Московский государственный университет печати

Уарова Р.М.


         

Основы цифровой печати

Конспект лекций для студентов, обучающихся по специальности 261202.65 - Технология полиграфического производства и направлению 261700.62 - Технология полиграфического и упаковочного производства


Уарова Р.М.
Основы цифровой печати
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Введение

1.

ЭЛЕКТРОФОТОГРАФИЯ

1.1.

Зарядка фоторецептора

1.1.1.

Зарядка коронным разрядом

1.1.2.

Факторы, влияющие на зарядку коронным разрядом

1.1.2.1.

Процесс зарядки фоторецептора коротроном

1.1.2.2.

Особенности зарядки скоротроном

1.1.3.

Зарядка валиком

1.2.

Запись скрытого электростатического изображения на органическом фоторецепторе

1.2.1.

Процесс фоторазрядки при записи скрытого изображения на органическом фоторецепторе

1.2.1.1.

Процессы, происходящие в генерационном слое

1.2.1.2.

Инжекция зарядов в транспортный слой

1.2.1.3.

Механизм транспорта носителей заряда

1.2.2.

Устройства записи изображения

1.3.

Проявление скрытого электростатического изображения

1.3.1.

Электрическое поле в зоне проявления

1.3.1.1.

Электрическое поле над сплошными участками скрытого изображения в присутствии проявляющего электрода

1.3.1.2.

Проявляющее электрическое поле над штриховым скрытым изображением

1.3.2.

Способы проявления

1.3.2.1.

Общие сведения

1.3.2.2.

Проявление магнитной кистью из двухкомпонентного проявителя

1.3.2.3.

Проявление однокомпонентными проявителями

1.3.2.4.

Гибридное проявление

1.4.

Перенос тонерного изображения и очистка фоторецептора

1.4.1.

Перенос тонерного изображения с фоторецептора на печатный материал

1.4.2.

Очистка фоторецептора

1.4.2.1.

Предварительная очистка фоторецептора

1.4.2.2.

Очистка поверхности фоторецептора

1.5.

Закрепление тонерного изображения на печатном материале

1.5.1.

Процесс термомеханического закрепления изображения

1.5.2.

Устройства термомеханического закрепления

1.5.3.

Радиационное термозакрепление

1.6.

Тонеры

1.6.1.

Общие сведения о тонерах

1.6.2.

Способы изготовления тонеров

1.6.2.1.

Традиционный (механический) способ производства тонеров

1.6.2.2.

Химические тонеры

1.7.

Технологии многокрасочной печати

1.7.1.

Многокрасочная печать при использовании одного фоторецептора

1.7.2.

Многокрасочная печать при использовании нескольких фоторецепторов

1.8.

Технология Осе Copy Press

1.9.

Электрофотография с жидкостным проявлением

1.9.1.

Жидкий проявитель

1.9.2.

Технологический процесс с жидкостным проявлением

1.9.2.1.

Общие сведения о технологии с проявлением разбавленными красками

1.9.2.2.

Технологии Indigo Electroink с проявлением концентрированными красками и автономными проявляющими устройствами

2.

СТРУЙНАЯ ПЕЧАТЬ

2.1.

Непрерывная струйная печать

2.1.1.

Непрерывная струйная печать с селективной зарядкой капель

2.1.2.

Непрерывная струйная печать с термической активацией каплеобразования

2.2.

Импульсная струйная печать

2.2.1.

Пьезоструйная печать

2.2.1.1.

Понятие о пьезоструйной печати. Виды эмиттеров капель

2.2.1.2.

Управление размером капли и разрешением при пьезоструйной печати

2.2.1.3.

Пьезоструйные печатающие головки последнего поколения

2.2.1.4.

Печать твердыми чернилами

2.2.2.

Импульсная термоэлектрическая струйная печать

2.2.2.1.

Виды эмиттеров капель

2.2.2.2.

Печать фотографического качества

2.2.2.3.

Печатающие головки нового поколения

2.3.

Чернила для струйной печати

2.3.1.

Водные чернила

2.3.1.1.

Водные чернила на красителях

2.3.1.2.

Пигментные водные чернила

2.3.1.3.

Водные пигментные чернила, дающие отпечатки, устойчивые к воде

2.3.1.4.

Бумаги для печати водными чернилами

2.3.2.

Сольвентные чернила

2.3.2.1.

Состав и свойства сольвентных чернил

2.3.2.2.

Материалы для сольвентной печати

2.3.3.

Масляные и твердые чернила

2.3.4.

УФ-отверждаемые чернила

3.

Прямая запись тонерного изображения

3.1.

Общие сведения

3.2.

Прямая запись тонерного изображения на DI-барабане

3.3.

Синтез полноцветного изображения

4.

Магнитография

4.1.

Магнитографическая печатная технология

4.2.

Магнитографическое печатное оборудование

5.

