מדידת UV בדפוס אופסט, פלקסוגרפיה ודפוס משי
בהקשיה בקרינת UV של דיו וציפויים, מנת הקרינה קובעת את ההקשיה לעומק, ההדבקה וההגירה. לכן נמדדות עצמת קרינה נופלת (W/m²) ב-mW/cm² ומנת קרינה ב-mJ/cm² – באמצעות רדיומטרים נעים העוברים דרך המערכת כגון curelog או tinyTracker, בעזרת חיישני inline המותקנים בקביעות, או באמצעות מכשיר יד. כך נשמר התהליך ניתן לשחזור לאורך הזדקנות המנורות ושינויי ציוד.
הקשיית דיו וציפויים תגובתיים ל-UV דורשת עוצמות קבועות, הנמדדות באמצעות רדיומטרים מסוג inline או ידניים. מדידת UV מבטיחה את עוצמת הקרינה בתהליכים תעשייתיים ובכך מבטיחה יכולת שחזור ואמינות תהליכית בתהליכים מבוססי UV.
במדידת UV יש להבחין בין חלקים תלת-ממדיים, מצעים שטוחים ומוצרים גמישים, בהתאם ליישום ולתהליך ההדפסה:
בדפוס אופסט UV, הדיו מוקשה מיד לאחר ההדפסה באמצעות קרינת UV, מה שמאפשר המשך עיבוד מיידי. מערכות אופסט לגליל דורשות בדרך כלל עוצמות גבוהות יותר ואזורי הקרנה גדולים יותר כדי להבטיח תוצאות אחידות במהירויות גבוהות.
דפוס בליטה UV משתמש בלוחות דפוס בולטים עם דיו UV בעל צמיגות גבוהה, המוקשה על ידי הקרנת UV ישירה. בשל העברת הדיו הנקודתית ועובי השכבה המוגבל, מספיקות מנות UV נמוכות יחסית.
דפוס פלקסוגרפי UV פועל עם דיו בעל צמיגות נמוכה ומהיר הקשיה, המועבר ללוחות דפוס גמישים. שכבת הדיו הדקה מאפשרת מהירויות דפוס גבוהות מאוד עם זמני הקשיה קצרים.
בדפוס משי UV, דיו סמיך נדחס דרך רשת עדינה, מה שמייצר שכבות דיו עבות. בהתאם לכך, נדרשות עוצמות UV גבוהות וזמני חשיפה ארוכים כדי להבטיח הקשיה מלאה - בייחוד עבור צבעים כהים או אטומים.
דפוס הזרקת דיו UV משתמש בדיו נוזלי המפולמר באופן מיידי על ידי נוריות UV LED או מנורות כספית. בשל יישום הטיפות ועובי השכבה הנמוך לרוב, הקרנת UV ממוקדת, בדרך כלל נקודתית, בדיוק גבוה היא קריטית.
אותו הדבר תקף לדפוס פלקסו UV כמו לדפוס אופסט ודפוס משי – אך מהירויות הגליל גבוהות יותר והשכבות דקות יותר, כך שמנת הקרינה לכל מעבר קטנה יותר, והזדקנות המנורות ניכרת מוקדם יותר.
בעיית המדידה הבסיסית – עוצמת קרינה נופלת מרבית, פרופיל הזמן ומנת הקרינה המצטברת במהלך המעבר – מכוסה בעמוד מדידת UV למערכות הסעה.
מהירויות דפוס ורשת (גם למדידת UV)
מהירויות דפוס ורשת אופייניות (ב-m/min) בהשוואה בין תהליכי הדפוס הנפוצים:
- אופסט רשת הוא תהליך הדפוס המסורתי המהיר ביותר (למשל בדפוס עיתונים).
- דפוס פלקסוגרפי מציע מהירות מרבית לאריזות גמישות ותוויות.
- דפוס משי (סקרין) איטי משמעותית בשל עקרון התהליך (מריחת דיו מכנית דרך רשת).
