Bei der UV-Härtung wird hochintensives elektronisches ultraviolettes (UV) Licht eingesetzt, um Druckfarben, Beschichtungen, Klebstoffe oder andere photoreaktive Substanzen durch Polymerisation in einen Feststoff zu verwandeln, der sofort an Ort und Stelle fixiert wird. Im Gegensatz dazu verfestigt sich die Chemie beim „Trocknen“ durch Verdunstung oder Absorption.
Die Vorteile sind zahlreich und für viele Produktions- und Druckunternehmen messbar: Sie reichen von einer kühleren und saubereren Aushärtung als bei herkömmlichen Verfahren mit Quecksilberdampflampen über eine schnellere und konsistentere Produktion bis hin zu Energieeinsparungen und einem geringeren ökologischen Fußabdruck.
EIN BLICK AUF DIE AUSHÄRTUNGS-WELLENLÄNGEN VON LED- IM VERGLEICH ZU QUECKSILBERDAMPFLAMPEN: UV-Härtungssysteme werden von industriellen Herstellern in der Druck-, Automobil-, Medizintechnik-, Elektronik- und Verpackungsindustrie eingesetzt. Sie werden auch in der Holzveredelung eingesetzt, etwa zum Beschichten und Verkleben bei der Montage sowie zum Versiegeln und Dekorieren im Siebdruck.
Was ist UV-Härtung?
Bei der UV-Härtung handelt es sich um ein schnelles, lösungsmittelfreies photochemisches Verfahren bei niedriger Temperatur, bei dem hochintensives elektronisches ultraviolettes (UV) Licht eingesetzt wird, um Druckfarben, Beschichtungen, Klebstoffe oder andere photoreaktive Substanzen durch Polymerisation in einen Feststoff zu verwandeln, der sofort an Ort und Stelle fixiert wird. Im Gegensatz dazu verfestigt sich die Chemie beim „Trocknen“ durch Verdunstung oder Absorption. Im Idealfall haften die ausgehärteten Stoffe bei der UV-Härtung fest auf dem Untergrund, auf den sie aufgebracht wurden, und zwar mit einer ausreichenden Aushärtungstiefe, ohne klebrig oder schuppig zu werden.
Zu den Arten der UV-Härtung gehören die Punkthärtung, die Fluthärtung, die Handhärtung und die Durchlaufhärtung. UV-Härtungssysteme verwenden verschiedene Lampen als UV-Lichtquellen: Bogenlampen auf Quecksilberbasis, die ein breites Spektrum an UV-Licht erzeugen, und Leuchtdioden (LEDs), die nur UVA-Energie abstrahlen. UVC-LEDs sind zwar eine Option, aber die Leistungsabgabe und Effizienz ist wesentlich geringer.
Quecksilberbogenlampen (HG-Typ) sind seit langem der vorherrschende Standard bei der UV-Härtung und werden in großem Umfang als Lösungen für Druck- und andere industrielle Fertigungsprozesse eingesetzt. Sie funktionieren gut, haben aber auch ihre Schattenseiten. Problematisch ist vor allem, dass sie viel Wärme erzeugen und große Mengen Energie verbrauchen. Außerdem erzeugen sie Ozon, was Abgasanlagen zur Aufrechterhaltung der Luftqualität erforderlich macht, und Quecksilberlichtbogenlampen müssen kostenintensiv und unter behördlicher Kontrolle entsorgt werden und belasten langfristig die Umwelt.
Die LED-basierte UV-Härtung bietet alle Vorteile der herkömmlichen UV-Härtung und bietet gleichzeitig Lösungen für viele Probleme, die bei der Heißlufttrocknung auftreten. Dazu gehören sofortiges Ein- und Ausschalten, schnelles und gleichmäßiges Trocknen/Aushärten, geringe Wärmeabgabe und niedriger Stromverbrauch. Darüber hinaus eignen sich LED-UVs aufgrund ihrer Kompaktheit ideal für die Integration in Prozesse oder Maschinen mit geringem Platzangebot.
Eine kühlere, sauberere Härtung
Ein entscheidender Vorteil von LED-UV-Härtungssystemen ist die Möglichkeit, die wärmebedingten Gefahren und Energiekosten der Heißlufttrocknung zu umgehen, da sie keine Infrarotwärme erzeugen und bei deutlich niedrigeren Temperaturen arbeiten als herkömmliche Quecksilberbogen-UV-Härtungslampen.
Die geringe Wärmemenge, die bei LED-UV entsteht, wird von der Rückseite des Moduls abgeleitet, so dass die Substratseite kühler bleibt. Dadurch können viel mehr wärmeempfindliche Substrate als mit Quecksilberdampflampen bedruckt werden, darunter Folien, Kunststoffe und andere Materialien, die keine Tinte absorbieren, und dies ohne Verzerrung oder Beschädigung.
Der Wegfall eines zwischengeschalteten Trocknungsschritts ist einer der wichtigsten Vorteile von UV-Härtungssystemen. Bei Offsetdruckmaschinen macht die UV-Härtung den Einsatz von Trocknungspuder überflüssig, um ein Verkleben der Druckbögen zu verhindern, was den Reinigungs- und Wartungsaufwand erheblich reduziert.
