Непрерывная струйная печать

Рисунок 19.1 – Классификация струйной печати

В непрерывной струйной печати (рис. 19.2) создается непрерывный поток малых электростатических заряженных капель краски. Эти капли движутся в электростатическом поле, которое отклоняет их поток устройством, аналогичным используемому в электронно-лучевых трубках. Управление напряженностью поля в соответствии с изображением обеспечивает их попадание на бумагу в нужном месте и в нужном количестве. Заряд капель соответствует негативному изображению. Лишь незначительная часть потока капель, соответствующая воспроизводимому оригиналу, попадает на бумагу, преобладающая часть возвращается в красочную систему.

Струйная печать непрерывного действия подразделяется на варианты двойного (бинарного) и многократного отклонения капель.

При бинарном отклонении (рис. 19.2) капля имеет одно из двух состояний: незаряженное – для переноса на бумагу и заряженное – для отклонения в электрическом поле. При способе многократного отклонения капли имеют различные заряды, чтобы при прохождении в электрическом поле по-разному отклоняться и направляться на соответствующие участки запечатываемого материала.

Рисунок 19.2 – Струйная печать непрерывного действия

Непрерывная струйная печать [9.3] имеет в основном промышленное применение. Она используется в принтерах, предназначенных для нанесения на промышленные и товарные изделия различных маркировок и штрихкодов (Multideflection Continious InkJet). В оперативной полиграфии непрерывная струйная печать применяется в высокопроизводительных печатающих установках с неподвижными головками (цифровых печатных машинах).

В системах непрерывной струйной печати из сопла или линейки сопел, находящихся в печатной головке, выходят струи чернил. Сразу же после выхода из сопла струя разбивается на мельчайшие капельки. Дробление струи происходит за счет колебательного воздействия на чернила пьезоэлектрического резонатора и сил поверхностного натяжения чернил. Под действием переменного тока высокой частоты (несколько десятков килогерц) происходит быстрое периодическое изменение размеров пьезоэлектрика (его вибрация). С той же частотой изменяется объем, занимаемый чернилами в чернильной камере. При уменьшении объема чернила выталкиваются через сопло, а при его увеличении в чернильную камеру поступает новая порция чернил.

Пьезоэлектрик может представлять тонкую пластинку, укрепленную на эластичной стенке чернильной камеры или иметь форму трубки, закрепленной на стальном стержне и находиться внутри камеры (рис. 3.1). Камера заканчивается соплом, обычно имеющим отношение длины к диаметру L/d = 1,0. Его диаметр составляет несколько десятков микрометров (до 70 мкм).

Явление, использованное в пьезоэлектрическом преобразователе, — обратныйпьезоэффект. Его сущность заключается в следующем. Некоторые кристаллические материалы при наложении электрического поля быстро и сильно поляризуются и поэтому изменяют свои размеры. При снятии поля происходит возвращение этих материалов к первоначальному состоянию. Их называют пьезоэлектриками. При приложении к пьезоэлектрику переменного электрического напряжения в нем возникают механические колебания и при достаточно высокой частоте эти колебания приводят к появлению звуковых волн. Пьезоэлектрики используют в качестве электроакустических и электромеханических преобразователей. Основную группу пьезоэлектриков составляют сегнетоэлектрики, у которых этот эффект выражен в наибольшей степени. Это — сегнетова соль, титанат бария, кальция и свинца, а также цирконат-титанат свинца. На основе титанатов изготавливают пьеэокерамику, которую используют в поляризованном виде. Пьезокерамика обладает высокой прочностью и стабильностью пьезоэлектрических свойств, поэтому именно ее применяют для изготовления преобразователей электрических сигналов, в том числе в струйных головках.

9.3.1 Устройства каплеструйной печати с непрерывной подачей чернил [9.4]

Сущность печати с непрерывной подачей чернил состоит в генерации непрерывной струи (последовательности) капель с сообщением для капель, участвующих и не участвующих в формировании изображения, разных траекторий движения. «Лишние» капли попадают в ловушку и возвращаются системой рециркуляции в красочный резервуар.

