Entwicklung von UV-LED-Härtungsprozessen für Verarbeitungsprozesse

Dies sind die häufigsten Fragen, die wir von Prozessentwicklern und Konstrukteuren, die die traditionelle UV-Härtungstechnologie bereits kennen und die UV-LED-Härtung für ihre Breitbahnverarbeitungsprozesse wie Laminierklebstoffe (Film-zu-Film, Film-zu-Papier) und Film-zu-Folie), Hydrogele (transdermale Pflaster usw.), Nanoimprint-Lithographie usw. nutzen wollen, gestellt bekommen.

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A. Zwischen 5 mm und 30 mm. Es ist sinnvoll, die UV-LED-Härtungseinheiten in der Nähe des Bahnmaterials zu platzieren, um eine maximale Energiedichte auf dem Substrat und somit eine höhere Anlagengeschwindigkeit zu erreichen. Bei kürzeren Abständen von 5 bis 10 mm, die üblicherweise bei Druckanwendungen verwendet werden, ist die Gleichmäßigkeit über die Bahnbreite jedoch gering. Außerdem könnte das UV-Emissionsfenster (und das Produkt) beschädigt werden, wenn die Einheit mit dem Bahnmaterial in Kontakt kommt und auch die Wahrscheinlichkeit, dass das Emissionsfenster mit Verschmutzungen oder Klebstoff kontaminiert wird, ist höher. Die Mikrooptiken in Semray UV-LED-Härtungssystemen ermöglichen Arbeitsabstände von 20 bis 30 mm und gewährleisten die Gleichmäßigkeit über die gesamte Bahnbreite, ohne dass die Energiedichte erheblich verringert wird.

A. Laminierklebstoffe (Film-zu-Film, Film-zu-Folie und Film-zu-Papier), Haftklebstoffe und Hydrogele (transdermale Pflaster usw.) oder Prozesse, bei denen die UV-Leistung auf einer Seite eines Substrats hindurchtreten kann, wie zum Beispiel bei einer transparenten Folie, um die darunter liegenden Chemikalien zu erreichen oder Muster (Nanoimprint-Lithographie) auf der Folie zu erzeugen. Die monochromatische Wellenlängenausgabe der UV-LED (365 nm oder 38 5nm) ist vergleichbar mit der von UV-Härtungslampen mit Eisenadditiv. Daher können die Chemikalien, die für diese Additivlampen geeignet sind, wahrscheinlich (evtl. nach einer leichten Neuformulierung) verwendet werden.

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A. Nein, UV-LEDs können auch bei Linien mit einer Breite von bis zu 230 cm verwendet werden. Die Hersteller von UV-LED-Härtungssystemen stellen entweder eine Reihe in der benötigten Länge her oder kombinieren kleinere Reihen in einem System, das die gesamte Breite überbrückt. In die modulare Plug-and-Play UV-LED-Härtungsplattform von Semray wurden beispielsweise 7 cm breite Segmente in ein Gehäuse bzw. eine Backplane eingebaut. Die Backplane enthält die Leistung und die Steuerelemente und hat genügend Segmente, um eine 230 cm breite Verarbeitungslinie zu überspannen.

Vergleich der UV-LED-Gleichmäßigkeit

A. Die Gleichmäßigkeit über die Bahnbreite hängt von der gewählten speziellen Ausrüstung ab, aber im Allgemeinen ist die Gleichmäßigkeit bei UV-LEDs umso besser, je weiter sie vom Substrat entfernt sind. Wenn sie zu nahe am Substat positioniert sind, entstehen eher heiße Stellen. In den meisten Verarbeitungslinien sind die UV-LEDs 10 bis 30 mm von der Bahn entfernt platziert. Wenn jedoch keine spezielle optische Steuerung verwendet wird, ist die UV-Energiedichte deutlich geringer, was die Liniengeschwindigkeit verringert. Die Mikrooptiken in Semray UV-LED-Härtungssystemen gewährleisten die Gleichmäßigkeit über die gesamte Bahnbreite, ohne dass die Energiedichte erheblich verringert wird. Jedes Segment (bestehend aus 3 Kanälen) wird vor dem Versand mit einer Genauigkeit von +/- 2% kalibriert (was innerhalb der Messtoleranz der meisten UV-Meter liegt). Mit dieser Kalibrierung können wir innerhalb eines großen Systems eine Gleichmäßigkeit von +/- 5% erreichen.

