Self-cleaning optical surfaces for the inkjet and 3D printing industry

Abstract

Liquid and solid repellent surfaces are key to many industries. For example, construction industry benefits from self-cleaning windows, cements, paints, roof tiles, and corrosion resistant surfaces, while easy-to-clean, antifingerprint and antibacterial surfaces are highly relevant for display applications. In inkjet and 3D printers, the unwanted deposition on the inner parts of raw materials in the form of liquid, aerosol or solid particulates may cause device malfunctioning. In particular, ink aerosol and powder may obstruct light passage in several key components, such as sensors and lamps. To address this, the thesis proposes and investigates novel designs and methods to reduce ink aerosol and powder contamination on transparent surfaces. In the first part, Joule heating and hydrophobicity against ink aerosol contamination are studied. The former effect is provided by a transparent conducting film (TCF), while the latter through a self-assembled monolayer (SAM) coating. The combination of the two effects reduce transmittance loss from an average of 10% to less than 1.5% in the presence of ink aerosol. Correspondingly, the area of the surface covered by ink decreases from around 45% to less than 2%. Results obtained with the glass substrates are subsequently extended to the plastic window of a commercial inkjet printer calibration sensor. Furthermore, effectiveness of the proposed self-cleaning surfaces inside an inkjet printer is demonstrated. In the second part, a technology called ¿electric curtain¿ is used to design a self-cleaning surface against powder contamination in 3D printers. Powders are the starting material for forming the objects and are largely present inside the printer. It is shown that an electric curtain can clean about 50% of the powder that deposits on the surface . The thesis also proposes a new electric curtain design consisting of a double electrode layer which significantly increases the particle removal efficacy to more than 70%, with plenty of margin of improvement. In summary, in this thesis novel self-cleaning transparent surfaces are proposed and their potential for inkjet and 3D printing industry is demonstrated in real operating conditions.

En la actualidad, el uso de superficies repelentes de partículas sólidas y líquidas es de gran importancia en el ámbito de la industria. Un caso concreto es el de la industria de la construcción, donde el uso de ventanas, cementos, pinturas y tejas que son “autolimpiables” junto con superficies resistentes a la corrosión son de gran utilidad. Asimismo, superficies fáciles de limpiar, antibacterianas y antihuella son de vital importancia para aplicaciones de visualización. En el caso concreto de las impresoras de tinta y 3D puede existir la deposición de partículas líquidas y solidas respectivamente, durante el funcionamiento de los equipos. Esto conlleva a un mal funcionamiento de las mismas ya que, tanto el aerosol procedente de las tintas como el polvo utilizado en las impresoras 3D, pueden obstruir el paso de la luz en los componentes principales de la impresora, como son los sensores y lámparas. Con el fin de solucionar las cuestiones descritas previamente, en esta tesis se ha desarrollado un nuevo diseño y procedimiento para reducir la contaminación provocada por los aerosoles y el polvo. En la primera parte, se estudia la reducción de la contaminación de aerosoles en el sensor de la impresora mediante dos vías, el calentamiento del mismo por efecto Joule y modificando químicamente la superficie del sensor transformándola en hidrofóbica. El efecto Joule se proporciona a través de una película conductora transparente (TCF), mientras que la hidrofobicidad se confiere mediante un revestimiento de monocapa autoensamblada (SAM). La combinación de ambos efectos hace que la pérdida de transmisión se reduzca de un 10% a un valor igual o inferior del 1.5%. Asimismo, el área recubierta por el aerosol disminuye de un 45% a un valor de 2%. Estos resultados obtenidos para substratos de vidrio se aplicaron posteriormente a una ventana de plástico de un sensor comercial utilizado en impresoras de tinta. Finalmente, se demuestra la efectividad del proceso propuesto (efecto Joule y SAM) al instalarse en una impresora industrial. En la segunda parte, una tecnología llamada “cortina eléctrica" se utiliza para diseñar una superficie de autolimpieza contra la contaminación de polvo en impresoras 3D. Los polvos son el material de partida para formar los objetos y están en gran parte presentes dentro de la impresora. Se muestra que una cortina eléctrica puede limpiar aproximadamente el 50% del polvo que se deposita en la superficie. La tesis también propone un nuevo diseño de cortina eléctrica consistente en una capa de doble electrodo que aumenta significativamente la eficacia de eliminación de partículas a más del 70%, con suficiente margen de mejora. En resumen, en esta tesis se proponen nuevas superficies transparentes de autolimpieza y se demuestra su potencial para la industria de impresión por inyección y 3D en condiciones reales de funcionamiento.