Hvorfor LED-hærdning er vigtig for dit trykkeri

Som en del af vores Learning Curve-serie undersøger Simon Eccles den stigende brug af LED-lysarrays til ultraviolet hærdning af fotopolymerblæk i storformat inkjet.

LED’er er en attraktiv teknologi, der genererer intenst lys med minimalt strømforbrug, samtidig med at de udsender meget lidt varme og normalt har meget lang levetid. De er begyndt at erstatte strømslugende, varme og kortlivede kviksølvdamplamper (også kaldet metalhalogenid) på moderne UV-inkjets.

Lavt strømforbrug, kølig drift, stor fleksibilitet i brugen, lang levetid og få problemer med bortskaffelse betyder, at LED’er er en meget attraktiv teknologi, både hvad angår praktisk trykning og som et meget mere miljøvenligt alternativ til kviksølvlamper.

Præcis hvad besparelserne er, varierer afhængigt af systemerne, og LED’ernes omkostningseffektivitet og effekt ændrer sig hele tiden. Men som en grov guide siger Mimaki, at en typisk UV-LED-enhed til en storformatprinter, der udsender 10 W UV-energi, bruger ca. 60 W elektricitet til lamperne plus ca. 20 W til køleventilatoren og outputkontrolkredsløbet. Så 80 W i alt, lidt mindre end den gamle generation af 100 W wolframglødetrådspærer til husholdningsbrug.

Til sammenligning er det samlede strømforbrug for en traditionel metalhalogenlampe ca. 1,2 kW, hvilket er noget mere end en enkelt bar elektrisk brandvarmer. Disse lamper kører meget varmt – mellem 600 og 800 grader C internt – og de genererer strålevarme, som overføres til resten af printerkomponenterne, herunder hovederne, blækket og det mest kritiske, mediet.

På samme måde bruger en metalhalogenlampe ca. 15 gange så meget elektricitet som et UV-LED-hærdningssystem. Men fordi UV-LED’er kan tændes og slukkes næsten øjeblikkeligt, behøver printere kun at tænde dem under den faktiske printcyklus. Når en metalhalogenlampe er blevet slukket, kan den ikke tændes igen, før den er kølet ned.

Derfor er det normalt tændt konstant, mens printeren er i brug. Med en driftscyklus på 50 % bruger et UV-LED-array kun 1/30 del så meget strøm som metalhalogenid. Det betyder ikke, at hele printeren er 30 gange mere effektiv med LED.

Alle printere har fælles elementer som motorer, styringselektronik, blækforsyninger og vakuumpumper. Så den faktiske forskel i strømforbrug for printeren som helhed ville være mindre. Alligevel bruger en printer med en metalhalogenlampe tre til ti gange så meget strøm som en printer med UV-LED, siger Mimaki.

Brug af UV-LED’er gør ikke den store forskel i forhold til købsprisen på en printer, så med tiden sparer LED’erne bare flere og flere penge som en kombination af mindre elforbrug, lavere vedligeholdelse og stort set ingen udskiftningsomkostninger. Ud over den åbenlyse reduktion i elregningen kan det være en vigtig faktor for virksomheder, der forsøger at reducere deres CO2-fodaftryk eller få et certifikat for CO2-neutralitet, og det kan have en vis relevans for CO2-kreditter.

Seje komponenter

LED’er (Light Emitting Diodes) er elektriske komponenter i fast form, som er meget udbredte i moderne belysning, og der dukker hele tiden nye anvendelsesmuligheder op. Den UV-emitterende type (generelt kaldet UV-LED) er bare mere specialiseret og dyrere. Til blækhærdning er de indbygget i arrays af flere LED’er.

De producerer et relativt snævert udvalg af UV-bølgelængder sammenlignet med det bredere udvalg af kviksølvdamplamper. Det er bedst at bruge blæk, der er formuleret med henblik på maksimal følsomhed i disse bølgelængder. Printerproducenter kan levere blæk med eget mærke til LED-brug på deres egne printere, men det er en faktor, man skal være opmærksom på, hvis man bruger blæk fra tredjeparter.

I modsætning til kviksølvlamper udsender UV-LED’er ikke infrarødt lys eller strålevarme. Det betyder, at printmediet ikke opvarmes væsentligt under printningen, så der kan bruges varmefølsomme materialer.

Alternativt kan du bruge tyndere plastmaterialer som f.eks. vinyl, end du ville gøre med kviksølvlamper, da de ikke vil bøje sig under LED’erne. Tyndere medier betyder besparelser på materialer og lettere ruller, hvilket giver fordele i hele forsyningskæden fra lastbiler til bortskaffelse af affald. Driverelektronikken til LED’er bliver varm, så store lampehuse har stadig brug for vand- eller blæserkøling, men som vi har set, kræver det meget mindre strøm end kviksølv.

Lavere lampetemperaturer kan også betyde mindre omgivelsesvarme i trykkeriet. Normalt er det en god ting, men i nogle kolde klimaer kan det betyde, at du er nødt til at skrue lidt op for fabriksopvarmningen om vinteren for at kompensere, så du mister nogle af omkostningsfordelene.

