Simon Eccles descubre más cosas sobre los cabezales de inyección de tinta y echa un vistazo a la nueva generación que está causando sensación en la industria de la impresión.

 

Gota a demanda, inyección de tinta continua, piezoeléctrica, térmica, sólida, binaria, escala de grises. Todos estos términos se utilizan para describir las impresoras de chorro de tinta y, en concreto, sus tipos de cabezales de impresión.

Si sabes lo que significan, estos términos te permiten predecir bastante bien para qué sirve la impresora y cómo funcionará. Si no los conoces, es raro que alguien se detenga a explicártelos.

Así que aquí nos detenemos a explicarlos. Algunos de los términos describen el diseño fundamental de los cabezales de impresión, otros describen lo que hacen o cómo funcionan. Algunos pueden duplicarse para una explicación más precisa, como cabezal piezoeléctrico de escala de grises, otros son mutuamente excluyentes: no puedes tener un cabezal binario de escala de grises.

Esta es la guía de FESPA para descifrar la jerga de los cabezales de impresión de chorro de tinta. Empezando por ¿qué es un cabezal de impresión?

Es el componente de una impresora de chorro de tinta que proyecta gotas de tinta sobre el soporte. Se trata de una unidad de muy alta precisión y su fabricación implica mucha propiedad intelectual (know-how) y fuertes inversiones en fábricas de sala blanca. Los cabezales de impresión modernos suelen utilizar técnicas de fabricación (como los MEMS de silicio de película fina) que tienen mucho en común con la fabricación de microchips.

En el interior de un cabezal de impresión típico hay componentes electrónicos del controlador, accesorios de alimentación de tinta, y al menos una y normalmente cientos de cámaras de tinta que conducen a las boquillas, que son orificios en la placa de boquillas.

Los canales de entrada de tinta miden sólo unas decenas de micras y las boquillas suelen medir entre 20 y 50 micras. Un cabello humano mide aproximadamente 80 micras.

La mayoría de los cabezales de impresión utilizados en señalización y otras aplicaciones gráficas tienen cientos de boquillas que se controlan individualmente para generar y proyectar gotas (véase también «Gota a demanda»). Generar lo que pueden ser millones de gotas en una pasada del cabezal y asegurarse de que golpean el material en el lugar correcto requiere una electrónica muy avanzada.

Algunas impresoras de chorro de tinta tienen una sola boquilla y proyectan un chorro continuo de gotas, que se desvían hacia el soporte o se alejan de él mediante placas electrostáticas o ráfagas de aire. Suelen utilizarse en sistemas de codificación y marcado más que en gráficos. Ver Inyección de tinta continua.

Aunque hay cientos de fabricantes de impresoras en todo el mundo, todos obtienen sus cabezales de impresión de un número relativamente pequeño de fabricantes especializados, y luego los integran en las propias impresoras con una combinación de soportes, electrónica, alimentación de tinta, firmware y software controlador.

Sólo unos pocos fabricantes de impresoras de gran formato tienen sus propias fábricas de cabezales, entre ellos Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (a través de su filial Fujifilm Dimatix), HP y Xerox.

Todos los demás compran cabezales u operan en empresas conjuntas con fabricantes de impresoras. La mayoría de los fabricantes mencionados suministran cabezales a otros fabricantes como OEM (aunque a veces se quedan con los últimos modelos). Otros fabricantes de cabezales son Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC y Xaar.

Gota a la carta (DoD)

Se trata de un término general para el tipo de cabezal de impresión que se encuentra normalmente en las impresoras de inyección de tinta modernas utilizadas para gráficos de alta calidad, incluidas todas las impresoras de gran formato que verás en las ferias FESPA y en este sitio web.

Gota a demanda significa que los inyectores de tinta generan y proyectan gotas de tinta cuando y donde se necesitan para producir una marca en el soporte. El término se acuñó principalmente para contrastarlo con los anteriores cabezales de tipo flujo continuo (ver flujo continuo más abajo).

