DE112010001209T5

DE112010001209T5 - Verteilte Lichtquellen und Systeme für photoreaktives Aushärten

Info

Publication number: DE112010001209T5
Application number: DE112010001209T
Authority: DE
Inventors: Sheng Peng; Guomao Yang
Original assignee: Lumen Dynamics Group Inc
Current assignee: Excelitas Canada Inc
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2012-06-28
Also published as: WO2010105365A1; WO2010105365A4; JP2012520779A

Abstract

Es wird eine Lichtquelle für ein photoreaktives Aushärtungsgerät für Prozesse, wie etwa Tintenstrahldrucken, bereitgestellt, die eine Vielzahl von Lichtquellenelementen oder Modulen umfasst, die angeordnet sind, um ein Strahlprofil bereitzustellen, das Bestrahlungszonen umfasst, die durch eine Dunkelzone getrennt sind. Die Lichtquellenelemente sind bevorzugt UV-oder sichtbare LEDs oder LED-Arrays. Dies ist besonders vorteilhaft bei UV-Aushärtungsprozessen, bei denen sowohl eine Photopolymerisation während der Bestrahlungszeiträume als auch eine Dunkelpolymerisation während der Intervalle zwischen der Bestrahlung zu einer effektiven Aushärtung beitragen. Es kann eine verteilte Anordnung bereitgestellt werden, wobei die relativen Positionen oder die Beabstandung einzelner Lichtquellenelemente, z. B. von zwei oder mehreren der linearen LED-Arrays, eingestellt sind, um ein Belichtungsprofil mit einem Dunkelintervall zwischen Bestrahlungszonen bereitzustellen, das mit dem benötigten Dunkelreaktionsintervall für eine optimale Aushärtungseffizienzübereinstimmt. Wahlweise können modulare oder anpassbare Lichtquellen bereitgestellt werden, bei denen die Beabstandung der Lichtquellenelemente in Abhängigkeit von Prozessparametern anpassbar ist. Durch das Einstellen der richtigen Bestrahlungszeiträume und Dunkelintervalle stellt die Lichtquelle ein Strahlprofil bereit, das besser mit der Tintenchemieübereinstimmt, um die Polymerisationsreaktion zu regeln, damit sie der gewünschten/benötigten Prozessgeschwindigkeit nicht nur bei Anwendungen mit einem Durchgang, sondern auch bei Anwendungen mit mehreren Durchgängen entspricht.

Description

KREUZVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/161,281 mit dem Titel ”Distributed Light Sources for Photo-reactive curing” in Anspruch und hängt mit der US-Anmeldung Nr. 12/582,492 mit dem Titel ”System, Method and Adjustable Lamp Head Assembly for Ultrafast UV Curing” zusammen, die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen werden.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das photoreaktive Aushärten von Tinten, Beschichtungen und anderen photoreaktiven Materialien, und insbesondere Lichtquellen für eine verbesserte Aushärtungseffizienz und Druckqualität für schnelle Druckanwendungen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Zahlreiche Tinten, Klebstoffe und andere aushärtbare Beschichtungen umfassen radikalische oder kationische Formulierungen, die durch Aussetzen an Licht, typischerweise an eine ultraviolette (UV) oder kurzwellige sichtbare Strahlung, photogehärtet werden können. Die Anwendungen umfassen das Aushärten von großflächigen Beschichtungen, Klebstoffaushärten sowie Druckprozesse, wie etwa das Tintenstrahldrucken. Die Einheitlichkeit der Aushärtung ist für viele großflächige photoinduzierte Aushärtungsprozesse kritisch.
Beispielsweise erfreuen sich UV-aushärtbare, radikalische photoreaktive Tinten zur Verwendung bei Tintenstrahldruckern zunehmender Beliebtheit. Tintenstrahldrucker können verwendet werden, um auf biegsamen Substraten, wie etwa Polyvinylchlorid (PVC), und anderen biegsamen Polymermaterialien, und auf unbiegsamen Substraten, wie etwa Metall, Holz und Kunststoff, zu drucken. Derartige Tinten werden gewöhnlich oben auf ein Substrat mit einer oder mehreren Schichten ausgespritzt und gehen zum Aushärten unter einer UV- oder sichtbaren Lichtquelle vorbei. Photoinitiatoren in der Tintenformulierung werden durch Photonen aktiviert, z. B. UV-Lichtenergie, um freie Radikale zu schaffen, die mit anderen Bestandteilen in der Tinte, wie etwa Monomeren und Oligomeren, hochreaktiv sind. Die sich ergebende Polymerisation, die durch freie Radikale eingeleitet wird, oder die Vernetzungsreaktion führt zu einer verfestigten Tintenschicht. Bei einer typischen Tintenstrahlanwendung erfolgt die Bestrahlungsperiode in einem Bruchteil einer Sekunde oder weniger. Wenn die Tinte die Bestrahlungszone verlässt, kann die Polymerisation oder Verfestigung fortfahren, was als Dunkelreaktion bezeichnet wird. Die Dunkelreaktion dauert normalerweise nicht sehr lange. Oft geht man deshalb davon aus, dass die radikalische Polymerisationsreaktion sofort endet, wenn sie die Bestrahlungszone verlässt, im Vergleich zum Zeitrahmen typischer Photopolymerisationsexperimente oder typischer UV-Aushärtungsprozesse. Bei schnellen Tintenstrahl-Druckanwendungen kann die Dunkelreaktion jedoch mit der Laufzeit zwischen zwei räumlich getrennten UV-Bestrahlungszonen und/oder der Wartezeit zwischen angrenzenden Belichtungen durch dieselbe UV-Quelle im Mehrfachabtastmodus vergleichbar sein oder diese sogar überschreiten. Die Polymerisationsreaktion, die durch vorhergehende Belichtungen ausgelöst wurde, kann während einer nachfolgenden UV-Belichtung in einer mehrfachen UV-Belichtungssequenz in einem Druckprozess eines UV-Tintenstrahldruckers immer noch aktiv sein. Die richtige Anordnung oder Anpassung eines UV-Systems in einem UV-Tintenstrahldrucker, um die Dunkelreaktion auszunutzen, kann ein weiter optimiertes Aushärten ermöglichen und zu einer besseren Druckqualität führen.
Typische Parameter zum Bewerten eines UV-Tintenstrahldruckers umfassen beispielsweise Druckqualität, Druckgeschwindigkeit, Druckbreite, Substratart und Zuverlässigkeit. Dabei wird die Kombination aus Druckqualität und Geschwindigkeit häufig als die größte Herausforderung angesehen. Zusätzlich zu den Druckköpfen, die regeln, wie die Tintentropfen ausgespritzt werden, spielen die UV-Lichtquellen, die zum Aushärten verwendet werden, eine wichtige Rolle beim Einfluss auf Druckqualität und Geschwindigkeit. Herkömmliche UV-Lichtquellen, die in Tintenstrahldruckern verwendet werden, sind typischerweise Quecksilber-(Hg)Dampflampen und eine andere Kategorie von Hg-Lampen, eine Mikrowellen- oder elektrodenlose Lampe, obwohl auch andere Gasentladungslampen verwendet werden können. Diese Lampen stellen genug Leistung bereit, um die meisten Tintenarten bei den Druckgeschwindigkeiten auszuhärten, die bisher in der Industrie verwendet werden, und werden in vielen verschiedenen Druckersystemen verwendet. Die Wärmemenge, die von Gasentladungslampen abgestrahlt wird, ist jedoch gewöhnlich sehr groß, was Auflagen für den Systementwurf bedingt. Eine Überhitzung kann Betriebs- und Wartungsprobleme verursachen. Übermäßige Hitze schränkt auch die Fähigkeit des Tintenstrahldruckers ein, auf einigen wärmeempfindlichen Substraten zu drucken. Wenn man jedoch die Lampenleistung senkt, um schädliche Heizeffekte zu vermeiden, kann es zu Einbußen kommen, z. B. durch geringere Druckqualität und Geschwindigkeit, oder das Aushärten ist eventuell gar nicht möglich.
In den letzten Jahren wurden Festkörper-Leuchtvorrichtungen (LEDs), wie etwa Leuchtdioden, als alternative Lichtquellen für industrielle Prozesse entwickelt, wie etwa photoreaktive oder photoinitiierte Prozesse, z. B. das Photoaushärten von Tinten, Klebstoffen und anderen Beschichtungen. LEDs sind energieeffizienter als herkömmliche Gasentladungslampen. Festkörper-Lichtquellen können auch aus Umweltschutzgründen oder wegen ihrer längeren Lebensdauer bevorzugt werden. UV-LEDs haben viel Interesse erregt, weil sie bei gleicher brauchbarer Lichtleistung weniger Wärme erzeugen und weniger Strom verbrauchen als Gasentladungslampen.
