Simon Eccles dowiaduje się więcej na temat głowic drukujących do drukarek atramentowych i przygląda się nowej generacji głowic, które robią furorę w branży druku.

 

Drop-on-demand, continuous inkjet, piezoelektryczne, termiczne, stałe, binarne, w skali szarości. Wszystkie te terminy są często używane przy opisywaniu drukarek atramentowych, a w szczególności ich typów głowic drukujących.

Jeśli wiesz, co oznaczają, terminy te pozwalają dość dobrze przewidzieć, do czego służy drukarka i jak będzie działać. W przeciwnym razie rzadko kiedy ktoś zatrzymuje się i je wyjaśnia.

W tym miejscu zatrzymujemy się i wyjaśniamy je. Niektóre terminy opisują podstawową konstrukcję głowic drukujących, inne opisują ich działanie lub sposób działania. Niektóre z nich można podwoić, aby uzyskać bardziej precyzyjne wyjaśnienie, takie jak piezoelektryczna głowica drukująca w skali szarości, inne wykluczają się wzajemnie – nie można mieć binarnej głowicy drukującej w skali szarości.

Oto przewodnik FESPA po głowicach drukujących do drukarek atramentowych. Zaczynając od tego, czym w ogóle jest głowica drukująca?

Element drukarki atramentowej, który wystrzeliwuje krople atramentu na nośnik. Jest to bardzo precyzyjne urządzenie, a jego produkcja wiąże się z dużą własnością intelektualną (know-how) i dużymi inwestycjami w fabryki z czystymi pomieszczeniami. Nowoczesne głowice drukujące często wykorzystują techniki produkcyjne (takie jak cienkowarstwowe krzemowe MEMS), które mają wiele wspólnego z produkcją mikroprocesorów.

Wewnątrz typowej głowicy drukującej znajduje się elektronika sterownika, osprzęt do podawania atramentu i co najmniej jedna, a zwykle setki komór atramentowych prowadzących do dysz, które są otworami w płycie dysz.

Kanały wejściowe atramentu mają zaledwie kilkadziesiąt mikronów średnicy, a dysze zazwyczaj 20-50 mikronów. Ludzki włos ma średnicę około 80 mikronów.

Większość głowic drukujących stosowanych w oznakowaniach i innych aplikacjach graficznych ma setki dysz, które są indywidualnie sterowane w celu generowania i wyświetlania kropli (patrz także „Drop on Demand”). Generowanie milionów kropli w jednym przejściu głowicy i upewnienie się, że trafiają one na nośnik we właściwym miejscu, wymaga bardzo zaawansowanej elektroniki.

Niektóre drukarki atramentowe mają pojedynczą dyszę i emitują ciągły strumień kropel, które są odchylane w kierunku lub od nośnika za pomocą płyt elektrostatycznych lub podmuchów powietrza. Są one zwykle używane w systemach kodowania i znakowania, a nie w grafice. Patrz Continuous Inkjet.

Chociaż na całym świecie istnieją setki producentów drukarek, wszyscy oni pozyskują głowice drukujące od stosunkowo niewielkiej liczby wyspecjalizowanych producentów, a następnie integrują je z samymi drukarkami za pomocą kombinacji mocowań, elektroniki, podajników atramentu, oprogramowania układowego i oprogramowania sterownika.

Tylko kilku producentów drukarek wielkoformatowych posiada własne fabryki głowic drukujących, w tym Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (choć jej spółka zależna Fujifilm Dimatix), HP i Xerox.

Wszyscy pozostali kupują głowice lub prowadzą wspólne przedsięwzięcia z producentami drukarek. Większość producentów wymienionych powyżej dostarcza głowice innym producentom na zasadzie OEM (choć czasami zatrzymują najnowsze modele dla siebie). Inni producenci głowic to Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC i Xaar.

Drop-on-demand (DoD)

Jest to ogólny termin określający typ głowicy drukującej najczęściej spotykany w nowoczesnych drukarkach atramentowych wykorzystywanych do druku wysokiej jakości grafiki, w tym we wszystkich drukarkach wielkoformatowych, które można zobaczyć na targach FESPA i na tej stronie.

Drop-on-demand oznacza, że dysze atramentowe generują i wystrzeliwują krople atramentu wtedy i tam, gdzie są one potrzebne do wytworzenia śladu na nośniku. Termin ten został wymyślony głównie dla kontrastu z wcześniejszymi głowicami o przepływie ciągłym (patrz przepływ ciągły poniżej).

