3.1. РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРУЙНОЙ ПЕЧАТИ

Аналогично термопечати, технология струйной печати прошла долгий путь совершенствования, причем с более чем успешными результатами. За 15 лет разрешающая способность струйных принтеров, предназначенных для массового применения, выросла почти в 10 раз (до тысяч точек на дюйм). Достигнут удачный компромисс между требованиями к чернилам не засыхать в соплах печатающей головки и достаточно быстро сохнуть на бумаге, не смазываясь при этом. Значительно улучшились эксплуатационные свойства струйных аппаратов, они стали более неприхотливы к бумаге [10].

Механизм подачи и протяжки бумаги струйных, печатающих устройств очень высок, однако, применена принципиально другая печатающая головка. Поскольку струйная технология использует метод "выбрасывания" капель красителя на бумагу, соответствующая матрица печати представляет собой набор сопел (до 256), с которыми соединены емкости для чернил и управляющие механизмы (как правило, - пьезоэлектрического типа). Требования к краскам (чернилам) весьма противоречивы и высоки, поэтому состав их постоянно совершенствуется. Качество изображения сильно зависит от типа бумаги (пленки), поэтому для наиболее ответственных работ рекомендуются специальные ее типы, обладающие свойствами быстрого впитывания чернил (extra-adsorbent paper) без их проявления на просвет [1].

Таким способом может выбрасываться до миллиона капель в секунду. Их размеры зависят от геометрической формы сопел-распылителей и составляют всего лишь несколько микрон, а скорость, с которой они долетают до бумаги, достигает 40 м/с. Речь идет о струйных принтерах, работающих по вышеназванным принципам непрерывного распыления красителя или печати под высоким давлением. Эти принтеры способны маркировать и наносить коды практически на все поверхности и предметы. Они в состоянии распылять подавляющее большинство видов жидкостей: чернила, лак, масла и даже клеящие вещества и смолы.

Благодаря высокой скорости полета капель допускается использовать поверхности с сильными неровностями и в зависимости от требований к качеству печати размещать их на расстоянии 1-2 см от сопла-распылителя. В результате можно наносить маркировку, например данные о сроке годности товара, на картонные коробки, бутылки, консервные банки, яйца или кабели. Эту технологию печати нетрудно узнать по точкам, кажущимся неравномерными и как бы обтрепанными [15].

Первый удачный монохромный струйный принтер Thinkjet фирмы Hewlett-Packard преодолел основную массу технологических проблем и обеспечил при высоком качестве печати и разрешении, близком к игольчатым печатающим устройствам, скорость печати до 150 символов в минуту. По сравнению с основными конкурентами тех лет - игольчатыми печатающими устройствами, резко снизился уровень шума при печати. Современные струйные принтеры для массового применения, как правило, имеют разрешающую способность на уровне 300-360 или 300х600 точек на дюйм, могут печатать с удовлетворительным качеством на обычной бумаге и с высоким качеством (приближающимся к печати на лазерном принтере) - на специальной бумаге. Типовое быстродействие при печати текстов составляет 50-160 знаков в минуту, а графики - 0.5-4 листа в минуту.

Распространены струйные печатающие устройства фирм Hewlett-Packard, Epson, Apple, Brother, Lexmark, Texas Instruments, CalComp и других. Удельная стоимость печати струйных принтеров составляет около 5 центов на лист формата А4, а цена самих принтеров является средней между ценами на матричные и лазерные принтеры. Фактически, имея цену на 150-200 долларов ниже, чем у лазерных аппаратов, и качество, приближающееся к ним, семейство струйных принтеров устойчиво увеличивает свою долю на рынке, чему способствует и их активная реклама. Струйные принтеры практически бесшумны и весьма универсальны (особенно аппараты с опцией цветной печати), цена их постоянно снижается, а качество печати улучшается.

Первые заявки на регистрацию изобретения систем струйной печати с исполнительными пьезоэлектрическими механизмами были поданы в 1970 и 1971 гг. На протяжении нескольких лет различные фирмы и институты проводили фундаментальные исследования, пока, наконец, компании Siemens не удалось облечь этот принцип в приемлемую для рынка форму. В 1977 г. был продемонстрирован первый струйный принтер с дозированным выбросом красителя. Этот принтер, оснащенный двенадцатью соплами-распылителями и печатающий почти бесшумно со скоростью 270 символов в секунду, произвел революцию даже в кругах специалистов.

