Чудеса новой полиграфии

Полиграфия — наукоемкая область человеческой деятельности. Развитие науки и техники приводит к существенным изменениям в полиграфической технологии.

В последние годы сформировались новые направления применения полиграфических технологий. В первую очередь это относится к так называемой 3D-печати, «печатной электронике», — применению полиграфических методов при создании интеллектуальной (smart) упаковки.

3D-печать — это изготовление объемных изделий полиграфическими методами. Третье измерение в полиграфии появилось давно, с развитием трафаретной печати, когда печатное изображение приобретало значительную толщину в 1–2 мм. Уникальность технология 3D-печати заключается в возможности довольно быстро получить точную копию различных изделий. Сегодня наиболее правильным названием для этого процесса будет быстрое прототипирование (Rapid Prototyping). Это связано с тем, что в результате 3D-печати мы получаем копию изделия, полностью повторяя его размеры, внешний вид имеет цвет и текстуру поверхности, однако материал изделия разрабатывается для конкретного принтера и технологического процесса. Пока в качестве материалов используются композиции, отверждаемые по мере нанесения строго дозированного слоя.

Фактически изделие, полученное методом 3D-печати, представляет собой послойное построение конструкции на основе разработанной математической модели. Среди преимуществ технологии: наглядность, сокращение сроков подготовки, а также уменьшение затрат на конструирование и дизайн. Все это происходит в несколько этапов, первым из которых является математическое моделирование (в терминологии традиционной печати — допечатная подготовка). Затем для уточнения требуемой фактуры видовых поверхностей делается доработка прототипов.

Прототипирование изделий также включает отработку технологий, непосредственное изготовление моделей и финальную доработку. Уже сегодня 3D-печать обнаруживает довольно широкую сферу применения.

Для более широкого применения 3D-печати, превращения ее в технологию изготовления конкретных деталей для различных областей техники необходима разработка таких печатных материалов, которые после печати и отверждения композиции обладали бы свойствами металлов, диэлектриков, полупроводников и др. Тогда можно будет отказаться от определения процесса как прототипирования, т.е изготавливаться будет не прототип, а само изделие, готовое к конкретной эксплуатации в техническом устройстве. Учитывая интенсивное развитие этой технологии, долго ждать не придется.

Сейчас данная технология используется, прежде всего, для изготовления партии опытных изделий различного назначения — как нескольких штук, так и нескольких тысяч изделий. Незаменимо быстрое прототипирование при необходимости частой замены дизайна или конструкции деталей, а также при начале выпуска серийных изделий. Данная технология используется в машиностроении, полиграфии, в электротехнической и электронной промышленности — прототипирование можно встретить практически повсюду.

Сегодня заметен значительный рост применения новых полиграфических технологий для изготовления микроэлектроники. Даже возник новый термин — печатная электроника. Появление печатных электронных схем связано с разработкой новых материалов, которые при определённых условиях способны заменить кремний в электронных и компьютерных технологиях. Оказалось, что некоторые вещества (органические и высокомолекулярные соединения, наночастицы металлов, графены, углеродные нанотрубки) можно добавлять в жидкости, выполняющие функции красок или чернил, которые затем наносятся на гибкую полимерную подложку или кремниевые пластины и создают активные или пассивные устройства, такие как тонкоплёночные транзисторы, резисторы, светодиоды.

Несомненным положительным фактором является то, что при этом можно использовать типовое печатное оборудование. Это может быть оборудование трафаретной печати, флексографии, офсетной печати, а также принтеры струйной печати. Как и в обычной печати, в печатной электронике композиции наносятся слоями друг на друга, так что согласованное развитие методов печати и материалов чернил является важнейшими задачами этого направления.

Используя в технологическом процессе органические и неорганические полупроводники, материалы, обладающие электронной проводимостью, в том числе и углеродные нанотрубки, можно создать любой электронный прибор и микросхему. Основное преимущество таких процессов перед традиционными способами изготовления компонентов микроэлектроники — это высокая производительность.

