Bedrukken van glas, het productieproces doorgelicht

Het bedrukken van glas vraagt zoals in elke applicatie om een gedegen voorkennis en voorbereiding van het te bedrukken oppervlak. Voor glassware-toepassingen wordt in de meeste gevallen het goedkopere natronkalkglas aangewend, waarbij het oppervlak tijdens het fabricageproces 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 metaalbevattende verbinding op de nieuw gevormde en nog hete glazen containers. Een dergelijke HEC is gebaseerd op een coatingprecursor die tin, titanium of andere door warmte ontleedbare organometaalverbindingen omvat. Het resultaat is een uiterst dunne en gelijkmatige laag metaaloxide, bijvoorbeeld 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 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 als gevolg 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 door het glazen voorwerp in kwestie te bevlammen (flaming) gedurende korte tijd (enkel seconden), maar bij een voldoende hoge vlamtemperatuur (typisch 800 - 1000°C). Afhankelijk van de samenstelling van de CEC kan een en ander ook - althans gedeeltelijk - via het wassen van de glazen voorwerpen met een warme waterige zeepoplossing. Vervolgens kan het glasoppervlak eventueel voorzien worden van een uithardbare coating als ontvangstlaag voor bijvoorbeeld een decoratieve zeefbedrukkking (solvent-gebaseerde inkten). In het geval van de directe digitale decoratie van glazen containers middels 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 laatste meteen ook van kleur verandert (rood i.p.v. blauw). Het 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), maar ook gelijkaardige, afgeleide (meerstaps) processen (bijv. Uvitro van de firma Isimat (zie Fig. 1)) kunnen aangewend worden. Ten gevolge van de verwijdering van de organische CEC komt het natuurlijke en zeer hygroscopische oppervlak van natronkalkglas vrij, eventueel voorzien van een dun laagje inorganisch silicaat. Indien men dit glasoppervlak gedurende enige tijd blootstelt aan de omgeving, dan wordt het zeer snel bedekt met een moleculair dun laagje water, een laagje dat als het ware een buffer vormt tussen het glasoppervlak en zijn omgeving (zie Fig. 2). Dit laagje trekt ook heel wat (organisch) omgevingsstof aan. Indien men glazen voorwerpen na het bevlammen wenst te decoreren middels 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 bijvoorbeeld isopropanol (IPA), gevolgd bij voorkeur door een coating of spraying stap met een solventgebaseerde adhesiepromotor of primer fluid. Deze bevat typisch een silaanverbinding die aan het glasoppervlak hecht en daarnaast ook 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 (of een andere groep met een dubbele binding), 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 solventgebaseerde primers voor glas zijn de Natron G1 Glass Primer van Boston Industrial Solutions, de Iris Glass Primer van Stefan Fiedler Imaging en de GL Primer van InkCups (met als actieve verbinding 2-propeenzuur-3-(trimethoxysilyl)propyl ester). Het Amerikaanse InkCups 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 inline (na voorafgaand offline of inline 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 (enkel compatibel weliswaar met Ricohs Gen 4 en Gen 5 inkjetkoppen) en diverse primers die 'op maat' kunnen vervaardigd worden (afhankelijk van de applicatie en de systeemparameters) door onder meer de firma's Mankiewicz, Marabu (zgn. P5 primer) en Encres Dubuit. Bij de decoratie van glazen containers (glassware) worden zeer vaak diverse (analoge en digitale) technologieën inline aangewend, zeker in het zogenaamde high-end gedeelte van de markt (waar eerder sprake is van 'mass customization' dan van personalisatie (zie Fig. 3). Waar bedrijven zoals InkCups, LSINC, Machines Dubuit, Dekron (vroeger gekend als Till en sinds 2018 deel van Krones), Hinterkopf en ook Velox 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, Koenig & Bauer - Kamman en ISIMAT (deel van Kurz Group sinds 2017) zogenaamde 'hydride' totaalsystemen aan, waarbij het glazen voorwerp inline wordt voorbehandeld, eventueel middels 3D-inkjet voorzien kan worden van zogenaamde verheven of tactiele beeldelementen en vervolgens gedecoreerd wordt via een combinatie van (rotationele) zeefdruk, tampondruk, inkjet en analoge/digitale foliedruk (cold/hot foiling). In Tabel 1 worden de diverse low/mid-end- systemen voor de directe digitale decoratie van glazen containers (met hun kenmerken) van respectievelijk de firma's InkCups en LSINC 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 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 multi-pass 'helical' CMYK printing per station (dat volgens de webstek van InkCups door deze firma werd uitgevonden en gepatenteerd). 