УФ сушки

Если традиционные УФ сушки производятся уже более 70 лет и достигли высокой технологичности, то технология LED UV, основанная на светодиодах, сравнительно молодая и находится в стадии бурного становления.

Первые печатные машины с системой LED UV были продемонстрированы на выставке DRUPA 2008, а уже в марте 2009 года была продана первая печатная машина, оснащённая LED UV сушкой. Безусловно, LED UV – перспективная технология и уже на данном этапе имеет ряд преимуществ по отношению к классическим УФ сушкам, работающим на ртутных дуговых лампах, однако, пока всё ещё дорога, имеет ряд ограничений и поэтому не является абсолютным лидером.

В предыдущей статье мы подробно разобрали традиционную и модернизированную УФ технологию, пришло время окунуться в перспективные разработки LED UV.

Светодиоды или LED 

Рис. 1. Светодиоды.

Рис. 1. Полупроводниковые светодиоды.

Как следует из названия, в основе LED UV лежит полупроводниковый светодиод. Электролюминесценция кристалла карбида кремния (зелёного света) была обнаружена в 1907 году английским ученым Раундом в лаборатории Маркони. Этому явлению тогда не придали значения. В 1923 году советский ученый О. В. Лосев, работая в Нижегородской радиолаборатории (НРЛ), проводил глубокие исследования такого явления, как излучательная рекомбинация, а так же наблюдал излучение света, исходящее из кристаллов карбида кремния SiC (карборунда). Длительные исследования позволили сформулировать основной принцип электролюминесценции полупроводниковых структур – инжекционная рекомбинация. В 1927 Лосев запатентовал принцип полупроводникового свечения. Изобретение было опубликовано в российских, немецких и английских научных журналах, но практического применения не получило.

Рис. 2. Светодиоды.

Рис. 2. Светящиеся светодиоды.

Первый светодиод, излучающий свет видимого спектра, был изобретен в 1962 году Н. Холоньяком, работающим в компании General Electric. С тех пор многие называют его "отцом" современных светодиодов.
Вплоть до 1968 года видимые и инфракрасные светодиоды имели огромную себестоимость, около 200 $ за штуку, что создавало трудности для практического применения. Но в 1968 году фирма Monsanto впервые организовала массовое производство светодиодов видимого света на базе арсенида-фосфида галлия (GaAsP), пригодных для применения в качестве индикаторов. Компания Hewlett Paccard, представившая светодиоды в 1968 году, использовала светодиоды Monsanto для производства цифровых дисплеев и калькуляторов.
Первое коммерческое использование светодиодов связано с их применением в качестве замены индикаторов, ранее основанных на использовании ламп накаливания.

Принцип работы светодиода 

Рис. 3. Принцип работы светодиода.

Рис. 3. Принцип работы светодиода.

Как и обычный диод, светодиод содержит кристаллы полупроводников, создающих p-n переход. Как и в обычном диоде, ток легко проходит в прямом направлении от анода к катоду и не проходит в обратном. Когда электроны встречаются с дырками, они теряют энергию, которая преобразуется в фотоны. Длина волны, на которой излучаются фотоны, зависит от материала, образующего p-n переход (рис. 3).

Эволюция светодиода 

Изобретение светодиодов начиналось с изготовления структур на базе арсенида галлия, излучающих красный и инфракрасный свет. Нынешнее развитие полупроводниковых технологий позволяет получить видимый свет самых разных цветов.

Обычный светодиодный индикатор рассчитан на мощность не более 30–60 мВт. В 1999 году компания Philips Lumileds представила большой светодиод мощностью 1 Ватт. Этого удалось добиться за счёт применения полупроводникового кристалла гораздо бóльшей площади относительно обычных светодиодов индикаторного типа. Светодиод был смонтирован на металлическом основании, что позволило организовать эффективный отвод тепла от кристалла.
Одной из ключевых позиций определения эффективности светодиода является световой выход на единицу мощности. Белый светодиод быстро достиг и превзошёл показатели обычных систем на базе ламп накаливания. В 2002 году компания Lumileds произвела 5 Вт светодиод со значениями светового выхода на уровне 18–22 люмен/Ватт. Для сравнения, обычная лампа накаливания мощностью 60–100 Вт производит около 13–15 люмен на ватт. Люминесцентная лампа – около 60 Лм/Вт. Основной проблемой при разработке мощных светодиодов является падение светового потока при повышении тока, проходящего через кристалл.
Компания Cree 19 Ноября 2008 года предоставила данные о лабораторном прототипе светодиода с цветовой температурой 4689° К и эффективностью 161 Лм/Вт, работающего при комнатной температуре 25° C.

