UV-Farben und -Lacke härten durch die Bestrahlung mit UV-Licht. Sie enthalten nahezu keine Lösungsmittel, die bei dem Härtungsprozess heraus diffundieren – man spricht bei der UV-Härtung von einer Polymerisation, eine Vernetzungsreaktion der Lackbestandteile. Die Abbildungen eins bis vier veranschaulichen diesen Vorgang. Die in den Lack eingemischten Photoinitiatoren spielen eine entscheidende Rolle und sind Voraussetzung für den Prozess. (Bild 1). Sie absorbieren die eintreffenden Photonen des UV-Lichtes (Bild 2) und setzen die Photonen-Energie in chemische Kettenreaktionen (Bild 3) bis zur vollständigen Vernetzung (Bild 4) um. Damit ist der Lackfilm gehärtet.
Mitteldruckstrahler bieten ein breites Spektrum
Erfolgreich werden seit vielen Jahren für die UV-Polymerisation Mitteldruckstrahler eingesetzt. Deren breitbandige Strahlungsemission (Abb. 5) bietet den Vorteil, dass Photoinitiatoren in vielfältigen Anwendungen eingesetzt werden können. Ihre hohe Leistung ermöglicht hohe Prozessgeschwindigkeiten, oftmals wird dafür jedoch auch viel Energie aufgewendet.
Mitteldruckstrahler sind in verschiedenen Dotierungen erhältlich, wodurch sich die Härtung der Farbe optimieren lässt und auch hohe Schichtdicken problemlos realisiert werden können. Bei spezifischen Anwendungen, wie beispielsweise der Beschichtung von Nadelhölzern, ist die Wärmeentwicklung an der Oberfläche des Materials oftmals eine Herausforderung. Besonders bei geringen Maschinengeschwindigkeiten kann dies zur Schädigung des Substratmaterials oder des aufgetragenen Lackes führen.
Innovative UV-Technologien für beste Härtungsqualität
Moderne UV-LED Technologien eröffnen neue Möglichkeiten, spezifische Härtungsanwendungen optimaler zu gestalten.
Dank ihrer Taktbarkeit können sie verzögerungsfrei ein- und ausgeschaltet werden. Somit wird nur dann Energie verbraucht, wenn sie benötigt wird, was den gesamten Energiebedarf deutlich reduziert. (Abb. 6)
Auch die Herausforderung der Wärmeentwicklung wird durch den Einsatz von UV-LED Modulen gelöst. An der Oberfläche des Materials entsteht nahezu keine Wärme, denn UV-LEDs emittieren keine Infrarot-Strahlung. Sie sind damit gerade auch für temperatursensible Materialien, wie Nadelhölzer oder Folien bestens zum Härten geeignet. LED Systeme sind in Leistung und Abmessung skalierbar. Deshalb lassen sich auch hohe Prozessgeschwindigkeiten von 60 Metern pro Minute und mehr realisieren, ohne dass die Härtungsqualität darunter leidet. Das von Heraeus Noblelight entwickelte UV-LED Modul NobleCure® ist in verschiedenen Wellenlängenkonfigurationen von 365 bis 420 Nanometern verfügbar. Da nahezu 100 Prozent des Spektrums im UVA Bereich liegen haben die LEDs eine ähnliche Härtungswirkung wie Gallium-dotierte Mitteldruckstrahler. Sie erreichen auch bei dicken Schichten eine sehr hohe Eindringtiefe und sorgen für gute Anhaftung des Lacks am Substrat. Besonders die sogenannten Pinning-Anwendungen profitieren davon. Das Material härtet in der Tiefe gut aus, bleibt an der Oberfläche aber noch leicht klebrig. Dadurch haftet die nächste Schicht besonders gut. Eine weitere Herausforderung stellen Arbeitsabstände von größer als 10 Millimetern an UV-LED Systeme. Der Abstrahlwinkel der LEDs ist sehr groß, was bei zu hohem Arbeitsabstand sehr viel Streulicht und wenig Intensität auf dem Substrat bedeutet. Um LED Systeme für den industriellen Einsatz in Beschichtungsanwendung zu qualifizieren, können Mikrooptiken eingesetzt werden. Diese verkleinern den Abstrahlwinkel der LEDs und ermöglichen Arbeitsabstände von 70 Millimetern und mehr.
