Как печатает струйный принтер? Основные способы струйной печати. Термическая струйная печать

Основой любого процесса струйной печати является процесс создания капель красителя и переноса этих капель на бумагу или любой другой носитель, пригодный для струйной печати. Управление потоком капель позволяет добиться различной плотности и тональности изображения.
На сегодняшний день существует два различных подхода к созданию управляемого потока капель. Первый метод, основанный на создании непрерывного потока капель, так и называется - метод непрерывной струйной печати . Второй метод создания потока капель предусматривает возможность непосредственного управления процессом создания капли в нужный момент времени. Системы, использующие этот метод управления потоком капель, получили название системы импульсной струйной печати .

Непрерывная струйная печать

Краситель, находящийся под давлением, поступает в сопло и разделяется на капли путем создания быстрых колебаний давления, получаемые с помощью какого-либо электромеханического средства. Колебания давления вызывают соответствующую модуляцию диаметра и скорости выходящий из сопла струи красителя, которая разделяется на отдельные капли под воздействием сил поверхностного натяжения.
Этот метод позволяет достигать очень большой скорости создания капель: до 150 тыс. штук в секунду для коммерческих систем и до миллиона штук для специальных систем. Для управления потокам капель используется электростатическая система отклонения. Вылетающие из сопла капли проходят через заряженный электрод, напряжение на котором меняется в соответствии с управляющим сигналом. Поток капель попадает за тем в пространство между двумя отклоняющимися электродами, имеющими постоянную разность потенциалов. В зависимости от полученного ранее заряда отдельные капли изменяют свою траекторию по-разному. Этот эффект позволяет управлять положением печатаемой точки, так и ее наличием или отсутствием на бумаге. В последнем случае капля отклоняется настолько, что попадает в специальный улавливатель.
Подобные системы позволяют печатать точки диаметром от 20 микрон до одного миллиметра. Типичной является точка размером 100 микрон, что соответствует объему капли в 500 пиколитров. Основное применение такие системы нашли на рынке промышленной печати, в системах маркировки товаров, массовой печати этикеток, медицине и пр.

Импульсная струйная печать

Этот принцип создания потока капель предусматривает возможность непосредственного управления процессом создания капли в определенное время. В отличие от систем непрерывного действия, здесь отсутствует постоянное давление в объеме чернил, а при необходимости создания капли генерируется импульсы давления. Управляемые системы принципиально менее сложны в изготовлении, однако для их работы требуется устройство создания импульсов давления примерно втрое более мощно, чем для систем непрерывного действия. Производительность управляемых систем составляет до 20 тыс. капель в секунду для одного сопла, а диаметр капель - от 20 до 100 микрон, что соответствует объему от 5 до 500 пиколитров. В зависимости от способа создания импульса давления в объеме с чернилами различают пьезоэлектрическую и термическую струйную печать.
Для реализации пьезоэлектрического метода в каждое сопло установлен пьезоэлемент, связанный с чернильным каналом диафрагмой. Под воздействием электрического поля происходит деформация пьезоэлемента, благодаря которому сжимается и разжимается диафрагма, выдавливая каплю чернил через сопло. Подобный метод генерации капли используется в струйных принтерах Epson.
Положительным свойством таких технологий струйной печати является то, что пьезоэффект хорошо управляем электрическим полем, что дает возможность достаточно точно варьировать объемов получаемых капель, а значит и в достаточной степени влияет на размер получаемых пятен на бумаге. Тем не менее, практическое использование модуляции объема капель затруднено тем, что изменяется не только объём, но и скорость движения капли, что при движущейся головке вызывает ошибки позиционирования точки.
С другой стороны, производство печатающих головок для пьезоэлектрической технологии оказывается слишком дорогим в пересчете на одну головку, поэтому в принтерах Epson печатающая головка является частью принтера и по стоимости может составлять до 70% от общей стоимости всего принтера. Выход из строя такой головки требует серьезного сервисного обслуживания.

Для реализации термоструйного метода каждое из сопел оборудовано одним или несколькими нагревательными элементами, которые при пропускании через них тока за несколько микросекунд нагреваются до температуры около 600С. Возникающие при резком нагревании газовый пузырь выталкивает через выходное отверстие сопла порцию чернил, формирующих каплю. При прекращении действия тока нагревательный элемент остывает, пузырь разрушается, а на его место поступает очередная порция чернил из входного канала.
Процесс создания капель в термических печатающих головках после подачи импульса на резистор почти неуправляем и имеет пороговую зависимость объема испаряемого вещества от приложенной мощности, поэтому здесь динамическое управление объемом капели в отличие от пьзоэлектрической технологии весьма затруднительно.
Тем не менее, термические печатающие головки обладают самым высоким соотношением производительности и стоимости производства единицы продукции, поэтому термоструйная печатающая головка обычно является частью картриджа и при замене картриджа на новый автоматически происходи и смена печатающей головки. Однако, применение термических печатающих головок требует разработки специальных чернил, которые могут достаточно легко испаряться без возгорания и не подвержены разрушению при термическом ударе.

Печатающая головка Lexmark

Печатающая головка черного картриджа обычного разрешения 600 dpi для ранних моделей (Lexmark СJP 1020, 1000, 1100, 2030, 3000, 2050) имели 56 дюз, расположенных в два зигзагообразных ряда. Печатающая головка для цветных картриджей этих моделей имели 48 дюз разделенных на три группы по 16 дюз для каждого цвета (Cyan, Magenta, Yellow). Принтер Lexmark CJ 2070 использовал иную печатающую головку, которая содержала 104 монохромных дюзы и 96 цветных.
Для производства печатающих головок струйных принтеров Lexmark, начиная с 7000 серии используется печатающие головки, изготавливаемые с применением лазерной технологии прошивки дюз (Excimer, Excimer 2). Первые модели печатающих головок содержали 208 монохромных дюз и 192 цветных.
Для модели Z51 и старшей модели семейства Zx2 и Zx3 была разработана своя печатающая головка с 400 дюзами. В модели Z51 использовалась лишь половина дюз, а остальные работали в режиме горячего резерва, когда как в следующих моделях были одновременно задействованы все дюзы.
Младшие и средние модели семейства Zx2 используют картриджи, являющиеся модификацией стандартных картриджей высокого разрешения, а младшие и средние модели семейства Zx3, новые модели картриджей Bonsai.
Не оставляйте дюзы печатающей головки открытыми в течение продолжительного времени. Если дюзы оставить открытыми - чернила в них засыхают и засоряют каналы, что приводит к дефектам при печати. Картридж следует оставлять в принтере или в специальном боксе («гараже »). Нежелательно также дотрагиваться до дюз и контактов руками, так как сальные выделения от кожи могут испортить поверхность.

