UV-LED-Lichthärtung: ökonomisch, ökologisch, hochwertig

Im Gegensatz zu Lichtbogenlampen, die über das gesamte UV-Band Licht abgeben, emittieren LEDs Licht in einem engen Spektralbereich. Die dabei entstehende Prozesswärme ist sehr viel geringer und führt zu kompakten, leicht zu integrierenden LED-Lichtquellen. Darüber hinaus ermöglicht die geringere Wärmeentwicklung den UV-Druck auch auf wärmeempfindlichen Substraten. Pamela Lee* erläutert die technischen Hintergründe.

UV-Härtung beruht auf der Polymerisation eines lichtempfindlichen Materials: Fotoinitiatoren in der Tinte lösen die Verkettung von Mono- und Oligomeren aus und leiten so den Härtungsprozess bei UV-Bestrahlung ein. Um die Polymerisation verschiedener Materialien zu ermöglichen, ist eine bestimmte minimale Bestrahlungsstärke in W/cm² nötig. Weitere Faktoren beeinflussen die erfolgreiche Härtung: die Zeitdauer der Bestrahlung und damit die Dosierung bzw. Energiedichte in J/cm², die angibt, wie viele Photonen in einem Zeitraum auf eine Fläche treffen. Es muss genügend Energie aufgenommen werden, um die Reaktion abzuschließen. Fotoinitiatoren absorbieren Wellenlängen unterschiedlich stark.

Die Wellenlänge der LED-Lichtquelle muss also spezifisch darauf abgestimmt sein. Die meisten Druckanwendungen und Tinten sind heute auf 395 nm (UV-A) abgestimmt. Bestrahlungsstärke und Zeitdauer können variiert werden, um je nach Anwendungsbedarf eine besonders schnelle oder besonders energiesparende Härtung zu erreichen. Wie leistungsstark ein UV-LED-Modul tatsächlich wirkt, hängt zudem wesentlich vom Arbeitsabstand ab. Je kürzer die Distanz zum Substrat, desto größer fällt die Bestrahlungsstärke aus.

Akzeptanz von LEDs

UV-Drucker sind ein schnell wachsender Sektor, und UV-LEDs verdrängen herkömmliche Quecksilberdampflampen als Lichtquellen für die Härtung von UV-Farben. Einer französischen Marktforschungsstudie zufolge hat die Druckindustrie in unterschiedlichem Grad, aber bereits in sehr vielen Bereichen die neue Beleuchtungstechnologie angenommen. Anfangs jedoch gab es einige Hindernisse. Diese bestanden einerseits in der LED-Technologie selbst.

Die höheren Anschaffungskosten standen einer breiten Konversion im Weg. Außerdem erfüllten verfügbare LEDs zunächst auch noch nicht voll die Anforderungen in der Lichthärtung. Zudem war bei der Einführung von UV-LED-Härtungssystemen die Verfügbarkeit von kompatiblen Farben, Klebstoffen und Beschichtungen begrenzt. Seitdem haben Hersteller auf beiden Seiten Produkte besser aufeinander abgestimmt. Farbrezepturen wurden optimiert und neu entwickelt, um eine verbesserte Oberflächenhärtung, Oberflächenveredelung und chemische Beständigkeit zu erreichen. Hersteller von LED-Systemen verbesserten ihre Technologie.

Auch die Kostenbetrachtung hat sich verändert. Die Anwender sind inzwischen besser informiert und wissen, dass LEDs bei der Berücksichtigung der Gesamtkosten im Lebenszyklus deutlich besser als lampenbasierte Systeme abschneiden. Dazu tragen diverse Faktoren bei: LEDs haben einen geringeren Stromverbrauch, niedrigere Instandhaltungskosten, eine längere Lebensdauer und benötigen kaum Zubehör. Durch den Wettbewerb der Anbieter sinken zudem die Anschaffungskosten für LED-Lichtquellen, sodass sich nicht nur die Anwendung von Punkt-Lichtquellen lohnt, sondern auch große Flächen kostengünstig mit LEDs behandelt werden können. Darüber hinaus werden auch die Preise für LED-kompatible Farben weiter sinken. Die effiziente, schnelle Lichthärtung, die exzellenten Ergebnisse und Umweltvorteile tun ihr Übriges, damit LEDs in der wirtschaftlichen Abwägung gewinnen.

Leistungssprünge und neue Möglichkeiten

Dass sich die UV-LED-Technologie nun durchsetzen kann, liegt an einer veränderten Sichtweise vieler Marktteilnehmer. Den kleinen Licht-emittierenden Dioden wurde anfangs nicht zugetraut, dass sie die für Druckanwendungen nötige Ausgangsleistung und Effizienz überhaupt erbringen könnten. Mit der Entwicklung dedizierter Lichtquellen für Print-Prozesse konnten diese Bedenken ausgeräumt werden. Zum einen hat sich die UV-LED-Effizienz drastisch verbessert. Zum anderen sind mittlerweile verschiedene Hochleistungslichtquellen mit gebündelten LED-Arrays verfügbar. Neueste Generationen von Härtungssystemen erreichen mit einem geringeren Energieeintrag eine schnellere und effizientere Aushärtung.

