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選用UV LED應該避免的“坑”及發展現狀
來源: | 作者:proaa29a3 | 發布時間: 2020-09-07 | 100 次瀏覽 | 分享到:
原英文標題:State of UV LED Curing Applications

  可以使用UV LED應用的清單在持續增長——因為支持這些應用的系統供應商、配方商和OEM設備制造商的數量一直在增長。這種持續增長預示著UV LED技術發展的整體市場方向。因此,如果你還沒有去了解過UV LED是否適合自己固化需求的話,那么現在可能是時候開始了解了。本文旨在對新來者,和那些一直在跟蹤或甚至使用了該技術多年的人,提供對不斷增長的UV LED市場空間的洞察,并就如何將UV LED固化系統與特定應用的需求相匹配,提供一般性的指導。

UV輸出

  UV輸出是由波長(nm)、輻照度(W/cm2)和能量密度(J/cm2)來表征的。了解這三個因素如何在特定的生產條件下與UV LED的油墨、涂料和粘合劑相互作用,對于開發可控的固化應用,并確保成功至關重要。UV LED固化的一個關鍵優點是,一旦為特定應用建立了這三個因素的最佳組合,一套匹配和設計恰當的紫外線固化光源系統,將可以一直提供穩定、可靠和可重復的UV輸出。

  UV LED光源系統發射的波長相對單一,表現為窄的鐘形分布,標稱峰值輻照度目前為365、385、395和405nm,如圖1所示。峰值所處的確切波長以及分布形狀完全取決于制造二極管的原始材料結構,并在二極管制成后不可調節。雖然可以在單個UV LED設備中對兩個或多個波長分布進行混合,但大多數固化系統通常只包含一個波長分布。因為不同的材料結構,目前365nm的最大輻照度比三個較長波長弱大約20%,這從圖中其較短的峰值可以看出。

  與峰值波長不同,輻照度和能量密度都是UV LED輸出的高度可變指標。光源發射窗口和基材固化表面的指標數據,由燈頭整體設計中的諸多因素所決定。輻照度和能量密度因產品型號而異,通常對于指定系統可調節,且很大程度上受到安裝時配置的影響。這種可調節的優點是,它允許用戶精確而有效地優化制造工藝過程。

  對于UV LED固化系統,峰值輻照度不應被看作動態制造工藝過程中能量密度的指標。相反,這些值應由供應商給出,并可測量得到。然后可以推斷出與所需生產制造條件相匹配的其他數據點。在報告輻照度和能量密度時,應該始終給出測量儀器、參數設置,和數據收集方式的信息,因為這三個指標對觀測值都存在影響。

  我們首先需要辨析兩個概念:輻照度是峰值功率,能量密度是總輸送的能量。用數學術語來說,能量密度是輻照度在一段時間之內的積分,由輻照度/時間圖形中所包含的面積來表示。

  圖2(a)是在UV LED燈下固定垂直工作距離上,固化表面上的一個點(沿x軸)水平移動情況下的圖形表示。曲線上的每個點,是固化表面在每個時刻所經歷的輻照度。曲線下方的區域面積是發射出的總能量密度。如圖2(b)所示,具有相同峰值輻照度的UV LED系統,并不總是提供相同的能量密度。

  請注意,(b)中的四個不同場景下的所包含的面積并不相同。最外層場景具有最大的面積,也就是可提供最大的能量密度;而最內層的情況則包含最小的面積,提供的能量密度最小。

  兩個具有不同輻照度的系統也可以提供相同的總能量密度,如圖2(c)所示。一條曲線的峰值輻照度是另一條曲線的一半;然而兩條曲線所包含的面積——也就是能量密度——是相同的。能夠產生這種結果的其中一種燈頭設計區別是,較高峰值UV LED發射窗口的寬度,是較低峰值發射窗口寬度的一半。

  這三個例子說明了,在將UV LED系統與應用相匹配時,理解發射和所獲得的輻照度,及能量密度的影響的重要性,以及為什么并非所有UV LED系統在實驗室裝置或商用配置中的行為表現都相同。

