Serigrafía rotativa en la impresión de etiquetas con RFID

Serigrafía rotativa en la impresión de etiquetas con RFID

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La característica única de la serigrafía es que el impresor puede colocar una capa gruesa de tinta o barniz sobre el sustrato en una pasada. Y, gracias a ello, el método de serigrafía rotativa es una efectiva solución en tres de los principales métodos de producción de etiquetas RFID.

La distancia a la que funcionan las etiquetas dependerá en gran parte de la frecuencia con la que trabajan. Cuanto más conductivo sea el sustrato, menor será la capacidad para resistir. Por lo tanto la resistencia determinará la frecuencia y la funcionalidad de la etiqueta. La resistencia de una antena RFID específicamente, será determinada por:

  • La conductividad y por lo tanto el tipo de metal utilizado 
  • La forma de la antena 
  • El espesor de la antena 
  • La temperatura y la presión de aire a la que está sometida en la cámara de secado, y la duración del tiempo de secado 
  • La temperatura y la duración del tiempo de curado 
  • La presión aplicada sobre la antena durante el proceso de laminación en la elaboración de la etiqueta RFID, convirtiéndose en parte de la etiqueta principal.

La capacidad para resistir varía según las propiedades químicas de cada metal. La plata que se imprime tiene una tasa de resistencia que oscila entre 7 y 20 mΩ y el cobre entre 30 y 120 mΩ, con un espesor de 25 µm en ambos casos.

Existen dos tipos de antenas RFID: cable de inductancia y dipolo. El cable de inductancia se utiliza para las frecuencias RFID bajas y altas. Las antenas de baja frecuencia (LF) están compuestas de cable de cobre enrollado y tienen cables con entre 200 y 250 bucles. Las de alta frecuencia (HF) tienen solamente de cuatro a seis, y pueden estar fabricadas con cable de cobre enrollado, cobre grabado o aluminio, tinta de plata o cobre plateado.

El otro tipo de antenas es una 'formación dipolo' con forma de corchete para aplicaciones de UHF y microondas. Pueden estar fabricadas con todos los elementos mencionados anteriormente, además del cable de cobre.

Opciones para la creación de antenas
Cobre enrollado 
El cobre es un conductor de electricidad relativamente pobre, de modo que su funcionalidad está limitada a las frecuencias bajas. Pero es más eficiente para atrapar las líneas de campo magnético en distancias cortas, que es donde los metales grabados fallan. Sus altos costos de producción impiden su utilización en bandas de alta frecuencia.

Grabado
El grabado está restringido a los sustratos plásticos puesto que el papel no es apto para este proceso. En primer término, el sustrato está recubierto con cobre o aluminio. La capa de tinta UV resistente al grabado, tiene un espesor de 30 µm y se imprime sobre la zona o trayecto de la antena deseados. Esto forma una imagen negativa de la antena RFID. Luego del secado, la banda es llevada a otra estación de impresión para imprimir la tira conductiva por debajo. La banda se trata con una solución acídica para grabado, para eliminar el recubrimiento sin enmascarar. Luego se retira la máscara mediante un baño alcalino. La velocidad de producción es de aproximadamente cinco metros por minuto y estará determinada generalmente por el tiempo requerido para el baño de grabado.

Recubrimiento electrolítico
En este caso, se imprime en primer término una capa electrolítica de cobre enchapado, que contiene un catalizador como la plata o el paladio, por ejemplo, mediante la impresión rotativa u otros métodos como la impresión flexográfica, y se fortifica luego con cobre durante el proceso de recubrimiento electrolítico. En total, los depósitos de tinta necesitan tener aproximadamente 10 µm de espesor. Si bien se necesita menos sustrato, el proceso requiere de dos pasos, tornándose más lento.

Impresión directa con tinta de plata
La otra técnica es la impresión directa con tinta conductiva de plata sobre el papel o película. El espesor de la tinta puede oscilar entre 5 y 25 µm dependiendo de la frecuencia requerida.

