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 настою-
ний час весь безмежний світ принтерів розділився на кілька устой-
чівих груп, кожна ізкоторих відрізняється способом перенесення на папір.
Методу струменевого друку вже майже сто років. Поява нових друкую-
щих головок стає передумовою для подальшого процвітання ринку
струминних принтерів.
З чого все починалося.
Хоча лорд Рейлі, лауреат Нобелівської премії з фізики, зробив сво-
і фундаментальні відкриття в області розпаду струменів рідини і формуванні-
ня крапель ще в минулому столітті, датою народження технології струменевого друку
можна вважати лише 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, медичних приладах. Правда, рідина-
ний осцилограф здатний друкувати лише криві, а не тексти іграфікі. Ця-
ефективна 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 мікроскопічні-
крапельки певного розміру, і, по-друге більша частина крапель вооб-
ще не должма потрапляти на папір. (Якщо, наприклад, роздруковується
текст, то площа покритихкрасітелем ділянок становить лише 2-5 про-
центів загальної поверхні.)
Розробники скористалися закономірністю, виявленої лордом
Рейлі: струмінь жідкостсі прагне розпастися на окремі краплі. Потрібно
тільки трохи підправити випадковий процес розпаду струменя, накладаючи з
допомогою п'єзоелектричного перетворення на струмінь барвника, вибраси-
ваемую під високим тиском (до 90 бар), високочастотні коливання дав-
лення.
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 буму-
ги, досягає 40 м/с. Мова йде про струменевих принтерах, які працюють за ви-
шеназванним 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 біль-
шінство видів рідин: чорнила, 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
якість друку розміщувати їх на відстані 1-2 см від сопла-розпилювача. В
результаті можна наносити маркування, наприклад дані про термін придатності-
товару, на картонні коробки, пляшки, консервні банки, яйця або кабе-
ли. Цю технологію друку неважко впізнати по точках, що здаються нерівномірно-
мірними і як-би обтрепанимі.
Дизайнерам і працівникам друкарні струменеві принтери служать зовсім
для інших цілей, а саме для найбільш точного попереднього програванні-
програвання видань, які потім будуть запущені в масову друк. З по-
міццю цього методу можна роздрукувати чудові фотореалістичних
зображення в півтонах і з високою роздільною здатністю, і навіть у великому форма-
те.те.
З початку 70-х років надзвичайно активізувалась дослідницька
діяльність, спрямована на створення систем без недоліків, властивий-
них систем друку під високим тиском. Перше рішення, знайдене спе-
ціалістамі,-друкувальні головки з пьезоелектрічускімі перетворювачами,
випускають за запитом окремі краплі барвника. Так народилася ідея про
струминного 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 мас-
сового застосування, виросла майже в 10 разів (до 720 точок на дюйм). Дос-
тігнут вдалий компроміс між вимогами до чорнилом не засихати в
соплах друкувальної головки і досить швидко сохнути на папері, не сма-
зиваясь при цьому. Значно покращилися експлуатаційні властивості
струминних апаратів, вони стали більш невибагливі до паперу.
Механізм подачі і протяжки папери струменевих друкуючих пристроїв
близький до вищеописаних груп, однак застосована принципово інша
друкуюча головка. Оскільки струминна технологія використовує метод "виб-
расиванія "крапель барвника на папір, відповідна матриця друку
являє собою набір сопел (до 256), з якими сполучені ємності
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 силь-
але 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 забезпе-
печіл при високій якості друку і дозвіл, близькому до голчастим пе-
чату пристроїв, швидкість друку до 150 символів в хвилину. За порів-
ненію з основними конкурентами тих років - голчасті друкуючими уст-
ройствамі, різко знизився рівень шуму при друці. Сучасні струменеві
принтери для масового застосування, як правило, мають що дозволяє спо-
можності на рівні 300-360 або 300х600 крапок на дюйм, можуть друкувати з
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 у мі-
нуту, а графіки - 0.5-4 листа на хвилину.
Поширені струминні друкувальні пристрої фірм Hewlett-
Packard, Apple, Brother, Lexmark, Texas Instruments, CalComp та інших.