Устройства каплеструйной печати с непрерывной подачей чернил можно классифицировать по нескольким признакам, например по назначению, по производительности, по красочности и т.д. На основе рассмотрения принципа их устройства наиболее интересна классификация по способу разделения струи на капли и методу модуляции струи или наличию дефлектора.

Современные устройства каплеструйной печати с непрерывной подачей чернил содержат обычно следующие основные узлы:

· устройство подачи чернил;

· эмиттер;

· устройство разделения струи на капли;

· модулятор;

· дефлектор;

· ловушку;

· устройство рециркуляции чернил.

Устройство подачи чернил состоит из резервуара и насоса, подающего чернила в эмиттер и создающего технологически необходимое давление (напор) для формирования струи.

Эмиттер соединен с устройством подачи чернил трубопроводом и представляет собой небольшую красочную камеру с отверстием — соплом.

Каплеструйное устройство с капилярным диспергированием

Прикапиллярном диспергировании в результате нагнетания чернил в красочную камеру, через сопло выбрасывается непрерывная струя. Чернильная струя отличается неустойчивостью и имеет тенденцию распадаться на капли. Однако при естественном образовании капли не отличаются стабильностью размеров и скорости, поэтому в современных устройствах каплеструйной печати используется принудительное разделение струи. Как правило, в нее вносятся периодические возмущения путем высокочастотных (ультразвуковых) колебаний с помощью пьезоэлектрического преобразователя. При этом удается стабилизировать параметры процесса каплеобразования и получать капли одинакового размера с заданными частотой следования и скоростью.

Менее распространено использование для генерации капель электростатических полей (электродиспергирование). В этом случае чернила поступают в сопло под небольшим давлением, а капля образуется в результате нарушения устойчивости мениска чернил под действием большой разницы потенциалов (около 2 кВ) сопла и находящегося около него электрода. Движение капли к запечатываемому материалу происходит под действием еще большей разницы потенциалов (около 7 кВ).

Каплеструйное устройство с электродиспергированием чернил

Модулятор в каплеструйной печати служит для управления параметрами капель с целью обеспечения их последующего разделения на участвующие и не участвующие в формировании изображения. Как правило, модулятором служит электрод в форме полого цилиндра, расположенный в точке разделения струи на капли и сообщающего каплям электростатический заряд определенного потенциала.

Дефлектор обычно выполняется в виде направляющих (отклоняющих) пластин, электростатическое поле которых обусловливает изменение траектории полета заряженных модулятором капель. Подобный принцип используется для управления движением электронов в электронно-лучевой трубке.

Капли, не участвующие в формировании изображения (обычно их большинство), захватываются ловушкой и попадают в систему рециркуляции. Система рециркуляции представляет собой небольшой резервуар для неиспользованных чернил, из которого они по трубопроводу через фильтр поступают в красочный резервуар.

Существует несколько вариантов реализации процесса каплеструйной печати с непрерывной подачей чернил. При наиболее распространенной схеме капли избирательно заряжаются электродом. Заряженные капли направляются отклоняющими пластинами на запечатываемый материал, а незаряженные попадают в ловушку. При данном варианте процесса за счет сообщения каплям разной величины заряда может производиться развертка изображений по вертикали или горизонтали, то есть за один проход печатающей головки печатаются несколько строк или несколько точек в одной строке.

Вместе с тем описанная схема не обеспечивает высокой точности позиционирования капель на запечатываемом материале в силу следующих причин:

· разная величина пути капель с различной величиной заряда от сопла до запечатываемого материала;

· разные углы падения на запечатываемый материал капель с различной величиной заряда;

· траектория полета капель искажается из-за взаимодействия их зарядов;

· траектория полета капель искажается из-за их аэродинамического взаимодействия.

Этих недостатков лишена схема, при которой незаряженные капли попадают на запечатываемый материал, а заряженные направляются в ловушку. Однако при таком варианте реализации процесса вертикальная развертка изображения производится только за счет перемещения печатающей головки или запечатываемого материала (объекта), то есть производительность печатающего устройства значительно снижается.