Характеристики печатающей головки

Период формирования мениска:
Это период времени, необходимый для повторного заполнения камеры чернилами. Он определяет рабочую частоту печатающей головки (от 0 до 1200 Hz).

Скорость капли:
Низкая скорость приводит непрерывному расположению точки.
Высокая скорость приводит к появлению брызг и разводов.

Масса капли определяется:
Размером нагревающего элемента.
Диаметром сопла.
Обратным давлением.

Замечено, что в обычных струйных принтерах капля чернил, попадая на бумагу принимает форму маленького треугольника, поэтому линии при ближайшем рассмотрении выглядят зазубренными. Это связано с тем, что в полете капля деформируется, а при соприкосновении с бумагой - расплывается. Особенно это заметно в низком режиме при экономной печати. Lexmark предлагает принтеры с новой, прогрессивной технологией печати, при которой форма сопел и скорость движения головки сбалансированы так, что капля чернил дают пятна, как равномерные штрихи. Это позволяет сделать линии гладкими, а качество печати почти неотличимы от лазерной печати. Кроме того, такая форма пятна позволяет избежать белесых полос на отпечатке.

Что такое чернила?

Каждый производитель струйных принтеров разрабатывает и совершенствует свой состав чернил, который наиболее адаптирован к выпускаемой технике. У Lexmark основными компонентами чернил для струйных принтеров является:
-Деионизированная вода (85-95% общего объема)
-Пигмент или краситель
-Растворитель (для пигментов)
-Увлажнитель (Humectant)
-Поверхностно-активное вещество (Surfactant)
-Биоцид
-Буфер (стабилизация pH)

Пигмент или краситель . Чернила на основе пигментов (только черные) изготовлены из твердых частиц, находящихся в жидкости. При попадании таких чернил на бумагу жидкость испаряется и частично впитывается, а порошок прилипает к поверхности, не растекаясь по ней. Поэтому чернила на основе пигментов водостойкие, обладают слабым проникновением в волокна бумаги, но они чувствительны к свету.
Чернила на основе красителей - это, как правило, цветные чернила. Краситель растворим в воде и впитывается вместе с ней в толщу бумаги при высыхании. Такие чернила высыхают быстрее пигментных, светоустойчивы, но зато дают в среднем пятен неправильной формы больше, чем последние.
Увлажнитель. Концентрация увлажнителя влияет на вязкость чернил. Этот параметр должен быть оптимален для данного состава чернил и печатающей головки, совместно с которой они будут использоваться. Действительно, с одной стороны, чем больше вязкость, тем хуже чернила растекаются по поверхности бумаги, давая меньший размер точки и тем более четким будет изображение. С другой стороны, слишком большая вязкость приводит к затянутому времени формирования мениска, что ухудшает скорость печати. Обычно, вязкость чернил является ключевым параметром при определении геометрических каналов в печатающей головке.
Поверхностное натяжение влияет на смачиваемость чернилами всех поверхностей, с которыми они соприкасаются, начиная от резервуаров в картридже и кончая поверхностью бумаги. Слишком низкое статистическое поверхностное натяжение приводит к более быстрому высыханию чернил на поверхности бумаги, но при этом средний объем капли при выдавливании чернил из дюз оказывается завышенным. Слишком высокое поверхностное натяжение увеличивает время высыхания, а следовательно ухудшает стойкость изображения при печати.
Уровень кислотности (РН) низкая кислотность приводит к низкой растворимости компонент чернил в воде и как следствие – плохой водостойкости изображения Стандартным считается уровень кислотности в диапазоне от 7.0 до 9.0.
В нутрии картриджа имеются резервуары с чернилами, дюзы печатающей головки и электрические контакты.
Цветной картридж содержит 3 отдельных ячейки для чернил трех разных цветов. В монохромном картридже содержится только одна ячейка с черными чернилами.

Чернила и цвета

Правильная передача цвета изображения на бумагу является высоко технологичным процессом, требующим учета немалого количества факторов, включая субъективную оценку. В первую очередь цветовая передача изображения зависит от химического состава чернил и бумаги, архитектуры принтера.
Обязательным требованием к чернилам является очень тонкий спектральный состав, иначе получаемые при смешении цвета будут «грязными». После высыхания чернила должны оставаться прозрачными, иначе не будет естественного смешения цветов.
Немаловажным фактором является также устойчивость к выцветанию, экологическая чистота и нетоксичность.
Считается, что оптимальный состав чернил ужу известен. Практически у всех производителей они представляют взвесь очень мелких частиц минерального пигмента. С цветными чернилами дело обстоит хуже, поскольку очень трудно подобрать минеральные красители нужного спектрального состава.
В настоящее время процедуры цветопередачи базируются на так называемых цветовых таблицах, которые используются для преобразования цветового пространства, в котором было создано изображение-оригинал, в некоторое «деформированное» цветовое пространство, учитывающее особенности передачи цветов на бумаге чернилами. Обычно, отдельные цветовые таблицы строятся для каждого типа бумаги и оптимизированы для каждого отдельного типа чернил и печатающих головок.

