Современные устройства каплеструйной печати

Дмитрий Гудилин

Устройства каплеструйной печати с непрерывной подачей чернил

Устройства каплеструйной печати с импульсной подачей чернил

Чернила для каплеструйной печати

Каплеструйная печать широко применяется сегодня как в печатающих устройствах класса SOHO, так и в промышленных установках.
В этикеточном и упаковочном производстве каплеструйные устройства используются в основном в качестве вспомогательных, предназначенных для печати переменной информации (различной маркировки). Применение каплеструйных технологий для печати качественной тиражной продукции пока себя не оправдывает, поскольку они не обеспечивают требуемого соотношения «производительность/качество/цена оттиска». Однако ряд уникальных достоинств каплеструйной печати заставляет продолжать активные исследования в этой области, так что в ближайшее время ситуация может измениться и каплеструйные печатающие устройства составят серьезную конкуренцию традиционным печатным машинам.

Каплеструйная печать — бесконтактный цифровой способ, при котором элементы изображения формируются на запечатываемом материале каплями жидкой краски (чернил).

Различные разновидности каплеструйной печати имеют следующие достоинства:

• возможность многокрасочной печати;
• низкая стоимость чернил;
• высокая скорость;
• высокое разрешение;
• отсутствие контакта с запечатываемым материалом;
• большое разнообразие запечатываемых материалов;
• низкий уровень шума.

Технологии каплеструйной печати принято делить на две группы:

• c непрерывной подачей чернил (continuous);
• с прерывистой подачей чернил (drop-on-demand).

Устройства каплеструйной печати с непрерывной подачей чернил

Сущность печати с непрерывной подачей чернил состоит в генерации непрерывной струи (последовательности) капель с сообщением для капель, участвующих и не участвующих в формировании изображения, разных траекторий движения. Лишние капли попадают в ловушку и возвращаются системой рециркуляции в красочный резервуар.

Упрощенная эквивалентная схема процесса зарядки капель

Каплеструйное устройство с капилярным диспергированием

Устройства каплеструйной печати с непрерывной подачей чернил могут классифицироваться по нескольким группам признаков: например, по назначению, производительности, красочности и т.д. С точки зрения их конструкции наиболее интересна классификация по способу разделения струи на капли и по методу модуляции струи или наличию дефлектора. По способу разделения струи они делятся на две группы:

• устройства со свободным разделением струи;
• устройства с принудительным разделением струи.

По методу модуляции струи или наличию дефлектора тоже различают две группы:

• устройства с выборочным зарядом капель (с дефлектором);
• устройства с зарядом всех капель (без дефлектора).

Современные устройства каплеструйной печати с непрерывной подачей чернил обычно содержат следующие основные узлы:

• устройство подачи чернил;
• эмиттер;
• устройство разделения струи на капли;
• модулятор;
• дефлектор;
• ловушку;
• устройство рециркуляции чернил.

Устройство подачи чернил включает резервуар и насос, подающий чернила в эмиттер и создающий технологически необходимое давление (напор) для формирования струи.

Эмиттер соединен с устройством подачи чернил трубопроводом и представляет собой небольшую красочную камеру с отверстием — соплом. В результате нагнетания чернил в красочную камеру через сопло выбрасывается непрерывная струя.

Каплеструйное устройство с электродиспергированием чернил

Каплеструйное устройство, печатающее незаряженными каплями

Чернильная струя отличается неустойчивостью и имеет тенденцию распадаться на капли. Однако при естественном образовании капли не отличаются стабильностью размеров и скорости, поэтому в современных устройствах каплеструйной печати используется принудительное разделение струи.

Наиболее широкое распространение получило разделение струи на капли путем внесения в нее периодических возмущений, как правило высокочастотных (ультразвуковых) колебаний, с помощью пьезоэлектрического преобразователя. При этом удается стабилизировать параметры процесса каплеобразования и получить капли одинакового размера с заданной частотой следования и скоростью.

