Quecksilberdampf, Leuchtdioden (LED) und Excimer sind unterschiedliche UV-härtende Lampentechnologien. Während alle drei in verschiedenen Photopolymerisationsprozessen zur Vernetzung von Tinten, Beschichtungen, Klebstoffen und Extrusionen verwendet werden, sind die Mechanismen, die die abgestrahlte UV-Energie erzeugen, sowie die Eigenschaften der entsprechenden spektralen Leistung völlig unterschiedlich. Das Verständnis dieser Unterschiede ist von entscheidender Bedeutung für die Anwendungs- und Formulierungsentwicklung, die Auswahl der UV-Härtungsquelle und die Integration.
Quecksilberdampflampen
Sowohl Elektrodenbogenlampen als auch elektrodenlose Mikrowellenlampen fallen in die Kategorie der Quecksilberdampflampen. Quecksilberdampflampen sind Mitteldruck-Gasentladungslampen, bei denen eine kleine Menge elementares Quecksilber und Inertgas in einem versiegelten Quarzrohr zu einem Plasma verdampft werden. Plasma ist ein ionisiertes Gas mit unglaublich hoher Temperatur, das Elektrizität leiten kann. Sie wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen zwei Elektroden in einer Bogenlampe oder durch Mikrowellenbestrahlung einer elektrodenlosen Lampe in einem Gehäuse oder Hohlraum erzeugt, dessen Konzept einem Haushaltsmikrowellenofen ähnelt. Sobald Quecksilberplasma verdampft ist, emittiert es Breitbandlicht im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich.
Bei einer elektrischen Bogenlampe versorgt eine angelegte Spannung das versiegelte Quarzrohr mit Energie. Diese Energie verdampft das Quecksilber zu einem Plasma und setzt Elektronen aus verdampften Atomen frei. Ein Teil der Elektronen (-) fließt zur positiven Wolframelektrode oder Anode (+) der Lampe und in den Stromkreis des UV-Systems. Die Atome mit neu fehlenden Elektronen werden zu positiv angeregten Kationen (+), die zur negativ geladenen Wolframelektrode oder Kathode der Lampe fließen (-). Bei ihrer Bewegung treffen Kationen auf neutrale Atome im Gasgemisch. Durch den Aufprall werden Elektronen von neutralen Atomen auf Kationen übertragen. Wenn Kationen Elektronen aufnehmen, fallen sie in einen Zustand niedrigerer Energie. Die Energiedifferenz wird in Form von Photonen abgegeben, die von der Quarzröhre nach außen strahlen. Vorausgesetzt, dass die Lampe ausreichend mit Strom versorgt wird, richtig gekühlt wird und innerhalb ihrer Nutzungsdauer betrieben wird, strömt eine konstante Zufuhr neu erzeugter Kationen (+) zur negativen Elektrode oder Kathode (-), trifft auf mehr Atome und erzeugt eine kontinuierliche Emission von UV-Licht. Mikrowellenlampen funktionieren auf ähnliche Weise, mit der Ausnahme, dass Mikrowellen, auch Radiofrequenz (RF) genannt, den Stromkreis ersetzen. Da Mikrowellenlampen keine Wolframelektroden haben und lediglich ein versiegeltes Quarzrohr sind, das Quecksilber und Inertgas enthält, werden sie üblicherweise als elektrodenlos bezeichnet.
Die UV-Leistung von Breitband- oder Breitspektrum-Quecksilberdampflampen umfasst etwa zu gleichen Teilen ultraviolette, sichtbare und infrarote Wellenlängen. Der ultraviolette Teil umfasst eine Mischung aus UVC- (200 bis 280 nm), UVB- (280 bis 315 nm), UVA- (315 bis 400 nm) und UVV- (400 bis 450 nm) Wellenlängen. Lampen, die UVC in Wellenlängen unter 240 nm emittieren, erzeugen Ozon und erfordern eine Absaugung oder Filterung.
