Questo articolo sullo stato delle applicazioni di polimerizzazione LED UV è stato originariamente pubblicato sul sito Web UV+EB qui.
L’elenco delle possibili applicazioni dei LED UV continua a crescere, così come il numero di fornitori di sistemi, formulatori e costruttori di macchine OEM (Original Equipment Manufacturer) che supportano tali applicazioni. Questo continuo aumento dell’attività fa ben sperare per il presente e il futuro della tecnologia LED UV. Di conseguenza, coloro che non stanno ancora valutando la sua idoneità alle proprie esigenze di cura potrebbero ritenere che sia giunto il momento di iniziare. Per i nuovi arrivati, così come per coloro che seguono o addirittura utilizzano la tecnologia da anni, questo articolo ha lo scopo di fornire informazioni sul crescente spazio di mercato dei LED UV e offrire una guida generale su come abbinare un sistema di polimerizzazione LED UV alle esigenze di una determinata applicazione.
Uscita UV
Inchiostri, rivestimenti, adesivi ed estrusioni sono formulati per reagire a un dato output di LED UV in una serie specifica di condizioni di processo. Per ciascuna applicazione e formulazione esiste una finestra del processo UV entro la quale è possibile ottenere una polimerizzazione accettabile. Questa finestra non è stretta, ma esiste un insieme ottimale di lunghezze d’onda nonché una combinazione di irradianza minima e massima e densità di energia totale che si traduce in una polimerizzazione adeguata. Operando costantemente all’interno di questa finestra si garantisce la massima velocità di movimentazione del materiale, una superficie non appiccicosa, profondità di polimerizzazione, migrazione post-polimerizzazione entro limiti stabiliti, rese di produzione ottimizzate, qualità del prodotto nel tempo e durata ottimale del prodotto nell’ambito dell’uso previsto, oltre ad altri criteri di prestazione desiderati.
La tecnologia LED UV funziona bene quando l’emissione UV è adeguatamente adattata alle esigenze dell’applicazione e abbinata a un inchiostro, un rivestimento, un adesivo o un’estrusione opportunamente formulati. Sfortunatamente, non esiste un sistema LED UV universale o una finestra di processo che funzioni altrettanto bene per tutte le applicazioni in tutti i mercati e tipi di macchine. La soluzione LED UV e il suo rendimento devono essere scelti in base alla formulazione, al peso del rivestimento, all’ambiente dell’impianto o del negozio e alla configurazione e velocità del sistema di movimentazione del materiale.
Un vantaggio della tecnologia LED UV è che la natura discreta dei LED consente una gamma molto più ampia di progetti di sistemi di polimerizzazione che possono adattarsi meglio alle esigenze di ciascuna applicazione specifica. Ciò consente di adattare sia il fattore di forma della testa della lampada che l’emissione UV ai rispettivi mercati e applicazioni, ottenendo soluzioni di polimerizzazione LED UV molto più efficienti ed economiche rispetto alla tecnologia di polimerizzazione convenzionale. Di conseguenza, ciò significa anche che esiste un’ampia disparità nelle prestazioni di polimerizzazione tra le offerte dei fornitori disponibili in commercio poiché i design intrinseci possono essere molto, molto diversi e tali differenze non sono sempre evidenti per gli OEM e gli utenti finali.
Evoluzione dell’applicazione
La fissazione e la polimerizzazione completa a getto d’inchiostro digitale UV sia nel carrello di scansione che nelle stampanti a passaggio singolo stretto, la serigrafia e gli adesivi di incollaggio con polimerizzazione spot utilizzati nell’assemblaggio del prodotto sono state le prime applicazioni ad adottare la polimerizzazione UV LED tra la metà e la fine degli anni 2000. Ciò che queste prime applicazioni avevano in comune erano velocità di linea più lente e tempi di lavorazione dei pezzi più lunghi. Sebbene l’irradianza (watt/cm2) emessa da un singolo sistema LED UV durante quei primi anni fosse bassa, era possibile fornire un’irradianza appena sufficiente montando la testa della lampada entro 10-15 mm (0,4 – 0,6 pollici) dalla superficie di polimerizzazione. Per quanto riguarda la densità energetica, la soluzione consisteva in periodi di esposizione più lunghi nelle installazioni statiche e nell’utilizzo di passaggi multipli in quelle dinamiche.
