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Trocknen

Trocknen: 05.05.2019

UV-Härtungsleitfaden

Strahlungsquellen in UV-Härtungsanlagen für organische Beschichtungen

Im Rahmen des Forschungsprojekts "UV-Härtungsleit­faden für organische Be­schich­tungen": IGF-Vorhaben 20127N, hat das Fraunhofer IPA aktuell Messgeräte zur Charakterisierung von UV-Strahlern verglichen.

Messgerätevergleich anhand der Dosis einer eisendotierten Hg-Lampe. Grafik: Fraunhofer IPA

Messgerätevergleich anhand der Dosis einer eisendotierten Hg-Lampe. Grafik: Fraunhofer IPA

UV-härtende Lacksysteme erlauben aufgrund ihrer sehr kurzen Aushärtungszeit bei der industriellen Beschichtung hohe Effizienz und kommen daher oftmals in Anlagen mit kurzen Durchlaufzeiten, wie in der Parkett- und Möbelindustrie, zum Einsatz. Mit der Entwicklung neuer Lichtquellen in Form von LEDs bietet sich die Möglichkeit, die energieaufwändigen Mittel- und Niederdruckstrahler zu ersetzen. Für die Leichtbautechnologie hat die Strahlungshärtung mit LEDs den Vorteil, dass kaum Wärmestrahlung entsteht und somit temperaturempfindliche Substrate beschichtbar sind. Strahlungsquellen werden meist durch ein Emissionsspektrum und die Gesamtleistung beschrieben. Die angegebenen Parameter können je nach Hersteller variieren und erschweren so einen Vergleich von Strahlungsquellen für den Anwender. Für den Härtungsvorgang sind die Bestrahlungsstärke, die u.a. vom Abstand des Strahlers vom Objekt ab­-hängt, sowie die Strahlungs­dosis relevant. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Strahlern haben UV-LEDs bei bis zu 16 W/cm2 Bestrahlungsstärke ein sehr schmalbandiges Spektrum, daher müssen Rohstoffe und ihre Absorptionsbereiche sehr sorgfältig auf die verwendeten LEDs abgestimmt werden. Dabei sind die Besonderheiten der LED-Strahler auch bei der Messtechnik der Strahlerdosis und  -leistung zu berücksichtigen.

Radiometer im Vergleich

Grafik 2: Messgerätevergleich anhand der Dosis einer Hg-Breitbandlampe.

Grafik 2: Messgerätevergleich anhand der Dosis einer Hg-Breitbandlampe.

Zur Prozessüberwachung an einer UV-Härtungsanlage werden Breitband- oder Spektralradiometer mit einer planen Geometrie auf dem Transportband unter der Strahlungsquelle bewegt. Breitbandradiometer erfassen UV-Strahlung in einem breiten UV-Bereich, eine Einteilung der gemessenen Bestrahlungsstärke in UV-C, UV-B und UV-A ist nicht möglich. Die Geräte erlauben zwar die Überwachung einer bestehenden Breitbandstrahlungsquelle bzgl. Alterung und Verschmutzung, sind jedoch für die Prozesseinführung einer neuen Strahlungsquelle ungeeignet. Spektralradiome­ter kommen deshalb zum Einsatz, wenn die Emission im Detail nach Spektralbereichen oder wellenlängenabhängig aufgelöst zu vermessen ist. Fünf branchenübliche Messgeräte wurden für den aktuellen Vergleich im Rahmen des vorliegenden Forschungs­pro­jekts herangezogen:

  • Messgerät A: Spektralradiometer mit wellenlängenabhängiger Auflösung
  • Messgerät B: Mehrbereichsradiometer mit vier unterschiedlichen Messbereichen: UV-C, UV-B, UV-A und vis
  • Messgerät C: Mehrbereichsradiometer mit vier Messbereichen: UV-B, UV-A, UV-A2 und vis, bauähnlich zu B
  • Messgerät D: Breitband­radiometer
  • Messgerät E: Breitbandradiometer, baugleich zu D
Grafik 3: Messgerätevergleich anhand der Dosis einer 395 nm UV-LED.

Grafik 3: Messgerätevergleich anhand der Dosis einer 395 nm UV-LED.

