ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการบ่มด้วย UV LED สำหรับอิงก์เจ็ท

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการบ่มด้วย UV LED สำหรับอิงก์เจ็ท

การพิมพ์อิงก์เจ็ท UV ดิจิทัลบนผลิตภัณฑ์พลาสติกสามมิติ “พร้อมใช้งานเต็มรูปแบบแล้ว” ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการบ่มด้วย UV LED แก้ปัญหาการบ่มจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับหลอดไอปรอทแบบดั้งเดิม

หลอด UV LED เหนือกว่าสำหรับการบ่มหมึก UV ความหนืดต่ำบนวัสดุรองรับพอลิเมอร์และยูรีเทน/ยางที่ไม่เปียกและไวต่อความร้อน อย่างไรก็ตาม LED ไม่ได้ผลิตเหมือนกันทั้งหมดหรือมีลักษณะสมรรถนะเท่ากัน บทความนี้เป็นบทความแรกในชุดที่นำเสนอความก้าวหน้าของกระบวนการสำหรับการพิมพ์อิงก์เจ็ท UV อุตสาหกรรมบนพลาสติก

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ UV LED เผชิญอุปสรรคทางเทคนิคและเศรษฐกิจที่ขัดขวางการยอมรับเชิงพาณิชย์อย่างกว้างขวาง ต้นทุนสูงและ LED หาได้จำกัด กำลังส่งออกและประสิทธิภาพต่ำ และปัญหาการจัดการความร้อน ร่วมกับความเข้ากันได้ของหมึก เป็นปัจจัยจำกัดที่ขัดขวางการยอมรับของตลาด ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยี UV LED การใช้ UV LED สำหรับการบ่มนับได้ว่าเป็นหนึ่งในความก้าวหน้าสำคัญที่สุดของการพิมพ์อิงก์เจ็ทบนพลาสติก

ประเด็นสำคัญ

• สามพัฒนาการที่ทำให้ช่องว่างเมื่อเทียบกับหลอดปรอทแคบลง ได้แก่ หมึกที่ปรับสูตรใหม่ กำลังหลอดไฟที่สูงขึ้น และเลนส์รวมแสงที่เพิ่มความเข้มการฉายรังสีสูงสุด
• 395 nm มักเป็นตัวเลือกที่ประหยัด ความยาวคลื่นที่ยาวกว่าให้พลังงานต่อวัตต์มากกว่าในต้นทุนต่อวัตต์ที่ต่ำกว่า 365 nm
• LED ต้องใช้เคมีที่ต่างออกไป โฟโตอินิชิเอเตอร์ต้องเข้ากับหลอดไฟ ซึ่งส่งผลให้มอนอเมอร์และโอลิโกเมอร์เปลี่ยนไปด้วย
• การระบายความร้อนด้วยน้ำเหมาะกับความหนาแน่นกำลังสูงบนพื้นที่กว้าง ส่วนการระบายความร้อนด้วยอากาศหลีกเลี่ยงเครื่องทำความเย็นและท่อ โดยแลกกับขนาดหัวที่ใหญ่ขึ้น
• การเปิด/ปิดทันทีช่วยเพิ่มผลิตภาพ เพราะการพิมพ์ดิจิทัลมักเป็นงานจำนวนน้อยที่หยุดบ่อย

การบ่มด้วย UV LED ใช้งานและควบคุมง่าย และมีข้อได้เปรียบเหนือหลอดไอปรอท (Hg) หลายประการ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขนาดเล็กได้รับการออกแบบให้มีอายุใช้งานเกิน 20,000 ชั่วโมง (ยาวนานกว่าหลอด UV ประมาณ 10 เท่า) กำลังส่งออกสม่ำเสมออย่างยิ่งเป็นเวลานาน UV LED ปล่อย UV บริสุทธิ์โดยไม่มีอินฟราเรด (IR) จึงเป็นมิตรต่อกระบวนการสำหรับวัสดุรองรับพลาสติกที่ไวต่อความร้อน ดูตารางที่ 1 UV LED เทียบกับหลอดไอปรอท

