Струйные технологии печати

Для начала хотелось бы «договориться о терминах».

Когда мы говорим о цифровой печати, то подразумеваем печать напрямую из файлов. А устройства, на которых ведется такая печать, мы называем цифровыми печатными машинами (ЦПМ).

Первые устройства — офсетные печатные машины, которые стали рассматриваться как ЦПМ, были основаны на технологии Direct Imaging — прямое экспонирование, технология изготовления печатных форм непосредственно в печатной машине. Она была разработана компанией Presstek около 15 лет назад. Печатные машины, в которых реализована технология Direct Imaging (DI), представляют собой системы, объединяющие традиционную офсетную печатную технику и цифровые формоизготовители.

Надо оговориться, что машины DI часто отождествляют с цифровыми печатными машинами, почему, собственно, мы их и упоминаем, что совершенно неверно, поскольку процесс печатания в таких машинах является полностью аналоговым.

В этой технологии формы являются постоянными носителями одного изображения и при смене тиража должны быть удалены из машины.

Данное оборудование производилось фирмами Heidelberg, Presstek, Ryobi, KBA, а некоторые из названных (Presstek) производят такие машины до сих пор.

Отметим, что под термином «цифровой» надо понимать не способ печати, так как их много и они разнообразны, а лишь способ создания изображения. Для того чтобы достичь определенности, разделим ЦПМ на две группы: по признаку наличия или отсутствия какой бы то ни было формной поверхности.

Формная поверхность отсутствует в технологии струйной печати (Ink Jet). Эту технологию можно также охарактеризовать как бесконтактную.

Контактная технология (там, где процесс происходит при участии тонера) включает несколько схожих основных этапов:

• формирование скрытого изображения на специальной поверхности;
• проявление изображения;
• перенос изображения на запечатываемый материал;
• закрепление изображения на материале, подготовка рецептора к новому циклу.

Контактные технологии различаются как способом формирования скрытого изображения, так и принципом проявления изображения, способом переноса изображения на материал.

Типы струйной печати

Но вернемся к объявленной теме данного материала. А именно — к струйной печати.

Технология струйной печати заключается в распылении жидких чернил из форсунок, объединенных в печатающие головки.

Типы струйной печати

Практическое применение нашли три вида струйной печати:

• непрерывная струйная печать (continuous inkjet). В этом виде печати из каждого сопла печатающей головки непрерывно вылетает струя чернил, разбивающаяся на мельчайшие капельки. Из струи выделяются капли, идущие на построение изображения. Неиспользованные капли направляются в каплеуловитель;
• импульсная струйная печать (drop on demand). Здесь капля вылетает из сопла печатающей головки только при получении электрического импульса. Поэтому этот вид струйной печати называют также «капля по требованию»;
• Tonejet. В этом способе чернилами является дисперсия частиц пигмента в неполярной жидкости. Генератор капель (источник капельной струи) представляет собой заостренный проводящий выступ на теле печатающей головки. Чернила текут под давлением к источнику. При наложении импульса напряжения частицы пигмента чернил заряжаются. Они перемещаются электрическим полем к выступу, где концентрация краски заметно выше исходной. Заостренный конец выступа за счет повышенной напряженности электрического поля отталкивает одноименно заряженные частицы пигмента. Они вылетают, увлекая за собой часть жидкости. Образуются капли концентрированной краски. Эти капли летят на печатный материал, формируя изображение. Печатающая головка содержит множество источников, расположенных рядами. Заметим, что компания — держатель патента на эту технологию печати совсем недавно представила промышленный образец своей машины Cyclone, поэтому известно о ней не слишком много. В связи с этим данная технология рассматриваться в статье не будет.

Основные производители струйных принтеров:

• HP (Scitex);
• Xerox;
• Roland;
• Efi (Vutek, Jetrion);
• Canon (Oce);
• Mutoh;
• Mimaki;
• 3M.

Фирмы, производящие печатные головки:

• Epson;
• Spectra;
• XAAR;
• Konica-Minolta;
• Ricoh (Hitachi).

