De vele facetten van functioneel printen

Functioneel of industrieel printen is een procedé dat in een industrieel productieproces geïntegreerd is. Het drukken is dan geen einddoel op zich, maar een stap in de productieketen die nodig is om afgewerkte producten te vervaardigen. Peter Buttiens, de CEO van ESMA, omschrijft industrieel printen als "het printen van een element of een productiestap in een groter geheel". Dankzij de technologische vooruitgang kan industrieel printen in een almaar groter wordend aantal sectoren en toepassingen worden ingezet: verpakkingen, bouwmaterialen, auto- en vliegtuiginterieurs, medische toestellen, enzovoort. Industrieel printen heeft een - niet meteen zichtbare - impact op het dagelijkse leven doordat het mogelijk wordt om toekomstgerichte producten te ontwerpen zoals sensoren, verwarmingssystemen, bekabeling of verlichtingssystemen. Voorbeelden uit de autosector: antennes in de spiegelkappen van een auto, in-mould inlegpanelen voor het dashboard, verwarmingselementen in de stoelen, chemische elementen voor de katalysator of de dichting van het motorblok. "Er komt zo goed als geen einde aan de lijst. Het gaat om complexe - maar ook eenvoudige - zaken die bepaalde productiestappen eenvoudiger en beter maken. Industrieel printen is overal aanwezig zonder dat de meeste mensen daarbij stilstaan", zegt Buttiens. Functioneel en industrieel printen zal ongetwijfeld op een nog grotere schaal in nieuwe industriële productieomgevingen geïntegreerd worden. De markt voor industrieel printen is erg concurrerend. Ze vormt een brug tussen verschillende industriële sectoren, waaronder de grafische (zeefdruk, inkjet, diepdruk, offset, flexodruk), materialen (substraten en inkten) en elektronica. Eastman Kodak, BASF, DuPont, Toyo Ink, Avery Dennison, Altana AG, Agfa-Gevaert, Xaar zijn enkele belangrijke internationale spelers op die markt. Toepassingen die we goed kennen, zijn RFID-labels, schermen en sensoren, maar ook zonnepanelen, batterijen, verlichting, elektronische onderdelen, enzovoort. De mogelijke substraten voor de industriële print lopen sterk uiteen: papier (e-papier), kunststof (PET, PEN), glas, textiel en metaal. Ook halfgeleidende materialen zoals galliumnitride (GaN) winnen aan belang. Dat materiaal wordt in elektronica gebruikt - omdat het licht kan opwekken (LED), wordt het in tv- en computerschermen geïntegreerd. We vinden het ook terug in zonnepanelen waarvan sommige elementen met zeefdruk vervaardigd worden. GaN wordt ook nog toegepast in transistors en in de productie van USB-laders. De inkten zijn op hun beurt onderverdeeld in halfgeleidende en geleidende inkten (inkten op basis van zilver, koper, grafeen of nog andere materialen) die - zoals u wel kunt vermoeden - in gedrukte elektronica gebruikt worden. De geleidende inkt op basis van grafeen wordt bijvoorbeeld in batterijen, soepele OLED-systemen, optische circuits, enzovoort gebruikt. De markt voor industrieel printen doet een beroep op verschillende druktechnieken. Zeefdruk en inkjet worden het vaakst gebruikt, daarna volgen diepdruk, flexodruk en offset. Omdat die druktechnologieën niet specifiek voor de industriële print ontwikkeld werden, hebben verscheidene organisaties in O&O geïnvesteerd om specifieke druktechnieken te ontwikkelen. Zo bestaan er industriële inkjet- en 3D-printoplossingen speciaal voor elektronica (bijv. Notion Systems) of het IML/IMD-procedé (in-mould-printen, bijv. Thieme, Kurz). De markt van de industriële print kent een constante groei. "In 2020 was de markt voor industrieel printen goed voor 42 miljard dollar en in 2030 zal die markt 74 miljard dollar waard zijn", weet Peter Buttiens. Mordor Intelligence, een bureau voor marktonderzoek, heeft het over een jaarlijks groeipercentage van bijna 21 procent voor de periode 2021-2026. Het Engelse onderzoeksbureau Smithers Pira vermeldt gedrukte elektronica, 3D-printing en digitaal bedrukt textiel als de sterkst groeiende marktsegmenten voor industrieel printen. Voor ESMA zijn de drie belangrijkste toepassingsgebieden van industrieel printen: OLED-schermen (smartphones, tablets, tv's...), sensoren en geleidende inkten (bron IDTechEx). "De markt voor intelligente verpakkingen kent eveneens een sterke groei en die zou in 2050 vijf keer groter moeten zijn dan