توسعه پخت UV-LED برای چاپ جوهر افشان

در پنج سال گذشته انقلابی در چاپ دیجیتال جوهر افشان با عنوان توسعه لامپهای LED "خنک کننده پخت" به وجود آمده است که دید جدیدی را برای جوهرهای اشعه UV ماورا بنفش، طیف وسیعی از مواد خامی را که می‌توان مستقیماً روی آن چاپ کرد ، باز کرده است. میماکی ، سازنده مشهور و محترم پرینترهای جوهر افشان ژاپنی ، از آن زمان تاکنون پیشگام در پخت UV-LED در دهه گذشته بوده است. در اینجا Johan Spies ، مدیر سابق محصول اروپا ، Mimaki EMEA زمینه و پتانسیل فناوری و استفاده از آن در پرینترهای پیشگام را توضیح می دهد مثل چاپ با تیراژ و هزینه‌ی کم و با پرینتر های تخت UJF-3042.
جوهرهایی که با قرار گرفتن در معرض نور ماورا بنفش (UV) پخته می‌شوند مدت زیادی است که در هنرهای گرافیکی کاربرد زیادی دارند از بسته بندی تا فرآیندهای صنعتی ، با استفاده از فرآیندهای آنالوگ "متدوال" از جمله: لیتوگرافی ، چاپ سیلک و فلکسوگرافی.
مدتی طول کشید تا پخت اشعه ماورا بنفش در فرایندهای دیجیتال ظاهر شود اما اولین جوهر افشان هایی که از جوهرهای UV استفاده می کنند، در حدود سال ۲۰۰۱ پدیدار شدند. این فرایند به سرعت در بخش تبلیغات پذیرفته شد زیرا می توانست در طیف گسترده ای از سطوح چاپ شونده استفاده قرار گیرد. با پخت سریع ، بوی کم درکنار مشکلات کمتر بهداشتی و زیست محیطی نسبت به مرکب های پایه حلال، با پیشرفته‌ترین UV-LED ، این فرآیند دیجیتالی برنامه های خود را مخصوصاً برای مصارف صنعتی بیشتر گسترش می دهد.

مزایای پرینترهای جوهر افشان UV

از جمله دلایل محبوبیت چاپگرهای جوهرافشان UV می توان به موارد زیر اشاره کرد:
۱.سازگاری عالی با سطوح چاپ شونده
چاپگر های جوهرافشان فرابنفش می توانند مستقیما (معمولا بدون پذیرش کوتینگ خاصی) روی سطوح چاپ شونده مختلف مانند پلاستیک ، فلز یا شیشه عملیات چاپ را انجام دهند که این امر در چاپ صنعتی بسیار مهم است.
۲. تفکیک جوهرها از روی عملکرد
تا زمانی که در معرض نور ماورا بنفش قرار نگیرد ، جوهر به عنوان مونومر UV باقی می ماند. این به این معنی است که مایعی با چسبناکی کم باقی می ماند. این یک مایع پایدار در داخل هد دستگاه است و خطر انسداد کمی دارد.
از طرف دیگر ، پس از آنکه چاپ شد جوهر تقریباً بلافاصله پس از چاپ با قرار گرفتن در معرض اشعه ماورا بنفش جامد می شود.
نور ماورا بنفش شروع به تبدیل مولکول های مونومر مایع بدون پیوند به یک پلیمر میکند که در آن مولکول ها به سرعت به هم متصل می شوند و گره می‌خورند تا ویسکوزیته را افزایش دهد (که مانع از پخش جوهر و تاری تصویر در سطح می شود) ، و در نتیجه به عنوان یک لایه تقریبا جامد کاملاً پخته می‌شود.
نتیجه عملی این است که چاپگر می تواند به طور مستقیم و واضح بر روی طیف گسترده ای ازسطوح چاپ شونده بدون هیچ کوتینگ خاصی چاپ کند.
از نظر فنی ، این جوهر قابلیت تفکیک عملکردی را دارد و می تواند نیازهای چسبندگی کم مورد نیاز برای تغذیه در داخل چاپگر را را برآورده کند و همچنین ویسکوزیته ی (جسبندگی) بالا مورد نیاز برای جلوگیری از تاری چاپ زمانی که با کنترل اشعه ماورا بنفش ، جوهر بر روی سطوح چاپ شونده چاپ می شود.

