Varför LED-härdning är viktigt för ditt tryckeri

Som en del av vår Learning Curve-serie undersöker Simon Eccles den ökande användningen av LED-ljusarrayer för ultraviolett härdning av fotopolymerbläck i storformatsbläckstråleskrivare.

LED är en attraktiv teknik som genererar intensivt ljus med minimal strömförbrukning, samtidigt som den avger mycket lite värme och vanligtvis har mycket lång livslängd. De börjar ersätta strömkrävande, varma och kortlivade kvicksilverlampor (även kallade metallhalogenidlampor) i moderna UV-bläckstråleskrivare.

Låg energiförbrukning, sval drift, stor flexibilitet i användningen, lång livslängd och små problem med avfallshantering innebär att LED är en mycket attraktiv teknik både ur tryckteknisk synvinkel och som ett mycket mer miljövänligt alternativ till kvicksilverlampor.

Exakt vilka besparingarna är varierar beroende på system, och LED-lampornas kostnads- och effektprestanda förändras hela tiden. Men som en grov guide säger Mimaki att en typisk UV-LED-enhet för en storformatsskrivare, som avger 10 W UV-energi, förbrukar cirka 60 W el för lamporna plus cirka 20 W för kylfläkten och utgångsstyrkretsen. Totalt 80 W, vilket är lite mindre än den gamla generationens glödlampor med volframfilament på 100 W.

Som jämförelse kan nämnas att den totala energiförbrukningen för en traditionell metallhalogenlampa är cirka 1,2 kW, vilket är mer än en elektrisk värmare med en enda bar. Dessa lampor blir mycket varma – mellan 600 och 800 grader C internt – och de genererar strålningsvärme som överförs till resten av skrivarens komponenter, inklusive huvuden, bläck och, vilket är mest kritiskt, media.

En metallhalogenlampa förbrukar ungefär 15 gånger så mycket el som ett UV-LED-härdningssystem. Men eftersom UV-LED-lampor kan slås på och av nästan omedelbart behöver tryckerierna bara slå på dem under själva tryckcykeln. När en metallhalogenlampa har släckts kan den inte tändas igen förrän den har svalnat.

Därför är den i allmänhet påslagen hela tiden när skrivaren används. Med en driftcykel på 50% förbrukar en UV-LED-array endast 1/30-del så mycket el som metallhalogen. Det betyder inte att hela skrivaren är 30 gånger mer effektiv med LED.

Alla skrivare har gemensamma delar som motorer, styrelektronik, bläcktillförsel och vakuumpumpar. Så den faktiska skillnaden i energiförbrukning för skrivaren som helhet skulle vara mindre. Trots detta förbrukar en skrivare med metallhalogenlampa tre till tio gånger så mycket el som en skrivare med UV-LED, säger Mimaki.

Att använda UV-LED gör inte någon större skillnad i inköpspriset för en skrivare, så med tiden sparar LED-lamporna bara mer och mer pengar, som en kombination av lägre elförbrukning, lägre underhåll och praktiskt taget inga ersättningskostnader. Bortsett från den uppenbara minskningen av elräkningarna kan detta vara en viktig faktor för företag som försöker minska sitt koldioxidavtryck eller få ett certifikat för koldioxidneutralitet, och kan ha viss relevans för koldioxidkrediter.

Svala komponenter

LED (Light Emitting Diodes) är elektriska komponenter i fast tillstånd som används i stor utsträckning i moderna belysningstillämpningar, och nya användningsområden dyker upp hela tiden. De UV-emitterande typerna (vanligen kallade UV-LED) är mer specialiserade och dyrare. För bläckhärdning byggs de in i matriser med flera lysdioder.

De producerar ett relativt smalt utbud av våglängder av UV jämfört med det bredare utbudet av kvicksilverånglampor. Det är bäst att använda bläck som har formulerats för maximal känslighet i dessa våglängder. Skrivartillverkare kommer att kunna leverera bläck med egen etikett för LED-användning på sina egna skrivare, men det är en faktor att vara medveten om om du använder bläck från tredje part.

Till skillnad från kvicksilverlampor avger UV-LED inte infrarött ljus eller strålningsvärme. Det innebär att tryckmediet inte värms upp nämnvärt under tryckningen, så att värmekänsliga material kan användas.

Alternativt kan du använda tunnare plaster som vinyler än du skulle göra med kvicksilverlampor, eftersom de inte kommer att böjas under lysdioderna. Tunnare media innebär besparingar på material och lättare rullar, med fördelar i hela leveranskedjan från leveransbilar till avfallshantering. Drivelektroniken till LED-lampor värms upp, så stora lamphus behöver fortfarande vatten- eller fläktkylning, men som vi har sett kräver detta mycket mindre ström än kvicksilver.

Lägre lamptemperaturer kan också innebära mindre omgivningsvärme i pressrummet. Normalt är detta bra, men i vissa kalla klimat kan det innebära att du måste höja värmen i fabriken lite på vintern för att kompensera, så att du förlorar en del av kostnadsfördelarna.

