Принципы струйной печати

Пока компьютеры оперировали одними цифрами и буквами, для вывода обработанной ими информации в принципе хватало ударной технологии печати. Но только в принципе, поскольку никого не устраивал шум, производимый такими устройствами, сильный износ их головок и невысокая скорость работы, когда надо было получить хорошее качество текста.

Чтобы избавиться от шума и износа, были предприняты попытки создать бесконтактную технологию печати, когда краска попадает на бумагу без посторонней помощи. Скажем, в виде струи, состоящей из микроскопических капелек. Единственным расходным материалом при этом стали бы сами чернила.

Так и случилось. Сегодняшняя струйная печать - процесс получения изображения, точки которого формируются вылетающими из сопла печатающей головки капельками. Их скорость достаточна для преодоления зазора между соплом и поверхностью носителя - бумаги или пленки.

Основное преимущество современной струйной печати состоит в ее высоком качестве при минимальных затратах. Обеспечивая четкость текста и графики, сравнимую с результатами работы лазерных принтеров, струйные отличаются гораздо более простой конструкцией, близкой по сложности и цене к примененной в матричных принтерах. При этом качество печати, то есть разрешение, в основном зависит от того, насколько удачна печатающая головка.

Чтобы получить такой же отчетливый текст и ровную графику, как у лазерных принтеров, необходимо добиться столь же высокого разрешения, а сделать это можно только путем уменьшения размера капелек и, соответственно, диаметра сопел. Причем требуется обеспечить высочайшую точность их формы и расположения. Неодинаковые по диаметру сопла выстреливают капельки разного размера и с разной скоростью, что на бумаге проявляется в виде заметных на глаз полосок. Сильнее всего от них страдают светло-серые участки распечатываемых фотографий.

Другая беда, преследующая струйные печатающие головки, - образование капелек-спутников, случайно отклонившихся от траектории и попавших на бумаге не на свое место. Впрочем, подобный эффект наблюдается не только у струйных, но и у лазерных принтеров, однако по другим причинам.

Главная же проблема струйной технологии не в этом. Ее самый существенный недостаток в том, что чернила жидкие, а уж от этого никак не избавишься. Жидкие чернила склонны расплываться на бумаге плохого качества, из-за чего контуры букв получаются размытыми. Пористая бумага слишком сильно впитывает краску, поэтому фотографии теряют контрастность и становятся бледнее. Для получения высокого качества приходится использовать дорогую бумагу, а оптимальные результаты гарантируют только те носители, которые предлагаются к конкретной модели струйного принтера его изготовителем.

Зато есть и неоспоримые преимущества. Печатающие головки у струйных принтеров легче, чем у матричных, поэтому для их перемещения нужны менее мощные приводы. Отсюда меньшее потребление энергии, меньший шум, меньшие габариты.

Второй плюс струйной технологии - исключительная простота реализации цветной печати. При сохранении простоты конструкции принтера и невысокой стоимости чернил цветная струйная технология позволяет получить изображения, практически не уступающие по качеству распечаткам на куда более сложных и дорогих цветных лазерных принтерах и даже фотографиям. Благодаря именно ей цвет стал привычным явлением в деловых бумагах, а у малых фирм появилась возможность самостоятельно производить красочные материалы для презентаций и рекламы.

Непрерывная струйная печать

В первых струйных печатающих устройствах применялся непрерывный способ подачи чернил, когда капельки постоянно выстреливаются из сопла головки.

Чернила подаются в печатающую головку с помощью насоса. Возникающая под создаваемым им давлением струя разбивается на капельки за счет вибрации, вызываемой, например, пьезоэлектрическим элементом. Разумеется, до бумаги должны долететь не все, а только часть капелек, иначе никакого изображения не получится - бумага просто будет равномерно залита чернилами.

Вот как это организовано. Вылетая из сопла, капельки проскакивают через заряжающий электрод. Получив электрический заряд, они попадают в поле отклоняющего электрода, на который подается высокое напряжение. Изменяя напряжение на отклоняющем электроде, можно заставить капельки поменять траекторию полета. Если состоящая из заряженных капелек струя не отклоняется в сторону, она попадает в уловитель, из которого неиспользованные чернила стекают в накопитель, проходят стадию удаления воздушных пузырьков (дегазации) и снова сливаются в основной резервуар с краской.

Сменившие направление полета под действием электрического поля отклоняющего электрода капельки попадают на бумагу, формируя на ней изображение. Угол отклонения траектории зависит от того, насколько сильно изменяется напряжение.