Драйверы Lexmark

Драйверы принтеров Lexmark после установки готовы к печати с автоматическим режимом распознавания объектов, позволяющим получить хорошее качество изображения без предварительной настройки. Автоматический режим также позволяет добиться оптимального сочетания качества и скорости печати документа. Настройки драйвера на специальную бумагу или выбор цветовых таблиц для более контрастного или естественного тона изображения выполняется очень просто в разделе настроек драйвера «Качество документа» (Document Quality)
Драйверы Lexmark серии Color Fine 2 позволяют автоматически определять тип картриджа, тем самым заметно упрощая процедуру настройки всех систем на другой тип картриджа или смену старого на новый. Характерной особенностью драйверов этой серии является их возможность работать с изображением в стандартах sRGB и ICM.
Стандарт sRGB предлагает, что для описания цветного изображения используется аппаратно-независимое цветное пространство, встроенное в OC Microsoft или в средства работы с Internet. Используя стандартизованное RGB-описание цветового пространства UTI-R BT.709, этот стандарт позволяет минимизировать передачу вместе с изображением дополнительной системы информации, связанной с цветовым профилем оборудования, на котором это изображение создавалось. В системной части файла с изображением лишь дается ссылка на стандарт, в котором оно было создано, а положение-получатель активно используется описанием цветового пространства, представленным операционной системой.
Стандарт ICM позволяет более точно определить разнообразие устройств генераций и отображение цветных изображений посредством использования цветных профилей оборудования для каждого типа устройств, генерирующих изображение и отображающих устройств. Однако, такой подход подразумевает, что системная информация, связанная с профилем оборудования, на котором создано изображение предается в месте с этим изображением.

Фотопечать

Серьезной проблемой в струйной печати является правильная передача светлых тонов изображения. Дело в том, что обычные цветовые решения для струйной печати дают точки изображения насыщенного цвета, поэтому для получения бледных оттенков нужно наносить капли чернил достаточно редко. Это приводит к тому, что при передачи очень светлых тонов пятна располагаются так далеко друг от друга, что становится заметна зернистость изображения, а также возникает проблема с передачей в светлых тонах.
Одним из радикальных способов решения этой проблемы является использование дополнительных чернил светлых тонов. В этом случае темные тона получаются за счет заливки осветленными чернилами. Картридж с такими чернилами обычно становится вместо второго картриджа (черного) и содержит чернила осветленного Cyan, осветленного Magenta и черного. Светло желтый тон не используется, поскольку этот цвет воспринимается человеческим глазом без особой разницы как и желтый.

Разработку термической технологии начали в 1984 г. компании HP и Canon. Сначала дело шло медленно и требовало много денег. И только в 1990-х гг. удалось добиться приемлемого уровня качества, скорости работы и стоимости. Позже к HP и Canon с целью дальнейшей работы над термическими принтерами присоединилась компания Lexmark, и это привело к созданию сегодняшних принтеров с высоким разрешением. Как видно из названия, в основе термического (или электротермического) формирования струи лежит увеличение температуры жидких чернил под действием электрического тока. Это повышение температуры обеспечивается нагревательным элементом, находящимся в эжекционной камере. При этом некоторая часть чернил испаряется, в камере быстро нарастает избыточное давление, и из эжекционной камеры через прецизионное сопло выбрасывается маленькая капелька чернил. В течение одной секунды этот процесс многократно повторяется.

Термическая система выброса капель . Качество печати, скорость и эффективность работы определяются многими факторами, но главными факторами, определяющими поведение чернил при необходимых температурах и давлениях, являются конфигурация эжекционной камеры, а также диаметр и точность изготовления сопла. На поведение чернил при нагревании и выбросе из сопла, наряду с характеристиками самих чернил (их вязкостью, поверхностным натяжением, способностью к испарению и др.), оказывают влияние также характеристики канала, ведущего к соплу, и точки выхода в сопло. Большое значение для обеспечения правильного выброса чернил из сопла имеют также характер изменения чернильного мениска в сопле после эжекции и повторное заполнение эжекционной камеры.

Механика создания термической струи . Этапы формирования и выброса капли .

Этап 1 - Создание избыточного давления . Формирование термической чернильной струи начинается в печатающей головке картриджа. Электрический импульс порождает на нагревательных элементах тепловой поток, эквивалентный более чем двум млрд. ватт на квадратный метр. Это примерно в 10 раз больше, чем поток на поверхности Солнца! К счастью, поскольку длительность теплового импульса составляет всего 2 миллионных доли секунды, то хотя температура в это время увеличивается со скоростью 300 млн. градусов в секунду, поверхность нагревательного элемента успевает за это время нагреться лишь - примерно - до 600°C.

Этап 2 - Формирование чернильной капли . Поскольку нагревание идет чрезвычайно быстро, в реальности температура, при которой чернила уже не могут существовать в виде жидкости, достигается лишь в слое толщиной менее одной миллионной доли миллиметра. При такой температуре (примерно 330°C) тонкий слой чернил начинает испаряться, и происходит выталкивание пузырька из сопла. Пузырек пара образуется при очень высокой температуре, и поэтому давление пара в нем огромное - около 125 атмосфер, т. е. в четыре раза больше давления, создаваемого в современных бензиновых двигателях внутреннего сгорания.

Этап 3 - Охлаждение камеры . Такой пузырек, обладающий громадной энергией, действует как поршень, выбрасывающий чернила из сопла на страницу со скоростью 500 дюймов в секунду. Образующаяся при этом капля весит всего 18 миллиардных долей грамма! По командам, поступающим от драйвера принтера, 400 сопел могут активизироваться одновременно в любых сочетаниях.

Этап 4 - Заполнение камеры . Повторное заполнение камеры эжекционной камеры занимает менее 100 миллионных долей секунды, после чего камера вновь готова к работе. В термических струйных принтерах Lexmark цикл, включающий формирование и выброс чернильной капли, охлаждение и повторное нагревание камеры, может повторяться до 12 тысяч раз в секунду.

Впечатляющие факты . Вот некоторые данные, характеризующие процесс образования пузырьков. Тепловой поток у поверхности:
нагревательного элемента = 109 Вт/м2
Солнца = 108 Вт/м2
Нагревание в тонком слое до температуры 600°C
Точка плавления алюминия = 660°C
Начальное давление в пузырьке - 125 атм
Таково давление в океане на глубине 1 000 м

Различия между "пузырьковой струей" и "чернильной струей". Хотя первоначально струйная технология создавалась компаниями HP и Canon, сейчас термин "пузырьковая струя" стал ассоциироваться с Canon, практически отделившись от технологии "чернильной струи", которую разрабатывают Lexmark и НР. Однако в действительности оба этих термина обозначают почти идентичные системы. Единственное серьезное различие между ними состоит в том, что в системе "пузырьковой струи" Canon вектор процесса испарения чернил и формирования пузырька не совпадает с направлением оси, проходящей через нагревательный элемент и сопло, а ориентирован под углом 90° к нему.