Эффективность источника 

Для ламп эффективность источника (в пересчете люмен на ватт, лм/Вт) измеряется в стационарных условиях при температуре 25°C окружающей среды. Для светодиодов такой метод не подходит. Светодиоды выделяют тепло, когда работают непрерывно. При нагреве светодиодов значительно уменьшается их светоотдача и эффективность. По этой причине, светодиоды нуждаются в эффективном охлаждении.
Данные по световому потоку и эффективности, предоставляемые в паспортах на светодиоды, как правило, основаны на измерениях при подаче очень короткого импульса тока (25 миллисекунд или меньше), который практически не изменяет температуру перехода (Pn) от базового значения 25°C. Условия измерения с коротким импульсом тока предотвращают значительный нагрев светодиода и, следовательно, приводят к более высоким показателям светового потока и эффективности, чем для условий непрерывной работы. Реальная рабочая температура светодиода находится в диапазоне 60–80°C, при этом световой выход (светоотдача) светодиода существенно уменьшается относительно паспортных значений. В зависимости от типа светодиода падение может составлять от 10 до 50%. Избыточное тепло непосредственно влияет как на текущую эффективность, так и на изменение эффективности с течением времени наработки. Кратковременные (обратимые) эффекты – это смещение спектра и снижение светоотдачи, в то время как долговременный эффект – это ускоренное снижение светового выхода и тем самым сокращение срока полезного использования светодиода. Причём, длительное превышение рекомендуемой рабочей температуры даже на 10–15°C способно сократить срок службы светодиода более чем в 2-а раза.

Неисправности и срок жизни светодиодов 

Твердотельные устройства, такие как светодиоды, в очень малой степени подвержены повреждениям, когда работают при низких температурах и небольшом токе. Множество светодиодов, произведенных в 70–80 годах, работают и по сей день. Теоретически, работоспособность светодиодов неограниченна по времени, однако повышенный ток и высокая температура может легко вывести их из строя. Основной признак неисправности светодиода – сильное снижение светового выхода при номинальном рабочем напряжении. Разработка новых типов светодиодов привела к повышению рабочих токов и увеличению температуры кристалла. Реакция материалов, из которых производятся мощные светодиоды, на подобные условия, ещё до конца не изучена, поэтому деградация кристаллов – одна из основных причин отказов. Светодиод считается неработоспособным, когда его световой выход падает на 30%. В LED UV системах это происходит через 15–20 тыс. часов эксплуатации.
Для LED UV сушек применяются уф-светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Их изготавливают из нескольких видов материалов с разным спектром излучения (см. таблицу 2).

Отличительные особенности LED UV 

Особенностью УФ-светодиодов является то, что основная мощность излучения приходится на достаточно узкий диапазон длин волн. Отсюда вытекают преимущества и недостатки LED UV сушек.
Преимущества LED UV:

• Более низкое энергопотребление примерно на 30%;
• Меньшее выделение паразитного тепла, LED UV существенно меньше выделяет ИК-излучения, способствующее нагреву. Существует лишь необходимость отвода тепла от самих излучателей;
• Возможность отключать светодиоды за пределами печатного поля;
• Возможность замены диодов сегментами, а не линейки целиком (как в случае с UV-лампой);
• Немедленное включение и отключение LED UV излучателя. Данная особенность позволяет отключать LED UV сушку при кратковременном простое и не нагревать запечатываемый материал;
• Не вырабатывает озон, окисляющий оборудование и вредный для человека;
• При использовании LED UV практически исчезает запах, возникающий при пропускании мелованной бумаги через УФ-сушку в результате нагрева, даже если на бумагу не наносится краска;
• Более длительный срок эксплуатации от 15 до 20 тыс. часов. Циклы включения-выключения не сокращают срок службы УФ светодиодов;
• LED UV гораздо проще в обслуживании;
• Компактней, есть возможность монтажа на неприспособленных печатных машинах;
• Светодиоды значительно экологичней ртутных ламп;
• Стоимость LED UV систем сопоставима со стоимостью традиционных УФ систем.