Питома вартість друку струменевих 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 дол-
ларів 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 печа-
ти), 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 прово-
дили 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 краси-
теля. Цей принтер, оснащений дванадцятьма соплами-розпилювачами і печа-
тане майже безшумно зі швидкістю 270 символів за секунду, зробив ре-
волюцію 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 рас-
пилення, розташованої на передній панелі пристрою. Передача електро-
енергії і барвника проводиться виключно за допомогою коливань
тиску, що поширюються в каналі відповідно до законів акусто-
ки. 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 пьезоп-
ланарних струменевих принтерів - SQ-200 $ сучасний SQ-870/1170, його пре-
емнік, працює приблизно за тим же принципом.
Замість п'єзоелектричних трубочок, як в Siemens, на друкуючих
головках Epson, виконаних з структурувати скляних пластинок,
укріплені невеликі пьезопластінкі. Якщо до них прикласти електричне
напруга, їх діаметр трохи зміниться, але і цього буде достатньо,
щоб вони зігнулися разом з пасивною 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 1987 р. компанія Dataproducts запропонувала інший принцип викори-
вання пьезоелектріков для струменевого друку, заснований на застосуванні
пластинчастого пьезопреобразователя. У наступні роки цей метод оста-
вався порівняно маловідомим (причому не стільки через конструкції на
базі перетворювача, скільки з-за рідких воскових чорнила, які при-
змінювалися в усіх струминних принтерах за пластинчастим пьезопреобразователем
виробництва Epson), поки не з'явилася модель Stylus 800.
Відповідно до цього методу пьезопреобразователь, що представляє собою
довгу плоску платівку (ламель), розміщується позаду невеликого разер-
вуара з барвником. При дії на ламель імпульсів напруги її
довжина трохи змінюється, що приводить до сплесків тиску усередині резер-
вуара, 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 ме-
ханізмом) у своєму новому струменевому принтері моделі Stylus 800. Тим не ме-
неї і в п'єзоелектричних друкуючих головках MACH-головках застосовуються
пьезоламелі. Правда, компанії Epson вдалося виготовити пьезоламелі одно-
го ряду сопел-розпилювачів в єдиному блоці (Multilayer). Таким чином
виявилося можливим ще зменшити розміри друкувальної головки, 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 -
перший 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 (колі-
кість проданих струменевих термопринтерів склало 10 млн.)
У чому ж революційність цієї технології? Як часто буває в подібних-
них випадках, досягненням стало скорочення виробничих витрат. Ес-
Чи п'єзоелектричні друкувальні механізми доводилося з більшим чи
меншим трудом збирати з безлічі окремих деталей, то бульбашки-
по-струминні друкувальні головки, що представляють собою кристали на крем-
ніевих підкладках (за винятком підкладок Thinkjet, зроблених з стек-
ла), виготовлялися за тонкошарової технології сотнями.
При тонкошарової технології застосовуються в принципі ті ж виробнич-
ничих процеси, що і при виготовленні інтегральних схем. Канали пода-
чи барвника, сопла-розпилювачі, виконавчі механізми та струмопідведення-
щие шини виникають при почерговому нанесенні шарів на підкладки, наприклад
способом іонно-променевого напилювання, і наступному структуірованіі цих
шарів.
Таким чином, після завершення процесу виробництва, який налічує
більше сотні кроків, на одній підкладці з'являється дуже багато термодруку-
чих елементів. Всі структури повинні бути виконані з точністю до ти-
чячной частки міліметра. Крім того, найменше забруднення при виробнич-
тверд призводить до відмови. З цієї причини бульбашкової-струминні друкувальні
елементи виготовляються в чистих приміщеннях і з застосуванням машин, ти-
пічних для напівпровідникової промисловості.
Очевидно, що при обробці тварин багатьох мініатюрних еле-
ментів 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 коли-
пра ці сопел-розпилювачів або дозволу друку, а тільки від виду по-
поверхні кристала, а також від числа і характеру процесів. Слідові-
тельно, що друкує голівка, розрахована на дозвіл 400 точек/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 і інтегральні мікросхеми, напрошується думка
про інтеграцію останніх у друкуючі кристали. І перший крок у цьому нап-
равленіі зробила фірма Canon, вмонтувавши в друкувальні голівки своїх принті-
рів BJ-10e і CLC-10 транзисторну матрицю. За прикладом Canon пішла
компанія Xerox, що випустила в 1993 році модель бульбашкової-струминного
принтера з головкою, обладнаної 128 розпилювачами, і повністю інтег-
центрувати 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 тривалий
ності імпульсу напруги всього лише на кілька мікросекунд нагрів-
вательний елемент моментально б зруйнувався.
