Por qué el curado LED es importante para tu imprenta

Como parte de nuestra serie Curva de aprendizaje, Simon Eccles investiga el creciente uso de matrices de luz LED para el curado ultravioleta de tintas de fotopolímero en impresoras de inyección de tinta de gran formato.

Los LED son una tecnología atractiva que genera una luz intensa con un consumo de energía mínimo, al tiempo que emiten muy poco calor y suelen disfrutar de una vida útil muy larga. Están empezando a sustituir a las lámparas de vapor de mercurio (también conocidas como halogenuros metálicos), que consumen mucha energía, se calientan y duran poco, en las modernas impresoras UV de inyección de tinta.

El bajo consumo, el funcionamiento en frío, la gran flexibilidad de uso, la larga vida útil y los escasos problemas de eliminación hacen que los LED sean una tecnología muy atractiva tanto en términos prácticos de impresión como de alternativa mucho más respetuosa con el medio ambiente que las lámparas de mercurio.

El ahorro exacto varía en función de los sistemas, y el rendimiento y la potencia de los LED cambian constantemente. Sin embargo, a título orientativo, Mimaki dice que una unidad UV-LED típica para una impresora de gran formato, que emite 10 W de energía UV, consume unos 60 W de electricidad para las lámparas, más unos 20 W para el ventilador de refrigeración y el circuito de control de salida. O sea, 80 W en total, un poco menos que la antigua generación de bombillas domésticas de filamento de tungsteno de 100 W.

En comparación, el consumo total de energía de una lámpara tradicional de halogenuros metálicos es de unos 1,2 kW, bastante más que el de un calefactor eléctrico de una sola barra. Estas lámparas funcionan muy calientes -entre 600 y 800 grados Celsius internamente- y generan calor radiante que se transmite al resto de los componentes de la impresora, incluidos los cabezales, la tinta y, lo que es más importante, los soportes.

Por tanto, una lámpara de halogenuros metálicos consume unas 15 veces más electricidad que un sistema de curado UV-LED. Sin embargo, como los LED UV pueden encenderse o apagarse casi al instante, los impresores sólo tienen que encenderlos durante el ciclo de impresión propiamente dicho. Una vez apagada una lámpara de halogenuros metálicos, no se puede volver a encender hasta que se enfríe.

Por tanto, suele dejarse encendida constantemente mientras se utiliza la impresora. Con un ciclo de funcionamiento del 50%, un conjunto UV-LED consume sólo 1/30 parte de electricidad que los halogenuros metálicos. Esto no significa que toda la impresora sea 30 veces más eficiente con LED.

Todas las impresoras tienen elementos comunes como motores, electrónica de control, suministros de tinta y bombas de vacío. Así que la diferencia real en el consumo eléctrico de la impresora en su conjunto sería menor. Aun así, una impresora con lámpara de halogenuros metálicos consume entre tres y diez veces más electricidad que una con LED UV, dice Mimaki.

Utilizar LED UV no supone una gran diferencia en el precio de compra de una impresora, por lo que, con el tiempo, los LED ahorran cada vez más dinero, gracias a la combinación de un menor consumo de electricidad, un menor mantenimiento y unos costes de sustitución prácticamente inexistentes. Aparte de la obvia reducción de las facturas de electricidad, esto puede ser un factor importante para las empresas que intentan reducir su huella de carbono u obtener un certificado de neutralidad de carbono, y puede tener cierta relevancia para los créditos de carbono.

Componentes geniales

Los LED (diodos emisores de luz) son componentes eléctricos de estado sólido que se utilizan mucho en las aplicaciones de iluminación modernas, y cada vez aparecen nuevos usos. Los de tipo emisor UV (generalmente llamados LED UV) son más especializados y caros. Para el curado de la tinta, se construyen en conjuntos de varios LED.

