Warum LED-Härtung für Ihre Druckerei wichtig ist

Im Rahmen unserer Serie Learning Curve untersucht Simon Eccles den zunehmenden Einsatz von LED-Lichtarrays für die Ultraviolett-Härtung von Photopolymer-Tinten in großformatigen Inkjets.

LEDs sind eine attraktive Technologie, die intensives Licht bei minimalem Stromverbrauch erzeugt, dabei sehr wenig Wärme abgibt und in der Regel eine sehr lange Lebensdauer hat. Sie ersetzen allmählich die stromfressenden, heißen und kurzlebigen Quecksilberdampflampen (auch Metallhalogenid genannt) in modernen UV-Tintendruckern.

Geringer Stromverbrauch, kühler Betrieb, große Flexibilität bei der Verwendung, lange Lebensdauer und wenig Probleme bei der Entsorgung machen LEDs zu einer sehr attraktiven Technologie, sowohl in der Druckpraxis als auch als viel umweltfreundlichere Alternative zu Quecksilberlampen.

Wie hoch die Einsparungen genau sind, hängt von den jeweiligen Systemen ab, und die Kosten- und Leistungswerte der LEDs ändern sich ständig. Als grobe Orientierung gibt Mimaki jedoch an, dass ein typisches UV-LED-Gerät für einen Großformatdrucker, das 10 W UV-Energie abgibt, etwa 60 W Strom für die Lampen plus etwa 20 W für das Kühlgebläse und die Leistungssteuerungsschaltung verbraucht. Insgesamt also 80W, etwas weniger als die alte Generation der 100W Glühbirne für den Hausgebrauch.

Zum Vergleich: Der Gesamtstromverbrauch einer herkömmlichen Halogenmetalldampflampe liegt bei etwa 1,2 KW, was etwas mehr ist als ein einstabiger elektrischer Heizofen. Diese Lampen laufen sehr heiß – zwischen 600 und 800 Grad Celsius im Inneren – und erzeugen Strahlungswärme, die sich auf die übrigen Komponenten des Druckers überträgt, einschließlich der Köpfe, der Tinte und vor allem der Medien.

Eine Metallhalogenidlampe verbraucht also etwa 15 Mal so viel Strom wie ein UV-LED-Härtungssystem. Da UV-LEDs jedoch nahezu sofort ein- und ausgeschaltet werden können, müssen Drucker sie nur während des eigentlichen Druckzyklus einschalten. Sobald eine Metallhalogenidlampe ausgeschaltet wurde, kann sie erst wieder eingeschaltet werden, wenn sie abgekühlt ist.

Daher bleibt sie im Allgemeinen ständig eingeschaltet, während der Drucker in Betrieb ist. Bei einem Betriebszyklus von 50% verbraucht ein UV-LED-Array nur 1/30 so viel Strom wie Metallhalogenid. Das heißt aber nicht, dass der gesamte Drucker mit LED 30 Mal effizienter ist.

Alle Drucker haben gemeinsame Elemente wie Motoren, Steuerelektronik, Tintenversorgung und Vakuumpumpen. Der tatsächliche Unterschied im Stromverbrauch des Druckers als Ganzes wäre also geringer. Dennoch verbraucht ein Drucker mit einer Metallhalogenidlampe drei- bis zehnmal so viel Strom wie ein Drucker mit UV-LED, sagt Mimaki.

Die Verwendung von UV-LEDs macht keinen großen Unterschied beim Anschaffungspreis eines Druckers. Im Laufe der Zeit sparen die LEDs also immer mehr Geld, da sie weniger Strom verbrauchen, weniger Wartung erfordern und praktisch keine Ersatzkosten verursachen. Abgesehen von der offensichtlichen Senkung der Stromrechnung kann dies ein wichtiger Faktor für Unternehmen sein, die versuchen, ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren oder ein Zertifikat für CO2-Neutralität zu erhalten, und kann eine gewisse Relevanz für Carbon Credits haben.

Kühle Komponenten

LEDs (Light Emitting Diodes) sind elektrische Festkörperbauteile, die in modernen Beleuchtungsanwendungen weit verbreitet sind und für die es ständig neue Anwendungsmöglichkeiten gibt. Die UV-emittierenden Typen (im Allgemeinen als UV-LED bezeichnet) sind nur etwas spezieller und teurer. Für die Tintenhärtung werden sie in Arrays aus mehreren LEDs eingebaut.

Sie erzeugen ein relativ enges Spektrum an UV-Wellenlängen, verglichen mit dem breiteren Spektrum von Quecksilberdampflampen. Am besten verwenden Sie Tinten, die für eine maximale Empfindlichkeit in diesen Wellenlängen formuliert wurden. Die Druckerhersteller sind in der Lage, eigene Tinten für die Verwendung von LEDs auf ihren eigenen Druckern zu liefern, aber wenn Sie Tinten von Drittanbietern verwenden, sollten Sie diesen Faktor berücksichtigen.