Los cabezales de gota a presión se subdividen a su vez en térmicos o piezoeléctricos (véase más abajo).

Un cabezal de impresión de chorro de tinta que proyecta un chorro continuo de gotitas todo el tiempo que la impresora está funcionando. Normalmente sólo habrá una boquilla por cabezal, pero puede utilizarse una matriz de cabezales para crear una franja de impresión más amplia.

El chorro se desvía hacia el soporte o se aleja de él mediante placas metálicas cargadas con un campo electrostático o (en el caso de Kodak) mediante ráfagas de aire sincronizadas con precisión. La tinta no deseada se recoge en un canal de recogida y puede filtrarse y devolverse al depósito de almacenamiento.

Hoy en día, estos cabezales suelen encontrarse en sistemas de codificación y marcado, más que en sofisticadas impresoras gráficas.

La excepción es la familia de cabezales de impresión Kodak Prosper, que utiliza una tecnología de inyección de tinta continua muy desarrollada llamada Stream, que proporciona una calidad de imagen muy alta. En la actualidad, Prosper y Stream no se utilizan en ninguna impresora especializada en rótulos y expositores.

Fueron el primer tipo de cabezales de impresión de gota a gota y se utilizaron en las primeras impresoras de inyección de tinta de sobremesa a principios de los años 80. Los cabezales térmicos son eficientes y pueden ofrecer una calidad de imagen muy alta y velocidades que compiten con los cabezales piezoeléctricos, pero a diferencia de los piezoeléctricos, sólo funcionan con tintas de base acuosa, por lo que normalmente se limitan a aplicaciones de interior.

Las tintas Látex de HP son una excepción: funcionan con los cabezales térmicos HP. La razón es que tienen un polímero activado por calor en una suspensión acuosa que es adecuada para su uso en exteriores.

La tecnología térmica fue inventada de forma independiente y simultánea en los años 70 por las empresas Printhead Technolo en Japón y Hewlett-Packard en EEUU, que decidieron poner en común sus patentes en lugar de luchar entre ellas.

El principio consiste en que un elemento del interior de una cámara de tinta del cabezal de impresión se calienta rápidamente hasta el punto de que la tinta líquida se vaporiza y forma una burbuja de gas, que se expande y fuerza la salida de una gota de tinta por un orificio (la boquilla) situado en un extremo de la cámara.

A continuación se apaga el elemento térmico, de modo que la burbuja de gas se enfría, se condensa y se contrae. La tensión superficial en la boquilla impide que el aire se introduzca hacia atrás, por lo que en su lugar se introduce más tinta líquida en la cámara desde los tubos de alimentación. Canon, inventor conjunto de los cabezales térmicos, acuñó el término «chorro de burbujas» por la forma en que funcionan.

Hasta ahora no existen verdaderos cabezales térmicos de escala de grises, por lo que todos son binarios, es decir, las gotas son siempre del mismo tamaño. Sin embargo, HP ha desarrollado boquillas emparejadas de distintos tamaños que se acercan al efecto de escala de grises.

Las tensiones térmicas desgastan los cabezales rápidamente, por lo que los cabezales están diseñados para ser consumibles, de modo que puedan sustituirse fácil y económicamente tras unas decenas o centenares de horas de funcionamiento.

A menudo se denominan simplemente cabezales piezoeléctricos. Estos cabezales piezoeléctricos empezaron a aparecer en las primeras impresoras de gran formato en la década de 1990 y revolucionaron el sector. Por primera vez, las tintas solventes y de curado UV, asociadas originalmente a la impresión serigráfica, podían imprimirse digitalmente.

Todos los cabezales piezoeléctricos se basan en el principio de que un tipo concreto de cristal (a menudo titanato de circonato de plomo en las impresoras de chorro de tinta, escrito como PZT) se expande o contrae cuando pasa por él una corriente eléctrica y se apaga de nuevo. Esta expansión/contracción se utiliza como base de una bomba en la cámara de tinta.

