UV-Messung für den industriellen Druck

Die Aushärtung UV-reaktiver Farben und Lacke erfordert konstante Intensitäten, die durch inline- oder handgeführte Radiometer gemessen werden. Die UV-Messung sichert die Strahlungsintensität in industriellen Prozessen und gewährleistet damit die Reproduzierbarkeit und Prozesssicherheit bei UV-basierten Verfahren.

Für die UV-Messung muss, je nach Anwendung, zwischen 3D-Teilen, flachen Substraten und flexiblen Produkten und nach Druckprozess unterschieden werden:

Im UV-Offsetdruck erfolgt die Härtung der Druckfarbe direkt nach dem Druck durch UV-Strahlung, was eine sofortige Weiterverarbeitung ermöglicht. Rollenoffsetsysteme erfordern dabei meist höhere Intensitäten und größere Bestrahlungszonen, um gleichmäßige Ergebnisse bei hohen Geschwindigkeiten zu gewährleisten.

Der UV-Buchdruck (Hochdruck) nutzt erhabene Druckformen mit hochviskosen UV-Farben, die durch direkte UV-Bestrahlung gehärtet werden. Aufgrund der punktuellen Farbübertragung und begrenzten Schichtdicke sind vergleichsweise geringe UV-Dosen ausreichend.

UV-Flexodruck arbeitet mit niedrigviskosen, schnell härtenden Farben, die auf flexiblen Druckplatten übertragen werden. Die geringe Farbschichtdicke erlaubt sehr hohe Druckgeschwindigkeiten mit kurzer Aushärtungszeit.

Im UV-Siebdruck werden pastöse Farben durch feinmaschige Gewebe gedrückt, was zu dicken Farbschichten führt. Entsprechend sind hohe UV-Intensitäten und lange Belichtungszeiten notwendig, um vollständige Härtung zu gewährleisten – insbesondere bei dunklen oder opaken Farbtönen.

Der UV-Inkjetdruck verwendet flüssige Tinten, die durch UV-LEDs oder Quecksilberlampen sofort polymerisiert werden. Aufgrund der Tropfenapplikation und oft geringen Schichtdicke ist eine gezielte, meist punktuelle UV-Bestrahlung mit hoher Präzision entscheidend.

Typische Druck- und Bahngeschwindigkeiten (in m/min) im Vergleich der gängigen Druckverfahren:

• Rollenoffset ist das schnellste klassische Druckverfahren (z. B. im Zeitungsdruck).
• Flexodruck bietet höchste Geschwindigkeit bei flexiblen Verpackungen und Etiketten.
• Siebdruck ist aufgrund des Verfahrensprinzips (mechanischer Farbauftrag durch Gewebe) deutlich langsamer.
• Inkjetdruck hat durch Single-Pass-Systeme in industriellen Anwendungen stark aufgeholt.
• Buchdruck ist heute fast ausschließlich im Etikettendruck vertreten und mittleren Geschwindigkeitsbereichen zuzuordnen.

Die nachfolgende Tabelle enthält eine Übersicht der typischen Farbeigenschaften, Druck- bzw. Bahngeschwindigkeiten (in m/min) und die UV-Dosis / Bestrahlungsstärke für die Druckverfahren. Die Angaben sind branchenübliche Durchschnittswerte und hängen stark von Maschinentyp, Substrat, Trocknungstechnik und Farbauftrag ab.

Flexible Materialien wie Folien, Etiketten, flexible Verpackungen, Schrumpfschläuche, Papiere oder dünne Kunststoffbahnen werden typischerweise in folgenden Druckverfahren verarbeitet:

• Flexodruck: häufig für Verpackungsfolien, Beutel, Etiketten und Wellpappenbeschichtungen.
• Inkjetdruck (Roll-to-Roll): für bedruckbare flexible Medien in Etikettenherstellung und industrieller Kennzeichnung.
• Rollenoffsetdruck: bei flexiblen Bahnen mit hohen Auflagen und Geschwindigkeit.
  Diese Verfahren erfordern UV-Systeme, die auf geringe Substratstärken und dynamische Materialführung abgestimmt sind.