Библиографический список

Указатели
104   указатель иллюстраций
Рис. 2.1.1. Схема струйного модуля непрерывной струйной печати, состоящего из блоков генерации струи (I) и блока выделения из струи рабочих капель (II). На схеме: 1 - чернильная камера, 2 - подача чернил из резервуара под давлением, 3 - пьезоэлектрик, 4 - электроды, 5 - заряжающий электрод, 6 -дефлектор (отклоняющая пластина), 7 - каплеуловитель, 8 - капельная струя Рис. 2.1.3. Схема печатающей головки с одним соплом [39] Рис. 2.1.2. Непрерывная струйная печать с веерной разверткой струи. На схеме: 1 - пьезокерамический стимулятор каплеобразования, 2 - камера с чернилами, 3 - источник высокочастотного переменного напряжения, 4 - электрические сигналы из генератора изображения, 5 - заряжающее устройство, 6 - дефлектор, 7 - печатный материал, 8 - каплеуловитель [30] Рис. 2.1.1. Схема струйного модуля непрерывной струйной печати, состоящего из блоков генерации струи (I) и блока выделения из струи рабочих капель (II). На схеме: 1 - чернильная камера, 2 - подача чернил из резервуара под давлением, 3 - пьезоэлектрик, 4 - электроды, 5 - заряжающий электрод, 6 -дефлектор (отклоняющая пластина), 7 - каплеуловитель, 8 - капельная струя Рис. 2.1.3. Схема печатающей головки с одним соплом [39] Рис. 2.1.4. Схема работы девятисопловой головки. На схеме: 1 - головка в нерабочем состоянии, 2 - печать, 3 - очистка сопел [39] Рис. 2.1.5. Многосопловая печатающая головка [53]. На схеме: I - детали многосопловой печатающей головки, II - ее поперечное сечение в собранном виде, 1 - тело распределительного канала головки, 2 - пьезоэлектрический преобразователь, 3 - электроды пьезоэлектрического преобразователя, 4 - источник высокочастотного напряжения, 5 - сопла, 6 - сопловая пластина, 7 - внутренняя полость распределительного канала, 8 - трубка для подачи чернил, 9 - трубка для выхода чернил Рис. 2.1.6. Схема формирования капельной струи. На схеме: а - формирование струи маленьких капель (запись изображения не происходит), б - формирование струи при записи изображения. 1 - время между импульсами, 2 - период, соответствующий рабочей капле, 3 - электрические импульсы, 4 - маленькие капли, 5 - большая капля Рис. 2.1.7. Схема устройства непрерывной струйной печати, печатающего большими каплями. На схеме: 1 - нагреватель, 2 - чернильная струя, 3 - поток воздуха, 4 - печатающие капли, 5 - нерабочие капли, 6 - каплеуловитель, 7 - бумажное полотно Рис. 2.2.1. Схема эмиттера капель, работающего в режиме изгибания стенки чернильной камеры. На схеме: 1 - диафрагма, 2 - пьезоактиватор, 3 - распределительный канал, 4 - входной канал, 5 - чернильная (напорная) камера, 6 - сопло, 7 - выходной канал Рис. 2.2.2. Общий вид пьезоструйной печатающей головки Epson, использующей режим изгибания стенки чернильной камеры. На схеме: 1 - канал, заканчивающийся соплом, 2 - вибрационная пластина с пьезокерамическим активатором 5, 3 - канал подачи чернил из резервуара, 4 - чернильная (напорная) камера Рис. 2.2.3. Деформация пьезокерамической пластинки в режиме сдвига. Горизонтальная стрелка - направление вектора напряженности электрического поля, вертикальная стрелка - направление вектора поляризации пьезокерамики Рис. 2.2.4. Схема печатающей головки Spectra (а) и образование капельной струи (б). На схеме (а): 1 - пьезокерамическая пластина, 2 - электроды, 3 - чернильная камера, 4 - сопло, 5 - генератор изображения, 6 - капли. На схеме (б): А - состояние покоя, Б - деформация пьезокерамической пластины при подаче импульса напряжения и втягивание мениска чернил внутрь камеры, В и Г - образование и выброс капли Рис. 2.2.5. Печатающая головка Хааr, работает в режиме сдвиг/общая стенка (Shear Mode/Shared Wall). На схеме: а) печатающая головка, сопловая пластина показана отдельно; б) схема деформации стенок канала при подаче импульса напряжения на электроды; в) печатающая головка, покровная пластина с входным отверстием для чернил 7 поднята, видны каналы. Сопловая пластина не показана. На схемах (а) и (б): 1 - базовая пластина, 2 - покровная пластина, 3 - канал, 4 - стенка канала, 5 - пластина с соплами, 6 - электрод; 7 - проводники; на схеме (в): 1 - отверстие в покровной пластине для входа чернил, 2 - проводники, 3 - базовая часть головки с каналами, 4 - каналы, 5 - электрод, 6 - покровная пластина Рис. 2.2.6. Формирование капель разных размеров изменением формы электрического сигнала [26] Рис. 2.2.7. Печатающие головки Epson: a - блок из 4 однокрасочных головок, б - 4-красочная головка. На схеме видны ряды сопел. Стрелки показывают направление перемещения головки (поперек печатного материала) Рис. 2.2.8. Блок печатающих головок в машине Screen True Press 520 Jet Рис. 2.2.9. Схема эмиттера капель печатающей головки Dimatix (а) и фрагмент кристалла (чипа) (б). На схеме: 1 - пьезоактиватор на кремниевой диафрагме, 2 - чернильная (напорная) камера, 3 - акустическая решетка, 4 - сопло, 5 - выходной канал, 6 - тело эмиттера. Стрелкой показано направление движения чернил Рис. 2.2.4. Схема печатающей головки Spectra (а) и образование капельной струи (б). На схеме (а): 1 - пьезокерамическая пластина, 2 - электроды, 3 - чернильная камера, 4 - сопло, 5 - генератор изображения, 6 - капли. На схеме (б): А - состояние покоя, Б - деформация пьезокерамической пластины при подаче импульса напряжения и втягивание мениска чернил внутрь камеры, В и Г - образование и выброс капли Рис. 2.2.10. Схема печатающего устройства, использующего твердые чернила. На схеме: 1 - офсетный барабан, 2 - печатающая головка, 3 - устройство очистки барабана, 4 - прижимной валик, 5 - бумага, 6 - устройство подогрева бумаги Рис. 2.2.11. Схема подачи чернил из резервуара (а) и схема печатающей головки в твердо-чернильном принтере (б). На схеме: 1 - резервуар, 2 - каналы, 3 - распределительный канал, 4 - входной канал из распределительного канала в эмиттеры капель, 5 - напорная камера, 6 - выходной канал, 7 - сопло, 8 - пьезоактиватор. Стрелки - капельные струи [26] Рис. 2.2.12. Схема генерации капли в чернильном канале термоструйного эмиттера. На схеме: а - канал с нагревательным элементом на стенке, б, в - рост пузырька пара и выдавливание чернил из сопла, г - опадание пузырька и выброс капли, д - возвращение эмиттера капель в исходное состояние, капля - в полете Рис. 2.2.13. Схема эмиттера капли Hewlett Packard с размещением термоактиватора на стенке чернильной камеры. На схеме: 1 - сопло, 2 - чернильный канал, 3 - чернильная (напорная) камера, 4 - нагревательный элемент, 5 - паровой пузырек Рис. 2.2.14. Сечение эмиттера капли головки Memjet с подвесным нагревателем [2]. На схеме: 1 - напорная камера, 2 - сопловая пластина, 3 - входной канал, 4 - спиралеобразный нагревательный элемент, 5 - чернила, 6 - паровой пузырек, 7 - капля Рис. 2.2.15. Общий вид эмиттера капли головки Memjet с подвесным нагревателем. На схеме: 1 - сопловое отверстие, 2 - нагреватель [2] Рис. 2.2.16. Образование капли в эмиттере принтера Canon 1850 [54]. На схеме: а - эмиттер капель, где видны нагреватель 1 - сопло, 2 и 3 - чернильный канал, б - начало образования пузырька, в - пузырек выталкивает чернила, г - капля вылетела, д - сопло заполнено чернилами и готово к работе Рис. 2.2.17. Эмиттер капель печатающей головки HP. На схеме: 1 - сопловый канал, 2 - чернильная (напорная) камера, 3 - нагреватель, 4 - входной канал, 5 - распределительный канал, 6 - проводник Рис. 2.2.18. Схема эмиттера, выполненного на кремниевой пластине [55]. 1 - резистивная пленка из ТаАl, 2 - электрические контакты из алюминия, 3 - защитный слой из Si3N4 + SiC, 4 - сопловая пластина, 5 - пленка оксида кремния, 6 - кремниевая пластина Рис. 2.2.19. Печатающая головка HP шириной 4,25 дюйма (ее вид сверху). Видны 5 кристаллов с четырьмя рядами сопел Рис. 2.2.14. Сечение эмиттера капли головки Memjet с подвесным нагревателем [2]. На схеме: 1 - напорная камера, 2 - сопловая пластина, 3 - входной канал, 4 - спиралеобразный нагревательный элемент, 5 - чернила, 6 - паровой пузырек, 7 - капля Рис. 2.2.15. Общий вид эмиттера капли головки Memjet с подвесным нагревателем. На схеме: 1 - сопловое отверстие, 2 - нагреватель [2] Рис. 2.3.1. Типовое строение фотобумаг для струйной печати: а - глянцевая бумага, б - бумага, основа которой имеет меловое покрытие, в - бумага с основой без покрытия Рис. 2.3.2. Схема фотобумаги с гибридным красковоспринимающим покрытием: 1 - полимерный слой, 2 - слой, удерживающий чернила, 3 - слой, придающий белизну, 4 - основа с полиэтиленовым покрытием, 5 - гибридные частицы, 6 - микропоры

Струйная печать состоит из одной стадии - получения изображения на печатном материале. Изображение формируется капельными струями чернил, вылетающими из печатающей головки. Чернила - жидкие краски с вязкостью 1...30 сПз. Печать управляется электрическими сигналами, подаваемыми на каждый генератор капель печатающей головки в каждый момент печати. Сигнал (импульс напряжения) управляет полетом одной капли.

В подавляющем большинстве принтеров генератор капель заканчивается соплом - калиброванным отверстием диаметром от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров. Именно из сопел вылетают капельные струи чернил, рисующие изображения на печатном материале. Однако есть способы струйной печати, где печатающие головки не содержат сопел. Один из них недавно вышел на рынок струйной печати под названием «Tonejet».

Печатающие головки, как правило, содержат множество генераторов капельных струй (эмиттеров капель), расположенных рядами по длине печатающей головки с плотностью размещения в среднем 150-600 на дюйм. Обычно рядов - 2, причем источники струй (сопла) в рядах смещены относительно друг друга так, что источники второго ряда оказываются между источниками первого ряда. Так, физическое разрешение печати повышается вдвое (300-1200 красочных точек на дюйм). Механизм управления записью изображения находится либо в компьютере (драйвер принтера), либо в контроллере принтера. Цифровые оригиналы преобразуются в сигналы, передаваемые в управляющую плату печатающей головки, а оттуда в чипы головки, управляющие работой генераторов капель, находящихся на поверхности чипа (число чипов может быть разным - от одного до нескольких штук). Струйный принтер содержит механизм перемещения головки (или блока головок) поперек бумажного листа и механизм перемещения бумаги, а также систему подачи чернил из резервуара (картриджа) с чернилами. В подавляющем большинстве принтеров производится многокрасочная печать. Печатающие головки для разных красок расположены друг за другом и перемещаются на одной каретке. Если головка печатает несколькими красками, то в ней ряды генераторов для разных красок размещены параллельно друг другу.

Печатающая головка - основной элемент струйного печатающего устройства. Струйная печать используется в принтерах различного класса и формата и в цифровых печатных машинах. Использование чернил различной природы позволяет печатать на разнообразных материалах.

Практическое применение нашли три вида струйной печати:

  • Непрерывная струйная печать (continuous inkjet). В этом виде печати из каждого сопла печатающей головки непрерывно вылетает струя чернил, разбивающаяся на мельчайшие капельки. Из струи выделяются капли, идущие на построение изображения. Неиспользованные капли направляются в каплеуловитель.
  • Импульсная струйная печать (drop on demand). Здесь капля вылетает из сопла печатающей головки только при получении электрического импульса. Поэтому этот вид струйной печати называют также «капля по требованию».
  • Tonejet. В этом способе чернилами является дисперсия частиц пигмента в неполярной жидкости. Генератор капель (источник капельной струи) представляет собой заостренный проводящий выступ на теле печатающей головки. Чернила текут под давлением к источнику. При наложении импульса напряжения происходит зарядка частиц пигмента чернил. Они перемещаются электрическим полем к выступу, где концентрация краски заметно выше исходной. Заостренный конец выступа за счет повышенной напряженности электрического поля отталкивает заряженные одноименно частицы пигмента. Они вылетают, увлекая за собой часть жидкости. Образуются капли концентрированной краски. Эти капли летят на печатный материал, рисуя изображение. Печатающая головка содержит множество источников, расположенных рядами. В настоящее время способ используется в упаковочной промышленности для печати на консервных банках.