Відразу ж у тонкій плівці над нагрівальним елементом починають ки-
співати 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 пу-
зирек, 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 го-
ловку типу Sidechooter, яку тепер виготовляє і компанія Olivetti.
Головка Edgeshooter, як стає зрозуміло вже з назви, разбріз-
Гів'а чорнильні краплі "за ріг", тобто перпендикулярно до напрямку
утворення бульбашок. В головці Sideshooter, де пластина з сопла-
ми-розпилювачами знаходиться поверх нагрівальних елементів і каналів по-
дачі чорнила, пляшечки і краплі рухаються в одному напрямку. Оскільки
краю сопел-розпилювачів у головках типу Sideshooter зроблені з однорідний-
ного, а не з різних матеріалів, як у Edgeshooter, процес виготовлення-
лення 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 вима-
ється обширніша поверхню, що може причинити неприємності, в
Зокрема, творцям майбутніх систем друку з великою кількістю роз-
літелей і підвищеним дозволом. До того ж чорнило,?? силою вдаряють
об поверхню нагрівального елемента після опадання бульбашки пари, ра-
але чи пізно викличуть її ушкодження внаслідок кавітації. Можливо, за
цієї причини спосіб прямого розпилення досі 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. Принципів функціонує-
вання та 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 ме-
ханізм;
- Не утворювати відкладень в каналах і розпилювачах, а також не
розшаровуватися;
- Зберігатися протягом тривалого часу;
- Володіти певними показниками щільності, в'язкості і повех-
ностного натягу при температурах від 10 до 40 гр. цельсия;
- Ну служити живильним середовищем для утворення бактерій і водорос-
лий;
- 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-
вання до 350 гр.цельсія.
Чому ж струменевий друк вважається найбільш екологічно чистим
способом друку набумаге? По-перше, користувачів, жаловамшімся на шум,
сподобалося, що струменевий принтер працює майже безшумно. Більше не
чути ні діє на нерви скреготу голок про папір, ні вічного
дзижчання вентилятора - тільки шелестятлісти папери і тихо клацають при пе-
реключеніі механіескіе приводи переміщення головки і подачі паперу.
По-друге, пристрій з мінімальним виділенням тепла, не виробляючи-
ний шуму й 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 до-
надбавок; при спалюванні роздрукованих документів не утворюється двоокису уг-
лерода на відміну, наприклад, від тонера лазерних принтерів і копіювальних
апаратів.
І навіть твердження, що друкувальні головки бульбашкової-струйних
принтерів необхідно регулярно замінювати новими, більше не відповідає
істини: 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 друкуючих го-
спритний 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 моделі-
ми 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
методи друку. Так у видавничій сфері давно працюють з роздільною здатністю
2540 точек/дюйм і більше. З іншого боку, дифузійні принтери - усо-
вершенствованний варіант термографічні принтерів - здатні друкувати
на спецальной глянцевому папері кожну точку растра із бажаною інтенсив-
ністю кольору.
Вимоги до якості відтворення інформації на папері ростуть,
і функція кольорового друку, ймовірно, стане не виключною, а скоріше
стандартною особливістю наступних моделей принтерів. Таким чином чис-
ло-сопел розпилювачів буде постійно збільшуватися. В наслідок возрас-
танія потужностей і посилення тиску з боку конкурентів виготівникам
доведеться зменшувати розміри своїх виробів та інтегрувати нові функції.
Спосіб струменевого друку, що зародилася близько 50 років тому, - відноси-
тельно молода технологія. Цілком очевидно, що струменеві принтери завое-
вивают масовий ринок, витісняючи таким чином матричні принтери. Якщо
же 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 разнооб-
разія варіантів, як струменевий друк, при чому не підлягає сумніву що
можливість цієї технології ще довго не буде вичерпана.