Основные параметры, по которым оцениваются головки:

• размер капли (лучший результат — от 1,5 пл);
• разрешение (2880×2880 dpi);
• количество на головку (1440);
• возможность изменения размера капли.

Непрерывная струйная печать

Непрерывная струйная печать состоит из трех процессов:

• образование струй чернил и разбиение их на капли;
• разделение капель на рабочие, идущие на построение изображения, и нерабочие, попадающие в каплеуловитель;
• выделение из капельных струй рабочих капель и направление струй рабочих капель на печатный материал;
• доставка неиспользованных капель в каплеуловитель.

В настоящее время до промышленного использования доведено два способа непрерывной струйной печати, в которых перечисленные выше процессы проходят по­разному.

В давно и широко применяемом способе капли формируются за счет наложения на струю чернил высокочастотных механических колебаний, формирующих капиллярную волну. Разделение капель на рабочие и нерабочие производится путем их селективной зарядки, а разделение капельных струй — путем отклонения электрическим полем траектории заряженных капель, в то время как незаряженные капли летят прямолинейно.

Струйная печать непрерывного действия

В другом способе непрерывной струйной печати Stream, разработанном фирмой Kodak, для формирования капельной струи на вылетающую из сопла чернильную струю периодически подают тепловые импульсы, изменяющие поверхностное натяжение чернил. Капли образуются из холодных участков струи. Разделение капель на рабочие и нерабочие производится формированием капель разных размеров. Выделение из струи рабочих капель осуществляется потоком воздуха, направленным перпендикулярно к траектории струи. Воздушный поток сильнее отклоняет маленькие капли, и они попадают в каплеуловитель. Большие капли продолжают лететь к печатному материалу и идут на построение изображения.

Непрерывная струйная печать с селективной зарядкой капель

В этом способе электропроводящие чернила подаются под давлением в генератор капель печатающей головки. Струя вылетает из сопла генератора. Где­то у выхода из сопла, например на сопловой пластине, расположен пьезоэлектрический стимулятор, формирующий капельную струю. На пьезоэлектрик подается высокочастотное электрическое напряжение. За счет деформации пьезоэлектрика возникают механические колебания, которые сообщаются струе и вызывают образование капель. При пролете струи через зону зарядки на заряжающий электрод подаются импульсы электрического напряжения. Производится селективная зарядка капель. Далее капельная струя разделяется на две струи: заряженную и незаряженную. Одна из них попадает на печатный материал, другая — в каплеуловитель.

Способ широко используется в маркировочных принтерах, предназначенных для нанесения надписей, дат и штрихкодов на поверхность товарных и промышленных изделий.

В способе с бинарным отклонением струи существует два варианта. В первом, однобитном варианте, каждая точка изображения формируется из одинакового количества чернил, например из одной капли размером 84 пл. При аппаратном разрешении 300­360 dpi, характерном для скоростной струйной печати, качество изображения при однобитной его записи невысокое. Рулонные струйные машины с такими печатающими головками используют для скоростной цветной печати почтовых рассылок, документов и другой продукции с аналогичными требованиями к качеству изображения.

В мультибитном варианте количество чернил в точке может изменяться. Для этого зарядке подвергается группа из нескольких капель (число капель в группе колеблется от 2 до 30), причем может заряжаться то или иное количество капель группы. Все капли группы попадают на один микроучасток печатного материала (в одну точку). В результате становится возможной запись изображения, при которой в разные точки материала может попадать различное количество капель. Достигаются высокий цветовой охват и богатство тонов, достаточное для использования струйного принтера в качестве цветопробного устройства. Так работают струйные принтеры Iris Print, где при разрешении 300 dpi получается эмуляция разрешения 2400 dpi. Головки имеют 1­2 сопла на краску.

Скорость струйной печати зависит от количества сопел в печатающей головке (от ширины печатаемой полоски). Головки, имеющие небольшое количество сопел на цвет краски, должны совершать челночное перемещение поперек направления движения бумажного листа. Это замедляет печать, так как бумага может сместиться на шаг только после записи цветной строки изображения.

