تطورات في تقنية المعالجة بـ UV LED للطباعة النفاثة للحبر

تطورات في تقنية المعالجة بـ UV LED للطباعة النفاثة للحبر

الطباعة النفاثة الرقمية بالأشعة فوق البنفسجية (UV) على منتجات البلاستيك ثلاثية الأبعاد «جاهزة للانطلاق». وتتغلب التطورات في تقنية المعالجة بـ UV LED على كثير من مشكلات المعالجة المرتبطة بمصابيح بخار الزئبق التقليدية.

مصابيح UV LED متفوقة في معالجة أحبار UV منخفضة اللزوجة على ركائز بوليمرية ومن اليوريثان/المطاط غير قابلة للبلل وحساسة للحرارة. ومع ذلك، لا تُصنع جميع مصابيح LED بالطريقة نفسها ولا تُظهر خصائص أداء متساوية. وهذا المقال هو الأول في سلسلة تعرض التطورات في العمليات للطباعة النفاثة الصناعية بالأشعة فوق البنفسجية على البلاستيك.

حتى وقت قريب، واجهت مصابيح UV LED عوائق تقنية واقتصادية حالت دون قبولها التجاري الواسع. فقد كانت التكلفة المرتفعة ومحدودية توفر مصابيح LED، وانخفاض القدرة الخارجة والكفاءة، ومشكلات الإدارة الحرارية، مقترنةً بتوافق الحبر، عوامل مقيِّدة منعت قبول السوق. ومع التطورات في تقنية UV LED، يمكن القول إن استخدام UV LED في المعالجة من أهم الإنجازات في الطباعة النفاثة للحبر على البلاستيك.

أبرز النقاط

• ثلاثة تطورات سدّت الفجوة مع الزئبق: أحبار أُعيدت صياغتها، وقدرة مصابيح أعلى، وعدسات تركيز ترفع ذروة الإشعاع.
• غالبًا ما يكون 395 nm الخيار الاقتصادي. فالأطوال الموجية الأطول تعطي طاقة أكبر لكل واط بتكلفة أقل لكل واط مقارنةً بـ 365 nm.
• يحتاج LED إلى كيمياء مختلفة. يجب مطابقة البادئات الضوئية مع المصباح، مما يغيّر بدوره المونومرات والأوليغومرات.
• يناسب التبريد بالماء كثافات القدرة العالية على مساحات كبيرة؛ ويتجنب التبريد بالهواء المبرّدات والأنابيب على حساب حجم الرأس.
• التشغيل والإيقاف الفوري مكسب في الإنتاجية، فالطباعة الرقمية غالبًا ما تكون بكميات قصيرة مع توقفات متكررة.

سهولة التشغيل والتحكم في المعالجة بـ UV LED مع مزايا عديدة مقارنةً بمصابيح بخار الزئبق (Hg). فقد صُممت أجهزة أشباه الموصلات الصغيرة الحجم لتدوم أكثر من 20,000 ساعة تشغيل (أي أطول بنحو 10 مرات) من مصابيح UV. والقدرة الخارجة متسقة للغاية لفترات طويلة. ويبعث UV LED أشعة UV نقية دون أشعة تحت حمراء (IR)، مما يجعله ملائمًا للعملية مع ركائز البلاستيك الحساسة للحرارة. راجعوا الجدول 1: مصابيح UV LED مقابل مصابيح بخار الزئبق.

الأسئلة الشائعة

ما الطول الموجي لـ UV LED الذي ينبغي تحديده؟

عادةً 365 nm أو 385 nm أو 395 nm بحسب التطبيق واختيار الحبر. فمع زيادة الطول الموجي تزداد القدرة الخارجة والكفاءة وتنخفض التكلفة لكل واط، ولذلك يعالج 395 nm التركيبات غالبًا بصورة أكثر اقتصادية من 365 nm. وتلزم أطوال موجية أقصر لبعض الكيميائيات.

لماذا لا يمكن ببساطة معالجة أحبار مصابيح الزئبق الحالية بـ LED؟

لأن البادئات الضوئية مطابقة لطيف انبعاث المصباح. ويتطلب LED بادئات ضوئية مختلفة، وتغييرها يتطلب مونومرات وأوليغومرات مختلفة في التركيبة. فيجب إعادة صياغة الحبر، لا مجرد إعادة معالجته.