Im Gegensatz zu Quecksilberlampen strahlen UV-LEDs kein Infrarotlicht oder Strahlungswärme ab. Das bedeutet, dass sich die Druckmedien während des Drucks nicht wesentlich erwärmen, so dass wärmeempfindliche Materialien verwendet werden können.

Alternativ können Sie auch dünnere Kunststoffe wie Vinyl verwenden als bei Quecksilberlampen, da diese sich unter den LEDs nicht verbiegen. Dünnere Medien bedeuten Einsparungen bei den Materialien und leichtere Rollen, was sich in der gesamten Lieferkette vom Lieferwagen bis zur Abfallentsorgung positiv auswirkt. Die Treiberelektronik der LEDs erwärmt sich, so dass die Gehäuse großer Array-Lampen immer noch mit Wasser oder Ventilatoren gekühlt werden müssen, aber wie wir gesehen haben, benötigt dies viel weniger Energie als Quecksilber.

Niedrigere Lampentemperaturen können auch bedeuten, dass der Drucksaal weniger beheizt wird. Normalerweise ist dies eine gute Sache, aber in manchen kalten Klimazonen kann dies bedeuten, dass Sie die Heizung im Winter etwas höher drehen müssen, um dies zu kompensieren, so dass Sie einen Teil der Kostenvorteile verlieren.

Andererseits werden die Bediener in warmen Klimazonen einen kühleren Drucksaal zu schätzen wissen, und Sie benötigen nicht so viel Strom für die Klimaanlage, wenn Sie diese eingebaut haben. Die Lebensdauer einer MH-Lampe wird normalerweise mit etwa 1000 Stunden angegeben (bis zum Zeitpunkt der 30%igen Lichtreduzierung). Wenn die Lampe 8 Stunden pro Tag in Betrieb ist, muss sie nach 125 Tagen ausgetauscht werden (etwa 6 Monate bei 20 Betriebstagen/Monat).

Längere Lebensdauer

Die Lebensdauer eines einzelnen Chips mit UV-LED beträgt je nach Wärmeableitung etwa 10.000-15.000 Stunden. Wenn eine UV-LED 8 Stunden pro Tag in Betrieb ist, hält sie bei einer Lebensdauer von 10.000 Stunden 1.250 Tage lang (etwa 5 Jahre bei 250 Arbeitstagen pro Jahr).

Da die UV-LEDs im Nichtdruckmodus ausgeschaltet sind, wäre die tatsächliche Lebensdauer länger. Die meisten UV-LEDs müssten während der Lebensdauer des Druckers nie ausgetauscht werden. Alte Quecksilberhochdrucklampen erzeugen Ozongas, das für die Bediener gefährlich ist und durch Belüftung abgesaugt werden muss.

Dies wird jedoch durch die Verwendung eines Glases, das die spezifische ozonerzeugende Wellenlänge herausfiltert, weitgehend vermieden. Auch LEDs erzeugen kein Ozon. Quecksilber ist giftig, so dass die Lampen gemäß den Umweltvorschriften entsorgt werden müssen. LEDs enthalten keine nennenswerten gefährlichen Materialien, und da sie länger halten, fällt ohnehin weniger Abfall an.

Schnelles Umschalten

Ein weiterer großer Vorteil ist, dass LEDs schnell ein- und ausgeschaltet oder in der Intensität variiert werden können, ohne Schaden zu nehmen. Quecksilberdampflampen funktionieren, indem ein Kurzschluss durch das Quecksilber in den Lampen erzeugt wird. Sie benötigen eine spezielle Elektronik, um sie zu zünden, und wenn sie einmal gezündet sind, wollen Sie sie am Laufen halten. Daher bleiben sie normalerweise während der gesamten Schicht eingeschaltet, verbrauchen Strom und erzeugen Wärme, ob Sie nun drucken oder nicht.

Da die Druckergeschwindigkeit variiert, variiert auch der Energiebedarf für die UV-Härtung. Es gibt nur begrenzte Möglichkeiten, die Intensität der Quecksilberdampflampen durch Änderung der Stromzufuhr zu variieren. Daher sind sie praktisch immer auf voller Leistung, und es werden mechanische Blenden verwendet, um die Lichtmenge zu steuern, die auf die Medien trifft, oder um sie ganz abzuschalten.

Im Gegensatz dazu können LEDs so schnell geschaltet werden, dass die Lichtleistung variiert werden kann. Allerdings ist es auch möglich, die Helligkeit zu variieren, indem man die Eingangsleistung ändert. Da die LEDs nur bei Bedarf eingeschaltet werden und gepulst werden können, um ihre Leistung zu reduzieren, kann ihre Lebensdauer auf Jahre verlängert werden, möglicherweise sogar länger als die Lebensdauer des Druckers.

