Dlaczego utwardzanie LED jest ważne dla drukarni?

W ramach naszej serii Learning Curve, Simon Eccles bada rosnące wykorzystanie matryc LED do utwardzania atramentów fotopolimerowych w ultrafiolecie w wielkoformatowych drukarkach atramentowych.

Diody LED to atrakcyjna technologia, która generuje intensywne światło przy minimalnym zużyciu energii, emitując przy tym bardzo mało ciepła i zwykle ciesząc się bardzo długą żywotnością. Zaczynają one zastępować energochłonne, gorące i krótkotrwałe lampy rtęciowe (inaczej metalohalogenkowe) w nowoczesnych drukarkach atramentowych UV.

Niskie zużycie energii, chłodna praca, duża elastyczność w użytkowaniu, długa żywotność i niewielki problem z utylizacją oznaczają, że diody LED są bardzo atrakcyjną technologią zarówno pod względem praktycznego drukowania, jak i jako znacznie bardziej przyjazna dla środowiska alternatywa dla lamp rtęciowych.

Dokładne oszczędności różnią się w zależności od systemu, a wydajność kosztowa i moc wyjściowa diod LED stale się zmieniają. Jednak jako przybliżony przewodnik, Mimaki twierdzi, że typowa jednostka UV-LED dla drukarki wielkoformatowej, która wytwarza 10 W energii UV, zużywa około 60 W energii elektrycznej dla lamp plus około 20 W dla wentylatora chłodzącego i obwodów sterowania wyjściem. Łącznie 80 W, czyli nieco mniej niż stara generacja domowych żarówek z żarnikiem wolframowym o mocy 100 W.

Dla porównania, całkowity pobór mocy tradycyjnej lampy metalohalogenkowej wynosi około 1,2 kW, czyli raczej więcej niż w przypadku elektrycznego grzejnika z pojedynczym prętem. Lampy te są bardzo gorące – od 600 do 800 stopni C wewnątrz – i generują promieniowanie cieplne, które przenosi się na pozostałe elementy drukarki, w tym głowice, atrament i, co najważniejsze, nośniki.

Lampa metalohalogenkowa zużywa więc około 15 razy więcej energii elektrycznej niż system utwardzania UV-LED. Ponieważ jednak diody UV-LED można włączać i wyłączać niemal natychmiast, drukarki muszą je włączać tylko podczas rzeczywistego cyklu drukowania. Po wyłączeniu lampy metalohalogenkowej nie można jej ponownie włączyć, dopóki nie ostygnie.

W związku z tym jest ona zwykle pozostawiona włączona przez cały czas, gdy drukarka jest używana. Przy 50% cyklu pracy matryca UV-LED zużywa tylko 1/30 energii elektrycznej w porównaniu do metalohalogenków. Nie oznacza to jednak, że cała drukarka jest 30 razy bardziej wydajna dzięki diodom LED.

Wszystkie drukarki mają wspólne elementy, takie jak silniki, elektronika sterująca, źródła atramentu i pompy próżniowe. Tak więc rzeczywista różnica w zużyciu energii przez drukarkę jako całość będzie mniejsza. Mimo to drukarka z lampą metalohalogenkową zużywa od trzech do dziesięciu razy więcej energii elektrycznej niż drukarka z lampą UV-LED, mówi Mimaki.

Korzystanie z diod UV-LED nie robi dużej różnicy w cenie zakupu drukarki, więc z czasem diody LED po prostu oszczędzają coraz więcej pieniędzy, jako połączenie mniejszego zużycia energii elektrycznej, niższej konserwacji i praktycznie żadnych kosztów wymiany. Oprócz oczywistego zmniejszenia rachunków za energię elektryczną, może to być ważny czynnik dla firm, które starają się zmniejszyć swój ślad węglowy lub uzyskać certyfikat neutralności węglowej i może mieć pewne znaczenie dla kredytów węglowych.

Fajne komponenty

Diody LED (Light Emitting Diodes) to półprzewodnikowe komponenty elektryczne, które są szeroko stosowane w nowoczesnych aplikacjach oświetleniowych, a ich nowe zastosowania pojawiają się cały czas. Typ emitujący promieniowanie UV (ogólnie nazywany UV-LED) jest po prostu bardziej wyspecjalizowany i droższy. Do celów utwardzania atramentu są one wbudowane w tablice wielu diod LED.

