Avanços na tecnologia de cura UV LED para jato de tinta

Avanços na tecnologia de cura UV LED para jato de tinta

A impressão digital a jato de tinta UV em produtos plásticos tridimensionais está “pronta para o grande momento”. Os avanços na tecnologia de cura UV LED superam muitos dos problemas de cura associados às lâmpadas tradicionais de vapor de mercúrio.

As lâmpadas UV LED são superiores para curar tintas UV de baixa viscosidade em substratos poliméricos e de uretano/borracha não molháveis e sensíveis ao calor. No entanto, nem todos os LEDs são construídos da mesma forma nem apresentam as mesmas características de desempenho. Este artigo é o primeiro de uma série sobre os avanços de processo na impressão industrial a jato de tinta UV em plásticos.

Até recentemente, os LEDs UV enfrentavam barreiras técnicas e econômicas que impediam a ampla aceitação comercial. O custo elevado e a disponibilidade limitada dos LEDs, a baixa potência e eficiência e os problemas de gerenciamento térmico, combinados com a compatibilidade da tinta, eram fatores limitantes que impediam a aceitação do mercado. Com os avanços na tecnologia UV LED, o uso de LEDs UV para cura está entre os avanços mais significativos da impressão a jato de tinta em plásticos.

Principais conclusões

• Três avanços fecharam a diferença em relação ao mercúrio: tintas reformuladas, maior potência das lâmpadas e lentes de focalização que elevam a irradiância de pico.
• 395 nm costuma ser a escolha econômica. Comprimentos de onda mais longos entregam mais energia por watt, a um custo por watt menor que o de 365 nm.
• O LED exige outra química. Os fotoiniciadores devem ser compatíveis com a lâmpada, o que por sua vez altera monômeros e oligômeros.
• O resfriamento a água atende a alta densidade de potência em grandes áreas; o resfriamento a ar dispensa chillers e tubulações, ao custo de um cabeçote maior.
• O liga/desliga instantâneo é um ganho de produtividade, pois a impressão digital costuma ser de pequenas séries com paradas frequentes.

Fácil de operar e controlar, a cura UV LED tem inúmeras vantagens sobre as lâmpadas de vapor de mercúrio (Hg). Dispositivos semicondutores de perfil reduzido são projetados para durar mais de 20.000 horas de operação (cerca de 10 vezes mais) que as lâmpadas UV. A saída é extremamente constante por longos períodos. O UV LED emite UV puro, sem infravermelho (IR), o que o torna favorável ao processo com substratos plásticos sensíveis ao calor. Veja a Tabela 1, UV LEDs vs. lâmpadas de vapor de mercúrio.

Perguntas frequentes

Qual comprimento de onda de UV LED deve ser especificado?

Normalmente 365 nm, 385 nm ou 395 nm, conforme a aplicação e a escolha da tinta. À medida que o comprimento de onda aumenta, a potência de saída e a eficiência sobem e o custo por watt cai; assim, 395 nm frequentemente cura as formulações de modo mais econômico que 365 nm. Comprimentos de onda menores são necessários em algumas químicas.

Por que as tintas atuais para lâmpadas de mercúrio não podem simplesmente ser curadas com LED?

Porque os fotoiniciadores são compatíveis com o espectro de emissão da lâmpada. O LED exige fotoiniciadores diferentes, e trocá-los exige monômeros e oligômeros diferentes na formulação. A tinta precisa ser reformulada, e não apenas recurada.

O que tornou o UV LED competitivo com as lâmpadas de mercúrio?

Três fatores em conjunto. Os químicos aprenderam a reformular as tintas para combinar com as lâmpadas; a potência das lâmpadas aumentou com o melhor projeto dos diodos e o resfriamento mais eficiente, que permite empacotamento mais denso; e as lentes nos conjuntos de lâmpadas focalizaram a potência para elevar a irradiância de pico.

Resfriamento a água ou a ar?

O resfriamento a água extrai o calor de forma muito eficiente, atende altas densidades de potência em grandes áreas de cura e mantém o cabeçote LED compacto em instalações apertadas, ao custo de peso extra, chillers e tubulações. O resfriamento a ar evita essa complexidade quando a carga térmica permite.

Que vantagem prática o liga/desliga instantâneo oferece?

Produtividade e receita. A impressão digital costuma ser de pequenas séries com paradas frequentes e, ao contrário das lâmpadas de mercúrio, que precisam aquecer até a potência total, as lâmpadas LED ligam e desligam imediatamente, sem desperdício de aquecimento.

Fatores do desenvolvimento inicial do UV LED

O LED e as lâmpadas de vapor de Hg têm espectros de emissão diferentes. Os fotoiniciadores são compatíveis com a lâmpada, os monômeros, a velocidade e as aplicações. Para obter cura robusta, o LED exige fotoiniciadores diferentes e, por sua vez, monômeros e oligômeros diferentes nas formulações.

Uma das áreas mais examinadas da tecnologia UV LED é a potência radiante máxima e a eficiência produzidas. A cura da tinta exige que energia concentrada seja entregue à tinta curável. As lâmpadas de mercúrio (Hg) normalmente têm refletores que focalizam os raios, de modo que a luz fique mais concentrada na superfície da tinta. Isso eleva muito a potência de pico e anula quaisquer reações concorrentes. As primeiras lâmpadas LED não eram focalizadas.