La impresión serigráfica rotativa pueden usarse para fabricar antenas en todos los procesos con excepción del método de cable de cobre. Desempeña un papel importante debido a la velocidad y precisión de este proceso de impresión, junto con los sistemas de secado y curado.

Con el tiempo, la serigrafía rotativa desempeñará un rol fundamental en estas áreas de producción si la industria de la impresión cumple realmente con las demandas del mercado de este tipo de aplicaciones.

Si bien el secado evapora los solventes, en el caso de la tinta de plata y en los procesos de recubrimiento electrolítico, se necesita además un proceso de curado para suavizar las partículas y estimular la conductividad. Además, la tinta UV resistente al grabado necesita también un curado bajo una lámpara UV A.

¿Cómo funciona la serigrafía rotativa?
La serigrafía rotativa permite una transferencia nítida de la imagen impresa al sustrato, en forma continua, en una sola operación que se repite con cada revolución. Como ya se ha mencionado, el depósito máximo es de 300 µm, y ningún otro proceso de impresión siquiera se acerca al depósito de 25 µm requerido para imprimir la parte resistente al grabado o la tinta de plata. Tiene una ventaja que la distingue sobre la prensa planocilíndrica, que requiere un movimiento de avance y retroceso. La cuchilla tangente debe pasar sobre la retícula para llenar con tinta las aberturas de la malla y luego mediante un rasero o regleta se pone en contacto el esténcil con el sustrato para permitir la transferencia de la tinta.

Se puede controlar con gran precisión el espesor de la capa de tinta y su anchura sobre el sustrato, ya sea que se imprima la parte resistente al grabado o bien la misma tinta conductiva. Este paso es esencial ya que estos factores determinarán la resistividad de la tinta. Asimismo, se debe tener cuidado durante los procesos de secado y curado de la tinta.

Stork Prints provee líneas dedicadas a la impresión, especialmente para producción RFID. Las unidades para integración serigráfica rotativa (RSI) están disponibles para anchos de banda de 10, 16, 20 y 24 pulgadas. Las retículas RotaMesh de puro níquel, tienen una estructura dotada de huecos hexagonales para lograr una estabilidad adicional, y para alcanzar velocidades superiores, sin interrupciones. Estas duran hasta 500,000 metros de banda y pueden ser grabadas nuevamente hasta 15 veces más.

El sistema de impresión directa está todavía en desarrollo. Pareciera como si el sistema basado en tinta solvente fuese el único apropiado para la producción RFID. El uso de tintas base solvente significa que el secado es una parte vital de la operación de serigrafía. La precisión es determinante. Una temperatura de secado demasiado alta también puede afectar la calidad de la impresión. Si los solventes se evaporan demasiado rápidamente, uno corre el riesgo de hervir la tinta y crear cráteres sobre la superficie de la tinta.

Consideraciones sobre los procesos de secado y curado
Se debe prestar especial atención al proceso de secado de los circuitos. Es probable que las tintas pierdan conductividad si no se imprimen de acuerdo con el perfil de tinta deseado. Los niveles de tolerancia en el espesor del depósito y en el recorrido son extremadamente estrechos. El nivel de tolerancia en las dos estaciones de impresión por impresión serigráfica rotativa que hemos mencionado anteriormente es de 0,1 mm en cualquiera de las direcciones. Asimismo se debe evitar el desvío de la distancia requerida entre los recorridos de la antena impresa. Según lo expuesto, si no se logra la precisión de estos sistemas, es poco probable que el circuito impreso tenga la resistencia de antena deseada, lo que provocará un funcionamiento deficiente del sistema.

Los tiempos de secado recomendados para las antenas RFID oscilan, por lo general, entre 30 a 120 segundos y toleran una temperatura de hasta 140ºC. Stork ha considerado el diseño del sistema de secado como un tema que deberá ser analizado en forma particular. Una mayor longitud de preparación de la banda en el sistema de secado puede acelerar este proceso, si bien deben tenerse en cuenta otras variables. Los sistemas verticales son ideales para las prensas más lentas. Conforme a las estrictas normativas en materia de protección ambiental, se debe evitar que los solventes sean dispersados en la atmósfera. Por lo tanto, los módulos de secado de las rotativas serigráficas en la línea de conversión a la tecnología RFID deberían incluir una segunda cámara por donde canalizar los solventes evaporados, para su condensación. En consecuencia, podrán ser utilizados para la recuperación de energía y, más aún, ser reutilizados.

