Pourquoi le séchage par LED est-il important pour votre imprimerie ?

Dans le cadre de notre série Learning Curve, Simon Eccles étudie l’utilisation croissante des matrices lumineuses LED pour le séchage ultraviolet des encres photopolymères dans les jets d’encre grand format.

Les diodes électroluminescentes (DEL) sont une technologie attrayante qui génère une lumière intense avec une consommation d’énergie minimale, tout en émettant très peu de chaleur et en bénéficiant généralement d’une très longue durée de vie. Elles commencent à remplacer les lampes à vapeur de mercure (également appelées halogénures métalliques), gourmandes en énergie, chaudes et de courte durée, sur les imprimantes à jet d’encre UV modernes.

La faible consommation d’énergie, le fonctionnement à froid, la grande souplesse d’utilisation, la longue durée de vie et le peu de problèmes liés à l’élimination des déchets font des LED une technologie très attrayante, à la fois en termes d’impression pratique et en tant qu’alternative beaucoup plus respectueuse de l’environnement que les lampes à mercure.

Les économies réalisées varient en fonction des systèmes, et les performances en termes de coût et de puissance des LED évoluent constamment. Toutefois, à titre indicatif, Mimaki indique qu’une unité UV-LED typique pour une imprimante grand format, qui produit 10 W d’énergie UV, consomme environ 60 W d’électricité pour les lampes, plus environ 20 W pour le ventilateur de refroidissement et le circuit de contrôle de la sortie. Soit 80 W au total, un peu moins que l’ancienne génération d’ampoules domestiques à filament de tungstène de 100 W.

À titre de comparaison, la consommation totale d’une lampe à halogénures métalliques traditionnelle est d’environ 1,2 kW, soit plus qu’un radiateur électrique à une barre. Ces lampes sont très chaudes – entre 600 et 800 degrés Celsius à l’intérieur – et génèrent une chaleur rayonnante qui se transmet au reste des composants de l’imprimante, y compris les têtes, l’encre et, plus important encore, le support.

Ainsi, une lampe aux halogénures métalliques consomme environ 15 fois plus d’électricité qu’un système de séchage UV-LED. Toutefois, comme les LED UV peuvent être allumées ou éteintes presque instantanément, les imprimeurs n’ont besoin de les allumer que pendant le cycle d’impression proprement dit. Une fois qu’une lampe aux halogénures métalliques a été éteinte, elle ne peut pas être rallumée tant qu’elle n’a pas refroidi.

Elle est donc généralement laissée allumée en permanence lorsque l’imprimante est en cours d’utilisation. Avec un cycle de fonctionnement de 50 %, une matrice UV-LED ne consomme que 1/30e de l’électricité par rapport aux halogénures métalliques. Cela ne signifie pas que l’ensemble de l’imprimante est 30 fois plus efficace avec les LED.

Toutes les imprimantes ont des éléments communs tels que les moteurs, l’électronique de commande, les réserves d’encre et les pompes à vide. La différence réelle de consommation d’énergie de l’imprimante dans son ensemble est donc moindre. Néanmoins, une imprimante équipée d’une lampe aux halogénures métalliques consomme trois à dix fois plus d’électricité qu’une imprimante équipée d’une lampe UV-LED, explique Mimaki.

L’utilisation des LED UV ne fait pas une grande différence sur le prix d’achat d’une imprimante, donc au fil du temps les LED permettent d’économiser de plus en plus d’argent, grâce à la combinaison d’une moindre consommation d’électricité, d’une maintenance réduite et de coûts de remplacement pratiquement inexistants. Outre la réduction évidente des factures d’électricité, il peut s’agir d’un facteur important pour les entreprises qui tentent de réduire leur empreinte carbone ou d’obtenir un certificat de neutralité carbone, et cela peut avoir un certain rapport avec les crédits carbone.

Composants froids

Les DEL (diodes électroluminescentes) sont des composants électriques à l’état solide qui sont largement utilisés dans les applications d’éclairage modernes, avec de nouvelles utilisations apparaissant constamment. Les diodes émettant des UV (généralement appelées LED UV) sont simplement plus spécialisées et plus chères. Pour le séchage des encres, elles sont intégrées dans des réseaux de plusieurs LED.

