LED硬化が印刷工場にとって重要な理由

ラーニング・カーブ・シリーズの一環として、サイモン・エクルスは、大判インクジェットにおけるフォトポリマー・インキの紫外線硬化にLEDライト・アレイの使用が増加していることを調査している。

LEDは、最小限の消費電力で強力な光を発生させる魅力的な技術であり、熱をほとんど発せず、通常は非常に長い寿命を楽しむことができる。最近のUVインクジェットでは、消費電力が大きく、高温で寿命の短い水銀ランプ（別名メタルハライド）に取って代わりつつある。

低消費電力、クールランニング、使用上の優れた柔軟性、長寿命、廃棄の問題が少ないということは、LEDが実用的な印刷技術としても、水銀灯に代わるはるかに環境に優しい技術としても、非常に魅力的であることを意味する。

正確な節約効果はシステムによって異なり、LEDのコストパフォーマンスや出力は常に変化している。しかし、大まかな目安として、ミマキによれば、10WのUVエネルギーを出力する大判プリンター用の典型的なUV-LEDユニットの消費電力は、ランプが約60W、冷却ファンと出力制御回路が約20Wである。つまり、合計80Wで、旧世代の100Wタングステンフィラメントの家庭用電球より少し少ない。

これと比較すると、従来のメタルハライドランプの総消費電力は約1.2KWであり、1本の棒状の電気ヒーターよりも多い。これらのランプは内部で600～800℃と非常に高温になり、輻射熱を発生させ、ヘッド、インク、そして最も重要なメディアを含む他のプリンター部品に伝わります。

メタルハライドランプは、UV-LED硬化システムの約15倍の電力を消費する。しかし、UV-LEDはほぼ瞬時に点灯・消灯できるため、印刷業者は実際の印刷サイクルの間だけ点灯させればよい。メタルハライドランプは一度消灯すると、冷めるまで再点灯できない。

そのため、一般的にプリンターが使用されている間は常時点灯させたままにしておく。UV-LEDアレイは、50％の動作サイクルで、メタルハライドの30分の1しか電力を消費しない。これは、プリンター全体がLEDの方が30倍効率が良いという意味ではない。

すべてのプリンターには、モーター、制御電子機器、インク供給装置、真空ポンプといった共通の要素がある。そのため、プリンター全体の実際の消費電力の差は小さくなる。それでも、メタルハライドランプを使ったプリンターは、UV-LEDを使ったプリンターの3倍から10倍の電力を消費するとミマキは言う。

UV-LEDを使用しても、プリンターの購入価格にはそれほど大きな差はないため、時間の経過とともに、電気使用量の削減、メンテナンスの軽減、交換コストの実質的なゼロという組み合わせにより、LEDはますます経費を節約することになる。電気代の削減はもちろんのこと、カーボンフットプリントの削減やカーボンニュートラル証明書の取得を目指す企業にとっては重要な要素であり、カーボンクレジットとの関連も考えられる。

クールなコンポーネント

LED（発光ダイオード）はソリッドステートの電気部品で、現代の照明用途に広く使われており、常に新しい用途が登場している。UV発光タイプ（一般にUV-LEDと呼ばれる）は、より特殊で高価である。インク硬化の目的では、複数のLEDをアレイ状に組み込んで使用される。

水銀灯の広い波長域に比べ、比較的狭い波長域の紫外線を発生する。これらの波長で最大限の感度を発揮するように調合されたインクを使用するのがベストだ。プリンターメーカーは、自社プリンターでLEDを使用するための自社ラベルのインクを供給することができるが、サードパーティのインクを使用する場合は注意する必要がある。

水銀ランプと異なり、UV-LEDは赤外線や放射熱を発しない。つまり、印刷中に印刷媒体が大きく加熱されることがないため、熱に弱い素材を使用することができる。

また、水銀灯の場合よりも薄いビニールなどのプラスチックを使用することもできます。メディアが薄くなるということは、材料の節約とロールの軽量化を意味し、配送トラックから廃棄物処理に至るまで、サプライチェーン全体にメリットがある。LEDのドライバー電子回路は発熱するため、大型アレイ・ランプの筐体には水冷やファンによる冷却が必要だが、これまで見てきたように、水銀よりもはるかに少ない電力で済む。

ランプの温度が低いということは、印刷室内の暖房が少ないということでもある。通常、これは良いことですが、寒冷な気候の地域では、これを補うために冬に工場の暖房を少し上げなければならず、コスト面でのメリットが失われる場合もあります。

