Fortschritte bei der UV-LED-Härtungstechnologie für den Tintenstrahl

Fortschritte bei der UV-LED-Härtungstechnologie für den Tintenstrahl

Der digitale UV-Tintenstrahldruck auf dreidimensionalen Kunststoffprodukten ist „reif für den Serieneinsatz“. Fortschritte in der UV-LED-Härtungstechnologie überwinden viele Härtungsprobleme, die mit herkömmlichen Quecksilberdampflampen verbunden sind.

UV-LED-Lampen sind überlegen bei der Härtung niedrigviskoser UV-Tinten auf nicht benetzbaren, wärmeempfindlichen Polymer- sowie Urethan-/Gummisubstraten. Allerdings sind nicht alle LEDs gleich aufgebaut oder gleich leistungsfähig. Dieser Beitrag ist der erste einer Reihe, die Prozessfortschritte für den industriellen UV-Tintenstrahldruck auf Kunststoffen vorstellt.

Bis vor Kurzem standen UV-LEDs vor technischen und wirtschaftlichen Hürden, die eine breite kommerzielle Akzeptanz verhinderten. Hohe Kosten und begrenzte Verfügbarkeit von LEDs, geringe Ausgangsleistung und Effizienz sowie Probleme beim Wärmemanagement – zusammen mit der Tintenverträglichkeit – waren die begrenzenden Faktoren. Mit den Fortschritten in der UV-LED-Technologie zählt der Einsatz von UV-LEDs zur Härtung wohl zu den bedeutendsten Durchbrüchen im Tintenstrahldruck auf Kunststoffen.

Wichtigste Erkenntnisse

• Drei Entwicklungen haben den Abstand zu Quecksilber geschlossen: neu formulierte Tinten, höhere Lampenleistung und Fokussierlinsen, die die Spitzenbestrahlungsstärke erhöhen.
• 395 nm ist oft die wirtschaftliche Wahl. Längere Wellenlängen liefern mehr Energie pro Watt zu geringeren Kosten pro Watt als 365 nm.
• LED braucht eine andere Chemie. Photoinitiatoren müssen auf die Lampe abgestimmt werden, was wiederum Monomere und Oligomere verändert.
• Wasserkühlung eignet sich für hohe Leistungsdichten über große Flächen; Luftkühlung vermeidet Kühlaggregate und Verrohrung, auf Kosten der Kopfgröße.
• Sofortiges Ein- und Ausschalten steigert die Produktivität, da der Digitaldruck oft aus kleinen Serien mit häufigen Stopps besteht.

Die einfach zu bedienende und zu steuernde UV-LED-Härtung hat gegenüber Quecksilberdampflampen (Hg) zahlreiche Vorteile. Die kleinen Halbleiterbauelemente sind auf eine Betriebsdauer von über 20.000 Stunden ausgelegt (etwa zehnmal länger) als UV-Lampen. Die Leistungsabgabe bleibt über lange Zeiträume äußerst konstant. UV-LED strahlt reines UV ohne Infrarot (IR) ab und ist damit prozessfreundlich für wärmeempfindliche Kunststoffsubstrate. Siehe Tabelle 1: UV-LEDs im Vergleich zu Quecksilberdampflampen.

Häufig gestellte Fragen

Welche UV-LED-Wellenlänge sollte spezifiziert werden?

Typischerweise 365 nm, 385 nm oder 395 nm, je nach Anwendung und Tintenauswahl. Mit steigender Wellenlänge nehmen Ausgangsleistung und Effizienz zu, während die Kosten pro Watt sinken; daher härtet 395 nm Formulierungen oft wirtschaftlicher als 365 nm. Für manche Chemien sind kürzere Wellenlängen erforderlich.

Warum lassen sich vorhandene Tinten für Quecksilberlampen nicht einfach mit LED härten?

Weil die Photoinitiatoren auf das Emissionsspektrum der Lampe abgestimmt sind. LED erfordert andere Photoinitiatoren, und deren Änderung erfordert andere Monomere und Oligomere in der Formulierung. Die Tinte muss neu formuliert und nicht nur neu gehärtet werden.

Was hat UV-LED gegenüber Quecksilberlampen wettbewerbsfähig gemacht?

