Avances en la tecnología de curado UV LED para inyección de tinta

Avances en la tecnología de curado UV LED para inyección de tinta

La impresión digital por inyección de tinta UV sobre productos plásticos tridimensionales está «lista para el gran escenario». Los avances en la tecnología de curado UV LED superan muchos de los problemas de curado asociados con las lámparas tradicionales de vapor de mercurio.

Las lámparas UV LED son superiores para curar tintas UV de baja viscosidad sobre sustratos poliméricos y de uretano/hule no humectables y sensibles al calor. Sin embargo, no todos los LED se construyen igual ni exhiben las mismas características de desempeño. Este artículo es el primero de una serie que presenta los avances de proceso para la impresión industrial por inyección de tinta UV sobre plásticos.

Hasta hace poco, los UV LED enfrentaban barreras técnicas y económicas que impedían su amplia aceptación comercial. El alto costo y la disponibilidad limitada de los LED, la baja salida y eficiencia, y los problemas de gestión térmica, junto con la compatibilidad de la tinta, eran los factores limitantes que impedían la aceptación del mercado. Con los avances en la tecnología UV LED, el uso de UV LED para el curado es, sin duda, uno de los avances más significativos en la impresión por inyección de tinta sobre plásticos.

Puntos clave

• Tres desarrollos cerraron la brecha con el mercurio: tintas reformuladas, mayor potencia de las lámparas y lentes de enfoque que elevan la irradiancia pico.
• 395 nm suele ser la opción económica. Las longitudes de onda más largas entregan más energía por watt a menor costo por watt que 365 nm.
• El LED necesita una química diferente. Los fotoiniciadores deben ajustarse a la lámpara, lo que a su vez cambia los monómeros y oligómeros.
• El enfriamiento por agua conviene a densidades de potencia altas en áreas grandes; el enfriamiento por aire evita enfriadores y tuberías a costa del tamaño del cabezal.
• El encendido y apagado instantáneo es una ganancia de productividad, ya que la impresión digital suele ser de corridas cortas con paros frecuentes.

Fácil de operar y controlar, el curado UV LED tiene numerosas ventajas sobre las lámparas de vapor de mercurio (Hg). Los dispositivos semiconductores de perfil pequeño están diseñados para durar más de 20,000 horas de operación (unas 10 veces más) que las lámparas UV. La salida es sumamente constante durante periodos prolongados. El UV LED emite UV puro sin infrarrojo (IR), lo que lo hace amigable para el proceso con sustratos plásticos sensibles al calor. Véase la Tabla 1, UV LED frente a lámparas de vapor de mercurio.

Preguntas frecuentes

¿Qué longitud de onda de UV LED se debe especificar?

Normalmente 365 nm, 385 nm o 395 nm, según la aplicación y la selección de tinta. A medida que aumenta la longitud de onda, la potencia de salida y la eficiencia aumentan mientras que el costo por watt disminuye, por lo que 395 nm suele curar las formulaciones de forma más económica que 365 nm. Algunas químicas requieren longitudes de onda más cortas.

¿Por qué las tintas diseñadas para lámparas de mercurio no se pueden curar simplemente con LED?

Porque los fotoiniciadores se ajustan al espectro de emisión de la lámpara. El LED requiere fotoiniciadores diferentes, y cambiarlos exige monómeros y oligómeros distintos en la formulación. La tinta debe reformularse, no solo curarse de otra manera.

¿Qué hizo al UV LED competitivo frente a las lámparas de mercurio?

Tres cosas en conjunto. Los químicos aprendieron a reformular las tintas para ajustarlas a las lámparas; la potencia de las lámparas aumentó gracias a mejores diseños de diodos y a un enfriamiento más eficiente que permite un empaquetado más denso; y los lentes de los ensambles de lámpara enfocaron la potencia para elevar la irradiancia pico.

¿Enfriamiento por agua o por aire?

El enfriamiento por agua extrae el calor con gran eficiencia, conviene a densidades de potencia altas en áreas de curado grandes y mantiene compacto el cabezal LED para instalaciones reducidas, a costa de peso adicional, enfriadores y tuberías. El enfriamiento por aire evita esa complejidad cuando la carga térmica lo permite.

¿Qué ventaja práctica ofrece el encendido y apagado instantáneo?

Productividad e ingresos. La impresión digital suele ser de corridas cortas con paros frecuentes y, a diferencia de los focos de mercurio, que deben calentarse hasta alcanzar plena potencia, las lámparas LED se encienden y apagan de inmediato sin desperdicio por calentamiento.

Factores del desarrollo temprano del UV LED

Los focos LED y los de vapor de Hg tienen espectros de emisión diferentes. Los fotoiniciadores se ajustan a la lámpara, los monómeros, la velocidad y las aplicaciones. Para lograr un curado robusto, el LED requiere fotoiniciadores diferentes y, a su vez, monómeros y oligómeros distintos en las formulaciones.

Una de las áreas más analizadas de la tecnología UV LED es la potencia radiante máxima y la eficiencia producidas. El curado de la tinta requiere que se entregue energía concentrada a la tinta curable. Los focos de mercurio (Hg) normalmente tienen reflectores que enfocan los rayos para que la luz esté más concentrada en la superficie de la tinta. Esto eleva enormemente la potencia pico y anula cualquier reacción competidora. Las primeras lámparas LED no estaban enfocadas.

