Hoogvisceuze functionele fluids
Technologie voor de digitale depositie van hoogvisceuze functionele fluids: een stand van zaken
Inleiding
Typisch worden voor de directe digitale decoratie van o.m. (vlakke) displaymaterialen (signage) en voorwerpen (cfr. mijn eerdere bijdragen in VIGC’s “Eye Opener” nieuwsbrief m.b.t. de directe digitale decoratie van glazen en metalen containers) laagvisceuze liquids (inkten) gebruikt (met een typische viscositeit tot 10-12 cP bij de jetting temperatuur). Dit is zo omdat de meeste gangbare continuous en DoD (drop-on-demand) inkjet technologieën dergelijke fluids vereisen. Bepalend is hierbij de totaalarchitectuur van de printkop. Middels het verhogen van de temperatuur van de gebruikte fluid tot een niveau dat nog compatibel is met de architectuur van de kop en de hierin gebruikte materialen (bv. 45°C) slaagt men erin fluids te jetten die bij kamertemperatuur totaal niet jetbaar zouden zijn.
Echter, in een aantal gevallen – het gaat hier meestal om de opdracht van zgn. functionele fluids, m.a.w. fluids die het oppervlak in kwestie voorzien van een bepaalde functionaliteit en aldus niet aangebracht worden voor (louter) decoratieve doeleinden – kan niet voldaan worden aan deze eis. Dit is bv. het geval wanneer de vloeibare carrier op zich hoogvisceus is en/of wanneer de functionele fluid beladen is met (grotere) deeltjes in een concentratie die haar viscositeit verhogen. In dit laatste geval vertonen deze liquids vaak ook een non-Newtoniaans (shear thinning of sheer thickening) gedrag, wat het consistent jetten (en de manutentie) hiervan de systeemontwikkelaar voor extra uitdagingen stelt.
De digitale depositie van dergelijke hoogvisceuse functionele fluids opent echter de deuren voor de digitalisering van heel wat processen in de maakindustrie en daarom wordt hier met sterk stijgende interesse naar robuuste oplossingen gezocht, oplossingen die ingezet kunnen worden in een veeleisende fabricageomgeving. Denk bv. aan de digitale depositie van lijmen, fotoresists/fotopolymeren en andere polymeren (coatings), sterk geleidende of dilectrische materialen (“printed electronics”) tot zelf diverse bio(-compatibele) materialen.
Daarnaast is de digitale en dus beeld gewijze depositie van (spot) vernis een zeer aantrekkelijke applicatie in heel wat traditionele grafische omgevingen. Tenslotte zou ook de toegang tot UV-inkten met hogermoleculaire (en dus hogervisceuze) UV-monomeren toelaten om diverse verpakkingsmaterialen te bedrukken zonder enig risico op migratie doorheen het materiaal (zgn. “no migration” fluids).
In deze bijdrage zal ik het niet hebben over 3D printing middels inkjet, waar ook de vraag toeneemt naar de mogelijkheid om hoger moleculaire (en dus hogervisceuze) (foto)polymeren te jetten voor een veelheid aan toepassingen. Uw dienaar heeft hierover reeds een omstandig artikel geschreven dat in december 2022 in Grafisch Nieuws is verschenen. De informatie hieronder over het nieuwe NovoJet OPEN systeem (launch eerder deze maand) van Quantica vormt hierop een goede aanvulling.
Xaar Ultra High Viscosity Technology
Xaar (UK) is erin geslaagd middels de combinatie van haar zgn. TF (ThroughFlow) koparchitectuur (zie Fig.1), die een constante circulatie mogelijk maakt van de te jetten liquid BINNEN de printkop en dit bij jetting temperaturen tot 80°C, en haar zgn. HL (High Laydown) Technology printing mode (die zich onderscheidt van de klassieke 3-cycle Xaar printing mode) om fluids tot 125 cP te jetten (zie Fig. 2). Xaar verkent dit terrein op heden nog steeds verder, maar geeft ook aan dat een en ander ook heel wat eisen stelt aan het volledige fluid manutention systeem. Mogelijkerwijze zal de nieuw verworven toegang tot Quantica’s NovoJet technologie (zie verder) Xaar op korte termijn voor de keuze stellen welke technologie pad zij bij voorkeur verder wil bewandelen in de toekomst.
