Виды струйной печати

ВВЕДЕНИЕ

 

Несмотря на то, что струйные принтеры в привычном для нас виде появились лишь в конце прошлого века, история технологии струйной печати насчитывает более сотни лет и полна научных исследований и открытий. Эта технология (в общем случае, не учитывая различия в конкретных реализациях) подразумевает формирование изображения при помощи безударного точечного высокоскоростного нанесения жидких чернил через мельчайшие отверстия (сопла) печатающей головки на бумагу.

Начало развитию струйной технологии положил французский физик и врач Феликс Савар (Félix Savart), 1791-1841. В 1833 году, занимаясь исследованиями звучания труб, из которых вытекает тонкая струя жидкости, он обнаружил однотипность образования капель жидкости, выпускаемой через узкое отверстие. Математически описал этот процесс в 1878 году Барон Рэлей III (Third Baron Rayleigh), 1842-1919, в 1904 году ставший лауреатом Нобелевской премии в области физики.

Практическое применение теории началось гораздо позже, в середине прошлого века, и в 1951 году компания Siemens запатентовала первое устройство, разделяющее струю на однотипные капли. В 60-х годах компания IBM лицензировала технологию струйной печати и начала внедрять ее в собственных принтерах, в результате чего в 1976 году и появился первый струйный принтер, использующий метод непрерывной струйной печати

Наряду с развитием непрерывной струйной печати в 70-х годах прошлого века появился метод drop-on-demand («капли по требованию»), при котором устройство выпускает капли чернил только при необходимости их попадания на твердый носитель. Эта технология стала активно развиваться и на сегодняшний день в выпускаемых принтерах используются два основных метода струйной печати – пьезоэлектрический и термоструйный (или пузырьково-струйная печать).

Tехнология пузырьково-струйной печати была разработана компаниями HP и Canon. В этой технологии используются жидкие чернила, которые подаются в печатающую головку, оснащенную множеством сопел миниатюрного диаметра. Каждое из сопел оборудовано крохотным нагревательным элементом, способным очень быстро нагреваться до очень высоких температур (400-500 градусов по Цельсию). При включении он испаряет некоторый объем чернил, получаемый газ занимает значительно больший объем, нежели до этого занимала жидкость, в результате чего из сопла выталкивается порция чернил, оставляющая на бумаге точку.

После отключения нагревательного элемента газ быстро конденсируется, уменьшается в объеме и втягивает в капилляр новую порцию чернил. Canon назвала свой метод «bubble jet», а HP – «thermal inkjet», однако они используют один принцип и различаются лишь в деталях.

Простота конструкции и низкая стоимость такой печатающей головки дает возможность делать ее заменяемой и фактически решает извечную проблему надежности.

Компания Epson в своих струйных принтерах использует пьезоэлектрический метод, основанный на использовании пьезокристаллов, деформирующихся при воздействии на них электрического поля и установленных на каждом из капилляров, идущих к соплам. Колебания пьезоэлемента передаются на пластину (диафрагму), которая выталкивает управляемое количество чернил через сопла печатающей головки на бумагу.

Отсутствие нагрева (в отличие от термоструйной технологии печати) дает ряд преимуществ – значительно увеличивается ресурс печатающей головки, можно использовать различные типы чернил (не только термостойкие). Пьезоэлектрическая печатная головка практически рассчитана на весь срок службы принтера, в то время как термоголовки приходится делать сменными. К относительным недостаткам данной технологии можно отнести дороговизну и сложность в исполнении.

Особенно широко применяется струйная технология для цветной печати, она оптимальна по соотношению цена/качество и позволяет печатать цветные изображения фотографического качества. В этом случае используются головки с несколькими наборами сопел, каждый из которых распыляет краску одного из основных цветов – желтого, зеленого, красного или черного. А различные цвета получаются путем их смешивания.

Струйные принтеры, благодаря своей невысокой цене, небольшим размерам, тишине работы, возможности цветной печати, высокой разрешающей способности печати, достаточно высокой скорости печати (за исключением фотографий) приобрели необычайную популярность.

