Струйная печать

При пьезоструйной печати пьезоэлемент оказывает на чернила механическое воздействие. Поэтому выбор чернил практически не ограничен. Они могут быть на водной и масляной основе, на органическом растворителе или не иметь растворителей - содержать жидкие мономеры, полимеризующиеся с помощью ультрафиолетового излучения. От них лишь требуется достаточно низкая вязкость, чтобы они могли выдавливаться из микросопел; необходимое поверхностное натяжение, стабильность, хорошая совместимость с печатающей головкой и время высыхания не слишком маленькое (чтобы не забивались сопла) и не слишком большое (чтобы не смазывались отпечатки). Каждый изготовитель печатающей головки и принтера предлагает свои чернила, хорошо совместимые с головкой и подходящие к сфере использования принтера.

Импульсная термоэлектрическая струйная печать

В импульсной термоэлектрической струйной (термоструйной) печати активатором, управляющим выбрасыванием из сопла чернильных капель, является нагревательный элемент. Это тонкая полоска электропроводящего материала с высоким сопротивлением. При подаче электрического импульса полоска разогревается и около нее образуется пузырек водяного пара. Этот пузырек давит на чернила, и из сопла вылетает капля. Нагревательный элемент может быть расположен на стенке («крыше») чернильной камеры или на стенке канала, заканчивающегося соплом. Генерацию капель в чернильной камере используют в своих печатающих головках фирмы Hewlett Packard и Lexmark, а генерацию капель в каналах - фирма Canon, назвавшая свою технологию Bubble Jet, а также фирма Xerox.

Механизм генерации капелек под действием локального нагрева рассмотрим на примере эмиттера капель, использованного в печатающих головках фирмы Canon. Эмиттер состоит из узкой напорной камеры (канала), оканчивающейся соплом с одной стороны и входным каналом из чернильного резервуара - с другой. На стенке канала находится полоска нагревательного элемента - резистора (материала, проводящего электрический ток, но имеющего высокое сопротивление). При прохождении через полоску тока она разогревается до температуры почти 600° C, разогревая, в свою очередь, находящиеся рядом чернила. Вода, служащая растворителем чернил, быстро доходит до температуры перегрева (230...375°С). Происходит моментальный (взрывной) переход перегретой воды в пар. Образуется пузырек, давление внутри которого достигает 100 атм. Пытаясь расшириться, пузырек давит на чернила, находящиеся в канале. Однако двигаться чернила могут только в одну сторону - к выходу из канала, заканчивающегося отверстием (соплом).

Порция чернил выдавливается из сопла, но вначале не отрывается от него, а за счет сил поверхностного натяжения образует каплю. Нагрев производится в течение краткого мгновения (микросекунды). Нагревательный элемент быстро остывает за счет рассеяния тепла, и давление внутри пузырька падает. За тысячные доли секунды пузырек опадает и его место занимают чернила. Это приводит к отрыву капли от сопла с образованием в нем вогнутого мениска жидкости. Кроме того, из чернильного резервуара в канал засасывается новая порция чернил.

Капля, получившая импульс движения от расширяющегося газового пузырька, летит к бумаге. Однако импульс движения и скорость капли относительно невелики. Это ограничивает допустимое расстояние от печатающей головки до бумаги, что повышает требования к бумаге. Процесс должен быть организован таким образом, чтобы была обеспечена наибольшая скорость движения капель. В термоструйных головках с нагревателями на стенках каналов на размер капель и скорость влияют длина нагревательного элемента , длина передней части канала (от сопла до нагревательного элемента), ширина канала и даже температура окружающей среды . При увеличении , и объем капли возрастает. Скорость капли увеличивается с уменьшением .

Рис. Схема чернильного канала с нагревательным элементом на стенке: - ширина канала; - длина нагревательного элемента, - длина передней части канала (от сопла до нагревательного элемента)

На рис. приведена схема эмиттера капель с термоэлементом на «крыше» чернильной камеры. Пузырек образуется в этой камере, а капля чернил выдавливается через выходной канал и сопло. Такое размещение нагревательного элемента позволяет создавать головки, где одна чернильная камера связана с несколькими (например, двумя) каналами и несколькими соплами. Это продлевает жизнь головки, так как одно забитое сопло не выводит эмиттер из строя [10].

