Lopullinen opas tulostuspään tekniikoista

Simon Eccles ottaa selvää mustesuihkutulostuspäästä ja tarkastelee seuraavaa sukupolvea, joka tekee tulostusteollisuudessa aaltoja.

Drop-on-demand, jatkuva mustesuihku, pietsosähköinen, terminen, kiinteä, binäärinen, harmaasävy. Nämä kaikki ovat termejä, joita käytetään vilpittömästi mustesuihkutulostimia ja erityisesti niiden tulostuspäätyyppejä kuvattaessa.

Jos tiedät, mitä ne tarkoittavat, voit näiden termien avulla melko hyvin ennustaa, mihin tulostin on tarkoitettu ja miten se toimii. Jos et tiedä, harvoin kukaan pysähtyy selittämään niitä.

Joten tässä kohtaa pysähdymme ja selitämme ne. Osa termeistä kuvaa tulostuspäiden perusrakenteita, osa kuvaa, mitä ne tekevät tai miten ne toimivat. Jotkin termit voidaan käyttää kahteen kertaan tarkempaa selitystä varten, kuten piezo-harmaasävypää, toiset taas ovat toisensa poissulkevia – ei voi olla binääristä harmaasävypäätä.

Tämä on siis FESPAn opas, jossa selvitetään mustesuihkutulostuspäätä koskevaa jargonia. Aloitetaan siitä, mikä on tulostuspää?

Mustesuihkutulostimen osa, joka heijastaa mustepisaroita tulostusmateriaaliin. Kyseessä on erittäin korkean tarkkuuden yksikkö, ja sen valmistaminen edellyttää paljon henkistä omaisuutta (taitotietoa) ja suuria investointeja puhdastilatehtaisiin. Nykyaikaisissa tulostuspäässä käytetään usein valmistustekniikoita (kuten ohutkalvopiisejä MEMS), joilla on paljon yhteistä mikrosirujen valmistuksen kanssa.

Tyypillisen tulostuspään sisällä on ohjainelektroniikkaa, musteen syöttölaitteita ja vähintään yksi ja yleensä satoja mustekammioita, jotka johtavat suuttimiin, jotka ovat reikiä suutinlevyssä.

Musteen syöttökanavien läpimitta on vain muutamia kymmeniä mikrometrejä ja suuttimien läpimitta tyypillisesti 20-50 mikrometriä. Ihmisen hiuksen läpimitta on noin 80 mikronia.

Useimmissa opasteissa ja muissa grafiikkasovelluksissa käytetyissä tulostuspäässä on satoja suuttimia, joita ohjataan erikseen pisaroiden tuottamiseksi ja heijastamiseksi (katso myös ”Drop on Demand”). Miljoonien pisaroiden tuottaminen yhdellä tulostuspään kierroksella ja sen varmistaminen, että ne osuvat tulostusmateriaaliin oikeaan kohtaan, vaatii erittäin kehittynyttä elektroniikkaa.

Joissakin mustesuihkutekniikoissa on yksi suutin, ja ne ruiskuttavat jatkuvaa pisaravirtaa, joka ohjataan joko sähköstaattisten levyjen tai ilmapuhalluksen avulla kohti tai poispäin tulostusmateriaalista. Näitä käytetään yleensä pikemminkin koodaus- ja merkintäjärjestelmissä kuin grafiikassa. Katso Jatkuva mustesuihku.

Vaikka tulostinvalmistajia on maailmanlaajuisesti satoja, ne kaikki hankkivat tulostuspäänsä suhteellisen pieneltä määrältä erikoistuneita valmistajia ja integroivat ne sitten itse tulostimiinsa kiinnikkeiden, elektroniikan, musteen syöttölaitteiden, laiteohjelmiston ja ajuriohjelmiston yhdistelmällä.

