УФ сушки

В современной промышленности применяется достаточно большое количество материалов уф-полимеризации. Данная технология нашла своё отражение и в полиграфии. Широко распространены уф-отверждения (или УФ лаки), а также стремительно развивается рынок уф-отверждаемых .

УФ лампа.

УФ лампа.

Преимущества технологии уф-полимеризации:

• Экологичность. УФ-материалы не содержат никаких вредных выбросов, так как имеют 100% сухой остаток;
• Быстрое высыхание. В некоторых случаях уф-материалы сохнут мгновенно (т.е. со скоростью света), что обеспечивает высокую производительность;
• Покрытия, образуемые красками и лаками УФ полимеризации, обладают высокой химической стойкостью и механической прочностью;
• Благодаря быстрому отверждению существенно расширяется спектр использования запечатываемых материалов, а именно:
  • пористые, сильно впитывающие материалы;
  • не впитывающие материалы, такие как пластик, плёнка, ПВХ и т.п.;
  • материалы, используемые в агрессивной среде, например, этикетки для моющих средств, шампуней, пищевые упаковки, колбасные оболочки и т.п.

Природа УФ излучения 

Рис. 1. Спектр УФ излучения.

Рис. 1. Спектр УФ излучения.

Ультрафиолетовое или уф-излучение – это электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Диапазон УФ излучения условно делят на ближний (380–200 нм) и дальний, или вакуумный (200–100 нм) ультрафиолет. Последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой, и распространяется только в вакуумированных камерах. По классификации международной комиссии по освещению (CIE) спектр УФ излучения делится на три диапазона:

• длинноволновое (400 – 315 нм);
• средневолновое (315 – 280 нм);
• коротковолновое (280 – 100 нм).

Принцип работы газоразрядных источников света 

Устройства, генерирующие УФ излучение, применяются в полиграфии и копировально-множительных технике со времени появления и практического использования бессеребряных светочувствительных материалов, например, диазосоединений, то есть с середины 30-х гг. прошлого века. С 50-х гг. и до настоящего времени эти устройства применяются для облучения позитивных и негативных фоторезистов. Однако широкое распространение УФ-облучатели получили с конца 60-х гг., в связи с нарастающими объёмами производства и расширяющимися сферами применения в полиграфии и других отраслях промышленности различных типов уф-полимеризующихся материалов.

Рис. 2. Схема уф-лампы.

Рис. 2. Схематическое устройство лампы уф-излучателя.

Принцип работы газоразрядных источников света сильно отличается от работы обычных тепловых (ламп накаливания). В газоразрядных лампах нет нити из металла с высоким сопротивлением. По принципу работы их можно сравнить с таким природным явлением, как молния. Заряд сверхвысокого напряжения проскакивает между двумя электродами в атмосфере газа и лампа зажигается. Сама лампа представляет собой герметичную колбу из прозрачного для оптического излучения стекла с двумя электродами в торцах (рис. 2), она наполнена инертным газом (другие газы окисляют электроды) и легкоиспаряющимися металлами или другими веществами с высокой упругостью паров. Газ служит для создания атмосферы и давления в лампах. Но инертная атмосфера имеет довольно большое сопротивление. С этой особенностью газа связан один большой недостаток источника света. Лампа требует для зажигания и поддержания работы пускорегулирующий аппарат (ПРА) и добавки в виде металлов (ртуть или натрий) и других веществ (I, Br и др.), которые помогают снизить сопротивление инертного газа. ПРА генерирует разряд, напряжение которого в несколько раз превышает рабочее напряжение лампы. Когда разряд проходит от электрода к электроду температура в колбе повышается, и добавки испаряются, насыщая газ своими парами, сопротивление снижается. Но после того как в инертной атмосфере появляются пары металла напряжение, которое подается на лампу надо ограничивать.

Рис. 3. Принцип работы уф-лампы.

Рис. 3. Принцип работы уф-лампы.

