Der ultimative Leitfaden für Druckkopftechnologien

Simon Eccles erfährt mehr über Tintenstrahldruckköpfe und wirft einen Blick auf die nächste Generation, die in der Druckindustrie Wellen schlägt.

Drop-on-Demand, Continuous Inkjet, piezoelektrisch, thermisch, fest, binär, Graustufen. Dies sind alles Begriffe, die bei der Beschreibung von Tintenstrahldruckern und insbesondere ihrer Druckkopftypen leichtfertig verwendet werden.

Wenn Sie wissen, was sie bedeuten, dann können Sie anhand dieser Begriffe ziemlich gut vorhersagen, wofür der Drucker gedacht ist und wie er funktioniert. Wenn Sie sie nicht kennen, wird kaum jemand anhalten und sie erklären.

Hier halten wir also inne und erklären sie. Einige der Begriffe beschreiben das grundlegende Design von Druckköpfen, andere beschreiben, was sie tun oder wie sie funktionieren. Einige können doppelt verwendet werden, um eine genauere Erklärung zu erhalten, wie z.B. ein Piezo-Graustufenkopf, andere schließen sich gegenseitig aus – einen binären Graustufenkopf können Sie nicht haben.

Dies ist also der FESPA-Leitfaden für Tintenstrahldruckköpfe, der dem Fachjargon ein Ende setzt. Wir beginnen mit der Frage: Was ist ein Druckkopf überhaupt?

Die Komponente eines Tintenstrahldruckers, die Tintentropfen auf das Medium projiziert. Es handelt sich dabei um ein hochpräzises Gerät, dessen Herstellung viel geistiges Eigentum (Know-how) und hohe Investitionen in Reinraumfabriken erfordert. Moderne Druckköpfe verwenden oft Fertigungstechniken (z.B. Dünnschicht-Silizium-MEMS), die viel mit der Herstellung von Mikrochips gemein haben.

Im Inneren eines typischen Druckkopfes befinden sich die Treiberelektronik, die Tintenzufuhrvorrichtungen und mindestens eine, in der Regel jedoch Hunderte von Tintenkammern, die zu den Düsen führen, die sich in der Düsenplatte befinden.

Die Tinteneingangskanäle haben nur einen Durchmesser von einigen zehn Mikrometern und die Düsen sind in der Regel 20-50 Mikrometer groß. Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 80 Mikrometern.

Die meisten Druckköpfe, die für Beschilderungen und andere grafische Anwendungen verwendet werden, verfügen über Hunderte von Düsen, die einzeln gesteuert werden, um Tropfen zu erzeugen und zu projizieren (siehe auch „Drop on Demand“). Um Millionen von Tropfen in einem Durchgang des Druckkopfes zu erzeugen und sicherzustellen, dass sie das Material an der richtigen Stelle treffen, ist eine sehr fortschrittliche Elektronik erforderlich.

Einige Tintenstrahldrucker haben eine einzige Düse und projizieren einen kontinuierlichen Tropfenstrom, der entweder durch elektrostatische Platten oder durch Luftstöße auf das Medium zu- oder von ihm weggelenkt wird. Diese werden eher für Codierungs- und Markierungssysteme als für Grafiken verwendet. Siehe Continuous Inkjet.

Obwohl es weltweit Hunderte von Druckerherstellern gibt, beziehen sie alle ihre Druckköpfe von einer relativ kleinen Anzahl von Spezialherstellern und integrieren sie dann mit einer Kombination aus Halterungen, Elektronik, Tintenzufuhr, Firmware und Treibersoftware in die Drucker selbst.

Nur eine Handvoll Hersteller von Großformatdruckern verfügen über eigene Druckkopffabriken, darunter Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (bzw. dessen Tochtergesellschaft Fujifilm Dimatix), HP und Xerox.

Alle anderen kaufen Köpfe zu oder arbeiten in Joint Ventures mit Druckerherstellern. Die meisten der oben genannten Hersteller liefern Druckköpfe auf OEM-Basis an andere Hersteller (obwohl sie manchmal die neuesten Modelle für sich selbst behalten). Weitere Hersteller von Druckköpfen sind Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC und Xaar.

Abwurf auf Abruf (DoD)

Dies ist ein allgemeiner Begriff für den Druckkopftyp, der normalerweise in modernen Tintenstrahldruckern für hochwertige Grafiken verwendet wird, einschließlich aller Großformatdrucker, die Sie auf FESPA-Messen und auf dieser Website sehen.

