Непрерывная струйная печать

Непрерывная струйная печать (англ. Continuous Inkjet, CIJ) — это технология струйной печати, при которой из сопла печатающей головки под давлением выбрасывается непрерывный поток капель чернил. В отличие от технологии Drop-On-Demand (капля по требованию), где капля формируется и выстреливается только при необходимости, в CIJ-системах поток чернил является постоянным. Непечатаемые капли отклоняются электростатическим полем и направляются обратно в систему циркуляции для повторного использования, в то время как печатаемые капли долетают до запечатываемой поверхности. Данная технология широко применяется в промышленности для маркировки и кодирования продукции на высоких скоростях.

История

Ранние разработки

Первые принципы струйной печати были предложены в середине XIX века. В 1867 году лорд Кельвин (Уильям Томсон) запатентовал устройство для регистрации телеграфных сигналов, использующее струю чернил, управляемую электромагнитом. Однако практическая реализация технологии непрерывной струйной печати началась в 1950-х годах. В 1951 году американский инженер Р. Г. Свит (R. G. Sweet) из Стэнфордского университета продемонстрировал принцип управления каплями с помощью электрического поля. Его работа легла в основу первых коммерческих систем.

Коммерциализация

В 1960-х годах компания A.B. Dick Company (США) выпустила первую коммерческую систему непрерывной струйной печати — Videojet. Эта система использовалась для маркировки почтовых отправлений и промышленных изделий. В 1970-х годах технология была усовершенствована: были разработаны системы с несколькими соплами и более точным управлением отклонением капель. В 1980-х годах CIJ-печать стала стандартом для маркировки продукции в пищевой, фармацевтической и автомобильной промышленности.

Современное состояние

К началу XXI века технология непрерывной струйной печати достигла высокой степени зрелости. Современные CIJ-принтеры способны печатать на скоростях до 1000 метров в минуту и наносить текст, штрих-коды, даты и логотипы на различные материалы, включая металл, пластик, стекло и бумагу. Основные производители оборудования — компании Videojet (США), Domino (Великобритания), Markem-Imaje (Франция), Hitachi (Япония) и Linx (Великобритания). В России CIJ-принтеры используются на предприятиях по производству напитков, упаковки, кабельной продукции и строительных материалов.

Принцип работы

Генерация капель

В основе CIJ-системы лежит пьезоэлектрический кристалл, расположенный внутри сопла. Под действием переменного электрического напряжения кристалл вибрирует с высокой частотой (обычно от 50 до 150 кГц). Эта вибрация разбивает непрерывную струю чернил на равномерные капли одинакового размера. Диаметр капель составляет от 10 до 100 микрометров.

Зарядка и отклонение

Каждая капля, проходя через зарядный электрод, получает определенный электрический заряд. Зарядка происходит в момент отрыва капли от струи. Затем капля пролетает через постоянное электрическое поле, создаваемое отклоняющими пластинами. Величина заряда определяет траекторию полета капли: незаряженные капли летят прямо и попадают в сборник (гуттер), откуда возвращаются в систему циркуляции; заряженные капли отклоняются на угол, пропорциональный заряду, и попадают на запечатываемую поверхность. Таким образом, изменяя заряд каждой капли, можно формировать буквы, цифры и графические элементы.

Циркуляция чернил

Система циркуляции чернил является ключевым элементом CIJ-принтера. Она включает в себя:

• Резервуар с чернилами — содержит основную массу чернил.
• Насос — создает давление, необходимое для выброса струи.
• Фильтры — очищают чернила от загрязнений и пузырьков воздуха.
• Сборник (гуттер) — собирает неиспользованные капли.
• Система возврата — направляет собранные чернила обратно в резервуар.
• Система растворителя — добавляет растворитель для поддержания вязкости и концентрации чернил, так как часть растворителя испаряется в процессе работы.