Wytwarzają one stosunkowo wąski zakres długości fal UV w porównaniu z szerszym zakresem lamp rtęciowych. Najlepiej jest używać atramentów, które zostały opracowane z myślą o maksymalnej czułości w tych długościach fal. Producenci drukarek będą w stanie dostarczyć własne atramenty do użytku LED na własnych drukarkach, ale jest to czynnik, o którym należy pamiętać, jeśli używasz atramentów innych firm.

W przeciwieństwie do lamp rtęciowych, diody UV-LED nie emitują światła podczerwonego ani promieniowania cieplnego. Oznacza to, że nośnik druku nie nagrzewa się znacząco podczas drukowania, dzięki czemu można stosować materiały wrażliwe na ciepło.

Alternatywnie można użyć cieńszych tworzyw sztucznych, takich jak winyl, niż w przypadku lamp rtęciowych, ponieważ nie będą się one wyginać pod wpływem diod LED. Cieńsze nośniki oznaczają oszczędności na materiałach i lżejsze rolki, co przynosi korzyści w całym łańcuchu dostaw, od ciężarówek dostawczych po utylizację odpadów. Elektronika sterownika LED nagrzewa się, więc duże obudowy lamp nadal wymagają chłodzenia wodą lub wentylatorem, ale jak widzieliśmy, wymaga to znacznie mniej energii niż rtęć.

Niższe temperatury lamp mogą również oznaczać mniejsze ogrzewanie otoczenia w hali produkcyjnej. Zwykle jest to dobra rzecz, choć w niektórych zimnych klimatach może to oznaczać konieczność zwiększenia ogrzewania fabrycznego w zimie, aby to zrekompensować, więc tracisz część korzyści finansowych.

Z drugiej strony, w ciepłym klimacie operatorzy docenią chłodniejszą prasę i nie będą potrzebować tak dużej mocy klimatyzacji, jeśli jest ona zainstalowana. Żywotność lampy MH jest zwykle uważana za około 1000 godzin (do czasu 30% redukcji światła). Jeśli lampa działa przez 8 godzin dziennie, będzie musiała zostać wymieniona po 125 dniach (około 6 miesięcy przy 20 dniach pracy/miesiąc).

Dłuższa żywotność

Żywotność pojedynczego chipa z diodą UV-LED wynosi około 10 000-15 000 godzin, w zależności od rozpraszania ciepła. Jeśli dioda UV-LED działa przez 8 godzin dziennie, przy żywotności 10 000 godzin, jej żywotność wynosi 1250 dni (około 5 lat przy założeniu 250 dni roboczych w roku).

Ponieważ diody UV-LED są wyłączone w trybie niedrukowania, rzeczywista żywotność będzie dłuższa. Większość diod UV-LED nigdy nie wymagałaby wymiany w okresie eksploatacji drukarki. Stare wysokociśnieniowe lampy rtęciowe wytwarzały ozon, który jest niebezpieczny dla operatorów i musi być usuwany przez wentylację.

Problem ten można jednak w dużej mierze przezwyciężyć, stosując szkło, które odfiltrowuje określoną długość fali generującą ozon. Diody LED również nie generują ozonu. Rtęć jest trująca, więc lampy muszą być utylizowane zgodnie z przepisami ochrony środowiska. Diody LED nie zawierają znaczących materiałów niebezpiecznych, a ponieważ działają dłużej, ilość odpadów i tak jest niższa.

Szybkie przełączanie

Kolejną dużą zaletą jest to, że diody LED można szybko włączać i wyłączać lub zmieniać ich intensywność bez uszkodzeń. Lampy rtęciowe działają poprzez wywoływanie łuku zwarciowego przez rtęć w lampach. Do ich uruchomienia potrzebna jest specjalistyczna elektronika, a gdy już zostaną uruchomione, chcą działać, więc zwykle pozostają włączone przez całą zmianę, zużywając energię i generując ciepło niezależnie od tego, czy drukujesz, czy nie.

Prędkości drukarek różnią się, więc zmienia się również zapotrzebowanie na energię utwardzania UV. Istnieje tylko ograniczony zakres zmiany intensywności wyjściowej lampy rtęciowej poprzez zmianę poboru mocy, więc są one w efekcie na pełnej mocy przez cały czas, a mechaniczne migawki są używane do kontrolowania ilości światła docierającego do nośnika lub do całkowitego wyłączenia.

Z kolei diody LED mogą być przełączane tak szybko, że można to wykorzystać do zmiany mocy światła, choć możliwe jest również zmienianie jasności poprzez zmianę poziomów mocy wejściowej. Ponieważ diody LED są włączane tylko wtedy, gdy są potrzebne i mogą być impulsowane w celu zmniejszenia mocy wyjściowej, ich żywotność można wydłużyć do lat, potencjalnie więcej niż żywotność drukarki.