Общие сведения

Непрерывная струйная печать состоит из трех процессов:

  • образование струй чернил и разбиение их на капли;
  • разделение капель на рабочие, идущие на построение изображения, и нерабочие, попадающие в каплеуловитель;
  • выделение из капельных струй рабочих капель, и направление струй рабочих капель на печатный материал; доставка неиспользованных капель в каплеуловитель.

В настоящее время до промышленного использования доведено два способа непрерывной струйной печати, в которых перечисленные выше процессы проходят по-разному.

В давно и широко применяемом способе капли формируются за счет наложения на струю чернил высокочастотных механических колебаний, формирующих капиллярную волну. Разделение капель на рабочие и нерабочие производится путем их селективной зарядки, а разделение капельных струй - путем отклонения электрическим полем траектории заряженных капель, в то время, как незаряженные капли летят прямолинейно.

В новом способе непрерывной струйной печати Stream, разработанном фирмой Kodak, для формирования капельной струи на вылетающую из сопла чернильную струю периодически подают тепловые импульсы, изменяющие поверхностное натяжение чернил. Капли образуются из холодных участков струи. Разделение капель на рабочие и нерабочие производится формированием капель разных размеров. Выделение из струи рабочих капель осуществляется потоком воздуха, направленным перпендикулярно к траектории струи. Воздушный поток сильнее отклоняет маленькие капли, и они попадают в каплеуловитель. Большие капли продолжают лететь к печатному материалу и идут на построение изображения.

В этом способе электропроводящие чернила подаются под давлением в генератор капель печатающей головки. Струя вылетает из сопла генератора. Где-то у выхода из сопла, например, на сопловой пластине расположен пьезоэлектрический стимулятор, формирующий капельную струю. На пьезоэлектрик подается высокочастотное электрическое напряжение. За счет деформации пьезоэлектрика возникают механические колебания, которые сообщаются струе и вызывают образование капель. При пролете струи через зону зарядки на заряжающий электрод подаются импульсы электрического напряжения. Производится селективная зарядка капель. Далее капельная струя разделяется на две струи: заряженную и незаряженную. Одна из них попадает на печатный материал, другая - в каплеуловитель.

На рис. 2.1.1 Рис. 2.1.1. Схема струйного модуля непрерывной струйной печати, состоящего из блоков генерации струи (I) и блока выделения из струи рабочих капель (II). На схеме: 1 - чернильная камера, 2 - подача чернил из резервуара под давлением, 3 - пьезоэлектрик, 4 - электроды, 5 - заряжающий электрод, 6 -дефлектор (отклоняющая пластина), 7 - каплеуловитель, 8 - капельная струя приведена принципиальная схема непрерывной струйной печати незаряженными каплями.

Генератор струи содержит чернильную камеру 1, в которую электропроводящие чернила подаются из красочной системы через трубку 2. На выходе из чернильной камеры находится одно или ряд калиброванных отверстий, называемых соплами. Сопла электропроводящие, например, металлические. Печатающие головки могут быть односопловыми или многосопловыми. Схема односопловой головки показана на рис. 2.1.3 Рис. 2.1.3. Схема печатающей головки с одним соплом [39][ссылка на источники литературы]. На рис. 2.1.1 представлена схема генератора струи многосопловой головки, где сопла выполнены в сопловой пластине. Чернила вылетают под давлением из каждого сопла в виде тонкой струи.

Вблизи сопла на сопловой пластине расположен пьезокерамический элемент 3, на который подается высокочастотное переменное электрическое напряжение. В пьезокерамическом элементе возникают механические колебания той же частоты (обратный пьезоэффект). Колебательное возмущение от пьезоэлектрика передается чернилам, и в струях возникает капиллярная волна (волна, в которой большую роль играет поверхностное натяжение жидкости). Поскольку частота наложенных колебаний соответствует режиму резонанса (она совпадает с частотой собственных колебаний струи), струя на небольшом расстоянии от сопла распадается на мелкие одинаковые по размеру капли.

Система разделения капельной струи включает заряжающий электрод, дефлектор и каплеуловитель.

Заряжающий электрод 5 находится недалеко от сопла. Зарядка индукционная. Она происходит за счет того, что струя электропроводящих чернил заземлена, а слой воздуха между струей и заряжающим электродом обладает диэлектрическими свойствами. Когда от генератора изображения на заряжающий электрод подается импульс электрического напряжения, в заземленной струе около электрода появляется заряд, противоположный по знаку заряду электрода. Струя входит в зону действия электрода в момент, предшествующий отделению от нее капельки, поэтому происходит зарядка этой капли. Подача электрических импульсов должна быть строго синхронизирована с каплеобразованием.

Выйдя из зоны действия заряжающего электрода, струя пролетает мимо дефлектора 6, на который подается высоковольтное электрическое напряжение, по знаку одинаковое со знаком заряда капель. Каплеуловитель 7 заземлен. Возникающее электрическое поле отклоняет заряженные капли в каплеуловитель, а незаряженные беспрепятственно летят по прямолинейному пути на печатный материал. Из каплеуловителя чернила попадают в систему рециркуляции или в специальную емкость и затем выбрасываются (при использовании печатающих головок с 1-2 соплами на краску).

Запись изображения заряженными каплями используется в непрерывной струйной печати с многоуровневым отклонением струи (Multiple-deflection Continuous Inkjet, рис. 2.1.2 Рис. 2.1.2. Непрерывная струйная печать с веерной разверткой струи. На схеме: 1 - пьезокерамический стимулятор каплеобразования, 2 - камера с чернилами, 3 - источник высокочастотного переменного напряжения, 4 - электрические сигналы из генератора изображения, 5 - заряжающее устройство, 6 - дефлектор, 7 - печатный материал, 8 - каплеуловитель [30][ссылка на источники литературы]). Капли струи заряжаются группами таким образом, что каплям группы сообщаются заряды ряда величин. Дефлектор отклоняет капли с разными зарядами под разными углами, создавая веерную развертку капельной струи. Это позволяет записывать полоску изображения, содержащую несколько строчек. Незаряженные капли летят по прямолинейному пути и попадают в каплеуловитель, а оттуда - в устройство рециркуляции чернил. При записи заряженными каплями возникают проблемы с точностью позиционирования капель на бумаге из-за их взаимодействия между собой. Способ широко используется в маркировочных принтерах, предназначенных для нанесения надписей, дат и штрих-кодов на поверхность товарных и промышленных изделий.

В способе с бинарным отклонением струи (рис. 2.1.1 Рис. 2.1.1. Схема струйного модуля непрерывной струйной печати, состоящего из блоков генерации струи (I) и блока выделения из струи рабочих капель (II). На схеме: 1 - чернильная камера, 2 - подача чернил из резервуара под давлением, 3 - пьезоэлектрик, 4 - электроды, 5 - заряжающий электрод, 6 -дефлектор (отклоняющая пластина), 7 - каплеуловитель, 8 - капельная струя) существует два варианта. В первом, однобитном варианте, каждая точка изображения формируется из одинакового количества чернил, например, из одной капли размером 84 пл (пиколитр - <?xml version="1.0"?>
литра). При аппаратном разрешении 300-360 dpi, характерном для скоростной струйной печати, качество изображения при однобитной его записи невысокое. Рулонные струйные машины с такими печатающими головками используют для скоростной цветной печати почтовых рассылок, документов и другой продукции с аналогичными требованиями к качеству изображения.

В мультибитном варианте количество чернил в точке может изменяться. Для этого зарядке подвергается группа из нескольких капель (число капель в группе колеблется от 2 до 20-30), причем может заряжаться то или иное количество капель группы. Все капли группы попадают на один микроучасток печатного материала (в одну точку). В результате становится возможной запись изображения, при которой в разные точки материала может попадать различное количество капелек (разное количество чернил). Достигаются высокий цветовой охват и богатство тонов, достаточное для использования струйного принтера в качестве цветопробного устройства. Так работают струйные принтеры Iris Print, где при разрешении 300 dpi получается эмуляция разрешения 2400 dpi. Головки имеют 1-2 сопла на краску.

Сложность мультибитной записи заключается в следующем. Максимальное количество чернил, попадающих на микроучасток (точку) струйного отпечатка, должно соответствовать максимальной оптической плотности изображения. Слишком большое количество чернил приведет к расплыванию и исчезновению градаций тонов в тенях изображения. Слишком маленькое количество чернил не позволит получать цвета высокой насыщенности.