- דפוס הזרקת דיו (אינקג'ט) השתפר משמעותית הודות למערכות single-pass ביישומים תעשייתיים.
- כיום דפוס בולט משמש כמעט אך ורק בדפוס תוויות וניתן לשייכו לטווחי מהירות בינוניים.
הטבלה הבאה כוללת סקירה של תכונות הדיו האופייניות, מהירויות הדפוס והרשת (ב-m/min) ומנת הקרינה/עצמת הקרינה של UV עבור תהליכי הדפוס. הנתונים הם ערכים ממוצעים מקובלים בענף והם תלויים במידה רבה בסוג המכונה, בחומר המצע, בטכנולוגיית הייבוש ובמריחת הדיו.
| תהליך הדפסה | עובי שכבת הדיו | צמיגות הדיו | עוצמה (mW/cm²) | דרישת מנת קרינת UV | מהירות הדפסה [m/min] |
|---|---|---|---|---|---|
| דפוס אופסט גיליונות/רול | בינוני | בינוני | 500–4 000 | בינוני-גבוה, לרוב 200–600 mJ/cm² | 200-600 (אופסט רול עד 1 000) |
| דפוס בליטה | דק | גבוהה | 300–2 000 | נמוכה, כ-100–300 mJ/cm² | 100–250 |
| דפוס פלקסו | דק מאוד | נמוכה | 1 000–3 000 | נמוך-בינוני, 150–400 mJ/cm² | 300-800 (בציוד מתקדם עד מעל 1,000) |
| דפוס משי | עבה | גבוהה | 800–3 500 | גבוהה, 300–800 mJ/cm² | 10-100 |
| דפוס הזרקת דיו | דק מאוד | נמוכה | 500–2 000 | נמוכה, 100-300 mJ/cm² | 100-300 (בתעשייה עד 600) |
| דפוס תוויות | דק | גבוהה | 800–2 500 | נמוכה, 100-300 mJ/cm² | משתנה |
סוגי מצע בהדפסת UV תעשייתית
חומרים גמישים כגון סרטים, תוויות, אריזות גמישות, שרוולי כיווץ, ניירות או יריעות פלסטיק דקות מעובדים בדרך כלל באמצעות תהליכי ההדפסה הבאים:
- הדפסת פלקסוגרפיה: נפוצה בסרטי אריזה, שקיות, תוויות וציפויי קרטון מחורץ.
- הדפסת הזרקת דיו (Roll-to-Roll): למדיה גמישה להדפסה בייצור תוויות ולסימון תעשייתי.
- הדפסת אופסט גליל (Web Offset): ליריעות גמישות בכמויות הדפסה גבוהות ובמהירות רבה.
תהליכים אלה מחייבים מערכות UV המותאמות לעוביי מצע נמוכים ולהזנת חומר דינמית.
מצעים קשיחים ויציבים מבחינה מימדית כגון לוחות מתכת, זכוכית, עץ, פלסטיק קשיח, קרטון או עצמים מעוצבים (כגון צינורות, בקבוקים) מודפסים בעדיפות בתחומים הבאים:
- הדפסת משי (סקרין): למשטחים קשיחים או מעוצבים כגון תצוגות, שלטי פרסום, זכוכית.
- הדפסת ליטוגרפיה בלטים (Letterpress): לתוויות על מצעים קשיחים.
- הדפסת אופסט גיליון (Sheet-fed Offset): לקרטון קשיח, קופסאות, לוחות מתכת או פלסטיק.
- הדפסה על גוף המוצר: לדוגמה על בקבוקים, פחיות, מכלים.
מצעים אלה מאפשרים מיקום מדויק של מכשירי מדידת UV ואינם דורשים גמישות מיוחדת.
התאמה של שיטות מדידת UV שונות ליישומים תעשייתיים
שיטות מדידה שונות משמשות בהתאם לסוג התשתית, גיאומטריית המשטח וסביבת הייצור. שתי גישות מבוססות - סרטי מדידת מנת קרינה משני צבע ומכשירי מדידת UV אלקטרוניים - בעלות יתרונות ומגבלות שונים שיש לקחת בחשבון בהתאם ליישום.