UVC-Hochleistungsmodule optimieren die Härtung
UV-LEDs emittieren ein monochromatisches Lichtspektrum. Es kommt vor, dass die UV-Vernetzung eines Lackes dadurch unvollständig verläuft. Insbesondere kann durch das Fehlen von Strahlung im niederwelligen Spektralbereich die Oberfläche klebrig bleiben. Damit trotzdem vielfältige Anwendungen möglich sind, können neuartige UVC-Hochleistungsstrahler den Härtungsprozess mit UV-LEDs optimieren.
UVC-Strahler liefern kurzwelliges UV-Licht im Spektralbereich zwischen 200 und 280 Nanometern (UVC) (Abb. 5 und 7). Damit werden die notwendigen Photonen geliefert, die auch die Oberfläche gleichmäßig gut härten. Das UVC-Licht reduziert deutlich die Sauerstoffinhibierung an der Oberfläche. Gerade vor Schleifprozessen oder zum finalen Versiegeln der Oberfläche ist diese homogene Oberflächenhärtung besonders wichtig.
In Soluva® UVC-Cure Module von Heraeus sind Hochleistungsstrahler mit patentiertem Reflektor integriert. Dank dieses QRC®-Reflektors geben die Strahler eine noch höhere Intensität ab und das bei gleichbleibend geringem Energieverbrauch. Auch ihre geringe Wärmeentwicklung machen die neuartigen Module attraktiv für temperaturempfindliche Materialien. Die enorm lange Lampenlebensdauer vergrößert die Intervalle für Wartung und Service, was wiederum Aufwand und Kosten dafür reduziert. Zudem bleibt zusätzliches Reinigen der Strahler dank des speziellen Reflektors erspart.
Wie auch bei der Härtung mit UV-LEDs, können mit UVC-Hochleistungsmodulen flexible Bestrahlungsabstände, bis zu 70 Millimeter und hohe Prozessgeschwindigkeiten, bis zu 60 Metern pro Minute realisiert werden, ohne dass die Qualität der Härtung darunter leidet.
Kombinierter Einsatz von LEDs und Hochleistungsstrahlern
Werden nun UV-LEDs und UVC-Hochleistungsstrahler kombiniert ein einem Härtungsprozess eingesetzt, sind sie durchaus eine innovative Alternative zu herkömmlichen Härtungsmethoden.
Langlebigkeit, geringe Wärmeentwicklung, Flexibilität in Bestrahlungsabständen und Steigerung der Prozessgeschwindigkeiten sind dabei entscheidende Vorteile. Geringerer Wartungsaufwand und vor allem ein geringerer Energiebedarf senken deutlich die Prozesskosten. Gerade in Zeiten steigender Energiepreise lohnt es sich in stromsparende Alternativen, wie diese zu investieren. Etwa 75 Prozent Energieeinsparungen (Abb. 6) im Vergleich zu herkömmlichen Methoden sind möglich, wenn UV-LEDs kombiniert mit UVC-Hochleistungsstrahlern zum Einsatz kommen. Auch die Umwelt wird dabei geschont, denn beide Verfahren sind frei von Ozon.
Zusätzlich bietet der kombinierte Einsatz beider Technologie-Systeme neue Möglichkeiten für einfachere und damit kostengünstigere Formulierungen von Lacke und Farben. Hinzu kommt, dass Lacke, die nur für UV-LEDs formuliert wurden dazu neigen während der Härtung zu vergilben. Durch den kombinierten Einsatz von UV-LEDs und UVC-Hochleistungsstrahlern wird dieser Effekt nicht stärker deutlich als bei der Benutzung von konventionellen Mitteldruckstrahlern (Abb. 9).
Die Heraeus UV-Module sind so modular konzipiert, dass sie nahezu überall in die Anlage integriert werden können.
Im Applications Competence Center (ACC) in Hanau können Anwendungen mit unterschiedlichen Lichtquellen getestet werden. Diverse UV-Bestrahlungskammern und -anlagen stehen hier zur Verfügung, um die unterschiedliche Wirkung von UV-Licht unter verschiedensten Bedingungen zu messen und zu vergleichen. Zudem hilft der Heraeus Energieeffizienzcheck herauszufinden, wie im Härtungsprozess bares Geld gespart und Energie effizienter eingesetzt werden kann. Optimieren Sie Ihren Prozess auf optimale Härtungsergebnisse und testen Sie Ihre UV-Anwendung im ACC – damit die Oberfläche möglichst lange attraktiv bleibt.
(Bild: Heraeus Noblelight GmbH)
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