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2D喷墨印刷行业迎来3D成型应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-07-13  来源:EFI数字印刷  浏览次数:1229
核心提示:UV固化喷墨印刷是制作宽幅面图像的主要成像平台之一。与溶剂型墨水相比,UV固化喷墨更具健康和安全优势,而且生产效率高,几乎可

UV固化喷墨印刷是制作宽幅面图像的主要成像平台之一。与溶剂型墨水相比,UV固化喷墨更具健康和安全优势,而且生产效率高,几乎可以瞬时固化,粘合力超强,广泛用于多种承印介质。UV固化喷墨的一些性能虽然很吸引人,但同时也给喷墨印刷的技术能力带来了限制。谨慎修改所用配方之后,UV固化喷墨可用于多种潜在用途。在工业热吸塑成型应用中,UV固化喷墨可以取代非常耗时的人工贴花装饰和喷枪涂装。

  

尽管将此类应用转化为数字印刷的市场潜力很富有吸引力,但UV墨水的发展现状是它高度依赖一种双功能的高交联丙烯酸酯,这种物质不能耐受热成型过程所需的温度、压力和延展性。

通过对单功能丙烯酸酯所能发挥的作用进行仔细研究,印刷行业可以开发一个潜在的重要细分市场,利用能够在高温热成型过程中耐受超高延展性的墨水来定制印刷工业和包装产品。单功能丙烯酸酯可以使UV喷墨墨水足够柔韧,进而借助于底物达到或超过可能的延伸率。重新思考染色过程之后,增加墨水,使其产生不会在受热时变色且不会在拉伸时褪色的四原色,最终帮助实现了此项重要的技术创新。

此种新型高韧性墨水被 EFI 于 2014 年收购并应用于其 VUTEk GS Pro-TF 产品,本文将重点说明此种墨水背后的基本开发理念。

柔性成型温度

热成型是一种制造工艺,在此工艺过程中,首先将塑性底物加热至柔性成型温度,然后利用模具塑造成特定形状,最后修剪成产品或包装。底物可以是薄型(一次性水杯、容器、医疗和一般零售业的其他包装产品)或厚型(车门和仪表板、冰箱内胆等产品)。

热成型也是一种需要加热加压的真空成型工艺。热成型工艺所用的标准温度介于 137.8 和 238+ 摄氏度(280 和 460+ 华氏度)之间。所用模具或工具配置取决于具体产品或者标牌需要或应用。

我们每个人几乎每天都会与热成型产品打交道。例如:

航空业: 内饰、盖板、整流罩。

农业: 托盘、料桶、透明塑料大棚、割草机外罩。

汽车业: 车轮和轮毂盖板、汽车内饰、扰流板、仪表盘、运动和越野车整流罩。

航海业: 船体、皮划艇和橡皮船、船舱和仪表板。

电子业: 手持设备、家用电器、电脑、仪表仪器。

娱乐业: 舞台背景、服装、动画模型、仿真、游戏亭。

医疗业: 扫描仪、面罩、义肢零件。

建筑业: 桶和淋浴器外壳、按摩浴缸、定制柜台。

零售业: 包装、泡罩包装、标牌、自动售货机。

利润所在

此项技术越来越吸引品牌商、零售商和其他商家的是,可以相较传统生产工艺更少的量全彩生产 3D 零售终端标牌、游戏亭和车顶行李架等产品。在采用传统热成型工艺的典型示例中,利用当前印刷和涂装工艺生产两个 13.5 x 4ft 真空成型标牌可能需要 7.5 工时。想象一下时间和成本大幅削减之后会发生什么?

进入宽幅喷墨印刷时代。与任何数字印刷工艺一样,宽幅喷墨印刷可以大幅缩短工作时间,就像快速周转的高度定制化原料一样短,而且样品和最终产品都是如此。因此,数字印刷技术对热成型产品非常有吸引力。但数字宽幅喷墨印刷所用墨水目前还不适合此类应用。

UV喷墨墨水:现状

喷墨墨水的种类繁多,总的来看,在节约能源和环保问题愈来愈受重视的大背景下,水性墨水和能固性墨水将是未来喷墨墨水的发展方向。更加环保的、印刷适性更好的墨水将会越来越多,从而满足人们对印刷质量与环境保护的苛刻要求。

热成型不仅需要加热加压,而且还需要对成型底物进行延伸。喷墨墨水发展现状是高度依赖单功能高交联丙烯酸酯,但这种物质无法耐受热成型工艺所需的温度和压力。此外,这种墨水也无法经受大部分热成型应用所需的延伸类型。

在热成型工艺的加热过程中,墨水和塑料底物都变得具有延展性。这种现象在业界称为热坳陷、玻璃化相变或起泡。染料颜色或色调会在加热或成型过程中发生变化。成型过程中的延展现象会导致最终产品出现裂纹或马赛克,产生不可接受的质量瑕疵。

这是因为在UV喷墨配方常用的双功能丙烯酸酯中,其分子有两处非常活跃,固化速度快、硬度高,这提高了墨水持久性和生产率,但却对柔韧性构成了限制。

UV喷墨配方应用于双功能高交联丙烯酸酯的优势包括固化速度快、耐化学性佳、表面硬度好。但对于热成型应用,也存在粘合范围有限、脆断以及易收缩和卷边等劣势。

探索适用于热成型应用的单功能丙烯酸酯

通过对单功能丙烯酸酯所能发挥的作用进行仔细研究,印刷行业可以开发一个潜在的重要细分市场,利用能够在高温热成型过程中耐受超高延展性的墨水来定制印刷工业产品。此种技术不仅可供传统工业热成型操作人员使用,而且也能以其强化印刷功能为印刷公司开辟新的收入来源和扩大产品种类,使其在内部就可进行成像和装饰等操作。