Недостатков не так много:

• LED UV требует более тонкого подбора красок даже в сравнении с H-UV и подобными. Иными словами, все краски для LED UV могут применяться на H-UV и подобных, но обратное тождество не всегда верно;
• Более дорогостоящая технология;
• Крайне желательны не только замена валиков, но и наличие специальных шлангов, сальников и т.п. из-за применения агрессивных растворителей;
• Производители LED UV систем не акцентируют своё внимание на климатическом режиме печатного цеха, видимо, предполагается, что он соответствует общепринятым стандартам. Иными словами, бесперебойная работа LED UV систем гарантируется при строгом соблюдении климатических, прежде всего, температурных режимов. Однако все кто хоть раз бывал на приладках в летнее время года в типографиях центрального региона России, не дадут соврать, что температура в них может существенно превышать 30 и даже 40°C. Что при этом будет с LED UV системами не понятно. А вот холод LED UV системам только на пользу, т.к. рабочий диапазон температур находится в пределах от – 40 до + 80°C.

Рис. 4. Ryobi. Рис. 4. Ryobi 920 с модулем LED UV.	Рис. 5. Ryobi. Рис. 5. LED UV модуль Ryobi.
Рис. 6. KBA. Рис. 6. LED UV модуль KBA.	Рис. 7. AMS. Рис. 7. LED UV модуль Air Motion Systems (AMS).
Рис. 8. AMS. Рис. 8. LED UV модуль AMS.	Рис. 9. GEW. Рис. 9. LED UV модуль GEW Limited.

Производители LED UV сушек заверяют, что они экономичней систем, построенных на ртутных дуговых лампах, на 30, 50, а то и 90%. Экономичности LED UV сушек никто не отрицает, но за счёт чего она достигается? Процент электрической энергии, преобразованный в УФ-излучение у уф-светодиодов очень схож с этим показателем у дуговых ламп – от 25 до 30%. Общие требования мощности для светодиодной системы также подобны данным обычных УФ систем – около 100 Вт/см (производители выпускают LED UV системы мощностью 150–200 Вт/см). Впечатляющая экономия LED UV проявляются в сравнении с UV сушками старого поколения. Однако современные разработки УФ систем с эффективными рефлекторами, системами охлаждения и энергосберегающими управляющими блоками не многим уступают в энергоэффективности. В этом случае экономия составит порядка 10–15%. И достигается она за счёт:

• более простой системы охлаждения, т.к. в отсутствии ИК-излучения нет необходимости охлаждать валы;
• возможности тонкой настройки ширины уф-излучателей в зависимости от ширины запечатываемого материала, путём отключения ненужных секций;
• возможность отключения LED UV систем во время вынужденного простоя;
• отсутствие режима "stand by", т.е. времени на прогрев (≅1 мин.) и на отключение системы (≅4 мин.).

Ещё одним аспектом экономии электроэнергии является то обстоятельство, что при использовании LED UV сушек необходимо пользоваться специальными высокорективными красками. Высокореактивные краски быстрее полимеризуются относительно обычных уф-красок, при этом можно либо уменьшать мощность уф-излучателей, либо уменьшать их количество. По некоторым тестам при использовании высокореактивных красок потребляемую энергию удаётся снизить почти в 2 раза.

Существенно более низкая температура внутри камеры LED UV сушки по сравнению с традиционными УФ сушками. Действительно, температура внутри камер УФ сушек старого поколения достигала 100° С и более, однако, современные высокоэффективные рефлекторы и системы охлаждения позволяют снизить рабочую температуру в камерах УФ сушек до 40–50° С, что не критично для термозависимых запечатываемых материалов и сопоставимо с LED UV технологиями.

