Технологии струйной печати: эволюция продолжается

Саргей Асмаков

Благодаря развитию технологии струйной печати и внедрению качественно новых решений производителям удалось избавиться от многих принципиальных недостатков, которые были присущи струйным принтерам в прошлом. К сожалению, сломать укоренившиеся в головах пользователей стереотипы гораздо сложнее.

Тени прошлого

Если вернуться на пару десятков лет назад и объективно оценить выпускавшиеся в то время струйные принтеры, то можно отметить целый ряд присущих им принципиальных недостатков. Во­первых, это низкая производительность, которая к тому же в значительной мере зависела от целого ряда факторов — в частности от выбранного режима качества, типа носителей и даже содержимого выводимых документов и изображений. Во­вторых, в устройствах того времени применялись цветные чернила на водорастворимой основе. Их главный недостаток заключался в том, что получаемое изображение легко смазывалось под действием влаги (достаточно было одной случайно попавшей на страницу капли жидкости, чтобы безнадежно испортить отпечаток) и быстро выцветало под действием солнечного света и содержащихся в воздухе газов. Кроме того, качество и точность цветопередачи отпечатков в значительной мере зависели от типа используемой бумаги. Рассчитывать на получение изображений фотографического качества можно было только при использовании дорогих сортов фирменных фотобумаг.

И в­третьих, струйные устройства того времени были довольно капризными в эксплуатации. В частности, долгий (в течение трех­четырех месяцев и более) простой нередко приводил к полному высыханию чернил в дюзах печатающей головки, вследствие чего для приведения аппарата в рабочее состояние необходимо было неоднократно выполнять процедуру глубокой очистки. Это влекло за собой непроизводительные затраты времени и весьма недешевых чернил. К тому же далеко не всегда удавалось достичь желаемого результата — то есть восстановить работоспособность всех дюз печатающей головки.

В случае принтеров на базе термоэлектрической струйной технологии (Canon, HP, Lexmark и др.) данную проблему можно было решить заменой картриджа. Печатающая головка в этих устройствах является составной частью картриджа и, соответственно, заменяется вместе с чернилами. Более серьезные проблемы возникали у владельцев моделей на базе пьезоэлектрической технологии (в частности, Epson), которые оснащаются несменной печатающей головкой. Если восстановить работоспособность всех дюз даже после выполнения многочисленных прочисток не удавалось, оставалось два варианта: либо дорогостоящий ремонт, либо замена имеющегося устройства на новое.

Такова была ситуация в прошлом. Вполне закономерно, что негативный опыт, полученный в то время многими владельцами струйных принтеров, способствовал формированию и укоренению стереотипов, которые живы в сознании массового пользователя и поныне. Принято считать, что струйные устройства ненадежны, дороги в эксплуатации и из­за невысокой производительности не подходят для печати больших объемов документов. Однако с тех пор много воды (и чернил) утекло, и впору задать вопрос: актуальны ли стереотипы, сформировавшиеся фактически еще в прошлом веке, применительно к современным устройствам? Ведь разработчики ключевых компонентов струйной технологии — в частности печатающих головок и чернил — все эти годы не сидели сложа руки. И если разобраться, то благодаря их усилиям многие из описанных выше проблем к настоящему времени удалось решить.

Пигментные чернила

Начнем с чернил. Как уже было упомянуто, основной причиной низкой стойкости отпечатков струйных принтеров, сделанных на обычной бумаге, было использование чернил на водорастворимой основе. Около десяти лет назад ведущие производители струйных принтеров смогли решить это проблему, внедрив в серийно выпускаемых устройствах системы печати с цветными пигментными чернилами. Это позволило значительно повысить стойкость отпечатков к воздействию влаги, солнечного света и содержащихся в воздухе газов.

Одной из первых такой подход реализовала в своих устройствах компания Epson. В 2003 году она представила несколько моделей струйных принтеров и МФУ, которые печатали полностью пигментными чернилами DURABrite. Если не вдаваться в подробности, то чернила DURABrite представляют собой взвесь пигментных частиц в жидком полимерном материале. Состав полимера подобран таким образом, что взвешенные в нем частицы не слипаются между собой. Таким образом, при «выстреливании» из дюзы печатающей головки каждая из пигментных частиц оказывается заключенной в жидкую капсулу из полимерного материала. На воздухе полимер очень быстро затвердевает, и пигментные частицы прикрепляются непосредственно к поверхности листа, не успевая проникнуть вглубь бумажных волокон.

