UV-LED固化技術(shù)屬于輻射固化中紫外光(UV)固化的一種。UV光固化技術(shù)在1960年代起源于西方，在數(shù)十年的發(fā)展過程中，涂料和光源技術(shù)不斷完善與多樣化，形成了一個相對獨(dú)立和成熟的工業(yè)體系。2000年以前，UV光固化使用汞弧燈或者無極汞燈作為紫外光源。2000年之后，發(fā)射波長低于400nm的固態(tài)發(fā)光技術(shù)不斷進(jìn)步，UV-LED應(yīng)用于固化逐步成為可能。

過去十年中，每平方毫米芯片的光功率輸出大致增長了4倍，尤其以385nm/395nm為主波峰的UV-LED芯片，光功率輸出接近800~1000mW，已經(jīng)可以滿足高強(qiáng)度固化的輻照強(qiáng)度需求。

圖1 過去十年中，每1mm2發(fā)光面積，以365nm/385nm/395nm主波峰的UV-LED芯片光功率輸出比較。

西方UV-LED固化技術(shù)的研發(fā)始于2003-2005年，美國Phoseon公司、英國UV Integration公司做了很多早期應(yīng)用的探索研究。中國UV-LED的研發(fā)開始于2008-2010年。早期受UV-LED芯片輸出功率較小的制約，UV-LED固化技術(shù)長期滯留于概念推廣階段，實際應(yīng)用案例很少，這種情況直至2013年才有所改善。自那時起，在全球范圍UV-LED光固化已經(jīng)廣泛應(yīng)用于噴墨印刷、凸印、膠印、柔印、網(wǎng)印等眾多領(lǐng)域，尤其是中國的窄幅印刷行業(yè)，出廠新機(jī)的UV-LED固化系統(tǒng)裝機(jī)率在2018年甚至已經(jīng)超過50%，數(shù)量龐大（大于3000臺）的已售設(shè)備的UV系統(tǒng)LED改造率也在10%以上。UV-LED相關(guān)的涂料、油墨行業(yè)，以及固化光源行業(yè)，在過去數(shù)年以及未來數(shù)年仍將處于一個穩(wěn)定的高速增長期。

UV-LED固化燈技術(shù)流派

UV-LED固化燈主要分為板上芯片（chips onboard，簡稱“COB”）與燈珠陣列兩大技術(shù)流派。

簡單來說，COB技術(shù)就是將UV-LED芯片直接陣列于基板的一種集成方式。燈珠陣列則是先將UV-LED芯片封裝成獨(dú)立器件（通常作為標(biāo)準(zhǔn)件外購），再將之陣列于基板。

COB流派的代表為Cool UV、Phoseon 等公司，自產(chǎn)品研發(fā)初期就堅持采用COB方案。燈珠流派的代表早先多為日本、中國的制造商，以及IST、AMS等公司。隨著日本企業(yè)以及IST、AMS等公司近年來紛紛改弦易轍走COB路線，目前燈珠方案的代表主力為一些中國企業(yè)。

圖2 COB封裝與燈珠陣列結(jié)構(gòu)和傳熱示意圖

綜合來看，COB相比燈珠陣列具有全面的技術(shù)優(yōu)勢，目前已成為全球UV-LED燈的主流技術(shù)，但其對于企業(yè)研發(fā)能力、投資要求也極高。

UV-LED光固化的核心技術(shù)

UV-LED光固化的核心技術(shù)包括UV涂料、油墨材料與配方技術(shù)，以及UVLED固化系統(tǒng)，二者相輔相成。

UV-LED涂料、油墨配方技術(shù) 與汞燈相匹配的涂料、油墨經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟，雖然轉(zhuǎn)換到LED光源，其固化原理相似，但還是會面臨一些技術(shù)問題，需要進(jìn)一步研發(fā)和解決，其中目前急需解決以下三大問題。一是與UVA光譜相匹配的高效、無黃變、經(jīng)濟(jì)的光引發(fā)劑。二是可應(yīng)用于食品包裝、符合標(biāo)準(zhǔn)的低遷移性涂料和油墨。三是可媲美熱固化涂料附著性與其他物理性能的UV-LED固化涂料。

