Jika Anda mengira inovasi dalam dunia percetakan sudah ketinggalan zaman, pikirkan lagi. Joe McEntee pergi berjalan-jalan multidisiplin di sekitar Pusat Penelitian Percetakan Inggris
Tidak banyak lingkungan penelitian di mana para ilmuwan di satu laboratorium sedang menyelidiki penggunaan graphene sebagai bahan dasar pakaian daur ulang berkualitas tinggi; sementara di sepanjang koridor, teman-teman mereka sedang mengikuti kursus teknik pencetakan balok kayu kuno Jepang, Mokuhanga. Namun, itulah yang terjadi di Pusat Penelitian Percetakan (CFPR) di Universitas Inggris Barat (UWE) di Bristol, tempat kesenjangan seni-sains dan industri-akademisi dijembatani setiap hari.
Mengikuti etos konvergensi, kolaborasi, dan kreasi bersama, CFPR adalah perusahaan interdisipliner yang menyatukan peneliti senior, mahasiswa pascasarjana, spesialis teknis, dan peserta magang; dalam segala hal mulai dari pembuatan dan desain seni rupa, hingga fisika, ilmu material, dan teknik. Tujuan mereka adalah memberikan solusi inovatif untuk masa depan percetakan dengan melakukan penyelidikan empiris terhadap signifikansi artistik, sejarah, dan industri dari praktik, proses, dan teknologi percetakan kreatif.
Fisikawan terapan
Kemampuan beradaptasi dan keterbukaan terhadap jalur penelitian baru merupakan prasyarat di CFPR. Ambil contoh, fisikawan terapan Susanne Klein. Setelah mempelajari fisika medis, Klein beralih ke penelitian optik. Dia kemudian menghabiskan dua dekade sebagai ilmuwan R&D industri di Lab HP di Bristol, di mana program penelitiannya berkisar dari kimia koloid, kristal cair dan material tampilan canggih hingga teknologi pencetakan 3D dan kriptografi optik. Kini, Klein memimpin proyek lima tahun di CFPR. Didanai sebesar £1.2 juta, tujuannya adalah untuk menata ulang berbagai 19th-proses pencetakan abad untuk menjadikannya lebih murah, lebih cepat, dan lebih mudah diakses.
Salah satu teknik yang dipelajari dan dimodernisasi oleh Klein adalah Woodburytype, yang merupakan metode pencetakan fotomekanis pertama yang sukses secara komersial yang mereproduksi nada foto secara kontinu. Dipatenkan pada tahun 1864 oleh penemu Inggris Walter Woodbury, prosesnya dimulai dengan negatif “collodion basah”, yang merupakan teknik fotografi yang digunakan pada saat itu. Negatif ditempatkan di atas lapisan gelatin kering yang dikromat dan dijemur di bawah sinar matahari selama sekitar 60 menit. Gelatin apa pun yang tidak terkena cahaya melalui negatif tetap larut dalam air, dan hilang begitu saja.
Hasilnya adalah gambar relief (cetakan) 3D yang sangat kokoh, yang dapat ditekan menjadi timah menggunakan mesin press hidrolik. Pelat cetak timah kemudian diminyaki, diisi dengan gelatin hangat berpigmen jelaga, dan ditutup dengan kertas sebelum dimasukkan ke mesin cetak. Setelah sekitar lima menit, kertas ditarik, dan setelah tinta mengering, hasil cetakan akhirnya diratakan dan dipangkas. Awalnya, hingga 10 pelat cetak dapat dibuat dari satu relief gelatin, dan pelat tersebut dapat dipasang di carousel pencetakan untuk pencetakan massal.
“Karena cetakan Woodburytype didasarkan pada gelatin berpigmen, cetakan tersebut dapat diarsipkan sepenuhnya karena jelaga atau karbon hitam sangat 'cepat-cahaya' dan gelatin tidak akan rusak atau berubah secara kimia selama tidak terkena kelembapan ekstrem,” kata Klein. “Meskipun proses aslinya memakan waktu dan menjadi usang ketika litografi mulai populer, kualitas gambarnya tidak tertandingi. Bahkan saat ini, Woodburytype masih menjadi satu-satunya metode reproduksi fotomekanis dengan nada kontinu.”