  油墨、涂料和粘合劑經過配制,在特定工藝條件下對給定的UV LED輸出發生化學反應。對于每個應用和配方,都有一個UV工藝窗口,能夠實現可接受的固化效果。此窗口并不窄,但存在一組最佳波長,以及最小和最大輻照度,和能量密度的組合,從而可以得到適當的固化效果。

  始終保持在此工藝窗口內運行,從而確保最佳的傳送速度、不粘的表面、足夠的附著力、充足的固化效果、固化后的最少遷移,和所需要的產品壽命,以及其他所要求的性能指標。為給定的應用,建立和維護UV固化工藝窗口,對于持續的最佳產出效率和得到高質量產品非常重要。

  當UV能量輸出與應用需求有正確的匹配,并與恰當配制的油墨、涂料或粘合劑搭配時,UV LED技術表現良好。但遺憾的是,沒有一個通用的UV LED系統或工藝窗口適用于所有應用場景。應選擇合適的UV LED解決方案及能量輸出,用于配方產品、工廠或車間環境,以及物料處理系統的配置和傳送速度。

  UV LED技術的一個好處是,LED本身的離散特性允許對固化系統進行更寬廣范圍的設計,從而更好地滿足每個獨特應用的需求。這使得外形規格和UV輸出,都能針對各自的市場和應用進行定制,從而使其與傳統固化技術相比可實現更高效、更經濟的UV LED固化解決方案。

應用演進

  UV數字噴墨的針固化,和采用掃描及單通道方式打印機的全固化,以及膠粘劑的點固化,是首批將UV LED固化用于打印和粘合過程的應用。許多早期安裝的系統都是混合裝置,利用了傳統固化的某些特點,同時和UV LED相結合。

  這些早期采用者的應用市場,采用較慢的線速度和更長的工件處理時間,因此在2000年代中期成功啟用了UV LED技術。其制造工藝方法允許在靜態裝置中通過更長的曝光時間,以及動態裝置中的多次固化來積累達到足夠的能量密度。

  設備還讓UV LED燈頭可以在離固化表面10mm范圍內進行安裝,并且通常對每臺機器中燈的總數和長度的要求較低。與更大、更寬的高速商業印刷機相比,只需要一兩個較小的燈就足夠,商業上的投資更少。所有這些因素都至關重要,因為早期的UV LED系統能量不夠高,而且往往比傳統設備昂貴得多。

  在過去的15年中,UV LED技術在性能、可靠性、使用壽命和輸出方面都有了顯著提高。此外,還針對UV LED的輸出方面進行了更多的配方優化。市場也學會了理解和設計工藝窗口。由于規模經濟的發展,以及整個供應鏈的競爭加劇,設備和配方的價格也得到了降低。這使得UV LED固化技術能夠超越UV數字噴墨針固化和點固化應用的需求,進入更苛刻、更高速、更廣泛的商業應用——包括模擬和數字技術。

  表1列出了當今越來越多使用UV LED技術的應用領域。盡管各個具體領域的市場滲透程度不同,UV LED不一定適用于每個細分市場中的所有應用——但隨著時間的推移,這一技術將持續得到發展和進步。不同的UV LED燈設計,以及針對特定應用的配方設計,使這些不同的印刷、涂料和粘接工藝成為可能。

  基于這些配合的要求,對于每個應用的相關各方之間必須存在一個很強的工作關系連接——包括UV LED固化系統供應商、配方商、OEM機器制造商、集成商和終端用戶。在所有場景下,通??梢酝ㄟ^一些試錯,以及工藝優化來實現可行的UV LED解決方案。這一切都可以歸結為對工藝變量的優化,并將UV LED系統與應用、配方和物料處理設備相匹配。

將UV LED系統與應用、配方和物料處理設備相匹配

  現在有越來越多的大量UV LED固化系統和供應商可供選擇。他們所宣傳的產品特性和操作優點都非常相似,其中最明顯的區別通常是峰值輻照度、冷卻方式,和燈的外形等因素。不幸的是,僅了解這些知識還不足以將UV LED固化系統與特定應用相匹配,并且技術規格表格中也很少解釋哪種產品最適合哪種應用,以及為什么。在選擇和應用相匹配的UV LED固化系統時,應該考慮到以下這些一般性的指導準則。