Jedoch selbst mit den heutzutage verfügbaren leistungsstärksten UV-LED-Chips haben Tintenstrahldrucker, die nur UV-LEDs zum Aushärten verwenden, immer noch gewisse Probleme, wie etwa schlechte Druckqualität und/oder Geschwindigkeit. Bei einigen standardmäßigen Versuchen zur Überprüfung der Druckqualität können die Druckproben, die von UV-LED-Tintenstrahldruckern erstellt werden, Nachweise von unangemessenem Aushärten mit Problemen an der Aushärtungsfläche, Haftproblemen oder Farbausbleichproblemen aufweisen. Es besteht also ein Bedarf, die Aushärtungsprozesse zu verbessern, beispielsweise für Anwendungen und Prozesse, bei denen LEDs die herkömmlichen Lichtquellen mit UV-Gasentladungslampen ersetzt haben.
Die UV-LED-Quellen, die gewöhnlich in der Tintenstrahlindustrie verwendet werden, weisen LED-Reihen auf, die dicht nebeneinander bestückt sind, so dass die ausgespritzten Tintenschichten eine durchgehende Bestrahlung empfangen. Viele der Anwendungen von UV-LED-Quellen in Tintenstrahldruckern verwenden blanke LED-Chips, Matrizen oder Arrays mit direkter Beleuchtung, so dass Licht verbreitet oder gestreut wird. Beispiele solcher Anordnungen werden in der US-Patentschrift Nr. US 2007/0 013 757 von Mimaki und in dem US-Patent Nr. 7,137,696 von CON-TROL-CURE beschrieben. Bei diesen Anordnungen kann es schwierig sein, eine Intensität zu erreichen, die für gute Druckqualität für bestimmte Anwendungen stark genug ist. Es können dichter bestückte LED-Chips bereitgestellt werden, um eine hohe Intensität zu erreichen, dann kann jedoch eine Flüssigkühlung notwendig sein, was Komplexität und Kosten des Systems erhöht. Solche UV-LED-Köpfe sind auf Grund der Dichte und der großen Anzahl der benötigten LED-Chips sehr kostspielig.
Bemühungen, um die Qualität und Geschwindigkeit des Aushärtens zu verbessern, waren hauptsächlich darauf konzentriert, Lichtquellen mit höheren Strahlintensitäten bereitzustellen, um mehr Leistung abzugeben, wofür dicht bestückte LEDs benötigt wurden. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 7,470,921 von Summit ein Gerät, das eine UV-LED-Vorrichtung umfasst, die einen überfokussierten Strahl bereitstellt, wobei eine Vielzahl von LEDs auf einer konkaven Oberfläche angeordnet ist, um einen konvergenten oder fokussierten Einzelstrahl bereitzustellen. Diese Art von fokussiertem Strahl kann zu viel des Guten sein, d. h. die Abgabe einer hohen Intensität über einen kurzen Zeitraum kann zu einer geringen Aushärtungseffizienz führen. Aus Gründen, die in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 12/582,492, ”System, method, and adjustable lamp head assembly for ultra-fast UV curing”, erwähnt werden, kann eine sehr intensive Bestrahlung einen Sättigungswert überschreiten, über dem das Licht für Photoreaktionen oder Photoaushärtung nicht wirksam verwendet wird, obwohl die Lichtintensität größer als eine gewisse Schwelle sein muss, um Photoreaktionen einzuleiten.
Wie dort ebenfalls beschrieben wird, können Dunkelreaktionen oder Dunkelpolymerisation maßgeblich zur endgültigen Umwandlung beitragen. Somit kann es bevorzugt werden, dass die Tintenschicht von dem ersten Lichtstrahl bestrahlt wird, worauf ein Zeitraum für die Dunkelreaktion folgt, welche die zweite UV-Bestrahlung durch den zweiten Lichtstrahl aufweist, gefolgt von der Dunkelreaktion und so weiter. Um eine höchste Aushärtungseffizienz zu erreichen, kann man den Zeitraum für die Dunkelreaktion durch Einstellen des UV-Strahls regeln und anpassen, damit sie mit der Tintenchemie und der Druckgeschwindigkeit übereinstimmt.
Obwohl beispielsweise bei abtastenden Tintenstrahldruckern mit durchgehender Bestrahlung die Tintenschichten mehrere UV-Beleuchtungen (d. h. mehrere Abtastungen) empfangen können, wird der Zeitraum zwischen jeder Beleuchtung z. B. durch die Konfiguration des Druckwerks und einer oder mehrerer Lichtquellen und die Abtastrate für den Druckprozess beeinflusst und stellt gewöhnlich nicht die Flexibilität einer Anpassung bereit, um den Anforderungen der Tintenchemie für eine optimale UV-Bestrahlung gerecht zu werden. Typischerweise sind bei bekannten Systemen eine oder zwei Lichtquellen neben dem Druckkopf angeordnet, und zwar nahe genug an dem Druckkopf, um frisch ausgespritzte Tinte auszuhärten, nachdem sie auf das Substrat abgeschieden wurde, jedoch weit genug entfernt, so dass störendes Licht (oder Wärme) das Aushärten nicht zu früh einleitet oder der Tinte vor oder während des Ausspritzens schadet. Der Zeitraum zwischen jeweils zwei Beleuchtungen kann eventuell den Anforderungen der Tintenchemie für die Dunkelreaktion nicht effektiv gerecht werden. Bei Systemen, die einen fokussierten Einzelstrahl bereitstellen, nutzen solche UV-Quellen auch die Dunkelreaktionen nicht effektiv aus. Diese Systeme stellen keine ausreichende Regelung der Bestrahlungszeiträume gegenüber der Dunkelpolymerisation zur Optimierung oder Verbesserung der Aushärtungseffizienz bereit.
Die US-Patentanmeldung Nr. 12/582,492 offenbart ein System, ein Verfahren und eine Leuchtenkopfanordnung, die einige der oben erwähnten Probleme ansprechen, indem sie ein anpassbares Strahlprofil bereitstellen, das für schnelles Drucken geeignet ist. Durch die Möglichkeit der Anpassung des Strahlprofils stellt diese Lösung eine bessere Übereinstimmung der Beleuchtung in Abhängigkeit von Prozessparametern bereit. Für einige Anwendungen ist diese Lösung jedoch eventuell nicht geeignet oder zu kompliziert, und es können alternative oder einfachere, kostengünstigere Lösungen notwendig sein.
Auch wenn die Intensität und das Strahlprofil einer Lichtquelle angepasst werden können, behebt dies nicht den oben erwähnten Nachteil, dass bei abtastenden Tintenstrahldruckern der Zeitraum zwischen den Abtastungen feststeht und vom Gerät abhängig ist und keine Regelung eines Intervalls der Dunkelpolymerisation zwischen den Bestrahlungszeiträumen bereitstellen kann.
Somit können bekannte UV-Aushärtungssysteme, wie etwa Tintenstrahldrucker, und insbesondere abtastende Tintenstrahldrucker, eventuell keine ausreichende Regelung des räumlichen Bestrahlungsmotivs und von Dunkelintervallen bereitstellen, was für bestimmte Anwendungen zu Problemen bei der Druckqualität oder der Aushärtungseffizienz führt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist bemüht, die Nachteile von bekannten Lichtquellen für UV-Aushärtungssysteme zu beheben oder mindestens zu mindern, oder wenigstens eine Alternative bereitzustellen.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Lichtquelle für ein photoreaktives Aushärtungsgerät bereit, umfassend: eine Vielzahl von Lichtquellenelementen, wobei die relative Beabstandung der Lichtquellenelemente ein Strahlprofil bereitstellt, das mindestens eine erste Bestrahlungszone und eine zweite Bestrahlungszone, die durch eine Dunkelzone getrennt sind, bereitstellt. Die Dunkelzone kann ein Bereich von relativ geringer Bestrahlungsstärke sein, so dass beispielsweise die Bestrahlungsstärke in der ersten und zweiten bestrahlten Zone oberhalb einer Schwelle für die Photoreaktion liegt, und die Bestrahlungsstärke in der Dunkelzone unterhalb der Schwelle liegen kann oder die Bestrahlungsstärke in der Dunkelzone im Wesentlichen gleich Null sein kann.
