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Heliogravure III – Ultraviolet Light with Digital Screen

Updated 26/01/2016

Cu_29_65_Gris_96Hardening the gelatin. In heliogravure, it is necessary an illumination source rich in ultraviolet (UV) light. This UV light must provoke the cross link reaction into the gelatin previously sensitized with potassium bichromate (K2Cr2O7). This reaction is explained by several and sometimes slightly different theories. Luis Hernández (2), explains that the UV light acts on the gelatin generating a tanning effect. The reaction consists in the reduction from the hexavalent Chrome (Cr6+) to trivalent Chrome (Cr3+). The necessary water is taken from the gelatin, that becomes dehydrated. The result is a hardened gelatin with a higher melting point and a reduced solubility in water. Other important effect is a lower higroscopicity or capability to absorb water.

According to Cartwright (1), it is well known the insolubility effect that provokes the treatment of gelatin with metallic salts. This effect is reversible in most of cases except with potassium and ammonium bichromate. Although the complex composition of proteins molecules like the gelatin difficult a complete and reasoned explanation of the reaction, empirical data based on changes in the color of the solutions suggest that, in presence of organic substances, the bichromate is reduced by the light action (the same effect is achieved in the dark but it needs more time) giving a chrome compound that is in turn absorbed by the gelatin. The gelatin becomes then more insoluble. The mentioned changes in color conducts to deduce that the compound is the chrome hydroxide (Cr(OH)3).

Even though is specified that the exact reaction is not completely explained by the chemists, the Hunter-Penrose documentation (3) proposes that the gelatin tanning is produced as a result of a redox reaction that is accelerated by the short wavelength radiations. According to this documentation, the equation for the bichromate is as follows:

Redox_Dicromat

Under the action of the UV light, the colloid is oxidized by the bichromate forming trivalent Chrome. As the metallic trivalent ions form colloids, the areas exposed to the UV light don’t be washed out by the presence of water. Note that the explanation is very close to that of Cartwright.

Spectral sensitivity. In Cartwright text (1), the spectral sensitivity of the bichromated gelatin extends to the band between 350nm and 420nm, falling down rapidly beyond 455nm. Even though the glass of the contact presses absorbs the radiations below 325nm, the useful band passes through the glass. Hunter-Penrose (3) locates the actinic band between 320nm and 380nm. Finally, Luis Hernández, citing the technical documentation of Autotype, defines the activity between 330nm and 430nm, with a maximum peak at 370nm. Also from Autotype, the sensitivity continues beyond the 430nm to fall down at 470nm and practically disappear at 500nm. The little differences between those data can be attributed to the different pigments merged with the gelatin by the manufacturers of carbon tissue.

From those data can be deduced that is necessary to have a light source rich in UV-A band (315nm400nm). By now and for a printing studio, there are available several possibilities:

  • In first place, specific devices coming from the Graphic Arts market as the NuArc or Amergraph. Both provide collimated light beams from a tubular metal-halogen bulb and a parabolic mirror. They incorporate electronic stabilization with instantaneous ignition and easy control of the exposure time. Both instruments also incorporate a vacuum contact press. There are other devices that use punctual direct light bulbs of metal-halogen. In order to reduce the difference between the angle of illumination of the center and the edges of the contact press board, the light source is located far away of the assembly and then, those devices are taller that the collimated source ones.
  • A second option is the same metal-halogen lamp mounted independently of the vacuum press and at a distance large enough to be considered a punctual light source.
  • The third option is a mixed tungsten/metal-halogen bulb as the Ultra Vitalux from Osram at a sufficient distance that ensures a uniform illumination over the vacuum press frame.
  • Finally, a battery of fluorescent tubes emitting the specific band of UV wavelength.

The specific instruments solve the illumination and the vacuum contact press in an unique device. The financial cost is relatively high for a non commercial installation. The mixed lamps as the Osram Ultra Vitalux are a good choice both related with economic cost and the emission spectrum, very close to that of the metal-halogen lamps. Nevertheless, its opal glass and the bulb physical size provide a relatively diffused light. This is not the best option for digital screens (Heliogravure II – Stochastic Screen). Locating the bulb far away enough, provokes a loss in actinic power. Finally, in terms of cost, energy savings and comfort of use, the fluorescent batteries are a very fine election. On the other side and caused by its inherent diffused light, they prevent the correct exposure of digital screens (Heliogravure II – Stochastic Screen).

