Термическая струйная печать

Термическая струйная печать — это технология бесконтактного нанесения изображения на поверхность, при которой капли жидких чернил выбрасываются на носитель через микроскопические сопла печатающей головки под действием импульсного нагрева. Относится к классу струйных технологий и является одним из двух основных методов, наряду с пьезоэлектрической печатью.

Принцип действия

В основе термической струйной печати лежит эффект быстрого вскипания чернил. В каждом сопле печатающей головки расположен микроскопический нагревательный элемент (терморезистор). При подаче электрического импульса он мгновенно нагревается до температуры около 300–400 °C за несколько микросекунд. Тонкий слой чернил, контактирующий с нагревателем, вскипает, образуя пузырёк пара (кавитационный пузырёк). Расширяясь, этот пузырёк выталкивает каплю чернил через сопло наружу. После выброса нагреватель остывает, пузырёк схлопывается, и в канал засасывается новая порция чернил из резервуара за счёт капиллярного эффекта. Весь цикл занимает микросекунды, что позволяет достигать частоты выброса капель до десятков килогерц.

История

Технология была разработана в конце 1970-х годов. В 1977 году инженер компании Canon (Япония) Итиро Эндо заметил, что нагретый паяльник, случайно коснувшийся шприца с чернилами, вызвал выброс капли. Это наблюдение легло в основу разработки технологии Bubble Jet (пузырьковая струйная печать). В 1979 году Canon подала первую патентную заявку. Независимо от Canon, в 1984 году компания Hewlett-Packard (США) представила собственную реализацию, названную ThinkJet. Первый коммерческий принтер HP ThinkJet появился на рынке в 1984 году. В 1985 году Canon выпустила принтер BJ-80. С этого момента началось массовое распространение технологии, которая стала доминирующей в сегменте недорогих домашних и офисных струйных принтеров.

Устройство печатающей головки

Печатающая головка термического струйного принтера представляет собой сложное микроэлектронное устройство. Основные компоненты:

• Сопловая пластина — тонкая металлическая или полимерная пластина с микроскопическими отверстиями (соплами). Диаметр сопла обычно составляет 10–30 микрометров. Количество сопел варьируется от нескольких десятков до тысяч в зависимости от модели.
• Камеры с чернилами — микроскопические полости, расположенные за каждым соплом. В них происходит нагрев и образование пузырька.
• Нагревательные элементы — тонкоплёночные резисторы, обычно изготавливаемые из тантала или нитрида кремния. Они обеспечивают быстрый и точный нагрев.
• Каналы подачи чернил — система микроскопических каналов, соединяющих камеры с общим резервуаром (картриджем или системой непрерывной подачи чернил).
• Управляющая электроника — микросхема, которая получает данные от драйвера принтера и подаёт импульсы тока на конкретные нагреватели в нужной последовательности.

В большинстве современных принтеров печатающая головка объединена с картриджем (сменный блок) или является стационарной частью принтера (в моделях с системой непрерывной подачи чернил).

Классификация и виды

По типу чернил

• Водные (пигментные и красительные) — наиболее распространены. Пигментные чернила содержат твёрдые частицы красителя, обеспечивают стойкость к выцветанию и воде. Красительные чернила растворяются в жидкости, дают более яркие цвета, но менее устойчивы.
• Сублимационные — специальные чернила, которые при нагреве переходят из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Используются для печати на тканях и твёрдых поверхностях (кружки, футболки).
• Термотрансферные — чернила на восковой основе, которые после печати переносятся на материал под давлением и температурой.

По конструкции печатающей головки

• Термические с фиксированной головкой — головка установлена в принтере стационарно, чернила подаются из сменных картриджей или системы непрерывной подачи. Характерно для профессиональных и широкоформатных устройств.
• Термические со сменным картриджем — головка встроена в картридж и заменяется вместе с ним. Распространено в недорогих домашних принтерах.

По цветности

• Монохромные — печатают только чёрным цветом.
• Полноцветные — используют систему цветоделения CMYK (Cyan — голубой, Magenta — пурпурный, Yellow — жёлтый, Key — чёрный). Некоторые модели добавляют дополнительные цвета (светло-голубой, светло-пурпурный) для улучшения качества фотопечати.

