≡× МЕНЮ

• Публикации
• Вторые блюда
• Отзывы Покупателей
• Финансы и бизнес
• Мода и стиль

Термическая струйная технология печати. Как печатает струйный принтер? Основные способы струйной печати

Некоторые из открытий или изобретений, уже давным-давно ставшие привычными, со временем обрастают разнообразными красивыми мифами и легендами.
В одном из таких повествований рассказывается о сотруднике небольшой исследовательской лаборатории, принадлежавшей крупной компьютерной фирме. После бессонной ночи, проведенной в работе над новой капризной конструкцией какой-то электронной штуковины, этот сотрудник по невнимательности положил паяльник рядом с наполненным канифолью шприцем (хочется приписать, что в нем были чернила, но это не так). Естественно, в итоге была испорчена спецодежда, но самое главное - возникла идея термоструйной печати. Белый халат с пятном отправился в химчистку, а струйная технология стараниями Canon, Hewlett-Packard, Epson, Lexmark и других компаний пришла в офисы и дома, поражая своей доступностью и красочностью.

Почему струйник?

В последние несколько лет компьютерная индустрия переживает самый настоящий чернильный бум. Струйные принтеры для многих пользователей являются наиболее доступными и универсальными печатающими устройствами. Получаемые на них изображения во многих случаях превосходят по качеству типографские оттиски, а максимальная скорость печати уже вплотную приблизилась к показателям производительности младших моделей лазерных принтеров. Сравнимая с любительскими фотографиями из мини-лабов полноцветная фотореалистичная струйная печать стала главным козырем производителей струйных принтеров в борьбе за привлечение новых покупателей.

В погоне за покупателем и на зависть конкурентам постоянно уменьшается размер капель и разрабатываются новые технологии для улучшения цветопередачи. От новых названий и логотипов голова уже идет кругом. Естественно, что у наиболее любознательных возникает вопрос: так уж уникальны все принципы и идеи, которыми гордится каждый из производителей?

В гордом одиночестве

Уже довольно давно в этом секторе рынка образовалось два лагеря. В одном единолично правит бал Epson с пьезоэлектрической технологией, а в другом собрался целый альянс приверженцев «кипящих чернил».

В основе пьезоэлектрического метода печати лежит свойство некоторых кристаллических веществ изменять свои физические размеры под действием электрического тока. Самым ярким примером служат кварцевые резонаторы, применяемые во многих электронных устройствах. Это явление было использовано для создания миниатюрного насоса, в котором изменение напряжения вызывает сжатие небольшого объема чернил в узком капиллярном канале и моментальный выброс его через сопло.

Печатающая головка пьезоэлектрического струйного принтера должна иметь высокую надежность, поскольку в силу довольно большой стоимости она практически всегда встроена в принтер и не меняется при установке нового чернильного картриджа, как это происходит в случае термической струйной печати. Такая конструкция пьезоэлектрической головки имеет определенные преимущества, но при этом существует постоянная опасность выхода принтера из строя по причине попавшего в систему подачи чернил пузырька воздуха (что может произойти при смене картриджа) или обычного простоя в течение нескольких недель . При этом сопла закупориваются, качество печати ухудшается, а для восстановления нормальных режимов требуется квалифицированное обслуживание, которое часто невозможно провести вне сервисного центра.

Не отрываясь от коллектива

Пока Epson шла своим собственным путем, периодически удивляя компьютерное сообщество очередным прорывом, остальные игроки рынка струйной печати не менее успешно применяли печатающую головку иной конструкции. Большинство из них считают свои разработки уникальными, хотя их суть до банального проста, а разница зачастую заключается лишь в названии.

Так, Canon использует термин Bubble-Jet, который вольно можно перевести как «пузырьковая печать». Остальные же не стали городить огород и согласились с более привычным словосочетанием «термоструйная печать».

Термические струйные принтеры работают подобно гейзеру: внутри камеры с ограниченным объемом чернил благодаря миниатюрному нагревательному элементу образуется пузырек пара, который мгновенно увеличивается в объеме, выталкивая каплю красителя на бумагу.

Применяя такую технологию, нетрудно получить миниатюрные печатающие элементы, расположенные с большой плотностью, что сулит разработчикам потенциальное увеличение разрешающей способности с солидным запасом на будущее. Однако у термической струйной печати есть и оборотная сторона. Из-за постоянного перепада температур постепенно происходит разрушение печатающей головки, и в результате ее приходится заменять вместе с чернильным картриджем.

Больше названий - громких и разных!

Пузырьки пузырьками, а простыми картинками уже давно никого не удивить. Вот и приходится бороться за каждый пиколитр в капле, за каждый оттенок на бумаге. Но способов, позволяющих повысить качество конечного изображения, на самом деле не так уж и много. Самый очевидный и доступный вариант заключался в увеличении количества цветов чернил. К четырем базовым цветам (черному, голубому, малиновому и желтому) многие производители добавили еще два - светло-голубой и светло-малиновый. В итоге появилась возможность воспроизводить более светлые оттенки, не уменьшая плотность наносимых на бумагу точек, что позволило сделать растровую структуру изображения на светлых участках, где она особенно хорошо различима, менее заметной. В Canon такую технологию назвали PhotoRealism, в Hewlett-Packard - PhotoREt, а в Epson - Photo Reproduction Quality.

Но прогресс, стимулируемый конкурентной борьбой, не стоит на месте. Следующий шаг на пути к идеалу был сделан путем уменьшения и динамического изменения размеров чернильной капли, а вместе с ней и конечной точки на бумаге. Управляя объемом «порции» наносимых на бумагу чернил, можно добиться более светлых оттенков, не увеличивая расстояния между точками. Это дает возможность сделать растровую структуру еще менее заметной.

Без дополнительных ухищрений и значительного изменения технологического процесса подобного эффекта могла добиться разве что Epson. Дело в том, что принцип работы пьезоэлектрической головки позволяет управлять размером капли, изменяя величину управляющего напряжения, прикладываемого к пьезоэлементу. Эта технология получила название Variable Dot Size. Ну а приверженцам пузырьковой печати пришлось серьезно поработать над изменением конструкции сопел. В каждом из них разместили несколько нагревательных элементов разной мощности.

