Progressi nella tecnologia di polimerizzazione UV LED per il getto d’inchiostro

Progressi nella tecnologia di polimerizzazione UV LED per il getto d’inchiostro

La stampa digitale a getto d’inchiostro UV su prodotti plastici tridimensionali è “pronta per il grande pubblico”. I progressi della tecnologia di polimerizzazione UV LED superano molti dei problemi di polimerizzazione associati alle tradizionali lampade a vapori di mercurio.

Le lampade UV LED sono superiori per la polimerizzazione di inchiostri UV a bassa viscosità su substrati polimerici e in uretano/gomma non bagnabili e sensibili al calore. Tuttavia, non tutti i LED sono costruiti allo stesso modo né offrono le stesse prestazioni. Questo articolo è il primo di una serie dedicata ai progressi di processo nella stampa industriale a getto d’inchiostro UV su materie plastiche.

Fino a poco tempo fa i LED UV hanno incontrato barriere tecniche ed economiche che ne hanno impedito un’ampia accettazione commerciale. L’elevato costo e la disponibilità limitata dei LED, la bassa potenza e la scarsa efficienza e i problemi di gestione termica, insieme alla compatibilità con l’inchiostro, erano i fattori limitanti che ostacolavano l’accettazione da parte del mercato. Con i progressi della tecnologia UV LED, l’impiego dei LED UV per la polimerizzazione è probabilmente tra le innovazioni più significative della stampa a getto d’inchiostro su materie plastiche.

Punti chiave

• Tre sviluppi hanno colmato il divario con il mercurio: inchiostri riformulati, maggiore potenza delle lampade e lenti di focalizzazione che aumentano l’irradianza di picco.
• Spesso 395 nm è la scelta più economica. Le lunghezze d’onda maggiori forniscono più energia per watt a un costo per watt inferiore rispetto a 365 nm.
• Il LED richiede una chimica diversa. I fotoiniziatori devono essere abbinati alla lampada, il che a sua volta modifica monomeri e oligomeri.
• Il raffreddamento ad acqua è adatto a un’elevata densità di potenza su aree estese; il raffreddamento ad aria evita refrigeratori e tubazioni a scapito delle dimensioni della testina.
• L’accensione e lo spegnimento istantanei sono un guadagno di produttività, poiché la stampa digitale è spesso a piccole tirature con frequenti arresti.

Facile da usare e da controllare, la polimerizzazione UV LED presenta numerosi vantaggi rispetto alle lampade a vapori di mercurio (Hg). I dispositivi a semiconduttore di piccolo ingombro sono progettati per durare oltre 20.000 ore di funzionamento (circa 10 volte più a lungo) delle lampade UV. La potenza in uscita è estremamente costante per lunghi periodi. Il LED UV emette UV puro senza infrarossi (IR), risultando adatto al processo per i substrati plastici sensibili al calore. Si veda la Tabella 1, LED UV a confronto con le lampade a vapori di mercurio.

Domande frequenti

Quale lunghezza d’onda UV LED specificare?

In genere 365 nm, 385 nm o 395 nm, a seconda dell’applicazione e della scelta dell’inchiostro. Con l’aumentare della lunghezza d’onda aumentano la potenza in uscita e l’efficienza, mentre il costo per watt diminuisce, per cui 395 nm polimerizza spesso le formulazioni in modo più economico di 365 nm. Per alcune chimiche sono necessarie lunghezze d’onda più corte.

Perché gli inchiostri per lampade al mercurio esistenti non possono semplicemente essere polimerizzati con il LED?

Perché i fotoiniziatori sono abbinati allo spettro di emissione della lampada. Il LED richiede fotoiniziatori diversi e la loro modifica richiede monomeri e oligomeri diversi nella formulazione. L’inchiostro deve essere riformulato, non soltanto polimerizzato con una sorgente diversa.

Che cosa ha reso il UV LED competitivo rispetto alle lampade al mercurio?

