Progrès de la polymérisation LED UV pour l’impression jet d’encre

Progrès de la polymérisation LED UV pour l'impression jet d'encre

L'impression jet d'encre UV numérique sur des produits plastiques tridimensionnels est « prête pour le grand public ». Les progrès de la polymérisation LED UV résolvent de nombreux problèmes de polymérisation associés aux lampes traditionnelles à vapeur de mercure.

Les lampes LED UV sont supérieures pour polymériser des encres UV à faible viscosité sur des substrats polymères et uréthane/caoutchouc non mouillables et sensibles à la chaleur. Toutefois, toutes les LED ne sont pas construites de la même manière et n'offrent pas les mêmes performances. Cet article est le premier d'une série présentant les avancées de procédé pour l'impression jet d'encre UV industrielle sur plastiques.

Jusqu'à récemment, les LED UV se heurtaient à des obstacles techniques et économiques qui ont empêché leur large acceptation commerciale. Le coût élevé et la disponibilité limitée des LED, leur faible puissance de sortie et leur faible rendement, ainsi que les problèmes de gestion thermique, associés à la compatibilité des encres, freinaient l'adoption par le marché. Avec les progrès de la technologie LED UV, l'utilisation des LED UV pour la polymérisation constitue sans doute l'une des avancées les plus importantes de l'impression jet d'encre sur plastiques.

Points clés

• Trois évolutions ont comblé l'écart avec le mercure : des encres reformulées, une puissance de lampe accrue et des lentilles de focalisation qui augmentent l'irradiance de crête.
• Le 395 nm est souvent le choix économique. Les longueurs d'onde plus élevées fournissent plus d'énergie par watt, à un coût par watt inférieur à celui du 365 nm.
• La LED exige une chimie différente. Les photo-initiateurs doivent être adaptés à la lampe, ce qui modifie à son tour les monomères et les oligomères.
• Le refroidissement par eau convient aux fortes densités de puissance sur de grandes surfaces ; le refroidissement par air évite les groupes froids et la tuyauterie, au prix d'une tête plus volumineuse.
• L'allumage et l'extinction instantanés sont un gain de productivité, car l'impression numérique se fait souvent en petites séries avec de fréquents arrêts.

Faciles à utiliser et à contrôler, la polymérisation LED UV présente de nombreux avantages par rapport aux lampes à vapeur de mercure (Hg). Ces dispositifs à semi-conducteurs de faible encombrement sont conçus pour durer plus de 20 000 heures de fonctionnement (environ 10 fois plus que les lampes UV). La puissance de sortie est extrêmement constante sur de longues périodes. La LED UV émet des UV purs, sans infrarouge (IR), ce qui la rend compatible avec les substrats plastiques sensibles à la chaleur. Voir le tableau 1, LED UV et lampes à vapeur de mercure.

Foire aux questions

Quelle longueur d'onde de LED UV faut-il spécifier ?

Généralement 365 nm, 385 nm ou 395 nm, selon l'application et le choix de l'encre. Lorsque la longueur d'onde augmente, la puissance de sortie et le rendement augmentent tandis que le coût par watt diminue ; le 395 nm polymérise donc souvent les formulations de façon plus économique que le 365 nm. Des longueurs d'onde plus courtes sont requises pour certaines chimies.

Pourquoi ne peut-on pas simplement polymériser à la LED les encres conçues pour les lampes à mercure ?

Parce que les photo-initiateurs sont adaptés au spectre d'émission de la lampe. La LED exige des photo-initiateurs différents, et les changer suppose d'autres monomères et oligomères dans la formulation. L'encre doit être reformulée, pas seulement repolymérisée.

Qu'est-ce qui a rendu la LED UV compétitive face aux lampes à mercure ?

Trois éléments conjugués. Les chimistes ont appris à reformuler les encres en fonction des lampes ; la puissance des lampes a augmenté grâce à une meilleure conception des diodes et à un refroidissement plus efficace permettant un conditionnement plus dense ; et des lentilles sur les lampes concentrent la puissance pour augmenter l'irradiance de crête.

Refroidissement par eau ou par air ?

Le refroidissement par eau extrait la chaleur très efficacement, convient aux fortes densités de puissance sur de grandes zones de polymérisation et garde la tête LED compacte pour les installations exiguës, au prix d'un poids supplémentaire, de groupes froids et de tuyauterie. Le refroidissement par air évite cette complexité lorsque la charge thermique le permet.

Quel avantage pratique offre l'allumage et l'extinction instantanés ?

La productivité et le chiffre d'affaires. L'impression numérique se fait fréquemment en petites séries avec de nombreux arrêts, et, contrairement aux ampoules à mercure qui doivent monter en puissance, les lampes LED s'allument et s'éteignent immédiatement, sans perte liée à la montée en température.

Premiers facteurs de développement de la LED UV

Les ampoules LED et à vapeur de Hg ont des spectres d'émission différents. Les photo-initiateurs sont adaptés à la lampe, aux monomères, à la vitesse et aux applications. Pour obtenir une polymérisation robuste, la LED exige des photo-initiateurs différents et, par conséquent, d'autres monomères et oligomères dans les formulations.

L'un des aspects les plus scrutés de la technologie LED UV est la puissance rayonnante maximale et le rendement produits. La polymérisation de l'encre nécessite d'apporter une énergie concentrée à l'encre polymérisable. Les ampoules à mercure (Hg) sont généralement équipées de réflecteurs qui concentrent les rayons pour que la lumière soit la plus concentrée à la surface de l'encre. Cela augmente fortement la puissance de crête et élimine toute réaction concurrente. Les premières lampes LED n'étaient pas focalisées.