Vain muutamalla suurkuvatulostimien valmistajalla on omat tulostuspäätehtaat, mukaan lukien Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (tosin sen tytäryhtiö Fujifilm Dimatix), HP ja Xerox.

Kaikki muut ostavat päitä tai toimivat yhteisyrityksissä tulostinvalmistajien kanssa. Useimmat edellä mainituista valmistajista toimittavat tulostinpäitä muille valmistajille OEM-periaatteella (vaikka joskus ne pitävät uusimmat mallit itsellään). Muita tulostinpäiden valmistajia ovat Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC ja Xaar.

Drop-on-demand (DoD)

Tämä on yleisnimitys tulostuspäätyypille, jota tavallisimmin käytetään nykyaikaisissa mustesuihkutulostimissa, joita käytetään korkealaatuiseen grafiikkaan, mukaan lukien kaikki laajakuvatulostimet, joita näet FESPA-messuilla ja tällä verkkosivustolla.

Drop-on-demand tarkoittaa, että mustesuihkusuuttimet tuottavat ja heijastavat mustepisaroita silloin ja sinne, missä niitä tarvitaan jäljen tuottamiseksi materiaaliin. Termi on keksitty lähinnä vastakohtana aikaisemmille jatkuvan virtauksen tyyppisille päille (katso jatkuva virtaus jäljempänä).

Drop-on-demand-päät jaetaan edelleen lämpö- tai pietsosähköisiin tyyppeihin – katso jäljempänä.

Mustesuihkutulostuspää, joka tuottaa jatkuvaa pisaravirtaa koko tulostimen käytön ajan. Tavallisesti jokaisessa päässä on vain yksi suutin, mutta useampia päitä voidaan käyttää laajemman tulostusalueen muodostamiseksi.

Virta ohjataan joko sähköstaattisen kentän avulla ladatuilla metallilevyillä tai (Kodakin tapauksessa) tarkasti ajoitetuilla ilmapuhalluksilla kohti mediaa tai poispäin siitä. Ei-toivottu muste kerätään kouruun, joka voidaan suodattaa ja palauttaa varastosäiliöön.

Nykyään näitä päitä käytetään yleensä koodaus- ja merkintäjärjestelmissä eikä niinkään kehittyneissä grafiikkatulostimissa.

Poikkeuksena ovat Kodak Prosper -tulostuspäät, joissa käytetään pitkälle kehitettyä jatkuvatoimista mustesuihkutekniikkaa nimeltä Stream, joka takaa erittäin korkean kuvanlaadun. Tällä hetkellä Prosperia ja Streamia ei käytetä yhdessäkään erityisessä kyltti- ja näyttötyyppisessä tulostimessa.

Nämä olivat ensimmäisiä drop-on-demand-tulostuspäätyyppejä, ja niitä käytettiin ensimmäisissä pöytämustesuihkutulostimissa 1980-luvun alussa. Lämpötulostuspäät ovat tehokkaita, ja niillä voidaan saada aikaan erittäin hyvä kuvanlaatu ja nopeus, jotka kilpailevat pietsosähköisten päiden kanssa, mutta toisin kuin pietsosähköiset päät, ne toimivat vain vesipohjaisilla musteilla, joten ne rajoittuvat yleensä sisätiloissa käytettäviin sovelluksiin.

HP:n lateksimusteet ovat poikkeus: ne toimivat HP:n lämpöpäässä. Syynä on se, että niissä on lämpöaktivoituva polymeeri vesisuspensiossa, joka sopii hyvin ulkokäyttöön.

Lämpötekniikan keksivät 1970-luvulla itsenäisesti ja samanaikaisesti japanilainen Printhead Technolo ja yhdysvaltalainen Hewlett-Packard, jotka päättivät yhdistää patenttinsa sen sijaan, että olisivat taistelleet toisiaan vastaan.