Quantica NovoJet Technology
In juli (2023) werd een exclusieve overeenkomst gesloten tussen Xaar en Quantica GmbH (D) m.b.t. de fabricage en vermarkting van Quantica’s NovoJet inkjetkoppen (zie Fig.3), die specifiek ontwikkeld werden voor het jetten van hoogvisceuse fluids (tot 400 cP !). Deze koppen zullen in eerste instantie gebruikt worden in diverse Quantica NovoJet 3D printing systemen, incl. het NovoJet OPEN systeem (dat toelaat om tot 7 verschillende materialen te jetten!) dat recentelijk op de recente Formnext 2023 beurs (eerder deze maand) werd getoond. Onder de bèta-klanten bevinden zich Fraunhofer IPA (D) en industriegigant REHAU Industries (D).
Quantica werd opgericht in 2018 met het nodige venture capital en concentreerde zich in haar eerste bestaansjaren op het ontwikkelen en patenteren (3 patentfamilies publiek tot dusver) van haar technologie. Pas in 2021 kwam deze firma naar buiten. Quantica’s huidige CTO, Ramon Borrell, kwam ook aan boord in die periode en was voorheen o.m. ook werkzaam als CTO bij Xaar. De piezo inkjet technologie van Quantica is uniek in die zin dat een grote PZT piston actuator centraal in elke kanaal bij actuatie via een krachtige neergaande beweging de fluid doorheen de apertuur onderaan naar buiten stuwt (zie Fig.4).
Nordson EFD PICO Pµlse XP valvejet technology
Valvejet technologie onderscheidt zich van inkjet technologie doorheen het feit dat de generatie van druppels (drops) “on demand” op een louter mechanische wijze geschiedt (“valve” = klep). Typisch worden hierbij druppels (drops) gegenereerd met een volume in de grootteorde van meerdere nl’s (10-9 liter) waar bij inkjet sprake is van druppels met een volume in de grootteorde meerdere (tientallen) pl’s (10-12 liter). Voor heel wat applicaties is dit grotere druppelvolume geen bezwaar, wel integendeel.
Nordson EFD (Engineered Fluid Dispensers) (USA) biedt de hoog performante PICO Pµlse XP valvejetkop aan binnen haar assortiment van valvejet liquid dispensing systemen (zie Fig.6). Het unieke van de Nordson EFD PICO Pµlse familie is het feit dat gebruik wordt gemaakt van een piezoelektrische klep (piezo valve actuator) (zie Fig.5). Deze kop laat toe om “on demand” op een zeer consistente wijze druppels te genereren met een druppelvolume van 0,5 nl en dit bij frequenties tot 1000 Hz. Uit Fig.6 blijkt dat deze technologie toelaat om fluids met een extreem hoge viscositeit te jetten.
Diverse technologie providers in het kader van het jetten van hoogvisceuze fluids
Naast de eigenlijke aanbieders van inkjet en valvetjet koppen die compatibel zijn met hoogvisceuse fluids zijn er ook service providers die zich specifiek toeleggen op dit gebied. TriJet Ltd. (UK) werd opgericht in 2011 als een consulting company op het vlak van inkjet technologie. Deze firma heeft zich snel toegelegd op de ontwikkeling van rheometers die met name geschikt zijn voor de karakterisatie van de rheologie van hoogvisceuze fluids (typisch 60-70 cP) met soms een complex, non-Newtoniaans gedrag. Zij levert ook ondersteuning aan systeemontwikkelaars in dit gebied.
Slotsom
De digitale depositie van hoogvisceuze liquids is vanuit diverse invalshoeken een zeer interessant gegeven. Ongetwijfeld zullen tijdens de komende jaren ook de concurrenten van Xaar/Quantica, met name Ricoh (Japan), FujiFilm (Japan) en wellicht ook Toshiba TEC (Japan), met piezoelektrische inkjetkoppen op de markt komen die compatibel zijn met hoogvisceuze liquids (wat daaronder dan ook verstaan mag worden). Wanneer deze ook nog eens compatibel zouden blijken te zijn met waterige inkten, dan mag men belangrijke doorbraken verwachten op het vlak van o.m. de digitale verpakkingsdruk (vouwkarton/golfkarton) en de digitale textieldruk. Xaar heeft inmiddels de eerste stap terzake al gezet en zeer recentelijk de resultaten bekend gemaakt van een feasability studie aan het Welsh Centre for Printing and Coating van de Swansea University (UK) rond haar Aquinox printkop in combinatie met hoog gepigmenteerde en dus hoogvisceuze waterige inkten van Nazdar (UK).
