автор: Мельник Ярослав Анатольевич
е-mail: wisepro#narod.ru
http://www.wisepro.narod.ru
Вступление
Наверное, каждому из нас хотелось бы узнать, как же устроен картридж в принтере, как же там все работает. И как компаниям, производящим принтеры удается достичь такого потрясающего качества печати и разрешения. На момент написания статьи компания Lexmark достигла разрешения 4800x1200 в принтере z65.
Зарождение технологии
В недалеком прошлом несколько, пока неизвестных компаний начали задумываться, как же упростить жизнь себе и пользователю и не мучаться с печатной машинкой и матричными принтерами которые к тому же сильно шумят. Хотелось, чтобы краска сама наносилась на поверхность бумаги. И вот разработку термической технологии начали в 1984 г. компании HP и Canon. Сначала дело шло медленно и требовало много денег, никто не хотел вкладывать деньги в неизвестное будущее. 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. 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 (проще говоря в
картридже). При этом некоторая часть чернил испаряется, в камере быстро нарастает избыточное давление, и из эжекционной камеры через сопло выбрасывается маленькая капелька чернил. В течение одной секунды этот процесс многократно повторяется. Представляете, как нужно было инженерам извращаться, чтобы получить данный результат. Далее поподробней…
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.
Традиционные цветные струйные принтеры способны наносить до двух капель чернил в пределах точки. Используя чернила четырех основных цветов (черного, голубого, пурпурного и желтого) и нанося две капли чернил в пределах точки, традиционный струйный принтер воспроизводит до восьми различных цветов на точку. К этим восьми цветам относятся белый, черный, голубой, пурпурный, желтый, красный, зеленый и синий цвета. Дополнительные цветовые оттенки создаются путем полутонирования, предусматривающего нанесение цветных точек в границах определенной области изображения таким образом, что при взгляде на распечатку данная область выглядит как цветовой переход, имеющий новый оттенок. 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 (выпуклая или вогнутая поверхность жидкости в узких трубках или между близко расположенными твердыми стенками) в сопле после эжекции и повторное заполнение эжекционной камеры (рис 1).
Механическое создание термической струи
Шаги формирования и выброса капли Шаг первый - создаем избыточное давление Формирование термической чернильной струи начинается в печатающей головке картриджа (рис 2). 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, разве это не может не радовать.
Шаг второй - попробуем сформировать чернильную каплю. 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 (рис. 3). 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.
Шаг третий - охлаждаем камеру
Такой пузырек, обладающий громадной энергией, действует как поршень, выбрасывающий чернила из сопла на страницу со скоростью 1270 сантиметров в секунду (рис. 4). Образующаяся при этом капля весит всего 18 миллиардных долей грамма! По командам, поступающим от драйвера принтера, 400 сопел могут активизироваться одновременно в любых сочетаниях.
Шаг четвертый - заполняем камеру Повторное заполнение камеры эжекционной камеры занимает менее 100 миллионных долей секунды, после чего камера вновь готова к работе (рис. 5). В термических струйных принтерах цикл, включающий формирование и выброс чернильной капли, охлаждение и повторное нагревание камеры, может повторяться до 12 тысяч раз в секунду.
Пройдемся немного по фактам.
Вот некоторые данные, характеризующие процесс образования пузырьков они просто потрясают, когда я лично увидел эти цифры, то не поверил, хотел найти еще доказательств, и когда чу3ть ли не в каждом источнике были эти цифры я поверил, так, что поверьте и вы.
Тепловой поток у поверхности:
o нагревательного элемента = 109 Вт/м2
o Солнца = 108 Вт/м2
o Нагревание в тонком слое до температуры 600°C
o Точка плавления алюминия = 660°C
o Начальное давление в пузырьке - 125 атм
o Таково давление в океане на глубине 1 000 м
Различия между "пузырьковой струей" и "чернильной струей"
Кажется, что почти одинаковая технология, везде используется струя, но попробуем найти различия. 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. Замудренное предложение, но я думаю, что читатели люди образованные и поняли, что я хотел сказать.
Чернильные картриджи
Так как делиться струйная технология, также можно и делить тип картридже используемых в принтерах. 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. Да, кстати картриджи у которых печатная головка вместе с картриджем и стоит дороже, но на это можно закрыть глаза, так как при замене картриджа вы получаете новую печатающую головку и новое, хорошее качество.
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 микро комплектов, 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 сантиметр (точнее 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
Как и у каждой технологии здесь присутствую свои 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. Отсутствие какого-либо звука при работе печатающей головки. Как я не искал, но недостатки обнаружить мне не удалось. Может в скором будущем они появятся, а пока на этом всё, думаю мой обзор нанесения краски на бумагу окончен и ты мой дорогой читатель получил полезную информацию и у меня не зря было потрачено время на поиск информации и изложение ее на страницах журнала.
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.
Традиционные цветные струйные принтеры способны наносить до двух капель чернил в пределах точки. Используя чернила четырех основных цветов (черного, голубого, пурпурного и желтого) и нанося две капли чернил в пределах точки, традиционный струйный принтер воспроизводит до восьми различных цветов на точку. К этим восьми цветам относятся белый, черный, голубой, пурпурный, желтый, красный, зеленый и синий цвета. Дополнительные цветовые оттенки создаются путем полутонирования, предусматривающего нанесение цветных точек в границах определенной области изображения таким образом, что при взгляде на распечатку данная область выглядит как цветовой переход, имеющий новый оттенок. 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 (выпуклая или вогнутая поверхность жидкости в узких трубках или между близко расположенными твердыми стенками) в сопле после эжекции и повторное заполнение эжекционной камеры (рис 1).
Формирование термической чернильной струи начинается в печатающей головке картриджа (рис 2). 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, разве это не может не радовать.
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 (рис. 3). 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. 
Повторное заполнение камеры эжекционной камеры занимает менее 100 миллионных долей секунды, после чего камера вновь готова к работе (рис. 5). В термических струйных принтерах цикл, включающий формирование и выброс чернильной капли, охлаждение и повторное нагревание камеры, может повторяться до 12 тысяч раз в секунду.
