התקדמות בטכנולוגיית ריפוי UV LED להזרקת דיו

התקדמות בטכנולוגיית ריפוי UV LED להזרקת דיו

הדפסת הזרקת דיו דיגיטלית בקרינת UV על מוצרי פלסטיק תלת-ממדיים "מוכנה לשידור חי". ההתקדמות בטכנולוגיית ריפוי UV LED פותרת בעיות ריפוי רבות הקשורות למנורות אדי כספית מסורתיות.

מנורות UV LED עדיפות לריפוי דיו UV בעל צמיגות נמוכה על מצעים פולימריים ומצעי אורתן/גומי שאינם ניתנים להרטבה ורגישים לחום. עם זאת, לא כל נורות ה-LED בנויות באותו אופן או מפגינות מאפייני ביצוע שווים. מאמר זה הוא הראשון בסדרה המציגה התקדמויות בתהליך הדפסת הזרקת דיו UV תעשייתית על פלסטיק.

עד לאחרונה, נורות UV LED התמודדו עם חסמים טכניים וכלכליים שמנעו קבלה מסחרית רחבה. עלות גבוהה וזמינות מוגבלת של נורות LED, הספק ויעילות נמוכים ובעיות ניהול תרמי, בשילוב עם תאימות דיו, היו גורמים מגבילים שמנעו קבלה בשוק. עם ההתקדמות בטכנולוגיית UV LED, השימוש ב-UV LED לריפוי הוא ללא ספק בין פריצות הדרך המשמעותיות ביותר בהדפסת הזרקת דיו על פלסטיק.

נקודות עיקריות

• שלוש התפתחויות סגרו את הפער מול כספית: דיו שנוסח מחדש, הספק מנורה גבוה יותר ועדשות מיקוד המעלות את עוצמת הקרינה בשיא.
• 395 nm הוא לעיתים קרובות הבחירה החסכונית. אורכי גל ארוכים יותר מספקים יותר אנרגיה לוואט בעלות נמוכה יותר לוואט מאשר 365 nm.
• LED דורש כימיה שונה. יש להתאים את יוזמי הפוטו למנורה, מה שמשנה בתורו את המונומרים והאוליגומרים.
• קירור במים מתאים לצפיפות הספק גבוהה על פני שטחים גדולים; קירור באוויר נמנע ממקררים וצנרת במחיר של גודל הראש.
• הדלקה וכיבוי מיידיים הם רווח פריון, מפני שהדפסה דיגיטלית היא לרוב בסדרות קצרות עם עצירות תכופות.

ריפוי UV LED קל להפעלה ולבקרה, ויש לו יתרונות רבים על פני מנורות אדי כספית (Hg). התקני מוליכים למחצה בעלי פרופיל קטן מתוכננים לחיות מעבר ל-20,000 שעות פעולה (פי 10 בערך) מאשר מנורות UV. הפלט עקבי ביותר לאורך תקופות ארוכות. UV LED פולט UV טהור ללא אינפרא-אדום (IR), מה שהופך אותו לידידותי לתהליך עם מצעי פלסטיק רגישים לחום. ראו טבלה 1, UV LED לעומת מנורות אדי כספית.

שאלות נפוצות

איזה אורך גל UV LED יש לציין?

בדרך כלל 365 nm, 385 nm או 395 nm, בהתאם ליישום ולבחירת הדיו. ככל שאורך הגל גדל, הספק הפלט והיעילות עולים והעלות לוואט יורדת, ולכן 395 nm מרפא לעיתים קרובות ניסוחים בצורה חסכונית יותר מ-365 nm. כימיות מסוימות דורשות אורכי גל קצרים יותר.

מדוע אי אפשר פשוט לרפא בעזרת LED דיו שנועד למנורות כספית?

מפני שיוזמי הפוטו מותאמים לספקטרום הפליטה של המנורה. LED דורש יוזמי פוטו שונים, ושינוי שלהם דורש מונומרים ואוליגומרים שונים בניסוח. יש לנסח מחדש את הדיו, ולא רק לרפא אותו מחדש.

מה הפך את UV LED לתחרותי מול מנורות כספית?

