Струменеві принтери.
Хоча розмови про "безпаперовій" технології ведуться вже досить давно,
нормальну роботу з комп'ютером поки що важко уявити без використання
друкуючого пристрою. Не будемо, навіть коротко, викладати історію його розвитку.
Обмежимося констатацією того факту, що в даний час весь безмежний світ
принтерів розділився на кілька стійких груп, кожна з яких відрізняється
способом перенесення на папір.
Методу струменевого друку вже майже сто років. Поява нових друкуючих головок
стає передумовою для подальшого процвітання ринку струменевих принтерів.
З чого все починалося.
Хоча лорд Рейлі, лауреат Нобелівської премії з фізики, зробив свої
фундаментальні відкриття в області розпаду струменів рідини і формування крапель
ще в минулому столітті, датою народження технології струменевого друку можна вважати
тільки 1948 рік. Саме тоді шведська фірма Siemens Elema подала патентну
заявку на пристрій, що працює як гальванометр, але обладнання не
вимірювальної стрілкою, а розпилювачем, за допомогою якого регісртіровалісь
результати вимірів.
І навіть тепер, майже через півстоліття, ця генально проста система друку
застосовується, наприклад, в медичних приладах. Правда, рідинний осцилограф
здатний друкувати лише криві, а не тексти іграфікі. Етаеффектівная схемабила
вдосконалена, і з'явився новий струменевий принтер, що функціонує за
принципом непріривного розпилення барвника або друку під високим тиском.
Розробникам методу струменевого друку мали вирішити дві проблеми.
По-перше, струмінь барвника повинна була розпадатися на мікроскопіческіекапелькі
певного розміру, і, по-друге більша частина крапель взагалі не должма
потрапляти на папір. (Якщо, наприклад, роздруковується текст, то площа
покритихкрасітелем ділянок становить лише 2-5 відсотків загальної поверхні.)
Розробники скористалися закономірністю, виявленої лордом Рейлі: струмінь
жідкостсі прагне розпастися на окремі краплі. Потрібно тільки трохи підправити
випадковий процес розпаду струменя, накладаючи за допомогою п'єзоелектричного
перетворення на струмінь барвника, що викидаються під високим тиском (до 90
бар), високочастотні коливання тиску.
Таким способом може викидатися до міліона крапель в секунду. Їх розміри
залежать від геометричної форми сопел-розпилювачів і складають всього лише
кілька мікрон, а швидкість, з якою вони долітають до паперу, досягає 40
м/с. Мова йде про струменевих принтерах, які працюють за вищезгаданим принципам
безперервного розпилення барвника або друку під високим тиском.
Ці принтери здатні маркувати та наносити коди практично на всі поверхні
і предмети. Вони в стані розпорошувати переважна більшість видів рідин:
чорнило, лак, масла і навіть клейкі речовини і смоли.
Завдяки високій швидкості польоту крапель допускається використовувати поверхні з
сильними нерівностями і залежно від вимог до якості друку розміщувати
їх на відстані 1-2 см від сопла-розпилювача. В результаті можна наносити
маркування, наприклад дані про термін годностітовара, на картонні коробки,
пляшки, консервні банки, яйця або кабелі. Цю технологію друку неважко
дізнатися по точках, що здаються нерівномірними і як-би обтрепанимі.
Дизайнерам і працівникам друкарні струменеві принтери служать зовсім для інших
цілей, а саме для найбільш точного попереднього відтворення видань,
які потім будуть запущені в масову друк. За допомогою цього методу можна
роздрукувати чудові фотореалістичних зображення в півтонах і з високим
дозволом, і навіть у великому форматі.
З початку 70-х років надзвичайно активізувалась дослідницька діяльність,
спрямована на створення систем без недоліків, властивих системам друку під
високим тиском. Перше рішення, знайдене фахівцями,-друкувальні головки з
пьезоелектрічускімі перетворювачами, що випускають за запитом окремі краплі
барвника. Так народилася ідея про струменевого друку з дозованим розпиленням
барвника.
