Strahlenhärtende Trocknungs Systeme
UV-LICHT TECHNIK
UV-Strahler ALADIN
Trocknen und Härten von pigmentierten Acrylaten
z.B. spezielle Farbtöne wie Grau, Violett oder Dunkelgrün.
Unsere UV Strahler sind umweltfreundlich und erfüllen die VERORDNUNG (EU) 2017/852 DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES über Quecksilber. ALADIN Strahler sind Quecksilberfrei oder unterschreiten die gesetzlich vorgeschriebenen Höchstwerte.
LEISTUNGSSTARK
Der Einstellbereich beträgt 30-120%, welcher sich direkt auf die Leistung an jedem Strahler mit der Angabe in Watt/Zentimeter (W/cm) auswirkt. Z.B. sind 50% analog 60 W/cm
Kosteneffizient
Das System bewirkt eine hohe Einsparung an Energie. Gleichzeitig werden auch pigmentierte Acrylate gehärtet, welche mit den marktüblichen Systemen nicht verarbeitet werden können.
Effektiv
Im Vergleich zu handelsüblichen UV Strahler die in der Regel einen Frequenzbereich von ca. 360 – 420 nm abdecken arbeiten unsere ALADIN von 200 – 600 nm (Ultraviolett bis Infrarot)
GST UV- Strahlenhärtende Schnelltrocknungs Systeme
werden optional mit elektronischen Vorschaltgeräten und einer Wegsteuerung unter der Bezeichnung „UV-PLUS“ angeboten.
Software Steuerung
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Über die Elektronik, welche über eine spezielle Software angesteuert wird, werden die Leistungsparameter für jede Strahler-Gruppe vorgewählt. Der Einstellbereich beträgt 30-120%, welcher sich direkt auf die Leistung an jedem Strahler mit der Angabe in Watt/Zentimeter (W/cm) auswirkt. Z.B. sind 50% analog 60 W/cm
Werkstückerkennung
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Die Anlagen verfügen über eine Inkremtalstrecke, welche den Präsenz der Werkstücke erkennt und dementsprechend die zugeführte Leistung an die Strahlermodule kürzt oder entsprechend der Einstellwerte erhöht. Im Leerlauf reduziert die Steuerung die Leistung auf einen in den Fix-Daten gelegten Wert, z.B. 20%, sobald sich ein Werkstück im Bestrahlungsbereich befindet, regelt die Maschinensteuerung auf die voreingestellte Leistung, z.B. 100%. Die vorprogrammierte Spanne liegt im Belastungsbereich der Strahler, i.d.R. 20% -120%, d.h. 20–120 W/cm.
Polymerisation
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ALADIN UV-Strahler können ab einer Schwelle von ca. 30 W/cm Leistung betrieben werden, da für die Polymerisation bei den s.g. „Freien Radikalen Acrylaten“, die Menge der emittierten Elektronen für den Prozess entscheidend ist und nicht ausschließlich die gemessene Energie in Millijoule (mJ). Gleichzeitig multipliziert sich die Energiemenge über das breite Spektrum an Strahlung, d.h. über eine höhere Anzahl an Peak´s über die Dotierung und Masse an Photonen.
Das System bewirkt eine hohe Einsparung an Energie. Gleichzeitig werden auch pigmentierte Acrylate gehärtet, welche mit den marktüblichen Systemen nicht verarbeitet werden können, z.B. spezielle Farbtöne wie Grau, Violett oder Dunkelgrün.
Über die Elektronik, welche über eine spezielle Software angesteuert wird, werden die Leistungsparameter für jede Strahler-Gruppe vorgewählt. Der Einstellbereich beträgt 30-120%, welcher sich direkt auf die Leistung an jedem Strahler mit der Angabe in Watt/Zentimeter (W/cm) auswirkt. Z.B. sind 50% analog 60 W/cm
Zudem verfügen die Anlagen über eine Inkremtalstrecke, welche den Präsenz der Werkstücke erkennt und dementsprechend die zugeführte Leistung an die Strahlermodule kürzt oder entsprechend der Einstellwerte erhöht. Im Leerlauf reduziert die Steuerung die Leistung auf einen in den Fix-Daten gelegten Wert, z.B. 20%, sobald sich ein Werkstück im Bestrahlungsbereich befindet, regelt die Maschinensteuerung auf die voreingestellte Leistung, z.B. 100%. Die vorprogrammierte Spanne liegt im Belastungsbereich der Strahler, i.d.R. 20% -120%, d.h. 20–120 W/cm.
