Proč je pro vaši tiskárnu důležité vytvrzování LED?

V rámci našeho seriálu Learning Curve se Simon Eccles zabývá stále častějším používáním světelných polí LED pro ultrafialové vytvrzování fotopolymerních inkoustů ve velkoformátových inkoustových tiskárnách.

LED diody jsou atraktivní technologií, která generuje intenzivní světlo s minimální spotřebou energie, přičemž vyzařuje velmi málo tepla a obvykle má velmi dlouhou životnost. V moderních UV inkoustových tiskárnách začínají nahrazovat energeticky náročné, horké a krátkodobé rtuťové výbojky (tzv. halogenidy kovů).

Nízká spotřeba energie, chladný chod, velká flexibilita použití, dlouhá životnost a malý problém s likvidací znamenají, že LED diody jsou velmi atraktivní technologií jak z hlediska praktického tisku, tak jako mnohem ekologičtější alternativa rtuťových výbojek.

Přesná výše úspor se liší v závislosti na systému a nákladová efektivita a výkon LED se neustále mění. Společnost Mimaki však uvádí, že typická jednotka UV-LED pro velkoformátovou tiskárnu, která produkuje 10 W UV energie, spotřebuje přibližně 60 W elektrické energie pro lampy plus přibližně 20 W pro chladicí ventilátor a obvody řízení výstupu. Celkem tedy 80 W, což je o něco méně než 100W domácí žárovka s wolframovým vláknem staré generace.

Pro srovnání, celková spotřeba energie tradiční halogenidové výbojky je přibližně 1,2 kW, což je spíše více než u jednopásmového elektrického ohřívače. Tyto lampy jsou velmi horké – jejich vnitřní teplota se pohybuje mezi 600 až 800 °C – a vytvářejí sálavé teplo, které se přenáší na ostatní součásti tiskárny, včetně hlav, inkoustu a především médií.

Podobně halogenidová lampa spotřebuje přibližně 15krát více elektřiny než vytvrzovací systém UV-LED. Protože však UV-LED lze zapínat a vypínat téměř okamžitě, tiskárny je musí zapínat pouze během vlastního tiskového cyklu. Jakmile je halogenidová lampa vypnuta, nelze ji znovu zapnout, dokud nevychladne.

Proto se zpravidla nechává zapnutý nepřetržitě, když je tiskárna v provozu. Při 50% provozním cyklu spotřebuje UV-LED pole pouze 1/30 elektrické energie oproti halogenidovému. To neznamená, že celá tiskárna je s LED 30krát účinnější.

Všechny tiskárny mají společné prvky, jako jsou motory, řídicí elektronika, zásoby inkoustu a vakuové pumpy. Skutečný rozdíl ve spotřebě energie tiskárny jako celku by tedy byl menší. Přesto tiskárna s halogenidovou lampou spotřebuje třikrát až desetkrát více elektrické energie než tiskárna s UV-LED, uvádí Mimaki.

Použití UV-LED diod se příliš neprojeví na pořizovací ceně tiskárny, takže v průběhu času LED diody šetří stále více peněz, a to díky kombinaci nižší spotřeby elektřiny, nižší údržby a prakticky nulových nákladů na výměnu. Kromě zřejmého snížení účtů za elektřinu to může být důležitý faktor pro společnosti, které se snaží snížit svou uhlíkovou stopu nebo získat certifikát uhlíkové neutrality, a může mít určitý význam pro uhlíkové kredity.

Chladné komponenty

LED diody (Light Emitting Diodes) jsou polovodičové elektrické součástky, které se hojně používají v moderních osvětlovacích aplikacích a stále se objevují nová využití. Typy vyzařující UV záření (obecně nazývané UV-LED) jsou pouze specializovanější a dražší. Pro účely vytvrzování inkoustů se zabudovávají do soustav několika LED diod.

V porovnání s širším rozsahem vlnových délek rtuťových výbojek produkují relativně úzký rozsah UV záření. Nejlepší je používat inkousty, které byly vyvinuty pro maximální citlivost v těchto vlnových délkách. Výrobci tiskáren budou schopni dodávat inkousty s vlastním označením pro použití LED na svých vlastních tiskárnách, ale pokud používáte inkousty třetích stran, je třeba si tento faktor uvědomit.

