Струйная печатная машина

Струйная ЦПМ и ее сердце, печатающая головка

«Печатная»

Понятие печатной машины в вынесенном в заголовок выражении ещё более размыто. В узком смысле печатная машина — устройство, создающее на материале стабильное изображение, то есть сохраняющееся долгое время после окончания процесса печати и удаления материала от машины. То есть печатным устройством не является не только ЖК-монитор, но и e-ink-экран, хотя последний может быть оформлен как ценник в магазине, трудно отличимый от напечатанного.

E-ink — не печать и не чернила, хоть и похожи

Напротив, термопринтер или лазер для нанесения маркировки под определение печатного устройства, видимо, подходят. А если наносится блинтовое тиснение? Перфорация? Уже не так очевидно. Впрочем, большинство печатных устройств наносят что-то на запечатываемый материал. Если это «что-то» краска, то перед нами несомненное устройство печати. Фольга и прозрачный лак, наверное, тоже. Хотя принято относить их к отделке, облагораживанию, а не к печати. Ну и это печать в узком смысле. А в широком — есть 3D-печать, печать пищи, живой кожи для пересадки и пр.

Специализированная однокрасочная машина для печати по дорожному полотну в действии. Кадр из фильма «Субботний вечер» Резо Габриадзе, 1975 г

«Струйная»

Ну а теперь самое интересное. Струйная — inkjet — машина, в которой из жидких чернил формируют струи. Эти струи, достигая запечатываемого материала, создают требуемое изображение: видимое, тактильное, отличающееся электрической проводимостью и пр.

Так как почти всегда печатных элементов очень много, формируется не одна струя, а множество, тысячи одновременно. Устройство, формирующее такие струи, называется струйной печатающей головкой и является сердцем струйной печатной машины. Современные струйные печатающие головки — чрезвычайно высокотехнологичные микромеханические устройства, подобные микроэлектронике настолько, что в ряде случаев выпускаются по сходным технологиям. Пример — головки Epson, производимые методом фотолитографии из кремния.

По методу формирования «струи» существует два варианта: непрерывное истечение и «капля по требованию». В первом варианте форсунка (она же сопло) постоянно выбрасывает чернила. В полёте под действием сил поверхностного натяжения они разделяются на капли, некоторые из которых затем каким-то образом отклоняют (и обычно отправляют на повторное использование), а некоторым позволяют достичь запечатываемого материала. Методов отклонения несколько, чаще всего струя несёт электрический заряд и капли отклоняются электрическим полем.

Схема CIJ головки

Непрерывное истечение позволяет достичь очень высоких скоростей печати, например, для Kodak Prosper 7000 Turbo Press, самого быстрого устройства струйной печати на рынке, максимальная скорость печати составляет 410 м/мин. В целом в струйной печати CIJ головки имеют репутацию самых долгоживущих и самых дорогих.

Сборка из печатающих головок Kodak

Капля по требованию

Второй вариант, капля по требованию, DoD или Drop on Dеmand, нашёл гораздо более широкое применение, так как лучше подходит для много меньших скоростей, хотя справляется и с очень большими.

Схема DoD головки — слева термальной, справа пьезоэлектрической

Идея, закреплённая в названии, в том, что капля выбрасывается из форсунки, только когда это нужно — по требованию. В реальности всё немного сложнее и современные головки обычно способны формировать капли разного размера — так называемый multidrop. Для этого форсунка с очень малым интервалом выбрасывает две и более капли, которые в полёте сливаются, так как первая испытывает большее торможение из-за трения о воздух. Если же между соседними каплями выдержать достаточный интервал, капли не сливаются и каждая достигает своего места в запечатываемом материале.

Применяется два способа вытеснения капли из форсунки. В термальной технологии нагреватель испаряет микроскопическое количество краски и пар выталкивает каплю. В пьезоэлектрическом — пьезоэлемент уменьшает объём чернильной камеры и капля выталкивается из сопла.

Струйная головка

Как уже говорилось, струйная головка — сложное высокотехнологичное устройство. Она состоит из управляющей электроники, непростой гидравлики и микромеханического чипа с форсунками. Но детали её устройства хотя и интересны, но при практике эксплуатации ЦПМ не столь важны. Поэтому автор откажется от соблазна углубиться в детали. Что важно на практике — является ли головка расходным материалом или на неё распространяется гарантия и какая? Как связана эта гарантия с используемыми чернилами? Можно ли купить головки на замену на открытом рынке или они жёстко огорожены производителем ЦПМ? Видно, что всё это скорее коммерческие, чем технические вопросы и разобраться в них стоит ещё при выборе машины, до покупки.

