Technologie voor de directe digitale decoratie van glazen containers: Een stand van zaken – deel 1
Inleiding
Op 25 en 26 april 2023 vond voor het eerst sinds 4 jaar opnieuw te Düsseldorf (D) de GlassPrint conferentie plaats, die voorheen om de 2 jaar door ESMA (B) samen met Glass Worldwide (UK) werd georganiseerd. GlassPrint 2023 bracht zoals voorheen de belangrijkste leveranciers van systemen en chemie voor het analoog & digitaal bedrukken van glas (vlakglas én glazen containers of nog, “glassware” a.k.a. “tableware”) en de diverse sectorfederaties in de glasindustrie samen. In 2 verschillende bijdragen wordt de laatste stand van zaken gebracht m.b.t. de technologische ontwikkelingen op het vlak van de directe digitale decoratie van glazen containers (glazen, flessen etc.).
In deze eerste bijdrage wordt dieper ingegaan op de nodige voorbehandeling van het glasoppervlak met het oog op een wenselijke directe (digitale) decoratie, wordt het landschap geschetst van systemen ontwikkeld voor de directe digitale decoratie van glazen containers en worden de op de markt beschikbare “low/mid”-end systemen van naderbij bekeken. In een latere en tweede bijdrage zullen de “high-end” systemen in meer detail bekeken worden.
Glas: een oppervlak dat zich niet altijd even gemakkelijk laat decoreren… en de nodige voorbehandeling vraagt!
Zoals in mijn vorige bijdrage rond de directe digitale decoratie van vlakglas aangegeven (Eye Opener 4, april 2023) vraagt het bedrukken van glas in het algemeen om een gedegen voorkennis en voorbereiding van het te bedrukken oppervlak. Ook voor “glassware” toepassingen wordt in de meeste gevallen het goedkopere natronkalkglas aangewend, waarbij het oppervlak tijdens het fabricageproces evenwel voorzien wordt van een aantal extra coatings.
In een eerste stap wordt een zogenaamde hot-end coating (HEC) aangebracht door middel van chemische dampafzetting (CVD) van een metaal bevattende verbinding op de nieuwgevormde en nog hete glazen containers. Een dergelijke HEC is gebaseerd op een coatingprecursor die door warmte ontleedbare organometaalverbindingen bevat (veelal van tin of titanium). Het resultaat is een uiterst dunne en gelijkmatige laag metaaloxide, bv. tinoxide. Deze laag vormt de basis voor een tweede coating, de zogenaamde cold-end coating (CEC). Na het aanbrengen van de HEC worden de glazen containers gewoonlijk door een speciaal type van oven gevoerd, ook uitgloeiingsoven genoemd. Deze laatste is specifiek ontworpen voor het uitgloeien van het glas en om de containers op een beheerste manier af te koelen. Dit proces verlicht de interne spanningen, wat het glas meer duurzaam maakt. Op het einde van dit afkoelingsproces wordt de CEC via verneveling aangebracht. Deze CEC bestaat – afhankelijk van de applicatie van de finale glazen container – uit een mix van langketige vetzuren, PP of PE(-was)). DE CEC reduceert de slipweerstand (wrijvingscoëfficiënt) van het oppervlak (glas-tegen-glas contacten) zodat krassen en breuken ten gevolge van het onderlinge contact tussen de glazen containers tijdens en na het fabricageproces worden vermeden.
Deze organische CEC dient met het oog op de analoge en/of digitale decoratie van de glazen container volledig verwijderd te worden. Dit gebeurt in de regel door het glazen voorwerp in kwestie te bevlammen (“flaming”) gedurende korte tijd (enkel seconden), maar bij een voldoende hoge vlamtemperatuur (800 – 1000 °C). Afhankelijk van de samenstelling van de CEC kan één en ander ook – althans gedeeltelijk – via het wassen van de glazen voorwerpen met een warme waterige zeepoplossing. Vervolgens kan het glasoppervlak evt. voorzien worden van een uithardbare coating als ontvangst laag voor bv. een decoratieve zeefbedrukkking (bv. met solvent-gebaseerde inkten).
In het geval van de directe digitale decoratie van glazen containers met UV inkjet kiest men er in de regel voor om een optimale hechting van de organische inkjetinkten aan het glasoppervlak te bekomen door het toevoegen van een organische silaanverbinding aan de vlam, waardoor deze meteen ook van kleur verandert (rood i.p.v. blauw). De as van deze silaanverbinding zet zich af als een amorfe SiOx substantie aan het glasoppervlak (laagje van typisch 20-40 nm), waardoor de oppervlakte energie en -microruwheid toeneemt. In de glasindustrie is met name het pyrosil-proces welbekend (uitgevonden en gepatenteerd door Sura Instruments (D)), maar ook gelijkaardige, afgeleide (meerstaps) processen (bv. Uvitro van de firma Isimat (F)) kunnen aangewend worden.
Ten gevolge van de verwijdering van de organische CEC komt het natuurlijke en zéér hygroscopische oppervlak van natronkalkglas vrij, evt. voorzien van een dun laagje anorganisch silicaat. Indien men dit glasoppervlak gedurende enige tijd blootstelt aan de omgeving, dan wordt het zeer snel – zoals aangegeven in mijn vorige bijdrage – bedekt met een moleculair dun laagje water, een laagje dat als het ware een buffer vormt tussen het glasoppervlak en haar omgeving (zie fig.1). Dit laagje trekt ook heel wat (organisch) omgevingsstof aan. Als men glazen voorwerpen na het bevlammen wenst te decoreren met zeefdruk en/of inkjet zal het zaak zijn om dit onmiddellijk te doen, dan wel het aanwezige waterlaagje en stof juist voorafgaande aan het verdere decoratieproces op doeltreffende wijze te verwijderen.
