Ten artykuł na temat stanu zastosowań utwardzania UV LED został pierwotnie opublikowany na stronie internetowej UV+EB tutaj.
Lista opłacalnych zastosowań UV LED stale rośnie – podobnie jak liczba dostawców systemów, formulatorów i konstruktorów maszyn producentów oryginalnego sprzętu (OEM) obsługujących te zastosowania. Ten ciągły wzrost aktywności dobrze wróży teraźniejszości i przyszłości technologii UV LED. W rezultacie ci, którzy jeszcze nie badali jego przydatności do własnych potrzeb, mogą stwierdzić, że nadszedł czas, aby zacząć. Dla nowicjuszy, a także tych, którzy śledzą lub nawet korzystają z tej technologii od lat, ten artykuł ma na celu zapewnić wgląd w rosnącą przestrzeń rynkową UV LED i zaoferować ogólne wskazówki dotyczące dopasowania systemu utwardzania UV LED do potrzeb danego zastosowania.
Wyjście UV
Atramenty, powłoki, kleje i wytłoczki są formułowane tak, aby reagować na daną moc UV LED w określonych warunkach procesu. Dla każdego zastosowania i receptury istnieje okno procesowe UV, w którym można osiągnąć akceptowalne utwardzenie. To okno nie jest wąskie, ale istnieje optymalny zestaw długości fal, a także kombinacja minimalnego i maksymalnego natężenia napromieniowania oraz całkowitej gęstości energii, która zapewnia prawidłowe utwardzenie. Konsekwentne działanie w tym oknie lepiej zapewnia maksymalne prędkości przenoszenia materiału, nieklejącą się powierzchnię, głębokość utwardzania, migrację po utwardzeniu w ustalonych granicach, zoptymalizowaną wydajność produkcji, jakość produktu w czasie i optymalną trwałość produktu w zamierzonym zastosowaniu, a także inne pożądane kryteria wydajności.
Technologia UV LED sprawdza się dobrze, gdy moc UV jest odpowiednio dobrana do potrzeb aplikacji i połączona z odpowiednio opracowanym tuszem, powłoką, klejem lub wytłaczaniem. Niestety nie ma uniwersalnego systemu UV LED ani okna procesowego, które działałoby równie dobrze we wszystkich zastosowaniach na wszystkich rynkach i typach maszyn. Rozwiązanie UV LED i jego moc należy dobrać odpowiednio do receptury, ciężaru powłoki, środowiska zakładu lub sklepu oraz konfiguracji i szybkości systemu transportu materiału.
Zaletą technologii UV LED jest to, że dyskretny charakter diod LED pozwala na znacznie szerszą gamę projektów systemów utwardzania, które mogą lepiej odpowiadać potrzebom każdego unikalnego zastosowania. Umożliwia to dostosowanie zarówno kształtu głowicy lampy, jak i mocy UV do odpowiednich rynków i zastosowań, co skutkuje znacznie wydajniejszymi i ekonomicznymi rozwiązaniami w zakresie utwardzania UV LED w porównaniu z konwencjonalną technologią utwardzania. W konsekwencji oznacza to również, że istnieją duże różnice w skuteczności utwardzania wśród ofert dostawców dostępnych na rynku, ponieważ nieodłączne projekty mogą być bardzo, bardzo różne, a różnice te nie zawsze są oczywiste dla producentów OEM i użytkowników końcowych.
Ewolucja aplikacji
Cyfrowe druki atramentowe UV, przypinanie i pełne utwardzanie zarówno w karetkach skanujących, jak i wąskich jednoprzebiegowych drukarkach, sitodruk i kleje wiążące utwardzane punktowo stosowane przy montażu produktów były pierwszymi zastosowaniami, w których zastosowano utwardzanie UV LED od połowy do końca XXI wieku. Wspólną cechą tych wczesnych zastosowań były niższe prędkości linii i dłuższe czasy przetwarzania części. Chociaż natężenie napromienienia (w watach/cm2) emitowane przez pojedynczy system UV LED w tych wczesnych latach było niskie, możliwe było zapewnienie wystarczającego natężenia promieniowania poprzez zamontowanie głowicy lampy w odległości od 10 do 15 mm (0,4–0,6 cala) od powierzchni utwardzania. W przypadku gęstości energii rozwiązaniem były dłuższe okresy ekspozycji w instalacjach statycznych i wielokrotne przejścia w instalacjach dynamicznych.