Siemens в качестве электромеханического преобразователя использовала пьезоэлектрическую трубочку, вмонтированную в канал из литьевой смолы. Все каналы заканчиваются пластиной с калиброванными отверстиями для распыления, расположенной на передней стороне устройства. Передача электроэнергии и красителя производится исключительно посредством колебаний давления, распространяющихся в канале в соответствии с законами акустики. Колебания, достигающие конца канала, отражаются там с инверсией фазы, т.е. в этом месте колебание с пониженным давлением и наоборот.

В начале 1985 г. компания Epson представила первый из своих пьезопланарных струйных принтеров - SQ-200 современный SQ-870/1170, его преемник, работает примерно по тому же принципу.

Вместо пьезоэлектрических трубочек, как у Siemens, на печатающих головках Epson, выполненных из структурированных стеклянных пластинок, укреплены небольшие пьезопластинки. Если к ним приложить электрическое напряжение, их диаметр чуть-чуть изменится, но и этого будет достаточно, чтобы они согнулись вместе с пассивной многослойной стеклянной подложкой подобно биметаллической пластине, что приведет к возникновению в канале красителя выталкиваются тем же способом, что и в печатающих головках с пьезотрубочками [24].

В 1987 г. компания Dataproducts предложила другой принцип использования пьезоэлектриков для струйной печати, основанный на применении пластинчатого пьезопреобразователя. В последующие годы этот метод оставался сравнительно малоизвестным (причем не столько из-за конструкции на базе преобразователя, сколько из-за жидких восковых чернил, которые применялись во всех струйных принтерах с пластинчатым пьезопреобразователем производства Epson), пока не появилась модель Stylus 800.

Согласно этом у методу пьезопреобразователь, представляющий собой длинную плоскую пластинку (ламель), размещается позади небольшого резервуара с красителем. При воздействии на ламель импульсов напряжения ее длина немного меняется, что приводит к всплескам давления внутри резервуара, которые, в свою очередь, выталкивают капли из сопла-распылителя.

Пластинчатые пьезопреобазователи сочетают в себе преимущества как плоских, так и трубчатых систем высокую частоту распыления и компактную конструкцию. Сегодня на печатающие головки с пьезоламелями делают ставку такие фирмы, как Dataproduts, Tektronix и Epson [8].

В начале 1994 года Epson продемонстрировал пьезотехнологию MACH (Multilayer Actuator Head - головка с многоуровневым исполнительных механизмом) в своем новом струйном принтере модели Stylus 800. Тем не менее, и в пьезоэлектрических печатающих головках MACH-головках применяются пьезоламели. Правда, компании Epson удалось изготовить пьезоламели одного ряда сопел-распылителей в едином блоке (Multilayer). Таким образом, оказалось возможным еще уменьшить размеры печатающей головки, разместить преобразователи, каналы и сопла-распылители с дистанцией всего лишь в 140 нм и одновременно снизить производственные расходы.

Позже появились печатающие устройства с исполнительными термографическими механизмами [12]. В чем же революционность этой технологии? Как часто бывает в подобных случаях, достижением стало сокращение производственных расходов. Если пьезоэлектрические печатающие механизмы приходилось с большим или меньшим трудом собирать из множества отдельных деталей, то пузырьково-струйные печатающие головки, представляющие собой кристаллы на кремниевых подложках (за исключением подложек Thinkjet, сделанных из стекла), изготавливались по тонкослойной технологии сотнями.

При тонкослойной технологии применяются в принципе те же производственные процессы, что и при изготовлении интегральных схем. Каналы подачи красителя, сопла-распылители, исполнительные механизмы и токоподводящие шины возникают при поочередном нанесении слоев на подложки, например способом ионно-лучевого напыления, и последующем структурировании этих слоев.

Таким образом, по завершении процесса производства, насчитывающего более сотни шагов, на одной подложке появляется очень много термопечатающих элементов. Все структуры должны быть выполнены с точностью до тысячной доли миллиметра. Кроме того, малейшее загрязнение при производстве приводит к отказу. По этой причине пузырьково-струйные печатающие элементы изготавливаются в чистых помещениях и с применением машин, типичных для полупроводниковой промышленности.

Очевидно, что при одновременной обработке многих миниатюрных элементов на одной подложке расходы на изготовление резко снижаются, хотя уровень инвестиций в чистые производственные помещения и станки высок. Затраты на струйно-пузырьковые печатающие элементы зависят не от количества сопел-распылителей или разрешения печати, а только от вида поверхности кристалла, а также от числа и характера процессов. Следовательно, печатающая головка, рассчитанная на разрешение 400 точек/дюйм, с 64 распылителями не должна стоить дороже, чем головка с 24 распылителями и разрешением 180 точек/дюйм.

