Come scegliere una lampada UV

Lunghezza d'onda, potenza, diametro dello spot, divergenza, uniformità, guide di luce, durata, raffreddamento: una sorgente luminosa UV ha molti parametri. Alcuni vanno definiti per primi, altri determinano la precisione, altri ancora quanto costerà la sorgente nel corso degli anni. Questa guida li affronta nell'ordine che funziona nella pratica.

Un processo di polimerizzazione UV riuscito si basa su tre elementi che devono combaciare: il giusto design del prodotto, la giusta esposizione e la giusta chimica.

• Chimica: resine, monomeri, fotoiniziatori e additivi della formulazione, quanto assorbono ciascuna lunghezza d'onda, con quale efficienza quella luce avvia la reazione e quanto è spesso lo strato.
• Esposizione: lo spettro della sorgente luminosa, il suo irraggiamento, il tempo di esposizione e il calore che porta al pezzo.
• Prodotto: il substrato, come e in quale quantità viene applicato il materiale, la velocità della linea e le proprietà che il pezzo finito deve avere, come durezza, brillantezza, resistenza ai graffi o adesione.

La sorgente luminosa è la parte "esposizione" di questa equazione. Va scelta in quest'ordine: lunghezza d'onda, poi potenza, poi area irraggiata e geometria, poi i dettagli restanti.

1. Lunghezza d'onda: si parte dal materiale

La polimerizzazione UV funziona perché un fotoiniziatore presente nell'adesivo, nell'inchiostro o nel rivestimento assorbe la luce a lunghezze d'onda specifiche e avvia la reazione di reticolazione. Se la sorgente luminosa non emette dove il fotoiniziatore assorbe, il materiale non polimerizza correttamente, per quanto potente sia la lampada. Adesivi UV e fotoresist reagiscono a lunghezze d'onda fisse, quindi prima di tutto occorre consultare la scheda tecnica del materiale.

Lo spettro UV si suddivide in bande con comportamenti diversi:

• UVA, da 315 a 400 nm: energia più bassa e penetrazione più profonda. La banda principale per la polimerizzazione UV industriale e l'esposizione litografica.
• UVB, da 280 a 315 nm: energia più elevata, agisce in superficie.
• UVC, da 200 a 280 nm: l'energia più alta, usata per superfici non appiccicose e per la disinfezione.
• Violetto, da 395 a 445 nm: la transizione verso la luce visibile, usata per alcuni inchiostri speciali.

Le sorgenti luminose differiscono anche per quanta parte di questo spettro coprono:

• Monocromatiche: una sola lunghezza d'onda UV, con l'energia concentrata dove serve. Un LED UV è l'esempio tipico: la sua lunghezza d'onda è determinata con precisione dal materiale semiconduttore.
• Multibanda: due, tre o quattro lunghezze d'onda, ciascuna controllata singolarmente o insieme alle altre, per materiali o prove che ne richiedono più di una.
• A banda larga: l'intero spettro UV più luce visibile parassita, come in una lampada al mercurio, che emette anche tra 500 e 600 nm.

Le teste spot UV LED Awellcure sono disponibili a 365, 385, 395 e 405 nm. Le sorgenti luminose lineari e ad area sono disponibili di serie a 365, 385, 395 e 405 nm, e su richiesta a 254, 275, 295 o 310 nm.

2. Irraggiamento, tempo e dose

Due valori descrivono quanta luce raggiunge il pezzo:

• L'irraggiamento è la potenza che arriva per unità di area, in W/cm² o mW/cm². In pratica è l'intensità della luce. Può raggiungere da 20 a 40 W/cm².
• La dose (detta anche densità di energia o esposizione) è l'energia totale erogata, in J/cm² o mJ/cm². È l'irraggiamento moltiplicato per il tempo di esposizione, misurato in una determinata banda di lunghezze d'onda.

