Ксерография

Ксерография — это технология сухого электростатического копирования и печати, основанная на переносе тонера на бумагу или другой носитель с помощью электрического заряда и последующей термофиксации. Относится к классу электрофотографических процессов и является основой работы большинства современных лазерных принтеров, копировальных аппаратов и многофункциональных устройств. Ключевыми характеристиками ксерографии являются высокая скорость печати, стойкость отпечатков к выцветанию и влаге, а также возможность использования обычной офисной бумаги.

История

Предпосылки изобретения

До середины XX века основными способами размножения документов были типографская печать, гектография и фотокопирование на специальной фотобумаге. Все эти методы были либо дорогими, либо медленными, либо требовали использования химических реагентов и влажных процессов. Возникла потребность в быстром, сухом и недорогом способе получения копий с оригиналов.

Изобретение Честера Карлсона

Основоположником ксерографии считается американский физик и изобретатель Честер Карлсон (Chester Carlson). В 1938 году он провёл первый успешный эксперимент по созданию копии с помощью сухого электростатического метода. Карлсон использовал цинковую пластину, покрытую серой, которую наэлектризовал трением. Затем он экспонировал пластину через стеклянную пластинку с текстом, нанесённым тушью. После экспонирования он нанёс на пластину ликоподиевый порошок (споры плауна), который прилип к заряженным участкам. Полученное изображение было перенесено на вощёную бумагу и закреплено нагревом. Первая копия представляла собой надпись «10-22-38 Astoria» (дата и место проведения эксперимента).

Несмотря на успех, изобретение долго не находило коммерческого применения. Крупные компании, включая IBM и Kodak, отказались от его разработки, посчитав её неперспективной.

Коммерциализация и развитие

В 1944 году Карлсон заключил соглашение с некоммерческой организацией Battelle Memorial Institute, которая доработала технологию. В 1947 году права на изобретение приобрёл небольшой производитель фотобумаги — компания Haloid Company (впоследствии переименованная в Xerox Corporation). Термин «ксерография» (от греч. xeros — сухой и grapho — пишу) был предложен филологом из Университета Огайо.

В 1949 году компания Haloid выпустила первый коммерческий копировальный аппарат — Model A (Xerox Model A). Он был громоздким, требовал ручных операций и был медленным, но стал прорывом. В 1959 году появился Xerox 914 — первый полностью автоматический копировальный аппарат, который совершил революцию в офисной работе. Он позволял делать до 7 копий в минуту на обычной бумаге.

В 1960-х — 1970-х годах технология ксерографии была усовершенствована: появились цветные копиры, лазерные принтеры (первый — IBM 3800 в 1976 году), а затем и компактные настольные устройства. Развитие цифровых технологий привело к появлению многофункциональных устройств (МФУ), объединяющих функции принтера, сканера и копира.

Принцип действия

Процесс ксерографической печати состоит из нескольких последовательных этапов:

1. Зарядка (коронация). Фоточувствительный барабан (обычно цилиндр из алюминия, покрытый слоем селена, органического фотополупроводника или аморфного кремния) равномерно заряжается отрицательным или положительным статическим электричеством. Зарядка осуществляется с помощью коротрона (коронирующего провода) или ролика зарядки.
2. Экспонирование (засветка). Оригинал документа или цифровое изображение проецируется на вращающийся барабан. В местах, где на изображении есть светлые участки (фон), фотопроводящий слой теряет заряд, становясь проводящим. В тёмных участках (текст, изображение) заряд сохраняется. В результате на барабане формируется невидимое электростатическое скрытое изображение.
3. Проявление (нанесение тонера). На барабан наносится сухой мелкодисперсный порошок — тонер. Тонер состоит из частиц полимера, пигмента (красителя) и добавок, регулирующих заряд. Частицы тонера несут заряд, противоположный заряду барабана. Благодаря электростатическому притяжению, тонер прилипает к заряженным участкам барабана, формируя видимое изображение.
4. Перенос (трансфер). Бумага или другой носитель подаётся в зону контакта с барабаном. С обратной стороны бумаги создаётся более сильный электрический заряд, который «вытягивает» частицы тонера с барабана на бумагу. Изображение на бумаге остаётся нефиксированным и легко стирается.
5. Закрепление (фиксация). Бумага с тонером проходит через фьюзер (печку) — узел, состоящий из нагретого вала и прижимного ролика. Под воздействием высокой температуры (обычно 180–200 °C) и давления частицы тонера расплавляются и вплавляются в структуру бумаги, образуя прочное изображение. После фиксации бумага охлаждается и выводится из устройства.
6. Очистка барабана. После переноса изображения на барабане остаются остатки тонера. Они удаляются специальным ракелем (чистящим лезвием) или щёткой. Остаточный заряд снимается с помощью лампы разрядки или коротрона. Барабан готов к следующему циклу.