คำถามที่พบบ่อย

ควรระบุความยาวคลื่น UV LED เท่าใด

โดยทั่วไปคือ 365 nm, 385 nm หรือ 395 nm ขึ้นกับการใช้งานและการเลือกหมึก เมื่อความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น กำลังส่งออกและประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นขณะที่ต้นทุนต่อวัตต์ลดลง ดังนั้น 395 nm จึงมักบ่มสูตรหมึกได้ประหยัดกว่า 365 nm บางเคมีต้องใช้ความยาวคลื่นที่สั้นกว่า

เหตุใดจึงบ่มหมึกสำหรับหลอดปรอทเดิมด้วย LED อย่างง่าย ๆ ไม่ได้

เพราะโฟโตอินิชิเอเตอร์ถูกจับคู่กับสเปกตรัมการเปล่งแสงของหลอด LED ต้องใช้โฟโตอินิชิเอเตอร์ที่ต่างออกไป และการเปลี่ยนโฟโตอินิชิเอเตอร์ต้องใช้มอนอเมอร์และโอลิโกเมอร์ที่ต่างออกไปในสูตร หมึกต้องได้รับการปรับสูตรใหม่ ไม่ใช่เพียงบ่มด้วยแหล่งอื่น

อะไรทำให้ UV LED แข่งขันกับหลอดปรอทได้

สามสิ่งรวมกัน นักเคมีเรียนรู้ที่จะปรับสูตรหมึกให้เข้ากับหลอดไฟ กำลังหลอดไฟเพิ่มขึ้นจากการออกแบบไดโอดที่ดีขึ้นและการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพขึ้นซึ่งทำให้บรรจุได้แน่นขึ้น และเลนส์บนชุดหลอดไฟรวมกำลังเพื่อเพิ่มความเข้มการฉายรังสีสูงสุด

ระบายความร้อนด้วยน้ำหรือด้วยอากาศ

การระบายความร้อนด้วยน้ำดึงความร้อนออกได้มีประสิทธิภาพสูงมาก เหมาะกับความหนาแน่นกำลังสูงบนพื้นที่บ่มขนาดใหญ่ และทำให้หัว LED กะทัดรัดสำหรับการติดตั้งในพื้นที่จำกัด โดยแลกกับน้ำหนักที่เพิ่มขึ้น เครื่องทำความเย็น และท่อ ส่วนการระบายความร้อนด้วยอากาศหลีกเลี่ยงความซับซ้อนนั้นเมื่อภาระความร้อนเอื้ออำนวย

การเปิด/ปิดทันทีให้ข้อได้เปรียบเชิงปฏิบัติอะไร

ผลิตภาพและรายได้ การพิมพ์ดิจิทัลมักเป็นงานจำนวนน้อยที่หยุดบ่อย และต่างจากหลอดปรอทที่ต้องอุ่นเครื่องจนถึงกำลังเต็ม หลอด LED เปิดและปิดได้ทันทีโดยไม่สูญเสียเวลาอุ่นเครื่อง

ปัจจัยในช่วงพัฒนาแรกเริ่มของ UV LED

LED และหลอดไอปรอท Hg มีสเปกตรัมการเปล่งแสงต่างกัน โฟโตอินิชิเอเตอร์ถูกจับคู่กับหลอดไฟ มอนอเมอร์ ความเร็ว และการใช้งาน เพื่อให้บ่มได้อย่างแข็งแกร่ง LED ต้องใช้โฟโตอินิชิเอเตอร์ที่ต่างออกไป และส่งผลให้ต้องใช้มอนอเมอร์และโอลิโกเมอร์ที่ต่างออกไปในสูตร

หนึ่งในประเด็นที่ถูกพิจารณาอย่างละเอียดที่สุดของเทคโนโลยี UV LED คือกำลังรังสีสูงสุดและประสิทธิภาพที่ผลิตได้ การบ่มหมึกต้องส่งพลังงานที่รวมศูนย์ไปยังหมึกที่บ่มได้ หลอดปรอท Hg มักมีตัวสะท้อนแสงที่รวมรังสีเพื่อให้แสงเข้มข้นที่สุดที่ผิวหมึก ซึ่งเพิ่มกำลังสูงสุดอย่างมากและหักล้างปฏิกิริยาแข่งขันใด ๆ หลอด LED รุ่นแรก ๆ ไม่มีการรวมแสง