Менее распространено применение для генерации капель электростатических полей. В этом случае чернила поступают в сопло под небольшим давлением, а капля образуется в результате нарушения устойчивости мениска чернил под действием высокой разности потенциалов (около 2 кВ) между соплом и находящимся около него электродом. Движение капли к запечатываемому материалу происходит под действием еще более высокой разницы потенциалов (около 7 кВ).

Модулятор в каплеструйной печати служит для управления параметрами капель с целью обеспечения их последующего разделения на участвующие и не участвующие в формировании изображения. Как правило, модулятором служит электрод в форме полого цилиндра, расположенный в точке разделения струи на капли и сообщающий каплям электростатический заряд определенного потенциала.

Дефлектор обычно выполняется в виде направляющих (отклоняющих) пластин, электростатическое поле которых обусловливает изменение траектории полета заряженных модулятором капель. Подобный принцип используется для управления движением электронов в электронно-лучевой трубке.

Капли, не участвующие в формировании изображения (обычно их большинство), захватываются ловушкой и попадают в систему рециркуляции. Система рециркуляции включает небольшой резервуар для неиспользованных чернил, из которого они по трубопроводу через фильтр поступают в красочный резервуар.

Существует несколько вариантов реализации процесса каплеструйной печати с непрерывной подачей чернил.

При наиболее распространенной схеме капли избирательно заряжаются электродом. Заряженные капли направляются отклоняющими пластинами на запечатываемый материал, а незаряженные попадают в ловушку. При таком варианте за счет сообщения каплям разной величины заряда может производиться развертка изображения по вертикали или по горизонтали, то есть за один проход печатающей головки печатаются несколько строк или несколько точек в одной строке¹.

Каплеструйное устройство с зарядом всех капель: а — максимальная плотность отпечатка; г — минимальная плотность отпечатка

Вместе с тем описанная схема не обеспечивает высокой точности позиционирования капель на запечатываемом материале в силу следующих причин:

• разная величина пути капель с различной величиной заряда от сопла до запечатываемого материала;
• разные углы падения на запечатываемый материал капель с различной величиной заряда;
• траектория полета капель искажается из-за взаимодействия их зарядов между собой;
• траектория полета капель искажается из-за их аэродинамического взаимодействия.

Этих недостатков лишена схема, при которой незаряженные капли попадают на запечатываемый материал, а заряженные направляются в ловушку. Однако при таком варианте реализации процесса вертикальная развертка изображения выполняется только за счет перемещения печатающей головки или запечатываемого материала (объекта), то есть производительность печатающего устройства значительно снижается.

Эмиттер с пьезоэлектриками с продольной деформацией: а — состояние покоя; б — подача управляющего напряжения на пьезоэлектрики, забор чернил; в — смена полярности управляющего напряжения, выброс капли; г — отключение напряжения, возврат в состояние покоя

Помимо модуляции струи путем выборочного заряда капель известен метод, при котором заряжаются все капли, а модуляция осуществляется благодаря изменению величины заряда струи. При такой схеме на пути капель установлена ловушка с отверстием (апертурой). Капли, проходящие через апертуру, попадают на запечатываемый материал, остальные возвращаются в систему рециркуляции чернил. Количество капель, проходящих через апертуру, а следовательно, и оптическая плотность печатающегося элемента изображения обратно пропорциональны величине заряда, сообщаемого струе. При максимальном напряжении заряда (до 500 В) капли отталкиваются друг от друга и образуют расходящийся пучок; при нулевом заряде все капли проходят через апертуру. Недостатком подобного способа модуляции струи является сложность определения зависимости количества капель, попадающих на запечатываемый материал, от напряжения заряда. На практике это означает, что откалибровать подобное устройство крайне сложно.

Главное достоинство устройств с непрерывной подачей чернил — высокая скорость печати. В этих устройствах не возникает проблемы высыхания чернил в сопле, свойственной устройствам с прерывистой подачей чернил.