По сравнению с применявшимися ранее цветными чернилами на водорастворимой основе пигментные чернила обладают целым рядом важных достоинств. Они практически мгновенно (за сотые доли секунды) высыхают при попадании на поверхность носителя. Кроме того, изображения, нанесенные такими чернилами, не подвержены смазыванию при попадании влаги на бумагу. В процессе демонстрации возможностей чернил DURABrite отпечатки полностью погружали в воду, и даже после такого воздействия изображение по­прежнему оставалось четким (рис. 1).

Рис. 1. Демонстрация водостойкости отпечатка,
сделанного чернилами DURABrite

Еще одно важное достоинство цветных пигментных чернил заключается в том, что они обеспечивают получение более ярких цветов при печати на обычной бумаге. Кроме того, качество отпечатков в меньшей степени зависит от типа используемой бумаги, чем в случае чернил на водорастворимой основе. Объясняется это тем, что частицы пигмента закрепляются на поверхности носителя, в то время как при использовании чернил на водорастворимой основе жидкий краситель проникает вглубь волокон бумаги. 

И наконец, изображения, отпечатанные пигментными чернилами, обладают гораздо более высокой стойкостью к воздействию солнечного света и содержащихся в воздухе газов.

Необходимо отметить, что чернила DURABrite не выдерживают нагрева до высоких температур и по этой причине непригодны для использования в устройствах на базе термической струйной печати.

Примерно в то же время в компании HP разработали собственную разновидность цветных пигментных чернил (HP Vivera), которые также содержат пигментные частицы и бесцветное связующее вещество, но при этом сохраняют свои свойства в процессе нагрева.

Конечно, у пигментных чернил есть и определенные недостатки. Из­за относительно большого диаметра частиц пигмента дюзы печатающей головки нельзя сделать столь же маленькими, как у устройств, рассчитанных на использование чернил на водорастворимой основе. А это, в свою очередь, налагает определенные ограничения на минимальный объем капель, наносимых на поверхность носителя. Именно по этой причине полностью пигментные составы чернил применяются главным образом в устройствах начального уровня, а также в аппаратах, предназначенных для выполнения офисных задач. Что касается специализированных моделей, предназначенных главным образом для печати высококачественных изображений на специальных носителях, то во многих из них по­прежнему используются чернила на водорастворимой основе.

Производительность: всё дело в головках

В то время как химики колдовали над новыми составами чернил, инженеры пытались найти способы повышения производительности струйных принтеров. Напомним, что в большинстве струйных принтеров используется механизм с подвижной печатающей головкой. Перемещаясь от одного края листа к другому, головка наносит изображение на узкий горизонтальный участок. Затем лист сдвигается на некоторое расстояние вдоль оси, перпендикулярной направлению перемещения головки, последняя возвращается в исходное положение, и весь цикл повторяется снова. У современных моделей струйных принтеров и МФУ, работающих по описанной схеме, ширина области, запечатываемой за один проход, составляет от 10 до 25 мм. Таким образом, для нанесения изображения на лист формата А4 требуется выполнить несколько десятков циклов. Дело в том, что при установке качества печати, отличного от чернового, расстояние, на которое смещается лист после каждого прохода печатающей головки, будет значительно меньше ширины запечатываемой области. Это вынужденная мера, необходимая для того, чтобы предотвратить появление горизонтальных полос на стыках соседних областей.

Казалось бы, есть вполне очевидные способы повышения производительности струйных принтеров с подвижной печатающей головкой. Например, можно увеличить ширину запечатываемой области, сократив за счет этого количество циклов, необходимых для формирования изображения определенного формата. Или же повысить частоту выброса капель, что позволит перемещать головку с более высокой скоростью. Однако осуществить эти планы на практике не так­то просто.

Проблема заключается в том, что потенциал для дальнейшего наращивания этих параметров уже практически исчерпан. В середине прошлого десятилетия частота выброса капель в печатающих головках струйных устройств составляла 10­20 кГц. Тогда казалось, что это уже предел. Тем не менее несколько лет назад разработчикам Epson удалось создать пьезоэлектрическую печатающую головку PrecisionCore Micro TFP, способную выстреливать капли с частотой до 50 кГц. Но, как отмечают представители Epson, победа далась нелегко: данный проект стал самым дорогим в истории компании. Кроме того, себестоимость производства таких печатающих головок высока, и по этой причине их использование оправданно только в высокопроизводительных печатающих устройствах.