GIARDINA UV-Strahler können ab einer Schwelle von ca. 30 W/cm Leistung betrieben werden, da für die Polymerisation bei den s.g. „Freien Radikalen Acrylaten“, die Menge der emittierten Elektronen für den Prozess entscheidend ist und nicht ausschließlich die gemessene Energie in Millijoule (mJ). Gleichzeitig multipliziert sich die Energiemenge über das breite Spektrum an Strahlung, d.h. über eine höhere Anzahl an Peak´s über die Dotierung und Masse an Photonen.
Marktüblich sind im Vergleich s.g. Ballast, welche die Strahler mit Energie versorgen. Über diesen Ballast können keine analogen Einstellungen vorgenommen werden. Es können lediglich über die Phasenfolgen 50% oder 100% vorgewählt werden, was i.d.R. einer Energie von 80 bzw. 100 W/cm entspricht. D.h. ein handelsübliches System verbraucht 100% Leistung, entsprechend 100 W/cm.
Die Polymerisation von einem strahlenhärtenden System (z. B. Acryllack) wird in unseren Anwendungen mit Hilfe von Photoinitiatoren (z.B. Hydroxycyclohexylphenylketone) angeregt. Die üblich geforderten Schichtstärken benötigen eine radikalische Polymerisation der Monomere, bzw. Oligomere, um die gesamte Schicht zu initiieren, weshalb Radikale Photoinitiatoren mit Hilfe langwelligerer UV-Strahlung von 254 – 600 nm) erzeugt werden muss.
Marktüblich (in dem holzverarbeitenden Gewerbe) werden UV-Strahler, welche mit Quecksilber (Hg ÷ 360 nm) oder Gallium (Ga ÷ 420 nm) dotiert werden, eingesetzt. I.d.R. werden mit Hg transparente und mit Ga pigmentierte Acrylate polymerisiert.
Nachteilig kommt bei dieser Verwendung hinzu, dass nicht mit einem ausgeglichenen Verhältnis der Anzahl der Strahler gearbeitet wird, sondern mit einem Verhältnis von 1 ÷ 2, d.h. zur Härtung von pigmentierten Acryllacken sind drei (3) Strahler notwendig.
Die Anzahl der Strahler ist weiter von der Vorschubgeschwindigkeit abhängig, da die Menge an emittierter Strahlung, Auswirkungen auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Substrate hat, siehe oben. Z.B. würde bei einem unpassenden Verhältnis an Photoinitiatoren der Lack nicht komplett oder überpolymerisiert, was zu einer nicht ausgehärteten Schicht, bzw. einer duroplastischen, d.h. spröden Schicht führt, welche die unter den Einflüssen von Schwund oder Quellung der Werkstücke zu einer mangelnden Oberfläche führt, d.h. die günstigen mechanischen, plastischen Eigenschaften verliert.
Die physikalischen Vorgänge, Plasmabildung und Wirkung der unterschiedlichen Dotierungen im Zusammenhang mit der radiomagnetischen UV- Strahlung (Photonen) und die Wirkung auf die Photo-Polymerisation.
Für die Polymerisation wird bei den GIARDINA Systemen mit so genannten Mitteldruckstrahler gearbeitet. Diese Strahler erzeugen eine Radiomagnetische Strahlung (Photonen).
Die einzelnen Wellenlängenbereiche sind entsprechend der CIE wie folgt definiert:
EUV = 10 bis 221 nm (Vakuum UV, 172 Excimer, 222 nm, Kr),
UV-C = 200 bis 280 nm (100 bis 200 nm Vakuum-UV, nur unter inerten Bedingungen)
(200 bis 280 nm fernes UV, GIARDINA ZERO-GLOSS-FLAT)
UV-B = 280 bis 315 nm (Niederdruckstrahler)
UV-A = 315 bis 400 nm (Mitteldruckstrahler, Hg, Fe)
UV-VIS = 400 bis 455 nm (Visuelle Licht, GIARDINA In, Ga)
UV-IR = < 455 (violettes bis rotes Licht)
UV-Strahler ALADIN
Diese Strahler sind eine Eigenentwicklung und werden seit 2016 ausschließlich von uns produziert und angewendet. Unsere Strahler haben gravierende Vorteile gegenüber den marktüblichen Hg oder Ga dotierten Strahler.