Ein Vorteil aller unter UV aushärtenden Tinten ist, dass sie auf dem Substrat sitzen und nicht in dieses eindringen, wie es bei den meisten anderen Tinten der Fall ist. Dies ist besonders vorteilhaft auf nicht porösen Substraten, auf denen weniger Tinte wünschenswert ist, um die Punktgröße zu kontrollieren.
Mit der LED-UV-Härtung können durch ein „Nass-in-Nass“-Verfahren hochwertige Druckeffekte wie „Drip-Off“, auch bekannt als „Strike-Through“ erzielt werden – ein extremer, sichtbarer und fühlbarer Kontrast zwischen hochglänzenden und matten Bereichen auf dem Bogen. Sie ebnet auch den Weg für weitere Entwicklungen in diesem Bereich, die die kreativen Anwendungen und die Möglichkeiten des Drucks erweitern.
Zusätzlich zu den direkten Vorteilen wie kühleren Temperaturen, schnellerer Aushärtung, geringerer Materialverformung durch Hitze und dem Wegfall des Trocknungsschritts verkürzt LED-UV die Einrichtungs- und Vorbereitungszeiten, beschleunigt die Durchlaufzeiten und erhöht die Kapazität.
Umweltschonend
LED-UV-Lampen erfordern Klebstoffe und Farben mit speziellen Formeln, die frei von Lösungsmitteln sind, sodass bei der LED-UV-Härtung keine flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) freigesetzt werden. So werden die Umweltbelastungen minimiert und die Menge der verwendeten Materialien und des erzeugten Abfalls verringert.
Da LED-UV-Lampen UVA-Energie emittieren, erzeugen sie kein Ozon, das bei vielen Druckhärtungsverfahren, einschließlich Bogen-UV-Lampen, als Nebenprodukt anfällt und aus dem Arbeitsbereich abgesaugt werden muss. LED-UV-Lampen sind außerdem frei von Quecksilber, einem giftigen Metall, das in UV-Bogenlampen enthalten ist. Damit entfällt die Notwendigkeit, Quecksilberbogenlampen sicher zu handhaben und zu entsorgen.
Durch die Verwendung von UV-LEDs werden Hitze, Ozon und Quecksilber aus den Druckräumen entfernt, was diese sicherer macht. Mit LED-UV-Geräten entfallen auch die Kosten, die durch Kühlluftgebläse und Ozonabsaugsysteme entstehen, sowie die Geräusch- und Geruchsbelästigung, die mit anderen Systemen verbunden ist, was die Arbeitsumgebung weiter verbessert.
Energieeinsparungen und schnellere Produktion
Ansicht eines Hochleistungs-LED-UV-Härtungsmoduls mit zwei Strahlen
Ein weiterer bedeutender Vorteil von UV-Lampen auf LED-Basis ist, dass sie sich nur bei Bedarf einschalten und sofort zur Aushärtung bereit sind, im Gegensatz zu herkömmlichen bogenbasierten Lampen, die während der gesamten Produktion eingeschaltet bleiben und eine anfängliche Aufwärmphase benötigen, die die Produktion verlangsamt.
Das sofortige Ein- und Ausschalten der LED-UV-Lampen erhöht nicht nur die Produktionsgeschwindigkeit und -kapazität, sondern senkt auch den Energieverbrauch und die Belastung der Lampen im Vergleich zur konventionellen Aushärtung mit „immer eingeschalteten“ UV-Quecksilberlampen. LED-UV hat außerdem keine beweglichen Teile und macht die Wartung anderer Teile wie Vorschaltgeräten, Verschlüssen, Reflektoren und Lüftern überflüssig, die bei Bogenlampen Standard sind.
Die meisten LED-UV-Lampen arbeiten im Durchschnitt 10-mal länger – 10.000 bis 20.000 Betriebsstunden – als Bogen-UV-Härtungslampen, die im Durchschnitt eine Lebensdauer von 1.000 bis 2.000 Stunden haben. Dies führt zu mehr Betriebszeit, weniger Wartung und Lampenaustausch führt.
Ein weiterer Vorteil der LED-UV-Härtung besteht darin, dass sie im Gegensatz zu UV-Lichtbogenlampen, die sich mit der Zeit verschlechtern, eine stabile Leistung gewährleistet. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer ständigen Überwachung und eines vorbeugenden Lampenwechsels. Dies verbessert die Prozess- und Qualitätssteuerung.
Und es kommt noch besser: Die Bediener haben die Flexibilität, genau die UV-Energie zu programmieren, die für wechselnde Prozessanforderungen benötigt wird, um Produktabfälle zu reduzieren, die Produktionskapazitäten zu erweitern und die Produktionslinien möglichst effizient zu nutzen. Sie können auch einzelne Module in Installationen mit mehreren Einheiten abschalten, um Energie zu sparen, ohne die Produktionsgeschwindigkeit zu verringern oder die Qualität zu beeinträchtigen.
