เหตุใดการพิมพ์แบบไม่สัมผัสจึงเป็นข้อได้เปรียบหลักของเทคโนโลยีอิงค์เจ็ตเชิงอุตสาหกรรม

หลักฟิสิกส์ของการพิมพ์โดยไม่ใช้สกีเจอร์

การพิมพ์อิงค์เจ็ตเชิงอุตสาหกรรมจัดอยู่ในหมวดหมู่ที่วิศวกรเรียกว่า การพิมพ์แบบไม่สัมผัส (non-impact printing) แต่ความหมายเชิงปฏิบัติกลับลึกซึ้งกว่านั้นมาก ซึ่งไม่ได้จำกัดเพียงแค่การไม่มีแผ่นกระทบเท่านั้น ในระบบที่ใช้การสัมผัสโดยตรง เช่น การพิมพ์แบบแพด (pad printing) หรือการปั๊มร้อน (hot stamping) จะมีตัวกลางทางกายภาพทำหน้าที่ถ่ายโอนหมึกหรือฟอยล์ไปยังชิ้นงานโดยตรง การถ่ายโอนนี้จำเป็นต้องอาศัยแรงกด ความแม่นยำในการจัดแนว และพื้นผิวของวัสดุที่ใช้รองรับ (substrate) ที่แข็งแรงพอจะต้านแรงกดโดยไม่เกิดการเสียรูป ขณะที่การพิมพ์อิงค์เจ็ตสามารถขจัดตัวแปรทั้งหมดเหล่านี้ออกไปได้ทั้งหมด หัวพิมพ์แบบเพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric printhead) จะปล่อยหยดน้ำหมึกที่มีปริมาตรวัดได้ในหน่วยพิโคลิตร ข้ามช่องว่างที่ควบคุมไว้อย่างแม่นยำ โดยทั่วไปมีระยะห่างประมาณหนึ่งถึงสามมิลลิเมตร หยดน้ำหมึกคือสิ่งเดียวที่สัมผัสกับพื้นผิวของชิ้นงาน ไม่มีสิ่งใดมาบีบอัดวัสดุรองรับ ไม่มีสิ่งใดทำให้หมึกที่ยังเปียกเลอะเลือน และไม่มีส่วนใดสึกหรอจากการสัมผัสเชิงกลซ้ำๆ ผู้ผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์แห่งหนึ่งในรัฐมินนิโซตา ได้ค้นพบความแตกต่างข้อนี้เมื่อเปลี่ยนจากการพิมพ์แบบแพดมาเป็นการพิมพ์อิงค์เจ็ต เพื่อพิมพ์เครื่องหมายบนฝาขวดโพลีโพรพิลีน (polypropylene vial caps) ซิลิโคนแพดสำหรับการพิมพ์แบบแพดเริ่มเสียรูปหลังจากใช้งานไปเพียงไม่กี่พันรอบบนฝาขวดที่มีลักษณะโค้งเล็กน้อย ส่งผลให้คุณภาพของการพิมพ์ค่อยเป็นค่อยไปลดลง ขณะที่สายการผลิตแบบอิงค์เจ็ตสามารถผลิตฝาขวดได้ถึงแปดล้านชิ้น ก่อนที่จะต้องเปลี่ยนหัวพิมพ์ครั้งแรก

