基于UV-LED的UV油墨固化系統(tǒng)研究

林達(dá)理　張曉玲

摘要：UV-LED固化是一種新的固化技術(shù)，利用LED發(fā)出的紫外光與油墨中的光引發(fā)劑發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)使UV油墨固化，具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，并在一定程度上提高了紫外固化效率，但仍存在著光源照射功率小、散熱效果差以及控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差、控制精度不高等問題。針對(duì)以上問題，本文對(duì)現(xiàn)有的UV-LED固化光源的應(yīng)用情況進(jìn)行了較為深入地調(diào)研，探索性地設(shè)計(jì)出一種UV-LED印刷固化設(shè)備。

關(guān)鍵詞：UV-LED;紫外固化;UV油墨中圖分類號(hào)：TS802.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1400 （2019） 04-0047-05引言

我國這幾年始終以“可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略為各項(xiàng)工作的指導(dǎo)方針，更是把生態(tài)文明建設(shè)放在工作的重中之重的地位。2010年9月環(huán)境保護(hù)部和新聞出版總署共同簽署了《實(shí)施綠色印刷戰(zhàn)略合作協(xié)議》，標(biāo)志著我國正式啟動(dòng)推進(jìn)綠色印刷的實(shí)施工作。

目前，在印刷行業(yè)輻射固化中，UV固化應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛，但傳統(tǒng)的高壓水銀燈和金屬鹵素?zé)粼赨V固化光源的使用中占很大的比重，它們不但耗能高，含對(duì)環(huán)境有害的重金屬污染物，而且使用壽命短，更換得比較頻繁。伴隨著LED技術(shù)的發(fā)展，UVLED也在市場上出現(xiàn)而且被大量使用。UV-LED固化的印刷方式和傳統(tǒng)UV固化相比主要的優(yōu)點(diǎn)如下：1）節(jié)能，耗電量可以減少到80-90%;2）環(huán)保，LED固化設(shè)備在使用過程中沒有臭氧和VOCs（易揮發(fā)的有機(jī)物質(zhì)）產(chǎn)生;3）使用壽命較長，UV-LED使用時(shí)間可達(dá)20000小時(shí)，而傳統(tǒng)UV光源僅僅只有1000個(gè)小時(shí)的使用時(shí)長;4）工作高效，UV-LED在工作中可以做到快速的啟動(dòng)和關(guān)閉，無需提前預(yù)熱;5）輻射熱量小，不會(huì)使承印物因?yàn)槭艿綗彷椛涞挠绊懏a(chǎn)生伸縮變形。由于以上優(yōu)點(diǎn)，UV-LED固化技術(shù)在很多領(lǐng)域中都備受關(guān)注并且使用范圍也變得越來越廣泛，尤其是在柔性版印刷、絲網(wǎng)印刷和平版印刷等等方面都十分適用，它已經(jīng)成為印刷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，所以面對(duì)這廣闊的市場需求，很多國內(nèi)外企業(yè)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)紛紛投入開展研究。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

單-UV-LED芯片功率很小，而UV-LED固化系統(tǒng)所需功率要遠(yuǎn)大于單一芯片功率，所以需采用多UV-LED芯片組成固化設(shè)備的光源系統(tǒng)。而固化系統(tǒng)本身需具備輸出功率大、光源與油墨匹配性能好、系統(tǒng)穩(wěn)定高以及設(shè)備便攜、操作簡單等特點(diǎn)。

針對(duì)上述系統(tǒng)特點(diǎn)需求，UV-LED固化設(shè)備系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如下：

1）光源系統(tǒng)

LED光源是UV-LED印刷固化系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，要使印品達(dá)到良好的固化效果，選擇適合的LED光源并采用陣列的排布方式組成多波長混合的光源系統(tǒng)。

2）光源驅(qū)動(dòng)

LED的光特性可以電流函數(shù)的形式描述，發(fā)光輻照度的大小與工作電流有著直接的關(guān)系，所以UV-LED固化設(shè)備要得到一定功率內(nèi)的光源輻照度，其光源驅(qū)動(dòng)電路必須具備良好的穩(wěn)定性。

3）電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)是以抗工業(yè)干擾的STM32單片機(jī)為核心控制芯片，采集電流電壓和編碼器的數(shù)據(jù)，使用485通訊與觸摸屏進(jìn)行信號(hào)傳遞與交換，在觸摸屏上顯示出UV-LED印刷固化設(shè)備的電流、電壓和印刷速度等數(shù)據(jù)，并對(duì)整機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)UV固化技術(shù)原理，紫外固化光源需要在瞬間提供穩(wěn)定的高強(qiáng)度紫外光。而提高LED固化光源的輻照度有兩種方法：一是采用光學(xué)處理的方法，將LED發(fā)散的輻射能量集中;二是增加LED的數(shù)量，采用陣列結(jié)構(gòu)，使光源的輻照度達(dá)到固化要求。本設(shè)計(jì)中UV-LED采用陣列的排布方法，其本質(zhì)就是通過增加LED芯片的數(shù)量集成光源模塊，從而得到較大的輻照光強(qiáng)。在本文設(shè)計(jì)中，以光的萃取原理為依據(jù)，采用外層封裝折射率為1.5的硅膠和玻璃透鏡，由于其具有高折射率的特點(diǎn)，可以消除LED光線的全反射并提高LED出光效率。LED芯片排列在在氮化鋁陶瓷基板上，而陶瓷基板與銅鋁散熱板膠接，氮化鋁陶瓷基板可以有效降低整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的熱阻，有助于提高系統(tǒng)的散熱能力。

