Den ultimata guiden för skrivarhuvudsteknik

Simon Eccles tar reda på mer om bläckstråleskrivhuvuden och tittar på nästa generation som skapar vågor i tryckeribranschen.

Drop-on-demand, kontinuerlig bläckstråleskrivare, piezoelektrisk, termisk, solid, binär, gråskala. Det är alla termer som lättvindigt används för att beskriva bläckstråleskrivare, och särskilt deras skrivhuvudtyper.

Om du vet vad de betyder kan du med hjälp av dessa termer ganska väl förutse vad skrivaren är avsedd för och hur den kommer att fungera. Om du inte gör det är det sällan någon stannar upp och förklarar dem.

Så det är här vi stannar upp och förklarar dem. Vissa av termerna beskriver den grundläggande utformningen av skrivhuvuden, andra beskriver vad de gör eller hur de fungerar. Vissa kan användas för en mer exakt förklaring, t.ex. ett piezo-gråskalehuvud, medan andra utesluter varandra – det går inte att ha ett binärt gråskalehuvud.

Detta är alltså FESPA:s jargonglösande guide till skrivarhuvuden för bläckstråleskrivare. Vi börjar med vad är egentligen ett skrivhuvud?

Den komponent i en bläckstråleskrivare som projicerar droppar av bläck på mediet. Det här är en enhet med mycket hög precision och tillverkningen av den kräver mycket immateriella rättigheter (know-how) och stora investeringar i renrumsfabriker. Moderna skrivhuvuden använder ofta tillverkningstekniker (t.ex. tunnfilmskisel MEMS) som har mycket gemensamt med tillverkning av mikrochip.

I ett typiskt skrivhuvud finns drivelektronik, bläckmatningsanordningar och minst en och vanligtvis hundratals bläckkammare som leder till munstycken, som är hål i munstycksplattan.

Bläckinmatningskanalerna är bara några tiotals mikrometer breda och munstyckena är vanligtvis 20-50 mikrometer. Ett mänskligt hårstrå är cirka 80 mikrometer stort.

De flesta skrivhuvuden som används inom skyltning och andra grafiska tillämpningar har hundratals munstycken som styrs individuellt för att generera och projicera droppar (se även ”Droppar på begäran”). För att generera vad som kan vara miljontals droppar i en passage av huvudet och se till att de träffar mediet på rätt plats krävs mycket avancerad elektronik.

Vissa bläckstråleskrivare har ett enda munstycke och projicerar en kontinuerlig ström av droppar, som avleds mot eller bort från mediet med hjälp av antingen elektrostatiska plattor eller luftstötar. Dessa används ofta i kodnings- och märkningssystem snarare än i grafik. Se Kontinuerlig bläckstråle.

Även om det finns hundratals skrivartillverkare över hela världen, köper de alla sina skrivhuvuden från ett relativt litet antal specialiserade tillverkare och integrerar dem sedan i själva skrivarna med en kombination av fästen, elektronik, bläckmatning, firmware och drivrutinsprogram.

Endast ett fåtal tillverkare av storformatsskrivare har egna fabriker för tillverkning av skrivhuvuden, däribland Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (genom dotterbolaget Fujifilm Dimatix), HP och Xerox.

Alla de andra köper in huvuden eller driver samriskföretag med skrivartillverkare. De flesta av de tillverkare som nämns ovan levererar huvuden till andra tillverkare på OEM-basis (även om de ibland behåller de senaste modellerna för sig själva). Andra tillverkare av skrivhuvuden är Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC och Xaar.

Drop-on-demand (DoD)

Det här är en allmän term för den typ av skrivhuvud som oftast finns i moderna bläckstråleskrivare som används för högkvalitativ grafik, inklusive alla storformatsskrivare som du ser på FESPA-mässor och på den här webbplatsen.

Drop-on-demand innebär att bläckstrålemunstycken genererar och projicerar bläckdroppar när och där de behövs för att skapa en markering på mediet. Termen myntades främst för att kontrastera mot de tidigare huvudena av typen med kontinuerligt flöde (se kontinuerligt flöde nedan).

Drop-on-demand-huvuden delas vidare in i termiska eller piezoelektriska typer – se nedan.

Ett bläckstråleskrivhuvud som projicerar en kontinuerlig ström av droppar under hela tiden som skrivaren är igång. Normalt finns det bara ett munstycke per huvud, men en rad olika huvuden kan användas för att bygga upp en bredare utskriftsväg.

Strömmen avleds mot eller från mediet antingen av laddade metallplattor med ett elektrostatiskt fält eller (i Kodaks fall) av exakt tidsbestämda luftstötar. Oönskat bläck samlas upp i en uppsamlingsränna och kan filtreras och återföras till lagringstanken.

Idag används dessa huvuden oftast i kodnings- och märkningssystem snarare än i sofistikerade grafikskrivare.

Undantaget är Kodak Prosper-familjen av skrivhuvuden som använder en högt utvecklad kontinuerlig bläckstråleteknik kallad Stream, vilket ger mycket hög bildkvalitet. För närvarande används inte Prosper och Stream i några särskilda skrivare för skyltar och displayer.