ระบบ LED ให้กำลังและประสิทธิภาพสูงได้ด้วยการรวมพลังงานรังสีผ่านทัศนศาสตร์และ/หรือการบรรจุภัณฑ์ ระบบกำลังสูงใช้อาร์เรย์การจัดกลุ่มของไดย์ LED ความเข้มการฉายรังสีแปรผกผันกับอุณหภูมิรอยต่อของไดย์ LED

การรักษาอุณหภูมิไดย์ให้เย็นกว่าช่วยยืดอายุการใช้งาน ปรับปรุงความน่าเชื่อถือ และเพิ่มประสิทธิภาพและกำลังส่งออก ความท้าทายในอดีตของการบรรจุ UV LED เป็นอาร์เรย์ได้รับการแก้ไขแล้ว และมีโซลูชันทางเลือกตามการใช้งาน การพัฒนาและการนำเทคโนโลยี LED มาใช้ส่วนใหญ่ขับเคลื่อนโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและจอแสดงผล

พัฒนาการสำคัญล่าสุด

• ประการแรก มีการพัฒนาการเปลี่ยนแปลงสูตรและวัสดุ และมีการแบ่งปันความรู้จำนวนมาก นักเคมีจำนวนมากในปัจจุบันเข้าใจวิธีปรับสูตรหมึกให้เข้ากับหลอดไฟ
• ประการที่สอง กำลังหลอดไฟเพิ่มขึ้น การออกแบบไดโอดดีขึ้น และการระบายความร้อนมีประสิทธิภาพขึ้นจึงบรรจุไดโอดได้แน่นขึ้น ซึ่งส่งผลให้กำลังหลอดไฟสูงขึ้น วัดเป็นวัตต์ต่อหน่วยพื้นที่ที่หน้าหลอด หรือดีกว่านั้นคือที่ตัวของเหลว
• ประการที่สาม เลนส์บนชุดหลอดไฟรวมกำลัง ทำให้ความเข้มการฉายรังสีสูงสุดสูงขึ้น การรวมกันของพัฒนาการเหล่านี้ทำให้ LED แข่งขันกับหลอด Hg ได้โดยตรง หากไม่ถึงกับเหนือกว่า ในหลายการใช้งาน

ความยาวคลื่น

ตามการใช้งานและการเลือกหมึก ความยาวคลื่นที่เสนอโดยทั่วไปประกอบด้วย 365nm, 385nm และ 395nm มีความยาวคลื่นที่สูงกว่าสำหรับบางเคมี เมื่อความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น กำลังส่งออก ประสิทธิภาพ และต้นทุนก็เพิ่มตามไปด้วย เช่น LED 365nm ให้กำลังส่งออกน้อยกว่า LED 395nm

สมรรถนะของไดย์ดีขึ้นที่ความยาวคลื่นยาวกว่า และต้นทุนต่อวัตต์ส่งออกต่ำกว่าขณะที่ส่งมอบพลังงานได้มากกว่า ประวัติการใช้งานบ่งชี้ว่าโซลูชัน 395nm มักบ่มสูตรหมึกได้อย่างมีประสิทธิผลและประหยัดกว่าทางเลือก 365nm อย่างไรก็ตาม ในบางกรณีต้องใช้ 365nm หรือความยาวคลื่นที่สั้นกว่าเพื่อให้บ่มได้อย่างแข็งแกร่ง

โซลูชันระบบแบบผสานรวม

การบ่มด้วย LED เสริมการพิมพ์อิงก์เจ็ทดิจิทัลได้ดีที่สุด บนหัวพิมพ์แบบเคลื่อนไปมา หลอด Hg ที่ร้อนและหนักต้องใช้โครงระบบสแกนขนาดใหญ่ ซึ่งไม่จำเป็นกับ LED เครื่องแบบหัวอยู่กับที่ประกอบหัวพิมพ์เป็นโมดูลและติดตั้งเป็นแถวซ้อนเหลื่อมกัน หลอด UV ที่กะทัดรัดและเย็นติดกับโมดูลหัวพิมพ์ได้พอดี นอกจากนี้ การพิมพ์ดิจิทัลมักเป็นงานจำนวนน้อยที่หยุดบ่อย การ “เปิด/ปิด” ทันทีจึงให้ผลิตภาพและรายได้มากกว่า