Характеристики устройств печатной электроники, как правило, хуже, чем у обычных электронных приборов, но последние дороже по стоимости. Именно низкая стоимость является наиболее важным преимуществом печати, особенно для крупномасштабного производства. Ожидается, что печатная электроника будет содействовать повсеместному распространению электроники с очень низкой стоимостью для таких приложений, как гибкие дисплеи, системы радиочастотной идентификации, декоративные и анимированные плакаты, активные покрытия и др.

Более низкая стоимость позволяет использовать изделия в большем числе приложений. Примером может служить система радиочастотной идентификации, которая обеспечивает бесконтактную идентификацию товаров в области торговли и транспорта. Печать на гибких полимерных подложках позволяет создавать изделия электроники на изогнутых поверхностях, например монтировать солнечные батареи на крышах автомобилей.

За последние несколько лет в области печатных радиометок на основе органической электроники был достигнут большой прогресс. Так, были анонсированы 128-битные ретрансляторы и сверхвысокочастотные выпрямители на основе органических полупроводников. Печатные антенны уже широко применяются в традиционных устройствах радиочастотной идентификации на основе кремниевых кристаллов.

В последнее время эффективно начинают применяться современные полиграфические технологии в сочетании с достижениями нанотехнологий. Это видно на примере так называемой интеллектуальной (smart) упаковки. Нанотехнологии находят применение в различных областях упаковочной индустрии: в обеспечении защиты продукции от фальсификации, для отслеживания условий ее транспортировки и хранения на складах, а также для получения информации о происхождении сырья и технологии изготовления продукта, упакованного в smart-упаковку.

Интересны результаты последних исследований, связанных с применением нанотехнологий в упаковке продуктов питания, которые требуют заморозки при транспортировке (мясо, рыба, свежезамороженные фрукты и овощи и др.). К сожалению, не всегда можно определить, размораживались ли продукты в процессе их транспортировки и хранения. Решению этой проблемы способствует применение специальных, так называемых термохромных, красителей, которые меняют свой цвет в зависимости от температуры поверхности, на которую они нанесены. Молекулы такого красителя могут образовывать агрегаты, которые будут окрашены в один цвет, а при разрушении агрегатов, вызванном изменением температуры, в другой цвет.

Результаты предварительных испытаний свидетельствуют о том, что нанесенное на упаковку полиграфическим способом изображение с помощью термохромного красителя при температуре от 0 до –20 °С будет иметь фиолетовый цвет, а в случае размораживания до температур выше 0°С изображение примет стойкий желтый цвет, который не изменится при повторной заморозке. Другими словами, в данном случае речь идет о тонкослойном датчике, который будет информировать потребителя, а также изготовителя продукции о технологии транспортировки и хранения по пути от производителя к потребителю.

Пройдет еще пара лет — и на очередной выставке «Полиграфинтер» мы будем говорить о промышленном, крупномасштабном внедрении рассмотренных технологий.

Евгений БАБЛЮК,
заведующий кафедрой инновационных технологий в полиграфическом и упаковочном производстве
Московского государственного университета печати им. Ивана Федорова

Уникальность технология 3D-печати заключается в возможности быстро получить точную копию различных изделий.

Нанотехнологии находят применение в различных областях упаковочной индустрии

Низкая стоимость устройств печатной электроники является их важным преимуществом, особенно для крупномасштабного производства.

Каждый покупатель хочет знать, не обманывают ли его в магазине, не размораживалась ли рыба, мясо, овощи по пути к прилавку. Гарантией качества может стать… одна из новых полиграфических технологий. Нанесенная на упаковку термохромная краска будет играть роль тонкослойного датчика. При температуре от 0 до –20 °С выполненное такой краской изображение будет фиолетовым, а в случае размораживания продукта примет стойкий желтый цвет, который не изменится при повторной заморозке. Полиграфисты утверждают, что еще несколько лет — и эта технология станет вполне обыденной. Вряд ли кто-нибудь захочет купить ярко-желтого минтая на фоне фиолетовой трески.

Мировой рынок печатной электроники (млрд долл.)

*Прогноз

Источник: данные Organic Electronics Association.

Скачать статью (.doc)