Bei einem ionischen Härtungsprozess wird ein Photoinitiator verwendet, um eine funktionelle Gruppe eines Monomers/Oligomers zu aktivieren, so dass es polymerisieren kann. Die Photopolymeristation ein selektiver Prozess, bei welchem eine optimale Selektion von Strahlungstypen an Elektromagnetischer-Strahlung entscheidend sind.
Deshalb ist ein breites Wellenspektrum (von UV-A ,UV-C bis UV-VIS) mit unterschiedlichen Energiespitzen (Peaks) vorteilhaft.
Unsere ALADIN Strahler besitzen eine Mischung aus unterschiedlichen Dotierungen für die Plasmasierung (unser geistiges Eigentum) welche zunächst die üblichen radiomagnetischen Wellenlängen abbilden, d.h. 360 nm u. 420 nm. Zusätzlich werden weitere Peaks von 254–455 nm ausgebildet, welche auf den photopolymerischen Prozess positiv wirken, d.h. nicht von Substraten oder Legierungen absorbiert werden.
In der Anwendung kann anstelle von drei handelsüblichen Strahlern, z.B. 1x Hg, 2x Ga, bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit mit einem unserer (1x ALADIN) Strahler gearbeitet werden. In der Praxis, je nach Güte der Harze und Zusätzen an Startermolekühlen, abrasiven Substraten, etc. d.h. Beschaffenheit der Lacke, wird zudem nur ein Bruchteil der Energie benötigt. Unsere Strahler erzeugen bei 40 W/cm ca. 800-1.000 mJ. Also einen üblichen marktgerecht, geforderter Wert.
Unsere ALADIN UV-Strahle polymerisieren transparente und pigmentierte Acrylate!
Vergleich ALADIN Strahler in Anwendung zu marktüblichen Systemen
Vorschubleistung 5-10 m/min.
Arbeitsbreite: 1.300 mm
Lichtbogen: 1.410 mm
Leistung bei 100% ÷ 120 W/cm
Beispiel für eine Anlage mit einem Modul:
GST 1x ALADIN | Markt 1x Hg / 2 x Ga | Einsparung | |
Leistung bei 50% = 60 W/cm | 8,5 kW | 25,5 kW | 17,0 kW |
Leistung bei 100% = 120 W/cm | 17,0 kW | 51,0 kW | 34,0 kW |
Achtung: Einsparung bei einem Modul, i.d.R. werden in beiden Fällen mit mind. zwei (2) Modulen gearbeitet, d.h. bei einem Mittelwert werden rund 25 kW pro Modul, insgesamt 50,0 kW eingespart!
Siehe oben: i.d.R. werden bei den schon in Betrieb befindlichen Anlagen mit zwei unserer ALADIN Strahler bei 30-50% Leistung gearbeitet. Die Einsparung liegt über dem o.g. Beispiel.
Über die Inkrementalstrecke wird weiter Energie eingespart:
Beispiel für acht (8) Stunden Betrieb
Niederes Beispiel
- Einsparung 17 kW
- zwei (2) Strahler Module, enstp. 34 kW
- 272 kW pro 8- Stunden-Schicht
Verbrauch GST | Verbrauch marktüblich | |
50% Beschickung | 163 kW | 272 kW |
25% Beschickung | 81 kW | 272 kW |
Weiter Einsparungsmöglichkeit an Energie
Über einen optionalen Wärmetauscher kann die Wärme aus der Abluft rückgewonnen werden.
Die Menge der Abluft beträgt ca. 3.000 m³/h pro Modul.
Sämtliche Antriebe entsprechen der EU-weit vereinheitlichen Wirkungsgradklassen. Ventilatoren und Antriebe.
Anwendung
Die emittierte Strahlung der UV-Mitteldruckstrahler ist diskontinuierlich. Die optische Leistung wird in Form der sog. Spektrallinien abgegeben. Es treten also voneinander getrennte (diskrete) Stellen erhöhter Intensität, die sog. Spektrallinien oder „Peaks“ auf.
Um die Art und Eigenschaft der Strahlung zu verändern, d.h. die Art und Energie der Photonenstrahlung, werden die Mitteldruckstrahler mit Quecksilber (Hg), Metallhalogeniden, Gallium (Ga) und Indium (In) dotiert.