Термальная

Возвращаясь к технике, оба варианта, и термальный, и пьезо, имеют свои достоинства и недостатки, поэтому сосуществуют. Термальные головки много проще, дешевле (сотни и десятки долларов в зависимости от модели) и позволяют получить физическое разрешение до 2400 dpi (впрочем, о степени лукавости цифр струйных разрешений мы еще поговорим). Но они по самому принципу действия могут работать только с чернилами на водной основе. И термальные головки гораздо менее долгоживущие, чем пьезо. В результате самые дешёвые устройства струйной печати, начиная от бытовых, — царство термальных головок. Однако на термальных головках могут работать и очень высокопроизводительные ЦПМ. Например, HP PageWide T1190 Press достигает скорости печати 305 м/мин при ширине печати 2,8 м.

Что значит «гораздо менее долгоживущие»? Самые бюджетные головки выполняются единым блоком со струйным картриджем, то есть их ресурс — пропустить через себя всего лишь десятки миллилитров чернил. Для головки HP PageWide, одной из самых распространённых спецификаций, можно видеть в сети упоминание ресурса в 32 литра. А вот срок исчерпания этого ресурса зависит от применяемого устройства. В настольном принтере головка легко проработает весь срок эксплуатации устройства. А в циклопическом HP PageWide T Press печатающие головки с теми же чипами — ежедневно заменяемый расходный материал.

Термальные головки для ЦПМ выпускает прежде всего HP. Гораздо реже в спецификациях можно видеть головки MemJet. Но интересно, что их не использует ни один сколь-нибудь известный западный производитель ЦПМ. Одно время Konica Minolta решила стать исключением и с немалой помпой выпустила небольшой гофро-принтер на их основе. А затем без лишнего шума перешла на головки HP. В бытовом и SOHO-сегменте термальные головки производит множество производителей.

Пьезо

Пьезоэлектрические головки стоят порядка нескольких тысяч долларов, поэтому не могут использоваться в совсем дешёвых устройствах. Их ресурс и цена — грубо — во столько же раз выше, чем ресурс и цена сравнимых термальных. Даже в высоконагруженных машинах промышленные пьезо-головки работают годами. Более того, головка лучше и дольше работает, когда загружена постоянно, а не в старт стоп режиме. Являются ли они при этом расходным материалом, быстроизнашивающейся частью или стандартной запчастью, на которую распространяется та же гарантия, что и на остальные узлы, — зависит не от техники, а от маркетинга производителя ЦПМ.

Пьезоголовки могут использоваться для различных типов чернил: на водной основе, УФ, латексных, сольвентных. Разные чернила имеют очень разную вязкость, это их основное отличие с точки зрения головки. Некоторые модели головок предназначены для определённых типов чернил, некоторые достаточно универсальны. Существуют специализированные головки, предназначенные для специальных чернил, например для печати керамики, но мы оставим эту тему за кадром. Вязкость, ключевое свойство чернил, влияющее на их истечение, а значит, на цвет, сильно зависит температуры чернил. Разные производители головок и ЦПМ подходят к вопросу по-разному. У кого-то поддержание рабочей температуры чернил обеспечивает головка, у кого-то — внешние по отношению к ней узлы ЦПМ, кто-то проблему игнорирует.

Пьезо-головки для ЦПМ выпускает множество производителей. Для производительных ЦПМ наиболее распространены головки Kyocera, Epson и Fujifilm. Они используются для печати окрашенными чернилами. Для нанесения лака широко используются головки Ricoh, а также Seiko и Xaar. Разница между «красочным» и «лаковым» использованием головок в том, что краску обычно наносят небольшими каплями, 2–3 пиколитра. А лака может понадобиться толстый слой, и капли достигают объёма десятков пиколитров. Впрочем, жёсткой границы нет, так как большинство головок способны создавать капли разного размера. Кроме упомянутых используются головки множества других производителей. Особенно разнообразен в плане используемых головок рынок широкоформатки.

Разрешение струйной головки

Самый широко используемый параметр в струйной печати — разрешение. Например 1200 dpi или 600×600 dpi. И, надо признаться, красивые цифры мало о чём говорят.