Если это количество обеспечивается одной каплей на точку, капля должна быть большой. Если эта задача выполняется группой из 4 капель, объем каждой капли должен быть в 4 раза меньше, при использовании групп из 30 капель объем одной капли составляет 3-4 пл.

Объем капли зависит от диаметра струи (сопла) D и длины волны <?xml version="1.0"?>
: <?xml version="1.0"?>
Длина волны связана с частотой наложенных колебаний зависимостью <?xml version="1.0"?>
где <?xml version="1.0"?>
- скорость струи, равная в струйном принтере Iris Print 50 м/с, диаметр сопла равен 10 мкм. Частота f представляет собой частоту колебаний пьезоэлектрика и частоту каплеобразования, а длина волны <?xml version="1.0"?>
равна расстоянию между центрами капель. Частота в принтере Iris Print равна 1000 кГц.

Для стабилизации процесса каплеобразования частота наложенных колебаний должна совпадать по величине с частотой собственных колебаний струи. Тогда колебательное возмущение будет находиться в резонансе с собственным колебанием струи. Именно с этой частотой будут образовываться капли. Волновое число <?xml version="1.0"?>
для соблюдения этого условия должно быть равно <?xml version="1.0"?>
то есть оптимальная частота наложенных колебаний равна <?xml version="1.0"?>

Схему печатающей головки с одним соплом можно видеть на рис. 2.1.3 Рис. 2.1.3. Схема печатающей головки с одним соплом [39][ссылка на источники литературы].

Скорость струйной печати зависит от количества сопел в печатающей головке (от ширины печатаемой полоски). Головки, имеющие небольшое количество сопел на цвет краски, должны совершать челночное перемещение поперек направления движения бумажного листа. Это замедляет печать, так как бумага может сместиться на шаг только после записи цветной строки изображения. Сильнее всего это сказывается в принтерах с 1-2 соплами на краску. В этом случае несмотря на высокую скорость капельной струи, общая скорость записи изображения невелика (в принтере Iris 2 Print изображение формата А2 записывается за 13 минут).

Реализовать возможности скоростной печати можно при использовании многосопловых широкоформатных печатающих головок. На рис. 2.1.4 Рис. 2.1.4. Схема работы девятисопловой головки. На схеме: 1 - головка в нерабочем состоянии, 2 - печать, 3 - очистка сопел [39][ссылка на источники литературы] показана принципиальная схема работы девятисопловой головки.

Печатающая головка имеет распределительный канал, в который под давлением подаются чернила. Если выход из канала закрыт, чернила вылетают струями через сопла (позиция 2 на рис. 2.1.4).

Размер широкоформатных печатающих головок ограничивается тем, что высокочастотные колебания пьезоэлектрика передаются не только струям, но и телу печатающей головки. Головка, в свою очередь, передает вибрацию струям чернил. Колебания, полученные струей от тела головки, отличаются от полезных колебаний струи и нарушают каплеобразование (образуются капли разных размеров и может изменяться длина непрерывной части струи, из-за чего нарушится зарядка капель). Указанные проблемы обостряются при возрастании ширины печатающей головки и частоты наложенных колебаний. Проблемы решаются разными способами. На рис. 2.1.5 Рис. 2.1.5. Многосопловая печатающая головка [53]. На схеме: I - детали многосопловой печатающей головки, II - ее поперечное сечение в собранном виде, 1 - тело распределительного канала головки, 2 - пьезоэлектрический преобразователь, 3 - электроды пьезоэлектрического преобразователя, 4 - источник высокочастотного напряжения, 5 - сопла, 6 - сопловая пластина, 7 - внутренняя полость распределительного канала, 8 - трубка для подачи чернил, 9 - трубка для выхода чернил[ссылка на источники литературы] показана печатающая головка, в которой колебания пьезоэлектрика передаются только сопловой пластине [ссылка на источники литературы]. Эта головка, имеющая ширину 7,5 см, работает на частоте колебаний 200 кГц.

В скоростных струйных печатных машинах Kodak Versamark используются печатающие головки шириной до 9 дюймов (22,8 см) с плотностью размещения 300...360 сопел на дюйм. При многокрасочной печати головки для разных красок располагают одну за другой. Машины позволяют проводить печать со скоростью более 100 м/мин. Так, модель Kodak Versamark VX 5000 Plus, доступная в 11 различных конфигурациях, позволяет печатать со скоростями 228 м/мин (3080 страниц А4 в минуту) и 152 м/мин (2052 страницы А4 в минуту). При высокой скорости разрешение печати и качество воспроизведения тоновых и штриховых изображений ухудшаются. Режим может использоваться для печати почтовых рассылок и тразакционной печати.

Фирмой Kodak разработан способ непрерывной струйной печати с термической активацией каплеобразования. Принцип ее заключается в следующем. Вылетающая из сопла струя получает от микронагревателя тепловые импульсы определенной частоты. Поверхностное натяжение чернил зависит от их температуры, поэтому каждый тепловой импульс вызывает изменение поверхностного натяжения (уменьшает его). Поверхность жидкости выводится из состояния равновесия, и в струе возникает капиллярная волна. При наложении таких колебательных возмущений на собственные колебания чернил струя разбивается на отдельные капли.

Отказ от механической стимуляции каплеобразования снимает с непрерывной струйной печати ограничения, связанные с паразитными колебаниями. Это позволяет сочетать высокую скорость печати (использование широкоформатных печатающих головок) с высоким качеством печати.

Как и в классическом способе непрерывной струйной печати, в новом способе создается непрерывная капельная струя и обеспечивается ее разделение на рабочие и нерабочие капли.

Печатающая головка с термической активацией каплеобразования содержит множество сопел, снабженных нагревательными элементами. При подаче на нагреватель импульса электрического напряжения через него проходит ток, вызывающий сильный кратковременный нагрев. Тепловой импульс передается чернилам струи. Поверхностное натяжение нагретого участка струи понижается. Так как нагрев, вызывающий возмущение струи, происходит периодически, возникает капиллярная волна, и струя на некотором расстоянии от сопла разбивается на капли. Размер капель зависит от частоты подачи тепловых импульсов. Чем они реже, тем больше капли (рис. 2.1.6 Рис. 2.1.6. Схема формирования капельной струи. На схеме: а - формирование струи маленьких капель (запись изображения не происходит), б - формирование струи при записи изображения. 1 - время между импульсами, 2 - период, соответствующий рабочей капле, 3 - электрические импульсы, 4 - маленькие капли, 5 - большая капля). Запись изображения производится большими каплями.

Когда запись изображения не производится, частота подаваемых импульсов высокая. На рис. 2.1.6 их 5 за период Т. Образующиеся маленькие капли попадают в каплеуловитель. Если капля должна попасть на печатный материал, частота импульсов понижается (1 импульс за период). Объем капли увеличивается, например, в 5 раз.

Так как рабочие и нерабочие капли имеют разные размеры, их можно заставить лететь по разным траекториям потоком воздуха.

В струйной печатающей головке струи, содержащие капли разных размеров, летят прямолинейно сверху вниз, пока не попадают в зону действия газового дефлектора, где перпендикулярно направлению струй подается поток воздуха (рис. 2.1.7 Рис. 2.1.7. Схема устройства непрерывной струйной печати, печатающего большими каплями. На схеме: 1 - нагреватель, 2 - чернильная струя, 3 - поток воздуха, 4 - печатающие капли, 5 - нерабочие капли, 6 - каплеуловитель, 7 - бумажное полотно). Капли, имеющие меньший объем и массу, смещаются газовым потоком на большее расстояние, чем большие капли. Таким образом, происходит разделение струй на две. В принципе, можно использовать для печати либо большие капли, либо маленькие капли. На схеме рис. 2.1.7 показана печать большими каплями. Маленькие капли, отклоненные газовым дефлектором в наибольшей степени, попадают в каплеуловитель.

На основе технологии Kodak Stream были созданы 2 цифровые печатные машины (ЦПМ), печатающие водными чернилами. Машина Kodak PROSPER 1000 Press предназначена для однокрасочной печати со скоростью до 200 м/мин на рулонной бумаге плотностью 45-175 г/кв.м. Ширина печати до 600 мм, разрешение 600 dpi, размер капель 6 или 9 пл. Машина содержит две линейки печатающих головок, по 6 струйных модулей каждая. Батареи головок размещены поперек рулона и во время печати они неподвижны. После каждой линейки головок установлено ИК-сушильное устройство.

Машина может производить печать со скоростью 3600 стр. А4/мин на одном рулоне или на двух рулонах (лицо и оборот). Ее можно использовать для печати почтовых рассылок и книжной продукции.

