可撓與穿戴式塑膠的噴墨列印

可撓與穿戴式塑膠的噴墨列印

用於可撓／可拉伸及穿戴式塑膠產品彩色列印的 UV LED 固化可撓油墨，是工業噴墨技術的最新進展之一。可客製化的鮮豔圖像與二維碼可噴印於各種可撓聚合物產品上，例如聚烯烴瓶、運動健身彈力帶，以及彈性體／橡膠穿戴產品，即使在高比例拉伸延伸下，印刷圖像也不會龜裂或變形。這項突破採用新型專有的全色域 UV LED 可撓油墨，並針對特定應用取得毒性與生物相容性認證。

重點摘要

• 高拉伸產品的延伸率達 50–200%，因此油墨必須隨之拉伸，且不可龜裂或使圖像變形。
• 油墨與 LED 固化必須是相匹配的系統，波長、輻照度、能量密度、工作距離與冷卻須一併明確規定。
• 皮膚接觸認證很重要。穿戴用油墨可通過 ASTM D 4236（LHAMA，16 CFR 1500.14）認證，適用於成人與兒童。
• 白色油墨是麻煩製造者：濃稠、高顏料含量，易發生內聚破壞與沉降，因此需要持續循環。
• 部分低表面能基材在使用配方正確的油墨時無需前處理，包括丁腈橡膠與乳膠。

常見問題

產品拉伸時，噴墨油墨會龜裂嗎？

使用可撓 UV LED 配方則不會。專為可撓性設計的油墨，可在延伸率達 50% 至 200% 的聚烯烴瓶、健身彈力帶與彈性體穿戴產品上列印鮮豔圖像與二維碼，且不會龜裂或使圖像變形。

哪些基材可用於穿戴產品列印？

丁腈橡膠、乙烯基、PVC、聚烯烴、熱塑性彈性體、流延聚乙烯、乳膠、聚胺酯與氯丁橡膠，以及可撓包裝薄膜、可撓印刷電子與可拉伸互連線。

UV LED 噴墨油墨可安全接觸皮膚嗎？

可通過認證。油墨依 ASTM D 4236（LHAMA — 16 CFR 1500.14）配製並認證，可安全供成人與兒童接觸人體皮膚。認證僅針對特定油墨及其固化規格，因此不應假設固化不足或過度固化的膜層是安全的。

為什麼從平板式擴展到連續單道列印會產生問題？

油墨沉積與固化行為會發生根本性改變。在平板式設備上，薄層經多次掃描鋪設並重複固化；在固定噴頭的連續式設備上，所有顏色都由單一列印桿以濕疊濕方式鋪設，因此固化厚度可高達單一顏色的 250%，且層間不相容會造成微觀分離與層間失效。

為什麼白色油墨的處理方式與製程色不同？

有三個原因。它通常是遮蓋有色或半透明基材的底塗層；它依靠光散射而非吸收，因此必須塗得更厚；且白色顏料密度高、易沉降，因此油墨必須持續循環，並在關機時從噴頭中排空。

對客製化穿戴產品的需求

「穿戴裝置」、「穿戴式設備」與「穿戴式技術」等詞，皆指可由消費者穿戴、且常包含健康與健身追蹤資訊的電子技術或電腦。相關產品包括泳帽、健身彈力阻力帶、頭部配戴品、頭巾、運動頭帶、騎行／跑步裝備、腕部配戴品、眼鏡、手套、臂部配戴品、腿部配戴品、鞋類、皮膚貼片、外骨骼與電子紡織品，裝置產業規模龐大。產品可為剛性或可撓。

無論是健康與健身效能產品、智慧手錶，還是數以百計的其他互動式手環產品，對客製化的需求都在推動銷售。領先的市場研究公司 IDTechEx 表示，穿戴產品蓬勃發展，2019 年總市場價值超過 500 億美元，較 2014 年成長超過一倍。貝恩公司（Bain & Company）指出：「透過提供客製化，品牌可在忠誠度比以往任何時候都更為重要的時期提升忠誠度。

賣家正在發現讓顧客打造專屬產品的價值。」Amazon 等零售商利用大數據向顧客呈現個人化的產品組合。如今，品牌正將個人化向前推進一大步，邁向大量客製化。提供客製化的公司可將消費者當作商家，持續從客製化設計中獲得洞察，並在回饋循環中微調產品，幫助公司保持領先於競爭對手。

整體製程解決方案

壓電式按需滴墨 UV 噴墨列印遠比類比列印更複雜、更精細。噴墨要求噴嘴以極高的精確度噴出大小精準的墨滴。高品質的噴墨列印系統必須同時整合噴頭、流體、控制器、前處理與固化。噴墨流體與固化的安全認證至關重要。要在對溫度敏感的可撓聚合物材料上取得穩固的列印，使用者必須搭配匹配的 UV LED 可撓油墨與 LED 固化系統。

