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一、背景
紫外光固化（Ultra violet Light Curing）指在紫外線有效照射下，光引發(fā)劑受紫外光激發(fā)進而引發(fā)被照射物體發(fā)生交聯(lián)固化反應，被固化物體從液態(tài)或半液體狀態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程和工藝。目前，紫外光固化技術在 3D 打印、印刷、電路板涂漆、標牌標示制作、光盤制造、平板顯示、半導體照明、電子元件、醫(yī)療等行業(yè)得到廣泛應用，市場潛力和應用前景十分巨大。
在紫外固化技術中，紫外固化光源的質量是影響固化設備工作效率的主要因素之一，同時，也是決定著固化設備的制造成本和維護成本的高低。傳統(tǒng)紫外固化光源多存在能耗高、熱輻射強烈（易使固化對象變形）、壽命短等缺點，應用范圍受到限制。紫外光 LED 是隨 LED 而興起的新型技術，相比傳統(tǒng)的固化源高壓汞燈、金屬鹵素燈等，LED 具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、隨時開啟或關閉等優(yōu)點，能夠提供更快、更一致、更可靠的固化結果，這是傳統(tǒng)固化光源難以實現(xiàn)的。雖然行業(yè)內傳統(tǒng)汞燈仍有使用，但越來越多的固化設備正在轉向UV-LED技術。
圖1 UV-LED固化技術
目前，由于技術發(fā)展以及生產需要，紫外固化光源需要在滿足粘合強度高質量標準的同時，還需要在大批量和具有挑戰(zhàn)性的周期時間的生產條件下滿足穩(wěn)定性與功率要求，這對固化行業(yè)的UV-LED光源提出了較高的技術指標。
二、虹科UV-LED方案
多波段高功率的虹科UV-LED固化點光源
針對固化行業(yè)UV-LED光源的高功率、高穩(wěn)定性、高固化質量以及適合工業(yè)場景的諸多要求，虹科基于專業(yè)的高穩(wěn)定度光源驅動技術與多光譜定制能力，開發(fā)出一套多波段輸出的UV-LED固化裝置，在保證高穩(wěn)定度與高輸出功率等光學指標的同時，還采用了柔性光導耦合的設置，搭配勻光接頭可產生特定的照射區(qū)域，適用于不同領域的固化需求，可輕松集成于現(xiàn)代工業(yè)生產線中。
三大特色
1.多光譜輸出適應于多材料固化
通常，UV-LED系統(tǒng)是單色輸出，只具有窄的輸出光譜，僅適用于單一特定的固化材料。虹科UV-LED曝光裝置同時具備365/385/405 /435nm的四個波段光譜輸出，可以根據材料種類與應用場景進行多波長的設置，特別適用于具有厚感光材料層的固化應用。
圖2 虹科UV-LED的多光譜輸出
在厚材料固化應用中，較高光譜范圍（約405 nm或435 nm）UV輻射進入粘合劑，而較短波長（約365 nm）的UV輻射到固化表面層。通過虹科的靈活多光譜UV-LED光源，可以更好地適應不同行業(yè)的多種光固化膠粘劑和涂層。因此，虹科UV-LED的寬頻帶輸出可提供更高強度、更快、更可靠的固化應用。
圖3 多波段UV-LED的固化原理
2.高功率輸出與高穩(wěn)定性提升固化效果
虹科UV-LED光源提供高達30W的點光源輸出，以及每小時<1‰的穩(wěn)定光譜輸出。如此優(yōu)異的特性得益于獨特的光源驅動技術，在該技術加入了雙閉環(huán)設計（模擬與數字）、溫度控制模塊以及LED光源光功率控制模塊，通過專有的反饋算法，提升激勵光源輸出輻照度的穩(wěn)定性。
與市場上的其他解決方案相比，這種全自動、快速、穩(wěn)定的系統(tǒng)可以同時或分別控制不同波長的LED光源，功率范圍大，可通過PWM方法實現(xiàn)10%-100%的穩(wěn)態(tài)調光，光強度響應速度<500ns（變化90%時），使用過程中無需預熱與校準，節(jié)省了大量時間。
