Серце струминного друку: друкуюча головка

February 18, 2010 Автор: Міша Царик

Струминна друкуюча головка є серцем будь-якої друкуючої струминної системи. На теперішньому етапі розвитку друкуючої техніки існують дві основні технології формування краплі - це термічна та п’єзоелектрична. Наша стаття торкнеться розбіжностей між цими технологіями друкуючих голівок, де вони працюють на сучасному ринку принтерів та особливі вимоги до чорнила, яке використовується для таких головок. Також ми подивимось в майбутнє – що нового, чим воно відрізняється і можливі шляхи його розвитку.

Розвиток термічних друкуючих голоів почався в 1979 році з майже паралельних концепцій, продемонстрованих Canon та НР. Проте НР перші досягли комерційного застосування в принтері ThinkJet в 1984 році. Ця рання модель була повільною й мала роздільну здатність всього 96 точок на дюйм, але то було пришестя цієї доступної струминної друкуючої головки, яке допомогло НР зрушити кригу в створенні друкуючої технології. Принцип роботи всіх термічних друкуючих голів є майже одинаковими. В голові є нагрівач, або резистор, розташований в кінці кожного чорнильного каналу, біля отвору друкуючої головки. Короткий імпульс напруги, поданий на резистор, викликає швидке нагрівання чорнила майже до точки кипіння. Цей перехід від стану рідини до стану пари викликає розширення чорнила, яке витискає краплю через отвір друкуючої головки. Крапля відривається і нагрівач знову готовий до роботи. Цей процес може повторюватися й відтворюватися тисячі разів за секунду.

“Стрільба” з даху і краю. Існує два види термічного друку: “стрільба з даху” та “стрільба з краю”. Жоден з видів не є кращим, хоча конструктивні переваги є в кожному, та ці дві конструкції рівнозначні. “Стрільба з даху”, яка використовується в НР та Lexmark, вистрілює чорнило прямо перед резистором. В результаті – менша величина парової кульки, що призводить до більшої повторюваності крапель. При такому способі подача чорнила відбувається із-за резистора. Завдяки цьому чорнило, що подається, приймає частину тепла, яке генерується, зменшуючи таким чином можливість перегріву. На противагу, конструкція “стрільба з краю”, яка використовується Canon та Xerox, виштовхує чорнило збоку від нагрівача. Реезультаом є більший розмір парової кульки – менша повторюваність крапель. Однак цей спосіб дозволяє спростити конструкцію, полегшити виробництво й залишається популярною дешевшою альтернативою. Розвиток конструкції “стрільби з краю” зробив кращим виконання й тепер можливо досягти повторюваності краплі на рівні “стрільби з даху”. Настільні принтери, які використовують термічні друкуючі головки, займають приблизно 75% ринку з НР в якості світового лідера. Однак ця технологія не обмежується настільними принтерами. Завдяки швидкості та безвідмовності термічні головки знайшли широке застосування на широкоформатній графічній арені з НР Designjet, Encad Novajet (головка Lexmark) та ColorSpan принтерами (головка НР). Найбільшою перевагою термічних друкуючих головок є легкість виробництва та низька вартість (близько 10% вартості п’єзоелектричної друкуючої головки). Крім того, головки більшості термічних принтерів користувач може міняти з картриджем або і самі голови без ремонту принтера.

Нагрівання до кипіння. Термічні друкуючі головки мають дві головні вразливі риси. По-перше, під час утворення механізмом нагрівання парової кульки елементи резистора схильні до явища так званої коагуляції. Під цим розуміють запікання складових чорнила на елементі нагрівання, які його ослаблюють. По-друге, метал електроніки на одноразовому картриджі схильний до відшарування, корозії та інших явищ, спричинених чорнилом та навколишніми умовами. Внаслідок властивостей технології, термічні головки зазвичай потребують водного чорнила, яке «кипить» при температурі що створюєтеся голівкою. Завдання розробників чорнила – зрозуміти обмеження цієї технології при розробці складу чорнила для такої головки. Наприклад, чорнило, яке використовується в таких головках, провинно бути з низьким вмістом солей та вільним від металів, які можуть призвести до коагуляції та похибок друку. Також важливо, щоб рН ретельно контролювався, щоб запобігти корозії чи проблем сумісності матеріалів. Результатом простоти й відносної дешевизни виробництва термічної головки стала одноразова друкуюча голівка, яка може бути використана для створення струминних принтерів за доступними цінами з широкою різноманітністю застосування. Термічні друкуючі голівки легко пристосовуються для спеціальних застосувань, таких, як напис адрес та друк наклейок в поштовій індустрії. Постійна мініатюризація цих друкуючих головок може призвести до інтеграції струминного принтера в будь-який електронний пристрій. Майбутнє може зажадати принтерів, вбудованих в телевізори, лептопи, цифрові камери та де-небудь, коли замовник захоче мати можливість отримати видрук зображення.