應用基材包括丁腈橡膠、乙烯基、PVC、聚烯烴、熱塑性彈性體（TPE）、流延聚乙烯（CPE）、乳膠、聚胺酯與氯丁橡膠。其他應用包括可撓包裝薄膜、可撓印刷電子與可拉伸互連線。

UV LED 固化油墨與消費者安全認證

新型 UV LED 固化噴墨油墨 Apollo FTX 系列，已依 ASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）配製並認證，可安全供成人與兒童（接觸人體皮膚）使用。這不只是另一款油墨，其化學配方與特定的 UV LED 固化規格精確匹配，確保穩固的最終固化性能與外觀，避免固化不足（發黏）或過度固化（脆化）。噴墨油墨設計的挑戰，源於必須與特定噴頭協同開發油墨的重要性。每顆墨滴的噴射流體化學與物理行為，必須精確且穩定，才能在極端條件下運行，這是按需滴墨列印作業所必需的。

這款新型油墨展現高度的流動一致性（穩定的流變行為），以及油墨離開噴嘴時的出口接觸角（一致的噴射斷裂）。它具有優異的基材潤濕與附著，以及白色油墨（底層）與全色域顏色之間的分子間附著。在部分傳統上難以列印的低表面能基材材料上，例如丁腈橡膠與乳膠，無需進行表面前處理。這些特點使高速、在線、單道噴墨列印成為可能。將顏料分散到精確的粒徑並維持分離，對噴射性能與列印品質至關重要。UV 固化油墨由四種成分組成：單體、寡聚物、顏料與光起始劑。

過大或凝聚的顆粒會影響噴射精度，造成無法接受的列印品質。任何乾燥油墨的大部分是黏結劑，它將顏色固定在原位、保護其免受磨損，並與表面結合。黏結劑通常為聚合物。UV 油墨列印與其他類型不同，因為聚合物是在固化過程中由單體與寡聚物的鏈鎖反應形成的。單體是低黏度液體，因此同時也充當液態油墨載體，無需水或溶劑，這就是 UV 固化油墨 100% 為固體含量，並成為溶劑型油墨理想替代品的原因。寡聚物是較大的反應性分子，具有多種化學官能基，對正確建構黏結劑至關重要。

LED 與傳統 UV 固化的比較

UV 油墨與 LED 固化必須是相匹配的系統。波長、輻照度、能量密度、工作距離與冷卻機制等因素必須有明確規格。並非所有 UV LED 系統都一樣。遺憾的是，眾多 UV LED 系統與供應商宣稱具備類似的產品特點，以及能固化所有 UV 油墨的能力。Apollo FTX 油墨專為使用 LED 固化而設計，是 UV 弧光系統的替代方案。UV LED 與水銀蒸氣固化系統不同，它不聚焦，也不使用反射器，射向基材的光是擴散的。對於 UV LED 系統，發射的波長相對單色，呈現窄的常態曲線分布，標稱峰值輻照度位於 395 nm，一般容許公差範圍為 +/- 5 nm。請注意，98% 的功率發射在 377 nm 至 422 nm 的範圍內。

隨著 4 瓦以上、395 nm UV LED 光源的問世，油墨可在網版印刷與數位列印常見的快速加工速度下有效固化。低於 4 瓦的系統，在固化時需要更薄的油墨沉積、較低顏料含量的油墨、燈具與已列印油墨之間更近的距離，以及更慢的掃描／輸送帶速度。UV LED 燈需要在燈具與電子元件處進行冷卻，才能高效運作。良好的冷卻系統，應使燈具在持續使用下壽命達 20,000 小時或更長。UV LED 燈需要在燈具與電子元件處進行冷卻，才能高效運作。良好的冷卻系統，應使燈具在持續使用下壽命達 20,000 小時或更長。

噴墨噴頭、列印解析度與單道／多道設備

僅憑油墨化學與 LED 固化系統，並不能確保列印成功、附著或品質。需要考量的因素有很多，包括列印解析度 DPI、列印速度，以及多道與單道的油墨考量。用於塑膠產品列印的裝置中，數量最多的是小型平板式 UV 固化噴墨印表機，至少配備四種原色（RGBK），通常還有白色（W）與透明（Cl 或上光油），偶爾配備擴展色域組合（CMYRGBK）。這類龍門式印表機通常價格不高，因此單件成本使許多新市場變得有利可圖。

然而，對更高生產力的需求正快速成長。機器人上下料可縮短因載入與卸載平台而產生的換線時間。不過，與平面印刷一樣，產能仍無法與列印產品持續通過固定噴頭下方的系統相比。從平板式擴展到連續在線式，乍看之下似乎很直接，但從油墨沉積與固化的角度來看，兩者有相當大的差異。平板式「龍門」印表機具有往復式噴頭，前後兩端配有燈具。基於經濟考量，由於能使用 UV 固化油墨的噴頭成本高昂，基本款印表機每種油墨顏色僅有單排噴嘴。