Поскольку головки струйно-пузырьковой термопечати изготавливаются по тому же принципу, что и интегральные микросхемы, напрашивается мысль об интеграции последних в печатающие кристаллы. И первый шаг в этом направлении сделала фирма Canon, встроив в печатающие головки своих принтеров BJ-10e и CLC-10 транзисторную матрицу. Примеру Canon последовала компания Xerox, выпустившая в 1993 году модель пузырьково-струйного принтера с головкой, оборудованной 128 распылителями, и полностью интегрированным последовательно-параллельным преобразователем.

Функционирование пузырьково-струйного сопла-распылителя заключается в следующем. Сначала сильный импульс напряжения длительностью 3-7 мкс подается на крохотный нагревательный элемент, который мгновенно накаляется до 500 гр. Цельсия. На его поверхности температура превышает 300 гр. Цельсия. Мощность нагрева поверхности настолько велика, что при увеличении длительности импульса напряжения всего лишь на несколько микросекунд нагревательный элемент моментально бы разрушился.

Сразу же в тонкой пленке над нагревательным элементом начинают кипеть чернила, и через 15 мкс образуется закрытый пузырек пара высокого давления (до 10 бар). Он выталкивает каплю чернил из сопла-распылителя, при чем скорость полета капли достигает 10 м/с и более. Через 40 мкс пузырек, соединившись с атмосферой, опять опадает, однако пройдет еще 200 мкс, пока новые чернила под действием капиллярных сил не будут засосаны из резервуара .

С самого начала пузырьково-струйные печатающие головки делились на две группы. Компания Canon, изобретатель системы, предпочла вариант Edlgeshooter. Почти одновременно фирма Hewlett-Packard разработала головку типа Sidechooter, которую теперь изготавливает и компания Olivetti.

Головка Edgeshooter, как становится ясно уже из названия, разбрызгивает чернильные капли "за угол", т.е. перпендикулярно к направлению образования пузырьков. В головке Sideshooter, где пластина с соплами-распылителями находится поверх нагревательных элементов и каналов подачи чернил, пузырьки и капли движутся в одном направлении. Поскольку края сопел-распылителей в головках типа Sideshooter сделаны из однородного, а не из различных материалов, как в Edgeshooter, процесс изготовления распылителей с отверстиями определенного размера для Sideshooter значительно проще, чем для головок Edgeshooter. Кроме того, приходится учитывать неодинаковое смачивание разнородной поверхности головки Edgeshooter.

С другой стороны, при прямом распылении красителя для сопел требуется более обширная поверхность, что может доставить неприятности, в частности, создателям будущих систем печати с большим количеством распылителей и повышенным разрешением. Вдобавок чернила, с силой, ударяющиеся о поверхность нагревательного элемента после падения пузырька пара, рано или поздно вызовут ее повреждение вследствие кавитации. Возможно, по этой причине способ прямого распыления до сих пор использовался только в сменных печатающих головках с ограниченным сроком службы [3].

Требования к качеству чернил для любой системы струйной термопечати очень высоки, значительно выше, чем пьезосистемах. Принцип функционирования и высокие температуры обусловливают применение только смешанных растворимых красителей на водяной основе.

Красители должны соответствовать целому ряду требований [5]:

- быть совместными с материалами, из которых сделан печатающий механизм;

- не образовывать отложений в каналах и распылителях, а также не расслаиваться;

- храниться в течение длительного времени;

- обладать определенными показателями плотности, вязкости и поверхностного натяжения при температурах от 10 до 40 гр. Цельсия;

- ну, служить питательной средой для образования бактерий и водорослей;

- не содержать ядовитых или канцерогенных веществ и не возгораться.

К тому же красители для струйной термопечати должны образовывать пузырьки пара без отложения осадков и выдерживать кратковременное нагревание до 350 гр. Цельсия.

В процессе своего развития струйные модели довольно быстро повысили качество печати и, что самое главное - научились печатать в цвете. Это окончательно покорило сердца пользователей и привело к тому, что за десять лет струйные модели в классе SOHO SOHO - (Small office home office) Класс техники для дома и малого офиса. стали основными и завоевали более 80% рынка [10].

Чтобы представить себе, насколько быстрым было их развитие, можно сравнить первую модель с типичной современной. Сегодня струйный принтер обладает очень высоким качеством печати черного текста и цветной графики. Разрешение исчисляется тысячами точек на дюйм: рекорд Canon - 2400х1200 dpi, рекорд Epson - 2880х1440 dpi, рекорд Lexmark - 3600x1200 dpi. У Hewlett-Packard принтеры еще три года назад достигли разрешения 2400х1200 dpi, а в этом году появилась линейка с режимом оптимизации до 4800 dpi (это значит, что такое разрешение достижимо только на особо качественной фотобумаге с полимерным покрытием).