Включая их по одному или все одновременно, можно получать капли различных размеров, как это и происходит в современных термических струйных принтерах. Canon окрестила свои разработки в этой области Drop Modulation, а HP применила уже готовое название с дополнительными индексами - PhotoREt II и PhotoREt III. Помимо возможности управления размером капли появилась и возможность последовательного нанесения нескольких капель в одну и ту же точку поверхности листа бумаги.

Но качество печати зависит не только от технического совершенства конструкции самого принтера, но и от других, не менее значимых факторов.

За линией струйного фронта

С увеличением разрешающей способности и скорости печати выяснилось, что погоня за улучшением этих характеристик сама по себе значительного выигрыша дать не сможет, если не улучшить носитель изображения, то есть бумагу. Казалось бы, что может быть проще бумаги? Но не тут-то было! Любые «хитрые» технологии будут бессильны, если в лоток принтера положить простую офисную бумагу.

Прекрасный лист формата А4, от вида и запаха которого с удовольствием начинает урчать любой лазерный принтер, оказывается совершенно неподготовленным к потокам разноцветных чернил, извергаемым на него из сотен сопел.

Поверхность обычной бумаги имеет волокнистую структуру, что обусловлено технологией ее производства. В итоге миниатюрные, строго рассчитанные по размеру капли начинают растекаться по поверхности самым непредсказуемым образом. При этом совершенно не важно, какая печать используется - термическая или пьезоэлектрическая. Одним из решений этой проблемы является использование пигментных чернил, представляющих собой взвесь дисперсных частиц в бесцветном жидком носителе, поскольку твердые частицы не могут проникнуть во внутренние слои и растечься по волокнам бумаги.

Чернила на пигментной основе позволяют получать яркие и насыщенные оттенки, однако есть у них и определенные недостатки, в частности низкая стойкость к внешним воздействиям.

Технология струйной печати такова, что наилучшего результата можно достичь только при использовании специальной бумаги. Фотографии на обычной бумаге выглядят более блеклыми и менее четкими. В отличие от обычной бумага со специальным покрытием и так называемая фотобумага имеют несколько специальных слоев. Распечатки на ней практически неотличимы от фотографий, полученных при печати с использованием химического фотопроцесса.

Простая бюджетная бумага для струйной печати, как правило, имеет плотность 90-105 г/м 2 , относительно небольшую толщину и прекрасный показатель белизны. Вследствие специальной обработки лицевой или обеих сторон такая бумага более устойчива к капризам чернил и препятствует их растеканию и проникновению вглубь листа.

Специальная фотобумага с глянцевой или матовой поверхностью обычно имеет плотность до 200 г/м 2 и представляет собой многослойное произведение современных технологий. Каждый из слоев выполняет определенные функции.

Нижний слой является основанием, обеспечивающим прочность и жесткость документа. Следующий слой играет роль оптического отражателя, придавая изображению яркость и белизну. Далее располагается основной связующий керамический или пластиковый слой, составляющий множество вертикальных каналов без длинных волокнистых образований вдоль поверхности листа и обеспечивающий необходимую плотность чернил в печатаемой точке. На абсорбент наносится последний, глянцевый или матовый защитный слой, придающий поверхности прочность и защищающий ее от внешних воздействий.

В процессе печати керамические частицы поглощают чернила, не давая им растекаться по поверхности. В результате форма точек и их ориентация остаются неизменными. Кроме того, можно не бояться случайного попадания влаги, поскольку глубокие и расположенные строго вертикально микрокапилляры сводят вероятность растекания к минимуму.

Специальная бумага для струйных принтеров стала панацеей от многих бед, но, к сожалению, довольно дорогой. Хочется, конечно, но... А потратиться стоит, чтобы хоть раз сравнить «небо» и «землю».

КомпьютерПресс 11"2001

Струйная технология появилась в середине 1980-х как результат попытки избавиться от недостатков двух доминировавших в то время способов печати: матричной и лазерной (электрографической). Лазерная печать была неприемлемо дорогой, причем о цвете еще и не мечтали (да и в настоящее время, хотя цветные лазерники стали доступными, но в области фотоотпечатков не имеют никаких шансов обойти струйники). А струйная печать возникла как дешевая альтернатива для печати офисных документов, лишенная недостатков матричных принтеров - медленных, шумных и дававших отпечатки невысокого качества.

Идея, которая, видимо, почти одновременно (около 1985 года) пришла в голову инженерам компаний Hewlett-Packard и Canon, заключалась в том, чтобы заменить иголку, ударяющую в матричных принтерах по бумаге через красящий слой на ленте, каплей жидких чернил. Объем капли следовало рассчитать так, чтобы она не растекалась и создавала точку определенного диаметра. Реальную жизнь эта технология получила, когда придумали удобный способ формирования дозированной капли - термический.

Способ термической струйной печати фактически монополизирован компаниями Canon и Hewlett-Packard, которые владеют большинством патентов на эту технологию, остальные компании лишь лицензируют ее, внося свои небольшие изменения. При этом HP использует выражение "термический чернильно-струйный" (thermal ink-jet) способ печати, а Canon предпочитает термин "пузырьковый струйный" (bubble-jet).

Хотя между ними есть различия, но принципиально они идентичны.

На рис. 1 показан процесс термической струйной печати в виде условной кинограммы цикла работы форсунки (иногда их называют эжекторами). В стенку камеры встроен миниатюрный нагревательный элемент (выделен красным на верхнем кадре), который очень быстро нагревается до высокой температуры (500 °С). Чернила вскипают (второй кадр), в них образуется большой паровой пузырь (следующие два кадра) и резко растет давление - до 120 атмосфер, отчего чернила выталкиваются через сопло со скоростью более 12 м/с в виде капли объемом около 2 пиколитров (это две тысячные от миллиардной доли литра). Нагревательный элемент к этому моменту выключают, и пузырь вследствие падения давления схлопы вается (нижние кадры). Все происходит очень быстро - за несколько микросекунд. Чернила подаются в форсунку за счет капиллярных сил (что гораздо медленнее), и после заполнения форсунки новой порцией система готова к работе. Весь цикл занимает примерно 100 мс, то есть частота выброса капель составляет 10 кГц, а в современных принтерах - раза в два больше.

