Струменеві принтери. 
Пристрої виведення інформації. 
Принтери

Розвиток технології струменевого друку

Аналогічно термодруку, технологія струменевого друку пройшла довгий шлях вдосконалення, причому з більш ніж успішними результатами. За 15 років роздільна здатність струменевих принтерів, призначених для масового застосування, зросла майже в 10 разів (до тисяч точок на дюйм). Досягнуто вдалий компроміс між вимогами до чорнилом не засихати в соплах друкуючої голівки і досить швидко сохнути на папері, не змазаними при цьому. Значно покращилися експлуатаційні властивості струменевих апаратів, вони стали більш невибагливі до паперу.

Механізм подачі і протяжки паперу струменевих, друкувальних пристроїв дуже високий, однак, застосована принципово інша друкуюча голівка. Оскільки струменева технологія використовує метод «викидання» крапель барвника на папір, відповідна матриця друку являє собою набір сопел (до 256), з якими сполучені ємності для чорнила і керуючі механізми (як правило, — п'єзоелектричного типу). Вимоги до фарб (чорнилу) досить суперечливі і високі, тому склад їх постійно вдосконалюється. Якість зображення сильно залежить від типу паперу (плівки), тому для найбільш відповідальних робіт рекомендуються спеціальні її типи, що мають властивості швидкого вбирання чорнила без їх прояву на просвіт.

Таким способом може викидатися до мільйона крапель в секунду. Їх розміри залежать від геометричної форми сопел-розпилювачів і складають всього лише кілька мікрон, а швидкість, з якою вони долітають до паперу, досягає 40 м/с. Мова йде про струменеві принтери, які працюють за вищезгаданим принципам безперервного розпилення барвника або друку під високим тиском. Ці принтери здатні маркувати і наносити коди практично на всі поверхні і предмети. Вони в стані розпорошувати переважна більшість видів рідин: чорнила, лак, масла і навіть клейкі речовини і смоли.

Завдяки високій швидкості польоту крапель допускається використання поверхні з сильними нерівностями і залежно від вимог до якості друку розміщувати їх на відстані 1−2 см від сопла-розпилювача. У результаті можна наносити маркування, наприклад дані про термін придатності товару, на картонні коробки, пляшки, консервні банки, яйця або кабелі. Цю технологію друку неважко впізнати по точках, що здаються нерівномірними.

Перший вдалий монохромний струменевий принтер Thinkjet фірми Hewlett-Packard подолав основну масу технологічних проблем і забезпечив при високій якості друку і дозвіл, близькому до голчастим друкуючим пристроям, швидкість друку до 150 символів за хвилину. У порівнянні з основними конкурентами тих років — голчастими друкувальними пристроями, різко знизився рівень шуму під час друку. Сучасні струменеві принтери для масового застосування, як правило, мають роздільну здатність на рівні 300−360 або 300−600 точок на дюйм, можуть друкувати з задовільною якістю на звичайному папері і з високою якістю (наближається до друку на лазерному принтері) — на спеціальному папері. Типову швидкодію при друці текстів становить 50−160 знаків у хвилину, а графіки — 0.5−4 листа в хвилину.

Поширені струменеві друкувальні пристрої фірм Hewlett-Packard, Epson, Apple, Brother, Lexmark, Texas Instruments, CalComp та інших. Питома вартість друку струменевих принтерів складає близько 5 центів на аркуш формату А4, а ціна самих принтерів є середньою між цінами на матричні і лазерні принтери. Фактично, маючи ціну на 150−200 доларів нижче, ніж у лазерних апаратів, і якість, що наближається до них, сімейство струменевих принтерів стійко збільшує свою частку на ринку, чому сприяє і їх активна реклама. Струменеві принтери практично безшумні.