Классификация

По типу чернил

• На водной основе — используются для печати на пористых материалах (бумага, картон). Экологичны, но менее устойчивы к влаге.
• На растворительной основе — применяются для печати на непористых материалах (пластик, металл, стекло). Быстро сохнут и обладают высокой адгезией.
• На масляной основе — используются для маркировки продуктов питания, так как безопасны для контакта с пищей.
• УФ-отверждаемые — полимеризуются под воздействием ультрафиолетового излучения, обеспечивая высокую устойчивость к истиранию и химическим веществам.

По количеству сопел

• Односопельные — имеют одно сопло, которое формирует одну струю. Наиболее распространены в промышленности.
• Многосопельные — имеют несколько сопел, что позволяет печатать более сложные изображения или увеличивать производительность. Используются реже из-за сложности синхронизации.

Характеристики

Разрешение и скорость

Разрешение CIJ-печати обычно составляет от 100 до 300 dpi (точек на дюйм). Скорость печати может достигать 1000 метров в минуту, что делает технологию подходящей для высокоскоростных производственных линий. Высота печатаемых символов варьируется от 0,5 до 20 мм в зависимости от расстояния между соплом и поверхностью и угла отклонения.

Надежность и обслуживание

CIJ-системы требуют регулярного обслуживания, включая очистку сопла и замену фильтров. Основные проблемы — засорение сопла из-за высыхания чернил и изменение вязкости из-за испарения растворителя. Современные принтеры оснащены системами автоматической очистки и контроля вязкости. Средний срок службы промышленного CIJ-принтера составляет 5–10 лет при правильной эксплуатации.

Применение

Промышленная маркировка

Основное применение CIJ-печати — нанесение переменной информации на продукцию и упаковку:

• Дата и время производства — на пищевых продуктах, напитках, лекарствах.
• Штрих-коды и QR-коды — для логистики и отслеживания.
• Серийные номера и партии — для идентификации продукции.
• Логотипы и текст — для брендирования.

Другие области

• Почтовая маркировка — нанесение адресов и индексов на конверты и посылки.
• Медицина — маркировка медицинских инструментов и имплантатов.
• Электроника — нанесение маркировки на печатные платы и компоненты.
• Строительство — маркировка кабельной продукции, труб и профилей.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая скорость — до 1000 м/мин, что превосходит другие технологии струйной печати.
• Бесконтактность — печатающая головка не касается поверхности, что позволяет наносить маркировку на неровные, изогнутые или хрупкие материалы.
• Возможность печати на различных материалах — от пористых до непористых.
• Низкая стоимость отпечатка — особенно при больших тиражах.
• Компактность — печатающая головка может быть установлена в ограниченном пространстве.

Недостатки

• Ограниченное разрешение — уступает технологиям Drop-On-Demand (пьезо- и термоструйной печати).
• Сложность обслуживания — требуется регулярная очистка и замена расходных материалов.
• Испарение растворителя — приводит к изменению состава чернил и необходимости доливки.
• Ограниченная цветовая гамма — обычно используются черные, белые и несколько цветных чернил; полноцветная печать затруднена.
• Высокое энергопотребление — из-за работы насоса и системы циркуляции.

Интересные факты

• Первая коммерческая CIJ-система Videojet 1900 была выпущена в 1969 году и весила около 300 кг.
• В 1970-х годах технология CIJ использовалась для печати на яйцах в птицеводстве, что позволило автоматизировать маркировку.
• Современные CIJ-принтеры могут печатать на расстоянии до 20 мм от сопла, что позволяет наносить маркировку на вогнутые или выпуклые поверхности.
• В 2020 году компания Videojet представила модель с искусственным интеллектом, способную автоматически корректировать параметры печати в зависимости от температуры и влажности.

Источники

• Sweet, R. G. (1965). "High Frequency Recording with Electrostatically Deflected Ink Jets". Review of Scientific Instruments.
• Le, H. P. (1998). "Progress and Trends in Ink-Jet Printing Technology". Journal of Imaging Science and Technology.
• "Continuous Inkjet Printing: Principles and Applications". Industrial Printing Technology, 2015.
• "Videojet History: From 1969 to Today". Videojet Technologies, Inc.
• "Технологии струйной печати: обзор и сравнение". Журнал «Полиграфия», № 4, 2020.