Simon Eccles komt meer te weten over inkjet printkoppen en kijkt naar de volgende generatie die furore maakt in de printindustrie.

 

Drop-on-demand, continue inkjet, piëzo-elektrisch, thermisch, vast, binair, grijstinten. Dit zijn allemaal termen die gebruikt worden om inkjetprinters te beschrijven, en specifiek hun type printkop.

Als je weet wat ze betekenen, dan kun je aan de hand van deze termen vrij goed voorspellen waar de printer voor dient en hoe hij zal werken. Als je dat niet weet, is het zeldzaam dat iemand stopt om ze uit te leggen.

Dus hier stoppen we om ze uit te leggen. Sommige termen beschrijven het fundamentele ontwerp van printkoppen, andere beschrijven wat ze doen of hoe ze werken. Sommige kunnen dubbel worden gebruikt voor een preciezere uitleg, zoals een piëzo grijswaardenkop, andere sluiten elkaar uit – je kunt geen binaire grijswaardenkop hebben.

Dit is dan FESPA’s jargon-busting gids voor inkjetprintkoppen. Te beginnen met wat is een printkop eigenlijk?

Het onderdeel van een inkjetprinter dat inktdruppels op de media projecteert. Dit is een zeer precieze eenheid en de productie ervan vereist veel intellectueel eigendom (knowhow) en zware investeringen in cleanroomfabrieken. Moderne printkoppen maken vaak gebruik van productietechnieken (zoals dunne film silicium MEMS) die veel gemeen hebben met de fabricage van microchips.

Binnenin een typische printkop bevindt zich driverelektronica, inkttoevoeronderdelen en minstens één en meestal honderden inktkamers die naar spuitmonden leiden, wat gaten zijn in de spuitplaat.

De inktinvoerkanalen zijn slechts enkele tientallen microns breed en de spuitmondjes zijn meestal 20-50 micron. Een menselijke haar heeft een diameter van ongeveer 80 micron.

De meeste printkoppen die in signage en andere grafische toepassingen worden gebruikt, hebben honderden spuitkoppen die individueel worden aangestuurd om druppels te genereren en te projecteren (zie ook “Drop on Demand”). Om miljoenen druppels in één doorgang van de printkop te genereren en ervoor te zorgen dat ze de media op de juiste plaats raken, is zeer geavanceerde elektronica nodig.

Sommige inkjets hebben een enkele spuitmond en projecteren een continue stroom druppels die naar of van de media worden afgebogen door elektrostatische platen of luchtstromen. Deze worden eerder gebruikt in codeer- en markeersystemen dan in grafische toepassingen. Zie Continue inkjet.

Hoewel er wereldwijd honderden printerfabrikanten zijn, betrekken ze hun printkoppen allemaal van een relatief klein aantal gespecialiseerde fabrikanten en integreren deze vervolgens in de printers zelf met een combinatie van bevestigingen, elektronica, inkttoevoer, firmware en stuurprogramma’s.

Slechts een handvol fabrikanten van grootformaat printers hebben hun eigen printkopfabrieken, waaronder Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (via dochteronderneming Fujifilm Dimatix), HP en Xerox.

Alle anderen kopen koppen in of hebben samenwerkingsverbanden met printerfabrikanten. De meeste van de hierboven genoemde fabrikanten leveren koppen aan andere fabrikanten op OEM-basis (hoewel ze soms de nieuwste modellen voor zichzelf houden). Andere koppenmakers zijn Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC en Xaar.

Drop-on-demand (DoD)

Dit is een algemene term voor het type printkop dat normaal gesproken wordt gebruikt in moderne inkjets voor hoogwaardige grafische toepassingen, waaronder alle grootformaatprinters die je op FESPA-beurzen en op deze website ziet.

Drop-on-demand betekent dat inkjet-spuitmonden inktdruppels genereren en projecteren waar en wanneer ze nodig zijn om een markering op de media te produceren. De term werd vooral bedacht om te contrasteren met de vroegere koppen van het type continue stroming (zie continue stroming hieronder).

Druppel-op-aanvraag koppen zijn verder onderverdeeld in thermische of piëzo-elektrische types – zie hieronder.