Dependiendo de la configuración de los cristales (llamados en modo «curvado» o «cizallado»), una expansión bidireccional aspira la tinta y luego la fuerza a salir de la cámara a través de la boquilla (Epson utiliza esto), o establece ondas de presión acústica que tienen el mismo efecto pero con menos energía (Xaar utiliza esto).

La corriente eléctrica puede conectarse y desconectarse muy rápidamente y la expansión/contracción del cristal es igualmente casi instantánea, por lo que hay muchas más posibilidades de controlar la formación de puntos que con los cabezales térmicos.

Entre otras cosas, esto significa que algunos cabezales piezoeléctricos pueden generar gotas de tamaño variable desde la misma cámara y boquilla, dando diferentes densidades de tinta en el soporte. Son los llamados cabezales de escala de grises (ver más abajo).

El efecto piezoeléctrico funciona prácticamente con cualquier fluido, por lo que los cabezales de impresión piezoeléctricos pueden fabricarse para manejar tintas con base de disolvente, tintas de curado UV (incluidas algunas utilizadas para la impresión 3D) y tintas acuosas. También pueden utilizarse para fluidos difíciles, como tintas electroconductoras, tintas blancas y metálicas opacas de partículas grandes, tintas de impresión 3D y tintas de cambio de fase que son un líquido cuando llegan a la cámara de tinta.

Los cabezales piezoeléctricos duran mucho más que los térmicos porque hay menos tensión térmica y los cristales piezoeléctricos pueden expandirse/contraerse millones de veces. Normalmente, se pretende que un cabezal piezoeléctrico dure toda la vida útil de la máquina, siempre que no se produzca un bloqueo fatal o un daño externo. Sin embargo, también cuestan bastante más de fabricar y comprar que los cabezales térmicos, por lo que los usuarios tienen que esforzarse más en su mantenimiento.

Estos términos indican si los disparos del cabezal de impresión son todos del mismo tamaño o si se pueden variar de algún modo para que la densidad de la tinta que llega al soporte se pueda controlar con tonos más claros. Combinada con las técnicas de tramado, la escala de grises puede ampliar considerablemente la gama tonal de un chorro de tinta, al tiempo que permite utilizar pasos de boquilla relativamente modestos o menos pasadas.

Originalmente, los cabezales piezoeléctricos eran siempre binarios, lo que significa que sólo generaban gotas de tinta del mismo tamaño. Puedes obtener una buena gama de tonos de un cabezal binario utilizando técnicas de semitono, pero los tonos de realce pueden parecer un poco granulados a menos que utilices pasos de boquilla ultrafinos (y/o añadas tintas adicionales de colores más claros).

Los tamaños típicos de gota binaria son de 30 a 100 picolitros. Es posible conseguir gotas más pequeñas para obtener resultados más finos, pero esto significa que se necesitan más pasadas para aumentar la densidad de las zonas sólidas de la impresión, por lo que la impresión es más lenta.

Los cabezales de escala de grises pueden variar la densidad de los puntos impresos individualmente, por lo que una gota puede mostrar desde un 30% o 50% hasta un 100% de color. La ventaja es que con resoluciones más bajas y menos pasadas de cabezal se puede conseguir la misma «resolución efectiva» que con cabezales binarios con resoluciones nativas mucho más altas.

Por ejemplo, se dice que una resolución de 360 dpi con un cabezal de escala de grises da el mismo efecto que 1.000 dpi binarios, que es lo mejor que necesitarás normalmente para fotografías y mezclas incluso para ver de cerca.

Los cabezales piezoeléctricos varían el tamaño de los puntos por varios métodos diferentes, que suelen depender de cada fabricante y de las patentes que posea o que quiera evitar infringir. Dependiendo de los métodos precisos, puede haber entre tres y tamaños de gota disponibles.

El tamaño más pequeño en los cabezales de impresión más finos (a menudo utilizados para fotografía) es inferior a 2 picolitros). Para las impresoras de cartelería, los tamaños de 10 a 20 picolitros son más comunes para las gotas más pequeñas, ya que la velocidad y la cobertura importan más que la calidad de visión cercana.