Перші заявки на реєстрацію винаходу систем струменевого друку з виконавчими п'єзоелектричними механізмами були подані в 1970 і 1971 рр. Протягом декількох років різні фірми та інститути проводили дослідження, поки, нарешті, компанії Siemens не вдалося втілити цей принцип у прийнятну для ринку форму. У 1977 р. був продемонстрований перший струменевий принтер з дозованим викидом барвника. Цей принтер, оснащений дванадцятьма соплами-розпилювачами і друкує майже безшумно зі швидкістю 270 символів в секунду, зробив революцію навіть у колах фахівців.

Siemens як електромеханічного перетворювача використовувала п'єзоелектричних трубочку, вмонтовану в канал з литтєвий смоли. Всі канали закінчуються пластиною з отворами, що калібруються для розпилення, розташованої на передній панелі пристрою. Передача електроенергії і барвника проводиться виключно за допомогою коливань тиску, що розповсюджуються в каналі відповідно до законів акустики. Коливання, що досягають кінця каналу, відображаються там з інверсією фази, тобто в цьому місці коливання зі зниженим тиском і навпаки.

Замість п'єзоелектричних трубочок, як у Siemens, на друкуючих голівках Epson, виконаних з структурованих скляних пластинок, укріплені невеликі пьезопластинки. Якщо до них прикласти електричну напругу, їх діаметр трохи зміниться, але і цього буде достатньо, щоб вони зігнулися разом з пасивною багатошаровою скляній підкладкою подібно біметалічній пластині, що призведе до виникнення в каналі барвника виштовхуються тим же способом, що і в друкуючих голівках з пьезотрубочками.

У 1987 р. компанія Dataproducts запропонувала інший принцип використання пьезоелектриків для струменевого друку, заснований на застосуванні пластинчастого пьезопреобразователя. У наступні роки цей метод залишався порівняно маловідомим (причому не стільки через конструкції на базі перетворювача, скільки через рідких воскових чорнил, які застосовувалися у всіх струменевих принтерах з пластинчастим пьезопреобразователем виробництва Epson), поки не з’явилася модель Stylus 800.

Згідно цьому у методом пьезопреобразователя, що представляє собою довгу пласку платівку, розміщується позаду невеликого резервуару з барвником. При впливі на ламель імпульсів напруги її довжина трохи змінюється, що приводить до сплесків тиску всередині резервуару, які, у свою чергу, виштовхують краплі з сопла-розпилювача.

Пластинчасті пьезопреобазователі поєднують в собі переваги як плоских, так і трубчастих систем високу частоту розпилення і компактну конструкцію. Сьогодні на друкуючі голівки з пьезоламелі роблять ставку такі фірми, як Dataproduts, Tektronix і Epson.

На початку 1994 року Epson продемонстрував пьезотехнологію MACH (Multilayer Actuator Head — голівка з багаторівневим виконавчих механізмом) у свойому новому струменевому принтері моделі Stylus 800. Тим не менше, і в п'єзоелектричних друкуючих голівках MACH-голівках застосовуються пьезоламелі. Щоправда, компанії Epson вдалося виготовити пьезоламелі одного ряду сопел-розпилювачів в єдиному блоці (Multilayer). Таким чином, виявилося можливим ще зменшити розміри друкуючої голівки, розмістити перетворювачі, канали і сопла-розпилювачі з дистанцією всього лише в 140 нм і одночасно знизити виробничі витрати.

При тонкошаровій технології застосовуються в принципі ті ж виробничі процеси, що і при виготовленні інтегральних схем. Канали подачі фарбника, сопла-розпилювачі, виконавчі механізми та струмопровідні шини виникають при почерговому нанесенні шарів на підкладки, наприклад способом іонно-променевого напилення, та подальшому структуруванні цих шарів.

Таким чином, після завершення процесу виробництва, що налічує більше сотні кроків, на одній підкладці з’являється дуже багато термодрукуючих елементів. Всі структури повинні бути виконані з точністю до тисячної частки міліметра. Крім того, найменше забруднення при виробництві призводить до відмови. З цієї причини бульбашково-струменеві друкувальні елементи виготовляються в чистих приміщеннях і з застосуванням машин, типових для напівпровідникової промисловості.

