Tiến bộ trong công nghệ đóng rắn UV LED cho in phun

Tiến bộ trong công nghệ đóng rắn UV LED cho in phun

In phun UV kỹ thuật số trên sản phẩm nhựa ba chiều đã “sẵn sàng cho thị trường”. Các tiến bộ trong công nghệ đóng rắn UV LED khắc phục nhiều vấn đề đóng rắn gắn liền với đèn hơi thủy ngân truyền thống.

Đèn UV LED ưu việt để đóng rắn mực UV độ nhớt thấp trên vật liệu nền polymer và urethane/cao su không thấm ướt, nhạy nhiệt. Tuy nhiên, không phải mọi LED đều được chế tạo giống nhau hay có đặc tính hiệu năng ngang nhau. Bài viết này là bài đầu tiên trong loạt bài trình bày các tiến bộ quy trình cho in phun UV công nghiệp trên nhựa.

Cho đến gần đây, UV LED gặp các rào cản kỹ thuật và kinh tế khiến chúng chưa được chấp nhận rộng rãi trên thị trường. Chi phí cao và nguồn cung LED hạn chế, công suất và hiệu suất thấp, cùng các vấn đề quản lý nhiệt, kết hợp với tính tương thích của mực, là các yếu tố hạn chế ngăn cản sự chấp nhận của thị trường. Nhờ các tiến bộ của công nghệ UV LED, việc sử dụng UV LED để đóng rắn có thể được xem là một trong những đột phá quan trọng nhất của in phun trên nhựa.

Điểm chính cần nhớ

• Ba tiến triển đã thu hẹp khoảng cách với thủy ngân: mực được pha chế lại, công suất đèn cao hơn và thấu kính giúp tăng cường độ chiếu đỉnh.
• 395 nm thường là lựa chọn kinh tế. Bước sóng dài hơn cung cấp nhiều năng lượng hơn trên mỗi watt với chi phí mỗi watt thấp hơn 365 nm.
• LED cần hóa học khác. Chất khơi mào quang phải phù hợp với đèn, và điều này lại làm thay đổi monomer và oligomer.
• Làm mát bằng nước phù hợp với mật độ công suất cao trên diện tích lớn; làm mát bằng không khí tránh được máy làm lạnh và đường ống nhưng đầu đèn lớn hơn.
• Bật/tắt tức thì giúp tăng năng suất, vì in kỹ thuật số thường là lô ngắn với nhiều lần dừng.

Dễ vận hành và kiểm soát, đóng rắn UV LED có nhiều ưu điểm so với đèn hơi thủy ngân (Hg). Các linh kiện bán dẫn nhỏ gọn được thiết kế để có tuổi thọ vận hành trên 20,000 giờ (dài hơn khoảng 10 lần) so với đèn UV. Đầu ra cực kỳ ổn định trong thời gian dài. UV LED phát ra UV thuần túy không có hồng ngoại (IR), thân thiện với quy trình đối với vật liệu nền nhựa nhạy nhiệt. Xem Bảng 1: UV LED so với đèn hơi thủy ngân.

Các câu hỏi thường gặp

Nên chỉ định bước sóng UV LED nào?

Thường là 365 nm, 385 nm hoặc 395 nm tùy ứng dụng và lựa chọn mực. Khi bước sóng tăng, công suất đầu ra và hiệu suất tăng trong khi chi phí mỗi watt giảm, nên 395 nm thường đóng rắn công thức kinh tế hơn 365 nm. Một số hóa học yêu cầu bước sóng ngắn hơn.

Vì sao không thể đơn giản dùng LED để đóng rắn mực của đèn thủy ngân hiện có?

Vì chất khơi mào quang được phối hợp với phổ phát xạ của đèn. LED cần các chất khơi mào quang khác, và thay đổi chúng đòi hỏi monomer và oligomer khác trong công thức. Mực phải được pha chế lại, chứ không chỉ đóng rắn lại.

Điều gì giúp UV LED cạnh tranh với đèn thủy ngân?

Ba yếu tố kết hợp. Các nhà hóa học đã học cách pha chế lại mực cho phù hợp với đèn; công suất đèn tăng nhờ thiết kế diode cải tiến và làm mát hiệu quả hơn cho phép xếp dày đặc hơn; và thấu kính trên cụm đèn tập trung công suất để tăng cường độ chiếu đỉnh.