Характеристики и параметры

• Разрешение печати — измеряется в точках на дюйм (dpi). Типичные значения для домашних принтеров: 1200×1200 dpi, для фотопринтеров — до 4800×2400 dpi.
• Скорость печати — измеряется в страницах в минуту (стр/мин). Для чёрно-белой печати: 8–20 стр/мин, для цветной: 4–10 стр/мин.
• Объём капли — измеряется в пиколитрах (пл). Современные головки могут формировать капли объёмом от 1 до 5 пл. Чем меньше капля, тем выше детализация.
• Ресурс печатающей головки — количество страниц, которое может напечатать головка до выхода из строя. Для сменных картриджей обычно 200–500 страниц, для стационарных — до нескольких десятков тысяч.

Применение

Термическая струйная печать широко используется в различных сферах:

• Офисная и домашняя печать — документы, отчёты, презентации, фотографии.
• Фотопечать — благодаря высокой цветопередаче и возможности печати на глянцевых и матовых фотобумагах.
• Широкоформатная печать — плакаты, баннеры, рекламные конструкции. Используются специальные пигментные чернила и устойчивые к внешней среде материалы.
• Печать на тканях — прямая печать на текстиле (Direct-to-Garment) и сублимационная печать для синтетических тканей.
• Маркировка и кодирование — нанесение штрих-кодов, дат, логотипов на упаковку, продукцию, этикетки. В промышленности применяются специализированные термоструйные принтеры.
• Медицина — печать на медицинских изделиях, бирках, упаковке лекарств.
• Печать на CD/DVD — нанесение изображений на поверхность дисков.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое качество печати — особенно при печати фотографий и изображений с плавными цветовыми переходами.
• Тихая работа — по сравнению с матричными и лазерными принтерами.
• Компактность — печатающие головки имеют малые размеры, что позволяет создавать небольшие устройства.
• Низкая стоимость устройства — начальная цена принтера часто ниже, чем у лазерных аналогов.
• Возможность цветной печати — без дополнительных сложных механизмов.

Недостатки

• Высокая стоимость расходных материалов — оригинальные картриджи дороги, особенно при малом объёме печати.
• Засыхание чернил — при длительном простое чернила в соплах могут засохнуть, что приводит к засорению головки и необходимости её чистки или замены.
• Чувствительность к качеству чернил — использование неоригинальных чернил может привести к поломке головки.
• Ограниченный ресурс головки — особенно у сменных картриджей, где головка заменяется вместе с чернилами.
• Необходимость регулярной печати — для предотвращения засыхания рекомендуется печатать хотя бы раз в 1–2 недели.

Сравнение с пьезоэлектрической печатью

Термическая струйная печать отличается от пьезоэлектрической (используемой, например, в принтерах Epson) принципом выброса капли. В пьезоэлектрической технологии капля выталкивается механической деформацией пьезокристалла под действием электрического поля. Основные различия:

• Термическая печать — более дешёвая в производстве, но требует специальных чернил, устойчивых к нагреву. Меньше подходит для пигментных чернил с крупными частицами.
• Пьезоэлектрическая печать — более надёжна при длительном простое, позволяет использовать более широкий спектр чернил (включая пигментные и сольвентные), но сложнее и дороже в изготовлении.

Интересные факты

• Первый коммерческий термический струйный принтер HP ThinkJet (1984 год) весил около 2,5 кг и печатал со скоростью 2 страницы в минуту.
• В современных термических головках количество сопел может достигать 10 000 и более, что позволяет печатать страницу формата A4 за несколько секунд.
• Технология Bubble Jet от Canon была названа в честь пузырьков (bubbles), образующихся при нагреве.
• Некоторые производители (например, Canon) используют термин «пузырьковая струйная печать» как синоним термической.

Источники

• Canon Inc. «History of Bubble Jet Technology» — официальные материалы компании.
• Hewlett-Packard Development Company. «Thermal Inkjet Technology Overview» — техническая документация.
• Журнал «КомпьютерПресс» — статьи о принципах работы струйных принтеров.
• Учебник «Основы полиграфического производства» — раздел о струйной печати.
• Патент США № 4,490,728 (Canon, 1984) — описание технологии термической струйной печати.