Postępy w technologii utwardzania UV LED w druku atramentowym

Postępy w technologii utwardzania UV LED w druku atramentowym

Cyfrowy druk atramentowy UV na trójwymiarowych wyrobach z tworzyw sztucznych jest „gotowy do wdrożenia”. Postępy w technologii utwardzania UV LED eliminują wiele problemów z utwardzaniem, związanych z tradycyjnymi lampami rtęciowymi.

Lampy UV LED są lepsze do utwardzania farb UV o niskiej lepkości na niezwilżalnych, wrażliwych na ciepło podłożach polimerowych oraz uretanowych/gumowych. Nie wszystkie diody LED są jednak zbudowane tak samo ani nie wykazują takich samych parametrów użytkowych. Artykuł jest pierwszym z serii przedstawiającej postępy procesowe w przemysłowym druku atramentowym UV na tworzywach sztucznych.

Do niedawna diody UV LED napotykały bariery techniczne i ekonomiczne, które uniemożliwiały szeroką akceptację komercyjną. Wysoki koszt i ograniczona dostępność diod LED, niska moc wyjściowa i sprawność oraz problemy z zarządzaniem ciepłem — w połączeniu ze zgodnością z farbą — były czynnikami ograniczającymi akceptację rynkową. Dzięki postępom w technologii UV LED wykorzystanie diod UV LED do utwardzania jest prawdopodobnie jednym z najważniejszych przełomów w druku atramentowym na tworzywach sztucznych.

Najważniejsze wnioski

• Trzy zmiany zniwelowały różnicę względem lamp rtęciowych — przeformułowane farby, większa moc lamp oraz soczewki skupiające zwiększające szczytowe natężenie napromienienia.
• Często ekonomicznym wyborem jest 395 nm. Większe długości fali dają więcej energii na wat przy niższym koszcie za wat niż 365 nm.
• LED wymaga innej chemii. Fotoinicjatory muszą być dopasowane do lampy, co z kolei zmienia monomery i oligomery.
• Chłodzenie wodne sprawdza się przy dużej gęstości mocy na dużych powierzchniach; chłodzenie powietrzem pozwala uniknąć agregatów chłodniczych i rurociągów kosztem rozmiaru głowicy.
• Natychmiastowe włączanie i wyłączanie zwiększa wydajność, ponieważ druk cyfrowy to często krótkie serie z częstymi przestojami.

Łatwe w obsłudze i kontroli utwardzanie UV LED ma liczne zalety w porównaniu z lampami rtęciowymi (Hg). Małogabarytowe urządzenia półprzewodnikowe projektuje się na czas pracy przekraczający 20 000 godzin (około 10 razy dłużej) niż lampy UV. Moc wyjściowa jest wyjątkowo stabilna przez długi czas. UV LED emituje czyste UV bez podczerwieni (IR), co czyni proces przyjaznym dla podłoży z tworzyw sztucznych wrażliwych na ciepło. Patrz tabela 1: UV LED a lampy rtęciowe.

Najczęściej zadawane pytania

Jaką długość fali UV LED należy określić?

Zazwyczaj 365 nm, 385 nm lub 395 nm, zależnie od zastosowania i doboru farby. Wraz ze wzrostem długości fali rosną moc wyjściowa i sprawność, a koszt za wat maleje, dlatego 395 nm często utwardza receptury bardziej ekonomicznie niż 365 nm. Dla niektórych chemii wymagane są krótsze długości fali.

Dlaczego istniejących farb do lamp rtęciowych nie można po prostu utwardzać diodami LED?

Ponieważ fotoinicjatory są dopasowane do widma emisji lampy. LED wymaga innych fotoinicjatorów, a ich zmiana wymaga innych monomerów i oligomerów w recepturze. Farbę trzeba przeformułować, a nie tylko utwardzić w inny sposób.

Co sprawiło, że UV LED stał się konkurencyjny wobec lamp rtęciowych?

