Светодиодная технология в широкоформатной УФ-печати

В последние годы УФ-технология широкоформатной печати претерпела целый ряд значительных изменений, которые коснулись не только функциональных возможностей принтеров, но и внедрения более экономичных производственных решений и упрощения эксплуатации. Благодаря успешному развитию этого вида печати и стремительному распространению УФ-оборудования в самых разных производственных областях этот метод печати стал самым быстрорастущим направлением широкоформатного печатного производства.

Учитывая множество преимуществ, которые дает УФ-отверждение чернил, дальнейшее распространение УФ-принтеров в разных рыночных сегментах будет, несомненно, продолжаться. Важным фактором в эволюции УФ-оборудования стал постепенный переход от потенциально опасных и энергозатратных ртутных дуговых ламп к экономичным и абсолютно безопасным светодиодам. Произошло то же самое, что в освещении: сначала люминесцентные лампы, а затем и светодиоды пришли на смену лампам накаливания. Эта технология нового поколения уже сегодня оказывает большое влияние на производственный рынок. К цифровой печати стали прибегать даже в тех областях, где раньше этого даже не могли предположить. Светодиодные источники излучения позволили использовать не только самые разнообразные по природе материалы, но и брать в работу тонкие и термочувствительные носители, а также склонные к желтению под действием коротковолнового УФ-излучения металогалогенных ламп.

За последние 20 лет разработчики, работающие в области светодиодов (сокращенно LED - Light-emitting diode), достигли огромных успехов. Миллиарды долларов были потрачены на исследование и улучшение характеристик этих полупроводников с целью получения энергоэффективной и экологичной альтернативы традиционным источникам света. Проведенная титаническая работа специалистов по всему миру привела буквально к взрыву возможностей применения светодиодов, обеспечив при этом значительное повышение их эффективности и существенное снижение цены. В частности, УФ-светодиоды смогли достичь таких результатов в отверждении УФ-чернил, которые позволили практически полностью снять ограничения по использованию этих источников в широкоформатном УФ-оборудовании.

Цифровая УФ-печать прошла период стремительного развития и сегодня заняла практически центральное место в индустрии широкоформатной печати. По мнению отраслевых аналитиков консалтинговой компании IT Strategies (Бостон, США), более 40 % всей широкоформатной печатной продукции сегодня производится на УФ-оборудовании. Такой высокий процент от общего объема цифровой печати обусловлен ростом числа инсталляций УФ-принтеров, который увеличивается на 16 % каждый год.

Цифровая УФ-печать имеет ряд существенных преимуществ, которые обеспечивают ей неуклонный рост на мировом печатном рынке – это универсальность в отношении носителей, повышенная производительность за счет быстрого отверждения чернил, сокращение потребности в ламинировании отпечатков и более низкие эксплуатационные расходы благодаря уменьшенному расходу чернил из расчета на один отпечаток. В дополнение к этому, УФ-печать открыла новые возможности применения этой технологии, в числе которых долговечная печать на керамической плитке, деталях мебели и напольных покрытиях.

Основная особенность УФ-печати – это технология отверждения

Важнейшим фактором для УФ-принтеров является качество отверждения чернил. Даже термин «отверждение» может нести различную смысловую нагрузку для разных принтеров в зависимости от их применения. Например, печатается ли изображение на жестком или гибком носителе, для интерьерного или уличного использования. В таблице представлены некоторые общие ассоциативные связи, которые устанавливаются между ртутными дуговыми лампами и отвержденными чернилами.

Чтобы УФ-светодиоды имели успех в области цифровой печати, они должны обеспечивать либо эквивалентное, либо лучшее отверждение чернил для всех возможных применений. 