Основным недостатком, характерным для устройств с непрерывной подачей чернил, является невысокое качество печати, обусловленное следующими причинами (в дополнение к изложенным выше, свойственным наиболее быстродействующей конструкции устройства):

• недостаточно высокой точностью позиционирования капли из-за большого пути полета;
• из-за высокой скорости полета происходит удар капли о запечатываемый материал, что приводит к значительному увеличению размера точки по сравнению с диаметром капли.

Существенным недостатком устройств с непрерывной подачей чернил является также сложность их конструкции.

Устройства каплеструйной печати с импульсной подачей чернил

Сущность каплеструйной печати c импульсной подачей чернил состоит в эмиссии только тех капель, которые участвуют в формировании изображения. В англоязычной литературе для обозначения этих технологий широко используется термин drop-on-demand — «капля по требованию».

Создание и направление к запечатываемому материалу капель в этих устройствах происходит под действием давления. Для того чтобы чернила выбрасывались из сопла по одной капле, повышение давления должно иметь характер кратковременного импульса.

Эмиттер с пьезоэлектриками с деформацией сдвига

Эмиттер термоэлектрического устройства каплеструйной печати: а — состояние покоя; б, в — подача управляющего напряжения на термоэлемент, формирование пузырька пара; г — выброс капли; д — отключение управляющего напряжения, остывание термоэлемента

В качестве источника импульсного давления наиболее часто применяются пьезоэлектрические и термоэлектрические преобразователи.

Пьезоэлектрическая каплеструйная печать основана на использовании обратного пьезоэффекта, то есть возникновения механических деформаций диэлектрика (пьезоэлектрика) под действием электрического поля. В результате деформации пьезоэлектрика в красочной камере создается импульс давления, выталкивающий каплю чернил из сопла. При возврате пьезоэлектрика в исходное положение после снятия напряжения в камеру подаются свежие чернила. В современных струйных печатающих устройствах применяются пьезоэлектрики с продольной и сдвиговой деформацией.

Пьезоэлектрики с продольной деформацией могут выполняться в виде полых цилиндров или плоских пластин. Внутрь цилиндрического пьезоэлектрика помещаются чернила, при подаче электрического импульса стенки такой красочной камеры сжимаются, в результате чего происходит выброс капли. Плоский пьезоэлектрик образует одну из стенок красочной камеры, при подаче электрического импульса он изгибается, выталкивая каплю чернил из сопла. Плоские пьезоэлектрики отличаются низкой стоимостью, однако их колебания с достаточно большой амплитудой диктуют высокие требования к прочности корпуса печатающей головки.

Пьезоэлектрики со сдвиговой деформацией могут иметь различную форму. Принцип их использования аналогичен описанному выше: в результате деформации элемента происходит уменьшение объема красочной камеры и из сопла выбрасывается капля чернил. Применение пьезоэлектриков со сдвиговой деформацией позволяет упростить конструкцию печатающей головки и повысить ее надежность.

Контроль размера капель при пьезоэлектрической каплеструйной печати осуществляется путем регулирования напряжения, подаваемого на пьезоэлектрик.

Возможность точного контроля размера капель и обусловленное этим высокое качество печати являются главными достоинствами пьезоэлектрических каплеструйных печатающих устройств. Еще одно важное их достоинство — достаточно высокая долговечность печатающих головок. Основные недостатки — высокая стоимость печатающих головок и их чувствительность к присутствию в чернилах пузырьков воздуха.

Термоэлектрическая каплеструйная печать основана на использовании эффекта увеличения объема вещества при его переходе из жидкого в газообразное состояние. При разогреве незначительной части находящихся в красочной камере чернил до образования пузырька пара возникает необходимое давление для выброса капли из сопла. В иностранной литературе для обозначения термоэлектрической каплеструйной печати часто используется термин bubble-jet — «струйная пузырьковая».

Конструкция печатающих головок устройств термоэлектрической каплеструйной печати предельно проста: в красочную камеру помещается нагревательный элемент (как правило, терморезистор), который и осуществляет разогрев чернил до образования пузырька пара. Время нагрева чрезвычайно мало — обычно менее 10 мкс, так что на образование пузырька тратится менее 1% чернил, находящихся в красочной камере. После выброса капли чернил нагрев термоэлемента отключается, а пузырек пара либо конденсируется, либо выходит через сопло, при этом в красочную камеру поступают свежие чернила.