סרטי מדידת מנת קרינה משני צבע:
סרטים אלה מבוססי פולימר מגיבים לקרינת UV נופלת בשינוי צבע בלתי הפיך, שמתעצם ככל שהמנה גדלה. הם מתאימים במיוחד ליישומים שבהם טכנולוגיית החיישנים המקובלת מגיעה לגבולותיה - למשל על תשתיות גמישות כגון סרטים, נייר או טקסטיל, וכן על משטחים מסתובבים, קעורים או קשי גישה בתוך קווי ייצור נעים. הודות לעוביים הנמוך ולגמישותם המכנית, ניתן ליישמם על שטחים גדולים מבלי לשבש את התהליך. קיימות מגבלות בהערכה החזותית הטהורה.
סרטים אלה מתאימים במיוחד עבור
- תשתיות גמישות, מכיוון שהם דקים, גמישים וניתנים ליישום על שטחים גדולים.
- משטחים מסתובבים, לא סדירים או קשי גישה, למשל ברצועות אריזה
מגבלה: אין הערכה כמותית מדויקת ללא מערכות הערכה מיוחדות. טמפרטורה והשפעות סביבתיות עלולות להשפיע על התגובה.
מכשירי מדידת UV (רדיומטרים, חיישנים):
רדיומטרים אלקטרוניים ומערכות חיישנים מספקים מדידות כמותיות של עוצמת קרינת UV ומנת הקרינה ברמת שחזוריות גבוהה. מערכות אלה מכוילות ובעלות עקיבות מטרולוגית לתקנים לאומיים. הן מתאימות לתהליכים יציבים עם תשתיות קבועות, שבהם ניתן להגדיר במדויק את מיקום החיישן. תחומי היישום כוללים הן מערכות inline נייחות לניטור תהליכים והן מכשירי מדידה ניידים לתחזוקה ולהבטחת איכות. באזורי מכונה צרים גובה החיישן הוא קריטי; עבור תשתיות נעות, רדיומטרים נעים כגון curelog עוברים דרך המערכת יחד עם המוצר.
מערכות מדידת UV קלאסיות מתאימות במיוחד עבור
- חומרים מוצקים עם תמיכה יציבה ומיקום מבוקר.
- מערכות מדידה inline, מכשירי מדידה ניידים או לבדיקות מערכת תקופתיות.
- הכרחיים במיוחד עבור יישומים קריטיים מבחינת איכות.
מגבלה: חללי מכונה צרים ללא גישה דורשים מכשירים שטוחים ונעים או חיישני inline מותקנים קבוע.
מדידת UV עבור תשתיות מוצקות ורכיבי תלת-ממד
ציפויי UV על עץ משמשים בתעשיות הרהיטים, הפרקט ועיצוב הפנים ומשפרים את עמידות השחיקה, העמידות הכימית ורמת הברק. האתגר טמון במבנה המשטח הלא הומוגני, ביכולת הספיגה של התשתית ובהתנהגות הטמפרטורה של חומרים טבעיים. לכן מערכות UV חייבות לספק את המנה המדויקת הנדרשת מבלי לגרום לנזק תרמי או עיוות. לעיתים קרובות מיושמות מספר שכבות ציפוי (פריימר, שכבת ביניים ושכבת גימור עליונה) עם הקשיית UV מתואמת. התשתית גדולת פורמט ואינה גמישה.
בציפוי תלת-ממד, עצמים בעלי צורה מרחבית (למשל מוצרי צריכה, חלקי רכב) מצופים בציפויים מוקשים ב-UV כדי להשיג תכונות משטח דקורטיביות ופונקציונליות. הגיאומטריה המורכבת דורשת הקרנת UV מתואמת בדיוק תוך שימוש בסידורי מנורות רב-ציריים או ברובוטיקה עם מאפייני הקרנה מותאמים. אזורי צל והשתקפויות מובילים לפיזור מנה לא אחיד, ולכן נדרשות מערכות מדידת UV או פריסות UV נתמכות-סימולציה.