Такова физика газового разряда. Если у подавляющего большинства приёмников электрической энергии при увеличении подаваемого на них напряжения увеличивается и протекающий через них ток, то все газоразрядные источники света имеют так называемую "падающую" вольтамперную характеристику. Это означает, что с ростом тока через такой источник напряжение на нём не растёт, а уменьшается. За счёт этого ток разряда, если его не ограничивать, будет лавинообразно расти до тех пор, пока не выйдет из строя одно из трёх звеньев любой электрической цепи: источник энергии, приёмник или провода, соединяющие источник и приёмник энергии. Пускорегулирующие аппараты решают эту проблему, они поддерживают после старта напряжение для нормальной работы лампы. На рис.3 показана поэтапная схема включения газоразрядной лампы.

Разряд в газоразрядной лампе бывает трёх типов:

• дуговой;
• тлеющий;
• импульсный.

Дуговой разряд создается при высокой плотности инертной атмосферы и представляет собой дугообразный светящийся шнур, излучающий очень мощный световой поток. По сути, светящийся шнур представляет собой плазму, которая вытянулась вдоль магнитного поля электрического тока. Такие лампы обладают высокой светоотдачей.

Тлеющий разряд создаётся при малой плотности инертной атмосферы. Свечение тлеющего разряда в цилиндрической трубке при постоянном токе распадается на ряд областей. Области свечения, примыкающие к катоду, называются катодными частями разряда. Остальную часть пространства почти до самого анода заполняет свечение основного столба. К источникам света этого типа относятся неоновые и люминесцентные лампы.

Импульсный разряд является началом горения для дуговой лампы. Это тот самый высоковольтный разряд, который проходит от одного электрода к другому. Импульсная лампа по своему строению очень напоминает дуговую, но зажигается на очень короткое время от конденсатора.

Для уф-сушек в полиграфии применяются дуговые лампы.

Дуговые лампы для уф-сушек 

Ртутные дуговые лампы излучают в широком оптическом диапазоне, включающем УФ-, видимое и ИК-излучение. Это не всегда бывает удобно, поэтому в лампу, помимо ртути, вводят различные соли металлов (железо, галий, свинец, ферокобальт и т.д.). Такие уф-лампы называются металло-галогенными. Промышленность выпускает как ртутные дуговые лампы, так и металло-галогенные. Ртутные лампы среднего давления изготавливаются в диапазоне мощности от 1 до 31 кВт и длиной до 2,8 м. Металло-галогенные лампы имеют, как правило, меньшую длину – до 1 м. Введённые в рабочую зону металло-галогенной лампы различные соли металлов могут рассматриваться как посторонние "загрязняющие вещества". Они, с одной стороны, обеспечивают заданный спектр УФ излучения, а с другой – влияют на стабильность дугового разряда. Поддержание стабильной дуги длиной более 1 м в металло-галогенных лампах является очень сложной, а иногда и неразрешимой задачей.

При этом, в настоящее время, металло-галогенные лампы со специально подобранным спектром УФ излучения могут решить проблему отверждения таких всегда сложных для печатника красок, как белая, чёрная, "металлики". Возможно, изготовить лампу для определенного вида краски. Введение в спектр уф-излучения лампы дополнительных полос спектра, к которым чувствительна именно данная краска, – одно из направлений развития производства УФ-ламп.

При работе большинства УФ ламп, используемых в полиграфии, образуется озон. Однако сейчас всё больший спрос получают и так называемые "безозоновые лампы". Это достигается благодаря использованию кварца со специальными включениями титана, что позволяет "отрезать" или существенно сократить излучение в области спектра от 200 до 235 Нм, где и генерируется озон. Использование безозоновых ламп решает проблему удаления озона из рабочей зоны и, соответственно, необходимости дополнительного оборудования. Стоимость безозоновых ламп может быть на 15–20% выше, чем аналогичных традиционных ламп.