Lamp Installation. As a corollary, the system chosen in my case is a lamp of metal-halogen used as a reasonably punctual light source at a sufficient distance from an independent vacuum press. The bulb used is the OSRAM Supratec HTC400-241-R7s High Pressure Lamp. Its emission spectrum is shown at the Fig., 1. From the total 460W of nominal power, 12W correspond to the UV-B band (280nm315nm) that is absorbed by the vacuum press glass, while 82W are emitting the band of UV-A (315nm400nm) useful for the gelatine hardening. Comparing with the data of the Osram Ultra Vitalux, this has a nominal power of 300W but emitting only 13,6W in the UV-A band, about six times less.

Espectre_Supratec
Figure 1. Spectral Radiation Distribution of the OSRAM Supratec HTC400 lamp in the band between 250nm y 450nm. There can be seen high emitting peaks in the specifically useful band for the gelatin hardening.

This lamp, of high pressure discharge, needs a specific starting and power maintenance system. The power source is composed by three basic elements:

  • Ballast HPS CCG 400W
  • Ignitor of 4-5kV
  • Compensating condenser of 50µF

The lamp has been installed in a specifically designed support and fixed to a former LPL photographic enlarger column with the enlarger head removed. In order to compensate the loss in weight and to avoid the risk of unwanted sudden displacements, 2.5Kg of weightlifting discs have been mounted on top of the set (Fig., 2).

Figure 2. OSRAM Supratec HTC400 mounted on a former photographic enlarger column, allowing for vertical displacement (click on the image to view an enlarged version)

The starting and power supply system is shown in the Fig., 3. The upper cover of the ballast incorporates schemes about the items connexion. In any case, it is not difficult to find indications about the correct connections for those kind of lamps in Internet. In order to facilitate the changes in distance from the vacuum press, all the power supply system is connected to a socket controlled by a switch.

Supratec_Ignitor_1000pix
Figure 3. Set of items and connexions of the OSRAM Supratec HTC400 power supply (click on the image to view an enlarged version).
Supratec_Ignitor_Carcasa_800pix
Figure 4. Previously described power supply protected with a cover and ready to use (click on the image to view an enlarged version).

Thus the lamp cord is in turn connected to this socket avoiding the need to place the power supply closer to the lamp in the vertical support. This is specially indicated because only the ballast weighs more than one kilogram. All the power supply set is protected by an aluminium cover and mounted on an isolated holder (Fig., 4). Following the manufacturer instructions (Fig., 5), there is always a minimum waiting time of 2min before the lamp emission is fully stabilized. Finally, it is necessary a cooling time of 5min before re-connect after turning it off.

StartUp_Supratech
Figure 5. Chart of the emission flux as a function of time for the lamps OSRAM Supratec HTC 400W and 1000W. 1) Cold 1000W lamp. 2) Cold 400W lamp. 3) Both lamps from medium charge.

Safety Recommendations. UV light it is not healthy. Specially UV-B can cause severe and irreversible lesions in the eyes and skin. While UV-A is not so dangerous, their effect can be accumulative and continued exposure to it is also dangerous. Using the lamps described in the text it is necessary to wear industrial safety goggles that ensure protection against the specified radiations. It is too highly recommended to wear gloves if there is necessary to touch the object during the exposure. While UV-B is absorbed by the vacuum press glass, it is hitting the hands of the operator. A simple and safely solution is to provide the lighting installation with a thick fabric black curtain that is closed around the lighting area before switch on the lamp.

References

1. CARTWRIGHT, H. M. (1961) Ilford Graphic Arts Manual, Volume 1-Photoengraving. Ed. Ilford Lted, Ilford, Essex.
2. HERNÁNDEZ, Luis (2010) El Heliograbado por el Procedimiento Talbot-Klíč – Antecedentes, uso y principios para el control del tono. Tesis Doctoral, Dir. José M. Guillén. Universidad Politécnica de Valencia-Facultad de Bellas Artes-Dept. de Dibujo.
3. HUNTER-PENROSE (2006) Photoengraving Glue Datasheet. Ed. Hunter-Penrose in Technical Notes, London.

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Heliograbado III – Luz Ultravioleta

Cu_29_65_Gris_96Endurecimiento de la gelatina
En el caso del heliograbado, se necesita una fuente de iluminación rica en rayos ultravioleta (UV) que provoque la polimerización (cross link) de la gelatina sensibilizada con dicromato de potasio (K2Cr2O7). Según Luis Hernández (2) la luz UV actúa sobre la gelatina dicromatada generando un efecto de curtido. La reacción consiste en la reducción de parte del Cromo hexavalente (Cr6+) a Cromo trivalente (Cr3+). Para ello se necesita agua que se toma de la gelatina, quedando ésta deshidratada. El resultado es un endurecimiento de la gelatina y la elevación del punto de fusión, al tiempo que se merma su solubilidad en agua. Otro efecto importante es un descenso de su higroscopicidad.