התשתיות הן תלת-ממדיות והמרחק ממנורת ה-UV משתנה.
עבור תשתיות מוצקות, מכשירי מדידה סטנדרטיים מתאימים למדידת UV, בעוד שעבור מוצרים תלת-ממדיים, מכשירי מדידת UV מותאמים אישית מאפשרים מדידה ישירות על המשטח.
Opsytec משתמשת בשני עיצובי רדיומטר מוכחים כדי לקבוע במדויק את עצמת קרינת ה-UV ואת מנת הקרינה: רדיומטר ה-UV RMD והרדיומטר מסוע דינמי במיוחד curelog. הראשון מאפשר התאמה גמישה לטווחי ספקטרום ודרישות יישום שונות הודות לחיישנים מכוילים הניתנים להחלפה, ותומך במדידה ורישום של מנת קרינה לאורך ימים. curelog, לעומת זאת, מציע מדידות מדויקות בתדרי דגימה של עד 2,000 Hz בתהליכים מהירים כגון אלה המצויים במערכות הדפסה והקשיה רציפות. כמכשיר מדידה נייד מסוג רצועה, הוא קומפקטי ואלחוטי.
תיק המוצרים של Opsytec כולל גם פתרונות מיוחדים מותאמים אישית - כגון חיישנים תואמי inline ו-PLC וכן עיצובים מיוחדים - שניתן להתאים במדויק לדרישות תהליכי UV תעשייתיים. באמצעות התאמה לצורה וליישום הספציפיים, מדידת ה-UV הופכת לא רק למדויקת יותר, אלא גם קרובה יותר לתהליך וניתנת לשחזור.
יתרון מרכזי טמון באינטגרציה המכנית של החיישן בתהליך הייצור הרלוונטי. המפזר - משטח הכניסה הרגיש לקרינה - מעוצב כך שהוא מונח שטוח וצמוד-צורה על משטח החומר המוקרן. כך מובטח כי:
- המדידה מתבצעת בדיוק באזור ההקרנה הרלוונטי,
- אין סטיות עקב זוויות הטיה, אזורי צל או אור מפוזר,
- מנת הקרינה בפועל על משטח החומר נרשמת
- מושגת מדידת מנת UV ריאלית גם בהקרנה מורכבת (למשל עם משטחים מעוגלים).
ספקטרורדיומטר וחיישנים למדידת UV
SR900
ספקטרורדיומטר מערך לטווח 200 עד 1100 nm, עם כדורי אינטגרציה, מפזר קוסינוס וגשושיות כאביזרים נלווים.
רדיומטר RMD Pro
רדיומטר כף-יד דיגיטלי לחלוטין למדידת עצמת קרינה ומנת קרינה, עם שני כניסות לחיישנים וזיכרון של 8 GB.
curelog
רדיומטר ודוזימטר שטוח הנע דרך מערכות מסוע UV בקצב של עד 2000 קריאות/s, בעד ארבעה תחומים ספקטרליים.
תהליך הדפסה ומהירות ההדפסה עבור חומרים מוצקים
| תהליך הדפסה | עובי שכבת הצבע | צמיגות הצבע | עצמת קרינה [mW/cm²] | דרישת מנת קרינה UV [mJ/cm²] | מהירות הדפסה [m/min] |
|---|---|---|---|---|---|
| ציפוי UV | בעובי בינוני | צמיגות בינונית-גבוהה | 1,000 עד 3,000 | 300 עד 700 | 1 עד 100 (בהתאם לגיאומטריה) |
| ציפויי UV על עץ | בעובי בינוני | צמיגות גבוהה | 800 עד 2,500 | 250 עד 600 | 1 עד 50 (בהתאם לסוג הצבע) |
| צביעת תלת-מימד (3D) | משתנה (עבה באופן מקומי) | צמיגות בינונית-גבוהה | 1,000 עד 3,500 | 300 עד 800 | 1 עד 30 (בהתאם לגיאומטריה ולרובוט) |
בהדפסה תעשייתית נעשה שימוש בסוגי מנורות ספציפיים שהפליטה הספקטרלית שלהם מותאמת באופן מיוחד לדרישות תהליך ההקשיה הרלוונטי. נעשה שימוש במנורות אדי כספית בעלות קווי פליטה אופייניים בתחום ה-UV הקצר-גל, מנורות עם תוספת גליום להרחבה ספקטרלית בתחום ה-UVA, ומערכות LED מודרניות לקרינת UV בעלות רוחב פס ספקטרלי צר ויעילות אנרגטית גבוהה. הבחירה במקור ה-UV תלויה בהרכב הכימי של דיות ההדפסה והציפויים, כמו גם בפרמטרים הקשורים לתהליך כגון סוג המצע, מהירות ההסעה וקלט האנרגיה.