Głowice typu drop-on-demand dzielą się na termiczne i piezoelektryczne – patrz poniżej.

Głowica drukująca do drukarek atramentowych, która emituje ciągły strumień kropel przez cały czas pracy drukarki. Zwykle na jedną głowicę przypada tylko jedna dysza, ale można użyć szeregu głowic w celu utworzenia szerszego obszaru drukowania.

Strumień jest odchylany w kierunku lub z dala od nośnika przez naładowane metalowe płytki z polem elektrostatycznym lub (w przypadku Kodaka) przez precyzyjnie ustawione w czasie podmuchy powietrza. Niepożądany atrament jest zbierany w rynnie wychwytującej i może być filtrowany i zawracany do zbiornika magazynowego.

Obecnie głowice te można znaleźć raczej w systemach kodowania i znakowania niż w zaawansowanych drukarkach graficznych.

Wyjątkiem jest rodzina głowic drukujących Kodak Pro sper, które wykorzystują wysoce rozwiniętą technologię ciągłego druku atramentowego o nazwie Stream, zapewniającą bardzo wysoką jakość obrazu. Obecnie głowice Prosper i Stream nie są stosowane w drukarkach dedykowanych do druku znaków i wyświetlaczy.

Były to pierwsze głowice drukujące typu drop-on-demand i były używane w pierwszych stacjonarnych drukarkach atramentowych na początku lat 80-tych. Termiczne głowice drukujące są wydajne i mogą zapewnić bardzo wysoką jakość obrazu i prędkości, które konkurują z głowicami piezoelektrycznymi, ale w przeciwieństwie do piezoelektrycznych działają tylko z atramentami na bazie wody, więc zwykle są ograniczone do zastosowań wewnętrznych.

Wyjątkiem są atramenty lateksowe HP, które współpracują z głowicami termicznymi HP. Powodem jest to, że mają aktywowany ciepłem polimer w zawiesinie wodnej, która jest odpowiednia do użytku na zewnątrz.

Technologia termiczna została wynaleziona niezależnie i jednocześnie w latach 70. przez japońską firmę Printhead Technolo i amerykańską firmę Hewlett-Packard, które postanowiły połączyć swoje patenty zamiast walczyć ze sobą.

Zasada działania polega na tym, że element wewnątrz komory atramentu w głowicy drukującej jest szybko podgrzewany do punktu, w którym ciekły atrament odparowuje i tworzy pęcherzyk gazu, który rozszerza się i wypycha kroplę atramentu z otworu (dyszy) na jednym końcu komory.

Element grzewczy jest następnie wyłączany, dzięki czemu pęcherzyk gazu ochładza się, skrapla i kurczy. Napięcie powierzchniowe na dyszy zatrzymuje zasysanie powietrza do tyłu, więc zamiast tego więcej płynnego atramentu jest zasysane do komory z rur zasilających. Canon, współwynalazca głowic termicznych, ukuł termin Bubble jet ze względu na sposób ich działania.

Jak dotąd nie ma prawdziwych głowic termicznych w skali szarości, więc wszystkie są binarne, co oznacza, że krople są zawsze tej samej wielkości. Firma HP opracowała jednak sparowane dysze o różnych rozmiarach, które w pewnym stopniu przyczyniają się do uzyskania efektu skali szarości.

Naprężenia termiczne szybko zużywają głowice, więc są one zaprojektowane jako materiały eksploatacyjne, dzięki czemu można je łatwo i tanio wymienić po kilkudziesięciu lub kilkuset godzinach pracy.

Często nazywane po prostu głowicami piezoelektrycznymi. Głowice te zaczęły pojawiać się we wczesnych drukarkach wielkoformatowych w latach 90. i zrewolucjonizowały ten sektor. Po raz pierwszy oznaczało to, że atramenty solwentowe i utwardzane promieniami UV, pierwotnie kojarzone z sitodrukiem, mogły być teraz drukowane cyfrowo.

Głowice piezoelektryczne opierają się na zasadzie, że określony rodzaj kryształu (często cyrkonian tytanianu ołowiu w drukarkach atramentowych, oznaczany jako PZT) rozszerza się lub kurczy, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny i jest ponownie wyłączany. To rozszerzanie/kurczenie jest wykorzystywane jako podstawa pompy w komorze atramentu.