Реализуются возможности скоростной печати при использовании многосопловых широкоформатных печатающих головок.

Размер широкоформатных печатающих головок ограничивается тем, что высокочастотные колебания пьезоэлектрика передаются не только струям, но и телу печатающей головки. Головка, в свою очередь, передает вибрацию струям чернил. Колебания, полученные струей от тела головки, отличаются от полезных колебаний струи и нарушают каплеобразование (образуются капли разных размеров и может изменяться длина непрерывной части струи, из­за чего нарушится зарядка капель). Указанные проблемы обостряются при возрастании ширины печатающей головки и частоты наложенных колебаний.

Непрерывная струйная печать с термической активацией каплеобразования

В свое время фирмой Kodak был разработан способ непрерывной струйной печати с термической активацией каплеобразования. Принцип ее заключается в следующем. Вылетающая из сопла струя получает от микронагревателя тепловые импульсы определенной частоты. Поверхностное натяжение чернил зависит от их температуры, поэтому каждый тепловой импульс вызывает изменение поверхностного натяжения (уменьшает его). Поверхность жидкости выводится из состояния равновесия, и в струе возникает капиллярная волна. При наложении таких колебательных возмущений на собственные колебания чернил струя разбивается на отдельные капли.

Отказ от механической стимуляции каплеобразования снимает с непрерывной струйной печати ограничения, связанные с паразитными колебаниями. Это позволяет сочетать высокую скорость печати (использование широкоформатных печатающих головок) с высоким качеством печати.

Как и в классическом способе непрерывной струйной печати, в новом способе создается непрерывная капельная струя и обеспечивается ее разделение на рабочие и нерабочие капли.

Печатающая головка с термической активацией каплеобразования содержит множество сопел, снабженных нагревательными элементами. При подаче на нагреватель импульса электрического напряжения через него проходит ток, вызывающий сильный кратковременный нагрев. Тепловой импульс передается чернилам струи. Поверхностное натяжение нагретого участка струи понижается. Так как нагрев, вызывающий возмущение струи, происходит периодически, возникает капиллярная волна, и струя на некотором расстоянии от сопла разбивается на капли. Размер капель зависит от частоты подачи тепловых импульсов. Чем они реже, тем больше капли.

Импульсная струйная печать

В импульсной струйной печати капля чернил выталкивается из сопла при подаче электрического импульса на активатор (actuator), отвечающий за образование капель. Чернила, вылетевшие из сопла, полностью идут на построение изображения на печатном материале. Печатающая головка для импульсной струйной печати содержит множество сопел. Струйный микромодуль, относящийся к каждому соплу, включает чернильную камеру, канал для входа чернил в камеру из резервуара (или распределительного канала) и выходной канал, заканчивающийся соплом. На стенке выходного канала или на стенке (крыше) чернильной камеры располагается активатор, получающий импульсы электрического напряжения из микрочипа, управляющего работой головки. Струйный микромодуль называется также эмиттером капель или генератором капель. Способ импульсной струйной печати определяется видом используемого активатора. Различают следующие виды импульсной струйной печати: пьезоэлектрическую (пьезоструйную), термоэлектрическую (термоструйную и термомеханическую).

Пьезоструйная печать

Типовая пьезоструйная печатающая головка включает линейку эмиттеров капель, каждый из которых заканчивается калиброванным отверстием — соплом. На верхней стенке чернильной камеры или на стенке канала, связанного с соплом, расположен пьезоэлемент, который при сообщении электрического импульса изменяет внутренний объем эмиттера. Уменьшение объема приводит к выталкиванию из сопла порции чернил, которая вылетает в виде капельки того или иного размера.

Размеры капелек и их скорость зависят от размеров сопла, конструкции печатающей головки, режимов ее работы (в том числе формы электрического сигнала, подаваемого на пьезоэлемент) и от чернил. Эмиттеры капель пьезоструйных головок могут различаться по конструкции и по характеру деформации пьезоэлектрического элемента.

