Wichtige Konzepte zur UV-LED-Lichthärtung

Viele von uns hatten das Pech, über längere Zeit der Sonne ausgesetzt zu sein, was zu Sonnenbrand und Unwohlsein führte. Infolgedessen wurde das von der Sonne ausgestrahlte Licht mit der von UV-Härtungssystemen erzeugten Energie negativ gleichgesetzt, was bei den Menschen Angst und sogar Furcht auslöste. Die Belastung durch UV-Licht ist zu einem Problem für Bediener dieser Systeme in industriellen Umgebungen und für Personen geworden, die UV-Lampen zum Aushärten von Nagelgelen und -beschichtungen in Salons oder Heimwerker-Sets verwenden.

Ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass lichthärtende UV-Lampen und LED-Lampen (Leuchtdioden) unterschiedlich sind und dass LED-Lampen sicherer sind. Dies ist jedoch nicht unbedingt der Fall, da beide Systeme ultraviolettes Licht im Spektrum von 320–405 nm aussenden. Herkömmliche UV-Lampen verwenden Breitband-Leuchten zum Härten durch Verdampfung, während eine LED ein Halbleiter ist, der Licht erzeugt, wenn elektrischer Strom durch ihn fließt. LED-Lampen verwenden eine Reihe von Leuchtdioden zum Erzeugen von Härtungslicht.

Mit dem richtigen Verständnis des elektromagnetischen UV-/sichtbaren Spektrums, der Verwendung verschiedener Lampen und Wellenlängen in unterschiedlichem Ausmaß und der entsprechenden zu implementierenden Schutzprotokolle können Bediener den für ihre Anwendung besten Einsatz der Härtungslampen bestimmen und sich bei der Verwendung eines Lichthärtungsprozesses sicher und zuversichtlich fühlen.

Wie alles begann

Die UV-/sichtbares Licht wird aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile seit über 60 Jahren eingesetzt, insbesondere von Herstellern, die sie nutzen, um Montagegeschwindigkeit und Durchsatz zu erhöhen, Materialkosten zu senken und umweltfreundlichere Montageprozesse zu entwickeln. In der Vergangenheit wurden viele Komponenten, Teile und Unterbaugruppen mit Nieten, Schrauben und anderen mechanischen Befestigungsmitteln zusammengefügt. Mit der Entwicklung lichthärtender aushärtbare Klebstoffe und später lichthärtender Lampen ermöglichte diese Technologie den Ingenieuren die Entwicklung von Fertigungsmethoden, die stärkere Verbindungen erzeugten, eine viel schnellere Montage (innerhalb von Sekunden) ermöglichten, Gewicht und Belastung gleichmäßiger verteilten und die Möglichkeit boten, unterschiedliche Substrate zu verbinden, während gleichzeitig ein benutzerfreundlicher und umweltfreundlicher Prozess implementiert wurde.

Als sich die lichthärtend in der Fertigung durchsetzte, entwickelte sich die Technologie von herkömmlichen Breitspektrum-Quecksilberdampf- und Halogenlampen zu LEDs. LEDs wurden ursprünglich in Zahnarztlampen integriert, um photoaktive Restaurationsmaterialien auszuhärten. Heute werden sie in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt, von industriellen Härtungsanwendungen und Haushaltsbeleuchtung bis hin zur Aushärtung von UV-LED-Nagelgelen.

Aber was ist diese Lichtenergie und woher kommt sie? Um zu verstehen, wie diese Technologie funktioniert, sind grundlegende Kenntnisse des elektromagnetischen Spektrums und der verschiedenen Lichtarten erforderlich.

Das elektromagnetische Spektrum und die Unterschiede zwischen UVA-, UVB- und UVC-Ultraviolettlicht

Das elektromagnetische Spektrum ist der Sammelbegriff für alle bekannten Frequenzen und die damit verbundenen Wellenlängen der bekannten Photonen (elektromagnetische Strahlung). Das Spektrum ist ein ausgedehnter Strahlungsbereich, der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und in verschiedene Bereiche basierend auf Wellenlängen unterteilt ist, die von Radiowellen (~1 m - 11 km) über sichtbare und UV-Strahlung (~300-800 nm) bis hin zu Gammastrahlen (~0,001 nm) reichen. Wellenlängen in diesen Bereichen werden üblicherweise in Nanometern (nm) gemessen, was einem Milliardstel eines Meters oder einem Tausendstel eines Mikrometers entspricht.