Producen una gama relativamente estrecha de longitudes de onda de UV, en comparación con la gama más amplia de las lámparas de vapor de mercurio. Lo mejor es utilizar tintas formuladas para obtener la máxima sensibilidad en esas longitudes de onda. Los fabricantes de impresoras podrán suministrar tintas de marca propia para el uso de LED en sus propias impresoras, pero es un factor a tener en cuenta si utilizas tintas de terceros.

A diferencia de las lámparas de mercurio, los LED UV no emiten luz infrarroja ni calor radiante. Esto significa que el soporte de impresión no se calienta significativamente durante la impresión, por lo que pueden utilizarse materiales sensibles al calor.

Alternativamente, puedes utilizar plásticos más finos, como los vinilos, que con las lámparas de mercurio, ya que no se doblan bajo los LED. Los soportes más finos suponen un ahorro de materiales y rollos más ligeros, con beneficios en toda la cadena de suministro, desde los camiones de reparto hasta la eliminación de residuos. La electrónica del controlador de los LED se calienta, por lo que las carcasas de las lámparas de grandes conjuntos siguen necesitando algo de refrigeración por agua o ventilador, pero como hemos visto, esto necesita mucha menos energía que el mercurio.

Las temperaturas más bajas de las lámparas también pueden significar menos calefacción ambiental en la sala de impresión. Normalmente esto es bueno, aunque en algunos climas fríos puede significar que tengas que subir un poco la calefacción de la fábrica en invierno para compensar, con lo que pierdes parte de las ventajas económicas.

Por otra parte, en climas cálidos los operarios agradecerán una sala de impresión más fresca, y no necesitarás tanta potencia de aire acondicionado si lo tienes instalado. Normalmente se considera que la vida útil de una lámpara MH es de unas 1.000 horas (hasta el momento en que se reduce la luz un 30%). Si la lámpara funciona 8 horas al día, habrá que cambiarla en 125 días (unos 6 meses con 20 días de funcionamiento/mes).

Mayor duración

La vida útil de un solo chip con LED UV es de unas 10.000-15.000 horas, dependiendo de la disipación del calor. Si un LED UV funciona 8 horas al día, con 10.000 horas de vida útil, dura 1.250 días (unos 5 años suponiendo 250 días laborables al año).

Como los LED UV están apagados cuando no se imprime, la vida útil real sería mayor. La mayoría de los LED UV no necesitarían sustituirse nunca durante la vida útil de la impresora. Las antiguas lámparas de mercurio a alta presión generaban gas ozono, que es peligroso para los operarios y debe extraerse mediante ventilación.

Sin embargo, esto se supera en gran medida utilizando un cristal que filtra la longitud de onda específica que genera ozono. Los LED tampoco generan ozono. El mercurio es venenoso, por lo que las lámparas deben eliminarse de acuerdo con la normativa medioambiental. Los LED no contienen materiales peligrosos significativos, y como duran más, de todas formas los residuos son menores.

Conmutación rápida

Otra gran ventaja es que los LED pueden encenderse y apagarse rápidamente, o variar su intensidad, sin sufrir daños. Las lámparas de mercurio funcionan provocando un arco de cortocircuito a través del mercurio de las lámparas. Se necesita una electrónica especializada para encenderlas y, una vez encendidas, quieres mantenerlas en funcionamiento, por lo que normalmente se dejan encendidas durante todo el turno, consumiendo energía y generando calor tanto si estás imprimiendo como si no.

Las velocidades de las impresoras varían, por lo que también varían los requisitos energéticos del curado UV. Las posibilidades de variar la intensidad de salida de la lámpara de mercurio modificando la potencia de entrada son limitadas, por lo que en la práctica están siempre a plena potencia y se utilizan obturadores mecánicos para controlar la cantidad de luz que llega al material o para apagarla por completo.

En cambio, los LED pueden conmutarse tan rápidamente que esto puede utilizarse para variar la salida de luz, aunque también es posible variar el brillo cambiando los niveles de potencia de entrada. Como los LED sólo se encienden cuando es necesario y pueden pulsarse para reducir su potencia de salida, su vida útil puede prolongarse hasta años, potencialmente más que la vida útil de la impresora.