Å andra sidan kommer operatörerna i varma klimat att uppskatta ett svalare pressrum, och du kommer inte att behöva lika mycket luftkonditionering om du har en sådan installerad. Livslängden för en MH-lampa anses normalt vara ca 1000 timmar (upp till 30% ljusreduktion). Om lampan är i drift 8 timmar per dag måste den bytas ut efter 125 dagar (ca 6 månader med 20 driftdagar/månad).

Längre livslängd

Livslängden för ett enda chip med UV-LED är ca 10.000-15.000 timmar beroende på värmeavledning. Om en UV-LED är i drift 8 timmar om dagen, med 10.000 timmars livslängd, håller den i 1.250 dagar (ca 5 år med 250 arbetsdagar per år).

Eftersom UV-LED:erna är avstängda när skrivaren inte är i utskriftsläge blir den faktiska livslängden längre. De flesta UV-LED behöver aldrig bytas ut under skrivarens livslängd. Gamla kvicksilverlampor med högt tryck genererade ozongas, som är farlig för operatörerna och måste avlägsnas genom ventilation.

Detta kan dock till stor del övervinnas genom att använda ett glas som filtrerar bort den specifika våglängden som genererar ozon. LED-lampor genererar inte heller ozon. Kvicksilver är giftigt, så lampor måste kasseras i enlighet med miljöbestämmelserna. Det finns inga betydande farliga material i lysdioder, och eftersom de håller längre blir det ändå mindre avfall.

Snabb omkoppling

En annan stor fördel är att LED-lampor kan slås på och av snabbt, eller varieras i intensitet, utan att skadas. Kvicksilverlampor fungerar genom att en kortslutningsbåge slås genom kvicksilvret i lamporna. Det krävs specialelektronik för att tända dem och när de väl är tända vill man hålla dem igång, så de är normalt påslagna under hela arbetspasset och använder ström och genererar värme oavsett om du skriver ut eller inte.

Skrivarhastigheterna varierar så att UV-härdningens energikrav också varierar. Det finns bara begränsat utrymme för att variera kvicksilverlampans utgångsintensitet genom att ändra strömtillförseln, så de är i själva verket på full effekt hela tiden och mekaniska fönsterluckor används för att kontrollera mängden ljus som når media eller för att stänga av det helt.

LED-lampor kan däremot växlas så snabbt att det kan användas för att variera ljusflödet, men det går också att variera ljusstyrkan genom att ändra den ingående effektnivån. Eftersom lysdioderna bara tänds när de behövs och kan pulseras för att minska uteffekten kan deras livslängd förlängas till flera år, vilket kan vara längre än skrivarens livslängd.

Högre ljusemissioner utvecklas hela tiden, påpekar Chad Taggart, vice VD för marknadsföring och utveckling på Phoseon, ett amerikanskt företag som utvecklar LED-härdningslampor. ”Kraften hos LED-lampor när det gäller strålning och energitäthet eller dos ökar dramatiskt”, säger han. ”Vartannat till vart tredje år fördubblar vi uteffekten. Till exempel gick vi från 4 watt per cm2 2008 till 8 2010 och 16 2012. Det finns ingen anledning till att den inte skulle kunna nå 24 eller mer i framtiden.

”Vi tror att uppfattningen om låg effekt beror på att folk inte håller sig uppdaterade om vår teknik. Vi har idag många kunder inom storformat som använder lysdioder för de högsta hastigheterna som finns tillgängliga. Vissa skrivare är luftkylda, andra är vattenkylda. Vanligtvis är våra produkter med högst effekt vattenkylda. Om du håller dem svala håller de i 20 000 eller 30 000 timmar.”

Även om elektronik, firmware och andra problem innebär att det är osannolikt att slutanvändare kan modifiera en befintlig skrivare med UV-kvicksilverlampa för att använda lysdioder, blir det allt lättare för tillverkare att bygga in dem utan större modifieringar.

Integration Technology Ltd (ITL) i Storbritannien presenterade till exempel MZero LED-lampor på FESPA 2012. Dessa är ett enkelt komponentbyte för MZeros kvicksilverlampor, som redan används på huvudvagnar i storformatsskrivare.

Skrivare som redan från början är konstruerade för UV-LED kan vara mindre, eftersom det inte finns något behov av att bygga in utrymme för kylning och utsugsfläktar.

Vilka skrivare använder LED?

Bläckstråleskrivare monterar i allt högre grad lysdioder på nya UV-skrivare när de lanseras.
Mimaki hävdar att de var först med att introducera lysdioder för storformat på UJV-160 år 2008, efter att ha påbörjat utvecklingen redan 2003.

På FESPA Digital i London förra året presenterade samma företag ett par snabba LED-härdade skrivare, flatbäddsskrivaren JFX500-2131 och rullskrivaren UJV500-160. Fujifilms Acuity 1600 LED med rullmatning och Rolands VersaUV 640 LEJ med rullmatning och 640 LJF med flatbädd hör också till de skrivare som använder LED.