Die spektrale Leistung einer Quecksilberdampflampe kann durch Zugabe kleiner Mengen an Dotierstoffen wie Eisen (Fe), Gallium (Ga), Blei (Pb), Zinn (Sn), Wismut (Bi) oder Indium (In) verändert werden ). Die zugesetzten Metalle verändern die Zusammensetzung des Plasmas und damit die Energie, die bei der Elektronenaufnahme der Kationen freigesetzt wird. Lampen mit zugesetzten Metallen werden als dotierte, additive und Metallhalogenidlampen bezeichnet. Die meisten UV-Tinten, Beschichtungen, Klebstoffe und Extrusionen sind so konzipiert, dass sie die Leistung von Standardlampen mit Quecksilber (Hg) oder Eisen (Fe) erreichen. Eisendotierte Lampen verschieben einen Teil der UV-Strahlung in längere, nahezu sichtbare Wellenlängen, was zu einer besseren Durchdringung dickerer, stark pigmentierter Formulierungen führt. UV-Formulierungen, die Titandioxid enthalten, neigen dazu, mit Gallium (GA)-dotierten Lampen besser auszuhärten. Dies liegt daran, dass Galliumlampen einen erheblichen Teil der UV-Strahlung in Richtung Wellenlängen über 380 nm verschieben. Da Titandioxid-Additive im Allgemeinen kein Licht über 380 nm absorbieren, ermöglicht die Verwendung von Galliumlampen mit weißen Formulierungen, dass Photoinitiatoren im Gegensatz zu Additiven mehr UV-Energie absorbieren.
Spektralprofile bieten Formulierern und Endbenutzern eine visuelle Darstellung, wie die Strahlungsleistung für ein bestimmtes Lampendesign über das elektromagnetische Spektrum verteilt ist. Während verdampftes Quecksilber und Zusatzmetalle definierte Strahlungseigenschaften haben, beeinflussen die genaue Mischung von Elementen und Inertgasen im Quarzrohr sowie die Lampenkonstruktion und das Design des Härtungssystems alle die UV-Leistung. Die spektrale Leistung einer nicht integrierten Lampe, die von einem Lampenlieferanten im Freien betrieben und gemessen wird, weist eine andere spektrale Leistung auf als die einer Lampe, die in einem Lampenkopf mit ordnungsgemäß ausgelegtem Reflektor und Kühlung montiert ist. Spektralprofile sind bei UV-Systemlieferanten leicht erhältlich und bei der Formulierungsentwicklung und Lampenauswahl nützlich.
Ein übliches Spektralprofil zeigt die spektrale Bestrahlungsstärke auf der y-Achse und die Wellenlänge auf der x-Achse. Die spektrale Bestrahlungsstärke kann auf verschiedene Weise angezeigt werden, einschließlich als absoluter Wert (z. B. W/cm2/nm) oder als willkürliche, relative oder normalisierte (einheitenlose) Messung. Die Profile zeigen die Informationen üblicherweise entweder als Liniendiagramm oder als Balkendiagramm an, das die Ausgabe in 10-nm-Bänder gruppiert. Das folgende Diagramm der spektralen Ausgangsleistung einer Quecksilberdampflampe zeigt die relative Bestrahlungsstärke in Bezug auf die Wellenlänge für GEW-Systeme (Abbildung 1).
ABBILDUNG 1 »Spektrale Leistungsdiagramme für Quecksilber und Eisen.
Als Lampe wird in Europa und Asien die UV-emittierende Quarzröhre bezeichnet, während Nord- und Südamerikaner eher eine austauschbare Mischung aus Glühbirne und Lampe verwenden. Sowohl Lampe als auch Lampenkopf beziehen sich auf die komplette Baugruppe, die das Quarzrohr und alle anderen mechanischen und elektrischen Komponenten beherbergt.
Elektrodenbogenlampen
Elektrodenbogenlampensysteme bestehen aus einem Lampenkopf, einem Kühlventilator oder Kühler, einem Netzteil und einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI). Der Lampenkopf umfasst eine Lampe (Glühlampe), einen Reflektor, ein Metallgehäuse, eine Verschlussbaugruppe und manchmal ein Quarzfenster oder einen Drahtschutz. GEW montiert seine Quarzröhren, Reflektoren und Verschlussmechanismen in Kassettenbaugruppen, die leicht aus dem äußeren Lampenkopfgehäuse oder -gehäuse entfernt werden können. Das Entfernen einer GEW-Kassette erfolgt in der Regel innerhalb von Sekunden mit einem einzigen Inbusschlüssel. Da die UV-Leistung, die Gesamtgröße und -form des Lampenkopfes, die Systemmerkmale und der Bedarf an Zusatzausrüstung je nach Anwendung und Markt variieren, werden Elektrodenbogenlampensysteme im Allgemeinen für eine bestimmte Anwendungskategorie oder ähnliche Maschinentypen entwickelt.