В термоструйной печати нельзя, изменяя форму электрического импульса, изменять размер капли. Для увеличения глубины цвета используют другие методы варьирования количества чернил, попадающих на каждый микроучасток изображения. Так, в фотопринтерах Hewlett Packard количество тонов повышается за счет того, что в каждую точку может вылететь до 16 (Photo RET II) или до 32 (Photo RET IV) капель чернил. RET - аббревиатура от Resolution Enhancement Technology (Технология повышения разрешения). Для улучшения передачи серых тонов в принтер вместо стандартного черного картриджа может быть устанавлен картридж, имеющий три камеры со светлыми фиолетовыми и синими чернилами и специальными черными чернилами на основе красителя. Добавлены светлые голубые и пурпурные чернила.

Для увеличения импульса движения и скорости вылетающих капель в принтерах фирмы Lexmark нагревателю сообщается «расщепленный» на две части электрический импульс - предварительный и основной импульсы, следующие друг за другом через 2 мкс. Это позволило достичь самой высокой скорости полета капель среди термоструйных принтеров (12,5 м/с против 5...8 м/с у принтеров Canon). В термоструйных принтерах могут быть использованы чернила только на водной основе.

Импульсная струйная печать твердыми чернилами

Этот вид струйной печати использует чернила, которые загружаются в принтер в виде твердых брикетов.

В принтере чернила расплавляются, в жидком виде подаются в пьезоструйную печатающую головку, где находятся в нагретом состоянии. Температура, позволяющая получать достаточную для струйной печати низкую вязкость, равна 120...130° С. Остывая до комнатной температуры, чернила мгновенно затвердевают и образуют на печатном материале твердое изображение. Поскольку при этом способе струйной печати происходит только изменение фазового состояния чернил, его еще называют струйной печатью с изменением фаз. В твердочернильных принтерах используют пьезоструйные печатающие головки с пьезоэлектрическим активатором, расположенным, как и в принтерах Epson, на стенке чернильной камеры. Активатор работает в режиме изгиба (Bend Mode). При расширении пластинки пьезоактиватора происходит изгибание тонкой стенки камеры наружу, и в струйный эмиттер засасывается порция чернил. При сокращении пьезоактиватора стенка изгибается внутрь чернильной камеры, и чернила выталкиваются через выходной канал и сопло наружу в виде капли.

Известно два принципа построения твердочернильных принтеров: прямой и офсетный. В прямом способе капли чернил, вылетающие из сопел, попадают сразу на печатный материал (бумагу), где они застывают в виде рельефного рисунка. Для разглаживания затвердевших чернильных капелек и улучшения их связи с поверхностью печатный материал пропускают через пару нагретых валиков, которые разглаживают капли и вдавливают их в бумагу. При офсетном способе, использованном в принтерах последних поколений (Xerox Phaser 8400, 8550) капли чернил из сопла попадают на вращающийся разогретый офсетный барабан. В зоне переноса к барабану прижимается валиком предварительно нагретый печатный материал, разогретая краска переходит на материал и вдавливается в его поверхность. При выходе из зоны контакта краска остывает и полностью затвердевает. Способ известен под названием Transfix (перенос с закреплением). Рассмотрим офсетный способ печати твердыми чернилами подробнее.

В твердочернильных принтерах используют широкоформатные печатающие головки, в которых ряды сопел вытянуты поперек направления движения печатного материала. Каждый ряд сопел представляет широкоформатный струйный модуль головки, которых у нее четыре: по одному на каждый цвет чернил. Головка работает следующим образом.

Чернила, находящиеся в расплавленном виде в резервуаре, попадают через каналы в распределительный канал. Отсюда по входным каналам 4 чернила подаются в струйные эмиттеры, связанные с каналом. В каждом эмиттере чернила прежде всего попадают в чернильную напорную камеру, на эластичной стенке которой укреплен пьезоэлектрический активатор. При подаче электрического импульса пьезоэлемент деформируется, вначале засасывая в эмиттер немного чернил, затем выталкивая каплю из сопла. На место вылетевшей из сопла капли в напорную камеру и в канал поступает новая порция чернил.