Cada vez se desarrollan mayores emisiones de luz, señaló Chad Taggart, vicepresidente de marketing y desarrollo de Phoseon, empresa estadounidense que desarrolla conjuntos de lámparas de polimerización LED. «La potencia de los LED, en términos de radiancia y densidad o dosis de energía, está aumentando espectacularmente», dijo. «Cada dos o tres años duplicamos la capacidad de salida. Por ejemplo, pasamos de 4 vatios por cm2 en 2008 a 8 en 2010, y a 16 en 2012. No hay razón para que no pueda llegar a 24 o más en el futuro.

«Creemos que la percepción de bajo consumo se debe a que la gente no está al día de nuestra tecnología. Hoy en día tenemos muchos clientes de gran formato que utilizan LED para alcanzar las velocidades más altas disponibles. Algunas impresoras están refrigeradas por aire, otras por agua. Normalmente, nuestros productos de mayor potencia están refrigerados por agua. Si los mantienes refrigerados, durarán 20.000 o 30.000 horas».

Aunque la electrónica, el firmware y otras cuestiones hacen que sea poco probable que los usuarios finales puedan modificar una impresora UV de lámpara de mercurio existente para utilizar LED, cada vez es más fácil que los fabricantes los incorporen sin grandes modificaciones.

Por ejemplo, Integration Technology Ltd (ITL), del Reino Unido, presentó las lámparas LED MZero en FESPA 2012. Se trata de un cambio directo de componentes para sus lámparas de mercurio MZero, que ya se utilizan en los cabezales de las impresoras de gran formato.

Las impresoras diseñadas desde el principio para UV-LED pueden ser más pequeñas, ya que hay menos necesidad de construir espacio para ventiladores de refrigeración y extracción.

¿Qué impresoras utilizan LED?

Los fabricantes de impresoras de chorro de tinta incorporan cada vez más LED a las nuevas impresoras UV a medida que salen al mercado.
Mimaki afirma haber sido la primera en introducir los LED para gran formato, en la UJV-160 de 2008, tras haber iniciado su desarrollo en 2003.

En la FESPA Digital de Londres del año pasado, la misma empresa presentó un par de impresoras rápidas de curado por LED, la JFX500-2131 de superficie plana y la UJV500-160 de bobina. La Acuity 1600 LED de rollo de Fujifilm y la VersaUV 640 LEJ de rollo y la 640 LJF plana de Roland también están entre las impresoras que utilizan LED.

EFI VUTEk utiliza LED UV al presentar nuevas variantes de sus gamas de impresoras HS y GS. Sin embargo, para su impresora plana más rápida, la HS 100 Pro, los LED por sí solos no son suficientemente potentes. En su lugar, se utilizan en un sistema de curado híbrido, en el que los LED se montan en el carro del cabezal y fijan la tinta inmediatamente después de la impresión para mantener los puntos nítidos, mientras que unas lámparas de mercurio más potentes realizan el curado completo.

Variar el tiempo relativo de los dos juegos de lámparas permite a EFI variar los niveles de adherencia y brillo de las tintas.

En la FESPA Digital de Múnich de este año, Mutoh presentó tres nuevas impresoras con lámparas UV-LED.

Se trata de la compacta ValueJet 628 de 24 pulgadas y la más convencional ValueJet 1626UH para materiales rígidos y en rollo. La tercera es una nueva impresora plana «de sobremesa» de formato A3, la ValueJet 426UF, para competir con la familia UJF-3042/6042 de Mimaki y las pequeñas impresoras planas LEF-12 y LEF-20 de Roland, que también utilizan lámparas LED.

Para qué no sirven

El coste inicial de fabricación de las matrices de LED muy grandes y de alto rendimiento significa que todavía no son adecuadas para las prensas planas UV más rápidas, como las mayores máquinas HP FB o Inca Onsets, ni para matrices de ancho completo en prensas de tinta híbrida disolvente-UV.