有何成果?凭借栩栩如生的颜色和极具视觉吸引力的设计能力制作高延伸率 3D 图形。

数字热成型喷墨墨水:背景信息

从 20 世纪 70 年代开始,Don Sloan 一直从事UV印刷墨水的开发工作。1993 年,他成立了 Polymeric Imaging (PI) 公司,开发UV墨水配方,用于取代溶剂型化学物质。到 2010 年,PI 公司开发了一种适用于深拉热成型UV喷墨墨水和涂层的专利配方。2014 年 10 月,PI 公司的专利和数字热成型技术相关知识产权被 EFI 收购。

少即是多:单功能低交联丙烯酸酯

初始用于数字热成型UV喷墨墨水和涂层的定制墨水配方在 PI 实验室试验中表现良好,但在投入实际生产环境之前,还需要数年时间的优化。 这种墨水可以进行深拉热成型,但不会像传统双功能高交联UV喷墨墨水一样产生裂纹或马赛克。 本文针对采用 EFI VUTEk GS Pro-TF 等宽幅UV喷墨打印机的数字热成型印刷,开发了一种完善解决方案。

采用单功能低交联丙烯酸酯的效果与传统单功能高交联UV喷墨墨水存在重大差异,我们现开发了一种适用于数字印刷热成型产品的功能性解决方案,如附图所示。其中包括:

染料或分散剂不容易在热态下染色;即,它们的颜色或色调不会在加热或成型过程中发生变化。

这种墨水能够实现无限的延展性,可以达到或超过塑性底物的延展特性。 目前成功实现了超过 24 英寸的拉伸长度和超过 1000% 的延展率,纵横比超过 30:1。

墨水粘合范围非常大,而且应用非常广,这都是传统真空成型技术所不能实现的。

墨水开发只是将此项技术推向市场所需的一个环节。 为了开发图中所示应用,我们需要使用变形软件,使图像正确对准模具。 变形印刷可保持颜色完整,防止在底物延伸时产生色度损失。通过变形软件,我们可以在设计中将所有变形因素考虑在内。

很明显,我们需要使用特殊的颜色管理技术确保最终产品的色彩准确度。在大多数情况下,打印机进行正确色彩校准之后,设计过程就无需再调整色调。打印图片的墨水密度更大,但色调/色度值保持不变。只要正确操作,就可以产生与设计意图相符的最终产品。

但热成型应用成功上色之后却给墨水带来了另外一种负担:墨水必须具有游离薄膜特性;换言之,固化墨水薄膜几乎可以单独存在,就像一层玻璃纸。游离薄膜性质,再加上较高的墨水密度,就可以在成型过程中保持色彩一致。

单功能低交联喷墨墨水的重要特性

实验室试验和现场操作均证明,这种新墨水的几项重要特性为使用UV喷墨印刷工艺的热成型生产过程带来了变革。其中包括:

简化零部件或装饰标牌生产步骤,大大缩短生产时间。

无需丝网印刷生产准备成本,或省去了传统热成型所用的手工涂装和乙烯基刻字过程。

具有优异的延展性,支持深拉热成型,同时能够保持 PETG、丙烯酸、聚碳酸酯、聚苯乙烯和 PVC 等塑性物质的不透明性。

墨水可以耐受热成型和切割操作,不会开裂、剥落或丧失粘合作用。

墨水具有耐水湿性,印刷图像长时间不褪色。

LED 固化:一种新型前沿技术

与大多数技术一样,为获得更好的热成型性能,单功能低交联UV喷墨墨水仍有改进空间。目前正在实施的一个项目是利用基于 LED 的光引发剂开发 LED 冷态固化墨水配方,它采用 365-400 纳米波长,而传统UV墨水则采用 320-365 纳米波长。这种配方将 EFI 的 LED 喷墨专长用于热成型高延展率墨水技术和强化涂层领域。

传统UV固化技术采用高温UV光,这对使用轻质、热敏或尺寸不稳定的底物造成了限制。LED 固化温度为 81 华氏度,可提高材料稳定性,降低变形系数,减轻材料退化程度。LED 固化的另外一个好处是,LED 灯寿命长、能耗低。

通过 LED 固化处理,薄膜深拉特性可以利用泡罩包装直接装饰等薄膜包装应用的超高柔韧性和色彩一致性,为真空造型创造新商机。

工艺简化

此外,不管是 LED 固化还是传统固化方法,通过热成型过程中的延展作用,可以提高利润和削减生产成本。出于削减成本和环境可持续发展的原因,采取措施简化包装过程之后,热成型包装就不必采用纸板箱填料,此外还可以减少包装组装过程所耗时间和成本。直接在热成型包装上印花的另外一个好处是不必再印刷标签。这样,我们就有机会利用 3D 塑料包装上的可用数据,将条码、序列号甚至是个性化等信息包含在内。

光明的市场前景

如上述例子所示,开发热成型产品所用的单功能低交联UV喷墨墨水推动了技术进步,这给各行各业的热成型应用开创了一个光明的未来。此项技术适用范围广,可:

加快市场投放速度。

提供更高品质,生产更多相关热成型产品。

减小包装材料用量等等

只要充分发挥想象,就有无限可能。这仅仅是开始。

 

 

 

 
 
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