Dessa var den första typen av drop-on-demand skrivhuvuden och användes i de första stationära bläckstråleskrivare i början av 1980-talet. Termiska skrivhuvuden är effektiva och kan ge mycket hög bildkvalitet och hastigheter som konkurrerar med piezoelektriska huvuden, men till skillnad från piezo fungerar de bara med vattenbaserat bläck och är därför normalt begränsade till inomhusapplikationer.

HP:s latexbläck är ett undantag: de fungerar med HP:s termohuvuden. Anledningen är att de har en värmeaktiverad polymer i en vattensuspension som är bra för utomhusbruk.

Värmetekniken uppfanns oberoende av varandra och samtidigt på 1970-talet av Printhead Technolo i Japan och Hewlett-Packard i USA, som bestämde sig för att slå samman sina patent i stället för att bekämpa varandra.

Principen är att ett element inuti en bläckkammare i skrivhuvudet snabbt värms upp till den punkt där det flytande bläcket förångas och bildar en gasbubbla, som expanderar och pressar ut en bläckdroppe ur ett hål (munstycket) i ena änden av kammaren.

Värmeelementet stängs sedan av, så att gasbubblan kyls, kondenserar och drar ihop sig. Ytspänningen vid munstycket förhindrar att luft sugs in baklänges, så i stället sugs mer flytande bläck in i kammaren från matningsrören. Canon, som är meduppfinnare av termohuvudena, myntade termen Bubble jet på grund av hur de fungerar.

Hittills har det inte funnits några termohuvuden med äkta gråskala, utan alla är binära, vilket innebär att dropparna alltid är lika stora. HP har dock utvecklat parade munstycken i olika storlekar som i viss mån bidrar till en gråskaleeffekt.

De termiska påfrestningarna sliter snabbt på huvudena, så huvudena är konstruerade som förbrukningsartiklar, vilket innebär att de enkelt och billigt kan bytas ut efter några tiotals eller hundratals driftstimmar.

Ofta bara kallade piezo-huvuden. Dessa drop-on-demand-huvuden började dyka upp i tidiga storformatsskrivare på 1990-talet och revolutionerade sektorn. För första gången innebar det att lösningsmedels- och UV-härdande bläck som ursprungligen förknippades med screentryck nu kunde tryckas digitalt.

Piezo-huvuden bygger alla på principen att en viss typ av kristall (ofta blyzirkonattitanat i bläckstråleskrivare, förkortat PZT) expanderar eller drar ihop sig när en elektrisk ström leds genom den och stängs av igen. Denna expansion/kontraktion används som grund för en pump i bläckkammaren.

Beroende på kristallernas konfiguration (så kallade ”bend”- eller ”shear”-lägen) kan en tvåvägsexpansion antingen suga in bläck och sedan tvinga ut det ur kammaren via munstycket (Epson använder detta), eller skapa akustiska tryckvågor som har samma effekt men med mindre energi (Xaar använder detta).

Den elektriska strömmen kan slås på och av mycket snabbt och kristallens expansion/kontraktion är också nästan ögonblicklig, så det finns mycket större möjligheter att styra punktbildningen än med termiska huvuden.

Detta innebär bland annat att vissa piezohuvuden kan generera droppar av varierande storlek från samma kammare och munstycke, vilket ger olika bläckdensiteter på mediet. Dessa huvuden kallas gråskalehuvuden (se nedan).

Den piezoelektriska effekten fungerar med i stort sett alla vätskor, så piezoskrivhuvuden kan byggas för att hantera lösningsmedelsbaserade bläck, UV-härdade bläck (inklusive vissa som används för 3D-utskrifter) och vattenhaltiga bläck. De kan också användas för utmanande vätskor som elektriskt ledande bläck, opaka vita och metalliska bläck med stora partiklar, bläck för 3D-utskrifter och fasändringsbläck som är en vätska när de når bläckkammaren.

Piezoskrivhuvuden håller mycket längre än termiska huvuden eftersom den termiska belastningen är mindre och piezokristallerna kan expandera/kontraheras miljontals gånger. Ett piezohuvud är normalt avsett att hålla under hela maskinens livslängd, så länge det inte finns någon dödlig blockering eller yttre skada. Men de kostar också betydligt mer att tillverka och köpa än termiska huvuden, så användarna måste anstränga sig mer för att underhålla dem.

Dessa termer anger om skrivarhuvudena har samma storlek eller om de kan varieras på något sätt så att densiteten hos det bläck som når mediet kan styras med ljusare nyanser. I kombination med halvtonstekniker kan gråskalan avsevärt utöka tonområdet för en bläckstråle samtidigt som relativt blygsamma munstyckshöjder eller färre passeringar kan användas.

Piezoskrivhuvuden var ursprungligen alltid binära, vilket innebär att de bara genererade bläckdroppar som alla var lika stora. Du kan få ett bra utbud av toner från ett binärt huvud genom att använda halvtonstekniker, men högdagrar kan se lite korniga ut om du inte använder ultrafina munstycken (och/eller lägger till extra, ljusare färg).

