Полное руководство по технологиям печатающих головок

Саймон Экклз узнает больше о струйных печатающих головках и посмотрит на новое поколение, создающее волны в индустрии печати.

Капля по требованию, непрерывная струйная печать, пьезоэлектрическая, термическая, сплошная, бинарная, серошкальная. Все эти термины легкомысленно используются при описании струйных принтеров и, в частности, их типов печатающих головок.

Если Вы знаете, что они означают, то эти термины позволят Вам довольно точно предсказать, для чего нужен принтер и как он будет работать. Если Вы не знаете, то редко кто останавливается и объясняет их.

Поэтому здесь мы остановимся и объясним их. Некоторые из терминов описывают фундаментальную конструкцию печатающих головок, другие — то, что они делают или как они работают. Некоторые из них могут удваиваться для более точного объяснения, например, пьезопечатающая головка, другие являются взаимоисключающими — у Вас не может быть двоичной печатающей головки.

Итак, это руководство FESPA по струйным печатающим головкам с использованием жаргона. Начнем с того, что такое печатающая головка?

Компонент струйного принтера, который проецирует капли чернил на носитель. Это очень высокоточное устройство, и его производство предполагает использование большого количества интеллектуальной собственности (ноу-хау) и значительных инвестиций в фабрики с чистыми помещениями. В современных печатающих головках часто используются технологии производства (например, тонкопленочный кремний MEMS), которые имеют много общего с производством микрочипов.

Внутри типичной печатающей головки находится электроника драйвера, приспособления для подачи чернил и как минимум одна, а обычно сотни чернильных камер, ведущих к соплам, которые представляют собой отверстия в сопловой пластине.

Входные каналы для чернил имеют размер всего несколько десятков микрон, а сопла обычно 20-50 микрон. Человеческий волос имеет размер около 80 микрон в поперечнике.

Большинство печатающих головок, используемых в производстве вывесок и других графических приложений, имеют сотни сопел, которые управляются индивидуально для создания и проецирования капель (см. также «Капля по требованию»). Генерирование миллионов капель за один проход головки и обеспечение их попадания на носитель в нужном месте требует очень совершенной электроники.

Некоторые струйные принтеры имеют одно сопло и выдают непрерывный поток капель, которые отклоняются в сторону или от носителя с помощью электростатических пластин или воздушных струй. Такие принтеры, как правило, используются в системах кодирования и маркировки, а не в графике. См. раздел «Непрерывная струйная печать».

Хотя в мире существуют сотни производителей принтеров, все они получают печатающие головки от относительно небольшого числа специализированных производителей, а затем интегрируют их в сами принтеры с помощью комбинации креплений, электроники, устройств подачи чернил, встроенного программного обеспечения и драйверов.

Лишь немногие производители широкоформатных принтеров имеют собственные заводы по производству печатающих головок, включая Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (хотя ее дочерняя компания Fujifilm Dimatix), HP и Xerox.

Все остальные покупают головки или работают на совместных предприятиях с производителями принтеров. Большинство производителей, упомянутых выше, поставляют головки другим производителям на условиях OEM (хотя иногда они оставляют новейшие модели себе). Среди других производителей головок — Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC и Xaar.

Капля по требованию (DoD)

Это общий термин для обозначения типа печатающей головки, которая обычно встречается в современных струйных принтерах, используемых для высококачественной графики, включая все широкоформатные принтеры, которые Вы увидите на выставках FESPA и на этом сайте.

Капля по требованию означает, что струйные сопла генерируют и проецируют капли чернил тогда и там, где это необходимо для создания метки на носителе. Этот термин был придуман в основном для контраста с более ранними головками непрерывного потока (см. непрерывный поток ниже).

Головки по требованию также подразделяются на термические или пьезоэлектрические — см. ниже.

Струйная печатающая головка, которая выдает непрерывный поток капель в течение всего времени работы принтера. Обычно на одну головку приходится только одно сопло, но для создания более широкой полосы печати можно использовать массив головок.

Поток отклоняется в сторону или от носителя либо заряженными металлическими пластинами с электростатическим полем, либо (в случае с Kodak) точно рассчитанными по времени струями воздуха. Нежелательные чернила собираются в желоб, могут быть отфильтрованы и возвращены в резервуар.

Сегодня эти головки обычно можно встретить в системах кодирования и маркировки, а не в сложных графических принтерах.

Исключение составляют печатающие головки семейства Kodak Prosper, в которых используется высокоразвитая технология непрерывной струйной печати Stream, обеспечивающая очень высокое качество изображения. В настоящее время Prosper и Stream не используются в специализированных принтерах для печати вывесок и дисплеев.

Они были первым типом печатающих головок с каплевидным механизмом печати и использовались в первых настольных струйных принтерах в начале 1980-х годов. Термические печатающие головки эффективны и могут обеспечить очень высокое качество изображения и скорость, конкурирующую с пьезоэлектрическими головками, но в отличие от пьезо они работают только с чернилами на водной основе, поэтому обычно применяются только внутри помещений.