۳. تشکیل یک فیلم پلیمری قوی
برای جوهرهای پایه آب یا جوهرهای پایه حلال به طور معمول از رزینی با وزن مولکولی نسبتاً کوچک کمتر از ۱۰.۰۰۰به عنوان یک چسب استفاده می شود. تثبیت آن نوع جوهرها معمولاً فقط با خشک کردن انجام می شود و هیچ نوع ماده ای واکنش های پلیمریزاسیون را شامل نمی شود. خشک کردن عملی زمان بر است، و خطر گسترش قطرات کوچک جوهر و تاری تصویر را تا حدودی قبل از تثبیت به همراه دارد. این رزین حتی بعد از چاپ و خشک شدن در جوهرهای پایه حلال یا پایه آب تا حدی محلول باقی می ماند. در مقابل ، هنگامی که جوهر UV استفاده می شود و در معرض نور UV قرار می گیرد ، شروع به پلیمریزاسیون می کندو در نتیجه با افزایش ویسکوزیته ،تاری چاپ از بین می رود. بعد از اینکه جوهر کاملاً پخته شد ، فرآیند شکل‌گیری فیلم های پلیمری قوی با وزن مولکولی بالا آغاز می‌شود. همچنین بسته به انتخاب مونومر پلیمری شده ، امکان ایجاد فیلم های چاپی با درجات مختلف نرمی ، کیفیت ، چسبندگی و قابلیت آزادسازی را به وجود می‌آورد.

۴. چاپ لایه لایه
هنگامی که جوهر UV اشباع شد ، حتی اگر جوهر اضافی به آن آغشته شود ، خطر تاری یا حل شدگی طی مرور زمان وجود ندارد. این بدان معنی است که می توان چندین لایه جوهر را برای تولید جلوه های برجسته یا بافت دار ساخت. همچنین اجازه می دهد تا یک لایه سفید روی جوهرهای رنگی یا زیر آن بکاربرده شود تا به عنوان زیر ساخت بر روی سطوح چاپ شونده تیره یا یک لایه انتشار در محیط شفاف برای پس زمینه گرافیکی عمل کند. به این ترتیب می توان از پوشش های ورنی بر روی جوهرهای رنگی ، به عنوان یک لایه محافظتی برای ایجاد جلوه های براق یا مات و یا وقتی که پایان کار های طرح دار است، استفاده نمود.

۵. استفاده‌ی آسان و سازگار با محیط زیست
از آنجا که جوهر حاوی هیچ حلال فراری نیست ، مسائل زیست محیطی مواد آلی فرار (VOC)( که به طور فزاینده ای تحت محدودیت های قانونی قرار می گیرند )را از بین می برد . از جمله محافظت از اپراتورها در برابر خطرات استنشاق بخارات مرکب های پایه حلال. که حتی با گذشت زمان از خشک شدن، برخی از جوهرهای پایه حلال هنوز بوی سنگینی می دهند که خطرناک نیست اما بسیاری از مردم آن را ناخوشایند می دانند. بنابراین انجام این نوع چاپ برای استفاده در فضای داخلی محدود می شود. با اینحال استفاده از جوهر UV هنوز هم شامل احتیاط‌هایی می‌شود، زیرا مقدار کمی بو در طی فرآیند پخت تولید می‌شود. بنابراین فرآیند استخراج و یا فیلتر کردن کربن فعال توصیه می‌شود. اپراتورها باید از تماس مونومر مایع بدون واکنش قبل از پخت UV محافظت شوند ، زیرا این کار می تواند باعث ایجاد آلرژی شود. این امر می تواند با طراحی دقیق ظروف جوهر یا کارتریج به دست آید.
با استفاده از لامپ های MH برای لایه‌ی ازن مشکل ایجاد می شود که از واکنش طول موج های خاص UV با اکسیژن اتمسفر ایجاد می شود. این امر باید حذف شود زیرا باعث تهدید کاربرها می شود. با این حال، نورUV-LED ها با طول موج و انرژی های مختلف ساطع می شوند، بنابراین برای لایه‌ی ازن مشکلی ایجاد نمی کند.