การพิมพ์บนพื้นผิวที่บิดเบี้ยวเมื่อถูกกดทับ

วัสดุบางชนิดไม่สามารถทนต่อการสัมผัสเชิงกลได้เลย ตัวอย่างเช่น ขวดที่ผลิตด้วยวิธีเป่าขึ้นรูปผนังบาง ซองบรรจุภัณฑ์แบบยืดหยุ่น แผ่นโฟม และแผ่นคอมโพสิตที่ยังไม่ผ่านกระบวนการบ่ม ล้วนมีคุณสมบัติร่วมกันคือ เบี่ยงเบนหรือยุบตัวเมื่อแม่พิมพ์กดลงบนพื้นผิว สำหรับเครื่องพิมพ์แบบสัมผัส จำเป็นต้องปรับให้ใช้แผ่นรองที่นุ่มกว่า ลดแรงกดลง หรือใช้โครงยึดที่ซับซ้อน ซึ่งแต่ละวิธีล้วนก่อให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการจัดตำแหน่งและทำให้กระบวนการผลิตช้าลง การพิมพ์แบบอิงค์เจ็ตแบบไม่สัมผัสหลีกเลี่ยงปัญหานี้ได้อย่างสิ้นเชิง โดยหัวพิมพ์จะตรวจวัดรูปทรงของพื้นผิว จากนั้นปรับรูปแบบการฉีดหมึกผ่านระบบควบคุมแบบปิด (closed loop feedback) และปล่อยหมึกลงบนชิ้นงานโดยไม่สัมผัสพื้นผิวเลย โรงงานบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แห่งหนึ่งในประเทศไทยใช้ระบบการพิมพ์แบบอิงค์เจ็ตเพื่อพิมพ์รหัสลงบนฟิล์มห่อแบบป้องกันไฟฟ้าสถิตย์ (anti-static bubble wrap) โดยไม่ทำให้ถุงฟองอากาศแตกแม้แต่เซลล์เดียว ลองใช้เครื่องพิมพ์แบบฮ็อตสแตมป์กับวัสดุชนิดนี้ดูสิ ฟิล์มห่อจะเสียหายทันทีภายในระยะเพียงหนึ่งเมตรแรกของการผลิต

ข้อได้เปรียบของหมึกแบบเปียกที่คุณไม่เคยนึกถึง

มีความขัดแย้งที่น่าประหลาดใจอยู่ในการพิมพ์แบบสัมผัสโดยตรง ทันทีที่แผ่นหรือหน้าจอสัมผัสกับชั้นหมึกที่ยังเปียกอยู่ซึ่งมาจากสถานีก่อนหน้า มันจะทำให้ภาพพิมพ์เลอะเลือน หรือรับสิ่งสกปรกมาติดแล้วถ่ายโอนกลับไปยังชิ้นงานในขั้นตอนถัดไป ส่งผลให้สายการผลิตจำเป็นต้องติดตั้งอุโมงค์อบแห้ง โซนเป่าลมบังคับ หรือโซ่เข็มที่แยกภาพพิมพ์ที่ยังเปียกออกจากกระบวนการขั้นต่อไปด้วยวิธีทางกายภาพ ในขณะที่การพิมพ์แบบอิงค์เจ็ตแบบไม่สัมผัสสามารถพิมพ์สีหลายสีได้ในครั้งเดียว หรือหลายรอบต่อเนื่อง โดยไม่มีการสัมผัสกับพื้นผิวที่เพิ่งพิมพ์เสร็จเลย ระบบอบแห้งด้วยแสง UV LED ที่ติดตั้งไว้ทันทีหลังหัวพิมพ์สามารถทำให้แต่ละชั้นแข็งตัวได้ก่อนที่สีถัดไปจะถูกพิมพ์ออกมา ผลลัพธ์ที่ได้คือลำดับการพิมพ์แบบ “เปียกบนแห้ง” ซึ่งช่วยกำจัดความจำเป็นในการอบแห้งระหว่างสถานี สำหรับผู้ผลิตฉลากแห่งหนึ่งในภาคเหนือของอิตาลี การเปลี่ยนมาใช้สายการผลิตอิงค์เจ็ต UV แบบผ่านครั้งเดียว ทำให้สามารถถอดหน่วยอบแห้งด้วยลมร้อนออกได้สามหน่วยจากผังโรงงาน และกู้คืนพื้นที่การผลิตได้ 18 ตารางเมตร