Струйная технологи не лишена и недостатков. Это высокая стоимость расходных материалов при небольшом их ресурсе, проблемы с засыханием чернил и засорением печатающей головки, требовательность к качеству бумаги, недостаточная водо- и светостойкость отпечатков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Виды струйной печати

 

Струйная печать во всех ее разновидностях и модификациях представляет собой принципиально новое направление в развитии полиграфии, предусматривающее бесконтактную печать без постоянной печатной формы с синтезом красочного изображения непосредственно на поверхности бумаги. Перспективность струйной печати заключается в ее отличной совместимости с электронной техникой при подготовке информации для воспроизведения в печати – с оптическими читающими устройствами, высокоскоростным фотонабором, цветоделителямицветокорректорами, видеотерминалами и компьютерами. Отсутствие в такой системе печатной формы, которая заменена печатной головкой, создает непрерывный информационный поток для выдачи готового печатного произведения.

Характерной особенностью струйного метода при многокрасочной печати является также возможность осуществления одновременного нанесения всех красок для однопроцессного получения готовых репродукций цветных изображений. Одновременное запечатывание одного и того же участка поверхности всеми красками позволяет решить проблемы приводки однокрасочных изображений при синтезе на отпечатке многокрасочных, устранить муар и обеспечить высокую резкость и четкость многокрасочного изображения.

Струйная печать имеет 2 разновидности: она бывает термической (электротермической) и пьезоэлектрической, в соответствии с рисунком 1.

 

Рисунок 1. Виды струйной печати

 

Каждая технология обладает своими преимуществами и недостатками. Например, при термоструйной печати трудно изменять размер капли, печатающая головка имеет меньшие размеры и стоимость, но в большинстве моделей принтеров ее надо заменять каждый раз, когда заканчиваются чернила. Такие головки проще электромеханических и могут с меньшим риском засорения работать с пигментными чернилами, а благодаря меньшим размерам их качество однопроходной печати несколько выше.

Струйный метод не предъявляет особых требований к качеству и микрогеометрии (неровности) поверхности запечатываемого материала. Струйная подача краски обеспечивает простоту заполнения всех микронеровностей запечатываемой поверхности. По этой причине возможно достичь высокой интенсивности и яркости отпечатка при минимальной толщине красочного слоя на нем.

В качестве оригинала служит цветной диапозитив размером 9 x 12 см. Оригинал сканируется анализирующей головкой и соответствующие сигналы, откорректированные электронной системой цветокорректора, управляют системой струйной подачи четырех цветных красок триады (CMYK). Репродукция максимального формата 3 x 4,5 м изготавливается описанным методом за 50 мин».

Струйное печатающее устройство может быть основано не только на аналоговом, но и на дискретном (цифровом) принципе воспроизведения, при котором изображение формируется из отдельных точек, одинаковых по размерам, но при их переменном числе на участках с различной оптической плотностью. Струйное печатающее устройство, основанное на этом принципе воспроизведения полутонов, предусматривает применение 39польной полутоновой шкалы с матричной структурой, состоящей из закрашенных и незакрашенных элементарных участков бумаги (размер капли плюс пробельные элементы).

Разработки струйных печатающих устройств были направлены на повышение качества воспроизведения и повышение их производительности. Принцип построчной печати, аналогичный построчной развертке в телевидении, открывал новые возможности. Эти возможности сегодня применяются при струйном способе репродуцирования для печати непосредственно у потребителей информации с использованием электронных каналов связи. Струйная печать применяется также для печати упаковок, рекламной и бланочной продукции и во многих других областях.

При использовании технологии струйной печати, напечатанные документы создаются путём впрыскивания струйки чернильных капель, которая наносится на печатную поверхность в соответствии цифровым файлом изображения. Такие технологии наиболее часто применяются в принтерах, предназначенных для широкого потребления благодаря их низкой цене, высокому качеству печати, способности напечатать яркие цвета и простоте в эксплуатации.

На данный момент, струйные принтеры преобладают на рынке персональных и офисных компьютеров. Струйные принтеры, как правило, недорогие, тихо и достаточно быстро работают; к тому же, многие модели обеспечивают высококачественный результат печати.