In de regel kan dit offline gebeuren via de reiniging van het glasoppervlak met bv. isopropanol (IPA), gevolgd bij voorkeur door een coating of spraying stap met een solvent gebaseerde adhesiepromotor of primer fluid. Deze bevat typisch een silaanverbinding die aan het glasoppervlak hecht en daarnaast ook een één of meerdere groepen die de hechting van de inkt bevorderen. Bij het gebruik van UV-drogende (inkjet)inkten is dit bij voorkeur een acrylaatgroep bevat, waarmee de UV-hardende verbindingen in de inkt een chemische binding kunnen vormen bij blootstelling aan UV-licht. Een populaire verbinding terzake is 3-(trimethoxysilyl)propyl acrylaat. Bekende voorbeelden van dergelijke solvent-gebaseerde primers voor glas zijn de Natron G1 Glass Primer van Boston Industrial Solutions (USA), de Iris Glass Primer van Stefan Fiedler Imaging (Oostenrijk) en de GL Primer van InkCups (USA) (met als actieve verbinding 2-propeenzuur-3-(trimethoxysilyl)propyl ester. InkCups (USA) biedt anderzijds onder de naam MagiCoat ook een alternatieve 2-part watergedragen primer aan met als actieve verbinding 3-aminopropyltriethoxysilane (dus zonder acrylaatgroep).
In de systemen voor de directe digitale decoratie van glazen voorwerpen gebeurt de opdracht van een primer veelal in-line (na voorafgaand offline of in-line vlammen van het oppervlak) en hiertoe zijn vandaag (transparante of witte) jettable UV-drogende glass primers beschikbaar. Ook een aantal dergelijke “third party” digitale primers zijn beschikbaar, waaronder de Natron JP254 Primer van Boston Industrial Solutions (USA) (enkel compatibel weliswaar met Ricoh’s Gen 4 en Gen 5 inkjetkoppen) en diverse primers die “op maat” kunnen vervaardigd worden (afhankelijk van de applicatie en de systeemparameters) door o.m. de firma’s Mankiewicz (D), Marabu (D) (zgn. P5 primer) en Encres Dubuit (F).
Directe digitale decoratie van glazen voorwerpen: veelal in combinatie met andere (analoge) decoratietechnieken!
Bij de decoratie van glazen voorwerpen (“glassware”) worden zeer vaak diverse (analoge en digitale) technologieën in-line aangewend, zeker in het zgn. “high-end” gedeelte van de markt (waar eerder sprake is van “mass customization” dan van “personalization”) (zie fig.3).
Waar bedrijven zoals InkCups (USA), LSINC (USA), Machines Dubuit (F), Dekron (D, vroeger gekend als Till (D) en sinds 2018 deel van Krones (D)), Hinterkopf (D) en ook Velox (Israel) systemen bouwen voor de exclusief digitale decoratie van glazen voorwerpen middels UV inkjet, waarbij de voorbehandeling van het oppervlak al dan niet online gebeurt, bieden spelers zoals Fermac (Italië), Koenig & Bauer – Kamman (D) en ISIMAT (D, deel van Kurz Group (D) sinds 2017) zgn. “hydride” totaalsystemen aan, waarbij het glazen voorwerp in-line wordt voor behandeld, evt. middels 3D-inkjet voorzien kan worden van zgn. verheven of tactiele beeldelementen en vervolgens gedecoreerd wordt via een combinatie van (rotationele) zeefdruk, tampondruk, inkjet en analoge/digitale foliedruk (“cold/hot foiling”).
De firma WIFAG-Polytype (CH) in fig.3 biedt enkel systemen aan voor de decoratie van metalen en kunststof containers.
“Low/mid-end” systemen voor de directe digitale decoratie van glazen containers
In Tabel 1 worden de diverse “low/mid-end” systemen voor de directe digitale decoratie van glazen containers (met hun kenmerken) van resp. de firma’s InkCups (USA) en LSINC (USA) weergegeven. Het gaat hier om systemen die toelaten om één container, dan wel enkele containers op hetzelfde ogenblik voor te behandelen en te bedrukken. Het Revolution systeem van InkCups (USA) laat als “mid-end” systeem middels een carrousel met 12 mandrels toe om tot 12 containers op hetzelfde ogenblik voor te behandelen (vlammen, plasma én corona indien gewenst) en te bedrukken. Al deze systemen maken gebruik van zgn. “helical” multi-pass printing (4 kleuren (CMYK) per station) Ov. de webstek van InkCups (USA) werd deze techniek door deze firma uitgevonden en gepatenteerd. Dit zou dan meteen ook betekenen dat LSINC (USA) een licentie heeft genomen op deze technologie.
In Tabel 2 worden de beide “low/mid-end” systemen voor de directe digitale decoratie van glazen containers (met hun kenmerken) van de firma Machines Dubuit (F) weergegeven. Hoewel op GlassPrint 2023 beweerd werd dat zusterfirma Encres Dubuit (F) vandaag ook over een digitale primer beschikt, blijkt dit niet uit het assortiment op de webstek van deze firma.
In een volgende editie van “Eye Opener” zullen de beschikbare “high-end” systemen voor de directe digitale decoratie van glazen containers van naderbij bekeken worden.
