Welche Chancen hat die LED-UV-Technologie in der grafischen Industrie?

 

Grundlagen der LED-UV-Technik (Teil 2)

Befragt man Fachleute aus der grafischen Industrie nach der Zukunft der UV-Härtung von Druckfarben, dann wird stets auch die LED-UV-Technologie genannt. Über die technischen Grundlagen der ‚Light Emitting Diode’ (LED) informierte der erste Teil dieser Artikelserie. Der vorliegende zweite Teil geht der Frage nach, wo die Chancen der LED-UV-Technologie allgemein liegen und welche Entwicklung sich daraus für die spezielle Anwendung im grafischen Bereich ableiten lässt.

Aufgrund der attraktiven Vorteile, die Leuchtdioden vor allem hinsichtlich Energieverbrauch, Lebensdauer und kompakter Baugröße bieten, sind gleich mehrere Industriezweige stark an dieser Technologie interessiert. Angesichts der gesamtwirtschaftlichen Bedeutung sind hier in erster Linie die Leuchtmittelhersteller sowie die Automobilbranche zu nennen. Für beide steht bei der aktuellen technischen Entwicklung der LED-Technologie speziell die Erzeugung von weißem Licht weit oben auf der Anforderungsliste. Ihre Motivation wird u.a. durch Gegebenheiten wie die Ankündigung der australischen Regierung verständlich, in privaten Haushalten alle konventionellen Glühlampen durch energiesparsamere Alternativen wie LED-Leuchten ersetzen zu wollen. Bei anderen Staaten gibt es Hinweise auf ähnliche Vorhaben. Die Automobilindustrie nutzt LEDs ebenfalls, z.B. in Form von Heckleuchten. Anwendungen im Bereich der Scheinwerfer werden gegenwärtig im Markt eingeführt.

Des einen Leid, des andern Freud

Die Beispiele zeigen, welches enorme Marktpotenzial in der LED-Technologie insbesondere bei Weißlicht-LEDs steckt. Im Gegensatz dazu nimmt sich die LED-UV-Anwendung zur Härtung von Druckfarben und Lacken eher bescheiden aus. Trotzdem sind beide Bereiche enger miteinander verbunden als zu vermuten wäre. Weil Leuchtdioden im Grunde nur Farben eines Spektralbereichs abstrahlen können, müssen LEDs zur Erzeugung von weißem Licht einen Umweg beschreiten. Wie schon in Teil 1 beschrieben, nutzen sie UV-LEDs, die in eine Leuchtmittelschicht eingebettet sind, um das ausgestrahlte kurzwellige Licht in weißes Licht umzuwandeln. So kommt es, dass der vom Volumen her kleine Marktbereich der grafischen LED-UV-Anwendung indirekt von dieser Einschränkung profitiert. Die Marktmacht der Leuchten- bzw. Automobilindustrie könnte der LED-UV-Technologie in der Druckindustrie somit entscheidende Starthilfe leisten.

Trotzdem rechnet Dr. Bernd Brandl, der den Bereich der LED-UV-Systeme bei der Firmengruppe IST Metz als Produktmanager betreut, mit einem Zeitraum von mehreren Jahren, bis eine Markteinführung auf breiterer Basis erfolgen kann.

Inkjet und hohe Schichtdicken als Einstieg

Aktuell sind bereits erste Anwendungen der LED-UV-Technologie innerhalb der grafischen Branche zu verzeichnen, wie entsprechende Drupa-Präsentationen einschlägiger Inkjet-Anbieter gezeigt haben. LED-UV wurde vor allem auf Large-Format-Drucksystemen demonstriert, die im Multipass-Verfahren arbeiten. Daneben waren auch zwei Druckeinheiten mit Singlepass-Inkjet für den schmalbahnigen Etikettendruck zu sehen: ein System von Atlantic Zeiser, das für eine Druckbreite von 36 mm und einer Druckgeschwindigkeit bis zu 60 m/min ausgelegt ist, und ein LED-System von Summit UV, das Etiketten im Inkjet-Rollendruck bei einer Bahngeschwindigkeit von knapp 25 m/min druckt. Die LED-UV-Systeme können dabei sowohl für das Anhärten, das sogenannte Freezing bzw. Pinning der Tintentröpfchen als auch zur Härtung der Inkjet-Farben genutzt werden.

