Струйные принтеры

По принципу действия струйные принтеры отличаются от матричных безударным режимом работы за счет того, что  их печатающая головка представляет собой набор не игл, а тонких сопел, диаметры которых составляют десятые доли миллиметра. В этой же головке установлен резервуар с жидкими чернилами, которые через сопла, как микрочастицы, переносятся на материал носителя. В основном число сопел в моделях различных изготовителей составляет от 16 до 64. Однако печатающая головка «HP DeskJet» 1600 имеет 300 сопел для черных чернил и 416 для цветных. Хранения чернил обеспечивается двумя конструктивными решениями. В одном из них головка принтера объединена с резервуаром для чернил, причем замена резервуара с чернилами одновременно связана с заменой головки. Другое предусматривает использование отдельного резервуара, который через систему капилляров обеспечивает чернилами головку принтера.

Принцип действия струйных принтеров похож на матричные принтеры тем, что изображение на носителе формируется из точек. Но вместо головок с иголками в струйных принтерах используется матрица сопел (т. н. головка), печатающая жидкими красителями. Печатающая головка может быть встроена в картриджи с красителями (в основном такой подход используется компаниями «Hewlett-Packard», «Lexmark»), а может и является деталью принтера, а сменные картриджи содержат только краситель («Epson», «Canon»).

По распространённости лидером  является струйная печать, второй — лазерная, третьей — термосублимационная, четвёртой — матричная. При струйном, лазерном и матричном способах печати линеатура составляет 300-80-30 lpi, и зависит от разрешающей способности устройства. При сублимационной печати линеатура получаемых полутонов более 300 lpi, поэтому наиболее массовое применение монохромные лазерная и матричная технологии находят при печати текстов и графики, а полноцветная термосублимационная технология используется в фотопринтерах. Цветная струйная печать показывает хорошие результаты при печати текстов, графики и фотографий. Струйная, лазерная и матричная технологии — растровые (англ. bi-level — два уровня), то есть для получения одной полноцветной точки растра (2 уровень) нужен микрорастр — по 16 х 16 = 256 «служебных» микропиксел каждого цвета (1 уровень).

Новые модификации лазерных, струйных и термосублимационных  технологий печати дают хорошие результаты и относятся к комбинированным (англ. contone — полутоновый цвет). Contone = bi-level + continuous tone. Такое полутоновое изображение местами печатается точками, а местами непрерывной заливкой красителем. Струйная и лазерная технологии печатают точки с «резкими» границами, без перекрытия, что хорошо при высоком разрешении, а если разрешение менее 4800 dpi, то на конечном изображении виден растр, в аналоговой фотографии говорили о зернистости изображения. На аналоговой цветной фотобумаге изображение создаётся тоже точками (зерном) с «резкими» границами, но разрешение фотобумаги высокое и изображение получается мелкозернистым и отличного качества.

Современные струйные принтеры ― самые дешевые печатные устройства. Качество печати современного струйного принтера сравнимо с лазерным, скорость печати также приближается к скорости младшей линейке лазерных принтеров. Качество цветной печати «на специальной бумаге практически неотличимо от качества фотографий. Единственный существенный недостаток, не дающий струйным принтерам полностью заполонить рынок ― это высокая стоимость расходных материалов у дешевых моделей принтеров» [5; с. 52].

В струйных принтерах  используется цветовая модель CMY или CMYK ― изображение формируется путем нанесения на бумагу чернил черного цвета, либо пигментированной в один из цветов CMY, либо дополнительные к CMY цвета (светлые Cyan и Magenta). При попадании на бумагу чернила быстро впитываются и высыхают ― изображение остается на бумаге. Чернила подаются на бумагу при помощи печатающей головки, представляющей собой матрицу сопел настолько тонких, что чернила не протекают через них, удерживаясь за счет поверхностного натяжения и специальной конструкции чернильной емкости.

Сопла термоструйных  принтеров снабжены терморезисторами. Для печати отдельной точки на резистор подается напряжение, и тот  нагревается. В результате образуется паровой пузырь, выталкивающий капельку чернил из сопла. К достоинству данной технологи относится заметная дешевизна печатающей головки. Однако, срок ее работы ограничен, и обычно она совмещена с картриджем. Ещё один недостаток ― практически неуправляемый (по типу взрыва) процесс выталкивания капли, вследствие чего вокруг точки возникают крошечные капли, напоминающие «туман».