Архивная иллюстрация роли формы пятна при выводе форм офсетной печати в аппарате CtP

Лет 10 назад в деле вывода пластин для офсетной печати в самом разгаре была «Битва при квадратной точке». Апологеты последней доказывали, что мягкое круглое пятно диаметром ~15 мкм рисует растровую точку хуже, чем жёсткий квадрат со стороной 10 мкм.

Для экспериментальной и численной демонстрации разницы был предложен простой тест. Если система способна вывести шахматную клетку, уложив в дюйм X клеток — то её разрешение X dpi, например 2400 dpi или 1200 dpi. Одни CtP справлялись с этой задачей, другие нет, например, вместо ожидаемых 2400 можно было получить что-то вроде 1800.

Но это лазером на форме. А если применить этот тест к струйной печати — сумеет ли машина с заявленным разрешением, скажем, 1200 dpi, воспроизвести шахматную клетку с 1200 клеток на дюйм? И близко нет. Основная причина — капли от сопла к бумаге летят не строго параллельно, а отклоняются. В результате получить в струйной печати классическую растровую розетку линиатурой 150 lpi, состоящую из растровых точек, не удаётся. Но на практике это и не нужно. Струйная печать естественным образом реализует стохастическое растрирование, со всеми его преимуществами, с трудом доступное в офсетной печати. За счёт этого полутоновые картинки получаются хорошо, а мелкие шрифты более-менее удачно воспроизводятся уже на струйном разрешении 600 dpi.

Струйный отпечаток под микроскопом

Таким образом, значение термина «разрешение» в формном процессе офсетной печати и в струйной печати разное. В офсете значение классическое — число не сливающихся точек на единицу длины. В струйной — число точек, которые можно нанести на единицу длины. Почувствуйте разницу:) В струйной печати обычно приводят два разрешения — поперёк и вдоль направления сканирования, например 600×600 dpi или 600×1200 dpi. В такой нотации первая цифра соответствует числу капель на дюйм, которые головка может нанести поперёк направления движения относительного движения бумаги и головки, а вторая — вдоль.

Первая цифра задана конструкцией головки. Например, на рисунке изображена популярная головка Samba G3L (3 штуки) и схематически сопла двух прилегающих головок

Головки Fujifilm Samba G3L

Одиночная головка Samba G3L имеет две полосы сопел, 64 ряда, 2 группы по 15 наклонных строк — всего 64 × 2 × 16 = 2048 сопел. Ширина головки 1,7 дюйма, или 43 мм, что даёт 1200 dpi в исходном (native) режиме или 600 dpi в режиме с дублированием (redundant). На практике чаще используется последний, так как индивидуальные сопла со временем забиваются и дублирование — простой способ избежать белых прострелов.

Одного взгляда на подобную конструкцию достаточно, чтобы понять — о воспроизведении шахматного поля и на 1200 клеток на дюйм, и на 600 и речи нет. 1200 значит просто то, что на дюйм длины можно нанести до 1200 капель. А уж сольются они в кляксу или будут четко разрешаться — это проблемы индейцев, шерифа не волнующие. Но, еще раз, за счёт стохастического растрирования, естественно присущего струйной печати, в целом получается вполне продаваемое качество печати.

Вторая величина — число капель вдоль движения. И, очевидно, оно зависит от частоты выброса капель и скорости взаимного движения бумаги и головки. Понятно, вдвое уменьшив скорость, можно удвоить это разрешение, увеличив — уменьшить.

Впрочем, на качество изображения подобные игры влияют не сильно. Гораздо важнее при передаче тонких деталей — размер минимальной капли. Потому что вовсе не лукавое струйное разрешение проводит границу между слившимися в кляксу и индивидуально различимыми точками. А размер точек и капель. Например, капля 3 пиколитра соответсвует шару диаметром ~15,6 мкм и, достигнув запечатываемого материала, оставляет пятно диаметром 35–75 мкм. Для сравнения, толщина человеческого волоса — около 80 мкм.

