Le testine di stampa a getto d’inchiostro gittano con precisione i fluidi, gestendo vari tipi di inchiostro e viscosità. Le tecnologie principali sono il getto d’inchiostro piezoelettrico (che utilizza materiali PZT) e quello termico (che riscalda l’inchiostro in vapore). Esistono anche il getto d’inchiostro continuo per le alte velocità e il getto a valvola per le gocce di grandi dimensioni. Il settore sta assistendo a un aumento delle attività di ricerca e sviluppo, stimolate da nuove applicazioni industriali e di stampa 3D.
Le testine di stampa a getto d’inchiostro sono il cuore della rivoluzione digitale e di ogni stampante a getto d’inchiostro, quindi è sempre utile capire come funzionano questi dispositivi. Lo scopo di una testina di stampa è semplicemente quello di depositare piccole gocce di un determinato fluido, quando necessario, su un substrato. Può trattarsi di un inchiostro per le arti grafiche o di un fluido funzionale, come un rivestimento, per uso industriale; la maggior parte delle testine è progettata per soddisfare molte applicazioni diverse. La caratteristica principale è l’accuratezza nel posizionare le gocce esattamente dove serve, cosa che diventa più impegnativa alle alte velocità di stampa.
La testina di stampa deve essere in grado di gestire le caratteristiche di una serie di fluidi o inchiostri diversi. Molte delle testine più comuni in uso oggi sono progettate per gestire inchiostri a polimerizzazione UV, ma altri fluidi possono essere a base di solventi, acqua o olio. In effetti, la costante crescita della stampa tessile e della stampa commerciale a singolo passaggio ha portato a un aumento della domanda di testine di stampa in grado di gestire inchiostri a base d’acqua. La testina e tutti i sistemi di gestione dei fluidi associati devono essere temprati per resistere a qualsiasi sostanza chimica contenuta in questi fluidi, come i solventi che potrebbero intaccare il materiale della testina o l’acqua che potrebbe causare un cortocircuito dei circuiti elettrici interni.
Sempre più spesso gli OEM vogliono aumentare le funzionalità dei loro fluidi e i produttori di testine devono tenere il passo. In molti mercati della grafica c’è una chiara tendenza verso inchiostri con un carico di pigmenti più elevato, che dovrebbe portare a un minor consumo di inchiostro. Questi inchiostri sono generalmente caratterizzati da una viscosità più elevata che li rende più difficili da spruzzare, anche se ci sono molti modi per ovviare a questo problema, come ad esempio riscaldare l’inchiostro per ridurne la viscosità. Tuttavia, la maggior parte delle testine di stampa si limita a gestire viscosità fino a 10 o 20cP, anche se alcune testine di stampa Xaar possono gestire fluidi fino a 100cP di viscosità.
Alcune testine di stampa possono far ricircolare l’inchiostro all’interno della testina per evitare che le particelle presenti nell’inchiostro si depositino e per eliminare gli intasamenti intorno agli ugelli. Questa funzione è utile per alcuni inchiostri, come il bianco che contiene particelle di grandi dimensioni, e per gli usi industriali in cui l’atmosfera può essere molto polverosa e sporca. Il ricircolo può anche aiutare a mantenere la temperatura dell’inchiostro, dato che circola attraverso un riscaldatore.
La maggior parte delle stampanti di grande formato utilizza testine di stampa piezoelettriche drop on demand. Queste si basano su un fenomeno naturale per cui una carica elettrica può far cambiare forma ad alcuni materiali. La maggior parte di queste testine di stampa è dotata di attuatori costruiti in titanato di zirconio di piombo, o PZT, grazie alle sue proprietà piezoelettriche molto efficienti nel cambiare forma per forzare l’inchiostro dalle camere d’inchiostro attraverso gli ugelli.
Queste testine di stampa piezoelettriche possono essere ulteriormente suddivise in due classi. Forse il tipo più comune è il bulk piezo, che utilizza un blocco di materiale piezoelettrico. Un buon esempio è l’attuatore monolitico a blocchi sviluppato da Kyocera. Il nome Kyocera deriva da Kyoto Ceramics e l’azienda ha sfruttato la sua esperienza nel campo della ceramica per creare un attuatore in ceramica policristallina densa utilizzando sottili substrati di ceramica piezoelettrica. Il risultato è una sottilissima piastra piezoelettrica lunga 116 mm e larga 34 mm con una profondità di soli 0,04 mm, che si trova sopra le camere d’inchiostro della testina. Controllando con precisione la tensione applicata a questo attuatore, attraverso la forma d’onda e l’elettronica di pilotaggio, Kyocera è in grado di controllare in modo sottile la forma di questo attuatore per espellere l’inchiostro da ciascuna delle camere d’inchiostro. Anche molte altre testine di stampa si basano su varianti dell’approccio piezoelettrico, come Ricoh MH5320 Gen6, Fujifilm Dimatix Starfire e la maggior parte delle testine di stampa Xaar.
