Prečo je vytvrdzovanie LED dôležité pre vašu tlačiareň

Simon Eccles v rámci nášho seriálu Learning Curve skúma čoraz častejšie používanie svetelných polí LED na ultrafialové vytvrdzovanie fotopolymérových atramentov vo veľkoformátových atramentových tlačiarňach.

LED diódy sú atraktívnou technológiou, ktorá generuje intenzívne svetlo s minimálnou spotrebou energie, pričom vyžaruje veľmi málo tepla a zvyčajne má veľmi dlhú životnosť. Začínajú nahrádzať energeticky náročné, horúce a krátkodobé ortuťové výbojky (tzv. halogenidy kovov) v moderných UV atramentových tlačiarňach.

Nízka spotreba energie, chladný chod, veľká flexibilita pri používaní, dlhá životnosť a malé problémy s likvidáciou znamenajú, že LED diódy sú veľmi atraktívnou technológiou z hľadiska praktickej tlače aj ako oveľa ekologickejšia alternatíva ortuťových lámp.

Presné úspory sa líšia v závislosti od systémov a náklady na LED a ich výkon sa neustále menia. Spoločnosť Mimaki však uvádza, že typická jednotka UV-LED pre veľkoformátovú tlačiareň, ktorá produkuje 10 W UV energie, spotrebuje približne 60 W elektrickej energie pre lampy plus približne 20 W pre chladiaci ventilátor a obvody na riadenie výstupu. Celkovo teda 80 W, čo je o niečo menej ako 100 W domáca žiarovka s volfrámovým vláknom starej generácie.

Pre porovnanie, celková spotreba energie tradičnej halogenidovej žiarovky je približne 1,2 kW, čo je viac ako spotreba elektrického ohrievača s jednou tyčou. Tieto lampy pracujú pri veľmi vysokej vnútornej teplote – 600 až 800 °C – a vytvárajú sálavé teplo, ktoré sa prenáša na ostatné komponenty tlačiarne vrátane hláv, atramentu a predovšetkým médií.

Približne 15-krát viac elektrickej energie spotrebuje halogenidová lampa ako systém vytvrdzovania UV-LED. Keďže sa však UV-LED diódy dajú zapnúť alebo vypnúť takmer okamžite, tlačiarne ich musia zapínať len počas samotného tlačového cyklu. Po vypnutí halogenidovej lampy ju nemožno znova zapnúť, kým nevychladne.

Preto sa spravidla necháva zapnutý nepretržite, kým sa tlačiareň používa. Pri 50 % prevádzkovom cykle spotrebuje sústava UV-LED iba 1/30 elektrickej energie v porovnaní s halogenidmi kovov. To však neznamená, že celá tlačiareň je s LED 30-krát efektívnejšia.

Všetky tlačiarne majú spoločné prvky, ako sú motory, riadiaca elektronika, zásoby atramentu a vákuové čerpadlá. Takže skutočný rozdiel v spotrebe energie tlačiarne ako celku bude menší. Napriek tomu tlačiareň s halogenidovou lampou spotrebuje trikrát až desaťkrát viac elektrickej energie ako tlačiareň s UV-LED, uvádza Mimaki.

Použitie UV-LED diód sa na obstarávacej cene tlačiarne veľmi nepodieľa, takže postupom času LED diódy šetria čoraz viac peňazí vďaka kombinácii menšej spotreby elektrickej energie, nižšej údržby a prakticky žiadnych nákladov na výmenu. Okrem zrejmého zníženia účtov za elektrinu to môže byť dôležitý faktor pre spoločnosti, ktoré sa snažia znížiť svoju uhlíkovú stopu alebo získať certifikát uhlíkovej neutrality, a môže mať určitý význam pre uhlíkové kredity.

Chladné komponenty

LED diódy (Light Emitting Diodes) sú polovodičové elektrické súčiastky, ktoré sa široko používajú v moderných osvetľovacích aplikáciách, pričom sa neustále objavujú nové spôsoby ich použitia. Typ vyžarujúci UV žiarenie (všeobecne nazývaný UV-LED) je len špecializovanejší a drahší. Na účely vytvrdzovania atramentu sú zabudované do polí viacerých LED.

V porovnaní so širším rozsahom ortuťových lámp produkujú relatívne úzky rozsah vlnových dĺžok UV žiarenia. Najlepšie je používať atramenty, ktoré boli vyvinuté pre maximálnu citlivosť v týchto vlnových dĺžkach. Výrobcovia tlačiarní budú schopní dodať atramenty s vlastnou značkou pre LED na svojich vlastných tlačiarňach, ale je to faktor, ktorý si treba uvedomiť, ak používate atramenty tretích strán.

