Струйная печать

Струйная печать

Струйная печать давно занимала умы как технологов, так и специалистов по продажам. Их целью было получить недорогое печатающее устройство, которое наносит капельки чернил непосредственно на документ (будь то бумага или пленка) совершенно бесшумно, и при этом единственным расходным материалом служат чернила.

Основное преимущество струйной технологии - в высоком качестве печати при минимальных затратах. Это было успешно продемонстрировано малоформатными принтерами HP DeskJet. Качества лазерной печати удалось добиться с помощью устройства, которое стоит не дороже матричного принтера. Естественно, для достижения такого результата фирме Hewlett-Packard потребовалось изготовить надежную недорогую печатающую головку, обеспечивающую разрешение до трехсот точек на дюйм. Размер самих точек был достаточно мал, чтобы качественно передавать оттенки серого цвета точно так же, как это делает лазерный принтер.

Струйные печатающие головки имеют малую массу, поэтому, по сравнению с матричными принтерами, для их перемещения вдоль листа бумаги с требуемым ускорением нужны менее мощные приводы. Понятно, что, с точки зрения борцов за экологию, струйные принтеры предпочтительнее матричных - они потребляют меньше энергии и работают очень тихо. Однако, по сравнению с лазерными или LED-принтерами, струйные устройства имеют ряд недостатков. Так, например, до сих пор не удалось изобрести чернила, которые обеспечивали бы независимо от вида бумаги качество печати такое же, как у LED-принтеров. Использование пористой, рыхлой бумаги приводит к расплыванию чернил, из-за чего линии и контуры теряют четкость, хотя на качественной бумаге результат превосходный.

Кроме того, неодинаковость размеров сопел и, соответственно, размеров и скорости капелек чернил, вылетающих из них, может привести к появлению заметных на глаз полосок. Они сильнее всего заметны при выводе достаточно бледных участков изображений. Еще один эффект, который может снизить качество печати, - это появление капелек-спутников, которые случайно отклонились от траектории и не попали на бумагу в нужное место. Впрочем, аналогичный эффект, хотя и вызванный другой причиной, наблюдается и у LED-принтеров и плоттеров.

Превосходство же струйной печати над LED-технологией особенно заметно при сравнении устройств для цветной печати - стоимость цветного отпечатка, полученного на струйном принтере, существенно ниже, чем на цветном LED-принтере, а качество - практически одинаковое. Цена же струйных принтеров и плоттеров в несколько раз меньше аналогичных LED-устройств.

Виды струйных технологий Струйная печать - это процесс получения изображения, при котором его элементы создаются капельками чернил, вылетающими из сопла со скоростью достаточной, чтобы преодолеть зазор между соплом и поверхностью, на которой формируется картинка. Струйные технологии разделяются на непрерывную и импульсную. Последняя, в свою очередь, включает печать твердыми чернилами, пьезоэлектрическую и пузырьковую.

Непрерывная струйная печать



Первые устройства струйной печати появились еще в шестидесятых годах. В них использовался непрерывный процесс. Он так называется потому, что печатающая головка непрерывно выстреливает капельками чернил в сторону бумаги.

Поток чернил, поступающий в печатающую головку, разбивается на капельки под воздействием вибрации сопла, вызываемой с помощью, например, пьезоэлектрического элемента. Если бы все капельки попали на бумагу, она покрылась бы равномерным слоем чернил и никакого изображения не получилось бы. Поэтому на бумагу должны попадать только те капельки, которые требуются для создания изображения, остальные - это отходы производства.

На рисунке показано, как с помощью охватывающего выход из сопла электрода вылетающие капельки приобретают электрический заряд. Далее они пролетают через отклоняющую систему, в которой действует электрическое поле высокого напряжения. Так как капельки получили заряд, то под действием электрического поля они изменяют свою траекторию. Таким образом, меняя напряжение электрического поля, можно управлять направлением полета капелек. Они либо попадают на бумагу в нужном месте, либо летят в уловитель, откуда поступают в резервуар для повторного использования.

Устройства непрерывного действия характеризуются, во-первых, очень высокой производительностью сопел - от 50,000 до 150,000 капелек в секунду на сопло; во-вторых, используют только электропроводные чернила; в-третьих, имеют сложную систему рециркуляции чернил, так как без нее подобная технология принесла бы разорение пользователям из-за неимоверного расхода дорогих чернил; в-четвертых, скорость печати в них относительно невысока; в-пятых, расстояние между соплом пишущей головки и поверхностью, на которой создается изображение, достаточно велико.