Le prime applicazioni dei LED UV richiedevano lampade di lunghezza generalmente inferiore a 450 mm (17,7 pollici). Se combinato con il fatto che molte applicazioni richiedevano solo una o due lampade per ottenere una polimerizzazione rapida, l’investimento commerciale totale era significativamente inferiore rispetto ai sistemi necessari per macchine da stampa commerciali più larghe e ad alta velocità che necessitavano di più lampade e lampade più larghe. Tutti questi fattori erano cruciali, poiché i primi sistemi LED UV non erano molto potenti e spesso erano più costosi delle opzioni convenzionali.
Negli ultimi 20 anni, la tecnologia LED UV è migliorata notevolmente in termini di prestazioni, affidabilità, durata, rendimento e durata. Infatti, le teste delle lampade a campata singola sono ora disponibili in lunghezze fino a 2 metri (78 pollici) e la durata della lampada spesso supera le 40.000 ore. Inoltre, molte formulazioni sono ora specificatamente ottimizzate per l’emissione di LED UV. Il mercato è inoltre in grado di adattare meglio il sistema UV LED alle esigenze della finestra di processo e i prezzi sia delle apparecchiature che delle formulazioni sono migliorati grazie alle economie di scala e alla maggiore concorrenza lungo tutta la catena di fornitura. Ciò ha consentito alla tecnologia di polimerizzazione UV LED di andare oltre il getto d’inchiostro digitale UV, la polimerizzazione spot e la serigrafia verso applicazioni commerciali più impegnative, a velocità più elevata e più ampie, sia analogiche che digitali. Ciò include l’offset a foglio e a bobina (Immagine 1), l’offset a secco, la flessografia, la verniciatura e finitura del legno e la verniciatura in fibra ottica.
La tabella 1 rappresenta le aree in cui oggi la tecnologia LED UV è sempre più utilizzata – anche se a diversi livelli di penetrazione del mercato e non necessariamente per tutte le applicazioni all’interno di ciascun segmento di mercato – ma che continueranno a migliorare nel tempo. Per rendere fattibili i numerosi processi di stampa, rivestimento e incollaggio sono necessari diversi design di lampade UV LED, nonché formulazioni specifiche per l’applicazione. Di conseguenza, è importante che, per ciascuna applicazione, vi sia un forte rapporto di lavoro tra tutte le parti: fornitore del sistema di polimerizzazione UV LED, formulatore, costruttore di macchine OEM, integratore e utente finale. In tutti i casi, è possibile ottenere una soluzione LED UV praticabile con alcuni tentativi ed errori e ottimizzando il processo, a condizione che esista una formulazione praticabile. Tutto si riduce all’identificazione delle variabili del processo e all’abbinamento del sistema LED UV all’applicazione, alla formulazione e alle apparecchiature per la movimentazione dei materiali.
Abbinamento dei sistemi LED UV all’applicazione di polimerizzazione LED UV, alla formulazione e alle apparecchiature per la movimentazione dei materiali
Esiste un’abbondanza sempre crescente di sistemi di polimerizzazione LED UV e di fornitori tra cui scegliere. Tutti dichiarano caratteristiche di prodotto e vantaggi operativi molto simili, con i differenziatori più evidenti che sono l’irradiazione di picco, il metodo di raffreddamento, il fattore di forma della lampada e l’integrazione del sistema. Sfortunatamente, la sola conoscenza di questi aspetti non è sufficiente per abbinare i sistemi di polimerizzazione LED UV a una determinata applicazione. Le schede tecniche raramente forniscono spiegazioni sul motivo per cui i prodotti sono più adatti per una determinata applicazione e raramente fanno riferimento alla potenza elettrica nominale in ingresso e alla densità di energia a una determinata velocità di nastro, foglio o parte. Quando si abbina un sistema di polimerizzazione LED UV, è necessario considerare le seguenti linee guida generali.