Beim Vergleich der Messgeräte besteht die erste Herausforderung darin, sich einen Überblick über die definierten Bereiche der angezeigten Messwerte zu verschaffen. Das Spektralradiometer erlaubt die inte­grale Auswertung nach Export der Messdaten in beliebig festgelegten Wellenlängenbereichen, die Digitalausgabe der Messwerte auf dem Gerät gibt jedoch Messwerte von definierten Bereichen an. Die auf dem Gerät unmittelbar ablesbaren Messbereiche sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. Daran ist erkennbar, dass die Festlegung der Bereiche UV-B, UV-A und vis bei den Spek­tral- bzw. Mehrbereichsradiometern im Vergleich ähnlich ist, wohingegen Abweichungen im UV-C-Bereich liegen. Eine Hg-Breitbandlampe, eine eisendotierte Hg-Breitbandlampe und ein 395 nm UV-LED-Strahler wurden mit den beschriebenen Messge­räten bei gleichem Abstand und gleicher Transportbandgeschwindigkeit vermessen. Die Messergebnisse der erfassten Dosis sind in den Grafiken 1-3 dargestellt. 

  UV-C [nm] UV-B [nm] UV-A [nm] UV-A2 [nm] vis [nm] Gesamt [nm]
A 200-280 280-315 315-400 400-440 200-440
B 250-260 280-320 320-390 395-445
C 280-320 320-390 375-415 395-445
D 200-400
E 200-400
Tabelle 1: Übersicht der angezeigten Messbereiche verschiedener Radiometer.

Während sich die baugleichen Radiometer D und E in der gemessenen Gesamtdosis wenig unterscheiden, (Grafik 1, 2), zeigen die bauähnlichen Spektralradiometer B und C signifikante Unterschiede der gemessenen Dosis in den Be­­reichen UV-B, UV-A und vis. Da Radiometer vom Hersteller kalibriert ausgeliefert werden, muss vor dem Einsatz eines Messgeräts das Zertifikat geprüft werden, um festzustellen, mit welcher Strahlungsquelle das Messgerät kalibriert wurde. Bei Messungen von Strahlung, deren spektrale Verteilung sich von der des Kalibriernormals unterscheidet, kann es zu größeren Mess­abweichungen kommen. Dies ist auf die spektrale Fehlanpassung, d. h. eine Abweichung der relativen spektralen Empfindlichkeit des Detektors vom Wirkungsspektrum, zurückzuführen (DIN 5031-11:2011). Interessante Ergebnisse wurden bei der Vermessung der 395 nm UV-LED erhalten. Hierzu wurden die Radiometer A, C und D verwendet. Das Breitbandradiometer D detektiert aufgrund der geringen Empfindlichkeit im Emissionsbereich dieser UV-LED sehr wenig und würde in der Praxis dazu führen, die Dosis viel zu hoch einzustellen. Das Spektralradiometer A detektiert im vis- und UV-A-Bereich. Hier ist eine Ergebnis­addition angebracht, da durch die spektrale Auflösung jeder Bereich scharf abgetrennt ist und es kein Überlappen der Bereiche gibt. Beim Mehrbereichsradiometer C sind die beiden angezeigten Spektralbereiche UV-A2 und vis (s. Tabelle) überlappend und damit nicht additiv zu betrachten. Überraschenderweise wird vom Radiometer C deutlich mehr Dosis im vis-Bereich detektiert als vom Radiometer A. Anhand der Messung mit dem Messgerät C würde die Lampenleistung deutlich geringer eingestellt werden als anhand der Messergebnisse mit dem Gerät A.

Der Anwender, der zur Überwachung einer UV-Härtungsanlage ein Radiometer verwendet, sollte bei einem Wechsel der Strahlungsquelle die Messdaten kritisch hinterfragen. Passen Kalibrierung und das Wirkungsspektrum des Messgeräts zum Emissionsspektrum des neuen Strahlers? Wie sind die angezeigten Messbereiche definiert und welche davon sind für den Härtungsvorgang des vorliegenden Lacksystems relevant? Durch ein kritisches Hinterfragen der erhaltenen Messwerte sind Ausfälle bei der Durchhärtung sowie zusätzliche Energiekosten vermeidbar.

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Zum Netzwerken:
Fraunhofer-Institut für ­Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart,
Dr. Michael Hilt, Tel. +49 711 9703820, michael.hilt@ipa.fraunhofer.de,
Dr. Rolf Nothhelfer-Richter, Tel. +49 711 9703841, rolf.nothhelfer-Richter@ipa.fraunhofer.de,
Dr. Katharina Weber,Tel. +49 711 9703831, katharina.weber@ipa.fraunhofer.de,
www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung

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