Die Lichtquelle kann eine Reihe von Lichtquellenelementen oder Modulen umfassen, wobei die relative Beabstandung der Lichtquellenelemente ein Strahlprofil bereitstellt, das eine erste Bestrahlungszone, eine Dunkelzone wegen der Beabstandung, eine zweite Bestrahlungszone, eine zweite Dunkelzone, und so weiter, umfasst. Die Dunkelzone kann ein Bereich mit relativ niedriger Bestrahlungsstärke zwischen zwei Bereichen mit höherer Bestrahlungsstärke oder ein Bereich ohne Licht oder mit sehr schwachem Licht sein, wo die Intensität unter einer bestimmten Schwelle für effektive Photoreaktionen liegen kann.
Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Lichtquelle ein Gehäuse, mit Montagemitteln oder Abstandsmitteln, um eine geeignete Beabstandung zwischen zwei oder mehreren Lichtquellenelementen oder Modulen einzustellen oder anzupassen, um ein Bestrahlungsmotiv zu optimieren, um Bestrahlungs- oder Beleuchtungsbereiche und Dunkelzonen bereitzustellen, um Dunkelreaktionen während des Aushärtens auszunutzen, z. B. zur Übereinstimmung mit einer bestimmten Tintenchemie und/oder Prozessgeschwindigkeit.
Die Lichtquellenelemente können herkömmliche UV-Lampen oder UV- oder sichtbare LEDs oder LED-Arrays umfassen, um sichtbares Licht oder UV-Strahlung auf Wellenlängen zu erzeugen, die für eine Photoreaktion oder eine Photoaushärtung geeignet sind, für Anwendungen wie etwa das Aushärten von Beschichtungen, Klebstoffen und Tinten für Tintenstrahl oder andere Druckanwendungen.
Beispielsweise kann jedes Lichtquellenelement oder jede Unterbaugruppe ein LED-Array umfassen, z. B. ein lineares Array aus 1 × n UV-LEDs, um eine Beleuchtungsreihe oder einen Beleuchtungsstreifen auf einem auszuhärtenden Substrat bereitzustellen. Dadurch, dass die Beabstandung jedes LED-Arrays angeordnet wird, um erste und zweite Bestrahlungsbereiche oder -zonen bereitzustellen, die durch Dunkelzonen getrennt sind, in denen die UV-Intensität relativ niedrig oder unterhalb der Schwelle für Photoreaktion liegen kann, kann die verfügbare Leistung oder Photonendosis effektiver verteilt werden, um Dunkelreaktionen oder Dunkelpolymerisation zwischen Beleuchtungs- oder Bestrahlungszeiträumen zu ermöglichen, um zum effektiven Aushärten beizutragen. Eine verteilte Anordnung von Lichtquellenelementen kann eine effektivere Verwendung der verfügbaren Energie bereitstellen. Ebenso kann eine verteilte oder beabstandete Anordnung einer Vielzahl von LED-Arrays oder Gruppen von LED-Arrays kastengünstiger sein und reduzierte Kühlanforderungen im Verhältnis zu kostspieligen, leistungsstarken, dicht bestückten LED-Arrays aufweisen. Eine derartige Anordnung kann auch für das Drucken oder Aushärten auf wärmeempfindlichen Substraten bevorzugt sein.
Eine bevorzugte Anordnung stellt eine feststehende Anordnung einer Vielzahl von linearen Lichtquellen, wie etwa linearen LED-Arrays, wobei mindestens eines von den anderen in der Baugruppe beabstandet ist, bereit. Das relative Positionieren oder Beabstanden eines jeden Lichtquellenelements kann beispielsweise vom Hersteller gemäß den Anforderungen der digitalen Druckanwendung, d. h. Druckgeschwindigkeit und Tintenchemie, und für ein bestimmtes Druckgerät voreingestellt oder vorgewählt werden, um ein verteiltes optisches Strahlprofil mit einem Dunkelintervall bereitzustellen, um Dunkelreaktionen auszunutzen.
Durch das Bereitstellen einer anpassbaren Anordnung einer Vielzahl von Lichtquellen-Unterbaugruppen, wobei das relative Positionieren oder Beabstanden einer jeden Unterbaugruppe angepasst werden kann, kann das Strahlprofil geregelt werden, um ein Motiv aus Bestrahlungszeiträumen und Intervallen für die Dunkelpolymerisation in Abhängigkeit von Prozessparametern bereitzustellen, um eine verbesserte Aushärtungseffizienz und Druckqualität für schnelle Druckanwendungen bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen stellt die Beabstandung zwischen den Lichtquellen-Unterbaugruppen auch Vorteile für die thermische Handhabung bereit, und kann eine effizientere Kühlung bereitstellen. Eine derartige Anordnung kann mit optischen Elementen, wie etwa Linsen oder Filtern, kombiniert werden, um eine zusätzliche Regelung des Strahlprofils und/oder der Beabstandung bereitzustellen.
Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen kann die Beabstandung von Lichtquellenelementen manuell oder automatisch anpassbar sein, um ein erwünschtes Strahlprofil mit Bestrahlungsbereichen bereitzustellen, die durch Dunkelbereiche getrennt sind (d. h. belichtete und unbelichtete Bereiche). Indem somit eine Leuchtenkopf-Baugruppe verwendet wird, die eine Vielzahl von verteilten Lichtquellen oder Unterbaugruppen umfasst, die durch eine vorgewählte Beabstandung beabstandet sein können oder relativ anpassbar sind, um verteilte Strahlen von jeder Quelle eines erwünschten Motivs bereitzustellen, kann ein globales Strahlprofil bereitgestellt werden, das anpassbar ist, um ein geregeltes Belichtungsmotiv des auszuhärtenden Substrats bereitzustellen, um Bestrahlungszeiträume und Intervalle von Dunkelpolymerisation oder Dunkelreaktionen bereitzustellen.
Durch das Einstellen richtiger Dunkelintervalle, d. h. das Anpassen der Beabstandung unter den verteilten Lichtstrahlen, ist es möglich, die Einrichtung der UV-Quelle mit der Tintenchemie in Übereinstimmung zu bringen, so dass UV-Strahlen mit spezifischen optischen Profilen abgegeben werden können, um die Polymerisationsreaktion zu regeln, damit sie nicht nur bei Anwendungen mit einem Durchgang sondern auch bei Anwendungen mit mehreren Durchgängen mit der gewünschten/erforderlichen Prozessgeschwindigkeit übereinstimmt. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben bestimmte Vorteile sowohl für abtastende Tintenstrahldrucker als auch für digitale Druckanwendungen mit feststehenden Köpfen für schnelles Drucken oder andere Anwendungen, die Lichtquellen zum Photoaushärten verwenden, wobei ein Zeitraum zwischen Beleuchtung oder Bestrahlung ansonsten nicht anpassbar ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfasst jedes Lichtquellenelement oder jede Unterbaugruppe mindestens ein UV-LED-Array, beispielsweise ein lineares Array aus 1 × n UV-LEDs. Jedes Array kann auf der gleichen Wellenlänge emittieren, oder ein oder mehrere Arrays können auf verschiedenen Wellenlängen emittieren, beispielsweise um ein oberflächliches Aushärten zu verbessern.
Wenn die Beabstandung der Lichtquellen-Unterbaugruppen automatisch anpassbar ist, kann ein Regelsystem bereitgestellt werden, um eine Regelung der Leuchtenparameter zur Anpassung der Beabstandung zwischen Lampen-Unterbaugruppen in Abhängigkeit von Prozessparametern zu ermöglichen, ähnlich wie es in der US-Patentanmeldung Nr. 12/582,492 ausführlich beschrieben wird.
Obwohl herkömmliche UV-Lichtquellen, z. B. Dampflampen, in einer derartigen Anordnung alternativ verwendbar sind, haben LEDs für viele Anwendungen Vorteile z. B. im Hinblick auf Größe und Formfaktor, Effizienz, Stromverbrauch und Kühlbedarf. Somit stellen Lichtquellen gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen zusätzlichen Parameter bereit, d. h. ein Lichtquellen-Bestrahlungsintervall oder ein Dunkelintervall zwischen zwei oder mehreren Bestrahlungszeiträumen, das von anderen Druckparametern, wie etwa der Abtastrate, unabhängig ist, und können eine größere Aushärtungseffizienz als herkömmliche ununterbrochene UV-Quellen ermöglichen. Beispielsweise ist es möglich, eine verbesserte Aushärtungseffizienz zu erreichen, indem man das Bestrahlungsintervall mit der Tintenchemie und den Druckparametern, wie etwa der Druckgeschwindigkeit, in Übereinstimmung bringt, was bei derzeitigen digitalen Druckanwendungen nicht verfügbar ist. Das Aushärten auf wärmeempfindlichen Substraten kann ebenfalls erleichtert werden.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung besser hervorgehen, wenn sie zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gesehen wird, wobei die Beschreibung rein beispielhaft ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen weisen identische oder entsprechende Elemente in den verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen auf. Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines UV-Aushärtungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 einen Teil eines Systems, wie etwa von dem, das in 1 gezeigt ist, das eine UV-Tintenstrahl-Druckanordnung mit einem abtastenden Druckkopf umfasst.