Làm mát bằng nước hay bằng không khí?

Làm mát bằng nước tản nhiệt rất hiệu quả, phù hợp với mật độ công suất cao trên vùng đóng rắn lớn, và giữ đầu LED nhỏ gọn cho các vị trí lắp đặt chật hẹp, nhưng đổi lại là thêm trọng lượng, máy làm lạnh và đường ống. Làm mát bằng không khí tránh được sự phức tạp đó khi tải nhiệt cho phép.

Lợi ích thực tế của bật/tắt tức thì là gì?

Năng suất và doanh thu. In kỹ thuật số thường là lô ngắn với nhiều lần dừng, và không như bóng thủy ngân cần khởi động để đạt công suất tối đa, đèn LED bật và tắt ngay lập tức mà không lãng phí thời gian khởi động.

Các yếu tố phát triển ban đầu của UV LED

LED và bóng hơi Hg có phổ phát xạ khác nhau. Chất khơi mào quang được phối hợp với đèn, monomer, tốc độ và ứng dụng. Để đạt đóng rắn chắc chắn, LED cần các chất khơi mào quang khác, và do đó cần monomer và oligomer khác trong công thức.

Một trong những lĩnh vực được xem xét kỹ nhất của công nghệ UV LED là công suất bức xạ tối đa và hiệu suất tạo ra. Đóng rắn mực đòi hỏi năng lượng tập trung được truyền đến mực có thể đóng rắn. Bóng thủy ngân Hg thường có gương phản xạ tập trung tia sáng để ánh sáng tập trung nhất tại bề mặt mực. Điều này làm tăng mạnh công suất đỉnh và loại bỏ mọi phản ứng cạnh tranh. Các đèn LED ban đầu không được hội tụ.

Có thể đạt công suất và hiệu suất cao với hệ thống LED bằng cách tập trung năng lượng bức xạ thông qua quang học và/hoặc đóng gói. Các hệ thống công suất cao sử dụng các dãy nhóm chip LED. Cường độ chiếu tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tiếp giáp của chip LED.

Giữ chip mát hơn giúp kéo dài tuổi thọ, cải thiện độ tin cậy và tăng hiệu suất cũng như công suất đầu ra. Các thách thức trước đây khi đóng gói UV LED thành dãy đã được giải quyết, và có các giải pháp thay thế tùy theo ứng dụng. Phần lớn sự phát triển và áp dụng công nghệ LED được thúc đẩy bởi điện tử tiêu dùng và màn hình hiển thị.

Các tiến triển quan trọng gần đây

• Thứ nhất, các thay đổi về công thức và vật liệu đã được phát triển, và kiến thức phong phú đã được chia sẻ. Nhiều nhà hóa học hiện đã hiểu cách pha chế lại mực cho phù hợp với đèn.
• Thứ hai, công suất đèn đã tăng. Thiết kế diode được cải thiện, và làm mát hiệu quả hơn nên các diode được xếp sát nhau hơn. Điều đó làm tăng công suất đèn, đo bằng watt trên đơn vị diện tích tại mặt đèn, hoặc tốt hơn là tại lớp chất lỏng.
• Thứ ba, thấu kính trên cụm đèn tập trung công suất, nên cường độ chiếu đỉnh cao hơn. Sự kết hợp của các tiến triển này khiến LED cạnh tranh trực tiếp, nếu không muốn nói là vượt trội, so với bóng Hg trong nhiều ứng dụng.

Bước sóng

Tùy theo ứng dụng và lựa chọn mực, các bước sóng thường gồm 365nm, 385nm và 395nm. Bước sóng cao hơn có sẵn cho một số hóa học chọn lọc. Khi bước sóng tăng, công suất đầu ra, hiệu suất và chi phí cũng thay đổi theo, ví dụ LED 365nm cho công suất đầu ra thấp hơn LED 395nm.