Na rozdiel od ortuťových lámp UV-LED nevyžarujú infračervené svetlo ani sálavé teplo. To znamená, že tlačové médium sa počas tlače výrazne nezahrieva, takže je možné používať materiály citlivé na teplo.

Prípadne môžete použiť tenšie plasty, ako je napríklad vinyl, ako pri ortuťových žiarovkách, pretože sa pod LED diódami neprehýbajú. Tenšie médiá znamenajú úsporu materiálov a nižšiu hmotnosť roliek, čo prináša výhody v celom dodávateľskom reťazci od dodávkových vozidiel až po likvidáciu odpadu. Elektronika ovládača k LED diódam sa zahrieva, takže veľké puzdrá svetelných zdrojov stále potrebujú určité chladenie vodou alebo ventilátorom, ale ako sme videli, potrebuje to oveľa menej energie ako ortuť.

Nižšie teploty lampy môžu tiež znamenať menšie zahrievanie okolia v lisovni. Za normálnych okolností je to dobrá vec, hoci v niektorých chladných klimatických podmienkach to môže znamenať, že v zime budete musieť trochu zvýšiť vykurovanie továrne, aby ste to kompenzovali, takže stratíte časť výhod z hľadiska nákladov.

Na druhej strane, v teplom podnebí obsluha ocení chladnejšiu lisovňu a ak ju máte vybavenú, nebudete potrebovať toľko výkonu klimatizácie. Životnosť MH lampy sa zvyčajne považuje za približne 1000 hodín (do času 30 % zníženia svetla). Ak lampa pracuje 8 hodín denne, bude ju potrebné vymeniť za 125 dní (približne 6 mesiacov pri 20 prevádzkových dňoch/mesiac).

Dlhšia životnosť

Životnosť jedného čipu s UV-LED je približne 10 000-15 000 hodín v závislosti od rozptylu tepla. Ak UV-LED pracuje 8 hodín denne, pri životnosti 10 000 hodín vydrží 1 250 dní (približne 5 rokov za predpokladu 250 pracovných dní v roku).

Keďže UV-LED diódy sú v režime bez tlače vypnuté, skutočná životnosť by bola dlhšia. Väčšinu UV-LED diód by počas životnosti tlačiarne nebolo nikdy potrebné vymeniť. Staré vysokotlakové ortuťové lampy generovali plynný ozón, ktorý je nebezpečný pre obsluhu a musí sa odsávať ventiláciou.

Tento problém sa však do veľkej miery dá prekonať použitím skla, ktoré filtruje špecifickú vlnovú dĺžku generujúcu ozón. LED diódy tiež nevytvárajú ozón. Ortuť je jedovatá, preto je potrebné žiarivky likvidovať v súlade s environmentálnymi predpismi. LED diódy neobsahujú žiadne významné nebezpečné materiály, a keďže vydržia dlhšie, aj tak vzniká menej odpadu.

Rýchle prepínanie

Ďalšou veľkou výhodou je, že LED diódy možno rýchlo zapínať a vypínať alebo meniť ich intenzitu bez poškodenia. Ortuťové žiarovky fungujú tak, že cez ortuť v žiarovkách vzniká skratový oblúk. Na ich zapálenie je potrebná špecializovaná elektronika a po zapálení ich chcete mať stále v prevádzke, takže zvyčajne zostávajú zapnuté počas celej zmeny, pričom spotrebúvajú energiu a vytvárajú teplo bez ohľadu na to, či tlačíte alebo nie.

Rýchlosti tlačiarní sa líšia, takže sa líšia aj energetické požiadavky na UV vytvrdzovanie. Výstupná intenzita ortuťových lámp sa dá meniť len v obmedzenej miere zmenou príkonu, takže sú v podstate stále na plný výkon a na reguláciu množstva svetla dopadajúceho na médium alebo na jeho úplné vypnutie sa používajú mechanické uzávery.

Naopak, LED diódy možno prepínať tak rýchlo, že sa to dá využiť na zmenu svetelného výkonu, hoci je možné meniť jas aj zmenou úrovne vstupného výkonu. Keďže LED diódy sa zapínajú len v prípade potreby a možno ich pulzovať, aby sa znížil ich výkon, ich životnosť sa môže predĺžiť na roky, potenciálne viac ako je životnosť tlačiarne.