Wczesne zastosowania diod UV LED wymagały lamp o długości zwykle mniejszej niż 450 mm (17,7 cala). W połączeniu z faktem, że wiele zastosowań wymagało tylko jednej lub dwóch lamp do szybkiego utwardzania, całkowita inwestycja komercyjna była znacznie mniejsza niż w przypadku systemów potrzebnych dla szerszych, szybkich pras komercyjnych, które wymagały wielu lamp i szerszych lamp. Wszystkie te czynniki były kluczowe, ponieważ wczesne systemy UV LED nie były zbyt wydajne i często były droższe niż opcje konwencjonalne.
W ciągu ostatnich 20 lat technologia UV LED uległa znacznej poprawie pod względem wydajności, niezawodności, trwałości, wydajności i długości. W rzeczywistości głowice lamp jednoprzęsłowych są obecnie dostępne w długościach do 2 metrów (78 cali), a żywotność lampy często przekracza 40 000 godzin. Ponadto wiele receptur jest obecnie zoptymalizowanych specjalnie pod kątem wydruku UV LED. Rynek lepiej radzi sobie również z dopasowaniem systemu UV LED do potrzeb okna procesowego, a ceny zarówno sprzętu, jak i receptur uległy poprawie ze względu na korzyści skali i większą konkurencję w całym łańcuchu dostaw. Pozwoliło to technologii utwardzania UV LED wyjść poza cyfrowe drukarki atramentowe UV, utwardzanie punktowe i sitodruk na bardziej wymagające, szybsze i szersze zastosowania komercyjne – zarówno analogowe, jak i cyfrowe. Obejmuje to offset arkuszowy i zwojowy (zdjęcie 1), offset suchy, fleksografię, powlekanie i wykańczanie drewna oraz powlekanie światłowodami.
Tabela 1 przedstawia obszary, w których technologia UV LED jest obecnie coraz częściej stosowana – aczkolwiek na różnym poziomie penetracji rynku i niekoniecznie dla wszystkich zastosowań w każdym segmencie rynku – ale z biegiem czasu będzie ona nadal udoskonalana. Aby umożliwić realizację wielu różnorodnych procesów drukowania, powlekania i klejenia, potrzebne są różne konstrukcje lamp UV LED, a także receptury dostosowane do konkretnego zastosowania. W rezultacie ważne jest, aby w przypadku każdego zastosowania istniała silna relacja robocza między wszystkimi stronami – dostawcą systemu utwardzania UV LED, formulatorem, konstruktorem maszyn OEM, integratorem i użytkownikiem końcowym. We wszystkich przypadkach realne rozwiązanie UV LED można uzyskać metodą prób i błędów oraz optymalizacji procesu, pod warunkiem, że istnieje realna formuła. Wszystko sprowadza się do identyfikacji zmiennych procesowych i dopasowania systemu UV LED do zastosowania, receptury i sprzętu do transportu materiałów.
Dopasowanie systemów UV LED do zastosowań utwardzania UV LED, formułowania i sprzętu do transportu materiałów
Wybór systemów utwardzania UV LED i dostawców stale rośnie. Wszystkie charakteryzują się bardzo podobnymi cechami produktu i korzyściami operacyjnymi, a najbardziej oczywistymi wyróżnikami są szczytowe natężenie promieniowania, metoda chłodzenia, kształt lampy i integracja systemu. Niestety, sama wiedza na ten temat jest niewystarczająca, aby dopasować systemy utwardzania UV LED do danego zastosowania. Arkusze specyfikacji technicznych rzadko zawierają wyjaśnienia, dlaczego produkt(y) najlepiej nadają się do danego zastosowania i rzadko odnoszą się do nominalnej mocy wejściowej i gęstości energii przy danej prędkości wstęgi, arkusza lub części. Dobierając system utwardzania UV LED, należy wziąć pod uwagę następujące ogólne wytyczne.
