Waarom LED uitharding belangrijk is voor uw drukkerij

Als onderdeel van onze Learning Curve-serie onderzoekt Simon Eccles het toenemende gebruik van LED-lichtarrays voor ultravioletuitharding van fotopolymeerinkten in grootformaat inkjets.

LED’s zijn een aantrekkelijke technologie die intens licht genereert met een minimaal stroomverbruik, terwijl ze heel weinig warmte afgeven en meestal heel lang meegaan. Ze beginnen de energieverslindende, hete en kortlevende kwikdamplampen (ook wel metaalhalogenide genoemd) op moderne UV-inkjets te vervangen.

Laag stroomverbruik, koele werking, grote flexibiliteit in gebruik, lange levensduur en weinig problemen met afvalverwijdering betekenen dat LED’s een zeer aantrekkelijke technologie zijn, zowel in praktische printtermen als als een veel milieuvriendelijker alternatief voor kwiklampen.

Wat de besparingen precies zijn, varieert afhankelijk van het systeem en de prestaties en vermogens van LED’s veranderen voortdurend. Maar als ruwe indicatie zegt Mimaki dat een typische UV-LED eenheid voor een grootformaat printer, die 10W UV-energie afgeeft, ongeveer 60W elektriciteit verbruikt voor de lampen plus ongeveer 20W voor de koelventilator en het uitgangscontrolecircuit. In totaal dus 80W, iets minder dan de oude generatie gloeilampen van 100W voor huishoudelijk gebruik.

Ter vergelijking: het totale stroomverbruik van een traditionele metaalhalogeenlamp is ongeveer 1,2KW, wat iets meer is dan een enkele staaf elektrische haardkachel. Deze lampen worden zeer heet – tussen 600 en 800 graden Celsius intern – en ze genereren stralingswarmte die wordt doorgegeven aan de rest van de printeronderdelen, waaronder de koppen, inkt en, heel belangrijk, de media.

Een metaalhalidelamp gebruikt dus ongeveer 15 keer zoveel elektriciteit als een UV-LED uithardingssysteem. Omdat UV-LED’s echter vrijwel onmiddellijk kunnen worden in- of uitgeschakeld, hoeven drukkers ze alleen in te schakelen tijdens de eigenlijke drukcyclus. Als een metaalhalidelamp eenmaal is uitgeschakeld, kan hij pas weer worden ingeschakeld als hij is afgekoeld.

Over het algemeen blijft deze dus constant aan als de printer in gebruik is. Met een werkingscyclus van 50% verbruikt een UV-LED array slechts 1/30 keer zoveel elektriciteit als metaalhalogenide. Dit betekent niet dat de hele printer 30 keer efficiënter is met LED.

Alle printers hebben gemeenschappelijke elementen zoals motoren, besturingselektronica, inktvoorraden en vacuümpompen. Het werkelijke verschil in stroomverbruik van de printer als geheel zou dus minder groot zijn. Toch verbruikt een printer met een metaalhalidelamp drie tot tien keer zoveel elektriciteit als een printer met UV-LED, aldus Mimaki.

Het gebruik van UV-LED’s maakt niet veel verschil in de aanschafprijs van een printer, dus na verloop van tijd besparen de LED’s alleen maar meer geld, door een combinatie van minder elektriciteitsverbruik, minder onderhoud en vrijwel geen vervangingskosten. Afgezien van de voor de hand liggende verlaging van de elektriciteitsrekening, kan dit een belangrijke factor zijn voor bedrijven die hun ecologische voetafdruk proberen te verkleinen of een certificaat voor CO2-neutraliteit proberen te krijgen, en het kan enige relevantie hebben voor koolstofkredieten.

Coole onderdelen

LED’s (Light Emitting Diodes) zijn elektrische componenten in vaste staat die op grote schaal worden gebruikt in moderne verlichtingstoepassingen en er verschijnen steeds nieuwe toepassingen. Het UV-uitstralende type (meestal UV-LED genoemd) is alleen specialer en duurder. Voor het uitharden van inkt worden ze ingebouwd in arrays van meerdere LED’s.