Очевидно, що при одночасній обробці багатьох мініатюрних елементів на одній підкладці витрати на виготовлення різко знижуються, хоча рівень інвестицій в чисті виробничі приміщення і верстати високий. Витрати на струменево-бульбашкові друкуючі елементи залежать не від кількості сопел-розпилювачів або дозволу друку, а тільки від виду поверхні кристала, а також від числа і характеру процесів. Отже, друкуюча голівка, розрахована на дозвіл 400 крапок / дюйм, з 64 розпилювачами не повинна коштувати дорожче, ніж голівка з 24 розпилювачами і дозволом 180 точок / дюйм.

Оскільки голівки струменево-бульбашкового термодруку виготовляються за тим же принципом, що і інтегральні мікросхеми, напрошується думка про інтеграцію останніх у друкувальні кристали.

Функціонування бульбашково-струменевого сопла-розпилювача полягає в наступному. Спочатку сильний імпульс напруги тривалістю 3−7 мкс подається на крихітний нагрівальний елемент, який миттєво нагрівається до 500 градусыв по Цельсію. На його поверхні температура перевищує 300 градусыв по Цельсію. Потужність нагріву поверхні настільки велика, що при збільшенні тривалості імпульсу напруги всього лише на кілька мікросекунд нагрівальний елемент моментально б зруйнувався.

Відразу ж в тонкій плівці над нагрівальним елементом починають кипіти чорнило, і через 15 мкс утворюється закрита бульбашкова пара високого тиску. Він виштовхує краплю чорнила з сопла-розпилювача, при чому швидкість польоту краплі досягає 10м/с і більше. Через 40 мкс бульбашка, з'єднавшись з атмосферою, знову опадає, проте пройде ще 200 мкс, поки нові чорнила під дією капілярних сил не будуть засмоктані з резервуару.

Голівка Edgeshooter, як стає зрозуміло вже з назви, розбризкує чорнильні краплі «за ріг», тобто перпендикулярно до напрямку утворення бульбашок. У голівці Sideshooter, де пластина з соплами-розпилювачами знаходиться поверх нагрівальних елементів і каналів подачі чорнила, бульбашки і краплі рухаються в одному напрямку. Оскільки краю сопел-розпилювачів в голівках типу Sideshooter зроблені з однорідного, а не з різних матеріалів, як у Edgeshooter, процес виготовлення розпилювачів з отворами певного розміру для Sideshooter значно простіше, ніж для головок Edgeshooter. Крім того, доводиться враховувати неоднакове змочування різнорідної поверхні голівки Edgeshooter.

З іншого боку, при прямому розпиленні барвника для сопел потрібно більш велика поверхня, що може завдати неприємностей, зокрема, творцям майбутніх систем друку з великою кількістю розпилювачів і підвищеним дозволом. До того ж чорнило, з силою, вдаряються об поверхню нагрівального елемента після падіння бульбашкові пари, рано чи пізно викличуть її пошкодження внаслідок кавітації. Можливо, з цієї причини спосіб прямого розпилення досі використовувався тільки в змінних друкуючих голівках з обмеженим строком служби.

Вимоги до якості чорнила для будь-якої системи струменевого термодруку дуже високі, значно вище, ніж пьезосистемах. Принцип функціонування і високі температури зумовлюють застосування тільки змішаних розчинних барвників на водяній основі.

• 1. -Барвники повинні відповідати цілому ряду вимог:
• 2. -Бути спільними з матеріалами, з яких зроблений друкує механізм;
• 3. -Не утворювати відкладень в каналах і розпилювачах, а також не розшаровуватися;
• 4. -Зберігатися протягом тривалого часу;
• 5. -Володіти певними показниками щільності, в’язкості і поверхневого натягу при температурах від 10 до 40 гр. Цельсія;
• 6. — Не, служити живильним середовищем для утворення бактерій і водоростей;
• 7. — Не містити отруйних або канцерогенних речовин і не займатися.