П’єзоелектричні друкуючі головки – другий головний гравець на арені настільного друку формуванням краплі. Ця концепція була вперше задумана близько 30 років тому як одна з ранніх безударних технологій друку. Перший комерційний продукт з використанням цієї технології був Siemens РТ-80, випущений у 1997, який був здатний друкувати тільки на 120 точок на дюйм. На відміну від термічних головок, які потребують нагрівання для викиду краплі, п’єзоелектричний друк спирається на генерацію електричного поля і, як наслідок, деформацію спеціального керамічного матеріалу. Це викликає зміни об’єму чорнила в камері тиску й виштовхування чорнила через друкуючий отвір на носій запису. Для формування краплі потрібні значні зміни об’єму чорнила, тому фізичний розмір носія зазвичай набагато більший за друкуючий отвір, що обмежує можливості при створенні друкуючої головки. Зрозуміло, лідером ринку у використанні технології п’єзоелектричних головок до сьогодні є Epson. Друкуюча голівка Epson є постійною складовою принтера. Сам картридж, по суті, став резервуаром чорнила. Випуск в 1993 Epson Stylus 800 відзначений як перший комерційно успішний струминний принтер. Інші виробники п'єзоелектричних друкуючих головок змагаються головним чином на інших ділянках ринку, в першу чергу в промисловому та великоформатному друці. Xaar, Spectra та Hitachi Koki – це кілька головних постачальників на цих ринках.

Переваги та недоліки Epson. Головною перевагою технології друкуючої головки Epson стала можливість досягти дуже високої роздільної здатності (2889 точок на дюйм) та фото якості друку. П’єзоелектрична друкуюча головка, в цілому, дозволяє отримати більше свободи у виборі чорнила. П’єзоелектрична друкуюча головка може “вистрілити” чорнило на базі розчинника, олії та тверде чорнило так само, як чорнило з сублімованого барвника і ті, які містять спеціальні добавки. Нарешті, п’єзоелектрична головка дозволяє легше змінювати розмір краплі. Така технологія була пізніше розроблена Canon для термічних систем. Головними недоліками п’єзоелектричних головок стали ціна та розміри. Головка не може бути зменшена для використання в деяких майбутніх застосуваннях. До того ж, через вищу ціну виробництва, принтери з п’єзо головками зазвичай не можуть конкурувати в низькоціновому сегменті, де сильніші ті, які використовують технологію термоголовки. Іншим ключовим недоліком п’єзоелектричних головок є їх чутливість до “спійманого” повітря. Картридж та система подачі чорнила мають бути сконструйовані так, щоб мінімізувати розчинення кисню, який може призвести до неточного “пострілу” або пропуску отворів та помітних дефектів друку. Часто такі “повітряні пропуски” потребують частих прочисток головки і втрати, в кращому випадку, чорнила. Суть, таким чином, полягає в тому, щоб заправник картриджа заправляв його за допомогою вакууму та пакував належним чином для запобігання потрапляння повітря. Також важливо, щоб розробник чорнила створив чорнило з добавками та розчинниками, які викликають мінімальне виникнення бульбашок або швидке їх розсмоктування. Процес заправлення критичний особливо при підвищенні вихідної швидкості та зменшенні розміру краплі, що реалізовано в останніх моделях Epson. П’єзоелектрична технологія може використовуватись для багатьох поточних та нових застосувань. Друк для бігбордів, графіки та репродукцій творів мистецтва, обладнання для поштового маркування – це все зростаючі області для п’єзоелектричної технології. Завдяки своїй головній перевазі – різноманітності чорнила – п’єзо буде гравцем багатьох нових ринків, які потребують маркування на спеціальних матеріалах, таких як непористі або ткані матеріали. Текстильна продукція, медичні зображення та мікрометрія біохімічних або полімерних матеріалів розвинулись як нові досягнення виробників п’єзоелектричних друкуючих головок.

Безперервний струминний друк. На додаток до термо- та п’єзоструминного друку існує інша загальна технологія – безперервний струминний друк (CIJ). Крім обладнання для продукування крапель, CIJ має також включати систему відхилення крапель, методи збирання та рециркуляції чорнила для збирання та повернення чорнила, яке не потрапило на матеріал. Чорнило, яке використовується в CIJ має бути електропровідним. CIJ популярний в індустріальних застосуваннях, таких як штрих-кодування, етикетки на продукції та друк на коробках. Відносно висока вартість виробництва, поєднана з необхідністю хоча б часткової участі оператора, не дозволяє CIJ посісти сходинку на ринку настільних принтерів.

Висновок. Хоча термічні, п'єзо та CIJ технології займають за оцінками від 97 до 99 відсотків всіх застосувань струминного друку, існує певна кількість нових гравців, які вже окопалися в електронній індустрії. Ці компанії концентрують свої дослідження в надзвичайно прибутковому бізнесі виробництва друкуючих головок з використанням нових технологій. Хоча інші технології друкуючих головок розвиваються й удосконалюються, на сьогодні тільки декілька довели свою комерційну практичність. НР, Lexmark, Canon та Epson скористались домінуючою ринковою позицією своїх принтерів з термічними та п’єзоелектричними друкуючими головками в оселях та офісах по всьому світу. Вони продовжили боротьбу на теренах швидкості, розміру краплі та роздільної здатності. Проте там досягнуто межі й нові застосування стають полем битви. Ці застосування потребують нового чорнила й кращих технологій конструювання голівок. Це та галузь, де нові технології та гравці можуть поборотися й конкурувати за належне місце. Здається, що на початку 21 сторіччя не існує визначених обмежень для розвитку технологій струминного друку.

Дивіться також:

Коротка пам'ятка по роботі з струминним принтером

Деяка інформація про Систему Неперервної Подачі Чорнила