Главным достоинством термоэлектрических каплеструйных печатающих устройств является низкая цена печатающей головки при достаточно высоком качестве печати.

Устройства каплеструйной печати с импульсной подачей чернил обеспечивают точное позиционирование капли на запечатываемом материале благодаря малой дистанции полета капли, что обусловливает высокое качество печати. Важным их достоинством является простота конструкции.

К главному недостатку импульсных систем можно отнести относительно низкую производительность из-за большой продолжительности импульса, а точнее времени затухания возмущений, вызванных импульсом, — как при использовании пьезоэлектрических, так и термоэлектрических преобразователей. Для повышения производительности подобных печатающих устройств принято объединять несколько сопел в матрицу.

Еще одной проблемой данной разновидности каплеструйной печати является засыхание чернил в соплах вследствие отсутствия их циркуляции. Это ограничивает возможность уменьшения размера сопла, а следовательно, и увеличения разрешения печати.

Чернила для каплеструйной печати

Чернила, используемые в устройствах каплеструйной печати, должны, с одной стороны, обеспечивать функционирование этих устройств, а с другой — соответствовать требованиям, предъявляемым к отпечатку заказчиком. В зависимости от агрегатного состояния при нормированных условиях чернила делятся на жидкие и твердые.

Твердые чернила могут применяться, например, в устройствах пьезоэлектрической каплеструйной печати в виде расплавов. Твердые чернила представляют собой смесь химически устойчивого кристаллического полимера с фиксированной температурой плавления, связующего вещества и красящего вещества.

В большинстве устройств каплеструйной печати используются жидкие чернила.

Для чернил, применяемых в устройствах с непрерывной подачей чернил, важной характеристикой является диэлектрическая проницаемость, то есть способность воспринимать заряд. Для обеспечения управляемой электризации капель в эти чернила вводятся специальные добавки для повышения их электропроводности (различные неорганические и органические ионизирующиеся соединения).

Для чернил, применяемых в устройствах термоэлектрической каплеструйной печати, очень важна стабильность температуры кипения.

В качестве красящих веществ в чернилах могут использоваться как красители, так и пигменты.
В случае применения пигментов для повышения их концентрации без изменения вязкости и поверхностного натяжения в чернила добавляются поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Важным показателем стабильности свойств чернил является их коагуляционная устойчивость. Главная причина коагуляции, ведущая к забиванию сопла и ухудшению качества печати, — присутствие в чернилах катионов поливалентных металлов (кальция, магния, железа). Для контроля склонности чернил к коагуляции необходимо измерять их проводимость.

Анализ литературных и патентных источников, выполненный В.И.Безруковым², показал, что большинство композиций чернил имеет следующие характеристики:

• вязкость не превышает 10 мПа·с;
• величина поверхностного натяжения варьируется от 25 до 60 мН/м;
• концентрация красящего компонента не превышает 5 масс.%;
• концентрация связующих не превышает 10 масс.%.

* * *

Каплеструйные способы печати, пожалуй, являются сегодня наиболее перспективной технологией цифровой печати. Уже сейчас каплеструйные системы составляют серьезную конкуренцию электрофотографии, а также традиционным печатным машинам.

1 Поэлементное воспроизведение изображения является важной особенностью каплеструйной печати. Развертка изображения по обеим координатам может осуществляться двумя способами: за счет перемещения печатающей головки или запечатываемого материала (объекта) либо за счет развертки дефлектором струи капель. В случае если сопла объединены в матрицу достаточного для запечатывания материала по всей ширине размера, необходимость в дополнительной горизонтальной развертке изображения отпадает.

2 Безруков В.И. Основы электрокаплеструйных технологий. СПб.: Судостроение, 2001.

КомпьюАрт 1'2008