UV-LED固化系統(tǒng)技術(shù) UV-LED光固化系統(tǒng)大體由UV-LED固化燈與驅(qū)動控制系統(tǒng)組成，是一項涉及眾多學(xué)科的知識密集型產(chǎn)品。其最核心的技術(shù)包括光學(xué)和封裝、傳熱、電力電子等多個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)上的缺陷都會極大影響產(chǎn)品的質(zhì)量與整體表現(xiàn)。

要做好UV-LED固化系統(tǒng)一般要配備結(jié)構(gòu)工程師、傳熱學(xué)與流體學(xué)工程師、封裝工程師、光學(xué)設(shè)計工程師、軟件工程師、電子電力工程師、電氣工程師等研發(fā)隊伍。UV-LED產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)汞燈產(chǎn)業(yè)的最大不同在于，UV-LED屬于半導(dǎo)體產(chǎn)品，技術(shù)發(fā)展特別迅速，不再是一個產(chǎn)品吃十年、一項技術(shù)保終身的狀態(tài)，而是需要不斷進(jìn)行研發(fā)投入，緊跟技術(shù)發(fā)展潮流，否則會很快被市場淘汰。

在印鐵行業(yè)，UV-LED固化燈要求在25~50mm照射距離下達(dá)到盡可能高的UV輻照強(qiáng)度，這對光學(xué)設(shè)計提出了較高的要求。

圖3 不同光學(xué)設(shè)計在不同照射距離的輻照度衰減。

采用合理的光學(xué)設(shè)計，可以使用較少的耗電達(dá)到同樣的UV輻照度，或者使用同樣的耗電達(dá)到更高的UV輻照度，這對節(jié)能和保證固化品質(zhì)意義重大。

印鐵行業(yè)UV-LED固化應(yīng)用的收益

UV-LED在印鐵行業(yè)的應(yīng)用改造主要是針對兩種產(chǎn)線：一種是原先使用UV汞燈的印鐵產(chǎn)線，一種是原先使用非UV油墨的印鐵產(chǎn)線。整體進(jìn)行UV-LED改造之后，給客戶帶來的收益非常明顯。下面以四色機(jī)產(chǎn)線為例進(jìn)行分析比較（表2）。

表2 四色機(jī)進(jìn)行UV-LED改造前后的對比

備注：

（1）假設(shè)四色機(jī)汞燈與UV-LED燈的數(shù)量均為7個，且都以滿功率為計算標(biāo)準(zhǔn)（以上海臻輝光電有限公司ULTRACURE系列印鐵專用燈為例）。

（2）假設(shè)每日的排班時間為22小時，印刷時間為16小時，待機(jī)時間為6小時。

（3）7燈日總功耗計算方式為：（印刷時功率×印刷時間+待機(jī)時功率×待機(jī)時間）×7。

（4）年工作日按320天計算。

（5）年總功耗計算方式為：7燈日總功耗×320天（6）年維護(hù)成本包括汞燈耗材的采購和汞燈系統(tǒng)維護(hù)維修。取保守金額。

（7）工業(yè)用電以1.00元/度計算。

（8）年總使用成本計算方式為：年總功耗×1+年維護(hù)成本。

（9）此表格為理論對比，各個印廠可根據(jù)實際情況計算。

（10）非UV產(chǎn)線的年總使用成本主要計算烘房系統(tǒng)年使用成本。

通過對印鐵生產(chǎn)線的全部或部分固化工藝UV-LED改造，可以達(dá)到如下的綜合收益：能耗大幅降低；不產(chǎn)生臭氧，VOCs排放達(dá)標(biāo)，節(jié)約環(huán)保技改投資；固化品質(zhì)穩(wěn)定，良品率提高；即時開關(guān)，UV系統(tǒng)不需要加熱與冷卻時間，提高生產(chǎn)效率；極大節(jié)約了維護(hù)時間和耗材成本支出；改善生產(chǎn)車間工作環(huán)境，實現(xiàn)了低熱量、低噪音。

UV-LED固化技術(shù)在印鐵行業(yè)應(yīng)用的注意事項

無論是新機(jī)直接安裝UV-LED，還是老設(shè)備改造，用戶在導(dǎo)入UV-LED系統(tǒng)時，需要注意以下問題。

首先，對于非UV產(chǎn)線的改造，需要做好設(shè)備改造準(zhǔn)備，更換和調(diào)試膠輥和橡皮布，達(dá)到適應(yīng)UV油墨的使用需求。