Sin embargo, dado el aumento de la potencia y la caída de los precios de los LED UV en los últimos años, parece inevitable que esta tendencia continúe hasta el punto de que sea asequible sustituir el vapor de mercurio en todas las impresoras nuevas dentro de unos años.

Hasta ahora, los LED tampoco son rentables para las matrices de ancho completo. Esto impide que se utilicen en las impresoras de tinta híbrida disolvente-UV que actualmente comercializan Mimaki (la JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) y Colorific (que vende kits de conversión para impresoras ecosolventes Roland, Mimaki y Mutoh).

En este caso, se utiliza una pequeña cantidad de disolvente en la tinta, que parpadea en el lecho de la impresora para fijar la tinta, que luego se cura mediante un conjunto de lámparas UV de ancho completo situado a unos 60 cm aguas abajo del carro de impresión. Un conjunto de LED de entre 40 y 60 pulgadas costaría una fortuna.

Sin embargo, se necesita una potencia de luz UV menor que la de las lámparas utilizadas en los carros de impresión por escaneado (que necesitan transferir más energía, ya que sólo iluminan una pequeña zona cuando el carro pasa por encima), por lo que se pueden utilizar tubos UV de luz a presión. Éstos consumen menos energía que las lámparas de mercurio y generan menos calor sin ozono.

Futuros visibles e inalámbricos

Aunque no afectan directamente a las prensas UV, los LED de longitud de onda visible se utilizan cada vez más para la iluminación general, incluidas las fábricas de impresión. Es probable que en la próxima década sustituyan gradualmente a las lámparas incandescentes y fluorescentes convencionales para la iluminación de habitaciones y exteriores.

No sólo tienen las ventajas de ahorro de energía, funcionamiento en frío y longevidad comentadas anteriormente, sino que, al construirlos en grupos de colores RGB, es posible variar la salida de color. En última instancia, los LED pueden incorporarse a paneles luminosos de paredes y techos, de modo que las bombillas o tiras de lámparas convencionales pueden desaparecer por completo.

Las lámparas LED actuales encajan en los casquillos estándar de las bombillas,. Ahora mismo son mucho más caras que las lámparas fluorescentes de bajo consumo que se han generalizado en Europa en los últimos años. Sin embargo, los precios bajarán a medida que aumenten los índices de adopción, mientras que su menor consumo de energía y su mayor vida útil las harán populares entre los usuarios. A diferencia de las lámparas de bajo consumo «CFR» (Reflector Fluorescente Compacto), que contienen mercurio, los LED también plantean menos problemas de eliminación al final de su vida útil.

Los LED blancos brillantes son una imagen cada vez más familiar como luces de marcha en los coches, y están empezando a ofrecerse también como faros principales, aunque hoy cuestan más que incluso los faros de descarga de gas.

También hay un aspecto informático. Los LED se están desarrollando actualmente en una forma de sistema de transmisión inalámbrica de datos, llamado Li-Fi. Podría incorporarse en el futuro a las lámparas LED y funciona encendiendo y apagando los LED miles de veces por segundo, de modo que el ojo no lo nota. Tiene potencial para anchos de banda mucho mayores que el actual Wi-Fi de radiofrecuencia.

Resumen

Así pues, los LED se encuentran en una encrucijada. Cada vez son más rentables en algunas impresoras, mientras que las plataformas más grandes aún no lo han conseguido.

La conversión de tus sistemas de curado sigue teniendo costes, pero el ahorro que puedes conseguir sólo en vida útil de las bombillas amortizará la inversión rápidamente y mejorarás tu rendimiento medioambiental al tiempo que ahorras dinero en electricidad.

Si quieres invertir en un futuro más rentable, la balanza se inclina hacia el curado por LED, y con el apoyo de un ahorro que ayuda tanto a la cuenta de resultados como al medio ambiente, eso lo convierte en una elección obvia para cualquier impresor.