Trzy czynniki łącznie. Chemicy nauczyli się przeformułowywać farby, aby dopasować je do lamp; moc lamp wzrosła dzięki ulepszonej konstrukcji diod i wydajniejszemu chłodzeniu, umożliwiającemu gęstsze upakowanie; a soczewki w zespołach lamp skupiają moc, zwiększając szczytowe natężenie napromienienia.

Chłodzenie wodne czy powietrzne?

Chłodzenie wodne odprowadza ciepło bardzo skutecznie, sprawdza się przy dużej gęstości mocy na dużych powierzchniach utwardzania i pozwala utrzymać zwartą głowicę LED w ciasnych instalacjach — kosztem większej masy, agregatów chłodniczych i rurociągów. Chłodzenie powietrzem pozwala uniknąć tej złożoności tam, gdzie obciążenie cieplne na to pozwala.

Jaką praktyczną korzyść daje natychmiastowe włączanie i wyłączanie?

Wydajność i przychody. Druk cyfrowy to często krótkie serie z częstymi przestojami, a w przeciwieństwie do żarówek rtęciowych, które muszą się rozgrzać do pełnej mocy, lampy LED włączają się i wyłączają natychmiast, bez strat na rozgrzewanie.

Czynniki wczesnego rozwoju UV LED

Diody LED i żarówki rtęciowe Hg mają różne widma emisji. Fotoinicjatory dopasowuje się do lampy, monomerów, prędkości i zastosowań. Aby uzyskać trwałe utwardzenie, LED wymaga innych fotoinicjatorów, a w konsekwencji innych monomerów i oligomerów w recepturach.

Jednym z najściślej analizowanych obszarów technologii UV LED jest maksymalna wytwarzana moc promieniowania i sprawność. Utwardzanie farby wymaga dostarczenia skoncentrowanej energii do utwardzalnej farby. Żarówki rtęciowe Hg mają zwykle reflektory skupiające promienie, tak aby światło było najbardziej skoncentrowane na powierzchni farby. Znacznie podnosi to moc szczytową i eliminuje konkurencyjne reakcje. Wczesne lampy LED nie były skupione.

Wysoką moc i sprawność można osiągnąć w systemach LED przez skoncentrowanie energii promieniowania za pomocą optyki lub obudowy. Systemy dużej mocy wykorzystują grupowanie matryc struktur LED. Natężenie napromienienia jest odwrotnie proporcjonalne do temperatury złącza struktury LED.

Utrzymywanie chłodniejszej struktury wydłuża żywotność, poprawia niezawodność oraz zwiększa sprawność i moc wyjściową. Dotychczasowe wyzwania związane z obudowywaniem diod UV LED w matryce zostały rozwiązane, a zależnie od zastosowania dostępne są alternatywne rozwiązania. Duża część rozwoju i upowszechnienia technologii LED wynikała z zapotrzebowania elektroniki użytkowej i wyświetlaczy.

Ostatnie istotne zmiany

• Po pierwsze, opracowano zmiany w recepturach i materiały, a rozległa wiedza została upowszechniona. Wielu chemików wie już, jak przeformułować farby, aby dopasować je do lamp.
• Po drugie, wzrosła moc lamp. Konstrukcje diod zostały ulepszone, a chłodzenie jest wydajniejsze, więc diody można upakować gęściej. To z kolei zwiększa moc lampy, mierzoną w watach na jednostkę powierzchni na czole lampy, a lepiej — na płynie.
• Po trzecie, soczewki w zespołach lamp skupiają moc, więc szczytowe natężenie napromienienia jest wyższe. Połączenie tych zmian sprawia, że LED jest bezpośrednio konkurencyjny wobec żarówek Hg, a w wielu zastosowaniach nawet je przewyższa.

Długość fali

Zależnie od zastosowania i doboru farb oferowane długości fali obejmują zwykle 365 nm, 385 nm i 395 nm. Większe długości fali są dostępne dla wybranych chemii. Wraz ze wzrostem długości fali rosną też moc wyjściowa, sprawność i koszty, np. diody LED 365 nm dają mniejszą moc wyjściową niż diody 395 nm.