Вторая рулонная машина Kodak PROSPER 5000XL Press предназначена для 4-красочной печати. Печатающее устройство содержит 4 широкоформатной головки (линейки из 6 печатающих головок). После каждой широкоформатной головки расположено сушильное устройство, для окончательной сушки служит пятое устройство.

Пригодна бумага плотностью 45-300 г/кв.м, с покрытием и без покрытия. При печати на бумагах без покрытия в линию с машиной может быть установлено устройство для нанесения подслоя (праймера), что позволяет расширить ассортимент печатных материалов, а также послепечатное оборудование.

Машина предназначена для печати книг, почтовых рассылок, каталогов и вкладок.

Для гибридной печати предназначены печатающие головки Kodak Prosper S10 шириной около 10 см. Она впечатывает переменные данные в офсетную продукцию.

В импульсной струйной печати капля чернил выталкивается из сопла при подаче электрического импульса на активатор (actuator), отвечающий за образование капель. Чернила, вылетевшие из сопла, полностью идут на построение изображения на печатном материале. Печатающая головка для импульсной струйной печати содержит множество сопел. Струйный микромодуль, относящийся к каждому соплу, включает чернильную камеру, канал для входа чернил в камеру из резервуара (или распределительного канала) и выходной канал, заканчивающийся соплом. На стенке выходного канала или на стенке (крыше) чернильной камеры располагается активатор, получающий импульсы электрического напряжения из микрочипа, управляющего работой головки. Струйный микромодуль называется также эмиттером капель или генератором капель. Способ импульсной струйной печати определяется видом используемого активатора. Различают следующие виды импульсной струйной печати: пьезоэлектрическую (пьезоструйную), термоэлектрическую (термоструйную и термомеханическую).

Типовая пьезоструйная печатающая головка включает линейку эмиттеров капель, каждый из которых заканчивается калиброванным отверстием - соплом. В общем случае каждое сопло соединено каналом с чернильной камерой. Камера узким каналом связана с резервуаром чернил, общим для всех сопел, печатающих чернилами одного цвета. На верхней стенке чернильной камеры, или на стенке канала, связанного с соплом, расположен пьезоэлемент, который при сообщении электрического импульса изменяет внутренний объем эмиттера. Уменьшение объема приводит к выталкиванию из сопла порции чернил, которая вылетает в виде капельки того или иного размера. Размеры капелек и их скорость зависят от размеров сопла, конструкции печатающей головки, режимов ее работы (в том числе формы электрического сигнала, подаваемого на пьезоэлемент) и от чернил. Эмиттеры капель пьезоструйных головок могут различаться по конструкции и по характеру деформации пьезоэлектрического элемента.

Причиной деформации пьезоэлектриков при наложении электрического поля является обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в следующем. Под действием электрического поля пьезоэлектрики быстро и сильно поляризуются и поэтому изменяют свои размеры. При снятии поля происходит возвращение этих материалов к первоначальному состоянию.

Некоторые материалы, например, пьезокерамика, проявляют способность к обратному пьезоэлектрическому эффекту, если их предварительно поляризуют. В струйных печатающих головках широко используют пьезокерамические активаторы на основе цирконата - титаната свинца, так как они обладают высокой прочностью и стабильностью пьезоэлектрических свойств.

При наложении электрического поля на поляризованную пьезокерамическую пластинку возможно два вида деформации.

Если направление электрического поля параллельно направлению вектора поляризации, пьезокерамическая пластинка изменяет горизонтальный и вертикальный размеры, сохраняя свой объем. В зависимости от того, совпадают направления вектора поляризации и вектора напряженности поля или они противоположны друг другу, пластинка становится тоньше и шире либо толще и уже.

Если пьезокерамическая пластинка жестко закреплена на эластичной стенке камеры (рис. 2.2.1 Рис. 2.2.1. Схема эмиттера капель, работающего в режиме изгибания стенки чернильной камеры. На схеме: 1 - диафрагма, 2 - пьезоактиватор, 3 - распределительный канал, 4 - входной канал, 5 - чернильная (напорная) камера, 6 - сопло, 7 - выходной канал), то при изменении ее размеров происходит изгибание эластичной стенки. При ее изгибании в сторону камеры происходит уменьшение объема камеры, и выдавливание из сопла капли чернил. Изгибаясь наружу, пьезокерамический активатор увеличивает объем камеры, и в камеру из резервуара через входной канал попадает порция чернил. Удельная деформация чрезвычайно мала, поэтому правильнее говорить об акустической волне, возникающей внутри эмиттера, выталкивающей каплю из сопла. Чтобы усилить давление на чернила, пьезоактиватор делают достаточно большим. Так, при ширине камеры 108 мкм и ее длине 400 мкм, пьезоактиватор в печатающих головках Epson Micro Piezo составляют из пьезокерамических пластинок длиной 1 мм, получая общие размеры <?xml version="1.0"?>
мкм. Схема печатающей головки Epson показана на рис. 2.2.2 Рис. 2.2.2. Общий вид пьезоструйной печатающей головки Epson, использующей режим изгибания стенки чернильной камеры. На схеме: 1 - канал, заканчивающийся соплом, 2 - вибрационная пластина с пьезокерамическим активатором 5, 3 - канал подачи чернил из резервуара, 4 - чернильная (напорная) камера.

Деформация в режиме сдвига наблюдается, если направления электрического поля и поляризации пьезокерамического элемента перпендикулярны друг к другу. Этот тип деформации называется Shear Mode (режим сдвига).

Тип деформации пьезоэлектрического активатора при работе в режиме сдвига показан на рис. 2.2.3 Рис. 2.2.3. Деформация пьезокерамической пластинки в режиме сдвига. Горизонтальная стрелка - направление вектора напряженности электрического поля, вертикальная стрелка - направление вектора поляризации пьезокерамики. В печатающих головках для импульсной струйной печати реализовано два варианта: «Shear Mode» фирмы Spectra и «Shear Mode/Shared Wall» фирмы Хааr. В первом случае из пьезокерамики выполнена верхняя стенка чернильных камер, а во втором - пьезокерамическими являются стенки каналов.

Рассмотрим принцип работы эмиттеров струйных печатающих головок фирмы Spectra, пьезоэлектрики которых работают в режиме сдвига (Shear Mode).

В головках Spectra из пьезокерамики выполнена тонкая покровная пластина чернильных камер. Пьезокерамическая пластина общая, а электроды индивидуальны для каждой камеры. При подаче импульса напряжения на средний электрод (электроды справа и слева заземлены) происходит деформация сдвига в участках пьезоэлектрика, расположенного по обеим сторонам электрода. Так как электрические поля справа и слева от электрода имеют противоположные направления, деформация обеспечивает подъем участка тонкой пьезокерамической пластины, находящегося под средним электродом. Объем чернильной камеры увеличивается, и в нее засасывается порция чернил. По окончании действия импульса пластина возвращается в прежнее положение, из сопла, находящегося напротив среднего электрода, выталкивается чернильная капля. При выталкивании капли возможна деформация вовнутрь камеры за счет изменения направления электрического поля. Характер деформации и кинетика образования и выброса капли видны на рис. 2.2.4 Рис. 2.2.4. Схема печатающей головки Spectra (а) и образование капельной струи (б). На схеме (а): 1 - пьезокерамическая пластина, 2 - электроды, 3 - чернильная камера, 4 - сопло, 5 - генератор изображения, 6 - капли. На схеме (б): А - состояние покоя, Б - деформация пьезокерамической пластины при подаче импульса напряжения и втягивание мениска чернил внутрь камеры, В и Г - образование и выброс капли.

Схема печатающих головок ХааrToshiba), работающих на принципе Shear Mode/Shared Wall (то есть в режиме «сдвиг/общая стенка»), приведена на рис. 2.2.5 Рис. 2.2.5. Печатающая головка Хааr, работает в режиме сдвиг/общая стенка (Shear Mode/Shared Wall). На схеме: а) печатающая головка, сопловая пластина показана отдельно; б) схема деформации стенок канала при подаче импульса напряжения на электроды; в) печатающая головка, покровная пластина с входным отверстием для чернил 7 поднята, видны каналы. Сопловая пластина не показана. На схемах (а) и (б): 1 - базовая пластина, 2 - покровная пластина, 3 - канал, 4 - стенка канала, 5 - пластина с соплами, 6 - электрод; 7 - проводники; на схеме (в): 1 - отверстие в покровной пластине для входа чернил, 2 - проводники, 3 - базовая часть головки с каналами, 4 - каналы, 5 - электрод, 6 - покровная пластина.

В этой головке к базовой пластине прикреплены два пьезокерамических слоя, в них выполнены каналы эмиттеров капель. Они заполняются чернилами через распределительную камеру, находящуюся под покровной пластиной, где имеется отверстие для связи с картриджем чернил. Верхний и нижний пьезокерамические слои поляризованы в противоположных направлениях. На стенках каналов находятся электроды. Электроды, прикрепленные к стенкам одного канала, электрически связаны между собой. Спереди к головке прикрепляется пластина с соплами таким образом, что каждый канал заканчивается соплом.