Такая автономно управляемая форсунка входит в состав печатающей головки, расположенной на движущейся поперек листа каретке, наподобие печатающего узла матричного принтера. При диаметре форсунки 10 мкм плотность размещения получается 2500 сопел на дюйм; в одной головке может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч форсунок. В современных скоростных устройствах стали применять неподвижные головки - чтобы исключить самый медленный во всем этом процессе этап поперечного движения каретки. Например, HP выпускает высокопроизводительные фотокиоски, в которых головки составлены в блоки по всей ширине листа.

В принтерах Canon термический элемент расположен сбоку камеры (как на рис. 1), а у HP (и Lexmark) - сзади. Возможно, это различие обусловлено исходными идеями: согласно корпоративным легендам, инженер Canon уронил паяльник на шприц с краской (то есть шприц нагрелся сбоку), а исследователи из HP заимствовали принцип у электрочайника, у которого подогрев с торца. Так это или нет, боковое расположение позволяет Canon устанавливать два термических элемента на форсунку, что повышает быстродействие и управляемость размером капли, но усложняет и удорожает конструкцию.

Более дорогие "пузырьковые" головки Canon многоразовые и встроены в принтер. Головки HP проще в изготовлении, потому традиционно встраивались прямо в картридж и с ним же выбрасывались. Это гораздо удобнее, так как гарантирует качество печати (головка просто не успевает выработать ресурс) и высокую надежность узла. Однако при таком подходе совершенствование головок приводит к удорожанию картриджей, поэтому многие современные принтеры HP имеют отдельные головки, как у Epson или Canon. Так, Photosmart Pro B9180, сегодняшний флагман "домашних" фотопринтеров от HP, имеет заменяемые отдельные головки, а его более дешевый аналог Photosmart Pro B8353 - головки, встраиваемые в картридж.

Разработку термической технологии начали в 1984 г. компании HP и Canon. Сначала дело шло медленно и требовало много денег. И только в 1990-х гг. удалось добиться приемлемого уровня качества, скорости работы и стоимости. Позже к HP и Canon с целью дальнейшей работы над термическими принтерами присоединилась компания Lexmark, и это привело к созданию сегодняшних принтеров с высоким разрешением. Как видно из названия, в основе термического (или электротермического) формирования струи лежит увеличение температуры жидких чернил под действием электрического тока. Это повышение температуры обеспечивается нагревательным элементом, находящимся в эжекционной камере. При этом некоторая часть чернил испаряется, в камере быстро нарастает избыточное давление, и из эжекционной камеры через прецизионное сопло выбрасывается маленькая капелька чернил. В течение одной секунды этот процесс многократно повторяется.

Термическая система выброса капель . Качество печати, скорость и эффективность работы определяются многими факторами, но главными факторами, определяющими поведение чернил при необходимых температурах и давлениях, являются конфигурация эжекционной камеры, а также диаметр и точность изготовления сопла. На поведение чернил при нагревании и выбросе из сопла, наряду с характеристиками самих чернил (их вязкостью, поверхностным натяжением, способностью к испарению и др.), оказывают влияние также характеристики канала, ведущего к соплу, и точки выхода в сопло. Большое значение для обеспечения правильного выброса чернил из сопла имеют также характер изменения чернильного мениска в сопле после эжекции и повторное заполнение эжекционной камеры.

Механика создания термической струи . Этапы формирования и выброса капли .

Этап 1 - Создание избыточного давления . Формирование термической чернильной струи начинается в печатающей головке картриджа. Электрический импульс порождает на нагревательных элементах тепловой поток, эквивалентный более чем двум млрд. ватт на квадратный метр. Это примерно в 10 раз больше, чем поток на поверхности Солнца! К счастью, поскольку длительность теплового импульса составляет всего 2 миллионных доли секунды, то хотя температура в это время увеличивается со скоростью 300 млн. градусов в секунду, поверхность нагревательного элемента успевает за это время нагреться лишь - примерно - до 600°C.

Этап 2 - Формирование чернильной капли . Поскольку нагревание идет чрезвычайно быстро, в реальности температура, при которой чернила уже не могут существовать в виде жидкости, достигается лишь в слое толщиной менее одной миллионной доли миллиметра. При такой температуре (примерно 330°C) тонкий слой чернил начинает испаряться, и происходит выталкивание пузырька из сопла. Пузырек пара образуется при очень высокой температуре, и поэтому давление пара в нем огромное - около 125 атмосфер, т. е. в четыре раза больше давления, создаваемого в современных бензиновых двигателях внутреннего сгорания.

Этап 3 - Охлаждение камеры . Такой пузырек, обладающий громадной энергией, действует как поршень, выбрасывающий чернила из сопла на страницу со скоростью 500 дюймов в секунду. Образующаяся при этом капля весит всего 18 миллиардных долей грамма! По командам, поступающим от драйвера принтера, 400 сопел могут активизироваться одновременно в любых сочетаниях.

Этап 4 - Заполнение камеры . Повторное заполнение камеры эжекционной камеры занимает менее 100 миллионных долей секунды, после чего камера вновь готова к работе. В термических струйных принтерах Lexmark цикл, включающий формирование и выброс чернильной капли, охлаждение и повторное нагревание камеры, может повторяться до 12 тысяч раз в секунду.

