O guia definitivo para as tecnologias de cabeças de impressão

Simon Eccles descobre mais sobre as cabeças de impressão de jato de tinta e dá uma vista de olhos à próxima geração que está a fazer ondas na indústria da impressão.

A pedido, jato de tinta contínuo, piezo-elétrico, térmico, sólido, binário, escala de cinzentos. Todos estes termos são usados com ligeireza para descrever as impressoras de jato de tinta e, especificamente, os seus tipos de cabeça de impressão.

Se souberes o que significam, estes termos permitem-te prever muito bem para que serve a impressora e como funciona. Se não souberes, é raro que alguém pare para te explicar.

É aqui que paramos e os explicamos. Alguns dos termos descrevem a conceção fundamental das cabeças de impressão, outros descrevem o que fazem ou como funcionam. Alguns podem ser duplicados para uma explicação mais precisa, como uma cabeça de escala de cinzentos piezoeléctrica, outros são mutuamente exclusivos – não podes ter uma cabeça de escala de cinzentos binária.

Apresentamos-te o guia da FESPA sobre cabeças de impressão de jato de tinta. Começa por dizer o que é, afinal, uma cabeça de impressão?

O componente de uma impressora de jato de tinta que projecta gotas de tinta no suporte. Trata-se de uma unidade de precisão muito elevada e o seu fabrico envolve muita propriedade intelectual (know-how) e um grande investimento em fábricas de salas limpas. As cabeças de impressão modernas utilizam frequentemente técnicas de fabrico (como a MEMS de silício de película fina) que têm muito em comum com o fabrico de microchips.

No interior de uma cabeça de impressão típica existem componentes electrónicos de controlo, acessórios de alimentação de tinta e, pelo menos, uma e, normalmente, centenas de câmaras de tinta que conduzem aos bicos, que são orifícios na placa de bicos.

Os canais de entrada de tinta têm apenas algumas dezenas de microns de diâmetro e os bicos têm tipicamente 20-50 microns. Um cabelo humano tem aproximadamente 80 microns de diâmetro.

A maioria das cabeças de impressão utilizadas em sinalética e noutras aplicações gráficas tem centenas de bicos que são controlados individualmente para gerar e projetar gotas (ver também “Gota a pedido”). Gerar o que podem ser milhões de gotas numa passagem da cabeça e garantir que atingem o suporte no local certo requer uma eletrónica muito avançada.

Algumas máquinas de jato de tinta têm um único bico e projectam um fluxo contínuo de gotas, que são desviadas para o suporte ou para fora dele por placas electrostáticas ou jactos de ar. Estes sistemas tendem a ser utilizados em sistemas de codificação e marcação e não em gráficos. Ver Jato de tinta contínuo.

Embora existam centenas de fabricantes de impressoras em todo o mundo, todos eles adquirem as suas cabeças de impressão a um número relativamente pequeno de fabricantes especializados, integrando-as depois nas próprias impressoras com uma combinação de suportes, eletrónica, alimentação de tinta, firmware e software de controlador.

Apenas alguns fabricantes de impressoras de grande formato têm as suas próprias fábricas de cabeças de impressão, incluindo a Canon, a Epson/Seiko-Epson, a Fujifilm (através da sua subsidiária Fujifilm Dimatix), a HP e a Xerox.

Todos os outros compram cabeças ou têm joint ventures com fabricantes de impressoras. A maioria dos fabricantes acima mencionados fornece cabeças a outros fabricantes numa base OEM (embora, por vezes, fiquem com os modelos mais recentes para si próprios). Outros fabricantes de cabeças incluem a Konica Minolta, a Kyocera, a Panasonic, a Ricoh, a Toshiba TEC e a Xaar.

Entrega a pedido (DoD)

Este é um termo geral para o tipo de cabeça de impressão que se encontra normalmente nas impressoras a jato de tinta modernas utilizadas para gráficos de alta qualidade, incluindo todas as impressoras de grande formato que verás nas feiras FESPA e neste sítio Web.