Darüber hinaus senkt die Aushärtung bei geringerer Hitze den Stromverbrauch, da bei herkömmlichen Druckmaschinen keine Trockner benötigt werden, die der Druckerei neben dem direkten Energieverbrauch im Druckprozess auch höhere Kühlkosten bescheren.
Auf dem Vormarsch im Druckbereich
Im Druckbereich wird die LED-UV-Härtung in neuen digitalen Inkjet-, Flexo- und Offset-Bogendruckmaschinen zunehmend Standard, und es gibt eine wachsende Zahl von Druckereien, die Produktionslinien von den bisherigen UV-Härtungssystemen auf LED-UV umrüsten.
Die meisten UV-härtenden Tintenstrahldrucker auf dem Markt verwenden standardmäßig die LED-Härtungstechnologie, da diese weiterentwickelt wurde, um eine schnellere Aushärtung und einen hochwertigen Druck sowie eine verbesserte Produktionsleistung zu erzielen.
Die LED-UV-Härtung hat sich im Großformat-Grafik- und Etiketten-Tintenstrahldruck durchgesetzt, seit ein kleiner Schlitten die leichte Lampe schnell über die Breite des Druckers bewegt, um die Tinte zu härten. Dies war mit Quecksilberdampflampen aufgrund ihres höheren Gewichts, der großen Stellfläche und der Kühlmechanismen nicht möglich.
Bei Flexodruckmaschinen wird die Fähigkeit von LED-UV, mit kühleren Temperaturen zu härten, weithin als entscheidender Vorteil für den Druck auf dünneren Folien und einer breiteren Palette von Etikettenmaterialien angesehen. Die LED-UV-Härtung ist bei Tintenstrahldruckern marktführend bei großformatigen Grafiken, vor allem wegen der Möglichkeit, spezielle Substrate zu bedrucken, und auch die meisten Schmalbahndruckmaschinen werden standardmäßig mit LED-UV-Härtung verkauft.
Während die Anfangsinvestition für LED-Systeme bis zu fünfmal so hoch sein kann wie die Kosten für herkömmliche Lichtbogen-UV-Härtungssysteme, können die Gesamtbetriebskosten über die gesamte Lebensdauer hinweg niedriger sein, wenn man die niedrigeren Betriebskosten und die längere Lebensdauer der LED-Aushärtungslampen zusammen mit den Prozess- und Produktivitätsgewinnen berechnet.
Mit der LED-UV-Härtung können Druckereien mehr Dokumente auf einer einzigen Druckmaschine produzieren und veredeln und somit höhere Produktionsmengen auf weniger Geräte konzentrieren.
Die Geschichte der LED-UV-Härtung
Ultraviolette (UV) Aushärtungsverfahren wurden erstmals in den 1960er Jahren für die Fixierung von Beschichtungen auf Möbeln eingesetzt. Die Verwendung von Halbleiter-LEDs zur Erzeugung von UV-Licht ist ein relativ neues Verfahren, mit dem sich viele Drucker und Verarbeiter noch vertraut machen müssen.
Asif Khan ist es zu verdanken, dass Mitte 2001 der Beweis erbracht wurde, dass LEDs zur Erzeugung von ultraviolettem Licht taugen. Seine Forschungsgruppe an der Universität von South Carolina entwickelte eine LED, die bei 340 nm erhebliche Mengen an UV-Licht erzeugte. Der USC-Gruppe ist durch ihre Forschungen gelungen, LED-UV-Geräte zu entwickeln, die UV-A-, UV-B- und UV-C-Licht emittieren. Das beweist, dass es noch Raum für neue Entwicklungen im Bereich des LED-Lichts und seiner möglichen Anwendungen gibt.
2009 brachte Air Motion Systems (jetzt AMS Spectral UV – A Baldwin Technology Company) ein hochintensives LED-UV-Härtungssystem auf den Markt, das für die extrem schnellen Aushärtungsgeschwindigkeiten und hohen Aushärtungsintensitäten/Spitzenbestrahlungsstärken ausgelegt ist, die für den Bogenoffsetdruck erforderlich sind. Die Entwicklung von LED-UV bot eine Alternative zu konventionellen UV-Systemen für die Verfestigung von Druckfarben, Beschichtungen und Klebstoffen im Druckprozess und revolutionierte die Möglichkeiten gewerblicher Druckereien, ihre Druckfarben zu trocknen, und eine lange Liste von Produktivitäts-, Qualitäts-, Betriebs- und Umweltvorteilen, die damit einhergehen, kommt noch hinzu.
Außerhalb des Druckwesens waren die ersten kommerziellen LED-UV-Anwendungen kleinflächiges Kleben und Kleben bei der Montage medizinischer Geräte. Heute geht der Einsatz von LED-UV weit über das hinaus, was man sich in den Anfängen vorstellen konnte, und zwar wegen der geringen Größe, des geringen Gewichts und der Fähigkeiten der LED zur Härtung bei niedrigen Temperaturen. Außerdem sind die Energiedichte gestiegen und die Kosten gesunken. Sie sind in den Bereichen Grafik, Holzbeschichtung, Elektronik, Verbundwerkstoffe, Textilien, Glas, Kunststoffe, Haushaltsprodukte, Pharmazie und anderen Märkten weit verbreitet.
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