Чернила

С коммерческой стороны для владельца струйной ЦПМ чернила наиболее важны. Во-первых, на них за время эксплуатации легко уйдёт больше денег, чем на железо и софт, вместе взятые. Во-вторых, железо в очень большой степени задано производителем, а чернила в принципе можно поменять. В-третьих, такая замена при неудачном выборе грозит выходом из строя всех головок, а это колоссальные деньги, в ряде случаев сравнимые со стоимостью всей ЦПМ. По этим же причинам чернила очень важны для производителя. И многие из них используют и кнут, и пряник, чтобы удержать клиента на своих расходных материалах. Наиболее распространена практика увязывания гарантии на головки с использованием родных чернил. Можно встретить и жёсткую привязку к расходным. Недавно подобная инициатива со стороны HP для настольных принтеров вылилась в большой скандал и судебное разбирательство. Хотя по результатам HP буквально вышла сухой из воды, в обмен на обязательства сделать привязку добровольной.

Возвращаясь к использованию неродных чернил, можно вспомнить также о практике серьёзных производителей также по желанию заказчика обеспечивать гарантию на головки. Да, цена литра возрастает. Но у клиента появляется уверенность в том, что поставщик кровно заинтересован в том, чтобы машина работала, а головки не забивались.

С технической точки зрения чернила делятся прежде всего по составу жидкости, содержащиЕ краситель. В промышленной высокоскоростной цифровой полиграфии применяются два типа чернил — УФ-отверждения и на водной основе. Для широкоформатных принтеров популярны УФ, латексные и (эко)сольвентные. Мы не будем здесь их подробно рассматривать — нельзя объять необъятное. Принтеры небольшой производительности чаще всего используют чернила на водной основе.

УФ-чернила

Под УФ-чернилами без дальнейшего уточнения понимают гораздо более распространённые УФ-чернила радикальной полимеризации. Они ярче, устойчивы к атмосферным воздействиям, не впитываются, а закрепляются на поверхности носителя, поэтому пригодны для нанесения почти на любой носитель (кроме пористых, например, бумага для винной этикетки обычно требует праймирования). С другой стороны, в состав УФ чернил входит, мягко говоря, малополезная химия — непрореагировавшие моно- и олигомеры. Практически все струйные ЦПМ для производства этикетки работают на УФ-чернилах.

Цены на промышленные партии (десятки литров) на такие чернила в России — порядка $70–100 за литр, больше или меньше в зависимости от марки и качества. Существует также УФ-чернила и краски катионной полимеризации. Они содержат настолько меньше вредных химических соединений, что производители могут рекомендовать их для производства пищевой упаковки. Но популярность чернил и красок катионного УФ-отверждения невысока. Причины: дороговизна и достаточно долгая сушка (радикальные УФ-чернила схватываются мгновенно). Вместо этого на практике для снижения запаха и вредоносности иногда используются модификация УФ — так называемые чернила низкой миграции (low migration) и УФ-сушка в камере в бескислородной среде. Чернила низкой миграции дороже обычных, менее яркие, требуют более дорогого оборудования, не допускают попеременного использования с обычными. Всё это привело к тому, что в России они почти не применяются, а скорее, не применяются вообще.

Существует также вариант УФ-чернил, в которые при производстве добавили воды. С точки зрения автора это чисто маркетинговая уловка, призванная ввести в заблуждение клиента. Ведь и фотоинициаторы и моно/олигомеры остаются, просто их несколько меньше. Впрочем, особой популярности в России такие чернила также не сыскали.

Чернила на водной основе

Главное достоинство чернил на водной основе — безопасность и экологичность. В составе вода и безопасные пигменты. Плюс небольшое количество присадок, которые также можно подобрать из безвредных. Так как львиная доля печати это пищевая упаковка, корма для животных и пр., преимущество это важное. Эти чернила дешевле УФ, так как вместо достаточно дорогой смеси моно/олигомеров используется вода. А ещё более дорогих фотоинициаторов в них нет вообще. Цены на такие чернила в России — порядка $20–30 за литр, больше или меньше в зависимости от марки и качества, если покупка идёт привычными для большой цифровой полиграфии 5-литровыми канистрами. Упакованные в картриджи чернила могут стоить сколько угодно, хоть дороже золота.

В англоязычной практике чётко противопоставляются два варианта водных чернил — dye и pigment. Это можно привести как чернила на основе красителей и на основе пигментов, но проблема в том, что в русском пигмент и краситель — полные синонимы. А вот dye и pigment — нет. Dye, краситель — это растворённый в воде, почти всегда органический краситель. Pigment, пигмент — порошок, обычно, но не всегда, неорганического пигмента, взвешенный в воде (суспензия). Разница в том, что чернила на красителях заметно дороже, ярче и гораздо менее устойчивы к атмосферным воздействиям. Поэтому в высокопроизводительной полиграфии гораздо популярнее чернила пигментные.