ما الذي جعل UV LED منافسًا لمصابيح الزئبق؟

ثلاثة أمور معًا. تعلّم الكيميائيون إعادة صياغة الأحبار لتلائم المصابيح؛ وارتفعت قدرة المصابيح بفضل تحسين تصميم الثنائيات والتبريد الأكثر كفاءة الذي يتيح تعبئة أكثف؛ وركّزت العدسات الموجودة على تجميعات المصابيح القدرة لرفع ذروة الإشعاع.

التبريد بالماء أم بالهواء؟

يستخلص التبريد بالماء الحرارة بكفاءة عالية جدًا، ويناسب كثافات القدرة العالية على مساحات معالجة كبيرة، ويبقي رأس LED مدمجًا للتركيبات الضيقة، على حساب وزن إضافي ومبرّدات وأنابيب. ويتجنب التبريد بالهواء هذا التعقيد حيث يسمح الحمل الحراري بذلك.

ما الميزة العملية للتشغيل والإيقاف الفوري؟

الإنتاجية والإيرادات. فالطباعة الرقمية غالبًا ما تكون بكميات قصيرة مع توقفات متكررة، وعلى عكس مصابيح الزئبق التي يجب أن تسخن للوصول إلى القدرة الكاملة، تعمل مصابيح LED وتتوقف فورًا دون هدر في التسخين.

عوامل التطوير المبكر لـ UV LED

لمصابيح LED وبخار الزئبق Hg أطياف انبعاث مختلفة. وتُطابَق البادئات الضوئية مع المصباح والمونومرات والسرعة والتطبيقات. ولتحقيق معالجة متينة، يتطلب LED بادئات ضوئية مختلفة، وبالتالي مونومرات وأوليغومرات مختلفة في التركيبات.

من أكثر جوانب تقنية UV LED تدقيقًا أقصى قدرة إشعاعية وكفاءة تنتجها. فمعالجة الحبر تستلزم توصيل طاقة مركزة إلى الحبر القابل للمعالجة. وتحتوي مصابيح الزئبق Hg عادةً على عواكس تركّز الأشعة بحيث يكون الضوء أكثر تركزًا عند سطح الحبر. وهذا يرفع قدرة الذروة كثيرًا ويلغي أي تفاعلات منافسة. أما مصابيح LED الأولى فلم تكن مركّزة.

يمكن تحقيق قدرة وكفاءة عاليتين مع أنظمة LED بتركيز الطاقة الإشعاعية عبر البصريات و/أو التعبئة. وتستخدم الأنظمة عالية القدرة مصفوفات مجمّعة من شرائح LED. والإشعاع يتناسب عكسيًا مع درجة حرارة وصلة شريحة LED.

إبقاء الشريحة أبرد يطيل العمر ويحسّن الموثوقية ويزيد الكفاءة والقدرة الخارجة. وقد حُلت التحديات التاريخية لتعبئة مصابيح UV LED في مصفوفات، وتتوفر حلول بديلة بحسب التطبيق. وقد كان تطوير تقنية LED واعتمادها مدفوعًا في جزء كبير منه بالإلكترونيات الاستهلاكية والشاشات.

تطورات مهمة حديثة

• أولًا، طُورت تغييرات في الصياغة ومواد جديدة، وشُاركت المعرفة الواسعة. ويفهم كثير من الكيميائيين الآن كيفية إعادة صياغة الأحبار لتلائم المصابيح.
• ثانيًا، ازدادت قدرة المصابيح. فقد تحسنت تصاميم الثنائيات وأصبح التبريد أكثر كفاءة فتُعبَّأ الثنائيات بصورة أكثف. وهذا يرفع بدوره قدرة المصباح، مقيسةً بالواط لكل وحدة مساحة عند وجه المصباح، أو الأفضل عند السائل.
• ثالثًا، تركّز العدسات الموجودة على تجميعات المصابيح القدرة، فتكون ذروة الإشعاع أعلى. وبفضل مجموع هذه التطورات أصبح LED منافسًا مباشرًا، إن لم يكن متفوقًا، على مصابيح Hg في كثير من التطبيقات.

الطول الموجي

بحسب التطبيق واختيار الأحبار، تشمل الأطوال الموجية المتاحة عادةً 365nm و385nm و395nm. وتتوفر أطوال موجية أعلى لكيميائيات مختارة. ومع زيادة الطول الموجي تتدرج القدرة الخارجة والكفاءة والتكلفة كذلك، فمثلًا تعطي مصابيح LED بطول 365nm قدرة خارجة أقل من مصابيح LED بطول 395nm.

