Perché la polimerizzazione a LED è importante per la tua tipografia

Nell’ambito della nostra serie Learning Curve, Simon Eccles analizza il crescente utilizzo di array di luci LED per la polimerizzazione ultravioletta degli inchiostri fotopolimerici nelle inkjet di grande formato.

I LED sono una tecnologia interessante che genera una luce intensa con un consumo energetico minimo, emettendo pochissimo calore e godendo solitamente di una durata di vita molto lunga. Stanno iniziando a sostituire le lampade a vapori di mercurio (alias alogenuri metallici), affamate di energia, calde e di breve durata, nelle moderne inkjet UV.

Il basso consumo energetico, il funzionamento silenzioso, la grande flessibilità d’uso, la lunga durata e gli scarsi problemi di smaltimento fanno sì che i LED siano una tecnologia molto interessante sia in termini pratici di stampa che come alternativa molto più ecologica alle lampade al mercurio.

L’entità precisa dei risparmi varia a seconda dei sistemi e le prestazioni e la potenza dei LED cambiano continuamente. Tuttavia, a titolo indicativo, Mimaki afferma che una tipica unità UV-LED per una stampante di grande formato, che produce 10W di energia UV, consuma circa 60W di elettricità per le lampade più circa 20W per la ventola di raffreddamento e il circuito di controllo dell’uscita. Quindi, 80W in totale, un po’ meno della vecchia generazione di lampadine domestiche a filamento di tungsteno da 100W.

A titolo di paragone, il consumo totale di una lampada tradizionale ad alogenuri metallici è di circa 1,2KW, ovvero più di una stufa elettrica a barra singola. Queste lampade funzionano a temperature molto elevate (tra i 600 e gli 800°C all’interno) e generano un calore radiante che si trasmette al resto dei componenti della stampante, tra cui le testine, l’inchiostro e, soprattutto, i supporti.

A parità di condizioni, una lampada ad alogenuri metallici consuma circa 15 volte più elettricità di un sistema di polimerizzazione a LED UV. Tuttavia, poiché i LED UV possono essere accesi o spenti quasi istantaneamente, gli stampatori devono accenderli solo durante il ciclo di stampa vero e proprio. Una volta spenta, una lampada ad alogenuri metallici non può essere riaccesa finché non si raffredda.

Per questo motivo, in genere vengono lasciati costantemente accesi mentre la stampante è in uso. Con un ciclo di funzionamento del 50%, un array di LED UV consuma solo 1/30 dell’elettricità rispetto agli alogenuri metallici. Questo non significa che l’intera stampante sia 30 volte più efficiente con i LED.

Tutte le stampanti hanno elementi comuni come i motori, l’elettronica di controllo, le forniture di inchiostro e le pompe per il vuoto. Quindi la differenza effettiva nel consumo energetico della stampante nel suo complesso sarebbe minore. Tuttavia, una stampante con lampada ad alogenuri metallici consuma da tre a dieci volte l’elettricità di una stampante con lampada UV-LED, afferma Mimaki.

L’utilizzo dei LED UV non incide molto sul prezzo di acquisto di una stampante, quindi nel tempo i LED consentono di risparmiare sempre di più, grazie alla combinazione di minor consumo di elettricità, minore manutenzione e costi di sostituzione praticamente nulli. A parte l’ovvia riduzione delle bollette dell’elettricità, questo può essere un fattore importante per le aziende che cercano di ridurre la loro impronta di carbonio o di ottenere un certificato di neutralità rispetto al carbonio, e può avere una certa rilevanza per i crediti di carbonio.

Componenti cool

I LED (Light Emitting Diodes) sono componenti elettrici a stato solido ampiamente utilizzati nelle moderne applicazioni di illuminazione, con nuovi impieghi che compaiono in continuazione. Quelli a emissione UV (generalmente chiamati UV-LED) sono solo più specializzati e costosi. Per la polimerizzazione degli inchiostri vengono costruiti in array di più LED.

