Струйные печатающие головки точно направляют струю жидкости, работая с чернилами различных типов и вязкости. Основные технологии — пьезоэлектрическая (с использованием материала PZT) и термическая струйная (нагрев чернил в пар). Существует также непрерывная струйная технология для высоких скоростей и клапанная струйная технология для больших капель. В отрасли увеличивается количество исследований и разработок, что обусловлено появлением новых промышленных приложений и приложений для 3D-печати.
Струйные печатающие головки лежат в основе цифровой революции, как и каждый струйный принтер, поэтому всегда полезно понимать, как работают эти устройства. Назначение печатающей головки заключается в том, чтобы помещать маленькие капли определенной жидкости на подложку по мере необходимости. Это может быть краска для графики или функциональная жидкость, например, покрытие, для промышленного использования. Большинство головок разработаны для решения множества различных задач. Ключевой характеристикой является точность размещения капель именно там, где это необходимо, что становится более сложным при высоких скоростях печати.
Печатающая головка должна уметь работать с различными жидкостями или чернилами. Многие из наиболее распространенных на сегодняшний день головок предназначены для работы с УФ-отверждаемыми чернилами, но другие жидкости могут быть на основе растворителя, воды или масла. Действительно, постоянный рост текстильной печати, а также однопроходной коммерческой печати привел к увеличению спроса на печатающие головки, которые могут работать с красками на водной основе. Головка и все связанные с ней системы управления жидкостями должны быть закалены, чтобы противостоять любым химическим веществам, содержащимся в этих жидкостях, например, растворителям, которые могут разъедать материал головки, или воде, которая может вызвать короткое замыкание внутренних электрических элементов.
Все чаще производители комплектующих хотят повысить функциональность своих жидкостей, и производителям головок приходится идти в ногу со временем. На многих графических рынках наблюдается явная тенденция к использованию чернил с более высокой пигментной нагрузкой, что должно привести к снижению расхода чернил. Такие чернила, как правило, имеют более высокую вязкость, что затрудняет их струйную подачу, хотя существует множество способов обойти эту проблему, например, нагрев чернил для снижения их вязкости. Тем не менее, большинство печатающих головок способны работать с жидкостями вязкостью до 10 или 20 сП, хотя некоторые печатающие головки Xaar могут работать с жидкостями вязкостью до 100 сП.
Некоторые печатающие головки могут рециркулировать чернила внутри головки, чтобы предотвратить оседание частиц в чернилах и устранить засорение вокруг дюз. Это полезно для некоторых видов чернил, например, белых, содержащих крупные частицы, а также для промышленного использования, где в атмосфере может быть много пыли и грязи. Рециркуляция также помогает поддерживать температуру чернил, поскольку они циркулируют мимо нагревателя.
В подавляющем большинстве широкоформатных принтеров используются пьезоэлектрические печатающие головки «капля по требованию». Они основаны на естественном явлении, когда электрический заряд может заставить некоторые материалы изменить форму. В большинстве таких печатающих головок используются актуаторы, изготовленные из цирконата-титаната свинца, или PZT, благодаря его очень эффективным пьезоэлектрическим свойствам изменять форму, чтобы заставить чернила выходить из чернильных камер через сопла.
Эти пьезоэлектрические печатающие головки можно разделить на два класса. Пожалуй, наиболее распространенным типом является объемный пьезопривод, в котором используется блок пьезоэлектрического материала. Хорошим примером такого типа является монолитный блочный привод, разработанный компанией Kyocera. Название Kyocera происходит от Kyoto Ceramics, и компания использовала свой опыт в области керамики для создания плотного поликристаллического керамического актуатора с использованием тонких пьезоэлектрических керамических подложек. В результате получилась очень тонкая пластина пьезоэлектрического привода длиной 116 мм и шириной 34 мм и глубиной всего 0,04 мм, которая располагается над чернильными камерами внутри головки. Точно контролируя напряжение, подаваемое на этот привод, с помощью формы волны и электроники привода, Kyocera может тонко управлять формой этого привода для выброса чернил из каждой из чернильных камер. Множество других печатающих головок также основаны на собственных вариациях метода объемного пьезопривода, включая Ricoh MH5320 Gen6, Fujifilm Dimatix Starfire и большинство печатающих головок Xaar.
Альтернативным пьезоэлектрическим методом является метод микроэлектромеханических систем или MEMs, который использует полупроводниковую технологию для создания привода. Теоретически это позволяет добиться большей сложности и точности. Существует два основных подхода к добавлению PZT в актуаторы: Fujifilm Dimatix предпочитает использовать PZT с напылением, а Ricoh и другие компании — Sol-Gel, но в обоих случаях получается очень тонкая пленка PZT. Кремний наращивается по одному слою за раз, с помощью фотолитографии в этих слоях создаются каналы для электронных схем и жидкостного управления. Типичными примерами являются Fujifilm Dimatix Samba, Epson PrecisionCore и Ricoh TH5241.
Другой распространенный тип печатающих головок — термоструйные, или TIJ, в которых чернила нагреваются до образования парового пузырька, который выталкивает каплю из сопла. Этот метод работает только с чернилами на водной основе, такими как латексные или смоляные чернила, и в основном используется компаниями HP и Memjet в широкоформатных приложениях. HP также продает термальные печатающие головки другим OEM-производителям, в основном для использования в приложениях для кодирования и маркировки, а также для печати некоторых графических упаковок. Термоголовки обычно имеют относительно короткий срок службы и считаются расходными материалами. Однако в последние годы и HP, и Memjet сумели продлить срок службы своих термоголов. Компания Canon также владеет технологией TIJ, но в основном она была сосредоточена на настольных принтерах. Однако недавно Canon разработал печатающие головки TIJ для коммерческой печатной машины и собирается выпустить промышленную машину для печати этикеток с термопечатающими головками.
Затем существует непрерывная струйная печать или CIJ. Это не относится к широкоформатной печати, но широко используется для нанесения кодов и маркировки. На ней также основаны печатающие головки UltraStream компании Kodak, которые используются в высокоскоростной коммерческой печатной машине Ultra 520, а также для добавления цифровых возможностей в рулонные офсетные печатные машины. Принцип работы заключается в том, что капли краски выстреливаются непрерывным потоком, что обеспечивает очень высокую скорость струи. Большая часть капель краски отклоняется в сторону, чтобы быть использованной повторно, так что на подложку попадают только те капли, которые необходимы.
Наконец, стоит также отметить, что печатающие головки ValveJet находят применение на рынке графики. Например, на недавней выставке Fespa Global в Берлине компания Ricoh продемонстрировала приложение для персонализированной печати на шинах, в котором для каждого цвета использовались струйные головки с одним соплом. Принципы, лежащие в основе струйной печати, довольно просты. На одном конце камеры с жидкостью есть отверстие, которое закрывается клапаном. Ricoh использует пьезопривод для открытия и закрытия этого клапана. Жидкость подается из резервуара под давлением, поэтому при открытии сопла давление воздуха достаточно, чтобы вытолкнуть каплю. Преимущество заключается в том, что он может выдавливать большие капли чернил для обеспечения высокого покрытия, что позволяет использовать более функциональные чернила с крупными частицами и высокой вязкостью, превышающей 100 сП.
В будущем растет интерес к использованию струйной печати в промышленных приложениях, включая 3D-печать. Это означает увеличение рыночного потенциала для производителей печатающих головок, что оправдывает проведение дополнительных исследований и разработок, которые в конечном итоге приведут к расширению выбора печатающих головок, с которыми смогут работать OEM-производители принтеров.