Пьезоэлектрическая печать

Пьезоэлектрическая печать — это технология струйной печати, в которой формирование и выброс капель чернил из сопел печатающей головки осуществляется за счёт механической деформации пьезоэлектрического элемента под действием электрического напряжения. Относится к классу бесконтактных способов нанесения изображения на поверхность и широко применяется в промышленности, полиграфии и рекламном производстве.

Принцип действия

Основой технологии является пьезоэлектрический эффект — способность некоторых кристаллических материалов (например, кварца, титаната цирконата свинца (PZT) или ниобата лития) изменять свои геометрические размеры при подаче на них электрического поля. В пьезоэлектрической печатающей головке каждый канал, ведущий к соплу, оснащён таким элементом.

Процесс печати включает несколько этапов:

1. Подача импульса: Контроллер печатающего устройства генерирует электрический импульс заданной формы, амплитуды и длительности.
2. Деформация: Пьезоэлемент, примыкающий к камере с чернилами, изгибается или сжимается под действием этого импульса.
3. Создание давления: Деформация приводит к резкому увеличению давления в камере с чернилами.
4. Выброс капли: Под действием давления порция чернил выталкивается через сопло на поверхность материала (подложку).
5. Восстановление: После снятия напряжения пьезоэлемент возвращается в исходное положение, и камера вновь заполняется чернилами за счёт капиллярного эффекта или избыточного давления в системе подачи.

В отличие от термоструйной (пузырьковой) печати, где чернила нагреваются до кипения, пьезоэлектрическая технология не требует нагрева рабочей жидкости. Это позволяет использовать более широкий спектр чернил, включая пигментные, сольвентные, УФ-отверждаемые и керамические.

История

Впервые пьезоэлектрический принцип для струйной печати был предложен в 1970-х годах. В 1977 году компания Siemens представила первую коммерческую модель струйного принтера PT-80, использующую пьезоэлектрическую головку. Однако технология долгое время оставалась дорогой и сложной в производстве.

Значительный прорыв произошёл в 1993 году, когда компания Epson выпустила первый струйный принтер с пьезоэлектрической головкой, работающей по технологии Micro Piezo. Эта технология, в отличие от ранних разработок, использовала тонкоплёночные пьезоэлементы, что позволило значительно уменьшить размер головки, повысить точность и снизить себестоимость. С тех пор Epson является основным производителем и патентообладателем в этой области, а её технология Micro Piezo (и её последующие поколения — Micro Piezo TFP, PrecisionCore) стала доминирующей в сегменте офисных и промышленных струйных принтеров.

Классификация

Пьезоэлектрические печатающие головки классифицируются по типу деформации пьезоэлемента:

По типу деформации

• Продольная (squeeze mode): Пьезоэлектрическая трубка окружает канал с чернилами. При подаче напряжения трубка сжимается, выдавливая каплю. Исторически первый тип, используется в основном в промышленных системах.
• Изгибная (bend mode): Пьезоэлемент в виде пластины приклеен к гибкой мембране камеры. При подаче напряжения пластина изгибается, прогибая мембрану внутрь камеры и выталкивая чернила. Наиболее распространённый тип в офисных и широкоформатных принтерах (Epson).
• Сдвиговая (shear mode): Пьезоэлемент деформируется по сдвигу, изменяя объём камеры. Используется в некоторых промышленных головках (например, Xaar, Spectra).

По типу чернил

• Водные (водно-дисперсионные): Для офисной, фотопечати и репродукции. Обеспечивают высокое качество и детализацию, но требуют специальных впитывающих материалов.
• Сольвентные и экосольвентные: На основе органических растворителей. Устойчивы к атмосферным воздействиям, используются для наружной рекламы, печати на баннерах, самоклеящихся плёнках.
• УФ-отверждаемые: Полимеризуются под действием ультрафиолетового излучения. Позволяют печатать на невпитывающих поверхностях (стекло, пластик, металл, керамика) и получать объёмные изображения.
• Пигментные и красительные: Для текстильной печати, нанесения на ткани.
• Керамические: Для печати на керамической плитке и посуде с последующим обжигом.

Применение

Благодаря своей универсальности и точности, пьезоэлектрическая печать применяется в широком спектре отраслей:

• Полиграфия и реклама: Широкоформатная и интерьерная печать (баннеры, плакаты, картины, обои).
• Упаковка: Нанесение кода, маркировки, даты, логотипов на упаковку (картон, пластик, стекло, металл).
• Текстильная промышленность: Цифровая печать на тканях (от единичных изделий до массового производства).
• Электроника: Печать печатных плат, гибких дисплеев, солнечных батарей, RFID-антенн, датчиков. Пьезоэлектрические головки способны наносить токопроводящие и диэлектрические чернила.
• Медицина и биотехнологии: Печать лекарственных препаратов, биоматериалов, создание микрочипов для анализа ДНК (биопечать).
• Керамическая промышленность: Нанесение рисунка на керамическую плитку и керамогранит.
• 3D-печать: Используется в некоторых технологиях аддитивного производства для нанесения связующего вещества на порошковый слой (Binder Jetting).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая точность и разрешение: Возможность формирования капель объёмом от 1,5 пиколитров и менее, что обеспечивает фотографическое качество печати.
• Широкий выбор чернил: Не требует нагрева, поэтому совместима с термочувствительными и агрессивными жидкостями.
• Долговечность печатающей головки: Отсутствие термического стресса и кипения чернил значительно увеличивает ресурс головки (десятки миллиардов капель).
• Высокая скорость печати: Возможность работы с высокой частотой выброса капель (до сотен килогерц).
• Контроль капли: Возможность изменять форму электрического импульса для управления размером, скоростью и формой капли, что позволяет оптимизировать процесс под конкретный материал.
• Надёжность: Меньшая склонность к засыханию чернил в соплах по сравнению с термоструйными головками.

Недостатки

• Высокая стоимость: Пьезоэлектрические головки и сами принтеры, как правило, дороже термоструйных аналогов.
• Сложность конструкции: Требуется точная сборка и калибровка, что усложняет обслуживание и ремонт.
• Чувствительность к воздуху: Наличие пузырьков воздуха в чернилах может нарушить работу головки, поэтому требуется дегазация чернил.
• Ограниченная совместимость с некоторыми материалами: Некоторые типы чернил могут быть агрессивны к материалам головки (например, к клею, соединяющему пьезоэлемент с мембраной).

Интересные факты

• Технология Micro Piezo компании Epson считается одной из самых надёжных в мире струйной печати. Некоторые головки способны работать без замены в течение всего срока службы принтера.
• Пьезоэлектрические головки используются в промышленных принтерах для нанесения клея, герметиков и даже живых клеток в биопечати.
• В 2020-х годах компания Epson объявила о прекращении производства лазерных принтеров, полностью сосредоточившись на струйных технологиях, включая пьезоэлектрическую.
• Размер капли, формируемой современными пьезоэлектрическими головками, может быть меньше диаметра человеческого волоса (менее 10 микрон).

Источники

• Техническая документация компаний Epson, Xaar, Fujifilm Dimatix.
• Стандарты ISO по струйной печати.
• Учебные пособия по полиграфическим технологиям (Московский государственный университет печати имени Ивана Фёдорова).
• Патентная литература по пьезоэлектрическим печатающим головкам (US 4,532,530, EP 0 813 969).
• Статьи в журналах «Printing Technology», «Journal of Imaging Science and Technology».