Drop-on-Demand bedeutet, dass die Tintenstrahldüsen Tintentropfen erzeugen und ausstoßen, wann und wo sie benötigt werden, um eine Markierung auf dem Medium zu erzeugen. Der Begriff wurde vor allem im Gegensatz zu den früheren Köpfen mit kontinuierlichem Fluss geprägt (siehe kontinuierlicher Fluss unten).

Drop-on-Demand-Köpfe werden weiter in thermische oder piezoelektrische Typen unterteilt – siehe unten.

Ein Tintenstrahldruckkopf, der einen kontinuierlichen Strom von Tröpfchen projiziert, während der Drucker in Betrieb ist. Normalerweise gibt es nur eine Düse pro Kopf, aber eine Reihe von Köpfen kann verwendet werden, um eine größere Druckfläche zu erzeugen.

Der Strom wird entweder durch geladene Metallplatten mit einem elektrostatischen Feld oder (im Falle von Kodak) durch präzise getimte Luftstöße auf das Medium zu oder von ihm weg gelenkt. Unerwünschte Tinte wird in einer Auffangrinne aufgefangen und kann gefiltert und in den Vorratstank zurückgeführt werden.

Heute sind diese Köpfe in der Regel in Codier- und Markiersystemen zu finden und nicht mehr in hochentwickelten Grafikdruckern.

Eine Ausnahme bilden die Druckköpfe der Prosper-Familie von Kodak, die eine hochentwickelte Continuous-Inkjet-Technologie namens Stream verwenden, die eine sehr hohe Bildqualität liefert. Derzeit werden Prosper und Stream nicht in speziellen Druckern für Schilder und Displays eingesetzt.

Sie waren die erste Art von Drop-on-Demand-Druckköpfen und wurden in den ersten Desktop-Tintenstrahldruckern in den frühen 1980er Jahren eingesetzt. Thermodruckköpfe sind effizient und können eine sehr hohe Bildqualität und Geschwindigkeiten liefern, die mit den piezoelektrischen Köpfen konkurrieren, aber im Gegensatz zu den Piezodruckköpfen arbeiten sie nur mit wasserbasierten Tinten und sind daher normalerweise auf Innenanwendungen beschränkt.

Die Latex-Tinten von HP bilden eine Ausnahme: Sie funktionieren mit HP Thermodruckköpfen. Der Grund dafür ist, dass sie ein hitzeaktiviertes Polymer in einer Wassersuspension enthalten, die für den Außeneinsatz geeignet ist.

Die Thermotechnik wurde in den 1970er Jahren unabhängig voneinander und gleichzeitig von Printhead Technolo in Japan und Hewlett-Packard in den USA erfunden, die beschlossen, ihre Patente zusammenzulegen, anstatt sich gegenseitig zu bekämpfen.

Das Prinzip besteht darin, dass ein Element in einer Tintenkammer im Druckkopf schnell so stark erhitzt wird, dass die flüssige Tinte verdampft und eine Gasblase bildet, die sich ausdehnt und einen Tintentropfen aus einer Öffnung (der Düse) an einem Ende der Kammer drückt.

Das Heizelement wird dann abgeschaltet, so dass die Gasblase abkühlt, kondensiert und sich zusammenzieht. Die Oberflächenspannung an der Düse verhindert, dass Luft rückwärts angesaugt wird. Stattdessen wird mehr flüssige Tinte aus den Zufuhrrohren in die Kammer gesaugt. Canon, der Miterfinder der Thermodruckköpfe, prägte aufgrund ihrer Funktionsweise den Begriff Bubble Jet.

Bislang gibt es keine echten Graustufen-Thermoköpfe. Sie sind alle binär, d.h. die Tropfen sind immer gleich groß. HP hat jedoch gepaarte Düsen unterschiedlicher Größe entwickelt, die einen gewissen Graustufeneffekt ermöglichen.

Durch die thermische Beanspruchung verschleißen die Köpfe schnell. Daher sind die Köpfe als Verbrauchsmaterial konzipiert, so dass sie nach einigen Dutzend oder Hunderten von Betriebsstunden einfach und kostengünstig ausgetauscht werden können.

Oft auch einfach Piezoköpfe genannt. Diese Drop-on-Demand-Köpfe kamen in den 1990er Jahren in frühen Großformatdruckern zum Einsatz und revolutionierten die Branche. Zum ersten Mal konnten damit lösungsmittelhaltige und UV-härtende Tinten, die ursprünglich für den Siebdruck bestimmt waren, digital gedruckt werden.

Piezoköpfe basieren alle auf dem Prinzip, dass sich eine bestimmte Art von Kristall (bei Tintenstrahldruckern oft Blei-Zirkonat-Titanat, kurz PZT) ausdehnt oder zusammenzieht, wenn ein elektrischer Strom durch ihn hindurchfließt und wieder abgeschaltet wird. Diese Ausdehnung/Kontraktion wird als Grundlage für eine Pumpe in der Tintenkammer verwendet.