På den anden side vil operatørerne i varme klimaer sætte pris på et køligere presserum, og du vil ikke have brug for så meget aircondition, hvis du har det monteret. Levetiden for en MH-lampe anses normalt for at være ca. 1000 timer (op til tidspunktet for 30 % lysreduktion). Hvis lampen er i drift 8 timer om dagen, skal den udskiftes efter 125 dage (ca. 6 måneder med 20 driftsdage/måned).

Længere levetid

Levetiden for en enkelt chip med UV-LED er ca. 10.000-15.000 timer afhængigt af varmeafledningen. Hvis en UV-LED er i drift 8 timer om dagen med en levetid på 10.000 timer, holder den i 1.250 dage (ca. 5 år, hvis man antager 250 arbejdsdage om året).

Da UV-LED’erne er slukket, når der ikke printes, vil den faktiske levetid være længere. De fleste UV-LED’er vil aldrig skulle udskiftes i løbet af printerens levetid. Gamle højtryks-kviksølvlamper genererede ozongas, som er farlig for operatørerne og skal suges ud ved hjælp af ventilation.

Det kan dog stort set overvindes ved at bruge et glas, der filtrerer den specifikke ozongenererende bølgelængde fra. LED’er genererer heller ikke ozon. Kviksølv er giftigt, så lamper skal bortskaffes i overensstemmelse med miljøbestemmelserne. Der er ingen væsentlige farlige materialer i LED, og fordi de holder længere, er der alligevel mindre affald.

Hurtig omskiftning

En anden stor fordel er, at LED’er kan tændes og slukkes hurtigt eller varieres i intensitet uden at tage skade. Kviksølvlamper fungerer ved, at der dannes en kortslutningsbue gennem kviksølvet i lamperne. Det kræver specialiseret elektronik at tænde dem, og når de først er tændt, vil man gerne holde dem kørende, så de er normalt tændt under hele skiftet og bruger strøm og genererer varme, uanset om man printer eller ej.

Printerhastighederne varierer, så UV-hærdningens energibehov varierer også. Der er kun begrænset mulighed for at variere kviksølvlampens udgangsintensitet ved at ændre strømtilførslen, så de er faktisk på fuld kraft hele tiden, og der bruges mekaniske skodder til at styre mængden af lys, der når medierne, eller til at slukke helt for det.

I modsætning hertil kan LED’er skiftes så hurtigt, at det kan bruges til at variere lysudbyttet, selvom det også er muligt at variere lysstyrken ved at ændre indgangseffektniveauerne. Da LED’erne kun er tændt, når der er brug for dem, og kan pulseres for at reducere deres effekt, kan deres levetid forlænges til flere år, potentielt mere end printerens levetid.

Der udvikles hele tiden højere lysemissioner, påpegede Chad Taggart, vicepræsident for marketing og udvikling hos Phoseon, et amerikansk firma, der udvikler LED-hærdningslamper. “Kraften i LED’er med hensyn til udstråling og energitæthed eller dosis øges dramatisk,” sagde han. “Hvert andet til tredje år fordobler vi outputkapaciteten. For eksempel gik vi fra 4 watt pr. cm2 i 2008 til 8 i 2010 og 16 i 2012. Der er ingen grund til, at den ikke kan nå op på 24 eller mere i fremtiden.

“Vi tror, at opfattelsen af lav effekt skyldes, at folk ikke holder sig ajour med vores teknologi. Vi har mange storformatkunder i dag, som bruger LED til de højeste tilgængelige hastigheder. Nogle printere er luftkølede, andre er vandkølede. Vores mest effektive produkter er typisk vandkølede. Hvis du holder dem kølige, holder de 20.000 eller 30.000 timer.”

Selvom elektronik, firmware og andre problemer betyder, at det er usandsynligt, at slutbrugere kan ændre en eksisterende printer med UV-kviksølvlampe til at bruge LED’er, bliver det lettere for producenterne at indbygge dem uden større ændringer.

For eksempel introducerede Integration Technology Ltd (ITL) i Storbritannien MZero LED-lamper på FESPA 2012. Det er en direkte komponentudskiftning for deres MZero kviksølvlampeenheder, som allerede bruges på hovedvogne i bredformatprintere.

Printere, der fra starten er designet til UV-LED’er, kan være mindre, da der er mindre behov for at indbygge plads til køling og udsugningsventilatorer.

Hvilke printere bruger LED?

Inkjetproducenter monterer i stigende grad LED’er på nye UV-printere, når de lanceres.
Mimaki hævder, at de var de første til at introducere LED’er til bredformat på UJV-160 i 2008, efter at have startet udviklingen i 2003.

På FESPA Digital i London sidste år introducerede samme firma et par hurtige LED-hærdede printere, flatbed JFX500-2131 og roll-fed UJV500-160. Fujifilms Acuity 1600 LED med rullefremføring og Rolands VersaUV 640 LEJ med rullefremføring og 640 LJF med flatbed er også blandt de printere, der bruger LED.