Elles produisent une gamme relativement étroite de longueurs d’onde UV, comparée à la gamme plus large des lampes à vapeur de mercure. Il est préférable d’utiliser des encres qui ont été formulées pour une sensibilité maximale dans ces longueurs d’onde. Les fabricants d’imprimantes pourront fournir des encres de leur propre marque pour l’utilisation de LED sur leurs propres imprimantes, mais c’est un facteur dont il faut tenir compte si vous utilisez des encres de tiers.

Contrairement aux lampes à mercure, les LED UV n’émettent pas de lumière infrarouge ni de chaleur radiante. Cela signifie que le support d’impression ne s’échauffe pas beaucoup pendant l’impression, ce qui permet d’utiliser des matériaux sensibles à la chaleur.

Vous pouvez également utiliser des plastiques plus fins, tels que les vinyles, que vous ne le feriez avec des lampes à mercure, car ils ne se déformeront pas sous l’effet des diodes électroluminescentes. Des supports plus fins permettent de réaliser des économies sur les matériaux et d’alléger les rouleaux, ce qui présente des avantages tout au long de la chaîne d’approvisionnement, depuis les camions de livraison jusqu’à l’élimination des déchets. L’électronique de commande des LED chauffe, de sorte que les boîtiers des lampes à grande surface doivent encore être refroidis par de l’eau ou un ventilateur, mais comme nous l’avons vu, cela nécessite beaucoup moins d’énergie que le mercure.

Des températures de lampe plus basses peuvent également signifier moins de chauffage ambiant dans la salle d’impression. Normalement, c’est une bonne chose, mais dans certains climats froids, cela peut signifier que vous devez augmenter un peu le chauffage de l’usine en hiver pour compenser, ce qui vous fait perdre une partie des avantages en termes de coûts.

D’autre part, dans les climats chauds, les opérateurs apprécieront une salle de presse plus fraîche, et vous n’aurez pas besoin d’autant d’air conditionné si vous en êtes équipé. La durée de vie d’une lampe MH est normalement estimée à environ 1 000 heures (jusqu’à une réduction de 30 % de la lumière). Si la lampe fonctionne 8 heures par jour, elle devra être remplacée au bout de 125 jours (environ 6 mois à raison de 20 jours de fonctionnement par mois).

Durée de vie plus longue

La durée de vie d’une seule puce avec LED UV est d’environ 10 000 à 15 000 heures, en fonction de la dissipation de la chaleur. Si une LED UV fonctionne 8 heures par jour, avec une durée de vie de 10 000 heures, elle dure 1 250 jours (environ 5 ans en supposant 250 jours de travail par an).

Étant donné que les LED UV sont éteintes en mode non-impression, la durée de vie réelle serait plus longue. La plupart des LED UV n’auraient jamais besoin d’être remplacées pendant la durée de vie de l’imprimante. Les anciennes lampes à mercure à haute pression généraient de l’ozone, un gaz dangereux pour les opérateurs et qui doit être extrait par ventilation.

Toutefois, ce problème est largement résolu par l’utilisation d’un verre qui filtre la longueur d’onde spécifique génératrice d’ozone. Les LED ne génèrent pas non plus d’ozone. Le mercure étant un poison, les lampes doivent être éliminées conformément aux réglementations environnementales. Les LED ne contiennent pas de matériaux dangereux significatifs et, comme elles durent plus longtemps, elles produisent moins de déchets.

Commutation rapide

Un autre grand avantage est que les LED peuvent être allumées et éteintes rapidement, ou que leur intensité peut être modifiée sans dommage. Les lampes à mercure fonctionnent en créant un arc de court-circuit à travers le mercure qu’elles contiennent. Il faut une électronique spécialisée pour les allumer et, une fois allumées, vous voulez les laisser fonctionner, de sorte qu’elles restent normalement allumées pendant toute la durée du travail, consommant de l’énergie et générant de la chaleur, que vous imprimiez ou non.

La vitesse des imprimantes varie, de sorte que les besoins en énergie du séchage UV varient également. Les possibilités de modifier l’intensité de la sortie de la lampe à mercure en changeant la puissance absorbée sont limitées, de sorte qu’elles fonctionnent en permanence à pleine puissance et que des obturateurs mécaniques sont utilisés pour contrôler la quantité de lumière atteignant le support, ou pour l’éteindre complètement.

En revanche, les diodes électroluminescentes peuvent être commutées si rapidement qu’elles peuvent être utilisées pour faire varier la luminosité, bien qu’il soit également possible de faire varier la luminosité en changeant les niveaux de puissance d’entrée. Comme les DEL ne sont allumées qu’en cas de besoin et qu’elles peuvent être pulsées pour réduire leur puissance, leur durée de vie peut être prolongée jusqu’à plusieurs années, soit potentiellement plus que la durée de vie de l’imprimante.