پیشرفت پرینترهای جوهرافشان UV-LED

در این بخش به مراحل اولیه توسعه که منجر به تجاری سازی چاپگر جوهر افشان LED-UV شد نگاهی می‌کنیم. به طور خاص، ما به توسعه کم هزینه پرینتر میماکی UJF-3042 نگاه می کنیم و مطالعات موردی را درباره‌ی استفاده‌ی آن در برنامه های چاپ دیجیتال مختلف ارائه می دهیم.
1. زمینه‌ی اختراع
اواخر سال ۲۰۰۳ بود که میماکی ایده استفاده از اشعه ماورا بنفش UV را مطرح کرد. در آن زمان، تولید اشعه ماورا بنفش با قدرت بالا به تازگی آغاز شده بود و بازده ماورا بنفش هنوز اندک بود. در آن زمان، قیمت حدود پنج هزار دلار برای هر وات خروجی UV بود (حدود ۴۷۰۰ یورو در سال ۲۰۱۳).
علاوه بر این، جوهر نوع پلیمریزاسیون رادیکال به دلیل انسداد اکسیژن، اغلب دچار خطا در پیشرفت می شود در حالی که در زیر نور UV ضعیف به آرامی پخته می‌شود، در آن زمان ترس از این بود که ممکن استUV LED -ultra-output برای پختن جوهر مناسب نباشد. با این حال، توسعه بعدی دو فناوری کلیدی اجازه می دهد تا توسعه چاپگرهای UV-LED که از نظر تجاری قابل استفاده هستند، گسترش یابد. شکل یکی از آن‌ها مثل اشعه ماورا بنفش بود که از دیودها ساطع شد. مورد دیگر، فرمول سازی جوهر با حساسیت بالا بود که برای پاسخگویی به طول موج انتشار محدوده ای از این نوع UV-LED ها تنظیم شده است .
در ابتدای توسعه ،حداکثر خروجی در هر لامپ LED تنها چند میلی وات بود اما در حال حاضر میزان خروجی حتی در لامپ های هوا خنک(جایی که چندین تراشه الکترونیکی نصب شده است) تا ده وات یا بیشتر افزایش می یابد. بنابراین، امکان پخت فوری جوهر UV فراهم می شود.
اگر جوهر مرسوم اشعه ماورا بنفش در نظر گرفته شده برای پخت لامپ متال هالید با LED های UV استفاده شود ، انرژی نور برای پخت کامل باید چندین هزار میلی ژول در متر مربع یا بیشتر باشد که برای استفاده تجاری عملی نیست. زیرا طول موج جذبی جوهر UV ساخته شده برای لامپ MH با طول موج درخشان ساطع شده از UV-LED متفاوت است.
با توسعه جوهرهایی که برای انتشار اشعه ماورا بنفش تنظیم شده اند ، امکان استفاده کامل از جوهر با فقط در حدود ۱۰۰-۳۰۰ mJ / cm2 از انرژی نور آن فراهم شد.
هنگامی که این راه حل های فنی در دسترس قرار گرفت ، توسعه چاپگر LED-UV میماکی UJV-۱۶۰ در سال ۲۰۰۶ شروع شد. هزینه بالای UV-LED ها در سالهای اخیر با تولید انبوه کاهش یافته است. بنابراین فناوری UV-LED نه تنها از لامپ های MH برتر است ، بلکه از سطح بالاتری با هزینه کمتر برخوردار است.
2. یونیت UV-LED
یک طرح ساختاری از دستگاه چاپ بنر UV-LED مورد استفاده در شرکت میماکی را UJV-160.
نمای جلویی چاپگر . نمای جانبی چاپگر که نصب یک فن خنک کننده به دیواره‌ دستگاه را نمایش می‌دهد.