Технология: дуговые ртутные лампы

Индустрия широкоформатной УФ-печати развивалась на основе ртутных источников УФ-излучения, что было с небольшими изменениями заимствовано из более устоявшихся технологий таких, как трафаретная и флексографическая печать. Дуговые лампы производят свет, возбуждая перегретую плазму, состоящую из ртути и заполняющих газов, которые содержаться в герметичных кварцевых трубках. Возбуждение обеспечивается либо электрическим разрядом (током, проходящим через плазму), либо посредством микроволн. Атомы ртути в плазме поглощают энергию от электрического тока или микроволн, а затем выделяют эту энергию в виде света. Все это происходит при температуре свыше 500 °С, поэтому в процессе вырабатывается значительное избыточное тепло. Свет, который продуцируется дуговой лампой, охватывает спектр от глубокого ультрафиолета до видимого и инфракрасного диапазона. Отверждение чернил происходит под действием лучей только УФ-спектра. Специальные отражатели, которыми оснащается ртутный УФ-модуль отправляют в направлении носителя максимально возможное количество генерируемого света.

Дуговые ртутные лампы могут излучать ультрафиолет широкого спектра, поэтому до последнего времени они принимались за стандартное решение в цифровом печатном оборудовании. Широкий спектр УФ-излучения позволил разработать такие составы чернил, которые являются универсальными и в любых условиях хорошо отверждаются. Это надежная и зрелая технология, однако дуговые лампы, используемые в УФ-принтеров, требуют особых дополнительных приспособлений и имеют некоторые ограничения по применению. Во-первых, эти лампы выделяют много тепла, которое необходимо отводить. Часть этого тепла передается на носитель, что может вызвать проблемы с чувствительными к температуре материалами. Во-вторых, охлаждение ламп требует значительного воздушного потока внутри принтеров, что дополнительно усложняет конструкцию печатного оборудования. Также для поджига ртутных ламп и поддержания их стабильной работы требуется сложная электроника. Дуговые лампы большой мощности, которые используются в принтерах большого формата, генерируют озон – потенциально опасный газ, для устранения которого необходима система промышленной вентиляции. Наконец, с течением времени мощность дуговых ламп заметно падает – в период 500-1000 часов на целых 50 %.    

Технология: светодиоды

Светодиод – это полупроводниковое устройство, которое преобразует электрическую энергию в световую. Светодиоды были разработаны в 1960-х годах, вскоре после изобретения транзистора. Первоначально светодиоды использовались в качестве индикаторов и в осветительных системах низкого энергопотребления. Сейчас же они находят широкое применение в общем освещении, в освещении высокой яркости и в узкоспециализированных областях, таких, например, как воздействие на фотоактивируемые материалы для отверждения чернил.

Светодиоды разрабатывались на основе полупроводниковых материалов, таких же, на основе которых создавались транзисторы и микропроцессоры. Используя свойства полупроводников, можно преобразовать электрический ток в свет и тепло. В современных светодиодах до 20 % входной электрической энергии может быть преобразовано в свет (остальная часть энергии превращается в тепло, которое необходимо нейтрализовать во избежание повреждения светодиода вследствие его перегрева). В отличие от дуговых ртутных ламп, которые излучают свет полного спектра ультрафиолетового и инфракрасного излучения, генерируемый светодиодами свет концентрируется в узкой области УФ-спектра. Именно этот узкий УФ-спектр определяет ключевое преимущество светодиодов – «холодное» свечение. Именно разработка в конце 1990-х годов светодиодов высокой мощности и, в частности, мощных УФ-светодиодов позволила реализовать такое применение этих источников, как УФ-отверждение чернил в широкоформатных принтерах.

Светодиоды обладают многочисленными преимуществами по сравнению с дуговыми ртутными лампами. Прежде всего, это концентрированный спектр генерируемого света. Поскольку оптический спектр ограничен тем, который необходим для процесса отверждения чернил, а именно УФ-диапазоном, эффективность преобразования электрической энергии в световую существенно выше, чем у металлогалогенных источников УФ-излучения. Напомним, что у дуговых ламп только часть излучаемого света находится в области ультрафиолетового спектра, т. е. большая часть световой энергии не принимает участия в процессе отверждения. 

В некоторых случаях, когда это дополнительное (неэффективное) излучение не подвергается фильтрации, оно может вызвать нежелательные вторичные эффекты, такие как избыточный нагрев материала. Более высокая эффективность преобразования электричества в свет у светодиодов означает, что достаточная для отверждения чернил световая энергия может генерироваться при меньшем электрическом входном сигнале, в результате чего тратится меньше электроэнергии. Однако в случае светодиодов энергия все-таки теряется в виде тепла, но более низкая общая тепловая нагрузка на светодиодную систему позволяет создавать более компактные модули без необходимости использования сложной электроники зажигания, как в случае дуговых ртутных ламп.