3 einen Teil eines Systems, wie etwa von dem, das in 1 gezeigt ist, das eine UV-Tintenstrahl-Druckanordnung mit einem Array von feststehenden Druckköpfen umfasst.
4 eine Querschnittsansicht eines vereinfachten Blockdiagramms, das einen Leuchtenkopf zeigt, der eine anpassbare Anordnung von Leuchtenkopf-Unterbaugruppen nach einer ersten Ausführungsform umfasst, um einen verteilten Lichtstrahl zu erstellen.
5 eine andere Querschnittsansicht in einer Richtung, die zu der in 4 gezeigten Seitenansicht rechtwinklig ist, einer Leuchtenkopf-Unterbaugruppe der ersten Ausführungsform.
6 eine untere Ansicht des Leuchtenkopfes der ersten Ausführungsform, der eine anpassbare Anordnung von Leuchtenkopf-Unterbaugruppen umfasst, die jeweils lineare Arrays von UV-LEDs umfassen.
7 eine Querschnittsansicht eines vereinfachten Blockdiagramms, das einen Leuchtenkopf gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt, der eine feststehende Anordnung von Leuchtenkopf-Unterbaugruppen mit einem gemeinsam genutzten Kühlmechanismus umfasst, um einen verteilten UV-Lichtstrahl zu erstellen.
8 eine Seitenansicht des Leuchtenkopfes der in 7 gezeigten zweiten Ausführungsform, der lineare LED-Arrays umfasst.
9 eine untere Ansicht des Leuchtenkopfes der in 7 gezeigten zweiten Ausführungsform, der lineare LED-Arrays umfasst.
10 ein Beispiel eines optischen Profils, das von der UV-LED-Quelle gemäß den in 4 bis 9 gezeigten ersten oder zweiten Ausführungsformen erstellt wird.
11 ein anderes Beispiel eines optischen Profils, das von der in 4 bis 9 gezeigten UV-LED-Quelle erstellt wird.
12 eine modulare Form einer Anordnung für Lichtquellenelemente, wobei jedes Modul abnehmbar in Steckplätzen montiert ist.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Lichtquellen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in einem UV-Aushärtungssystem, und insbesondere in einem UV-Tintenstrahldrucker oder einem Aufzeichnungsgerät, wie es etwa schematisch in 1, 2 und 3 abgebildet ist, verwendet werden. Die Lichtquellen 20 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf 4 bis 9 ausführlicher beschrieben.
1 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm von Elementen eines typischen UV-Aushärtungssystems 1 zur Verwendung bei digitalen Druckanwendungen. Das System umfasst mindestens einen Druckkopf 18 zum Ausspritzen von Tinte oder einer Beschichtung 102 auf ein Substrat 100 und mindestens eine Lichtquelleneinheit oder einen Leuchtenkopf 20, die bzw. der eine oder mehrere Lichtquellen-Unterbaugruppen 220a 220n umfasst, wie es mit Bezug auf 4 bis 9 beschrieben wird, um einen UV-Strahl 24 mit einer gewünschten Wellenlänge und einem gewünschten Strahlprofil zu erzeugen, um einen Bereich der Beschichtung/des Substrats 102/100 zu beleuchten oder zu bestrahlen, um eine Photoreaktion oder Photoaushärtung der Tinte und Beschichtung 102 auf dem Substrat 100 zu veranlassen. Das System 1 umfasst einen Bewegungsregler 16, gewöhnlich ein oder mehrere lineare Bewegungssysteme, um das Substrat 100 und das Druckwerk, das den oder die Druckköpfe 18 umfasst, zu bewegen, um die auszuhärtende Tinte abzugeben, und eine oder mehrere UV-Quellen 20 (20a/20b in 2) zum Bestrahlen des Substrats auf einer oder mehreren geeigneten Wellenlängen, typischerweise UV-Licht oder kurzwelliges sichtbares Licht, um eine Photoreaktion oder Photoaushärtung zu veranlassen. Zwei typische Anordnungen des UV-Aushärtungssystems 1 von digitalen Druckanwendungen sind in 2 und 3 gezeigt. D. h. dass das Substrat 100 unter den beleuchteten Bereich von den UV-Quelle(n) 20 aus bewegt werden kann (3), und/oder dass die UV-Quelle(n)-/Lampenbaugruppe 20 zusammen mit dem Abtastdruckwerk zum Abtasten des beleuchteten Bereichs über den Bereich des zu bedruckenden und auszuhärtenden Substrats bewegbar sein kann (2). Bei Druckanwendungen kann die relative Geschwindigkeit zwischen dem Substrat und dem Druckkopf typischerweise bei 0,2 m/s bis 2 m/s liegen, und bei manchen sehr schnellen Druckanwendungen kann die relative Geschwindigkeit derzeit bis zu 2,5 m/s reichen.
Mit Bezug auf 1 stellt ein Regelmittel, z. B. das Regelgerät 10 Energie und Regelung der relativen Bewegung des Substrats und des Druckkopfes 18 und weitere herkömmliche Regelung des Gerätes, wie etwa Tintenabgabe, Kalibrierung, Lampenanpassung, Beladen/Entladen des Substrats, Notfallausschaltung und andere typische Funktionen bereit. Das Regelgerät 10 umfasst auch einen Lichtquellenregler 12, der die Parameter der Leuchtenkopfbaugruppe 20, wie etwa Intensität, und andere mit dem Strahlprofil zusammenhängende Parameter regelt, wie es mit Bezug auf 4 bis 9 ausführlicher beschrieben wird. Der Druckkopfregler 14 regelt Parameter zum Betätigen von Tintenstrahldruckköpfen, z. B. Ausspritzfrequenz, Ausspritzmotiv, Grauskala, Farbkalibrierung und andere mit der Tintenabgabe zusammenhängende Parameter. Der Bewegungsregler 16 regelt die relative Bewegung des Substrats 100 und des Druckwerks, das den oder die Druckköpfe 18 und die UV-Quelle(n) 20 umfasst. Er ermöglicht eine genaue Positionskalibrierung und andere Bewegungen, wie etwa gegebenenfalls das Beladen und Entladen.
2 zeigt eine typische Konfiguration für eine Einrichtung eines abtastenden UV-Tintenstrahldruckers, wobei das Druckwerk die Druckköpfe 18 umfasst und die UV-Quelle 20 zwei UV-Lampen 20a und 20b trägt. Zur Bezugnahme sind XY-Achsen in den Figuren angegeben, um bei der Beschreibung der relativen Bewegung der Teile behilflich zu sein. Die Druckköpfe 18/UV-Leuchtköpfe 20 bewegen sich zusammen hin und her an einer feststehenden Führungsschiene 17 entlang, entlang der Y-Achse über das Substrat 100, wobei sie Tinte ausspritzen und die Tinte einer UV-Bestrahlung aussetzen, über einem Band oder einer Spalte des Substrats, das bzw. die unter den Leuchtköpfen 20a und 20b ausgesetzt ist. Nach einer oder mehreren Abtastungen rückt das Substrat im Allgemeinen um eine Schrittgröße oder Spaltenbreite vor (wird bewegt). Die Schrittgröße (Spaltenbreite) wird typischerweise vom Druckerhersteller bestimmt, um mit den Ausspritzmotiven der Tintenstrahldruckköpfe 18 übereinzustimmen, und liegt im Allgemeinen zwischen 1 cm und 7,5 cm. In diesem Bereich ist die Schrittgröße somit kleiner als die Größe des Beleuchtungsstrahls in der X-Richtung, um die nächste Spalte oder das nächste Band ausgespritzter Tinten zu drucken und auszuhärten. Zum Abtasten von Breitformat-Druckanwendungen liegt die Druckbreite, d. h. der effektive Abtast-/Ausspritzabstand der Druckköpfe 18, typischerweise bei 1 m bis 5 m, so dass das Intervall zwischen zwei UV-Bestrahlungen von verschiedenen Abtastungen auf derselben Tintenschichtspalte typischerweise bei 2 Sekunden oder mehr liegt, was gewöhnlich für Dunkelreaktionen zu lang ist, um effektiv zum Optimieren der Aushärtungseffizienz genutzt zu werden, wenn man generell bedenkt, dass das UV-Aushärten in einem Sekundenbruchteil erfolgt. Zudem ist das Intervall zwischen zwei UV-Bestrahlungen von verschiedenen Abtastungen durch den Druckprozess eingeschränkt und ist nicht leicht für verschiedene Druckprozesse anzupassen.