Na rozdíl od rtuťových výbojek nevyzařují UV-LED infračervené světlo ani sálavé teplo. To znamená, že se tiskové médium během tisku výrazně nezahřívá, takže lze použít materiály citlivé na teplo.

Případně můžete použít tenčí plasty, například vinyl, než je tomu u rtuťových výbojek, protože se pod LED diodami neprohýbají. Tenčí média znamenají úsporu materiálu a nižší hmotnost rolí, což přináší výhody v celém dodavatelském řetězci od dodávkových vozů až po likvidaci odpadu. Elektronika ovladačů k LED diodám se zahřívá, takže kryty velkých maticových lamp stále potřebují určité chlazení vodou nebo ventilátorem, ale jak jsme viděli, je k tomu potřeba mnohem méně energie než u rtuťových.

Nižší teploty lampy mohou také znamenat menší ohřev okolního prostředí v lisovně. Obvykle je to dobrá věc, i když v některých chladných klimatických oblastech to může znamenat, že v zimě budete muset trochu zvýšit vytápění továrny, abyste to kompenzovali, takže ztratíte část výhodných nákladů.

Na druhou stranu v teplém podnebí ocení obsluha chladnější lisovnu, a pokud ji máte vybavenou, nebudete potřebovat tolik výkonu klimatizace. Životnost MH lampy se obvykle považuje za přibližně 1000 hodin (do doby 30% snížení světla). Pokud je lampa v provozu 8 hodin denně, bude nutné ji vyměnit za 125 dní (přibližně 6 měsíců při 20 provozních dnech/měsíc).

Delší životnost

Životnost jednoho čipu s UV-LED je přibližně 10 000-15 000 hodin v závislosti na rozptylu tepla. Pokud UV-LED pracuje 8 hodin denně, při životnosti 10 000 hodin vydrží 1 250 dní (přibližně 5 let za předpokladu 250 pracovních dní v roce).

Vzhledem k tomu, že v režimu bez tisku jsou UV-LED diody vypnuty, skutečná životnost by byla delší. Většinu diod UV-LED by nebylo třeba během životnosti tiskárny nikdy vyměnit. Staré vysokotlaké rtuťové lampy generovaly plynný ozon, který je pro obsluhu nebezpečný a musí být odsáván ventilací.

Tento problém je však do značné míry překonán použitím skla, které filtruje specifickou vlnovou délku generující ozon. LED diody také nevytvářejí ozón. Rtuť je jedovatá, a proto je třeba zářivky likvidovat v souladu s předpisy na ochranu životního prostředí. LED diody neobsahují žádné významné nebezpečné materiály, a protože vydrží déle, je i tak méně odpadu.

Rychlé přepínání

Další velkou výhodou je, že LED diody lze rychle zapínat a vypínat nebo měnit jejich intenzitu, aniž by došlo k jejich poškození. Rtuťové výbojky fungují tak, že rtuť ve výbojce způsobí zkratový oblouk. K jejich zapálení je zapotřebí specializovaná elektronika a jakmile je jednou zapálíte, chcete, aby běžely dál, takže se obvykle nechávají zapnuté po celou směnu a spotřebovávají energii a generují teplo, ať už tisknete, nebo ne.

Rychlost tiskárny se liší, takže se liší i energetické nároky UV vytvrzování. Intenzita výstupu rtuťové lampy se dá měnit jen omezeně, takže je v podstatě neustále zapnutá na plný výkon a k regulaci množství světla dopadajícího na médium nebo k jejímu úplnému vypnutí se používají mechanické clony.

Naproti tomu LED diody lze přepínat tak rychle, že je možné měnit světelný výkon, i když je možné měnit jas i změnou úrovně příkonu. Vzhledem k tomu, že se LED diody zapínají pouze v případě potřeby a lze je pulzně vypínat, aby se snížil jejich výkon, lze jejich životnost prodloužit na roky, což může být i více než životnost tiskárny.