虹科UV-LED光源如此突出的輸出功率與穩(wěn)定性特征能夠滿足工業(yè)中大批量、長時間的生產需要，穩(wěn)定均勻的光輸出能夠減少固化流程中的不良率，提高質量控制流程，同時大大減少光源維護所需要的時間與成本。
3.高靈活性適用于多場景固化
在固化應用中，針對大輻射面積的要求，通?？梢圆捎肔ED陣列的方式實現(xiàn)。然而，當涉及到固化大區(qū)域，同時又對設計包絡線有嚴格限制時，與高度柔性光導耦合的高靈活性光源是針對這種應用環(huán)境的首選工具。
虹科采用光纖耦合的UV-LED點光源通過結合相關的高性能光學器件，在30×30mm區(qū)域（工作距離：120mm）的強度約為1500mW/cm2，從而實現(xiàn)曝光平面上優(yōu)異的光強度和極好的光均勻性。虹科UV-LED點光源不采用復雜的光學器件導致可能的光損耗，而是采用液體光導的輸出方式，能夠將產生的輻射高效傳輸到應用點，可以根據客戶的制造設備靈活選擇合適的應用點，易于集成使用。
圖4 采用液體光導輸出的UV-LED點光源系統(tǒng)
除此以外，照射區(qū)域的選擇也是固化技術的重要參數。傳統(tǒng)的UV-LED光源固定了出光形狀，只能應用于單一的固化應用場景，無法滿足多種材料、照射區(qū)域、均勻度等變化場景的固化應用需求。
虹科UV-LED點光源具有多種勻光接頭的選擇，在使用時可以根據固化的具體需求選擇合適的出光模塊，從而設置不同的照射形狀與照射面積，比如方形、圓形、六邊形等，其中面積大小與均勻度都可調節(jié)。此外，還可以采用多臺光源出光形狀拼接的方式形成特定的照射區(qū)域，比如線區(qū)域照射。單臺光源搭配多種勻光接頭可以實現(xiàn)靈活、高速、多功能的照明方式，從而適應多種固化場景的應用，大大節(jié)省了時間與成本。
圖5 不同出光模式的勻光接頭
三、虹科多波段UV-LED點光源的固化應用示例
1.制藥/醫(yī)療行業(yè)：針頭粘接——代替汞燈
不銹鋼針管和塑膠針栓之間的裝配是醫(yī)用一次性注射器的穩(wěn)定性和安全性在生產中面臨的挑戰(zhàn)之一。該接頭對注射器的安全性至關重要，尤其是用于皮下注射和活組織檢查的針頭、注射器、蝶型針頭的輸液裝置、采血針和其他相關器械。上述應用中，針栓和針管裝配不良可能導致體液外流、藥物失效，甚至是醫(yī)療器械的損毀，這些情況對患者和醫(yī)護人員都極度危險。注射器的損毀會導致患者注射時產生強烈痛感或出血、使用過程中密封性失效、注射無法完成以及其他危險的并發(fā)癥。
圖6 紫外固化應用于醫(yī)療行業(yè)
市面上大部分針栓和針管連接的設計都使用了高粘接力、粘接效果牢固的膠粘劑。以往，制造商們使用復雜且極度耗時的工藝制備注射器，如采用閉鎖以及嵌入設計，但是均不能杜絕藥液泄漏現(xiàn)象，且外觀不佳。現(xiàn)在注射器生產則普遍適用光固化膠粘劑，通過較為簡單的紫外固化工序即可實現(xiàn)針頭粘接的良好密封性。除此以外，內窺鏡和助聽器等部件的粘合也得益于紫外固化技術，相較于以往的固化技術，其具有更好的均勻性、低熱量、即時開/關能力和長壽命。
醫(yī)學行業(yè)的紫外固化工序中傳統(tǒng)采用汞弧燈作為紫外固化光源，具有壽命短、耗電高，環(huán)境有害的缺點，而UV-LED是傳統(tǒng)汞弧燈的優(yōu)勢替代光源。虹科的多波段(365/385/405 nm)UV-LED系統(tǒng)能夠代替200W汞弧燈，多波段的設置有利于提高固化可靠性，具有質量保證要求低、使用壽命長、無需更換燈體的明顯優(yōu)勢，是醫(yī)療固化領域的可靠光源。
2.汽車行業(yè)生產線——代替單色LED