Латексные чернила HP — исключение: они работают с термоголовками HP. Причина в том, что они содержат термоактивируемый полимер в водной суспензии, которая подходит для использования вне помещений.

Технология термопечати была изобретена независимо и одновременно в 1970-х годах компаниями printhead technolo в Японии и Hewlett-Packard в США, которые решили объединить свои патенты, а не бороться друг с другом.

Принцип работы заключается в том, что элемент внутри чернильной камеры в печатающей головке быстро нагревается до такой степени, что жидкие чернила испаряются и образуют пузырек газа, который расширяется и выталкивает каплю чернил из отверстия (сопла) на одном конце камеры.

Затем нагревательный элемент выключается, поэтому газовый пузырек охлаждается, конденсируется и сжимается. Поверхностное натяжение в сопле не позволяет воздуху втягиваться обратно, поэтому вместо этого в камеру из подающих трубок всасывается больше жидких чернил. Компания Canon, совместный изобретатель термоголовки, придумала термин Bubble jet из-за того, как они работают.

До сих пор не существует настоящих термоголовок с эффектом серого, поэтому все они бинарные, то есть капли всегда одинакового размера. Однако компания HP разработала парные сопла разного размера, которые в некоторой степени способствуют созданию эффекта «серой шкалы».

Тепловые нагрузки быстро изнашивают головки, поэтому головки проектируются как расходные материалы, чтобы их можно было легко и дешево заменить через несколько десятков или сотен часов работы.

Часто их называют просто пьезоголовками. Эти головки, работающие по принципу «капля по требованию», начали появляться в первых широкоформатных принтерах в 1990-х годах и произвели революцию в этой области. Впервые это означало, что сольвентные и УФ-отверждаемые краски, которые изначально ассоциировались с трафаретной печатью, теперь можно было печатать цифровым способом.

Пьезоголовки основаны на принципе, согласно которому определенный тип кристаллов (в струйных принтерах часто используется цирконат-титанат свинца, обозначаемый как PZT) расширяется или сжимается, когда через него пропускают электрический ток и снова выключают. Это расширение/сжатие используется в качестве основы для насоса в чернильной камере.

В зависимости от конфигурации кристаллов (называемых в режимах «изгиб» или «сдвиг»), двустороннее расширение либо втягивает чернила и затем вытесняет их из камеры через сопло (так делает Epson), либо создает акустические волны давления, которые оказывают тот же эффект, но с меньшей энергией (так делает Xaar).

Электрический ток можно включать и выключать очень быстро, а расширение/сокращение кристалла происходит также практически мгновенно, поэтому возможности для управления формированием точек гораздо шире, чем при использовании термоголовки.

Кроме всего прочего, это означает, что некоторые пьезоголовки могут генерировать капли разного размера из одной и той же камеры и сопла, обеспечивая разную плотность чернил на носителе. Такие головки называются «серошкальными» (см. ниже).

Пьезоэлектрический эффект работает практически с любой жидкостью, поэтому пьезопечатающие головки могут быть созданы для работы с чернилами на основе растворителей, УФ-отверждаемыми чернилами (включая некоторые, используемые для 3D-печати) и водными чернилами. Их также можно использовать для работы с такими сложными жидкостями, как электропроводящие чернила, крупные частицы непрозрачных белых и металлических чернил, чернила для 3D-печати и фазово-изменчивые чернила, которые превращаются в жидкость, когда попадают в чернильную камеру.

Пьезопечатающие головки служат гораздо дольше, чем термоголовки, поскольку тепловое напряжение меньше, а пьезокристаллы могут расширяться/сокращаться миллионы раз. Пьезоголовка обычно рассчитана на весь срок службы машины при условии, что не произойдет фатального засорения или внешнего повреждения. Однако их производство и покупка обходятся значительно дороже, чем приобретение термоголовки, поэтому пользователям приходится прилагать больше усилий для их обслуживания.

Эти термины указывают на то, все ли капли печатающей головки имеют одинаковый размер или их можно как-то варьировать, чтобы контролировать плотность чернил, попадающих на носитель, с помощью более светлых оттенков. В сочетании с техникой полутонирования оттенки серого могут значительно расширить тональный диапазон струйной печати, позволяя при этом использовать относительно скромный шаг сопел или меньшее количество проходов.

Изначально пьезопечатающие головки всегда были бинарными, то есть они генерировали только капли чернил одинакового размера. С помощью бинарной головки можно получить хороший диапазон тонов, используя технику полутонов, но светлые тона могут выглядеть немного зернистыми, если Вы не используете сверхтонкий шаг дюз (и/или не добавляете дополнительные, более светлые чернила).