Drei Dinge zusammen. Chemiker haben gelernt, Tinten passend zu den Lampen neu zu formulieren; die Lampenleistung stieg durch verbessertes Diodendesign und effizientere Kühlung, die eine dichtere Packung erlaubt; und Linsen an den Lampenbaugruppen bündelten die Leistung und erhöhten die Spitzenbestrahlungsstärke.

Wasserkühlung oder Luftkühlung?

Wasserkühlung führt Wärme sehr effizient ab, eignet sich für hohe Leistungsdichten über große Härtungsflächen und hält den LED-Kopf für beengte Einbausituationen kompakt – auf Kosten von zusätzlichem Gewicht, Kühlaggregaten und Verrohrung. Luftkühlung vermeidet diese Komplexität, wo die thermische Last es zulässt.

Welchen praktischen Vorteil bietet das sofortige Ein- und Ausschalten?

Produktivität und Umsatz. Der Digitaldruck besteht häufig aus kleinen Serien mit häufigen Stopps, und anders als Quecksilberlampen, die auf volle Leistung aufwärmen müssen, schalten LED-Lampen sofort ein und aus, ohne Verlust durch Aufwärmzeit.

Frühe Entwicklungsfaktoren der UV-LED

LED- und Hg-Dampflampen haben unterschiedliche Emissionsspektren. Photoinitiatoren werden auf Lampe, Monomere, Geschwindigkeit und Anwendungen abgestimmt. Um eine robuste Härtung zu erreichen, erfordert LED andere Photoinitiatoren und damit andere Monomere und Oligomere in den Formulierungen.

Einer der am genauesten geprüften Bereiche der UV-LED-Technologie ist die erzielte maximale Strahlungsleistung und Effizienz. Die Tintenhärtung erfordert, dass konzentrierte Energie an die härtbare Tinte abgegeben wird. Quecksilberlampen (Hg) haben typischerweise Reflektoren, die die Strahlen bündeln, sodass das Licht an der Tintenoberfläche am stärksten konzentriert ist. Das erhöht die Spitzenleistung erheblich und unterdrückt konkurrierende Reaktionen. Frühe LED-Lampen waren nicht fokussiert.

Hohe Leistung und Effizienz sind mit LED-Systemen erreichbar, indem die Strahlungsenergie durch Optik und/oder Gehäuseaufbau konzentriert wird. Hochleistungssysteme nutzen gruppierte Arrays von LED-Chips. Die Bestrahlungsstärke ist umgekehrt proportional zur Sperrschichttemperatur des LED-Chips.

Ein kühlerer Chip verlängert die Lebensdauer, verbessert die Zuverlässigkeit und erhöht Effizienz und Ausgangsleistung. Die bisherigen Herausforderungen beim Aufbau von UV-LEDs zu Arrays sind gelöst, und je nach Anwendung stehen alternative Lösungen zur Verfügung. Ein Großteil der Entwicklung und Verbreitung der LED-Technologie wurde von der Unterhaltungselektronik und von Displays vorangetrieben.

Jüngste wesentliche Entwicklungen

• Erstens wurden Formulierungsänderungen und Materialien entwickelt, und das umfangreiche Wissen wurde weitergegeben. Viele Chemiker wissen heute, wie sich Tinten passend zu den Lampen neu formulieren lassen.
• Zweitens ist die Lampenleistung gestiegen. Diodendesigns wurden verbessert, und die Kühlung ist effizienter, sodass die Dioden dichter gepackt werden. Das wiederum erhöht die Lampenleistung, gemessen in Watt pro Flächeneinheit an der Lampenfläche oder besser an der Flüssigkeit.
• Drittens bündeln Linsen an den Lampenbaugruppen die Leistung, sodass die Spitzenbestrahlungsstärke höher ist. Das Zusammenspiel dieser Entwicklungen macht LED in vielen Anwendungen zu einer direkten Konkurrenz, wenn nicht gar zur überlegenen Alternative zu Hg-Lampen.

Wellenlänge

Je nach Anwendung und Tintenauswahl umfassen die Wellenlängenangebote typischerweise 365 nm, 385 nm und 395 nm. Höhere Wellenlängen sind für ausgewählte Chemien verfügbar. Mit steigender Wellenlänge skalieren auch Ausgangsleistung, Effizienz und Kosten, z. B. liefern 365-nm-LEDs weniger Leistung als 395-nm-LEDs.