其次，對于非UV產(chǎn)線的改造，是否拆除或保留烘房、是否增加大小過橋和堆料臺、是否需要移機(jī)等問題，需要與設(shè)備廠和UV-LED供應(yīng)商密切配合。

第三，UV-LED油墨有使用環(huán)境要求，車間環(huán)境的溫度、濕度、通風(fēng)和照明等均需要做相應(yīng)調(diào)整。

第四，與色墨相關(guān)的前后端涂料、與印刷相關(guān)的水墨平衡的相關(guān)輔料都需要做適度調(diào)整。

第五，需要確定一家市售的較為成熟的油墨供應(yīng)商密切配合，特別是對于非UV產(chǎn)線改造的客戶，更加需要油墨廠商的積極配合，以便順利度過導(dǎo)入期。

UV-LED固化技術(shù)在印鐵行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

中國印鐵行業(yè)在2018年的最大亮點(diǎn)是熱熱鬧鬧的UV-LED宣傳和應(yīng)用。有的工廠UV-LED安裝成功了，但更多的是失敗的案例。成功的原因是相似的，失敗的原因卻各不相同，如：油墨表層固化質(zhì)量不達(dá)標(biāo)；UV-LED固化質(zhì)量不能達(dá)到印鐵加工要求；UV-LED燈質(zhì)量不可靠，短時間內(nèi)反復(fù)損壞；印刷速度降低。

眾多失敗案例大大打擊了印鐵企業(yè)UVLED轉(zhuǎn)化的積極性，企業(yè)付出了時間和材料成本，不能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，不外乎以下兩個原因。一是在油墨和固化燈方面的技術(shù)調(diào)研、準(zhǔn)備不充分，沖動型決策和“被忽悠”型決策，導(dǎo)致了高失敗概率。二是印鐵行業(yè)的封閉性傳統(tǒng)導(dǎo)致難以引進(jìn)、借鑒其他印刷行業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗和產(chǎn)品。

前景展望

從UV固化轉(zhuǎn)向UV-LED的趨勢毋庸置疑。隨著時間的推移和大家對成功實施UV-LED轉(zhuǎn)換企業(yè)的案例研究，成功轉(zhuǎn)換UV-LED將不再是問題。2018是印鐵行業(yè)的UV-LED元年，對于UV-LED技術(shù)與印鐵行業(yè)來說，未來存在更大的機(jī)遇，表現(xiàn)在以下幾個方面。

首先，改變“涂布+烘房”的印刷方式為“涂布+UV-LED”的印刷方式，白可丁和光油涂布實現(xiàn)UV-LED固化技術(shù)，進(jìn)一步大幅降低生產(chǎn)成本，大幅提高生產(chǎn)效率。

其次，將離線生產(chǎn)方式改為在線生產(chǎn)方式，白可丁+色墨+光油，全部通過UV-LED固化的連續(xù)在線方式生產(chǎn)，大幅提高生產(chǎn)效率。

第三，未來印刷設(shè)備、油墨/涂料、UV-LED三方之間的配合會越來越緊密，隨著新工藝的推出，印鐵生產(chǎn)將發(fā)生顛覆性的改變。

第四，進(jìn)一步解決UV-LED系統(tǒng)的整體輻射強(qiáng)度提高和系統(tǒng)功耗下降之間的矛盾，實現(xiàn)以更低的系統(tǒng)功耗輸出更高的UV能量。

一項新技術(shù)的實施，在初期總會遇到各種問題。毫無疑問UV-LED技術(shù)值得我們堅持下去，不能放棄。從2018年UV-LED固化技術(shù)在印鐵行業(yè)的實踐來看，應(yīng)用于色墨固化已經(jīng)不再是問題，相信色墨配方再經(jīng)過一段時間的改進(jìn)與完善，將達(dá)到品質(zhì)與經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡點(diǎn)。而新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，即白可丁與光油UV-LED固化涂料，將是下一波印鐵行業(yè)的應(yīng)用熱點(diǎn)，也是廣大鐵盒包裝制罐廠的福音！