Струйная печать

Струйная печать — это технология формирования изображения на твёрдой поверхности (бумаге, плёнке, текстиле) путём направленного нанесения микроскопических капель жидкого красителя (чернил) на материал. Относится к классу цифровых методов печати, при которых печатная форма не используется, а изображение создаётся непосредственно с компьютера. Ключевыми характеристиками струйной печати являются высокое разрешение (до 4800 точек на дюйм и выше), возможность цветной печати, относительно низкая стоимость устройств для домашнего и офисного использования, а также способность наносить изображение на различные материалы, включая бумагу, картон, пластик, ткань и керамику.

История

Первые предпосылки для создания струйной печати появились в середине XIX века. В 1855 году шотландский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) запатентовал устройство, которое использовало электрический заряд для управления струёй чернил. Однако практическая реализация технологии затянулась почти на столетие.

В 1951 году немецкий инженер Рудольф Хельм разработал первый коммерческий струйный принтер, предназначенный для печати на телеграфных лентах. Устройство использовало непрерывную струю чернил, которая отклонялась электрическим полем. В 1960-х годах компания Siemens представила модель PT-80, которая стала первым серийным струйным принтером для вычислительной техники.

Настоящий прорыв произошёл в 1970-х годах, когда были разработаны технологии drop-on-demand (капля по требованию). В 1977 году компания Canon (Япония) запатентовала метод пузырьковой струйной печати (Bubble Jet), а в 1984 году компания Hewlett-Packard (США) выпустила первый коммерческий принтер ThinkJet, работающий по этому принципу. В 1988 году компания Epson (Япония) представила технологию пьезоэлектрической струйной печати, которая стала альтернативой пузырьковому методу.

В 1990-х годах струйная печать стала массовой: появились цветные модели, улучшилось разрешение, снизилась стоимость. В 2000-х годах технология распространилась на широкоформатную печать, печать на текстиле и 3D-печать. В 2010-х годах развитие получили системы непрерывной подачи чернил (СНПЧ), которые позволили значительно снизить стоимость отпечатка.

Принцип работы

Струйная печать основана на формировании изображения из множества микроскопических точек (пикселей), каждая из которых образуется одной или несколькими каплями чернил. Основные этапы процесса:

1. Формирование изображения: цифровой файл (растровое или векторное изображение) преобразуется в управляющие сигналы для печатающей головки.
2. Выброс чернил: печатающая головка, содержащая сопла (дюзы), выбрасывает капли чернил на поверхность материала.
3. Позиционирование: головка перемещается относительно материала (или материал относительно головки), нанося капли в заданные точки.
4. Фиксация: чернила впитываются в материал или закрепляются на нём (например, под воздействием нагрева или ультрафиолета).

Разрешение печати определяется количеством сопел на головке, точностью позиционирования и размером капли. Современные принтеры могут наносить капли объёмом от 1 до 5 пиколитров, что позволяет получать изображения с высокой детализацией.

Классификация

По способу выброса чернил

Непрерывная струйная печать (Continuous Inkjet, CIJ)

В этом методе чернила подаются под высоким давлением через сопло, образуя непрерывную струю. Струя разбивается на капли, которые заряжаются электрическим зарядом и отклоняются в электрическом поле. Заряженные капли попадают на материал, а незаряженные — в сборник для повторного использования. Метод применяется в промышленной маркировке (например, нанесение дат на упаковку) и позволяет печатать на больших скоростях, но имеет низкое разрешение (до 200 dpi).

Капля по требованию (Drop-on-Demand, DOD)

В этом методе капля формируется только в момент, когда необходимо нанести точку на материал. Различают два основных подтипа:

• Термическая (пузырьковая) струйная печать: в сопле расположен нагревательный элемент, который мгновенно нагревает чернила до температуры кипения (около 300 °C). Образующийся пузырь пара выталкивает каплю через сопло. После остывания пузырь схлопывается, и в сопло поступает новая порция чернил. Технология используется в принтерах Canon, Hewlett-Packard, Brother. Преимущества: низкая стоимость головок, простота конструкции. Недостатки: ограниченный срок службы головки (из-за термического воздействия), чувствительность к качеству чернил.
• Пьезоэлектрическая струйная печать: в сопле расположен пьезокристалл, который при подаче электрического напряжения деформируется, создавая давление, выталкивающее каплю. После снятия напряжения кристалл возвращается в исходное положение. Технология используется в принтерах Epson. Преимущества: высокая точность дозирования капли, возможность использования различных типов чернил (в том числе пигментных), долговечность головок. Недостатки: более высокая стоимость производства головок.

По типу чернил

• Водорастворимые (dye-based): краситель растворён в воде. Обеспечивают яркие цвета, но менее устойчивы к выцветанию и влаге. Используются в домашних принтерах.
• Пигментные (pigment-based): частицы пигмента взвешены в жидкости. Обладают высокой устойчивостью к ультрафиолету и воде, но могут быть менее яркими. Используются в профессиональной и офисной печати.
• Сольвентные: на основе органических растворителей. Устойчивы к внешним воздействиям, применяются в наружной рекламе (широкоформатная печать).
• УФ-отверждаемые: содержат фотоинициаторы, которые затвердевают под действием ультрафиолетового излучения. Позволяют печатать на непористых материалах (стекло, пластик, металл).
• Сублимационные: при нагреве переходят из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Используются для печати на текстиле и твёрдых поверхностях с полимерным покрытием.