Gota a pedido significa que os bicos de jato de tinta geram e projectam gotas de tinta quando e onde são necessárias para produzir uma marca no suporte. O termo foi criado principalmente para contrastar com as anteriores cabeças de fluxo contínuo (ver fluxo contínuo abaixo).

Os cabeçotes de gotejamento sob demanda são subdivididos em tipos térmicos ou piezoelétricos – ver abaixo.

Uma cabeça de impressão de jato de tinta que projecta um fluxo contínuo de gotículas durante todo o tempo de funcionamento da impressora. Normalmente, existe apenas um bico por cabeça, mas pode ser utilizada uma série de cabeças para criar uma faixa de impressão mais ampla.

O fluxo é desviado em direção ao suporte ou para longe dele por placas metálicas carregadas com um campo eletrostático ou (no caso da Kodak) por jactos de ar precisamente temporizados. A tinta não desejada é recolhida numa calha de recolha e pode ser filtrada e devolvida ao tanque de armazenamento.

Atualmente, estas cabeças encontram-se normalmente em sistemas de codificação e marcação e não em impressoras gráficas sofisticadas.

A exceção é a família de cabeças de impressão Kodak Prosper, que utiliza uma tecnologia de jato de tinta contínuo altamente desenvolvida, denominada Stream, que proporciona uma qualidade de imagem muito elevada. Atualmente, a Prosper e a Stream não são utilizadas em quaisquer impressoras dedicadas ao tipo de sinalização e exposição.

Estas foram o primeiro tipo de cabeças de impressão “drop-on-demand” e foram utilizadas nos primeiros tinteiros de secretária no início da década de 1980. As cabeças de impressão térmicas são eficientes e podem proporcionar uma qualidade de imagem muito elevada e velocidades que competem com as cabeças piezoeléctricas, mas, ao contrário das piezoeléctricas, só funcionam com tintas à base de água, pelo que estão normalmente confinadas a aplicações interiores.

As tintas Latex da HP são uma exceção: funcionam com cabeças térmicas HP. A razão é que têm um polímero ativado pelo calor numa suspensão de água que é adequada para utilização no exterior.

A tecnologia térmica foi inventada de forma independente e simultânea na década de 1970 pela tecnologia de cabeças de impressão no Japão e pela Hewlett-Packard nos EUA, que decidiram partilhar as suas patentes em vez de lutarem entre si.

O princípio é que um elemento no interior de uma câmara de tinta na cabeça de impressão é rapidamente aquecido ao ponto de a tinta líquida vaporizar e formar uma bolha de gás, que se expande e força uma gota de tinta a sair de um orifício (o bocal) numa extremidade da câmara.

O elemento de aquecimento é então desligado, pelo que a bolha de gás arrefece, condensa e contrai. A tensão superficial no bocal impede que o ar seja puxado para trás, pelo que, em vez disso, é puxada mais tinta líquida para a câmara a partir dos tubos de alimentação. A Canon, co-inventora das cabeças térmicas, cunhou o termo Bubble jet (jato de bolhas) devido à forma como funcionam.

Até à data, não existem verdadeiras cabeças térmicas de escala de cinzentos, pelo que são todas binárias, o que significa que as gotas têm sempre o mesmo tamanho. No entanto, a HP desenvolveu bicos emparelhados de tamanhos diferentes que, de certa forma, contribuem para um efeito de escala de cinzentos.

As tensões térmicas desgastam rapidamente as cabeças, pelo que estas são concebidas para serem consumíveis, podendo ser substituídas de forma fácil e económica após algumas dezenas ou centenas de horas de funcionamento.

Muitas vezes designadas apenas por cabeças piezoeléctricas. Estas cabeças “drop-on-demand” começaram a aparecer nas primeiras impressoras de grande formato nos anos 90 e revolucionaram o sector. Pela primeira vez, significou que as tintas solventes e de cura UV, originalmente associadas à impressão por serigrafia, podiam agora ser impressas digitalmente.

As cabeças piezoeléctricas baseiam-se no princípio de que um tipo particular de cristal (frequentemente titanato de zirconato de chumbo em tinteiros, escrito como PZT) se expande ou contrai quando uma corrente eléctrica é passada através dele e desligada novamente. Esta expansão/contração é utilizada como base de uma bomba na câmara de tinta.

