Пьезоэлектрическая печатающая головка

Пьезоэлектрическая печатающая головка — это устройство струйной печати, в котором формирование и выброс капель чернил на запечатываемую поверхность происходит за счёт деформации пьезоэлектрического элемента под действием электрического напряжения. Относится к классу исполнительных механизмов струйных принтеров, плоттеров и промышленных маркираторов. В отличие от термической (пузырьковой) печатающей головки, пьезоэлектрическая технология не требует нагрева чернил, что позволяет использовать более широкий спектр красок, включая пигментные, сольвентные и УФ-отверждаемые.

Принцип действия

Основой работы пьезоэлектрической печатающей головки является обратный пьезоэлектрический эффект — способность некоторых кристаллических материалов (например, цирконата-титаната свинца, PZT) изменять свои геометрические размеры под воздействием электрического поля. В конструкции головки пьезоэлемент механически связан с камерой, заполненной чернилами. При подаче управляющего импульса напряжения пьезокерамическая пластина изгибается, сжимается или удлиняется, создавая в камере волну давления. Эта волна выталкивает через сопло (дюзу) каплю чернил строго определённого объёма. После снятия напряжения пьезоэлемент возвращается в исходное положение, и камера вновь заполняется чернилами за счёт капиллярного эффекта или избыточного давления.

Режимы деформации пьезоэлемента

Существует несколько конструктивных схем реализации пьезоэлектрического привода:

• Изгибный режим (bend mode) — пьезокерамическая пластина, наклеенная на мембрану, изгибается при подаче напряжения, уменьшая объём камеры. Наиболее распространён в принтерах Epson.
• Толкающий режим (push mode) — пьезоэлемент в виде стержня или диска непосредственно давит на стенку камеры. Используется в промышленных головках Xaar.
• Сдвиговый режим (shear mode) — деформация происходит за счёт сдвига слоёв пьезокерамики. Применяется в головках Spectra (Fujifilm Dimatix).
• Режим сжатия (squeeze mode) — трубка из пьезокерамики окружает канал с чернилами и сжимает его. Встречается в некоторых лабораторных и медицинских дозаторах.

История

Первые патенты на струйную печать с использованием пьезоэлектрического эффекта были зарегистрированы в 1960-х годах. В 1970-х годах компания Siemens разработала коммерческую модель принтера PT-80, в котором использовалась пьезоэлектрическая головка с толкающим режимом. Однако массовое распространение технология получила в 1990-х годах благодаря компании Seiko Epson, которая внедрила изгибную конструкцию в своих струйных принтерах серии Stylus. В 1993 году был выпущен первый цветной пьезоэлектрический принтер Epson Stylus Color, который обеспечивал высокое качество печати на обычной бумаге без размытия чернил.

В 2000-х годах развитие технологии пошло по пути увеличения разрешения (до 5760×1440 dpi и выше), повышения частоты капель (до 50 кГц и более) и миниатюризации сопел. В промышленной печати лидирующие позиции заняли компании Xaar (Великобритания), Fujifilm Dimatix (США) и Konica Minolta (Япония), выпускающие головки для широкоформатных принтеров, текстильной и упаковочной печати.

Конструкция

Типичная пьезоэлектрическая печатающая головка состоит из следующих основных узлов:

• Сопловая пластина (nozzle plate) — тонкая металлическая или полимерная пластина с лазерно-сформированными отверстиями (соплами). Диаметр сопла обычно составляет от 10 до 50 мкм.
• Камерная пластина (chamber plate) — содержит массив микрокамер, каждая из которых соединена с одним соплом и каналом подачи чернил.
• Пьезоэлектрический слой (piezo layer) — пластина из пьезокерамики, на которую нанесены управляющие электроды.
• Управляющая электроника (driver IC) — микросхема, формирующая импульсы напряжения для каждого пьезоэлемента. Располагается непосредственно на головке для минимизации задержек.
• Канал подачи чернил (ink channel) — система микрофлюидных каналов, соединяющих резервуар с чернилами с камерами.

В современных головках количество сопел может достигать нескольких тысяч (например, 3600 сопел в головке Epson PrecisionCore). Сопла располагаются в одну или несколько линий, что определяет ширину печати за один проход каретки.

Классификация

Пьезоэлектрические печатающие головки классифицируются по нескольким признакам:

По типу чернил

• Водные (Dye-based, Pigment-based) — для фотопечати и офисных документов.
• Сольвентные (Solvent) — для наружной рекламы и широкоформатной печати.
• УФ-отверждаемые (UV-curable) — для печати на твёрдых поверхностях (пластик, стекло, металл).
• Текстильные (Textile) — для прямой печати на ткани.
• Сублимационные (Sublimation) — для переноса изображения на синтетические ткани.

