Печатающая головка

Печатающая головка — это узел струйного или лазерного принтера, многофункционального устройства (МФУ) или плоттера, который непосредственно наносит изображение на носитель (бумагу, плёнку, ткань). В струйных принтерах печатающая головка содержит сопла (дюзы), через которые под давлением выбрасываются микрокапли жидких чернил. В лазерных принтерах под печатающей головкой часто понимают оптико-механический блок (лазер, зеркала, линзы), формирующий скрытое электростатическое изображение на фотобарабане. Конструкция, принцип действия и характеристики печатающей головки определяют разрешение, скорость, качество и ресурс печати.

История

Первые струйные печатающие устройства появились в 1950-х годах, однако коммерчески успешные модели с печатающими головками были разработаны в 1970-х годах. В 1976 году компания IBM выпустила модель IBM 4640, использовавшую непрерывную струйную печать. В 1984 году компания Hewlett-Packard представила первый настольный струйный принтер ThinkJet с интегрированной печатающей головкой, где чернильница и головка составляли единый сменный картридж. В 1990-х годах появились технологии пьезоэлектрической печати (Epson) и термоструйной печати (Canon, HP), которые стали доминирующими. В лазерных принтерах печатающая головка в виде лазерного сканирующего блока (LSU) применяется с 1980-х годов. В XXI веке развитие печатающих головок идёт по пути увеличения количества сопел (до десятков тысяч), уменьшения размера капли (до 1–2 пиколитров) и повышения скорости печати.

Классификация

Печатающие головки классифицируются по нескольким признакам.

По типу принтера

• Струйные печатающие головки — используются в струйных принтерах и плоттерах. Работают за счёт выброса чернил через микроскопические сопла.
• Лазерные печатающие головки (лазерные сканирующие блоки) — применяются в лазерных принтерах и МФУ. Формируют изображение с помощью луча лазера, который засвечивает фотобарабан.
• Сублимационные печатающие головки — используются в термосублимационных принтерах, где твёрдый краситель переходит в газообразное состояние под действием нагрева.
• Матричные печатающие головки — применяются в устаревших матричных принтерах. Содержат набор иголок, которые ударяют по красящей ленте, оставляя точки на бумаге.

По принципу действия (для струйных головок)

• Термоструйные (термические) — чернила нагреваются до кипения микроскопическим нагревательным элементом (резистором). Образовавшийся пузырёк пара выталкивает каплю через сопло. Технология используется в принтерах Canon (технология Bubble Jet), Hewlett-Packard (Thermal Inkjet) и их OEM-производителях.
• Пьезоэлектрические — в сопле находится пьезокристалл, который под действием электрического импульса деформируется (изгибается), создавая давление и выталкивая каплю чернил. Технология запатентована компанией Epson (технология Micro Piezo). Позволяет точно контролировать размер капли и не требует нагрева чернил, что расширяет спектр используемых чернил (включая пигментные и сольвентные).
• Непрерывной струйной печати (Continuous Inkjet, CIJ) — чернила находятся под постоянным высоким давлением, струя разбивается на капли пьезоэлектрическим вибратором. Заряженные капли отклоняются электрическим полем и попадают на носитель или в сборник. Используется в промышленной маркировке и кодировании.
• Каплеструйные по требованию (Drop-on-Demand, DoD) — капля выбрасывается только при необходимости, что экономит чернила. К этому типу относятся термоструйные и пьезоэлектрические головки.

По конструктивному исполнению

• Интегрированные (встроенные) — печатающая головка и чернильница объединены в единый сменный картридж. При замене чернил заменяется и головка. Характерно для бюджетных принтеров HP, Canon, Lexmark. Преимущество — простота обслуживания, недостаток — высокая стоимость расходников.
• Отдельные (стационарные) — печатающая головка закреплена в принтере, а чернила подаются из сменных картриджей или системы непрерывной подачи чернил (СНПЧ). Характерно для профессиональных и широкоформатных принтеров Epson, Canon, HP DesignJet. Преимущество — низкая стоимость печати, недостаток — риск засыхания головки при простое.
• Сменные (модульные) — печатающая головка является отдельным модулем, который можно заменить без замены чернильниц. Используется в некоторых моделях Epson и Brother.

Устройство и характеристики

Струйная печатающая головка

Основные элементы струйной печатающей головки:

• Сопла (дюзы) — микроскопические отверстия диаметром от 10 до 50 мкм, через которые выбрасываются чернила. Количество сопел варьируется от нескольких десятков (в старых моделях) до десятков тысяч (в современных промышленных головках, например, Epson PrecisionCore — до 40 000 сопел на головку).
• Пьезоэлементы или нагревательные резисторы — исполнительные механизмы, создающие давление для выброса капли.
• Чернильные каналы — микроскопические трубки, подводящие чернила от резервуара к соплам.
• Плата управления — микросхема, обрабатывающая команды от принтера и управляющая моментом выброса капли.