Periaatteena on, että tulostuspäässä olevan mustekammion sisällä oleva elementti kuumennetaan nopeasti siihen pisteeseen, että nestemäinen muste höyrystyy ja muodostaa kaasukuplan, joka laajenee ja pakottaa mustepisaran ulos kammion toisessa päässä olevasta reiästä (suuttimesta).

Tämän jälkeen lämpöelementti kytketään pois päältä, jolloin kaasukupla jäähtyy, tiivistyy ja supistuu. Pintajännitys suuttimessa estää ilman vetämisen taaksepäin, joten sen sijaan nestemäistä mustetta imetään kammioon syöttöputkista. Canon, joka on keksinyt lämpöpäät, keksi termin Bubble jet niiden toimintatavan vuoksi.

Toistaiseksi ei ole olemassa todellisia harmaasävyisiä lämpöpäätteitä, joten ne ovat kaikki binäärisiä, eli pisarat ovat aina samankokoisia. HP on kuitenkin kehittänyt erikokoisia parittaisia suuttimia, jotka edistävät jonkin verran harmaasävyjen vaikutusta.

Lämpöjännitys kuluttaa päät nopeasti, joten päät on suunniteltu kulutustavaroiksi, joten ne voidaan vaihtaa helposti ja edullisesti muutaman kymmenen tai sadan käyttötunnin jälkeen.

Kutsutaan usein vain pietsopääksi. Näitä drop-on-demand-päitä alettiin käyttää suurkuvatulostimissa 1990-luvulla, ja ne mullistivat alan. Se merkitsi ensimmäistä kertaa sitä, että liuotin- ja UV-kovetteisia painovärejä, jotka alun perin liittyivät silkkipainoon, voitiin nyt painaa digitaalisesti.

Kaikki pietsopäät perustuvat periaatteeseen, jonka mukaan tietynlainen kide (mustesuihkusuihkussa usein lyijy-zirkonaattititanaatti, PZT) laajenee tai supistuu, kun sen läpi johdetaan sähkövirtaa ja se kytketään pois päältä. Tätä laajentumista/supistumista käytetään mustekammion pumpun perustana.

Riippuen kiteiden kokoonpanosta (joita kutsutaan ”taivutus”- tai ”leikkaus”-tiloiksi) kaksisuuntainen laajennus joko imee mustetta ja pakottaa sen sitten ulos kammiosta suuttimen kautta (Epson käyttää tätä) tai se synnyttää akustisia paineaaltoja, joilla on sama vaikutus, mutta vähemmällä energialla (Xaar käyttää tätä).

Sähkövirta voidaan kytkeä päälle ja pois päältä hyvin nopeasti, ja kiteen laajeneminen tai supistuminen on myös lähes välitöntä, joten pisteiden muodostumista voidaan ohjata paljon paremmin kuin lämpöpäätä käytettäessä.

Tämä tarkoittaa muun muassa sitä, että jotkin pietsopäät voivat tuottaa samasta kammiosta ja suuttimesta erikokoisia pisaroita, jolloin väriaineen tiheys vaihtelee. Näitä kutsutaan harmaasävypäiksi (ks. jäljempänä).

Pietsosähköinen vaikutus toimii melko hyvin minkä tahansa nesteen kanssa, joten pietsosähköiset tulostuspäät voidaan rakentaa käsittelemään liuotinpohjaisia määriä, UV-kovetteisia määriä (mukaan lukien joitakin 3D-tulostuksessa käytettäviä) ja vesipitoisia määriä. Niitä voidaan käyttää myös haastaville nesteille, kuten sähköä johtaville musteille, suurihiukkasille läpinäkymättömille valkoisille ja metallisille musteille, 3D-tulostusmusteille ja faasimuutosmusteille, jotka ovat nestemäisiä, kun ne saapuvat mustekammioon.