По области применения

• Офисные принтеры — малые головки с низким ресурсом (до 10–20 млрд капель).
• Широкоформатные плоттеры — головки среднего размера, рассчитанные на длительную работу.
• Промышленные принтеры — высокопроизводительные головки с ресурсом до 100 млрд капель и более.
• Маркираторы и кодировщики — головки для нанесения дат, штрих-кодов и текста на упаковку.

По конструкции драйвера

• Греющие (не используются в пьезотехнологии) — ошибочное отнесение; пьезоголовки всегда работают без нагрева.
• С встроенным драйвером — чип управления интегрирован в корпус головки.
• С внешним драйвером — управляющий сигнал формируется на плате принтера.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Совместимость с широким спектром чернил — отсутствие нагрева позволяет использовать химически активные, вязкие и пигментированные составы.
• Высокая точность дозирования — возможность формировать капли объёмом от 1 до 30 пиколитров с изменяемым размером (технология Variable Droplet).
• Долговечность — ресурс пьезоэлектрической головки значительно выше, чем у термической (до 100 млрд выбросов капель против 10–30 млрд).
• Меньший расход чернил — отсутствие потерь на испарение при нагреве.
• Высокая скорость печати — частота капель достигает 100 кГц.

Недостатки

• Высокая стоимость — пьезоэлектрические головки дороже термических (от 50 до 500 долларов за штуку в зависимости от модели).
• Чувствительность к воздуху — попадание пузырьков воздуха в каналы может привести к отказу сопла (завоздушивание).
• Сложность конструкции — требуется точная сборка и герметизация микрофлюидных каналов.
• Необходимость регулярного обслуживания — для предотвращения засыхания чернил в соплах требуется прочистка и промывка.

Применение

Пьезоэлектрические печатающие головки используются в следующих областях:

• Фотопечать и офисная печать — принтеры Epson серий Expression, WorkForce, SureColor.
• Широкоформатная рекламная печать — плоттеры Roland, Mimaki, Mutoh.
• Печать на текстиле — промышленные принтеры для прямой печати на ткани (например, Epson Monna Lisa).
• Упаковочная печать — нанесение изображений и текста на картон, пластик, металл (головки Xaar, Fujifilm Dimatix).
• 3D-печать — в некоторых технологиях струйной трёхмерной печати (например, PolyJet от Stratasys).
• Биопечать — дозирование клеточных суспензий и биоматериалов для создания тканевых конструкций.
• Медицинская диагностика — изготовление микрочипов для анализа крови и ДНК.

Производители

Основные мировые производители пьезоэлектрических печатающих головок:

• Seiko Epson Corporation (Япония) — лидер в сегменте офисных и фотопринтеров. Технологии Micro Piezo и PrecisionCore.
• Fujifilm Dimatix (США) — промышленные головки серий Spectra, Samba, StarFire.
• Xaar (Великобритания) — головки для керамической, упаковочной и текстильной печати.
• Konica Minolta (Япония) — головки для широкоформатных и промышленных принтеров.
• Ricoh (Япония) — головки для печати на упаковке и этикетках.
• Kyocera (Япония) — высокоскоростные головки для текстильной печати.

Интересные факты

• Первая пьезоэлектрическая печатающая головка была создана в 1972 году в лаборатории компании Siemens.
• В 2013 году Epson выпустила головку PrecisionCore с 3600 соплами, способную печатать со скоростью до 100 страниц в минуту.
• Пьезоэлектрические головки используются в некоторых аппаратах для печати электронных схем (например, для нанесения токопроводящих чернил).
• Ресурс промышленной головки может превышать 10 лет непрерывной работы при правильном обслуживании.

Источники

• Epson. «Micro Piezo Technology: History and Evolution». Technical White Paper, 2015.
• Fujifilm Dimatix. «Piezo Inkjet Technology: Principles and Applications». Application Note, 2018.
• Xaar. «Xaar 1003 Printhead: Technical Specification». Datasheet, 2020.
• Кондратьев А. С. «Струйная печать: технологии и материалы». — М.: Издательство МГУП, 2012.
• Le H. P. «Progress and Trends in Ink-jet Printing Technology». Journal of Imaging Science and Technology, 1998, Vol. 42, No. 1.