A. Beim Vergleich von herkömmlichen UV-Lampen mit UV-LED-Systemen besteht viel Durcheinander, vor allem weil die verwendete Terminologie inkonsistent ist oder sich überschneidet. Insbesondere bei der UV-LED-Härtung können die Gerätespezifikationen von Hersteller zu Hersteller variieren. Das sind eigentlich zwei Fragen, also beantworten wir sie nacheinander:

1. Leistungsanforderungen von UV-Lampen beschreiben die elektrische Eingangsleistung,die diese Lampe benötigt. Diese wird in Watt oder W/Zoll angegeben. Bei herkömmlichen Lampen, bei denen das UV-Licht mit einem Quarzkolben erzeugt wird, wird die Eingangsleistung in W/Zoll angegeben. Um die zum Betrieb der Lampe erforderliche elektrische Gesamtleistung zu berechnen, multiplizieren Sie einfach die Eingangsleistung mit der Länge des Kolbens in Zoll (30 Zoll x 600 W/Zoll = 18.000 Watt). Die Leistung wird auf diese Weise bezeichnet, um den Vergleich von Lampen unterschiedlicher Länge zu erleichtern.

Bei UV-LED-Härtungseinheiten kann diese W/Zoll-Angabe nicht für die Eingangsleistung verwendet werden, da sie keine langen Kolben haben. Stattdessen haben UV-LED-Härtungslampen viele extrem kleine LED-Dioden, die in mehreren Reihen (was als Array bezeichnet wird) dicht zusammengepackt sind, sodass nur die Wattzahl zur Angabe der Eingangsleistung verwendet wird. Typischerweise wird die Größe der UV-LED-Lampe anhand der Abmessungen des Emissionsfensters (das Quarzfenster, das die Dioden von der Umgebungsluft trennt) bestimmt und in Länge und Breite angegeben.

In beiden Fällen gilt diese Eingangsleistung nur für die Lampe oder das Array und gibt nicht die gesamte elektrische Leistung an, die zum Betrieb des Härtungssystems erforderlich ist. Einige Hersteller von Härtungssystemen geben zwar den Gesamtstromverbrauch an, aber oft nur in Watt.

2. Die UV-Leistung einer Lampe wird als Bestrahlungsstärke (manchmal auch als Intensität) bezeichnet und beschreibt die höchste UV-Leistung, die in einem bestimmten Abstand zur Lampe gemessen wird, was diese Angabe zu einem sehr praktischen Wert für den Endbenutzer macht. Bei herkömmlichen Systemen mit elliptischen Reflektoren wird die Spitzenbestrahlungsstärke wenige Zentimeter vom Kolben entfernt gemessen. Bei UV-LED-Systemen wird die von den meisten Herstellern angegebene Bestrahlungsstärke direkt an der Fläche des Emissionsfensters gemessen. In beiden Fällen wird diese Bestrahlungsstärke in Watt pro Quadratzoll (W/in2) oder häufiger als Watt pro Quadratzentimeter (W/cm2) angegeben.

Die beiden wichtigsten Werte für die Härtung sind die Spitzenbestrahlungsstärke (W/cm2) und die Gesamtenergie (J/cm 2), die auch als Dosis bezeichnet wird, was die Belichtungszeit berücksichtigt. Für bestimmte Härtungsprozesse müssen diese Messungen am Substrat und nicht am Emissionsfenster des UV-LED-Härtungssystems vorgenommen werden. Die Endbenutzer sollten die Radiometriemessungen selbst durchführen und dabei ein Radiometriemessgerät für die UV-LED-Härtung verwenden, um die Härtungsparameter für ihren Prozess zu bestimmen. Weitere Informationen zum korrekten Messen der Leistung von UV-LEDs finden Sie in folgendem Technical Paper: Comparing traditional UV to UV LED .

