Защо LED втвърдяването е важно за вашата печатница

Като част от нашата поредица „Кривата на обучението“ Саймън Екълс изследва все по-широкото използване на LED светлинни масиви за ултравиолетово втвърдяване на фотополимерни мастила в широкоформатни мастиленоструйни принтери.

Светодиодите са атрактивна технология, която генерира интензивна светлина при минимална консумация на енергия, като същевременно отделя много малко топлина и обикновено се радва на много дълъг живот. Те започват да заместват жадните за енергия, горещи и краткотрайни живачни лампи (известни още като металхалогенни) в съвременните UV мастиленоструйни принтери.

Ниската консумация на енергия, хладната работа, голямата гъвкавост при използване, дългият живот и малките проблеми с изхвърлянето означават, че светодиодите са много привлекателна технология както от гледна точка на практическото печатане, така и като много по-екологична алтернатива на живачните лампи.

Точният размер на спестяванията варира в зависимост от системите, а разходните характеристики и мощността на светодиодите се променят непрекъснато. Въпреки това, като груб ориентир, Mimaki посочва, че типичен UV-LED модул за широкоформатен принтер, който произвежда 10 W UV енергия, консумира около 60 W електроенергия за лампите плюс около 20 W за охлаждащия вентилатор и веригата за управление на изхода. Така че общо 80 W, малко по-малко от старото поколение 100 W домашна крушка с волфрамова жичка.

За сравнение, общата консумация на енергия на традиционна метал-халогенна лампа е около 1,2 kW, което е доста повече от един електрически нагревател за огън. Тези лампи работят при много висока температура – между 600 и 800 градуса по Целзий вътрешно – и генерират лъчиста топлина, която се предава на останалите компоненти на принтера, включително главите, мастилото и най-вече на медията.

В този случай една метал-халогенна лампа използва около 15 пъти повече електроенергия от UV-LED система за втвърдяване. Въпреки това, тъй като UV-LED лампите могат да се включват или изключват почти веднага, принтерите трябва да ги включват само по време на действителния цикъл на печат. След като метал-халогенната лампа бъде изключена, тя не може да бъде включена отново, докато не се охлади.

Поради това той обикновено остава включен постоянно, докато принтерът се използва. При 50% работен цикъл UV-LED масивът консумира само 1/30 от електроенергията на метал-халогенида. Това не означава, че целият принтер е 30 пъти по-ефективен с LED.

Всички принтери имат общи елементи като двигатели, електроника за управление, консумативи за мастило и вакуумни помпи. Така че действителната разлика в консумацията на енергия на принтера като цяло ще бъде по-малка. Дори и така, принтерът с метал-халогенна лампа консумира от три до десет пъти повече електроенергия от този с UV-LED, казва Mimaki.

Използването на UV-LED не води до голяма разлика в покупната цена на принтера, така че с течение на времето светодиодите просто спестяват все повече и повече пари, като комбинация от по-малка консумация на електроенергия, по-ниска поддръжка и почти никакви разходи за подмяна. Освен очевидното намаляване на сметките за електроенергия, това може да бъде важен фактор за компании, които се опитват да намалят въглеродния си отпечатък или да получат сертификат за въглеродна неутралност, и може да има известно значение за въглеродните кредити.

Готини компоненти

Светодиодите (Light Emitting Diodes) са полупроводникови електрически компоненти, които се използват широко в съвременното осветление, като непрекъснато се появяват нови приложения. Излъчващите ултравиолетови лъчи (обикновено наричани UV-LED) са просто по-специализирани и скъпи. За целите на втвърдяването на мастилото те се вграждат в масиви от множество светодиоди.

Те произвеждат сравнително тесен диапазон от дължини на вълните на ултравиолетовите лъчи в сравнение с по-широкия диапазон на живачните лампи. Най-добре е да се използват мастила, които са формулирани за максимална чувствителност в тези дължини на вълните. Производителите на принтери ще могат да доставят мастила със собствена маркировка за използване на светодиоди на собствените си принтери, но това е фактор, с който трябва да сте наясно, ако използвате мастила на трети страни.

За разлика от живачните лампи, UV-LED не излъчват инфрачервена светлина или топлина. Това означава, че печатната медия не се нагрява значително по време на печат, така че могат да се използват чувствителни към топлина материали.

Като алтернатива можете да използвате по-тънки пластмаси, например винил, отколкото при живачните лампи, тъй като те няма да се огъват под въздействието на светодиодите. По-тънките носители означават икономии на материали и по-леки ролки, което е от полза за цялата верига на доставки – от камионите за доставка до изхвърлянето на отпадъци. Електрониката на драйверите на светодиодите се нагрява, така че корпусите на големите масиви от лампи все още се нуждаят от водно или вентилаторно охлаждане, но както видяхме, то се нуждае от много по-малко енергия, отколкото живака.

По-ниските температури на лампите могат да означават и по-малко отопление на околната среда в пресовото помещение. Обикновено това е добре, макар че в някои студени климатични райони може да се наложи да увеличите малко отоплението на фабриката през зимата, за да компенсирате, и така да загубите част от ползите от разходите.