Срок службы дуговых ламп 

Типичный срок службы УФ ртутных дуговых ламп – 1–2 тыс. ч работы и 500–1000 ч работы для металло-галогенных ламп.

Срок службы уф-лампы зависит от частоты её включения-выключения, должного ухода, эффективности системы охлаждения и других факторов. Величина эмиссии УФ излучения ртутной лампой с течением времени уменьшается, что объясняется постепенной утратой светящейся смесью своих свойств, а также загрязнением внутренней поверхности кварцевого стекла отделяющимися от электродов частицами вольфрама. Лампа загрязняется по своей длине неравномерно – вначале мутнеют её края, потом загрязнение распространяется к центру. Поскольку длина лампы обычно больше ширины полотна запечатываемого материала, в течение примерно тысячи часов её эксплуатации осаждение вольфрама не влияет на количество УФ излучения, попадающего на полотно.

Срок службы уф-лампы уменьшается вследствие переохлаждения, перегрева, а также попадания на её поверхность воды и грязи. Переохлаждение лампы ведёт к тому, что дуга гаснет. Поскольку подача напряжения на электроды не прекращается, дуговой разряд снова появляется и снова гаснет – по сути, лампа переходит в импульсный режим работы. При этом на внутренней поверхности кварцевого стекла образуется блестящий налет.

Работающая уф-лампа может нагреваться до 600–800 °С. Перегрев лампы ведёт к осаждению на её внутренней поверхности оксида ртути в виде белых пятен. Окисление части ртути снижает интенсивность излучения уф-лампы. Появление белых пятен на внешней поверхности лампы может быть вызвано попаданием на неё воды. Грязь на внешней поверхности уф-лампы также уменьшает количество УФ излучения, попадающего на запечатываемый материал, а также способствует перегреву лампы.

Определить текущее состояние уф-лампы можно с помощью тестового прибора, измеряющего УФ излучение. Поскольку подобные приборы стоят довольно дорого, в системах управления уф-сушками предусмотрена специальная функция контроля, которая выдает оператору информацию о наработке установленных в сушках ламп.

По мере выработки ресурса уф-лампы снижается освещённость в УФ зоне спектра, а в ИК зоне повышается, т.е. севшие лампы сильнее греют.

Регулярный уход за лампами уф-сушки включает в себя протирку ламп для удаление пыли, грязи и масленых загрязнений. Прикасаться к уф-лампе можно только в специальных перчатках, т.к. следы жира от пальцев способны вызывать повышенный перегрев локальных участков.
Согласно статистике, около 90% уф-ламп, возвращенных производителю, имели проблемы, связанные с перегревом. Поэтому крайне важен постоянный мониторинг состояния ламп и ведение журнала учёта по каждой уф-лампе.

Устройство УФ сушки на дуговых лампах 

УФ-сушка WJ-UV 750B. Предназначена для закрепления УФ-отверждаемых типографских красок и лаков при печати на бумаге, картоне, пластике и т.д.	WJ-UV 750B. УФ-сушка WJ-UV 750B.
WJ-UV 750B. УФ-сушка WJ-UV 750B.	WJ-UV 750B. УФ-сушка WJ-UV 750B.

УФ сушки на дуговых ртутных лампах включают следующие основные узлы:

• источники уф-излучения;
• силовые агрегаты для запуска и регулирования электропитания источников излучения;
• светонаправляющие конструкции (рефлекторы);
• детекторы светового потока;
• вентиляторы и холодильники рабочей зоны;
• вытяжки для отвода озона;
• таймеры;
• световые фильтры;
• защитные экраны, заслонки и прочие составляющие.