Впечатляющие факты . Вот некоторые данные, характеризующие процесс образования пузырьков. Тепловой поток у поверхности:
нагревательного элемента = 109 Вт/м2
Солнца = 108 Вт/м2
Нагревание в тонком слое до температуры 600°C
Точка плавления алюминия = 660°C
Начальное давление в пузырьке - 125 атм
Таково давление в океане на глубине 1 000 м

Различия между "пузырьковой струей" и "чернильной струей". Хотя первоначально струйная технология создавалась компаниями HP и Canon, сейчас термин "пузырьковая струя" стал ассоциироваться с Canon, практически отделившись от технологии "чернильной струи", которую разрабатывают Lexmark и НР. Однако в действительности оба этих термина обозначают почти идентичные системы. Единственное серьезное различие между ними состоит в том, что в системе "пузырьковой струи" Canon вектор процесса испарения чернил и формирования пузырька не совпадает с направлением оси, проходящей через нагревательный элемент и сопло, а ориентирован под углом 90° к нему.

Чернильные картриджи. Резервуары, из которых чернила подаются в печатающую головку, можно условно разделить на два конструктивных типа. Во-первых, широко используется моноблочная система, объединяющая встроенный чернильный резервуар и эжекционный блок. Она обладает тем преимуществом, что при каждой смене чернильного резервуара заменяется и печатающая головка, что способствует поддержанию высокого качества печати. Кроме того, она проще по конструкции, и в ней легче выполняются замены. Во второй, конструктивно более сложной системе печатающая головка отделена от резервуара для чернил, и здесь заменяется только этот резервуар при его опорожнении.

Изготовление печатающих головок. Изготовление печатающей головки - это сложный процесс, осуществляемый на микроскопическом уровне, где точность измерений определяется микронами. Основные материалы, используемые для изготовления эжекционной камеры, канала для подачи чернил, электронной управляющей схемы и нагревательных элементов, подобны материалам, используемым в полупроводниковой промышленности, где тончайшие проводящие металлические и изолирующие слои проходят прецизионную лазерную обработку. Такая технология требует больших инвестиций и в разработку, и в производство, и это одна из главных причин того, что в этой сфере решаются действовать очень немногие компании.

Пример моноблочного картриджа. Пена в резервуаре для чернил играет роль губки, впитывающей жидкие чернила, так что чернила непрерывно подаются к печатающей головке, и при этом нет ни нежелательной утечки из картриджа под действием силы тяжести, ни истечения чернил из самой печатающей головки. На основании моноблочного картриджа находятся электрические контакты и печатающая головка - ключевой элемент всего процесса струйной печати; чернила подаются к печатающей головке через совокупность каналов, идущих от резервуара.

Расположение и число сопел . Печатающая головка представляет собой совокупность множества микрокомплектов, состоящих из эжекционных камер и связанных с ними сопел, расположенных в шахматном порядке с целью увеличения вертикальной плотности сопел. При таком расположении сопел их число на расстоянии в полдюйма (примерно 1,27 см) может достигать 208, как это имеет место, например, в черных картриджах моделей Lexmark Z, так что удается достичь разрешения в 1,44 млн. точек.

Перспективы . Качество печати определяется многими факторами, но главные из них - это размер точки, вертикальная плотность точек и частота выброса капель через сопло; именно эти показатели являются основными критериями для дальнейшей работы над печатающими головками, будь то головки термического или пьезоэлектрического типа. Термические головки имеют некоторые преимущества по сравнению с электромеханическими головками, поскольку ключевая технология их изготовления подобна той, которая применяется при изготовлении микропроцессорных чипов и других изделий полупроводниковой электроники. Стремительный прогресс в этих областях идет на пользу термической технологии, и можно ожидать, что в ближайшие годы будут достигнуты еще более высокие разрешения и более высокая скорость печати.

Преимущества и недостатки. Термическая струйная печать имеет несколько преимуществ по сравнению с конкурирующей с ней пьезотехнологией. Например, простота конструкции и тесная аналогия с производством полупроводников: это означает, что предельная себестоимость в производстве здесь будет ниже, чем для конкурирующей технологии. Конфигурация эжекционных камер позволяет располагать сопла ближе друг к другу, что дает возможность достигать более высокого разрешения.

Стремительно развиваясь, струйная печать осваивает новые сегменты и сферы применения. В борьбе за перспективы на рынке решающее значение приобретают исследования и разработки в сфере печатающих головок, чернил и специализированных составов. Большим плюсом при выборе струйного устройства печати станут базовые знания о производителях и технологиях печатающих головок.

Любая струйная головка работает по принципу контролируемого электроникой распыления капель жидкости на нужную поверхность. Два основных класса — головки с непрерывной подачей и пьезоэлектрической импульсной (капля по требованию, DOD), каждый делится на подклассы.

В непрерывной струйной печати капли распыляются без остановки, попадая либо на материал либо в ёмкость для рециркуляции и повторного использования. В оборудовании DOD выброс капель зависит от определённых условий, а формируются они при помощи импульса в камере подачи чернил. Разновидности струйных DOD-принтеров определяются особенностями генерации импульса. Три основных категории технологий, присутствующих на рынке: термальные, пьезо и с непрерывной подачей (электростатические).

Термальная струйная печать

Первым технологию термальной струйной печати предложил в 1977 г. инженер-конструктор Canon Ичиро Эндо. С момента выпуска первых настольных принтеров этого типа термальные печатающие головки прошли долгий путь эволюции.

Независимо от конструкционных особенностей, термальные печатающие головки объединяет концепция: малый размер капли при высокой скорости и плотности сопел.

В компактной камере с чернилами капли формируются за счёт быстрого нагрева резистивного элемента. Стремительно нагреваясь до нескольких сотен градусов, он заставляет испаряться молекулы чернил. В кипящей жидкости формируется пузырь (импульс давления), который вытесняет из камеры чернила. В результате на другом конце сопла появляется капля. После выталкивания вакуум в камере заполняют свежие чернила из резервуара, и процесс повторяется.

Недостаток технологии — ограниченный диапазон совместимых жидкостей: чернила для термальных струйных принтеров необходимо разрабатывать с расчётом на испарение и стойкость к высоким локальным температурам. Кроме того, на термальные печатающие головки негативно влияет процесс так называемой кавитации: на поверхности нагревательного элемента постоянно формируются и лопаются пузыри, от чего она изнашивается. Впрочем, современные материалы обеспечивают термальным струйным головкам достаточно длительный срок службы.

