Projekt 22608/01

Umweltfreundliches Niedrigenergie-Hochleistungs-UV-Aggregat zur UV-Härtung von lösungsmittelfreien Lacken und Farben

Projektträger

IST METZ GmbH
Lauterstr. 14 - 18
72622 Nürtingen
Telefon: 07022/6002-922

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des FuE-Projektes ist die Entwicklung eines Niedrigenergie-Hochleistungs-UV-Aggregates zur umweltschonenden UV-Härtung von lösungsmittelfreien Lacken und Farben für industrielle Anwendungen. Im Vergleich zu aktuell eingesetzten UV-Aggregaten wird eine Halbierung des Energieverbrauchs bei gleichbleibender Produktqualität unter anderem durch Steigerung des optischen und elektrischen Wirkungsgrades von UV-Lampe sowie Reflektorgeometrie und Reflektorbeschichtung angestrebt. Durch die Verbesserung des Wirkungsgrades kann weiter die prozessbedingte Entstehung von umwelt- und gesundheitsgefährdendem Ozon drastisch reduziert und die Lebensdauer von UV-Lampen erhöht werden. In einer zweiten Projektstufe soll der Einsatz von neuen Hochleistungs-UV-Dioden bzw. Diodenarrays zur Realisierung weiterer Energieeinsparungen untersucht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Entwicklung des Niedrigenergie-Hochleistungs-UV-Aggregates ist ein zweistufiger Lösungsansatz vorgesehen:
1. In der 1. Stufe sollen durch Optimierung des optischen und elektrischen Wirkungsgrades im Vergleich zu heutigen Anlagen Energieeinsparungen von ca. 50 % realisiert werden. Hierzu wird das emittierte UV-Spektrum durch Anpassung der Lampendotierung sowie die Entwicklung neuer Reflektorgeometrien und selektiven Schichtsystemen optimiert. Weiter wird die Reduzierung der Kühlleistung einen erheblichen Beitrag zur Energieeinsparung leisten.
2. In der 2. Stufe soll der Einsatz von Hochleistungs-UV-Dioden für eine weitere Reduzierung des Energieverbrauchs untersucht und ein Hochleistungs-UV-Diodenarray für die UV-Härtung von Farben und Lacken entwickelt werden.
Bei erfolgreichem Projektabschluss können alleine bei den von IST Metz gefertigten UV-Anlagen Energieeinsparungen von mehr als 32.000 MWh, entsprechend einer Menge von 11.520 t CO2, pro Jahr erzielt werden. Diese Einsparung entspricht dem jährlichen Energiebedarf von ca. 10.000 Haushalten. Berücksichtigt man die Möglichkeit der Nachrüstung von bereits installierten UV-Anlagen, dann sind erhebli-che zusätzliche Einsparungen von Energie und CO2 realisierbar.


Ergebnisse und Diskussion

Als wesentliches Ergebnis des FuE-Projektes steht zu Projektabschluss ein Prototyp für das neue Niedrigenergie-Hochleistungs-UV-Aggregat zur Verfügung, der vor allem durch die Entwicklung eines neuen, hocheffizienten Reflektors sowie einer neuen Luftkühlung im Vergleich zu konventionellen UV-Aggregaten ca. 40 % weniger Energie zur Realisierung identischer Härtungsergebnisse benötigt.
Erreicht wurde dieses Ziel durch verschiedene Maßnahmen. Zum Einen wurde durch die Raytracinggestützte Optimierung der Reflektorgeometrie sowie durch die Entwicklung von neuen, speziell an die Anforderungen der geplanten Anwendung angepasste selektive Reflektorbeschichtungen der auf das Sub-strat reflektierte UV-Strahlungsanteil von konventionell 60% - 70% auf 93% gesteigert. Weiter absorbiert das neu entwickelte Reflektorsystem einen deutlich größeren Anteil der nicht für die UV-Härtung nutzbaren Strahlung. Einen weiteren wesentlichen Beitrag zur Erreichung des Projektziels bezüglich der angestrebten Effizienzsteigerung leistet das ebenfalls im FuE-Projekt von IST METZ entwickelte neue, rein luftbasierte Kühlkonzept. Durch die im FuE-Projekt realisierte Optimierung der Strömungs- bzw. Druckverluste im internen Kühlkreislauf für den Lampenraum, wie auch im äußeren Gehäuse bzw. Bauraum-Kühlkreislauf, wurden im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik deutliche Energieeinsparungen erzielt. Weiter wurde die bis dahin für den Einsatz von Luftkühlungssystemen vorhandene Limitierung auf UV-Aggregate mit Strahlungsleistungen bis max. 160 W/cm deutlich, d. h. auf 200 W/cm angehoben. Als ein weiteres Ergebnis wurde ein neues, in den Reflektor integrierbares sowie erstmals Langzeit-standstabiles und driftfreies UV-Sensorsystem für die Echtzeit-Inline-Messung der UV-Strahlung im laufenden Härtungsprozess entwickelt, realisiert und verifiziert.

Abweichend von der ursprünglichen Planung führten die Arbeiten zur Entwicklung von Hochleistungs-UV-Dioden bzw. Diodenarrays für die Härtung von UV-Lack- und Farbsystemen nicht zum angestrebten Ziel. Zum Einen konnte mit dem im FuE-Projekt entwickelten Diodenarray nicht die von Industrieanwendungen geforderte Leistungsdichte realisiert werden. Weiterhin erwiesen sich die relativ hohen Investitionskosten als ein Hemmnis für den Praxiseinsatz von UV-Dioden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Als Ergebnis des FuE-Projektes steht ein Niedrigenergie-Hochleistungs-UV-Aggregat zur Verfügung, dass im ersten Schritt voraussichtlich 2009 für Strahler-Baulängen bis 400 mm in den internationalen Markt eingeführt werden soll. Mittelfristig ist eine schrittweise Ausweitung der Angebotspalette für Strahler-Baulängen bis 2.000 mm geplant.

Ein Jahr nach dem erfolgreichen Abschluss des FuE-Projektes, d. h. 2009, ist die Präsentation des Nied-rigenergie-Hochleistungs-UV-Aggregates auf internationalen Fachmessen geplant. Weiterhin wird das neue Aggregatsystem auf der von IST METZ veranstalteten, international besuchten Hausmesse UV-Days 2009 vorgestellt.
Als vertriebsunterstützende Maßnahme sind weiterhin eine Internetpräsentation auf der IST METZ Homepage, sowie Fachaufsätze in der 4 x jährlich erscheinenden hauseigenen Zeitschrift SPECIALIST vorgesehen. Zusätzlich zu den dargestellten Maßnahmen sind Fachvorträge zum Niedrigenergie-Hochleistungs-UV-Aggregat auf Veranstaltungen, wie z. B. den RadTech- und FOGRA-Konferenzen, u. a. geplant.


Fazit

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das ursprünglich im Antrag angestrebte Ziel, die Halbierung des Energieeinsatzes für die Härtung von UV-vernetzenden Farben und Lacken, mit geringen Abstrichen erreicht wurde. Bereits unmittelbar nach Projektabschluss konnte ein Prototyp für das Niedrigenergie-Hochleistungs-UV-Aggregat präsentiert werden, der mit konventionellen UV-Aggregaten vergleichbare Härtungsergebnisse bei einem um 40% reduzierten Energieeinsatz zur Verfügung stellt.
Nach Abschluss des FuE-Projektes ist die Weiterführung der Entwicklungsarbeiten im Hause IST METZ geplant, die eine weitere deutliche Senkung des Energiebedarfs erwarten lassen.