Je nach Konfiguration der Kristalle (im sogenannten „Bend“- oder „Shear“-Modus) zieht eine Zwei-Wege-Ausdehnung entweder Tinte an und drückt sie dann über die Düse aus der Kammer (Epson verwendet dies), oder sie erzeugt akustische Druckwellen, die denselben Effekt haben, aber mit weniger Energie (Xaar verwendet dies).

Der elektrische Strom kann sehr schnell ein- und ausgeschaltet werden, und die Ausdehnung/Kontraktion des Kristalls erfolgt ebenfalls fast augenblicklich, so dass es weitaus mehr Möglichkeiten zur Steuerung der Punktbildung gibt als bei Thermoköpfen.

Das bedeutet unter anderem, dass einige Piezoköpfe Tropfen unterschiedlicher Größe aus derselben Kammer und Düse erzeugen können, was zu unterschiedlichen Tintendichten auf dem Medium führt. Diese werden Graustufenköpfe genannt (siehe unten).

Der piezoelektrische Effekt funktioniert mit so gut wie jeder Flüssigkeit, so dass Piezo-Druckköpfe für lösungsmittelbasierte Tinten, UV-härtende Tinten (einschließlich einiger für den 3D-Druck verwendeter Tinten) und wässrige Tinten gebaut werden können. Sie können auch für schwierige Flüssigkeiten wie elektrisch leitfähige Tinten, weiße und metallische Tinten mit großen Partikeln, 3D-Druck-Tinten und Phasenwechsel-Tinten, die in der Tintenkammer flüssig sind, verwendet werden.

Piezodruckköpfe halten viel länger als Thermodruckköpfe, weil die thermische Belastung geringer ist und die Piezokristalle sich millionenfach ausdehnen/zusammenziehen können. Ein Piezokopf ist normalerweise für die gesamte Lebensdauer des Geräts ausgelegt, solange keine fatale Verstopfung oder äußere Beschädigung auftritt. Allerdings sind sie auch in der Herstellung und im Kauf wesentlich teurer als Thermoköpfe, so dass die Benutzer mehr Aufwand für ihre Wartung betreiben müssen.

Diese Begriffe geben an, ob die Druckkopftropfen alle die gleiche Größe haben oder ob sie in irgendeiner Weise variiert werden können, so dass die Dichte der Tinte, die das Medium erreicht, mit helleren Farbtönen gesteuert werden kann. In Kombination mit Halbtontechniken können Graustufen den Tonwertumfang eines Tintenstrahldruckers beträchtlich erweitern, während gleichzeitig relativ bescheidene Düsenabstände oder weniger Durchgänge verwendet werden können.

Piezo-Druckköpfe waren ursprünglich immer binär, d.h. sie erzeugten nur Tintentropfen derselben Größe. Mit einem binären Druckkopf können Sie mit Hilfe von Halbtontechniken eine gute Bandbreite an Farbtönen erzielen, aber Spitzentöne können etwas körnig aussehen, es sei denn, Sie verwenden ultrafeine Düsenabstände (und/oder fügen zusätzliche, hellere Farbtinten hinzu).

Typische binäre Tropfengrößen liegen zwischen 30 und 100 Picolitern. Es ist möglich, kleinere Tröpfchen für feinere Ergebnisse zu erzielen, aber das bedeutet, dass mehr Durchgänge erforderlich sind, um die Dichte der festen Bereiche im Druck aufzubauen, so dass der Druck langsamer ist.

Graustufenköpfe können die Dichte der einzelnen gedruckten Punkte variieren, so dass ein Tropfen alles von 30 % oder 50 % bis zu 100 % Farbe zeigen kann. Der Vorteil ist, dass mit niedrigeren Auflösungen und weniger Kopfdurchläufen die gleiche „effektive Auflösung“ erreicht werden kann wie mit binären Köpfen mit viel höheren nativen Auflösungen.

So soll eine Auflösung von 360 dpi mit einem Graustufenkopf den gleichen Effekt erzielen wie 1.000 dpi binär. Das ist so gut, wie Sie normalerweise für Fotos benötigen und mischt sich sogar bei Nahaufnahmen.

Piezoköpfe variieren die Größe der Punkte mit verschiedenen Methoden, in der Regel abhängig vom jeweiligen Hersteller und davon, welche Patente er hält oder nicht verletzen will. Abhängig von den genauen Methoden können zwischen drei und mehreren Tropfengrößen verfügbar sein.

