Пьезоэлектрические печатающие головы: устройство и применение¶

Пьезоэлектрические печатающие головы — это тип печатающих головок струйных принтеров, в которых формирование и выброс капли чернил осуществляется за счёт деформации пьезоэлектрического элемента под действием электрического напряжения. Данная технология относится к методу струйной печати «drop-on-demand» (подача капли по требованию) и широко применяется в промышленной и офисной печати благодаря точному дозированию чернил и совместимости с широким спектром жидкостей.

¶Принцип действия

В основе работы пьезоголовки лежит обратный пьезоэлектрический эффект — изменение геометрических размеров пьезокерамического материала (обычно цирконата-титаната свинца, PZT) при приложении электрического поля. При подаче короткого электрического импульса на пьезоэлемент он деформируется, создавая в камере с чернилами акустическую волну давления. Эта волна выдавливает через сопло (дюзу) микрокаплю чернил объёмом от 1 до 30 пиколитров.

В отличие от термоструйной (пузырьково-струйной) технологии, где чернила нагреваются до кипения, пьезоэлектрический метод не требует нагрева. Это позволяет использовать чернила на основе растворителей, УФ-отверждаемые, сольвентные и даже расплавленные восковые составы, которые разрушаются при высоких температурах.

¶Конструкция и типы

Конструктивно пьезоголовки различаются по типу деформации пьезоэлемента:

• Продольный (сжимающий) режим — пьезоэлемент, окружающий камеру, сжимается, уменьшая её объём. Используется в ранних моделях Epson.
• Изгибный (bending) режим — плоский пьезоэлемент, приклеенный к диафрагме камеры, изгибается внутрь. Наиболее распространён в современных головках Epson MicroPiezo.
• Сдвиговый (shear) режим — пьезоэлемент деформируется по касательной, сдвигая стенку камеры. Применяется в головках компаний Xaar и Spectra (Dimatix).
• Толкающий (push) режим — пьезостержень, расположенный снаружи камеры, давит на мембрану.

Современные головки представляют собой многосопельные модули с плотностью расположения сопел до 1200 dpi и более. Управление осуществляется индивидуально для каждого сопла через специализированные драйверные микросхемы, формирующие импульсы сложной формы (трапециевидные, с несколькими фазами) для гашения остаточных колебаний мениска чернил.

¶Преимущества и недостатки

Ключевые преимущества пьезотехнологии:

• Термостойкость чернил — отсутствие нагрева позволяет печатать жидкостями с температурой кипения ниже температуры термоголовок, включая сольвентные и УФ-чернила.
• Долговечность — ресурс пьезоголовок обычно составляет 10–30 миллиардов выбросов капли на сопло, что значительно выше ресурса термоголовок.
• Точность дозирования — возможность изменять объём капли в широком диапазоне (режимы переменной капли) для получения высокого разрешения и плавных градиентов.
• Совместимость с пигментными и керамическими чернилами — крупные частицы пигмента не забивают каналы, так как нет вскипания и образования накипи.

Недостатки:

• Высокая стоимость изготовления и замены головок.
• Чувствительность к воздуху — попадание пузырьков воздуха в камеру нарушает демпфирование и приводит к отказу сопла.
• Сложность электроники управления — требуется формирование высоковольтных импульсов (до 50–100 В) с точной временной синхронизацией.

¶Применение

Пьезоэлектрические головки доминируют в следующих сегментах:

• Широкоформатная и интерьерная печать — плоттеры и принтеры для рекламы, вывесок, фотопечати (Epson, Mimaki, Roland, Mutoh).
• Промышленная печать — маркировка, кодирование продукции, печать на упаковке (Domino, Videojet, Markem-Imaje).
• Керамическая и текстурная печать — нанесение глазурей и пигментов на керамическую плитку (Kerajet, System Ceramics).
• Текстильная печать — прямые печатные машины на ткани (Mimaki, Kornit).
• 3D-печать — струйная печать фотополимерными смолами (Objet/Stratasys, HP Multi Jet Fusion использует термическую технологию, но пьезоголовки применяются в ряде DLP и биопринтеров).
• Печатная электроника — нанесение проводящих чернил на гибкие подложки.

В офисной технике пьезотехнология является фирменной для компании Epson (линейки MicroPiezo, PrecisionCore). Другие производители (Canon, HP) используют термоструйные головки, однако пьезоголовки применяются в промышленных струйных системах практически всех крупных брендов.

¶История

Первый коммерческий струйный принтер с пьезоэлектрической головкой был выпущен компанией Siemens в 1977 году (модель PT-80). В 1984 году Epson представила принтер SQ-2000, заложивший основу для последующего доминирования компании в этом сегменте. В 1993 году появилась технология MicroPiezo, а в 2013 году — PrecisionCore, позволившая увеличить скорость печати за счёт линейного расположения сопел.

¶См. также

• Струйный принтер
• Термоструйная печать
• Пьезоэлектрический эффект

¶Источники

• Le, Hue P. «Progress and Trends in Ink-Jet Printing Technology» // Journal of Imaging Science and Technology, 1998.
• Wijshoff, Herman. «Structure and fluid-dynamics in piezo inkjet printheads» // Physics Reports, 2010.
• Материалы технической документации Epson, Xaar, Dimatix.