Producono una gamma relativamente ristretta di lunghezze d’onda UV, rispetto alla gamma più ampia delle lampade a vapori di mercurio. È meglio utilizzare inchiostri formulati per ottenere la massima sensibilità in queste lunghezze d’onda. I produttori di stampanti saranno in grado di fornire inchiostri a marchio proprio per l’uso dei LED sulle loro stampanti, ma è un fattore da tenere presente se si utilizzano inchiostri di terze parti.

A differenza delle lampade al mercurio, i LED UV non emettono luce infrarossa o calore radiante. Ciò significa che il supporto di stampa non si riscalda in modo significativo durante la stampa, quindi è possibile utilizzare materiali sensibili al calore.

In alternativa, puoi utilizzare materiali plastici più sottili, come i vinili, rispetto alle lampade a mercurio, perché non si piegheranno sotto i LED. I supporti più sottili consentono di risparmiare sui materiali e di alleggerire i rotoli, con vantaggi per tutta la catena di fornitura, dai camion di consegna allo smaltimento dei rifiuti. L’elettronica di pilotaggio dei LED si riscalda, quindi gli alloggiamenti delle lampade di grandi dimensioni necessitano ancora di un raffreddamento ad acqua o a ventola, ma come abbiamo visto, questo richiede molta meno energia rispetto al mercurio.

Le temperature più basse delle lampade possono anche significare una riduzione del riscaldamento ambientale nella sala stampa. Di solito questo è un aspetto positivo, anche se in alcuni climi freddi potrebbe significare che dovrai alzare un po’ il riscaldamento della fabbrica in inverno per compensare, perdendo così alcuni dei vantaggi in termini di costi.

D’altra parte, nei climi caldi gli operatori apprezzeranno una sala stampa più fresca e non sarà necessaria la potenza dell’aria condizionata se l’hai installata. La durata di una lampada MH è normalmente considerata di circa 1000 ore (fino al 30% di riduzione della luce). Se la lampada funziona per 8 ore al giorno, dovrà essere sostituita in 125 giorni (circa 6 mesi con 20 giorni di funzionamento al mese).

Vita più lunga

La durata di un singolo chip con LED UV è di circa 10.000-15.000 ore, a seconda della dissipazione del calore. Se un LED UV funziona per 8 ore al giorno, con una vita utile di 10.000 ore, la sua durata è di 1.250 giorni (circa 5 anni ipotizzando 250 giorni lavorativi all’anno).

Poiché i LED UV sono spenti in modalità non di stampa, la durata effettiva sarebbe più lunga. La maggior parte dei LED UV non dovrà mai essere sostituita durante la vita utile della stampante. Le vecchie lampade al mercurio ad alta pressione generavano gas di ozono, che è pericoloso per gli operatori e deve essere aspirato tramite ventilazione.

Tuttavia, questo problema viene ampiamente superato utilizzando un vetro che filtra la specifica lunghezza d’onda che genera ozono. Anche i LED non generano ozono. Il mercurio è velenoso e le lampade devono essere smaltite in linea con le normative ambientali. I LED non contengono materiali pericolosi e, poiché durano più a lungo, i rifiuti sono comunque inferiori.

Commutazione rapida

Un altro grande vantaggio è che i LED possono essere accesi e spenti rapidamente, o variare la loro intensità, senza subire danni. Le lampade a mercurio funzionano creando un arco di cortocircuito attraverso il mercurio contenuto nelle lampade. Per accenderle è necessaria un’elettronica specializzata e, una volta accese, si desidera mantenerle in funzione, quindi di solito vengono lasciate accese per tutto il turno di lavoro, consumando energia e generando calore indipendentemente dal fatto che tu stia stampando o meno.

Le velocità delle stampanti variano e di conseguenza variano anche i requisiti energetici della polimerizzazione UV. Le possibilità di variare l’intensità di uscita delle lampade al mercurio modificando l’alimentazione sono limitate, per cui le lampade sono sempre a piena potenza e si utilizzano otturatori meccanici per controllare la quantità di luce che raggiunge il supporto o per spegnerle completamente.

Al contrario, i LED possono essere commutati così rapidamente da poter essere utilizzati per variare l’emissione luminosa, anche se è possibile variare la luminosità modificando i livelli di potenza in ingresso. Poiché i LED si accendono solo quando necessario e possono essere pulsati per ridurre la loro potenza, la loro durata può essere estesa ad anni, potenzialmente più della durata della stampante.