Чтобы уменьшить размер капли и увеличить скорость печати, нужны высокоточные технологии, позволяющие увеличить количество сопел на ширину поверхности. Печатающие головки Canon FINE предлагают впечатляющий объём в 2560 сопел на цвет (15 360 сопел на печатающую головку). Сопла различаются по диаметру, поскольку термальная технология не в состоянии обеспечить формирование капель разного размера. В каждой головке особым образом скомбинированы сопла на 1, 2 и 5 пл.

Hewlett Packard добилась впечатляющей плотности сопел в печатающей головке Edgeline. Конструкция с шириной печати 10,8 см состоит из пяти кремниевых чипов, расположенных в шахматном порядке.

Физическое разрешение достигает 1200 dpi при рабочей частоте 48 кГц. Двойной ряд сопел (по 10 560 на матрицу) позволяет Edgeline наносить два цвета. При печати в один цвет второй ряд остаётся в качестве резервного. В каждой головке, рассчитанной на работу с водными либо латексными чернилами, 5 матриц — в общей сложности 52 800 сопел.

Edgeline устанавливают в латексные принтеры и рулонные ЦПМ от HP. В комплектацию T300 с шириной печати 77 см входят по 70 печатающих головок для каждой стороны запечатываемого полотна. Таким образом, в режиме двухсторонней печати функционирует 7 392 000 сопел, и машина с высокой точностью ежесекундно наносит на запечатываемый материал 148 млрд капель. Все термальные печатающие головки относятся к расходным материалам, срок службы зависит от объёма проходящих через них чернил.

Термальные печатающие головки для настольных струйных принтеров выпускают также Kodak и Lexmark. Часть укомплектованных ими моделей уже снята с производства.

На рынке широкоформатной печати в сегменте струйных принтеров с водными чернилами идёт битва между Canon и HP, единственным пока поставщиком латексных принтеров с термальными печатающими головками. И никто кроме HP пока не предложил термальной печатающей головки в однопроходной конфигурации.

Струйные термальные технологии весьма уверенно чувствуют себя в своей нише, но большая часть рулонных и планшетных принтеров большого и сверхбольшого форматов сейчас представлена моделями с пьезоструйными печатающими головками.

Пьезотехнологии: капля по требованию

Пьезоэлектрические печатающие головки объединяет принцип распыления капель. Благодаря широкому выбору модификаций для разных материалов и сфер применения, они пользуются большой популярностью у производителей струйных принтеров.

Принцип технологии «капля по требованию» основан на изменении формы определённых кристаллов при подаче напряжения. В результате камера деформируется, генерируя импульс. На рынке представлены пьезоэлектрические струйные головки больше чем от десятка производителей.

У струйных технологий масса вариантов применения, полиграфия — лишь один из них. Струйные печатающие головки используют для маркировки и кодирования, нанесения почтовых индексов и адресов, обработки документации, печати и маркировки текстиля, гравирования, фотогальваники, осаждения материалов и высокоточного диспергирования жидкостей.

Струйные печатающие головки можно классифицировать по:

• совместимости с жидкостями (составы водные, масляные, сольвентные, УФ, кислотные);
• рабочей температуре;
• количеству сопел;
• физическому разрешению;
• ширине печати;
• материалу конструкции;
• фиксированной либо переменной капле;
• наименьшему размеру капли;
• экологичности.

Главное различие струйных печатающих головок — в фиксированном либо переменном размере капли. Принтеры с фиксированной каплей называют бинарными. Важно понимать отличия технологий и принципы их работы.

Бинарные печатающие головки выдают капли стандартного объёма. Вариантов море — от 1 пл до 200 пл и более (пиколитр — одна триллионная часть литра). Основное преимущество технологии в том, что большие капли быстрее покрывают запечатываемый материал. Ещё одна особенность печатающих головок с фиксированным размером капли — пониженное разрешение. Поэтому они лучше подходят для крупноформатной печатной продукции, печати по текстилю и других сегментов, где разрешение не имеет первоочередного значения.

Самую маленькую каплю обеспечивают широкоформатные принтеры серии Durst Rho P10: печатающие головки Quadro Array с размером 10 пл предлагают разрешение до 1000 dpi. Струйные головки с размером капли 1 пл рассчитаны не на графику, а на осаждение жидкостей и печатную электронику.

Печатающие головки с фиксированной каплей выгодно отличаются частотой распыления, измеряемой в килогерцах (1000 циклов в секунду). Базирующиеся на этой технологии струйные принтеры бывают 4- и 6-красочной конфигураций. При работе с большими объёмами не стоит забывать, что скорость печати в 4 цвета выше, чем в 6 цветов, а если за один цвет отвечает несколько печатающих головок, принтер вообще будет «летать».

Сейчас идут активные дебаты на тему того, какая из технологий лучше и почему — с фиксированным или с переменным размером капли. Но учитывать в первую очередь нужно практические аспекты: выпускаемая продукция, стоимость принтера, экономически оправданная скорость.

Печатающие головки с переменным размером капли способны на ходу регулировать разрешение печати. Для увеличения капли система объединяет несколько капель базового размера.

Возьмём для примера принтер с базовой каплей в 6 пл. Чтобы получить каплю 12 пл, в камеру с чернилами система отсылает сразу два пульса: капли встречаются в воздухе и сливаются в одну. Доступные для конкретной печатающей головки размеры капли называют «уровнями».

8-уровневая головка формирует капли семи размеров. Пьезоэлектрическая головка с поддержкой 16?ти уровней даст 15 размеров капель. При базовом размере капли в 6 пл доступные варианты получаются простым умножением базовой капли: 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42 пл.

Если проанализировать частоту распыления, окажется, что формирование переменных капель занимает больше времени, что вполне логично. Для 16-уровневой пьезоструйной головки скорость распыления базовой капли составит около 28 кГц. Если для неё же активировать 8 вариантов капель, скорость распыления упадёт до 6,2 кГц. Если задействованы все 16 вариантов, скорость составляет всего 2,8 кГц. Как видим, при переходе от базового уровня к максимально возможным 16-ти уровням количество формируемых капель меньше на порядок. Печатающие головки с переменным размером капли неизменно печатают медленее, чем аналогичные с фиксированной каплей. Зато повышают разрешение мелкого текста и качество печати в целом.