Ze produceren een relatief smal bereik van golflengten van UV, vergeleken met het bredere bereik van kwikdamplampen. Je gebruikt best inkten die geformuleerd zijn voor maximale gevoeligheid in die golflengtes. Printerfabrikanten kunnen inkten van hun eigen merk leveren voor LED-gebruik op hun eigen printers, maar het is een factor om rekening mee te houden als je inkten van derden gebruikt.

In tegenstelling tot kwiklampen zenden UV-LED’s geen infrarood licht of stralingswarmte uit. Dit betekent dat de printmedia tijdens het printen niet sterk opwarmen, zodat warmtegevoelige materialen kunnen worden gebruikt.

Als alternatief kunt u dunnere kunststoffen zoals vinyl gebruiken dan bij kwiklampen, omdat deze niet buigen onder de LED’s. Dunnere media betekent besparingen op materialen en lichtere rollen, met voordelen voor de hele toeleveringsketen van vrachtwagens tot afvalverwerking. De driverelektronica van LED’s wordt warm, dus behuizingen van grote array lampen moeten nog steeds gekoeld worden met water of ventilatoren, maar zoals we hebben gezien, is hiervoor veel minder stroom nodig dan voor kwik.

Lagere lamptemperaturen kunnen ook betekenen dat er minder omgevingsverwarming in de perskamer nodig is. Normaal gesproken is dit een goede zaak, hoewel dit in sommige koude klimaten kan betekenen dat je de fabrieksverwarming in de winter wat hoger moet zetten om te compenseren, waardoor je een deel van de kostenvoordelen verliest.

Aan de andere kant zullen de operators in warme klimaten een koelere perskamer op prijs stellen, en heb je minder airconditioning nodig als je die hebt geïnstalleerd. De levensduur van een MH-lamp is normaal gesproken ongeveer 1000 uur (tot het moment van 30% lichtreductie). Als de lamp 8 uur per dag brandt, moet deze na 125 dagen worden vervangen (ongeveer 6 maanden met 20 bedrijfsdagen/maand).

Langere levensduur

De levensduur van een enkele chip met UV-LED is ongeveer 10.000-15.000 uur, afhankelijk van de warmteafvoer. Als een UV-LED 8 uur per dag werkt, met een levensduur van 10.000 uur, gaat deze 1.250 dagen mee (ongeveer 5 jaar uitgaande van 250 werkdagen per jaar).

Omdat de UV-LED’s worden uitgeschakeld als er niet wordt afgedrukt, is de werkelijke levensduur langer. De meeste UV-LED’s hoeven nooit vervangen te worden tijdens de levensduur van de printer. Oude hogedrukkwiklampen genereerden ozongas, dat gevaarlijk is voor operators en moet worden afgezogen door ventilatie.

Dit wordt echter grotendeels ondervangen door een glas te gebruiken dat de specifieke golflengte die ozon genereert wegfiltert. LED’s genereren ook geen ozon. Kwik is giftig, dus lampen moeten volgens de milieuwetgeving worden weggegooid. LED’s bevatten geen noemenswaardige gevaarlijke stoffen en omdat ze langer meegaan, is er sowieso minder afval.

Snel schakelen

Een ander groot voordeel is dat LED’s snel aan en uit kunnen worden gezet, of in intensiteit kunnen variëren, zonder schade op te lopen. Kwiklampen werken door in feite een kortsluitboog door het kwik in de lampen te laten gaan. Er is gespecialiseerde elektronica voor nodig om ze te ontsteken en als ze eenmaal ontstoken zijn, wil je ze aan laten staan, dus blijven ze normaal gesproken de hele dienst aan, verbruiken ze stroom en genereren ze warmte, of je nu aan het printen bent of niet.

De printersnelheid varieert, dus de energiebehoefte van de UV-uitharding varieert ook. Er zijn slechts beperkte mogelijkheden om de intensiteit van de kwiklamp te variëren door de stroomtoevoer te wijzigen, dus ze staan in feite altijd op vol vermogen en er worden mechanische sluiters gebruikt om de hoeveelheid licht die de media bereikt te regelen of om het licht helemaal uit te schakelen.

LED’s kunnen daarentegen zo snel worden geschakeld dat dit kan worden gebruikt om de lichtopbrengst te variëren, hoewel het ook mogelijk is om de helderheid te variëren door het ingangsvermogen te wijzigen. Omdat de LED’s alleen worden ingeschakeld wanneer dat nodig is en ze gepulseerd kunnen worden om het afgegeven vermogen te verminderen, kan hun levensduur worden verlengd tot jaren, mogelijk langer dan de levensduur van de printer.

