Die wachsende Rentabilität von UV-LEDs für Automobil- und Transportanwendungen

Wellenlänge, Englisch

Abstrakt

In diesem Beitrag werden die Grundlagen von Ultraviolett (UV)-Härtung, einschließlich Spitzenbestrahlungsstärke (Watt/cm²), Energiedichte (Joule/cm²), spektrale Wellenlänge (nm) und Gesamtleistung (Watt) sowie die grundlegenden Unterschiede zwischen Elektroden-, Mikrowellen- und UV-LED-Härtungssystemen. Darüber hinaus werden die Vorteile der UV-LED-Technologie, die Trends, die ihre Einführung in immer mehr Produktionstechnologien vorantreiben, und, was noch wichtiger ist, ihre zunehmende Eignung für Anwendungen in der Automobil- und Transportindustrie hervorgehoben.

Einführung

Die Automobil- und Transportindustrie steht in den kommenden Jahren vor mehreren Herausforderungen in den Bereichen Design, Konstruktion und Fertigung. Viele davon betreffen die Vorbereitung auf die Corporate Average Fuel Economy (CAFE) Standards, die von den Herstellern bis 2025 einen produktionsgewichteten Verbrauch von 54,5 Meilen pro Gallone verlangen. Andere haben mit einer besseren globalen Verantwortung zu tun, die eine weitere Reduzierung des Abfalls und des Energieverbrauchs in den Montage- und Zulieferbetrieben erfordert. Und schließlich werden die sich ständig verändernde demografische Entwicklung und der Mangel an Hightech-Fachkräften wahrscheinlich zu einer noch stärkeren Automatisierung und Prozesssteuerung in den globalen Produktionsstätten führen. Für jede dieser Herausforderungen werden wahrscheinlich viele neue Fertigungsprozesse entwickelt werden müssen.

"In dem Bestreben, die Automobil- und Transportindustrie mit den Vorzügen der UV-LED-Härtung vertraut zu machen, werden in diesem Beitrag zunächst die Grundlagen der Aushärtung aus Sicht der Geräte erläutert."

JENNIFER HEATHCOTE, REGIONALER VERTRIEBSLEITER, PHOSEON TECHNOLOGY

Während die konventionelle UV-Härtung durch den Einsatz von Mikrowellen- und Bogenlampen seit Jahrzehnten in Produktionsprozessen der Automobil- und Transportindustrie eingesetzt wird, ist die UV-LED-Härtung relativ neu und hat noch nicht viel Zugkraft gewonnen. In anderen Märkten ist die UV-LED-Technologie jedoch viel mehr Mainstream, da bedeutende Fortschritte bei Ausrüstung und Formulierung es der Technologie ermöglichen, schnell in eine wachsende Bandbreite von Anwendungen einzudringen. Dies ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass die UV-LED-Technologie zahlreiche Leistungs-, Betriebs- und Umweltvorteile bietet und als Grundlagentechnologie für die Aushärtung von Druckfarben, Klebstoffen und Beschichtungen auf einer größeren Anzahl wärmeempfindlicher Materialien eingesetzt werden kann, während sie gleichzeitig eine umfassende Prozess- und Qualitätskontrolle ermöglicht. Daher sollte die UV-LED-Härtung auf ihre Einsatzfähigkeit in der Produktion hin untersucht und bewertet werden, da die Automobil- und Transportunternehmen bestrebt sind, im kommenden Jahrzehnt verschiedene Herausforderungen in der Produktion zu meistern.

In dem Bemühen, der Automobil- und Transportindustrie die Vorzüge der UV-LED-Härtung näher zu bringen, werden in diesem Beitrag zunächst die Grundlagen der Aushärtung aus Sicht der Geräte erläutert.

