Термоструйная печать

Термоструйная печать (термическая струйная печать, англ. thermal inkjet printing) — это технология цифровой печати, в которой для формирования капли чернил используется локальный нагрев жидкого красителя до образования пузырька пара. Относится к классу струйных технологий и является одним из наиболее распространённых методов печати в офисной и домашней технике.

Принцип действия

В основе термоструйной печати лежит физический процесс парообразования. В печатающей головке каждого сопла (дюзы) расположен микроскопический нагревательный элемент (терморезистор). При подаче электрического импульса он мгновенно нагревается до температуры 300–400 °C, что вызывает вскипание тонкого слоя чернил, непосредственно прилегающего к нагревателю. Образующийся пузырёк пара (кавитационный пузырёк) резко увеличивается в объёме, выталкивая каплю чернил из сопла на бумагу. После выброса нагреватель остывает, пузырёк схлопывается, и в сопло за счёт капиллярного эффекта поступает новая порция чернил из резервуара. Весь цикл занимает несколько микросекунд.

История

Предпосылки и изобретение

Разработка термоструйной технологии началась в 1970-х годах. В 1977 году инженер компании Canon (Япония) Итиро Эндо случайно заметил, что нагретый паяльник, коснувшийся шприца с чернилами, вызвал выброс капли. Это наблюдение легло в основу технологии Bubble Jet (пузырьковая струя). В 1979 году Canon подала патент на термоструйную печать. Практически одновременно, в 1984 году, компания Hewlett-Packard (США) представила первый коммерческий термоструйный принтер ThinkJet, использующий аналогичный принцип.

Коммерциализация и развитие

В 1980-х годах технология быстро вытеснила более дорогие и сложные пьезоэлектрические системы в сегменте недорогих устройств. Ключевым преимуществом стала простота конструкции печатающей головки — она не требовала прецизионной механики, а только тонкоплёночных нагревателей. В 1990-х годах появились цветные термоструйные принтеры, а также системы с раздельными картриджами для каждого цвета. С 2000-х годов технология активно применяется в промышленной маркировке, текстильной печати и 3D-печати.

Устройство и компоненты

Печатающая головка

Основной элемент термоструйного принтера. Представляет собой пластину с микроскопическими камерами и соплами (диаметр от 10 до 30 мкм). В каждой камере расположен нагреватель из резистивного материала (например, тантала или нитрида кремния). Современные головки могут содержать от нескольких сотен до нескольких тысяч сопел, расположенных с высокой плотностью (до 2400 точек на дюйм).

Чернила

Используются водорастворимые чернила на водной основе, содержащие:

• Красители (пигменты или растворимые красители);
• Воду как растворитель;
• Увлажнители (глицерин, этиленгликоль) для предотвращения высыхания;
• Поверхностно-активные вещества для регулирования смачивания;
• Буферные добавки для поддержания pH.

Чернила должны обладать строго определёнными физико-химическими свойствами: вязкостью, поверхностным натяжением, температурой кипения и стабильностью при многократном нагреве.

Система подачи чернил

В большинстве офисных принтеров используется картриджная система: сменный картридж содержит как чернила, так и печатающую головку. В промышленных устройствах применяются стационарные головки с отдельными резервуарами (системы непрерывной подачи чернил — СНПЧ).

Классификация термоструйных принтеров

По типу чернил

• Водные (водорастворимые) — наиболее распространены, дают яркие цвета, но неустойчивы к воде и выцветанию.
• Пигментные — содержат твёрдые частицы красителя, более стойкие к внешним воздействиям, используются для фотопечати и документов.
• Сублимационные — применяются для печати на ткани и твёрдых поверхностях (кружки, керамика).

По назначению

• Офисные и домашние — малогабаритные, с низкой стоимостью устройства, но высокой стоимостью расходных материалов.
• Фотопринтеры — специализированные устройства с высоким разрешением (до 9600×2400 dpi) и большим количеством цветов (до 10–12).
• Промышленные — высокопроизводительные системы для маркировки упаковки, печати этикеток, текстиля.
• 3D-принтеры — используют термоструйные головки для нанесения слоёв фотополимерных смол.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое качество печати — разрешение до 4800×1200 dpi и выше, плавные цветовые переходы.
• Низкая стоимость устройства — печатающая головка проста в производстве, что делает принтеры доступными.
• Бесшумность — отсутствие механических ударов (в отличие от матричных принтеров).
• Компактность — возможность создания портативных моделей.
• Быстрый запуск — не требуется разогрев (в отличие от лазерных принтеров).

Недостатки

• Высокая стоимость отпечатка — картриджи с чернилами дороги, особенно при малых объёмах печати.
• Засыхание чернил — при длительном простое чернила в соплах засыхают, что требует замены головки или картриджа.
• Чувствительность к бумаге — на низкокачественной бумаге чернила растекаются, снижая чёткость.
• Скорость печати — ниже, чем у лазерных принтеров (особенно при цветной печати).
• Ограниченный ресурс головки — обычно составляет 10–30 тысяч страниц, после чего требуется замена.

Применение

Офисная и домашняя печать

Термоструйные принтеры доминируют в сегменте недорогих многофункциональных устройств (МФУ) для печати документов, фотографий и графики. Крупнейшие производители: HP, Canon, Epson (использует пьезоэлектрическую технологию, но выпускает и термоструйные модели), Brother, Lexmark.

Промышленная маркировка

Технология применяется для нанесения дат, штрих-кодов, логотипов на упаковку (картон, пластик, металл). Используются специальные быстросохнущие чернила. Примеры: системы Videojet, Markem-Imaje.

Текстильная печать

Прямая печать на ткани (Direct-to-Garment, DTG) с использованием пигментных или сублимационных чернил. Позволяет получать полноцветные изображения на футболках, сумках, коврах.

Фотопечать

Специализированные фотопринтеры (например, Canon PIXMA Pro, HP Photosmart) обеспечивают высокую детализацию и широкий цветовой охват, часто используются фотолюбителями и небольшими фотостудиями.

3D-печать

Технология Multi Jet Fusion (HP) использует термоструйные головки для нанесения связующего вещества на порошковый материал (нейлон, полиамид). Позволяет создавать прочные детали с высокой точностью.

Интересные факты

• Первый термоструйный принтер HP ThinkJet (1984) весил около 2,5 кг и печатал со скоростью 150 символов в секунду.
• В некоторых моделях Canon используется технология FINE (Full-photolithography Inkjet Nozzle Engineering), позволяющая создавать сопла с точностью до 1 микрона.
• Термоструйные головки могут работать с чернилами на основе растворителей, но такие системы требуют специальной вентиляции из-за токсичности паров.
• В 2010-х годах HP разработала технологию PageWide, в которой стационарная термоструйная головка шириной в страницу позволяет печатать со скоростью до 80 страниц в минуту.

Источники

• Le, H. P. (1998). «Progress and Trends in Ink-jet Printing Technology». Journal of Imaging Science and Technology.
• Canon Inc. (1985). «Bubble Jet Printing Technology». Technical Report.
• Hewlett-Packard Company. (1984). «HP ThinkJet Printer: Technical Overview».
• Бобров, В. И. (2005). «Струйная печать: технологии и материалы». Москва: Издательство МГУП.
• ГОСТ Р 53473-2009 «Средства печати струйные. Термины и определения».