Quecksilberdampflampen geben 360° Licht aus der Quarzröhre ab. Bogenlampensysteme verwenden Reflektoren an den Seiten und an der Rückseite der Lampe, um einen größeren Teil des Lichts einzufangen und auf einen bestimmten Abstand vor dem Lampenkopf zu fokussieren. Dieser Abstand wird als Fokus bezeichnet und ist dort, wo die Bestrahlungsstärke am größten ist. Bogenlampen emittieren im Fokus typischerweise im Bereich von 5 bis 12 W/cm2. Da etwa 70 % der UV-Strahlung des Lampenkopfes vom Reflektor stammt, ist es wichtig, die Reflektoren sauber zu halten und sie regelmäßig auszutauschen. Eine unzureichende Aushärtung führt häufig dazu, dass Reflektoren nicht gereinigt oder ausgetauscht werden.
Seit über 30 Jahren verbessert GEW die Effizienz seiner Härtungssysteme, passt Funktionen und Leistung an die Anforderungen spezifischer Anwendungen und Märkte an und entwickelt ein großes Portfolio an Integrationszubehör. Daher umfassen die heutigen kommerziellen Angebote von GEW kompakte Gehäusedesigns, Reflektoren, die für eine größere UV-Reflexion und reduzierte Infrarotstrahlung optimiert sind, leise integrierte Verschlussmechanismen, Bahnschürzen und -schlitze, Muschelbahnzuführung, Stickstoffinertisierung, Köpfe mit Überdruck und Touchscreen Bedienerschnittstelle, Halbleiternetzteile, höhere Betriebseffizienz, UV-Ausgangsüberwachung und Fernüberwachung des Systems.
Beim Betrieb von Mitteldruck-Elektrodenlampen liegt die Temperatur der Quarzoberfläche zwischen 600 °C und 800 °C, die innere Plasmatemperatur beträgt mehrere tausend Grad Celsius. Um die richtige Betriebstemperatur der Lampe aufrechtzuerhalten und einen Teil der abgestrahlten Infrarotenergie abzuleiten, ist Umluft das wichtigste Mittel. GEW liefert diese Luft negativ; Dies bedeutet, dass Luft durch das Gehäuse, entlang des Reflektors und der Lampe gezogen und aus der Baugruppe und weg von der Maschine oder der Aushärtungsoberfläche abgesaugt wird. Einige GEW-Systeme wie das E4C nutzen Flüssigkeitskühlung, was eine etwas höhere UV-Leistung ermöglicht und die Gesamtgröße des Lampenkopfes reduziert.
Elektrodenbogenlampen verfügen über Aufwärm- und Abkühlzyklen. Lampen werden mit minimaler Kühlung betrieben. Dadurch kann das Quecksilberplasma auf die gewünschte Betriebstemperatur ansteigen, freie Elektronen und Kationen erzeugen und den Stromfluss ermöglichen. Bei ausgeschaltetem Lampenkopf läuft die Kühlung noch einige Minuten weiter, um das Quarzrohr gleichmäßig abzukühlen. Eine zu warme Lampe zündet nicht erneut und muss weiter abkühlen. Die Länge des Start- und Abkühlzyklus sowie die Verschlechterung der Elektroden bei jedem Spannungsanschlag sind der Grund, warum in GEW-Elektrodenbogenlampenbaugruppen immer pneumatische Verschlussmechanismen integriert sind. Abbildung 2 zeigt luftgekühlte (E2C) und flüssigkeitsgekühlte (E4C) Elektrodenbogenlampen.
ABBILDUNG 2 »Flüssigkeitsgekühlte (E4C) und luftgekühlte (E2C) Elektrodenbogenlampen.
UV-LED-Lampen
Halbleiter sind feste, kristalline Materialien, die einigermaßen leitfähig sind. Elektrizität fließt durch einen Halbleiter besser als durch einen Isolator, aber nicht so gut wie durch einen metallischen Leiter. Zu den natürlich vorkommenden, aber eher ineffizienten Halbleitern gehören die Elemente Silizium, Germanium und Selen. Synthetisch hergestellte Halbleiter, die auf Leistung und Effizienz ausgelegt sind, sind Verbundmaterialien mit präzise imprägnierten Verunreinigungen in der Kristallstruktur. Bei UV-LEDs ist Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) ein häufig verwendetes Material.
Halbleiter sind für die moderne Elektronik von grundlegender Bedeutung und werden zur Bildung von Transistoren, Dioden, Leuchtdioden und Mikroprozessoren entwickelt. Halbleitergeräte werden in elektrische Schaltkreise integriert und in Produkten wie Mobiltelefonen, Laptops, Tablets, Haushaltsgeräten, Flugzeugen, Autos, Fernbedienungen und sogar Kinderspielzeug eingebaut. Diese winzigen, aber leistungsstarken Komponenten sorgen dafür, dass alltägliche Produkte funktionieren, und ermöglichen gleichzeitig, dass Artikel kompakter, dünner, leichter und erschwinglicher werden.