Непрерывная струйная печать. При применении технологии непрерывной струйной печати, капли чернил безостановочно наносятся поверхность при печати изображения, в соответствии с рисунком 2. Небольшие насосы выталкивают чернильные капли через сопло печатающей головки со скоростью более миллиона капель в секунду, что делает изображение аналогичным по качеству и равномерности переходов тонов с фотографией.

 

Рисунок 2. Технология непрерывной струйной печати

 

Чтобы быть более последовательными, вспомним первую технологию струйной печати, называемую непрерывной, где печатающая головка выстреливает непрерывный поток капель в сторону бумаги.

Поток чернил посредством вибрации сопла разбивается на капли, заряжается, а далее управляется отклоняющей системой. В результате управления электрическим полем капли попадают на носитель в нужном месте, образуя изображение. Капли, которые не используются, отклоняются в специальный уловитель и отводятся для повторного использования.

Существует три типа технологий непрерывной струйной печати: технология с использованием заряженных капель краски для печати, технология с использованием незаряженных капель краски для печати и технология с использованием устройства для отклонения струи краски.

Технология с использованием заряженных капель краски для печати: каплям краски придаётся заряд, под действием которого они изменяют траекторию и направляются на печатную поверхность для получения изображения. Т.е капли чернил, которые остались незаряженными, поступают в уловитель и возвращаются в систему для повторного использования.

Технология с использованием незаряженных капель краски для печати: в этой технологии также применяется электрический заряд чернильных капель, только именно незаряженные капли формируют печатное изображение, а заряженные капли поступают обратно в систему для повторного использования.

Технология с использованием устройства для отклонения струи краски: в этой технологии электрическому заряду подвергаются абсолютно все капли чернил, а нанесение капель на изображение происходит с помощью автоматического устройства, регулирующего отклонение направления струй краски.

Технология струйной печати с дозированием краски (импульсно-капельные технологии). Технология печати с дозированием краски представляет собой струйную технологию, при которой капли краски формируются, а затем наносятся на поверхность в соответствии с цифровым сигналом, в соответствии с рисунком 3. Существует два типа принтеров, использующих технологию печати с дозированием краски: пьезоэлектрические и термографические струйные принтеры.

Рисунок 3. Оборудование для струйной печати с дозированием краски

 

Недостаток такой технологии заключается в небольшой скорости печати, большим расходом чернил, дороговизной оборудования. Поэтому в данный момент такие системы работают только в промышленности для маркировки товаров, производства этикеток. Называются они «каплеструйные принтеры».

Нас же интересует потребительский рынок струйной печати, поэтому перейдем к другим системам, которые называются импульсными.

В этом способе поток чернил непостоянен, капли выпускаются только тогда, когда это требуется. В английском варианте так и называется – «капля по требованию» (Drop-On-Demand).

Изображение, формируемое струйным принтером на листе бумаги, состоит из мельчайших точек (посмотрите вплотную на экран монитора, и вы увидите подобные точки), а из-за особенностей зрения изображение воспринимается как единое целое. И технологическая задача импульсного струйного метода – «разбросать» капли в определенном порядке на бумагу или другой носитель. Чтобы вытолкнуть чернильную каплю из сопла печатающей головки, нужно создать избыточное давление в камере с чернилами, а потом заполнить ее новой порцией. Используются два метода, чтобы этого достичь, и соответственно выделяются две технологии струйной печати: термоструйная и пьезоэлектрическая.

Сегодня только струйные принтеры могут обеспечить высочайшее качество изготовления постеров и репродукций картин. Чрезвычайно низкие начальные капиталовложения, малая стоимость печати, отличное качество печати, большой выбор используемых материалов (бумаг и холстов), различные форматы печати – именно поэтому принтер и плоттер (широкоформатный принтер) сегодня вне конкуренции.