Wichtige Spektrallinien des Quecksilbers haben die Wellenlängen 313 nm (Nanometer), 365 nm (i-Linie), 405 nm (h-Linie), 436 nm (g-Linie), 546 nm (e-Linie) sowie 577 nm und 579 nm (orange Doppellinie). Metallhalogeniden, Gallium und Indium dotierte Gasfüllungen ergänzen das Emissionsspektrum um UV-A und UV-VIS, um die Absorption von UV-Strahlung der kürzeren Wellenlängen durch Farbpigmente zu vermeiden. D.h. über diese Diversifikation können auch pigmentierte Lacksysteme gehärtet werden.
Jeder Mitteldruckstrahler mit Elektroden wird konventionell über Quecksilberplasma gezündet. Elektrodenlos mit Mikrowellen, „Fusion Light“. Um den Zündvorgang zu optimieren und den Dauerbetrieb auf dem optimalen Energieniveau zu halten, werden s.g. Vorschaltgeräte eingesetzt. Diese auch Converter genannte Geräte optimieren den Start, den Dauerbetrieb und halten den Stromfluss auf einem dem Strahler angepassten Niveau, um die o.g. Eigenschaften der emittierten Strahlung zu homologieren. Gleichzeitig kann im Stand-by Betrieb erheblich Energie eingespart werden.
Wirkung auf die Applikation
Für den Prozess und Wirkung der Strahlung sind die Einflussgrößen interessant.
Die Bestrahlungsstärke, d.h. die Intensität und Dosis der Strahlung wird wie folgt gemessen und evaluiert:
Bestrahlungsstärke Ee (Intensität oder Peak):
Bestrahlungsstärke, Intensität Ee:
[Ee] = W/m² oder mW/cm²
Bestrahlungs- Dosis He (Dosis):
Bestrahlung, Dosis He:
[He] = J/m² oder mJ/cm²
Die Berechnung der Summe erfolgt über den Multiplikator der Zeit. (Sampling Rate, siehe unten)
Dosis He = Bestrahlungsstärke
Intensität Ee x Zeit t (in Sekunden)
Nicht zu verwechseln sind die o.g. physikalischen optischen Größen mit den elektrischen Werten eines UV-Mitteldruckstrahlers. Beispielsweise kann aus der Angabe “120 W/cm“ nicht einfach umgerechnet werden, wieviel mW/cm² an UV-Strahlung auf dem zu bestrahlenden Substrat auftrifft, da die Angabe “120 W/cm“ lediglich die spezifische elektrische Leistung des UV-Strahlers beschreibt, während die Bestrahlungsstärke in mW/cm² angibt, wieviel UV (Photonen) auf dem Substrat auftreffen (optische Größe).
Folgende Größen sind wesentliche Faktoren:
Spektrum und Leistung
des UV-Strahlers
ABSTAND
zwischen UV-Strahler bis zum Substrat
Reflektor Geometrie
und Reflexionseigenschaften
Energie der unterschiedlichen Mitteldruckstrahler
Beispiele für die Energie von Mitteldruckstrahler in EV (Elektrovolt)
In | 455 nm | Blau | 3 eV |
Ga | 420 nm | Violett | 3 eV |
Hg | 360 nm | Mittlere UV-Strahlen | 4 eV |
FUV | 254 nm | Ferne UV-Strahlen | 5 eV |
VUV | 172 nm | Vakuum UV-Strahlen | 8 eV |
Die Werte veranschaulichen die Wirkung an Energie auf die Substrate. Je länger die Wellenlänge, z.B. 455 nm, desto höher ist die Eindringtiefe, je geringer die Wellenlänge desto größer ist die Absorption.
GIARDINA ZERO-GLOSS
Excimer-Technologie mit Flat- Excimer
Die Excimer-Technologie wird in vielen Industriesektoren und Anwendungen eingesetzt. Excimer steht für „excited dimer“, das heißt, dass ein nach Anlegen einer Wechselspannung zu einem höheren Energiezustand angeregt (=excited) wird. Dabei ist mindestens eine der Elektroden von dem Dimergas durch eine dielektrische Sperrschicht (synthetisches Quarzglas) physikalisch getrennt. Das synthetische Quarzglas ermöglicht die Transmission von UV-Licht auch mit Wellenlängen unter 200 nm.