Классификация и виды

Ксерографические устройства классифицируются по нескольким признакам:

По типу печати

• Монохромная (чёрно-белая). Использует один чёрный тонер. Наиболее распространённый тип для офисной и домашней печати документов.
• Цветная. Использует четыре тонера (CMYK: голубой, пурпурный, жёлтый, чёрный). Цветное изображение формируется за несколько проходов (в многоходовых системах) или за один проход (в одноходовых системах).

По скорости печати

• Персональные (до 20 страниц в минуту). Компактные, недорогие устройства для дома или малого офиса.
• Офисные (20–50 страниц в минуту). Средняя производительность, рассчитаны на интенсивную работу в небольших и средних коллективах.
• Высокопроизводительные (более 50 страниц в минуту). Крупные промышленные и корпоративные системы, способные обслуживать большие объёмы печати.

По типу носителя

• Листовые. Печатают на отдельных листах бумаги форматов A4, A3, Letter и других.
• Рулонные. Используются для печати на рулонных носителях (например, для инженерной документации, карт, плакатов). Такие устройства называются широкоформатными плоттерами.

Устройство и основные компоненты

Ксерографический аппарат (лазерный принтер или копир) состоит из следующих ключевых узлов:

• Фотобарабан (фоторецептор). Основной элемент, на котором формируется скрытое изображение. Изготавливается из алюминиевой основы с фотопроводящим покрытием.
• Система зарядки. Коротрон (провод под высоким напряжением) или заряжающий ролик (PCR).
• Лазерный блок (сканер). В лазерных принтерах — устройство, формирующее изображение на барабане с помощью лазерного луча, отклоняемого вращающимся зеркалом. В копирах — оптическая система из зеркал и линз, проецирующая изображение оригинала.
• Блок проявления (картридж с тонером). Содержит тонер и механизм его подачи на барабан (магнитный вал или ролик проявления).
• Блок переноса. Трансферный ролик или коротрон, создающий заряд для переноса тонера на бумагу.
• Блок фиксации (фьюзер). Нагревательный элемент (галогеновая лампа или керамический нагреватель) и прижимной вал.
• Тракт подачи бумаги. Ролики, датчики, лотки для подачи и приёма бумаги.
• Контроллер (плата управления). Микропроцессор, управляющий всеми процессами и взаимодействием с компьютером.

Применение

Ксерография является доминирующей технологией в следующих областях:

• Офисная печать. Создание копий документов, печать отчётов, писем, контрактов.
• Домашняя печать. Распечатка учебных материалов, рефератов, фотографий (на цветных принтерах).
• Полиграфия. Цифровая печать малых и средних тиражей (книги, брошюры, листовки, визитки). В отличие от офсетной печати, не требует изготовления печатных форм.
• Инженерная графика. Печать чертежей, схем, карт на широкоформатных плоттерах.
• Медицина. Печать снимков (например, на специальных медицинских плёнках) в диагностических центрах.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая скорость. Лазерные принтеры значительно быстрее струйных.
• Низкая стоимость отпечатка (особенно для чёрно-белой печати).
• Стойкость изображения. Отпечатки не выцветают, не размываются водой (в отличие от струйных).
• Возможность печати на обычной бумаге. Не требуется специальная бумага с покрытием.
• Чёткость и резкость текста. Идеально подходит для печати документов.

Недостатки

• Высокая начальная стоимость устройства (по сравнению с бюджетными струйными принтерами).
• Ограниченная цветопередача. В цветной ксерографии сложнее добиться точной передачи оттенков, чем в струйной фотопечати.
• Выделение озона. В процессе коронной зарядки может выделяться озон, что требует вентиляции в помещениях с интенсивным использованием.
• Сложность ремонта. Многие узлы (фотобарабан, фьюзер) являются расходными и требуют замены.

Интересные факты

• Первый коммерческий копировальный аппарат Xerox 914 весил около 300 кг и занимал площадь, сопоставимую с письменным столом.
• Название компании «Xerox» стало нарицательным для обозначения процесса копирования (например, «отксерить документ»).
• В 1960-х годах компания Xerox была одним из лидеров в области компьютерных технологий (Xerox PARC), но не смогла коммерциализировать многие свои изобретения (графический интерфейс, мышь).
• Современные лазерные принтеры могут печатать со скоростью до 200 страниц в минуту и более.
• Тонер для ксерографии — это не просто порошок, а сложный композит, включающий полимеры, воски, пигменты и магнитные материалы (в некоторых типах).

Источники

• Честер Карлсон. «История изобретения ксерографии» (мемуары и статьи).
• Уильям Г. Х. «Ксерография: от лаборатории к офису» (история компании Xerox).
• Технические описания и патенты на электрофотографические процессы (USPTO).
• Учебники по полиграфии и репрографии (раздел «Электрофотография»).
• Официальные материалы производителей печатного оборудования (Xerox, HP, Canon, Kyocera).