В рамках нашей серии Learning Curve Саймон Экклз исследует все более широкое использование светодиодных ламп для ультрафиолетового отверждения фотополимерных чернил в широкоформатных струйных принтерах.

Светодиоды — привлекательная технология, генерирующая интенсивный свет при минимальном энергопотреблении, выделяющая очень мало тепла и обычно имеющая очень долгий срок службы. Они начинают заменять энергоемкие, горячие и недолговечные лампы на парах ртути (они же металлогалогенные) в современных струйных УФ-печати.

Низкое энергопотребление, холодный ход, большая гибкость в использовании, долгий срок службы и отсутствие проблем с утилизацией означают, что светодиоды — очень привлекательная технология как с точки зрения практической печати, так и в качестве гораздо более экологичной альтернативы ртутным лампам.

Точная экономия зависит от конкретной системы, а стоимость и мощность светодиодов постоянно меняются. Однако в качестве приблизительного ориентира Mimaki утверждает, что типичный УФ-светодиодный блок для широкоформатного принтера, выдающий 10 Вт УФ-энергии, потребляет около 60 Вт электроэнергии для ламп плюс около 20 Вт для вентилятора охлаждения и схемы управления выходом. Таким образом, в общей сложности 80 Вт — немного меньше, чем бытовая лампочка старого поколения с вольфрамовой нитью накаливания мощностью 100 Вт.

Для сравнения, общая потребляемая мощность традиционной металлогалогенной лампы составляет около 1,2 кВт, что больше, чем у одноконфорочного электрического обогревателя. Эти лампы работают очень горячо — от 600 до 800 градусов Цельсия внутри — и генерируют лучистое тепло, которое передается остальным компонентам принтера, включая головки, чернила и, что особенно важно, носитель.

Таким образом, металлогалогенная лампа потребляет примерно в 15 раз больше электроэнергии, чем система отверждения с УФ-светодиодами. Однако, поскольку УФ-светодиоды можно включать и выключать практически мгновенно, принтерам необходимо включать их только во время цикла печати. После выключения металлогалогенной лампы ее нельзя включать снова, пока она не остынет.

Поэтому их обычно оставляют включенными постоянно, пока принтер используется. При 50%-ном рабочем цикле УФ-светодиодная матрица потребляет лишь на 1/30 часть больше электроэнергии, чем металлогалогенная. Это не означает, что весь принтер в 30 раз эффективнее при использовании светодиодов.

Все принтеры имеют общие элементы, такие как двигатели, управляющая электроника, расходные материалы для чернил и вакуумные насосы. Поэтому фактическая разница в энергопотреблении принтера в целом будет меньше. Тем не менее, принтер с металлогалогенной лампой потребляет в три-десять раз больше электроэнергии, чем принтер с UV-LED, говорит Mimaki.

В прошлом году на выставке FESPA компания Mimaki представила рулонный принтер UJV5-160 со светодиодным отверждением.

Использование УФ-светодиодов не сильно влияет на стоимость принтера, поэтому со временем светодиоды позволяют экономить все больше и больше денег благодаря меньшему потреблению электроэнергии, меньшему объему технического обслуживания и практически отсутствию затрат на замену. Помимо очевидного снижения счетов за электричество, это может быть важным фактором для компаний, которые пытаются уменьшить свой углеродный след или получить сертификат углеродной нейтральности, а также может иметь некоторое отношение к углеродным кредитам.

Прохладные компоненты

Светодиоды (Light Emitting Diodes) — это твердотельные электрические компоненты, которые широко используются в современном освещении, причем постоянно появляются новые варианты их применения. Светодиоды, излучающие ультрафиолет (обычно называемые UV-LED), являются более специализированными и дорогими. Для целей отверждения чернил их встраивают в массивы из нескольких светодиодов.