Se pueden lograr alta potencia y eficiencia con los sistemas LED al concentrar la energía radiante mediante óptica o encapsulado. Los sistemas de alta potencia utilizan arreglos agrupados de chips LED. La irradiancia es inversamente proporcional a la temperatura de unión del chip LED.

Mantener un chip más frío prolonga la vida, mejora la fiabilidad y aumenta la eficiencia y la salida. Los retos históricos de empaquetar los UV LED en arreglos se han resuelto y hay soluciones alternativas disponibles, según la aplicación. Gran parte del desarrollo y la adopción de la tecnología LED ha sido impulsada por la electrónica de consumo y las pantallas.

Desarrollos recientes significativos

• Primero, se han desarrollado cambios y materiales de formulación, y se ha compartido el vasto conocimiento. Muchos químicos ya saben cómo reformular las tintas para ajustarlas a las lámparas.
• Segundo, ha aumentado la potencia de las lámparas. Se han mejorado los diseños de diodos y el enfriamiento es más eficiente, por lo que los diodos se empaquetan más juntos. Eso, a su vez, eleva la potencia de la lámpara, medida en watts por unidad de área en la cara de la lámpara o, mejor aún, en el fluido.
• Tercero, los lentes de los ensambles de lámpara enfocan la potencia, por lo que la irradiancia pico es mayor. La combinación de estos desarrollos hace que el LED sea directamente competitivo, si no superior, a los focos de Hg en muchas aplicaciones.

Longitud de onda

Según la aplicación y la selección de tintas, las longitudes de onda ofrecidas normalmente incluyen 365 nm, 385 nm y 395 nm. Hay longitudes de onda mayores disponibles para químicas selectas. A medida que aumenta la longitud de onda, la potencia de salida, la eficiencia y los costos también escalan; por ejemplo, los LED de 365 nm proporcionan menos salida que los LED de 395 nm.

El desempeño del chip es mejor en longitudes de onda más largas, y el costo por watt de salida es menor y entrega más energía. La experiencia en aplicaciones sugiere que con frecuencia las soluciones de 395 nm pueden curar eficazmente las formulaciones de manera más económica que las alternativas de 365 nm. Sin embargo, en algunos casos se requieren 365 nm o longitudes de onda más cortas para lograr un curado robusto.

Soluciones de sistemas integrados

El curado LED complementa mejor la impresión digital por inyección de tinta. En cabezales de vaivén, los focos de Hg, calientes y pesados, requieren bastidores de escaneo masivos, lo cual no es necesario con LED. Las máquinas de cabezal fijo tienen los cabezales de impresión ensamblados en módulos e instalados en hileras traslapadas. La lámpara UV compacta y fría se acopla bien a un módulo de cabezal. Además, la impresión digital suele ser de corridas cortas con paros frecuentes, por lo que el encendido y apagado inmediato produce mayor productividad e ingresos.

Gestión térmica y óptica

Hay dos implementaciones de gestión térmica: enfriamiento por agua y por aire. El enfriamiento por agua es un método sumamente eficiente para extraer calor, particularmente en aplicaciones que requieren altas densidades de potencia en áreas de curado grandes. Con el enfriamiento por agua se pueden obtener temperaturas más bajas con mayor eficiencia y fiabilidad.

Una segunda ventaja del enfriamiento por agua es el tamaño compacto del cabezal UV LED, que permite la integración donde hay poco espacio alrededor del área de curado. Las desventajas de las soluciones de enfriamiento por agua son el mayor peso de la unidad de curado y la complejidad y los costos adicionales de los enfriadores y las tuberías de agua.

La segunda solución de gestión térmica es el enfriamiento por aire. El enfriamiento por aire es inherentemente menos eficaz que el agua para extraer calor. Sin embargo, mediante métodos mejorados de flujo de aire y óptica se obtienen sistemas de curado con enfriamiento por aire muy eficaces, normalmente de hasta 12 W por centímetro cuadrado. Los beneficios de los sistemas enfriados por aire incluyen facilidad de integración, bajo peso, menores costos y ausencia de enfriadores externos.

Maximizar la potencia de salida del UV LED es crítico. Mediante óptica selectiva, la energía de los LED se puede entregar mejor al sustrato o a la tinta. Los sistemas integrados incorporan distintas técnicas, desde la reflexión hasta la luz enfocada con lentes. La óptica puede personalizarse para cumplir criterios de desempeño específicos. Aunque el OEM (usuario final) no necesariamente debe preocuparse por cómo se proporciona la óptica en la lámpara UV LED, sí debe reconocer que la experiencia de los proveedores varía y que no todos los sistemas UV LED son iguales.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: marcado láser, pretratamiento de superficies, pegado, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen ha desarrollado tecnologías pioneras y resuelto problemas de manufactura durante más de 30 años. Puede contactarlo al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., fundó SPF-Inc. en 2000 para atender a las industrias de la impresión y el empaque, con enfoque en adaptar la impresión digital a nuevos mercados y aplicaciones. Nanoquímico de formación, cerca de la mitad de sus 25 patentes estadounidenses están relacionadas con la impresión digital. Es miembro de SGIA, TAPPI y RadTech. Puede contactarlo en [email protected].

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