Er worden voortdurend hogere lichtemissies ontwikkeld, aldus Chad Taggart, vicepresident marketing en ontwikkeling bij Phoseon, een in de VS gevestigde ontwikkelaar van LED-uithardende lamp arrays. “De kracht van LED’s in termen van straling en energiedichtheid of dosis neemt dramatisch toe,” zei hij. “Elke twee tot drie jaar verdubbelen we het vermogen. We gingen bijvoorbeeld van 4 watt per cm2 in 2008 naar 8 in 2010 en 16 in 2012. Er is geen reden waarom het in de toekomst niet 24 of meer zou kunnen worden.

“Wij geloven dat de perceptie van laag vermogen komt doordat mensen niet op de hoogte zijn van onze technologie. We hebben tegenwoordig veel klanten in grootformaat die LED’s gebruiken voor de hoogst beschikbare snelheden. Sommige printers zijn luchtgekoeld, andere watergekoeld. Meestal zijn onze producten met het hoogste vermogen watergekoeld. Als je ze koel houdt, gaan ze 20.000 of 30.000 uur mee.”

Hoewel de elektronica, firmware en andere problemen betekenen dat het onwaarschijnlijk is dat eindgebruikers een bestaande UV-kwiklampprinter kunnen aanpassen om LED’s te gebruiken, wordt het voor fabrikanten steeds gemakkelijker om ze zonder grote aanpassingen in te bouwen.

Integration Technology Ltd (ITL) in het Verenigd Koninkrijk introduceerde bijvoorbeeld MZero LED lampen op FESPA 2012. Deze lampen kunnen rechtstreeks worden vervangen door MZero kwiklampen, die al worden gebruikt op koppen in grootformaat printers.

Printers die vanaf het begin zijn ontworpen voor UV-LED’s kunnen kleiner zijn, omdat er minder ruimte hoeft te worden ingebouwd voor koel- en afzuigventilatoren.

Welke printers gebruiken LED?

Inkjetfabrikanten monteren steeds vaker LED’s op nieuwe UV-printers wanneer deze op de markt komen.
Mimaki beweert dat het de eerste was die LED’s introduceerde voor grootformaat, op de UJV-160 in 2008, nadat het met de ontwikkeling was begonnen in 2003.

Op de FESPA Digital in Londen vorig jaar introduceerde hetzelfde bedrijf een paar snelle LED-uithardende printers, de flatbed JFX500-2131 en de UJV500-160 met rolinvoer. De Acuity 1600 LED met rolinvoer van Fujifilm en de VersaUV 640 LEJ met rolinvoer en de flatbed 640 LJF van Roland behoren ook tot de printers die LED’s gebruiken.

EFI VUTEk gebruikt UV-LED’s bij de introductie van nieuwe varianten van de HS- en GS-printerreeksen. Voor de allersnelste flatbed, de HS 100 Pro, zijn LED’s alleen echter niet krachtig genoeg. In plaats daarvan worden ze gebruikt in een hybride uithardingssysteem, waarbij de LED’s op de kopwagen zijn gemonteerd en de inkt onmiddellijk na het afdrukken vastklemmen om de punten scherp te houden, terwijl krachtigere kwiklampen de volledige uitharding uitvoeren.

Door de relatieve timing van de twee lampensets te variëren, kan EFI de hechting en glansniveaus van de inkten variëren.

Op de FESPA Digital in München dit jaar introduceerde Mutoh drie nieuwe printers met UV-LED lampen.

Dit zijn de compacte 24 inch ValueJet 628 en de meer conventionele ValueJet 1626UH voor harde materialen en rolmaterialen. De derde is een nieuwe “desktop” flatbed op A3-formaat, de ValueJet 426UF, die de concurrentie moet aangaan met de UJF-3042/6042-reeks van Mimaki en de LEF-12 en LEF-20 kleine flatbeds van Roland, die ook LED-lampen gebruiken.

Waar ze niet voor werken

De initiële bouwkosten van zeer grote LED arrays met hoge output betekenen dat ze nog niet geschikt zijn voor de allersnelste UV vlakbedpersen zoals de grootste HP FB machines of Inca Onsets, of voor arrays over de volledige breedte op solvent-UV hybride inktpersen.