Огромный плюс непрерывной технологии - возможность получать великолепного качества цветные изображения. На них совершенно неразличимы глазом точки, из которых оно сформировано. Однако за это приходится расплачиваться малой скоростью получения изображения, высокими эксплуатационными расходами (дорогие чернила и сложность в обслуживании) и, наконец, дороговизной самого оборудования.

Импульсные струйные технологии В настоящее время именно эти технологии струйной печати получили широкое распространение. Достигнутый в этой области прогресс, приведший к повышению качества печати, снижению ее себестоимости и удешевлению печатных устройств, способствовал тому, что струйные принтеры в большинстве случаев вытеснили матричные и успешно конкурируют с лазерными.

Струйная печать с твердыми чернилами (со сменой фаз)



Своеобразное конструктивное решение для устройств получения высококачественных цветных изображений реализовано в принтерах фирм Tektronix и Dataproducts. Четыре цветные восковые палочки, соответствующие базовым цветам, - голубая, розовая, желтая и черная - закладываются в печатающую головку. Нагреватели расплавляют воск - при температуре 90 градусов он переходит в жидкое состояние и стекает в резервуар с подогревом, где чернила поддерживаются в жидкой фазе во время работы принтера. Для получения изображения печатающее устройство откачивает небольшое количество чернил из резервуара и затем дополнительно нагревает его.

Механизм большинства таких принтеров устроен аналогично принтерам непрерывного действия. Бумага закреплена на вращающемся барабане, и печатающая головка формирует изображение за один поступательный проход. Электронное устройство, обеспечивающее пульсацию чернил, выстреливает мельчайшими капельками только в те мгновения, когда это требуется. При контакте с бумагой чернила мгновенно переходят в твердую фазу, поэтому они не впитываются, а остаются на ее поверхности.

С одной стороны, это очень хорошо, так как полностью отсутствует эффект расплывания чернил, присущий любым жидким чернилам, но, с другой стороны, так как капельки застывают мгновенно, поверхность изображения становится шершавой. Поэтому при финишной обработке лист бумаги прокатывают через валки, расплющивающие шероховатости твердых чернил, придавая изображению приятный глянцевый вид.

Основное преимущество струйной печати со сменой фаз перед другими струйными технологиями в том, что чернила не впитываются в бумагу и удается достичь высокого качества печати. Недостаток один - высокая стоимость получаемых изображений. Для одноцветной печати это совершенно непрактичные устройства. Их стоит применять для вывода полноцветных изображений, когда требуется очень точная цветопередача и высокое качество печати.

Пьезоэлектрическая струйная печать



Пьезоэлектрические струйные головки для принтеров были разработаны в семидесятых годах. В большинстве таких принтеров избыточное давление в камере с чернилами создается с помощью диска из пьезоэлектрика, который изменяет свою форму (выгибается) при подведении к нему электрического напряжения. Выгнувшись, диск, который служит одной из стенок камеры с чернилами, уменьшает ее объем. Под действием избыточного давления жидкие чернила вылетают из сопла в виде капли.

Пионер пьезоэлектрической технологии - фирма Epson - не смогла успешно соревноваться в объеме продаж со своими конкурентами Canon и Hewlett-Packard из-за сравнительно высокой технологической стоимости пьезоэлектрических печатающих головок - они дороже и сложнее, чем пузырьковые печатающие головки.

Пузырьковая струйная печать (bubble-jet) Фирма Hewlett-Packard создала первый струйный принтер с использованием пузырьковой технологии ThinkJet в 1985 году. Сейчас Canon и Hewlett-Packard владеют большинством патентов на эту технологию, и путем обмена лицензиями им удалось захватить практически весь мировой рынок.

Часть продукции они продают под своими торговыми марками, часть - на основе лицензионных соглашений под торговыми марками партнеров. Огромные доходы они также получают от торговли "сердцами" струйных принтеров - печатающими головками и связанными с ними другими электромеханическими "органами".

