基于UV-LED的UV油墨固化系統(tǒng)研究

林達理　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)生光化學反應(yīng)使UV油墨固化，具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟等優(yōu)點，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。針對以上問題，本文對現(xiàn)有的UV-LED固化光源的應(yīng)用情況進行了較為深入地調(diào)研，探索性地設(shè)計出一種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：TS802.3

文獻標識碼：A

文章編號：1400 （2019） 04-0047-05引言

我國這幾年始終以“可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略為各項工作的指導方針，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)境保護部和新聞出版總署共同簽署了《實施綠色印刷戰(zhàn)略合作協(xié)議》，標志著我國正式啟動推進綠色印刷的實施工作。

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燈在UV固化光源的使用中占很大的比重，它們不但耗能高，含對環(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)的有機物質(zhì)）產(chǎn)生;3）使用壽命較長，UV-LED使用時間可達20000小時，而傳統(tǒng)UV光源僅僅只有1000個小時的使用時長;4）工作高效，UV-LED在工作中可以做到快速的啟動和關(guān)閉，無需提前預熱;5）輻射熱量小，不會使承印物因為受到熱輻射的影響產(chǎn)生伸縮變形。由于以上優(yōu)點，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，所以面對這廣闊的市場需求，很多國內(nèi)外企業(yè)對這項技術(shù)紛紛投入開展研究。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

單-UV-LED芯片功率很小，而UV-LED固化系統(tǒng)所需功率要遠大于單一芯片功率，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。

針對上述系統(tǒng)特點需求，UV-LED固化設(shè)備系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如下：

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

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通訊與觸摸屏進行信號傳遞與交換，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)，并對整機的控制實現(xiàn)實時監(jiān)控。

2光源系統(tǒng)設(shè)計

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)，使光源的輻照度達到固化要求。本設(shè)計中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。在本文設(shè)計中，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，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UV-LED芯片組成的，如圖l所示。UV-LED芯片所設(shè)計的發(fā)光面積為1m㎡，根據(jù)封裝的設(shè)計，LED的光線發(fā)散角為±60°。單-UV-LED芯片在工作電流驅(qū)動下發(fā)光功率最高可達3W，單個光源模塊的發(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)動電路設(shè)計

UV-LED芯片工作性能和使用時間都與其驅(qū)動電路有著很大關(guān)系，因此設(shè)計出的驅(qū)動電路需具備直流可控、高效、簡便易用的特點。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)計光源驅(qū)動電路時需要選用恒流源驅(qū)動方式。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)動芯片工作。驅(qū)動電路如下圖所示：

4電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計分為單片機系統(tǒng)、觸摸屏人機界面、單片機與觸摸屏之間的通信三大部分。觸摸屏可以對UV-LED印刷固化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測;單片機用于采集電壓、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。

觸摸屏選用速信達科技（上海）有限公司生產(chǎn)的Sukon（速控）系列工業(yè)人機界面，型號為HCSuk8070，為7寸A8高端人機界面。配有獨立的RS485串口，可以自由的與單片機進行通信。部分界面設(shè)計如下：

5實驗結(jié)論

為了進一步驗證、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UV-LED油墨固化系統(tǒng)是否滿足印刷要求。

實驗結(jié)果如下：

1） UV-METER輻照儀測量光功率

本實驗中，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UV-LED光源和承印物的最遠距離，實驗中輻照儀與LED光源確定距離分為三組進行測量，分別為18mm、12mm、6mm。實驗數(shù)據(jù)如表l所示。

2）將UV-LED印刷固化系統(tǒng)架設(shè)在標簽印刷機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。在四色套印實驗中，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)酒精對印品的擦拭，達到了預期的固化效果。綜合上述兩組實驗測試數(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)具有實用性的結(jié)論。

6總結(jié)

通過對現(xiàn)有的UV-LED印刷固化設(shè)備的應(yīng)用情況進行研究，針對高壓汞燈和金屬鹵素燈等光源存在的問題，研究并設(shè)計出一種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)動單元設(shè)計方案，并設(shè)計電氣控制系統(tǒng)，對固化設(shè)備進行信息采集和實時控制。最后對所設(shè)計出的基于UV-LED油墨固化系統(tǒng)進行了實際的實驗測試，驗證了本文的設(shè)計方案實用性。