До того ж барвники для струменевого термодруку повинні утворювати бульбашкові пари без відкладення опадів і витримувати короткочасне нагрівання до 350 градусів по Цельсію.

У процесі свого розвитку струменеві моделі досить швидко підвищили якість друку і, що найголовніше — навчилися друкувати в кольорі. Це остаточно підкорило серця користувачів і призвело до того, що за десять років струменеві моделі в класі SOHO стали основними і завоювали більше 80% ринку.

Щоб уявити собі, наскільки швидким був їх розвиток, можна порівняти першу модель з типовою сучасною. Сьогодні струменевий принтер володіє дуже високою якістю друку чорного тексту та кольорової графіки.

Але, в принципі, все це не настільки важливо — адже кількість точок на кожному дюймі вже перестало відігравати визначальну роль, і практично у всіх виробників є свої унікальні технології підвищення якості друку. Перш за все, це способи створення точок різного розміру: найдрібніших, від 2−5 піколітрів, для промальовування тонких елементів зображення (рекордно малу краплю в 2 пл дає принтер Epson Stylus Photo 950), і більших, для швидкої заливки великих площ. Далі, це оптимальний підбір кольорів — змішування чорнила різного кольору з точних пропорціях (найбільш відомою технологією є Hewlett-Packard Photo REt). І, звичайно, математичні фільтри, що усувають дефекти зображення. Наприклад, при невисокому дозволі вихідної картинки її лінії виділяються фільтрами, інтерполюються і згладжуються для збільшення різкості (так званий ефект SmartFokus); при затемненні основного об'єкта частина зображення може бути автоматично підсвічена (ефект віртуальної спалаху).

Не останню роль відіграють способи отримання крапель, швидкість їх вистрілювання і кількість дюз у друкованій голівці. Всі разом це призводить до збільшення загальної швидкості, і сучасні струменеві моделі друкують практично так само швидко, як лазерні принтери початкового і середнього рівня. Правда, при цьому вони позбулися козиря, яким вони володіли спочатку — безшумної роботи.

Але при друку на звичайному папері струменеві принтери все-таки програють кольоровим лазерним моделям (чорнило проникають в пори паперу і лягають не так чітко, як твердий барвник). Певним винятком тут є моделі Canon з так званим оптимізатором чорнила. Це прозорий полімер, який наноситься на папір разом з чорнилом і, фактично, перетворює будь-який папір в фотографічну. Але цей підхід не отримав широкого поширення і використовується тільки в моделях бізнес-класу.

Подібний же тест можна провести і в економічному режимі. У ньому чорнило економляться за рахунок освітлення зображення та / або шляхом зниження дозволу. Дуже часто символи при цьому стають «щербатими», або з’являються спотворення начебто зламу символів (наче рядок змістили в той момент, коли друкувалася її середина).

Окремо можна перевірити поліпшені режими. Їх, як правило, буває декілька. У принтерів Lexmark їх два, вони прямо називаються «Покращення» (якість) і «Найкращий» і доступні на основній сторінці драйвера. У принтерів Hewlett-Packard також на основній сторінці доступний режим «Best», а у моделей Canon і Epson доводиться переходити в призначені для користувача настройки. У драйверах Epson можна вибирати рівень якості з ряду «Normal — 360 dpi», «Fine — 360 dpi», «Photo — 720 dpi», «Photo — 1440 dpi» і «Photo — 2880 dpi». У моделей Canon в призначених для користувача настройках просто задані п’ять рівнів якості за рахунком — перший, другий і т.д.

Зрозуміло, дивно говорити про повний збіг лінійок риси в різних виробників. Але про приблизний відповідно судити все ж можна. Тест кольорової графіки можна провести, вивівши на друк типову презентацію MS PowerPoint. Для цього, звичайно, не обов’язково вибирати вищу якість. А от для перевірки друку фотографії краще задати саме його. Причому найвищий рівень визначається не тільки ступенем якості, але й типом паперу. Зрозуміло, при друці на фотопапері з полімерним покриттям принтер постарається показати все, на що він здатний.