Nicht alle UV-Wellenlängen sind gleich.

Ultraviolettes Licht ist eine Energieform, die einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums zwischen Röntgenstrahlen und sichtbares Licht einnimmt. UV-Strahlung kommt natürlicherweise im Sonnenlicht vor, ist aber auch in vielen künstlichen Systemen vorhanden. Der UV-Bereich reicht von etwa 200–400 nm und ist in drei Bereiche unterteilt: UVA, UVB und UVC. Der UVA-Bereich gilt allgemein als der sicherste der drei Bereiche.

Abbildung 1. Elektromagnetisches Spektrum

Hier erhalten Sie einen Überblick über die verschiedenen UV-Wellenlängen und ihre Vor- und Nachteile.

UV-A

• 400-320 nm lange Wellenlänge
• Wird allgemein als der sicherste UV-Bereich angesehen
• Macht 90-95 % der UV-Strahlung auf der Erde aus
• Wird häufig zum Polymerisieren von UV-Klebstoffe und in fluoreszierenden Inspektionsprozessen verwendet.

UV-B

• 320-280 nm mittlere Wellenlänge
• Eine Hauptursache für Sonnenbrand und Hautkrebs
• Macht 5-10 % der UV-Strahlung auf der Erde aus
• Wird häufig zum Aushärten von UV-Tinten und -Lacken verwendet, da UVB dabei hilft, die Oberflächenklebrigkeit zu beseitigen.

UV-C

• 280-200 nm kurze Wellenlänge
• Die schädlichste UV-Strahlung erreicht die Erde jedoch nicht, da sie von der Atmosphäre herausgefiltert wird.
• Kommt in künstlichen Quellen wie Schweißbrennern und einigen Quecksilberlampen vor
• Wird häufig für Sterilisations- und keimtötende Anwendungen verwendet

UV-Breitband- und LED-Lichthärtungslampen

Breitspektrum und LED sind die beiden Haupttypen von Härtungssystemen, die UVA-Licht verwenden. Die Unterschiede in der relativen Intensität von LED-Lichtquellen haben im Vergleich zu herkömmlichen Breitspektrum-Bogenlampen eine sehr diskrete Energiewellenlänge.

Die ersten UV-Härtungssysteme verwendeten Breitspektrumlampen zum Aushärten von Klebstoffen und Beschichtungen. Diese herkömmlichen Quecksilberdampflampen sind Breitbandlichtquellen, da sie Licht in einem breiten Wellenlängenbereich ausstrahlen, darunter kurzwelliges UV, langwelliges sichtbares Licht und sogar noch langwelligeres Infrarot, was zu mehreren Energiespitzen führt. Breitspektrum-Härtungssysteme verwenden Hochdruck-Metallhalogenidlampen, die Lichtenergie im Bereich von 300 bis 450 nm erzeugen und 50-1.000 mW/cm2 UVA-Licht auf die zu härtende Oberfläche abgeben.

LED-Lampen erzeugen Härtungsenergie mithilfe einer Reihe oberflächenmontierter LEDs anstelle herkömmlicher Metallhalogenid- oder Quecksilberlampen. Es handelt sich um Halbleiterenergiequellen, die sehr diskrete Lichtenergiewellenlängen aussenden, was zu einem einzigen, schmalen, glockenförmigen Emissionsspektrum führt. Die Wellenlängenverteilung einer LED-Lichtquelle kann je nach Auswahl der LED im UV- oder sichtbares Licht ihren Höhepunkt erreichen, typischerweise bei 365, 385 oder 405 nm.

Abbildung 2. Die Unterschiede in der Wellenlängenverteilung zwischen einer Bogenlampe und einer LED-Lichtquelle.