Im speziellen Fall von LEDs emittieren präzise entworfene und hergestellte Halbleitermaterialien Licht mit relativ schmalen Wellenlängenbändern, wenn sie an eine Gleichstromquelle angeschlossen werden. Das Licht wird nur erzeugt, wenn Strom von der positiven Anode (+) zur negativen Kathode (-) jeder LED fließt. Da die LED-Leistung schnell und einfach gesteuert werden kann und quasi-monochromatisch ist, eignen sich LEDs ideal für den Einsatz als: Anzeigeleuchten; Infrarot-Kommunikationssignale; Hintergrundbeleuchtung für Fernseher, Laptops, Tablets und Smartphones; elektronische Schilder, Werbetafeln und Jumbotrons; und UV-Härtung.
Eine LED ist ein Plus-Minus-Übergang (pn-Übergang). Das bedeutet, dass ein Teil der LED eine positive Ladung hat und als Anode (+) bezeichnet wird und der andere Teil eine negative Ladung hat und als Kathode (-) bezeichnet wird. Während beide Seiten relativ leitfähig sind, ist die Verbindungsgrenze, an der sich die beiden Seiten treffen, die sogenannte Verarmungszone, nicht leitend. Wenn der positive (+) Anschluss einer Gleichstromquelle (DC) mit der Anode (+) der LED und der negative (-) Anschluss der Quelle mit der Kathode (-) verbunden ist, entstehen negativ geladene Elektronen in der Kathode und positiv geladene Elektronenfehlstellen in der Anode werden von der Stromquelle abgestoßen und in Richtung der Verarmungszone gedrückt. Dies ist eine Vorwärtsspannung und hat den Effekt, dass die nichtleitende Grenze überwunden wird. Das Ergebnis ist, dass freie Elektronen in der n-Typ-Region die Lücken in der p-Typ-Region überqueren und füllen. Wenn Elektronen über die Grenze fließen, gehen sie in einen Zustand niedrigerer Energie über. Der entsprechende Energieabfall wird vom Halbleiter in Form von Lichtphotonen freigesetzt.
Die Materialien und Dotierstoffe, die die kristalline LED-Struktur bilden, bestimmen die spektrale Leistung. Heutzutage verfügen kommerziell erhältliche LED-Härtungsquellen über ultraviolette Strahlung mit Schwerpunkten bei 365, 385, 395 und 405 nm, einer typischen Toleranz von ±5 nm und einer Gaußschen Spektralverteilung. Je größer die maximale spektrale Bestrahlungsstärke (W/cm2/nm) ist, desto höher ist die Spitze der Glockenkurve. Während die UVC-Entwicklung zwischen 275 und 285 nm noch im Gange ist, sind Leistung, Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Kosten für Härtungssysteme und -anwendungen noch nicht kommerziell realisierbar.
Da die UV-LED-Leistung derzeit auf längere UVA-Wellenlängen beschränkt ist, emittiert ein UV-LED-Härtungssystem nicht die breitbandige spektrale Leistung, die für Mitteldruck-Quecksilberdampflampen charakteristisch ist. Das bedeutet, dass UV-LED-Härtungssysteme kein UVC, UVB, das meiste sichtbare Licht und keine wärmeerzeugenden Infrarotwellenlängen abgeben. Dies ermöglicht zwar den Einsatz von UV-LED-Härtungssystemen in wärmeempfindlicheren Anwendungen, bestehende Tinten, Beschichtungen und Klebstoffe, die für Mitteldruck-Quecksilberlampen formuliert sind, müssen jedoch für UV-LED-Härtungssysteme neu formuliert werden. Glücklicherweise konzipieren Chemieanbieter ihre Angebote zunehmend als Dual-Cure-Lösung. Das bedeutet, dass eine Dual-Cure-Formulierung, die mit einer UV-LED-Lampe aushärten soll, auch mit einer Quecksilberdampflampe aushärtet (Abbildung 3).
ABBILDUNG 3 »Spektralleistungsdiagramm für LED.