שלושה דברים יחד. כימאים למדו לנסח מחדש דיו כך שיתאים למנורות; הספק המנורות עלה בזכות תכנון דיודות משופר וקירור יעיל יותר המאפשר אריזה צפופה יותר; ועדשות במכלולי המנורות מיקדו את ההספק להעלאת עוצמת הקרינה בשיא.

קירור במים או קירור באוויר?

קירור במים מוציא חום ביעילות רבה, מתאים לצפיפויות הספק גבוהות על פני שטחי ריפוי גדולים, ושומר על ראש ה-LED קומפקטי להתקנות צפופות, במחיר של משקל נוסף, מקררים וצנרת. קירור באוויר נמנע מהמורכבות הזו במקום שבו העומס התרמי מאפשר זאת.

איזה יתרון מעשי מעניקים הדלקה וכיבוי מיידיים?

פריון והכנסות. הדפסה דיגיטלית היא לעיתים קרובות בסדרות קצרות עם עצירות תכופות, ובניגוד לנורות כספית שחייבות להתחמם להספק מלא, מנורות LED נדלקות ונכבות מיד ללא בזבוז זמן חימום.

גורמי פיתוח מוקדמים של UV LED

לנורות LED ולנורות אדי Hg יש ספקטרום פליטה שונה. יוזמי הפוטו מותאמים למנורה, למונומרים, למהירות וליישומים. כדי להשיג ריפוי יציב, LED דורש יוזמי פוטו שונים, ובתורם מונומרים ואוליגומרים שונים בניסוחים.

אחד התחומים הנבדקים ביותר בטכנולוגיית UV LED הוא ההספק הקורן המרבי והיעילות המופקים. ריפוי דיו מחייב שאנרגיה מרוכזת תסופק לדיו בר הריפוי. לנורות כספית Hg יש בדרך כלל מחזירים המרכזים את הקרניים כך שהאור מרוכז ביותר על פני הדיו. הדבר מעלה מאוד את ההספק בשיא ומבטל תגובות מתחרות. מנורות LED מוקדמות לא היו ממוקדות.

אפשר להשיג הספק ויעילות גבוהים במערכות LED באמצעות ריכוז האנרגיה הקורנת בעזרת אופטיקה ו/או אריזה. מערכות בהספק גבוה משתמשות במערכי קיבוץ של שבבי LED. עוצמת הקרינה הפוכה ביחס לטמפרטורת הצומת של שבב ה-LED.

שמירה על שבב קריר יותר מאריכה את החיים, משפרת את האמינות ומגדילה את היעילות והפלט. האתגרים ההיסטוריים באריזת UV LED במערכים נפתרו, וקיימים פתרונות חלופיים בהתאם ליישום. חלק ניכר מהפיתוח והאימוץ של טכנולוגיית LED הונע על ידי מוצרי אלקטרוניקה לצרכן ומסכים.

התפתחויות משמעותיות אחרונות

• ראשית, פותחו שינויי ניסוח וחומרים, והידע הרב שותף. כימאים רבים מבינים כיום כיצד לנסח מחדש דיו כך שיתאים למנורות.
• שנית, הספק המנורות עלה. תכנוני הדיודות שופרו והקירור יעיל יותר, ולכן הדיודות ארוזות בצפיפות רבה יותר. כך עולה הספק המנורה, הנמדד בוואט ליחידת שטח בפני המנורה, או טוב יותר, בנוזל.
• שלישית, עדשות במכלולי המנורות ממקדות את ההספק, ולכן עוצמת הקרינה בשיא גבוהה יותר. השילוב של התפתחויות אלה הופך את ה-LED לתחרותי ישירות, אם לא עדיף, על נורות Hg ביישומים רבים.

אורך גל

בהתאם ליישום ולבחירת הדיו, אורכי הגל המוצעים כוללים בדרך כלל 365nm, 385nm ו-395nm. אורכי גל גבוהים יותר זמינים לכימיות נבחרות. ככל שאורך הגל גדל, גם הספק הפלט, היעילות והעלויות גדלים, למשל, נורות LED של 365nm מספקות פחות פלט מנורות LED של 395nm.