Что касается ширины рабочей области печатающей головки, то максимальное значение этого параметра ограничено прочностными характеристиками используемых материалов. Если говорить о различных разновидностях термической струйной печати, то в настоящее время возможен серийный выпуск печатающих головок шириной немногим более 1 дюйма (25,4 мм). А поскольку пластины печатающих головок изготавливаются по технологии, схожей с используемой для производства полупроводниковых чипов, то увеличение физического размера рабочей области приводит к существенному росту себестоимости изделия.

Впрочем, помимо эволюционного развития возможен и другой вариант — революционный. Суть его заключается в том, чтобы отказаться от подвижной печатающей головки, заменив ее на неподвижную, рабочая область которой покрывает всю ширину носителя. Преимущества такого подхода очевидны. Принтер подобной конструкции сможет печатать гораздо быстрее, а кроме того, его производительность будет в значительно меньшей степени зависеть от выбранной настройки качества. Также автоматически решается проблема устранения горизонтальных полос на выводимом изображении, которые нередко наблюдаются при печати в черновом режиме.

Однако для того, чтобы сконструировать такой принтер, необходимо было решить нетривиальную задачу: создать печатающую головку с очень широкой рабочей областью (порядка 21 см для устройств формата А4). Не имея технической возможности изготовить такую головку целиком, разработчики все­таки сумели найти решение. Оно заключается в том, чтобы объединить несколько небольших печатающих головок в едином блоке, расположив их в шахматном порядке (рис. 2).

Рис. 2. Схема расположения нескольких печатающих головок
в одном блоке

Одним из первых подобных решений, реализованных в коммерческих продуктах, стала технология НР Edgeline. Первыми серийными устройствами, в которых она была внедрена, стали представленные в 2007 году МФУ CM 8050 и CM 8060. В этих устройствах были установлены четыре неподвижных блока печатающих головок с шириной рабочей области 4,25 дюйма (108 мм). Один блок объединяет пять печатающих головок, в каждой из которых расположено по 2112 сопел, и обеспечивает нанесение чернил двух цветов (рис. 3).

Рис. 3. Схема нанесения цветного изображения четырьмя блоками неподвижных печатающих головок в устройствах
на базе технологии НР Edgeline

В том же году австралийская компания Silverbrook Research представила собственную технологию струйной печати под названием Memjet. Одной из особенностей данного решения является использование блока непо­движных печатающих головок, составленного из нескольких секций длиной по 20 мм каждая. В одной секции расположено 6400 сопел, что обеспечивает аппаратную разрешающую способность 1600 dpi. Печатающая головка для принтера формата А4 состоит из 11 секций и насчитывает в общей сложности 70,4 тыс. сопел.

Спустя несколько лет в HP создали более совершенную технологию под названием PageWide. Одним из ключевых элементов данного решения является неподвижный блок печатающих головок, охватывающий всю ширину носителя (217,8 мм). В его корпусе объединены десять секций, расположенные в шахматном порядке (рис. 4). В каждой секции имеется по 1056 сопел для чернил каждого из четырех базовых цветов. Таким образом, каждая секция содержит в общей сложности 4224 сопла, а их суммарное количество во всем блоке составляет 42 240. Это позволяет наносить изображение на всю ширину носителя в четыре краски с разрешением 1200 dpi.

Рис. 4. Неподвижный блок печатающих головок, устанавливаемый в устройствах на базе технологии HP PageWide

Рис. 5. Высокопроизводительный цветной принтер
HP Officejet Enterprise X555 формата А4, созданный
на базе технологии HP PageWide

В настоящее время на базе технологии HP PageWide выпускаются высокопроизводительные принтеры и МФУ серии HP Officejet Enterprise (рис. 5), которые в черновом режиме позволяют печатать со скоростью более 70 страниц формата А4 в минуту (как монохромных, так и цветных). Кстати, в издании «Книги рекордов Гиннесса» за 2013­й год зафиксирован официальный рекорд: принтер HP Officejet Pro X576dw был признан самым быстрым в мире среди настольных цветных струйных принтеров формата А4.

Заключение

Эволюция технологий струйной технологии печати продолжается. Благодаря внедрению целого ряда новых решений производители струйных печатающих устройств смогли устранить многие принципиальные недостатки, которые были присущи ранее выпускавшимся моделям. Но, как ни парадоксально, разработка и внедрение без преувеличения революционных технологий происходят гораздо быстрее, нежели изменения в сознании заказчиков и пользователей. Не секрет, что многие из них при выборе оборудования по­прежнему руководствуются стереотипами, сформировавшимися еще в прошлом веке. Не пора ли освободиться от них и свежим взглядом оценить радикально изменившуюся ситуацию? 

КомпьюАрт 6'2014