Es gibt viele Gründe, von der Breitbandhärtung auf die LED-Technologie umzusteigen. So müssen beispielsweise keine Glühbirnen gewechselt werden, die Lampe hat eine längere Lebensdauer (Kostenersparnis auf lange Sicht), es ist kein Aufwärmen erforderlich (die Lampen sind sofort einsatzbereit) und sie enthalten im Gegensatz zu Bogenlampen kein Quecksilber (weniger gefährlich in der Verwendung und Entsorgung).

Die Verwendung beider Systemtypen hat ihre Vorteile, aber UV-LED-Lampen erzeugen kühlere Aushärtungstemperaturen, was einige Anwender wahrscheinlich zu der Annahme verleitet, dass sie sicherer sind. In gewisser Weise sind LED-Lampen deshalb so nützlich, weil sie Oberflächen wie Nagellacke viel schneller aushärten können und dadurch die UV-Lichtbelastung von Haut und Nägeln reduzieren. Herkömmliche UV- und LED-Lampen können Lacke und Nagelgelbeschichtungen aushärten und werden benötigt, um Nagelgele zu fixieren und normale Maniküren zu beschleunigen. UV-Lampen können beim Aushärten von Nagelgelen bis zu zwei Minuten brauchen, um eine Beschichtung auszuhärten, während LED-Lampen Beschichtungen in Sekunden aushärten können. Die verkürzte Aushärtungszeit ist ein klarer Vorteil, da sie die UV-Lichtbelastung der Hände begrenzt.

Begrenzung der UV-Strahlung

In jüngster Zeit wurden Studien über die Auswirkungen menschlicher Zellen bei wiederholter Exposition gegenüber UV-härtenden Nagellampen und deren Verbindung zur möglichen Veränderung der DNA-Struktur wieder aufgenommen. Laut der FDA-Website , „… die FDA betrachtet Nagelhärtungslampen als risikoarm, wenn sie wie angegeben verwendet werden … Bislang liegen der FDA keine Berichte über Verbrennungen oder Hautkrebs vor, die auf diese Lampen zurückzuführen sind.“ Die UV- oder LED-Nagelhärtung ist bei Einhaltung der entsprechenden Sicherheitsverfahren relativ harmlos, unabhängig davon, ob jemand die Lampen in einem industriellen Umfeld zum Zusammenkleben von Komponenten oder in einem Salon zum Trockenhärten aufgetragener Nagellacke verwendet.

In Fertigungsumgebungen wird die UV-Belastung oft missverstanden, aber gerade in diesen Umgebungen haben die Hersteller die größte Kontrolle über die Gesundheit und Sicherheit der Arbeiter. Industrielle UV-Lichthärtungssysteme verfügen oft über integrierte Sicherheits- oder technische Kontrollmechanismen. Diese Kontrollmechanismen, wie z. B. Abschirmung, Sicherheitsverriegelung, intuitives Design und lichtabsorbierende Kunststoffe, ermöglichen es den Bedienern, sie zu verwenden, ohne sich schädlichem ultraviolettem Licht auszusetzen.

Während UV-Licht bei unachtsamer Verwendung potenziell schädlich sein kann, stellt kurzwellige UV-Energie (UV-C) das größte Risiko für Benutzer dieser Lichtquellen dar. Die meisten UV-Quellen, die auf dem Markt für lichthärtende Materialien und Verbraucher verkauft werden, enthalten sicherere UVA-Energie. Dennoch ist es wichtig, persönliche Schutzausrüstung zu verwenden und keine Sicherheitskontrollen für die UV-Lichtquelle zu deaktivieren. Wenn Sie den Benutzern beibringen, wie sie sich vor UV-Strahlung schützen können, und sie darin schulen, sicher mit diesen UV-Systemen umzugehen, können Sie jedes potenzielle Verletzungsrisiko minimieren. Benutzer sollten die Spezifikationen ihrer UV-Quelle überprüfen, bevor sie diese verwenden.

Bei korrekter Verwendung in der entsprechenden Umgebung, in Verbindung mit persönlicher Schutzausrüstung und Schulung können UV-Breitspektrum- und LED-Härtungslampen für viele Anwendungen sicher eingesetzt werden.

Kontaktieren Sie unser Team für Anwendungstechnik, um weitere Hinweise zur Verwendung von UV-/sichtbaren und LED-Lichthärtungssystemen zu erhalten.