Технология термоструйной печати. В термоструйной печати используется нагревательный элемент, встроенный в стенку чернильной камеры (называют его еще терморезистор или электрод), в соответствии с рисунками 4 и 5. Когда на него подается ток, чернила мгновенно нагреваются до температуры больше 500 градусов, образуется газовый пузырь, который выталкивает чернильную каплю наружу (поэтому печать иногда называют термопузырьковой). Затем чернила охлаждаются, газовый пузырь схлопывается, образуя зону пониженного давления, в результате в камеру поступает новая порция чернил.

Струйный принтер формирует изображение на носителе (бумага, холст) в результате окрашивания его микроскопическими цветными каплями («струями»). По способу печати принтеры подразделяются на те, в печатающих головках которых заложен принцип термопечати, когда чернила выпрыскиваются на бумагу из дюз в результате их нагрева («термодиффузия»), и те, в которых используется пьезопечать – головка принтера содержит пьезонасосы, выстреливающие микрокапли чернил. А также пузырьковая технология печати представляет собой частный случай термоструйной печати, в котором выброс чернил осуществляется исключительно за счет формируемых газовых пузырьков, возникающих при нагреве чернил, при этом нагревательный элемент расположен сбоку от сопла, а не за ним, как в классических термоструйных принтерах.

 

Рисунок 4. Термоструйная печать. (Hewlett Packard, Lexmark)

 

Рисунок 5. Принципиальная схема работы технологии термоструйной печати

 

Термоструйную печать используют Hewlett Packard, Canon, Lexmark, Xerox, Olivetti. Она носит название Jet Ink. Производство термоголовок относительно недорогое, и картриджи для этих принтеров представляют собой сочетание печатающей головки и резервуара с чернилами. Поэтому картридж после использования подлежит замене.

Пьезотехнология. Пьезотехнология разработана и применяется компанией Epson. Пьезоэлектрическая печать основана на особых свойствах пьезокристаллов, в соответствии с рисунком 6. Одно из свойств – вырабатывать ток при деформациях. В проигрывателях виниловых грампластинок используется как раз пьезоголовка. Неровности дорожки пластинки передаются через иглу на пьезоэлемент, который, деформируясь, вырабатывает электрический сигнал. Затем он усиливается и воспроизводится в виде звука. Многие физические явления обратимы. И в пьезоэлементе используется обратное его свойство, то есть способность деформироваться, при подаче на него напряжения.

Рисунок 6. Принципиальная схема работы пьезоэлектрической головки

 

Данная технология работает следующим образом. Пьезоэлектрик конструктивно связан с вибрирующей пластиной, называемой диафрагмой или мениском. Когда на пьезоэлемент, в соответствии с рисунком 7 , подается сигнал, он прогибается и воздействует на диафрагму, которая увеличивает давление в камере и, действуя как микронасос, выталкивает порцию чернил.

Рисунок 7. Пьезоструйная печать. (Epson)

 

Пьезоэлектрическая печатающая головка – высокотехнологичное и дорогое изделие. Она является частью принтера и смонтирована на каретке устройства. Соответственно, заменяемые картриджи – это только чернильницы.

Пузырьковая технология печати. Несколько обособленно стоит технология, используемая Canon. Применяется та же термоструйная технология, только термоэлемент расположен не за соплом, а в канале сбоку. Canon называет эту технологию Bubble Jet («пузырьковая»), в соответствии с рисунками 8 и 9.

 

Рисунок 8. Принципиальная схема работы технологии термоструйной «пузырьковой» печати

 

Еще отличие состоит в том, что печатающая головка находится в принтере, а картриджи представляют собой резервуары с чернилами (чернильницы). Правда, головка установлена в принтере не «жестко», и при необходимости ее можно заменить.

 

Рисунок 9. Пузырьковая технология печати. (Canon)

 

Сублимационная струйная печать. Применяется для нанесения изображений с фотокачеством на предметы, которые сложно или невозможно вставить в принтер. Для печати на струйных принтерах используются специальные сублимационные чернила на органических красителях.

Особые свойства этих чернил - сублимировать при температурах 180-200С и диффундировать в полиэфирные материалы, образовывая прочные химические связи с полимерами.