Industrielle Quellen für die UV-Härtung

Zu den industriellen Quellen für UV-Energie gehören seit langem Quecksilber-Mitteldruckbogen- und mikrowellenbetriebene Lampen und in jüngerer Zeit auch Leuchtdioden (LEDs). Alle drei Technologien werden zur Vernetzung von Druckfarben, Beschichtungen und Klebstoffen in einer Vielzahl von Fertigungsprozessen eingesetzt. Sowohl die Lichtbogen- als auch die Mikrowellenhärtung beruhen auf der Verdampfung von Quecksilber innerhalb einer versiegelten Quarzröhre, die ein Inertgasgemisch enthält.

Die Physik des Quecksilbers ist so beschaffen, dass es ultraviolettes Licht aussendet, wenn es verdampft. Elektrodenlose Lampen verwenden Mikrowellen, um das Quecksilber zu verdampfen, während Elektrodenlampen einen Hochspannungsbogen zwischen zwei Elektroden nutzen, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Wenn das Quecksilber zu einem Plasmagas mit extrem hoher Temperatur verdampft wird, emittiert es eine spektrale Leistung über die UVA-, UVB-, UVC- und UVV-Bänder, die durch die Einführung von metallischen Zusätzen in das Innere der Lampen in geringem Maße manipuliert werden kann.

Lampen mit zugesetzten Metallen werden typischerweise als dotierte, additivierte oder Metallhalogenid-Lampen bezeichnet. Die meisten Tinten-, Klebstoff- und Beschichtungsformulierungen der letzten Jahrzehnte wurden so formuliert, dass sie der Leistung von Standard-Quecksilberlampen sowie von mit Eisen und Gallium dotierten Lampen entsprechen. Wenn die Formulierungen der ultravioletten Energie ausgesetzt werden, werden sie zu einem Photopolymer vernetzt.

UV-LEDs hingegen sind Festkörper-Halbleiter. Sie enthalten keine beweglichen Teile oder Quecksilberplasmagas und arbeiten bei Temperaturen, die oft weniger als 1/10 der Betriebstemperaturen von herkömmlichen Lampen betragen. Wenn sie an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, fließt ein elektrischer Strom durch die Halbleiter, der Elektronen auf ihrem Weg von der negativen zur positiven Seite jeder einzelnen LED in einen Zustand geringerer Energie fallen lässt. Die Energiedifferenz wird vom Gerät in Form einer relativ monochromatischen Spektralverteilung abgegeben.

Kommerziell hat die UV-LED-Technologie mit längeren UVA-Wellenlängen (365, 385, 395 und 405 nm) eine bedeutende Marktakzeptanz, und die Entwicklungsarbeit in den kürzeren UVB- und UVC-Bändern geht weiter. Es gibt zwar keine UV-LED-Quelle, die eine herkömmliche Lampe direkt nachahmt, aber die längeren Wellenlängen, die von LEDs emittiert werden, führen dazu, dass ihre spektrale Verteilung einer Eisen- oder Galliumlampe ähnlicher ist als einer einfachen Quecksilberlampe. Das Ergebnis ist, dass UV-LED-Wellenlängen tiefer in die Chemie eindringen können und eine bessere Durchhärtung erzeugen, insbesondere bei opaken und pigmentierten Formulierungen.

Bei Klarlacken war es bisher die größte Herausforderung für UV-LEDs, eine harte, kratzfeste Oberflächenhärtung ohne Vergilbung zu erreichen. Dies liegt daran, dass viele Lackformulierungen für eine ausreichende Vernetzung an der Oberfläche auf die kürzeren Wellenlängen angewiesen sind, die von Breitbandlampen emittiert werden, und die aktuellen UVB- und UVC-LEDs die Aushärtungsanforderungen in diesen kürzeren Wellenlängen noch nicht erfüllen. Durch höhere Bestrahlungsstärken und Anpassungen der Formulierungen konnten diese Probleme jedoch oft gelöst werden. Bei den anderen wird durch laufende Entwicklungsarbeit versucht, die Lücke zu schließen.

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