ביצועי השבב טובים יותר באורכי גל ארוכים יותר, והעלות לוואט פלט נמוכה יותר תוך אספקת יותר אנרגיה. ניסיון היישומים מעיד שלעיתים קרובות פתרונות של 395nm יכולים לרפא ניסוחים בצורה יעילה וחסכונית יותר מחלופות של 365nm. עם זאת, במקרים מסוימים נדרשים 365nm או אורכי גל קצרים יותר כדי להשיג ריפוי יציב.

פתרונות מערכת משולבים

ריפוי LED משלים בצורה הטובה ביותר הדפסת הזרקת דיו דיגיטלית. בראשי הדפסה מתנועעים, נורות Hg חמות וכבדות דורשות מסגרות סריקה מסיביות, דבר שאינו נחוץ עם LED. במכונות בעלות ראשים קבועים, ראשי ההדפסה מורכבים במודולים ומותקנים בשורות חופפות. מנורת ה-UV הקומפקטית והקרירה משתלבת היטב כשהיא מחוברת למודול ראש. יתרה מכך, הדפסה דיגיטלית היא לרוב בסדרות קצרות עם עצירות תכופות, ולכן "הדלקה/כיבוי" מיידיים מניבים פריון והכנסות גבוהים יותר.

ניהול תרמי ואופטיקה

קיימים שני יישומים של ניהול תרמי: קירור במים וקירור באוויר. קירור במים הוא שיטה יעילה ביותר להוצאת חום, במיוחד ביישומים הדורשים צפיפויות הספק גבוהות על פני שטחי ריפוי גדולים. בקירור במים אפשר להשיג טמפרטורות נמוכות יותר ביעילות ובאמינות גבוהות יותר.

יתרון שני של קירור במים הוא גודלו הקומפקטי של ראש ה-UV LED, המאפשר שילוב היכן שהמקום סביב אזור הריפוי מוגבל. החסרונות של פתרונות קירור במים הם משקלה הכבד יותר של יחידת הריפוי והמורכבות והעלויות הנוספות של מקררים וצנרת מים.

פתרון הניהול התרמי השני הוא קירור באוויר. קירור באוויר יעיל מטבעו פחות ממים בהוצאת חום. עם זאת, שימוש בשיטות זרימת אוויר משופרות ובאופטיקה מניב מערכות ריפוי מקוררות אוויר יעילות מאוד, בדרך כלל עד 12W לסמ"ר. היתרונות של מערכות מקוררות אוויר כוללים קלות שילוב, משקל קל, עלויות נמוכות יותר ואי-צורך במקררים חיצוניים.

מיקסום הספק הפלט של UV LED הוא קריטי. באמצעות אופטיקה סלקטיבית אפשר להעביר טוב יותר את האנרגיה מנורות ה-LED אל המצע או אל הדיו. טכניקות שונות משולבות במערכות משולבות, החל מהחזרה ועד אור ממוקד באמצעות עדשות. אפשר להתאים אישית את האופטיקה כך שתעמוד בקריטריוני ביצוע ספציפיים. אף שה-OEM (משתמש הקצה) אינו צריך בהכרח להתעניין באופן שבו מסופקת האופטיקה במנורת ה-UV LED, עליו להכיר בכך שמומחיות הספקים משתנה, ולא כל מערכות ה-UV LED נוצרו שוות.

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת הנדסה המתמחה בתהליכי ייצור משני של פלסטיק: סימון בלייזר, טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור ואבטחת מוצרים. Sabreen מפתח טכנולוגיות חלוציות ופותר בעיות ייצור למעלה מ-30 שנים. ניתן ליצור עמו קשר בטלפון 972.820.6777 או באתרים www.sabreen.com ו-www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., ייסד את SPF-Inc. בשנת 2000 כדי לשרת את תעשיות ההדפסה והאריזה, תוך התמקדות בהתאמת הדפסה דיגיטלית לשווקים וליישומים חדשים. הוא ננו-כימאי במקצועו, וכמחצית מ-25 הפטנטים האמריקאיים שלו קשורים להדפסה דיגיטלית. הוא חבר ב-SGIA, ב-TAPPI וב-RadTech. ניתן ליצור עמו קשר בכתובת [email protected].

---