W zależności od konfiguracji kryształów (zwanych trybami „zginania” lub „ścinania”), dwukierunkowa ekspansja albo zasysa atrament, a następnie wypycha go z komory przez dyszę (używa tego Epson), albo wytwarza akustyczne fale ciśnienia, które mają ten sam efekt, ale przy mniejszej energii (używa tego Xaar).

Prąd elektryczny może być włączany i wyłączany bardzo szybko, a rozszerzanie/kurczenie kryształu jest również niemal natychmiastowe, więc istnieje znacznie większy zakres kontroli tworzenia kropek niż w przypadku głowic termicznych.

Oznacza to między innymi, że niektóre głowice piezoelektryczne mogą generować krople o różnej wielkości z tej samej komory i dyszy, dając różne gęstości atramentu na nośniku. Są to tak zwane głowice w skali szarości (patrz poniżej).

Efekt piezoelektryczny działa z praktycznie każdym płynem, więc piezoelektryczne głowice drukujące mogą być zbudowane do obsługi atramentów na bazie rozpuszczalników, atramentów utwardzanych promieniami UV (w tym niektórych stosowanych w druku 3D) i atramentów wodnych. Mogą być również stosowane do trudnych płynów, takich jak atramenty elektroprzewodzące, nieprzezroczyste białe i metaliczne atramenty o dużych cząstkach, atramenty do druku 3D i atramenty zmiennofazowe, które są cieczą, gdy docierają do komory atramentu.

Głowice piezoelektryczne działają znacznie dłużej niż głowice termiczne, ponieważ występują w nich mniejsze naprężenia termiczne, a kryształy piezoelektryczne mogą rozszerzać/kurczyć się miliony razy. Głowica piezoelektryczna jest zwykle przeznaczona do pracy przez cały okres eksploatacji urządzenia, o ile nie dojdzie do śmiertelnego zablokowania lub uszkodzenia zewnętrznego. Jednak koszt ich produkcji i zakupu jest znacznie wyższy niż w przypadku głowic termicznych, więc użytkownicy muszą włożyć więcej wysiłku w ich konserwację.

Określenia te wskazują, czy wszystkie krople głowicy drukującej są tej samej wielkości, czy też można je w jakiś sposób zmieniać, aby gęstość atramentu docierającego do nośnika można było kontrolować za pomocą jaśniejszych odcieni. W połączeniu z technikami półtonowania, skala szarości może znacznie rozszerzyć zakres tonalny drukarki atramentowej, umożliwiając jednocześnie stosowanie stosunkowo niewielkich rozstawów dysz lub mniejszej liczby przejść.

Głowice piezoelektryczne były pierwotnie zawsze binarne, co oznacza, że generowały tylko krople atramentu o tym samym rozmiarze. Można uzyskać dobry zakres tonów z głowicy binarnej przy użyciu technik półtonów, ale odcienie podświetlenia mogą wyglądać nieco ziarniście, chyba że użyjesz bardzo drobnych dysz (i / lub dodasz dodatkowe, jaśniejsze atramenty).

Typowe rozmiary kropli binarnych wynoszą od 30 do 100 pikolitrów. Możliwe jest uzyskanie mniejszych kropel w celu uzyskania dokładniejszych rezultatów, ale oznacza to, że potrzeba więcej przejść, aby uzyskać gęstość stałych obszarów wydruku, więc drukowanie jest wolniejsze.

Głowice w skali szarości mogą zmieniać gęstość indywidualnie drukowanych punktów, więc kropla może być w stanie pokazać od 30% lub 50% do 100% koloru. Zaletą jest to, że niższe rozdzielczości i mniejsza liczba przejść głowicy mogą osiągnąć tę samą „efektywną rozdzielczość”, co głowice binarne o znacznie wyższych rozdzielczościach natywnych.

Na przykład rozdzielczość 360 dpi z głowicą w skali szarości daje taki sam efekt jak 1000 dpi w trybie binarnym, co jest wartością wystarczającą do robienia zdjęć i mieszania nawet przy oglądaniu z bliska.

Głowice piezoelektryczne różnią się wielkością kropli kilkoma różnymi metodami, zwykle w zależności od indywidualnego producenta i posiadanych przez niego patentów lub chęci uniknięcia ich naruszenia. W zależności od precyzyjnych metod, dostępnych może być od trzech do kilku rozmiarów kropli.