En palabras de Cartwright (1), es bien conocido el efecto de insolubilidad que provoca el tratamiento de la gelatina con soluciones de sales metálicas. Este efecto es reversible en la mayoría de los casos excepto en el de los dicromatos de potasio y amónico. Aunque explica que la complejidad de las moléculas de gelatina en tanto que proteínas dificultan una explicación completa y razonada de la reacción, datos empíricos deducidos de los cambios de color de las soluciones conducen a pensar que el dicromato, en presencia de sustancias orgánicas como la gelatina, es reducido por la acción de la luz (o de forma más lenta en la oscuridad) para dar un compuesto de cromo que es absorbido por la gelatina que se vuelve así más insoluble. Los cambios de color mencionados sugieren la presencia de iones de cromo trivalente (Cr3+) y por lo tanto, el producto ligado a la gelatina es el coloide Hidróxido de Cromo (Cr(OH)3).

Aunque también se especifica que la reacción exacta no está todavía del todo explicada por los especialistas químicos, la documentación de Hunter-Penrose (3) propone que el endurecimiento o curtido de la gelatina se produce como resultado de una reacción de oxidación-reducción que es acelerada por la radiación de onda corta o UV. Según esta documentación, la ecuación de la reacción para el dicromato es la que sigue:

Redox_Dicromat

Bajo la acción de la luz, el coloide es oxidado por el dicromato y se forma Cromo trivalente (Cr3+). Como los iones metálicos trivalentes forman un coloide, las áreas expuestas a la luz no se disolverán al lavar con agua. Nótese que esta explicación coincide con la de Cartwright.

Sensibilidad espectral
Según Cartwright (1), la sensibilidad espectral de la gelatina dicromatada se extiende en la banda entre 350nm y 420nm, para decaer rápidamente a partir de 455nm. Aunque el cristal de las prensas de contacto absorbe las radiaciones más cortas por debajo de 325nm, el rango útil queda en la banda que consigue atravesar dicho cristal. Hunter-Penrose (3) sitúa la banda actínica útil entre 320nm y 380nm. Finalmente, Luis Hernández (2), citando la documentación técnica de Autotype, define como banda útil la situada entre 330nm y 430nm con un máximo en los 370nm. También según Autotype, la sensibilidad continúa más allá de los 430nm para decaer al llegar a los 470nm y prácticamente desaparecer a los 500nm. Las pequeñas discrepancias entre los diversos datos citados pueden ser debidas al tipo de pigmento, generalmente rojo, que se incorpora en la gelatina para facilitar la detección de su presencia sobre el cobre. De todos estos datos se deduce que es necesario disponer de una fuente de iluminación rica en radiaciones de onda corta o ultravioleta. En la actualidad se dispone de diversas alternativas:

  • Instrumentos específicos del ámbito de las Artes Gráficas como las insoladoras NuArc o Amergraph. Ambas proveen un haz de rayos colimados por un reflector parabólico a partir de una lámpara de descarga de metal-halógeno. Estos aparatos disponen de control electrónico del tiempo de estabilización de la lámpara y del tiempo de exposición. También equipan la prensa de contacto con bomba de vacío.
  • Otros instrumentos de Artes Gráficas con el mismo tipo de iluminación pero en modalidad puntual. Al no disponer del reflector parabólico, la lámpara se sitúa a mayor distancia de la prensa de contacto y por lo tanto, el instrumento tiene una altura mucho mayor que los dos anteriores.
  • La misma lámpara metal-halógena citada dispuesta a una distancia suficiente de la prensa de contacto independiente como para considerarla una fuente razonablemente puntual.
  • Lámpara combinada de metal-halógeno y filamento incandescente como la Ultra Vitalux de Osram dispuesta del mismo modo que la anterior.
  • Baterías de tubos fluorescentes con emisión específica de las longitudes de onda citadas.

Los instrumentos de Artes Gráficas resuelven la iluminación UV y la prensa de contacto con bomba de vacío a cambio de un coste relativamente alto para una instalación no comercial. Las lámparas combinadas como la Ultra Vitalux son una buena elección tanto por coste económico como por su espectro de emisión, muy parecido al de las lámparas de metal-halógeno. Aún así, el volumen y el cristal opalino de su bulbo obliga a situarlas muy lejos de la prensa si se quieren evitar los efectos nocivos de la luz difusa, perdiéndose de este modo parte de su potencial actínico. En términos de coste, ahorro energético y comodidad de utilización, las baterías de tubos fluorescentes son también una muy buena elección, aunque comprometen la correcta exposición de las tramas estocásticas digitales. Respecto estos inconvenientes, Ver Heliograbado II – Trama Estocástica.