3 ist eine andere typische Konfiguration für einen UV-Tintenstrahldrucker mit feststehenden Druckköpfen 18 und UV-Quellen 20, die sich quer über das Substrat 100 erstrecken. Bei dieser Anordnung mit einem einzigen Durchgang für digitale Druckanwendungen erhalten Tintenschichten, die von den Druckköpfen 18 auf das Substrat 100 ausgespritzt werden, nur eine einzige Gelegenheit der UV-Bestrahlung durch die UV-Quellen 20, wenn das Substrat 100 unter dem Druckkopf 18 und der Lichtquelle 20 vorbeigeht. Diese Anordnung, bei der das Substrat 102 unter den feststehenden Druckköpfen 18 und UV-Lampen 20 bewegt wird, die sich über die Querrichtung des Substrats erstrecken, um die gesamte Breite des Substrats 100 abzudecken, hat Anwendungen beim Drucken von Etiketten, beim Drucken von Karten und in manchen Fällen auch beim Drucken im Breitformat. Da diese Anordnung nur ein Drucken mit einem einzigen Durchgang ermöglicht, sind die erforderliche Tintenausspritz-Geschwindigkeit und Aushärtungsgeschwindigkeit im Allgemeinen sehr schnell.
Im Allgemeinen kann für die beiden in 2 und 3 beschriebenen Anordnungen der belichtete Bereich durch eine Dimension L, die zur relativen Bewegungsrichtung zwischen Druckwerk und Substrat 100 rechtwinklig ist, und durch die andere Dimension W an der relativen Bewegungsrichtung zwischen Druckwerk und Substrat 100 entlang gekennzeichnet sein. Für Tintenstrahl-Druckanwendungen ist das optische Intensitätsprofil bevorzugt in der Dimension L der UV-Quellen 20 einheitlich. Das Strahlenintensitätsprofil an der anderen Dimension W entlang, d. h. an der Richtung der relativen Bewegung des Substrats 100 während der UV-Belichtung entlang, ist beim Bestimmen der zeitweiligen Belichtung des Substrats während des Druckens für ein besseres und besser geregeltes Aushärten wichtiger.
Die Lichtquelleneinheiten gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die nachstehend ausführlich beschrieben werden, kann ein spezielles optische Intensitätsprofil in der Dimension W erstellen, das fokussierte und/oder unfokussierte Strahlprofile umfasst, um geeignete Bestrahlungsintervalle mit geeigneter Beabstandung dazwischen bereitzustellen, die mit dem erforderlichen optimalen Zeitintervall für Dunkelreaktionen zwischen Intervallen der Photobestrahlung für eine bessere Aushärtungseffizienz oder verbesserte Tintenfilmqualität übereinstimmen.
Wie es schematisch in 1 gezeigt wird, stellen herkömmliche bekannte Lichtquellen typischerweise ein schmales, intensives, fokussiertes Strahlprofil über den beleuchteten Bereich bereit, während das Substrat 26 unter der Lichtquelle 20 vorbeigeht. Dagegen umfasst die Lichtquelleneinheit 20 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in 4 bis 6 gezeigt wird, eine Vielzahl von Lichtquellenelementen oder Unterbaugruppen 220a, 220b, 220c, die in einem Rahmen oder Gehäuse 200 montiert sind, wobei die Beabstandung S₁ zwischen 220a und 222b und die Beabstandung S₂ zwischen 220b und 220c eingerichtet sind, um ein bestimmtes Bestrahlungsmotiv bereitzustellen, wie es beispielsweise in 10 oder 11 gezeigt wird, wo Bestrahlungsbereiche oder -intervalle durch einen ”Dunkelbereich” oder eine ”Dunkelzone” getrennt sind, d. h. Bereiche oder Intervalle, in denen das Substrat keiner Strahlung ausgesetzt ist oder nur einer geringen Bestrahlung ausgesetzt ist, die unter einem Schwellenwert für Photoreaktion, bei dem Dunkelreaktionen oder Dunkelpolymerisation stattfinden, liegen kann. In diesem Zusammenhang sind Bestrahlungszonen, oder Bereiche oder Intervalle von Bestrahlung oder Beleuchtung als Bereiche oberhalb einer Schwellenintensität für Photoreaktion oder Photoaushärtung zu verstehen.
Die Beabstandungen zwischen den einzelnen Lichtquellen-Unterbaugruppen 220a, 220b und 220c stellen zusätzliche Parameter bereit, die das Lichtquellen-Bestrahlungsintervall regeln, d. h. ein Intervall zwischen zwei Beleuchtungszeiträumen, das von anderen Druckerparametern, wie etwa von der Abtastfrequenz, unabhängig ist. Durch eine geeignete Auswahl des Strahlprofils, um Bestrahlungsintervalle auf ausgewählten Intensitäten bereitzustellen, und der Beabstandungen, die ein Dunkelintervall zwischen Bestrahlungszeiträumen bereitstellen, kann das Bestrahlungsmotiv Dunkelreaktionen oder Dunkelpolymerisationen ausnutzen, um die Aushärtungseffizienz gegenüber herkömmlichen UV-Quellen zu verbessern, die dazu neigen, einen einzigen, durchgehenden, intensiven, fokussierten Strahl maximierter Intensität bereitzustellen. Bei einigen Anwendungen wird eine verbesserte Aushärtungseffizienz erreicht, indem die Bestrahlungsintensität und das Bestrahlungsintervall mit der Tintenchemie und den Druckparametern, wie etwa Druckgeschwindigkeit, in Übereinstimmung gebracht werden, um eine weitere Regelung der Druckparameter bereitzustellen, die bei derzeitigen digitalen Drucksystemen nicht zur Verfügung steht.
Mit Bezug auf die in 4 bis 6 gezeigte Ausführungsform umfasst jede verteilte Lichtquelle 20 eine Vielzahl von Lichtquellenelementen oder Leuchtenkopf-Unterbaugruppen, z. B. wie abgebildet drei Einheiten 220a, 220b, 220c oder eine beliebige Anzahl, wobei mindestens zwei der Unterbaugruppen eine bestimmte Beabstandungsanordnung aufweisen, um ein Intervall von geringerer Beleuchtung oder eine Dunkelzone bereitzustellen, um Dunkelreaktionen oder Dunkelpolymerisation sowie das Aushärten während der Photobestrahlung auszunutzen. Durch das Bereitstellen einer geeigneten Beabstandung zwischen den Lichtquellen-Unterbaugruppen kann ein zusätzlicher Parameter, d. h. ein Lichtquellen-Bestrahlungsintervall, bereitgestellt werden, der von anderen Druckerparametern unabhängig ist. Bei einigen Anwendungen, wie etwa beim digitalen Drucken, kann eine verbesserte Aushärtungseffizienz erreicht werden, indem das Bestrahlungsintervall mit der Tintenchemie und Druckparametern, wie etwa der Druckgeschwindigkeit, in Übereinstimmung gebracht wird.
