噴墨 UV LED 固化技術的進展

噴墨 UV LED 固化技術的進展

在三維塑膠產品上進行數位 UV 噴墨列印，已「準備好登上舞台」。UV LED 固化技術的進展，克服了傳統汞蒸氣燈相關的許多固化問題。

UV LED 燈在固化不易潤濕、對熱敏感的聚合物與聚胺酯／橡膠基材上的低黏度 UV 油墨時表現更優異。然而，並非所有 LED 的構造或性能特性都相同。本文是介紹塑膠工業 UV 噴墨列印製程進展的系列文章之首篇。

直到最近，UV LED 仍面臨技術與經濟上的障礙，使其無法被市場廣泛接受。LED 成本高且供應有限、輸出與效率偏低、散熱管理問題，再加上油墨相容性，這些都是阻礙市場接受的限制因素。隨著 UV LED 技術的進步，利用 UV LED 進行固化，可說是塑膠噴墨列印領域最重大的突破之一。

重點摘要

• 三項進展縮小了與汞燈的差距：重新配製的油墨、更高的燈具功率，以及可提高峰值輻照度的聚焦透鏡。
• 395 nm 往往是經濟的選擇。較長波長每瓦可提供更多能量，且每瓦成本低於 365 nm。
• LED 需要不同的化學配方。光起始劑必須與燈具相匹配，進而連帶改變單體與寡聚物。
• 水冷適合大面積、高功率密度的場合；氣冷則省去冷卻機與管路，但代價是光頭尺寸較大。
• 瞬間開關可提升生產力，因為數位列印常為小批量生產且頻繁停機。

UV LED 固化操作與控制簡便，相較於汞（Hg）蒸氣燈具有眾多優勢。小巧的半導體元件設計使用壽命可超過 20,000 小時（約為 UV 燈的 10 倍）。長時間輸出極為穩定。UV LED 發射純 UV 而不含紅外線（IR），對熱敏感的塑膠基材而言，製程更為友善。請參閱表 1：UV LED 與汞蒸氣燈的比較。

常見問題

應該指定哪種 UV LED 波長？

通常為 365 nm、385 nm 或 395 nm，視應用與油墨選擇而定。隨著波長增加，輸出功率與效率上升，每瓦成本則下降，因此 395 nm 往往能以比 365 nm 更經濟的方式固化配方。部分化學配方則需要較短的波長。

為什麼現有的汞燈用油墨不能直接用 LED 固化？

因為光起始劑是與燈具的發射光譜相匹配的。LED 需要不同的光起始劑，而更換光起始劑，配方中就需要不同的單體與寡聚物。必須重新配製油墨，而不僅是改用其他方式固化。

是什麼讓 UV LED 得以與汞燈競爭？

三項因素共同促成。化學家學會了如何重新配製油墨以匹配燈具；二極體設計改良、更高效的冷卻使排列更緊密，讓燈具功率提高；燈具組件上的透鏡將功率聚焦，提高了峰值輻照度。

應選水冷還是氣冷？

水冷散熱效率極高，適合大面積固化區域的高功率密度，並使 LED 光頭小巧，可用於空間狹窄的安裝環境，代價是增加重量、冷卻機與管路。在熱負載允許的情況下，氣冷可避免這些複雜性。

瞬間開關在實務上有什麼優勢？

提升生產力與營收。數位列印經常是小批量生產且頻繁停機，與必須預熱至全功率的汞燈不同，LED 燈可立即開關，沒有預熱造成的浪費。

UV LED 早期發展的影響因素

LED 與汞蒸氣燈泡的發射光譜不同。光起始劑是與燈具、單體、速度及應用相匹配的。為達到穩固的固化效果，LED 需要不同的光起始劑，進而需要配方中使用不同的單體與寡聚物。

UV LED 技術中最受檢視的領域之一，是所能產生的最大輻射功率與效率。油墨固化需要將集中的能量傳遞至可固化的油墨。汞燈泡通常配有反射罩，可將光線聚焦，使光在油墨表面最為集中。這大幅提高峰值功率，並排除任何競爭反應。早期的 LED 燈並未聚焦。