Das Unternehmen IST METZ demonstrierte als Studie einer LED-UV-Anwendung während der Drupa die Bedruckung einer PP-Folie mit Siebdruckweiß mit 10 µm auf einer LED-Laboranlage bei 50 m/min. Gegenwärtig sind LED-Systeme für die Flächenhärtung kommerziell bei 395 nm mit einem UV-Output zwischen 1-4 W/cm² und bei einer Wellenlänge von 365 nm im Bereich von 0,5-2 W/cm² von verschiedensten Anbietern erhältlich. Es ist zu erwarten, dass diese Zahlenwerte bald nach oben korrigiert werden müssen, da sich in der Vergangenheit bei den UV-Leuchtdioden die Leistungen in jedem Jahr meist annähernd verdoppelt haben.

Bei fokussierten Punktstrahlern können auf kleinen Flächen im mm²-Bereich bereits deutlich höhere UV-Intenistäten erzielt werden.

Kommerziell erhältlich Leuchtdioden mit Wellenlängen bis in den UVB-Bereich erreichen zur Zeit nicht den nötigen UV-Output und Performance um für industrielle Härtungsanwendungen in Frage zu kommen. Diese Entwicklungen müssen selbstverständlich weiterhin verfolgt werden.

Hohe Hürden für LED-UV im Bogenoffsetdruck

Ob diese Leistungen ausreichen, um die LED-UV-Härtung im Bogenoffsetdruck zu etablieren, bleibt vorerst eine spannende Frage. Abzuwarten bleibt ebenfalls, ob das große allgemeine Interesse nun nützlich für die junge LED-Technologie war, oder ob der Drupa-Rummel ihr möglicherweise eher geschadet hat, weil er vielerorts überzogene Erwartungen weckte, da vor einem breiten Einsatz im industriellen Bogenoffsendruck sind noch mehrere wichtige Voraussetzungen zu erfüllen sind.

Eine Hürde für den LED-UV-Einsatz im Bogenoffsetdruck stellen beispielsweise die Druckfarben dar. So sind die derzeit gebräuchlichen UV-Farben und Lacke für die neue Technologie nicht geeignet. Ihr Absorptionsspektrum ist auf konventionelle UV-Mitteldruckampen abgestimmt. Im Gegensatz dazu ist der von LED-Systemen emittierte Wellenlängenbereich auf ein schmales Spektrum begrenzt. Der Schwerpunkt liegt gegenwärtig im UVA-Bereich mit Peaks bei 365 nm und 395 nm. Das Absorptionsspektrum der Farben und Lacke muss auf einen schmalen Wellenlängenbereich um diese Peaks abgestimmt werden.

Aufgrund der eingeschränkten Rohstoffauswahl in diesem Wellenlängenbereich und des Entwicklungsaufwands ist der Preis einer LED-optimierten Farbe aller Voraussicht höher zu erwarten als handelsübliche UV-Farben.

Um mit LED-UV in der Druckindustrie eines Tages auch so anspruchsvolle Anwendungen wie den Bogenoffset abdecken zu können, muss die Fertigung von UV-LEDs in größeren Volumina angestrebt werden, so dass sich ihre Herstellungskosten senken lassen. Gleichzeitig besteht noch deutlicher Bedarf, den UV-Ausstoß weiter anzuheben. Aber selbst dann wird die LED-UV-Technologie den Markterfolg der bewährten Quecksilber-Mitteldrucklampen vorerst nicht markant beeinflussen. Mit ihnen konnte sich die konventionelle UV-Technologie in den letzten vier Jahrzehnten in nahezu allen gängigen Druckverfahren etablieren. Die LED-Technologie sieht das Unternehmen eher als komplementäre Technologie, das neue Möglichkeiten und Anwendungen ermöglicht und an Hybridsysteme bestehend aus UV-Mitteldrucklampen und LED-Aggregaten denken lässt. Ob die neue LED-Technologie in einer industriellen Anwendung aus produktionstechnischer und wirtschaftlicher Sicht sinnvoll ist, muß sich aus einer detaillierten technischen Betrachtung und einer Cost-of-Ownership-Kalkulation ergeben.

Gegenläufige Entwicklung beim Energieverbrauch

Besonders verlockend klingt für viele Druckereien die Aussage, mit der LED-UV-Technologie eine Energieeinsparung gegenüber herkömmlichen UV-Trocknern von 70 bis 80 % zu erzielen.