Proprietà di polimerizzazione finale
Le proprietà meccaniche, chimiche, funzionali ed estetiche desiderate della polimerizzazione finale, nonché l’uso previsto del prodotto, dovrebbero essere specificate e sono determinanti per guidare la formulazione chimica e, in definitiva, per stabilire se oggi sia possibile una soluzione polimerizzata con LED UV. Ad esempio, gli inchiostri, le vernici e gli adesivi sciroppi a base di radicali liberi generalmente polimerizzano bene con i LED e soddisfano la maggior parte dei requisiti di stampa grafica. Il rilascio di silicone, gli hotmelt UV e i rivestimenti rigidi industriali, tuttavia, sono ancora in fase di sviluppo e sono lontani anni dalla disponibilità commerciale su larga scala.
Lunghezza d’onda
Le lunghezze d’onda di polimerizzazione commerciali attualmente includono 365, 385, 395 e 405 nm. Per la maggior parte delle applicazioni con inchiostro, 395 nm è la lunghezza d’onda preferita, con lunghezze d’onda di 365 e 385 nm utilizzate in misura minore. Gli adesivi per incollaggi strutturali in genere funzionano meglio con 365 o 405 nm, a seconda della formulazione, ma polimerizzano in modo simile anche con 385 o 395 nm. Le vernici di sovrastampa tendono a corrispondere alla lunghezza d’onda dell’inchiostro di 395 nm e quando si tratta di rivestimenti industriali, sia funzionali che duri, non c’è consenso, poiché lo sviluppo è ancora in corso.
Finestra di irradianza
La chimica della formulazione deve essere polimerizzata entro un picco di irradianza minimo e massimo (watt/cm2). Il funzionamento al di sotto di un’irradiazione minima risulterà in una polimerizzazione insufficiente. Aumentare l’irraggiamento oltre il massimo non produce necessariamente risultati migliori rispetto alla polimerizzazione entro la finestra di irraggiamento stabilita, a condizione che la lampada emetta una densità di energia sufficiente. Sfortunatamente, non esiste un irradiamento universale che soddisfi le esigenze di tutte le formulazioni. Ogni applicazione di mercato è diversa, con l’irradianza emessa ottimale alla finestra che va da poche centinaia di mW/cm2 fino e anche oltre 30 W/cm2. Più importante dell’irradianza emessa, tuttavia, è l’irradianza effettiva che viene erogata alla superficie di polimerizzazione del substrato, poiché l’irradianza diminuisce con il quadrato della distanza percorsa. Poiché un watt è un joule/secondo, l’irradianza può essere riscritta come joule/secondo/cm2 ed è la velocità con cui l’energia ultravioletta viene emessa dalla testa della lampada UV LED. È importante notare che una volta che l’irradianza satura la capacità della chimica di assorbire le lunghezze d’onda ultraviolette, l’irradianza in eccesso si converte in energia termica sulla superficie di polimerizzazione.
Finestra di densità energetica
La formulazione e la velocità della linea di produzione determinano la densità di energia (joule/cm2) necessaria per far reagire completamente la sostanza chimica. Una maggiore densità di energia si traduce in una migliore polimerizzazione complessiva, consente una velocità della linea più rapida e talvolta consente un irraggiamento di picco inferiore. Non tutti i sistemi LED UV che emettono lo stesso picco di irradianza forniscono la stessa densità di energia. La densità energetica può essere aumentata utilizzando una lampada che, per impostazione predefinita, emette una maggiore densità di energia, utilizzando più lampade in combinazione, rallentando la velocità della linea o aumentando il tempo di esposizione. Puoi saperne di più sulla densità di energia e su come influisce sulla polimerizzazione UV nella nostra pagina scientifica sulla polimerizzazione UV.