Mit Bezug auf 4 bis 6 umfasst ein Leuchtenkopf 20 gemäß einer ersten Ausführungsform eine feststehende Anordnung von beispielsweise drei ähnlichen Lichtquellenelementen als Leuchtenkopf-Unterbaugruppen 220a, 220b und 220c, wobei jede ein lineares LED-Array 202 umfasst und eine Beleuchtungsreihe bereitstellt, bei der die Beabstandung zwischen Leuchtenkopf-Unterbaugruppen S₁ und S₂ für einen bestimmten Prozess, oder um für die meisten gewöhnlichen Anwendungen und Prozesse geeignet zu sein, vorgewählt wird. Jede Leuchtenkopf-Unterbaugruppe 220a, 220b und 220c weist ein eigenes Gehäuse 210 auf, das Kühlmittel in Form einer Wärmesenke 206 in thermischem Kontakt mit dem Substrat 204, auf dem das LED-Array 202 montiert ist, und ein Gebläse 212 enthält. Ein optisches Element in Form einer Linse 208 wird ebenfalls bereitgestellt, um das Strahlprofil des LED-Arrays zu gestalten. Die drei Unterbaugruppen 220a, 220b und 220c sind innerhalb eines Rahmens oder Gehäuses 200 montiert, das eine Montage bereitstellt, welche die Beabstandungen S₁ und S₂ einstellt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Beabstandungen S₁ und S₂ feststehend oder werden bei der Herstellung voreingestellt, um mit den Prozessanforderungen eines bestimmten Druckgeräts und den Prozessparametern übereinzustimmen oder um für eine Reihe von geläufigeren standardmäßigen Prozessen und Anwendungen geeignet zu sein.
Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen ist die Lichtquelle 20 ähnlich wie sie in 4 bis 6 gezeigt ist, außer dass die Beabstandungen S₁ und S₂ zwischen den Leuchtenkopf-Unterbaugruppen 220a, 220b und 220c anpassbar sind. Es versteht sich, dass diverse Montageanordnungen bereitgestellt werden können, um eine Anpassung der Beabstandung der Lichtquellenelemente, sei es manuell oder automatisch, zu ermöglichen. Die Beabstandungen können stufenlos anpassbar sein oder eine Anpassung zwischen zwei oder mehreren voreingestellten Beabstandungen bereitstellen. Eine weitere Anpassung der Dunkelzone kann auch durch eine Leistungsregelung einzelner LEDs oder Gruppen von LEDs erreicht werden.
Da die Dunkelreaktion eng mit der Tintenchemie und der relativen Geschwindigkeit zwischen der Lichtquelle und dem Substrat verbunden ist, kann die optimale Beabstandung zwischen den Unterbaugruppen Zeitintervalle ohne Bestrahlung oder mit geringer Bestrahlung in einem optimalen Bereich bereitstellen. Das optimale Intervall für eine Dunkelreaktion liegt in einem derartigen Bereich, dass die Reaktionsrate der Polymerisation in der Dunkelzone nicht zu tief für ein effektives Aushärten abfällt. Derzeit beträgt die relative Geschwindigkeit zwischen Lichtquelle und Substrat üblicherweise zwischen 0,1 m/s und 2,5 m/s. Ein derartiger Geschwindigkeitsbereich zusammen mit der derzeitigen Tintenformulierungstechnologie führt dazu, dass die optimale Dunkelzone in dem Bereich zwischen 1 ms und 10 s, weiter bevorzugt zwischen 5 ms und 5 s, liegt. Mit den Informationen über die Prozessgeschwindigkeit kann man den optimalen Beabstandungsbereich zwischen den Unterbaugruppen oder Unterelementen bestimmen. Beispielsweise für eine Prozessgeschwindigkeit von 1 m/s, die ein Dunkelintervall von 10 ms ermöglicht, würde die Beabstandung der Lichtquellenelemente 10 mm betragen.
Die Anpassung des Intensitätsprofils kann die Filmqualität sowie die Aushärtungseffizienz beeinflussen oder verbessern. Sobald die Polymerisationsreaktion mit der richtigen Bestrahlung gestartet wird, d. h. oberhalb der Schwelle für Photoreaktion und Erzeugung von freien Radikalen oder Ausgangspunkten, wachsen die Polymerketten oder verbreiten sind, um eine Netz zu bilden, ob Licht vor der Beendigung vorhanden ist oder nicht. Die Netzbildung und ihre Qualität werden durch mehrere Mechanismen in dem System geregelt. Zu viele neue Ausgangspunkte, die auf einmal erzeugt werden, müssen nicht unbedingt ein starkes Polymerisationsnetz bilden. Somit stellt eine geeignete Beabstandung von mehreren Lichtquellenelementen unter Verwendung einer verteilten Lichtquelle, wie es hier beschrieben wird, mit einem bestimmten Motiv aus Bestrahlungs- und Dunkelzonen einen neuartigen Lösungsansatz bereit, um Dunkelreaktionen effektiver auszunutzen, um eine bessere Aushärtungsqualität zu erhalten.
Bei einer Leuchtenkopfanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine UV-Lichtquelle bereitgestellt, die eine einzige Anordnung 30 umfasst, wie in 7, 8 und 9 gezeigt, die eine Vielzahl von Lichtquellenelementen umfasst, d. h. linearen Arrays von LEDs 302, die in einer einzigen Einfassung oder einem Gehäuse 310 montiert sind. Jedes lineare LED-Array umfasst eine Leiterplatte (PCB) 304 mit UV-LEDs 302, die auf demselben Substrat montiert, d. h. geschweißt, sind, wobei sie ein Kühlbestandteil, wie etwa eine Wärmesenke 306, das auch ein oder mehrere Wärmerohre (nicht gezeigt) umfassen kann, gemeinsam nutzen. Die drei PCSs 304, welche die LED-Arrays tragen, sind mit einem Zwischenraum s₁, s₂ zwischen jedem angrenzenden PCB-Paar ausgerichtet, um eine ähnliche Beabstandung zwischen optischen Strahlprofilen bereitzustellen, wie sie von den Unterbaugruppen wie oben erzeugt werden (z. B. die in 10 oder 11 gezeigten Profile). Wahlweise können optische Elemente, wie etwa eine Linse oder ein Linsen-Array 308, wie in 7 gezeigt, vor den LEDs 302 in der Leuchtenkopfeinfassung 310 verwendet werden, um eine ausreichend hohe Intensität mit verschiedenen optischen Profilen zu erreichen. Die Linse oder das Linsen-Array 308 kann man vermeiden, wenn die Intensität und/oder das optische Strahlprofil für ein effizientes Aushärten optimal sind. 8 zeigt eine andere Seitenansicht des Geräts, die zu der Querschnittsseite aus 7 rechtwinklig ist. Ein Lüfter 312 ist an jedem Ende des Leuchtenkopfes 30 montiert, um die Wärmesenke/das Wärmerohr 306 abzukühlen.
9 zeigt eine untere Ansicht des Leuchtenkopfes 30, welche die 3 linearen LED-Arrays 302 zeigt, wobei die optionale Linse/das Linsen-Array 308 entfernt ist. Die Beabstandung s₁, s₂ zwischen den LED-Arrays 302, die vom Lampenhersteller gemäß den Anforderungen des Druckprozesses, d. h. Tintenchemie und Druckgeschwindigkeit, vorgewählt wird, ermöglicht es dem Leuchtenkopf 30, das spezifische räumliche Motiv des UV-Strahls zu erstellen, der auf die Tinten-/Beschichtungsschichten gestrahlt wird, das in der vorliegenden Anmeldung gelehrt wird.
Es versteht sich, dass bei anderen Ausführungsformen alternative Anordnungen zur Kühlung bereitgestellt werden können. D. h. dass Lüfter 312 an anderen Positionen, z. B. oben auf der Wärmesenke/dem Wärmerohr 306 montiert sein können, um ebenfalls eine richtige Kühlung bereitzustellen, und Lüfter 312 können vermieden werden, wenn eine richtige Kühlung nur durch die Wärmesenke/das Wärmerohr 306 erreicht wird.
Es versteht sich ebenfalls, dass andere Anordnungen von zwei oder mehreren LED-Arrays in einer feststehenden Anordnung mit geeigneter Beabstandung von einzelnen Arrays oder Gruppen von Arrays mit gemeinsam genutzter Kühlung eine einfachere und eine rentablere Lichtquelle bereitstellen, die erste und zweite Beleuchtungs- oder Bestrahlungszonen bereitstellen, die durch eine Dunkelzone getrennt sind. Vorteilhaft kann eine Mindestanzahl von LEDs in der Lichtquelle bereitgestellt werden, um das erforderliche Bestrahlungsmotiv und eine ausreichende Intensität für effektives Aushärten bereitzustellen. Wenn somit ein feststehendes Bestrahlungsmotiv mit einem Dunkelintervall benötigt wird, ist eine derartige Anordnung nicht so kostspielig wie selektives Beleuchten eines dichten Arrays von LEDs oder das Maskieren oder Blockieren von Licht, um eine Dunkelzone bereitzustellen.