A. Ja, wenn sich der derzeitige Trend fortsetzt – die UV-Leistung steigt jährlich um 12% – könnte die Verwendung der UV-LED-Härtung aktuell riskant erscheinen. Einige Hersteller von UV-LEDs bieten jedoch modulare Systeme an, die ein Upgrade auf neue Module ermöglichen, ohne dass das gesamte System ausgetauscht werden muss. Dies ist ein erheblicher Kostenvorteil. Bei den Semray UV-LED-Härtungsmodulen können die LED-Arrays beispielsweise in Zukunft mit Arrays der neuesten Technologie oder mit unterschiedlichen Wellenlängen nachgerüstet werden, wenn sich die Prozessanforderungen ändern – ohne dass noch weitere Komponenten geändert werden müssen. Weitere Informationen zu „ zukunftssicheren UV-LED-Prozessen “.

A. UV-LEDs erzeugen keine Infrarotwärme und arbeiten mit 1/10 der Temperatur herkömmlicher UV-Härtungslampen. Wie viel weniger Wärme Ihr Substrat erreicht, hängt von vielen Faktoren ab, z. B. von der Farbe des Substrats und der UV-Formulierung (dunkle Farben nehmen mehr Wärme auf), ob Sie Kühlwalzen verwenden, der Geschwindigkeit Ihrer Anlage und der Entfernung des UV-Lampen vom Substrat. Im Allgemeinen kann am besten anhand von Labortests festgestellt werden, ob ein wärmeempfindliches Substrat nun mit UV-LEDs gehärtet werden kann.

A. Ja, UV-LEDs halten über 20.000 Stunden, aber wie alle UV-Härtungslampen nimmt ihre Leistung mit der Zeit ab, allerdings wesentlich langsamer als bei herkömmlichen UV-Härtungslampen. Die Nutzungsdauer ist ein wesentlich aussagekräftigeres Maß dafür, wie lange eine UV-LED ausreichend Leistung für Ihren Härtungsprozess liefert. Leider gibt es keinen Industriestandard, der die Testbedingungen und die prozentuale Reduzierung der Leistungsabgabe angibt, um die Nutzungsdauer zu quantifizieren.

Bezüglich des Ausfallmechanismus: Wenn einzelne LED-Chips versagen, passen sich die umgebenden LEDs im Array von selbst an, um die Leistung zu kompensieren, sodass eine konsistente Leistung gewährleistet ist. Natürlich kommt irgendwann der Punkt, an dem das Array komplett ersetzt werden muss, entweder weil keine Härtung mehr möglich ist (zu geringe Leistung) oder weil die Betriebstemperaturen zu hoch ansteigen, wodurch das System abgeschaltet wird. Das Semray UV-LED-System lässt sich ganz einfach austauschen: Entfernen Sie ein Segment (Modul) einfach über die Schnellsteckverbindung und setzen Sie das Ersatzteil ein. So entstehen nur äußerst geringe Ausfallzeiten. In der Zwischenzeit können Sie das Segment zurücksenden, um die Kanäle (Arrays) austauschen zu lassen.