При пьезоструйной печати, особенно широкоформатными головками, очень важна форма электрического импульса (изменение напряжения по ширине импульса). Изменяя форму электрического импульса, можно формировать капли двух размеров, например 51 и 24 нг (1нг = 1 пл).

Каждое изменение потенциала в импульсе отвечает за то или иное событие в процессе формирования капли. Увеличение напряжения (первый подъем кривой) означает предварительное засасывание чернил в эмиттер, изменение напряжения от максимума положительной полуволны к минимуму (максимуму отрицательной полуволны) соответствует выталкиванию капли, подъем напряжения от минимума до нуля соответствует заполнению мениска. Площадь кривой от начала импульса до первого спада определяет размер капли. Время выброса капли составляет около четверти длительности импульса, которая для рабочей частоты 40 000 гц составляет 25 мкс. Уменьшение размера капли и использование капель двух размеров повышает разрешающую способность печати R до 2400 dpi. Так, у принтера Xerox Phaser 8400 R = 600 dpi при скорости печати 26 стр/мин (скоростная печать с низким разрешением) и 2400 dpi при скорости печати 7 стр/мин (фоторежим с максимальным разрешением).

В офсетном способе струйная головка печатает изображение, состоящее из капелек краски на вращающемся алюминиевом барабане, покрытом тонким слоем силиконового масла. Назначение масла - обеспечить по возможности полный перенос красочного изображения на печатный материал, например бумагу. Барабан разогрет до температуры выше комнатной, но ниже температуры плавления чернил (оптимально до температуры чуть выше температуры стеклования чернил). Попавшая из сопла горячая капля чернил при контакте с барабаном быстро остывает до температуры барабана и поэтому не растекается, т. е. не изменяет размеров. Капля выпуклая, она имеет форму полусферы, объем которой равен объему капли. Если две капли, которые не успели затвердеть на поверхности, оказываются рядом, происходит их полное или неполное слияние. В результате на барабане образуются выпуклые полоски из краски. Быстрое затвердевание капель всех размеров происходит при температуре барабана около 40°C. Полное затвердевание капель не нужно, так как их еще следует перенести на бумагу. Однако, чтобы капли не растекались, температура барабана может быть лишь немного выше температуры стеклования чернил.

Вращаясь, барабан доставляет полоску красочного изображения в зону переноса. Там к барабану прижимается с давлением предварительно разогретая бумага, причем температура бумаги выше, чем у барабана. Капли чернил размягчаются, вдавливаются в бумагу и прилипают к ней. Поверхность барабана, имеющая силиконовое покрытие и слой силиконового масла, капли краски практически не удерживает. На выходе из зоны переноса отпечаток быстро остывает. При офсетной технологии капли получаются более плоскими, чем при прямом способе печати, и меньше рассеивают свет, что повышает яркость и насыщенность цветов.

В состав твердых чернил входят следующие компоненты: твердый синтетический воск, регулятор вязкости, вещество, повышающее липкость, пластификатор, пигмент и антиоксидант.

Воск служит связующим веществом, в нем распределены пигмент и другие компоненты краски. От воска зависят физико-механические свойства чернил и отпечатка. Вначале использовалась смесь натуральных твердых восков. Однако изображение, напечатанное на простой офисной бумаге, со временем проступало на ее обратной стороне. С тех пор состав чернил (прежде всего, это касается связующего) сильно изменился.

В принтере Xerox Phaser 860 для предотвращения проникновения чернил через бумагу использовался состав, который наносился на поверхность бумаги специальным валиком непосредственно перед печатью. Чернила, реагируя с ним, образовывали барьерную пленку, препятствующую их проникновению в материал. Однако указанная обработка уменьшает адгезию красочного слоя и он становится хрупким: на отпечатках легко появляются царапины. В принтере Xerox Phaser 8400 изменен состав чернил, и специальная обработка стала ненужной.

Вторая проблема - необходимость поддерживания головки принтера при простое в разогретом состоянии, чтобы не застывали чернила в соплах.

Размещено на Allbest.ur