Печать твердыми чернилами

Твердые чернила имеют в своем составе полимерный воск. При комнатной температуре они твердые, а при нагревании плавятся и превращаются в жидкость, низкая вязкость которой позволяет использовать чернила для струйной печати.

В 2000 году компания Xerox приобрела соответствующее подразделение Tektronix вместе с правами на все разработки в области твердочернильной печати. В настоящее время твердочернильные принтеры выпускаются компанией Xerox (линейка ColorQube).

Импульсная термоэлектрическая струйная печать

В импульсной термоэлектрической струйной печати (термоструйной печати) активатором, управляющим выбрасыванием из сопла чернильных капель, служит нагревательный элемент. Это тонкая полоска электропроводящего материала с высоким сопротивлением. При подаче электрического импульса полоска разогревается, чернила около нее закипают и образуется пузырек водяного пара. Этот пузырек давит на чернила, и из сопла вылетает чернильная капля. Нагревательный элемент может быть расположен на стенке («крыше») чернильной камеры, на стенке канала, заканчивающегося соплом или внутри эмиттера.

Схема термоэлектрической печати

Генерацию капель в чернильной камере используют в своих печатающих головках фирмы Hewlett­Packard и Lexmark, а генерацию капель в каналах — фирма Canon, назвавшая свою технологию Bubble Jet (фирмы приведены в качестве примеров).

Относительно недавно на рынке появились принтеры с печатающим устройством Memjet — печатающие головки к ним разработала австралийская фирма Silverbrook. В эмиттерах капель этих головок нагреватель в основном расположен внутри канала с чернилами.

Печать фотографического качества

В термоструйной печати нельзя, изменяя форму электрического импульса, менять размер капли. Для увеличения глубины цвета используют следующие методы варьирования количества чернил, попадающих на каждый микроучасток изображения.

В фотопринтерах Hewlett­Packard количество тонов повышается за счет того, что в каждую точку может попадать множество капель чернил, в том числе разного цвета. Вначале это количество доходило до 16 (Photo RET II), а в настоящее время — до 32 (Photo RET IV) капель размером около 4 пл (RET — Resolution Enhancement Technology, технология повышения разрешения).

Головки Memjet

Фирма Canon для печати фотографического качества использует технологию Drop Modulation Technology, позволяющую генерировать капли двух размеров. Достигается это путем размещения в каждом канале по два нагревательных элемента. Если электрический импульс подается на один элемент, образуется маленький пузырек, а при нагревании двух элементов размер пузырька увеличивается. В первом случае из сопла вылетает капелька в три раза меньше, чем во втором (минимальный объем капли — 4 пл).

MEMS: микроэлектромеханические системы

Термоструйные печатающие головки нового поколения изготовляются методами MEMS (Micro Electro­Mechanical Systems), традиционно используемыми в микроэлектронике. Это увеличивает геометрическую точность выполнения сопел и эмиттеров капель разных (в том числе очень маленьких) размеров, обеспечивает их повторяемость и позволяет применять «масштабирование» — составление из модулей печатающих головок необходимого размера (формата) и тем самым обеспечение заданной ширины печати. Кроме того, использование технологий MEMS позволяет удешевить печатающие головки, особенно головки больших форматов.

Современные принтеры оперируют каплями краски объемом порядка пиколитра. А что такое пиколитр? Это шарик диаметром около 13 микрон. В одном кубическом миллиметре таких капелек помещается с десяток тысяч! Для того чтобы сформировать столь малый объем жидкости — и сформировать его строго в нужный момент — очевидно, требуется тончайшая механика. Так что и тут работает MEMS.

Происходит это следующим образом. Печатающая головка представляет собой массив из множества микроотверстий. Под отверстиями — миниатюрные полости, в которые чернила поступают из основного резервуара картриджа.

