喷墨 UV LED 固化技术的进展

喷墨 UV LED 固化技术的进展

三维塑料产品的数字 UV 喷墨打印已“时机成熟”。UV LED 固化技术的进步克服了传统汞蒸气灯带来的许多固化问题。

UV LED 灯在固化非润湿性、热敏的聚合物和聚氨酯/橡胶基材上的低粘度 UV 油墨方面更具优势。然而，并非所有 LED 的构造都相同，性能特征也不尽一致。本文是介绍塑料工业 UV 喷墨打印工艺进展的系列文章的第一篇。

直到最近，UV LED 仍面临着阻碍其被商业广泛接受的技术和经济障碍。LED 成本高、供应有限、输出和效率低、热管理问题，再加上与油墨的相容性，都是妨碍市场接受的限制因素。随着 UV LED 技术的进步，将 UV LED 用于固化可以说是塑料喷墨打印领域最重大的突破之一。

要点

• 三项进展缩小了与汞灯的差距：重新配制的油墨、更高的灯具功率，以及提高峰值辐照度的聚焦透镜。
• 395 nm 往往是经济的选择。与 365 nm 相比，更长的波长每瓦成本更低，每瓦提供的能量更多。
• LED 需要不同的化学体系。光引发剂必须与灯具匹配，这又会改变单体和低聚物。
• 水冷适用于大面积高功率密度的场合；风冷则免去了冷水机和管路，但代价是灯头尺寸较大。
• 瞬时开关可提高生产率，因为数字印刷通常是小批量生产，需要频繁停机。

UV LED 固化易于操作和控制，与汞（Hg）蒸气灯相比具有诸多优势。小型半导体器件的设计工作寿命超过 20,000 小时（约为 UV 灯的 10 倍）。输出在很长时间内极为稳定。UV LED 发出纯紫外光，不含红外线（IR），因此对热敏塑料基材的加工十分友好。参见表 1：UV LED 与汞蒸气灯对比。

常见问题

应指定哪种 UV LED 波长？

通常为 365 nm、385 nm 或 395 nm，视应用和油墨选择而定。随着波长增加，输出功率和效率上升，每瓦成本下降，因此 395 nm 往往比 365 nm 更经济地固化配方。某些化学体系则需要更短的波长。

为什么现有的汞灯油墨不能直接用 LED 固化？

因为光引发剂是与灯具的发射光谱相匹配的。LED 需要不同的光引发剂，而更换光引发剂需要在配方中使用不同的单体和低聚物。油墨必须重新配制，而不只是重新固化。

是什么使 UV LED 能够与汞灯竞争？

三方面因素共同作用。化学家已学会重新配制油墨以匹配灯具；通过改进二极管设计和更高效的冷却（可实现更密集的封装），灯具功率得以提高；灯具组件上的透镜聚焦功率，从而提高了峰值辐照度。

水冷还是风冷？

水冷散热效率很高，适用于大面积固化区域的高功率密度，并使 LED 灯头保持紧凑，便于狭小空间安装，但代价是增加重量、冷水机和管路。在热负荷允许的情况下，风冷可避免这种复杂性。

瞬时开关带来什么实际优势？

生产率和收益。数字印刷通常是小批量生产，需要频繁停机，与必须预热才能达到全功率的汞灯泡不同，LED 灯可立即开关，没有预热损耗。

UV LED 早期发展因素

LED 与汞蒸气灯泡的发射光谱不同。光引发剂是与灯具、单体、速度和应用相匹配的。要实现稳定固化，LED 需要不同的光引发剂，进而需要配方中使用不同的单体和低聚物。

UV LED 技术中受到最多审视的领域之一是所产生的最大辐射功率和效率。油墨固化需要将集中的能量传递到可固化油墨上。汞（Hg）灯泡通常配有反射器来聚焦光线，使光在油墨表面最为集中。这大大提高了峰值功率，并抵消了任何竞争性反应。早期的 LED 灯没有聚焦。

通过光学器件和/或封装来集中辐射能量，LED 系统可实现高功率和高效率。大功率系统采用成组的 LED 晶粒阵列。辐照度与 LED 晶粒的结温成反比。

保持较低的晶粒温度可延长寿命、提高可靠性，并提高效率和输出。将 UV LED 封装成阵列的历史难题已得到解决，并可根据应用提供其他解决方案。LED 技术的大量开发和应用是由消费电子和显示器推动的。

近期重大进展

• 第一，配方变化和材料已被开发出来，大量知识得到共享。许多化学家如今已懂得如何重新配制油墨以匹配灯具。
• 第二，灯具功率已经提高。二极管设计得到改进，冷却更高效，使二极管能够更紧密地封装。这进而提高了灯具功率，以灯面每单位面积的瓦数衡量，或更准确地说，以流体处的功率衡量。
• 第三，灯具组件上的透镜聚焦功率，使峰值辐照度更高。这些进展的结合使 LED 在许多应用中即便不是更优，也已与汞灯泡形成直接竞争。

波长

根据应用和油墨的选择，可提供的波长通常包括 365nm、385nm 和 395nm。特定化学体系还可提供更高的波长。随着波长增加，输出功率、效率和成本也随之变化，例如 365nm LED 的输出低于 395nm LED。

晶粒在较长波长下性能更好，每瓦输出成本更低，同时提供更多能量。应用经验表明，395nm 方案通常能比 365nm 方案更经济地有效固化配方。不过，在某些情况下，需要 365nm 或更短的波长才能实现稳定固化。

集成系统解决方案

LED 固化与数字喷墨打印最为契合。在往复式喷头上，又热又重的汞灯泡需要庞大的扫描系统框架，而 LED 则不需要。固定喷头的设备将喷头组装成模块，并以重叠排列的方式安装。紧凑、冷光的 UV 灯可以很好地固定在喷头模块上。此外，数字印刷通常是小批量生产，需要频繁停机，因此即时“开/关”可带来更高的生产率和收益。

热管理与光学

热管理有两种实现方式：水冷和风冷。水冷是一种极为高效的散热方法，尤其适用于大面积固化区域需要高功率密度的应用。采用水冷，可以以更高的效率和可靠性获得更低的温度。

水冷的第二个优势是 UV LED 灯头尺寸紧凑，可集成在固化区域周围空间有限的场合。水冷方案的缺点是固化单元较重，冷水机和水管路增加了复杂性和成本。

第二种热管理方案是风冷。风冷本质上散热效果不如水冷。不过，采用增强气流方法和光学器件，可获得高效的风冷固化系统，通常高达 12W/cm2。风冷系统的优点包括易于集成、重量轻、成本较低，且无需外部冷水机。

UV LED 输出功率的最大化至关重要。通过选择性光学器件，LED 的能量可以更好地传递到基材或油墨上。集成系统中采用了从反射到使用透镜聚焦光线等不同技术。光学器件可以定制，以满足特定的性能标准。虽然 OEM（最终用户）不一定需要关心 UV LED 灯的光学器件是如何提供的，但应认识到供应商的专业水平参差不齐，并非所有 UV LED 系统都是同等的。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，这是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程公司，业务涵盖激光打标、表面预处理、粘接、装饰与表面精饰以及产品安全。Sabreen 开发开创性技术并解决制造难题已逾 30 年。您可致电 972.820.6777，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 与他联系。

Dene Taylor 博士于 2000 年创立 SPF-Inc.，服务于印刷和包装行业，专注于使数字印刷适应新的市场和应用。他是纳米化学专业出身，其持有的约 25 项美国专利中有一半左右与数字印刷相关。他是 SGIA、TAPPI 和 RadTech 的会员。您可通过 [email protected] 与他联系。

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