A. Ja, es gibt viele Möglichkeiten, Tests mit UV-LED-Härtungssystemen durchzuführen. Wir empfehlen, mit Labortests zu beginnen, sodass Sie die ersten Machbarkeitstests ohne großen Aufwand durchführen können. Chemikalienhersteller, Hersteller von UV-LED-Härtungssystemen und Lohnbeschichter können in der Regel Tests mit Tisch- oder Bodenförderern und Ihren vorgeschlagenen Substraten und Formulierungen durchführen. Noblelight bietet beispielsweise kostenlose UV-LED-Härtungstest in seinen Test Zentren an. Dort arbeiten Anwendungstechniker und Chemiker, die Tests zur Bestimmung der UV-LED-Härtungsparameter, zur Überprüfung und Quantifizierung der Endeigenschaften und der Anforderungen an das UV-LED-System durchführen. Heraeus Noblelight vermietet auch Semray UV-LED-Härtungssysteme, obwohl viele UV-Formulierer bereits Semray-Systeme in ihren Laboren verwenden.

Wenn Sie sich erst einmal mit eigenen Augen davon überzeugt haben, dass die UV-LED-Härtung im Labor funktioniert, werden Sie wahrscheinlich Unterstützung benötigen, um das UV-Härtungssystem in Ihren Verarbeitungs- oder Laminierprozess zu integrieren. Der nächste Schritt besteht in der Regel darin, Versuche auf einer Breitbahn-Pilotlinie oder einer Produktionslinie beim Kunden, Hersteller von Verarbeitungsanlagen oder Lohnbeschichter durchzuführen. Diese Testmethode kostet in der Regel erheblich mehr, sorgt jedoch für realistische Prozessparameter zur Skalierung auf einen kommerziellen Produktionsprozess und für alle weiteren Überlegungen zur Konstruktion des UV-LED-Härtungssystems. Die Ergebnisse dieser Tests liefern die Begründung für den Kauf von UV-Härtungssystemen. Heraeus Noblelight vermietet Semray UV-LED-Härtungssysteme für Pilotlinien- oder innerbetriebliche Versuche und bietet Unterstützung durch Anwendungstechniker.

A. Wenn Sie kein modulares System wählen, ist bei UV-LEDs der Wechsel zu anderen Wellenlängen – anders als bei herkömmlichen UV-Härtungssystemen – etwas komplizierter, insbesondere bei Breitbahnlinien. Bei herkömmlichen UV-Systemen muss die Wellenlänge geändert werden, um die Hochdruck-Quecksilberdampflampe durch (eine) Zusatzlampe(n) zu ersetzen. Einige UV-LED-Härtungssysteme für Breitbahnlinien gibt es jedoch in Form einer langen Reihe von LEDs. Um zu einer anderen Wellenlänge zu wechseln, müsste also das gesamte LED-Array ausgetauscht werden, was mühsam, zeitaufwändig und kostspielig wäre. Wenn Sie für Ihre Prozessflexibilität jedoch unterschiedliche Wellenlängen benötigen, ist ein modulares UV-LED-System weniger umständlich und teuer als ein herkömmliches Array mit kürzerer Umrüstzeit. Beim Plug & Play UV-LED-Härtungssystem von Semray werden beispielsweise Module, die sich ohne Werkzeug lösen lassen, verwendet. So können einfach Ersatzmodule mit verschiedenen Wellenlängen in nur wenigen Sekunden eingesetzt werden.

UV-LEDs können in Kombination mit herkömmlichen UV-Härtungssystemen (Mitteldruck-Bogen- oder Hochdruck-Mikrowellenlampen), bei denen eine Oberflächenhärtung erforderlich ist, verwendet werden. Die größere Wellenlänge der UV-LEDs härtet tief, um die Haftung und Härtung von dicken Laminierklebstoffen und Beschichtungen zu gewährleisten, während die kürzeren Wellenlängen eines Hochdruckkolbens Oberflächenhärtungseigenschaften wie bei harten Beschichtungen auf Fensterfolien bieten. Unter bestimmten Umständen kann bei UV-LEDs auch eine Stickstoffinertisierung verwendet werden, um die Sauerstoffinhibition zu reduzieren und die Oberflächenhärtung zu verbessern.

