Simon Eccles se dozvídá více o inkoustových tiskových hlavách a seznamuje se s novou generací, která v tiskařském průmyslu dělá vlny.

 

Kapátkový tisk, kontinuální inkoustový tisk, piezoelektrický, termální, pevný, binární, ve stupních šedi. To všechno jsou termíny, které se často používají při popisu inkoustových tiskáren a konkrétně jejich typů tiskových hlav.

Pokud víte, co znamenají, můžete díky těmto pojmům docela dobře odhadnout, k čemu tiskárna slouží a jak bude fungovat. Pokud je neznáte, málokdy se u nich někdo zastaví a vysvětlí je.

Zde se tedy zastavíme a vysvětlíme je. Některé pojmy popisují základní konstrukci tiskových hlav, jiné popisují, co dělají nebo jak fungují. Některé lze zdvojit pro přesnější vysvětlení, například piezoelektrická hlava s odstíny šedi, jiné se vzájemně vylučují – nemůžete mít binární hlavu s odstíny šedi.

Toto je tedy průvodce společností FESPA, který vám pomůže rozluštit žargon o inkoustových tiskových hlavách. Začněme tím, co je to vlastně tisková hlava?

Součást inkoustové tiskárny, která promítá kapky inkoustu na médium. Jedná se o velmi přesnou jednotku, jejíž výroba vyžaduje velké množství duševního vlastnictví (know-how) a velké investice do továren s čistými prostory. Moderní tiskové hlavy často využívají výrobní techniky (například tenkovrstvé křemíkové MEMS), které mají mnoho společného s výrobou mikročipů.

Uvnitř typické tiskové hlavy se nachází řídicí elektronika, nástavce pro podávání inkoustu a nejméně jedna a obvykle stovky inkoustových komor vedoucích k tryskám, což jsou otvory v desce trysek.

Vstupní kanály inkoustu mají průměr jen několik desítek mikronů a trysky mají obvykle 20-50 mikronů. Lidský vlas má průměr přibližně 80 mikronů.

Většina tiskových hlav používaných v nápisových a jiných grafických aplikacích má stovky trysek, které jsou individuálně řízeny tak, aby generovaly a promítaly kapky (viz také „Kapky na vyžádání“). Generování až miliónů kapek při jednom průchodu hlavou a zajištění, aby dopadly na médium na správném místě, vyžaduje velmi pokročilou elektroniku.

Některé inkoustové trysky mají jedinou trysku a vystřelují nepřetržitý proud kapek, které jsou směrem k médiu nebo od něj odráženy elektrostatickými deskami nebo proudem vzduchu. Ty se obvykle používají spíše v kódovacích a značkovacích systémech než v grafice. Viz Kontinuální inkoustový tisk.

Ačkoli na světě existují stovky výrobců tiskáren, všichni odebírají tiskové hlavy od relativně malého počtu specializovaných výrobců a poté je integrují do samotných tiskáren pomocí kombinace držáků, elektroniky, podavačů inkoustu, firmwaru a softwaru ovladačů.

Pouze několik výrobců velkoformátových tiskáren má vlastní továrny na tiskové hlavy, včetně společností Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (i když jde o její dceřinou společnost Fujifilm Dimatix), HP a Xerox.

Všichni ostatní nakupují hlavy nebo provozují společné podniky s výrobci tiskáren. Většina výše uvedených výrobců dodává hlavy jiným výrobcům na bázi OEM (i když si někdy nechávají nejnovější modely pro sebe). Mezi další výrobce hlav patří Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC a Xaar.

Drop-on-demand (DoD)

Jedná se o obecné označení pro typ tiskové hlavy, který se nejčastěji vyskytuje v moderních inkoustových tiskárnách používaných pro vysoce kvalitní grafiku, včetně všech velkoformátových tiskáren, které můžete vidět na výstavách FESPA a na těchto webových stránkách.

Kapky na vyžádání znamenají, že inkoustové trysky vytvářejí a promítají kapky inkoustu tehdy a tam, kde je to potřeba k vytvoření stopy na médiu. Tento termín vznikl především jako kontrast k dřívějším hlavám typu continuous flow (viz níže kontinuální tok).