Системы непрерывной струйной печати отличаются тем, что в них применяется дорогая электропроводная краска, способная получить заряд. Так как между соплом и бумагой необходимо разместить два электрода, увеличивается дальность полета капелек и, следовательно, им необходимо придать большую начальную скорость. Очень высока и производительность сопел печатающей головки - из них в секунду вылетает от 50 до 150 тысяч капелек. Однако сам процесс печати не назовешь очень быстрым.

Чтобы непрерывная печать не привела к разорению пользователей вследствие неимоверно большого расхода дорогих чернил, конструкторы - разработчики основанных на этом принципе устройств вынуждены искать пути возвращения в резервуар неиспользованных капелек. Система рециркуляции весьма сложна, что сказывается на общей стоимости струйных принтеров этого типа.

Плюсом непрерывной струйной печати можно считать высокое качество получаемых с ее помощью цветных изображений, на которых практически неразличимы точки. Однако высока и расплата - медленная печать, серьезные эксплуатационные расходы, обусловленные дороговизной чернил и сложностью обслуживания таких принтеров, и, конечно, немалая цена самого оборудования.

Разумеется, инженеры работали над усовершенствованием непрерывной технологии и одновременно искали другие варианты, которые были бы свободны от ее недостатков. Были изобретены импульсные способы струйной печати, и достигнутый в этой области прогресс привел как к упрощению конструкции, удешевлению самих принтеров, так и к снижению эксплуатационных затрат. Именно импульсные технологии способствовали широкому распространению струйных принтеров и позволили им практически вытеснить с рынка матричные печатающие устройства, а также успешно конкурировать с лазерными принтерами по качеству и скорости печати.

Импульсная струйная печать

Пьезоэлектрические головки для струйных принтеров появились в семидесятых годах. Капельки из сопел такой головки вылетают под воздействием создаваемого на очень короткое время избыточного давления в камере с чернилами.

Для образования в камере избыточного давления применяется диск из пьезоэлектрика. Когда к нему подводится напряжение, он деформируется (изгибается). Выгнувшись, диск, который служит одной из стенок камеры с чернилами, резко уменьшает ее объем, оказавшиеся лишними чернила вылетают при этом из сопла в виде капельки. Для заполнения камеры, когда напряжение снято и пьезоэлектрический диск возвращается к исходной форме, применяется капиллярный способ подачи чернил из резервуара.

Предложила пьезоэлектрическую технологию струйной печати компания Epson, однако ей не удалось в полной мере воспользоваться преимуществами новой технологии и монополизировать рынок струйной печати. Помешали конкуренты - фирмы Hewlett-Packard и Canon, разработавшие другую импульсную технологию, получившую название пузырьковой.

Пьезоэлектрические головки до последнего времени отличались от пузырьковых неоправданно сложной и дорогой конструкцией. Однако Epson не отказалась от выбранного пути и приложила большие усилия по доводке своей технологии, в результате чего применяемые ею сегодня многослойные микропьезоэлектрические головки значительно подешевели, а качество их работы (обеспечиваемое разрешение) заметно возросло.

Первый принтер TinkJet, в котором была использована пузырьковая технология, компания Hewlett-Packard выпустила в 1985 году. В настоящее время большинство патентов на эту технологию принадлежит Hewlett-Packard и Canon, причем путем взаимного лицензирования они усилили свои позиции на рынке. Не так давно эти две компании практически полностью контролировали рынок струйных принтеров, пока Epson не решила проблемы с пьезоэлектрической печатью и на него не вторглись активно другие производители принтеров, соблазненные перспективами, открытыми новыми технологиями. Впрочем, неплохие доходы эти компании продолжают получать от продажи третьим фирмам печатающих головок и их электромеханических приводов.

Успех пузырьковых принтеров был вызван тем, что им удалось обеспечить такое же высокое качество печати, как у лазерных устройств, при цене на уровне хороших матричных принтеров. Как уже говорилось, качество печати определяется размером выстреливаемых из сопел капелек чернил, а конструкция пузырьковой головки, отличаясь невиданной простотой, позволила без особых затрат добиться разрешения в 300 точек на дюйм. Таким образом, по разрешению ThinkJet оказался на равных с выпускавшимися в то же время компанией Hewlett-Packard лазерными принтерами LaserJet.

В струйных принтерах Hewlett-Packard и Canon применяют один и тот же процесс формирования изображения, но называют они его по-разному: Canon делает акцент на пузырьковом происхождении капелек (Bubble Jet), в то время как Hewlett-Packard предпочитает именовать эту технологию просто струйной (Inkjet).

И в том и в другом случае графические изображения и текст на бумаге формируются капельками, вылетающими из сверхтонких сопел. В стенку каждого сопла встроен миниатюрный нагревательный элемент. При подаче на него электрического импульса контактирующие с ним чернила практически мгновенно испаряются. Образовавшийся пар расширяется и порождает ударную волну, под избыточным давлением которой чернила выстреливаются из сопла в виде капельки, как пуля из ружья.