Как правило, в УФ сушках устанавливаются лампы удельной мощностью от 80 до 240–300 Вт/см. Для полимеризации лаков достаточно мощности в 80 Вт/см. Для работы с трафаретными УФ красками и лаками используются лампы удельной мощностью 120 Вт/см. Для сушки УФ красок с катионным механизмом отверждения требуются более мощные уф-лампы, чем для сушки радикальных УФ красок. Доля УФ излучения в эмиссии лампы обычно не превышает 15–23%. Остальное 75–85% излучение приходится на видимый свет и ИК-лучи. Кварцевое стекло и рефлекторы поглощают до 20–30% УФ излучения, что уменьшает КПД уф-сушки до 10–18%.

Требуемый для полимеризации УФ красок спектр излучения лампы зависит от спектральной чувствительности входящих в состав краски фотоинициаторов и спектрального поглощения пигментами. Ртутные УФ лампы эмитируют максимум УФ излучения в диапазонах 220–320 и 365 нм. Поскольку лаки и краски УФ полимеризации имеют свойство поглощать коротковолновое УФ излучение, не позволяя ему проникать вглубь красочного слоя, волны длиной 220–320 нм инициируют реакцию фотополимеризации в основном на поверхности краски, а вглубь слоя проникают волны длиной 365 нм. Ртутные уф-лампы являются оптимальным источником излучения для сушки тонких слоёв красок при печати струйным, офсетным и флексографским способами. Однако для некоторых красок применять ртутные уф-лампы нецелесообразно. Например, белый пигмент (диоксид титана) характеризуется высоким поглощением коротких, средних и значительной части длинных волн УФ излучения и пропускает волны с длиной 400–430 нм. Поэтому для сушки белил используют ртутные уф-лампы с добавкой галлия, которые имеют один из пиков излучения на стыке ультрафиолетового и фиолетового диапазонов спектра. Для сушки толстых слоёв краски, например трафаретных отпечатков, а также красок чёрного, синего, зелёного и красного цветов эффективно применение ртутной уф-лампы с добавкой паров железа. При выборе источника излучения следует учитывать, что ртутные уф-лампы с добавками паров металлов испускают на 35-40% больше ИК-излучения, чем ртутные уф-лампы без добавок, что делает нежелательным использование первых при печати на термочувствительных материалах.

60–75% излучения УФ лампы попадает на рефлектор, поэтому эффективность УФ сушки в значительной степени зависит от его характеристик. Рефлекторы УФ сушек обычно имеют покрытие из полированного или матированного алюминия, так как этот металл характеризуется одним из самых больших коэффициентов отражения УФ-излучения (до 90%). Поскольку алюминий чувствителен к высоким температурам, его поверхность подвергается специальной обработке.

Рис. 4. Параболический рефлектор.

Рис. 4. Параболический рефлектор для уф-сушек.

По форме рефлекторы для уф-сушек делятся на параболические, эллиптические и с переменной геометрией. При использовании параболических рефлекторов уф-лампа помещается в фокальную точку параболы, в результате чего лучи отражаются вертикально вниз. При этом на запечатываемый материал проецируется широкая полоса излучения, характеризующаяся равномерным распределением энергии. Такие рефлекторы целесообразно применять при малой толщине красочного слоя и при печати на термочувствительных материалах (рис. 4).

Рис. 5. Эллиптический рефлектор.

Рис. 5. Эллиптический рефлектор для уф-сушек.

Эллиптические рефлекторы для уф-сушек имеют форму правильного полуэллипса и отражают около 75% излучения лампы. Они фокусируют излучение в узкой области под уф-лампой и могут использоваться при сушке толстых красочных слоёв и высокопигментированных или характеризующихся низкой реакционной способностью красок (рис. 5).

Рефлекторы для уф-сушек с переменной геометрией нашли применение в сушках для листовых офсетных машин, в которых сушка верхней части оттиска осложняется тенью от системы проводящих лист захватов.
Последним изобретением, позволяющим ограничить требуемую мощность УФ излучения, является обдув оттиска в зоне сушки азотом, который способствует ускорению закрепления краски. Уменьшение мощности уф-сушки ведёт к понижению выделения тепла.
В рулонных печатных машинах эффективным решением является охлаждение запечатываемого полотна с помощью холодных валиков (валиков с системой водяного охлаждения).