Gezien het toenemende vermogen en de dalende prijzen van UV-LED in de afgelopen jaren lijkt het echter onvermijdelijk dat deze trend zich zal voortzetten tot het punt waarop het betaalbaar is om kwikdamp op alle nieuwe printers binnen een paar jaar te vervangen.

Tot nu toe zijn LED’s ook niet rendabel voor arrays over de volle breedte. Daardoor kunnen ze niet worden gebruikt in de solvent-UV hybride inktprinters die momenteel worden geleverd door Mimaki (de JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) en Colorific (dat conversiekits verkoopt voor Roland, Mimaki en Mutoh eco-solvent printers).

In dit geval wordt er een kleine hoeveelheid oplosmiddel gebruikt in de inkt, die afvlitst op het printerbed om de inkt vast te zetten, die vervolgens wordt uitgehard door een UV-lamp over de hele breedte, ongeveer 60 cm stroomafwaarts van de printwagen. Een LED-array van 40 tot 60 inch zou een fortuin kosten.

Er is echter een lagere UV-lichtopbrengst nodig dan voor de lampen die worden gebruikt op scanprintwagens (die meer energie moeten overbrengen omdat ze slechts een klein gebied verlichten wanneer de wagen eroverheen rijdt), dus kunnen er UV-buizen onder lichte druk worden gebruikt. Deze verbruiken minder stroom dan kwiklampen en genereren minder warmte zonder ozon.

Zichtbare en draadloze toekomst

Hoewel ze niet direct relevant zijn voor UV-persen, worden LED’s met een zichtbare golflengte steeds meer gebruikt voor algemene verlichting, waaronder drukkerijen. Waarschijnlijk zullen ze in het komende decennium geleidelijk conventionele gloei- en TL-lampen vervangen voor ruimte- en buitenverlichting.

Ze hebben niet alleen de energiebesparing, koele werking en lange levensduur die hierboven zijn besproken, maar door ze in RGB-kleurenclusters op te bouwen is het mogelijk om de kleurenoutput te variëren. Uiteindelijk kunnen LED’s worden ingebouwd in gloeiende wand- en plafondpanelen zodat conventionele gloeilampen of striplampen volledig kunnen verdwijnen.

De huidige LED lampen passen in standaard gloeilampfittingen. Op dit moment zijn ze veel duurder dan de energiebesparende fluorescentielampen die de afgelopen paar jaar in heel Europa gemeengoed zijn geworden. De prijzen zullen echter dalen naarmate de toepassing toeneemt, terwijl het lagere energieverbruik en de langere levensduur ze populair zullen maken bij gebruikers. In tegenstelling tot energiebesparende ‘CFR’-lampen (Compact Fluorescent Reflector), die kwik bevatten, is er bij LED’s ook minder afvalprobleem aan het einde van de levensduur.

Heldere witte LED’s zijn een steeds bekender gezicht als looplamp op auto’s en worden nu ook net aangeboden als hoofdkoplamp, hoewel ze tegenwoordig meer kosten dan zelfs gasontladingskoplampen.

Er is ook een computeraspect. LED’s worden momenteel ontwikkeld tot een vorm van draadloze gegevensoverdracht, genaamd Li-Fi. Dit zou in de toekomst ingebouwd kunnen worden in LED-lampjes en werkt door de LED’s duizenden keren per seconde aan en uit te schakelen, zodat het oog er niets van merkt. Het heeft het potentieel voor veel hogere bandbreedtes dan de huidige radiofrequente Wi-Fi.

Samenvatting

LED’s bevinden zich dus op een kruispunt. Ze worden steeds rendabeler op sommige printers, terwijl grotere platforms nog niet zover zijn.

Er zijn nog steeds kosten verbonden aan het ombouwen van uw uithardingssystemen, maar alleen al de besparingen op de levensduur van de lampen betalen de investering snel terug en u verbetert uw milieuprestaties terwijl u geld bespaart op elektriciteit.

Als u wilt investeren in een meer winstgevende toekomst, dan slaat de weegschaal door in de richting van LED curing – en ondersteund door besparingen die zowel het resultaat als het milieu ten goede komen, maakt dat het een voor de hand liggende keuze is voor elke printer.