Parametry struktury są lepsze przy większych długościach fali, a koszt za wat mocy wyjściowej jest niższy, przy jednoczesnym dostarczaniu większej ilości energii. Doświadczenie aplikacyjne wskazuje, że rozwiązania 395 nm mogą często skutecznie utwardzać receptury bardziej ekonomicznie niż alternatywy 365 nm. W niektórych przypadkach do uzyskania trwałego utwardzenia wymagane jest jednak 365 nm lub krótsze długości fali.

Zintegrowane rozwiązania systemowe

Utwardzanie LED najlepiej uzupełnia cyfrowy druk atramentowy. W głowicach posuwisto-zwrotnych gorące i ciężkie żarówki Hg wymagają masywnych ram układu skanującego, które przy LED są zbędne. W maszynach ze stałymi głowicami głowice drukujące montuje się w modułach i instaluje w zachodzących na siebie rzędach. Zwarta, chłodna lampa UV dobrze pasuje do zamocowania na module głowicy. Ponadto druk cyfrowy to często krótkie serie z częstymi przestojami, więc natychmiastowe „włączanie/wyłączanie” zwiększa wydajność i przychody.

Zarządzanie ciepłem i optyka

Zarządzanie ciepłem realizuje się na dwa sposoby: chłodzeniem wodnym i powietrznym. Chłodzenie wodne to wyjątkowo skuteczna metoda odprowadzania ciepła, zwłaszcza w zastosowaniach wymagających dużej gęstości mocy na dużych powierzchniach utwardzania. Dzięki chłodzeniu wodnemu można uzyskać niższe temperatury przy wyższej sprawności i niezawodności.

Drugą zaletą chłodzenia wodnego jest zwarty rozmiar głowicy UV LED, który umożliwia integrację tam, gdzie wokół obszaru utwardzania jest ograniczona przestrzeń. Wadami rozwiązań z chłodzeniem wodnym są większa masa jednostki utwardzającej oraz dodatkowa złożoność i koszty agregatów chłodniczych i rurociągów wodnych.

Drugim rozwiązaniem zarządzania ciepłem jest chłodzenie powietrzem. Chłodzenie powietrzem jest z natury mniej skuteczne w odprowadzaniu ciepła niż woda. Jednak dzięki ulepszonym metodom przepływu powietrza i optyce uzyskuje się bardzo skuteczne systemy utwardzania z chłodzeniem powietrznym, zazwyczaj do 12 W na centymetr kwadratowy. Zalety systemów chłodzonych powietrzem to łatwość integracji, niska masa, niższe koszty i brak zewnętrznych agregatów chłodniczych.

Maksymalizacja mocy wyjściowej UV LED ma kluczowe znaczenie. Dzięki selektywnej optyce energię z diod LED można lepiej dostarczać do podłoża lub farby. W zintegrowanych systemach stosuje się różne techniki, od odbicia po światło skupiane soczewkami. Optykę można dostosować do konkretnych kryteriów wydajności. Choć producent OEM (użytkownik końcowy) niekoniecznie musi interesować się tym, jak optyka jest zapewniona w lampie UV LED, powinien mieć świadomość, że wiedza dostawców jest zróżnicowana i nie wszystkie systemy UV LED są sobie równe.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc., firmy inżynieryjnej specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych — znakowaniu laserowym, obróbce wstępnej powierzchni, klejeniu, zdobieniu i wykańczaniu oraz bezpieczeństwie produktu. Sabreen opracowuje pionierskie technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne od ponad 30 lat. Można się z nim skontaktować pod numerem 972.820.6777 lub odwiedzając stronę www.sabreen.com albo www.plasticslasermarking.com.

Dr Dene Taylor założył w 2000 roku firmę SPF-Inc., obsługującą branże poligraficzną i opakowaniową, ze szczególnym naciskiem na dostosowywanie druku cyfrowego do nowych rynków i zastosowań. Z wykształcenia nanochemik, około połowa jego 25 patentów amerykańskich dotyczy druku cyfrowego. Jest członkiem SGIA, TAPPI i RadTech. Można się z nim skontaktować pod adresem [email protected].

---