I tempi di esposizione tipici vanno da 0,1 a 10 s. Irraggiamento e tempo, però, non sono semplicemente intercambiabili: una luce debole per più tempo e una luce forte per meno tempo danno risultati diversi, a causa della fotochimica del materiale. Le prove vanno fatte con l'irraggiamento che si userà in produzione.

Ogni materiale ha una finestra di dose compresa tra un minimo e un massimo:

• Sotto la finestra: il materiale resta liquido, oppure polimerizza solo un sottile strato superficiale e sotto resta appiccicoso.
• Dentro la finestra: la migliore adesione e le migliori proprietà superficiali.
• Sopra la finestra: il rivestimento diventa fragile e si crepa, la sua superficie cambia al punto da non poter più essere sovrastampata e alla fine si brucia.

Nel confrontare le sorgenti luminose, va confrontata la potenza ottica UV in uscita in W o mW, non la potenza elettrica assorbita dalla rete. Occorre poi confermare quattro punti:

1. La lunghezza d'onda a cui risponde il materiale.
2. L'irraggiamento e la potenza minimi richiesti dal materiale.
3. L'area da irraggiare: più è grande, più potenza deve avere la sorgente.
4. Se serve flessibilità per le prove, che una sorgente multibanda offre.

L'irraggiamento di un LED UV dipende dalla potenza di pilotaggio, dall'efficienza dei chip LED, dalle dimensioni e dalla densità della matrice di chip, dalle ottiche anteposte e, soprattutto, dalla gestione termica.

3. Geometria: a punto, lineare o ad area

La forma dell'area irraggiata determina con quale efficienza la luce raggiunge il pezzo. Va scelta in base alle dimensioni dell'area da polimerizzare:

• A punto: un fascio concentrato con una divergenza definita, le cui dimensioni cambiano con la lente e la distanza di lavoro. Per piccoli punti di incollaggio, esposizione localizzata e ottiche di precisione. Vedere UV LED Spot e UV Lamp Spot.
• Lineare: una linea di luce che si muove rispetto al pezzo e irraggia uniformemente grandi superfici. Per rivestimenti industriali, incapsulamento e scansione di grandi substrati per semiconduttori. Vedere UV LED Linear.
• Ad area: una singola esposizione copre in una volta una grande superficie piana, per una lavorazione rapida. Per polimerizzazione su grandi superfici, esposizione a luce parallela e stampa 3D. Vedere UV LED Area.

Le luci Ring LED irraggiano un pezzo tutto attorno. Per lavorazioni a lotti in uno spazio chiuso o per un flusso continuo di pezzi, le stesse sorgenti luminose sono integrate nei forni di polimerizzazione UV e nei nastri trasportatori UV.

Le guide alla polimerizzazione a punto, alla polimerizzazione lineare e alla polimerizzazione ad area approfondiscono ciascuna geometria.

4. Divergenza, uniformità e distanza di lavoro

• La divergenza determina quanto bene si può focalizzare la luce. Un LED UV diffonde la propria luce più di un laser, quindi lenti o altre ottiche modellano il fascio in base all'applicazione.
• L'uniformità determina quanto è omogenea la polimerizzazione. L'intensità può variare tra il centro e il bordo dell'area irraggiata, con effetti diretti su qualità e resa. Un metodo diffuso per valutare l'uniformità consiste nel misurare la potenza in nove punti dell'area. Le lenti a occhio di mosca distribuiscono una sorgente puntiforme in un campo uniforme, e le lenti collimatrici producono luce parallela. Nella produzione di serie, le sorgenti luminose ad area Awellcure raggiungono un'uniformità superiore al 92 %.
• La distanza di lavoro conta perché l'irraggiamento diminuisce all'aumentare della distanza tra sorgente e pezzo, e con essa cambia l'area irraggiata. La distanza di lavoro va fissata presto, e l'irraggiamento va verificato a quella distanza, non sulla finestra della lampada.