Они производят относительно узкий диапазон длин волн УФ-излучения по сравнению с более широким диапазоном ртутных ламп. Лучше всего использовать чернила, разработанные для максимальной чувствительности к этим длинам волн. Производители принтеров могут поставлять чернила с собственной маркировкой для использования светодиодов в своих принтерах, но если Вы используете чернила сторонних производителей, об этом следует помнить.

В отличие от ртутных ламп, УФ-светодиоды не излучают инфракрасный свет и не нагреваются. Это означает, что печатный носитель не сильно нагревается во время печати, поэтому можно использовать термочувствительные материалы.

Кроме того, Вы можете использовать более тонкие пластики, например, виниловые, чем при использовании ртутных ламп, поскольку они не будут сгибаться под воздействием светодиодов. Более тонкий носитель означает экономию на материалах и меньший вес рулонов, что дает преимущества всей цепочке поставок — от доставки грузовиками до утилизации отходов. Электроника драйверов светодиодов нагревается, поэтому корпуса ламп больших массивов все еще нуждаются в водяном или вентиляторном охлаждении, но, как мы уже видели, для этого требуется гораздо меньше энергии, чем для ртутных.

Более низкая температура лампы может также означать меньший нагрев окружающей среды в печатном цехе. Обычно это хорошо, хотя в некоторых странах с холодным климатом это может означать, что зимой Вам придется немного увеличить температуру на заводе, чтобы компенсировать это, и Вы потеряете часть выгоды.

С другой стороны, в теплом климате операторы оценят более прохладное помещение для прессования, и Вам не потребуется столько мощности кондиционера, если он у Вас установлен. Срок службы лампы MH обычно составляет около 1000 часов (до момента снижения освещенности на 30%). Если лампа работает 8 часов в день, ее придется заменить через 125 дней (около 6 месяцев при 20 рабочих днях/месяц).

Более долгий срок службы

Срок службы одного чипа с УФ-светодиодом составляет около 10 000-15 000 часов в зависимости от теплоотвода. Если УФ-светодиод работает 8 часов в день, то при сроке службы 10 000 часов он прослужит 1 250 дней (около 5 лет при условии 250 рабочих дней в году).

Поскольку УФ-светодиоды выключены в режиме без печати, фактический срок службы будет больше. Большинство УФ-светодиодов никогда не потребуют замены в течение всего срока службы принтера. Старые ртутные лампы высокого давления генерируют газ озон, который опасен для операторов и должен удаляться с помощью вентиляции.

Однако эта проблема в значительной степени решается использованием стекла, которое отфильтровывает специфическую длину волны, генерирующую озон. Светодиоды также не генерируют озон. Ртуть ядовита, поэтому лампы должны быть утилизированы в соответствии с экологическими нормами. Светодиоды не содержат значительных вредных веществ, а поскольку они служат дольше, то отходов в любом случае меньше.

Быстрое переключение

Еще одно большое преимущество заключается в том, что светодиоды можно быстро включать и выключать, а также изменять интенсивность освещения без вреда для здоровья. Ртутные лампы работают за счет того, что через ртуть в лампах возникает дуга короткого замыкания. Чтобы зажечь их, требуется специальная электроника, а после зажигания Вы хотите, чтобы они продолжали работать, поэтому их обычно оставляют включенными в течение всей смены, они потребляют энергию и выделяют тепло независимо от того, печатаете Вы или нет.

Скорость принтера может быть разной, поэтому требования к энергии УФ-отверждения тоже меняются. Возможности изменения интенсивности излучения ртутных ламп путем изменения потребляемой мощности ограничены, поэтому, по сути, они все время работают на полную мощность, а для контроля количества света, попадающего на носитель, или для полного отключения используются механические затворы.

В отличие от них, светодиоды можно переключать настолько быстро, что это позволяет варьировать световой поток, хотя можно также варьировать яркость, изменяя уровень входной мощности. Поскольку светодиоды включаются только при необходимости и могут быть импульсными для снижения мощности, срок их службы может быть увеличен до нескольких лет, что может превысить срок службы принтера.