Сами собой чернила через дюзы не выливаются: диаметр отверстий настолько мал, что сила поверхностного натяжения не дает жидкости просто так вытечь наружу. Краску необходимо выдавить принудительно. Для этого можно воспользоваться несколькими различными технологиями.

Например, можно разместить в микрополости пьезоэлемент. Примерно такой же, как те, что используются в зажигалках. Только процесс в данном случае идет в обратную сторону. В зажигалках пьезоэлемент вырабатывает электричество от деформации (следующей от нажатия кнопки) кристалла. В печатающей головке принтера на пьезокристалл подается ток, вследствие чего кристалл увеличивается в объеме и толкает мембрану, которая, в свою очередь, выталкивает краску наружу. Именно такой метод использует, например, компания Epson.

Разработчиком инновационной технологии цифровой печати является компания Memjet (Сан­Диего, шт.Калифорния, США), созданная в 2002 году как дочернее предприятие исследовательской фирмы Silverbrook Research (Австралия). Одним из основателей обеих компаний является Киа Силвербрук, изобретатель, ученый и предприниматель, один из крупнейших индивидуальных держателей патентов в США. В 2002 году Силвербрук возглавил небольшую группу ученых, поставив перед собой и своими специалистами цель — заново изобрести технологию печати.

На основе чертежей и разработок Memjet за производство компонентов нового способа воспроизведения графики взялось совместное предприятие, основанное Силвербруком с Taiwan Semiconductor Manufacturing Company. Премьера демонстрационного образца аппарата, воплощавшего собой суть «микроэлектромеханической системы печати» (MEMS), состоялась в 2007 году. Два года спустя готовая для внедрения в печатающее оборудование система была предложена широкому кругу производителей цифровых принтеров. Среди них — компании, выпускающие настольные принтеры, печатные машины для применения в промышленности, принтеры для печати этикеток и цифровые мини­фотолаборатории. Что же представляет собой технология MEMS, и в чем заключается ее уникальность?

«Микроэлектромеханическая система печати» включает четыре основных компонента: печатающие головки, контроллеры для управления процессом печати, чернила и программное обеспечение.

Наиболее важным звеном данной технологии являются печатающие головки, в которых плотность дюз, генерирующих чернильные капли, в 17 раз превышает плотность дюз в большинстве распространенных в настоящее время печатающих головок. Так, в каждой печатающей головке MEMS располагается 70 400 дюз. За счет этого достигается существенно более высокая производительность печатающего устройства.

К примеру, офисный принтер, в котором реализована технология Memjet, выдает 60 запечатанных страниц формата А4 в минуту при печати с физическим (реальным) разрешением 1600Ѕ800 dpi.

Одна печатающая головка MEMS шириной 222,8 мм выстреливает свыше 700 млн чернильных капель в секунду. В ней предусмотрено пять каналов для использования чернил пяти цветов (к примеру, CMYKK), которые можно компоновать в различных комбинациях, в зависимости от сферы применения печатающего устройства.

Тем не менее только офисными принтерами для печати форматом А4 применение технологии MEMS не ограничивается. Путем расположения пяти печатающих головок MEMS бок о бок обеспечивается возможность выполнять широкоформатную полноцветную печать на материалах шириной чуть более 1 м без необходимости в перемещении печатающей каретки. В промышленных принтерах (к примеру, используемых в изготовлении этикеток) печатающие головки можно располагать друг за другом, что позволяет системе выстреливать свыше 3 млрд чернильных капель в секунду. Любопытная деталь: диаметр одной дюзы приблизительно в 10 раз тоньше человеческого волоса.

Печатающие головки MEMS генерируют чернильные капли объемом 1,1­1,2 пл каждая, обеспечивая высокую четкость воспроизведения мелких деталей изображения.

Как заявляет компания­разработчик, принтеры, основанные на технологии Memjet, также потребляют меньше электроэнергии, чем тонерные лазерные принтеры.