أداء الشريحة أفضل عند الأطوال الموجية الأطول، وتكون التكلفة لكل واط خارج أقل مع توصيل طاقة أكبر. وتشير تجارب التطبيق إلى أن حلول 395nm يمكنها غالبًا معالجة التركيبات بفعالية وبصورة أكثر اقتصادية من بدائل 365nm. ومع ذلك، في بعض الحالات يلزم 365nm أو أطوال موجية أقصر لتحقيق معالجة متينة.

حلول الأنظمة المتكاملة

المعالجة بـ LED هي الأنسب للطباعة النفاثة الرقمية للحبر. ففي رؤوس الطباعة الترددية، تتطلب مصابيح Hg الساخنة والثقيلة إطارات ضخمة لنظام المسح، وهو ما لا يلزم مع LED. وفي الآلات ذات الرؤوس الثابتة تُجمَّع رؤوس الطباعة في وحدات وتُركَّب في صفوف متداخلة. ويتلاءم مصباح UV المدمج والبارد جيدًا مع تثبيته بوحدة الرأس. علاوة على ذلك، غالبًا ما تكون الطباعة الرقمية بكميات قصيرة مع توقفات متكررة، ولذلك فإن «التشغيل/الإيقاف» الفوري يعطي إنتاجية وإيرادات أكبر.

الإدارة الحرارية والبصريات

هناك تطبيقان للإدارة الحرارية: التبريد بالماء والتبريد بالهواء. والتبريد بالماء طريقة فعالة للغاية في استخلاص الحرارة، خصوصًا في التطبيقات التي تتطلب كثافات قدرة عالية على مساحات معالجة كبيرة. ومع التبريد بالماء يمكن الحصول على درجات حرارة أدنى بكفاءة وموثوقية أعلى.

والميزة الثانية للتبريد بالماء هي صغر حجم رأس UV LED، مما يتيح التكامل حيث تكون المساحة المحيطة بمنطقة المعالجة محدودة. أما عيوب حلول التبريد بالماء فهي ثقل وزن وحدة المعالجة والتعقيد والتكاليف الإضافية للمبرّدات وأنابيب المياه.

وحل الإدارة الحرارية الثاني هو التبريد بالهواء. والتبريد بالهواء أقل فعالية بطبيعته في استخلاص الحرارة مقارنةً بالماء. ومع ذلك، فإن استخدام أساليب تدفق هواء وبصريات محسّنة ينتج أنظمة معالجة مبردة بالهواء عالية الفعالية، تصل عادةً إلى 12W لكل سنتيمتر مربع. وتشمل فوائد الأنظمة المبردة بالهواء سهولة التكامل وخفة الوزن وانخفاض التكاليف وعدم الحاجة إلى مبرّدات خارجية.

تعظيم القدرة الخارجة لـ UV LED أمر بالغ الأهمية. فمن خلال بصريات انتقائية، يمكن توصيل الطاقة من مصابيح LED إلى الركيزة أو الحبر بصورة أفضل. وتُدمج في الأنظمة المتكاملة تقنيات مختلفة تتراوح من الانعكاس إلى تركيز الضوء باستخدام العدسات. ويمكن تخصيص البصريات لتلبية معايير أداء محددة. وعلى الرغم من أن الشركة المصنّعة للمعدات الأصلية (المستخدم النهائي) لا ينبغي بالضرورة أن تنشغل بكيفية توفير البصريات في مصباح UV LED، فعليها أن تدرك أن خبرة الموردين تتفاوت، وأن جميع أنظمة UV LED ليست متساوية.

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوي للبلاستيك: الوسم بالليزر، والمعالجة الأولية للسطح، واللصق، والتزيين والتشطيب، وأمن المنتج. وقد عمل Sabreen على تطوير تقنيات رائدة وحل مشكلات التصنيع لأكثر من 30 عامًا. ويمكن التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو بزيارة www.sabreen.com أو www.plasticslasermarking.com.

أسس Dene Taylor, Ph.D. شركة SPF-Inc. عام 2000 لخدمة قطاعي الطباعة والتغليف، مع التركيز على تكييف الطباعة الرقمية للأسواق والتطبيقات الجديدة. وهو كيميائي نانوي بالتدريب، ويرتبط نحو نصف براءات اختراعه الأمريكية البالغ عددها 25 بالطباعة الرقمية. وهو عضو في SGIA وTAPPI وRadTech. ويمكن التواصل معه عبر [email protected].

---