Успех этих принтеров был обусловлен тем, что они обеспечивали качество печати почти такое, как у лазерных принтеров, при цене хорошего матричного принтера. Качество печати таких устройств зависит от размера точки от капельки чернил, а он очень маленький. Конструкция печатающей головки позволяла легко достичь разрешения в 300 точек на дюйм. Полутона на ThinkJet получались не хуже, чем на лазерных LaserJet.

Как уже только что говорилось, и Canon, и Hewlett-Packard производят изделия, использующие один и тот же процесс создания изображения, который можно определить как термическую струйную технологию.

Hewlett-Packard называет его просто струйной технологией (inkjet), а Canon - пузырьковой технологией (bubble-jet). В печатающих системах, использующих струйную пузырьковую технологию, текст и графика воспроизводятся при попадании на бумагу капелек чернил, вылетевших из очень тонких сопел. Происходит это так.

В стенку сопла встроен нагревательный элемент. При подаче электрического импульса его температура резко возрастает. Поэтому практически все чернила, находящиеся в контакте с нагревательным элементом, мгновенно испаряются. Расширение пара вызывает ударную волну. Под действием избыточного давления капелька чернил буквально "выстреливается" из сопла, как из ствола пистолета. После "выстрела" чернильный пар конденсируется, пузырек схлопывается и в сопле образуется зона пониженного давления, под действием которого всасывается новая порция чернил.

Важной особенностью такого печатающего устройства является простота конструкции сопел. Причем, кроме низкой стоимости изготовления, такие устройства имеют ряд других преимуществ: - высокая надежность каждого сопла упрощает конструкцию и, следовательно, уменьшает размер печатающего узла, так как не надо обеспечивать возможность замены сопел; - сопла можно располагать гораздо ближе друг к другу, а это увеличивает разрешение печати; - бесшумная работа печатающей головки.

Несмотря на доминирование на рынке струйных технологий и взаимный обмен лицензиями, Canon и Hewlett-Packard продолжают жестокую конкурентную борьбу за потребителя. В результате выигрывают миллионы пользователей, так как основным средством борьбы является постоянное повышение качества печати струйных головок.

Различие печатающих головок в том, что нагревательный элемент в головке Canon расположен сбоку от сопла, а у Hewlett-Packard - сзади. Поэтому в головке Canon чернила текут по прямой, а в головке Hewlett-Packard внутри есть специальный резервуар с чернилами.

С точки зрения пользователя, конструктивные отличия, на первый взгляд, невелики, но в некоторых случаях они могут иметь решающее значение при выборе между устройствами, снабженными печатающими головками этих двух фирм. Например, струйные плоттеры серии TechJet, производимые фирмой CalComp, снабжены головками Canon. Те, кто работал с первыми струйными плоттерами Hewlett-Packard, знают, что основной их недостаток, с точки зрения нашего пользователя, привередливость к бумаге для печати. Применять обычный ватман или другие стандартные чертежные материалы практически невозможно, так как либо из-за неровности бумаги пишущая головка в некоторых местах задевает за лист и размазывает неуспевшие еще высохнуть чернила, либо чернила слишком хорошо впитываются в бумагу и расплываются. Использовать же для печати только фирменную бумагу Hewlett-Packard - слишком дорого.

Разработчики CalComp учли то, что ширина рабочего поля у плоттера формата А0 в 4 раза больше, чем у принтера, поэтому при той же кривизне листа абсолютная величина отставания его от валика графопостроителя может быть существенно выше. Вывод - надо увеличить зазор между головкой и листом бумаги. Именно успехи Canon в миниатюризации головок и повышении разрешения печати позволили конструкторам CalComp без ухудшения качества получаемого изображения на новых плоттерах отодвинуть головку от листа. Теперь зазор увеличился почти до 6 мм, что позволяет применять любой ватман, даже такой, который сначала слегка отсырел, а потом высох.

Новые чернила Canon также упростили выбор бумаги для плоттера - теперь линии на чертежах не расплываются, так как чернила просто не успевают растекаться - они высыхают.

Струйные плоттеры и рекламный бум Посмотрите на улицы городов: простые, доходчивые лозунги "Пятилетке - рабочую гарантию", "Решения партии - в жизнь" и сопутствующие им плакаты, выполненные в горячо любимой народом манере полного соцреализма, ушли в прошлое. Куда ни посмотри, везде "Кока-Колы", "Панасоники" с "Мальборо" и автомобили чистых кровей. Причем если на плакате изображена банка с газированным напитком, то на ней видны капельки конденсата, если бутылка водки - то заиндевевшая.

