Le guide ultime des technologies de têtes d'impression

Simon Eccles en sait plus sur les têtes d’impression à jet d’encre et jette un coup d’œil sur la nouvelle génération qui fait des vagues dans l’industrie de l’impression.

Jet d’encre à la demande, jet d’encre continu, piézo-électrique, thermique, solide, binaire, échelle de gris. Tous ces termes sont utilisés avec désinvolture pour décrire les imprimantes à jet d’encre, et plus particulièrement les types de têtes d’impression.

Si vous savez ce qu’ils signifient, ces termes vous permettent de prédire assez bien à quoi sert l’imprimante et comment elle fonctionnera. Si vous ne les connaissez pas, il est rare que quelqu’un s’arrête pour les expliquer.

C’est pourquoi nous nous arrêtons ici pour les expliquer. Certains termes décrivent la conception fondamentale des têtes d’impression, d’autres décrivent ce qu’elles font ou comment elles fonctionnent. Certains peuvent être doublés pour une explication plus précise, comme une tête piézoélectrique à niveaux de gris, d’autres s’excluent mutuellement – vous ne pouvez pas avoir une tête binaire à niveaux de gris.

Voici donc le guide de la FESPA sur les têtes d’impression à jet d’encre. Commençons par la question suivante : qu’est-ce qu’une tête d’impression ?

Composant d’une imprimante à jet d’encre qui projette des gouttes d’encre sur le support. Il s’agit d’une unité de très haute précision dont la fabrication implique beaucoup de propriété intellectuelle (savoir-faire) et de lourds investissements dans des usines à salles blanches. Les têtes d’impression modernes utilisent souvent des techniques de fabrication (telles que le silicium en couche mince MEMS) qui ont beaucoup en commun avec la fabrication de puces électroniques.

À l’intérieur d’une tête d’impression typique, on trouve des circuits électroniques de commande, des dispositifs d’alimentation en encre et au moins un, voire des centaines, d’encriers menant à des buses, qui sont des trous dans le plateau de la buse.

Les canaux d’entrée de l’encre ne mesurent que quelques dizaines de microns et les buses 20 à 50 microns. Un cheveu humain a un diamètre d’environ 80 microns.

La plupart des têtes d’impression utilisées pour la signalisation et d’autres applications graphiques comportent des centaines de buses contrôlées individuellement pour générer et projeter des gouttes (voir également « goutte à la demande »). Générer des millions de gouttes lors d’un passage de la tête et s’assurer qu’elles atteignent le support au bon endroit nécessite une électronique très avancée.

Certains jets d’encre ont une seule buse et projettent un flux continu de gouttes, qui sont déviées vers ou loin du support par des plaques électrostatiques ou des jets d’air. Ces systèmes sont généralement utilisés pour les systèmes de codage et de marquage plutôt que pour les graphiques. Voir jet d’encre continu.

Bien qu’il existe des centaines de fabricants d’imprimantes dans le monde, tous se procurent leurs têtes d’impression auprès d’un nombre relativement restreint de fabricants spécialisés, puis les intègrent dans les imprimantes elles-mêmes à l’aide d’une combinaison de supports, d’électronique, d’alimentation en encre, de microprogrammes et de logiciels de pilotage.

Seule une poignée de fabricants d’imprimantes grand format possèdent leurs propres usines de têtes d’impression, notamment Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (par l’intermédiaire de sa filiale Fujifilm Dimatix), HP et Xerox.

Tous les autres achètent des têtes ou exploitent des entreprises communes avec des fabricants d’imprimantes. La plupart des fabricants mentionnés ci-dessus fournissent des têtes à d’autres fabricants sur une base OEM (bien qu’ils gardent parfois les derniers modèles pour eux). Parmi les autres fabricants de têtes, citons Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC et Xaar.

Dépôt à la demande (DoD)

Il s’agit d’un terme général désignant le type de tête d’impression que l’on trouve le plus souvent dans les imprimantes à jet d’encre modernes utilisées pour les graphiques de haute qualité, y compris toutes les imprimantes grand format que vous verrez aux salons FESPA et sur ce site Web.

L’expression « goutte à la demande » signifie que les buses à jet d’encre génèrent et projettent des gouttes d’encre au moment et à l’endroit où elles sont nécessaires pour produire une marque sur le support. Ce terme a été inventé principalement pour contraster avec les anciennes têtes à flux continu (voir flux continu ci-dessous).