Аналогічно термодруку, технологія струменевого друку пройшла довгий шлях
вдосконалення, причому з більш ніж успішними результатами. За 15 років
роздільна здатність струминних принтерів, призначених для масового
застосування, виросла майже в 10 разів (до 720 точок на дюйм). Досягнуто вдалий
компроміс між вимогами до чорнилом не засихати в соплах друкувальної головки
і досить швидко сохнути на папері, не змащуючи при цьому. Значно
покращилися експлуатаційні властивості струминних апаратів, вони стали більш
невибагливі до паперу.
Механізм подачі і протяжки папери струменевих друкуючих пристроїв близький до
вищеописаним групам, однак застосована принципово інша друкуюча головка.
Оскільки струминна технологія використовує метод "викидання" крапель барвника
на папір, відповідна матриця друку являє собою набір сопел (до
256), з якими сполучені місткості для чорнила та керуючі механізми (як
правило - п'єзоелектричного типу). Вимоги до фарб (чорнила) досить
суперечливі і високі, тому склад їх постійно вдосконалюється. Якість
зображення сильно залежить від типу паперу (плівки), тому для найбільш
відповідальних робіт рекомендуються спеціальні її типи, що мають властивості
швидкого вбирання чорнила (extra-adsorbent paper) без їх прояви на просвіт.
Перший вдалий монохромний струменевий принтер Thinkjet фірми Hewlett-Packard
подолав основну масу технологічних проблем і забезпечив при високому
якості друку і дозвіл, близькому до голчастим друкуючим пристроїв,
швидкість друку до 150 символів в хвилину. У порівнянні з основними конкурентами
тих років - голчасті друкуючими пристроями, різко знизився рівень шуму при
друку. Сучасні струменеві принтери для масового застосування, як правило,
мають роздільну здатність на рівні 300-360 або 300х600 крапок на дюйм, можуть
друкувати із задовільною якістю на звичайному папері і з високою якістю
(що наближається до друку на лазерному принтері) - на спеціальному папері. Типове
швидкодію при друці текстів становить 50-160 знаків в хвилину, а графіки -
0.5-4 листа на хвилину.
Поширені струминні друкувальні пристрої фірм HewlettPackard, Apple,
Brother, Lexmark, Texas Instruments, CalComp та інших. Питома вартість друку
струйних принтерів складає близько 5 центів на аркуш формату А4, а ціна самих
принтерів є середньою між цінами на матричні та лазерні принтери.
Фактично, маючи ціну на 150-200 доларів нижче, ніж у лазерних апаратів, і
якість, наближається до них, сімейство струменевих принтерів стійко
збільшує свою частку на ринку, чому сприяє та їх активна реклама.
Струменеві принтери практично безшумні і досить універсальні (особливо апарати
з опцією кольорового друку), ціна їх постійно знижується, а якість друку
поліпшується.
Друкуючі пристрої з п'єзоелектричними виконавчими механізмами.
Перші заявки на реєстрацію винаходу систем струминного друку з
п'єзоелектричними виконавчими механізмами були подані в 1970 і 1971 рр..
На протязі декількох років різні фірми та інститути проводили
фундоментальние дослідження, поки, нарешті, компанії Siemens не вдалося втілити
цей принцип у прийнятним для ринку форму. У 1977 р. був продемонстрований
перший струменевий принтер з дозованим викидом барвника. Цей принтер,
оснащений дванадцятьма соплами-розпилювачами і друкує майже безшумно з
швидкістю 270 символів за секунду, зробив революцію навіть у колах фахівців.
Siemens як електомеханіческого перетворювача використовувала
п'єзоелектричних трубочку, вмонтування в канал з литтєвий смоли. Всі канали
закінчуються пластінойс каліброваними отворами для розпилення,
розташованої на передній панелі пристрою. Передача електроенергії і
барвника проводиться виключно за допомогою коливань тиску,
поширюються в каналі відповідно до законів акустики. Коливання,
що досягають кінця каналу, відображаються там з інверсією фази, тобто в цьому місці
коливання зі зниженим тиском і навпаки.
Пьезопластіни.
У січні 1985 р. компанія Epson представила перший зі своїх пьезопланарних
струминних принтерів - SQ-200 $ сучасний SQ-870/1170, його наступник, працює
приблизно за тим же принципом.