Chad Taggart, viceprezident pre marketing a vývoj spoločnosti Phoseon, ktorá v USA vyvinula sústavy vytvrdzovacích lámp LED, upozornil, že sa neustále vyvíjajú vyššie svetelné emisie. „Výkon LED diód z hľadiska žiarenia a hustoty energie alebo dávky sa dramaticky zvyšuje,“ povedal. „Každé dva až tri roky zdvojnásobujeme výkon. Napríklad zo 4 wattov na cm2 v roku 2008 sme prešli na 8 v roku 2010 a 16 v roku 2012. Nie je dôvod, prečo by sme v budúcnosti nemohli dosiahnuť 24 alebo viac.

„Sme presvedčení, že ľudia vnímajú nízky výkon ako dôsledok toho, že nevedia o našich technológiách. Dnes máme veľa zákazníkov vo veľkom formáte, ktorí používajú LED diódy pre najvyššie dostupné rýchlosti. Niektoré tlačiarne sú chladené vzduchom, iné vodou. Naše produkty s najvyšším výkonom sú zvyčajne chladené vodou. Ak ich budete udržiavať v chlade, vydržia 20 000 alebo 30 000 hodín.“

Hoci elektronika, firmvér a ďalšie problémy znamenajú, že je nepravdepodobné, aby koncoví používatelia mohli upraviť existujúcu tlačiareň s ortuťovou UV lampou na používanie LED diód, výrobcovia ich čoraz ľahšie zabudujú bez väčších úprav.

Napríklad spoločnosť Integration Technology Ltd (ITL) v Spojenom kráľovstve predstavila na veľtrhu FESPA 2012 LED svietidlá MZero. Ide o priamu výmenu komponentov za ortuťové svetelné jednotky MZero, ktoré sa už používajú na vozíkoch hlavy v širokouhlých tlačiarňach.

Tlačiarne, ktoré sú od začiatku navrhnuté pre UV-LED, môžu byť menšie, pretože nie je potrebné vytvárať priestor pre chladiace a odsávacie ventilátory.

Ktoré tlačiarne používajú LED?

Výrobcovia atramentových tlačiarní čoraz častejšie montujú LED diódy do nových UV tlačiarní pri ich uvedení na trh.
Spoločnosť Mimaki tvrdí, že ako prvá predstavila LED diódy pre široký formát v modeli UJV-160 v roku 2008, pričom prvý vývoj začala v roku 2003.

Na veľtrhu FESPA Digital v Londýne minulý rok tá istá spoločnosť predstavila dvojicu rýchlych tlačiarní s LED vytvrdzovaním, flatbed JFX500-2131 a roll-fed UJV500-160. Medzi tlačiarňami, ktoré využívajú LED, je aj valcová tlačiareň Acuity 1600 LED od spoločnosti Fujifilm a valcová tlačiareň VersaUV 640 LEJ a flatbed 640 LJF od spoločnosti Roland.

EFI VUTEk používa UV-LED diódy, pretože predstavuje nové varianty svojich tlačiarní HS a GS. Pre jej najrýchlejšiu plošnú tlačiareň HS 100 Pro však samotné LED diódy nie sú dostatočne výkonné. Namiesto toho sa používajú v hybridnom vytvrdzovacom systéme, kde sú LED diódy namontované na vozíku hlavy a ihneď po tlači prichytávajú atrament, aby boli body ostré, zatiaľ čo výkonnejšie ortuťové lampy vykonávajú úplné vytvrdenie.

Rôzne relatívne načasovanie dvoch súprav lámp umožňuje spoločnosti EFI meniť úroveň priľnavosti a lesku atramentov.

Na tohtoročnom veľtrhu FESPA Digital v Mníchove spoločnosť Mutoh predstavila tri nové tlačiarne s UV-LED lampami.

Ide o kompaktný 24-palcový model ValueJet 628, konvenčnejší model ValueJet 1626UH pre pevné a zvinuté materiály. Tretím je nový „stolový“ plochý formát A3, ValueJet 426UF, ktorý má konkurovať rodine UJF-3042/6042 spoločnosti Mimaki a malým plochým tlačiarňam LEF-12 a LEF-20 spoločnosti Roland, ktoré tiež používajú LED lampy.

Na čo nefungujú

Počiatočné náklady na vytvorenie veľmi veľkých polí LED s vysokým výkonom znamenajú, že zatiaľ nie sú vhodné pre najrýchlejšie UV ploché tlačiarenské stroje, ako sú najväčšie stroje HP FB alebo Inca Onsets, ani pre celoplošné polia na hybridných tlačiarenských strojoch so solventnou UV farbou.