Typiska binära droppstorlekar är från 30 till 100 pikoliter. Det går att få fram mindre droppar för finare resultat, men det innebär att det krävs fler passeringar för att bygga upp tätheten i fasta områden i utskriften, vilket gör att utskriften går långsammare.

Gråskalehuvuden kan variera densiteten hos de enskilda tryckta punkterna, vilket innebär att en droppe kan visa allt från 30% eller 50% till 100% färg. Fördelen är att man med lägre upplösning och färre huvudpassager kan uppnå samma ”effektiva upplösning” som med binära huvuden med mycket högre inbyggd upplösning.

Till exempel sägs en upplösning på 360 dpi med ett gråskalehuvud ge samma effekt som 1.000 dpi binärt, vilket är så bra som du normalt någonsin behöver för fotografier och blandningar även för närbilder.

Piezo-huvuden varierar droppstorleken med flera olika metoder, vanligtvis beroende på den enskilda tillverkaren och vilka patent den har eller vill undvika att göra intrång på. Beroende på de exakta metoderna kan det finnas mellan tre och fem droppstorlekar tillgängliga.

Den minsta storleken på de finaste skrivhuvudena (som ofta används för fotografering) är mindre än 2 pikoliter.) För skyltskrivare är storlekar på 10 till 20 pikoliter vanligare för de minsta dropparna, eftersom hastighet och täckning är viktigare än närbildskvalitet.

Termisk gråskala

Verkligt varierande droppstorlekar är hittills bara möjligt med piezohuvuden. HP har dock utvecklat en form av gråskala för sina termiska PageWide-huvuden, som kallas High Definition Nozzle Architecture. Hittills används detta endast på de stora T-seriens bläckstråleskrivare för kommersiellt tryck, och inte på PageWide XL-modellerna i storformat som hittills främst har använts för CAD- och planeringsarbete.

Även om dropparna alltid är lika stora från varje munstycke, parar den ihop ett stort och ett litet munstycke mycket nära varandra i skrivhuvudet och behandlar dem som ett enda avbildningselement. Sedan tar den två par munstycken och styr dem som ett enda bildelement för gråskaleändamål.

Genom att avfyra olika kombinationer av två små och två stora munstycken kan fem gråtoner uppnås (egentligen är det vitt plus fyra nivåer). HDNA-munstyckenas delning är 2.400 dpi, vilket innebär att munstyckena har en ursprunglig upplösning på 1.200 dpi och gråskalorna 600 dpi.

Ytterligare densitetskontroll är möjlig genom att använda olika bläckfärger i de stora och små munstyckena (t.ex. cyan och ljus cyan). Munstyckena kan också styras separat för högre hastigheter eller upplösningar, med färre gråtoner.

Detta är en beskrivning av munstyckshöjden, dvs. det faktiska antalet bläckdroppar som ett skrivhuvud kan producera över en given yta. Branschen anger normalt dessa som punkter per tum, snarare än ett metriskt mått. Så om ett skrivhuvud är 38 mm (1,5 tum) brett och har 540 munstycken över hela bredden är den inbyggda upplösningen 360 dpi.

Många bläckstråleskrivare för storformat bygger upp bilder i en serie överlappande passeringar, så det kan finnas många fler droppar per tum på mediet än vad den ursprungliga upplösningen kan ge. Ju högre dpi, desto mer kan den slutliga utskriften se ut som ett fotografi med kontinuerlig ton.

Gråskalahuvuden gör det möjligt att skapa en rad olika punkttätheter, vilket ger ett större tonintervall jämfört med ett binärt huvud med samma munstycksavstånd. vilket i sin tur ger en bättre simulering av kontinuerlig ton.

Det är därför vanligt att tillverkare av gråskaleprinters talar om ”likvärdiga” upplösningar, vilket till exempel innebär att ett gråskalehuvud på 360 dpi kan ge en upplevd kvalitet som motsvarar ett binärt huvud på 1 000 dpi.

Det finns också skrivhuvuden med mycket hög inbyggd upplösning, t. ex. Epsons Micro Piezo PrecisionCore TFT-huvuden (som används på SureColor-skrivarna) har en inbyggd upplösning på 600 dpi och fem droppstorlekar från 1,5 till 23 pikoliter.

HP:s PageWide HDNA, som nämns ovan, har en munstycksdelning på 2.400 dpi genom omväxlande stora och små munstycken, men eftersom de styrs som par kan den ursprungliga upplösningen anses vara 1.200 dpi.

Branschfolk som vill lära sig mer om HP- och Epson-kit och de fördelar de kan erbjuda sina företag kan tala med experter från företagen på FESPA 2017, som pågår 8-12 maj på Hamburg Messe i Tyskland.

HP och Epson är två av de över 700 varumärken som kommer att vara representerade på evenemanget, som förväntas locka ett rekordstort antal besökare.

För att få reda på mer om FESPA 2017besök: https://www.fespa2017.com. Besökare kan få gratis inträde till utställningen genom att registrera sig online och ange referenskod: FESG702.