紫外固化技術在汽車行業(yè)應用廣泛，應用的范圍包括汽車內部的塑料部件粘結、電子元件上的標記、引擎蓋下的金屬和塑料部件，甚至是外部玻璃、塑料和金屬部件，都有紫外固化材料的存在。這是因為紫外固化材料（粘合劑、油墨、涂層）不含溶劑、可燃性低、耐久性好并且不會釋放揮發(fā)物，保障人體健康，結合高功率的UV光源可以實現(xiàn)高效率、高均勻性的固化效果。
UV粘合劑可以用于外后視鏡等汽車零部件的快速粘結，UV 油墨可用于玻璃窗以及儀表板、儀表、控制旋鈕和按鈕上的標記。最重要的是UV 涂層具有耐用性、耐刮擦性和美觀性，包括柔軟觸感、光澤和啞光飾面，在塑料部件上具有出色的附著力，可以應用于車身內外部的多種部件。比如汽車頭燈采用的透鏡，目前采用的聚碳酸脂透鏡彈性高，便于外形設計且重量較輕，取代了傳統(tǒng)的玻璃透鏡。但是聚碳酸脂耐磨性差，且有變黃現(xiàn)象，因此使用時必須在表面施以清漆，而UV固化清漆涂層在經過UV光源照射固化之后，可以滿足高硬度、耐化學腐蝕與耐光照燈需求。
由此可見，汽車行業(yè)的方方面面離不開紫外固化技術。在生產零部件到最終組合成完整車型的質量控制與檢驗中，汽車廠商可以通過集成于生產線的紫外固化設備，大大減少加工時間，縮小設備的占地面積，增加涂膜和固化器件基材的抗污染能力。
圖7 紫外固化技術應用于汽車行業(yè)
目前，汽車產線的紫外固化系統(tǒng)大多采用單一波段的UV-LED作為固化光源，雖然可以實現(xiàn)一定的固化效果，但是窄的光譜輸出僅適用于特定固化材料，作用效果單一，存在固化不合格率高、吞吐量低的缺點。
虹科多波段(365/385/405 nm)UV-LED系統(tǒng)可以代替單波段UV-LED，能夠有效提高固化效率。在固化過程中，較高光譜范圍（約405 nm或435 nm）UV輻射進入粘合劑，而較短波長（約365 nm）的UV輻射到固化表面層，多波段的協(xié)同作用提高了固化的可靠性與固化膠的材料性能，降低了產品的固化不合格率，實現(xiàn)更高的吞吐量。除此以外，虹科多波段UV-LED點光源采用液體光導的輸出，易于集成產線的任何固化設備上。同時根據特定需要，可以選擇不同出光形狀的勻光接頭，或者多個LED拼接成大面積的固化照明，實現(xiàn)不同固化面積、照明形狀與固化材料的多工業(yè)場景應用。
3.電子產品保形涂層生產線——集成于傳送機
UV 固化廣泛用于電子應用，例如粘合劑粘合和組裝、組件標記、墊片和密封、灌封、掩蔽、封裝和保形涂層?？焖俟袒偷蜏刈贤饩€固化工藝提高了生產率，而不會損壞敏感的電子元件。
其中，保形涂料是涂敷在已焊插接元件的印刷線路板（PCB）上的很薄的保護材料。它可增強電子線路和元器件的防潮防污能力和防止焊點和導體受到侵蝕，也可以起到屏蔽和消除電磁干擾和防止線路短路的作用，提高線路板的絕緣性能。此外，涂層保護膜也有利于線路和元器件的耐摩擦和耐溶劑性能，并能釋放溫度周期性變化所造成的壓力，提高電子產品的穩(wěn)定性，延長使用壽命。
保形涂料按照固化方式分為UV固化、熱固化、潮氣固化、電固化和空氣固化，其中UV固化性的保形涂料具有固化速度快、適用于熱敏性的底材、初始投資低、減少溶劑揮發(fā)、操作成本低和節(jié)省空間等優(yōu)點。另外，UV 固化可實現(xiàn)在線測試、進一步組裝、最小化處理、增加產量和產品壽命——同時消除熱固化的空間和能源需求，并且符合環(huán)保要求，因此發(fā)展迅速。
圖8 紫外固化技術應用于電子行業(yè)
保形涂層的UV固化過程中需要搭配紫外固化光源使用，并且要適應工廠傳送帶的工作場景，實現(xiàn)高速、高吞吐量的生產效果。虹科的多波段（365/435nm)UV-LED點光源不需要使用復雜的光學器件導致光學損耗，而是采用液體光導，可以將產生的輻射高效傳輸到應用點，可以在產線設備上輕松找到合適位置，便于集成在生產線的傳送機上。搭配不同輸出形狀的勻光接頭，可用于小面積的選擇性固化，比如構件下固化。多波段適合多種固化膠的使用，在生產線中可以減少處理時間，實現(xiàn)分配后直接固化。
4.工業(yè)印刷——代替?zhèn)鹘y(tǒng)汞燈