Каплеструйное устройство, печатающее незаряженными каплями

Кроме модуляции струи путем выборочного заряда капель, известен метод, при котором заряжаются все капли, а модуляция осуществляется благодаря изменению величины заряда струи. При такой схеме на пути капель установлена ловушка с отверстием (апертурой). Капли, проходящие через апертуру, попадают на запечатываемый материал, остальные возвращаются в систему рециркуляции чернил. Количество капель, проходящих через апертуру, а следовательно, и оптическая плотность печатающегося элемента изображения обратно пропорциональны величине заряда, сообщаемого струе. При максимальном напряжении заряда (до 500 В) капли отталкиваются друг от друга и образуют расходящийся пучок, при нулевом заряде все капли проходят через апертуру.

Недостатком подобного способа модуляции струи является сложность определения зависимости количества капель, попадающих на запечатываемый материал, от напряжения заряда. На практике это означает, что откалибровать подобное устройство крайне сложно.

Каплеструйное устройство с зарядом всех капель:
а — V=0 (максимальная плотность отпечатка); б — V=0,3Vmax (высокая плотность отпечатка); в — V=0,6Vmax (низкая плотность отпечатка); г — V=Vmax (минимальная плотность отпечатка)

1 — защитный слой из поликристаллического кремния;

2 — чернильная струя;

3 — сопло диаметром 5 мкм;

4 — слой нитрида кремния;

5 — V-образный канал для подачи чернил к соплам;

6 — отверстие для подвода чернил;

7 — фильтр для улавливания инородных частиц, попавших в чернила;

8 — красочная камера;

9 — трубопровод для подачи чернил;

10 — стеклянное основание головки;

11 — слой кремния

По принципу непрерывного действия построена высокоскоростная струйная печатная система 3600 фирмы Scitex Digital Printing (рис. 19.8). Система состоит из двух последовательно расположенных модулей для печати на рулонном материале. Отдельная головка имеет длину около 108 мм, расположение сопел позволяет получить разрешение 240 dpi (1024 сопла в одной головке), скорость печати до 2 м/с.

Рисунок 19.8 – высокоскоростная система струйной печати
System 3600 фирмы Scitex Digital Printing

Система струйной печати Versa Mark MPS4 этой же фирмы, имеющая головку длиной 229 мм (9 дюймов) и 2700 сопел, обеспечивает разрешение 300 dpi. Струйные машины Mark MPS4 этой фирмы показаны на рис. 19.9 и рис. 19.10.

Рисунок 19.9 – Струйная машинаVersaMark Vantage

Рисунок 19.10 – Струйная машинаVersaMark Business Color

( 300x300 dpi)

Возможно применение устройств струйной печати непрерывного действия в качестве цифровой цветопробы. Четырьмя головками (по одной для каждой краски: черной, голубой, пурпурной и желтой) производится печать с разрешением в 300 dpi. Лист закрепляется на цилиндре. Головка для струйной печати, движущаяся вдоль оси, и быстро вращающийся цилиндр, позволяют получить многокрасочный пробный оттиск. Каждая точка может передаваться 15 градациями аккумулированием летящих капель или их наложением на бумаге, как показано на рис. 19.6.

Главное достоинство устройств с непрерывной подачей чернил — высокая скорость печати. В этих устройствах не возникает проблемы высыхания чернил в сопле, свойственной устройствам с импульсной подачей чернил. К достоинствам непрерывной струйной печати можно отнести также возможность получать на отпечатке многокрасочные изображения насыщенного цвета и высокого качества.

Недостатки:

высокие затраты на расходные материалы (прежде всего на чернила),

сложность в обслуживании самого оборудования и его дороговизна,

сложность конструкцииоборудования

недостаточно высокая точность позиционирования капли из-за большого пути полета;

высокая скорость полета капли приводит к тому, что она ударяется о запечатываемый материал, а это приводит к значительному увеличению размера точки по сравнению с диаметром капли.