Por todo ello, el sistema escogido en este caso es el de una lámpara de metal-halógeno utilizada como fuente razonablemente puntual a una cierta distancia de la prensa de contacto independiente, dado que su bulbo es tubular y mide sólo 33mm. La lámpara es la OSRAM Supratec HTC400-241-R7s UV High Pressure Lamp. Su espectro de emisión se muestra en la Fig., 1. De los 460W nominales, 12W corresponden a la banda UV-B absorbida por el cristal de la prensa de contacto y 82W a la banda UV-A que es la realmente útil en nuestro caso. Si se comparan estos datos con los de la OSRAM Ultra Vitalux, ésta tiene una potencia nominal de 300W de los cuales sólo 13,6W emiten en el rango del UV-A de nuestro interés, es decir, seis veces menos.

Espectre_Supratec
Figura 1. Espectro de emisión de la lámpara OSRAM Supratec HTC400 en la banda entre 250nm y 450nm. Nótense los picos de emisión en la banda de longitudes de mayor sensibilidad espectral de la gelatina bicromatada.

A causa de su pequeño tamaño, la lámpara utilizada, de descarga de alta presión, precisa de un sistema de arrancado y mantenimiento de la ignición independiente que consta de:

  • Balasto HPS CCG 400W
  • Iniciador de 4-5kV
  • Condensador compensador de 50µF

La lámpara se ha montado en un soporte con reflector expresamente diseñado y atornillado a una columna de ampliadora LPL desprovista de su cabezal. Al retirar el peso del cabezal de la ampliadora, la fuerza del resorte de ayuda a la traslación vertical del mismo resulta excesiva. Para compensar este exceso, se han incorporado 2,5Kg en discos de pesas para halterofilia (Decathlon), recuperándose así la comodidad de trabajo sin esfuerzo ni riesgo de desplazamiento súbito al aflojar el sistema de frenado (Fig., 2).

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Figura 2. Lámpara OSRAM Supratec HTC400 fijada a un soporte de ampliadora para disponer de desplazamiento vertical (hacer click en la imagen para ver una versión ampliada)

La disposición de los elementos de arranque y alimentación se muestran en la Fig., 3. Sobre el balasto se pueden ver dos opciones de cableado y el documento Curso de Iluminación – Lámparas de Halogenuros Metálicos de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) proporciona información completa acerca de las propiedades y formas de alimentación de estas lámparas. Para mayor comodidad operativa, el sistema de arranque y alimentación se ha conectado a una base de enchufe con toma de tierra y provista de interruptor.

De este modo, el cable de alimentación de la lámpara se enchufa en esta base sin necesidad que el conjunto de arranque esté junto a la lámpara en el dispositivo de desplazamiento vertical. Ello es especialmente indicado teniendo en cuenta que sólo el balasto pesa cerca de 1Kg. El conjunto descrito se ha protegido con una carcasa de plancha de aluminio y dispuesto en un soporte aislado que se coloca en las inmediaciones de la prensa de contacto y el soporte vertical de la lámpara (Fig., 4).

Supratec_Ignitor_1000pix
Figura 3. Conjunto de arranque y alimentación de la lámpara OSRAM Supratec HTC400 (hacer click en la imagen para ver una versión ampliada).
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Figura 4. Sistema de arranque y alimentación de la lámpara OSRAM Supratec HTC400 con la cubierta protectora. A la izquierda se muestra el cable de conexión a la red. El cable de alimentación de la lámpara se enchufa en la base de la derecha y el interruptor controla el encendido y apagado (hacer click en la imagen para ver una versión ampliada).

Siguiendo las instrucciones del fabricante (Fig., 5), se respetan 2min para la estabilización de la emisión una vez encendida la lámpara y 5min de enfriamiento antes de volver a encenderla después de un apagado.

StartUp_Supratech
Figura 5. Gráfico del flujo de emisión frente al tiempo desde el encendido de las lámparas OSRAM Supratec HTC de 400W y 1000W. 1) Lámpara de 1000W en frio. 2) Lámpara de 400W en frio. 3) Ambas lámparas a partir de media carga.

Referencias

1. CARTWRIGHT, H. M. (1961) Ilford Graphic Arts Manual, Volume 1-Photoengraving. Ed. Ilford Lted, Ilford, Essex.
2. HERNÁNDEZ, Luis (2010) El Heliograbado por el Procedimiento Talbot-Klíč – Antecedentes, uso y principios para el control del tono. Tesis Doctoral, Dir. José M. Guillén. Universidad Politécnica de Valencia-Facultad de Bellas Artes-Dept. de Dibujo.
3. HUNTER-PENROSE (2006) Photoengraving Glue Datasheet. Ed. Hunter-Penrose in Technical Notes, London.