Den ultimative guide til printhovedteknologier

Simon Eccles finder ud af mere om inkjet-printhoveder og ser på den næste generation, der skaber bølger i printindustrien.

Drop-on-demand, kontinuerlig inkjet, piezoelektrisk, termisk, solid, binær, gråskala. Det er alt sammen udtryk, der bruges i flæng, når man beskriver inkjetprintere og især deres printhovedtyper.

Hvis du ved, hvad de betyder, kan du med disse udtryk ret godt forudsige, hvad printeren skal bruges til, og hvordan den vil fungere. Hvis man ikke gør det, er det sjældent, at nogen stopper op og forklarer dem.

Så det er her, vi stopper op og forklarer dem. Nogle af begreberne beskriver printhovedernes grundlæggende design, andre beskriver, hvad de gør, eller hvordan de fungerer. Nogle kan give en mere præcis forklaring, f.eks. et piezo-gråtonehoved, mens andre udelukker hinanden – man kan ikke have et binært gråtonehoved.

Dette er så FESPA’s jargon-busting-guide til inkjet-printhoveder. Vi starter med at spørge, hvad et printhoved egentlig er?

Den komponent i en inkjetprinter, der projicerer blækdråber på mediet. Det er en enhed med meget høj præcision, og fremstillingen af den involverer en masse intellektuel ejendom (knowhow) og store investeringer i renrumsfabrikker. Moderne printhoveder bruger ofte fremstillingsteknikker (som f.eks. tyndfilmssilicium MEMS), der har meget til fælles med fremstilling af mikrochips.

Inde i et typisk printhoved er der driverelektronik, blækfremføringsudstyr og mindst et og normalt hundredvis af blækkamre, der fører til dyser, som er huller i dysepladen.

Blækindgangskanalerne er kun nogle få titusinde mikrometer i diameter, og dyserne er typisk 20-50 mikrometer. Et menneskehår er ca. 80 mikrometer i diameter.

De fleste printhoveder, der bruges til skiltning og andre grafiske anvendelser, har hundredvis af dyser, der styres individuelt for at generere og projicere dråber (se også “Drop on Demand”). Det kræver meget avanceret elektronik at generere, hvad der kan være millioner af dråber i en passage af hovedet og sørge for, at de rammer mediet på det rigtige sted.

Nogle blækstråler har en enkelt dyse og projicerer en kontinuerlig strøm af dråber, som afbøjes mod eller væk fra mediet ved hjælp af enten elektrostatiske plader eller luftstråler. Disse bruges ofte til kodnings- og mærkningssystemer snarere end til grafik. Se Kontinuerlig inkjet.

Selv om der findes hundredvis af printerproducenter verden over, får de alle deres printhoveder fra et relativt lille antal specialiserede producenter og integrerer dem derefter i selve printerne med en kombination af monteringer, elektronik, blæktilførsel, firmware og driversoftware.

Kun en håndfuld producenter af storformatprintere har deres egne printhovedfabrikker, herunder Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (dog datterselskabet Fujifilm Dimatix), HP og Xerox.

Alle de andre køber hoveder ind eller driver joint ventures med printerproducenter. De fleste af de ovennævnte producenter leverer hoveder til andre producenter på OEM-basis (selv om de nogle gange beholder de nyeste modeller for sig selv). Andre producenter af hoveder omfatter Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC og Xaar.

Drop-on-demand (DoD)

Det er en generel betegnelse for den type printhoved, der normalt findes i moderne blækprintere, som bruges til grafik i høj kvalitet, herunder alle de bredformatprintere, du ser på FESPA-udstillinger og på dette websted.

Drop-on-demand betyder, at inkjetdyser genererer og projicerer blækdråber, når og hvor der er brug for dem til at lave et mærke på mediet. Udtrykket blev primært opfundet som kontrast til de tidligere hoveder af typen med kontinuerligt flow (se kontinuerligt flow nedenfor).

Drop-on-demand-hoveder inddeles yderligere i termiske eller piezoelektriske typer – se nedenfor.

Et inkjet-printhoved, der projicerer en kontinuerlig strøm af dråber, så længe printeren kører. Normalt vil der kun være én dyse pr. hoved, men der kan bruges en række hoveder til at opbygge et større printområde.

Strømmen afbøjes mod eller væk fra mediet af enten ladede metalplader med et elektrostatisk felt eller (i Kodaks tilfælde) af præcist timede luftblæsninger. Uønsket blæk opsamles i en opsamlingsrende og kan filtreres og returneres til lagertanken.

I dag er disse hoveder normalt at finde i kodnings- og mærkningssystemer snarere end i sofistikerede grafikprintere.

Undtagelsen er Kodak Prosper-familien af printhoveder, som bruger en højtudviklet kontinuerlig inkjet-teknologi kaldet Stream, der giver meget høj billedkvalitet. På nuværende tidspunkt bruges Prosper og Stream ikke i nogen dedikerede skilte- og displayprintere.