Les systèmes LED peuvent atteindre une puissance et un rendement élevés en concentrant l'énergie rayonnante par l'optique ou le conditionnement. Les systèmes de forte puissance utilisent des réseaux de puces LED regroupées. L'irradiance est inversement proportionnelle à la température de jonction de la puce LED.

Maintenir la puce plus froide prolonge sa durée de vie, améliore la fiabilité et augmente le rendement et la puissance de sortie. Les difficultés historiques du conditionnement des LED UV en réseaux ont été résolues, et d'autres solutions existent selon l'application. Une grande part du développement et de l'adoption de la technologie LED a été portée par l'électronique grand public et les écrans.

Évolutions récentes majeures

• Premièrement, des changements de formulation et de matériaux ont été mis au point, et les vastes connaissances acquises ont été partagées. De nombreux chimistes savent désormais reformuler les encres pour les adapter aux lampes.
• Deuxièmement, la puissance des lampes a augmenté. La conception des diodes s'est améliorée et le refroidissement est plus efficace, de sorte que les diodes peuvent être plus rapprochées. Cela accroît à son tour la puissance de la lampe, mesurée en watts par unité de surface à la face de la lampe, ou mieux, au niveau du fluide.
• Troisièmement, des lentilles sur les lampes concentrent la puissance, de sorte que l'irradiance de crête est plus élevée. La combinaison de ces évolutions rend la LED directement concurrente, voire supérieure, aux ampoules Hg dans de nombreuses applications.

Longueur d'onde

Selon l'application et le choix des encres, les longueurs d'onde proposées comprennent généralement 365 nm, 385 nm et 395 nm. Des longueurs d'onde plus élevées sont disponibles pour certaines chimies. Lorsque la longueur d'onde augmente, la puissance de sortie, le rendement et les coûts évoluent aussi ; par exemple, les LED de 365 nm fournissent moins de puissance que celles de 395 nm.

Les performances de la puce sont meilleures aux grandes longueurs d'onde, et le coût par watt de sortie est plus faible tout en fournissant plus d'énergie. L'expérience des applications montre que les solutions à 395 nm peuvent souvent polymériser efficacement les formulations de façon plus économique que les alternatives à 365 nm. Toutefois, dans certains cas, du 365 nm ou des longueurs d'onde plus courtes sont nécessaires pour obtenir une polymérisation robuste.

Solutions de systèmes intégrés

La polymérisation LED complète idéalement l'impression jet d'encre numérique. Sur les têtes d'impression à va-et-vient, les ampoules Hg chaudes et lourdes exigent des châssis de balayage massifs, ce qui n'est pas nécessaire avec la LED. Les machines à têtes fixes disposent leurs têtes d'impression en modules installés en rangées se chevauchant. La lampe UV compacte et froide se fixe facilement sur un module de tête. De plus, l'impression numérique se fait souvent en petites séries avec de fréquents arrêts ; l'allumage et l'extinction immédiats (« On/Off ») procurent donc plus de productivité et de chiffre d'affaires.

Gestion thermique et optique

Il existe deux modes de gestion thermique : le refroidissement par eau et par air. Le refroidissement par eau est une méthode d'extraction de la chaleur extrêmement efficace, en particulier pour les applications exigeant de fortes densités de puissance sur de grandes zones de polymérisation. Avec le refroidissement par eau, on peut obtenir des températures plus basses avec un rendement et une fiabilité supérieurs.

Un second avantage du refroidissement par eau est la taille compacte de la tête LED UV, qui permet l'intégration là où l'espace autour de la zone de polymérisation est limité. Les inconvénients des solutions à refroidissement par eau sont le poids plus élevé de l'unité de polymérisation, ainsi que la complexité et les coûts supplémentaires des groupes froids et de la tuyauterie d'eau.

La seconde solution de gestion thermique est le refroidissement par air. Il est par nature moins efficace que l'eau pour extraire la chaleur. Toutefois, des méthodes de circulation d'air améliorées et l'optique permettent d'obtenir des systèmes de polymérisation refroidis par air très efficaces, généralement jusqu'à 12 W par centimètre carré. Les avantages des systèmes refroidis par air sont la facilité d'intégration, la légèreté, des coûts plus bas et l'absence de groupe froid externe.

La maximisation de la puissance de sortie des LED UV est essentielle. Grâce à une optique sélective, l'énergie des LED peut être mieux acheminée vers le substrat ou l'encre. Différentes techniques sont intégrées aux systèmes, de la réflexion à la lumière focalisée par lentilles. L'optique peut être personnalisée pour répondre à des critères de performance spécifiques. Si l'OEM (utilisateur final) n'a pas nécessairement à se préoccuper de la manière dont l'optique est réalisée dans la lampe LED UV, il doit reconnaître que l'expertise des fournisseurs varie et que tous les systèmes LED UV ne se valent pas.

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., une société d'ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : marquage laser, prétraitements de surface, collage, décoration et finition, et sécurité des produits. Scott Sabreen développe des technologies pionnières et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez le joindre au 972.820.6777 ou en visitant www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., a fondé SPF-Inc. en 2000 pour servir les industries de l'impression et de l'emballage, en se concentrant sur l'adaptation de l'impression numérique à de nouveaux marchés et applications. Nanochimiste de formation, il détient environ 25 brevets américains, dont la moitié environ concerne l'impression numérique. Il est membre de SGIA, TAPPI et RadTech. Vous pouvez le joindre à [email protected].

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