光源系統(tǒng)模塊由72個(gè)UV-LED芯片組成的，如圖l所示。UV-LED芯片所設(shè)計(jì)的發(fā)光面積為1m㎡，根據(jù)封裝的設(shè)計(jì)，LED的光線發(fā)散角為±60°。單-UV-LED芯片在工作電流驅(qū)動(dòng)下發(fā)光功率最高可達(dá)3W，單個(gè)光源模塊的發(fā)光功率理論上最大為216W。光源系統(tǒng)由各光源模塊拼接構(gòu)成。

3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

UV-LED芯片工作性能和使用時(shí)間都與其驅(qū)動(dòng)電路有著很大關(guān)系，因此設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)電路需具備直流可控、高效、簡便易用的特點(diǎn)。UV-LED芯片的電流和電壓之間的關(guān)系可以用伏安特性曲線進(jìn)行描述，其兩者是非線性的關(guān)系。為了降低芯片在使用過程中產(chǎn)生的光衰，在設(shè)計(jì)光源驅(qū)動(dòng)電路時(shí)需要選用恒流源驅(qū)動(dòng)方式。本文中使用AC220交流電源，通過整流濾波及SDS3106來輸出恒定電流以驅(qū)動(dòng)芯片工作。驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示：

4電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為單片機(jī)系統(tǒng)、觸摸屏人機(jī)界面、單片機(jī)與觸摸屏之間的通信三大部分。觸摸屏可以對(duì)UV-LED印刷固化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測;單片機(jī)用于采集電壓、電流及印刷速度等數(shù)據(jù)，以便于固化系統(tǒng)的控制。

其中，印刷速度采集由編碼器完成;單片機(jī)與觸摸屏通信使用RS485單電源電平轉(zhuǎn)換芯片SP3485;固態(tài)繼電器選用國晶科技PCB式固態(tài)繼電器，如圖4所示;電流、電壓數(shù)據(jù)采集模塊使用的是南京向上電子科技有限公司的DL-CTl010A電流型電流互感器和DLPT202D電流型電壓互感器的組合電路模塊，如圖5所示。

觸摸屏選用速信達(dá)科技（上海）有限公司生產(chǎn)的Sukon（速控）系列工業(yè)人機(jī)界面，型號(hào)為HCSuk8070，為7寸A8高端人機(jī)界面。配有獨(dú)立的RS485串口，可以自由的與單片機(jī)進(jìn)行通信。部分界面設(shè)計(jì)如下：

5實(shí)驗(yàn)結(jié)論

為了進(jìn)一步驗(yàn)證、分析UV-LED印刷固化系統(tǒng)工作性能，測試如下：查看印品上UV油墨是否完全固化，檢驗(yàn)UV-LED油墨固化系統(tǒng)是否滿足印刷要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1） UV-METER輻照儀測量光功率

本實(shí)驗(yàn)中，通過UV-METER輻照儀測量UVLED固化設(shè)備的光功率，通過查閱資料，18mm為固化設(shè)備印刷時(shí)UV-LED光源和承印物的最遠(yuǎn)距離，實(shí)驗(yàn)中輻照儀與LED光源確定距離分為三組進(jìn)行測量，分別為18mm、12mm、6mm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表l所示。

2）將UV-LED印刷固化系統(tǒng)架設(shè)在標(biāo)簽印刷機(jī)上完成印刷固化工作，調(diào)整UV-LED與承印物的固化距離為6mm。在四色套印實(shí)驗(yàn)中，使用杭華161系列UV油墨，測得電壓、電流和功率的顯示如下表2所示，UV-LED固化系統(tǒng)現(xiàn)場工作圖如8所示。

通過工業(yè)酒精對(duì)印品的擦拭，達(dá)到了預(yù)期的固化效果。綜合上述兩組實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)及最終印品效果可以得出基于UV-LED的油墨固化系統(tǒng)具有實(shí)用性的結(jié)論。

6總結(jié)

通過對(duì)現(xiàn)有的UV-LED印刷固化設(shè)備的應(yīng)用情況進(jìn)行研究，針對(duì)高壓汞燈和金屬鹵素?zé)舻裙庠创嬖诘膯栴}，研究并設(shè)計(jì)出一種UV-LED陣列型固化光源模塊。由模塊組合成光源系統(tǒng)，介紹了該光源系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)，對(duì)固化設(shè)備進(jìn)行信息采集和實(shí)時(shí)控制。最后對(duì)所設(shè)計(jì)出的基于UV-LED油墨固化系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了本文的設(shè)計(jì)方案實(shí)用性。