Materiałoznawstwo w druku cyfrowym. Dlaczego fizyka i chemia to najlepsi przyjaciele drukarza?
Dzisiejszy druk cyfrowy niewiele ma wspólnego ze zwykłą kartką z drukarki w biurze. To zaawansowany proces nakładania i twardnienia płynnej substancji, czyli polimeru, na twardej powierzchni. Nie ograniczamy się już wyłącznie do materiałów porowatych, takich jak papier, ale pracujemy z gładkim szkłem, trudnymi tworzywami i chłonnym drewnem. Nie zmieniamy tylko koloru przedmiotu, ale modyfikujemy jego właściwości fizyczne i chemiczne. Aby to się udało, musimy wejść w świat niewidzialny dla ludzkiego oka, działając w mikroskali, gdzie pojedyncza kropla z głowicy przemysłowej drukarki ma objętość zaledwie od 2 do 5 piko litrów. Właśnie w tym momencie wkracza inżynieria druku i fizyka płynów.
Kluczem do sukcesu w druku cyfrowym jest zrozumienie zasady ostatniej powłoki, która mówi, że właściwości materiału zadrukowywanego zalezą wyłącznie od jego wierzchniej mikro warstwy. Nieważne, z czego zrobione jest wnętrze materiału, liczy się wyłącznie ostatni mikrometr na jego powierzchni. Często drukujemy po niewidocznym zanieczyszczeniu, resztkach smaru poprodukcyjnego lub utlenionej warstwie. Nawet przy solidnym rdzeniu z metalu czy drewna, brak czystej warstwy zewnętrznej całkowicie blokuje przyczepność. Zjawiska takie jak słaba przyczepność atramentu, odspajanie lub łuszczenie się wydruku oraz rozlewanie się kropli to najczęstsze problemy, z którymi mierzą się operatorzy i technolodzy. Prawidłowe przygotowanie podłoża, takie jak oczyszczanie, dejonizacja czy odtłuszczanie, jest zatem kluczowe.
Aby atrament trwale związał się z podłożem, musi zajść odpowiednia korelacja fizyko-chemiczna. Każdy materiał posiada swoją swobodną energię powierzchniową. Aby tusz utrzymał się na powierzchni, energia materiału musi być o minimum 10 mN/m wyższa niż napięcie powierzchniowe tuszu, które zwykle wynosi 25-35 mN/m. Jeśli materiał ma niską energię, kropla kurczy się, co skutkuje brakiem krycia, widocznym paskowaniem i odpadaniem tuszu. Z kolei zbyt duża zwilżalność sprawia, ze kropla niekontrolowanie się rozlewa, co prowadzi do zlewania się kolorów. W idealnym scenariuszu, mierzonym za pomocą goniometru, kropla powinna układać się pod katem od 15 do 30 stopni. Oddziaływania między tuszem a podłożem opierają się na modelu OWRK, gdzie ważne są siły dyspersyjne działające jak rzepy oraz siły polarne działające jak chemiczne magnesy. Zarówno na tuszu, jak i na materiale siły te musza do siebie pasować.
Ogromne znaczenie ma także sposób produkcji samego materiału, co bezpośrednio determinuje trudności podczas druku. Materiały wyprodukowane poprzez wylewanie posiadają naturalnie ułożone i zrelaksowane łańcuchy, co jest najbardziej pożądanym scenariuszem w druku cyfrowym. Z kolei szkło akrylowe wytłaczane jest pełne wewnętrznych naprężeń i po nałożeniu ostrego atramentu może gwałtownie pokryć się siatką mikropęknięć i rozsypać. Dodatkowo często wykorzystywane w reklamie spienione PCV działa jak mikro gąbka, zwiększając powierzchnie styku dla tuszu, podczas gdy twardy poliwęglan ma zbyt gładką powierzchnię i brakuje mu mechanicznej kotwy, o którą tusz mógłby zahaczyć.
Wielu materiałów nie da się zadrukować bez specjalnego przygotowania i aktywacji powierzchni. Wynika to z istnienia barier fizycznych, jak w przypadku siatek o drobnych oczkach, gdzie tusz przelatuje na wylot oraz barier chemicznych, jak w przypadku silikonu, który odpycha ciecz. Stosujemy w takich sytuacjach metody chemiczne, takie jak primery i promotory adhezji, w tym primery silanowe, które tworzą mocne mosty kowalencyjne niezbędne np. podczas drukowania na szkle narażonym na trudne warunki w zmywarkach. Inną drogą są metody aktywacji fizycznej, czyli koronowanie i plazma. Bombardowanie jonami zwiększa energię powierzchniową, jednak należy pamiętać o zjawisku starzenia, ponieważ efekt ten utrzymuje się zwykle tylko od 24 do 72 godzin. Oprócz aktywacji ważna jest także obróbka po druku i wygrzewanie. Relaks termiczny pozwala polimerom w atramencie dokończyć proces wiązania, zamieniając wydruk w bardzo mocną mechaniczną zbroję odporną na zarysowania.
Zrozumienie właściwości podłoży i perfekcyjne dobranie parametrów to także kwestia naszej odpowiedzialności ekologicznej. Zawsze w końcu każdy polimer ulega zużyciu, a odłupany z wydruków tusz zamienia się w nieodwracalny, groźny mikro plastik. Z tego względu kluczowa jest optymalizacja sprzętu i korzystanie z wyliczeń fizyki płynów, aby kontrolować najmniejszą możliwą kroplę i kłaść jak najcieńszy film polimerowy. Takie działania pozwalają na redukcję produkcji odpadów w postaci zbędnego tuszu nawet o 30 procent, ograniczając ślad środowiskowy maszyn.