Wyższe emisje światła są opracowywane przez cały czas, wskazał Chad Taggart, wiceprezes ds. marketingu i rozwoju w Phoseon, amerykańskiej firmie produkującej lampy utwardzające LED. „Moc diod LED pod względem promieniowania i gęstości energii lub dawki dramatycznie rośnie” – powiedział. „Co dwa do trzech lat podwajamy możliwości wyjściowe. Na przykład przeszliśmy z 4 watów na cm2 w 2008 roku do 8 w 2010 roku i 16 w 2012 roku. Nie ma powodu, dla którego nie moglibyśmy osiągnąć 24 lub więcej w przyszłości.

„Uważamy, że postrzeganie niskiej mocy wynika z tego, że ludzie nie są na bieżąco z naszą technologią. Obecnie mamy wielu klientów w branży wielkoformatowej, którzy korzystają z diod LED w celu uzyskania najwyższych dostępnych prędkości. Niektóre drukarki są chłodzone powietrzem, inne wodą. Zazwyczaj nasze produkty o najwyższej mocy są chłodzone wodą. Jeśli utrzymasz je w chłodzie, będą działać przez 20 000 lub 30 000 godzin”.

Chociaż elektronika, oprogramowanie układowe i inne kwestie oznaczają, że jest mało prawdopodobne, aby użytkownicy końcowi mogli zmodyfikować istniejącą drukarkę z lampą rtęciową UV, aby korzystała z diod LED, producentom coraz łatwiej jest je wbudować bez większych modyfikacji.

Na przykład firma Integration Technology Ltd (ITL) z Wielkiej Brytanii zaprezentowała na targach FESPA 2012 lampy MZero LED. Są one prostą wymianą komponentów lamp rtęciowych MZero, które są już używane w wózkach głowic w drukarkach wielkoformatowych.

Drukarki, które od początku zostały zaprojektowane do pracy z diodami UV-LED, mogą być mniejsze, ponieważ nie ma potrzeby budowania przestrzeni na wentylatory chłodzące i wyciągowe.

Które drukarki wykorzystują diody LED?

Producenci drukarek atramentowych coraz częściej wyposażają nowe drukarki UV w diody LED.
Firma Mimaki twierdzi, że jako pierwsza wprowadziła diody LED dla szerokiego formatu, w modelu UJV-160 w 2008 roku, po raz pierwszy rozpoczynając prace rozwojowe w 2003 roku.

Na zeszłorocznych targach FESPA Digital w Londynie ta sama firma zaprezentowała parę szybkich drukarek utwardzanych diodami LED, płaską JFX500-2131 i rolową UJV500-160. Rolowa drukarka Acuity 1600 LED firmy Fujifilm oraz rolowa VersaUV 640 LEJ i płaska 640 LJF firmy Roland również należą do drukarek wykorzystujących diody LED.

EFI VUTEk wykorzystuje diody UV-LED, wprowadzając nowe warianty swoich drukarek HS i GS. Jednak w przypadku najszybszego płaskiego stołu, HS 100 Pro, same diody LED nie są wystarczająco wydajne. Zamiast tego są one używane w hybrydowym systemie utwardzania, w którym diody LED są zamontowane na karetce głowicy i przypinają atrament natychmiast po wydrukowaniu, aby zachować ostrość punktów, podczas gdy mocniejsze lampy rtęciowe wykonują pełne utwardzanie.

Zmiana względnego czasu dwóch zestawów lamp pozwala EFI zmieniać przyczepność i poziomy połysku atramentów.

Na tegorocznych targach FESPA Digital w Monachium firma Mutoh zaprezentowała trzy nowe drukarki z lampami UV-LED.

Są to kompaktowy 24-calowy ValueJet 628, bardziej konwencjonalny ValueJet 1626UH do materiałów sztywnych i rolowych. Trzeci to nowy „biurkowy” płaski stół formatu A3, ValueJet 426UF, który ma konkurować z rodziną UJF-3042/6042 firmy Mimaki oraz małymi płaskimi stołami LEF-12 i LEF-20 firmy Roland, które również wykorzystują lampy LED.

Do czego nie służą

Początkowy koszt budowy bardzo dużych, wysokowydajnych matryc LED oznacza, że nie nadają się one jeszcze do najszybszych płaskich pras UV, takich jak największe maszyny HP FB lub Inca Onsets, ani do matryc o pełnej szerokości na hybrydowych prasach atramentowych solwent-UV.