Anwender LED-basierter Systeme haben mittlerweile eigene Erfahrungen damit, welche positiven Auswirkungen spezifische Eigenschaften der LED-Lichtquellen auf Printqualität und Durchsatz haben. So sind LEDs sofort nach dem Einschalten voll verfügbar. Durch Ein/Aus-Pulsen, das mit herkömmlichen Lampen nicht möglich ist, lassen sich einzigartige Oberflächen erzeugen. Das bietet Anwendern die Möglichkeit, sich durch besondere Designs im Markt hervorzutun. Außerdem erlaubt das Pulsen eine sehr genaue Steuerung der Lichteinstrahlung, sodass empfindliche Substrate noch mehr geschont werden können. Ein weiterer technologiebedingter Vorteil ist die sehr gleichmäßige Bestrahlung des Aushärtungsbereichs. Während herkömmliche Lampen zum Rand hin weniger intensiv wirken, können die flächig angeordneten LED-Arrays eine gleichmäßige Aushärtung gewährleisten. Excelitas nutzt diese technologische Eigenart in den UV-LED-Härtungslösungen der OmniCure-AC-Serie durch eine patentierte Konstruktion optimal aus.

Ansteuerung einzelner LED-Module

Excelitas hat ein patentiertes Verfahren zur Adressierung einzelner LED-Module entwickelt, mit dem sich UV-Strahlungsstärke und -dauer exakt steuern lassen. Damit erreichen die LED-Lichtquellen der OmniCure-Familie eine außergewöhnliche Bestrahlungshomogenität über den gesamten Aushärtungsbereich und eine hohe Wiederholbarkeit. Sie unterstützen hohe Druckgeschwindigkeiten ohne Beeinträchtigung der Druckqualität. Es stehen verschiedene Wellenlängen von 365 nm bis 405 nm zur Auswahl, um diese den Anforderungen des auszuhärtenden Materials anzupassen.

Die OmniCure-Trocknungsköpfe ermöglichen eine hohe Bestrahlungsstärke bei unterschiedlichen Arbeitsabständen. Zum Beispiel liefern die Systeme der Baureihe OmniCure AC9 über 14 W/cm² Spitzenbestrahlung für eine schnelle, gleichmäßige Aushärtung bei großem Arbeitsabstand. Viele Modelle können wahlweise mit einem flachen Austrittsfenster oder einer Linse ausgestattet werden, sodass auch bei größeren Abständen die Bestrahlungsstärke auf hohem Niveau bleibt. Die „P“-Versionen der AC8/9-Serien sind zur Optimierung der Dosis bei kurzen Arbeitsabständen, die für Druckanwendungen erforderlich sind, mit einer verbesserten Optik ausgestattet.

Die kompakte, luftgekühlte Konstruktion erleichtert die Integration, da die UV-LED-Aushärtungssysteme ohne externe Kühlung oder Ozonabsaugung auskommen und sich beliebig ausrichten lassen. Die Systeme ermöglichen als Ersatz für Bogenlampen oder flüssigkeitsgekühlte LED-Lösungen auch eine einfache Umrüstung bestehender Produktionsanlagen. Applikationsingenieure bei Excelitas arbeiten auf Wunsch eng mit Kunden zusammen, um spezielle Anwendungen zu entwickeln und anzupassen.

Auswahl des UV-LED-Systems

Der Markt für UV-LED-Lichtquellen bietet Systeme für verschiedenste Anwendungen und Materialien. Optimalerweise dokumentieren Hersteller die Einsatzfelder transparent und beraten Anwender über die geeignete Lösung für ihren jeweiligen Bedarf. Zunächst ist grundsätzlich zu klären, ob die Druckfarbe für die Behandlung mit UV-LEDs geeignet ist. Falls nicht, informieren Farblieferanten über verfügbare und geeignete Rezepturen.

Die LED-Wellenlänge (üblicherweise 365 nm, 395 nm oder 405 nm) muss dem Fotoinitiator entsprechend ausgewählt werden – Unterstützung hierbei bieten ebenfalls die Farbhersteller. Bei den zu bedruckenden Substraten ist zu klären, ob sie besondere Eigenschaften/Anforderungen für den Druck haben. Grundsätzlich sind LED-Lichtquellen aufgrund ihrer geringen Wärmeentwicklung jedoch sehr gut für verschiedenste Materialien geeignet. Die gewünschte Prozessgeschwindigkeit und die minimale Bestrahlungsstärke und Dosierung beeinflussen, wie die notwendige nominale Bestrahlungsstärke spezifiziert wird – wie schon erwähnt, ermöglichen leistungsstärkere Systeme eine schnellere Härtung.

Je nach Arbeitsabstand, Aushärtebereich und Homogenitätsanforderungen können unterschiedlich große LED-Arrays ausgewählt oder auch – je nach Fabrikat – mehrere Module nebeneinander montiert werden. UV-LED-Köpfe der OmniCure-AC-Reihe von Excelitas können nahtlos aneinandergereiht werden, um größere Bestrahlungslängen bei guter Homogenität zu erreichen. Der verfügbare Platz in Produktionsanlagen ist oft beschränkt, sodass sich Lichtquellen mit kleinem Formfaktor und skalierbare Systeme allgemein anbieten.

Konstruktive Einschränkungen bestimmen auch, ob eine bestimmte Kühlungstechnologie von Vorteil ist. Bei luftgekühlter Ausführung muss ein freier Luftstrom möglich sein. Für eine Wasserkühlung werden Kältemaschinen und Schläuche benötigt. Umfassende Branchenexpertise auf Seiten des Herstellers der Lichtquellen ist eine wichtige Voraussetzung für die Konfiguration einer passenden Lösung. Am Ende bringen natürlich Testläufe und Optimierungen in der tatsächlichen Anwendung die besten Ergebnisse. [6539]

*Pamela Lee ist Produktmanagerin OmniCure bei Excelitas Technologies Corp. Sie hat einen Master of Business Administration und einen Bachelorabschluss in Elektrotechnik von der University of Toronto. Sie veröffentlicht regelmäßig Fachbeiträge und ist mit Vorträgen auf Fachveranstaltungen vertreten.