Les têtes de lecture à la demande sont subdivisées en deux catégories : les têtes thermiques et les têtes piézo-électriques (voir ci-dessous).

Tête d’impression à jet d’encre qui projette un flux continu de gouttelettes tout au long du fonctionnement de l’imprimante. Normalement, il n’y a qu’une seule buse par tête, mais il est possible d’utiliser un ensemble de têtes pour obtenir une bande d’impression plus large.

Le flux est dévié vers ou loin du support par des plaques métalliques chargées d’un champ électrostatique ou (dans le cas de Kodak) par des souffles d’air synchronisés avec précision. L’encre non désirée est recueillie dans une gouttière et peut être filtrée et renvoyée dans le réservoir de stockage.

Aujourd’hui, ces têtes se trouvent généralement dans des systèmes de codage et de marquage plutôt que dans des imprimantes graphiques sophistiquées.

L’exception est la famille de têtes d’impression Kodak Prosper qui utilise une technologie à jet d’encre continu hautement développée appelée Stream, qui donne une très haute qualité d’image. À l’heure actuelle, Prosper et Stream ne sont pas utilisés dans les imprimantes dédiées à la signalisation et à l’affichage.

Il s’agit du premier type de têtes d’impression à la demande et elles ont été utilisées dans les premières imprimantes à jet d’encre de bureau au début des années 1980. Les têtes d’impression thermiques sont efficaces et peuvent offrir une qualité d’image très élevée et des vitesses qui rivalisent avec celles des têtes piézo-électriques, mais contrairement aux têtes piézo-électriques, elles ne fonctionnent qu’avec des encres à base d’eau et sont donc normalement confinées aux applications intérieures.

Les encres HP Latex sont une exception : elles fonctionnent avec les têtes thermiques HP. La raison en est qu’elles contiennent un polymère activé par la chaleur dans une suspension aqueuse qui convient à une utilisation en extérieur.

La technologie thermique a été inventée indépendamment et simultanément dans les années 1970 par Printhead Technolo au Japon et Hewlett-Packard aux États-Unis, qui ont décidé de mettre leurs brevets en commun plutôt que de s’affronter.

Le principe est qu’un élément situé à l’intérieur d’une chambre à encre dans la tête d’impression est rapidement chauffé au point que l’encre liquide se vaporise et forme une bulle de gaz, qui se dilate et force une goutte d’encre à sortir d’un trou (la buse) situé à l’une des extrémités de la chambre.

L’élément chauffant est ensuite éteint, de sorte que la bulle de gaz se refroidit, se condense et se contracte. La tension superficielle au niveau de la buse empêche l’air d’être aspiré vers l’arrière, de sorte qu’une plus grande quantité d’encre liquide est aspirée dans la chambre à partir des tuyaux d’alimentation. Canon, co-inventeur des têtes thermiques, a inventé le terme « jet de bulles » en raison de leur fonctionnement.

Jusqu’à présent, il n’existe pas de véritables têtes thermiques à niveaux de gris, elles sont donc toutes binaires, ce qui signifie que les gouttes sont toujours de la même taille. Toutefois, HP a mis au point des buses jumelées de différentes tailles qui permettent d’obtenir un effet d’échelle de gris.

Les contraintes thermiques usent rapidement les têtes, qui sont donc conçues comme des consommables, c’est-à-dire qu’elles peuvent être remplacées facilement et à peu de frais après quelques dizaines ou centaines d’heures de fonctionnement.

Souvent appelées têtes piézoélectriques. Ces têtes d’impression à la demande ont commencé à apparaître dans les premières imprimantes grand format dans les années 1990 et ont révolutionné le secteur. Pour la première fois, les encres à solvant et à séchage UV, qui étaient à l’origine associées à la sérigraphie, pouvaient être imprimées numériquement.

Les têtes piézoélectriques reposent toutes sur le principe selon lequel un type particulier de cristal (souvent du titanate de zirconium de plomb dans les jets d’encre, appelé PZT) se dilate ou se contracte lorsqu’il est traversé par un courant électrique et qu’il est à nouveau désactivé. Cette dilatation/contraction est à la base d’une pompe dans la chambre à encre.