Hlavice na vyžádání se dále dělí na tepelné nebo piezoelektrické – viz níže.

Inkoustová tisková hlava, která po celou dobu chodu tiskárny vytváří nepřetržitý proud kapiček. Obvykle je v každé hlavě pouze jedna tryska, ale k vytvoření širšího tiskového pásu lze použít soustavu hlav.

Proud je vychylován směrem k médiu nebo od něj buď nabitými kovovými deskami s elektrostatickým polem, nebo (v případě společnosti Kodak) přesně načasovanými výbuchy vzduchu. Nežádoucí inkoust se shromažďuje v záchytném žlábku a může být filtrován a vrácen do zásobníku.

Dnes se tyto hlavy obvykle používají spíše v kódovacích a značkovacích systémech než v sofistikovaných grafických tiskárnách.

Výjimkou je řada tiskových hlav Kodak Prosper, které využívají vysoce vyvinutou technologii kontinuálního inkoustového tisku zvanou Stream, která poskytuje velmi vysokou kvalitu obrazu. V současné době se technologie Prosper a Stream nepoužívají v žádných specializovaných tiskárnách pro tisk nápisů a displejů.

Jednalo se o první typ tiskových hlav typu drop-on-demand, které byly použity v prvních stolních inkoustových tiskárnách na počátku 80. let. Termální tiskové hlavy jsou účinné a mohou poskytovat velmi vysokou kvalitu obrazu a rychlost, která konkuruje piezoelektrickým hlavám, ale na rozdíl od piezoelektrických pracují pouze s inkousty na vodní bázi, takže jsou obvykle omezeny na vnitřní aplikace.

Latexové inkousty HP jsou výjimkou: fungují s termálními hlavami HP. Důvodem je to, že mají tepelně aktivovaný polymer ve vodní suspenzi, který je vhodný pro venkovní použití.

Termální technologie byla vynalezena nezávisle na sobě a současně v 70. letech 20. století společnostmi Printhead Technola v Japonsku a Hewlett-Packard v USA, které se rozhodly spojit své patenty, místo aby spolu bojovaly.

Princip spočívá v tom, že prvek uvnitř inkoustové komory v tiskové hlavě se rychle zahřeje do té míry, že se kapalný inkoust vypaří a vytvoří bublinu plynu, která se rozpíná a vytlačí kapku inkoustu z otvoru (trysky) na jednom konci komory.

Poté se tepelný prvek vypne, takže plynová bublina se ochladí, zkondenzuje a smrští. Povrchové napětí na trysce zabrání zpětnému nasávání vzduchu, takže místo toho se do komory z přívodních trubek nasává více tekutého inkoustu. Společnost Canon, spoluvynálezce termálních hlav, vymyslela termín Bubble jet (bublinková tryska) kvůli způsobu jejich fungování.

Zatím neexistují žádné skutečné termální hlavy ve stupních šedi, takže jsou všechny binární, což znamená, že kapky mají vždy stejnou velikost. Společnost HP však vyvinula párové trysky různých velikostí, které do jisté míry směřují k efektu odstínů šedi.

Tepelné namáhání hlavy rychle opotřebovává, proto jsou hlavy konstruovány jako spotřební materiál, který lze snadno a levně vyměnit po několika desítkách nebo stovkách provozních hodin.

Často se nazývají jen piezoelektrické hlavice. Tyto kapkové hlavy se začaly objevovat v prvních velkoformátových tiskárnách v 90. letech a způsobily v tomto odvětví revoluci. Poprvé to znamenalo, že rozpouštědlové a UV vytvrzované barvy původně spojené se sítotiskem lze nyní tisknout digitálně.

Piezoelektrické hlavy jsou založeny na principu, kdy se určitý typ krystalu (v inkoustových tiskárnách často titaničitan olovnatý, psaný jako PZT) rozpíná nebo smršťuje, když jím prochází elektrický proud a opět se vypíná. Tato expanze/smršťování se využívá jako základ čerpadla v inkoustové komoře.