การจัดการความร้อนและทัศนศาสตร์

การจัดการความร้อนมีสองรูปแบบ คือการระบายความร้อนด้วยน้ำและด้วยอากาศ การระบายความร้อนด้วยน้ำเป็นวิธีดึงความร้อนออกที่มีประสิทธิภาพสูงมาก โดยเฉพาะในการใช้งานที่ต้องการความหนาแน่นกำลังสูงบนพื้นที่บ่มขนาดใหญ่ ด้วยการระบายความร้อนด้วยน้ำ ได้อุณหภูมิที่ต่ำลงพร้อมประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น

ข้อได้เปรียบประการที่สองของการระบายความร้อนด้วยน้ำคือขนาดหัว UV LED ที่กะทัดรัด ซึ่งช่วยให้ผสานรวมได้ในที่ที่มีพื้นที่รอบบริเวณบ่มจำกัด ข้อเสียของโซลูชันระบายความร้อนด้วยน้ำคือหน่วยบ่มมีน้ำหนักมากขึ้น และมีความซับซ้อนและต้นทุนเพิ่มสำหรับเครื่องทำความเย็นและท่อน้ำ

โซลูชันการจัดการความร้อนประการที่สองคือการระบายความร้อนด้วยอากาศ โดยธรรมชาติแล้วการระบายความร้อนด้วยอากาศดึงความร้อนออกได้มีประสิทธิผลน้อยกว่าน้ำ อย่างไรก็ตาม การใช้วิธีเพิ่มการไหลของอากาศและทัศนศาสตร์ทำให้ได้ระบบบ่มระบายความร้อนด้วยอากาศที่มีประสิทธิผลสูง โดยทั่วไปสูงถึง 12W ต่อตารางเซนติเมตร ประโยชน์ของระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ ได้แก่ ผสานรวมง่าย น้ำหนักเบา ต้นทุนต่ำกว่า และไม่ต้องใช้เครื่องทำความเย็นภายนอก

การเพิ่มกำลังส่งออกของ UV LED ให้สูงสุดเป็นสิ่งสำคัญ ด้วยทัศนศาสตร์แบบเลือกได้ พลังงานจาก LED ส่งไปยังวัสดุรองรับหรือหมึกได้ดีขึ้น มีเทคนิคหลากหลายในระบบผสานรวม ตั้งแต่การสะท้อนแสงไปจนถึงการรวมแสงด้วยเลนส์ ทัศนศาสตร์ปรับแต่งเฉพาะได้เพื่อตอบสนองเกณฑ์สมรรถนะที่เฉพาะเจาะจง แม้ OEM (ผู้ใช้ปลายทาง) ไม่จำเป็นต้องกังวลว่าทัศนศาสตร์ในหลอด UV LED ทำอย่างไร แต่ควรตระหนักว่าความเชี่ยวชาญของซัพพลายเออร์แตกต่างกัน และระบบ UV LED ทั้งหมดไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเท่าเทียมกัน

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. บริษัทวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญด้านกระบวนการแปรรูปพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การมาร์กด้วยเลเซอร์ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติด การตกแต่งและการเก็บงานผิว และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ Sabreen พัฒนาเทคโนโลยีบุกเบิกและแก้ปัญหาการผลิตมานานกว่า 30 ปี ติดต่อได้ที่หมายเลข 972.820.6777 หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com หรือ www.plasticslasermarking.com

Dene Taylor, Ph.D. ก่อตั้ง SPF-Inc. ในปี 2000 เพื่อให้บริการอุตสาหกรรมการพิมพ์และบรรจุภัณฑ์ โดยมุ่งเน้นการปรับใช้การพิมพ์ดิจิทัลกับตลาดและการใช้งานใหม่ ๆ เขาจบการศึกษาด้านนาโนเคมี และประมาณครึ่งหนึ่งของสิทธิบัตรสหรัฐ 25 ฉบับของเขาเกี่ยวข้องกับการพิมพ์ดิจิทัล เขาเป็นสมาชิกของ SGIA, TAPPI และ RadTech ติดต่อได้ที่ [email protected]

---