一方、温暖な気候の場合、オペレーターは涼しいプレスルームを喜ぶでしょうし、エアコンを取り付けていれば、それほど多くのエアコンを必要としないでしょう。MHランプのランプ寿命は、通常約1000時間とされている（30％減光するまで）。1日8時間稼働の場合、125日（稼働日数20日/月で約6ヶ月）で交換となります。

長寿命

UV-LEDの1チップの寿命は、放熱にもよるが約10,000～15,000時間。仮にUV-LEDが1日8時間稼働した場合、10,000時間の寿命で1,250日（年間稼働日数を250日として約5年）持つことになる。

非印刷モードではUV-LEDはオフになるため、実際の耐用年数はより長くなる。ほとんどのUV-LEDは、プリンターの耐用年数中に交換が必要になることはないだろう。旧式の高圧水銀ランプはオゾンガスを発生させるため、作業者に有害であり、換気によって除去する必要があった。

しかし、これはオゾンを発生させる特定の波長をフィルターするガラスを使うことでほぼ克服できる。LEDもオゾンを発生させない。水銀は有毒であるため、ランプは環境規制に従って廃棄する必要がある。LEDは有害物質がほとんどなく、長寿命なので廃棄物も少ない。

高速スイッチング

もうひとつの大きな利点は、LEDは損傷することなく、急速にオン・オフしたり、強度を変化させたりできることだ。水銀灯は、ランプ内の水銀に短絡アークを発生させることで作動する。そのため、通常はシフト中ずっと点灯したままになり、印刷中であろうとなかろうと電力を消費し、熱を発生させる。

プリンターの速度は変化するので、UV硬化に必要なエネルギーも変化する。そのため、実質的には常にフルパワーで使用し、メカニカルシャッターを使用してメディアに到達する光量を制御するか、完全にシャットダウンします。

対照的に、LEDは急速に切り替えることができるため、光出力を変化させることができる。LEDは必要なときだけ点灯し、パルス的に出力を下げることができるため、その寿命は数年に延び、プリンターの寿命よりも長くなる可能性がある。

LED硬化ランプアレイを開発した米国Phoseon社のマーケティング・開発担当副社長であるChad Taggart氏は、より高い発光量が常に開発されていると指摘する。「放射輝度とエネルギー密度、あるいは照射量という点で、LEDのパワーは劇的に増大しています。「2〜3年ごとに出力能力は倍増しています。例えば、2008年には1cm2あたり4ワットだったのが、2010年には8ワットになり、2012年には16ワットになりました。将来、24ワット以上にならないわけがない。

「私たちは、低電力という認識は、人々が私たちの技術に追いついていないことに起因していると考えています。現在、大判印刷の分野で、最高速のLEDを使用している顧客がたくさんいます。あるプリンターは空冷式で、あるプリンターは水冷式です。通常、当社の最高出力製品は水冷式です。冷やしておけば、2万時間でも3万時間でも持ちます」。

電子機器やファームウェアなどの問題から、エンドユーザーが既存のUV水銀ランプ式プリンターを改造してLEDを使用できる可能性は低いが、メーカーが大きな改造をせずにLEDを組み込むことは容易になってきている。

例えば、英国のIntegration Technology Ltd（ITL）は、FESPA 2012でMZero LEDランプを発表した。これは、すでに大判プリンターのヘッドキャリッジに使用されているMZero水銀ランプユニットをそのまま部品交換したものである。

最初からUV-LED用に設計されたプリンターは、冷却や排気のためのファンを設置するスペースが少なくて済むため、小型化できる。

LEDを使用しているプリンターは？

インクジェットメーカーは、新しいUVプリンターを発売する際にLEDを取り付けることが増えている。
ミマキは、2003年に開発に着手し、2008年にUJV-160でワイドフォーマット用LEDを最初に導入したと主張している。

昨年ロンドンで開催されたFESPA Digitalで、同社はフラットベッドJFX500-2131とロールフェッドUJV500-160という2台の高速LED硬化プリンターを発表した。富士フイルムのロールフェッドAcuity 1600 LEDとローランドのロールフェッドVersaUV 640 LEJとフラットベッド640 LJFもLEDを使用するプリンターの一つである。