Det var den første type drop-on-demand-printhoveder og blev brugt i de første desktop inkjets i begyndelsen af 1980’erne. Termiske printhoveder er effektive og kan give meget høj billedkvalitet og hastigheder, der konkurrerer med piezoelektriske hoveder, men i modsætning til piezo fungerer de kun med vandbaseret blæk og er derfor normalt begrænset til indendørs brug.

HP’s latexblæk er en undtagelse: Det fungerer med HP’s termohoveder. Årsagen er, at de har en varmeaktiveret polymer i en vandsuspension, der er fin til udendørs brug.

Termisk teknologi blev opfundet uafhængigt af hinanden og samtidig i 1970’erne af printhead technolo i Japan og Hewlett-Packard i USA, som besluttede at slå deres patenter sammen i stedet for at bekæmpe hinanden.

Princippet er, at et element inde i et blækkammer i printhovedet hurtigt opvarmes til det punkt, hvor det flydende blæk fordamper og danner en gasboble, som udvider sig og presser en dråbe blæk ud af et hul (dysen) i den ene ende af kammeret.

Derefter slukkes varmeelementet, så gasboblen afkøles, kondenserer og trækker sig sammen. Overfladespændingen ved dysen forhindrer luft i at blive suget baglæns ind, så der i stedet suges mere flydende blæk ind i kammeret fra tilførselsrørene. Canon, som var med til at opfinde de termiske hoveder, opfandt begrebet Bubble jet på grund af den måde, de fungerer på.

Indtil videre er der ingen ægte gråtoner i termiske hoveder, så de er alle binære, hvilket betyder, at dråberne altid har samme størrelse. Men HP har udviklet parvise dyser i forskellige størrelser, som er et skridt på vejen mod en gråskalaeffekt.

De termiske belastninger slider hurtigt på hovederne, så hovederne er designet til at være forbrugsstoffer, så de nemt og billigt kan udskiftes efter nogle få tiere eller hundreder af driftstimer.

Ofte bare kaldet piezo-hoveder. Disse drop-on-demand-hoveder begyndte at dukke op i de første storformatprintere i 1990’erne og revolutionerede sektoren. For første gang betød det, at opløsningsmiddel- og UV-hærdende blæk, der oprindeligt var forbundet med serigrafisk tryk, nu kunne trykkes digitalt.

Piezo-hoveder er alle baseret på princippet om, at en bestemt type krystal (ofte bly-zirkonat-titanat i inkjets, skrevet som PZT) udvider sig eller trækker sig sammen, når der sendes en elektrisk strøm igennem den og slukkes igen. Denne udvidelse/sammentrækning bruges som grundlag for en pumpe i blækkammeret.

Afhængigt af krystallernes konfiguration (kaldet “bøjning” eller “forskydning”) trækker en tovejsekspansion enten blæk ind og tvinger det derefter ud af kammeret via dysen (Epson bruger dette), eller den skaber akustiske trykbølger, der har samme effekt, men med mindre energi (Xaar bruger dette).

Den elektriske strøm kan tændes og slukkes meget hurtigt, og udvidelsen/sammentrækningen af krystallen er ligeledes næsten øjeblikkelig, så der er langt flere muligheder for at kontrollere punktdannelsen end med termiske hoveder.

Det betyder blandt andet, at nogle piezo-hoveder kan generere dråber af varierende størrelse fra samme kammer og dyse, hvilket giver forskellige blæktætheder på mediet. Disse hoveder kaldes gråtoner (se nedenfor).

Den piezoelektriske effekt fungerer med stort set alle væsker, så piezo-printhoveder kan bygges til at håndtere opløsningsmiddelbaserede blæk, UV-hærdede blæk (herunder nogle, der bruges til 3D-print) og vandige blæk. De kan også bruges til udfordrende væsker som f.eks. elektrisk ledende blæk, uigennemsigtig hvid og metallisk blæk med store partikler, 3D-printblæk og faseændringsblæk, der er flydende, når de når blækkammeret.

Piezo-printhoveder holder meget længere end termiske hoveder, fordi der er mindre termisk stress, og piezo-krystallerne kan udvide sig og trække sig sammen millioner af gange. Et piezo-hoved er normalt beregnet til at holde i hele maskinens levetid, så længe der ikke er nogen fatale blokeringer eller ydre skader. Men de koster også betydeligt mere at fremstille og købe end termiske hoveder, så brugerne er nødt til at gøre en større indsats for at vedligeholde dem.

Disse udtryk angiver, om printhovedets dråber alle har samme størrelse, eller om de kan varieres på en eller anden måde, så tætheden af det blæk, der når mediet, kan styres med lysere nuancer. Kombineret med halvtoneteknikker kan gråtoner udvide inkjettens toneområde betydeligt, samtidig med at der kan bruges relativt beskedne dyseafstande eller færre gennemløb.

Piezo-printhoveder var oprindeligt altid binære, hvilket betyder, at de kun genererede blækdråber af samme størrelse. Du kan få et godt udvalg af toner fra et binært hoved ved at bruge halvtoneteknikker, men lyse toner kan se lidt grynede ud, medmindre du bruger ultrafine dyseafstande (og/eller tilføjer ekstra, lysere farver).