Еще одно преимущество, которое имеют светодиоды, заключается минимум в пятикратном превышении их срока службы относительно дуговых ламп. Это, соответственно, влечет за собой сокращение стоимости владения этой технологией. Кроме того, светодиоды очень быстро включаются и выключаются (т. е. они мгновенно входят в режим рабочей готовности), что позволяет не использовать в конструкции никаких внутренних или внешних защитных приспособлений. Выходным световым потоком светодиодов можно управлять, меняя электрические сигналы возбуждения, которые обеспечивают электронный контроль интенсивности УФ-излучения. Это дает возможность отказаться от защитных шторок, что еще больше упрощает конструкцию и повышает надежность системы. А благодаря высокой эффективности при небольшом энергопотреблении, а также отсутствию ртути и озона, светодиоды являются более экологичным решением по сравнению с ртутными лампами. 

Несмотря на все несомненные преимущества светодиодов они все-таки имеют некоторые недостатки, которые ограничивают их полномасштабное распространение. Наиболее существенным среди них, как ни странно, является их ключевая особенность – узкий спектр излучения. Как уже отмечалось выше, для достижения высокой степени отверждения обычных УФ-чернил для цифровой печати необходим широкий спектр излучения. Формулы этих чернил разрабатывались в соответствии с более широким спектром излучения ртутных ламп. Ограниченный спектр светодиодов может вызвать с обычными чернилами такого рода проблемы, как недостаточное отверждение, сопровождающееся липкостью поверхности, или плохая адгезия. Даже если достигается полное отверждение, свойства «светодиодного» чернильного слоя могут отличаться от того, который был сформирован с помощью ртутных ламп.

До недавнего времени еще одной проблемой, связанной со светодиодной технологией, была проблема плотности, или оптической мощности излучения, которая фиксировалась на печатном носителе. Чтобы получить хорошо отвержденную (без прилипания и отслоения) поверхность слоя чернил, необходимо в достаточной степени сконцентрировать световую энергию на материале. У дуговых ртутных ламп для этого достаточно энергии. Например, дуговая лампа длиной 15 или 25 см, рассчитанная на потребляемую мощность 600 Вт, благодаря использованию параболических или эллиптических отражателей, может легко продуцировать излучение, превышающее по удельной мощности 10 Вт/см². Этого более чем достаточно для качественного отверждения чернильного слоя.

Ситуация со светодиодами несколько иная. Мощные УФ-светодиодные системы состоят из массивов отдельных светодиодных полупроводниковых микросхем, называемых «кристаллами». Мощные светодиодные матрицы имеют размеры примерно 1 мм² и вырабатывают до 0,5 Вт на устройство. В принципе, если была бы возможность плотно упаковать эти отдельные кристаллы подобно плиточной мозаике, можно было бы достичь плотности мощности излучения до 50 Вт/см², что даже больше, чем можно получить при использовании дуговых ламп. Практические препятствия, связанные с охлаждением светодиодов, подачей электрического тока на каждое устройство и эффективностью извлечения света, генерируемого каждым светодиодом, на первых этапах становления УФ-технологии ограничили излучение примерно до 4 Вт/см². Этот уровень мощности оказался недостаточным для достижения полноценного отверждения чернил в ста процентах случаев (иногда чернильный слой оставался мягким и липким и не соответствовал требованиям к адгезии).

В последнее время стали доступны светодиодные матрицы с плотностью мощности излучения 8 Вт/см², и на этапе исследований и разработок находятся модули мощностью 12 и 16 Вт/см². Хотя эти устройства обещают преодолеть проблему нехватки интенсивности излучения, разработки сопровождаются существенными затратами. Для подобных мощных матриц необходимо использовать системы водяного охлаждения для отвода выработанного ими тепла. Для широкоформатных принтеров это означает дополнительное усложнение конструкции оборудования вследствие добавления еще одной системы управления жидкостью и чиллера.