Замість п'єзоелектричних трубочок, як в Siemens, на друкувальних головок Epson,
виконаних з структурувати скляних пластинок, укріплені невеликі
пьезопластінкі. Якщо до них додати електрична напруга, їх діаметр
трохи зміниться, але і цього буде достатньо, щоб вони зігнулися разом з
пасивної скляній багатошарової підкладкою подібно біметалічною пластині,
що призведе до виникнення в каналі барвника виштовхуються тим же способом,
що і в друкуючих головках з пьезотрубочкамі.
У 1987р. компанія Dataproducts запропонувала інший принцип використання
пьезоелектріков для струменевого друку, заснований на застосуванні пластинчастого
пьезопреобразователя. У наступні роки цей метод залишався порівняно
маловідомим (причому не стільки через конструкції на базі перетворювача,
скільки з-за рідких воскових чорнила, які застосовувалися у всіх струменевих
принтерах з пластинчастим пьезопреобразователем виробництва Epson), поки не
з'явилася модель Stylus 800.
Відповідно до цього методу пьезопреобразователь, що представляє собою довгу пласку
платівку (ламель), розміщується позаду невеликого разервуара з барвником. При
впливі на ламель імпульсів напруги її довжина трохи змінюється, що
приводить до сплесків тиску всередині резервуара, які, у свою чергу,
виштовхують краплі з сопла-розпилювача.
Пластинчасті пьезопреобазователі поєднують в собі переваги як плоских, так і
трубчастих систем високу частоту розпилення і компактну конструкцію. Сьогодні на
друкувальні головки з пьезоламелямі роблять ставку такі фірми, як Dataproduts,
Tektronix і Epson.
На початку 1994 року Epson продемонстрував пьезотехнологію MACH (Multilayer
Actuator Head - головка з багаторівневим виконавчих механізмом) у своєму
новому струменевому принтері моделі Stylus 800. Проте і в п'єзоелектричних
друкуючих головках MACH-головках застосовуються пьезоламелі. Правда, компанії
Epson вдалося виготовити пьезоламелі одного ряду сопел-розпилювачів в єдиному
блоці (Multilayer). Таким чином виявилося можливим ще зменшити розміри
друкувальної голівки, розмістити перетворювачі, канали і сопла-розпилювачі з
дистанцією всього лише в 140 км і одночасно знизити виробничі витрати.
Друкуючі пристрої з термографічними виконавчими механізмами.
У 1985 році сенсацію викликав Thinkjet компанії Hewlett-Packard першого
струменево-бульбашковий термопринтер. Якщо на початку інший розробник пьезомеханізмов
друку і посміхався, коли бачив патенти на бульбашкової технологію його
конкурентів, то з часом йому стало не до сміху: метод бульбашкової-струминного
термодруку за кілька років підкорив ринок (кількість проданих струменевих
термопринтерів склало 10 млн.)
У чому ж революційність цієї технології? Як часто буває в подібних випадках,
досягненням стало скорочення виробничих витрат. Якщо п'єзоелектричні
друкувальні механізми доводилося з більшим чи меншим трудом збирати з
безлічі окремих деталей, то бульбашкової-струминні друкувальні головки,
що представляють собою кристали на кремнієвих підкладках (за винятком підкладок
Thinkjet, зроблених зі скла), виготовлялися за тонкошарової технології
сотнями.
При тонкошарової технології застосовуються в принципі ті ж виробничі
процеси, що і при виготовленні інтегральних схем. Канали подачі барвника,
сопла-розпилювачі, виконавчі механізми та токоподводящіе шини виникають при
почерговому нанесенні шарів на підкладки, наприклад способом іонно-променевого
напилення, і наступному структуірованіі цих верств.
Таким чином, після завершення процесу виробництва, який налічує болеесотні
кроків, на одній підкладці з'являється дуже багато термодрукуючих елементів. Всі
структури повинні бути виконані з точністю до тичячной частки міліметра. Крім
того, найменше забруднення при виробництві призводить до відмови. З цієї причини
бульбашкової-струминні друкувальні елементи виготовляються в чистих приміщеннях і з
застосуванням машин, типових для напівпровідникової промисловості.