Piezotulostuspäät kestävät paljon kauemmin kuin lämpöpäät, koska lämpöjännitys on vähäisempää ja pietsokiteet voivat laajentua/supistua miljoonia kertoja. Piezo-tulostuspään on tavallisesti tarkoitus kestää koneen koko käyttöiän, kunhan koneessa ei ole kohtalokkaita tukoksia tai ulkoisia vaurioita. Niiden valmistaminen ja ostaminen on kuitenkin huomattavasti kalliimpaa kuin lämpöpäiden, joten käyttäjien on panostettava enemmän niiden huoltoon.

Nämä termit ilmaisevat, ovatko tulostuspään pisarat kaikki samankokoisia vai voidaanko niitä varioida jollain tavalla, jotta tulostusmusteen tiheyttä voidaan säätää kevyemmillä sävyillä. Yhdistettynä puolirasteritekniikoihin harmaasävytekniikka voi laajentaa mustesuihkutekniikan sävyaluetta huomattavasti, mutta samalla voidaan käyttää suhteellisen vaatimattomia suutinvälejä tai vähemmän kulkuväyliä.

Piezo-tulostuspäät olivat alun perin aina binäärisiä, eli ne tuottivat vain samankokoisia mustepisaroita. Binaarisesta tulostuspäästä voi saada hyvän sävyvalikoiman käyttämällä rasterointitekniikkaa, mutta korostussävyt voivat näyttää hieman rakeisilta, ellei käytä erittäin hienoja suutinvälejä (ja/tai lisää ylimääräisiä, vaaleampia musteiden värejä).

Tyypilliset binääripisaroiden koot ovat 30-100 pikolitraa. Pienempien pisaroiden avulla on mahdollista saada aikaan hienompia tuloksia, mutta tämä tarkoittaa, että tulostuksen kiinteiden alueiden tiheyden kasvattamiseen tarvitaan enemmän läpimenoja, joten tulostus on hitaampaa.

Harmaasävypäät voivat vaihdella yksittäisten painettujen pisteiden tiheyttä, joten pisara voi näyttää mitä tahansa 30 tai 50 prosentista 100 prosenttiin väriä. Etuna on se, että pienemmillä resoluutioilla ja vähemmillä pään läpivienneillä voidaan saavuttaa sama ”tehollinen resoluutio” kuin binäärisillä päillä, joiden natiiviresoluutio on paljon suurempi.

Esimerkiksi 360 dpi:n resoluution harmaasävypäällä sanotaan antavan saman vaikutelman kuin 1000 dpi:n binääritarkkuus, mikä on niin hyvä kuin yleensä tarvitset valokuviin ja sekoituksiin jopa lähikuvissa.

Piezopäät vaihtelevat pisteiden kokoa useilla eri menetelmillä, yleensä riippuen yksittäisestä valmistajasta ja siitä, mitä patentteja sillä on tai mitä patentteja se haluaa välttää loukkaamasta. Tarkoista menetelmistä riippuen pisarakokoja voi olla saatavilla kolmesta kolmeen.

Pienin koko hienoimmissa tulostuspäässä (jota käytetään usein valokuvauksessa) on alle 2 pikolitraa). Opasteiden tulostimissa 10-20 pikolitran koot ovat yleisempiä pienimmissä pisaroissa, koska nopeus ja peitto ovat tärkeämpiä kuin lähikuvan laatu.

Thermal harmaasävyasteikko

Todelliset muuttuvat pisarakoot ovat toistaiseksi mahdollisia vain pietsopäätteillä. HP on kuitenkin kehittänyt harmaasävytekniikan High Definition Nozzle Architecture-nimellä kutsuttuja lämpöpainotteisia PageWide-päätteitään varten. Toistaiseksi tätä käytetään vain sen valtavissa T-sarjan mustesuihkurullapainokoneissa, jotka on tarkoitettu kaupalliseen tulostukseen, mutta ei laajakuvamalleissa PageWide XL -malleissa, joita käytetään toistaiseksi lähinnä CAD- ja suunnitelmatöihin.