V závislosti na konfiguraci krystalů (tzv. „ohybový“ nebo „střižný“ režim) obousměrná expanze buď nasává inkoust a následně jej vytlačuje tryskou ven z komory (používá Epson), nebo vytváří akustické tlakové vlny, které mají stejný účinek, ale s menší energií (používá Xaar).

Elektrický proud lze zapínat a vypínat velmi rychle a rozpínání/smršťování krystalu je rovněž téměř okamžité, takže je zde mnohem větší prostor pro řízení tvorby bodů než u tepelných hlavic.

To mimo jiné znamená, že některé piezoelektrické hlavy mohou ze stejné komory a trysky vytvářet kapky různé velikosti, což vede k různé hustotě inkoustu na médiu. Tyto hlavy se nazývají hlavy s odstíny šedi (viz níže).

Piezoelektrický efekt funguje prakticky s jakoukoli kapalinou, takže piezoelektrické tiskové hlavy mohou být konstruovány pro inkousty na bázi rozpouštědel, UV vytvrzené inkousty (včetně některých používaných pro 3D tisk) a vodní inkousty. Lze je použít i pro náročné kapaliny, jako jsou elektricky vodivé inkousty, neprůhledné bílé a kovové inkousty s velkými částicemi, inkousty pro 3D tisk a inkousty s fázovou změnou, které jsou po dosažení inkoustové komory kapalinou.

Piezoelektrické tiskové hlavy vydrží mnohem déle než tepelné, protože je v nich menší tepelné namáhání a piezoelektrické krystaly se mohou milionkrát roztáhnout/smrštit. Piezoelektrická hlava má obvykle vydržet po celou dobu životnosti stroje, pokud nedojde k fatálnímu zablokování nebo vnějšímu poškození. Jejich výroba a pořízení však také stojí podstatně více než u tepelných hlav, takže uživatelé musí vynaložit více úsilí na jejich údržbu.

Tyto termíny označují, zda tisková hlava vystřeluje kapky stejné velikosti, nebo zda je lze nějakým způsobem měnit, aby bylo možné řídit hustotu inkoustu dopadajícího na médium pomocí světlejších odstínů. V kombinaci s technikami polotónování mohou odstíny šedi značně rozšířit tonální rozsah inkoustového tisku a zároveň umožnit použití relativně malých roztečí trysek nebo menšího počtu průchodů.

Piezoelektrické tiskové hlavy byly původně vždy binární, což znamená, že generovaly pouze kapky inkoustu stejné velikosti. Z binární hlavy lze pomocí polotónových technik získat dobrý rozsah tónů, ale zvýrazněné tóny mohou vypadat trochu zrnitě, pokud nepoužijete velmi jemné rozteče trysek (a/nebo nepřidáte další, světlejší inkousty).

Typická velikost binárních kapek je 30 až 100 pikolitrů. Pro dosažení jemnějších výsledků je možné dosáhnout menších kapiček, ale to znamená, že je potřeba více průchodů pro vytvoření hustoty pevných ploch v tisku, takže tisk je pomalejší.

Hlavy s odstíny šedi mohou měnit hustotu jednotlivých vytištěných bodů, takže kapka může zobrazovat od 30 % nebo 50 % až po 100 % barvy. Výhodou je, že při nižším rozlišení a menším počtu průchodů hlavou lze dosáhnout stejného „efektivního rozlišení“ jako u binárních hlav s mnohem vyšším nativním rozlišením.

Například rozlišení 360 dpi s hlavou s odstíny šedi údajně poskytuje stejný efekt jako binární rozlišení 1 000 dpi, což je tak dobré, jak to obvykle potřebujete pro fotografie a směsi i pro prohlížení zblízka.

Piezoelektrické hlavy mění velikost bodů několika různými způsoby, obvykle v závislosti na konkrétním výrobci a na tom, jaké patenty vlastní nebo se chce vyhnout jejich porušení. V závislosti na přesných metodách mohou být k dispozici tři až tři velikosti kapek.

Nejmenší velikost u nejjemnějších tiskových hlav (často používaných pro fotografii) je menší než 2 pikolitry). U tiskáren pro tisk nápisů jsou u nejmenších kapek běžnější velikosti 10 až 20 pikolitrů, protože rychlost a pokrytí jsou důležitější než kvalita zobrazení zblízka.