En fonction de la configuration des cristaux (appelés modes « flexion » ou « cisaillement »), une expansion bidirectionnelle aspire l’encre et la force à sortir de la chambre par la buse (c’est ce qu’utilise Epson), ou crée des ondes de pression acoustiques qui ont le même effet mais avec moins d’énergie (c’est ce qu’utilise Xaar).

Le courant électrique peut être activé et désactivé très rapidement et l’expansion/contraction du cristal est également quasi instantanée, ce qui permet de contrôler la formation des points beaucoup plus facilement qu’avec les têtes thermiques.

Cela signifie notamment que certaines têtes piézoélectriques peuvent générer des gouttes de taille variable à partir de la même chambre et de la même buse, ce qui donne des densités d’encre différentes sur le support. Il s’agit des têtes à niveaux de gris (voir ci-dessous).

L’effet piézoélectrique fonctionne avec pratiquement n’importe quel fluide, de sorte que les têtes d’impression piézoélectriques peuvent être construites pour traiter des encres à base de solvant, des encres à séchage UV (y compris certaines utilisées pour l’impression 3D) et des encres aqueuses. Elles peuvent également être utilisées pour des fluides difficiles tels que les encres électroconductrices, les encres blanches et métalliques opaques à grosses particules, les encres d’impression 3D et les encres à changement de phase qui sont liquides lorsqu’elles atteignent la chambre d’encrage.

Les têtes d’impression piézoélectriques durent beaucoup plus longtemps que les têtes thermiques, car les contraintes thermiques sont moindres et les cristaux piézoélectriques peuvent se dilater ou se contracter des millions de fois. Une tête piézo est normalement prévue pour durer toute la vie de la machine, à condition qu’il n’y ait pas de blocage fatal ou de dommage externe. Toutefois, leur fabrication et leur achat coûtent beaucoup plus cher que ceux des têtes thermiques, de sorte que les utilisateurs doivent consacrer plus d’efforts à leur entretien.

Ces termes indiquent si les gouttes de la tête d’impression sont toutes de la même taille ou si elles peuvent être modifiées d’une manière ou d’une autre afin que la densité de l’encre atteignant le support puisse être contrôlée avec des teintes plus claires. Combinés aux techniques de tramage, les niveaux de gris peuvent considérablement étendre la gamme de tons d’un jet d’encre tout en permettant d’utiliser des pas de buse relativement modestes ou de réduire le nombre de passages.

À l’origine, les têtes d’impression piézoélectriques étaient toujours binaires, ce qui signifie qu’elles ne généraient que des gouttes d’encre de même taille. Vous pouvez obtenir une bonne gamme de tons à partir d’une tête binaire en utilisant des techniques de demi-teinte, mais les tons clairs peuvent sembler un peu granuleux à moins que vous n’utilisiez des pas de buse ultra-fins (et/ou que vous n’ajoutiez des encres supplémentaires de couleur plus claire).

La taille typique des gouttes binaires est de 30 à 100 picolitres. Il est possible d’obtenir des gouttelettes plus petites pour des résultats plus fins, mais cela signifie qu’il faut plus de passages pour augmenter la densité des zones solides dans l’impression, ce qui ralentit l’impression.

Les têtes à niveaux de gris peuvent faire varier la densité des points imprimés individuellement, de sorte qu’une goutte peut afficher de 30 % ou 50 % à 100 % de couleur. L’avantage est que des résolutions plus faibles et moins de passages de tête permettent d’obtenir la même « résolution effective » que des têtes binaires ayant des résolutions natives beaucoup plus élevées.

Par exemple, une résolution de 360 dpi avec une tête à niveaux de gris est censée donner le même effet qu’une résolution binaire de 1 000 dpi, ce qui est aussi bon que ce dont vous aurez normalement besoin pour les photographies et les mélanges, même pour une visualisation rapprochée.

Les têtes piézoélectriques font varier la taille des points selon plusieurs méthodes différentes, qui dépendent généralement du fabricant et des brevets qu’il détient ou qu’il souhaite éviter d’enfreindre. En fonction des méthodes précises, il peut y avoir entre trois et trois tailles de gouttes disponibles.