На практике эта технология выглядит следующим образом. На струйном принтере с сублимационными чернилами печатается зеркальное изображение файла на обычной или специальной бумаге. Затем этот отпечаток прижимается к поверхности на которую требуется нанести изображение и нагревается до температуры 180-200С. При этом поверхность должна иметь полиэфирное покрытие или сам материал должен содержать более 70% полиэфира (полиэстера).

 

1.1 Виды чернил для струйной печати

 

Имеются существенные различия в чернилах, применяемых для печати. Под каждый принтер разрабатываются свои, индивидуальные чернила, поэтому нельзя использовать «синие» чернила для принтера Epson 220 в качестве «синих» чернил для Epson 1290. Но самое главное, на что следует обратить внимание при выборе принтера, существует два больших класса чернил – водорастворимые и пигментные, и соответственно различаются принтеры – печатающие либо водорастворимыми, либо пигментными чернилами.

Водорастворимые чернила – водный раствор органических веществ. Они отличаются низкой стоимостью, позволяют добиться высокой реалистичности цветопередачи, но неустойчивы к ультрафиолету и воде, что не позволяет подвергать напечатанное изображение активному воздействию солнечных лучей и влаги. Водорастворимые чернила следует применять только с фотобумагами, так как такие бумаги имеют специальное покрытие, фиксирующее чернильные капли, проникающие вглубь (на обычной офисной бумаге чернильная капля растекается произвольно). Кроме того, фотобумаги, особенно глянцевые, имеют защитное покрытие, уберегающее изображение от воздействия ультрафиолета и влаги. Поэтому водорастворимые чернила наилучшим образом подходят для печати фотографий, изготовления репродукций, распечатки красочных буклетов, документов. Дополнительную защиту репродукциям, отпечатанным на холстах и арт-бумагах обеспечивают специальные лаки и гели.

Достоинства струйной печати. К важнейшим достоинствам способа струйной печати относятся следующие:

- возможность полного программирования  процесса печати и одностадийность  его проведения;

- решение всех проблем, связанных  с изготовлением печатной формы  и с ее износом;

- высокая скорость печатания;

- большая разрешающая способность  процесса печати;

- возможность печати на самых  разнообразных по фактуре поверхности, по составу и механическим  свойствам материалах (бумага, пластмассы, металлы, ткани и т.д.);

- оперативное модулирование программ  печатания с помощью запоминающего  устройства компьютера, клавиатуры или другого носителя цифровой информации;

- устранение сложностей, связанных  с приводкой красок при печати  многокрасочных изображений (все  краски, необходимые для воспроизведения  оригинала, наносятся на запечатываемый  материал одновременно).

Пигментные чернила представляют собой органические или неорганические пигменты очень малых размеров (около 0,01 мкм), нерастворимые в воде. По яркости отпечатка пигментные чернила уступают водорастворимым. Преимуществом пигментов является их высокая устойчивость к свету и влажности. Кроме того, печатать пигментными чернилами можно практически на любых типах бумаг и с достаточно высоким качеством, потому что пигмент не проникает вглубь носителя, окрашивая только его поверхность. Пигментные чернила целесообразно использовать при изготовлении визитных карточек, баннеров, вывесок, рекламных щитов, изготовлении рекламы, наносимой на транспортные средства. Однако, уже сегодня есть специальный подкласс пигментных чернил, близких по свойствам водорастворимым. Такими чернилами печатают плоттеры.

На данный момент применяется использование пигментных чернил в принтерах с водорастворимыми чернилами, также и наоборот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Струйная печать используют для получения как чернобелых, так и цветных изображений: цветопробы, крупноформатных цветных репродукций, цветных плакатов и фотографий, кодирование почтовых отправлений, маркировки деталей и тому подобное. Струйным способом печати легко достигается персонализация продукции. Они широко используются в выводных устройствах ЭВМ.

Преимуществами этого способа являются: а) отсутствие печатной формы, что предельно упрощает технологический процесс и ускоряет начало печатания б) невысокие требования к структуре бумаги, в) возможность корректировки содержания в процессе печатания; г) экологическая чистота; д) простота струйного устройства. Определенными недостатками являются сравнительно низкая производительность и качество печати.