Vaikka pisarat ovat aina samankokoisia kummastakin suuttimesta, se yhdistää suuren ja pienen suuttimen hyvin lähekkäin tulostuspäässä ja käsittelee niitä yhtenä kuvantamiselementtinä. Sen jälkeen se ottaa kaksi suutinparia ja ohjaa niitä yhtenä kuvantamiselementtinä harmaasävytarkoituksiin.

Laukaisemalla kahden pienen ja kahden suuren suuttimen eri yhdistelmiä voidaan saavuttaa viisi harmaasävyä (itse asiassa valkoista ja neljä tasoa). HDNA-suuttimien jako on 2400 dpi, joten suutinparien natiiviresoluutio on 1200 dpi ja harmaasävysarjojen 600 dpi.

Tiheyttä on mahdollista säätää edelleen käyttämällä eri mustevärejä suurissa ja pienissä suuttimissa (esim. syaani ja vaalea syaani). Suutinsarjoja voidaan myös ohjata erikseen suurempia nopeuksia tai resoluutioita varten, jolloin harmaasävyjä on vähemmän.

Tämä on kuvaus suuttimen jakovälistä eli siitä, kuinka monta mustepisaraa tulostuspää voi tuottaa tietylle alueelle. Teollisuudessa nämä ilmoitetaan tavallisesti pisteinä tuumaa kohti eikä metrisinä mittoina. Jos tulostuspää on 38 mm (1,5 tuumaa) leveä ja siinä on 540 suutinta koko leveydeltä, sen natiiviresoluutio on 360 dpi.

Monet laajakuvamustesuihkut rakentavat kuvia päällekkäisten läpivientien sarjassa, joten mediassa voi olla paljon enemmän pisaroita tuumaa kohti kuin mitä natiiviresoluutio yksinään voi antaa. Mitä korkeampi dpi, sitä enemmän lopullinen tuloste voi näyttää jatkuvasävyiseltä valokuvalta.

Harmaasävypäät mahdollistavat erilaisten pistetiheyksien luomisen, mikä antaa enemmän sävyalueita kuin samaa suutinväliä käyttävä binääripää, mikä puolestaan antaa paremman simulaation jatkuvasta sävystä.

Siksi harmaasävytulostimien valmistajat puhuvat usein ”vastaavista” resoluutioista, mikä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että 360 dpi:n harmaasävypää saattaa antaa vastaavan laadun kuin 1000 dpi:n binääritulostinpää.

On myös tulostuspäät, joiden natiiviresoluutio on erittäin korkea, kuten Epsonin Micro Piezo PrecisionCore TFT -tulostuspäät (joita käytetään Epsonin SureColor-tulostimissa), joiden natiiviresoluutio on 600 dpi ja joiden pisarakoko vaihtelee 1,5:stä 23:een pikolitraan.

Edellä mainitussa HP:n PageWide HDNA:ssa on 2 400 dpi:n suutinväli vuorottelemalla suuria ja pieniä suuttimia, mutta koska niitä ohjataan pareittain, natiiviresoluutioksi voidaan laskea 1 200 dpi.

Alan toimijat, jotka haluavat oppia lisää HP:n ja Epsonin sarjoista ja niiden tarjoamista eduista yritykselleen, voivat keskustella yritysten asiantuntijoiden kanssa FESPA 2017 – tapahtumassa, joka järjestetään 8.-12. toukokuuta Hampurin messukeskuksessa Saksassa.

HP ja Epson ovat kaksi niistä yli 700 tuotemerkistä, jotka ovat läsnä tapahtumassa, jonka odotetaan houkuttelevan ennätysmäärän kävijöitä.

Lisätietoja FESPA 2017, käy osoitteessa: https://www.fespa2017.com. Kävijät saavat ilmaisen sisäänpääsyn näyttelyyn rekisteröitymällä verkossa ja ilmoittamalla viitekoodin: FESG702.