เหตุใดระยะห่างระหว่างหัวพิมพ์กับชิ้นงานจึงถือเป็นคุณลักษณะหนึ่ง

ระยะห่างระหว่างหัวพิมพ์กับวัสดุพื้นฐานมักถูกมองข้ามว่าเป็นข้อจำกัดด้านการออกแบบที่ไม่สำคัญ แต่ในทางปฏิบัติ ระยะห่างนี้กลับเป็นหนึ่งในปัจจัยที่ทรงพลังที่สุดในการสนับสนุนการผลิตแบบหลากหลาย (high mix production) ช่องว่างนี้สามารถรองรับความไม่เรียบของพื้นผิว ความโค้งงอ และความแปรผันของขนาด ซึ่งหากใช้เครื่องพิมพ์แบบสัมผัสจะต้องหยุดการผลิตเพื่อปรับค่าใหม่เสมอ ตัวอย่างที่ชัดเจนคือสายการผลิตสำหรับตกแต่งกระเบื้องเซรามิก กระเบื้องที่ผ่านการเผาในเตาอบมีความไม่เรียบของพื้นผิวได้สูงสุดถึง 1.5 มิลลิเมตรต่อความยาว 300 มิลลิเมตร เครื่องพิมพ์แบบกรอบสกรีนที่ทำงานบนกระเบื้องเหล่านี้จำเป็นต้องปรับแรงกดของสกีจี (squeegee) ทุกครั้งที่เปลี่ยนชุดผลิต และแม้แต่หลังจากปรับแล้ว ก็ยังเกิดปัญหาการพิมพ์ไม่ครอบคลุมบริเวณขอบของกระเบื้องขนาดใหญ่ เนื่องจากตาข่ายไม่สามารถสัมผัสพื้นผิวส่วนกลางที่เว้าเข้าไปได้อย่างสมบูรณ์ ในขณะที่ระบบพิมพ์แบบอิงค์เจ็ตที่มีระยะห่าง (standoff distance) 2 มิลลิเมตรสามารถพิมพ์กระเบื้องชนิดเดียวกันนี้ได้โดยไม่ต้องปรับตั้งค่าใดๆ และให้ความหนาแน่นของการพิมพ์ที่สม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิว ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นว่าระยะห่างนี้ส่งผลต่อความแตกต่างในการดำเนินงานอย่างไร เมื่อพิจารณาจากตัวชี้วัดการผลิตทั่วไป

เมื่อผลิตภัณฑ์ที่เปราะบางมาพบกับสายการผลิตความเร็วสูง

สายการผลิตความเร็วสูงทำให้ผลกระทบจากการสัมผัสทางกายภาพรุนแรงยิ่งขึ้น สายการผลิตหลอดแก้วที่ทำงานด้วยอัตรา 400 ชิ้นต่อนาที จะทำให้ขวดแต่ละใบเกิดการกระทบกันแบบจุลภาคกับรางนำทาง ล้อดาว (star wheels) และกลไกการพิมพ์ใดๆ ที่อยู่บนเส้นทางของมัน การเพิ่มระบบพิมพ์แบบสัมผัสเข้าไปในขั้นตอนนี้จะสร้างจุดกระทบเพิ่มเติมอีกจุดหนึ่ง ซึ่งแรงกด แม้จะเบาเพียงใด ก็จะทำให้เกิดความเครียดสะสมบริเวณผนังขวดที่บางมาก การพิมพ์แบบอิงค์เจ็ตแบบไม่สัมผัส (non-contact inkjet printing) สามารถกำจัดปัญหาความเครียดสะสมนี้ได้อย่างสิ้นเชิง หัวพิมพ์จะตั้งอยู่เหนือสายพานลำเลียงและยิงหมึกลงมาด้านล่าง โดยไม่ก่อให้เกิดแรงในแนวข้างต่อผลิตภัณฑ์แต่อย่างใด ประเด็นนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษในงานบรรจุภัณฑ์ยา เนื่องจากหากหลอดแก้วเกิดรอยร้าว หมายความว่าถาดทั้งหมดจะถูกแยกออกเพื่อควบคุมคุณภาพทันที ข้อมูลจากสมาคมยาฉีด (Parenteral Drug Association) ระบุว่า ความล้มเหลวในการรักษาความสมบูรณ์ของภาชนะบรรจุซึ่งเกิดจากกระบวนการจัดการและอุปกรณ์พิมพ์ มีสัดส่วนประมาณสามเปอร์เซ็นต์ของจำนวนครั้งที่สายการผลิตต้องปฏิเสธผลิตภัณฑ์ในสภาพแวดล้อมการบรรจุแบบปลอดเชื้อ (aseptic filling environments) การพิมพ์แบบอิงค์เจ็ตอาจไม่สามารถแก้ไขปัญหาความล้มเหลวทั้งหมดเหล่านี้ได้ แต่สามารถกำจัดสถานีพิมพ์ออกไปในฐานะปัจจัยหนึ่งที่ก่อให้เกิดปัญหา