Dies ist bei den derzeitigen Entwicklungstrends beider Technologien kritisch zu hinterfragen, wenn hohe UV-Leistungen benötigt werden. Um schnellere Härtungsgeschwindigkeiten und die bekannten Trocknungsqualitäten Von UV-Lampensystemen zu ermöglichen, steigern die Anbieter von LED-Einheiten derzeit den UV-Output zu Lasten der Effizienz. Ein höherer Ausstoß an UV-Energie bedeutet aber auch für LED-Systeme eine Erhöhung des elektrischen Inputs. Nicht zu vergessen ist, das die gegenwärtig output-stärksten LED-Einheiten bei 395 nm eine Effizienz von ca. 8-12 % haben, wobei eine Quecksilbermitteldrucklampe bei 28 % Effizienz liegt. Die Effizienz einer 365nm-LED-Einheit liegt derzeit unter 10 %.

Derzeitige Neuentwicklungen bei den etablierten Mitteldrucklampensystemen sind gegenläufig und zeigen z.B. eine 40 prozentige Energieeinsparmöglichkeit im Rollendruckbereich durch Erhöhung der Effizienz, wie das zur Drupa neu eingeführte und von der BG prüfzertifizierte BLK-5-UV-System für energieminimierten Druck zeigt.

Auf diese Weise wird sich beim gegenwärtigen Trend der Energieverbrauch der beiden Technologien Zug um Zug annähern. Dieser Trend wird sich in den nächsten Jahren fortsetzen, und so den Vorteil der LED-Systeme in Sachen Energieverbrauch weiter verringern, sollte nicht eine Effizienzsteigerung der UV-LED wie bei den langwelligeren LED bis in den roten sichtbaren Bereich bereits geschehen, stattfinden.

Daneben ist auch zu berücksichtigen, dass sowohl die Fertigungs- als auch die Betriebskosten für die LED-Technik proportional zur Arbeitsbreite steigen. Im Vergleich zu einem System für eine 500 mm breite Bahn verdoppelt sich für ein LED-Aggregat mit einem Meter Länge die Zahl der LEDs und somit auch der Preis. Bei Quecksilber-Dampflampen fällt der Preisunterschied zwischen den Lampenlänge geringer aus.

Je kürzer die Wellenlänge, desto höher der Preis

Ein erstmals auf der Drupa in einer Bogendruckmaschine präsentierte LED-UV-System arbeitet im Bereich von 365 nm.

Andere UV-Anbieter wiederum bevorzugen Systeme, die ihren Emissionsbereich bei 395 nm haben, da sie ein deutlich besseres Preis-Leistungs-Verhältnis bieten. Sie sind einerseits in der Anschaffung preisgünstiger und bieten zudem einen deutlich höheren UV-Output.

Maschinenkonstruktion an LED-UV anpassen

Da LED-UV-Systeme eine geringe Wärmeabstrahlung aufweisen, lassen sie sich gewöhnlich sehr nahe an der Bedruckstoffoberfläche platzieren, d.h. in einem Abstand von 10 bis 20 mm. Bei UV-Inkjet-Systemen lässt sich dieser Vorteil sehr gut nutzen, aber sind solche Abstände auch an modernen Bogenoffsetdruckmaschinen möglich ? Dort beträgt der Abstand zwischen UV-Quelle und Substratoberfläche gegenwärtig 100 mm und mehr. Um LED-Strahler mit einem entsprechend kurzen Abstand zur Bedruckstoffoberfläche platzieren zu können, wären erhebliche Veränderungen in der Konstruktion bestehender Druckmaschinen notwendig.

Bevor die LED-UV-Technologie sich im industriellen Umfeld der Druckbranche auf breiter Basis durchsetzen kann, muss noch eine Reihe von technischen Hürden gemeistert werden. Auf einzelnen Gebieten wie dem Inkjet-Druck verfügt die Technologie bereits über genügend Substanz, um dort mit ersten Anwendungen zu starten. In einigen Jahren können LED-UV-Systeme dann die erforderliche Marktreife erlangen, um sich parallel zur traditionellen UV-Technik überall dort zu positionieren, wo sie ihre spezifischen Vorteile ausspielen können.

 

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