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 weergegeven. Hoewel op GlassPrint 2023 beweerd werd dat zusterfirma Encres Dubuit vandaag ook over een digitale primer beschikt, blijkt dit niet uit het assortiment op de webstek van deze firma. Bijna alle high-end-systemen voor de directe digitale decoratie van glazen containers hebben als gemeenschappelijk kenmerk het gebruik van een zogenaamde circulaire carrousel met diverse mandrels (spillen), die elk een container kunnen houden, en de nodige stations voor de gewenste voor- en nabehandeling en analoge/digitale bedrukking (zie Fig. 6). Typisch is ook dat slechts één enkele kleur wordt opgebracht per bedrukkingsstation en veelal in single-pass (SP) printing mode wordt gewerkt. Tussen elke station in vindt men typisch een (LED) UV-droogeenheid terug. Deze systemen zijn veelal geschikt voor de bedrukking van metalen, kunststof en glazen containers, waarbij de wenselijke voorbehandeling van het oppervlak inline, dan wel offline gebeurt en afgestemd is op de aard en de eigenschappen van het te bedrukken oppervlak. Zo stelt Koenig & Bauer - Kamman onder meer een inline pyrosil bevlammingsstation (ringbevlamming, cfr. Fig. 1) onder de naam K31 A-XS beschikbaar. Hinterkopf biedt zo systemen aan met respectievelijk 24, 32, 40 en 48 mandrels en respectievelijk 12, 16, 20 en 24 stations. Deze systemen dragen respectievelijk de productnaam D120, D240, D360 en D480 met een maximum productiviteit van 240 containers per minuut. Ze zijn enkel geschikt voor de directe digitale decoratie van cilindrische containers middels UV inkjet. Het D480 systeem laat toe om naast CMYK ook oranje, groen, violet, dubbel wit en dubbel spot vernis te drukken en bevat bovendien een anilox coating eenheid voor de opdracht van een extra voor- of nalaag. Fermac heeft naast deze circulaire carrouselsystemen ook entry-level systemen met een lineaire systeemarchitectuur (FLEX familie), waarbij slechts één glascontainer gelijktijdig kan bedrukt worden met een maximum van 8 stations, waaronder naar keuze tot 8 zeefdrukstations (keramische inkten) of UV inkjet bedrukkingsstations (primer + wit + CMYK + extra spotkleur + vernis). Velox heeft dan weer gekozen voor een totaal andere aanpak. Onder de benaming DTS (Direct-to-Shape) Inkjet brengt deze firma een gans andere systeemarchitectuur voor het bedrukken van containers, waarbij deze in groep via een langwerpige carrousel van station tot station bewegen Onder de familienaam IDS brengt deze firma diverse systemen met tot 15 behandelings- en (inkjet)bedrukkingsstations en een productiviteit tot 250 containers per minuut. De focus van Velox lijkt evenwel vandaag vooral te liggen op het bedrukken van metalen containers (bierblikjes en aerosolcontainers). In Fig. 8 zijn de systemen van de firma Dekron weergegeven voor de directe digitale decoratie middels UV inkjet van glazen en kunststof drankcontainers. Dit assortiment bevat zowel entry-level systemen voor prototyping en proofing doeleinden als werkelijke series productiesystemen. De nodige voorbehandeling gebeurt offline of via aangesloten randapparatuur van derden. Het valt meteen op dat enkel cilindrische glazen containers kunnen bedrukt worden, zoals het cilindrisch gedeelte van bier- en wijnflessen. In deze context is het belangrijk om te melden dat Dekron de sleutelpartner is van de internationale brouwerijgroep AB InBev (met hoofdkwartier te Leuven) in het Tattoo Alpha Plant project te Haasrode met de installatie van een DecoType Performance systeem aldaar (opstart einde 2021, zie Fig. 9). De absolute kampioenen op het vlak van veelzijdige totaalsystemen voor de directe digitale decoratie van glazen containers zijn Fermac, Koenig & Bauer - Kamman en ISIMAT. Per definitie worden de systemen van deze leveranciers dan ook op maat gemaakt. Fig. 6 toont zo een specifieke uitvoering van het K15 systeem van Koenig & Bauer - Kamman in vogelperspectief, waarbij een (pyrosil) bevlammingsstation, diverse zeefdrukstations en een foliedrukstation (hot foil stamping) aanwezig zijn, maar ook een één of meerdere UV inkjet bedrukkingsstations hadden kunnen voorzien worden. Koenig & Bauer - Kamman heeft een samenwerkingsverband met Marabu voor het aanbrengen (3D printing) van verheven, tactiele beelddelen met een speciaal hiertoe ontwikkelde vernis. Fermac biedt naast zijn FLEX systemen (Fig. 7) ook een breed assortiment aan systemen met een circulaire systeemarchitectuur aan, met zowel hybride systemen (tot 10 stations, waarvan max. 7 zeefdruk of inkjet bedrukkingsstations (primer + wit + CMYK + vernis) en max. 2 foliedrukstations) als exclusief digitale systemen (JetArt FXX familie, tot 7 stations). Een speciaal lid van de JetArt FXX familie laat toe om middels twee UV inkjet bedrukkingsstations tot 14 lagen lak aan te brengen met het oog op de creatie van verheven, tactiele beelddelen. De vaste inktpartner van Fermac is Mankiewicz. Het lijkt erop dat Fermac de enige firma is die zowel een hoogopaak witte als een transparante digitale UV primer aanbiedt voor glasdecoratie, wat voor bepaalde applicaties zeer interessant is. ISIMAT tenslotte biedt terzake zijn TH9 systeem (zie Fig. 10) aan met tot negen stations, waarbij kan gekozen worden voor (conische) zeefdruk, flexodruk, UV inkjetdruk (incl. opdracht van een digitale UV primer) en (conische) foliedruk (ov. het door Kurz Group uitgevonden inLINE FOILING (DiF) cold foiling proces). Maar ook de systemen van haar I-Series familie (tot 8 stations en 80 containers/minuut) kunnen uitgerust worden met de gewenste UV inkjet bedrukkingsstations. Op de laatste GlassPrint-conferentie voor de covidpandemie (2019) stelde de firma Chemstream een nieuwe klasse van silaan-gebaseerde adhesiepromotoren voor UV primers, inkten en coatings voor. Met deze nieuwe adhesiepromotoren zou de formulering van een UV inkt of coating mogelijk worden die rechtstreeks kan hechten op een glasoppervlak, na pyrsosil bevlamming weliswaar. Het is onduidelijk of deze nieuwe verbindingen reeds hun weg hebben gevonden in de richting van de belangrijkste (digitale) UV inktleveranciers voor het bedrukken van vlakglas en/of glazen containers.