EFI VUTEk bruger UV-LED, når de introducerer nye varianter af deres HS- og GS-printere. Men til den allerhurtigste flatbed, HS 100 Pro, er LED’er alene ikke kraftige nok. I stedet bruges de i et hybridhærdningssystem, hvor LED’erne er monteret på hovedvognen og fastgør blækket umiddelbart efter udskrivning for at holde prikkerne skarpe, mens kraftigere kviksølvlamper udfører den fulde hærdning.

Ved at variere den relative timing af de to lampesæt kan EFI variere blækkens vedhæftnings- og glansniveauer.

På FESPA Digital i München i år præsenterede Mutoh tre nye printere med UV-LED-lamper.

Det er den kompakte ValueJet 628 på 24 tommer og den mere konventionelle ValueJet 1626UH til stive materialer og rullematerialer. Den tredje er en ny “desktop”-flatbed i A3-format, ValueJet 426UF, som skal konkurrere med Mimakis UJF-3042/6042-familie og Rolands små flatbeds LEF-12 og LEF-20, som også bruger LED-lamper.

Hvad de ikke arbejder for

De indledende byggeomkostninger for meget store LED-arrays med højt output betyder, at de endnu ikke er egnede til de allerhurtigste UV-flatbedpresser som de største HP FB-maskiner eller Inca Onsets, eller til arrays i fuld bredde på solvent-UV-hybridfarvepresser.

Men i betragtning af den stigende effekt og de faldende priser på UV-LED i de senere år synes det uundgåeligt, at denne tendens vil fortsætte til et punkt, hvor det er overkommeligt at erstatte kviksølvdamp på alle nye printere inden for et par år.

Indtil videre er LED’er heller ikke omkostningseffektive til arrays i fuld bredde. Det forhindrer dem i at blive brugt i de opløsningsmiddel-UV-hybridblækprintere, der i øjeblikket leveres af Mimaki (JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) og Colorific (som sælger konverteringssæt til Roland-, Mimaki- og Mutoh-printere med øko-opløsningsmidler).

I dette tilfælde bruges der en lille mængde opløsningsmiddel i blækket, som blinker af på printersengen for at fastgøre blækket, som derefter hærdes af en UV-lampe i fuld bredde ca. 60 cm nedstrøms fra printvognen. Et 40 til 60 tommer stort LED-array ville koste en formue.

Der er dog brug for et lavere UV-lysoutput end for de lamper, der bruges på scanningsprintvogne (som skal overføre mere energi, da de kun belyser et lille område, når vognen kører hen over det), så der kan bruges UV-rør med let tryk. De bruger mindre strøm end kviksølvlamper og genererer mindre varme uden ozon.

Synlig og trådløs fremtid

Selvom det ikke er direkte relevant for UV-presser, bliver LED’er med synlig bølgelængde brugt mere og mere til generel belysning, herunder på trykkerier. Det er sandsynligt, at de gradvist vil erstatte konventionelle gløde- og lysstofrør til rum- og udendørsbelysning i løbet af det næste årti.

De har ikke kun de fordele med hensyn til strømbesparelse, kølig drift og lang levetid, som er omtalt ovenfor, men ved at bygge dem i RGB-farveklynger er det muligt at variere farveoutputtet. I sidste ende kan LED’er indbygges i lysende væg- og loftspaneler, så konventionelle pærer eller lysbånd helt forsvinder.

Dagens LED-lamper passer ind i almindelige pærefatninger. Lige nu er de meget dyrere end de energibesparende lysstofrør, som er blevet almindelige i hele Europa i løbet af de sidste par år. Men priserne vil falde i takt med, at udbredelsen stiger, og deres lavere strømforbrug og længere levetid vil gøre dem populære hos brugerne. I modsætning til energibesparende ‘CFR’-lamper (Compact Fluorescent Reflector), som indeholder kviksølv, er der også færre problemer med bortskaffelse af LED’er ved slutningen af deres levetid.

Lysende hvide LED’er er et stadig mere velkendt syn som kørelys på biler, og de er lige begyndt at blive tilbudt som hovedforlygter, selv om de koster mere end selv gasudladningsforlygter i dag.

Der er også et computeraspekt. LED’er udvikles i øjeblikket til en form for trådløst datatransmissionssystem, kaldet Li-Fi. Det kan indbygges i LED-lamper i fremtiden og fungerer ved at tænde og slukke for LED’erne tusindvis af gange i sekundet, så øjet ikke bemærker det. Det har potentiale til meget højere båndbredder end dagens radiofrekvente Wi-Fi.

Sammenfatning

Så LED’er sidder pænt ved en korsvej. De bliver mere og mere omkostningseffektive på nogle printere, mens større platforme ikke er helt i mål.

Der er stadig omkostninger forbundet med at konvertere dine hærdningssystemer, men alene besparelserne i levetid på pærer betaler hurtigt for investeringen, og du forbedrer din miljøpræstation, samtidig med at du sparer penge på elektricitet.

Hvis du vil investere i en mere rentabel fremtid, tipper vægtskålen over mod LED-hærdning – og understøttet af besparelser, der hjælper både bundlinjen og miljøet, gør det det til et oplagt valg for enhver printer.