Najmniejszy rozmiar w przypadku najdrobniejszych głowic drukujących (często stosowanych w fotografii) wynosi mniej niż 2 pikolitry.) W przypadku drukarek do oznakowania, rozmiary od 10 do 20 pikolitrów są bardziej powszechne dla najmniejszych kropli, ponieważ szybkość i pokrycie mają większe znaczenie niż jakość wyświetlania z bliska.

Termiczna skala szarości

Prawdziwa zmienna wielkość kropli jest jak dotąd możliwa tylko w przypadku głowic piezoelektrycznych. Firma HP opracowała jednak formę skali szarości dla swoich termicznych głowic PageWide o nazwie High Definition Nozzle Architecture. Jak dotąd jest ona używana tylko w ogromnych drukarkach atramentowych serii T do druku komercyjnego, a nie w szerokoformatowych modelach jednoprzebiegowych PageWide XL, które do tej pory były używane głównie do prac CAD i planowania.

Mimo że krople są zawsze tej samej wielkości z każdej dyszy, łączy ona dużą i małą dyszę bardzo blisko siebie w głowicy drukującej i traktuje je jako jeden element obrazujący. Następnie bierze dwie pary dysz i kontroluje je jako pojedynczy element obrazujący do celów skali szarości.

Wystrzeliwując różne kombinacje dwóch małych i dwóch dużych dysz, można uzyskać pięć poziomów szarości (w rzeczywistości jest to biel plus cztery poziomy). Rozstaw dysz HDNA wynosi 2400 dpi, więc pary dysz mają natywną rozdzielczość 1200 dpi, a zestawy skali szarości 600 dpi.

Dalsza kontrola gęstości jest możliwa poprzez użycie różnych kolorów atramentu w dużych i małych dyszach (np. cyjan i jasny cyjan). Zestawy dysz mogą być również sterowane oddzielnie dla wyższych prędkości lub rozdzielczości, z mniejszą liczbą poziomów szarości.

 

Jest to opis rozstawu dysz, czyli rzeczywistej liczby kropli atramentu, które głowica drukująca może wytworzyć na danym obszarze. W branży zwykle podaje się je w punktach na cal, a nie w miarach metrycznych. Jeśli więc głowica drukująca ma 1,5 cala (38 mm) szerokości i 540 dysz na całej szerokości, to natywna rozdzielczość wynosi 360 dpi.

Wiele wielkoformatowych drukarek atramentowych tworzy obrazy w serii nakładających się na siebie przejść, więc na nośniku może znajdować się znacznie więcej kropli na cal, niż może dać sama rozdzielczość natywna. Im wyższa rozdzielczość, tym bardziej końcowy wydruk może przypominać fotografię o ciągłej tonacji.

Głowice w skali szarości umożliwiają tworzenie różnych gęstości kropek, zapewniając większy zakres tonalny w porównaniu z głowicą binarną o tym samym skoku dyszy, co z kolei zapewnia lepszą symulację ciągłego tonu.

Dlatego też producenci drukarek w skali szarości często mówią o „równoważnych” rozdzielczościach, co oznacza na przykład, że głowica 360 dpi w skali szarości może dawać postrzeganą jakość równoważną głowicy binarnej 1000 dpi.

Istnieją również głowice drukujące o bardzo wysokich rozdzielczościach natywnych, takie jak głowice Micro Piezo PrecisionCore TFT firmy Epson (stosowane w drukarkach SureColor) o natywnej rozdzielczości 600 dpi i pięciu rozmiarach kropli od 1,5 do 23 pikolitrów.

PageWide HDNA firmy HP, wspomniany powyżej, ma podziałkę dysz wynoszącą 2400 dpi poprzez naprzemienne stosowanie dużych i małych dysz, ale ponieważ są one sterowane parami, natywną rozdzielczość można uznać za 1200 dpi.

Członkowie branży, którzy chcą dowiedzieć się więcej o zestawach HP i Epson oraz korzyściach, jakie mogą one zaoferować ich firmom, mogą porozmawiać z ekspertami z firm na targach FESPA 2017, które odbędą się w dniach 8-12 maja w Hamburg Messe w Niemczech.

HP i Epson będą dwiema z ponad 700 marek, które będą obecne na imprezie, która ma przyciągnąć rekordową liczbę odwiedzających.

Aby dowiedzieć się więcej o FESPA 2017, odwiedź: https://www.fespa2017.com. Odwiedzający mogą uzyskać bezpłatny wstęp na wystawę, rejestrując się online, podając kod referencyjny: FESG702.