Tre fattori insieme. I chimici hanno imparato a riformulare gli inchiostri per adattarli alle lampade; la potenza delle lampade è aumentata grazie a un migliore design dei diodi e a un raffreddamento più efficiente che consente un’integrazione più fitta; e le lenti sui gruppi lampada hanno focalizzato la potenza per aumentare l’irradianza di picco.

Raffreddamento ad acqua o ad aria?

Il raffreddamento ad acqua estrae il calore in modo molto efficiente, è adatto a densità di potenza elevate su ampie aree di polimerizzazione e mantiene compatta la testina LED nelle installazioni con spazi ridotti, a costo di maggiore peso, refrigeratori e tubazioni. Il raffreddamento ad aria evita tale complessità quando il carico termico lo consente.

Quale vantaggio pratico offre l’accensione e lo spegnimento istantanei?

Produttività e ricavi. La stampa digitale è spesso a piccole tirature con frequenti arresti e, a differenza delle lampade al mercurio che devono riscaldarsi fino alla piena potenza, le lampade LED si accendono e si spengono immediatamente senza sprechi dovuti al riscaldamento.

Fattori dei primi sviluppi del UV LED

Le lampade LED e a vapori di Hg hanno spettri di emissione diversi. I fotoiniziatori sono abbinati alla lampada, ai monomeri, alla velocità e alle applicazioni. Per ottenere una polimerizzazione robusta, il LED richiede fotoiniziatori diversi e, di conseguenza, monomeri e oligomeri diversi nelle formulazioni.

Uno degli aspetti più esaminati della tecnologia UV LED è la potenza radiante massima e l’efficienza prodotte. La polimerizzazione dell’inchiostro richiede che all’inchiostro polimerizzabile venga fornita energia concentrata. Le lampade al mercurio (Hg) hanno in genere riflettori che focalizzano i raggi in modo che la luce sia più concentrata sulla superficie dell’inchiostro. Ciò aumenta notevolmente la potenza di picco ed elimina eventuali reazioni concorrenti. I primi LED non erano focalizzati.

Con i sistemi LED è possibile ottenere alta potenza ed efficienza concentrando l’energia radiante mediante ottiche e/o incapsulamento. I sistemi ad alta potenza utilizzano gruppi di chip LED raggruppati in array. L’irradianza è inversamente proporzionale alla temperatura di giunzione del chip LED.

Mantenere il chip più freddo ne prolunga la durata, migliora l’affidabilità e aumenta l’efficienza e la potenza in uscita. Le storiche difficoltà di incapsulamento dei LED UV in array sono state risolte e sono disponibili soluzioni alternative, in base all’applicazione. Gran parte dello sviluppo e dell’adozione della tecnologia LED è stata trainata dall’elettronica di consumo e dai display.

Sviluppi recenti significativi

• In primo luogo sono state sviluppate modifiche di formulazione e nuovi materiali, e le vaste conoscenze acquisite sono state condivise. Molti chimici oggi sanno come riformulare gli inchiostri per adattarli alle lampade.
• In secondo luogo la potenza delle lampade è aumentata. I design dei diodi sono migliorati e il raffreddamento è più efficiente, per cui i diodi possono essere disposti più ravvicinati. Ciò, a sua volta, aumenta la potenza della lampada, misurata in watt per unità di superficie sulla faccia della lampada o, meglio ancora, sul fluido.
• In terzo luogo, le lenti sui gruppi lampada focalizzano la potenza, per cui l’irradianza di picco è più elevata. La combinazione di questi sviluppi rende il LED direttamente competitivo, se non superiore, alle lampade Hg in molte applicazioni.

Lunghezza d’onda

A seconda dell’applicazione e della scelta degli inchiostri, le lunghezze d’onda disponibili comprendono in genere 365 nm, 385 nm e 395 nm. Lunghezze d’onda maggiori sono disponibili per chimiche selezionate. Con l’aumentare della lunghezza d’onda aumentano anche la potenza in uscita, l’efficienza e i costi; ad esempio, i LED a 365 nm forniscono una potenza inferiore rispetto ai LED a 395 nm.