Но, в принципе, все это не столь важно - ведь количество точек на каждом дюйме уже перестало играть определяющую роль, и практически у всех производителей есть свои уникальные технологии повышения качества печати. Прежде всего, это способы создания точек разного размера: мельчайших, от 2-5 пиколитров, для прорисовки тонких элементов изображения (рекордно малую каплю в 2 пиколитра дает принтер Epson Stylus Photo 950), и более крупных, для быстрой заливки больших площадей. Далее, это оптимальный подбор цветов - смешивание чернил разного цвета с точных пропорциях (наиболее известной технологией является Hewlett-Packard Photo REt). И, конечно, математические фильтры, устраняющие дефекты изображения. Например, при невысоком разрешении исходной картинки ее линии выделяются фильтрами, интерполируются и сглаживаются для увеличения резкости (так называемый эффект SmartFokus); при затемнении основного объекта часть изображения может быть автоматически подсвечена (эффект виртуальной вспышки) и т.д.

Не последнюю роль играют способы получения капель, скорость их выстреливания и количество дюз в печатной головке. Все вместе это приводит к увеличению общей скорости, и современные струйные модели печатают практически так же быстро, как лазерные принтеры начального и среднего уровня. Правда, при этом они лишились козыря, которым они обладали изначально - бесшумной работы.

Большинство моделей стоимостью от 100 долларов могут похвастаться очень высоким уровнем печати фотографий на специальной фотобумаге, на специальной мелованной и даже на простой бумаге. Пожалуй, струйная фотопечать на бумаге с полимерным покрытием дает лучшее качество, на которое в принципе способны принтеры. Но при печати на обычной бумаге струйные принтеры все-таки проигрывают цветным лазерным моделям (чернила проникают в поры бумаги и ложатся не так четко, как твердый краситель). Определённым исключением здесь являются модели Canon с так называемым оптимизатором чернил. Это прозрачный полимер, который наносится на бумагу вместе с чернилами и, фактически, превращает любую бумагу в фотографическую. Но этот подход не получил широкого распространения и используется только в моделях бизнес-класса.

К основным минусам струйных принтеров можно отнести относительно высокую стоимость печати - она в два-три раза выше, чем у лазерных моделей. При небольших объемах вывода это не страшно и по карману пользователя бьет не сильно. Но если приходится печатать по нескольку десятков страниц в день, имеет смысл вооружиться калькулятором и подсчитать - не выгоднее ли купить модель подороже (у более дорогих моделей цена печати листа ниже), или не заменить ли струйник на цветной лазерник (в последнее время появились цветные лазерные модели стоимостью до 1300 долларов)?

При окончательном выборе струйного принтера стоит провести мини-тестирование. Сначала необходимо оценить скорость и качество печати в нормальном режиме. Здесь не следует полагаться на цифры из технического описания, лучше взять типовой текстовый документ и вывести на печать две-три страницы. Это даст гораздо лучшую характеристику, чем отрешенные от действительности «до 18-ти страниц в минуту» [24].

Подобный же тест можно провести и в экономичном режиме. В нем чернила экономятся за счет осветления изображения и/или путем понижения разрешения. Очень часто символы при этом становятся «щербатыми», или появляются искажения вроде излома символов (как будто строку сместили в тот момент, когда печаталась ее середина).

Отдельно можно проверить улучшенные режимы. Их, как правило, бывает несколько. У принтеров Lexmark их два, они прямо называются «Улучшенное» (качество) и «Наилучшее» и доступны на основной странице драйвера. У принтеров Hewlett-Packard также на основной странице доступен режим «Best», а у моделей Canon и Epson приходится переходить в пользовательские настройки. В драйверах Epson можно выбирать уровень качества из ряда «Normal - 360 dpi», «Fine - 360 dpi», «Photo - 720 dpi», «Photo - 1440 dpi» и «Photo - 2880 dpi». У моделей Canon в пользовательских настройках просто заданы пять уровней качества по счету - первый, второй и т.д.

Разумеется, странно говорить о полном совпадении линеек качества у разных производителей. Но о примерном соответствии судить все же можно. Тест цветной графики можно провести, выведя на печать типовую презентацию MS PowerPoint. Для этого, конечно, не обязательно выбирать высшее качество. А вот для проверки печати фотографии лучше задать именно его. Причем самый высокий уровень определяется не только степенью качества, но и типом бумаги. Разумеется, при печати на фотобумаге с полимерным покрытием принтер постарается показать все, на что он способен.