Typiske binære dråbestørrelser er fra 30 til 100 pikoliter. Det er muligt at opnå mindre dråber for at få finere resultater, men det betyder, at der er brug for flere gennemløb for at opbygge tætheden af faste områder i printet, så det går langsommere.

Gråskalahoveder kan variere tætheden af individuelt printede prikker, så en dråbe kan vise alt fra 30 % eller 50 % til 100 % farve. Fordelen er, at lavere opløsninger og færre hovedpassager kan opnå den samme “effektive opløsning” som binære hoveder med meget højere oprindelige opløsninger.

For eksempel siges det, at en opløsning på 360 dpi med et gråskalahoved giver samme effekt som 1.000 dpi binært, hvilket er så godt, som du normalt nogensinde får brug for til fotografier og blandinger, selv til nærbilleder.

Piezo-hoveder varierer dråbestørrelserne ved hjælp af flere forskellige metoder, som regel afhængigt af den enkelte producent og de patenter, de har eller vil undgå at overtræde. Afhængigt af de præcise metoder kan der være mellem tre og store dråbestørrelser til rådighed.

Den mindste størrelse på de fineste printhoveder (ofte brugt til fotografering) er mindre end 2 picoliter.) For skilteprintere er størrelser på 10 til 20 picoliter mere almindelige for de mindste dråber, da hastighed og dækning betyder mere end nærbillede-kvalitet.

Termisk gråskala

Ægte variable dråbestørrelser er indtil videre kun mulige med piezo-hoveder. Men HP har udviklet en form for gråskala til sine termiske PageWide-hoveder, kaldet High Definition Nozzle Architecture. Indtil videre bruges det kun på de store inkjet-rotationspresser i T-serien til kommercielt print og ikke på PageWide XL single-pass-modellerne i bredformat, som indtil videre primært bruges til CAD- og planarbejde.

Selvom dråberne altid har samme størrelse fra hver dyse, parrer den en stor og en lille dyse meget tæt sammen i printhovedet og behandler dem som ét billeddannende element. Derefter tager den to dysepar og styrer dem som et enkelt billeddannende element til gråskalaformål.

Ved at affyre forskellige kombinationer af to små og to store dyser kan man opnå fem gråtoner (faktisk er det hvid plus fire toner). HDNA-dyseafstanden er 2.400 dpi, så dyseparrene har en oprindelig opløsning på 1.200 dpi, og gråskalasættene er 600 dpi.

Det er muligt at kontrollere tætheden yderligere ved at bruge forskellige blækfarver i de store og små dyser (f.eks. cyan og lys cyan). Dysesættene kan også styres separat for højere hastigheder eller opløsninger med færre gråtoner.

Dette er en beskrivelse af dysehøjden, dvs. det faktiske antal blækdråber, som et printhoved kan producere over et givet område. Branchen angiver normalt disse som punkter pr. tomme i stedet for et metrisk mål. Så hvis et printhoved er 38 mm (1,5 tommer) bredt og har 540 dyser i bredden, er den oprindelige opløsning 360 dpi.

Mange bredformatblækpatroner opbygger billeder i en række overlappende passager, så der kan være mange flere dråber pr. tomme på mediet, end den oprindelige opløsning alene kan give. Jo højere dpi, jo mere kan det endelige print ligne et fotografi med kontinuerlige toner.

Gråskalahoveder gør det muligt at skabe en række forskellige punkttætheder, hvilket giver et større toneomfang sammenlignet med et binært hoved med samme dyseafstand. hvilket igen giver en bedre simulering af kontinuerlig tone.

Det er derfor almindeligt, at producenter af gråskalaprintere taler om “tilsvarende” opløsninger, hvilket f.eks. betyder, at et gråskalahoved på 360 dpi kan give den samme opfattede kvalitet som et binært hoved på 1.000 dpi.

Der findes også printhoveder med meget høje indbyggede opløsninger, f.eks. Epsons Micro Piezo PrecisionCore TFT-hoveder (som bruges på SureColor-printerne), der har en indbygget opløsning på 600 dpi og fem dråbestørrelser fra 1,5 til 23 picoliter.

HP’s PageWide HDNA, som er nævnt ovenfor, har en dyseafstand på 2.400 dpi ved at skifte mellem store og små dyser, men da de styres som par, kan den oprindelige opløsning betragtes som 1.200 dpi.

Medlemmer af branchen, der gerne vil vide mere om HP- og Epson-kits og de fordele, de kan give deres virksomheder, kan tale med eksperter fra virksomhederne på FESPA 2017, der løber fra 8.-12. maj på Hamburg Messe i Tyskland.

HP og Epson vil være to af de mere end 700 mærker, der vil være til stede ved arrangementet, som forventes at tiltrække et rekordstort antal besøgende.

For at finde ud af mere om FESPA 2017besøg: https://www.fespa2017.com. Besøgende kan få gratis adgang til udstillingen ved at registrere sig online og angive referencekoden: FESG702.