Además de la velocidad de impresión, la calidad de la tinta es una variable importante. Se están realizando esfuerzos para mejorar la conductividad de modo tal que en el futuro se necesiten volúmenes inferiores de tinta. El Centro de Ensayos de Stork Boxmeer, ha estado trabajando junto a un productor líder de tintas para imprimir una antena a velocidades de hasta 30 m/min.

Luego del proceso de secado, la antena se cura durante aproximadamente dos minutos para alcanzar el suavizado correcto de las partículas, a una temperatura aproximada de 120°C durante dos minutos. Debido a las condiciones de secado, las opciones de substrato son el papel o el poliéster, con un espesor que oscila entre 50 y 100 µm. Al menos por ahora las técnicas del grabado excluyen el papel y las de secado y curado excluyen el polietileno y el polipropileno.

Por lo general, el proceso de curado realizado según las condiciones mencionadas arriba reduce la resistividad a la mitad, y el proceso de laminación la reduce a la mitad nuevamente. No obstante, las cantidades que se citaron anteriormente guardan relación con el resultado esperado.

Todos estos conceptos apuntan a demostrar que no podemos lanzarnos a producir etiquetas RFID sin comprender correctamente cómo se utilizarán, si serán parte de otras etiquetas más grandes y cómo se insertarán en el proceso de producción. Existen innumerables factores en la ecuación para determinar el producto final. La mejor estrategia para todas las partes involucradas en la provisión de materiales y el equipo de fabricación de etiquetas, será la de sentarse a analizar y tener reuniones conjuntas desde una etapa inicial.

Oportunidades de crecimiento
El crecimiento del mercado de la tecnología RFID dependerá en gran medida de la reducción del tamaño del chip o del hallazgo de soluciones alternativas para su reemplazo. Esto se debe a que el chip representa un gran porcentaje de los costos de la etiqueta.

En la actualidad se están realizando investigaciones para la producción y colocación de chips diminutos, así como también para la fabricación de etiquetas electrónicas sin chip. Los circuitos sin chip conducirán la tecnología RFID hacia nuevos ámbitos ya que podrían tener un costo muy accesible. Por lo tanto, esta tecnología será el mejor camino dentro de la industria para lograr una etiqueta que cueste sólo un centavo de dólar. En el año 2003, las ventas acumuladas alcanzaron las siguientes cifras:

Tecnología con chip 1400 millones
Tecnología sin chip 120 millones
La tecnología con chip representó 97% del valor de mercado.
(Estas cifras fueron recopiladas por Frost and Sullivan)

Otras variables que aumentarán la producción
Más allá de los avances tecnológicos, otras variables que harán crecer el volumen de producción son las aplicaciones de banda de alta frecuencia como las tarjetas nacionales de identificación sin contacto. Por causa de la inseguridad en el mundo entero, estas tarjetas tienen mayor viabilidad. China espera haber completado la implementación de este sistema para el año 2010, lo que implica, solamente allí, un mercado de 970 millones.

El sistema de pasaportes electrónicos está convirtiéndose en un requisito para ingresar a Estados Unidos. Se puso en marcha en Australia durante el año 2004, seguido por Tailandia y Europa, especialmente Bélgica, Suecia, Reino Unido y Holanda. Por ejemplo, éste último país se encuentra realizando pruebas con pasaportes biométricos en la actualidad. Otras opciones en este campo incluyen etiquetas encapsuladas para lavandería y boletos de transporte público.