A. Da UV-LED-Härtungssysteme ohne Shutter-Klappen auskommen, lassen sie sich leicht steuern und in die Prozesssteuerungsschemata von Breitbahnlinien integrieren. UV-LED-Härtungssysteme werden durch fernmontierte Netzteile und optionale Touchscreen-Schnittstellen gesteuert. Bei flexiblen Verarbeitungsanforderungen gibt es normalerweise die Möglichkeit, das Ein- und Ausschalten sofort zu steuern und die Ausgangsleistung auf 40% zu reduzieren. Häufige Ein-/Aus-Zyklen verkürzen die Lebensdauer von UV-LEDs nicht, von Bogenlampen-Aushärtungssystemen jedoch sehr wohl. Da die UV-LED weniger Stunden arbeitet, sollten häufige Zyklen die Lebensdauer sogar noch erhöhen. Semray UV-LED-Systeme bieten bis zu fünf Voreinstellungen für schnelle Anpassungen (Dimmen, Emissionsbreite), um die Prozessanforderungen verschiedener Produktionsabläufe in der Verarbeitungs- oder Laminierlinie zu erfüllen.

Manche UV-LED-Systeme bieten eine Selbstdiagnose und -überwachung, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten, Ausfälle zu reduzieren, eine schnelle Fehlerbehebung zu ermöglichen und eine konsistente Leistung zu gewährleisten. Semray UV-LED-Härtungssysteme bieten zum Beispiel eine selbstregulierende Kühlung, um die Temperaturen intelligent zu steuern und die Lebensdauer der LED zu erhöhen. Sensoren erkennen, wenn die Temperatur zu hoch ansteigt, geben Warnungen aus und schalten das Modul schließlich aus, um die LEDs vor schädlichen Temperaturen zu schützen. Darüber hinaus gleicht sich die Leistung einzelner LED-Arrays selbst aus, wenn einzelne LED-Chips ausfallen, sodass über ein Segment und über alle Segmente hinweg eine konsistente Leistung geboten wird.

A. UV-LED-Härtungssysteme haben entweder eine Wasser- oder eine Luftkühlung, um Wärme aus den LED-Arrays abzuführen. In beiden Fällen ist der Kühlbedarf deutlich geringer als bei UV-Härtungssystemen mit Quecksilberdampflampen, sodass die Kühlung wesentlich einfacher ist. Zum Beispiel haben luftgekühlte UV-LED-Härtungssysteme kleine Muffin-Lüfter. Im Gegensatz zu Bogenlampen werden keine großen externen Gebläse und Absaugsysteme mit sperrigen und kostspieligen Kanälen benötigt.

Die Umgebungsbedingungen hängen von den Umgebungstemperaturen, der Luftfeuchtigkeit und der maximalen vom System gelieferten Kühlluftmenge ab. Zum Beispiel können Semray UV-LED-Härtungssysteme bei Umgebungsbedingungen zwischen 50 °F und 104 °F und einer maximalen Luftfeuchtigkeit von 80% ohne Kondensation betrieben werden. Eine hohe Konzentrationen von Staub und Partikeln in der Umgebung sowie brennbare Substanzen führen zu einem höheren Wartungsbedarf und unsichereren Betriebsbedingungen für die UV-LED-Härtung als bei herkömmlichen UV-Härtungssystemen.

A. Die Preise für UV-LED-Systeme sind im Allgemeinen höher als für Mitteldruck-Bogenlampen. Mit zunehmender Verbreitung sinken jedoch die Preise. Die meisten Käufer von UV-LED-Härtungssystemen basieren ihren ROI auf einer Kombination aus Kosteneinsparungen und höheren Erträgen. Zu den Kosteneinsparungen zählen niedrigere Energiekosten, weniger Kosten für die laufende Wartung und geringere Anschaffungskosten (Kühl- und Abluftgebläse, Luftkanäle, elektrische Abschirmung, Lichtabschirmung usw.). Die höheren Einnahmen sind möglich, da die Ausfallzeiten geringer sind und in einigen Fällen neue wärmeempfindliche Produkte verarbeitet werden können.

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