Vzhľadom na zvyšujúci sa výkon a klesajúce ceny UV-LED v posledných rokoch sa však zdá byť nevyhnutné, aby tento trend pokračoval až do bodu, keď bude možné v priebehu niekoľkých rokov nahradiť ortuťové pary vo všetkých nových tlačiarňach.

LED diódy zatiaľ nie sú nákladovo efektívne ani pre polia s celou šírkou. To bráni ich použitiu v hybridných tlačiarňach s rozpúšťadlovým a UV atramentom, ktoré v súčasnosti dodávajú spoločnosti Mimaki (JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) a Colorific (ktorá predáva konverzné súpravy pre ekorozpúšťadlové tlačiarne Roland, Mimaki a Mutoh).

V tomto prípade sa v atramente používa malé množstvo rozpúšťadla, ktoré sa rozptýli na lôžku tlačiarne a prichytí atrament, ktorý sa potom vytvrdí pomocou sústavy UV lámp v celej šírke asi 60 cm za tlačovým vozíkom. Sústava 40 až 60-palcových LED diód by stála celé bohatstvo.

Je však potrebný nižší svetelný výkon UV žiarenia ako pri lampách používaných na skenovacích tlačových vozíkoch (ktoré musia prenášať viac energie, pretože osvetľujú len malú plochu pri prechode vozíka), preto sa môžu používať ľahké tlakové UV trubice. Tie spotrebúvajú menej energie ako ortuťové lampy a vytvárajú menej tepla bez ozónu.

Viditeľná a bezdrôtová budúcnosť

Hoci sa to priamo netýka UV tlačiarní, LED diódy s viditeľnou vlnovou dĺžkou sa čoraz viac používajú na všeobecné osvetlenie vrátane tlačiarní. Je pravdepodobné, že v nasledujúcom desaťročí postupne nahradia bežné žiarovky a žiarivky na osvetlenie miestností a exteriérov.

Nielenže majú vyššie uvedené výhody úspory energie, chladného chodu a dlhej životnosti, ale vďaka tomu, že sú zostavené do farebných skupín RGB, je možné meniť farebný výstup. V konečnom dôsledku môžu byť LED diódy zabudované do svietiacich stenových a stropných panelov, takže bežné žiarovky alebo pásové svietidlá môžu úplne zmiznúť.

Dnešné LED žiarovky sa montujú do štandardných žiarovkových objímok,. V súčasnosti sú oveľa drahšie ako úsporné žiarivky, ktoré sa v posledných rokoch rozšírili v celej Európe. Ceny však budú klesať, keď sa zvýši miera ich používania, zatiaľ čo ich nižšia spotreba energie a dlhšia životnosť ich urobia obľúbenými medzi používateľmi. Na rozdiel od úsporných žiariviek CFR (Compact Fluorescent Reflector), ktoré obsahujú ortuť, je pri LED menej problémov s likvidáciou po skončení životnosti.

Jasné biele LED diódy sa čoraz častejšie objavujú ako prevádzkové svetlá na automobiloch a práve sa začínajú ponúkať aj ako hlavné svetlomety, hoci dnes stoja viac ako výbojkové svetlomety.

Je tu aj počítačový aspekt. LED diódy sa v súčasnosti vyvíjajú do podoby systému bezdrôtového prenosu dát, ktorý sa nazýva Li-Fi. Ten by mohol byť v budúcnosti zabudovaný do LED svietidiel a funguje tak, že LED diódy sa zapínajú a vypínajú tisíckrát za sekundu, takže si to oko nevšimne. Má potenciál pre oveľa väčšiu šírku pásma ako súčasné rádiofrekvenčné Wi-Fi.

Zhrnutie

LED diódy sa teda nachádzajú na križovatke. Na niektorých tlačiarňach sú čoraz cenovo výhodnejšie, zatiaľ čo na väčších platformách ešte nie.

Prestavba vašich vytvrdzovacích systémov si stále vyžaduje určité náklady, ale už len úspory, ktoré môžete dosiahnuť pri životnosti žiaroviek, vám investíciu rýchlo vrátia a vy zlepšíte svoju ekologickosť a zároveň ušetríte peniaze za elektrickú energiu.

Ak chcete investovať do ziskovejšej budúcnosti, misky váh sa nakláňajú na stranu LED vytvrdzovania – a vďaka úsporám, ktoré pomáhajú hospodárskym výsledkom aj životnému prostrediu, je to jasná voľba pre každú tlačiareň.