לצורך מדידת ה-UV, יש להכיר את סוג המנורה ולהעביר את המידע למעבדת הכיול. המנורות האופייניות הן:
| יישום | מנורות לחץ בינוני | מנורות הלוגניד מתכת | נוריות LED ל-UV | מנורות אקסימר | מנורות לחץ נמוך (כספית) |
|---|---|---|---|---|---|
| הדפסת אופסט בגיליונות ובגליל | ✔ | – | ✔ | ✔ | – |
| הדפסה על מתכת | ✔ | ✔ | – | – | – |
| הדפסה בדפוס בולט | ✔ | – | ✔ | – | – |
| הדפסת משי | ✔ | ✔ | ✔ | – | – |
| תוויות | ✔ | – | ✔ | – | – |
| הדפסת פלקסו | ✔ | – | ✔ | – | – |
| משטח עץ | ✔ | ✔ | ✔ | – | – |
| הדפסת הזרקת דיו | ✔ | – | ✔ | – | – |
| שיוך רוחבי של דבק | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | – |
| לחץ גוף | ✔ | – | ✔ | – | – |
| סיליקוניזציה | ✔ | – | ✔ | – | – |
| צביעה תלת-ממדית | ✔ | – | ✔ | - | – |
מקרא / סוגי מנורות בפירוט:
✔ = בשימוש נפוץ
– = לא יישום שכיח
- מנורת לחץ נמוך (Hg בלחץ נמוך): פליטה בעיקר ב-254 nm → חיטוי/עיקור.
- מנורת Hg בלחץ בינוני: ספקטרום רחב עם תפוקה גבוהה → מנורות קלאסיות להדפסת אופסט, הדפסת פלקסו והדפסת משי.
- מנורות הלוגניד מתכתי: מרקורי + הלוגנידים מתכתיים (Fe, Ga וכו') → מגדיל את תכולת ה-UV-A/B לשכבות עבות.
- UV LED: פס צר, יעיל, מוכן להפעלה מיידית (365–405 nm). אידיאלי לתהליכים רגישים לטמפרטורה.
- מנורת אקסימר: VUV/UVC כמעט חד-כרומטי (למשל 172 nm, 222 nm) → מטת פני שטח, פולימריזציה מיוחדת.
העקרונות הבסיסיים של הספקטרום, קצב מנת הקרינה והתנהגות עיכוב החמצן העומדים מאחורי כל אחד מסוגי המקורות הללו מוסברים בעמוד היישום הקשיה בקרינת UV ופוטופולימריזציה.
מאת: ד"ר מארק פאראביה
ד"ר מארק פאראביה הוא המנכ"ל של Opsytec Dr. Gröbel GmbH באטלינגן ועומד בראש מעבדת הכיול המוסמכת. בהמשך למחקרו על פריקות אקסימר קסנון פועמות במכון לטכנולוגיית תאורה של KIT, מוקד עיסוקו כיום הוא טכנולוגיית מדידת קרינה אופטית. הוא סגן יושב ראש בוועדת התקינה הגרמנית DIN FNL 7 "קרינה אופטית", וחבר בקבוצת הפרויקט של DVGW לחיטוי UV.