Многие поставщики УФ-чернил, приняв во внимание все плюсы и минусы светодиодной технологии, стали разрабатывать составы чернил, которые имеют индивидуальный «отклик» на воздействие ультрафиолета. Это является сложной задачей, т. к. необходимо учитывать множество качеств, которым должны соответствовать отвержденные чернила. Речь идет о цветовом охвате, стабильности, стойкости к солнечным лучам, адгезии, поверхностном и объемном отверждении, жесткости/эластичности, а также запахе. Усилия разработчиков увенчались успехом: были созданы чернила, которые для полного отверждения требуют до трех раз меньше энергии воздействия и которые под влиянием УФ-лучей светодиодного спектра отвечают требованиям в отношении свойств поверхности чернильного слоя и уровня его адгезии.

Последней проблемой, которая ограничивала внедрение светодиодных систем в цифровое печатное УФ-оборудование, являлась цена. УФ-светодиоды в целом дороже дуговых ртутных ламп, и их стоимость сильно зависит от количества светодиодных матриц, используемых для производства комплексного модуля. Размер модуля зависит от ширины запечатываемой полосы и скорости печати. Для принтеров с более низкой производительностью требуются меньшие массивы светодиодов. Цена светодиодов также зависит от типа используемых светодиодных кристаллов УФ-спектра. Чернила имеют тенденцию к более эффективному отверждению под действием излучения более глубокой части УФ-спектра, но для этого требуются светодиоды более дорогого типа. Однако в последнее время цена светодиодов заметно снизилась – более чем в 10 раз за последние десять лет.

Большая часть первоначальной стоимости УФ-светодиодных систем может быть компенсирована теми преимуществами, которые они предоставляют как с точки зрения производства принтеров, так и с точки зрения их эксплуатации. Архитектура принтера может быть упрощена, что ведет к сокращению общих системных затрат. На производственных площадках принтеры светодиодного отверждения чернил потребуют меньших повседневных расходов и обеспечат своим владельцам экономию электроэнергии. В связи с длительным сроком службы светодиодов и повышенной надежностью этих полупроводников затраты на обслуживание будут снижены, не говоря о том, что больше не потребуется каждые 500-1000 часов эксплуатации осуществлять замену дорогостоящих ртутных ламп. Холодное излучение светодиодов также открывает перед пользователями дополнительные возможности по использованию материалов, чувствительных к повышенным температурам, тем самым увеличивая их производственный и коммерческий потенциал.

Текущее состояние и путь к широкому внедрению УФ-технологии

Несмотря на ограничения, которые с каждым годом все успешнее преодолеваются, все большее число производителей принтеров успешно внедряют УФ-технологию в свое оборудование.

Для полного перехода в будущем от ртутных дуговых ламп к светодиодам необходимо выполнить три ключевых требования:

• Достичь эквивалентного ртутным лампам отверждения чернил без всяких оговорок.
• Придерживаться оптимальной по простоте и стоимости конструкции принтера.
  
• Обеспечить экономическую эффективность печати с применением светодиодной УФ-технологии. 

Производители УФ-светодиодов в сотрудничестве с производителями принтеров и чернил успешно продвигаются в решении всех трех поставленных задач. Все более широкое внедрение светодиодов будет, скорее всего, происходить с учетом целевых применений цифрового печатного оборудования и улучшения эксплуатационных качеств доступных УФ-чернил. Сегодня светодиодная технология используется преимущественно в принтерах с не очень высокой производительностью и с узкой полосой печатного прохода. Для этого оборудования в последние годы были максимально оптимизированы параметры мощности, освещенности и стоимости систем отверждения. В течение последующих лет, по мере развития технологии в трех вышеуказанных направлениях, светодиодные УФ-системы будут интегрироваться в более высокопроизводительные печатные устройства. 

Рынок цифрового УФ-оборудования продолжает неуклонно расти и по мере развития технологии в нем реализуются все более инновационные решения. Сегодня печатная индустрия готова воспользоваться огромными достижениями в области светодиодных источников УФ-излучения, чтобы обеспечить печатной технике ту надежность и функциональность, которыми эти источники обладают. Внедрение современных светодиодных модулей позволит УФ-принтерам нового поколения гарантировать пользователям максимальную стабильность работы, универсальность в отношении материалов, простоту и безопасность эксплуатации, а также более низкие текущие расходы.

Источник: signindustry.com