Чтобы увеличить производительность струйных головок с переменной каплей, создатели принтеров увеличивают количество каналов на цвет. Чернильный канал представляет собой ряд сопел, отведённых под конкретный цвет чернил, — типовой вариант для сканирующих и печатающих в один прогон систем.

Под сканирующей печатью здесь подразумевается метод струйной печати, при котором каретка с печатающей головкой перемещается взад и вперёд по поверхности запечатываемого материала, а он подаётся в старт-стопном режиме. В некоторых планшетных принтерах изображение формируется иначе: материал совершает возвратно-поступательные движения под группой печатающих головок, перекрывающих всю ширину печати.

Непрерывная струйная печать — высокие скорости

Непрерывная струйная технология представляет собой бесконтактный вариант высокоскоростной печати, который используется для нанесения переменной информации на движущийся материал. Изначально рассчитанные на добавление дат, текстов и штриховых кодов модули теперь предлагают многокрасочную печать на рулонных материалах. Сложно поверить, но первым эту идею запатентовал в 1867 г. лорд Кельвин.

Принцип технологии следующий: насос подаёт жидкие чернила из резервуара на множество мельчайших сопел, формируя непрерывной поток капель на очень высокой скорости. Скорость формирования и распыления капель контролирует вибрирующий пьезоэлектрический кристалл. Скорость его вибрации называют частотой, которая в данном случае варьируется от 50 до 175 кГц. Каждое сопло выдаёт от 50 000 до 175 000 капель в секунду. Они пролетают через электростатическое поле и уже заряженными попадают в отклоняющее поле, которое направляет их на материал либо в сборочный резервуар для повторного использования. Основной объём капель идёт на переработку, и лишь небольшая часть формирует изображение на отпечатке. Одно из главных преимуществ струйных печатающих головок данного типа — высокая скорость работы.

Kodak Stream — пример технологии непрерывной струйной гибридной печати. Периодические импульсы в нагревательных модулях возле каждого сопла печатающей головки формируют мельчайшие чернильные капли. Регулируя размер и форму импульса, система меняет размер точки и скорость распыления капель. Технология Stream генерирует капли на частоте 400 кГц, не уступая по скорости традиционным рулонным офсетным машинам. Более того, в Kodak уверены, что частоту импульсов реально повысить.

Ближайший конкурент ЦПМ Prosper — струйная рулонная ЦПМ от HP. Теоретическая максимальная частота для неё заявлена на уровне 100 кГц. А для пьезоэлектрических струйных принтеров стандартная частота составляет 25-40 кГц.

В основу технологии Stream легли микроэлектромеханические системы MEMS (они же использовались в печатающих головках HP Edgeline). Современная производственная технология MEMS по принципам напоминает методики изготовления интегральных микросхем, которые задействуют для создания сверхминиатюрных струйных структур на кремнии. Пластина с соплами представляет собой механические элементы, скомбинированные с электроникой на общей кремниевой основе.

Выбирай любую

Печатающие головки — лишь один из компонентов сложных печатных систем. Чтобы выбрать технологии, оптимальные для конкретной компании, обязательно принимайте во внимание технологические отличия. Учитывая широчайший выбор предложений на современном рынке, важно вооружиться как можно большим объёмом информации.

Об авторе: Джефф Бёртон ([email protected]), аналитик SGIA по цифровой печати и консультант по вопросам цифрового печатного производства, управления цветом и ассортимента продукции, цифровому оборудованию и производителям. За более чем 20 лет в отрасли работал менеджером по производству, консультантом ассоциации, тренером. Автор множества технических статей и докладчик на отраслевых мероприятиях.

* Журнал SGIA Journal. Март-апрель 2013. Публикуется с разрешения ассоциации SGIA. (с) 2013.

На ту же тему:

Основой любого процесса струйной печати является процесс создания капель красителя и переноса этих капель на бумагу или любой другой носитель, пригодный для струйной печати. Управление потоком капель позволяет добиться различной плотности и тональности изображения.
На сегодняшний день существует два различных подхода к созданию управляемого потока капель. Первый метод, основанный на создании непрерывного потока капель, так и называется - метод непрерывной струйной печати . Второй метод создания потока капель предусматривает возможность непосредственного управления процессом создания капли в нужный момент времени. Системы, использующие этот метод управления потоком капель, получили название системы импульсной струйной печати .

Непрерывная струйная печать

Краситель, находящийся под давлением, поступает в сопло и разделяется на капли путем создания быстрых колебаний давления, получаемые с помощью какого-либо электромеханического средства. Колебания давления вызывают соответствующую модуляцию диаметра и скорости выходящий из сопла струи красителя, которая разделяется на отдельные капли под воздействием сил поверхностного натяжения.
Этот метод позволяет достигать очень большой скорости создания капель: до 150 тыс. штук в секунду для коммерческих систем и до миллиона штук для специальных систем. Для управления потокам капель используется электростатическая система отклонения. Вылетающие из сопла капли проходят через заряженный электрод, напряжение на котором меняется в соответствии с управляющим сигналом. Поток капель попадает за тем в пространство между двумя отклоняющимися электродами, имеющими постоянную разность потенциалов. В зависимости от полученного ранее заряда отдельные капли изменяют свою траекторию по-разному. Этот эффект позволяет управлять положением печатаемой точки, так и ее наличием или отсутствием на бумаге. В последнем случае капля отклоняется настолько, что попадает в специальный улавливатель.
Подобные системы позволяют печатать точки диаметром от 20 микрон до одного миллиметра. Типичной является точка размером 100 микрон, что соответствует объему капли в 500 пиколитров. Основное применение такие системы нашли на рынке промышленной печати, в системах маркировки товаров, массовой печати этикеток, медицине и пр.