EFI VUTEk använder UV-LED när de introducerar nya varianter av sina HS- och GS-skrivare. Men för den allra snabbaste flatbäddsskrivaren, HS 100 Pro, är LED-lamporna inte tillräckligt kraftfulla. Istället används de i ett hybridhärdningssystem, där LED-lamporna är monterade på huvudvagnen och lyser på bläcket direkt efter utskrift för att hålla prickarna skarpa, medan mer kraftfulla kvicksilverlampor utför den fullständiga härdningen.

Genom att variera den relativa tidpunkten för de två lampuppsättningarna kan EFI variera vidhäftnings- och glansnivåerna för bläcket.

På FESPA Digital i München i år presenterade Mutoh tre nya skrivare med UV-LED-lampor.

Dessa är den kompakta 24-tums ValueJet 628 och den mer konventionella ValueJet 1626UH för styva material och rullmaterial. Den tredje är en ny ”stationär” flatbädd i A3-format, ValueJet 426UF, som ska konkurrera med Mimakis UJF-3042/6042-familj och Rolands små flatbäddar LEF-12 och LEF-20, som också använder LED-lampor.

Vad de inte arbetar för

Den initiala kostnaden för att bygga mycket stora LED-matriser med hög effekt innebär att de ännu inte är lämpliga för de allra snabbaste UV-planbäddspressarna, t.ex. de största HP FB-maskinerna eller Inca Onsets, eller för matriser i full bredd på hybridfärgpressar med lösningsmedel och UV.

Med tanke på den ökande effekten och de sjunkande priserna på UV-LED under de senaste åren verkar det dock oundvikligt att denna trend kommer att fortsätta till den punkt där det är överkomligt att ersätta kvicksilverångan i alla nya skrivare inom några år.

Hittills är lysdioder inte heller kostnadseffektiva för matriser i full bredd. Detta förhindrar att de används i de hybridbläckskrivare med lösningsmedel och UV som för närvarande levereras av Mimaki (JV400SUV), Fujifilm (Vybrant F1600) och Colorific (som säljer konverteringssatser för Roland-, Mimaki- och Mutoh-skrivare med ekolösningsmedel).

I det här fallet används en liten mängd lösningsmedel i bläcket, som blinkar av på skrivarbädden för att fästa bläcket, som sedan härdas av en UV-lampgrupp i full bredd ca 60 cm nedströms från skrivarvagnen. En 40 till 60 tums LED-lampa skulle kosta en förmögenhet.

Eftersom det krävs en lägre UV-ljusstyrka än för de lampor som används på skannande skrivarvagnar (som måste överföra mer energi eftersom de bara belyser en liten yta när vagnen passerar över den) kan UV-rör med lätt tryck användas. Dessa använder mindre ström än kvicksilverlampor och genererar mindre värme utan ozon.

Synliga och trådlösa framtider

Även om de inte är direkt relevanta för UV-pressar används lysdioder med synlig våglängd i allt större utsträckning för allmänbelysning, bland annat i tryckerier. Det är troligt att de gradvis kommer att ersätta konventionella glödlampor och lysrör för rums- och utomhusbelysning under det kommande decenniet.

De har inte bara de fördelar med energibesparing, sval drift och lång livslängd som diskuterats ovan, utan genom att bygga dem i RGB-färgkluster är det möjligt att variera färgutgången. I slutändan kan lysdioderna byggas in i lysande vägg- och takpaneler så att konventionella glödlampor eller lampband helt försvinner.

Dagens LED-lampor passar in i vanliga glödlampsfatningar. Just nu är de mycket dyrare än de energisnåla lysrör som blivit vanliga i Europa under de senaste åren. Priserna kommer dock att sjunka i takt med att användningen ökar, samtidigt som deras lägre energiförbrukning och längre livslängd kommer att göra dem populära bland användarna. Till skillnad från energisparande CFR-lampor (Compact Fluorescent Reflector), som innehåller kvicksilver, är det också mindre problem med avfallshantering i slutet av livscykeln med LED-lampor.

Ljusstarka vita LED-lampor är en alltmer välbekant syn som körljus på bilar, och börjar precis erbjudas som huvudstrålkastare också, även om de kostar mer än till och med gasurladdningsstrålkastare idag.

Det finns också en datoraspekt. Lysdioder utvecklas för närvarande till en form av trådlöst dataöverföringssystem, kallat Li-Fi. Detta kan i framtiden byggas in i LED-lampor och fungerar genom att lysdioderna tänds och släcks tusentals gånger per sekund, så att ögat inte märker det. Det har potential för mycket högre bandbredd än dagens radiofrekventa Wi-Fi.

Sammanfattning

Lysdioderna befinner sig alltså vid ett vägskäl. De blir alltmer kostnadseffektiva på vissa skrivare, medan större plattformar inte riktigt är där.

Det finns fortfarande kostnader att bära för att konvertera dina härdningssystem, men de besparingar du kan göra bara i bulb-life betalar snabbt för investeringen och du förbättrar din miljöprestanda samtidigt som du sparar pengar på el.

Om du vill investera i en mer lönsam framtid tippar vågskålen över mot LED-härdning – och med stöd av besparingar som hjälper både slutresultatet och miljön, gör det till ett självklart val för alla tryckerier.