以 300-dpi 系統為例：覆蓋單位 300 x 300 dpi 像素所需的墨量很大、浪費，且本身即可見。以噴頭寬度 ¼ 的步進進行多次掃描，可將原生解析度提高到 1200 dpi。當雙向掃描時，單一 300 dpi 像素會變成由較小方格組成的 4 x 4 矩陣。每次掃描時，印表機會針對每種顏色，在其中四個位置沉積油墨。這可帶來更好的視覺外觀並減少用墨量。此外，每次掃描需固化的油墨層相對較薄。每次掃描時，其他顏色不會施加在濕墨之上，而是施加在沒有油墨或油墨已固化之處，因此只需少量濕疊濕油墨。固化很直接，且每一層都會被多次照射。在連續式噴頭上，任何顏色的所有油墨都由單一列印桿施加，該列印桿是由噴頭首尾相接組成、涵蓋整個列印寬度的組件。若以 300 dpi 噴嘴組裝，兩排可達到 600 dpi，四排相當於 1,200 dpi。為達到全彩密度，較大的像素需要相應更多的油墨。具灰階（可變墨滴量）功能的噴頭已成常態，因此低密度區域是由每個像素中的小墨點構成，而非偶爾出現的大墨點。所有噴頭依序排列時，油墨以濕疊濕方式鋪設，因此需固化的厚度可高達最濃顏色的厚度，可能高達 250%。層表面不相容可能導致微觀分離（如同油浮在水上），這在最好的情況下只是輕微的視覺瑕疵，但也可能導致層間失效。需依序處理油墨的表面化學。通常需使用更高強度的燈具與更有效的光起始劑組合，才能使緊鄰基材的油墨徹底固化。

正因如此，從平板式擴展到連續列印，在某些方面必須重新開始尋找或修改配方。在使用固定噴頭的連續列印中，慣例是讓製程色噴頭彼此靠近，並在最後統一固化。在平面印刷的捲筒印刷機上，噴頭間距可能較遠，中間可設置低功率固化單元，用以增稠或定位油墨。維持相當於 1,200 dpi 的套準之捲材控制相當常見。對於在輸送帶或鏈條上未被牢固固定的零件，即使是輕微的振動也會改變各顏色間的網點位置，緊密排列可將此情況降到最低。白色油墨的處理方式與製程色不同，原因有三。第一，它經常是用來遮蓋有色基材或使半透明材料不透明的底塗層。對於透明基材的背面列印，白色當然會是最後一道，且為單獨的一次掃描。第二，白色油墨與塗層依靠光散射而非吸收。

它們的效率低於任何顏色，因此必須塗得更厚。第三，與白色混合的顏色顯得蒼白。如果在沉積其他濕墨之前，白色至少已部分固化，就可避免分離。最後，白色顏料密度高，易於沉降，因此有必要讓油墨持續循環通過噴頭。如果要關閉印表機，應將白色油墨從噴頭中排空。

列印品質的關鍵屬性之一是列印解析度，可從兩個角度來檢視。第一，對於細小文字、線條，以及實色之間的清晰邊界，偏離直線與曲線的程度必須小於人眼可見的最小特徵。其基礎是像素數或原生解析度，取決於一個方向上的噴嘴間距，以及另一方向上的噴頭或基材步進。灰階功能可在較大墨點之間使用小墨點，使較低解析度的噴頭在表觀上獲得解析度提升。丁腈手套，Apollo FTX UV 油墨毒理學認證為安全，符合 ASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）4 www.plasticsdecorating.com 2020 年 1／2 月。

解析度的第二個要素，是避免在平滑過渡或淺色區域出現生硬特徵。例如，300-dpi 列印桿所產生的少量青色或黑色網點，在粉彩區域中會很容易被看見。

同樣地，灰階噴頭可讓數個小而分散的墨點取代單一較大且可見的墨點。與解析度相關的，是各顏色彼此之間以及與被列印物體之間的套準。在平板式設備上，物品可被緊密固定，這類機器經過設計，確保振動等小於墨滴位置的容許變異。對於固定噴頭設備，放置在輸送帶上的零件並未被牢固固定，且會受到輸送帶振動影響，因此在初始規格中可能需要保留更多套準裕度，或納入先進物料搬運的額外成本。到目前為止，軟體一直是背景議題。