nu", verwacht Buttiens. "De kosten hebben altijd een rol gespeeld, maar dankzij de industriële aanpak kunnen we nu bepaalde oplossingen, zoals RFID en NFC, tegen een aantrekkelijke prijs aanbieden. Dat houdt heel wat mogelijkheden in voor de veiligheid en voor de strijd tegen namaak, terwijl tegelijk bijkomende informatie via de smartphone verstrekt kan worden." Hoewel industrieel printen een internationale groeimarkt is, werd de sector ook door de coronapandemie getroffen. De verstoringen in de cyclus van vraag en productie tastten immers het economische weefsel aan en de hele industrie had onder bevoorradingsproblemen vanuit China te lijden. "Vooral de sectoren die gebruik maken van halfgeleiders liepen vast. Dat had gevolgen voor de autosector, maar ook de fabrikanten van huishoudtoestellen vielen bijna stil wegens gebrek aan elektronicaonderdelen. In Amerika zagen we een enorme terugval van de kledingindustrie (bedrukken van T-shirts) en later volgde de rest van de textielindustrie met vertragingen", legt Peter Buttiens uit. "De Printed Electronics deden het dan weer erg goed, ook de productie van zonnepanelen kende een enorme boost. De grootste vooruitgang zagen we in de gezondheidszorg dankzij sensoren en andere onderdelen. Dat is niet onverwacht, want al jaren worden teststrips voor diabetici gemaakt met zeefdruk. In de laatste vijf jaar zien we een grote groei bij de sneltests (diagnosekits) voor allerhande ziektes zoals kanker, stresslevels, HIV, SOA's en die groei zal blijven." Marktonderzoeker Data Bridge wijst erop dat verscheidene factoren de groei van de markt voor industrieel printen bevorderen. De beschikbaarheid van een ruim aanbod substraten, het printen van rol op rol om grote oppervlakken te behandelen, de beperkte ecologische impact van de industriële print en de gedrukte elektronica. Dat zijn maar enkele voorbeelden. De invoering van nieuwe toepassingen en functies in verscheidene producten en de aanvaarding van 3D-printing houden op hun beurt ook nieuwe groeikansen voor de markt van de industriële print in. Zeefdruk mag dan de overheersende technologie op die markt zijn, inkjet verovert geleidelijk een plaats in bepaalde sectoren van de industriële print, zoals het industrieel bedrukken van flacons en het direct bedrukken van voorwerpen. Het gebruik van inkjet-technologie neemt toe omdat die techniek in uiteenlopende bevoorradingsketens belangrijke voordelen biedt. De flexibele productiemogelijkheden en de mogelijkheid om op een rendabele manier variabele gegevens te drukken, maken van inkjet een geschikt instrument voor industrieel printen. Daarnaast is er ook nog de toepassing van 3D-printing in de industriële processen om op een rendabele manier functionele onderdelen en voorwerpen te vervaardigen. De 3D-techniek wordt in tal van sectoren gebruikt, onder andere om snel prototypes te vervaardigen (vliegtuigbouw, autobouw, geneeskunde, verpakkingen...), maar ook om mallen of complexe matrixen te fabriceren voor de productie van onderdelen in metaal of kunststof. De 3D-technologie maakt het ook mogelijk om producten te personaliseren en elektronica te integreren zonder gebruik te maken van printplaten - of alvast het gebruik daarvan te beperken. 3D-printing is een techniek die snel ingezet kan worden en waarmee op noodsituaties gereageerd kan worden. Zelfs bij ernstige verstoringen van de bevoorradingsketen, zoals tijdens de pandemie, kunnen essentiële onderdelen op aanvraag vervaardigd worden in gelijk welke installatie voor 3D-printing, gelijk waar in de wereld. Bovendien kan men daarbij zijn voordeel doen met ontwerpen die online gedeeld worden. Quantica en Nano Dimension zijn bijvoorbeeld twee Duitse producenten van 3D-druktoepassingen voor sectoren zoals tandheelkunde, geneeskunde en elektronica. De technologieën en processen die in de ontwikkeling van industrieel printen gebruikt worden, maken het mogelijk om de ecologische impact te verminderen. "Daarnaast is de wereld sterk aan het veranderen op het vlak van duurzaamheid: minder CO2 uitstoten, geen overproductie. Dat zal in de komende jaren belangrijker worden en industrieel printen kan hier zeker een rol spelen", zegt Peter Buttiens. "De nieuwe duurzame ontwikkelingen steunen bijvoorbeeld op zonnesystemen met perovskiet of op nieuwe batterijen