Es werden ständig höhere Lichtemissionen entwickelt, so Chad Taggart, Vizepräsident für Marketing und Entwicklung bei Phoseon, einem US-amerikanischen Hersteller von LED-Härtungslampen-Arrays. „Die Leistung von LEDs in Bezug auf Strahlungsleistung und Energiedichte oder Dosis nimmt dramatisch zu“, sagte er. „Alle zwei bis drei Jahre verdoppeln wir die Ausgangsleistung. Wir sind zum Beispiel von 4 Watt pro cm2 im Jahr 2008 auf 8 im Jahr 2010 und 16 im Jahr 2012 gestiegen. Es gibt keinen Grund, warum es in Zukunft nicht 24 oder mehr sein können.

„Wir sind der Meinung, dass der Eindruck eines geringen Stromverbrauchs daher rührt, dass die Leute mit unserer Technologie nicht auf dem Laufenden sind. Wir haben heute viele Kunden im Großformat, die LEDs für die höchsten verfügbaren Geschwindigkeiten verwenden. Einige Drucker sind luftgekühlt, andere sind wassergekühlt. Unsere Produkte mit der höchsten Leistung sind in der Regel wassergekühlt. Wenn Sie sie kühl halten, halten sie 20.000 oder 30.000 Stunden.“

Obwohl es aufgrund der Elektronik, der Firmware und anderer Probleme unwahrscheinlich ist, dass Endverbraucher einen bestehenden UV-Quecksilberlampendrucker für die Verwendung von LEDs modifizieren können, wird es für die Hersteller immer einfacher, sie ohne größere Änderungen einzubauen.

Zum Beispiel hat Integration Technology Ltd (ITL) in Großbritannien auf der FESPA 2012 MZero LED-Lampen vorgestellt. Dabei handelt es sich um einen direkten Komponententausch für die MZero-Quecksilberlampeneinheiten, die bereits in Kopfwagen von Großformatdruckern eingesetzt werden.

Drucker, die von Anfang an für UV-LEDs ausgelegt sind, können kleiner sein, da weniger Platz für Kühlung und Absaugung benötigt wird.

Welche Drucker verwenden LED?

Die Hersteller von Tintenstrahldruckern rüsten neue UV-Drucker zunehmend mit LEDs aus, sobald sie auf den Markt kommen.
Mimaki behauptet, 2008 mit dem UJV-160 als erstes Unternehmen LEDs für das Großformat eingeführt zu haben, nachdem die Entwicklung bereits 2003 begonnen hatte.

Auf der FESPA Digital in London im vergangenen Jahr stellte dasselbe Unternehmen zwei schnelle LED-gehärtete Drucker vor, den Flachbettdrucker JFX500-2131 und den Rollendrucker UJV500-160. Der Rollendrucker Acuity 1600 LED von Fujifilm und der Rollendrucker VersaUV 640 LEJ und der Flachbettdrucker 640 LJF von Roland gehören ebenfalls zu den Druckern, die LEDs verwenden.

EFI VUTEk setzt bei der Einführung neuer Varianten seiner HS- und GS-Druckerserien UV-LEDs ein. Bei seinem schnellsten Flachbettdrucker, dem HS 100 Pro, sind die LEDs allein jedoch nicht leistungsfähig genug. Stattdessen werden sie in einem hybriden Aushärtungssystem verwendet, bei dem die LEDs am Druckkopfschlitten angebracht sind und die Tinte unmittelbar nach dem Druck fixieren, um die Punkte scharf zu halten, während leistungsfähigere Quecksilberlampen die vollständige Aushärtung vornehmen.

Durch die Variation des relativen Timings der beiden Lampensätze kann EFI die Haftung und den Glanzgrad der Druckfarben variieren.

Auf der FESPA Digital in München hat Mutoh dieses Jahr drei neue Drucker mit UV-LED-Lampen vorgestellt.

Dabei handelt es sich um den kompakten 24-Zoll-ValueJet 628 und den konventionelleren ValueJet 1626UH für starre und Rollenmaterialien. Das dritte ist ein neues „Desktop“-Flachbett im A3-Format, der ValueJet 426UF, der mit der UJF-3042/6042-Familie von Mimaki und den kleinen Flachbetten LEF-12 und LEF-20 von Roland konkurriert, die ebenfalls LED-Lampen verwenden.

Wofür sie nicht funktionieren

Die anfänglichen Herstellungskosten für sehr große LED-Arrays mit hoher Leistung bedeuten, dass sie noch nicht für die schnellsten UV-Flachbettdruckmaschinen wie die größten HP FB-Maschinen oder Inca Onsets oder für Arrays über die gesamte Breite auf Solvent-UV-Hybriddruckmaschinen geeignet sind.