Кто же тот художник, который смог нарисовать все столь реалистично? Неужели это тот же самый, рисовавший бесконечно рабочих с их подругами-колхозницами? Может быть, он прошел стажировку на Монмартре или просто бросил пить? Боюсь, что нет. Все это буйство красок и победа настоящего, фотографического реализма на стенах домов, в витринах и на рекламных щитах - творение механизма. Бездушная железяка - струйный плоттер - отобрала последний кусок масла с нелегкого куска хлеба соцреалистического художника.

Какую технологию изготовления рекламного плаката используют художники-оформители сейчас? Если вы зайдете в рекламное агентство, то там не увидите огромных полотнищ, на которых создают свои нетленные произведения перемазанные красками мастера. Теперь художник удобно располагается перед монитором высокого разрешения с диагональю в 21 дюйм, снабженном устройствами цветовой коррекции и адаптивной настройки. Художник создает свои произведения в электронной форме. Всеподавляющий фотографический реализм рекламных плакатов возник не потому, что все художники стали вдруг приверженцами одной и той же школы, а потому, что это действительно элементы фотографий. С помощью сканера можно ввести любую фотографию, чтобы ее фрагменты использовать как элементы будущих реклам.

Создавая свой электронный коллаж, художник работает с десятками различных инструментов, виртуальная реальность постепенно переходит на плакат. И наконец, когда замысел полностью воплощен, наступает черед струйного плоттера. Как говорится, "Ваш выход, маэстро!" Разрешение в 720 точек на дюйм практически гарантирует то, что даже с расстояния менее метра никто не различит отдельных точек, образующих картину.

Сколько времени надо, чтобы нарисовать плакат 1.5 метра на 1 метр? Пять часов? Два дня? А для плоттера - это 30 минут работы. Сколько времени потребуется, чтобы создать оформление стенда на выставке - нарисовать 25 красочных рекламных плакатов? Один рабочий день и цветной струйный плоттер формата А0.

Потребность в красочных рекламных плакатах огромна, ее надо удовлетворять. Струйные плоттеры появились как раз вовремя. Простая арифметика: цена струйного плоттера менее 10 тысяч долларов. Цена одного рекламного плаката формата А0 для заказчика - порядка 100 долларов. Себестоимость его изготовления на струйном плоттере - менее 20 долларов. Вопрос: за сколько рабочих дней можно окупить вложения в плоттер, если на вывод одного плаката плоттер тратит не более 40 минут? Подумайте на досуге.

Струйные плоттеры и бархатная революция в САПР Те, кто работает с САПР, знают, что сколько ни говори "безбумажная технология", бумаг меньше не становится. Основная задача программных систем, как оказалось, не в том, чтобы уничтожить бумагу как носитель информации, а в том, чтобы повысить качество разработок и эффективность труда проектировщика. Вместе с тем бумага, как носитель информации, удобна до определенного предела, и этот предел ощутили все, но восприняли его как нечто данное свыше, что нельзя преодолеть, с чем надо смириться.

Этот предел - невозможность непосредственного использования компонент предыдущих разработок в новых изделиях, если они были созданы до внедрения САПР. То есть когда вся требуемая для САПР информация существует только на бумаге - в виде архивов чертежей и томов технической документации. Поэтому значительные усилия прикладываются к тому, чтобы заново воссоздать в электронной форме те чертежи, которые уже есть, но на бумаге. Таким образом автоматизация привела к необходимости дублирования однажды уже выполненной работы, а это как раз снижает, а не повышает эффективность труда.

В качестве альтернативы предлагается цепочка "чертеж - сканер - система векторизации - электронный чертеж". Это, конечно, более эффективно, чем заново чертить в AutoCAD'е, но всегда ли необходимо? Зачастую то, что требуется сделать с исходным чертежом - это внести в него небольшие изменения или взять из него какой-либо элемент, чтобы вставить его в другой чертеж. Причем результатом работы должен снова стать именно чертеж на бумаге. Необходимо и достаточно, чтобы результат был понятен человеку, а для этого совсем не требуется строить геометрическую модель изделия.