Feste, formstabile Substrate wie Metallbleche, Glas, Holz, starre Kunststoffe, Kartonagen oder geformte Objekte (z. B. Tuben, Flaschen) werden bevorzugt in folgenden Bereichen bedruckt:

• Siebdruck: für starre oder geformte Oberflächen wie Displays, Werbeschilder, Glas.
• Buchdruck: bei Etiketten auf festem Trägermaterial.
• Bogenoffsetdruck: für starre Pappen, Kartonagen, Metall- oder Kunststoffplatten.
• Körperdruckverfahren: z. B. auf Flaschen, Dosen, Behältern.
  Diese Substrate ermöglichen präzise Positionierung von UV-Messgeräten und erfordern keine besondere Flexibilität.

Je nach Substrattyp, Geometrie der Oberfläche und Produktionsumgebung kommen verschiedene Messverfahren zum Einsatz. Zwei etablierte Ansätze – farbveränderliche Dosis-Messfolien und elektronische UV-Messgeräte – weisen unterschiedliche Stärken und Grenzen auf, die anwendungsbezogen zu berücksichtigen sind.

Farbveränderliche Dosis-Messfolien
Diese polymerbasierten Folien reagieren auf einfallende UV-Strahlung durch eine irreversible Farbänderung, die mit steigender Dosis intensiver ausfällt. Sie eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen klassische Sensorik an ihre Grenzen stößt – etwa auf flexiblen Substraten wie Folien, Papier oder Textilien, sowie auf rotierenden, konkaven oder schwer zugänglichen Flächen innerhalb bewegter Produktionsbahnen. Durch ihre geringe Dicke und mechanische Flexibilität lassen sie sich großflächig applizieren, ohne den Prozess zu stören. Einschränkungen bestehen in der rein visuellen Auswertung.

Diese Folien sind besonders geeignet für:

• flexible Substrate, da sie dünn, biegsam und großflächig applizierbar sind.
• rotierende, unregelmäßige oder schwer zugängliche Flächen, z. B. in Verpackungsbahnen

Einschränkung: Keine präzise quantitative Auswertung ohne spezielle Auswertesysteme. Temperatur- und Umgebungseinflüsse können die Reaktion beeinflussen.

UV-Messgeräte (Radiometer und Sensorik)
Elektronische Radiometer und Sensorsysteme liefern quantitative Messwerte zu UV-Intensität und Dosis mit hoher Reproduzierbarkeit. Diese Systeme sind kalibriert und rückführbar auf nationale Standards. Sie eignen sich für stabile Prozesse mit festen Substraten, bei denen die Position des Sensors präzise definiert werden kann. Einsatzbereiche sind sowohl stationäre Inline-Systeme zur Prozessüberwachung als auch mobile Handmessgeräte für die Wartung und Qualitätssicherung. Die Einschränkung dieser Technologie liegt im begrenzten Einsatzspektrum bei stark bewegten Substraten oder in beengten Maschinenbereichen mit eingeschränktem Zugang.

Klassische UV-Messsysteme sind besonders geeignet für:

• Feste Materialien mit stabiler Auflage und kontrollierter Position.
• Inline-Messsysteme, Handmessgeräte oder zur periodischen Anlagenkontrolle.
• Besonders bei qualitätskritischen Anwendungen

Einschränkung: Eingeschränkter Einsatz bei stark bewegten, flexiblen Substraten oder in engen Maschinenräumen ohne Zugang.

UV-Messung für feste Substrate und 3d-Bauteile

UV-Beschichtungen auf Holz kommen in der Möbel-, Parkett- und Innenausbaubranche zum Einsatz und verbessern Abriebfestigkeit, chemische Resistenz sowie Glanzgrad. Die Herausforderung liegt in der inhomogenen Oberflächenstruktur, der Saugfähigkeit des Substrats und dem Temperaturverhalten natürlicher Werkstoffe. UV-Systeme müssen daher die erforderliche Dosis exakt liefern, ohne thermische Schädigung oder Verformung zu verursachen. Häufig werden mehrere Lackschichten (Grundierung, Zwischen- und Decklack) mit aufeinander abgestimmter UV-Härtung appliziert. Das Substrat ist großformatig und nicht biegsam.

In der 3D-Lackierung werden räumlich geformte Objekte (z. B. Konsumgüter, Automobilteile) mit UV-härtenden Lacken beschichtet, um dekorative und funktionale Oberflächeneigenschaften zu erzielen. Die komplexe Geometrie erfordert exakt abgestimmte UV-Bestrahlung durch mehrachsige Lampenanordnungen oder Robotik mit angepasster Bestrahlungscharakteristik. Schattenzonen und Reflektionen führen zu ungleichmäßiger Dosisverteilung, weshalb UV-Messsysteme oder simulationsgestützte UV-Layouts erforderlich sind. 