Импульсная струйная печать

Этот принцип создания потока капель предусматривает возможность непосредственного управления процессом создания капли в определенное время. В отличие от систем непрерывного действия, здесь отсутствует постоянное давление в объеме чернил, а при необходимости создания капли генерируется импульсы давления. Управляемые системы принципиально менее сложны в изготовлении, однако для их работы требуется устройство создания импульсов давления примерно втрое более мощно, чем для систем непрерывного действия. Производительность управляемых систем составляет до 20 тыс. капель в секунду для одного сопла, а диаметр капель - от 20 до 100 микрон, что соответствует объему от 5 до 500 пиколитров. В зависимости от способа создания импульса давления в объеме с чернилами различают пьезоэлектрическую и термическую струйную печать.
Для реализации пьезоэлектрического метода в каждое сопло установлен пьезоэлемент, связанный с чернильным каналом диафрагмой. Под воздействием электрического поля происходит деформация пьезоэлемента, благодаря которому сжимается и разжимается диафрагма, выдавливая каплю чернил через сопло. Подобный метод генерации капли используется в струйных принтерах Epson.
Положительным свойством таких технологий струйной печати является то, что пьезоэффект хорошо управляем электрическим полем, что дает возможность достаточно точно варьировать объемов получаемых капель, а значит и в достаточной степени влияет на размер получаемых пятен на бумаге. Тем не менее, практическое использование модуляции объема капель затруднено тем, что изменяется не только объём, но и скорость движения капли, что при движущейся головке вызывает ошибки позиционирования точки.
С другой стороны, производство печатающих головок для пьезоэлектрической технологии оказывается слишком дорогим в пересчете на одну головку, поэтому в принтерах Epson печатающая головка является частью принтера и по стоимости может составлять до 70% от общей стоимости всего принтера. Выход из строя такой головки требует серьезного сервисного обслуживания.

Для реализации термоструйного метода каждое из сопел оборудовано одним или несколькими нагревательными элементами, которые при пропускании через них тока за несколько микросекунд нагреваются до температуры около 600С. Возникающие при резком нагревании газовый пузырь выталкивает через выходное отверстие сопла порцию чернил, формирующих каплю. При прекращении действия тока нагревательный элемент остывает, пузырь разрушается, а на его место поступает очередная порция чернил из входного канала.
Процесс создания капель в термических печатающих головках после подачи импульса на резистор почти неуправляем и имеет пороговую зависимость объема испаряемого вещества от приложенной мощности, поэтому здесь динамическое управление объемом капели в отличие от пьзоэлектрической технологии весьма затруднительно.
Тем не менее, термические печатающие головки обладают самым высоким соотношением производительности и стоимости производства единицы продукции, поэтому термоструйная печатающая головка обычно является частью картриджа и при замене картриджа на новый автоматически происходи и смена печатающей головки. Однако, применение термических печатающих головок требует разработки специальных чернил, которые могут достаточно легко испаряться без возгорания и не подвержены разрушению при термическом ударе.

Печатающая головка Lexmark

Печатающая головка черного картриджа обычного разрешения 600 dpi для ранних моделей (Lexmark СJP 1020, 1000, 1100, 2030, 3000, 2050) имели 56 дюз, расположенных в два зигзагообразных ряда. Печатающая головка для цветных картриджей этих моделей имели 48 дюз разделенных на три группы по 16 дюз для каждого цвета (Cyan, Magenta, Yellow). Принтер Lexmark CJ 2070 использовал иную печатающую головку, которая содержала 104 монохромных дюзы и 96 цветных.
Для производства печатающих головок струйных принтеров Lexmark, начиная с 7000 серии используется печатающие головки, изготавливаемые с применением лазерной технологии прошивки дюз (Excimer, Excimer 2). Первые модели печатающих головок содержали 208 монохромных дюз и 192 цветных.
Для модели Z51 и старшей модели семейства Zx2 и Zx3 была разработана своя печатающая головка с 400 дюзами. В модели Z51 использовалась лишь половина дюз, а остальные работали в режиме горячего резерва, когда как в следующих моделях были одновременно задействованы все дюзы.
Младшие и средние модели семейства Zx2 используют картриджи, являющиеся модификацией стандартных картриджей высокого разрешения, а младшие и средние модели семейства Zx3, новые модели картриджей Bonsai.
Не оставляйте дюзы печатающей головки открытыми в течение продолжительного времени. Если дюзы оставить открытыми - чернила в них засыхают и засоряют каналы, что приводит к дефектам при печати. Картридж следует оставлять в принтере или в специальном боксе («гараже »). Нежелательно также дотрагиваться до дюз и контактов руками, так как сальные выделения от кожи могут испортить поверхность.

Характеристики печатающей головки

Период формирования мениска:
Это период времени, необходимый для повторного заполнения камеры чернилами. Он определяет рабочую частоту печатающей головки (от 0 до 1200 Hz).

Скорость капли:
Низкая скорость приводит непрерывному расположению точки.
Высокая скорость приводит к появлению брызг и разводов.

Масса капли определяется:
Размером нагревающего элемента.
Диаметром сопла.
Обратным давлением.

Замечено, что в обычных струйных принтерах капля чернил, попадая на бумагу принимает форму маленького треугольника, поэтому линии при ближайшем рассмотрении выглядят зазубренными. Это связано с тем, что в полете капля деформируется, а при соприкосновении с бумагой - расплывается. Особенно это заметно в низком режиме при экономной печати. Lexmark предлагает принтеры с новой, прогрессивной технологией печати, при которой форма сопел и скорость движения головки сбалансированы так, что капля чернил дают пятна, как равномерные штрихи. Это позволяет сделать линии гладкими, а качество печати почти неотличимы от лазерной печати. Кроме того, такая форма пятна позволяет избежать белесых полос на отпечатке.

Что такое чернила?