顯然，製程速度不斷提升，以趕上業界在更短時間內大量列印的需求。但軟體如今在其他方面也發揮作用。對於曲面所形成的前緣或後緣等造成的瑕疵，容忍度更低。所導致的圖像密度差異，可透過灰階功能加以改善。在其他情況下，可只在圖像的一部分調整產生墨點噴射的電脈衝結構，以再次處理表面形貌可能引發的局部瑕疵。這是對最佳色彩管理系統能力的進一步提升：不僅在校準期間針對某種顏色或個別噴嘴調整脈衝，更能以動態模式使用。另一項融入高產量、寬幅、單道雙面捲材印表機的技術進展，是根據印表機前僅數英寸處的攝影機，動態套準列印內容，以匹配可變形基材上的可變特徵。顯然，相較之下，將整體圖像對準隨意放置在輸送帶上的物體要簡單得多。另一方面，軟體與視覺系統在汽車零組件等 3D 零件的機器人印表機中扮演核心角色。此類應用中，噴頭與基材之間的距離不固定，因此必須選擇用於列印的噴嘴，並依噴射距離調整墨滴噴射。追蹤已列印區域，並避免不同角度相鄰掃描產生的瑕疵，是另一項正在處理的挑戰。促成這種擴散的因素，還包括用於聚合物網絡的新單體、具有可結合到最終聚合物的乙烯性鍵的光起始劑，以及顏色更純的更細顏料與更有效的分散劑。

使用 UV 固化的列印與塗料產業，受益於積層製造與 3D 建模領域投入的大量努力，目前已有可模擬傳統擠出聚合物的配方。這些對客製化的需求推動銷售，無論是健康與健身效能產品、智慧手錶，還是數以百計的其他互動式手環產品。新型聚合物提供了原有平面印刷配方所無法達到的物理化學性質組合。例如，在相同厚度下，可在更大的拉伸強度範圍內提供可撓性。在穿戴市場中，很大比例的產品是高拉伸材料，例如拋棄式手套、健身彈力阻力帶與泳帽。這些產品的延伸率高達 50% 至 200%。過去，這類產品採用移印與網版印刷，但因屬類比式的停走作業，與連續單道噴墨相比生產力相對偏低，且對大宗商品進行多色列印幾乎因成本過高而不可行。UV 固化噴墨的成功應用，得益於源自汽車乙烯基市場的高拉伸配方。不過，穿戴產品的要求更高，因為它們必須在寬廣的溫度範圍內兼具可撓性與拉伸性。

高拉伸產品需要解決的第二個因素是附著。丁腈橡膠與其他 TPE 橡膠常用於可拉伸產品。弱點出現在墨層與墨層之間的結合，尤其是彩色與白色之間，以及油墨本身內部。白色因濃稠且顏料含量高，特別容易發生內聚破壞。墨層間的結合取決於在界面處累積的化學物質，因此必須能在各層之間形成一定的直接鍵結。此外，在組裝或列印各層時，性質應有規律的梯度。例如，在類比濕疊濕列印中，油墨黏度依序遞減，因此分裂總是發生在最頂層的油墨。噴墨屬於非接觸式，對濕墨沒有這項要求，但固化後仍需具備類似的內部與層間結合強度順序。業界專家懂得管理配方順序，從白色開始。在開發與放大階段，專家能辨識瑕疵與根本原因。例如，發生附著喪失時，失效機制為何？失效發生在何處？答案可能與最明顯之處不同。

這裡討論的反應，與噴出的油墨關係不大，因為為了成功噴射墨滴與形成液滴，噴頭與供墨系統具有精確的溫度調節。從基材或物品的溫度來看，油墨非常薄，因此在沉積與燈具之間，溫度會發生變化。這項效應是平面印刷（該技術的起源）與預期具有長期耐久性的塑膠物件列印之間的重要差異。

結論

用於可撓／可拉伸及穿戴式塑膠產品彩色列印的 UV LED 固化可撓油墨，是工業噴墨技術的最新進展之一。由於各因素之間錯綜複雜、相互關聯，優化生產力與最終使用性能不應被視為一系列線性研究，而應視為由配方、油墨沉積、固化、速度與溫度組成的完整製程系統，其中任何一個因素的改變都可能影響其他結果，並需要在材料製程上做出額外調整。領先的 OEM 正是以這種方式，為僅有少數基材的平面印刷開發噴墨解決方案。穿戴產品則涉及大量的基材、形狀與需求，需要複雜的工程解決方案，才能實現高產能且獲利的作業。

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顧問公司，服務涵蓋噴墨列印、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超過 30 年。歡迎撥打 972.820.6777，或造訪 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 與他聯絡。Dene Taylor 博士於 2000 年創立 SPF Inc.，為印刷與包裝產業服務，專注於讓數位列印適應新市場與新應用。他受過奈米化學訓練，其約 25 項美國專利中有一半與數位列印相關，並為 SGIA、TAPPI 與 RadTech 的會員。可透過 [email protected] 與他聯絡。

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