Sur les têtes d’impression les plus fines (souvent utilisées pour la photographie), la plus petite taille est inférieure à 2 picolitres.) Pour les imprimantes de signalétique, des tailles de 10 à 20 picolitres sont plus courantes pour les gouttes les plus petites, car la vitesse et la couverture sont plus importantes que la qualité d’affichage en gros plan.

Niveaux de gris thermiques

Jusqu’à présent, les têtes piézoélectriques sont les seules à permettre une véritable variation de la taille des gouttes. Cependant, HP a développé une forme d’échelle de gris pour ses têtes PageWide thermiques, appelée High Definition Nozzle Architecture. Jusqu’à présent, cette architecture n’est utilisée que sur les énormes presses à jet d’encre à bobines de la série T destinées à l’impression commerciale, et non sur les modèles PageWide XL grand format à passage unique qui, jusqu’à présent, sont principalement utilisés pour les travaux de CAO et de planification.

Bien que les gouttes soient toujours de la même taille pour chaque buse, il associe une grande et une petite buse très près l’une de l’autre dans la tête d’impression et les traite comme un seul élément d’imagerie. Il prend ensuite deux paires de buses et les contrôle comme un seul élément d’imagerie pour les niveaux de gris.

En tirant différentes combinaisons de deux petites et deux grandes buses, il est possible d’obtenir cinq niveaux de gris (en fait, il s’agit du blanc plus quatre niveaux). Le pas des buses HDNA est de 2 400 ppp, de sorte que les paires de buses ont une résolution native de 1 200 ppp et les jeux de niveaux de gris sont de 600 ppp.

Il est possible de contrôler davantage la densité en utilisant des couleurs d’encre différentes dans les grandes et les petites buses (par exemple cyan et cyan clair). Les jeux de buses peuvent également être contrôlés séparément pour des vitesses ou des résolutions plus élevées, avec moins de niveaux de gris.

Il s’agit d’une description du pas de la buse, c’est-à-dire du nombre réel de gouttes d’encre qu’une tête d’impression peut produire sur une surface donnée. Dans l’industrie, ce nombre est normalement exprimé en points par pouce, plutôt qu’en mesures métriques. Ainsi, si une tête d’impression mesure 1,5 pouce (38 mm) de large et possède 540 buses sur toute sa largeur, la résolution native est de 360 ppp.

De nombreuses imprimantes à jet d’encre grand format créent des images en une série de passages qui se chevauchent, de sorte qu’il peut y avoir beaucoup plus de gouttes par pouce sur le support que ce que la résolution native peut donner à elle seule. Plus le nombre de ppp est élevé, plus l’impression finale peut ressembler à une photographie en tons continus.

Les têtes à niveaux de gris permettent de créer une gamme de densités de points différentes, ce qui donne une plus grande gamme de tons par rapport à une tête binaire du même pas de buse, ce qui permet de mieux simuler les tons continus.

Il est donc courant que les fabricants d’imprimantes à niveaux de gris parlent de résolutions « équivalentes », ce qui signifie par exemple qu’une tête à niveaux de gris de 360 dpi peut donner une qualité perçue équivalente à celle d’une tête binaire de 1 000 dpi.

Il existe également des têtes d’impression avec des résolutions natives très élevées, comme les têtes Micro Piezo PrecisionCore TFT d’Epson (utilisées sur ses imprimantes SureColor) qui ont une résolution native de 600 dpi et cinq tailles de gouttes allant de 1,5 à 23 picolitres.

La PageWide HDNA de HP, mentionnée ci-dessus, a un pas de buse de 2 400 ppp en alternant les grandes et les petites buses, mais comme elles sont contrôlées par paires, la résolution native peut être considérée comme étant de 1 200 ppp.

Les membres de l’industrie désireux d’en savoir plus sur les kits HP et Epson et sur les avantages qu’ils peuvent offrir à leurs entreprises peuvent s’entretenir avec des experts des sociétés à la FESPA 2017, qui se déroule du 8 au 12 mai à la Hamburg Messe en Allemagne.

HP et Epson seront deux des plus de 700 marques présentes à l’événement, qui devrait attirer un nombre record de visiteurs.

Pour en savoir plus sur FESPA 2017visitez le site : https://www.fespa2017.com. Les visiteurs peuvent obtenir une entrée gratuite à l’exposition en s’inscrivant en ligne, en indiquant le code de référence : FESG702.