Каждый производитель струйных принтеров разрабатывает и совершенствует свой состав чернил, который наиболее адаптирован к выпускаемой технике. У Lexmark основными компонентами чернил для струйных принтеров является:
-Деионизированная вода (85-95% общего объема)
-Пигмент или краситель
-Растворитель (для пигментов)
-Увлажнитель (Humectant)
-Поверхностно-активное вещество (Surfactant)
-Биоцид
-Буфер (стабилизация pH)

Пигмент или краситель . Чернила на основе пигментов (только черные) изготовлены из твердых частиц, находящихся в жидкости. При попадании таких чернил на бумагу жидкость испаряется и частично впитывается, а порошок прилипает к поверхности, не растекаясь по ней. Поэтому чернила на основе пигментов водостойкие, обладают слабым проникновением в волокна бумаги, но они чувствительны к свету.
Чернила на основе красителей - это, как правило, цветные чернила. Краситель растворим в воде и впитывается вместе с ней в толщу бумаги при высыхании. Такие чернила высыхают быстрее пигментных, светоустойчивы, но зато дают в среднем пятен неправильной формы больше, чем последние.
Увлажнитель. Концентрация увлажнителя влияет на вязкость чернил. Этот параметр должен быть оптимален для данного состава чернил и печатающей головки, совместно с которой они будут использоваться. Действительно, с одной стороны, чем больше вязкость, тем хуже чернила растекаются по поверхности бумаги, давая меньший размер точки и тем более четким будет изображение. С другой стороны, слишком большая вязкость приводит к затянутому времени формирования мениска, что ухудшает скорость печати. Обычно, вязкость чернил является ключевым параметром при определении геометрических каналов в печатающей головке.
Поверхностное натяжение влияет на смачиваемость чернилами всех поверхностей, с которыми они соприкасаются, начиная от резервуаров в картридже и кончая поверхностью бумаги. Слишком низкое статистическое поверхностное натяжение приводит к более быстрому высыханию чернил на поверхности бумаги, но при этом средний объем капли при выдавливании чернил из дюз оказывается завышенным. Слишком высокое поверхностное натяжение увеличивает время высыхания, а следовательно ухудшает стойкость изображения при печати.
Уровень кислотности (РН) низкая кислотность приводит к низкой растворимости компонент чернил в воде и как следствие – плохой водостойкости изображения Стандартным считается уровень кислотности в диапазоне от 7.0 до 9.0.
В нутрии картриджа имеются резервуары с чернилами, дюзы печатающей головки и электрические контакты.
Цветной картридж содержит 3 отдельных ячейки для чернил трех разных цветов. В монохромном картридже содержится только одна ячейка с черными чернилами.

Чернила и цвета

Правильная передача цвета изображения на бумагу является высоко технологичным процессом, требующим учета немалого количества факторов, включая субъективную оценку. В первую очередь цветовая передача изображения зависит от химического состава чернил и бумаги, архитектуры принтера.
Обязательным требованием к чернилам является очень тонкий спектральный состав, иначе получаемые при смешении цвета будут «грязными». После высыхания чернила должны оставаться прозрачными, иначе не будет естественного смешения цветов.
Немаловажным фактором является также устойчивость к выцветанию, экологическая чистота и нетоксичность.
Считается, что оптимальный состав чернил ужу известен. Практически у всех производителей они представляют взвесь очень мелких частиц минерального пигмента. С цветными чернилами дело обстоит хуже, поскольку очень трудно подобрать минеральные красители нужного спектрального состава.
В настоящее время процедуры цветопередачи базируются на так называемых цветовых таблицах, которые используются для преобразования цветового пространства, в котором было создано изображение-оригинал, в некоторое «деформированное» цветовое пространство, учитывающее особенности передачи цветов на бумаге чернилами. Обычно, отдельные цветовые таблицы строятся для каждого типа бумаги и оптимизированы для каждого отдельного типа чернил и печатающих головок.

Драйверы Lexmark

Драйверы принтеров Lexmark после установки готовы к печати с автоматическим режимом распознавания объектов, позволяющим получить хорошее качество изображения без предварительной настройки. Автоматический режим также позволяет добиться оптимального сочетания качества и скорости печати документа. Настройки драйвера на специальную бумагу или выбор цветовых таблиц для более контрастного или естественного тона изображения выполняется очень просто в разделе настроек драйвера «Качество документа» (Document Quality)
Драйверы Lexmark серии Color Fine 2 позволяют автоматически определять тип картриджа, тем самым заметно упрощая процедуру настройки всех систем на другой тип картриджа или смену старого на новый. Характерной особенностью драйверов этой серии является их возможность работать с изображением в стандартах sRGB и ICM.
Стандарт sRGB предлагает, что для описания цветного изображения используется аппаратно-независимое цветное пространство, встроенное в OC Microsoft или в средства работы с Internet. Используя стандартизованное RGB-описание цветового пространства UTI-R BT.709, этот стандарт позволяет минимизировать передачу вместе с изображением дополнительной системы информации, связанной с цветовым профилем оборудования, на котором это изображение создавалось. В системной части файла с изображением лишь дается ссылка на стандарт, в котором оно было создано, а положение-получатель активно используется описанием цветового пространства, представленным операционной системой.
Стандарт ICM позволяет более точно определить разнообразие устройств генераций и отображение цветных изображений посредством использования цветных профилей оборудования для каждого типа устройств, генерирующих изображение и отображающих устройств. Однако, такой подход подразумевает, что системная информация, связанная с профилем оборудования, на котором создано изображение предается в месте с этим изображением.

Фотопечать

Серьезной проблемой в струйной печати является правильная передача светлых тонов изображения. Дело в том, что обычные цветовые решения для струйной печати дают точки изображения насыщенного цвета, поэтому для получения бледных оттенков нужно наносить капли чернил достаточно редко. Это приводит к тому, что при передачи очень светлых тонов пятна располагаются так далеко друг от друга, что становится заметна зернистость изображения, а также возникает проблема с передачей в светлых тонах.
Одним из радикальных способов решения этой проблемы является использование дополнительных чернил светлых тонов. В этом случае темные тона получаются за счет заливки осветленными чернилами. Картридж с такими чернилами обычно становится вместо второго картриджа (черного) и содержит чернила осветленного Cyan, осветленного Magenta и черного. Светло желтый тон не используется, поскольку этот цвет воспринимается человеческим глазом без особой разницы как и желтый.