Vengono sviluppate continuamente emissioni luminose più elevate, ha sottolineato Chad Taggart, vicepresidente del marketing e dello sviluppo di Phoseon, un’azienda statunitense che sviluppa array di lampade di polimerizzazione a LED. “La potenza dei LED in termini di radianza e densità di energia o dose, sta aumentando in modo impressionante”, ha affermato. “Ogni due o tre anni raddoppiamo la capacità di emissione. Ad esempio, siamo passati da 4 Watt per cm2 nel 2008 a 8 nel 2010 e a 16 nel 2012. Non c’è motivo per cui non si possa arrivare a 24 o più in futuro”.

“Crediamo che la percezione di bassa potenza sia dovuta al fatto che le persone non sono aggiornate sulla nostra tecnologia. Oggi abbiamo molti clienti nel settore del grande formato che utilizzano i LED per ottenere le più alte velocità disponibili. Alcune stampanti sono raffreddate ad aria, altre ad acqua. In genere i nostri prodotti più potenti sono raffreddati ad acqua. Se mantenuti freschi, durano 20.000 o 30.000 ore”.

Sebbene l’elettronica, il firmware e altri problemi rendano improbabile che gli utenti finali possano modificare una stampante UV a lampada di mercurio esistente per utilizzare i LED, è sempre più facile per i produttori inserirli senza grandi modifiche.

Ad esempio, Integration Technology Ltd (ITL) nel Regno Unito ha presentato le lampade LED MZero a FESPA 2012. Si tratta di un semplice cambio di componenti per le sue unità di lampade al mercurio MZero, già utilizzate nei carrelli delle testine delle stampanti di grande formato.

Le stampanti progettate fin dall’inizio per i LED UV possono essere più piccole, in quanto non è necessario creare spazio per le ventole di raffreddamento e di estrazione.

Quali stampanti utilizzano i LED?

I produttori di stampanti a getto d’inchiostro montano sempre più spesso i LED sulle nuove stampanti UV che vengono lanciate sul mercato.
Mimaki sostiene di essere stata la prima a introdurre i LED per il grande formato, con il modello UJV-160 nel 2008, dopo aver iniziato lo sviluppo nel 2003.

Alla FESPA Digital di Londra dello scorso anno, la stessa azienda ha presentato una coppia di stampanti veloci a LED, la flatbed JFX500-2131 e la roll-fed UJV500-160. Anche la Acuity 1600 LED a bobina di Fujifilm e la VersaUV 640 LEJ e la 640 LJF flatbed di Roland sono tra le stampanti che utilizzano i LED.

EFI VUTEk utilizza i LED UV per introdurre nuove varianti delle sue gamme di stampanti HS e GS. Tuttavia, per la sua stampante piana più veloce, la HS 100 Pro, i LED da soli non sono abbastanza potenti. Vengono invece utilizzati in un sistema di polimerizzazione ibrido, in cui i LED sono montati sul carrello della testina e spillano l’inchiostro subito dopo la stampa per mantenere i punti nitidi, mentre lampade al mercurio più potenti eseguono la polimerizzazione completa.

Variando la tempistica relativa dei due set di lampade, EFI può variare i livelli di adesione e di brillantezza degli inchiostri.

Alla FESPA Digital di Monaco di Baviera di quest’anno Mutoh ha presentato tre nuove stampanti con lampade UV-LED.

Si tratta della compatta ValueJet 628 da 24 pollici e della più convenzionale ValueJet 1626UH per materiali rigidi e in rotolo. La terza è una nuova stampante piana “da tavolo” in formato A3, la ValueJet 426UF, per competere con la famiglia UJF-3042/6042 di Mimaki e con le piccole stampanti piane LEF-12 e LEF-20 di Roland, che utilizzano anch’esse lampade a LED.

Per cosa non funzionano

Il costo iniziale di costruzione di array di LED molto grandi e ad alto rendimento significa che non sono ancora adatti alle macchine da stampa UV in piano più veloci, come le più grandi macchine HP FB o le Inca Onset, o agli array a tutta larghezza sulle macchine da stampa a inchiostro ibrido solvente-UV.