Hiệu năng của chip tốt hơn ở bước sóng dài hơn, và chi phí trên mỗi watt đầu ra thấp hơn trong khi cung cấp nhiều năng lượng hơn. Lịch sử ứng dụng cho thấy các giải pháp 395nm thường có thể đóng rắn hiệu quả công thức với chi phí kinh tế hơn so với 365nm. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, cần 365nm hoặc bước sóng ngắn hơn để đạt đóng rắn chắc chắn.

Giải pháp hệ thống tích hợp

Đóng rắn LED bổ trợ tốt nhất cho in phun kỹ thuật số. Trên các đầu in chuyển động qua lại, bóng Hg nóng và nặng đòi hỏi khung hệ thống quét đồ sộ, điều không cần thiết với LED. Máy đầu in cố định có các đầu in lắp thành mô-đun và lắp đặt theo hàng chồng lấn. Đèn UV nhỏ gọn, mát phù hợp để gắn vào mô-đun đầu in. Hơn nữa, in kỹ thuật số thường là lô ngắn với nhiều lần dừng, nên “Bật/Tắt” tức thì mang lại năng suất và doanh thu cao hơn.

Quản lý nhiệt và quang học

Có hai cách triển khai quản lý nhiệt: làm mát bằng nước và bằng không khí. Làm mát bằng nước là phương pháp tản nhiệt cực kỳ hiệu quả, đặc biệt trong các ứng dụng cần mật độ công suất cao trên vùng đóng rắn lớn. Với làm mát bằng nước, có thể đạt nhiệt độ thấp hơn với hiệu suất và độ tin cậy cao hơn.

Ưu điểm thứ hai của làm mát bằng nước là kích thước đầu UV LED nhỏ gọn, cho phép tích hợp ở nơi có không gian hạn chế quanh vùng đóng rắn. Nhược điểm của giải pháp làm mát bằng nước là thiết bị đóng rắn nặng hơn cùng độ phức tạp và chi phí tăng thêm cho máy làm lạnh và đường ống nước.

Giải pháp quản lý nhiệt thứ hai là làm mát bằng không khí. Làm mát bằng không khí vốn kém hiệu quả hơn trong việc tản nhiệt so với nước. Tuy nhiên, sử dụng các phương pháp luồng khí tăng cường và quang học sẽ tạo ra hệ thống đóng rắn làm mát bằng không khí rất hiệu quả, thường lên tới 12W trên mỗi centimet vuông. Lợi ích của hệ thống làm mát bằng không khí gồm dễ tích hợp, trọng lượng nhẹ, chi phí thấp hơn và không cần máy làm lạnh bên ngoài.

Tối đa hóa công suất đầu ra của UV LED là điều then chốt. Thông qua quang học chọn lọc, năng lượng từ LED có thể được truyền đến vật liệu nền hoặc mực tốt hơn. Nhiều kỹ thuật khác nhau được tích hợp vào hệ thống, từ phản xạ đến hội tụ ánh sáng bằng thấu kính. Quang học có thể được tùy chỉnh để đáp ứng các tiêu chí hiệu năng cụ thể. Dù OEM (người dùng cuối) không nhất thiết phải quan tâm đến cách quang học được cung cấp trong đèn UV LED, họ nên nhận thức rằng chuyên môn của các nhà cung cấp khác nhau, và không phải mọi hệ thống UV LED đều được chế tạo như nhau.

Scott R. Sabreen là người sáng lập và chủ tịch của The Sabreen Group, Inc., công ty kỹ thuật chuyên về các quy trình sản xuất nhựa thứ cấp: khắc laser, tiền xử lý bề mặt, dán keo, trang trí & hoàn thiện bề mặt và bảo mật sản phẩm. Sabreen đã phát triển các công nghệ tiên phong và giải quyết các vấn đề sản xuất trong hơn 30 năm. Có thể liên hệ ông theo số 972.820.6777 hoặc truy cập www.sabreen.com hoặc www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., thành lập SPF-Inc. năm 2000 để phục vụ ngành in và bao bì, tập trung vào việc điều chỉnh in kỹ thuật số cho các thị trường và ứng dụng mới. Vốn là nhà hóa học nano, khoảng một nửa trong số 25 bằng sáng chế tại Hoa Kỳ của ông liên quan đến in kỹ thuật số. Ông là thành viên của SGIA, TAPPI và RadTech. Có thể liên hệ ông qua [email protected].

---