Чернильные картриджи. Резервуары, из которых чернила подаются в печатающую головку, можно условно разделить на два конструктивных типа. Во-первых, широко используется моноблочная система, объединяющая встроенный чернильный резервуар и эжекционный блок. Она обладает тем преимуществом, что при каждой смене чернильного резервуара заменяется и печатающая головка, что способствует поддержанию высокого качества печати. Кроме того, она проще по конструкции, и в ней легче выполняются замены. Во второй, конструктивно более сложной системе печатающая головка отделена от резервуара для чернил, и здесь заменяется только этот резервуар при его опорожнении.

Изготовление печатающих головок. Изготовление печатающей головки - это сложный процесс, осуществляемый на микроскопическом уровне, где точность измерений определяется микронами. Основные материалы, используемые для изготовления эжекционной камеры, канала для подачи чернил, электронной управляющей схемы и нагревательных элементов, подобны материалам, используемым в полупроводниковой промышленности, где тончайшие проводящие металлические и изолирующие слои проходят прецизионную лазерную обработку. Такая технология требует больших инвестиций и в разработку, и в производство, и это одна из главных причин того, что в этой сфере решаются действовать очень немногие компании.

Пример моноблочного картриджа. Пена в резервуаре для чернил играет роль губки, впитывающей жидкие чернила, так что чернила непрерывно подаются к печатающей головке, и при этом нет ни нежелательной утечки из картриджа под действием силы тяжести, ни истечения чернил из самой печатающей головки. На основании моноблочного картриджа находятся электрические контакты и печатающая головка - ключевой элемент всего процесса струйной печати; чернила подаются к печатающей головке через совокупность каналов, идущих от резервуара.

Расположение и число сопел . Печатающая головка представляет собой совокупность множества микрокомплектов, состоящих из эжекционных камер и связанных с ними сопел, расположенных в шахматном порядке с целью увеличения вертикальной плотности сопел. При таком расположении сопел их число на расстоянии в полдюйма (примерно 1,27 см) может достигать 208, как это имеет место, например, в черных картриджах моделей Lexmark Z, так что удается достичь разрешения в 1,44 млн. точек.

Перспективы . Качество печати определяется многими факторами, но главные из них - это размер точки, вертикальная плотность точек и частота выброса капель через сопло; именно эти показатели являются основными критериями для дальнейшей работы над печатающими головками, будь то головки термического или пьезоэлектрического типа. Термические головки имеют некоторые преимущества по сравнению с электромеханическими головками, поскольку ключевая технология их изготовления подобна той, которая применяется при изготовлении микропроцессорных чипов и других изделий полупроводниковой электроники. Стремительный прогресс в этих областях идет на пользу термической технологии, и можно ожидать, что в ближайшие годы будут достигнуты еще более высокие разрешения и более высокая скорость печати.

Преимущества и недостатки. Термическая струйная печать имеет несколько преимуществ по сравнению с конкурирующей с ней пьезотехнологией. Например, простота конструкции и тесная аналогия с производством полупроводников: это означает, что предельная себестоимость в производстве здесь будет ниже, чем для конкурирующей технологии. Конфигурация эжекционных камер позволяет располагать сопла ближе друг к другу, что дает возможность достигать более высокого разрешения.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУЙНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ.

Самые распространенные сегодня плоттеры основаны на струйной технологии: измельченный краситель в виде капель распыляется на материал. Обычно, как и в матричных принтерах, печатающая головка движется поперек направления подачи носителя, формируя полосу изображения, а затем носитель сдвигается для печати следующей полосы. Однако вместо иголок в головке имеется множество сопел для выбрасывания краски.
В струйной технологии сложились две разновидности:
. термоструйная , в которой активизация краски и ее выброс происходят под действием нагрева;
. пьезоэлектрическая , в которой выброс краски происходит под давлением, создаваемым колебанием мембраны.

Пьезоэлектрическая струйная технология.

Пьезоэлектрическая система, созданная на базе электромеханического устройства и доведенная до коммерческой готовности компанией Epson (дочерняя компания Seiko), впервые была использована в струйных принтерах Epson в 1993 г.

Система выброса капли.

В основе пьезотехнологии лежит свойство некоторых кристаллов, называемых пьезокристаллами (примером могут служить кристаллы кварца в распространенных теперь кварцевых наручных часах), деформироваться под действием электрического тока; таким образом, этот термин определяет электромеханическое явление. Это физическое свойство позволяет использовать некоторые материалы для создания миниатюрного «чернильного насоса», в котором смена положительного напряжения на отрицательное будет вызывать сжатие небольшого объема чернил и энергичный выброс его через открытое сопло. Как и при формировании чернильной струи за счет термических эффектов, размер капли здесь определяется физическими характеристиками эжекционной камеры (firing chamber) и давлением, создаваемым в этой камере за счет деформации пьезокристалла.

Модуляция, т. е. изменение размера капли , осуществляется путем изменения величины тока, протекающего через эжекционный механизм. Как и в термопринтерах, частота выброса под действием пьезоэффекта зависит от потенциальной частоты электрических импульсов, которая, в свою очередь, определяется временем возвращения камеры в «спокойное» состояние, когда она заполнена чернилами и готова к следующему рабочему циклу. Пьеззотехнология отличается высокой надежностью , что очень важно, потому что печатающая головка, по чисто экономическим причинам, не может быть частью сменного картриджа с чернилами, как в термических системах, а обязательно должна быть жестко соединена с принтером.

Преимущества и недостатки.

Как у термических, так и у пьезоэлектрических систем качество работы определяется многими факторами. Возможность изменения размера точки дает пьезотехнологии определенные преимущества. С другой стороны, пьезотехнология сталкивается с некоторыми чисто физическими ограничениями. Например, большие геометрические размеры электромеханической эжекционной камеры означают, что плотность размещения сопел по вертикали должна быть меньше, чем у термических аналогов. Это не только ограничивает перспективы дальнейшей разработки, но означает также, что для получения более высокого разрешения и однородности при высококачественной печати требуется несколько проходов печатающей головки по одной и той же странице.
Стационарная печатающая головка в определенной мере экономически выгодна, потому что ее не приходится менять. Однако это преимущество частично обесценивается тем, что существует опасность проникновения воздуха в систему при смене картриджа. При этом сопла закупориваются, качество печати ухудшается, и для восстановления нормальной работоспособности системы требуется провести несколько циклов очистки. Еще одно существующее пока ограничение для пьезосистем касается использования чернил на основе красителей (dye based inks): при использовании пигментных чернил, которые имеют более высокое качество, но при этом обладают и более высокой плотностью, также возникает опасность закупорки сопел.