Angesichts der steigenden Leistung und der sinkenden Preise von UV-LEDs in den letzten Jahren scheint es jedoch unvermeidlich, dass sich dieser Trend fortsetzt, bis es in einigen Jahren erschwinglich wird, Quecksilberdampf in allen neuen Druckern zu ersetzen.

Bislang sind LEDs auch nicht kosteneffektiv für Arrays mit voller Breite. Daher können sie nicht in den Hybriddruckern mit Lösungsmittel-UV-Tinte eingesetzt werden, die derzeit von Mimaki (JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) und Colorific (die Umrüstsätze für Eco-Solvent-Drucker von Roland, Mimaki und Mutoh verkaufen) angeboten werden.

In diesem Fall wird eine kleine Menge Lösungsmittel in der Tinte verwendet, die auf dem Druckerbett abblitzt, um die Tinte zu fixieren, die dann von einer UV-Lampenanordnung über die gesamte Breite etwa 60 cm hinter dem Druckwagen ausgehärtet wird. Ein 40 bis 60 Zoll großes LED-Array würde ein Vermögen kosten.

Es wird jedoch eine geringere UV-Lichtleistung benötigt als bei den Lampen, die auf Scandruckwagen verwendet werden (die mehr Energie übertragen müssen, da sie nur einen kleinen Bereich beleuchten, wenn der Wagen darüber fährt), daher können UV-Leichtdruckröhren verwendet werden. Diese verbrauchen weniger Energie als Quecksilberlampen und erzeugen weniger Wärme und kein Ozon.

Sichtbare und drahtlose Zukünfte

Obwohl sie für UV-Druckmaschinen nicht direkt relevant sind, werden LEDs mit sichtbaren Wellenlängen immer häufiger für die allgemeine Beleuchtung eingesetzt, auch in Druckereien. Es ist wahrscheinlich, dass sie in den nächsten zehn Jahren herkömmliche Glühbirnen und Leuchtstoffröhren für die Raum- und Außenbeleuchtung allmählich ersetzen werden.

Sie haben nicht nur die oben erwähnten Vorteile der Stromersparnis, des kühlen Betriebs und der Langlebigkeit, sondern durch den Aufbau in RGB-Farbclustern ist es möglich, die Farbausgabe zu variieren. Letztendlich können LEDs in leuchtende Wand- und Deckenpaneele eingebaut werden, so dass herkömmliche Glühbirnen oder Leuchtbänder ganz verschwinden.

Die heutigen LED-Lampen passen in normale Glühbirnenfassungen. Im Moment sind sie noch viel teurer als die energiesparenden Leuchtstofflampen, die sich in den letzten Jahren in Europa durchgesetzt haben. Die Preise werden jedoch mit zunehmender Verbreitung sinken, während ihr geringerer Stromverbrauch und ihre längere Lebensdauer sie bei den Benutzern beliebt machen werden. Im Gegensatz zu energiesparenden ‚CFR‘-Lampen (Compact Fluorescent Reflector), die Quecksilber enthalten, gibt es bei LEDs auch weniger Probleme bei der Entsorgung am Ende der Lebensdauer.

Helle weiße LEDs sind als Fahrlicht an Autos ein immer vertrauterer Anblick und werden gerade auch als Hauptscheinwerfer angeboten, obwohl sie heute mehr kosten als selbst Gasentladungsscheinwerfer.

Es gibt auch einen rechnerischen Aspekt. LEDs werden derzeit zu einer Art drahtlosem Datenübertragungssystem entwickelt, das Li-Fi genannt wird. Dieses System könnte in Zukunft in LED-Lampen eingebaut werden und funktioniert, indem es die LEDs Tausende Male pro Sekunde ein- und ausschaltet, so dass das Auge nichts davon mitbekommt. Es hat das Potenzial für sehr viel höhere Bandbreiten als das heutige hochfrequente Wi-Fi.

Zusammenfassung

LEDs befinden sich also genau an einem Scheideweg. Bei einigen Druckern werden sie immer kostengünstiger, während größere Plattformen noch nicht ganz so weit sind.

Die Umrüstung Ihrer Aushärtungssysteme ist zwar mit Kosten verbunden, aber allein durch die Einsparungen bei der Lebensdauer der Glühbirnen macht sich die Investition schnell bezahlt. Außerdem verbessern Sie Ihre Umweltbilanz und sparen gleichzeitig Stromkosten.

Wenn Sie in eine profitablere Zukunft investieren wollen, dann neigt sich die Waage in Richtung LED-Härtung – und unterstützt durch Einsparungen, die sowohl dem Endergebnis als auch der Umwelt zugute kommen, ist dies eine offensichtliche Wahl für jeden Drucker.