Для цветной печати, когда  используются чернила цветов CMY (голубой, пурпурный и желтый), картриджи могут быть выполняться как в виде одного блока, так и  в виде отдельных «чернильниц». Первый вариант используется на старых либо дешевых принтерах. Второй ― более удобен для пользователя, т.к. в последнем случае не приходится выбрасывать остатки чернил из-за того, что в картридже закончился один из цветов. Также существует класс фотопринтеров, в которых используются шесть цветов, за счет чего достигается более качественная передача оттенков цвета и полутонов.

Остальная механика струйного  принтера аналогична по конструкции  с механикой матричных принтеров: та же каретка с печатающей головкой, тот же протяжной механизм подачи бумаги. Картридж с чернилами в более дешевых моделях струйных принтеров устанавливается непосредственно на каретке, в более дорогих ― представляет собой отдельную емкость, подача чернил из которой осуществляется через трубочку.

К достоинствам струнного принтера относятся: низкая цена устройства, возможность печати в цвете, более высокая скорость печати, чем у матричных принтеров, низкие шум при работе. К недостаткам: высокая стоимость расходных материалов, более низкая скорость, чем у с лазерных устройств.

Главные конструктивные недостатки струйных технологий: проблемы с засыханием чернил и засорением сопел и дефекты воспроизведения  слабоокрашенных фрагментов изображения. Причин засорения сопел много. Например: а) на поверхности чернил образуется плёнка окисла, которая при полном израсходовании чернил картриджа устремляется в сопла, б) испарение воды из чернильной суспензии и загустение чернил, в) слипание зёрен в пигментных чернилах, г) чернила пригорают на термоэлементах и эта чешуя летит в фильтр и сопла и т. д.

Фильтры картриджа из поролона не достаточно эффективны и  накапливают «мусор» при неоднократном  использовании картриджа после  перезаправки. При разрешении 4800dpi капли  должны падать на бумагу с шагом 25,4\4800 = 0,0053 мм. При каждой распечатке термические или пьезоэлектрические насосы выталкивают из каждого сопла миллионы капель чернил ёмкостью от 1 пиколитра. При встрече с бумагой капля разбрызгивается, чернила впитываются и расплываются. Пятно чернил по диаметру получается примерно в 2 раза больше сопла, выбросившего каплю. Сопло имеет диаметр порядка 0,0053\2 = 2,6 микрон. Естественно, что засориться соплу диаметром менее 3 микрон очень просто. Какое-то из более 400 сопел печатающей головки обязательно засорится.

Для воспроизведения светлого участка  изображения любого цвета требуется  мало окрашенных «служебных» микропикселей, в результате получаются редкие точки  на «большой» площади изображения  — просто неокрашенная бумага. А человек судит о качестве изображения, в первую очередь, исходя из достоверности воспроизведения именно светлых оттенков изображения. Чтобы смягчить этот недостаток, к четырём базовым цветам (CMYK) добавляются по одному или по два светлых (light) варианта голубых (C-light), пурпурных (M-light), жёлтых (Y-light) и чёрных (К-light или grey) чернил. Обычно бывает не более 8 чернильниц. Комплект фирменных картриджей для струйного принтера ёмкостью по 5-10 мл стоит достаточно дорого, а расходуются чернила не только на печать, но и на прочистку сопел. Лучше, когда чернильницы неподвижны на корпусе принтера, они больше по объёму, можно использовать больше светлых цветов, они не снижают скорости печати за счёт инерции и создаются условия для снижения эффекта засыхания чернил за счёт продувки воздухом сопел печатающей головки после окончания работы [2; с. 328].

Другие недостатки струйных технологий: невысокая скорость полноцветной печати, обусловленная в основном растрированием и количеством дополнительных светлых  цветов, выцветание красок изображения, «водобоязнь» отпечатков, при использовании водорастворимых чернил и осыпание изображения, при использовании пигментных чернил, чувствительность к сорту бумаги.

1.4. Способы распыления  красителя в струйном принтере

Печатающие головки струйных принтеров создаются с использованием следующих типов подачи красителя:

• Непрерывная подача (Continuous Ink Jet) — подача красителя во время печати происходит непрерывно, факт попадания красителя на запечатываемую поверхность определяется модулятором потока красителя (утверждается, что патент на данный способ печати выдан Вильяму Томпсону (William Thomson) в 1867 году). В технической реализации такой печатающей головки в сопло под давлением подаётся краситель, который на выходе из сопла разбивается на последовательность микро капель (объёмом нескольких десятков пиколитров), которым дополнительно сообщается электрический заряд. Разбиение потока красителя на капли происходит расположенным на сопле пьезокристаллом, на котором формируется акустическая волна (частотой в десятки килогерц). Отклонение потока капель производится электростатической отклоняющей системой (дефлектором). Те капли красителя, которые не должны попасть на запечатываемую поверхность, собираются в сборник красителя и, как правило, возвращаются обратно в основной резервуар с красителем. Первый струйный принтер, изготовленный с использованием данного способа подачи красителя, выпустила «Siemens» в 1951 году.