Distanza di lavoro
Questo è definito come l’offset tra la finestra di emissione del LED UV e la superficie di polimerizzazione. Deve essere specificato in base all’applicazione e alla configurazione della macchina, poiché l’irraggiamento diminuisce rapidamente con la distanza. Per adattarsi a distanze di lavoro maggiori, prendi in considerazione lampade più potenti (maggiore irradianza, maggiore densità di energia o entrambe) o una soluzione LED che incorpori ottiche o riflettori per contenere o collimare le lunghezze d’onda UV su una distanza specifica.
Meccanismo di raffreddamento
L’ambiente dell’impianto, le preferenze dell’OEM o dell’utente finale e la progettazione del sistema LED UV determinano se il meccanismo di raffreddamento è ad aria forzata o ad acqua circolata. Non tutti i prodotti LED UV sono disponibili in varianti raffreddate ad aria e i sistemi ad alta potenza in genere sono raffreddati ad acqua. Il raffreddamento dell’aria può essere positivo, dove l’aria viene spinta nella testa della lampada e scaricata nell’ambiente della stampante, oppure negativo, dove l’aria viene aspirata attraverso la testa della lampada dall’ambiente della stampante e convogliata via. Poiché i sistemi LED UV non emettono ozono, non è necessario scaricare l’aria di raffreddamento all’esterno della struttura.
Spazio di montaggio
La posizione di montaggio e la configurazione della macchina determinano lo spazio consentito per la testa LED UV. I sistemi raffreddati ad acqua generalmente sono più compatti dei sistemi raffreddati ad aria, che richiedono uno spazio minimo attorno agli ingressi e alle uscite dell’aria per garantire un’adeguata circolazione e dissipazione del calore.
Ottica e schermatura
La vicinanza della lampada e l’orientamento rispetto alle superfici di polimerizzazione indesiderate influenzano l’uso dell’ottica e della schermatura. È necessario prestare attenzione per garantire che i raggi UV vengano bloccati dalle testine di stampa a getto d’inchiostro digitale, dalle vaschette per inchiostro e rivestimento e dai materiali sensibili al calore sulla macchina. Inoltre, tutta la luce deve essere protetta dalla linea visiva diretta con l’operatore.
Profilo della parte drastico
Le applicazioni industriali con profili superficiali delle parti drastici, superfici di polimerizzazione o linee di produzione che richiedono il montaggio di lampade LED a distanze maggiori (diversi pollici o più) e la necessità di rivestimenti superiori LED UV incredibilmente duri, antigraffio e resistenti agli agenti chimici rappresentano ancora una sfida e dovrebbero essere considerate in fase di sviluppo per il prossimo futuro.
Più recentemente, la pressione normativa per trovare alternative alle lampade ai vapori di mercurio, le iniziative di sostenibilità e una crisi energetica globale stanno guidando un’adozione più rapida dei sistemi di polimerizzazione UV LED e guidando l’innovazione all’interno delle formulazioni chimiche. Mentre lo sviluppo è in corso, la tecnologia di polimerizzazione LED UV sta diventando la fonte UV preferita in un numero crescente di applicazioni. Nonostante l’impossibilità di utilizzare lo stesso identico sistema in modo intercambiabile tra applicazioni e tipi di macchine, esistono set di soluzioni LED UV che soddisfano le esigenze di molte applicazioni. Anche se gli OEM possono utilizzare per impostazione predefinita un dispositivo di polimerizzazione LED consolidato su nuove macchine e retrofit, è sempre consigliabile che gli utenti finali confermino tramite test o facendo riferimento a installazioni precedenti che il sistema corretto fosse abbinato alle esigenze specifiche del processo. Seguire le linee guida contenute in questo articolo e lavorare a stretto contatto con il fornitore del sistema di polimerizzazione UV LED, i formulatori, i costruttori di macchine OEM, gli integratori e gli utenti finali per garantire un maggiore successo complessivo della polimerizzazione UV LED.
Per ulteriori informazioni sui prodotti UV LED di GEW, visita la nostra pagina sui sistemi UV LED.