По формату печати

• Формат A4/A3: стандартные домашние и офисные принтеры.
• Широкоформатные (A2 и больше): для печати плакатов, баннеров, чертежей.
• Промышленные: для печати на упаковке, этикетках, текстиле.

Устройство и характеристики

Основные компоненты струйного принтера

• Печатающая головка: ключевой элемент, содержащий сопла. В термических принтерах головка часто встроена в картридж, в пьезоэлектрических — является отдельным узлом.
• Система подачи чернил: картриджи, контейнеры или система непрерывной подачи чернил (СНПЧ), состоящая из резервуаров и трубок.
• Механизм перемещения: каретка с головкой движется по направляющим, а материал подаётся роликами.
• Контроллер: электронная плата, управляющая движением головки, подачей чернил и синхронизацией с компьютером.
• Драйвер: программное обеспечение, преобразующее данные в команды для принтера.

Основные характеристики

• Разрешение: измеряется в точках на дюйм (dpi). Типичные значения: 600×600, 1200×1200, 4800×1200 dpi.
• Скорость печати: измеряется в страницах в минуту (ppm) для текста и в минутах на страницу для фото. Зависит от режима (черновик, нормальный, высокое качество).
• Ёмкость картриджей: объём чернил в миллилитрах. В системах СНПЧ может достигать 100 мл и более.
• Тип чернил: водорастворимые, пигментные, сольвентные и т.д.
• Формат: максимальный размер материала.
• Интерфейсы: USB, Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth.

Применение

Струйная печать используется в различных сферах:

• Домашняя и офисная печать: документы, фотографии, презентации.
• Фотопечать: высококачественная печать на фотобумаге.
• Широкоформатная печать: наружная реклама, баннеры, плакаты, вывески.
• Печать на текстиле: прямая печать на одежде, сублимационная печать на синтетических тканях.
• Промышленная печать: маркировка упаковки, печать этикеток, нанесение кода на продукцию.
• 3D-печать: струйные технологии используются для создания трёхмерных объектов из фотополимеров (например, технология PolyJet от Stratasys).
• Печать на керамике и стекле: нанесение изображений на плитку, посуду, стеклянные панели.
• Медицина и биотехнологии: печать биологических тканей (биопечать), создание микрочипов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое качество: возможность получения фотографического качества при высоком разрешении.
• Цветность: полноцветная печать (CMYK) без использования цветоделения.
• Гибкость: печать на различных материалах, включая непористые (при использовании УФ-чернил).
• Низкая стоимость устройства: начальные модели доступны по цене от нескольких тысяч рублей.
• Мгновенный запуск: не требуется разогрев, как в лазерных принтерах.
• Тихая работа: уровень шума ниже, чем у лазерных принтеров.

Недостатки

• Высокая стоимость отпечатка: особенно при использовании оригинальных картриджей. Системы СНПЧ частично решают эту проблему.
• Чувствительность к качеству чернил: использование неоригинальных чернил может привести к засорению сопел.
• Склонность к засыханию: при длительном простое чернила в соплах могут высыхать, что требует очистки головки.
• Скорость: при печати высокого качества скорость ниже, чем у лазерных принтеров.
• Водостойкость: водорастворимые чернила могут размываться при контакте с водой. Пигментные чернила более устойчивы, но не всегда.
• Срок службы головки: в термических принтерах головка может выйти из строя после нескольких тысяч страниц.

Интересные факты

• Первый струйный принтер для домашнего использования, Apple ImageWriter (1984), стоил около 1000 долларов США.
• В 1990-х годах компания Epson выпустила принтер Stylus Color, который стал первым массовым цветным струйным принтером для дома.
• В 2014 году компания Canon представила технологику FINE (Full-photolithography Inkjet Nozzle Engineering), позволяющую создавать сопла диаметром менее 10 микрон.
• В 2020-х годах струйная печать начала активно использоваться в 3D-печати для создания органов и тканей (биопечать).
• В России компания «ГК «Термопринт»» (Москва) разрабатывает и производит струйные принтеры для промышленной маркировки.

Источники

1. Leach, R. H., & Pierce, R. J. (1993). The Printing Ink Manual. Springer.
2. Kipphan, H. (2001). Handbook of Print Media: Technologies and Production Methods. Springer.
3. P. H. G. (2005). Inkjet Printing Technology: Fundamentals and Applications. Wiley.
4. Canon Inc. (2023). История технологии Bubble Jet. Официальный сайт Canon.
5. Epson Corporation. (2023). Технология пьезоэлектрической печати. Официальный сайт Epson.
6. Hewlett-Packard Development Company. (2023). Технология Thermal Inkjet. Официальный сайт HP.
7. ГОСТ Р 53414-2009. Техника печати. Термины и определения.