Een inkjet printkop die een continue stroom druppels projecteert zolang de printer draait. Normaal gesproken is er maar één nozzle per kop, maar er kan een serie koppen worden gebruikt om een breder printgebied op te bouwen.

De stroom wordt naar of van de media afgebogen door ofwel geladen metalen platen met een elektrostatisch veld, of (in het geval van Kodak) door precies getimede luchtstoten. Ongewenste inkt wordt opgevangen in een opvanggoot en kan worden gefilterd en teruggevoerd naar de opslagtank.

Tegenwoordig zijn deze koppen meestal te vinden in codeer- en markeersystemen in plaats van geavanceerde grafische printers.

De uitzondering is de Kodak Prosper familie van printkoppen die gebruik maken van een hoogontwikkelde continue inkjettechnologie genaamd Stream, die een zeer hoge beeldkwaliteit geeft. Op dit moment worden Prosper en Stream niet gebruikt in speciale printers voor signs en displays.

Dit was het eerste type drop-on-demand printkop en werd gebruikt in de eerste desktop inkjets in de vroege jaren 1980. Thermische printkoppen zijn efficiënt en kunnen een zeer hoge beeldkwaliteit en snelheden leveren die kunnen concurreren met piëzo-elektrische koppen, maar in tegenstelling tot piëzo-elektrische koppen werken ze alleen met inkt op waterbasis en zijn daarom normaal gesproken beperkt tot toepassingen binnenshuis.

De Latex inkt van HP is een uitzondering: deze inkt werkt met thermische koppen van HP. De reden hiervoor is dat ze een door warmte geactiveerd polymeer in een watersuspensie hebben dat prima geschikt is voor buitengebruik.

Thermische technologie werd in de jaren 1970 onafhankelijk van elkaar en gelijktijdig uitgevonden door printkoptechnologie in Japan en Hewlett-Packard in de VS, die besloten hun patenten samen te voegen in plaats van elkaar te bestrijden.

Het principe is dat een element in een inktkamer in de printkop snel wordt verhit tot het punt dat de vloeibare inkt verdampt en een gasbel vormt, die uitzet en een inktdruppel uit een gat (de spuitmond) aan een uiteinde van de kamer perst.

Het warmte-element wordt dan uitgeschakeld, zodat de gasbel afkoelt, condenseert en samentrekt. De oppervlaktespanning bij het mondstuk voorkomt dat lucht naar achteren wordt gezogen, zodat er in plaats daarvan meer vloeibare inkt uit de toevoerbuizen in de kamer wordt gezogen. Canon, mede-uitvinder van thermische koppen, bedacht de term Bubble Jet vanwege de manier waarop ze werken.

Tot nu toe zijn er geen echte thermische koppen met grijstinten, dus ze zijn allemaal binair, wat betekent dat de druppels altijd even groot zijn. HP heeft echter gepaarde spuitmondjes van verschillende grootte ontwikkeld die een beetje in de richting van een grijstinteneffect gaan.

De thermische spanningen slijten de koppen snel, dus de koppen zijn ontworpen als verbruiksgoederen, zodat ze gemakkelijk en goedkoop kunnen worden vervangen na enkele tientallen of honderden bedrijfsuren.

Vaak gewoon piëzokoppen genoemd. Deze drop-on-demand koppen verschenen in de vroege grootformaat printers in de jaren 1990 en zorgden voor een revolutie in de sector. Voor het eerst betekende dit dat solvent- en UV-uitgeharde inkten die oorspronkelijk geassocieerd werden met zeefdruk, nu digitaal gedrukt konden worden.

Piëzokoppen zijn allemaal gebaseerd op het principe dat een bepaald type kristal (vaak loodzirkonaattitanaat in inktjets, geschreven als PZT) uitzet of samentrekt wanneer er een elektrische stroom doorheen wordt gestuurd en weer wordt uitgeschakeld. Deze uitzetting/krimping wordt gebruikt als basis voor een pomp in de inktkamer.