Водные чернила, в противоположность УФ, плохо ложатся на подготовленную полимерную поверхность (требуется обязательное праймирование), но хорошо закрепляются на пористой поверхности бумаги и картона. Впрочем, в этом случае праймирование также может использоваться — чтобы краска оставалась на поверхности и работала, а не уходила бесполезно в слой бумаги.

Высокопроизводительные струйные ЦПМ, работающие на бумаге (книги, листовки и пр.), используют водные чернила. ЦПМ по картону и гофрокартону, изготавливающие упаковку, — чаще водные, хотя есть примеры и мощных систем на УФ-чернилах. Гибкая упаковка, выполненная струйной печатью, и в России и в мире — пока экзотика. Дело в том, что УФ-краски для неё малопригодны из-за химического состава и проблем с ламинацией. А водные требуют праймирования и сушки. Но сушить полимерную плёнку при высокой температуре нельзя, так что машины получаются громоздкие и дорогие. И они не могут толком конкурировать в гибкой упаковке с HP Indigo.

Конструктивная схема машины

Влезать в этой теме в детали — значит замахнуться на энциклопедический труд. Струйных принтеров и ЦПМ огромное множество, они решают разные задачи и отличаются примечательным разнообразием. Но у всех них есть общее — при печати головка и запечатываемый материал должны равномерно двигаться относительно друг друга. Это открывает две возможности: головка движется, бумага покоится, и наоборот.

Многопроходная

Системы с подвижной головкой особенно распространены, так как они больше подходят для не слишком больших бюджетов. Всё же головка — достаточно дорогой компонент и её в этой схеме можно сделать маленькой и гонять по запечатываемому полю много раз. Соответственно схема называется многопроходной. Да, привод сложнее, но в современных реалиях удешевление головки важнее. Помимо удешевления, многопроходная схема позволяет выбирать разные режимы печати, задавая разрешение и вдоль направления движения головки (меняя скорость) и поперёк (печатая следующую полосу со сдвигом 1, 1/2, 1/4 и т.п. ширины полосы). При этом некоторые заявляют о получении совершенно бредовых цифр разрешения. Например, если головка между проходами сдвигается на 1/8 своей ширины, то есть проходит полосу 8 раз, и имеет физическое разрешение 600 dpi, то, по мнению производителя такой системы её разрешение 600 × 8 = 4800 dpi. В 100 более дорогая специализированная техника для изготовления банкнот, видимо, нервно кусает губы. (На самом деле нет, так как для банкнот нужно реально высокое разрешение, а не выдуманное.) Но, хотя, например, восемь проходов поднимают разрешение печати далеко не в восемь раз, рост качества всё же заметный. А суммарное количество краски, которое система может налить, растёт как раз пропорционально числу проходов. Поэтому смысл в такой технологии точно есть. Черновая печать макета может вестись в один проход, нетребовательные заказы печатать в два, а высшее качество — на максимуме.

Однопроходная

Идея однопроходной струйной ЦПМ — сделать головку на всю ширину запечатываемого материала и протягивать его под ней. Схема резко упрощается. Кроме того, доступны в разы более высокие скорости печати. Поэтому когда-то по такой схеме строились лишь очень дорогие и высокопроизводительные системы. Это и сейчас так. Самая большая струйная ЦПМ в России имеет ширину 2,5 м и скорость печати до 100 м в минуту. Самые быстрые в мире, от Kodak и HP, 300+ и 400+ м/мин уже упоминались. Конечно, все они однопроходные. Практически исключительно по однопроходной схеме работают струйные ЦПМ для печати этикетки и ЦПМ для её облагораживания.

Однако около 10 лет назад были коммерциализированы достаточно дешёвые для использования в МФУ и даже в настольных принтерах термальные головки на всю ширину материала, в этом случае порядка 210 мм — ширина формата A4. Дальнейшее развитие техники позволило сделать на этой базе однопроходные настольные гофропринтеры. Автору до сих пор непонятно, как владельцы этих систем окупают их с учётом долговечности головок. Но критерий истины, как учили классики, — практика.

В заключение

Тема струйной печати поистине необъятна. Чтобы описать её в одной статье, пришлось нещадно сокращать и упрощать. Автор надеется, что работа была проделана не бесполезная. Даже если одним из её результатов станет конструктивная критика.