Le prestazioni del chip sono migliori alle lunghezze d’onda maggiori e il costo per watt in uscita è inferiore, a fronte di una maggiore energia erogata. L’esperienza applicativa suggerisce che spesso le soluzioni a 395 nm possono polimerizzare le formulazioni in modo efficace e più economico delle alternative a 365 nm. In alcuni casi, tuttavia, per ottenere una polimerizzazione robusta sono necessarie lunghezze d’onda di 365 nm o inferiori.

Soluzioni di sistemi integrati

La polimerizzazione LED si abbina al meglio alla stampa digitale a getto d’inchiostro. Sulle testine di stampa alternative, le lampade Hg calde e pesanti richiedono telai di scansione massicci, che con il LED non sono necessari. Le macchine a testine fisse hanno le testine di stampa assemblate in moduli e installate in file sovrapposte. La lampada UV compatta e fredda si fissa bene a un modulo testina. Inoltre la stampa digitale è spesso a piccole tirature con frequenti arresti, per cui l’accensione/spegnimento immediato garantisce maggiore produttività e ricavi.

Gestione termica e ottiche

Esistono due implementazioni della gestione termica: raffreddamento ad acqua e ad aria. Il raffreddamento ad acqua è un metodo estremamente efficiente di estrazione del calore, in particolare nelle applicazioni che richiedono densità di potenza elevate su ampie aree di polimerizzazione. Con il raffreddamento ad acqua si possono ottenere temperature più basse con maggiore efficienza e affidabilità.

Un secondo vantaggio del raffreddamento ad acqua è la dimensione compatta della testina UV LED, che ne consente l’integrazione dove lo spazio attorno all’area di polimerizzazione è limitato. Gli svantaggi delle soluzioni con raffreddamento ad acqua sono il maggior peso dell’unità di polimerizzazione e la maggiore complessità e i maggiori costi di refrigeratori e tubazioni dell’acqua.

La seconda soluzione di gestione termica è il raffreddamento ad aria. Il raffreddamento ad aria è per sua natura meno efficace nell’estrarre il calore rispetto all’acqua. Tuttavia, con metodi di flusso d’aria avanzati e ottiche si ottengono sistemi di polimerizzazione raffreddati ad aria molto efficaci, in genere fino a 12 W per centimetro quadrato. I vantaggi dei sistemi raffreddati ad aria comprendono la facilità di integrazione, il peso ridotto, i costi inferiori e l’assenza di refrigeratori esterni.

La massimizzazione della potenza in uscita dei LED UV è fondamentale. Grazie a ottiche selettive, l’energia dei LED può essere fornita meglio al substrato o all’inchiostro. Nei sistemi integrati si adottano tecniche diverse, dalla riflessione alla luce focalizzata mediante lenti. Le ottiche possono essere personalizzate per soddisfare specifici criteri prestazionali. Sebbene l’OEM (utilizzatore finale) non debba necessariamente preoccuparsi di come le ottiche vengano realizzate nella lampada UV LED, dovrebbe riconoscere che l’esperienza dei fornitori varia e che non tutti i sistemi UV LED sono uguali.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di ingegneria specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: marcatura laser, pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura e sicurezza del prodotto. Sabreen sviluppa tecnologie pionieristiche e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., ha fondato SPF-Inc. nel 2000 per servire i settori della stampa e dell’imballaggio, con particolare attenzione all’adattamento della stampa digitale a nuovi mercati e applicazioni. Nanochimico di formazione, circa la metà dei suoi 25 brevetti statunitensi riguarda la stampa digitale. È membro di SGIA, TAPPI e RadTech. Può essere contattato all’indirizzo [email protected].

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