工業(yè)印刷是一種在成品組件或產品制造過程中使用的印刷操作，通常用于從汽車內飾部件到制藥包裝、促銷品、家用電器和消費電子產品等多種產品，許多打印操作是對所需的識別數據(如UPC條形碼、序列號等)進行簡單的標記或編碼，常見的承印材料包括紙張、值班、塑膠、PVC、金屬等。
目前在印刷行業(yè)，紫外固化技術是一種較為先進的新技術，其中UV油墨作為紫外固化材料中的一大組成部分，其在最高生產速度下能夠保持尺寸穩(wěn)定性、高不透明度、鮮艷色彩和印刷質量一致性，并且適用的承印材料十分廣泛，在包裝印刷行業(yè)和印刷電路行業(yè)中得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用，已遍及膠印、凸印、凹印、網印及噴墨印刷等印刷領域。
圖9 紫外固化技術應用于印刷行業(yè)
使用UV油墨時需要利用紫外光源進行配套使用，傳統(tǒng)使用汞燈作為固化光源。然而汞燈的使用壽命短，揮發(fā)有害的汞蒸汽危害環(huán)境，并且可能會有少量熱量到承印材料上，對于熱敏材料可能會有損傷。虹科的多波段（365/385/405/435nm）UV-LED作為一種冷光源，不會對產品產生熱輻射，功率精準可調，對于一些熱敏材料會有很好的固化效果。多波段的紫外輸出可以應用于更廣泛的承印材料與更多類型的UV油墨，靈活的液體光導傳輸使得虹科UV-LED光源更容易集成到各種工業(yè)印刷機中，通過點線面照明方式的多種選擇實現(xiàn)更便捷的熱量管理，進而降低操作成本且減少停機時間。
5.木材面漆噴涂生產線——高效環(huán)保的固化光源
隨著家具生產行業(yè)環(huán)保要求越來越高，綠色健康環(huán)保已經成為了家具行業(yè)必須把握的大趨勢，其中家具木材涂料是影響家具產品的環(huán)保指標的重要因素。傳統(tǒng)家具涂料含揮發(fā)性有機化合物（VOC），對環(huán)境不友好，危害員工身體健康；而且固化速度慢，生產周期長。UV涂料作為目前較為環(huán)保的涂料，相比傳統(tǒng)家具漆，具有固化速度快（幾秒至幾十秒固化）、無VOC排放、耐黃變、綜合涂裝效率高等獨特的優(yōu)勢，符合綠色環(huán)保的趨勢。
圖10 紫外固化技術應用于家具行業(yè)
目前UV光固化涂料在家具行業(yè)已有廣泛應用，木材涂層行業(yè)也開始使用UVLED固化機，虹科多波段(365/385/405 nm)UV-LED光源可適應多種固化涂料，液體光導的輸出以及多照明方式的選擇使其易于集成到噴涂固化產線。和傳統(tǒng)的涂裝方法相比，UV-LED不會對基材含水率產生影響，而且從封閉底、底漆、修色、面漆全面實現(xiàn)UV-LED快速固化的施工工藝，省去了傳統(tǒng)木器底、面漆漫長的干燥固化時間和低固含多道噴涂施工的繁雜工序，能夠實現(xiàn)全線機械化、流水線式作業(yè)，對于工廠產能的提高有著極大的促進作用。
四、結束語
虹科UV-LED點光源系統(tǒng)在固化領域具有以下應用優(yōu)勢：
- 高功率：提供最強大的UV-LED點光源輸出（高達30W），提高了吞吐量并節(jié)省工作時間
- 多波長：具有多波長設置（365/385/405/435nm）的定制光譜組分，優(yōu)化固化過程
- 穩(wěn)定性：具備基于半導體行業(yè)標準的空前工藝穩(wěn)定性（閉環(huán)反饋）
- 靈活性：液體光導高效傳輸輻射，點線面多種照明方式可選，易找到合適應用點以適應不同設備與固化需求。
具有多波段輸出、高穩(wěn)定性、高輸出功率以及高靈活性的虹科UV-LED點光源系統(tǒng)，能夠替代固化行業(yè)中的傳統(tǒng)汞燈與單色LED光源，實現(xiàn)更快速、更一致、更可靠的固化效果，滿足汽車、電子、制藥等多種行業(yè)的不同固化材料、照射面積與應用場景的具體需求。