met halfgeleiders. De OLED-technologie begint een dominerende positie in de sector van de beeldschermen in te nemen, terwijl de wereldwijde pandemie de behoefte aan bewakingssensoren en kits voor snelle diagnose verhoogd heeft." De topman van ESMA haalt als voorbeeld ook de 'microfactories' (kleine productieomgevingen) in de textielindustrie aan, waarvan het model ook in andere sectoren toegepast kan worden. Die microfabrieken produceren op aanvraag zodat de voorraden beperkt gehouden kunnen worden en de ecologische voetafdruk van de productie en leveringen verkleint. Een ander voorbeeld komt uit de sector van de verzorgingsproducten: flacons kunnen nu binnenshuis bedrukt worden met de DTS-techniek (DTS: Direct-to-Shape). Daarbij kan inkjet gebruikt worden om producten op een flexibele manier te personaliseren. "Door DTS te gebruiken, kan men de kosten en het materiaal van labels uitsparen. Dat gebeurde ook al deels in de textielwereld door naar tagless informatielabels over te schakelen die via zeefdruk op de binnenkant van de stof gedrukt worden", legt Buttiens uit. Bij de gedrukte elektronica worden circuits gevormd door geleidende en halfgeleidende inkten via een drukprocedé direct op een drager aan te brengen. Hier is er voor industrieel printen een veelbelovende toekomst weggelegd in de grootschalige productie. Gedrukte elektronische toepassingen zijn niet onbelangrijk in de bedrijfsactiviteit van het industrieel printen en vinden vooral een afzetgebied in sectoren zoals geneeskunde, automotive, huishoudtoestellen en industrie. Volgens Peter Buttiens staat de wereld van de gedrukte elektronica voor de nieuwe uitdaging om gedrukte, soepele circuits te produceren die dunner en lichter zijn. Het voordeel van dergelijke circuits is dat ze minder duur zijn en gemakkelijk in 3D-onderdelen geïntegreerd kunnen worden. Het Belgische bedrijf Quad Industries bijvoorbeeld is een specialist in de soepele, gedrukte elektronica. Sensoren, membraanschakelaars, beeldschermen, aanraakpanelen, OV-elektrodes, 3D-elektronica, intelligente verpakkingen, antennes (RFID, NFC) zijn enkele belangrijke producten in dit segment. Gedrukte elektronica wordt ook beschouwd als een middel om de productiekosten te drukken. "Bepaalde traditionele processen zijn grote energieverbruikers en zeer duur. Voor goedkope producten kan men veel van deze kosten vermijden door gebruik te maken van industrieel printen", zegt Buttiens. "We zien dat vele nieuwe ontwikkelingen aan Printed Electronics gelinkt zijn. Zo zal de opkomst van elektrische auto's een belangrijke rol spelen want dergelijke wagens zijn uitgerust met gedrukte onderdelen (temperatuursensoren voor de batterijen, lidar, enz.). We zien ook intelligente oplossingen in de huishoudtoestellen met een mooier ontwerp voor het bedieningspaneel. De toepassingen die in de toekomst belangrijk zullen zijn dankzij het printen van geleidende banen, zijn onder meer elektronische huidpatches, in-mould elektronica, intelligent textiel, slimme verpakkingen, enzovoort." Azië is de belangrijkste regio op het vlak van gedrukte elektronica met grote bedrijven in Japan, Zuid-Korea, Taiwan en China. "Europa wil duidelijk minder afhankelijk zijn van China, dat ondertussen een heel sterke greep op de grondstoffen en onderdelen heeft. En daardoor wordt de vraag naar flexibele productieomgevingen alsmaar belangrijker", stelt Peter Buttiens. Het RFID-label is een toepassing in volle ontwikkeling waarvan het gebruik gestimuleerd wordt door de detailhandel. RFID maakt het mogelijk om de opvolging van goederen doorheen de hele bevoorradingsketen en de verkoop, van de opslagplaats tot de winkel, te automatiseren en daarbij het manueel nummeren van producten te elimineren. De gedrukte UHF-RFID-technologie wordt net zo goed op alledaagse gebruiksvoorwerpen ingezet als op verpakkingen in de bevoorradingsketen. Dat kan door de antenne op een flexibel substraat te drukken die op het voorwerp bevestigd wordt, of door de antenne direct op de verpakking te drukken. Om de gegevens uit te lezen, heb je dan niet meer dan een smartphone nodig. "Er is ook een explosieve toename van geavanceerde basissensoren voor ziekenhuizen. Patiënten kunnen dan thuis of in het ziekenhuis opgevolgd worden met patches die haast alles in real-time meten - hartslag, bloeddruk, ECG, insuline, temperatuur, ademhalingsritme, enzovoort. Daardoor kan bespaard worden op personeelsleden die metingen uitvoeren. De verpleegkundigen kunnen dan andere taken uitvoeren die niet geautomatiseerd kunnen worden", stelt Peter Buttiens. Het onderzoekscentrum Imec uit Leuven speelt een belangrijke rol in de nieuwe ontwikkelingen voor gezondheidszorg en medische toepassingen. In het segment van de gedrukte elektronica is zeefdruk het belangrijkste drukprocedé. Volgens Peter Buttiens worden de inkjetprinters bij O&O en proefprojecten ingezet en vertegenwoordigen ze minder dan twee procent van het drukvolume op het vlak van gedrukte elektronica. De digitale printer Voltera bijvoorbeeld is een compact systeem dat speciaal voor dat type van productie ontwikkeld is. Met die printer, die met een speciale printkop uitgerust is en gebruik maakt van geleidende inkt, kunnen snel prototypes vervaardigd worden vooraleer men op een grootschalige productie met het zeefdrukprocedé overstapt. "In afwachting moet ook de zeefdruktechnologie haar grenzen verleggen en fijnere lijntjes drukken met een dikte tot 20 micron, wat vijf jaar geleden zo goed als onmogelijk was. Dankzij nieuwe technieken en een beter gebruik van de CTS-techniek (computer-to-screen) om sjablonen te creëren en om de zeefdruksystemen en -omgevingen te verbeteren, worden ook de resultaten beter", zegt Buttiens. Textiel is een nieuw werkterrein voor industrieel printen. Daar maken we de opkomst van het elektronische of intelligente textiel mee (e-textiel). Het gaat om een type van stof dat elektronische elementen bevat (sensoren, verwarming, afkoeling, spierstimulatie, veiligheid...) en dat net zo goed voor kleding als voor interieurweefsels gebruikt kan worden. ESMA is overigens in 2020 van start gegaan met een nieuwe pijler die op textiel gericht is. Dit jaar heeft de Europese associatie ook het evenement TPS (Textile Printing and Sustainability) in het leven geroepen, een conferentie waar ideeën uitgewisseld kunnen worden om de textielindustrie duurzamer te maken. (zie kader blz. 32) "Ons hoofddoel is de focus op de workflow van textielprinten en de chemie. Ons HSEP-comité (Health, Security & Environmental Protection) speelt een belangrijke rol om de gegevensstroom binnen de chemie van inkten en nabehandeling op te volgen. Ook de weg naar meer duurzame en ecologische oplossingen is een thema. Een werkgroep volgt voor de textieldruk de behoeften op rond standaardisatie, kleurenmanagement, businessmodellen en technologische concepten zoals de microfactories en automatisatie in de markten van kleding, interieurtextiel en technisch textiel. Onze nieuwe focus op textiel is niet onverwacht: na een analyse bleek dat tachtig procent van onze leden iets te maken heeft met textielprinting", zegt Peter Buttiens. In de microfactories wordt het drukwerk in de buurt van de koper uitgevoerd. Bij een modecollectie kunnen zo voorraadproblemen vermeden worden door de winkels telkens met kleine hoeveelheden te bevoorraden. Wereldwijd zijn zeefdruk en inkjet de twee belangrijkste drukprocedés in de textielsector. "In het segment van het interieurtextiel speelt inkjet een belangrijke rol bij de personalisering", voegt Buttiens er nog aan toe. De inkjettechnologie wordt ook beschouwd als een goede oplossing om de bevoorradingsketen in te korten en flexibeler te maken. Tien jaar geleden was het drukken van sierelementen en laminaten het grootste werkgebied voor het industrieel drukken. Volgens Smithers Pira was die activiteit goed voor een derde van de totale marktwaarde. Met de industriële print worden ook materialen zoals hout en steen geïmiteerd. Diepdruk domineert die markt en maakt het mogelijk om gelamineerd papier op oppervlakken te drukken; de inkjettechnologie vindt echter hoe langer hoe meer ingang. Inkjet heeft overigens al het segment van de tegelversieringen overgenomen. "Interieurprinting is een groeimarkt voor allerlei oplossingen: van laminaat tot vinyltegels, maar ook houtstructuren en behangpapier. Technologie brengt ook duurzamere oplossingen en vooral, men kan de creativiteit de vrije loop laten. Het is duidelijk dat industrieel printen geen limieten kent. De technologie zal nog veel mensen verbazen in de toekomst", besluit Peter Buttiens.