Dalam meninjau kembali teknik ini, Klein dan rekan-rekannya telah mengembangkan dua jalur alternatif untuk membuat cetakan tipe Woodbury dengan bahan modern. “Dalam satu metode,” jelas Klein, “kami mengikuti alur kerja aslinya, namun mengganti gelatin dikromat dengan fotopolimer, dan timbal dengan silikon.” Dengan cara ini, waktu pemaparan dikurangi dari 60 menit menjadi detik, sementara pelat pencetakan dapat dibuat dalam hitungan jam, bukan berhari-hari. Metode yang lebih cepat lagi menggunakan pemotong laser untuk membuat relief pada akrilik – misalnya menghasilkan pelat cetak berukuran 10 kali 15 cm dalam 10 menit. Ketepatan pemotong laser juga berarti lapisan cyan, magenta, kuning dan hitam yang diperlukan untuk membuat gambar penuh warna dapat dengan mudah dicetak di atas satu sama lain.
Kedua metode ini menarik bagi para praktisi seni rupa untuk menciptakan karya seni orisinal, namun juga menarik bagi perusahaan yang mencari cara ramah lingkungan dalam menciptakan reproduksi fotografi kelas atas untuk instalasi seni dan iklan komersial di ruang publik. Keuntungannya adalah pemotongan pelat cetak dengan laser hemat energi dan hampir tidak menghasilkan limbah, sedangkan tintanya berbahan dasar gelatin (produk limbah industri pengolahan daging). Selain itu, hasil cetakannya dapat terurai secara hayati dan tinta dapat dihilangkan dari kertas dengan mencucinya menggunakan air.
Bidang investigasi lainnya bagi Klein melibatkan penerapan “warna struktural” dalam industri, di mana warna dihasilkan bukan oleh pigmen tetapi oleh pola mikroskopis yang memantulkan dan membiaskan cahaya dengan cara yang unik (seperti pada sayap kupu-kupu). Salah satu pilihan yang menarik adalah dengan memasukkan lapisan tambahan kristal cair kolesterik (kiral nematik) ke dalam relief tipe Woodbury, untuk mencetak warna struktural. Dengan bahan yang sesuai, kristal cair dapat diorientasikan berdasarkan lapisan dan warna cetakan asli diubah dengan menerapkan medan magnet atau listrik, tidak berbeda dengan tampilan bistable.
Kemungkinan penerapannya mencakup antipemalsuan untuk pelabelan barang mewah, perancang busana, dan obat-obatan. “Peluang komersial di sini sangat besar,” tambah Klein. “Tantangannya adalah menghasilkan kemasan yang aman dengan tinta cetak yang akan berubah warna setiap kali suatu barang diotorisasi di berbagai tahap rantai pasokan dalam perjalanan ke pelanggan.”
Ilmuwan material
Rekan Klein Nazmul Karim – pemimpin penelitian di pusat tersebut Laboratorium Aplikasi Graphene – adalah akademisi lain yang tampaknya dibuat sesuai ukuran untuk wadah peleburan multidisiplin CFPR. Sebelum bergabung dengan UWE pada tahun 2019, Karim menghabiskan empat tahun mengerjakan pakaian fungsional berkinerja tinggi berbasis graphene dan tekstil elektronik (e-tekstil) yang dapat dikenakan di UWE. Institut Grafena Nasional di University of Manchester, UK.
Minat penelitiannya saat ini – yang merupakan bagian dari CFPR program materi baru – termasuk menyiapkan graphene (melalui pengelupasan kulit dan fungsionalisasi) graphene dan bahan 2D lainnya untuk aplikasi e-tekstil. Karim juga mempelajari cara membuat graphene yang dapat dikenakan melalui teknik fabrikasi yang sangat skalabel seperti pelapisan dan pencetakan (yaitu dengan “tinta” graphene yang diterapkan langsung pada tekstil). “Tim saya bersemangat memperkenalkan material cerdas dan kecerdasan buatan pada perangkat elektronik cetak untuk aplikasi perawatan kesehatan non-invasif yang dipersonalisasi,” kata Karim.
Hasil terbaru kelompok ini, sebagian besar didasarkan pada pekerjaan yang dilakukan oleh mahasiswa PhD Md. Rashedul Islam, menunjukkan peluang komersial nyata yang mulai terbentuk. Islam telah mengembangkan platform tekstil elektronik serba guna yang dapat dicetak sepenuhnya, sangat konduktif, fleksibel, dan dapat dicuci dengan mesin. Bahan tersebut dapat menyimpan energi menggunakan superkapasitor graphene yang dicetak sambil memantau berbagai indikator fisiologis, seperti detak jantung, suhu kulit, dan berbagai metrik aktivitas. Yang lebih mengesankan adalah, ketika dibuat menjadi ikat kepala terpisah, prototipe e-tekstil dapat merekam aktivitas otak (elektroensefalogram atau EEG) dengan standar yang sama seperti elektroda kaku konvensional. Saat ini superkapasitor diisi dayanya menggunakan sumber daya eksternal, namun tujuannya adalah menjadikannya swasembada di masa depan dengan memperkenalkan fungsi pemanenan energi.