Для того чтобы при короткой остановке машины лампа не нагревала запечатываемый материал, УФ сушки оснащаются специальными заслонками из алюминия и керамики, которые закрывают лампу.
Перспективным способом повышения эффективности сушки является индивидуальное цифровое управление каждым сушильным устройством, которое позволяет устанавливать оптимальную мощность УФ сушки, снижая расход энергии и повышая срок службы ламп.

REG.ru

Перейти…

Модернизированные УФ сушки 

Komori Lithrone G40.

H-UV технология Komori Lithrone G40.

Komori, поэкспериментировав со светодиодами, в 2009 г. представила на внутреннем японском рынке принципиально иную технологию H-UV, которая позиционируется в качестве альтернативы как традиционной УФ-сушке, так и светодиодным системам. C технологической точки зрения Komori H-UV представляет собой комплексное решение для УФ-печати, основу которого составляет листовая офсетная машина Komori, а также специально разработанные УФ-лампы и специальные высокочувствительные УФ-краски (высокореактивные). Мировой дебют H-UV состоялся в 2010 г. на выставке Ipex, когда в Японии уже работало около полсотни таких машин.

Вслед за этим подобная технология Low Energy UV (LE UV) появилась у Heidelberg, а KBA своё решение назвали High Reactive UV (HR-UV).

Heidelberg считает важной частью системы – ELC (Electronic Lamp Control) – электронные трансформаторные блоки, которые позволяют бесступенчато регулировать удельную мощность лампы от 80 до 200 Вт/см. Они минимизируют пиковые скачки напряжения, которые уменьшают время жизни ламп при включении-выключении. Печатные машины Heidelberg с блоками ELC могут работать как с обычными УФ-красками, так и с высокореактивными – достаточно заменить лампу в сушке.

Третий немецкий производитель листового офсета – Manroland Sheetfed – предлагает своё решение для печати высокореактивными УФ-красками с 2011 г. Для этого машины оснащаются сушками ROLAND SelectDryer LEC-UV (Low Energy Curing). Конструктивно модуль с лампами LEC UV выполнен так же, как и модуль для обычных УФ сушек ROLAND SelectDryer, что создаёт возможность модернизации печатной машины. Замена обычной лампы на LEC-UV может быть произведена в течение нескольких минут благодаря удобной конструкции и легко подключаемым соединениям модуля SelectDryer. По заявлению производителя, УФ-лампы LEC-UV требуют не более 120 Вт/см, при этом в приёмно-выводном модуле печатной машины вместо трёх кассет с традиционными УФ-лампами достаточно одной LEC UV.

Все эти решения нуждаются в спецкрасках, но внешне гораздо ближе к традиционной УФ технологии, поскольку источником излучения по-прежнему является ртутная лампа. Но не обычная, а с добавлением железа, и спектр её излучения уже (акцентирован в области 385–395 нм), но не настолько, насколько у LED-системы. Поскольку в этих лампах резко снижена доля излучения с длиной волны менее 250 нм, они практически не выделяют озона, поэтому машины не нуждаются в вытяжке для его удаления. По сравнению с обычной УФ-лампой лампа H-UV, HR-UV, LE UV, LEC-UV и подобные стоят примерно в полтора раза больше, а гарантированное время жизни составляет около 700 часов.

О достоинствах и недостатках каждого решения идут жаркие споры, в целом они схожи, но в каждом конкретном случае следует учитывать нюансы.