Перспективы.

Пьезоэлектрическая печатающая головка, сконструированная на основе ранее существовавшей технологии, отличается более низкими расходами на разработку, но зато она заметно дороже в изготовлении. В настоящее время такие преимущества пьезоэлектрических головок как высокая надежность и возможность изменения размеров капли весьма существенны и позволяют изготовлять продукцию очень высокого качества. Однако поскольку цены на термические струйные принтеры непрерывно снижаются и они все больше захватывают рынок принтеров начального уровня, то для пьезосистем остается рынок продукции среднего и высшего класса.

Преимущества и недостатки.

	Термическая система	Пьезоэлектрическая система
Размеры эжекционного устройства	Очень малые	Средние
Стоимость изготовления	Невысокая	Высокая
Срок службы эжекционного устройства	Средний	Большой
Изменение размера капли	Сложно	Просто
Плотность чернил	Хорошая	Средняя
Сложность эжекционного устройства	Низкая	Высокая
Скорость печати	Высокая	Средняя
Качество печати фотографий	Хорошее	Хорошее
Качество черно-белого текста	Хорошее	Средняя
Энергия выброса капли	Высокая	Низкая

РАЗРЕШЕНИЕ - ЗНАК КАЧЕСТВА.

Вертикальное разрешение.

Число вертикальных позиций связано, прежде всего, с числом вертикально расположенных сопел на печатающей головке (линий на дюйм). Поскольку существуют трудности при создании печатной головки, включающей элементы, которые охватывают сразу две вертикальные линии, то два отдельных ряда сопел размещаются рядом друг с другом.
Для достижения приемлемой скорости печати во время каждого прохода печатающей головки должно быть напечатано максимальное число линий. В этой ситуации производитель должен сделать выбор между скоростью (более высокая печатная головка и максимальное число сопел) и производственными затратами (минимальное число сопел).
При четырехцветной печати (три цвета плюс черный) высота печатающего элемента для каждого цвета составляет около трети высоты печатающего элемента для черного цвета .

Горизонтальное разрешение.

Число горизонтальных позиций, так называемое число капель на дюйм (dpi), является функцией от частоты, с которой выбрасываются капли, и скорости, с которой печатающая головка перемещается по горизонтальной оси. Управляемое сопло в определенные моменты дискретно выбрасывает капли чернил и таким образом проводит линию. Главная трудность для производителя состоит в сочетании качества (максимум выбросов капель на строку) и скорости (минимум выбросов капель на строку для достижения более высокой скорости). Скорость выброса капель составляет от 10 до 20 тыс. в секунду. Изменяя эту частоту или скорость перемещения каретки печатающей головки, можно достичь оптимальной плотности горизонтального размещения капель.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ.

Цветовое восприятие.

Ощущение качества цветного документа тесно связано с физиологией человеческого зрения. С учетом некоторых индивидуальных отклонений глаз человека способен различать только цвета, имеющие длину волн в диапазоне от 380 нм (фиолетовый) до 780 нм (красный). Внутри этого спектра мозг человека может различить около миллиона оттенков цветов (опять же с небольшими индивидуальными различиями).
Воспринимаемый цветовой спектр играет важную роль при зрительной оценке различий в качестве печати документов: принтеры, способные воспроизводить большее число оттенков цвета, будут создавать документы, которым человеческое зрение будет субъективно приписывать более высокое качество.

Минимальный размер видимого элемента.

Разрешение - это параметр, определяемый размером чернильных капель. При нанесении более мелких капель четкость изображения будет выше, если сравнивать с равной по площади поверхностью, заполненной меньшим количеством более крупных капель. Однако у этого правила имеется ограничение, связанное с порогом восприятия человеческим глазом объекта, удаленного на комфортную для обзора дистанцию: есть большая вероятность, что чернильную каплю объемом менее 2-х пиколитров(10 в -12 степени) наблюдатель просто будет не способен увидеть.

Объективные факторы.

Не все на свете субъективно, поэтому число печатаемых элементов позволяет нам дать количественную оценку качества документа, начав с разрешения, которое определяется размером чернильной капли и общим числом капель, которые можно нанести на страницу.

Печатная матрица.

Каждый напечатанный на странице элемент называется элементарной точкой или в некоторых случаях пикселом. При двоичной растровой печати точка отождествляется с каплей чернил, т.е. чернильное пятно присутствует (что эквивалентно черной точке) или отсутствует (белая точка).

Полутоновая печать.

Полутоновая печать, также известная как шкала уровней серого цвета, дает возможность увеличить число оттенков серого цвета при монохромной печати, и таким образом передавать различные цвета с помощью оттенков серого (задаваемых процентным содержанием черного цвета). Элементарная точка в этом случае представляет композицию из нескольких капель. Комбинация нескольких элементарных точек разного типа дает возможность печатать разнообразные оттенки серого цвета.

Число возможных полутонов серого цвета равно числу капель, из которых можно образовать элементарную точку + 1 (отсутствие капли эквивалентно белому цвету). К примеру, четыре заполняемых чернилами позиции на одну элементарную точку задают 5 возможных оттенков (уровней) серого цвета. Объединение таких элементарных точек создает градуированное затенение (шкалу оттенков серого цвета).

Число цветов.

Общее число возможных цветов, в которые может быть окрашена элементарная точка, соответствует числу адресуемых элементарных цветов. При трех основных цветах можно получить восемь базовых цветов: голубой (Cyan), пурпурный (Magenta), желтый (Yellow), красный (Cyan + Yellow), зеленый (Yellow + Cyan), синий (Cyan + Magenta), белый и черный цвета. Эта система двоична, поскольку цветовые точки могут присутствовать или нет. Если мы применим принцип полутоновой серой шкалы к этим трем основным цветам, создавая таким образом цветовые оттенки, мы получим 256 оттенков для каждого из трех основных цветов и таким образом 256 в третьей степени возможных цветовых комбинации на один точечный элемент. Другими словами, это число больше, чем может различить глаз человека.

Размер капли.