Печать осуществляется водными чернилами на основе красителей (dye­based water inks) в четырехцветной конфигурации (CMYK), которые разработаны компанией Memjet и специально адаптированы для использования в скорострельных печатающих головках MEMS. Чернила совместимы с любыми пористыми материалами без покрытия, включая гофрированный картон, с высокосортной бумагой, а также с любыми носителями с покрытием для струйной печати.

Поддержка печатающей головки в рабочем состоянии осуществляется с помощью системы прочистки, которая, получая соответствующую команду, прокачивает головку воздухом, прочищает ее и снова заправляет чернилами. Быстрая прочистка занимает не более 30 секунд, полный цикл обслуживания печатающей головки потребует нескольких минут.

Примечательно, что, являясь разработчиком действительно революционной технологии, уже защищенной более чем 5000 международных патентов, Memjet не планирует выпускать принтеры своими силами. Компания предпочитает поставлять основные компоненты системы MEMS (печатающие головки, чернила, контроллеры и программное обеспечение) производителям комплектного оборудования в рамках ОЕМ­соглашений таким же образом, как заводы — изготовители электронных чипов снабжают своей продукцией именитые компании, выпускающие смартфоны, планшеты и ноутбуки. И в последние несколько лет круг официальных партнеров Memjet неуклонно растет.

Memjet утверждает, что ее разработки защищены примерно 5000 мировых патентов, а еще на 500 — поданы заявки. Более 2000 из этих патентов выданы в США.

В прошлом году компания Memjet представила печатную головку DuraLink для струйной печати. Новая технология подходит для печати упаковки большими тиражами, обеспечивая соответствующие качество, скорость и ценовую доступность.

Технология DuraLink представляет собой сочетание долговечной печатающей головки, надежных пигментных чернил, ширины печати более 2 м (2228 мм) и большого выбора модулей, что обеспечивает возможность быстрой разработки современных решений для печати упаковки.

Отличие этой печатающей головки от большинства имеющихся на рынке моделей состоит в большом количестве сопел. Пять сопел приходится на один пиксель, так что выход из строя одного сопла практически не влияет на качество изображения. И это качество является стабильным для каждого из 1 млрд выбросов чернил на сопло для каждого из цветов CMYK. Кроме того, это значит, что печатающая головка нечасто подлежит замене. В общей сложности печатающая головка DuraLink имеет 70 400 сопел. Головка не требует частого обслуживания и позволяет осуществлять печать больших тиражей. DuraLink обеспечивает разрешение 1600 dpi.

Кто что использует

Внимательного читателя может заинтересовать, какие компании используют в своей продукции те или иные технологии? Выше мы уже частично затрагивали этот момент, но здесь сделаем это отдельно.

Пьезоэлектрическую технологию использует компания Epson.

Термоструйную технологию используют компании Lexmark, Canon, Brother и Hewlett­Packard.

На сегодняшний день технологии струйной печати Memjet используются в принтерах таких компаний, как Canon, Delphax, Neopost, Printware, RTI Digital и Xerox.

Например, корпорация Xerox предлагает высокоскоростной широкоформатный цветной принтер IJP 2000, оснащенный струйными печатающими головками компании Memjet.

Аппарат предназначен для выпуска интерьерной графики: постеров, вывесок, баннеров, PoP­материалов и пр.

IJP 2000 может печатать как с листа, так и с рулона шириной до 1060 мм. Максимальная скорость печати — 420 м2/ч при разрешении 1600 dpi. Плотность материалов — до 190 г/м2. Длина оттиска при печати баннера — до 9 м.

Производитель отмечает, что скорость IJP2000 примерно в 40 раз выше, чем у «сравнимых» широкоформатных принтеров, присутствующих на рынке. При этом скорость и качество печати IJP 2000 сохраняются независимо от типа и ширины используемого материала.

Управление принтером осуществляется с помощью растрового процессора Caldera Grand RIP Plus.

В качестве запечатываемых материалов можно использовать текстиль, винил, бэклиты, бумаги с покрытием и без него и пр. Чернила — водные на основе красителя.