ก้าวข้ามชิ้นส่วนแบบแบนราบเข้าสู่มิติที่สาม

ลักษณะการพิมพ์แบบไม่สัมผัสของระบบอิงค์เจ็ตยังเปิดโอกาสให้สามารถพิมพ์บนรูปทรงเรขาคณิตที่วิธีการพิมพ์แบบสัมผัสไม่สามารถเข้าถึงได้ ตัวอย่างเช่น แม่พิมพ์เว้า ร่องที่เว้าลง หรือด้านในของฝาครอบ ซึ่งสามารถพิมพ์เครื่องหมายด้วยระบบอิงค์เจ็ตได้ทั้งหมด ตราบใดที่หัวพิมพ์สามารถเล็งเข้าไปยังบริเวณโพรงนั้นได้ สำหรับการพิมพ์แบบแพด (Pad printing) อาจจัดการกับรูปทรงบางประเภทเหล่านี้ได้โดยใช้แผ่นแพดที่ออกแบบเฉพาะรูปทรง แต่ทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนรูปทรงใหม่ จะต้องใช้แผ่นแพดชิ้นใหม่ และการสึกหรอของแผ่นแพดจะส่งผลต่อคุณสมบัติการถ่ายโอนหมึกเมื่อเวลาผ่านไป ขณะที่ระบบอิงค์เจ็ตระดับอุตสาหกรรมที่ติดตั้งหุ่นยนต์หลายแกนหรือระบบควบคุมลำแสงแบบกาล์โว (galvo) สามารถพิมพ์ลงในบริเวณที่เว้าลึกซึ่งแผ่นแพดไม่สามารถเข้าถึงได้ทางกายภาพเลย ผู้ผลิตสวิตช์ยานยนต์รายหนึ่งในยุโรปใช้ระบบอิงค์เจ็ตที่ติดตั้งบนโครงสร้างแบบแคนทรี (gantry) เพื่อพิมพ์สัญลักษณ์ที่มีความคมชัดและคอนทราสต์สูงลงภายในร่องปุ่มกดที่มีความลึกเพียงเล็กน้อย กระบวนการพิมพ์แบบแพดที่เคยใช้งานมาก่อนนั้นจำเป็นต้องเปลี่ยนแผ่นแพดทุกวัน และตรวจสอบความหนาแน่นของหมึกอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่สายการผลิตแบบอิงค์เจ็ตสามารถทำงานได้ตลอด 3 เปลี่ยน โดยกำหนดการบำรุงรักษาเพียงครั้งเดียวทุกสองสัปดาห์

การพิมพ์แบบไม่สัมผัสไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาที่ครอบคลุมทุกกรณี มันไม่สามารถขจัดความจำเป็นในการปรับปรุงพื้นผิวของพลาสติกที่มีพลังงานต่ำได้ และยังต้องการสภาพแวดล้อมที่สะอาดรอบหัวพิมพ์เพื่อป้องกันฝุ่นสะสมบนแผ่นหัวฉีด อย่างไรก็ตาม สิ่งที่เทคโนโลยีนี้มอบให้คือความสัมพันธ์แบบใหม่โดยพื้นฐานระหว่างเครื่องพิมพ์กับผลิตภัณฑ์ ซึ่งเครื่องจักรจะปรับตัวให้เข้ากับชิ้นงานแทนที่จะบังคับให้ชิ้นงานปรับตัวให้สอดคล้องกับเครื่องจักร บริษัทโนวา อิงค์เจ็ต ได้ออกแบบแพลตฟอร์มระบบพิมพ์แบบอิงค์เจ็ตของตนรอบหลักการนี้ โดยออกแบบการผสานรวมเครื่องยนต์พิมพ์และระบบจัดการวัสดุรองรับให้สามารถใช้ประโยชน์จากช่องว่างระหว่างหัวพิมพ์กับวัสดุได้สูงสุด ทั้งในด้านความเร็วการผลิตที่หลากหลายและประเภทวัสดุที่แตกต่างกัน