Dependendo da configuração dos cristais (designados por modos de “dobragem” ou “cisalhamento”), uma expansão bidirecional ou aspira a tinta e depois força-a a sair da câmara através do bocal (a Epson utiliza este modo), ou cria ondas de pressão acústica que têm o mesmo efeito mas com menos energia (a Xaar utiliza este modo).

A corrente eléctrica pode ser ligada e desligada muito rapidamente e a expansão/contração do cristal é igualmente quase instantânea, pelo que há muito mais possibilidades de controlar a formação de pontos do que com as cabeças térmicas.

Isto significa, entre outras coisas, que algumas cabeças piezoeléctricas podem gerar gotas de tamanho variável a partir da mesma câmara e do mesmo bico, proporcionando diferentes densidades de tinta no suporte. Estas cabeças são designadas por cabeças de escala de cinzentos (ver abaixo).

O efeito piezoelétrico funciona com praticamente qualquer fluido, pelo que as cabeças de impressão piezoeléctricas podem ser construídas para lidar com tintas à base de solventes, tintas curadas por UV (incluindo algumas utilizadas na impressão 3D) e tintas aquosas. Também podem ser utilizadas para fluidos difíceis, como tintas electro-condutoras, tintas brancas e metálicas opacas de partículas grandes, tintas de impressão 3D e tintas de mudança de fase que são líquidas quando chegam à câmara de tinta.

As cabeças de impressão piezoeléctricas duram muito mais tempo do que as cabeças térmicas, porque há menos stress térmico e os cristais piezoeléctricos podem expandir-se/contrair-se milhões de vezes. Uma cabeça piezoeléctrica destina-se normalmente a durar toda a vida útil da máquina, desde que não haja um bloqueio fatal ou danos externos. No entanto, o seu custo de fabrico e aquisição é consideravelmente superior ao das cabeças térmicas, pelo que os utilizadores têm de se esforçar mais na sua manutenção.

Estes termos indicam se os fogos da cabeça de impressão caem todos do mesmo tamanho ou se podem ser variados de alguma forma, para que a densidade da tinta que chega ao suporte possa ser controlada com tons mais claros. Combinada com as técnicas de meio-tom, a escala de cinzentos pode alargar consideravelmente a gama de tons de um jato de tinta, permitindo simultaneamente a utilização de passos de bico relativamente modestos ou menos passagens.

Originalmente, as cabeças de impressão piezoeléctricas eram sempre binárias, o que significa que apenas geravam gotas de tinta do mesmo tamanho. Podes obter uma boa gama de tons a partir de uma cabeça binária utilizando técnicas de meio-tom, mas os tons de realce podem parecer um pouco granulados, a menos que utilizes bicos de impressão ultrafinos (e/ou adiciones tintas extra, de cores mais claras).

O tamanho típico das gotas binárias é de 30 a 100 picolitros. É possível obter gotas mais pequenas para obter resultados mais finos, mas isso significa que são necessárias mais passagens para aumentar a densidade das áreas sólidas na impressão, pelo que a impressão é mais lenta.

As cabeças de escala de cinzentos podem variar a densidade dos pontos impressos individualmente, pelo que uma gota pode mostrar desde 30% ou 50% até 100% de cor. A vantagem é que resoluções mais baixas e menos passagens da cabeça podem atingir a mesma “resolução efectiva” que as cabeças binárias com resoluções nativas muito mais elevadas.

Por exemplo, diz-se que uma resolução de 360 dpi com uma cabeça de escala de cinzentos dá o mesmo efeito que 1.000 dpi binários, o que é o melhor que normalmente necessitarás para fotografias e misturas, mesmo para ver em grande plano.

As cabeças Piezo variam os tamanhos dos pontos através de vários métodos diferentes, normalmente dependendo do fabricante individual e das patentes que detém ou que pretende evitar infringir. Dependendo dos métodos precisos, pode haver entre três e tamanhos de gotas disponíveis.