Существует два варианта струйной печати:

- с программным управлением выталкиваются капельки краски с целью попадания в заданное положение на объекте печати;

- с программным выборочным выталкиванием капелек краски через сопла подвижной кассеты непосредственно на запечатываемый материал.

Струйную печать можно подразделить на две основные категории: с непрерывной подачей красителя и капельно-импульсную («капля по требованию», «drop-on-demand (DOD)»). Непрерывная струйная печать, история которой стартовала в начале 1960-х гг. с записи электрических сигналов на бумагу, использует непрерывную подачу струи жидкости. Природные силы заставляют непрерывную струю случайным образом разбиваться на мельчайшие капельки.

Процесс похож на поливку садовым шлангом. Сначала вода выходит одной струей, но прежде, чем

она коснется земли, формируются капли различных размеров. Такое случайное формирование капель плохо для печати, потому что капли не могут аккуратно разместиться на поверхности бумаги. Решение данной проблемы состоит в «стимулировании» распадения струи с использованием высокочастотных колебаний давления, благодаря чему капли формируются предсказуемым и повторяемым образом.

Заряжая каплю электрическим зарядом, в тот момент, когда она отделилась от основной непрерывной струи, и пропуская ее сквозь электрическое поле, можно добиться точного контроля попадания капли на бумагу. Капли, которые не попали на бумагу, были отклонены и направлены в систему рециркуляции чернил для дальнейшего использования. Преимущество от использования струйной печати с непрерывной подачей краски состоит в том, что она не дает жидкости засыхать в соплах.

Капельно-импульсный способ струйной печати (DOD) описан по принципу «масленки». Закрытая камера с маленьким соплом на одном конце, наполненная чернилами, уменьшается в объеме под действием пьезоэлектрического привода. Уменьшение объема камеры выталкивает жидкие чернила через сопло.

Вариацией на эту тему является термографическая струйная печать («пузырьковая»), при которой вместо сокращения объема камеры жидкие чернила расширяются при нагревании их небольшого объема, выбрасывая каплю через сопло. Скорость выброса капель в струйных принтерах ограничена приблизительно 20 000 капель в секунду, в основном, из-за сложностей с наполнением чернильной камеры. Повышение скорости капельно-импульсной печати (DOD) требует множества сопел или специальной схемы расположения.

Устройства струйной печати являются растровыми устройствами и используются главным образом в недорогих системах формирования цветных изображений. Основной принцип струйной печати состоит в распылении микроскопических капель краски на носитель изображения. Существуют два типа устройств струйной печати: с непрерывным распылением и с распылением по запросу.

Устройства первого типа формируют поток частиц путем распыления краски через форсунку. Такой поток прерывается с помощью ультразвуковых волн. Капельки краски, которые должны быть нанесены на бумагу, получают электрический заряд. Специальные отражательные пластины управляют направлением движения частиц. Все незаряженные частицы отклоняются таким образом, что они попадают в желоб и возвращаются затем в резервуар. Обычно в качестве носителя изображения используется бумага или прозрачная пленка.

Особенно широко применяется струйная технология для цветной печати, она оптимальна по соотношению цена/качество и позволяет печатать цветные изображения фотографического качества. В этом случае используются головки с несколькими наборами сопел, каждый из которых распыляет краску одного из основных цветов – желтого, зеленого, красного или черного. А различные цвета получаются путем их смешивания.

Струйная технология не лишена и недостатков. Это высокая стоимость расходных материалов при небольшом их ресурсе, проблемы с засыханием чернил и засорением печатающей головки, требовательность к качеству бумаги, недостаточная водо- и светостойкость отпечатков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1 Соловьев Е.Л. Технологии струйной печати – М.: Наука, 1994. – С.35-48.

2 Майдак. М.М. Цифровая технология // Электронная версия на сайте http:// www.izbakurnog.historic.ru/links/catalog.html.

3 Соловьев. С.А. Оперативная  полиграфия // Электронная версия  на сайте http:// www.microftsoft.ru/RuBooks2005/RuBooks2004.html.