Die Leistung des Chips ist bei längeren Wellenlängen besser, und die Kosten pro Watt Ausgangsleistung sind niedriger, während mehr Energie geliefert wird. Erfahrungen aus der Anwendung zeigen, dass 395-nm-Lösungen Formulierungen oft wirtschaftlicher wirksam härten können als 365-nm-Alternativen. In manchen Fällen sind jedoch 365 nm oder kürzere Wellenlängen erforderlich, um eine robuste Härtung zu erreichen.

Integrierte Systemlösungen

Die LED-Härtung ergänzt den digitalen Tintenstrahldruck am besten. Bei oszillierenden Druckköpfen erfordern heiße und schwere Hg-Lampen massive Scan-Systemrahmen, die bei LED nicht nötig sind. Maschinen mit feststehenden Köpfen haben die Druckköpfe in Modulen zusammengefasst und in überlappenden Reihen installiert. Die kompakte, kühle UV-Lampe lässt sich gut an ein Kopfmodul anbauen. Zudem besteht der Digitaldruck oft aus kleinen Serien mit häufigen Stopps, sodass das sofortige „Ein/Aus“ höhere Produktivität und höheren Umsatz bringt.

Wärmemanagement und Optik

Für das Wärmemanagement gibt es zwei Umsetzungen: Wasser- und Luftkühlung. Die Wasserkühlung ist ein äußerst effizientes Verfahren zur Wärmeabfuhr, besonders bei Anwendungen, die hohe Leistungsdichten über große Härtungsflächen erfordern. Mit Wasserkühlung lassen sich niedrigere Temperaturen bei höherer Effizienz und Zuverlässigkeit erreichen.

Ein zweiter Vorteil der Wasserkühlung ist die kompakte Größe des UV-LED-Kopfs, die eine Integration erlaubt, wo um die Härtungszone wenig Platz ist. Die Nachteile von Wasserkühllösungen sind das höhere Gewicht der Härtungseinheit sowie zusätzliche Komplexität und Kosten für Kühlaggregate und Wasserleitungen.

Die zweite Wärmemanagement-Lösung ist die Luftkühlung. Luftkühlung ist von Natur aus weniger wirksam bei der Wärmeabfuhr als Wasser. Mit verbesserten Luftströmungsverfahren und Optik ergeben sich jedoch sehr wirksame luftgekühlte Härtungssysteme, typischerweise bis zu 12 W pro Quadratzentimeter. Zu den Vorteilen luftgekühlter Systeme zählen einfache Integration, geringes Gewicht, niedrigere Kosten und keine externen Kühlaggregate.

Die Maximierung der UV-LED-Ausgangsleistung ist entscheidend. Über gezielte Optik lässt sich die Energie der LEDs besser an Substrat oder Tinte abgeben. In integrierte Systeme fließen unterschiedliche Techniken ein, von Reflexion bis zu Licht, das mit Linsen fokussiert wird. Die Optik kann für bestimmte Leistungskriterien individuell angepasst werden. Der OEM (Endanwender) muss sich nicht unbedingt damit befassen, wie die Optik in der UV-LED-Lampe umgesetzt ist, sollte aber wissen, dass das Know-how der Lieferanten unterschiedlich ist und nicht alle UV-LED-Systeme gleich sind.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group, Inc., einem Ingenieurunternehmen, das auf Verfahren der sekundären Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Laserbeschriftung, Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung sowie Produktsicherheit. Sabreen entwickelt seit mehr als 30 Jahren wegweisende Technologien und löst Fertigungsprobleme. Sie erreichen ihn unter 972.820.6777 oder auf www.sabreen.com bzw. www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., gründete im Jahr 2000 SPF-Inc., um die Druck- und Verpackungsindustrie zu bedienen, mit dem Schwerpunkt, den Digitaldruck an neue Märkte und Anwendungen anzupassen. Als ausgebildeter Nanochemiker steht rund die Hälfte seiner 25 US-Patente im Zusammenhang mit dem Digitaldruck. Er ist Mitglied von SGIA, TAPPI und RadTech. Sie erreichen ihn unter [email protected].

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