При подаче импульса напряжения на электроды, находящиеся по обе стороны стенки, разделяющей соседние каналы, в ней создается электрическое поле. Так как электроды одного канала связаны, электрическое поле и деформация сдвига, возникающая в стенках канала, имеет противоположное направление. Так как верхняя и нижняя части стенок прикреплены к пластинам, сдвигаться могут лишь их средние части. Характер деформации каналов виден на рис. 2.2.5, б.

При формировании капли канал вначале увеличивается в объеме, а затем за счет изменения направления электрических полей он сужается и из сопла выталкивается капля чернил. Затем канал снова расширяется и заполняется чернилами из резервуара. В данном типе головки одновременно может работать только каждое третье сопло. Для повышения аппаратного разрешения, превышающего 360 dpi, печатающая головка ориентируется так, что сопловые пластины с линейками сопел составляют с направлением движения блока головок угол, отличный от <?xml version="1.0"?>
Дальнейшее повышение разрешения достигается за счет переменного размера капель (раздел 2.2.1.2) и режимов движения головки. Разрешение может достигать 720 dpi и даже 1440 dpi.

Периодическая деформация пьезокерамического активатора в головке любого типа генерирует волну акустического давления, направленную к соплу. Когда сила давления жидкости превышает силу поверхностного натяжения, препятствующего истечению чернил, происходит выброс капельки чернил. При этом сила динамического давления должна обеспечить капельке импульс движения, достаточный для ее доставки из сопла к бумаге. Деформация пьезоэлектрического активатора имеет субмикронный порядок. Чтобы обеспечить достаточное акустическое давление на чернила, физический размер пьезоэлемента должен быть много больше размера сопла.

Диаметр сопла связан с объемом выбрасываемых капель, и для объема 10 пиколитров (1 пл = <?xml version="1.0"?>
л), он составляет около 20 мкм. В современном струйном оборудовании минимальный объем капли уменьшился до 1,5...5 пл, что привело к соплам размером 10 мкм и даже меньше.

В традиционных печатающих головках Epson при маленьком размере сопла (10-20 мкм) ширина чернильной камеры составляет 108 мкм, а ширина пьезоэлектрика - 141 мкм. Это ограничивает плотность размещения сопел 180 на дюйм. Чтобы повысить разрешение печати с 180 до 360 dpi сопла располагают в два ряда со сдвигом.

Дальнейшее повышение разрешения (увеличение количества тонов и цветов изображения) достигается выбросом капель нескольких размеров.

Размер капель и скорость работы головки зависят от частоты, длительности и формы электрического сигнала, подаваемого на пьезоэлектрический активатор.

Наиболее эффективную работу головки обеспечивает рабочая частота выброса капель, соответствующая собственной частоте колебаний мениска жидкости в сопле. Если собственная частота равна 40 кГц, то ширина сигнала (длительность) должна быть около 25 мкс.

Сигнал (импульс напряжения) должен состоять, как минимум, из двух частей, по длительности, равных половине длины волны. Половина сигнала отвечает за выталкивание чернил из сопла, а половина помогает ускорить заполнение эмиттера чернилами. Наибольшую скорость выброса капель обеспечивает режим, при котором вначале импульс втягивает мениск в сопло, а чернила - в камеру. В тот момент, когда чернила готовы изменить направление движения, вторая половина импульса сообщает чернилам импульс движения в сторону сопла. Оба колебания (собственное и наложенное) находятся в одной фазе, поэтому они усиливают друг друга и возрастает амплитуда колебаний, заканчивающихся выбросом капли.

Форма импульса сложная, она управляет следующими перемещениями чернил. Вначале мениск медленно втягивается в сопла перед выбросом капель, чтобы получить одинаковую форму мениска во всех соплах. В это время в камеру из входного канала попадает порция чернил. Затем давление в чернильных камерах резко возрастает за счет того, что стенка камеры изгибается внутрь, и капля выталкивается из сопла. Далее производится втягивание мениска, чтобы быстро подавить его осцилляцию после выброса капли.

На рис. 2.2.6 Рис. 2.2.6. Формирование капель разных размеров изменением формы электрического сигнала [26][ссылка на источники литературы] показан выброс капель большого размера (режим I) и маленького размера (режим II). Период сигнала отсчитывается от начала подъема (положительная часть импульса заполнения мениска) через спад от максимума до минимума (выдавливание чернил) до подъема до нулевого уровня (отрицательная часть импульса заполнения мениска). Таким образом, на выброс струи предназначена четверть ширины сигнала (спад). Для маленьких капель (режим II) время набора чернил уменьшено и в состав сигнала входит дополнительный маленький импульс, заканчивающийся на выдавливании чернил до нулевого уровня мениска.

Другой способ получения капель разных размеров состоит в слиянии нескольких капель в одну. В печатающих головках Panasonic используется метод резонанса, когда для получения капель больших размеров на пьезоактиватор подается один или несколько предварительных импульсов. В результате сложения амплитуд колебания размер вылетающей капли увеличивается.

Распространенным способом является выброс из сопла в одну точку материала цепочки из разного количества капель (до 3 или 7). На материале образуются капли разных размеров. Способ используется, например, в печатающих головках Хааr. В этих головках исходная капля может иметь объем 1 или 6 пл, а капля, составленная из семи капель, - объем 7 или 42 пл соответственно. Большие капли используют для запечатывания сплошных участков, а мелкие капли - для получения мелких деталей и плавного изменения тонов.

Понятно, что при использовании режима переменного размера капель печать идет медленнее, чем в бинарном режиме, где все капли одинаковы.

Использование в комплекте светлых чернил (светлых голубых, пурпурных и серых чернил) позволяет еще более повысить число градаций по насыщенности для каждого цвета чернил и общее число цветов.

В последние годы для изготовления печатающих головок стали использовать методы, характерные для микроэлектроники MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Основой любой MEMS-структуры является пластина, представляющая собой кристалл кремния. На одной из кремниевых пластин методами MEMS (напылением, фотолитографией, сухим травлением, лазерной абляцией и др.) формируются структуры эмиттеров головки, а на другой - микросхемы (платы), управляющие образованием капель, и, по необходимости, каналы для подачи чернил. Склеив их вместе, получают чип, который в головках MEMS называют кристаллом. Печатающая головка включает несколько чипов, расположенных с перекрытием крайних сопел.

Применение оборудования и технологий MEMS для изготовления печатающих головок дает возможность создавать плотные ряды сопел микронного и субмикронного размеров, с высокой повторяемостью размеров элементов, прочностью элементов, а также позволяет удешевить производство головок большого размера. Технологии MEMS используют многие фирмы-производители печатающих головок и принтеров. В качестве примеров рассмотрим новые печатающие головки двух фирм: Epson и Dimatix (образована фирмами Fuji и Spectra).

Печатающая головка Epson последнего поколения называется Micro Piezo TFP Printhead, TFP - аббревиатура «thin film piezo». Головки Micro Piezo TFP содержат тонкопленочные пьезоактиваторы. Если пьезокерамическая пластинка активатора в традиционных головках имела толщину 1 мм и ширину 141 мкм, то толщина нового пьезоэлектрика 1 мкм, а его ширина 71 мкм. Это стало возможным за счет применения нового материала с повышенной удельной деформацией и технологий MEMS для нанесения тонких пленок.

Новые печатающие головки могут выбрасывать капли того же размера, что и традиционные головки, при вдвое меньшем объеме чернильной камеры. В них сопла одного ряда располагаются с плотностью 360 на дюйм. Два ряда сопел, размещенные со сдвигом, обеспечивают физическое разрешение печати 720 dpi. Головки могут образовывать капли разных размеров, как и головки предыдущего поколения, что позволяет значительно увеличить разрешение печати.

Поскольку технологии MEMS позволяют получать строго одинаковые структуры эмиттеров, стало возможным увеличение размера печатающих головок. На рис. 2.2.7 Рис. 2.2.7. Печатающие головки Epson: a - блок из 4 однокрасочных головок, б - 4-красочная головка. На схеме видны ряды сопел. Стрелки показывают направление перемещения головки (поперек печатного материала) показан чип шириной 2,54 см, содержащий 8 рядов сопел, причем сопла для красок одного цвета расположены симметрично относительно средней линии, параллельной линиям сопел. Это позволяет получать одинаковый порядок наложения красок при прямом и возвратном перемещении головки. Разместив 4 чипа на общем основании в два ряда в шахматном порядке, получили печатающую головку шириной 30,8 см.