Постоянно разрабатываются более мощные световые излучения, отмечает Чад Таггарт, вице-президент по маркетингу и развитию компании Phoseon, американского разработчика массивов светодиодных полимеризационных ламп. «Мощность светодиодов с точки зрения излучения и плотности энергии или дозы значительно возрастает», — сказал он. «Каждые два-три года мы удваиваем выходную мощность. Например, мы перешли от 4 Вт на см2 в 2008 году к 8 в 2010 году и к 16 в 2012 году. Нет причин, по которым в будущем этот показатель не достигнет 24 и более».

«Мы считаем, что мнение о низком энергопотреблении сложилось из-за того, что люди не в курсе наших технологий. Сегодня у нас много клиентов в области широкоформатной печати, которые используют светодиоды для самых высоких скоростей. Некоторые принтеры имеют воздушное охлаждение, некоторые — водяное. Как правило, наши самые мощные продукты имеют водяное охлаждение. Если Вы будете держать их в прохладе, они прослужат 20 000 или 30 000 часов».

Хотя электроника, встроенное программное обеспечение и другие проблемы означают, что конечные пользователи вряд ли смогут модифицировать существующий принтер с УФ ртутными лампами для использования светодиодов, производителям становится все проще встраивать их без существенных изменений.

Например, британская компания Integration Technology Ltd (ITL) представила на выставке FESPA 2012 светодиодные лампы MZero. Они представляют собой прямую замену компонентов для ртутных ламп MZero, которые уже используются в каретках головок широкоформатных принтеров.

Принтеры, изначально разработанные для работы с УФ-светодиодами, могут быть меньше, поскольку в них не нужно выделять место для охлаждения и вытяжных вентиляторов.

В каких принтерах используются светодиоды?

Производители струйных принтеров все чаще устанавливают светодиоды в новые УФ-принтеры по мере их выпуска.
Компания Mimaki утверждает, что первой представила светодиоды для широкоформатной печати в модели UJV-160 в 2008 году, а впервые начала разработку в 2003 году.

На выставке FESPA Digital в Лондоне в прошлом году эта же компания представила пару быстрых принтеров со светодиодным отверждением — планшетный JFX500-2131 и рулонный UJV500-160. Рулонный Acuity 1600 LED от Fujifilm и рулонные VersaUV 640 LEJ и планшетный 640 LJF от Roland также относятся к принтерам, использующим светодиоды.

Компания EFI VUTEk использует УФ-светодиоды, представляя новые варианты своих принтеров серий HS и GS. Однако для самого быстрого планшетного принтера, HS 100 Pro, одних светодиодов недостаточно. Вместо этого они используются в гибридной системе отверждения, где светодиоды установлены на каретке головки и облучают чернила сразу после печати, чтобы сохранить четкость точек, а более мощные ртутные лампы выполняют полное отверждение.

В высокоскоростном планшете EFI VUTEk HS100 используется сочетание светодиодных и ртутных ламп, что позволяет справляться с высокой производительностью.

Варьирование относительного времени работы двух комплектов ламп позволяет EFI изменять уровень адгезии и блеска чернил.

В этом году на выставке FESPA Digital в Мюнхене компания Mutoh представила три новых принтера с лампами UV-LED.

Это компактный 24-дюймовый ValueJet 628, более традиционный ValueJet 1626UH для жестких и рулонных материалов. Третья модель — новый «настольный» планшет формата А3, ValueJet 426UF, призванный конкурировать с семейством UJF-3042/6042 от Mimaki и небольшими планшетами LEF-12 и LEF-20 от Roland, в которых также используются светодиодные лампы.

Для чего они не работают

Первоначальная стоимость изготовления очень больших светодиодных матриц с высокой производительностью означает, что они пока не подходят для самых быстрых планшетных УФ-прессов, таких как самые большие машины HP FB или Inca Onsets, или для матриц полной ширины на гибридных печатных машинах с сольвентно-ультрафиолетовыми чернилами.

