Пузырьковая струйная печать

Пузырьковая струйная печать (также известная как термоструйная печать, англ. thermal inkjet, bubble jet) — это технология струйной печати, в которой для формирования капли чернил и её выброса на запечатываемую поверхность используется локальное импульсное нагревание чернил в печатающей камере до образования парового пузырька. Относится к классу технологий капельно-импульсной струйной печати.

Принцип действия

В основе технологии лежит явление мгновенного вскипания чернил. Каждый печатающий элемент (сопло) содержит микроскопическую камеру, заполненную чернилами, и нагревательный элемент (резистор), расположенный непосредственно внутри камеры. При подаче электрического импульса резистор нагревается до температуры около 300–400 °C за несколько микросекунд. Чернила, контактирующие с поверхностью резистора, мгновенно испаряются, образуя паровой пузырёк. Расширяющийся пузырёк резко увеличивает давление в камере, выталкивая через сопло строго дозированную каплю чернил. После выброса импульс отключается, пузырёк схлопывается, и камера вновь заполняется чернилами из резервуара за счёт капиллярного эффекта. Цикл занимает от 10 до 50 микросекунд.

Для формирования изображения используется массив из сотен или тысяч сопел, расположенных в печатающей головке. Каждое сопло управляется индивидуально и может выстреливать капли с частотой до 20–30 кГц. Перемещение печатающей головки или бумаги в сочетании с синхронизированным выбросом капель позволяет создавать растровое изображение с высоким разрешением (обычно от 600 до 4800 dpi).

История

Предпосылки и разработка

Первые струйные принтеры, работавшие на принципе непрерывной подачи чернил (Continuous Inkjet), появились в 1950-х годах, но были громоздкими, дорогими и требовали сложных систем рециркуляции чернил. В 1970-х годах начались поиски более простого и компактного способа дозирования капель.

Технология пузырьковой печати была независимо разработана в двух компаниях. В 1977 году инженер компании Canon (Япония) Итиро Эндо случайно заметил, что при касании горячим паяльником шприца с чернилами из иглы вылетает капля. Это наблюдение легло в основу разработки технологии Bubble Jet, которую Canon запатентовала в 1979 году. Почти одновременно, в 1979–1980 годах, инженеры Hewlett-Packard (США) под руководством Джона Вота и Дэйва Дональда создали собственную версию термоструйной технологии (Thermal Inkjet). Первый коммерческий принтер на этой технологии — HP ThinkJet — был выпущен в 1984 году. Canon представила свой первый принтер BJ-80 в 1985 году.

Коммерциализация и развитие

В 1980-х — 1990-х годах пузырьковая печать стала доминирующей технологией в сегменте недорогих цветных струйных принтеров для дома и офиса. Основные этапы развития включали:

• Увеличение количества сопел и частоты выстрела (от 12 сопел в HP ThinkJet до сотен и тысяч в современных моделях).
• Переход от монохромной к цветной печати (цветные картриджи с несколькими камерами для CMYK-чернил).
• Снижение минимального размера капли (от 50–100 пиколитров в первых моделях до 1–2 пиколитров в современных).
• Внедрение систем управления каплей (например, технология Drop-on-Demand с возможностью изменения размера капли).
• Разработка пигментных чернил для улучшения стойкости отпечатков.

Устройство и компоненты

Печатающая головка

Ключевой элемент системы. В большинстве потребительских принтеров печатающая головка встроена в сменный картридж (например, в принтерах HP, Canon). В профессиональных моделях (например, Epson, использующая пьезоэлектрическую технологию) головка часто является стационарной. Конструктивно головка представляет собой кремниевую подложку с нанесёнными на неё методом фотолитографии нагревательными резисторами, каналами для чернил и соплами. Сопла изготавливаются из полимерной плёнки или металла.

Чернила

Для пузырьковой печати требуются специальные чернила с низкой температурой кипения (обычно на водной основе с добавлением растворителей, таких как этиленгликоль, для регулирования вязкости и температуры кипения). Также в состав входят красители (растворимые) или пигменты (нерастворимые частицы), поверхностно-активные вещества и биоциды. Чернила должны быть стабильными при нагреве, не образовывать накипи на резисторе и не вызывать коррозию.