شدت انتشار نور یووی را در نقطه‌ی ۲ میلی‌متری دقیقا در زیر دستگاه چاپ بنر UV-LED نمایش می‌دهد. همانطور که در انتشار آن دیده می شود شدت پرتو افکنی آن بالای 300-400 mW/cm2 که از شکاف حدود 60x10 mm به‌دست آمده است. عرض پوشش هدهای جوهر در حدود ۵۰میلی‌متر است.

۳. حساسیت بالای جوهر برای استفاده‌ی UV
پخت جوهر UV به روش قدیمی به صورتی طراحی شده بود که در زیر نور UV با طول موج کوتاه کم‌تر از ۳۵۰ میلی‌متر به صورت موثر پخته می‌شود که برای لامپ‌های MH مناسب است. وقتی جوهرهای متداول در زیر نورهای UV-LED با طول موج‌های بالاتر در حدود ۳۶۵تا ۴۰۰ میلی‌متر پخته می‌شود ، به دلیل اینکه جوهر UV نمی‌توانند کاملا نور UV-LED را جذب کند ، چندین‌ هزار mJ/cm2 لازم است.
سخت شدن جوهر با حساسیت بالا برای UV-LED را نشان می دهد ، جوهر نوع پلیمریزاسیون رادیکال که جدیدا ساخته شده است.

حساسیت سخت شدن توسط یک آزمون با سختی مداد ارزیابی شد. مشخص شد که جوهر می تواند کاملاً با انرژی نور UV-LED حدود 150m J / cm2 پخته شود. طول موج انتشار 380nm بود. یک حساس کننده با قابلیت گنجایش حدود 350-390nm به جوهر اضافه شد.
این دانش وجود دارد که ارتباط بعدی وجود دارد بینشتاب عکس العمل پلیمریزاسیون رادیکال V و شدت تابش نور.
V ∝ I1/2 (1)
انرژی مورد نیاز UV برای پخت کامل را نمایش می‌دهد. بسته به انواع مختلف شدت نورهای UV. نتیجه مشخصه های جوهر نوع پلیمریزاسیون رادیکال معمولی را نشان می دهد. یعنی ، به عنوان شدت نور UV با توجه بهشکل اول به 1/2 افزایش می یابد ، انرژی اشعه ماورا بنفش مورد نیاز برای پخت کاهش می‌یابد و حساسیت بالا می رود. از آنجا که UV-LED ، که دارای هدایت پذیری قوی است ، می تواند به راحتی ، جوهر از نوع پلیمریزاسیون رادیکال را متمرکز کند که دارای خصوصیاتی مشابه آنچه در شکل 4 نشان داده شده است باشد، برای درمان با سرعت بالا توسط UV-LED با قابلیت عالی برداشت نور مناسب است. جوهر مورد استفاده برای ارزیابی LH-100 است.

علاوه بر این ، یک UV-LED با طول موج هایی که باعث جذب کمتر توسط رنگدانه های اضافه شده به جوهر می شود برای دستیابی به حساسیت بالا انتخاب شد و نه تنها سطح بلکه داخل آن را نیز به اندازه کافی درمان می‌کند همانطور که از شکل 3 دیده می شود ، مشخص شد که جوهر درمان شده با اشعه ماورا UV بنفش با استفاده از مفاهیم فوق می تواند با اشعه ماورا بنفش UV-LED با حدود 150mJ / cm2 انرژی تلفیقی کاملاً پخته شود.