Alta potência e eficiência são possíveis com sistemas LED ao concentrar a energia radiante por meio de ótica e/ou encapsulamento. Os sistemas de alta potência usam arranjos agrupados de chips LED. A irradiância é inversamente proporcional à temperatura de junção do chip LED.

Manter o chip mais frio prolonga a vida útil, melhora a confiabilidade e aumenta a eficiência e a saída. Os desafios históricos de encapsular LEDs UV em arranjos foram resolvidos, e há soluções alternativas, conforme a aplicação. Grande parte do desenvolvimento e da adoção da tecnologia LED foi impulsionada pela eletrônica de consumo e pelos displays.

Avanços recentes significativos

• Primeiro, foram desenvolvidas mudanças de formulação e materiais, e o vasto conhecimento foi compartilhado. Muitos químicos hoje sabem como reformular as tintas para combinar com as lâmpadas.
• Segundo, a potência das lâmpadas aumentou. Os projetos de diodos melhoraram e o resfriamento é mais eficiente, de modo que os diodos são agrupados mais próximos. Isso, por sua vez, eleva a potência da lâmpada, medida em watts por unidade de área na face da lâmpada ou, melhor, no fluido.
• Terceiro, as lentes nos conjuntos de lâmpadas focalizam a potência, de modo que a irradiância de pico é maior. A combinação desses avanços torna o LED diretamente competitivo, se não superior, às lâmpadas de Hg em muitas aplicações.

Comprimento de onda

Dependendo da aplicação e da escolha das tintas, os comprimentos de onda oferecidos normalmente incluem 365 nm, 385 nm e 395 nm. Comprimentos de onda maiores estão disponíveis para químicas selecionadas. À medida que o comprimento de onda aumenta, a potência de saída, a eficiência e os custos também escalam; por exemplo, os LEDs de 365 nm fornecem menos saída que os de 395 nm.

O desempenho do chip é melhor em comprimentos de onda maiores, e o custo por watt de saída é menor, com mais energia entregue. A experiência de aplicação sugere que soluções de 395 nm muitas vezes curam as formulações de modo eficaz e mais econômico que as alternativas de 365 nm. No entanto, em alguns casos, são necessários 365 nm ou comprimentos de onda menores para obter cura robusta.

Soluções de sistemas integrados

A cura LED complementa melhor a impressão digital a jato de tinta. Em cabeçotes de impressão alternativos, as lâmpadas de Hg, quentes e pesadas, exigem estruturas de varredura massivas, o que não é necessário com LED. As máquinas de cabeçote fixo têm os cabeçotes de impressão montados em módulos e instalados em fileiras sobrepostas. A lâmpada UV compacta e fria se encaixa bem quando fixada a um módulo de cabeçote. Além disso, a impressão digital costuma ser de pequenas séries com paradas frequentes; portanto, o “liga/desliga” imediato gera maior produtividade e receita.

Gerenciamento térmico e ótica

Há duas implementações de gerenciamento térmico: resfriamento a água e a ar. O resfriamento a água é um método extremamente eficiente de extrair calor, principalmente em aplicações que exigem altas densidades de potência em grandes áreas de cura. Com o resfriamento a água, é possível obter temperaturas mais baixas com maior eficiência e confiabilidade.

Uma segunda vantagem do resfriamento a água é o tamanho compacto do cabeçote UV LED, que permite a integração onde há pouco espaço ao redor da área de cura. As desvantagens das soluções de resfriamento a água são o maior peso da unidade de cura e a complexidade e os custos adicionais de chillers e tubulações de água.

A segunda solução de gerenciamento térmico é o resfriamento a ar. Por natureza, o resfriamento a ar é menos eficaz que a água na extração de calor. No entanto, com métodos de fluxo de ar aprimorados e ótica, obtêm-se sistemas de cura com resfriamento a ar muito eficazes, normalmente de até 12 W por centímetro quadrado. Os benefícios dos sistemas com resfriamento a ar incluem facilidade de integração, baixo peso, menor custo e ausência de chillers externos.

Maximizar a potência de saída do UV LED é fundamental. Por meio de ótica seletiva, a energia dos LEDs pode ser melhor entregue ao substrato ou à tinta. Diferentes técnicas são incorporadas aos sistemas integrados, da reflexão à luz focalizada por lentes. A ótica pode ser personalizada para atender a critérios de desempenho específicos. Embora o OEM (usuário final) não precise necessariamente se preocupar com o modo como a ótica é fornecida na lâmpada UV LED, ele deve reconhecer que a experiência dos fornecedores varia e que nem todos os sistemas UV LED são iguais.

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de engenharia especializada em processos secundários de fabricação de plásticos: marcação a laser, pré-tratamentos de superfície, colagem, decoração e acabamento e segurança de produtos. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Ele pode ser contatado pelo telefone 972.820.6777 ou pelos sites www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., fundou a SPF-Inc. em 2000 para atender às indústrias de impressão e embalagem, com foco em adaptar a impressão digital a novos mercados e aplicações. Nano-químico de formação, cerca de metade de suas 25 patentes nos EUA está relacionada à impressão digital. Ele é membro da SGIA, da TAPPI e da RadTech. Pode ser contatado pelo e-mail [email protected].

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