透過光學元件和／或封裝方式集中輻射能量，LED 系統可達到高功率與高效率。高功率系統採用成組排列的 LED 晶粒。輻照度與 LED 晶粒的接面溫度成反比。

保持較低的晶粒溫度可延長壽命、提高可靠性，並增加效率與輸出。將 UV LED 封裝成陣列的歷史性難題已獲解決，並可依應用提供替代方案。LED 技術的大部分開發與普及，是由消費性電子產品與顯示器所推動。

近期的重大進展

• 第一，配方的變更與材料已開發完成，大量知識也已共享。許多化學家如今瞭解如何重新配製油墨以匹配燈具。
• 第二，燈具功率已提高。二極體設計獲得改善，冷卻更加高效，因此二極體得以更緊密地排列。這進而提高了燈具功率，以燈面每單位面積的瓦數衡量，或更精確地說，以墨液處的功率衡量。
• 第三，燈具組件上的透鏡將功率聚焦，因此峰值輻照度更高。這些進展相結合，使 LED 在許多應用中可與汞燈泡直接競爭，甚至更勝一籌。

波長

依應用與油墨選擇，可用的波長通常包括 365 nm、385 nm 與 395 nm。特定化學配方另有更高波長可用。隨著波長增加，輸出功率、效率與成本也隨之成比例上升，例如 365 nm LED 的輸出低於 395 nm LED。

晶粒在較長波長下的表現較佳，且每瓦輸出的成本較低，同時提供更多能量。應用經驗顯示，395 nm 的解決方案往往能以比 365 nm 替代方案更經濟的方式，有效固化配方。然而，在某些情況下，需要 365 nm 或更短的波長，才能達到穩固的固化效果。

整合式系統解決方案

LED 固化與數位噴墨列印最為相得益彰。在往復式列印頭上，又熱又重的汞燈泡需要龐大的掃描系統框架，LED 則不需要。固定頭設備則將列印頭組裝成模組，並安裝為重疊排列。小巧又低溫的 UV 燈，可輕鬆安裝在列印頭模組上。此外，數位列印通常是小批量生產且頻繁停機，因此瞬間「開／關」可提升生產力與營收。

散熱管理與光學

散熱管理有兩種實作方式：水冷與氣冷。水冷是極為高效的排熱方式，尤其適用於大面積固化區域需要高功率密度的應用。採用水冷，可以更高的效率與可靠性獲得較低的溫度。

水冷的第二項優勢，是 UV LED 光頭尺寸小巧，可整合於固化區域周圍空間有限的場合。水冷方案的缺點，則是固化單元較重，且冷卻機與水管路增添了複雜性與成本。

第二種散熱管理方案是氣冷。氣冷在排熱方面本質上不如水冷有效。然而，藉由強化氣流方式與光學設計，可打造出高效的氣冷固化系統，通常可達每平方公分 12 W。氣冷系統的優點包括易於整合、重量輕、成本較低，且不需外部冷卻機。

最大化 UV LED 的輸出功率至關重要。透過選擇性光學元件，LED 的能量可更有效地傳遞至基材或油墨。整合式系統採用各種技術，從反射到使用透鏡聚焦光線不等。光學元件可客製化，以符合特定性能準則。雖然 OEM（終端使用者）不一定需要關心 UV LED 燈中光學元件的提供方式，但應瞭解各供應商的專業能力參差不齊，並非所有 UV LED 系統都是一樣的。

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁，該公司是專精於塑膠二次加工製程的工程公司，服務範圍包括雷射打標、表面前處理、黏接、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 開發開創性技術並解決製造問題已逾 30 年。歡迎來電 972.820.6777，或瀏覽 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 與其聯絡。

Dene Taylor 博士於 2000 年創立 SPF-Inc.，服務印刷與包裝產業，專注於讓數位列印適用於新市場與新應用。他本身受過奈米化學訓練，其約 25 項美國專利中，約有一半與數位列印相關。他是 SGIA、TAPPI 與 RadTech 的會員。歡迎透過 [email protected] 與他聯絡。

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