С точки зрения технологии и экономики полиграфического производства модернизированная УФ технология даёт типографиям следующие преимущества:

• Моментальное закрепление красок и отсутствие потребности в противоотмарывающем порошке. Сразу после печати лица можно передавать стопу на печать оборота или на послепечатную отделку;
• Нет необходимости в применении защитного лака, что компенсирует более высокую стоимость высокореактивных красок;
• Отсутствие промежуточных уф-сушек. В конфигурации для односторонней печати используется только одна УФ-сушка, устанавливаемая на приёмке. Дополнительные сушки ставятся при использовании белил или при печати с переворотом. Это позволяет сэкономить на самом оборудовании;
• Энергопотребление сушек в 3–4 раза ниже, чем у классической УФ технологии;
• Нет выделения озона и значительно более низкое тепловыделение в зоне сушки, что позволяет уверенно печатать на термочувствительных материалах;
• Глянец и растискивание высокореактивных красок максимально приближены к традиционным офсетным краскам.

Lamp UV Dryer 

В качестве иллюстрации реальной уф-сушки приведу сушильную систему Американского производителя "M&R Vitran II Lamp UV Dryer". Стоимость такой новой системы в России находится в районе 100 тыс. $, в США можно купить "слегка" б/у в районе 15–20 тыс. $.

Рис. 6а. Vitran II. Рис. 6а. M&R Vitran II Lamp UV Dryer.	Рис. 6б. Vitran II. Рис. 6б. M&R Vitran II Lamp UV Dryer.
Рис. 6в. Vitran II. Рис. 6в. M&R Vitran II Lamp UV Dryer.	Рис. 6г. Vitran II. Рис. 6г. M&R Vitran II Lamp UV Dryer.

Vitran II – ультрафиолетовая сушильная система, предназначенная для сушки УФ красок и лаков, спроектирована по запатентованной M&R технологии двойных рефлекторов Dual Reflector, что позволяет за доли секунды высушивать оттиски на любых материалах. Устройство оснащено дополнительным отражателем, расположенным сверху основного параболического рефлектора.
Отражатель Vitran II снабжён дихроичным фильтром, направляющим лучи уф-лампы на запечатанный материал. Это позволяет использовать более 90 % подводимой энергии, значительно ускоряя процесс сушки, и продлевая срок службы УФ ламп.

Мощные турбины вентиляционной системы нагнетают охлаждённый воздух в камеру рефлектора и ко всей поверхности запечатанного материала. Вершина отражателя выполнена открытой, для интенсивной циркуляции воздуха внутри камеры и отвода выделяемого озона и тепла. Внешняя поверхность параболического рефлектора выполнена с теплоотводными рёбрами. Эффективная система охлаждения сушильного устройства обеспечивает качественную и стабильную работу с тонкими и лёгкими материалами, чувствительными к нагреву. Фокусировка излучения УФ ламп регулируется в зависимости от типа запечатанного материала. Наработка каждой лампы автоматически контролируется индивидуальными цифровыми счётчиками, с отображением текущих значений на дисплее. УФ сушки Vitran II комплектуются лампами 120 и 160 Вт/см и имеют 4-х ступенчатую регулировку мощности.

Ремень конвейера сушильного устройства выполнен из специального термостойкого материала, с тефлоновым покрытием. Привод ремня осуществляется двигателем постоянного тока, с широким и плавным диапазоном регулировки скорости. Цилиндры приводной и натяжной станции конвейера выполнены из анодированного алюминиевого сплава. Цифровой контроль скорости конвейера и работы УФ-ламп выполняется системой микропроцессорного управления. После отключения ламп, система управления автоматически переводит устройство в режим охлаждения, и только после достижения запрограммированной температуры отключает вентиляционную систему и конвейер.

УФ сушка оборудована системой безопасности со звуковой сигнализацией. Система автоматически отключает уф-лампы, при случайном подъёме в процессе работы защитных кожухов. Камеры рефлекторов установлены на жёсткой и прочной стальной раме из калиброванных профилей. Блоки микропроцессорного управления смонтированы в надёжно защищенном мобильном корпусе с активным воздушным охлаждением. Положения входной и выходных задвижек сушильного устройства легко регулируются для дополнительного контроля над процессом сушки.