Ostateczne właściwości utwardzania
Należy określić pożądane właściwości mechaniczne, chemiczne, funkcjonalne i estetyczne końcowego utwardzania, a także zamierzone zastosowanie produktu, co ma zasadnicze znaczenie dla określenia składu chemicznego preparatu i ostatecznie tego, czy obecnie możliwe jest rozwiązanie utwardzane promieniami UV LED. Na przykład tusze, lakiery i kleje syropowe wolnorodnikowe zazwyczaj dobrze utwardzają się za pomocą diod LED i spełniają większość wymagań dotyczących druku graficznego. Jednakże środki uwalniające silikon, topliwe w promieniach UV i twarde powłoki przemysłowe są nadal w fazie rozwoju i jeszcze wiele lat dzielą ich od komercyjnej dostępności na szeroką skalę.
Długość fali
Komercyjne długości fal utwardzania obejmują obecnie 365, 385, 395 i 405 nm. W przypadku większości zastosowań atramentowych preferowaną długością fali jest 395 nm, natomiast w mniejszym stopniu długości fali 365 i 385 nm. Kleje strukturalne zazwyczaj najlepiej sprawdzają się przy długości fali 365 lub 405 nm, w zależności od składu, ale utwardzają się również w podobny sposób przy długości fali 385 lub 395 nm. Lakiery nadrukowe zwykle dopasowują się do długości fali atramentu wynoszącej 395 nm, a jeśli chodzi o powłoki przemysłowe – zarówno funkcjonalne, jak i twarde – nie ma konsensusu, ponieważ prace nad nimi wciąż trwają.
Okno napromieniowania
Skład chemiczny preparatu musi zostać utwardzony przy minimalnym i maksymalnym szczytowym natężeniu napromieniowania (waty/cm2). Praca poniżej minimalnego natężenia promieniowania spowoduje niewystarczające utwardzenie. Zwiększanie natężenia napromienienia powyżej wartości maksymalnej niekoniecznie daje lepsze rezultaty niż utwardzanie w ustalonym oknie natężenia napromienienia, pod warunkiem, że lampa emituje wystarczającą gęstość energii. Niestety nie ma uniwersalnego natężenia promieniowania, które spełniałoby potrzeby wszystkich preparatów. Każde zastosowanie rynkowe jest inne, a optymalne natężenie promieniowania emitowanego w oknie waha się od kilkuset mW/cm2 do, a nawet powyżej 30 W/cm2. Jednakże ważniejsze niż emitowane natężenie promieniowania jest rzeczywiste natężenie promieniowania dostarczane na powierzchnię utwardzania podłoża, gdyż natężenie napromienienia maleje wraz z kwadratem przebytej odległości. Ponieważ wat to dżul/sekundę, natężenie promieniowania można zapisać jako dżul/sekundę/cm2 i jest to szybkość, z jaką energia ultrafioletowa jest emitowana z głowicy lampy UV LED. Należy zauważyć, że gdy napromieniowanie nasyci zdolność chemikaliów do pochłaniania długości fal ultrafioletowych, nadmiar napromieniowania przekształca się w energię cieplną na powierzchni utwardzania.
Okno gęstości energii
Receptura i prędkość linii produkcyjnej określają gęstość energii (dżule/cm2) potrzebną do pełnego przereagowania substancji chemicznej. Większa gęstość energii skutkuje lepszym całkowitym utwardzeniem, pozwala na większą prędkość linii, a czasami umożliwia niższe szczytowe natężenie napromienienia. Nie wszystkie systemy UV LED emitujące to samo szczytowe natężenie promieniowania zapewniają tę samą gęstość energii. Gęstość energii można zwiększyć, stosując lampę, która z założenia emituje większą gęstość energii, stosując kombinację wielu lamp, spowalniając prędkość linii lub wydłużając czas naświetlania. Więcej informacji na temat gęstości energii i jej wpływu na utwardzanie promieniami UV można znaleźć na naszej stronie poświęconej nauce dotyczącej utwardzania promieniami UV.