O tamanho mais pequeno nas cabeças de impressão mais finas (frequentemente utilizadas para fotografia) é inferior a 2 picolitros). Para as impressoras de sinalética, são mais comuns tamanhos de 10 a 20 picolitros para as gotas mais pequenas, uma vez que a velocidade e a cobertura são mais importantes do que a qualidade de visualização de perto.

Escala de cinzentos térmica

Até à data, só é possível obter tamanhos de gota verdadeiramente variáveis com cabeças piezoeléctricas. No entanto, a HP desenvolveu uma forma de escala de cinzentos para as suas cabeças PageWide térmicas, denominada Arquitetura de bicos de alta definição. Até agora, esta tecnologia só é utilizada nas suas enormes impressoras rotativas de jato de tinta da série T para impressão comercial, e não nos modelos de passagem única PageWide XL de grande formato que, até agora, são utilizados principalmente para CAD e trabalhos de planeamento.

Embora as gotas sejam sempre do mesmo tamanho em cada bocal, emparelha um bocal grande e um pequeno muito próximos na cabeça de impressão e trata-os como um único elemento de imagem. Em seguida, pega em dois pares de bicos e controla-os como um único elemento de imagem para efeitos de escala de cinzentos.

Ao disparar diferentes combinações de dois bicos pequenos e dois grandes, é possível obter cinco níveis de cinzento (na realidade, é branco mais quatro níveis). O passo dos bicos HDNA é de 2.400 ppp, pelo que os pares de bicos têm uma resolução nativa de 1.200 ppp e os conjuntos de escala de cinzentos são de 600 ppp.

É possível um maior controlo da densidade utilizando cores de tinta diferentes nos bicos grandes e pequenos (por exemplo, ciano e ciano claro). Os conjuntos de bicos também podem ser controlados separadamente para velocidades ou resoluções mais elevadas, com menos níveis de cinzento.

Esta é uma descrição do passo do bico, ou seja, o número real de gotas de tinta que uma cabeça de impressão pode produzir numa determinada área. A indústria indica-o normalmente como pontos por polegada, em vez de uma medida métrica. Assim, se uma cabeça de impressão tiver 1,5 polegadas (38 mm) de largura e 540 bicos em toda a sua largura, então a resolução nativa é de 360 dpi.

Muitos tinteiros de grande formato criam imagens numa série de passagens sobrepostas, pelo que pode haver muito mais gotas por polegada no suporte do que a resolução nativa por si só pode proporcionar. Quanto maior for o dpi, mais a impressão final pode parecer uma fotografia de tom contínuo.

As cabeças de escala de cinzentos permitem a criação de uma gama de diferentes densidades de pontos, proporcionando uma maior gama tonal em comparação com uma cabeça binária com o mesmo passo de bico, o que, por sua vez, permite uma melhor simulação do tom contínuo.

Por isso, é comum os fabricantes de impressoras de escala de cinzentos falarem de resoluções “equivalentes”, o que significa, por exemplo, que uma cabeça de escala de cinzentos de 360 ppp pode dar a qualidade percebida equivalente a uma cabeça binária de 1000 ppp.

Também existem cabeças de impressão com resoluções nativas muito elevadas, como as cabeças Micro Piezo PrecisionCore TFT da Epson (utilizadas nas suas impressoras SureColor), que têm uma resolução nativa de 600 ppp e cinco tamanhos de gota que variam entre 1,5 e 23 picolitros.

A PageWide HDNA da HP, mencionada anteriormente, tem uma distância entre bicos de 2 400 ppp, alternando bicos grandes e pequenos, mas como são controlados aos pares, a resolução nativa pode ser considerada como 1 200 ppp.

Os membros da indústria interessados em saber mais sobre os kits HP e Epson e as vantagens que podem oferecer às suas empresas podem falar com especialistas das empresas na FESPA 2017, que decorre de 8 a 12 de maio na Hamburg Messe, na Alemanha.

A HP e a Epson serão duas das mais de 700 marcas que estarão presentes no evento, que deverá atrair um número recorde de visitantes.

Para saberes mais sobre a FESPA 2017visita: https://www.fespa2017.com. Os visitantes podem obter entrada gratuita para a exposição registando-se online, mencionando o código de referência: FESG702.