Размер капли представляет сложную функцию от давления, с которым выбрасываются чернила, и диаметра сопла. Обычно размер капли сохраняется неизменным. В определенных случаях размер может изменяться, и эта технология известна как печать с изменяемым размером капли. Существует определенная связь между размером капли и размером точки, воспроизводимой на бумаге. Теоретически, капля размером 20 пиколитров соответствует точке размером 60 микрон (это приблизительно равно одной четырехсотой части дюйма), тогда как капля размером 2 пиколитра поставит точку 30 микрон, едва видимую человеческим глазом.

Матрица разрешения.

Разрешение - это параметр, наиболее просто поддающийся количественной оценке при определении качества печати документа. Разрешение оценивает точность, с которой точки располагаются на странице.

Матрица разрешения задает для любой заданной точки общее число возможных позиций. При технологии печати с двойной печатной головкой могут быть две различные матрицы: одна для цветной печати, а другая для черно-белой. Матрица позволяет создавать цветовые уровни для каждой элементарной точки. Поскольку разрешение является результатом совмещения двух различных технологических процессов, то горизонтальное и вертикальное разрешение могут отличаться.

Новейшим достижением в струйной печати является горизонтальное разрешение 2400 dpi, которое дает возможность разместить 2400 печатных матриц на дюйм печатной строки, что вдвое превосходит наиболее распространенный в настоящее время стандарт.

Благодаря точности печати и микроскопическому размеру капли 7 пиколитров достигаются столь высокие результаты, что растр изображения становится абсолютно неразличим для человеческого зрения. Разрешение 2400 dpi таким образом предназначается для печати документов, требующих максимально высокого разрешения и безупречного качества. Поскольку скорость печати в большой степени зависит от количества печатаемых точек, то при печати с разрешением 2400 x 1200 скорость будет несколько меньше, чем при печати с более низким разрешением.

Принцип работы пьезоэлектрических печатных головок.

В основе сопла лежит пьезоэлемент (как правило кристалл кварца). Как известно из школьного курса физики если кристалл кварца колебать с определенной частотой, то на гранях кристалла вырабатывается напряжение, также справедливо и обратное правило, если к граням кристалла приложить напряжение, то он начнет вибрировать с определенной частотой. Ниже приведенная схема наглядно иллюстрирует принцип работы одного из сопел печатной головки.

Верхний рисунок показывает сопло в состоянии покоя. Синим цветом указан пьезоэлемент, малиновым - канал подачи краски, выходное отверстие сопла находится слева. Серым указано керамическое основание печатающий головки.

На среднем рисунке показано сопло с пьезоэлементом в состоянии возбуждения. Под воздействием напряжения кристалл изгибается, из-за чего увеличивается объем камеры подачи краски. Краска поступающая в печатную головку под небольшим давлением заполнят весь объем камеры сопла.

На нижнем рисунке показано сопло, после снятия напряжение с граней кристалла и возврата его в состояние покоя, в результате чего происходит выброс капли краски.
В процессе печати пьезокристалл колеблется с частой 4-9 кГц (на разных типах головок частота вибрации различна), чем выше частота вибрации, тем выше качество и/или быстрее линейная скорость печати.

Что такое "истинное разрешение".

Пьезоэлектрические струйные головки нового поколения, обеспечивающие истинное разрешение 720 x 720 dpi.

Полноцветные (CMYK) принтеры оснащены долгоживущими головками нового поколения, позволяющими печатать с истинным разрешением 720 x 720 dpi и достигать фотореалистической передачи изображений на высокой скорости.

На следующих иллюстрациях наглядно представлены преимущества струйной печати с истинным разрешением 720 dpi.

Преимущества при печати линий с истинным разрешением 720 dpi по сравнению с разрешением 600 dpi. (Слева 6 точек в разрешении 720 х 720 dpi. Справа 5 точек в разрешении 600 х 600 dpi.) Сравнивая печать линий с истинным разрешением 720 dpi с печатью с истинным разрешением 600 dpi мы видим, что на каждые 5 точек добавляется шестая, что увеличивает качество печати в 1,2 раза. Визуально это отражается в уменьшении ступенчатого эффекта при печати линий; тем самым скорость струйного плоттера комбинируется с качеством перьевого.

Преимущества цветной печати с разрешением в 720 x 720 dpi (справа) против цветной печати с разрешением в 300 x 300 dpi (слева).

Расположение точек при разрешении Расположение точек при разрешении
300 x 300 dpi - 25 точек 720 x 720 dpi - 144 точки

При разрешении в 720 x 720 dpi печатается в 5,76 больше точек, чем при разрешении в 300 x 300 dpi на единицу площади. В сочетании с интеллектуальной RIP-программой мы можем добиваться фотореалистического качества печати.

Преимущества при цветной печати с истинным разрешением 720 dpi по сравнению с "адресуемым" разрешением 600 dpi. (Слева - истинное разрешение 720 х 720 dpi; 6 точек. Справа - "адресуемое" разрешение 600 dpi; 4 точки). Некоторые производители добиваются эффекта разрешения в 600 dpi размещая точки, печатаемые при разрешения 300 dpi, настолько часто, что они перекрывют друг друга, тем самым достигая эффекта печати в 600 dpi. Эта техника называется "адресуемым разрешением в 600 dpi". Эта техника расширяет возможности печати с разрешением в 300 dpi, но все равно не сравнится с истинным разрешением в 720 dpi принтеров семейства Falcon. Каждые 4 точки, распечатываемые при разрешении 600 dpi, плоттеры RJ-800, RJ-4000/RJ-4000P заменяют 6 точками, повышая разрешение до 720 dpi. Размер этих точек меньше и размещены они более точно, что не только повышает в 1,5 раза плотность печати, но и делает распечатку более приятной на вид за счет улучшения качества линий.

Среди всех технологий создания изображения, свою популярность завоевал струйный способ печати.

Его применяют в принтерах, в том числе широкоформатных.

Преимуществом такой технологии является то, что капля краски формируется только в нужный момент, что позволяет получить высококачественные изображения.

Термическая струйная печать что это

В этой статье расскажем, термическая струйная печать что это, ее преимущества, принцип работы, и в каких случаях применяется.

Готовое изображение состоит из большого количества микроскопических точек краски различного цвета (цветная струйная термическая печать).