Типичный размер двоичных капель составляет от 30 до 100 пиколитров. Можно получить более мелкие капли для достижения более тонких результатов, но это означает, что необходимо больше проходов для создания плотности твердых областей на отпечатке, поэтому печать идет медленнее.

Головки серого цвета могут варьировать плотность отдельных печатных точек, поэтому капля может отображать от 30% или 50% до 100% цвета. Преимущество заключается в том, что при более низком разрешении и меньшем количестве проходов головки можно добиться такого же «эффективного разрешения», как и у двоичных головок с гораздо более высоким собственным разрешением.

Например, разрешение 360 точек на дюйм с головкой серого цвета дает тот же эффект, что и двоичное изображение с разрешением 1 000 точек на дюйм. Это настолько хорошо, насколько Вам обычно нужно для фотографий и смешивания даже для просмотра крупным планом.

Пьезоголовки изменяют размер точек несколькими различными методами, обычно в зависимости от конкретного производителя и патентов, которые он имеет или хочет избежать нарушения. В зависимости от точных методов может быть доступно от трех до нескольких размеров капель.

Наименьший размер капель на самых тонких печатающих головках (часто используемых для печати фотографий) составляет менее 2 пиколитров.) Для принтеров, печатающих вывески, чаще всего используются размеры от 10 до 20 пиколитров для самых мелких капель, поскольку скорость и охват важнее, чем качество изображения вблизи.

Термическая шкала серого цвета

Настоящая переменная величина капель пока возможна только с пьезоголовками. Однако компания HP разработала форму серой шкалы для своих термических головок PageWide, названную High Definition Nozzle Architecture. Пока что она используется только в огромных струйных рулонных печатных машинах серии T для коммерческой печати, но не в широкоформатных однопроходных моделях PageWide XL, которые пока что используются в основном для работы с CAD и чертежами.

Хотя капли из каждого сопла всегда одинакового размера, в печатающей головке большое и маленькое сопла расположены очень близко друг к другу и рассматриваются как один элемент формирования изображения. Затем он берет две пары сопел и управляет ими как одним элементом формирования изображения для получения оттенков серого.

Применяя различные комбинации двух маленьких и двух больших сопел, можно получить пять уровней серого (на самом деле это белый плюс четыре уровня). Шаг сопел HDNA составляет 2 400 dpi, поэтому пары сопел имеют собственное разрешение 1 200 dpi, а наборы серых оттенков — 600 dpi.

Дополнительный контроль плотности возможен при использовании разных цветов чернил в больших и малых соплах (например, циан и светло-циан). Наборы сопел также могут управляться отдельно для более высоких скоростей или разрешений, с меньшим количеством уровней серого.

Это описание шага дюз, то есть фактического количества чернильных капель, которые печатающая головка может произвести на заданной площади. В промышленности обычно указывается количество точек на дюйм, а не метрическая мера. Так, если печатающая головка имеет ширину 1,5 дюйма (38 мм) и 540 сопел по всей ширине, то ее собственное разрешение составляет 360 точек на дюйм.

Многие широкоформатные струйные аппараты формируют изображение в несколько проходов, поэтому на носителе может быть гораздо больше капель на дюйм, чем может дать только собственное разрешение. Чем выше dpi, тем больше конечный отпечаток может быть похож на фотографию с непрерывным тоном.

Головки с серой шкалой позволяют создавать различные плотности точек, обеспечивая больший тональный диапазон по сравнению с бинарной головкой с тем же шагом сопла, что, в свою очередь, позволяет лучше имитировать непрерывный тон.

Поэтому производители принтеров для печати в оттенках серого обычно говорят об «эквивалентном» разрешении, имея в виду, например, что головка для печати в оттенках серого с разрешением 360 dpi может давать качество, эквивалентное качеству головки для печати в двоичном режиме с разрешением 1 000 dpi.

Существуют печатающие головки и с очень высоким собственным разрешением, например, головки Micro Piezo PrecisionCore TFT от Epson (используемые в принтерах SureColor) имеют собственное разрешение 600 dpi и пять размеров капли от 1,5 до 23 пиколитров.

Упомянутый выше принтер HP PageWide HDNA имеет шаг сопел 2 400 dpi за счет чередования больших и маленьких сопел, но поскольку они управляются парами, то собственное разрешение можно считать равным 1 200 dpi.

Представители отрасли, желающие узнать больше о комплектах HP и Epson и преимуществах, которые они могут предложить их бизнесу, могут пообщаться с экспертами компаний на выставке FESPA 2017, которая пройдет с 8 по 12 мая в выставочном центре Hamburg Messe в Германии.

HP и Epson будут двумя из более чем 700 брендов, которые будут представлены на мероприятии, которое, как ожидается, привлечет рекордное количество посетителей.

Чтобы узнать больше о FESPA 2017, посетите: https://www.fespa2017.com. Посетители могут получить бесплатный вход на выставку, зарегистрировавшись онлайн и указав код ссылки: FESG702.