Tuttavia, dato l’aumento della potenza e il calo dei prezzi degli UV-LED negli ultimi anni, sembra inevitabile che questa tendenza continui fino al punto in cui sarà possibile sostituire i vapori di mercurio in tutte le nuove stampanti entro pochi anni.

Finora i LED non sono convenienti nemmeno per gli array a tutta larghezza. Questo impedisce il loro utilizzo nelle stampanti a inchiostro ibrido solvente-UV attualmente in commercio da Mimaki (JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) e Colorific (che vende kit di conversione per stampanti eco-solvente Roland, Mimaki e Mutoh).

In questo caso viene utilizzata una piccola quantità di solvente nell’inchiostro, che si sprigiona sul letto della stampante per fissare l’inchiostro, che viene poi polimerizzato da un array di lampade UV a tutta larghezza a circa 60 cm a valle del carrello di stampa. Un array di LED da 40-60 pollici costerebbe una fortuna.

Tuttavia, è necessaria un’emissione di luce UV inferiore a quella delle lampade utilizzate sui carrelli di scansione della stampa (che devono trasferire più energia perché illuminano solo una piccola area al passaggio del carrello), quindi è possibile utilizzare tubi UV a pressione leggera. Questi utilizzano meno energia rispetto alle lampade a mercurio e generano meno calore senza ozono.

Futuri visibili e wireless

Anche se non riguardano direttamente le macchine da stampa UV, i LED a lunghezza d’onda visibile sono sempre più utilizzati per l’illuminazione generale, comprese le tipografie. È probabile che nel prossimo decennio sostituiranno gradualmente le tradizionali lampade a incandescenza e fluorescenti per l’illuminazione di ambienti ed esterni.

Non solo hanno i vantaggi del risparmio energetico, del buon funzionamento e della durata di cui sopra, ma costruendoli in gruppi di colori RGB è possibile variare la resa cromatica. Infine, i LED possono essere integrati in pannelli luminosi a parete e a soffitto, in modo da far scomparire completamente le lampade a bulbo o a striscia tradizionali.

Le attuali lampade a LED si inseriscono in prese di corrente standard. Al momento sono molto più costose delle lampade fluorescenti a risparmio energetico che sono diventate comuni in tutta Europa negli ultimi anni. Tuttavia, i prezzi scenderanno con l’aumentare del tasso di adozione, mentre il loro minore consumo energetico e la loro maggiore durata le renderanno popolari tra gli utenti. A differenza delle lampade a risparmio energetico “CFR” (Compact Fluorescent Reflector), che contengono mercurio, con i LED il problema dello smaltimento a fine vita è minore.

I LED bianchi brillanti sono sempre più diffusi come luci di marcia sulle auto e stanno iniziando a essere offerti anche come fari principali, anche se oggi costano più dei fari a scarica di gas.

C’è anche un aspetto informatico. I LED sono attualmente in fase di sviluppo per un sistema di trasmissione dati wireless, chiamato Li-Fi. Questo sistema potrebbe essere integrato in futuro nelle lampade a LED e funziona accendendo e spegnendo i LED migliaia di volte al secondo, in modo che l’occhio non se ne accorga. Ha la possibilità di raggiungere larghezze di banda molto più elevate rispetto all’attuale Wi-Fi a radiofrequenza.

Sommario

I LED si trovano quindi ad un bivio. Su alcune stampanti stanno diventando sempre più convenienti, mentre sulle piattaforme più grandi non sono ancora arrivati.

La conversione dei sistemi di polimerizzazione comporta comunque dei costi, ma il risparmio che puoi ottenere in termini di durata delle lampadine ripagherà rapidamente l’investimento e migliorerà le tue prestazioni ambientali risparmiando sull’elettricità.

Se vuoi investire in un futuro più redditizio, l’ago della bilancia pende verso la polimerizzazione a LED e, grazie ai risparmi che ne derivano per il bilancio e per l’ambiente, è una scelta ovvia per qualsiasi stampante.