最終固化性能

  對于最終固化后所需的物理和外觀特性,以及產品目標用途,都應該十分明確。這將有助于推動配方的化學考量,甚至當前是否適合使用UV LED固化解決方案。例如,油墨、光油和粘合劑通常用LED都可以固化良好,并可滿足大多數圖形打印要求。然而,有機硅剝離和工業加硬涂層的應用則仍在開發中,距離大規模商業可用性至少還有三到五年的時間。

波長

  商業應用的固化波長目前包括365、385、395和405nm。對于大多數油墨應用,395nm是首選波長,較少使用365和385nm波長。膠粘劑通常最適合365或405nm,具體情況取決于配方,不過它們在385或395nm下也同樣能夠固化。罩光油通常與油墨應用的395nm波長相匹配,但當涉及到工業涂料(無論是功能性還是加硬)時,則沒有共識,因為這些應用的開發還處于起步初級階段。

輻照度窗口

  配方必須在最小和最大峰值輻照度(W/cm2)之間都能固化。低于最小輻照度會導致固化不足,增加輻照度超過最大峰值時的固化,不一定就能帶來更好的固化效果。只要燈能夠發射足夠的能量密度,在已建立的輻照度窗口內總能得到好的固化效果。不幸的是,沒有一個通用的輻照度可以滿足所有配方的需求。

  每個應用都不同,最佳發射輻照度窗口從幾百mW/cm2,到20甚至30瓦/cm2間的任意值都有可能。同時,比LED燈所發射的輻照度更重要的是,被傳送到固化基材表面的實際輻照度,因為輻照度會隨著光經過距離的增加而迅速降低。

能量密度窗口

  配方和生產線速度決定了所需的能量密度(J/cm2)。更高的能量密度通常能得到更好的整體固化效果,線速度更快,有時還可以使用較低的峰值輻照度。并非所有發出相同峰值輻照度的系統都能提供相同的能量密度。

  通過使用設計過的燈具系統可以得到更大的能量密度,包括同時使用多個燈,降低線速度,或增加曝光時間。

工作距離

  這被定義為UV LED發射窗口到固化表面之間的距離。必須為應用和機器設置來指定工作距離,因為輻照度會隨距離的增加而迅速降低。為了適應更大的工作距離,可以考慮功率更大的燈(更高輻照度或/和更高能量密度),或者采用光學或反射罩的LED解決方案。

冷卻系統

  工廠環境、OEM廠家或終端用戶的偏好,以及UV LED系統本身的設計,決定了冷卻系統的構成(氣冷或水冷)。并非所有UV LED設備都提供風冷的選擇。高功率系統通常采用水冷方式。

安裝空間

  安裝位置和機器設置決定了UV LED燈頭的所需空間。水冷系統通常比風冷系統更緊湊??諝饫鋮s系統對空氣出入口周圍有最小空間的要求,因為要確??諝獾某浞盅h。

光學和屏蔽罩

  燈具相對于不應該被固化區域的距離和朝向,會影響光學部件和屏蔽罩的使用。應特別小心地確保紫外線被阻擋在了數字噴墨打印頭、墨水和涂布盤以及機器上的熱敏材料以外。此外,所有光線都應被阻擋在操作員的任何直接照射之外。

極端的異形工件情形

  具有極端異形工件的場景下,固化表面或生產線要求LED燈安裝在更遠一些的距離(幾英寸或更多)。這對于要求特別堅硬,耐劃傷,和耐化學性的UV LED面涂仍然是有一定挑戰的,而且在可預見的未來仍然應被視為尚在開發中的需求。


  UV LED技術在未來幾年將持續的不斷發展,而且無疑在越來越多的應用中得到了很好的匹配。盡管無法在前面列出的應用清單中都采用完全可互換的相同固化系統來進行替代,但確實也存在可以滿足許多應用需求的獨特UV LED解決方案。雖然OEM可在購買前為買家進行LED固化設備和配方的匹配,但我們始終建議用戶通過測試或參考以前的安裝,來確認采用了正確的固化系統,并對自己工藝的具體需求有真實而準確的匹配。

  根據本文所提供的指引,并同UV LED固化系統供應商、配方商、OEM機器制造商、集成商和終端用戶進行密切配合,從而確保能夠得到更加成功的UV LED固化整體系統。

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