Система подачи чернил

В большинстве потребительских принтеров используется картриджная система: чернила находятся в герметичном контейнере, соединённом с печатающей головкой. В более дорогих моделях (например, для фотопечати или широкоформатной печати) применяется система непрерывной подачи чернил (СНПЧ) с внешними резервуарами и капиллярными трубками.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота и низкая стоимость производства печатающих головок и картриджей (по сравнению с пьезоэлектрической технологией).
• Высокое разрешение и возможность печати мелких деталей благодаря малому размеру капли.
• Компактность устройств, позволяющая создавать портативные принтеры.
• Бесшумность работы (отсутствие механических ударов, характерных для матричных принтеров).
• Возможность цветной печати с использованием нескольких картриджей.

Недостатки

• Ограниченный ресурс печатающей головки при использовании картриджей со встроенной головкой (головка выбрасывается вместе с картриджем).
• Чувствительность к качеству чернил: использование неоригинальных чернил может привести к засорению сопел и выходу головки из строя.
• Зависимость от температуры и влажности: чернила могут высыхать в соплах при длительном простое.
• Относительно высокая стоимость оригинальных расходных материалов (картриджей) по сравнению с пьезоэлектрическими аналогами при большом объёме печати.
• Ограниченная скорость печати при высоком разрешении (из-за необходимости нагрева и охлаждения резистора).

Применение

Пузырьковая струйная печать широко используется в следующих областях:

• Домашняя и офисная печать: принтеры для документов, фотографий, графиков.
• Фотопечать: специализированные фотопринтеры (например, Canon Selphy, HP Sprocket) для печати снимков малого формата.
• Широкоформатная печать: плоттеры для печати плакатов, баннеров, чертежей (используются в дизайне, рекламе, архитектуре).
• Промышленная печать: нанесение кодов, дат, маркировки на упаковку, этикетки, пластиковые карты, текстиль.
• Медицина и биотехнологии: печать микрочипов, биологических образцов, микрофлюидных устройств (в исследовательских целях).

Сравнение с пьезоэлектрической струйной печатью

Основным конкурентом пузырьковой технологии является пьезоэлектрическая струйная печать (используется в принтерах Epson, Brother). В ней капля формируется не за счёт нагрева, а за счёт механической деформации пьезокристалла под действием электрического поля.

Перспективы развития

Современные тенденции в области пузырьковой струйной печати включают:

• Увеличение разрешения до 9600 dpi и выше.
• Разработка чернил с улучшенной светостойкостью и водостойкостью (пигментные чернила).
• Интеграция печатающих головок в мобильные устройства (например, портативные принтеры для смартфонов).
• Создание экологичных чернил на основе биорастворителей и возобновляемых материалов.
• Применение в 3D-печати (например, для печати биологических тканей или микроэлектроники).

Интересные факты

• Термин «пузырьковая печать» (Bubble Jet) является зарегистрированным товарным знаком компании Canon.
• В первых принтерах HP ThinkJet использовалось всего 12 сопел, а разрешение составляло 96 dpi.
• Современные печатающие головки могут содержать до 10 000 и более сопел, что позволяет печатать страницу формата A4 за несколько секунд.
• Нагревательный элемент в сопле может выдерживать до 10 миллиардов циклов нагрева-охлаждения.

Источники

• Canon Inc. «History of Bubble Jet Technology» (официальные материалы компании).
• Hewlett-Packard Development Company. «Thermal Inkjet Technology: A Technical Overview» (технические документы).
• Б. В. Козлов, А. С. Смирнов. «Струйная печать: технологии и материалы». — М.: Издательство МГУП, 2005.
• Le, H. P. «Progress and Trends in Ink-jet Printing Technology». Journal of Imaging Science and Technology, 1998, Vol. 42, No. 1.
• Патент США № 4,490,728 (Canon, 1984) и патент США № 4,251,824 (Hewlett-Packard, 1981).