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Pourquoi les LED UV révolutionnent l'impression à jet d'encre

Mimaki, constructeur d'imprimantes à jet d'encre, a été l'un des pionniers du séchage des encres sous diodes à rayonnement ultraviolet (LED UV), dont il a entamé le développement au cours de la décennie précédente.
Ces cinq dernières années ont vu une révolution dans le domaine de l’impression numérique à jet d'encre, après que le développement des lampes à diodes électroluminescentes (LED) destinées au séchage « à froid » des encres polymérisables sous UV eut rendu possible l'utilisation d'un éventail beaucoup plus large de supports directement imprimables.

Mike Horsten, Marketing Manager, Mimaki Europe, explique ici la genèse et le potentiel de la technologie LED UV, et il décrit son utilisation dans des applications d'impression innovantes, comme l'imprimante à plat ultracompacte et économique UJF-3042.
Les encres durcissables par exposition à une lumière ultraviolette (UV) sont utilisées de longue date dans le secteur graphique, pour des applications qui vont de l'impression d'emballages à des processus industriels ayant recours à l'origine à des procédés analogiques « conventionnels », dont l'offset, la sérigraphie et la flexographie.

Les premières imprimantes jet d'encre à utiliser des encres UV ont vu le jour aux alentours de l'année 2001. Le procédé fut rapidement accepté dans le secteur de la signalétique et de la PLV du fait de sa compatibilité avec une grande diversité de supports. Outre qu'il permet un durcissement rapide avec peu d'odeurs, il pose moins de problèmes de santé et d'environnement que les encres à solvant.
Poussé par le lancement récent des lampes à LED UV, ce procédé numérique continue encore d'étendre son champ d'applications, tout particulièrement pour les usages industriels.

Pourquoi le séchage des encres sous UV ?
Les encres durcissables sous UV sont intéressantes pour les imprimeurs du fait de leurs propriétés de séchage quasi instantané, en plus de leur capacité à adhérer à une grande diversité de papiers ou plastiques. Elles présentent par ailleurs des qualités environnementales attrayantes, tout particulièrement le fait de ne pas émettre de composés organiques volatils (COV).
L'encre reste liquide (techniquement un monomère) tant qu'elle n'a pas été exposée à un rayonnement ultraviolet. La lumière UV déclenche une réaction par laquelle les monomères se lient pour former un polymère, qui est en fait un solide. Autrement dit, les encres restent liquides dans les têtes d'impression, ce qui prévient la plupart des risques d'obstruction, mais une fois imprimées sur le support, elles peuvent se fixer rapidement sans nécessiter un traitement de surface spécial ou un séchage à la chaleur.
L'encre UV ne contient pas de solvants susceptibles de s'évaporer facilement, ce qui évite les problèmes d'environnement liés aux composés organiques volatils (COV), de plus en plus sujets à des restrictions réglementaires.
La manipulation des encres UV avant polymérisation demande toutefois un minimum de précautions ; le contact avec la peau ou les muqueuses peut déclencher des allergies, et l'odeur dégagée en cours de durcissement doit être extraite et filtrée. La protection des opérateurs contre les contacts peut être assurée par une conception réfléchie des conditionnements et des cartouches d'encre.
Après durcissement, les encres UV sont insolubles, ce qui offre la possibilité d'en surimprimer plusieurs couches successives pour créer des images en relief ou texturées, ou des caractères braille.

Le problème des halogénures métalliques
À l'origine, les encres UV étaient séchées sous des lampes aux halogénures métalliques (HM). Celles-ci consomment toutefois énormément d'énergie et irradient beaucoup de chaleur. Elles sont compliquées à allumer et éteindre rapidement et il est difficile de faire varier leur intensité lumineuse. En outre, elles sont onéreuses et ont une courte durée de vie.
Mimaki a entamé le développement d'une imprimante jet d'encre utilisant des diodes électroluminescentes (LED) émettant dans l'ultraviolet (UV) comme source de séchage des encres. Ces LED UV sont relativement bon marché et ont une longue durée de vie par rapport aux lampes HM. Leurs besoins énergétiques sont faibles et elles s'allument et s'éteignent quasi instantanément. De plus, elles restent beaucoup plus froides en fonctionnement que les lampes HM, ce qui offre la possibilité d'imprimer sur un éventail beaucoup plus large de supports potentiellement thermosensibles, sans risquer de les déformer.
À la drupa 2008, Mimaki a annoncé la UJV-160, première imprimante jet d'encre grand format à séchage par LED au monde. Trois ans plus tard, en 2009, Mimaki a mis sur le marché une imprimante jet d'encre à LED UV à plat de grandes dimensions, la JFX-1631.
En 2010 encore, Mimaki a lancé la production de la UJF-3042, imprimante à plat peu onéreuse et très compacte, de format A3. Grâce à son séchage par LED à basse température, elle est à la fois économe en énergie et capable d'imprimer sur une grande diversité de supports, des appliques d'instrument en plastique aux enseignes en bois, en passant par des objets tridimensionnels tels que des stylos et des balles de golf.

