Bläckstråleskrivhuvuden sprutar vätskor med hög precision och hanterar olika typer av bläck och viskositeter. De viktigaste teknikerna är piezoelektrisk (med PZT-material) och termisk inkjet (bläck värms upp till ånga). Det finns också kontinuerlig inkjet för höga hastigheter och valvejet för stora droppar. Branschen ser mer FoU, drivet av nya industri- och 3D-printingapplikationer.
Bläckstråleskrivhuvuden är kärnan i den digitala revolutionen och i varje bläckstråleskrivare, så det är alltid bra att förstå hur dessa enheter fungerar. Syftet med ett skrivhuvud är helt enkelt att placera små droppar av en viss vätska när det behövs på ett substrat. Det kan vara ett bläck för en grafisk applikation eller en funktionell vätska, t.ex. en beläggning, för industriellt bruk, och de flesta huvuden är utformade för att passa många olika applikationer. Den viktigaste egenskapen är noggrannheten när det gäller att placera dropparna exakt där de behövs, vilket blir en större utmaning vid högre utskriftshastigheter.
Skrivhuvudet måste kunna hantera egenskaperna hos en rad olika vätskor eller bläck. Många av de vanligaste huvudena som används idag är konstruerade för UV-härdande bläck, men andra vätskor kan vara baserade på lösningsmedel, vatten eller olja. Den stadiga ökningen av textiltryck och kommersiellt tryck med enstaka bilder har lett till en ökad efterfrågan på skrivarhuvuden som kan hantera vattenbaserade färger. Huvudet och alla tillhörande vätskehanteringssystem måste vara härdade för att motstå alla kemikalier som finns i dessa vätskor, t.ex. lösningsmedel som kan fräta bort materialet i huvudet eller vatten som kan orsaka kortslutning i den interna elektroniken.
OEM-tillverkarna vill i allt högre grad öka funktionaliteten i sina vätskor, vilket huvudtillverkarna måste hålla jämna steg med. På många grafiska marknader finns det en tydlig trend mot bläck med högre pigmenthalt, vilket bör leda till lägre bläckförbrukning. Sådana bläck har i allmänhet en högre viskositet som gör dem svårare att spruta, men det finns många sätt att komma runt detta, t.ex. genom att värma upp bläcket för att sänka viskositeten. De flesta skrivhuvuden är dock begränsade till att hantera viskositet upp till 10 eller 20 cP, även om vissa Xaar-skrivhuvuden kan hantera vätskor med en viskositet på upp till 100 cP.
Vissa skrivhuvuden kan recirkulera bläcket i huvudet för att förhindra att partiklar i bläcket sedimenterar och för att eliminera blockeringar runt munstyckena. Detta är användbart för vissa bläck, t.ex. vitt som innehåller stora partiklar, samt för industriella användningsområden där det kan finnas mycket damm och smuts i atmosfären. Recirkulation kan också bidra till att bibehålla temperaturen på bläcket, eftersom det cirkulerar förbi en värmare.
De allra flesta storformatsskrivare använder piezoelektriska skrivhuvuden med drop on demand. Dessa bygger på ett naturligt förekommande fenomen där en elektrisk laddning kan få vissa material att ändra form. De flesta av dessa skrivhuvuden har ställdon som är byggda av blyzirkonattitanat, eller PZT, på grund av dess mycket effektiva piezoelektriska egenskaper när det gäller att ändra form för att tvinga bläcket från bläckkamrarna genom munstyckena.
Dessa piezoelektriska skrivhuvuden kan delas upp i två klasser. Den kanske vanligaste typen är bulk-piezo, där man använder ett block av piezoelektriskt material. Ett bra exempel på detta är det monolitiska blockställdonet som utvecklats av Kyocera. Namnet Kyocera kommer från Kyoto Ceramics, och företaget har använt sin expertis inom keramik för att skapa ett tätt polykristallint keramiskt ställdon med tunna piezoelektriska keramiska substrat. Resultatet är en mycket tunn piezoelektrisk ställdonsplatta som är 116 mm lång och 34 mm bred med ett djup på bara 0,04 mm, och som sitter ovanför bläckkamrarna i skrivhuvudet. Genom att exakt styra spänningen som appliceras på detta ställdon, genom vågformen och drivelektroniken, kan Kyocera subtilt styra ställdonets form för att mata ut bläcket från var och en av bläckkamrarna. Många andra skrivhuvuden är också baserade på sina egna variationer av bulk piezo-metoden, inklusive Ricoh MH5320 Gen6, Fujifilm Dimatix Starfire och de flesta av Xaars skrivhuvuden.