Ozon entsteht bei Photonenstrahlung. Unterschreitet der Energiewert eine bestimmte Grenze, d.h. der Energiewert des Lichtäquivalents hat dann einen bestimmten Wert erreicht, werden die Sauerstoffmoleküle (O2) in Sauerstoffatome (O) gespalten. Reagieren die Sauerstoffatome mit einem Sauerstoffmolekül, so entsteht Ozon (O3).
Um die Absorption durch den Luftsauerstoff zu umgehen, erfolgt der Betrieb in inerter Atmosphäre. Hierzu wird Stickstoff verwendet.
GIARDINA ZERO-GLOSS-FLAT
Mattierung mit ALBATROS
Die Bestrahlung der Oberflächenbeschichtungen (UV-Lack) erfolgt über eine kurzwellige Strahlung (254 nm, 351 nm) welche zudem über Dichroitische Spiegel (248 – 355 nm) selektiert und reflektiert wird. Dies führt zu einer Polymerisation in der obersten Schicht des Substrats. Auf der Oberfläche bildet sich ein dünner gehärteter Film. Da die Polymerisation zudem eine Schrumpfung bewirkt, weist der oberflächennahe Film Mikro-Faltungen auf. Diese Faltungen erzeugen eine diffuse Reflektion des Lichts, welche als matte Oberfläche wahrgenommen wird. Diese Formulierung kann damit auf Mattierungsmittel in den Substraten verzichten, was für s.g. Kratzfesten Oberflächen führt.
Es entsteht lediglich eine geringe Absorption durch den Luftsauerstoff, weshalb keine inerte Atmosphäre, also kein Stickstoff in dem Prozess, notwendig macht. Die Applikation erfolgt in Raumluft.
Physikalisch wird der Prozess über die Ausbreitung der Strahlung in dem System ALBATROS ermöglicht. Das erzeugte Wellenspektrum, also die Photonen, werden um den Strahler über kompakte Reflektoren gebündelt und auf Dichroitische Reflektoren gestrahlt. Diese Spiegel bestehen aus beschichtetem Quarzglas und sind flach (FLAT). Tatsächlich wird die Strahlung flächig auf das Substrat reflektiert.
Sampling Rate (Interner Begriff, um den folgenden Sachverhalt besser zu beschreiben)
Da nicht nur die Energie und das Wellenspektrum für den Prozess der Polymerisation entscheiden ist, sondern auch die Intensität, ist die „Flat-Reflektion“ ausschlaggebend.
Dosis He = Bestrahlungsstärke
Intensität Ee x Zeit t (in Sekunden)
Über die physikalische Länge/Fläche der Bestrahlung verweilen die Substrate im Durchlauf eine längere Zeit in dem Bestrahlungsprozess, weshalb sie einer längeren Zeit an Photonen-Strahlung ausgesetzt sind.
Eine große Spanne an diskontinuierlicher Strahlung mit unterschiedlichen Spektren erzeugt eine höhere Masse an Photonenstrahlung, welche für eine optimale Polymerisation zuträglich ist.
Endgültige Härtung mit ALBATROS
Die Härtung der mattierten Oberfläche kann unmittelbar nach der Mattierung über ein weiteres ALBATROS Modul erfolgen. Acrylate absorbieren Ultraviolettstrahlung bei Wellenlängen unter etwa 300 nm. Bei pigmentierten Substraten werden ALADIN dotierte Strahler mit einer breiten Spektralbandbreite an Licht mit über 300 nm, d.h. 360-420-455 nm eingesetzt. Die Strahlung wird ebenfalls über dichroitische Spiegel reflektiert, welche über eine Reflexionsbeschichtung für 200-600 nm verfügen.
Mattierung von UV-LACK
mit 254 nm ohne Inertisierung
- kein Stickstoff notwendig
- keine Mattierungsmittel erforderlich
Direkte HÄrtung
mit nachgeschaltetem Modul, UV-Mitteldruckstrahler (ALADIN 360/420/455 nm, volles Spektrum) unter Normalatmosphäre
Prozess als UV-Kaltlicht
ohne zusätzliche Kühlaggregate.
Es können UV-Dunkler verwendet werden.
QUECKSILBERFREI
UMWELTFREUNDLICH
Unsere UV Strahler sind umweltfreundlich und erfüllen die VERORDNUNG (EU) 2017/852 DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES über Quecksilber. ALADIN Strahler sind Quecksilberfrei oder unterschreiten die gesetzlich vorgeschrieben Höchstwerte.
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