來越普遍，可滿足立即固化的需求，同時黏接不同材料。

UV 固化噴墨廣受外套、徽章、反光裝備、運動器材與運動鞋類的歡迎。大多數列印是在以模板精確排列於托盤或模具上、通過往復式列印頭下方的物品上進行。為了高生產力，單次通過式列印機配備全幅寬固定列印頭，將影像列印在輸送帶上以最高 60 fpm 或更快速度移動的物品上。輸送帶通常帶有托盤，使物品始終處於固定位置，或者列印機可依靠攝影機定位物品的位置與方向，並據此噴射影像。UV 固化時，列印頭後方設有燈具。LED 燈因壽命長、輸出穩定、臭氧產生量少且能耗較低，越來越受歡迎。對穿戴式物品而言，最大價值在於它們是冷光源，基材所受熱量極少。對熱敏感的塑膠、織物與薄膜，列印時不必擔心收縮或變形。對能量固化油墨使用者的提醒：液態油墨具有危害性，為了安全與耐久性，務必確實固化。

UV 固化噴墨油墨

噴墨列印遠比類比列印複雜且精細。噴墨要求噴嘴以極高的精準度噴射尺寸精確的墨滴。高品質的噴墨列印系統必須同時整合列印頭、墨液、電子控制器、前處理與固化。這些要素必須協同運作，才能產生預期的成果。

UV 固化噴墨油墨可瞬間乾燥。UV 油墨列印與其他類型的不同之處在於，聚合物是在固化過程中，由單體與寡聚物的鏈鎖反應形成。單體是低黏度液體，因此同時也是液態油墨載體，省去了水或溶劑的需求，這正是 UV 固化油墨為 100% 固含量、成為溶劑型油墨理想替代方案的原因。寡聚物（較大的反應性分子）具有多種化學官能基，對於正確建構黏合劑至關重要。

聚合反應由短暫的 UV 光照射啟動，UV 光是波長比可見光更短、能量更高的電磁輻射。大多數 UV 固化使用近紫外線（波長 390–200 奈米），並進一步細分為 UV-A（390–320 奈米，長波）、UV-B（320–280 奈米，中波）與 UV-C（280–200 奈米，短波）。除近紫外線外，其他 UV 類別還包括遠紫外線（200–10 奈米）與深紫外線（31–1 奈米）。傳統汞 UV 固化燈最常見的峰值波長為 365 奈米，亦稱為汞 I 線（光譜）。

列印後的穿戴式裝置由消費者拿在手中，會受到非常近距離的目視檢查。英數字元文字可能為六點或更小。為避免出現可見瑕疵並確保易讀，需要高解析度列印。高解析度噴墨列印有兩個主要組成部分：基材上的墨點間距，以及構成墨點的墨滴大小（體積）。高解析度是靠緊密的墨滴定位（目前可達 1,800 x 1,800 dpi）達成，這在典型的往復式列印頭機器上需要多次掃描與微小步進。

UV 反應性成分是光起始劑，這類化合物吸收能量後分裂，產生高反應性的化學物種，依類型不同為自由基或陽離子。每個物種可與單體或寡聚物的一個部分鍵結，並將活性傳遞至另一個部分，再進而與另一個單體反應，如此持續下去以建構聚合物。UV 油墨使用顏料色料。配方與油墨製造技術的進展，使製造商能提供白色（W），這在深色基材上作為底色，或在透明基材上作為背景時特別有用。噴墨的原色青、洋紅、黃與黑（CMYK）合併使用，可提供大色域。

日曬褪色可能是列印耐久性的一大顧慮。由於 UV 油墨使用顏料而非染料，本質上比桌上型油墨對日光較不敏感。若油墨採用汽車塗料產業所用的顏料製成，可獲得極佳的抗褪色性。這類顏料雖然成本較高，但用於高階油墨。日光也可能使聚合物劣化，造成粉化與變脆。連續五年的戶外光照曝曬是常見能達成的預期標準。

添加劑在所有油墨配方中都不可或缺。用於塑膠列印的油墨通常含有助黏劑。噴射與墨滴形成顯然是噴墨的核心，需要謹慎平衡黏度調節劑與界面活性劑。若不正確，油墨可能起霧，或在列印頭上潤濕擴散，兩者都不理想。這些化合物同時也控制油墨在基材上的潤濕與流動，亦即附著與網點擴大。它們通常針對特定的表面化學進行優化，但有其限制。例如，能潤濕低表面能基材的油墨，會從列印頭洩漏。因此，許多表面必須經過處理，使其達到油墨可發揮功能的範圍。

噴墨油墨具有低黏度與低表面張力，這對縮醛樹脂、聚烯烴與聚胺酯等許多聚合物基材造成附著接合的挑戰。這類化學惰性塑膠具疏水性，天生不易潤濕。一般而言，當基材的表面能比液體的表面張力高出約 8 至 10 dynes/cm 時，即可達到可接受的接合附著力。

印刷機的速度也會影響油墨的有效表面張力。靜態量測表面張力為 25 dynes 的油墨，在高速印刷機上的動態表現，可能如同表面張力 40 dynes 的油墨。噴墨列印頭與列印系統對其所分配墨液的作用，會顯著影響流體成分在分配、與列印表面及其他油墨或塗層互動時的重新排列方式。

處理的程度或品質，會受塑膠表面清潔度的影響。表面必須清潔，才能達到最佳的前處理效果與後續的油墨附著。矽利康離型劑、髒污、灰塵、油脂、油類與指紋等表面污染物，會抑制處理效果。材料純度也是重要因素。

結論：整體解決方案方法論

要開發聚合物材料並在穿戴式裝置上進行噴墨列印，整體解決方案方法論不可或缺。隨著消費者需求與功能不斷發展，對預定長期接觸皮膚之材料的要求也隨之提高。2014 年 FitBit 召回百萬台穿戴式裝置後，供應商已依皮膚接觸標準對材料進行認證。噴墨列印製程控制同樣至關重要。重要因素包括：

• 不會刺激皮膚的材料配方（包括皮革、橡膠、熱塑性聚胺酯、共聚酯彈性體與添加劑），例如不含 PPD 即對苯二胺。
• 材料要求，包括耐久性、耐化學性、抗 UV 性與抗刮性。
• 毒性相關的國際合規標準，例如 ISO 10993-10:2010，醫療器材生物評估，第 10 部分。
• 優異的油墨附著。盡量減少會遷移至表面的低分子量化合物。
• 油墨墨液化學與噴射性能。
• 穩健的列印機系統，可在自助服務站與製造現場設置。

參考資料

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

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁，該公司是專精於塑膠二次加工製程的工程公司，服務範圍包括雷射打標、表面前處理、黏接、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 開發開創性技術並解決製造問題已逾 30 年。歡迎來電 972.820.6777，或瀏覽 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 與其聯絡。

Dene Taylor 博士於 2000 年創立 SPF-Inc.，服務印刷與包裝產業，專注於讓數位列印適用於新市場與新應用。他本身受過奈米化學訓練，其約 25 項美國專利中，約有一半與數位列印相關。他是 SGIA、TAPPI 與 RadTech 的會員。歡迎透過 [email protected] 與他聯絡。

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