5. Guide di luce

Con una guida di luce, sorgente luminosa e area irraggiata sono separate. La sorgente resta ferma mentre la testa della guida si muove liberamente, così la polimerizzazione è possibile su robot, linee automatizzate e in spazi ristretti. Perdita di trasmissione, lunghezza e raggio di curvatura influiscono tutti su una guida, che si degrada con l'uso, quindi va scelta in base alla distanza di lavoro e al tipo di integrazione. Il sistema di polimerizzazione a punto con lampada UV di Awellcure eroga la luce tramite guide in fibra ottica.

6. Durata e raffreddamento

La durata è definita dal calo dell'emissione, e la soglia varia a seconda della sorgente:

• Un LED UV raggiunge la fine della propria vita quando l'emissione è scesa al 70 % del valore iniziale.
• Una lampada al mercurio la raggiunge al 50 %.

Lo stesso numero di ore ha quindi un significato diverso per ciascuna. Nella pratica, una lampada al mercurio dura da 1.000 a 2.000 ore e un LED UV oltre 20.000 ore. Temperatura e umidità ambiente, impostazione di potenza, ore di funzionamento, raffreddamento e anello di retroazione interno influiscono tutti sulla durata di una sorgente.

Il raffreddamento mantiene stabile l'emissione. Quando la giunzione del LED si scalda, l'emissione cala, la lunghezza d'onda si allontana dal picco di assorbimento del materiale e il LED invecchia rapidamente. Le opzioni principali sono:

1. Raffreddamento ad aria: una soluzione semplice.
2. Raffreddamento a liquido: indispensabile per le sorgenti ad alta potenza, in cui il calore è concentrato.
3. Raffreddamento termoelettrico: per un controllo preciso della temperatura.

Le sorgenti luminose lineari e ad area Awellcure sono disponibili con raffreddamento a ventola o ad acqua.

7. Controllo e integrazione

Su una linea di produzione il controller conta quanto la sorgente luminosa. Gli elementi da valutare sono:

• Canali indipendenti: un controller che comanda quattro, otto o più teste, ciascuna con potenza e tempo propri.
• Impostazioni fini: tempo e potenza di irraggiamento impostabili a piccoli passi, con programmi memorizzabili e richiamabili.
• Integrazione nella linea: comando da MCU, PLC, PC, RS232 o RS485, avvio da interruttore a pedale o sensore, e uscite di segnale per stato di funzionamento e allarmi.
• Potenza regolabile: emissione regolabile dal 10 al 100 %, opzionalmente con monitoraggio dell'irraggiamento.
• Controllo a segmenti: sulle teste grandi, sezioni attivabili separatamente per illuminare solo l'area necessaria.

8. Misurare con un radiometro

Una finestra di processo serve solo se la si può verificare. Contano due misure:

• Dose: un misuratore di energia UV registra l'energia accumulata durante il ciclo di polimerizzazione. È la prova principale che un rivestimento, un inchiostro o un adesivo è completamente polimerizzato.
• Irraggiamento: un misuratore di irraggiamento UV mostra in ogni momento l'intensità per unità di area, così si vede lo stato della sorgente e si individua il graduale calo dell'emissione prima che incida sulla qualità.

Misure regolari aiutano a evitare sia la sovrapolimerizzazione sia la sottopolimerizzazione e mantengono una qualità costante da un lotto all'altro. Gli strumenti portatili e online fanno parte della gamma UV Radiometer; i misuratori online si collegano al PLC per il monitoraggio continuo.

Checklist

1. Lunghezza d'onda: la lunghezza d'onda di risposta del materiale determina la scelta tra sorgente monocromatica, multibanda o a banda larga.
2. Potenza: l'irraggiamento minimo moltiplicato per l'area irraggiata determina la classe di potenza.
3. Geometria: a punto, lineare o ad area, in base al pezzo e alla linea.
4. Dettagli: divergenza e uniformità, distanza di lavoro, guida di luce, durata e raffreddamento, controllo.
5. Verifica: un radiometro per definire la finestra di processo e mantenerla.

Non è chiaro da dove iniziare? Basta inviarci la scheda tecnica del materiale, l'area da polimerizzare e il tempo ciclo: consiglieremo un sistema.