Die kleinste Größe bei den feinsten Druckköpfen (die häufig für die Fotografie verwendet werden) beträgt weniger als 2 Pikoliter.) Bei Werbedruckern sind Größen von 10 bis 20 Pikoliter für die kleinsten Tropfen üblich, da Geschwindigkeit und Deckkraft wichtiger sind als die Qualität der Nahsicht.

Thermische Graustufen

Wirklich variable Tropfengrößen sind bisher nur bei Piezoköpfen möglich. HP hat jedoch eine Form von Graustufen für seine thermischen PageWide-Köpfe entwickelt, die sogenannte High Definition Nozzle Architecture. Bisher wird dies nur bei den riesigen Inkjet-Rollendruckmaschinen der T-Serie für den Akzidenzdruck eingesetzt, nicht aber bei den großformatigen PageWide XL Single-Pass-Modellen, die bisher hauptsächlich für CAD- und Planungsarbeiten verwendet werden.

Obwohl die Tropfen aus jeder Düse immer gleich groß sind, werden eine große und eine kleine Düse im Druckkopf sehr eng aneinander gesetzt und als ein Bildelement behandelt. Dann nimmt es zwei Düsenpaare und steuert sie als ein einziges Bildelement für Graustufenzwecke.

Durch das Abfeuern verschiedener Kombinationen von zwei kleinen und zwei großen Düsen können fünf Graustufen erreicht werden (eigentlich ist es Weiß plus vier Stufen). Der HDNA-Düsenabstand beträgt 2.400 dpi, so dass die Düsenpaare eine native Auflösung von 1.200 dpi haben und die Graustufensätze 600 dpi betragen.

Eine weitere Steuerung der Dichte ist durch die Verwendung unterschiedlicher Tintenfarben in den großen und kleinen Düsen möglich (z.B. Cyan und Light Cyan). Die Düsensätze können auch separat für höhere Geschwindigkeiten oder Auflösungen mit weniger Graustufen gesteuert werden.

Dies ist eine Beschreibung des Düsenabstands, d.h. der tatsächlichen Anzahl von Tintentropfen, die ein Druckkopf über eine bestimmte Fläche produzieren kann. In der Industrie werden diese Werte normalerweise als Punkte pro Zoll und nicht als metrisches Maß angegeben. Wenn also ein Druckkopf 1,5 Zoll (38 mm) breit ist und 540 Düsen über die gesamte Breite hat, dann beträgt die native Auflösung 360 dpi.

Viele Großformat-Tintenstrahldrucker bauen Bilder in einer Reihe von sich überlappenden Durchgängen auf, so dass sich auf dem Medium viel mehr Tropfen pro Zoll befinden können, als die native Auflösung allein ergeben kann. Je höher die dpi sind, desto mehr kann der endgültige Druck wie eine Halbtonfotografie aussehen.

Mit Graustufenköpfen kann eine Reihe unterschiedlicher Punktdichten erzeugt werden, was im Vergleich zu einem binären Kopf mit gleichem Düsenabstand einen größeren Tonwertbereich ergibt, was wiederum eine bessere Simulation von Halbtönen ermöglicht.

Es ist daher üblich, dass die Hersteller von Graustufendruckern von „äquivalenten“ Auflösungen sprechen, was bedeutet, dass ein Graustufenkopf mit 360 dpi beispielsweise die gleiche Qualität wie ein Binärkopf mit 1.000 dpi bietet.

Es gibt auch Druckköpfe mit sehr hohen nativen Auflösungen, wie z. B. die Micro Piezo PrecisionCore TFT-Druckköpfe von Epson (für die SureColor-Drucker) mit einer nativen Auflösung von 600 dpi und fünf Tropfengrößen von 1,5 bis 23 Picolitern.

Der oben erwähnte PageWide HDNA von HP hat einen Düsenabstand von 2.400 dpi, indem sich große und kleine Düsen abwechseln. Da sie jedoch paarweise gesteuert werden, kann die native Auflösung als 1.200 dpi angesehen werden.

Branchenmitglieder, die mehr über HP und Epson Kits und die Vorteile, die sie ihrem Unternehmen bieten können, erfahren möchten, können auf der FESPA 2017, die vom 8. bis 12. Mai auf der Hamburg Messe in Deutschland stattfindet, mit Experten der Unternehmen sprechen.

HP und Epson sind zwei von mehr als 700 Marken, die auf der Veranstaltung vertreten sein werden, zu der eine Rekordzahl von Besuchern erwartet wird.

Erfahren Sie mehr über FESPA 2017, besuchen Sie: https://www.fespa2017.com. Besucher erhalten kostenlosen Eintritt zur Ausstellung, wenn sie sich online unter Angabe des Referenzcodes registrieren: FESG702.