EFI VUTEkは、HSおよびGSプリンターシリーズの新バリエーションを発表する際に、UV-LEDを使用している。しかし、最速のフラットベッドHS 100 Proでは、LEDだけでは十分な性能を発揮できない。代わりにハイブリッド硬化システムで使用され、LEDはヘッドキャリッジに搭載され、印刷直後にインクを挟み込んでドットをシャープに保ち、より強力な水銀ランプが完全硬化を行う。

2つのランプセットの相対的なタイミングを変えることで、EFIはインクの密着性と光沢レベルを変化させることができる。

今年ミュンヘンで開催されたFESPAデジタルで、ムトーはUV-LEDランプを搭載した3台の新型プリンターを発表した。

これらは、24インチのコンパクトなバリュージェット628と、硬質およびロール材用の従来型のバリュージェット1626UHである。ミマキのUJF-3042/6042ファミリーやローランドのLEF-12およびLEF-20小型フラットベッドに対抗するもので、これらもLEDランプを使用している。

何のために働かないのか

超大型で高出力のLEDアレイの初期製造コストは、HPの最大のFB機やInca Onsetsのような非常に高速のUVフラットベッド印刷機や、溶剤-UVハイブリッドインキ印刷機のフルワイドアレイにはまだ適していないことを意味する。

しかし、近年のUV-LEDの出力向上と価格下落を考えると、この傾向が続き、数年以内にすべての新しいプリンターで水銀蒸気を置き換えることが可能な価格になることは避けられないと思われる。

これまでのところ、LEDは全幅アレイのコスト効率も良くない。このため、ミマキ（JV400SUV）、富士フイルム（Vybrant F1600）、Colorific（ローランド、ミマキ、ムトーのエコソルベントプリンター用のコンバージョンキットを販売）が現在出荷している溶剤とUVのハイブリッドインクプリンターには使用できない。

この場合、インクに少量の溶剤が使用され、それがプリンターベッド上で点滅してインクを固定し、プリントキャリッジから約60センチ下流の全幅UVランプアレイで硬化させる。40～60インチのLEDアレイは莫大な費用がかかる。

しかし、スキャニング・プリンティング・キャリッジで使用されるランプ（キャリッジが通過する際に狭い範囲を照らすだけなので、より多くのエネルギーを伝達する必要がある）よりも低いUV光出力が必要であるため、光圧UV管を使用することができる。光圧UV管は、水銀ランプよりも消費電力が少なく、オゾンも発生せず発熱も少ない。

目に見える未来とワイヤレスの未来

UV印刷機には直接関係ないが、印刷工場を含む一般照明用として可視波長LEDの使用が増えている。今後10年間で、室内や外灯の照明として、従来の白熱灯や蛍光灯に徐々に取って代わると思われる。

LEDは、上述の省電力、クール・ランニング、長寿命といった利点があるだけでなく、RGBカラー・クラスターで構成することで、色出力を変化させることができる。最終的には、LEDを光る壁や天井のパネルに組み込むことで、従来の電球やストリップランプが完全に姿を消すかもしれない。

今日のLEDランプは、標準的な電球ソケットに適合する。現時点では、ここ数年でヨーロッパ全土で一般的になった省エネ型蛍光灯よりもはるかに高価である。しかし、普及率が上がれば価格は下がり、消費電力が低く寿命が長いことから、ユーザーからの人気も高まるだろう。水銀を含む省エネ型「CFR」（コンパクト蛍光灯）ランプとは異なり、LEDは使用後の廃棄問題も少ない。

明るい白色LEDは、自動車の走行用ライトとしてますます見慣れたものとなっており、メインのヘッドランプとしても提供され始めている。

コンピューティングの側面もある。LEDは現在、Li-Fiと呼ばれる無線データ伝送システムとして開発されている。これは将来、LEDランプ・ユニットに組み込まれる可能性があり、LEDを1秒間に何千回もオン・オフすることで機能するため、目には気づかれない。現在の無線周波数Wi-Fiよりもはるかに高い帯域幅を実現できる可能性がある。

概要

つまり、LEDは岐路に立たされているのだ。一部のプリンターでは、LEDの費用対効果が高まってきているが、大型のプラットフォームでは、まだそこまで至っていない。

硬化システムの変換にはまだコストがかかるが、電球寿命の節約だけで投資費用はすぐに回収でき、電気代を節約しながら環境性能を向上させることができる。

より収益性の高い未来に投資したいのであれば、天秤はLED硬化に傾きつつあり、環境だけでなく収益にも貢献する節約効果に支えられ、どの印刷会社にとっても当然の選択となっている。