В момент, когда нужно нанести изображение, в микроскопической камере сопла находится краска, которую нужно каким-то образом вытолкнуть на поверхность запечатываемого материала (например, бумаги).

Термический способ печати заключается в том, что в камере находится нагревательный элемент, на который в момент печати поступает ток. Продолжительность одномоментного включения тока составляет малый период, до 2 миллионных доли секунды.

Под его действием элемент нагревается, температура краски увеличивается до 500º, увеличивается объем краски в сопле, что повышает давление в камере, из нее выталкивается нужна порция красителя. Есть информация, что в камере, в момент нагревания образуется давление больше 100 атмосфер, что достаточно много.

После этого образуется вакуум, который способствует втягиванию новой порции краски. Этот процесс повторяется по несколько тысяч раз в секунду.

Оборудование для термической струйной печати

Этот способ печати применяется в подавляющем большинстве струйных принтеров. Технология была представлена на рынок в начале 80-х годов прошлого века. Ведущими производителями являются компании Canon, HP, Lexmark.

Современное оборудование позволяет формировать капли размером до 35-40 мкм, что дает возможность получить высококачественное и детализированное изображение.

Как правило, в термических принтерах есть две печатающие головки. Одна предназначена для печатания черной краской, а другие для цветной печати (голубая, пурпурная и желтая краски).

В одной печатающей головке, в зависимости от модели, может быть до нескольких сотен сопел.

В зависимости от модели, головки могут быть неразрывно соединены с картриджами или встроенные в принтер, то есть многоразового пользования. Последний вариант дает возможность быть более уверенным в качестве печати, ведь этот элемент не успевает выработать свой ресурс. Но таким образом цена печати становится больше.

Преимущества и недостатки термической печати

Термическая струйная печать широко применяется в печатной технике, благодаря:

• малошумность работы оборудования,
• обеспечивает высокое качество и разрешение печати,
• технология печати термическая струйная позволяет получить надежные печатающие головки,
• стабильность работы принтеров на этой технологии,
• высокая скорость печатания.

Недостатки термического печати:

Не всегда удается точно регулировать размер полученных капель,

В процессе работы могут образуются капли спутники, которые ухудшают качество полученного изображения,

Печатная головка иногда требует чистки,

Желательно выбирать специальную бумагу, который уменьшит растекания краски и коробление бумаги,

Дорогие картриджи с краской. Хотя некоторые рискуют и заказывают неоригинальные, которые немного дешевле.

Вывод

Струйная термальная печать дает возможность получить профессиональную печать по невысокой цене. Качество полученного изображения зависит от точности изготовления сопла, строения эжекционной камеры. Также, на получить изображения влияют характеристики используемого красителя (вязкость, поверхностное натяжение, способность к нагреву и испарения).

Надеемся, вам была интересна эта статья, которая дала ответ на вопрос: термическая струйная печать что это и в каких случаях применяется.

Некоторые из открытий или изобретений, уже давным-давно ставшие привычными, со временем обрастают разнообразными красивыми мифами и легендами.
В одном из таких повествований рассказывается о сотруднике небольшой исследовательской лаборатории, принадлежавшей крупной компьютерной фирме. После бессонной ночи, проведенной в работе над новой капризной конструкцией какой-то электронной штуковины, этот сотрудник по невнимательности положил паяльник рядом с наполненным канифолью шприцем (хочется приписать, что в нем были чернила, но это не так). Естественно, в итоге была испорчена спецодежда, но самое главное - возникла идея термоструйной печати. Белый халат с пятном отправился в химчистку, а струйная технология стараниями Canon, Hewlett-Packard, Epson, Lexmark и других компаний пришла в офисы и дома, поражая своей доступностью и красочностью.

Почему струйник?

В последние несколько лет компьютерная индустрия переживает самый настоящий чернильный бум. Струйные принтеры для многих пользователей являются наиболее доступными и универсальными печатающими устройствами. Получаемые на них изображения во многих случаях превосходят по качеству типографские оттиски, а максимальная скорость печати уже вплотную приблизилась к показателям производительности младших моделей лазерных принтеров. Сравнимая с любительскими фотографиями из мини-лабов полноцветная фотореалистичная струйная печать стала главным козырем производителей струйных принтеров в борьбе за привлечение новых покупателей.

В погоне за покупателем и на зависть конкурентам постоянно уменьшается размер капель и разрабатываются новые технологии для улучшения цветопередачи. От новых названий и логотипов голова уже идет кругом. Естественно, что у наиболее любознательных возникает вопрос: так уж уникальны все принципы и идеи, которыми гордится каждый из производителей?

В гордом одиночестве

Уже довольно давно в этом секторе рынка образовалось два лагеря. В одном единолично правит бал Epson с пьезоэлектрической технологией, а в другом собрался целый альянс приверженцев «кипящих чернил».

В основе пьезоэлектрического метода печати лежит свойство некоторых кристаллических веществ изменять свои физические размеры под действием электрического тока. Самым ярким примером служат кварцевые резонаторы, применяемые во многих электронных устройствах. Это явление было использовано для создания миниатюрного насоса, в котором изменение напряжения вызывает сжатие небольшого объема чернил в узком капиллярном канале и моментальный выброс его через сопло.

Печатающая головка пьезоэлектрического струйного принтера должна иметь высокую надежность, поскольку в силу довольно большой стоимости она практически всегда встроена в принтер и не меняется при установке нового чернильного картриджа, как это происходит в случае термической струйной печати. Такая конструкция пьезоэлектрической головки имеет определенные преимущества, но при этом существует постоянная опасность выхода принтера из строя по причине попавшего в систему подачи чернил пузырька воздуха (что может произойти при смене картриджа) или обычного простоя в течение нескольких недель . При этом сопла закупориваются, качество печати ухудшается, а для восстановления нормальных режимов требуется квалифицированное обслуживание, которое часто невозможно провести вне сервисного центра.

Не отрываясь от коллектива

Пока Epson шла своим собственным путем, периодически удивляя компьютерное сообщество очередным прорывом, остальные игроки рынка струйной печати не менее успешно применяли печатающую головку иной конструкции. Большинство из них считают свои разработки уникальными, хотя их суть до банального проста, а разница зачастую заключается лишь в названии.