Все это позволяет значительно повысить скорость печати при сохранении высокого разрешения и высокого качества печати. Так, в офисных принтерах B500DN с головками шириной 10,8 см скорость цветной печати в стандартном режиме составляет 32 с/мин.

В струйной цифровой печатной машине Screen True Press 520 Jet из головок Micro Piezo TFP, размещенных на общем основании, получают головку шириной до 520 мм. Расположенные друг за другом поперек печатного материала широкие головки обеспечивают скорость цветной печати водными чернилами 63 м/мин при разрешении 720<?xml version="1.0"?>
720 dpi. Блок печатающих головок показан на рис. 2.2.8 Рис. 2.2.8. Блок печатающих головок в машине Screen True Press 520 Jet.

Фирма Dimatix (образованная компаниями Spectra и Fuji) выпускает широкоформатные головки «М-класса», (изготовленные по технологии MEMS) под тем же названием (рис. 2.2.9 Рис. 2.2.9. Схема эмиттера капель печатающей головки Dimatix (а) и фрагмент кристалла (чипа) (б). На схеме: 1 - пьезоактиватор на кремниевой диафрагме, 2 - чернильная (напорная) камера, 3 - акустическая решетка, 4 - сопло, 5 - выходной канал, 6 - тело эмиттера. Стрелкой показано направление движения чернил). Печатающая головка составляется из кристаллов (кремниевых чипов) размером 45<?xml version="1.0"?>
6,5 мм, содержащих 304 эмиттера капель, канал подачи чернил и управляющую электронику. Сопла эмиттеров расположены в два ряда симметрично относительно средней линии кристалла (рис. 2.2.9, б). Расстояние между соплами одного ряда соответствует разрешению 182 dpi. Каналы подачи чернил проходят вдоль основания кристалла.

Строение эмиттера капель новой печатающей головки (рис. 2.2.9, а) другое, чем у головок Spectra (рис. 2.2.4 Рис. 2.2.4. Схема печатающей головки Spectra (а) и образование капельной струи (б). На схеме (а): 1 - пьезокерамическая пластина, 2 - электроды, 3 - чернильная камера, 4 - сопло, 5 - генератор изображения, 6 - капли. На схеме (б): А - состояние покоя, Б - деформация пьезокерамической пластины при подаче импульса напряжения и втягивание мениска чернил внутрь камеры, В и Г - образование и выброс капли, а). Чернила подаются в напорную камеру снизу основания кристалла через концевое акустическое устройство 3. Наличие такого устройства увеличивает за счет резонанса амплитуду акустической волны, выталкивающей чернила. Это позволяет уменьшить размер пьезоактиватора, расположенного в позиции 1 рисунка. Из напорной камеры 2 чернила поступают через выходной канал в сопло, откуда перпендикулярно плоскости кристалла вылетают чернильные капли с частотой 100 кГц.

Из кристаллов может быть получена составная головка большой длины, в том числе страничного формата. Кристаллы располагают на общем основании, содержащем управляющую плату, ступенчато с наклоном (в форме лесенки). Так обеспечивается перекрытие сопел в направлении движения полотна печатного материала. Головка в процессе печати неподвижна. Такие печатающие головки стоят в листовой струйной цифровой печатной машине Fujifilm Digital Inkjet J Press 720, печатающей водными чернилами со скоростью 180 стр. А4 в минуту (2700 листов форматом 720<?xml version="1.0"?>
520 мм в час). Разрешение печати при условии использования режима серой шкалы с 4 градациями на точку равно 1200<?xml version="1.0"?>
1200 dpi.

Твердые чернила имеют в своем составе полимерный воск. При комнатной температуре они твердые, а при нагревании они плавятся и превращаются в жидкость, низкая вязкость которой позволяет использовать чернила для струйной печати. В настоящее время чернила применяются в многофункциональном устройстве Xerox ColorQube серии 9200, например, ColorQube 9203. Компания Xerox разработала также струйную цифровую печатную машину с твердыми чернилами. Рулонная машина Xerox Ci Press 500 печатает на полотне шириной до 520 мм со скоростью до 150 м/мин.

Рассмотрим технологию печати твердыми чернилами на примере многофункционального устройства.

Печатающее устройство содержит печатающую головку, офсетный барабан, устройство очистки барабана, прижимной валик и бумагопроводящую систему с подогревом бумаги перед станцией переноса изображения с барабана на печатный материал. Принципиальная схема устройства показана на рис. 2.2.10 Рис. 2.2.10. Схема печатающего устройства, использующего твердые чернила. На схеме: 1 - офсетный барабан, 2 - печатающая головка, 3 - устройство очистки барабана, 4 - прижимной валик, 5 - бумага, 6 - устройство подогрева бумаги.

Технологический процесс производится следующим образом. Чернила загружаются в печатающую головку (рис. 2.2.11 Рис. 2.2.11. Схема подачи чернил из резервуара (а) и схема печатающей головки в твердо-чернильном принтере (б). На схеме: 1 - резервуар, 2 - каналы, 3 - распределительный канал, 4 - входной канал из распределительного канала в эмиттеры капель, 5 - напорная камера, 6 - выходной канал, 7 - сопло, 8 - пьезоактиватор. Стрелки - капельные струи [26][ссылка на источники литературы]) в виде твердых брикетов 4-х цветов, различающихся по форме.

В головке они нагреваются, расплавляются и попадают в чернильный резервуар, а оттуда - в распределительные каналы печатающей головки. Головка содержит 4 распределительных канала по одному на цвет чернил и ряды сопел для чернил цветов CMYK. Из распределительного канала чернила, нагретые до температуры около 110<?xml version="1.0"?>
С, попадают в эмиттеры капель и вылетают из сопел эмиттеров капель в виде капельных струй. При указанной температуре чернила приобретают достаточно низкую вязкость для струйной печати.

На барабан наносится тонкий слой силиконового масла, облегчающий передачу изображения на бумагу. Барабан нагрет до температуры около <?xml version="1.0"?>
Чернила, попадая на барабан, остывают, они не растекаются по поверхности барабана, но сохраняют пластичность. Полученные на барабане точки и штрихи - рельефные.

Чернильное изображение доставляется на вращающемся барабане в зону переноса на бумагу. Бумага, имеющая температуру 40<?xml version="1.0"?>
С, прижимается к барабану прижимным валиком. Перенос под давлением увеличивает адгезию красочного слоя, при этом рельеф элементов изображения уменьшается.

Печатающие головки, расположенные в шахматном порядке на общем основании, покрывают всю ширину листа А3+ (его короткой стороны). Печать идет в два прогона. При втором происходит небольшое боковое смещение головки. Максимальное разрешение печати 600<?xml version="1.0"?>
600 dpi. Скорость печати в стандартном режиме 60-70, а режиме фотографического качества - 35-38 стр. А4/мин.

В этом способе при закреплении отпечатка на печатном материале происходит изменение фазового состояния чернил, из чернил не выделяются растворители. Поэтому не требуется ни сушка, ни впитывание чернил в печатный материал. Кроме того, макулатура легко очищается от краски. Недостатком чернил является чувствительность отпечатков к повышенной температуре. Ведется разработка чернил, которые могут отверждаться на отпечатке.

В импульсной термоэлектрической струйной печати (термоструйной печати) активатором, управляющим выбрасыванием из сопла чернильных капель, служит нагревательный элемент. Это тонкая полоска электропроводящего материала с высоким сопротивлением. При подаче электрического импульса полоска разогревается, чернила около нее закипают, и образуется пузырек водяного пара. Этот пузырек давит на чернила, и из сопла вылетает чернильная капля. Нагревательный элемент может быть расположен на стенке («крыше») чернильной камеры, на стенке канала, заканчивающегося соплом или внутри эмиттера. Генерацию капель в чернильной камере используют в своих печатающих головках фирмы Hewlett Packard и Lexmark, а генерацию капель в каналах - фирма Canon, назвавшая свою технологию Bubble Jet (фирмы приведены для примера). Недавно на рынке появились принтеры с печатающим устройством Memjet, печатающие головки к ним разработала австралийская фирма Silverbrook. В эмиттерах капель этих головок нагреватель расположен, в основном, внутри канала с чернилами.