Очевидно, що при обробці тварин багатьох мініатюрних елементів на одній
підкладці витрати на виготовлення різко знижуються, хоча рівень інвестицій в
чисті виробничі приміщення і верстати високий. Витрати на струменево-бульбашкові
друкувальні елементи завищить не від кількості сопел-розпилювачів або дозволу
друку, а тільки від виду поверхні кристала, а також від числа і характеру
процесів. Отже, що друкує голівка, розрахована на дозвіл 400
крапок/дюйм, з 64 розпилювачами не повинна коштувати дорожче, ніж голівка з 24
розпилювачами і роздільною здатністю 180 пікселів/дюйм.
Оскільки головки струменево-бульбашкової термодруку виготовляються за тим же
принципом, що й інтегральні мікросхеми, напрошується думка про інтеграцію
останніх у друкуючі кристали. І перший крок у цьому напрямку зробила фірма
Canon, вмонтувавши в друкувальні голівки своїх принтерів BJ-10e і CLC-10
транзисторну матрицю. За прикладом Canon пішла компанія Xerox, що випустила в
1993 модель бульбашкової-струменевого принтера з головкою, обладнаної 128
розпилювачами, і повністю інтегрованим послідовно-паралельним
перетворювачем.
Функціонування бульбашкової-струминного сопла-розпилювача:
Спочатку сильний імпульс напруги тривалістю 3-7 мкс подається на крихітний
нагрівальний елемент, який миттєво загострюється до 500 гр. цельсия. На його
поверхні температура перевищує 300 гр.цельсія. Потужність нагріву поверхні
настільки велика, що при збільшенні тривалості імпульсу напруги всього лише
на кілька мікросекунд нагрівальний елемент моментально б зруйнувався.
Відразу ж у тонкій плівці над нагрівальним елементом починають кипіти чорнило, і
через 15 мкс утворюється закритий бульбашка пара високого тиску (до 10 бар). Він
виштовхує краплю чорнила з сопла-розпилювача, при чому швидкість польоту краплі
досягає 10 м/с і більше. Через 40 мкс бульбашка, з'єднавшись з атмосферою, знову
опадає, однак пройде ще 200 мкс, поки нові чорнила під дією
капілярних сил не будуть засмоктало з резервуару.
Пузирькова-струменевий друк з боковим і прямим розпиленням чорнила:
Edje-і Sidechooter.
З самого початку бульбашкової-струминні друкувальні головки ділилися на дві групи.
Компанія Canon, винахідник системи, вважала за краще варіант Edlgeshooter. Майже
одночасно фірма Hewlett-Packard розробила головку типу Sidechooter, яку
тепер виготовляє і компанія Olivetti.
Головка Edgeshooter, як стає зрозуміло вже з назви, разбрізгівает
чорнильні краплі "за ріг", тобто перпендикулярно до напрямку освіти
бульбашок. В головці Sideshooter, де пластина з соплами-розпилювачами знаходиться
поверх нагрівальних елементів і каналів подачі чорнила, пляшечки і краплі
рухаються в одному напрямку. Оскільки краю сопел-розпилювачів у головках типу
Sideshooter зроблені з однорідного, а не з різних матеріалів, як в
Edgeshooter, процес виготовлення розпилювачів з отворами певного
розміру для Sideshooter значно простіше, ніж для головок Edgeshooter. Крім
того, доводиться враховувати неоднаковий змочування різнорідної поверхні
головки Edgeshooter.
З іншого боку, при прямому розпиленні барвника для сопел потрібно більше
велика поверхню, що може причинити неприємності, зокрема, творцям
майбутніх систем друку з великою кількістю розпилювачів і підвищеним
роздільною здатністю. До того ж чорнило, з силою вдаряється в поверхня нагрівального
елементапісля опадання бульбашки пари, рано чи пізно викликають її пошкодження
внаслідок кавітації. Можливо, з цієї причини спосіб прямого розпилення до цих
пір використовувався тільки в змінних друкуючих головках з обмеженим строком
служби.
Вимоги до якості чорнил для будь-якої системи струминного термодруку дуже
високі, значно вище, ніж пьезосістемах. Принцип функціонування і високі
температури зумовлюють застосування тільки змішаних розчинних барвників на
водяній основі.