Die UV-LED-Härtungssysteme von GEW emittieren am Emissionsfenster bis zu 30 W/cm2. Im Gegensatz zu Elektrodenbogenlampen verfügen UV-LED-Härtungssysteme nicht über Reflektoren, die die Lichtstrahlen auf einen konzentrierten Fokus lenken. Infolgedessen tritt die maximale Bestrahlungsstärke der UV-LED in der Nähe des emittierenden Fensters auf. Die emittierten UV-LED-Strahlen divergieren mit zunehmendem Abstand zwischen Lampenkopf und Härtungsoberfläche voneinander. Dies verringert die Lichtkonzentration und die Stärke der Bestrahlungsstärke, die die Härtungsoberfläche erreicht. Während die Spitzenbestrahlungsstärke für die Vernetzung wichtig ist, ist eine zunehmend höhere Bestrahlungsstärke nicht immer vorteilhaft und kann sogar eine höhere Vernetzungsdichte verhindern. Wellenlänge (nm), Bestrahlungsstärke (W/cm2) und Energiedichte (J/cm2) spielen alle eine entscheidende Rolle bei der Aushärtung, und ihr gemeinsamer Einfluss auf die Aushärtung sollte bei der Auswahl der UV-LED-Quelle richtig verstanden werden.
LEDs sind Lambertsche Quellen. Mit anderen Worten: Jede UV-LED gibt eine gleichmäßige Vorwärtsleistung über die gesamte Halbkugel von 360° x 180° ab. Zahlreiche UV-LEDs, jede in der Größenordnung von einem Millimeter im Quadrat, sind in einer einzelnen Reihe, einer Matrix aus Zeilen und Spalten oder einer anderen Konfiguration angeordnet. Diese als Module oder Arrays bezeichneten Unterbaugruppen sind mit Abständen zwischen den LEDs konstruiert, die eine Überblendung über Lücken hinweg gewährleisten und die Diodenkühlung erleichtern. Mehrere Module oder Arrays werden dann in größeren Baugruppen angeordnet, um UV-Härtungssysteme unterschiedlicher Größe zu bilden (Abbildungen 4 und 5). Zu den zusätzlichen Komponenten, die zum Aufbau eines UV-LED-Härtungssystems erforderlich sind, gehören der Kühlkörper, das Emissionsfenster, elektronische Treiber, Gleichstromversorgungen, ein Flüssigkeitskühlsystem oder Kühler und eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI).
ABBILDUNG 4 »Das LeoLED-System für das Web.
ABBILDUNG 5 »LeoLED-System für Hochgeschwindigkeitsinstallationen mit mehreren Lampen.
Da UV-LED-Härtungssysteme keine Infrarotwellenlängen abstrahlen. Sie übertragen von Natur aus weniger Wärmeenergie auf die Härtungsoberfläche als Quecksilberdampflampen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass UV-LEDs als Kalthärtungstechnologie betrachtet werden sollten. UV-LED-Härtungssysteme können sehr hohe Spitzenbestrahlungsstärken abgeben, und ultraviolette Wellenlängen sind eine Energieform. Jegliche Leistung, die nicht von der Chemie absorbiert wird, erhitzt das darunter liegende Teil oder Substrat sowie die umgebenden Maschinenkomponenten.
UV-LEDs sind auch elektrische Komponenten mit Ineffizienzen, die auf das Design und die Herstellung des Rohhalbleiters sowie auf die Herstellungsmethoden und Komponenten zurückzuführen sind, die zur Unterbringung der LEDs in der größeren Aushärtungseinheit verwendet werden. Während die Temperatur einer Quecksilberdampf-Quarzröhre im Betrieb zwischen 600 und 800 °C gehalten werden muss, muss die LED-PN-Übergangstemperatur unter 120 °C bleiben. Nur 35–50 % des Stroms, der ein UV-LED-Array antreibt, werden in ultraviolette Strahlung umgewandelt (stark wellenlängenabhängig). Der Rest wird in Wärme umgewandelt, die abgeführt werden muss, um die gewünschte Sperrschichttemperatur aufrechtzuerhalten und eine bestimmte Systembestrahlungsstärke, Energiedichte und Gleichmäßigkeit sowie eine lange Lebensdauer sicherzustellen. LEDs sind von Natur aus langlebige Festkörpergeräte, und die Integration von LEDs in größere Baugruppen mit ordnungsgemäß konzipierten und gewarteten Kühlsystemen ist entscheidend für die Erreichung langlebiger Spezifikationen. Nicht alle UV-Härtungssysteme sind gleich, und bei unsachgemäß konzipierten und gekühlten UV-LED-Härtungssystemen ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass sie überhitzen und katastrophal ausfallen.