Biorąc jednak pod uwagę rosnącą moc wyjściową i spadające ceny diod UV-LED w ostatnich latach, wydaje się nieuniknione, że trend ten utrzyma się do punktu, w którym w ciągu kilku lat będzie można zastąpić opary rtęci we wszystkich nowych drukarkach.

Jak dotąd diody LED nie są również opłacalne w przypadku matryc o pełnej szerokości. Uniemożliwia to ich stosowanie w hybrydowych drukarkach atramentowych solwent-UV, które są obecnie dostarczane przez firmy Mimaki (JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) i Colorific (która sprzedaje zestawy do konwersji dla eko-solwentowych drukarek Roland, Mimaki i Mutoh).

W tym przypadku niewielka ilość rozpuszczalnika jest używana w tuszu, który rozbłyskuje na łożu drukarki, aby przypiąć tusz, który jest następnie utwardzany przez układ lamp UV o pełnej szerokości około 60 cm za karetką drukującą. Matryca LED o przekątnej od 40 do 60 cali kosztowałaby fortunę.

Jednak wymagana jest niższa moc światła UV niż w przypadku lamp stosowanych w wózkach skanujących (które muszą przenosić więcej energii, ponieważ oświetlają tylko niewielki obszar, gdy wózek przejeżdża nad nim), więc można zastosować lekkie ciśnieniowe lampy UV. Zużywają one mniej energii niż lampy rtęciowe i generują mniej ciepła bez ozonu.

Widoczna i bezprzewodowa przyszłość

Chociaż nie ma to bezpośredniego związku z prasami UV, diody LED o widzialnej długości fali są coraz częściej wykorzystywane do oświetlenia ogólnego, w tym w drukarniach. Prawdopodobnie w ciągu następnej dekady stopniowo zastąpią one konwencjonalne lampy żarowe i fluorescencyjne w oświetleniu pomieszczeń i zewnętrznym.

Mają one nie tylko omówione powyżej zalety oszczędzania energii, chłodnej pracy i długowieczności, ale dzięki wbudowaniu ich w klastry kolorów RGB można zmieniać moc kolorów. Ostatecznie diody LED mogą być wbudowane w świecące panele ścienne i sufitowe, dzięki czemu konwencjonalne żarówki lub lampy taśmowe mogą całkowicie zniknąć.

Dzisiejsze lampy LED pasują do standardowych gniazd żarówek. Obecnie są one znacznie droższe niż energooszczędne lampy fluorescencyjne, które stały się powszechne w całej Europie w ciągu ostatnich kilku lat. Ich ceny będą jednak spadać wraz ze wzrostem popularności, a niższe zużycie energii i dłuższa żywotność sprawią, że staną się one popularne wśród użytkowników. W przeciwieństwie do energooszczędnych świetlówek CFR (Compact Fluorescent Reflector), które zawierają rtęć, w przypadku diod LED istnieje również mniejszy problem z ich utylizacją.

Jasne, białe diody LED są coraz bardziej znanym widokiem jako światła do jazdy w samochodach i dopiero zaczynają być oferowane również jako główne reflektory, choć kosztują więcej niż nawet reflektory wyładowcze.

Jest też aspekt obliczeniowy. Diody LED są obecnie opracowywane w formie bezprzewodowego systemu transmisji danych, zwanego Li-Fi. System ten może być w przyszłości wbudowany w lampy LED i działa poprzez włączanie i wyłączanie diod LED tysiące razy na sekundę, więc oko tego nie zauważa. System ten ma potencjał do przesyłania danych o znacznie większej przepustowości niż dzisiejsze Wi-Fi wykorzystujące częstotliwości radiowe.

Podsumowanie

Diody LED znajdują się więc na rozdrożu. Stają się one coraz bardziej opłacalne w przypadku niektórych drukarek, podczas gdy większe platformy nie są jeszcze na tym etapie.

Konwersja systemów utwardzania nadal wiąże się z kosztami, ale oszczędności, jakie można uzyskać w samym okresie eksploatacji żarówek, szybko zwrócą się z inwestycji, a Ty poprawisz swoją wydajność środowiskową, jednocześnie oszczędzając pieniądze na energii elektrycznej.

Jeśli chcesz zainwestować w bardziej dochodową przyszłość, szala przechyla się w stronę utwardzania LED – a dzięki oszczędnościom, które pomagają zarówno w wynikach finansowych, jak i środowisku, jest to oczywisty wybór dla każdej drukarki.