Механизм генерации капелек под действием локального нагрева рассмотрим на примере эмиттера капель, использованного в печатающих головках фирмы Canon (рис. 2.2.12 Рис. 2.2.12. Схема генерации капли в чернильном канале термоструйного эмиттера. На схеме: а - канал с нагревательным элементом на стенке, б, в - рост пузырька пара и выдавливание чернил из сопла, г - опадание пузырька и выброс капли, д - возвращение эмиттера капель в исходное состояние, капля - в полете). Эмиттер состоит из узкой напорной камеры (канала), оканчивающейся соплом с одной стороны и входным каналом из чернильного резервуара - с другой. На стенке канала находится полоска нагревательного элемента. При прохождении через полоску тока она разогревается до высокой температуры, разогревая, в свою очередь, находящиеся рядом чернила. Вода, служащая растворителем чернил, быстро доходит до температуры перегрева (более 200<?xml version="1.0"?>
). Происходит моментальный (взрывной) переход перегретой воды в пар. Время воздействия на чернила высокой температуры составляет от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд, поэтому закипает только тонкий слой прилегающих к полоске чернил. Паровой пузырек давит на чернила, у которых имеется один выход - через сопло наружу. Так как выталкивание происходит быстро и с давлением, чернила выбрасываются из сопла. На воздухе за счет сил поверхностного натяжения из них образуется капля. Растратив энергию на выброс капли, пузырек опадает. Из входного канала внутрь рабочего канала поступает новая порция чернил, а мениск чернил в сопле изгибается внутрь сопла.

На рис. 2.2.13 Рис. 2.2.13. Схема эмиттера капли Hewlett Packard с размещением термоактиватора на стенке чернильной камеры. На схеме: 1 - сопло, 2 - чернильный канал, 3 - чернильная (напорная) камера, 4 - нагревательный элемент, 5 - паровой пузырек приведена схема эмиттера капель с термоэлементом на «крыше» чернильной камеры. Пузырек образуется в этой камере, а капля чернил выдавливается через выходной канал и сопло. Разница между этим вариантом эмиттера и эмиттером Canon состоит в том, что здесь термоэлемент расположен не вблизи сопла, а его отделяет от сопла выходной канал. В остальном механизм выброс капли тот же.

Термоструйная печать широкоформатными головками затрудняется тем, что нагреватели выделяют большое количество тепла. Часть тепла передается телу эмиттера капель, так как нагреватель находится на его стенке. Австралийской фирмой Silverbrook разработан спиральный подвесной нагреватель. Его сечение с образовавшимся паровым пузырьком показано на рис. 2.2.14 Рис. 2.2.14. Сечение эмиттера капли головки Memjet с подвесным нагревателем [2]. На схеме: 1 - напорная камера, 2 - сопловая пластина, 3 - входной канал, 4 - спиралеобразный нагревательный элемент, 5 - чернила, 6 - паровой пузырек, 7 - капля[ссылка на источники литературы], а сам нагреватель виден на рис. 2.2.15 Рис. 2.2.15. Общий вид эмиттера капли головки Memjet с подвесным нагревателем. На схеме: 1 - сопловое отверстие, 2 - нагреватель [2][ссылка на источники литературы]. Нагреватель имеет с телом эмиттера малую площадь контакта (концы спирали). Это позволяет нагревать чернила до температуры парообразования с меньшей затратой тепловой энергии, что облегчает функционирование широкоформатной печатающей головки. В результате удалось разработать принтер Memjet, который позволяет печатать каплями размером 1,4 пл с повышенной скоростью. Схема эмиттера капель взята из патента фирмы Silverbook.

В термоструйной печати нельзя, изменяя форму электрического импульса, менять размер капли. Для увеличения глубины цвета используют следующие методы варьирования количества чернил, попадающих на каждый микроучасток изображения. В фотопринтерах Hewlett Packard количество тонов повышается за счет того, что в каждую точку может попадать множество капель чернил, в том числе разного цвета. Вначале это количество доходило до 16 (Photo RET II), а в настоящее время - до 32 (Photo RET IV) капель размером около 4 пл. Слово RET - аббревиатура от Resolution Enhancement Technology (Технология повышения разрешения). Интерполированное разрешение составляет 2400<?xml version="1.0"?>
1200 dpi. Добавляются светлые пурпурные и светлые голубые чернила. Для улучшения передачи серых тонов в принтер вместо стандартного черного картриджа можно установить картридж, имеющий три камеры со светлыми фиолетовыми и синими чернилами и специальными черными чернилами на основе красителя. Отпечатки фотографического качества получают на фотобумаге (бумаге с покрытием).

Фирма Canon для печати фотографического качества использует технологию Drop Modulation Technology, позволяющую генерировать капли двух размеров. Достигается это путем размещения в каждом канале по 2 нагревательных элемента. Если электрический импульс подается на один элемент, образуется маленький пузырек, а при нагревании двух элементов, размер пузырька увеличивается. В первом случае из сопла вылетает капелька в три раза меньше, чем во втором (минимальный объем капли - 4 пиколитра). Чтобы облегчить отделение такой маленькой капли от сопла и обеспечить достаточную скорость ее движения, нагреватели располагаются близко к соплу. Для повышения количества тонов и цветов в фотопринтерах используется набор чернил 6-8 цветов, включающих в себя, помимо 4-х цветов CMYK, светлые чернила, голубые, пурпурные и серые. Светлые чернила особенно благоприятно сказываются на воспроизведении светлых цветных участков изображения. Достигается разрешение, эквивалентное 1800 dpi.

Для печати фотографического качества требуется фотобумага.

Для печати на офисных бумагах может быть использован подслой под чернила. Бесцветные подслои наносятся из специальной печатающей головки перед нанесением основных чернил. Именно подслои имеют непосредственный контакт с бумагой. Чернила ложатся на подслой. В этом случае уменьшается впитывание чернил в толщу бумаги, насыщенность цветов отпечатков повышается и увеличивается разрешение печати. Поскольку чернила непосредственно с бумагой не реагируют, понижаются требования к бумаге. Компания HP использует подслой в многофункциональном устройстве СМ8060 и цифровой печатной машине HP T300 Inkjet Web Press.

Термоструйные печатающие головки нового поколения изготовляются методами MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), традиционно используемыми в микроэлектронике. Это увеличивает геометрическую точность выполнения сопел и эмиттеров капель разных (в том числе очень маленьких) размеров, обеспечивает их повторяемость и позволяет применять «масштабирование» - составление из модулей печатающих головок необходимого размера (формата) и тем самым обеспечение заданной ширины печати. Кроме того, использование технологий MEMS позволит удешевить печатающие головки, особенно головки больших форматов.

Рассмотрим, как выглядят эмиттеры капель печатающих головок.

Рис. 2.2.16 Рис. 2.2.16. Образование капли в эмиттере принтера Canon 1850 [54]. На схеме: а - эмиттер капель, где видны нагреватель 1 - сопло, 2 и 3 - чернильный канал, б - начало образования пузырька, в - пузырек выталкивает чернила, г - капля вылетела, д - сопло заполнено чернилами и готово к работе[ссылка на источники литературы] иллюстрирует образование капель в эмиттере нового поколения Canon, использованного в принтере Canon i850. На схеме: а - эмиттер в состоянии покоя, б и в - образуется пузырек и выдавливает из сопла чернила, находящиеся в сопловом канале, г - капля вылетела, и эмиттер начинает заполняться чернилами, д - сопловый канал заполнился и готов к выбросу следующей капли. В этих эмиттерах капель из сопел выталкивается строго определенное количество чернил - находящееся в сопловом канале. Формирование капель разных размеров происходит путем использования двух рядов сопел разных размеров. В эмиттерах одного ряда образуются капли 5 пл, а в эмиттерах второго ряда - капли 2 пл.

На рис. 2.2.17 Рис. 2.2.17. Эмиттер капель печатающей головки HP. На схеме: 1 - сопловый канал, 2 - чернильная (напорная) камера, 3 - нагреватель, 4 - входной канал, 5 - распределительный канал, 6 - проводник показана схема эмиттера капель печатающей головки HP. Его принципиальное отличие от эмиттера печатающей головки Canon нового поколения в том, что нагреватель находится не на стенке соплового канала, а на стенке чернильной камеры против соплового канала.

На рис. 2.2.18 показан пример строения эмиттера капель, полученного методами MEMS. На рисунке - чернильная камера с сопловым каналом и нагреватель 1, представляющий собой тонкий слой сплава тантала с алюминием. Нагреватель имеет контакты из алюминия 2 и защитный слой 3. Канал подачи чернил во внутреннюю полость эмиттера не показан. Структуры эмиттера выполнены на поверхности кремниевой пластины. Во второй кремниевой пластине выполнена управляющая интегральная схема.

Рис. 2.2.18. Схема эмиттера, выполненного на кремниевой пластине [55]. 1 - резистивная пленка из ТаАl, 2 - электрические контакты из алюминия, 3 - защитный слой из Si3N4 + SiC, 4 - сопловая пластина, 5 - пленка оксида кремния, 6 - кремниевая пластина[ссылка на источники литературы]

Рис

Рис. 2.2.18. Схема эмиттера, выполненного на кремниевой пластине [55].

1 — резистивная пленка из ТаАl, 2 — электрические контакты из алюминия,

3 — защитный слой из Si3N4 + SiC, 4 — сопловая пластина, 5 — пленка оксида

кремния, 6 — кремниевая пластина

© Центр дистанционного образования МГУП