Des émissions lumineuses plus élevées sont développées en permanence, a souligné Chad Taggart, vice-président du marketing et du développement chez Phoseon, un développeur américain de réseaux de lampes de séchage à LED. « La puissance des LED en termes de rayonnement et de densité d’énergie ou de dose augmente considérablement », a-t-il déclaré. « Tous les deux ou trois ans, nous doublons la capacité de sortie. Par exemple, nous sommes passés de 4 watts par cm2 en 2008 à 8 en 2010, puis à 16 en 2012. Il n’y a aucune raison pour qu’elle n’atteigne pas 24 watts ou plus à l’avenir.

« Nous pensons que la perception d’une faible puissance est due au fait que les gens ne se tiennent pas au courant de notre technologie. Nous avons aujourd’hui de nombreux clients dans le domaine du grand format qui utilisent des LED pour les vitesses les plus élevées disponibles. Certaines imprimantes sont refroidies par air, d’autres par eau. En général, nos produits les plus puissants sont refroidis à l’eau. Si vous les gardez au frais, ils dureront 20 000 ou 30 000 heures.

Bien qu’il soit peu probable que les utilisateurs finaux puissent modifier une imprimante à lampe UV à mercure existante pour utiliser des DEL en raison des problèmes électroniques, de microprogrammation et autres, il est de plus en plus facile pour les fabricants de les intégrer sans modifications majeures.

Par exemple, Integration Technology Ltd (ITL) au Royaume-Uni a présenté les lampes LED MZero à la FESPA 2012. Il s’agit d’un remplacement direct des composants de ses lampes à mercure MZero, qui sont déjà utilisées sur les têtes d’impression des imprimantes grand format.

Les imprimantes conçues dès le départ pour les LED UV peuvent être plus petites, car il n’est pas nécessaire de prévoir de l’espace pour les ventilateurs de refroidissement et d’extraction.

Quelles sont les imprimantes qui utilisent des diodes électroluminescentes ?

Les fabricants d’imprimantes à jet d’encre équipent de plus en plus les nouvelles imprimantes UV de diodes électroluminescentes (DEL) au fur et à mesure de leur lancement.
Mimaki affirme avoir été le premier à introduire les LED pour le grand format, sur l’UJV-160 en 2008, après avoir commencé le développement en 2003.

Lors de la FESPA Digital à Londres l’année dernière, la même société a présenté une paire d’imprimantes à séchage rapide par LED, l’imprimante à plat JFX500-2131 et l’imprimante à bobine UJV500-160. L’Acuity 1600 LED de Fujifilm et les VersaUV 640 LEJ et 640 LJF à plat de Roland figurent également parmi les imprimantes utilisant des LED.

EFI VUTEk utilise des LED UV pour introduire de nouvelles variantes de ses gammes d’imprimantes HS et GS. Cependant, pour son imprimante à plat la plus rapide, la HS 100 Pro, les LED seules ne sont pas assez puissantes. Elles sont utilisées dans un système de séchage hybride, où les LED sont montées sur le chariot de la tête et pincent l’encre immédiatement après l’impression pour maintenir la netteté des points, tandis que des lampes au mercure plus puissantes effectuent le séchage complet.

La variation du temps relatif des deux jeux de lampes permet à EFI de faire varier les niveaux d’adhérence et de brillance des encres.

Lors de la FESPA Digital à Munich cette année, Mutoh a présenté trois nouvelles imprimantes équipées de lampes UV-LED.

Il s’agit de la ValueJet 628 compacte de 24 pouces et de la ValueJet 1626UH plus conventionnelle pour les matériaux rigides et en rouleau. La troisième est une nouvelle imprimante à plat « de bureau » au format A3, la ValueJet 426UF, qui rivalise avec la famille UJF-3042/6042 de Mimaki et les petites imprimantes à plat LEF-12 et LEF-20 de Roland, qui utilisent également des lampes LED.

Ce pour quoi ils ne travaillent pas

Le coût initial de construction des très grands réseaux de LED à haut rendement signifie qu’ils ne sont pas encore adaptés aux presses UV à plat les plus rapides, telles que les plus grandes machines HP FB ou Inca Onsets, ou aux réseaux pleine largeur sur les presses hybrides solvant-encre UV.