Die Substrate sind dreidimensional und der Abstand zur UV-Lampe ist unterschiedlich.

Für feste Substrate eignen sich gängige Messgeräte für die UV-Messung, während für dreidimensionale Produkte kundenspezifisch konstruierte UV-Messgeräte eine Messung direkt an der Oberfläche ermöglichen. 

Zur präzisen Bestimmung der UV-Bestrahlungsstärke und -Dosis kommen bei Opsytec zwei bewährte Radiometerbauformen zum Einsatz: das UV-Radiometer RMD sowie das hochdynamische Bandanlagen‑Radiometer curelog. Erstgenanntes erlaubt durch austauschbare, kalibrierte Sensoren eine flexible Anpassung an unterschiedliche Spektralbereiche und Applikationsanforderungen und unterstützt die Dosismessung und Aufzeichnung über Tage. Das curelog hingegen bietet mit Samplingraten bis zu 2 000 Hz exakte Messungen in schnell getakteten Prozessen, wie sie in kontinuierlichen Druck- und Härtungsanlagen vorkommen. Es ist als Band-Messgerät kompakt und kabellos.

Darüber hinaus umfasst das Opsytec-Portfolio kundenspezifisch gefertigte Sonderlösungen – etwa inline und SPS‑kompatible Sensoren sowie spezielle Bauformen – die exakt auf die Anforderungen industrieller UV‑Prozesse zugeschnitten werden können. Durch die Anpassung an die konkrete Form und Anwendung wird die UV Messung nicht nur präziser, sondern auch prozessnäher und reproduzierbar.

Ein zentraler Vorteil liegt in der mechanischen Integration des Sensors in den jeweiligen Produktionsprozess. Der Diffusor – die strahlungsempfindliche Eintrittsfläche – wird so konstruiert, dass er plan und formschlüssig auf der Oberfläche des zu bestrahlenden Gutes aufliegt. Dadurch wird sichergestellt, dass:

• die Messung exakt im relevanten Bestrahlungsbereich erfolgt,
• keine Abweichungen durch Neigungswinkel, Schattenzonen oder Streulicht auftreten,
• die tatsächliche Strahlendosis an der Materialoberfläche erfasst wird 
• Eine realitätsgetreue UV-Dosis-Messung auch bei komplexer Bestrahlung (z. B. bei gekrümmten Oberflächen) erreicht wird.

Im Rahmen des industriellen Druck werden spezifische Strahlerarten verwendet, deren spektrale Emission gezielt auf die Anforderungen des jeweiligen Aushärtungsprozesses abgestimmt ist. Zum Einsatz gelangen dabei Quecksilberdampflampen mit charakteristischen Emissionslinien im kurzwelligen UV-Bereich, Gallium-dotierte Strahler zur spektralen Erweiterung im UVA-Spektrum sowie moderne UV-LED-Systeme mit enger spektraler Bandbreite und hoher Energieeffizienz. Die Auswahl der UV-Quelle richtet sich nach der chemischen Zusammensetzung der Druckfarben und Lacke sowie nach prozesstechnischen Parametern wie Substrat, Fördergeschwindigkeit und Energieeintrag.
Für die UV-Messung sollte die Art der Lampe bekannt sein und dem Kalibrierlabor mitgeteilt werden. Die typischen Lampen sind:

Legende / Lampentypen im Detail:

✔ = typischerweise verwendet

– = keine gängige Anwendung

• Niederdrucklampen (Low‑pressure Hg): Emission primär bei 254 nm → Desinfektion/Entkeimung. 
• Mitteldrucklampen: Breites Spektrum mit hoher Leistung → Klassiker für Offsetdruck, Flexodruck und Siebdurck. 
• Metal-Halide-Lampen Lampen: Quecksilber + Metallhalogenide (Fe, Ga etc.) → erhöht UV‑A/B‑Anteil für dicke Schichten. 
• UV‑LEDs: Monochromatisch, effizient, sofort startbereit (365–405 nm). Ideal für temperatur-sensitive Prozesse. 
• Excimerlampen: Quasimonochromatische VUV/UVC (z. B. 222 nm, 308 nm) → Mattierung, Spezialpolymerisation.