Proses fabrikasi memanfaatkan teknik sablon yang sangat skalabel, di mana tinta berbasis graphene dilewatkan melalui jaring yang dirancang khusus ke substrat tekstil yang kasar dan fleksibel. Jalur konduktif kemudian dienkapsulasi untuk isolasi dan perlindungan, untuk menghasilkan platform tekstil elektronik yang dapat dicuci dengan mesin. Harapannya adalah keberhasilan tahap awal seperti ini akan membuka jalan menuju produksi volume garmen elektronik multifungsi berbasis graphene, di mana setiap item pakaian memiliki jaringan sensor yang dapat dipakai dan ditenagai oleh energi yang disimpan dalam produk berbasis graphene. superkapasitor tekstil.
Terkait hal ini, Laboratorium Aplikasi Graphene sedang mengkaji penggunaan graphene dan bahan fungsional lainnya (termasuk pelapis antimikroba) sebagai bahan dasar pakaian daur ulang berkualitas tinggi. Saat ini, sekitar 55% tekstil terbuat dari poliester sintetis – yang paling umum adalah polietilen tereftalat (PET), yang tidak dapat terurai secara hayati dan dapat bertahan di lingkungan selama ratusan tahun. “Dapat dimengerti bahwa terdapat peningkatan minat dari merek fesyen dan pengecer untuk beralih dari bahan PET murni ke kain poliester berbasis polimer daur ulang (rPET) dengan dampak lingkungan yang lebih kecil,” kata Karim.
Masalahnya adalah, iterasi rPET saat ini mengalami penuaan termal, dan terdegradasi akibat pencampuran acak dengan bahan lain selama proses daur ulang. Ini masih tahap awal, kata Karim, namun hasil awal dari CFPR menunjukkan harapan, dengan rPET yang diperkaya graphene telah dipintal menjadi serat yang lebih ringan, lebih kuat secara mekanis, dan lebih mudah didaur ulang. “Ini akan menjadi sebuah pertandingan yang panjang,” tambah Karim, “dan kita memerlukan kolaborasi berkelanjutan di seluruh ekosistem inovasi. Artinya, kelompok akademis seperti kami bekerja sama dengan pemasok graphene, produsen tekstil, serta pengecer fesyen dan pakaian besar.”
Perancang keramik
Peluang manufaktur yang sama sekali berbeda menjadi perhatian Tavs Jorgensen, seorang pembuat tembikar dan desainer di industri keramik sebelum melanjutkan karir di dunia akademis. Jorgensen berada di garda depan upaya penelitian dan pengembangan CFPR di bidang ini manufaktur digital, yang bertujuan untuk mempercepat penerapan teknologi pencetakan 3D, permesinan yang dikendalikan komputer, dan robotika yang sampai sekarang terbatas dalam produksi keramik.
Jorgensen dan timnya sangat tertarik pada proses produksi yang dikenal sebagai ekstrusi. Hal ini terjadi ketika tanah liat yang lunak dan mudah dibentuk dipaksa melalui suatu saluran, atau “mati”, yang memberikan bentuk penampang tertentu pada material, dan menghasilkan potongan tanah liat linier kontinu yang dapat dipotong menjadi beberapa bagian untuk menghasilkan bagian-bagian individual seperti batu bata. , ubin, kelongsong dan komponen arsitektur lainnya. Ekstruder industri digunakan untuk membuat komponen keramik khusus, termasuk filter untuk konverter katalitik dan komponen suhu tinggi untuk tungku dan autoklaf. Sementara itu, sistem ekstrusi yang dioperasikan dengan tangan sering ditemukan di bengkel kerajinan untuk membuat pegangan dan elemen dekoratif sekali pakai untuk mendukung metode produksi lain seperti pengepresan dan pengecoran. “Tantangan kami,” kata Jorgensen, “adalah bagaimana kita dapat memanfaatkan teknologi digital dan robotika untuk memperluas penggunaan ekstrusi tanah liat saat ini ke dalam aplikasi komersial dan desain yang lebih inovatif.”