Développement de l'imprimante jet d'encre à LED UV
Mimaki a conçu l'idée d'utiliser des LED UV pour le séchage vers la fin de l'année 2003. À l'époque, le développement de LED UV de forte puissance n'en était qu'à ses débuts, et le rendement en UV était encore très faible. Chaque watt de puissance UV produit revenait à environ 500 000 yens (quelque 4 700 euros aux prix 2013).
L'on pouvait alors craindre que les LED UV de basse puissance d'origine ne conviennent jamais pour le séchage de l'encre. La mise au point de deux technologies clés a toutefois fini par rendre possible le développement d'imprimantes à LED UV commercialement viables. L'une a abouti à la mise sur le marché de diodes électroluminescentes ultraviolettes de forte puissance de sortie. L'autre fut la formulation d'encres à haute sensibilité, étudiées pour répondre à la gamme des longueurs d'onde émises par ces LED UV.
Au début du développement, la puissance de sortie maximale par LED UV n'allait que de quelques milliwatts (mW) à quelques dizaines de mW. On en est aujourd'hui à plusieurs dizaines de watts et même davantage sous conditions de refroidissement par air du module de LED UV, où plusieurs puces électroniques sont installées. La longueur d'onde d'absorption de l'encre UV prévue pour la lampe HM est différente de la longueur d'onde émise par la LED UV. Avec la mise au point d'encres spécifiquement étudiées pour les émissions de LED UV, il est devenu possible de sécher complètement l'encre avec seulement 100 à 300 mJ/cm² d'énergie lumineuse.

Avantages des imprimantes à LED UV
Les imprimantes à LED UV offrent les avantages suivants par rapport aux imprimantes jet d'encre à lampes HM :

1. Faible consommation d'énergie
Le module à LED UV consomme environ 60 W d'électricité pour les lampes, plus 20 W supplémentaires pour le ventilateur de refroidissement et le circuit de commande. La puissance consommée totale du module à LED UV est donc d'environ 80 W. La puissance totale d'énergie lumineuse UV émise par le module est d'environ 10 W.
À titre de comparaison, la puissance consommée totale d'une lampe HM traditionnelle est d'environ 1,2 kW par lampe. En considérant uniquement le système d'exposition, une lampe HM a une consommation 15 fois supérieure à celle du système de séchage à LED UV.
Cependant, comme les LED UV peuvent s'allumer et s'éteindre quasi instantanément, les imprimantes doivent uniquement les activer pour le cycle d'impression proprement dit. Une fois qu'une lampe HM est éteinte, il faut attendre qu'elle refroidisse avant de pouvoir la rallumer. En conséquence, elle reste généralement allumée tant que l'imprimante est utilisée.
Pour un taux de fonctionnement de 50 %, une lampe HM consomme en moyenne 30 fois plus d'électricité qu'une LED UV.
En réalité, les deux types d'imprimantes, à lampe HM et à LED UV, possèdent des éléments communs, comme les moteurs, l'électronique de commande et l'alimentation en encre. La différence effective de consommation électrique globale de l'imprimante serait donc moins marquée. Mais même ainsi, une imprimante à lampe HM consomme trois à dix fois plus d'électricité qu'un modèle à LED UV.

2. Miniaturisation
Le fait d'utiliser des LED UV comme sources lumineuses de séchage permet de réduire les dimensions globales de l'imprimante par rapport à un modèle à lampe HM. Les besoins de refroidissement ou de ventilation sont moindres et l'alimentation électrique peut être plus petite.

3. Longue durée de vie
La durée de vie d'une lampe HM est normalement estimée à environ 1 000 heures (mesurées jusqu'à la perte de 30 % du niveau d'éclairage). Si la lampe fonctionne 8 heures par jour, elle devra être remplacée au bout de 125 jours (environ 6 mois à raison de 20 jours/mois).
La durée de vie utile d'une simple puce à DEL UV est de 10 000 à 15 000 heures, selon la dissipation thermique. Avec une durée de vie de 10 000 heures, une LED UV qui fonctionne 8 heures par jour a une longévité de 1 250 jours (environ 5 ans pour 250 jours d'utilisation présumée sur l'année). Comme les LED UV sont éteintes en mode non imprimant, leur durée de vie utile effective est en fait plus longue. La plupart des LED UV n'auront jamais à être remplacées sur la durée de vie de l'imprimante.

4. Intensité d'illumination réglable
Dans le tube à décharge d'une lampe HM, le courant électrique doit être maintenu au-dessus d'une valeur fixée pour maintenir la décharge. L'amplitude de gradation disponible s'en trouve ainsi réduite. Comme la vitesse des imprimantes jet d'encre peut varier dans un rapport de deux à quatre, l'une ou l'autre forme de gradation de l'intensité est souhaitable pour maintenir la polymérisation constante quel que soit le mode d'impression. Avec les LED UV, l'intensité d'illumination peut être régulée en continu entre zéro et la puissance nominale maximale, soit par variation du courant soit par commutation ou pulsation des diodes individuelles. L'intensité appropriée est ainsi toujours disponible.

5. Absence de surchauffe des supports
La surface en verre d'une lampe HM devient extrêmement chaude. Celle-ci n'émet pas seulement de la lumière UV, mais aussi de la lumière visible, de l'infrarouge et de l'infrarouge lointain en excès, au point que certains types de support peuvent surchauffer et se déformer.
Avec une LED UV, la température de la puce augmente à peine et le support ne chauffe pas. De plus, seule une lumière UV à son pic de 365-390 nm est émise. Les imprimantes à LED UV peuvent être utilisées avec un large éventail de supports qui seraient vulnérables à la chaleur des lampes HM.

6. Pas de dégagement d'ozone

Les LED UV ne produisent pas de lumière UV dans les ondes courtes, inférieures à 280 nm, qui font partie des UV-C responsables de la formation de l'ozone. Une LED UV ne génère par conséquent pas d'ozone. Il n'est donc pas nécessaire, pour cette raison, de prévoir un dispositif de ventilation spécial destiné à évacuer ce gaz.
Conclusion
Grâce à la production de masse, les coûts élevés à l'origine des LED UV ont pu se réduire ces dernières années. Ainsi non seulement la technologie LED UV est supérieure aux lampes HM, mais elle coûte à présent moins cher. Vu leurs nombreux avantages, l'utilisation des LED UV ne peut qu'augmenter dans le secteur.
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