Modulare Anordnungen
Bei einer anderen Ausführungsform, wie in 12 gezeigt, können die Lichtquellenelemente oder Unterbaugruppen in modularer Form bereitgestellt werden, und jedes modulare Lichtquellenelement 220a, 220b oder 220c ist abnehmbar in einem von einer Vielzahl von Steckplätzen 440 in dem Gehäuse 400 montiert. Somit kann eine Vielzahl von Lichtquellenelementen in angrenzenden Steckplätzen gruppiert werden, oder ein Steckplatz kann leer bleiben, um eine größere Beabstandung und daher ein längeres Dunkelintervall zwischen einer ersten Gruppe aus einem oder mehreren Modulen und einer zweiten Gruppe aus einem oder mehreren Modulen bereitzustellen. Praktischerweise können verschiedene Module abnehmbar in den Steckplätzen oder anderen geeigneten Montageanordnungen montiert werden, um verschiedene Strahlprofile mit unterschiedlichen räumlichen Motiven von Bestrahlungs- und Dunkelintervallen zu ermöglichen. Es versteht sich ebenfalls, dass, obwohl Steckplätze zum Aufnehmen von modularen Lichtquellenelementen beschrieben und gezeigt werden, andere geeignete Montagemittel oder Ausrichtungs-/Abstandsmitteln, wie etwa Schienen, Verbindungsstücke und dergleichen, zum geeigneten Verbinden und Beabstanden der Module in dem Gehäuse oder der Einfassung 400 der Lichtquelle bereitgestellt werden können.
Wenn jede Unterbaugruppe oder jedes Lampenelement als separates Modul bereitgestellt wird, z. B. in seinem eigenen Gehäuse mit seiner eigenen Kühlung und seinen optischen Elementen, wie in 4, 5 und 12 abgebildet, verfügt ein Benutzer über die Flexibilität, die Anordnung von Unterelementen für verschiedene Anwendungen anzupassen. Ein Kunde kann beispielsweise von einer bis zu einer beliebigen Anzahl dieser Einheiten auswählen und sie mit geeigneten Abstandshaltern zusammen stapeln, mit der Freiheit, Beabstandungen dazwischen je nach Bedarf für einen bestimmten Prozess anzupassen.
Wenn mehrere Lichtquellen in einer Leuchtenkopf-Baugruppe, beispielsweise in einem LED-Array mit einer Vielzahl von LEDs, verwendet werden, können die Lichtquellen adressierbar sein, wie es in dem US-Patent Nr. 6,683,421 beschrieben wird, das an den vorliegenden Rechtsnachfolger abgetreten wurde, um eine Regelung der Leistung für einzelne Lampen oder Gruppen von Lichtquellen (LEDs) zu ermöglichen, um das Strahlprofil entsprechend zu regeln. Beispielsweise können bei den in 9 gezeigten Ausführungsformen die drei LED-Arrays 320a, 320b und 320c getrennt geregelt werden, um das gesamte Strahlprofil anzupassen, um beispielsweise Strahlprofile wie in 10 und 11 gezeigt bereitzustellen.
Es werden nun weitere Ausführungsformen beschrieben, die besonders vorteilhaft für UV-Tintenstrahlanwendungen sind, bei denen es wünschenswert ist, das räumliche Motiv der Bestrahlungsquelle zu regeln. Während das Substrat 100 unter den UV-Quellen 20 vorbeigeht, dreht die relative Bewegung das räumliche Motiv der Lichtquelle in eine zeitweilige Bestrahlung, von den auszuhärtenden Tinten-/Beschichtungsschichten aus gesehen. Dieses zeitweilige Bestrahlungsmotiv ist eng mit der UV-Polymerisationsreaktion verbunden, wie es in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 61/139,203, ”System, method, and adjustable lamp head assembly for ultra-fast UV curing” beschrieben wird. Insbesondere ist es möglich, eine präzisere Regelung des Beleuchtungszeitraums, um eine Photopolymerisation einzuleiten, und der Intervalle ohne Beleuchtung, um eine Dunkelpolymerisation zu ermöglichen, um zum Aushärten beizutragen, bereitzustellen und dadurch die Aushärtungseffizienz und/oder Druckqualität zu verbessern. Obwohl die zuvor beschriebenen Ausführungsformen UV-LED-Lichtquellen umfassen, kann bei alternativen Ausführungsformen jede Unterbaugruppe aus LEDs oder LED-Arrays bestehen, die auf anderen Wellenlängen emittieren, die zur Photoaushärtung oder Photoinitiierung geeignet sind, z. B. Blaulicht-LEDs, die auf ~400 nm emittieren. Alternativ gibt es andere Arten von UV-Lichtquellen, wie etwa UV-Dampflampen oder andere bekannte Lichtquellenarten. Bei einigen Anwendungen kann man eine oder mehrere Lichtquellen-Unterbaugruppen verwenden, die auf verschiedenen Wellenlängen emittieren, z. B. auf verschiedenen UV-Wellenlängen oder anderen sichtbaren Wellenlängen oder auf Mikrowellenlängen. Obwohl Unterbaugruppen aus linearen LED-Arrays beschrieben werden, werden ähnlich andere Konfigurationen in Betracht gezogen, wie etwa gekrümmte Arrays, ringförmige oder zylindrische Arrays oder andere, beliebig angeordnete Lichtquellen, beispielsweise zum Bestrahlen von Produkten bestimmter Formen, und diese Arrays können beispielsweise auch adressierbare Arrays sein, wie es etwa in dem US-Patent Nr. 6,683,421 beschrieben wird, das an den vorliegenden Rechtsnachfolger abgetreten wurde. Es versteht sich, dass die Bestrahlungsmotive, wie etwa Beleuchtungslinien, die von verteilten Lichtquellenelementen bereitgestellt werden, lineare LED-Arrays umfassen, wie zuvor beschrieben, durch verschiedene Arten von UV- oder sichtbaren LEDs, z. B. mit verschiedener Wellenlänge und Betrachtungswinkel, erzeugt werden können. Wahlweise kann man optische Elemente, wie etwa Linsen oder Reflektoren, verwenden, um das Strahlprofil aus einer LED oder einem LED-Array zu gestalten. Es versteht sich ebenfalls, dass räumliche Bestrahlungsmotive dieser Art nicht nur durch UV-LEDs erzeugt werden können, sondern auch durch andere Arten von UV-Quellen oder Kombinationen, wie etwa einer Bogenlampe oder Mikrowellenlampen. Bei dem Beispiel von Bogenlampen kann eine leistungsstarke Bogenlampenquelle in einer herkömmlichen Lichtquelle für ein UV-Aushärtungsgerät durch mehrere leistungsschwache Bogenlampen ersetzt werden, die im Raum mit Abstand zwischen diesen Leuchtköpfen verteilt sind. Eine derartige Anordnung reduziert den Kühlbedarf für jede Lampe erheblich. Zudem ermöglichen verteilte Leuchtköpfe das Drucken auf einer größeren Anzahl von wärmeempfindlichen Substraten, weil Dunkelintervalle Wärmeableitung und niedrigere Substrattemperaturen während der Verarbeitung ermöglichen.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Es werden verteilte Lichtquellen bereitgestellt, die eine Vielzahl von Lichtquellenelementen oder Unterbaugruppen mit spezifischen Beabstandungen zwischen den Unterbaugruppen umfassen, um bestimmte Photobestrahlungsmotive bereitzustellen, die für photoreaktive Aushärtungsanwendungen geeignet sind, wie etwa UV-Tintenstrahl-Aushärtungsanwendungen, bei denen Dunkelreaktionen sowie Reaktionen während der Photobestrahlung zum effektiven Aushärten beitragen können. Da insbesondere mindestens ein Lichtquellenelement oder eine Unterbaugruppe von anderen Elementen oder Unterbaugruppen beabstandet ist, kann das Strahlprofil einen Bereich mit geringer Intensität oder eine Dunkelzone bereitstellen. Eine geeignete feststehende oder anpassbare Beabstandung der Unterbaugruppen oder Module stellt das geeignete Intervall für eine Dunkelreaktion zwischen Beleuchtungszeiträumen bereit. Diese Anordnung stellt eine verbesserte Regelung eines Photobestrahlungsmotivs bereit, um eine verbesserte Geschwindigkeit und Qualität der Aushärtung bereitzustellen, insbesondere wenn eine Dunkelpolymerisation sowie eine lichtinduzierte Polymerisation effektiv zum Aushärtungsprozess beitragen.