Pengaturan default tim sebagian besar didasarkan pada eksperimen praktis. “Terkadang pengujian dilakukan sebagai eksplorasi terbuka dengan hasil yang sangat tidak dapat diprediksi, sebuah pendekatan yang sebagian besar didorong oleh rasa ingin tahu – apa yang terjadi jika kita melakukan hal ini?” Wawasan fisik dan material yang mendasar merupakan elemen penting dalam memahami perilaku tanah liat. Misalnya, selama pengeringan dan pembakaran, potongan tanah liat yang diekstrusi menyusut sekitar 10–15%, dan dapat bengkok serta retak akibat tekanan dari proses ekstrusi.
“Sifat ekstrusi tanah liat membuat perhitungan teoretis mengenai hasilnya menjadi menantang,” kata Jorgensen, “walaupun beberapa upaya telah dilakukan untuk mengembangkan algoritma yang dapat membantu memprediksi aliran tanah liat dalam situasi ekstrusi.” Dalam ikatan lintas disiplin oportunistik, Jorgensen beralih ke keahlian Damien Lintah – mantan ahli fisika teoretis CFPR yang sekarang berbasis di pusat nanoelektronik Belgia imec – untuk mengembangkan model yang memprediksi bagaimana geometri cetakan tertentu dapat mempengaruhi tekanan yang diperlukan untuk mengekstrusi tanah liat. “Meskipun pengujian empiris tetap menjadi metodologi inti dalam penyelidikan,” Jorgensen menambahkan, “pemodelan teoretis telah terbukti sangat berharga, memberikan pemahaman dasar tentang geometri mana yang paling baik digunakan dalam eksperimen fisik dunia nyata.”
Tim ini juga menciptakan alur kerja perkakas yang memungkinkan desain cetakan baru untuk pencetakan 3D dibuat prototipe dan diuji dengan cepat, sehingga membuka aplikasi untuk ekstrusi keramik dalam aplikasi industri berkinerja tinggi. Yang terdepan adalah kolaborasi Penelitian dan Pengembangan CFPR dengan Pusat Komposit Nasional (NCC) di Bristol. Mereka tertarik pada potensi ekstrusi komposit matriks keramik (CMC), suatu kelas material di mana pasta keramik dicampur dengan pengikat anorganik untuk meningkatkan ketangguhan patah di bawah beban mekanis atau termomekanis.
Mitra CFPR/NCC saat ini sedang mendefinisikan dan mengulangi proses spesifik – termasuk alat pendukung, jig, komponen, dan alur kerja. Namun, dalam jangka panjang, mereka mengincar segala macam aplikasi di sektor-sektor seperti pembangkit listrik dan ruang angkasa, di mana CMC semakin banyak digunakan untuk sistem pelindung panas suhu tinggi. “Ekstrusi adalah cara baru dalam memproduksi CMC,” kata Jorgensen, “dan penelitian ini membuka peluang bagi kami untuk membuat komponen CMC dengan geometri eksotis, seperti pipa dan profil dengan struktur internal yang kompleks.” Pipa CMC seperti ini menarik minat untuk pembangkit listrik tenaga nuklir generasi berikutnya, sementara proses ekstrusi berpotensi mendukung target nol karbon di Inggris untuk bahan konstruksi, dengan Jorgensen dan rekannya menjajaki ekstrusi campuran tanah liat dan serat yang tidak dibakar untuk pembangkit listrik tenaga nuklir tingkat rendah. komponen pembentuk karbon.
Pola pikir terbuka dan terbuka untuk bisnis
Jika konvergensi, kolaborasi, dan kreasi bersama merupakan hal mendasar dalam model penelitian CFPR, maka pusat ini juga merupakan gabungan seniman, desainer, ilmuwan, dan teknolog, yang bekerja dalam berbagai disiplin ilmu percetakan tradisional dan digital.
Kelompok ini juga mempertemukan orang-orang dari berbagai latar belakang, dengan peneliti dari industri serta akademisi. Perpaduan keahlian dan pengalaman ini mendukung kolaborasi akademis dan industri internasional CFPR yang luas; dengan mitra komersial termasuk perusahaan percetakan spesialis, produsen keramik dan perusahaan teknologi multinasional. Proyek penelitian dan pengembangan bersama berkisar dari riset kontrak yang ditargetkan dan studi kelayakan hingga pengembangan bersama material, proses, dan sistem pencetakan penuh yang canggih.
Jelas terlihat bahwa tidak ada buku peraturan yang tegas mengenai kolaborasi di CFPR, yang ada hanyalah variasi pada tema yang memadukan pemikiran terbuka dengan kreativitas, inovasi sains dan teknologi dalam praktik pencetakan tingkat lanjut.