Срок службы LED UV действительно впечатляет, но и стоимость LED ламп существенно выше стоимости ртутных дуговых ламп. К тому же лампы могут выходить из строя по причине ненадлежащей эксплуатации (техногенных, человеческих, климатических и иных факторов, являющихся не гарантийными случаями). В такой ситуации покупка новых ртутных ламп будет существенно экономичней, к тому же замена дуговых ламп в современных системах производится достаточно быстро.

Экологичность LED UV систем бесспорна. Особенно это касается утилизации или случайного повреждения ртутных ламп. Что же относительно выработки нежелательного озона, то на рынке ртутных уф-ламп существуют "безозоновые" решения немногим (10–15%) более дороже обычных дуговых ламп.

Выводы и интуиции 

LED UV технология пока ещё очень молода, переживает "детские болезни" и находится в стадии бурного развития. Компактные размеры, отсутствие рефлекторов и сложных систем охлаждения уже сейчас позволили LED UV технологии проникнуть в совершенно новые ниши, ранее пустующие. Речь идёт о струйной LED UV печати, которая бурно развивается в широком спектре направлений. Это и широкоформатные плоттеры формата B1 и B0 (о чём мы писали в сентябрьском обзоре полиграфического рынка) для печати на упаковочном картоне.

Рис. 10а. Mimaki. Рис. 10а. LED UV плоттер Mimaki JFX500-2131.

Рис. 10б. Печатающий модуль. Рис. 10б. Печатающий модуль LED UV плоттера Mimaki JFX500-2131.

Рис. 11. LED UV. Рис. 11. LED UV печать на пробках.

В сравнении с широким спектральным излучением дуговых ламп светодиоды вырабатывают узкую полосу длинной УФ-волны высокой интенсивности. Она может проникать в плотные, высокопигментированные краски гораздо лучше, чем УФ-излучение дуговых ламп, таким образом поддерживая высокие рабочие скорости, которые всегда были сложной сферой применения. Некоторые специальные краски с низкой миграцией также продемонстрировали более высокие рабочие скорости при полимеризации с использованием УФ-светодиодов.

Ну и безусловное преимущество – гибкость настроек LED UV систем. То есть настройка LED ламп на ширину запечатываемого материала, режимы включения-выключения и т.п. Иными словами, LED UV системы гораздо экономней на коротких и разноформатных тиражах.

Для работы с LED UV сушкой требуются специальные краски, приспособленные к более узкому спектру излучения и названные высокореактивными. Правда, за последние годы высокореактивные краски подешевели на 30–50% и сейчас лишь на 25-30% дороже обычных УФ-красок. Кроме того мало оснастить машину только сушкой, необходима замена валов и других узлов, которые могут пострадать от агрессивных растворителей.

Что касается конкретного производства, то необходимо всё просчитать. Если взять для сравнения обычную машину с секцией ВД-лакирования, поскольку ВД лак стал стандартным решением для предупреждения перетискивания (отмарывания) и ускорения послепечатной обработки. UV система позволяет отказаться от нанесения ВД-лака в технологических целях, при этом сохраняется фактура бумаги, что особенно важно при печати на матовых и дизайнерских материалах. Стоимость LED-системы примерно соответствует стоимости обычного УФ-оснащения, поэтому выбирается технология, а не цена оборудования. Нужно учитывать, что LED UV сушка для тонких сортов бумаги стоит меньше, чем более мощная сушка для картона.
Но очевидно, что чернила и краски УФ отверждения выводят полиграфию на новый уровень качества и возможностей. "Лакомый" кусок пирога будет некоторое время находиться именно в этом сегменте. В частности, в сегменте высокомаржинальных работ, например, в изготовлении промоупаковки для парфюмерии и т.п.. Как долго? Пока конкуренция в нём невелика, а спрос превышает предложение.

Пока входной билет в уф-полимеризацию, а особенно в LED UV полимеризацию сравнительно дорог. И это даёт возможность работы в этом бизнесе "серьёзным" инвесторам. Пройдёт не так много времени и предложения ведущих производителей, а также их клонов значительно подешевеют, в добавок, на рынке появятся интересные б/у предложения, существенный спрос на уф-краски ощутимо снизит их себестоимость. Многие устремятся в эту нишу, преимущества будут у тех, кто уже застолбил свои участки.