Toutefois, compte tenu de l’augmentation de la puissance et de la baisse des prix des UV-LED au cours des dernières années, il semble inévitable que cette tendance se poursuive jusqu’à ce qu’il soit possible de remplacer la vapeur de mercure sur toutes les nouvelles imprimantes d’ici quelques années.

Jusqu’à présent, les DEL ne sont pas non plus rentables pour les réseaux de pleine largeur. Elles ne peuvent donc pas être utilisées dans les imprimantes hybrides solvant-encre UV actuellement livrées par Mimaki (JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) et Colorific (qui vend des kits de conversion pour les imprimantes Roland, Mimaki et Mutoh à éco-solvant).

Dans ce cas, une petite quantité de solvant est utilisée dans l’encre, qui est projetée sur le lit de l’imprimante pour épingler l’encre, qui est ensuite durcie par un réseau de lampes UV sur toute la largeur, à environ 60 cm en aval du chariot d’impression. Un réseau de LED de 40 à 60 pouces coûterait une fortune.

Toutefois, la puissance de la lumière UV nécessaire est inférieure à celle des lampes utilisées sur les chariots d’impression par balayage (qui doivent transférer plus d’énergie car elles n’éclairent qu’une petite zone au passage du chariot), de sorte qu’il est possible d’utiliser des tubes UV à pression légère. Ceux-ci consomment moins d’énergie que les lampes à mercure et génèrent moins de chaleur sans produire d’ozone.

Futurs visibles et sans fil

Bien qu’elles ne concernent pas directement les presses UV, les LED à longueur d’onde visible sont de plus en plus utilisées pour l’éclairage général, y compris dans les imprimeries. Il est probable qu’elles remplaceront progressivement les lampes à incandescence et fluorescentes conventionnelles pour l’éclairage des pièces et des extérieurs au cours de la prochaine décennie.

Elles présentent non seulement les avantages susmentionnés en matière d’économie d’énergie, de refroidissement et de longévité, mais en les construisant en grappes de couleurs RVB, il est possible de varier la couleur produite. Enfin, les LED peuvent être intégrées dans des panneaux muraux et des plafonds lumineux, de sorte que les ampoules ou les bandes lumineuses conventionnelles peuvent disparaître complètement.

Les lampes LED d’aujourd’hui s’adaptent aux douilles d’ampoules standard. À l’heure actuelle, elles sont beaucoup plus chères que les lampes fluorescentes à économie d’énergie qui se sont répandues en Europe ces dernières années. Toutefois, les prix baisseront à mesure que les taux d’adoption augmenteront, tandis que leur consommation d’énergie plus faible et leur durée de vie plus longue les rendront populaires auprès des utilisateurs. Contrairement aux lampes CFR (Compact Fluorescent Reflector) à économie d’énergie, qui contiennent du mercure, les LED posent moins de problèmes d’élimination en fin de vie.

Les diodes électroluminescentes (DEL) d’un blanc éclatant sont de plus en plus souvent utilisées comme feux de circulation sur les voitures et commencent tout juste à être proposées comme projecteurs principaux, bien qu’elles coûtent aujourd’hui plus cher que les projecteurs à décharge.

L’informatique n’est pas en reste. Les LED sont actuellement développées dans une forme de système de transmission de données sans fil, appelé Li-Fi. Ce système pourrait être intégré à l’avenir dans les lampes LED et fonctionne en allumant et en éteignant les LED des milliers de fois par seconde, de sorte que l’œil ne s’en aperçoive pas. Il offre la possibilité d’utiliser des largeurs de bande beaucoup plus importantes que le Wi-Fi à radiofréquence actuel.

Résumé

Les diodes électroluminescentes se trouvent donc à la croisée des chemins. Elles deviennent de plus en plus rentables sur certaines imprimantes, alors que les grandes plates-formes ne sont pas encore tout à fait au point.

La conversion de vos systèmes de durcissement entraîne encore des coûts, mais les économies réalisées sur la durée de vie des ampoules suffisent à amortir rapidement l’investissement et à améliorer votre performance environnementale tout en économisant de l’argent sur l’électricité.

Si vous souhaitez investir dans un avenir plus rentable, la balance penche en faveur de la polymérisation par LED – et grâce aux économies réalisées, tant sur le plan financier que sur celui de l’environnement, ce choix s’impose à tous les imprimeurs.