Afhankelijk van de configuratie van de kristallen (genaamd in “bend” of “shear” modi), zuigt een tweezijdige expansie inkt aan en dwingt het vervolgens inkt uit de kamer via het mondstuk (Epson gebruikt dit), of het zet akoestische drukgolven op die hetzelfde effect hebben maar met minder energie (Xaar gebruikt dit).

De elektrische stroom kan zeer snel worden in- en uitgeschakeld en de uitzetting en inkrimping van het kristal gebeurt eveneens bijna ogenblikkelijk, dus er zijn veel meer mogelijkheden om de puntvorming te regelen dan met thermische koppen.

Dit betekent onder andere dat sommige piëzokoppen druppels van verschillende grootte kunnen genereren uit dezelfde kamer en spuitmond, waardoor verschillende inktdichtheden op de media ontstaan. Deze koppen worden grijstinten genoemd (zie hieronder).

Het piëzo-elektrisch effect werkt met vrijwel elke vloeistof, dus piëzoprintkoppen kunnen solventinkten, UV-uithardende inkten (inclusief sommige inkten die gebruikt worden voor 3D-printen) en waterige inkten verwerken. Ze kunnen ook worden gebruikt voor uitdagende vloeistoffen zoals elektrogeleidende inkten, ondoorzichtige witte en metallic inkten met grote deeltjes, 3D-printinkten en fasewisselende inkten die vloeibaar zijn wanneer ze de inktkamer bereiken.

Piëzoprintkoppen gaan veel langer mee dan thermische koppen omdat er minder thermische stress is en de piëzokristallen miljoenen keren kunnen uitzetten/krimpen. Een piëzokop gaat normaal gesproken de hele levensduur van de machine mee, zolang er geen fatale verstopping of externe schade optreedt. Ze kosten echter ook aanzienlijk meer om te maken en te kopen dan thermische koppen, dus gebruikers moeten meer moeite doen om ze te onderhouden.

Deze termen geven aan of de printkop druppels afvuurt die allemaal even groot zijn of dat ze op de een of andere manier kunnen worden gevarieerd zodat de dichtheid van de inkt die de media bereikt, kan worden geregeld met lichtere tinten. In combinatie met halftoontechnieken kan grijstinten het toonbereik van een inkjet aanzienlijk uitbreiden, terwijl relatief bescheiden nozzle pitches of minder passes kunnen worden gebruikt.

Piëzoprintkoppen waren oorspronkelijk altijd binair, wat betekende dat ze alleen inktdruppels van dezelfde grootte genereerden. Je kunt met een binaire printkop een goed bereik aan tinten krijgen door halftoontechnieken te gebruiken, maar lichte tinten kunnen er een beetje korrelig uitzien tenzij je ultrafijne nozzle-pitches gebruikt (en/of extra, lichter gekleurde inkt toevoegt).

Typische binaire druppelgroottes variëren van 30 tot 100 picoliter. Het is mogelijk om kleinere druppels te bereiken voor fijnere resultaten, maar dit betekent dat er meer stappen nodig zijn om de dichtheid van vaste gebieden in de afdruk op te bouwen, waardoor het afdrukken langzamer gaat.

Koppen met grijstinten kunnen de dichtheid van individueel afgedrukte punten variëren, zodat een druppel alles kan weergeven van 30% of 50% tot 100% kleur. Het voordeel is dat met lagere resoluties en minder koppassages dezelfde “effectieve resolutie” kan worden bereikt als met binaire koppen met veel hogere native resoluties.

Er wordt bijvoorbeeld gezegd dat een resolutie van 360 dpi met een grijstintenkop hetzelfde effect geeft als 1.000 dpi binair, wat zo goed is als je normaal gesproken ooit nodig hebt voor foto’s en blends, zelfs voor het bekijken van close-ups.

Piëzokoppen variëren de grootte van de druppels op verschillende manieren, meestal afhankelijk van de fabrikant en de patenten die hij heeft of die hij niet wil schenden. Afhankelijk van de precieze methode zijn er tussen de drie en vijf druppelgroottes beschikbaar.

De kleinste grootte op de fijnste printkoppen (vaak gebruikt voor fotografie) is minder dan 2 picoliter). Voor signageprinters zijn formaten van 10 tot 20 picoliter gebruikelijker voor de kleinste druppels, omdat snelheid en dekking belangrijker zijn dan close-in weergavekwaliteit.