• Подача по требованию — подача красителя из сопла печатающей головки происходит только тогда, когда краситель действительно надо нанести на соответствующую соплу область запечатываемой поверхности. Именно этот способ подачи красителя и получил самое широкое распространение в современных струйных принтерах [7; с. 386].

При длительном простое  принтера (неделя и больше) происходит высыхание остатков красителя на соплах печатающей головки (особенно критично засорение сопел печатающей матрицы принтеров Epson, Canon). Принтер умеет сам автоматически чистить печатающую головку. Но также возможно провести принудительную очистку сопел из соответствующего раздела настройки драйвера принтера. При прочистке сопел печатающей головки происходит интенсивный расход красителя. Если штатными средствами принтера не удалось очистить сопла печатающей головки, то дальнейшая очистка и/или замена печатающей головки проводится в ремонтных мастерских. Замена картриджа, содержащего печатающую головку, на новый проблем не вызывает. Для уменьшения стоимости печати и улучшения некоторых других характеристик печати также применяют систему непрерывной подачи чернил (СНЧП).

В струйных принтерах в основном используют следующие методы нанесения чернил: пьезоэлектрический, метод газовых пузырей и метод «drop on demand».

Пьезоэлектрический метод  основан на управлении соплом с использованием обратного пьезоэффекта, который, как  известно, заключается в деформации пьезокристалла под действием электрического поля. Для реализации этого метода в каждое сопло установлен плоский пьезокристалл, связанный с диафрагмой. Действием электрического поля, сжимая и разжимая сопло и наполняет его чернилами. Чернила, которые отжимаются назад, перетекают обратно в резервуар, а чернила, которые вышли из сопла в виде капли, оставляют на бумаге точку. Подобные устройства выпускают компании Epson, Brother и другие.

Хотя струйный принцип  печати известен уже давно, эти устройства не нашли бы столь широкого применения, если бы не изобретение, ставшее основой для распространения струйной технологии ― это технология «пузырьковой» струйной печати (bubble-jet). Первый и основной патент на нее принадлежит компании «Canon». «Hewlett-Packard» также владеет рядом важных патентов в этой области, она создала первый струйный принтер с использованием пузырьковой технологии «ThinkJet» в 1985 году. Путем обмена лицензиями эти две компании получили подавляющее преимущество над конкурентами ― сейчас им принадлежит 90 % европейского рынка струйных принтеров.

«Siemens» в качестве электромеханического преобразователя использовала пьезоэлектрическую трубочку, вмонтированную в канал из литьевой смолы. Все каналы заканчиваются пластиной с калиброванными отверстиями для распыления, расположенной на передней стороне устройства. Передача электроэнергии и красителя производится исключительно посредством колебаний давления, распространяющихся в канале в соответствии с законами акустики. Колебания, достигающие конца канала, отражаются там с инверсией фазы, т.е. в этом месте колебание с пониженным давлением и наоборот [5; с. 53].

Вместо пьезоэлектрических трубочек, как у Siemens, на печатающих головках «Epson», выполненных из структурированных стеклянных пластинок, укреплены небольшие пьезопластинки. Если к ним приложить электрическое напряжение, их диаметр чуть-чуть изменится, но и этого будет достаточно, чтобы они согнулись вместе с пассивной стеклянной многослойной подложкой подобно биметаллической пластине, что приведет к возникновению в канале красителя. Выталкиваются тем же способом, что и в печатающих головках с пьезотрубочками.

В 1987 г. компания «Dataproducts» предложила другой принцип использования пьезоэлектриков для струйной печати, основанный на применении пластинчатого пьезопреобразователя. В последующие годы этот метод оставался сравнительно малоизвестным причем не столько из-за конструкции на базе преобразователя, сколько из-за жидких восковых чернил, которые применялись во всех струйных принтерах с пластинчатым пьезопреобразователем производства «Epson». Согласно этому методу пьезопреобразователь, представляющий собой длинную плоскую пластинку (ламель), размещается позади небольшого резервуара с красителем. При воздействии на ламель импульсов напряжения ее длина немного меняется, что приводит к всплескам давления внутри резервуара, которые, в свою очередь, выталкивают капли из сопла-распылителя.

Пластинчатые пьезопреобазователи  сочетают в себе преимущества как  плоских, так и трубчатых систем, высокую частоту распыления и компактную конструкцию. Сегодня на печатающие головки с пьезоламелями делают ставку такие фирмы, как «Dataproduts», «Tektronix» и «Epson».