۴. ساختار و مزایای چاپگر جوهر افشان LED-UV
１. ساختار پرینترهای UV-LED
ساختار اولیه چاپگر جوهر افشان UV را نشان می دهد. برای اینکه بتوانید چاپ دو جهته انجام دهید ، یک UV-LED واحد لامپ در هر طرف سر جت جوهر قرار دهید ، که در امتداد محور Y به صورت پهلو حرکت می کند و سطوح چاپ شونده در راستای محور X حمل می شود.

برای چاپ تک جهته ، فقط لازم است از لامپهای سمت عقب هد استفاده کنید ، مثلا بعد از اینکه از جوهرها استفاده کردیم.
۲. مزایای چاپگرهای UV

در مقایسه با چاپگرهای جوهر افشان مرسدس بنفش که از لامپ های MH استفاده می کنند ، پرینترهای LED-UV دارای مزایای زیر هستند:
۱.مصرف کم برق

واحد UV-LED در شکل .1 فقط برای UV-LED ماژول حدود ۶۰ وات برق مصرف می کند. همچنین تقریباً ۲۰ وات اضافی برای فن خنک کننده و مدار کنترل خروجی و غیره مصرف می کند. بنابراین ، کل قدرت اتلاف توسط واحد UV-LED حدود ۸۰ وات است. همچنین ، انتشار کل انرژی نور UV از واحد حدود ۱۰W است. در همین حال ، کل مصرف برق لامپ MH سنتی حدود 1.2KW / لامپ است. فقط مقایسه سیستم نوردهی ، مصرف برق لامپ MH حدود ۱۵برابر سیستم پخت UV-LED است. به‌علاوه ، از آنجا که UV-LED قادر است فوراً خروجی نور را روشن و خاموش کند ، چاپگرها فقط به این کار نیاز دارند که آن‌ها را در طول چرخه چاپ واقعی روشن کنید. از طرف دیگر ، وقتی خاموش شد ، یک لامپ MH نمی تواند تا زمانی که لامپ خنک شود دوباره روشن شود. بنابراین ، در حالت استفاده از چاپگر ، دائما روشن می ماند. این باعث می شود که تفاوت مصرف واقعی برق بین لامپ UV-LED و MH حتی بیشتر شود. با میزان عملکرد ۵۰٪ فقط با مقایسه سیستم نوردهی یک لامپ MH به طور متوسط بیش از ۳۰ برابر برق به عنوان UV-LED مصرف می کند. به‌علاوه ، در حین چاپ مداوم ، در هر دو طرف چاپگر جوهر افشان یک قسمت غیر قابل چاپ وجود دارد پس از تغییر جهت چاپ ، سرعت را کم کرده و دوباره افزایش دهید. زیرا چاپگرهای UV-LED می توانند هنگامی که از قسمت چاپ عبور کرد بلافاصله خاموش می شود، تفاوت در مصرف برق می‌تواند بشتر شود.

در واقع ، هر دو نوع چاپگرها دارای عناصر مشترکی مانند موتور انتقال رسانه ، مدار الکتریکی و سیستم تامین جوهر و موارد دیگر هستند. بنابراین تفاوت واقعی مصرف برق کل چاپگر کمی کمتر خواهد بود.
با مقایسه هر دو نوع چاپگر که با سرعت یکسان کار می کنند ، چاپگر دارای لامپ MH سه تا ده برابر از سیستم UV-LED برق مصرف می کند.

۲ . مینیاتور کردن
از آنجا که لامپ MH انرژی زیادی مصرف می کند ، برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد ، به یک فن خنک کننده قدرتمند یا باله های خنک کننده نیاز دارد. به همین دلیل ، محفظه لامپ MH باید بزرگ باشد. همچنین ، منبع تغذیه روشنایی باید ظرفیت بالایی داشته باشد که به ناچار آن را بزرگتر می کند.
LED های ماورا بنفش از نظر جسمی کوچک هستند بنابراین می توان آن ها را با آرایش فشرده درآورد زیرا که آن ها از نظر انرژی کارآمد هستند نیاز به خنک کننده اصلی یا مسکن بزرگ ندارند.
علاوه بر این ، از آنجا که اشعه ماورا بنفش ازن خطرناک تولید نمی‌کند فقط کمی تهویه لازم است تا در هنگام پخت جوهر بو از بین برود. بنابراین ، سیستم تهویه نیز می تواند کوچک شود.
استفاده از UV-LED به عنوان منبع نور برای پخت به این معنی است که اندازه کلی چاپگر می تواند کوچکتر از چاپگر با یک لامپ MH باشد.