От друга страна, при топъл климат операторите ще оценят по-хладната пресовъчна зала, а ако сте монтирали такъв климатик, няма да се нуждаете от толкова голяма мощност. Обикновено се счита, че животът на една MH лампа е около 1000 часа (до момента на намаляване на светлината с 30 %). Ако лампата работи по 8 часа на ден, тя ще трябва да се смени след 125 дни (около 6 месеца при 20 работни дни/месец).

По-дълъг живот

Експлоатационният живот на един чип с UV-LED е около 10 000-15 000 часа в зависимост от разсейването на топлината. Ако един UV-LED работи по 8 часа на ден, при 10 000 часа експлоатационен живот, той издържа 1250 дни (около 5 години при допускане за 250 работни дни годишно).

Тъй като UV-LED лампите са изключени в режим без печат, действителният експлоатационен живот ще бъде по-дълъг. Повечето UV-LED лампи никога няма да се нуждаят от подмяна по време на експлоатационния живот на принтера. Старите живачни лампи с високо налягане генерират озонов газ, който е опасен за операторите и трябва да се извлича чрез вентилация.

Това обаче се преодолява до голяма степен чрез използване на стъкло, което филтрира специфичната дължина на вълната, генерираща озон. Светодиодите също не генерират озон. Живакът е отровен, така че лампите трябва да се изхвърлят в съответствие с екологичните разпоредби. Светодиодите нямат значителни опасни материали и тъй като издържат по-дълго, отпадъците така или иначе са по-малко.

Бързо превключване

Друго голямо предимство е, че светодиодите могат да се включват и изключват бързо или да се променя интензивността им, без да се повредят. Живачните лампи работят, като на практика предизвикват късо съединение през живака в лампите. За да се запалят, е необходима специализирана електроника, а след като се запалят, трябва да продължат да работят, така че обикновено се оставят включени през цялата смяна, като използват енергия и генерират топлина, независимо дали печатате или не.

Скоростта на принтера варира, така че енергийните изисквания за UV втвърдяване също варират. Има само ограничени възможности за промяна на интензивността на живачните лампи чрез промяна на подаваната мощност, така че на практика те са на пълна мощност през цялото време и се използват механични затвори за контрол на количеството светлина, достигащо до медията, или за пълното им изключване.

За разлика от тях светодиодите могат да се превключват толкова бързо, че това може да се използва за промяна на светлинния поток, въпреки че е възможно да се променя и яркостта чрез промяна на входните нива на мощност. Тъй като светодиодите се включват само когато е необходимо и могат да се импулсират, за да се намали тяхната мощност, техният живот може да се удължи до години, потенциално повече от живота на принтера.

Непрекъснато се разработват по-високи светлинни емисии, посочва Чад Тагарт, вицепрезидент по маркетинга и развитието в американската компания Phoseon, разработваща масиви от светодиодни лампи за втвърдяване. „Мощността на светодиодите по отношение на излъчването и плътността на енергията или дозата се увеличава драстично“, каза той. „На всеки две-три години удвояваме мощността. Например от 4 W на cm2 през 2008 г. стигнахме до 8 през 2010 г. и 16 през 2012 г. Няма причина да не достигнем 24 или повече в бъдеще.

„Смятаме, че възприемането на ниската мощност се дължи на това, че хората не са в крак с нашата технология. Днес имаме много клиенти в големия формат, които използват светодиоди за най-високите налични скорости. Някои принтери са с въздушно охлаждане, други – с водно охлаждане. Обикновено нашите продукти с най-висока мощност са с водно охлаждане. Ако ги поддържате на хладно, те ще издържат 20 000 или 30 000 часа.“

Въпреки че електрониката, фърмуерът и други проблеми означават, че е малко вероятно крайните потребители да могат да модифицират съществуващ принтер с UV живачна лампа, за да използва светодиоди, за производителите става все по-лесно да ги вграждат без големи промени.

Например Integration Technology Ltd (ITL) в Обединеното кралство представи LED лампи MZero на FESPA 2012. Те представляват директна подмяна на компонентите на живачните лампи MZero, които вече се използват в каретите на главите в широкоформатните принтери.

Принтерите, които от самото начало са проектирани за UV-LED, могат да бъдат по-малки, тъй като не е необходимо да се предвижда място за охлаждане и вентилатори за извличане.

Кои принтери използват LED?

Производителите на мастиленоструйни принтери все по-често монтират светодиоди на новите UV принтери при пускането им на пазара.
Mimaki твърди, че първа е въвела светодиодите за широкоформатен печат в модела UJV-160 през 2008 г., след като е започнала разработката през 2003 г.

На изложението FESPA Digital в Лондон миналата година същата компания представи двойка бързи принтери със светодиодно втвърдяване – плоския JFX500-2131 и ролния UJV500-160. Ролковият Acuity 1600 LED на Fujifilm и ролковият VersaUV 640 LEJ и плоският 640 LJF на Roland също са сред принтерите, които използват светодиоди.