Chad Taggart, viceprezident pro marketing a vývoj ve společnosti Phoseon, která v USA vyvíjí soustavy vytvrzovacích lamp LED, upozornil, že se neustále vyvíjejí vyšší světelné emise. „Výkon LED diod, pokud jde o zářivost a hustotu energie nebo dávku, se dramaticky zvyšuje,“ řekl. „Každé dva až tři roky zdvojnásobujeme výkonové možnosti. Například ze 4 wattů na cm2 v roce 2008 jsme přešli na 8 v roce 2010 a 16 v roce 2012. Není důvod, proč by v budoucnu nemohl dosáhnout 24 nebo více.

„Domníváme se, že nízký výkon je vnímán lidmi, kteří neudržují krok s naší technologií. Dnes máme mnoho zákazníků v oblasti velkoformátového tisku, kteří používají LED diody pro nejvyšší dostupné rychlosti. Některé tiskárny jsou chlazené vzduchem, jiné vodou. Obvykle jsou naše produkty s nejvyšším výkonem chlazené vodou. Pokud je udržujete v chladu, vydrží 20 000 nebo 30 000 hodin.“

Ačkoli elektronika, firmware a další problémy znamenají, že je nepravděpodobné, že by koncoví uživatelé mohli upravit stávající tiskárnu s UV rtuťovou lampou tak, aby používala LED diody, je pro výrobce stále snazší je zabudovat bez větších úprav.

Například společnost Integration Technology Ltd (ITL) ve Velké Británii představila na veletrhu FESPA 2012 svítidla MZero LED. Jedná se o přímou výměnu komponentů za rtuťové výbojky MZero, které se již používají na vozících hlavy v širokoformátových tiskárnách.

Tiskárny, které jsou od počátku navrženy pro UV-LED, mohou být menší, protože není nutné vytvářet prostor pro chlazení a odsávací ventilátory.

Které tiskárny používají LED?

Výrobci inkoustových tiskáren stále častěji osazují nové UV tiskárny LED diodami hned po jejich uvedení na trh.
Společnost Mimaki tvrdí, že jako první představila LED diody pro velkoformátový tisk na modelu UJV-160 v roce 2008, přičemž s vývojem začala již v roce 2003.

Na loňském veletrhu FESPA Digital v Londýně představila stejná společnost dvojici rychlých tiskáren s LED vytvrzováním, flatbed JFX500-2131 a roll-fed UJV500-160. Mezi tiskárnami využívajícími LED diody je také roll-fed Acuity 1600 LED společnosti Fujifilm a roll-fed VersaUV 640 LEJ a flatbed 640 LJF společnosti Roland.

EFI VUTEk používá UV-LED diody, protože představuje nové varianty svých tiskáren řad HS a GS. Pro její nejrychlejší plochou tiskárnu HS 100 Pro však samotné LED diody nestačí. Místo toho se používají v hybridním vytvrzovacím systému, kde jsou LED diody namontovány na vozíku hlavy a ihned po tisku přitisknou inkoust, aby body zůstaly ostré, zatímco výkonnější rtuťové lampy provedou úplné vytvrzení.

Různé relativní časování obou sad lamp umožňuje společnosti EFI měnit úroveň přilnavosti a lesku inkoustů.

Na letošním veletrhu FESPA Digital v Mnichově představila společnost Mutoh tři nové tiskárny s UV-LED lampami.

Jedná se o kompaktní 24palcový model ValueJet 628 a konvenčnější model ValueJet 1626UH pro tuhé a svitkové materiály. Třetím je nový „stolní“ plochý papír formátu A3, ValueJet 426UF, který má konkurovat řadě UJF-3042/6042 společnosti Mimaki a malým plochým papírům LEF-12 a LEF-20 společnosti Roland, které rovněž používají LED lampy.

Pro co nefungují

Počáteční náklady na výrobu velmi velkých polí LED s vysokým výkonem znamenají, že zatím nejsou vhodná pro nejrychlejší UV tiskové stroje s plochým tiskem, jako jsou největší stroje HP FB nebo Inca Onsets, ani pro pole na celou šířku na hybridních tiskových strojích se solventním UV inkoustem.