Escala de grises térmica

Los verdaderos tamaños de gota variables sólo son posibles hasta ahora con los cabezales piezoeléctricos. Sin embargo, HP ha desarrollado una forma de escala de grises para sus cabezales térmicos PageWide, denominada Arquitectura de boquillas de alta definición. Hasta ahora sólo se utiliza en sus enormes rotativas de inyección de tinta de la serie T para impresión comercial, y no en los modelos de gran formato PageWide XL de una sola pasada que hasta ahora se utilizan principalmente para trabajos de CAD y planos.

Aunque las gotas de cada boquilla son siempre del mismo tamaño, empareja una boquilla grande y otra pequeña muy juntas en el cabezal de impresión y las trata como un solo elemento de imagen. A continuación, toma dos pares de boquillas y los controla como un único elemento de imagen a efectos de escala de grises.

Disparando diferentes combinaciones de dos boquillas pequeñas y dos grandes, se pueden conseguir cinco niveles de grises (en realidad es blanco más cuatro niveles). El paso de las boquillas HDNA es de 2.400 ppp, por lo que los pares de boquillas tienen una resolución nativa de 1.200 ppp y los conjuntos de escala de grises son de 600 ppp.

Es posible un mayor control de la densidad utilizando diferentes colores de tinta en los inyectores grande y pequeño (por ejemplo, cian y cian claro). Los conjuntos de boquillas también pueden controlarse por separado para velocidades o resoluciones más altas, con menos niveles de gris.

 

Es una descripción del paso de la boquilla, es decir, el número real de gotas de tinta que puede producir un cabezal de impresión en un área determinada. El sector suele expresarlo en puntos por pulgada, en lugar de una medida métrica. Así, si un cabezal de impresión mide 38 mm (1,5 pulgadas) de ancho y tiene 540 inyectores en toda su anchura, la resolución nativa es de 360 ppp.

Muchas impresoras de inyección de tinta de gran formato construyen las imágenes en una serie de pasadas superpuestas, por lo que puede haber muchas más gotas por pulgada en el soporte de las que puede dar la resolución nativa por sí sola. Cuanto mayores sean los ppp, más se parecerá la impresión final a una fotografía de tonos continuos.

Los cabezales de escala de grises permiten crear una gama de densidades de punto diferentes, lo que proporciona una mayor gama tonal en comparación con un cabezal binario del mismo paso de boquilla, lo que a su vez proporciona una mejor simulación del tono continuo.

Por eso, es habitual que los fabricantes de impresoras de escala de grises hablen de resoluciones «equivalentes», lo que significa, por ejemplo, que un cabezal de escala de grises de 360 dpi puede dar la calidad percibida equivalente a un cabezal binario de 1.000 dpi.

También hay cabezales con resoluciones nativas muy altas, como los cabezales Micro Piezo PrecisionCore TFT de Epson (utilizados en sus impresoras SureColor) tienen una resolución nativa de 600 ppp y cinco tamaños de gota que van de 1,5 a 23 picolitros.

La PageWide HDNA de HP, mencionada anteriormente, tiene un paso de boquilla de 2.400 ppp mediante la alternancia de boquillas grandes y pequeñas, pero como se controlan por pares, la resolución nativa puede considerarse de 1.200 ppp.

Los miembros del sector interesados en saber más sobre los kits de HP y Epson y las ventajas que pueden ofrecer a sus empresas pueden hablar con expertos de las empresas en FESPA 2017, que se celebra del 8 al 12 de mayo en la Hamburg Messe de Alemania.

HP y Epson serán dos de las más de 700 marcas que estarán presentes en el evento, que se espera que atraiga a un número récord de visitantes.

Para saber más sobre FESPA 2017visita https://www.fespa2017.com. Los visitantes pueden obtener entrada gratuita a la exposición registrándose en línea, indicando el código de referencia: FESG702.