Bogen-/LED-Hybridlampen
In jedem Markt, in dem völlig neue Technologien als Ersatz für bestehende Technologien eingeführt werden, kann es Bedenken hinsichtlich der Einführung sowie Skepsis hinsichtlich der Leistung geben. Potenzielle Benutzer verzögern die Einführung häufig, bis sich eine gut etablierte Installationsbasis gebildet hat, Fallstudien veröffentlicht wurden, positive Erfahrungsberichte in Massen kursieren und/oder sie Erfahrungen oder Referenzen aus erster Hand von Personen und Unternehmen erhalten, die sie kennen und denen sie vertrauen. Oft bedarf es stichhaltiger Beweise, bevor ein ganzer Markt das Alte vollständig aufgibt und vollständig zum Neuen übergeht. Es hilft nicht, dass Erfolgsgeschichten in der Regel streng geheim gehalten werden, da Early Adopters nicht möchten, dass Konkurrenten vergleichbare Vorteile erzielen. Infolgedessen können sowohl echte als auch übertriebene Enttäuschungsgeschichten manchmal auf dem Markt nachhallen, die die wahren Vorzüge neuer Technologien verschleiern und die Einführung weiter verzögern.
Im Laufe der Geschichte und als Gegenmaßnahme zur zögerlichen Einführung wurden Hybriddesigns häufig als Übergangsbrücke zwischen etablierter und neuer Technologie angenommen. Hybride ermöglichen es Benutzern, Vertrauen zu gewinnen und selbst zu bestimmen, wie und wann neue Produkte oder Methoden eingesetzt werden sollen, ohne auf bestehende Fähigkeiten zu verzichten. Bei der UV-Härtung ermöglicht ein Hybridsystem den schnellen und einfachen Wechsel zwischen Quecksilberdampflampen und LED-Technologie. Bei Linien mit mehreren Härtungsstationen ermöglichen Hybride den Betrieb der Druckmaschinen mit 100 % LED, 100 % Quecksilberdampf oder einer beliebigen Mischung aus beiden Technologien, die für einen bestimmten Auftrag erforderlich ist.
GEW bietet Arc/LED-Hybridsysteme für Bahnkonverter an. Die Lösung wurde für GEWs größten Markt, Schmalbahnetiketten, entwickelt, das Hybriddesign findet jedoch auch in anderen Web- und Nicht-Web-Anwendungen Verwendung (Abbildung 6). Der Bogen/LED verfügt über ein gemeinsames Lampenkopfgehäuse, das entweder eine Quecksilberdampf- oder eine LED-Kassette aufnehmen kann. Beide Kassetten werden mit einem universellen Energie- und Steuerungssystem betrieben. Die Intelligenz innerhalb des Systems ermöglicht die Unterscheidung zwischen Kassettentypen und stellt automatisch die entsprechende Stromversorgung, Kühlung und Bedienerschnittstelle bereit. Das Entfernen oder Installieren einer der Quecksilberdampf- oder LED-Kassetten von GEW erfolgt in der Regel innerhalb von Sekunden mit einem einzigen Inbusschlüssel.
ABBILDUNG 6 »Lichtbogen-/LED-System für Web.
Excimer-Lampen
Excimerlampen sind eine Art Gasentladungslampe, die quasi-monochromatische ultraviolette Energie aussendet. Während Excimer-Lampen in zahlreichen Wellenlängen erhältlich sind, liegen die häufigsten UV-Leistungen bei 172, 222, 308 und 351 nm. 172-nm-Excimerlampen fallen in den Vakuum-UV-Bereich (100 bis 200 nm), während es sich bei 222 nm ausschließlich um UVC-Lampen (200 bis 280 nm) handelt. 308-nm-Excimerlampen emittieren UVB (280 bis 315 nm) und 351 nm ist reines UVA (315 bis 400 nm).
172-nm-Vakuum-UV-Wellenlängen sind kürzer und enthalten mehr Energie als UVC; Es fällt ihnen jedoch schwer, sehr tief in Substanzen einzudringen. Tatsächlich werden Wellenlängen von 172 nm in den oberen 10 bis 200 nm der UV-formulierten Chemie vollständig absorbiert. Daher vernetzen 172-nm-Excimerlampen nur die äußerste Oberfläche von UV-Formulierungen und müssen in Kombination mit anderen Härtungsgeräten integriert werden. Da Vakuum-UV-Wellenlängen auch von Luft absorbiert werden, müssen 172-nm-Excimerlampen in einer stickstoffinerten Atmosphäre betrieben werden.