Las oportunidades de mercado para la banda de frecuencia UHF son enormes puesto que constituyen una opción para brindar aplicaciones de gestión en la cadena de suministros, en el nivel de pallets. Algunos ejemplos incluyen la implementación de tecnología RFID por parte de importantes cadenas de negocios minoristas, como Metro de Alemania y Walmart, la cadena más grande de supermercados minoristas. También son muy importantes las opciones de UHF en la cadena de producción automotriz. Tomemos solamente el ejemplo del alcance potencial de su implementación en el negocio de los neumáticos para automóviles. Existen en uso 1,25 mil millones de neumáticos, y cada año se venden 200 millones de neumáticos nuevos.

Las investigaciones de Frost and Sullivan indican que el mercado global de tecnología RFID está creciendo un 8% por año, y que, para el año 2006, la velocidad de aumento rondará el 10%. Para ese entonces se espera que la producción anual sea de 2,5 mil millones de unidades.

Durante el último año hemos oído comentarios maravillosos acerca de lo que se puede lograr con la tecnología RFID. El límite estará dado por la imaginación y el crecimiento exponencial está simplemente a la vuelta de la esquina. Pero aún deben sortearse muchos obstáculos. En primer lugar, el costo de la etiqueta RFID está muy lejos de la marca de "un centavo" que constituye la clave para el crecimiento exponencial.

En segundo lugar, hay que considerar el costo de implementación del sistema. ¿Quién pagará esta tecnología en el sector de los proveedores y de los negocios minoristas? Asimismo cabe preguntarse quién pagará el costo de las etiquetas RFID en cada producto. Además de las etiquetas RFID también se necesitarán instalar lectoras y sistemas de software. Y estas cifras pueden ser significativas.

Repasemos los desafíos que deben afrontar los fabricantes de etiquetas. Debemos recordar que el factor que hará descender los precios será la habilidad de los proveedores dentro de la cadena de suministros para brindar economías de escala.

Existe una gran confusión en el mercado. Recibimos llamados de fabricantes de etiquetas, quienes piensan que simplemente pueden ingresar al mercado sin más. Pero no es así como funciona. La tecnología RFID tiene más puntos en común con el sector de la electrónica que con el de las etiquetas, en lo que se refiere al know-how, lo que conlleva una gran inversión en tiempo y capacitación para obtenerlo.

Hay muchos convertidores que todavía se mantienen al margen, y los principales impedimentos para ingresar al mercado son:

  • El negocio implica una gran inversión para los fabricantes. Se deberá considerar el costo de adquirir sistemas de conversión, así como también el costo de contratar personal, brindarle capacitación, adquirir programas de software, realizar investigación y desarrollo y fijar los controles de calidad.

  • ¿Puede justificarse la inversión en equipos para fabricación de etiquetas RFID si no estamos seguros de que las normas para su producción continúen en vigencia dentro de 10, 5, o aun dentro de 2 años? Sería de gran ayuda contar con algunas certezas al respecto. Por lo tanto, estamos frente al cuento del huevo y la gallina: los fabricantes y sus clientes esperan en la segunda línea hasta que los precios disminuyan, pero esto nunca sucederá a menos que haya suficientes jugadores en el mercado.
  • El lado positivo es observar que surgen sociedades a lo largo de toda la cadena, con fabricantes de componentes trabajando en forma conjunta. Será solamente mediante la colaboración estrecha que se llegará a obtener mejoras y en última instancia a reducir los costos. Entonces, se harán realidad las estimaciones relativas al crecimiento exponencial de la tecnología RFID.

    Este panorama aún no es claro en cuanto a qué banda de frecuencia se utilizará. De hecho, existen buenas razones para imaginar que en el futuro funcionarán diversas frecuencias. Pero una cosa es cierta: la impresión serigráfica rotativa ofrece un medio preciso y veloz para la aplicación de tintas o materiales resistentes al grabado en todos los tipos de antena menos en las de baja frecuencia.

    Hay que considerar además que una línea especializada permitirá producir otras etiquetas 'funcionales' cuyo fin es servir para fines de identificación y no simplemente en su función decorativa. Ejemplos de ellos son las etiquetas electroluminiscentes, las termocromáticas, las cintas magnéticas o las tarjetas de raspado como las que se utilizan en los billetes de lotería.

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