После снятия импульса тока с нагревательного элемента пар моментально конденсируется и пузырек теряет свой объем - схлопывается. При этом в стволе-сопле возникает разрежение, под действием которого из резервуара всасывается новая порция чернил.

Конструкция сопел пузырьковой струйной головки чрезвычайно проста, что позволяет не только уменьшить ее стоимость, но и получить ряд других важных преимуществ. Высокая надежность сопел, достигнутая в результате упрощения принципа действия и конструкции, дает возможность отказаться от их дублирования на случай выхода из строя и существенно уменьшить массу и размеры головки. По этой же причине сопла можно разместить гораздо плотнее друг к другу, обеспечив более высокое разрешение. И наконец, работает пузырьковая головка совершенно бесшумно.

Примечательно, что, обладая одной и той же технологией и обменявшись лицензиями, компании Hewlett-Packard и Canon не успокоились и продолжают активно конкурировать друг с другом. Основные пути, ведущие к победе над соперником, - повышение качества (разрешения) печати и снижение ее себестоимости. Понимаете, кто от этого выигрывает? Несмотря на очевидное сходство, между пузырьковыми струйными головками этих компаний есть и существенное отличие. Hewlett-Packard устанавливает нагревательный элемент в торце сопла, при этом для подачи чернил используется специальный резервуар внутри головки. У головок Canon нагреватель расположен сбоку, а чернила текут через ствол сопла по прямой. Это позволяет уменьшить размер головки. Боковое расположение дает возможность увеличить площадь нагревателя, усилить избыточное давление и, следовательно, сообщить капельке большую кинетическую энергию.

Конструкция современных пузырьковых головок допускает использование быстро сохнущих чернил, благодаря чему капельки не успевают впитаться в бумагу или растечься - они просто моментально высыхают. Благодаря увеличению скорости, с которой из сопел выстреливаются капельки, можно увеличить зазор между головкой и бумагой. Больший зазор позволяет применять бумагу худшего качества, неровную или более плотную.

Твердочернильная печать Хотя непосвященному это может показаться странным, твердочернильная, или сублимационная, печать относится к струйной технологии. В настоящее время работающие по этому принципу принтеры применяются для получения цветных распечаток высочайшего качества, не уступающих фотографиям. Примером могут послужить устройства компаний Tektronix и Fargo, известные и на нашем рынке. В последнее время, когда модной стала цифровая фотография, значение сублимационной технологии резко возросло.

Вместо резервуара с жидкими чернилами в сублимационных принтерах используются восковые палочки четырех основных цветов - голубого, пурпурного, желтого и черного. Встречаются модели с шестью цветами, за счет чего в них улучшена проработка мелких деталей и точность цветопередачи.

Восковые палочки заряжаются прямо в печатающую головку. Специальные нагреватели расплавляют воск, который в жидком состоянии стекает в резервуар подачи. В резервуаре краситель еще одним нагревателем поддерживается в жидкой фазе все время работы принтера. Для получения изображения головка откачивает из резервуара небольшую порцию чернил, дополнительно нагревает их, повышая текучесть, и выстреливает на бумагу.

Принцип работы сублимационного принтера во многом сходен со схемой, используемой в струйных принтерах с непрерывной технологией печати. Однако в данном случае электронное устройство подает чернила в сопла не постоянно, а только в те моменты, когда это требуется. Капельки чернил благодаря своей восковой основе не впитываются в бумагу, а моментально застывают при контакте с ее поверхностью.

После формирования изображения бумагу прогоняют между полированными валками. Они разравнивают шероховатость отпечатка, появившуюся из-за выпуклости каждой попавшей на бумагу и мгновенно застывшей капельки. При прохождении между валками точки расплющиваются и существовавшие между ними промежутки заполняются, а краски смешиваются друг с другом не только оптически, но и физически, улучшая цветопередачу. После проглаживания пользователь получает очень похожее на фотоснимок, глянцевое, оптически плотное изображение, на котором невозможно выделить отдельные точки.

Высочайшее качество печати сублимационных принтеров оказывается невыгодным с точки зрения себестоимости каждой копии и низкой скорости распечатки, если приходится выводить на бумагу много текста. Вообще, одноцветная печать на таких принтерах - полный абсурд, так как обходится она слишком уж дорого.

Принтеры с твердыми восковыми чернилами имеет смысл применять тогда, когда необходима очень точная цветопередача, например для цветопроб в издательском деле или при цифровой фотографии, если надо получить привлекательно выглядящее красочное изображение небольшого формата.

Роман Соболенко