۳ . سرویس‌دهی طولانی
عمر لامپ یک لامپ MH معمولاً حدود 1000 ساعت در نظر گرفته می شود در صورت اندازه گیری تا زمان ۳۰٪ کاهش نور در نظر گرفته می‌شود. به عنوان مثال ، با ۱۰۰۰ ساعت عمر مفید ، اگر لامپ به مدت ۸ ساعت در روز کار کند ،در روز ۱۲۵باید جایگزین شود (حدود ۶ ماه با ۲۰ روز کار در ماه).
طول عمر یک تراشه با UV-LED بسته به اتلاف گرما حدود ۱۰.۰۰۰ تا ۱۵.۰۰۰ ساعت است. اگر یک UV-LED ۸ ساعت در روز کار می کند ، با ۱۰ هزار ساعت عمر مفید ، ۱۲۵۰ روز طول می کشد (حدود 5 سال با ۲۵۰روزکاری در سال).
علاوه بر این، از آنجا که UV-LED در اکثر مواقع درحالت غیر چاپی قرار دارد، عمر مفید آن بیشتر خواهد بود. احتمالاً اکثر LED های ماورا بنفش UV در طول عمر هرگز به جایگزینی احتیاج ندارند.
۴ . تنظیم آزادانه‌ی نور

در داخل لوله تخلیه لامپ MH جریان برق برای حفظ باید بالاتر از یک مقدار ثابت باشد. این مقدارکم از کنترل نور موجود را محدود می کند. از آنجا که سرعت چاپگرهای جوهر افشان می تواند متفاوت باشد، به منظور کنترل مداوم دو تا چهار بار بدون توجه به حالت چاپ ،کنترل نور ضروری است.
با اشعه ماورا، بنفش ، می توان به طور مداوم میزان نور را بین صفر و حداکثر میزان خروجی کنترل کرد یا با تغییر جریان یا تعویض انتخابی یا پالس LED های منفردپس UV-LED می تواند نور مطلوب را تنظیم کند میزان تابش به حالت چاپ بستگی دارد.
۵ . جلوگیری از گرم شدن بیش از حد سطوح چاپ شونده

با استفاده از لامپ MH سنتی ، سطح شیشه ای لامپ به شدت گرم می شود. علاوه بر این ، نه تنها نور UV همچنین نور مرئی بیش از حد ، نور مادون قرمز و اشعه مادون قرمز بیش از حد ساطع می شود ، تا حدی که برخیی از سطوح چاپ شونده می توانند بیش از حد گرم شوند و تغییر شکل دهند.

با UV-LED ، دمای تراشه UV-LED خود به سختی بالا می رود. علاوه بر این ، فقط نور ماورا بنفش است که اوج خود را دارد
در ۳۶۵ تا ۳۹۰ میلی متر ساطع می شود. چاپگرهای با استفاده از UV-LED را می توان برای سطوح چاپ شونده ای که در برابر گرما با لامپ های MH آسیب پذیر هستند استفاده کرد.

۶. بدون گاز ازن
UV-LED فاقد هرگونه چراغ UV با اجزای طول موج کوتاه کمتر از ۲۸۰ میلی‌متر است که متعلق به آن UV-C است که باعث تولید ازن می شود. پس UV-LED ازن تولید نمی کند. به همین دلیل ، نیاز به یک تهویه ویژه برای از بین بردن ازن وجود ندارد.