Исходя из такой постановки задачи "идеальная система" должна выглядеть так: "чертеж - сканер - система редактирования растровых и векторных чертежей - растровый плоттер - чертеж". Существующие программы редактирования растровых и векторных чертежей работают как в среде AutoCAD, так и в качестве самостоятельных растровых САПР. К первым относятся CAD Overlay (Softdesk), GTX RasterCAD (GTX), Spotlight (Consistent Software). Причем цена таких программных средств может быть ниже, чем цена AutoCADа, например Spotlight стоит $1,000.

Раз уж речь зашла о цене, то надо сказать и о том, на какие затраты вынужден пойти руководитель, решивший внедрить предлагаемую технологию, при покупке растрового плоттера. Действительно, еще года три тому назад цветной растровый плоттер обошелся бы в несколько десятков тысяч долларов, что при цене перьевых плоттеров такого же формата в 10-15 тысяч долларов делало дальнейший разговор бессмысленным. Но сейчас, когда цветной струйный растровый плоттер стоит менее десяти тысяч долларов, совсем другое дело! С точки зрения пользователя САПР, струйный плоттер - это "шампунь и кондиционер в одном флаконе": он выводит как векторную информацию, заменяя перьевой плоттер, так и растровую, чего не может делать перьевой плоттер.

Осознание потенциальных возможностей, связанных с многофункциональностью струйных плоттеров, приходит не сразу, но последствия будут революционными. Нет, не стоит завтра же стирать AutoCAD со всех компьютеров в проектных организациях и заменять их на Spotlight или другую аналогичную программу. Просто часть работы, которая раньше делалась впустую - перечерчивание архивов, можно заменить редактированием растровых аналогов бумажных чертежей на рабочих местах с растровыми САПР. А в электронных архивах будут храниться не только векторные, но и растровые файлы.

Все вышесказанное можно применить и в других областях деятельности, не связанных с автоматизированным проектированием - везде, где используется графическая информация как в бумажной, так и в электронной форме (например, при работе с геоинформационными системами).

Еще одна важная функция, которую может выполнять струйный плоттер - это работа в архиве графической информации. Известно, что большие архивы графической информации, будь то карты или чертежи, занимают много места, поиск нужного листа среди сотен тысяч других - длительный процесс. А еще бумага хорошо горит, поэтому, чтобы избежать потери важной информации, архив дублируется и для его хранения нужно дополнительное помещение. Хранение графической информации в электронном архиве - предложение, от которого трудно отказаться. Однако до сих пор электронные архивы не заменили бумажные. В чем дело? Ответ прост: если собственно со средством хранения информации проблем нет уже достаточно давно (накопители на оптических дисках, наиболее долговечные носители информации, появились не вчера, да и средства ввода, сканеры, также не самое последнее изобретение), то вот доступное по цене средство вывода растровой информации - недорогой растровый плоттер - это камень преткновения. Действительно, зачем нужен архив, из которого нельзя быстро получить копию документа на бумаге? Появление эффективных и доступных струйных плоттеров сняло последнее ограничение на перевод графических архивов даже небольших предприятий в электронную форму.

Какие преимущества у электронного архива перед традиционными? Во-первых, это несравненно более высокая скорость доступа к искомой информации, во-вторых - гораздо большая надежность ее хранения. Вы легко можете сделать дубликат со всего архива и хранить его, например, в персональном сейфе в банке. В-третьих - высвобождение больших помещений, ранее занятых стеллажами с бумагой. В любой момент, когда потребуется бумажная копия того или иного документа, вы на струйном плоттере получаете ее в считанные минуты.

Кстати, тандем "цветной сканер - цветной струйный плоттер или принтер" (в зависимости от формата обрабатываемых документов) в последнее время стал применяться в качестве неплохой альтернативы цветным копировальным машинам. Такое решение, так как оно обладает большей функциональностью, чем просто копировальная машина, более привлекательно для небольших организаций, где узкая специализация оборудования приводит к простою и снижает эффективность его использования.

Итак, мы на пороге революции в САПР, вызванной появлением струйных плоттеров. Но не стоит ее бояться, все произойдет без потрясений и постепенно, ведь революция-то бархатная.

Материал предоставлен компанией Consistent Software


Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 16 за 1997 год в рубрике hard :: технологии

©1997-2022 Компьютерная газета