Барвники повинні відповідати цілому ряду вимог:
- Бути спільними з матеріалами, з яких зроблений друкує механізм;
- Не утворювати відкладень в каналах і розпилювачах, а також не розшаровуватися; />
- Володіти певними показниками щільності, в'язкості і повехностного
натягу при температурах від 10 до 40 гр. цельсия;
- Ну служити живильним середовищем для утворення бактерій та водоростей;
- Не містити отруйних або канцерогенних речовин і не загоряється.
До того ж барвники для струменевого термодруку повинні утворювати бульбашки пара
без відкладення опадів і витримувати короткочасне нагрівання до 350
гр.цельсія.
Чому ж струменевий друк вважається найбільш екологічно чистим способом друку
набумаге? По-перше, користувачів, жаловамшімся на шум, сподобалося, що />
нерви скреготу голок про папір, ні вічного дзижчання вентилятора - тільки
шелестятлісти папери і тихо клацають при перемиканні механіескіе приводи
переміщення головки і подачі паперу.
По-друге, пристрій з мінімальним виділенням тепла, не виробляє шуму і
озону, і споживає менше енергії - ось причина того, що всі сучасні,
незалежні від мережі принтери малого розміру є струменевими.
Нарешті сам барвник не містить ніяких екологічно шкідливих добавок; при
спалюванні роздрукованих документів не утворюється двоокису вуглецю на відміну,
наприклад, від тонера лазерних принтерів і копіювальних апаратів.
І навіть твердження, що друкувальні головки бульбашкової-струменевих принтерів
необхідно регулярно замінювати новими, більше не відповідає істині: адже
друкує елемент майже на 98% складається з кремнію або скла. К стати
виготівникам незабаром доведеться задуматися про те, яким чином можна
утилізувати багато мільйонів виготовлених друкувальних головок або резервуарів
для чорнила.
В якому напрямку піде розвиток технологій струменевого друку в майбутньому?
Безумовно в напрямку кольорового друку. Звичайні пристрої чорно-білого друку з
роздільною здатністю 300 точок/дюйм і емуляцією PCL (Deskjet Hewlett-Packard)
вже витримали випробування часом. Емуляція мови PCL стала фактичним
стандартом в області струменевих принтерів, до того ж вона забезпечує
сумісність з сучасними та майбутніми моделями лазерних принтерів.
Хоча дозвіл 300 точек/дюйм і достатньо для бездоганної роздруківки
тексту та графіки, воно не годиться для картинок в півтонах, растрових зображень
і фотореалістичних зображень. Відповідного якості можна досягти, якщо
значно підвищити дозвіл або знайти возвожность цільового варіювання
кількостей барвника.
Вже можна навести приклади реалізації обох цих способів в інших методах
друку. Так у видавничій сфері давно працюють з роздільною здатністю 2540 точок/дюйм і
більше. З іншого боку, дифузійні принтери - вдосконалений варіант
термографічні принтерів - здатні друкувати на спецальной глянцевому папері
кожну точку растра із бажаною інтенсивністю кольору.
Вимоги до якості відтворення інформації на папері ростуть, і функція
кольорового друку, ймовірно, стане не виключною, а швидше за стандартною
особливістю наступних моделей принтерів. Таким чином кількість сопел-розпилювачів
буде постійно збільшуватися. У наслідок зростання потужностей і посилення
тиску з боку конкурентів виробникам доведеться зменшувати розміри своїх
виробів та інтегрувати нові функції.
Спосіб струменевого друку, що зародилася близько 50 років тому, - відносно молода
технологія. Цілком очевидно, що струменеві принтери завойовують масовий ринок,
витісняючи таким чином матричні принтери. Якщо ж розробникам вдасться
підвищити дозвіл і швидкість друку струменевих принтерів, то виробникам
повільних лазерних принтерів доведеться серйозно поборотися за місце на ринку.
До цих пір жоден інший метод друку не породжував такого розмаїття
варіантів, як струменевий друк, при чому не підлягає сумніву що можливість
цієї технології ще довго не буде вичерпана.