Odległość robocza
Definiuje się to jako przesunięcie pomiędzy oknem emitującym UV LED a powierzchnią utwardzania. Należy go określić dla zastosowania i konfiguracji maszyny, ponieważ natężenie promieniowania szybko maleje wraz z odległością. Aby uwzględnić większe odległości robocze, należy rozważyć mocniejsze lampy (albo większe natężenie promieniowania, większą gęstość energii, albo jedno i drugie) albo rozwiązanie LED zawierające optykę lub reflektory w celu zatrzymania lub kolimacji długości fal UV na określonej odległości.
Mechanizm chłodzący
Środowisko zakładu, preferencje producenta OEM lub użytkownika końcowego oraz konstrukcja systemu UV LED decydują o tym, czy mechanizm chłodzenia wykorzystuje wymuszone powietrze, czy wodę obiegową. Nie wszystkie produkty UV LED są dostępne w wersjach chłodzonych powietrzem, a systemy o większej mocy są zazwyczaj chłodzone wodą. Chłodzenie powietrzem może być dodatnie, gdy powietrze jest wtłaczane do głowicy lampy i usuwane do środowiska prasy, lub ujemne, gdy powietrze jest wciągane przez głowicę lampy ze środowiska prasy i odprowadzane kanałami. Ponieważ systemy UV LED nie emitują ozonu, nie ma konieczności odprowadzania powietrza chłodzącego na zewnątrz obiektu.
Przestrzeń montażowa
Miejsce montażu i konfiguracja maszyny określają dopuszczalną przestrzeń dla głowicy UV LED. Systemy chłodzone wodą są na ogół bardziej kompaktowe niż systemy chłodzone powietrzem, które wymagają minimalnego odstępu wokół wlotów i wylotów powietrza, aby zapewnić odpowiednią cyrkulację i odprowadzanie ciepła.
Optyka i ekranowanie
Bliskość lampy i jej orientacja w stosunku do niepożądanych powierzchni utwardzania wpływa na zastosowanie optyki i ekranowania. Należy zachować ostrożność, aby promienie UV nie docierały do głowic druku cyfrowego, pojemników z tuszem i powłoką oraz materiałów wrażliwych na ciepło. Ponadto całe światło powinno być osłonięte przed bezpośrednim wzrokiem operatora.
Drastyczny profil części
Zastosowania przemysłowe z drastycznymi profilami powierzchni części, powierzchniami utwardzanymi lub liniami produkcyjnymi, które wymagają montażu lamp LED w większych odległościach (kilka cali lub więcej) oraz zapotrzebowanie na niezwykle twarde, zarysowania i chemicznie odporne powłoki nawierzchniowe UV LED nadal stanowią pewne wyzwanie i należy je rozważyć w najbliższej przyszłości.
Niedawno presja regulacyjna mająca na celu znalezienie alternatyw dla lamp rtęciowych, inicjatywy na rzecz zrównoważonego rozwoju i światowy kryzys energetyczny powodują szybsze przyjęcie systemów utwardzania UV LED i przodują w innowacjach w zakresie formuł chemicznych. Mimo ciągłego rozwoju, technologia utwardzania UV LED staje się preferowanym źródłem promieniowania UV w coraz większej liczbie zastosowań. Pomimo braku możliwości stosowania zamiennie tego samego systemu w różnych zastosowaniach i typach maszyn, istnieją zestawy rozwiązań UV LED, które spełniają potrzeby wielu zastosowań. Chociaż producenci OEM mogą domyślnie stosować sprawdzone urządzenie do utwardzania LED w nowych i modernizowanych maszynach, zawsze zaleca się, aby użytkownicy końcowi potwierdzili poprzez testy lub odniesienie do poprzednich instalacji, że właściwy system został dopasowany do konkretnych potrzeb procesu. Postępuj zgodnie ze wskazówkami zawartymi w tym artykule i ściśle współpracuj z dostawcą systemów utwardzania UV LED, formulatorami, konstruktorami maszyn OEM, integratorami i użytkownikami końcowymi, aby zapewnić większy ogólny sukces utwardzania UV LED.