Die meisten Excimer-Lampen bestehen aus einer Quarzröhre, die als dielektrische Barriere dient. Das Rohr ist mit Edelgasen gefüllt, die Excimer- oder Exciplex-Moleküle bilden können (Abbildung 7). Unterschiedliche Gase erzeugen unterschiedliche Moleküle und die unterschiedlich angeregten Moleküle bestimmen, welche Wellenlängen von der Lampe emittiert werden. Eine Hochspannungselektrode verläuft entlang der Innenlänge des Quarzrohrs und Erdungselektroden verlaufen entlang der Außenlänge. Mit hohen Frequenzen werden Spannungen in die Lampe gepulst. Dadurch fließen Elektronen innerhalb der Innenelektrode und entladen sich über das Gasgemisch zu den Außenerdungselektroden. Dieses wissenschaftliche Phänomen ist als dielektrische Barrierenentladung (DBD) bekannt. Während sich Elektronen durch das Gas bewegen, interagieren sie mit Atomen und erzeugen energiereiche oder ionisierte Spezies, die Excimer- oder Exciplex-Moleküle produzieren. Excimer- und Exciplex-Moleküle haben eine unglaublich kurze Lebensdauer, und wenn sie von einem angeregten Zustand in einen Grundzustand zerfallen, werden Photonen einer quasi-monochromatischen Verteilung emittiert.
ABBILDUNG 7 »Excimer-Lampe
Im Gegensatz zu Quecksilberdampflampen wird die Oberfläche der Quarzröhre einer Excimer-Lampe nicht heiß. Daher werden die meisten Excimer-Lampen kaum oder gar nicht gekühlt. In anderen Fällen ist eine geringe Kühlung erforderlich, die typischerweise durch Stickstoffgas bereitgestellt wird. Aufgrund der thermischen Stabilität der Lampe sind Excimer-Lampen sofort ein- und ausschaltbar und erfordern keine Aufwärm- oder Abkühlzyklen.
Durch die Integration von Excimerlampen mit 172 nm Strahlung in Kombination sowohl mit quasi-monochromatischen UVA-LED-Härtungssystemen als auch mit breitbandigen Quecksilberdampflampen werden mattierende Oberflächeneffekte erzeugt. Zum Gelieren der Chemie werden zunächst UVA-LED-Lampen eingesetzt. Anschließend werden quasi-monochromatische Excimerlampen zur Polymerisation der Oberfläche eingesetzt und schließlich vernetzen breitbandige Quecksilberlampen die restliche Chemie. Die einzigartigen spektralen Leistungen der drei Technologien, die in getrennten Stufen angewendet werden, sorgen für vorteilhafte optische und funktionelle Oberflächenhärtungseffekte, die mit keiner der UV-Quellen allein erreicht werden können.
Excimer-Wellenlängen von 172 und 222 nm sind auch wirksam bei der Zerstörung gefährlicher organischer Substanzen und schädlicher Bakterien, was Excimer-Lampen praktisch für die Oberflächenreinigung, Desinfektion und Oberflächenenergiebehandlung macht.
Lampenlebensdauer
Im Hinblick auf die Lebensdauer der Lampe bzw. des Leuchtmittels beträgt die Lebensdauer der Bogenlampen von GEW im Allgemeinen bis zu 2.000 Stunden. Die Lampenlebensdauer ist kein absoluter Wert, da die UV-Leistung mit der Zeit allmählich abnimmt und von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Das Design und die Qualität der Lampe sowie der Betriebszustand des UV-Systems und die Reaktivität der Formulierung sind von Bedeutung. Richtig konzipierte UV-Systeme stellen sicher, dass die richtige Leistung und Kühlung bereitgestellt wird, die für das jeweilige Lampendesign erforderlich ist.
Von GEW gelieferte Lampen (Glühbirnen) bieten bei Verwendung in GEW-Härtungssystemen immer die längste Lebensdauer. Sekundäre Versorgungsquellen haben die Lampe im Allgemeinen aus einem Muster zurückentwickelt, und die Kopien enthalten möglicherweise nicht das gleiche Endstück, den gleichen Quarzdurchmesser, den gleichen Quecksilbergehalt oder das gleiche Gasgemisch, was sich alle auf die UV-Leistung und Wärmeerzeugung auswirken kann. Wenn die Wärmeerzeugung nicht mit der Systemkühlung in Einklang gebracht wird, leidet sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer der Lampe. Kühler betriebene Lampen emittieren weniger UV-Strahlung. Lampen, die heißer werden, halten nicht so lange und verziehen sich bei hohen Oberflächentemperaturen.
Die Lebensdauer von Elektrodenbogenlampen wird durch die Betriebstemperatur der Lampe, die Anzahl der Betriebsstunden und die Anzahl der Starts oder Zündungen begrenzt. Jedes Mal, wenn eine Lampe beim Starten mit einem Hochspannungslichtbogen gezündet wird, verschleißt ein Teil der Wolframelektrode. Letztendlich zündet die Lampe nicht mehr. Elektrodenbogenlampen verfügen über Verschlussmechanismen, die, wenn sie aktiviert sind, die UV-Ausgabe blockieren, als Alternative zum wiederholten Wechseln der Lampenleistung. Reaktivere Tinten, Beschichtungen und Klebstoffe können zu einer längeren Lampenlebensdauer führen; wohingegen weniger reaktive Formulierungen möglicherweise häufigere Lampenwechsel erfordern.
