基于UV-LED的UV油墨固化系统研究

林达理　张晓玲

摘要：UV-LED固化是一种新的固化技术，利用LED发出的紫外光与油墨中的光引发剂发生光化学反应使UV油墨固化，具有节能、环保、经济等优点，并在一定程度上提高了紫外固化效率，但仍存在着光源照射功率小、散热效果差以及控制系统稳定性差、控制精度不高等问题。针对以上问题，本文对现有的UV-LED固化光源的应用情况进行了较为深入地调研，探索性地设计出一种UV-LED印刷固化设备。

关键词：UV-LED;紫外固化;UV油墨中图分类号：TS802.3

文献标识码：A

文章编号：1400 （2019） 04-0047-05引言

我国这几年始终以“可持续发展”战略为各项工作的指导方针，更是把生态文明建设放在工作的重中之重的地位。2010年9月环境保护部和新闻出版总署共同签署了《实施绿色印刷战略合作协议》，标志着我国正式启动推进绿色印刷的实施工作。

目前，在印刷行业辐射固化中，UV固化应用领域最为广泛，但传统的高压水银灯和金属卤素灯在UV固化光源的使用中占很大的比重，它们不但耗能高，含对环境有害的重金属污染物，而且使用寿命短，更换得比较频繁。伴随着LED技术的发展，UVLED也在市场上出现而且被大量使用。UV-LED固化的印刷方式和传统UV固化相比主要的优点如下：1）节能，耗电量可以减少到80-90%;2）环保，LED固化设备在使用过程中没有臭氧和VOCs（易挥发的有机物质）产生;3）使用寿命较长，UV-LED使用时间可达20000小时，而传统UV光源仅仅只有1000个小时的使用时长;4）工作高效，UV-LED在工作中可以做到快速的启动和关闭，无需提前预热;5）辐射热量小，不会使承印物因为受到热辐射的影响产生伸缩变形。由于以上优点，UV-LED固化技术在很多领域中都备受关注并且使用范围也变得越来越广泛，尤其是在柔性版印刷、丝网印刷和平版印刷等等方面都十分适用，它已经成为印刷领域的研究热点，所以面对这广阔的市场需求，很多国内外企业对这项技术纷纷投入开展研究。

1系统总体方案设计

单-UV-LED芯片功率很小，而UV-LED固化系统所需功率要远大于单一芯片功率，所以需采用多UV-LED芯片组成固化设备的光源系统。而固化系统本身需具备输出功率大、光源与油墨匹配性能好、系统稳定高以及设备便携、操作简单等特点。

针对上述系统特点需求，UV-LED固化设备系统的总体设计方案如下：

1）光源系统

LED光源是UV-LED印刷固化系统的关键部分，要使印品达到良好的固化效果，选择适合的LED光源并采用阵列的排布方式组成多波长混合的光源系统。

2）光源驱动

LED的光特性可以电流函数的形式描述，发光辐照度的大小与工作电流有着直接的关系，所以UV-LED固化设备要得到一定功率内的光源辐照度，其光源驱动电路必须具备良好的稳定性。

3）电气控制系统

电气控制系统是以抗工业干扰的STM32单片机为核心控制芯片，采集电流电压和编码器的数据，使用485通讯与触摸屏进行信号传递与交换，在触摸屏上显示出UV-LED印刷固化设备的电流、电压和印刷速度等数据，并对整机的控制实现实时监控。

2光源系统设计

根据UV固化技术原理，紫外固化光源需要在瞬间提供稳定的高强度紫外光。而提高LED固化光源的辐照度有两种方法：一是采用光学处理的方法，将LED发散的辐射能量集中;二是增加LED的数量，采用阵列结构，使光源的辐照度达到固化要求。本设计中UV-LED采用阵列的排布方法，其本质就是通过增加LED芯片的数量集成光源模块，从而得到较大的辐照光强。在本文设计中，以光的萃取原理为依据，采用外层封装折射率为1.5的硅胶和玻璃透镜，由于其具有高折射率的特点，可以消除LED光线的全反射并提高LED出光效率。LED芯片排列在在氮化铝陶瓷基板上，而陶瓷基板与铜铝散热板胶接，氮化铝陶瓷基板可以有效降低整个封装结构的热阻，有助于提高系统的散热能力。

光源系统模块由72个UV-LED芯片组成的，如图l所示。UV-LED芯片所设计的发光面积为1m㎡，根据封裝的设计，LED的光线发散角为±60°。单-UV-LED芯片在工作电流驱动下发光功率最高可达3W，单个光源模块的发光功率理论上最大为216W。光源系统由各光源模块拼接构成。

3驱动电路设计

UV-LED芯片工作性能和使用时间都与其驱动电路有着很大关系，因此设计出的驱动电路需具备直流可控、高效、简便易用的特点。UV-LED芯片的电流和电压之间的关系可以用伏安特性曲线进行描述，其两者是非线性的关系。为了降低芯片在使用过程中产生的光衰，在设计光源驱动电路时需要选用恒流源驱动方式。本文中使用AC220交流电源，通过整流滤波及SDS3106来输出恒定电流以驱动芯片工作。驱动电路如下图所示：

4电气控制系统设计

电气控制系统设计分为单片机系统、触摸屏人机界面、单片机与触摸屏之间的通信三大部分。触摸屏可以对UV-LED印刷固化系统的数据进行实时监测;单片机用于采集电压、电流及印刷速度等数据，以便于固化系统的控制。

其中，印刷速度采集由编码器完成;单片机与触摸屏通信使用RS485单电源电平转换芯片SP3485;固态继电器选用国晶科技PCB式固态继电器，如图4所示;电流、电压数据采集模块使用的是南京向上电子科技有限公司的DL-CTl010A电流型电流互感器和DLPT202D电流型电压互感器的组合电路模块，如图5所示。

触摸屏选用速信达科技（上海）有限公司生产的Sukon（速控）系列工业人机界面，型号为HCSuk8070，为7寸A8高端人机界面。配有独立的RS485串口，可以自由的与单片机进行通信。部分界面设计如下：

5实验结论

为了进一步验证、分析UV-LED印刷固化系统工作性能，测试如下：查看印品上UV油墨是否完全固化，检验UV-LED油墨固化系统是否满足印刷要求。

实验结果如下：

1） UV-METER辐照仪测量光功率

本实验中，通过UV-METER辐照仪测量UVLED固化设备的光功率，通过查阅资料，18mm为固化设备印刷时UV-LED光源和承印物的最远距离，实验中辐照仪与LED光源确定距离分为三组进行测量，分别为18mm、12mm、6mm。实验数据如表l所示。

2）将UV-LED印刷固化系统架设在标签印刷机上完成印刷固化工作，调整UV-LED与承印物的固化距离为6mm。在四色套印实验中，使用杭华161系列UV油墨，测得电压、电流和功率的显示如下表2所示，UV-LED固化系统现场工作图如8所示。

通过工业酒精对印品的擦拭，达到了预期的固化效果。综合上述两组实验测试数据及最终印品效果可以得出基于UV-LED的油墨固化系统具有实用性的结论。

6总结

通过对现有的UV-LED印刷固化设备的应用情况进行研究，针对高压汞灯和金属卤素灯等光源存在的问题，研究并设计出一种UV-LED阵列型固化光源模块。由模块组合成光源系统，介绍了该光源系统的驱动单元设计方案，并设计电气控制系统，对固化设备进行信息采集和实时控制。最后对所设计出的基于UV-LED油墨固化系统进行了实际的实验测试，验证了本文的设计方案实用性。