Thermische grijstinten

Echt variabele druppelgroottes zijn tot nu toe alleen mogelijk met piëzokoppen. HP heeft echter een vorm van grijstinten ontwikkeld voor zijn thermische PageWide koppen, genaamd High Definition Nozzle Architecture. Tot nu toe wordt dit alleen gebruikt op de enorme T-serie inkjet webpersen voor commercieel drukwerk, en niet op de grootformaat PageWide XL single-pass modellen die tot nu toe vooral worden gebruikt voor CAD- en planwerk.

Hoewel de druppels van elke spuitmond altijd even groot zijn, worden een grote en een kleine spuitmond in de printkop heel dicht bij elkaar geplaatst en als één beeldvormend element behandeld. Vervolgens worden twee paar spuitmonden als één beeldvormend element voor grijstinten behandeld.

Door verschillende combinaties van twee kleine en twee grote nozzles te gebruiken, kunnen vijf grijsniveaus worden bereikt (eigenlijk is het wit plus vier niveaus). De pitch van de HDNA spuitmondjes is 2400 dpi, dus de spuitmondparen hebben een native resolutie van 1200 dpi en de grijstinten zijn 600 dpi.

Verdere regeling van de dichtheid is mogelijk door verschillende inktkleuren te gebruiken in de grote en kleine nozzles (bijvoorbeeld cyaan en lichtcyaan). De spuitmonden kunnen ook afzonderlijk worden aangestuurd voor hogere snelheden of resoluties, met minder grijsniveaus.

 

Dit is een beschrijving van de pitch van de spuitmondjes, dat wil zeggen het werkelijke aantal inktdruppels dat een printkop over een bepaald gebied kan produceren. De industrie geeft deze normaal gesproken aan als dots per inch, in plaats van een metrische maat. Dus als een printkop 1,5 inch (38 mm) breed is en 540 spuitmondjes heeft over de hele breedte, dan is de natieve resolutie 360 dpi.

Veel grootformaat inkjets bouwen beelden op in een reeks overlappende passen, dus er kunnen veel meer druppels per inch op de media staan dan de native resolutie alleen kan geven. Hoe hoger de dpi, hoe meer de uiteindelijke afdruk kan lijken op een foto met continue tonen.

Met koppen met grijstinten kan een reeks verschillende puntdichtheden worden gecreëerd, wat een groter toonbereik oplevert in vergelijking met een binaire kop met dezelfde sproeierafstand, wat op zijn beurt een betere simulatie van continue tonen oplevert.

Het is daarom gebruikelijk dat fabrikanten van grijstintenprinters het hebben over “equivalente” resoluties, wat bijvoorbeeld betekent dat een grijstintenkop van 360 dpi de waargenomen kwaliteit equivalent geeft aan een binaire kop van 1000 dpi.

Er zijn ook printkoppen met zeer hoge native resoluties, zoals de Micro Piezo PrecisionCore TFT koppen van Epson (gebruikt op de SureColor printers) met een native resolutie van 600 dpi en vijf druppelgroottes variërend van 1,5 tot 23 picoliter.

HP’s PageWide HDNA, hierboven genoemd, heeft een nozzle pitch van 2.400 dpi door afwisselend grote en kleine nozzles, maar omdat ze paarsgewijs worden aangestuurd, kan de native resolutie worden beschouwd als 1.200 dpi.

Leden van de sector die meer willen weten over HP en Epson kits en de voordelen die ze hun bedrijf kunnen bieden, kunnen spreken met experts van de bedrijven op FESPA 2017, die van 8 tot 12 mei plaatsvindt in de Hamburg Messe in Duitsland.

HP en Epson zijn twee van de meer dan 700 merken die aanwezig zullen zijn op het evenement, dat naar verwachting een recordaantal bezoekers zal trekken.

Voor meer informatie over FESPA 2017bezoek: https://www.fespa2017.com. Bezoekers kunnen gratis toegang krijgen tot de beurs door zich online te registreren onder vermelding van referentiecode: FESG702.