Il metodo piezoelettrico alternativo è l’approccio dei sistemi meccanici microelettrici o MEMs, che utilizza la tecnologia dei semiconduttori per costruire l’attuatore. In teoria questo permette una maggiore complessità e precisione. Esistono due approcci principali per aggiungere il PZT agli attuatori: Fujifilm Dimatix preferisce lo Sputtered PZT e Ricoh e altri utilizzano il Sol-Gel, ma entrambi producono un film molto sottile di PZT. Il silicio viene costruito uno strato alla volta, utilizzando la fotolitografia per creare i canali per i circuiti elettronici e la gestione dei fluidi. Esempi tipici sono la Fujifilm Dimatix Samba, la Epson PrecisionCore e la Ricoh TH5241.
Un altro tipo comune di testina di stampa è il getto d’inchiostro termico, o TIJ, in cui l’inchiostro viene riscaldato fino a formare una bolla di vapore che spinge la goccia fuori dall’ugello. Questo tipo di testina funziona solo con inchiostri a base d’acqua, come quelli al lattice o alla resina, ed è utilizzato principalmente da HP e Memjet nelle applicazioni di grande formato. HP vende anche testine di stampa termiche ad altri OEM, principalmente per applicazioni di codifica e marcatura e per la stampa di alcuni imballaggi grafici. Le testine termiche hanno generalmente una durata relativamente breve e sono considerate articoli di consumo. Tuttavia, sia HP che Memjet sono riuscite a prolungare la durata delle loro testine termiche negli ultimi anni. Anche Canon dispone della tecnologia TIJ, ma si è concentrata principalmente sulle stampanti desktop. Tuttavia, Canon ha recentemente sviluppato testine di stampa TIJ per una macchina da stampa commerciale e sta per lanciare una macchina da stampa industriale per etichette con testine di stampa termiche.
Poi c’è il getto d’inchiostro continuo o CIJ. Questo sistema non è rilevante per la stampa di grande formato, ma è ampiamente utilizzato per applicazioni di codifica e marcatura. È anche la base delle testine di stampa UltraStream di Kodak, utilizzate per la sua macchina da stampa commerciale ad alta velocità, la Ultra 520, e per aggiungere funzionalità digitali alle macchine da stampa offset a bobina. Il principio è che le gocce d’inchiostro vengono sparate in un flusso continuo che consente un getto ad altissima velocità. La maggior parte delle gocce d’inchiostro viene deviata per essere riutilizzata, in modo che solo le gocce necessarie finiscano effettivamente sul substrato.
Infine, vale la pena di notare che le testine di stampa ValveJet trovano impiego nel mercato della grafica. Ricoh, ad esempio, ha mostrato un’applicazione personalizzata per la stampa di pneumatici alla recente fiera Fespa Global di Berlino che utilizzava valvejet a singolo ugello per ogni colore. I principi alla base dell’approccio valvejet sono piuttosto semplici. C’è un foro a un’estremità della camera del fluido, che viene chiuso da una valvola. Ricoh utilizza un attuatore piezoelettrico per aprire e chiudere questa valvola. Il fluido viene alimentato da un serbatoio pressurizzato, in modo che quando l’ugello viene aperto la pressione dell’aria sia sufficiente a far uscire la goccia. Il vantaggio è che può gettare gocce d’inchiostro di grandi dimensioni per un’elevata copertura, consentendo di utilizzare inchiostri più funzionali con particelle più grandi e con una viscosità elevata, superiore ai 100cP.
In prospettiva, c’è un crescente interesse nell’utilizzo della stampa a getto d’inchiostro per applicazioni industriali, tra cui anche la stampa 3D. Ciò significa un maggiore potenziale di mercato per i produttori di testine di stampa, che giustifica una maggiore attività di ricerca e sviluppo che, in ultima analisi, porterà a una maggiore scelta di testine di stampa con cui gli OEM di stampanti potranno lavorare.