EFI VUTEk използва UV-LED, тъй като въвежда нови варианти на своите серии принтери HS и GS. За най-бързия плосък принтер HS 100 Pro обаче светодиодите сами по себе си не са достатъчно мощни. Вместо това те се използват в хибридна система за втвърдяване, при която светодиодите са монтирани на каретата на главата и притискат мастилото веднага след отпечатването, за да запазят остротата на точките, докато по-мощните живачни лампи извършват пълното втвърдяване.

Промяната на относителното време на двата комплекта лампи позволява на EFI да променя нивата на сцепление и гланц на мастилата.

На изложението FESPA Digital в Мюнхен тази година Mutoh представи три нови принтера с UV-LED лампи.

Това са компактният 24-инчов модел ValueJet 628 и по-конвенционалният ValueJet 1626UH за твърди и рулонни материали. Третият е нов „настолен“ плосък печат във формат А3 – ValueJet 426UF, който ще се конкурира с фамилията UJF-3042/6042 на Mimaki и малките плоски печатници LEF-12 и LEF-20 на Roland, които също използват LED лампи.

За какво не работят

Първоначалните разходи за изграждане на много големи светодиодни масиви с висока производителност означават, че те все още не са подходящи за най-бързите плоски UV преси, като например най-големите машини HP FB или Inca Onsets, или за масиви с цяла ширина на хибридни преси с разтворимо UV мастило.

Въпреки това, като се има предвид нарастващата мощност и намаляващите цени на UV-LED през последните години, изглежда неизбежно тази тенденция да продължи до момента, в който до няколко години ще бъде възможно да се заменят живачните пари във всички нови принтери.

Засега светодиодите не са рентабилни и за масиви с пълна ширина. Това не позволява те да се използват в хибридните принтери с разтворител и UV мастило, които в момента се доставят от Mimaki (JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) и Colorific (която продава комплекти за преобразуване на принтери Roland, Mimaki и Mutoh с екоразтворител).

В този случай в мастилото се използва малко количество разтворител, който се разпръсква върху леглото на принтера, за да притисне мастилото, което след това се втвърдява с помощта на UV лампа с пълна ширина, разположена на около 60 cm след печатащата каретка. Една 40-60-инчова LED матрица би струвала цяло състояние.

Необходима е обаче по-ниска мощност на ултравиолетовата светлина в сравнение с лампите, използвани в сканиращите печатащи колички (които трябва да предават повече енергия, тъй като осветяват само малка площ при преминаването на количката над нея), затова могат да се използват UV тръби с леко налягане. Те използват по-малко енергия от живачните лампи и генерират по-малко топлина, без да отделят озон.

Видимо и безжично бъдеще

Въпреки че нямат пряко отношение към UV пресите, светодиодите с видима дължина на вълната се използват все повече за общо осветление, включително в печатниците. Вероятно през следващото десетилетие те постепенно ще заменят конвенционалните лампи с нажежаема жичка и флуоресцентни лампи за осветление на помещения и външно осветление.

Те не само имат горепосочените предимства за икономия на енергия, хладна работа и дълготрайност, но и чрез изграждането им в RGB цветови клъстери е възможно да се променя цветовият поток. В крайна сметка светодиодите могат да бъдат вградени в светещи стенни и таванни панели, така че конвенционалните лампи с крушки или ленти да изчезнат напълно.

Съвременните светодиодни лампи се поставят в стандартни фасунги за крушки. В момента те са много по-скъпи от енергоспестяващите луминесцентни лампи, които се разпространиха в Европа през последните няколко години. Цените обаче ще спадат с увеличаването на процента на внедряване, а по-ниската консумация на енергия и по-дългият им живот ще ги направят популярни сред потребителите. За разлика от енергоспестяващите лампи CFR (Compact Fluorescent Reflector), които съдържат живак, при светодиодите няма толкова голям проблем с изхвърлянето на отпадъците в края на експлоатационния период.

Ярките бели светодиоди са все по-познати като къси светлини в автомобилите и тепърва започват да се предлагат и като основни фарове, въпреки че днес струват повече дори от газоразрядните фарове.

Съществува и компютърен аспект. Понастоящем светодиодите се разработват като форма на система за безжично предаване на данни, наречена Li-Fi. Тя може да бъде вградена в LED лампи в бъдеще и работи чрез включване и изключване на светодиодите хиляди пъти в секунда, така че окото да не забележи. Тя има потенциал за много по-висока честотна лента от днешния радиочестотен Wi-Fi.

Резюме

Така светодиодите се намират на кръстопът. Те стават все по-рентабилни за някои принтери, докато по-големите платформи не са съвсем готови.

Все още има разходи за преобразуване на системите за втвърдяване, но само спестените средства от живота на крушките бързо ще изплатят инвестицията и ще подобрят екологичните ви показатели, като същевременно ще спестите пари за електроенергия.

Ако искате да инвестирате в по-печелившо бъдеще, везните се накланят към светодиодното втвърдяване – и подкрепено от икономии, които помагат на крайния резултат, както и на околната среда, това го прави очевиден избор за всеки принтер.