Однако, учитывая увеличение мощности и снижение цен на УФ-светодиоды в последние годы, кажется неизбежным, что эта тенденция сохранится до того момента, когда в течение нескольких лет все новые принтеры смогут заменить ртутные пары.

Пока что светодиоды нерентабельны для изготовления массивов во всю ширину. Это не позволяет использовать их в гибридных принтерах с сольвентными и УФ-чернилами, которые в настоящее время поставляются компаниями Mimaki (JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) и Colorific (которая продает комплекты для переоборудования экосольвентных принтеров Roland, Mimaki и Mutoh).

В этом случае в чернила добавляется небольшое количество растворителя, который вспыхивает на принтерном полотне, прижигая чернила, которые затем отверждаются массивом УФ-ламп во всю ширину полотна, расположенного на расстоянии около 60 см от печатной каретки. Светодиодная матрица размером 40-60 дюймов обойдется в целое состояние.

Однако требуется меньшая мощность УФ-излучения, чем у ламп, используемых на каретках для сканирующей печати (которым нужно передавать больше энергии, поскольку они освещают лишь небольшую область при прохождении каретки над ней), поэтому можно использовать УФ-трубки, работающие под давлением света. Они потребляют меньше энергии, чем ртутные лампы, и выделяют меньше тепла, не выделяя озона.

Видимое и беспроводное будущее

Хотя это и не имеет прямого отношения к УФ-прессам, светодиоды видимой длины волны находят все большее применение для общего освещения, в том числе и на полиграфических предприятиях. Вполне вероятно, что в течение следующего десятилетия они постепенно заменят традиционные лампы накаливания и флуоресцентные лампы для освещения помещений и наружного освещения.

Они не только обладают вышеупомянутыми преимуществами энергосбережения, холодного хода и долговечности, но и позволяют встраивать их в цветовые кластеры RGB, что дает возможность варьировать цветопередачу. В конечном счете, светодиоды могут быть встроены в светящиеся настенные и потолочные панели, так что обычные лампы накаливания или ленты могут полностью исчезнуть.

Современные светодиодные лампы вставляются в стандартные цоколи ламп накаливания. Сейчас они гораздо дороже энергосберегающих люминесцентных ламп, которые за последние несколько лет получили широкое распространение в Европе. Однако цены на них будут снижаться по мере того, как будет расти уровень их внедрения, а более низкое энергопотребление и длительный срок службы сделают их популярными среди пользователей. В отличие от энергосберегающих ламп «CFR» (Compact Fluorescent Reflector), содержащих ртуть, со светодиодами меньше проблем с утилизацией в конце срока службы.

Яркие белые светодиоды становятся все более привычными в качестве ходовых огней на автомобилях и только начинают предлагаться в качестве основных фар, хотя сегодня они стоят дороже, чем даже газоразрядные фары.

Есть и вычислительный аспект. В настоящее время светодиоды разрабатываются в виде системы беспроводной передачи данных, называемой Li-Fi. В будущем она может быть встроена в светодиодные лампы и будет работать путем включения и выключения светодиодов тысячи раз в секунду, так что глаз этого не заметит. Потенциал этой системы гораздо выше, чем у сегодняшнего радиочастотного Wi-Fi.

Резюме

Таким образом, светодиоды находятся как раз на перепутье. Они становятся все более экономически эффективными на некоторых принтерах, в то время как более крупные платформы еще не дошли до этого.

Переоборудование систем полимеризации все еще требует затрат, но экономия, которую Вы можете получить только на сроке службы ламп, быстро окупит вложения, и Вы улучшите свои экологические показатели, сэкономив на электроэнергии.

Если Вы хотите инвестировать в более прибыльное будущее, то чаша весов склоняется в сторону светодиодного отверждения — а экономия, которая помогает не только окружающей среде, но и прибыли, делает его очевидным выбором для любого печатника.