Vzhledem k rostoucímu výkonu a klesajícím cenám UV-LED v posledních letech se však zdá nevyhnutelné, že tento trend bude pokračovat až do bodu, kdy bude možné během několika let nahradit rtuťové páry u všech nových tiskáren.

LED diody zatím nejsou cenově výhodné ani pro celoplošná pole. To brání jejich použití v tiskárnách s hybridním solventním a UV inkoustem, které v současné době dodávají společnosti Mimaki (JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) a Colorific (prodává konverzní sady pro eko-solventní tiskárny Roland, Mimaki a Mutoh).

V tomto případě je v inkoustu použito malé množství rozpouštědla, které se rozstřikuje na tiskovém lůžku a přichytává inkoust, který je následně vytvrzen UV lampou v celé šířce asi 60 cm za tiskovým vozíkem. Soustava LED o velikosti 40 až 60 palců by stála celé jmění.

Je však zapotřebí nižšího světelného výkonu UV záření než u lamp používaných na skenovacích tiskových vozících (které musí přenášet více energie, protože osvětlují pouze malou plochu při přejezdu vozíku), takže lze použít lehké tlakové UV trubice. Ty spotřebovávají méně energie než rtuťové výbojky a vytvářejí méně tepla bez ozonu.

Viditelná a bezdrátová budoucnost

Ačkoli se to přímo netýká UV tiskových strojů, LED diody s viditelnou vlnovou délkou se stále častěji používají pro všeobecné osvětlení, včetně tiskařských továren. Je pravděpodobné, že v příštím desetiletí postupně nahradí klasické žárovky a zářivky pro osvětlení místností a exteriérů.

Nejenže mají výše zmíněné výhody úspory energie, chladného chodu a dlouhé životnosti, ale díky tomu, že jsou sestaveny do barevných skupin RGB, je možné měnit barevný výstup. Nakonec mohou být LED diody zabudovány do svítících stěnových a stropních panelů, takže konvenční žárovky nebo páskové lampy mohou zcela zmizet.

Dnešní LED žárovky se montují do standardních objímek,. V současné době jsou mnohem dražší než úsporné zářivky, které se v posledních letech rozšířily po celé Evropě. Ceny však budou klesat s tím, jak se bude zvyšovat míra jejich zavádění, zatímco jejich nižší spotřeba energie a delší životnost je učiní mezi uživateli oblíbenými. Na rozdíl od úsporných zářivek CFR (Compact Fluorescent Reflector), které obsahují rtuť, je u LED diod také menší problém s likvidací po skončení životnosti.

Jasně bílé LED diody jsou stále častěji k vidění jako potkávací světla u automobilů a právě se začínají nabízet i jako hlavní světlomety, i když dnes stojí více než výbojkové světlomety.

Je tu i počítačový aspekt. LED diody jsou v současné době vyvíjeny do podoby systému bezdrátového přenosu dat, který se nazývá Li-Fi. Ten by mohl být v budoucnu zabudován do LED svítidel a funguje tak, že se LED diody zapínají a vypínají tisíckrát za sekundu, takže si toho oko nevšimne. Má potenciál pro mnohem větší šířku pásma než dnešní radiofrekvenční Wi-Fi.

Souhrn

LED diody tak stojí na křižovatce. U některých tiskáren jsou stále cenově výhodnější, zatímco u větších platforem ještě ne.

S přestavbou vytvrzovacích systémů jsou stále spojeny určité náklady, ale už jen úspory, které můžete dosáhnout na životnosti žárovek, vám investici rychle vrátí a vy zlepšíte své ekologické vlastnosti a zároveň ušetříte peníze za elektřinu.

Pokud chcete investovat do ziskovější budoucnosti, misky vah se přiklánějí na stranu LED vytvrzování – a díky úsporám, které pomáhají finančním výsledkům i životnímu prostředí, je to jasná volba pro každou tiskárnu.