Tepelná škála šedi

Skutečně variabilní velikost kapek je zatím možná pouze u piezoelektrických hlavic. Společnost HP však pro své termální hlavy PageWide vyvinula formu šedé škály, která se nazývá High Definition Nozzle Architecture. Ta se zatím používá pouze u jejích obrovských inkoustových kotoučových tiskových strojů řady T pro komerční tisk, nikoliv u širokoformátových jednoprůchodových modelů PageWide XL, které se zatím používají hlavně pro práci s CAD a plány.

Ačkoli jsou kapky z každé trysky vždy stejně velké, v tiskové hlavě se páruje velká a malá tryska velmi těsně vedle sebe a zachází se s nimi jako s jedním zobrazovacím prvkem. Pro účely stupňů šedi pak vezme dvě dvojice trysek a řídí je jako jeden zobrazovací prvek.

Různými kombinacemi dvou malých a dvou velkých trysek lze dosáhnout pěti stupňů šedé (ve skutečnosti je to bílá plus čtyři stupně). Rozteč trysek HDNA je 2 400 dpi, takže dvojice trysek mají nativní rozlišení 1 200 dpi a sady stupňů šedi mají rozlišení 600 dpi.

Další regulace hustoty je možná použitím různých barev inkoustu ve velké a malé trysce (např. azurové a světle azurové). Sady trysek lze také ovládat samostatně pro vyšší rychlosti nebo rozlišení s menším počtem úrovní šedi.

 

Jedná se o popis rozteče trysek, tedy skutečného počtu kapek inkoustu, které může tisková hlava na dané ploše vytvořit. V průmyslu se obvykle uvádí jako počet bodů na palec, nikoli jako metrická míra. Pokud je tedy tisková hlava široká 1,5 palce (38 mm) a má 540 trysek po celé šířce, pak je její nativní rozlišení 360 dpi.

Mnoho velkoformátových inkoustových tiskáren vytváří obraz v řadě překrývajících se průchodů, takže na jednom palci média může být mnohem více kapek, než kolik jich může poskytnout samotné nativní rozlišení. Čím vyšší je dpi, tím více může výsledný tisk připomínat souvislou tónovou fotografii.

Hlavy s odstíny šedi umožňují vytvářet různé hustoty bodů, což poskytuje větší tonální rozsah ve srovnání s binární hlavou se stejnou roztečí trysek, což zase umožňuje lepší simulaci souvislého tónu.

Výrobci tiskáren v odstínech šedi proto běžně hovoří o „ekvivalentním“ rozlišení, což například znamená, že hlava s rozlišením 360 dpi v odstínech šedi může poskytovat vnímanou kvalitu ekvivalentní kvalitě hlavy s rozlišením 1 000 dpi v binárním formátu.

Existují také tiskové hlavy s velmi vysokým nativním rozlišením, například hlavy Micro Piezo PrecisionCore TFT od společnosti Epson (používané v tiskárnách SureColor) mají nativní rozlišení 600 dpi a pět velikostí kapek od 1,5 do 23 pikolitrů.

Výše zmíněná tiskárna HP PageWide HDNA má rozteč trysek 2 400 dpi díky střídání velkých a malých trysek, ale protože jsou řízeny v párech, lze za nativní rozlišení považovat 1 200 dpi.

Zájemci z oboru, kteří se chtějí dozvědět více o sadách HP a Epson a o výhodách, které mohou nabídnout jejich firmám, si mohou promluvit s odborníky z těchto společností na veletrhu FESPA 2017, který se koná od 8. do 12. května na veletrhu Hamburg Messe v Německu.

HP a Epson budou dvě z více než 700 značek, které se na této akci, jež by měla přilákat rekordní počet návštěvníků, představí.

Chcete-li se dozvědět více o FESPA 2017navštivte: https://www.fespa2017.com.. Návštěvníci mohou získat vstup na výstavu zdarma, pokud se zaregistrují online a uvedou referenční kód: FESG702.