Так, Canon использует термин Bubble-Jet, который вольно можно перевести как «пузырьковая печать». Остальные же не стали городить огород и согласились с более привычным словосочетанием «термоструйная печать».

Термические струйные принтеры работают подобно гейзеру: внутри камеры с ограниченным объемом чернил благодаря миниатюрному нагревательному элементу образуется пузырек пара, который мгновенно увеличивается в объеме, выталкивая каплю красителя на бумагу.

Применяя такую технологию, нетрудно получить миниатюрные печатающие элементы, расположенные с большой плотностью, что сулит разработчикам потенциальное увеличение разрешающей способности с солидным запасом на будущее. Однако у термической струйной печати есть и оборотная сторона. Из-за постоянного перепада температур постепенно происходит разрушение печатающей головки, и в результате ее приходится заменять вместе с чернильным картриджем.

Больше названий - громких и разных!

Пузырьки пузырьками, а простыми картинками уже давно никого не удивить. Вот и приходится бороться за каждый пиколитр в капле, за каждый оттенок на бумаге. Но способов, позволяющих повысить качество конечного изображения, на самом деле не так уж и много. Самый очевидный и доступный вариант заключался в увеличении количества цветов чернил. К четырем базовым цветам (черному, голубому, малиновому и желтому) многие производители добавили еще два - светло-голубой и светло-малиновый. В итоге появилась возможность воспроизводить более светлые оттенки, не уменьшая плотность наносимых на бумагу точек, что позволило сделать растровую структуру изображения на светлых участках, где она особенно хорошо различима, менее заметной. В Canon такую технологию назвали PhotoRealism, в Hewlett-Packard - PhotoREt, а в Epson - Photo Reproduction Quality.

Но прогресс, стимулируемый конкурентной борьбой, не стоит на месте. Следующий шаг на пути к идеалу был сделан путем уменьшения и динамического изменения размеров чернильной капли, а вместе с ней и конечной точки на бумаге. Управляя объемом «порции» наносимых на бумагу чернил, можно добиться более светлых оттенков, не увеличивая расстояния между точками. Это дает возможность сделать растровую структуру еще менее заметной.

Без дополнительных ухищрений и значительного изменения технологического процесса подобного эффекта могла добиться разве что Epson. Дело в том, что принцип работы пьезоэлектрической головки позволяет управлять размером капли, изменяя величину управляющего напряжения, прикладываемого к пьезоэлементу. Эта технология получила название Variable Dot Size. Ну а приверженцам пузырьковой печати пришлось серьезно поработать над изменением конструкции сопел. В каждом из них разместили несколько нагревательных элементов разной мощности.

Включая их по одному или все одновременно, можно получать капли различных размеров, как это и происходит в современных термических струйных принтерах. Canon окрестила свои разработки в этой области Drop Modulation, а HP применила уже готовое название с дополнительными индексами - PhotoREt II и PhotoREt III. Помимо возможности управления размером капли появилась и возможность последовательного нанесения нескольких капель в одну и ту же точку поверхности листа бумаги.

Но качество печати зависит не только от технического совершенства конструкции самого принтера, но и от других, не менее значимых факторов.

За линией струйного фронта

С увеличением разрешающей способности и скорости печати выяснилось, что погоня за улучшением этих характеристик сама по себе значительного выигрыша дать не сможет, если не улучшить носитель изображения, то есть бумагу. Казалось бы, что может быть проще бумаги? Но не тут-то было! Любые «хитрые» технологии будут бессильны, если в лоток принтера положить простую офисную бумагу.

Прекрасный лист формата А4, от вида и запаха которого с удовольствием начинает урчать любой лазерный принтер, оказывается совершенно неподготовленным к потокам разноцветных чернил, извергаемым на него из сотен сопел.

Поверхность обычной бумаги имеет волокнистую структуру, что обусловлено технологией ее производства. В итоге миниатюрные, строго рассчитанные по размеру капли начинают растекаться по поверхности самым непредсказуемым образом. При этом совершенно не важно, какая печать используется - термическая или пьезоэлектрическая. Одним из решений этой проблемы является использование пигментных чернил, представляющих собой взвесь дисперсных частиц в бесцветном жидком носителе, поскольку твердые частицы не могут проникнуть во внутренние слои и растечься по волокнам бумаги.

Чернила на пигментной основе позволяют получать яркие и насыщенные оттенки, однако есть у них и определенные недостатки, в частности низкая стойкость к внешним воздействиям.

Технология струйной печати такова, что наилучшего результата можно достичь только при использовании специальной бумаги. Фотографии на обычной бумаге выглядят более блеклыми и менее четкими. В отличие от обычной бумага со специальным покрытием и так называемая фотобумага имеют несколько специальных слоев. Распечатки на ней практически неотличимы от фотографий, полученных при печати с использованием химического фотопроцесса.

Простая бюджетная бумага для струйной печати, как правило, имеет плотность 90-105 г/м 2 , относительно небольшую толщину и прекрасный показатель белизны. Вследствие специальной обработки лицевой или обеих сторон такая бумага более устойчива к капризам чернил и препятствует их растеканию и проникновению вглубь листа.

Специальная фотобумага с глянцевой или матовой поверхностью обычно имеет плотность до 200 г/м 2 и представляет собой многослойное произведение современных технологий. Каждый из слоев выполняет определенные функции.

Нижний слой является основанием, обеспечивающим прочность и жесткость документа. Следующий слой играет роль оптического отражателя, придавая изображению яркость и белизну. Далее располагается основной связующий керамический или пластиковый слой, составляющий множество вертикальных каналов без длинных волокнистых образований вдоль поверхности листа и обеспечивающий необходимую плотность чернил в печатаемой точке. На абсорбент наносится последний, глянцевый или матовый защитный слой, придающий поверхности прочность и защищающий ее от внешних воздействий.

В процессе печати керамические частицы поглощают чернила, не давая им растекаться по поверхности. В результате форма точек и их ориентация остаются неизменными. Кроме того, можно не бояться случайного попадания влаги, поскольку глубокие и расположенные строго вертикально микрокапилляры сводят вероятность растекания к минимуму.

Специальная бумага для струйных принтеров стала панацеей от многих бед, но, к сожалению, довольно дорогой. Хочется, конечно, но... А потратиться стоит, чтобы хоть раз сравнить «небо» и «землю».

КомпьютерПресс 11"2001