Ключевые характеристики:

• Разрешение печати — измеряется в dpi (точек на дюйм). Определяется расстоянием между соплами и точностью их позиционирования. Типичные значения: 600×600, 1200×1200, 4800×1200 dpi.
• Объём капли — измеряется в пиколитрах (пл). Чем меньше капля, тем выше детализация и меньше зернистость. Современные головки могут выбрасывать капли объёмом 1–5 пл, а в режиме переменного размера — от 1 до 20 пл.
• Частота выброса — количество капель, выбрасываемых за секунду. Определяет скорость печати. Типичные значения: 10–50 кГц, в промышленных головках до 100 кГц.
• Ресурс — количество страниц или миллилитров чернил, которое головка может напечатать до выхода из строя. Для интегрированных картриджей ресурс равен объёму чернил в картридже. Для стационарных головок ресурс может составлять десятки тысяч страниц.
• Совместимость с чернилами — головки могут быть рассчитаны на водные (dye, pigment), сольвентные, масляные, УФ-отверждаемые чернила.

Лазерная печатающая головка (лазерный сканирующий блок)

Основные элементы:

• Лазерный диод — источник когерентного света (обычно инфракрасного, длина волны 780–830 нм).
• Полигональное зеркало (вращающаяся призма) — многогранное зеркало, которое вращается с высокой скоростью (до 10 000–40 000 об/мин) и развёртывает луч лазера по строке.
• Фокусирующая оптика — линзы (коллиматор, цилиндрические линзы), формирующие тонкий луч.
• Корректирующие зеркала — направляют луч на фотобарабан.
• Датчик синхронизации — определяет начало строки.

Ключевые характеристики:

• Разрешение — определяется размером пятна лазера. Типичные значения: 600×600, 1200×1200 dpi.
• Скорость вращения полигонального зеркала — определяет скорость печати.
• Мощность лазера — влияет на скорость засветки и контрастность.

Применение

Печатающие головки используются в широком спектре устройств:

• Офисные и домашние принтеры — для печати документов, фотографий, графиков.
• Широкоформатные плоттеры — для печати рекламных баннеров, плакатов, чертежей (используются пьезоэлектрические головки с сольвентными или УФ-чернилами).
• Промышленные принтеры — для маркировки упаковки (CIJ-головки), печати на текстиле, керамике, пластике.
• Медицинские устройства — для печати на биосовместимых материалах, в том числе 3D-биопечати (используются пьезоэлектрические головки).
• Лабораторное оборудование — для дозирования жидкостей (жидкостные диспенсеры на основе пьезоголовок).

Неисправности и обслуживание

Наиболее частые проблемы струйных печатающих головок:

• Засыхание чернил — происходит при длительном простое, особенно у водных чернил. Приводит к закупорке сопел и появлению полос на отпечатке. Решение — прочистка головки программными средствами (цикл прочистки) или вручную (промывка специальной жидкостью).
• Завоздушивание — попадание воздуха в чернильные каналы, что приводит к пропуску печати. Возникает при неправильной установке картриджей или СНПЧ.
• Повреждение сопел — механическое повреждение (например, при касании бумагой) или электрический пробой нагревательного элемента. Требует замены головки.
• Засорение чернилами — использование несовместимых или некачественных чернил может привести к образованию осадка и засорению каналов.

Обслуживание включает регулярную печать (не реже 1–2 раз в неделю), использование качественных чернил, своевременную замену картриджей или СНПЧ, а также очистку контактной площадки головки.

Производители

Основные производители печатающих головок:

• Hewlett-Packard (HP) — термоструйные головки для принтеров HP, а также промышленные головки Thermal Inkjet (например, серия TIJ 2.5).
• Canon — термоструйные головки (технология Bubble Jet) для принтеров Canon, а также промышленные головки (серия FINE).
• Epson — пьезоэлектрические головки (технология Micro Piezo и PrecisionCore) для принтеров Epson, а также для промышленных плоттеров и текстильных принтеров.
• Kyocera — пьезоэлектрические головки для промышленных струйных принтеров (серия KJ4).
• Ricoh — пьезоэлектрические головки для промышленных принтеров (серия GEN).
• Fujifilm Dimatix — пьезоэлектрические головки для промышленной печати (серия Samba, Spectra).
• Konica Minolta — пьезоэлектрические головки для широкоформатной и промышленной печати.
• Xaar — пьезоэлектрические головки для промышленной печати (технология Hybrid Side Shooter).

Источники

• Энциклопедия печати. — М.: Полиграфия, 2010.
• Технология струйной печати. — СПб.: БХВ-Петербург, 2015.
• Справочник по принтерам и МФУ. — М.: ДМК Пресс, 2018.
• Патентные описания компаний HP, Canon, Epson (1970–2020 гг.).
• Материалы конференций по печатным технологиям (IS&T, NIP).