Obwohl die Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben und abgebildet wurden, ist es eindeutig zu verstehen, dass diese nur als erläuternd und beispielhaft und nicht als einschränkend anzusehen sind, wobei der Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch die beiliegenden Ansprüche eingeschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2007/0013757 [0008]
US 7137696 [0008]
US 7470921 [0009]
US 6683421 [0063, 0064]

Claims

Lichtquelle für ein photoreaktives Aushärtungsgerät, umfassend eine Vielzahl von Lichtquellenelementen, wobei die relative Beabstandung der Lichtquellenelemente ein Strahlprofil bereitstellt, das mindestens eine erste Bestrahlungszone und eine zweite Bestrahlungszone, die durch eine Dunkelzone getrennt sind, bereitstellt.
Lichtquelle für ein photoreaktives Aushärtungsgerät nach Anspruch 1, wobei die Dunkelzone einen Bereich geringerer Bestrahlungsstärke zwischen den ersten und zweiten Bestrahlungszonen bereitstellt.
Lichtquelle für ein photoreaktives Aushärtungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Bestrahlungszonen eine Bestrahlungsstärke oberhalb einer Schwelle für eine Photoreaktion bereitstellen, und die Dunkelzone eine Bestrahlungsstärke unterhalb der Schwelle bereitstellt.
Lichtquelle für ein photoreaktives Aushärtungsgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Bestrahlungsstärke in der Dunkelzone im Wesentlichen gleich Null ist.
Lichtquelle für ein photoreaktives Aushärtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend erste und zweite Lichtquellenelemente, wobei die ersten und zweiten Lichtquellenelemente um eine Beabstandung S_1,2 beabstandet sind, um die erste Bestrahlungszone, die von der zweiten Bestrahlungszone durch die Dunkelzone getrennt ist, bereitzustellen.
Lichtquelle für ein photoreaktives Aushärtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vielzahl von Lichtquellenelementen in Gruppen von mindestens einem Lichtquellenelement angeordnet sind, wobei jede Gruppe von mindestens einem Lichtquellenelement zum Bestrahlen einer jeweiligen Bestrahlungszone gedacht ist, und jedes Paar von Gruppen n, m durch eine Beabstandung S_n,m getrennt ist, um dazwischen die Dunkelzone bereitzustellen.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jedes Lichtquellenelement eines von einer UV-/sichtbaren Lampe, einer UV-LED, einem UV-LED-Array, einer sichtbaren LED, einem sichtbaren LED-Array umfasst.
Lichtquelle für ein photoreaktives Aushärtungsgerät nach Anspruch 5, wobei jedes Lichtquellenelement ein LED-Array umfasst, und wobei die Vielzahl von LED-Arrays in Gruppen von mindestens einem LED-Array angeordnet ist, wobei jede Gruppe zum Bestrahlen einer jeweiligen Bestrahlungszone gedacht ist, und jede Gruppe (n, m) aus mindestens einem LED-Array um eine Beabstandung S_n,m getrennt ist, um die Dunkelzone dazwischen bereitzustellen.
Lichtquelle nach Anspruch 8, wobei jedes LED-Array ein lineares LED-Array ist, wobei die Vielzahl von LED-Arrays in einem Gehäuse montiert ist, und mindestens zwei LED-Arrays (m, n) um eine Beabstandung S_n,m getrennt sind, um erste und zweite lineare Bestrahlungszonen mit einer Dunkelzone dazwischen bereitzustellen, die durch die Beabstandung S_n,m bestimmt wird.
Lichtquelle für ein photoreaktives/photoaushärtendes Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend ein Gehäuse und Mittel, um jedes Lichtquellenelement um eine jeweilige Beabstandung S_n,m getrennt in dem Gehäuse zu montieren.
Lichtquelle für ein photoreaktives/photoaushärtendes Gerät nach Anspruch 10, ferner umfassend Kühlmittel zum Kühlen der Lichtquellenelemente.
Lichtquelleneinheit für ein photoreaktives/photoaushärtendes Gerät nach Anspruch 11, ferner umfassend optische Elemente zum Gestalten des Strahlprofils.
Lichtquelle für ein photoreaktives/photoaushärtendes Gerät nach Anspruch 7, wobei jede Gruppe aus mindestens einem LED-Array eine Unterbaugruppe umfasst, und jede Unterbaugruppe um eine jeweilige Beabstandung S_n,m getrennt in dem Gehäuse montierbar ist.
Lichtquelle für ein photoreaktives/photoaushärtendes Gerät nach einem der Ansprüche 8, 9 und 13, wobei jede Gruppe aus mindestens einem LED-Array eine Unterbaugruppe umfasst und jede Unterbaugruppe Kühlmittel umfasst.
Lichtquelle für ein photoreaktives/photoaushärtendes Gerät nach einem der Ansprüche 8, 9 und 13, wobei jede Gruppe aus mindestens einem LED-Array eine Unterbaugruppe umfasst, und jede Unterbaugruppe optische Elemente zum Gestalten des Strahlprofils aus der Unterbaugruppe umfasst.
Lichtquelle für ein photoreaktives/photoaushärtendes Gerät nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei mindestens eine Unterbaugruppe anpassbar mit dem Gehäuse montierbar ist, um eine jeweilige Beabstandung S_n,m anzupassen.
Lichtquelle für ein photoreaktives/photoaushärtendes Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei jede Unterbaugruppe ein Modul umfasst, das von dem Gehäuse abnehmbar ist, und das Gehäuse Montagemittel zum abnehmbaren Montieren einer Vielzahl der Module bereitstellt.
Lichtquelle für ein photoreaktives/photoaushärtendes Gerät nach Anspruch 17, wobei die Montagemittel eine Vielzahl von Steckplätzen umfassen, um jeweils eines der abnehmbaren Module aufzunehmen, und die Steckplätze die Beabstandung von mindestens zwei Modulen um eine jeweilige Beabstandung S_m,n bereitstellen.
Lichtquelleneinheit nach Anspruch 11, wobei die Kühlmittel eines oder mehrere von einem Gebläse, einer Wärmesenke und einem Wärmerohr umfassen.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19, umfassend Beabstandungsmittel zum Einstellen der Beabstandung zwischen zwei oder mehreren Lichtquellenelementen oder Lichtquellenmodulen.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Beabstandung zwischen zwei oder mehreren Lichtquellenelementen bei einer Abtastgeschwindigkeit im Bereich von 0,1 m/s bis 2,5 m/s ein Dunkelintervall im Bereich zwischen 1 ms und 10 s bereitstellt.
Photoreaktives Aushärtungssystem, umfassend eine Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 21.
Photoreaktives Aushärtungssystem nach Anspruch 22, ferner umfassend eine Regelung/Anpassung, ferner umfassend Mittel zum Anpassen der Lichtquelle zum Regeln mindestens einer Intensität der Vielzahl von Lichtquellenelementen.
Photoreaktives Aushärtungssystem nach Anspruch 23, wobei die Regelungs-/Anpassungsmittel Mittel zum Anpassen der Beabstandung S_mn zwischen zwei oder mehreren der Vielzahl von Lichtquellenelementen umfassen.
Photoreaktives Aushärtungssystem nach Anspruch 24, ferner umfassend Eingabemittel zum Empfangen von Regelsignalen zum Auswählen mindestens eines von Lichtquellenparametern und einer Beabstandung S_mn mindestens einer der Leuchtenkopf-Unterbaugruppen, um das Strahlprofil in Abhängigkeit von der Druckgeschwindigkeit (v) und anderen Prozessparametern zu regeln.
Photoreaktives Aushärtungssystem nach einem der Ansprüche 22 bis 24, umfassend einen Tintenstrahldrucker.
Photoreaktives Aushärtungssystem, nach einem der Ansprüche 22 bis 24, umfassend einen abtastenden Tintenstrahldrucker.
Tintenstrahldrucker, umfassend eine Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 21.
System zum UV-Aushärten von lichtempfindlichen Materialien, umfassend Mittel (12) zum Tragen eines Substrats, das auszuhärtende lichtempfindliche Materialien (102) umfasst, und eine Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 21; Mittel (12) zum relativen Bewegen des Substrats und der Lichtquelle auf einer gewünschten Quergeschwindigkeit (v) für aufeinanderfolgendes Beleuchten von Bereichen des Substrats; und Regelmittel (30), wobei die Regelmittel Folgendes umfassen: Strahlprofil-Anpassungsmittel (34) zum Regeln von Lampenparametern der Lichtquelle (22), um das Strahlprofil anzupassen, indem mindestens eine von einer relativen Beabstandung und von Intensitäten der Lichtquellenelemente in Abhängigkeit von der Quergeschwindigkeit (v) und anderen Prozessparametern geregelt wird.