Den alternativa piezoelektriska metoden är MicroElectrical Mechanical Systems eller MEMs, där halvledarteknik används för att konstruera ställdonet. I teorin ger detta möjlighet till större komplexitet och precision. Det finns två huvudmetoder för att lägga till PZT i ställdonen, där Fujifilm Dimatix föredrar Sputtered PZT och Ricoh och andra använder Sol-Gel, men båda resulterar i en mycket tunn film av PZT. Kislet byggs upp ett lager i taget och med hjälp av fotolitografi görs mönster i dessa lager för att skapa kanaler för de elektroniska kretsarna och vätskestyrningen. Typiska exempel är Fujifilm Dimatix Samba, Epson PrecisionCore och Ricoh TH5241.
En annan vanlig typ av skrivhuvud är termisk inkjet, eller TIJ, där bläcket värms upp tills det bildar en ångbubbla som tvingar droppen ut ur munstycket. Detta fungerar endast med vattenbaserade bläck, t.ex. latex- eller resinbläck, och används främst av HP och Memjet i storformatsapplikationer. HP säljer även termiska skrivhuvuden till andra OEM-tillverkare, främst för användning i kodnings- och märkningsapplikationer samt för viss grafisk förpackningstryckning. Termiska skrivhuvuden har i allmänhet en relativt kort livslängd och betraktas som förbrukningsartiklar. Både HP och Memjet har dock lyckats förlänga livslängden på sina termiska huvuden under senare år. Canon har också TIJ-teknik, men har främst koncentrerat sig på stationära skrivare. Canon har dock nyligen utvecklat TIJ-skrivhuvuden för en kommersiell produktionspress och är på väg att lansera en industriell etikettpress med termiska skrivhuvuden.
Sedan finns det kontinuerlig bläckstråle eller CIJ. Detta är inte relevant för storformatstryck men används ofta för kodnings- och märkningsapplikationer. Det är också grunden bakom Kodaks UltraStream-skrivhuvuden, som används för den kommersiella höghastighetspressen Ultra 520, samt för att lägga till digital kapacitet i rulloffsetpressar. Principen är att bläckdropparna avfyras i en kontinuerlig ström som möjliggör mycket hög hastighet. De flesta av bläckdropparna leds bort för att återanvändas, så att endast de droppar som behövs verkligen landar på substratet.
Slutligen är det också värt att notera att det finns vissa användningsområden för ValveJet-skrivhuvuden på den grafiska marknaden. Ricoh visade till exempel en applikation för personlig däcktryckning på Fespa Global-mässan i Berlin nyligen, där man använde valvejets med ett munstycke för varje färg. Principerna bakom ventiljetmetoden är ganska enkla. Det finns ett hål i ena änden av vätskekammaren, som stängs av med en ventil. Ricoh använder ett piezo-ställdon för att öppna och stänga ventilen. Vätskan tillförs från en trycksatt tank, så när munstycket öppnas är lufttrycket tillräckligt för att tvinga ut droppen. Fördelen är att man kan spruta ut stora bläckdroppar för hög täckning, vilket möjliggör mer funktionella bläck med större partiklar och med hög viskositet över 100cP-området.
Framöver finns det ett växande intresse för att använda bläckstråleskrivare för industriella tillämpningar, inklusive 3D-utskrifter. Det innebär en större marknadspotential för skrivarhuvudstillverkarna, vilket motiverar mer FoU som i slutändan kommer att leda till ett större urval av skrivarhuvuden som OEM-tillverkarna kan arbeta med.