UV-LED-Systeme sind von Natur aus langlebiger als herkömmliche Lampen, aber auch die Lebensdauer von UV-LEDs ist kein absolutes Muss. Wie bei herkömmlichen Lampen gibt es auch bei UV-LEDs Grenzen hinsichtlich der Ansteuerbarkeit und sie müssen im Allgemeinen mit Sperrschichttemperaturen unter 120 °C betrieben werden. Eine übermäßige Ansteuerung von LEDs und eine unzureichende Kühlung von LEDs beeinträchtigen die Lebensdauer und führen zu einer schnelleren Verschlechterung oder einem katastrophalen Ausfall. Derzeit bieten nicht alle Anbieter von UV-LED-Systemen Designs an, die die höchsten etablierten Lebensdauern von über 20.000 Stunden erfüllen. Die besser konzipierten und gewarteten Systeme halten mehr als 20.000 Stunden und die minderwertigen Systeme werden innerhalb viel kürzerer Zeiträume ausfallen. Die gute Nachricht ist, dass die LED-Systemdesigns mit jeder Design-Iteration immer besser werden und länger halten.
Ozon
Wenn kürzere UVC-Wellenlängen auf Sauerstoffmoleküle (O2) treffen, bewirken sie, dass Sauerstoffmoleküle (O2) in zwei Sauerstoffatome (O) gespalten werden. Die freien Sauerstoffatome (O) kollidieren dann mit anderen Sauerstoffmolekülen (O2) und bilden Ozon (O3). Da Trisauerstoff (O3) in Bodennähe weniger stabil ist als Disauerstoff (O2), wandelt sich Ozon bei seiner Bewegung durch die atmosphärische Luft leicht in ein Sauerstoffmolekül (O2) und ein Sauerstoffatom (O) um. Freie Sauerstoffatome (O) verbinden sich dann im Abgassystem wieder miteinander und erzeugen Sauerstoffmoleküle (O2).
Bei industriellen UV-Härtungsanwendungen entsteht Ozon (O3), wenn Luftsauerstoff mit ultravioletten Wellenlängen unter 240 nm interagiert. Breitbandige Quecksilberdampf-härtende Quellen emittieren UVC zwischen 200 und 280 nm, was einen Teil des Ozon erzeugenden Bereichs überlappt, und Excimerlampen emittieren Vakuum-UV bei 172 nm oder UVC bei 222 nm. Von Quecksilberdampf- und Excimer-Härtungslampen erzeugtes Ozon ist instabil und stellt kein nennenswertes Umweltrisiko dar. Es muss jedoch aus der unmittelbaren Umgebung der Arbeiter entfernt werden, da es die Atemwege reizt und in hohen Konzentrationen giftig ist. Da kommerzielle UV-LED-Härtungssysteme UVA-Strahlung zwischen 365 und 405 nm abgeben, entsteht kein Ozon.
Ozon hat einen Geruch, der dem von Metall, einem brennenden Draht, Chlor und einem elektrischen Funken ähnelt. Der menschliche Geruchssinn kann Ozon bereits in Konzentrationen von 0,01 bis 0,03 Teilen pro Million (ppm) wahrnehmen. Obwohl es je nach Person und Aktivitätsniveau unterschiedlich ist, können Konzentrationen über 0,4 ppm zu schädlichen Auswirkungen auf die Atemwege und Kopfschmerzen führen. An UV-Härtungsleitungen sollte eine ordnungsgemäße Belüftung installiert werden, um die Ozonbelastung der Arbeitnehmer zu begrenzen.
UV-Härtungssysteme sind im Allgemeinen so konzipiert, dass sie die Abluft beim Verlassen der Lampenköpfe auffangen, sodass sie von den Bedienern weg und aus dem Gebäude abgeleitet werden kann, wo sie in Gegenwart von Sauerstoff und Sonnenlicht auf natürliche Weise zerfällt. Alternativ enthalten ozonfreie Lampen einen Quarzzusatz, der ozonerzeugende Wellenlängen blockiert, und Einrichtungen, die keine Kanäle oder Löcher in das Dach schneiden möchten, verwenden häufig Filter am Ausgang der Abluftventilatoren.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 19.06.2024
