Głowice i systemy inkjet stosowane do personalizacji druków. Najnowsze wysoko wydajne rozwiązania.

Drukarki inkjetowe stosowane do personalizacji dzielą się na działające w technologii druku przerywanego (drop-on-demand) i ciągłego (continous inkjet). Każdy z nich ma swoje wady, ale także zalety. Nad każdą z nich toczą się także intensywne prace rozwojowe, których skutki są naprawdę imponujące.

Rainer Kuessel

Warto zatem bliżej przyjrzeć się i porównać obecne możliwości technologiczne, dostępne na rynku dla zainteresowanych produkcją personalizowaną.

Stosowane technologie

Pierwszą z nich jest tryb przerywany (DoD – Drop on Demand). Pracujące w nim urządzenia są wyposażone w głowice termiczne lub piezoelektryczne.

Większość drukarek atramentowych z głowicami termicznymi (TIJ – Thermal Inkjet) wykorzystuje matrycę drukującą zbudowaną z szeregu bardzo małych, podgrzewanych elektrycznie komór, wykonanych za pomocą fotolitografii. W celu utworzenia obrazu, drukarka kieruje impuls elektryczny do elementów grzewczych, powodując gwałtowne powstanie pary w komorze, a w rezultacie utworzenie pęcherzyka gazu, który wypycha kropelkę atramentu na papier (takie jest pochodzenie zastrzeżonej przez firmę Canon nazwy handlowej jej drukarek atramentowych – Bubblejet). Napięcie powierzchniowe atramentu, a także kondensacja, a zatem zmniejszenie objętości pęcherzyka pary, powoduje zassanie kolejnego ładunku atramentu do komory za pośrednictwem cienkiego kanalika prowadzącego do zbiorniczka atramentu. Do takiego druku używany jest atrament wodny (pigmenty lub barwniki są rozproszone w wodzie), a koszt wykonania głowicy drukującej jest generalnie niższy niż w przypadku innych technologii atramentowych.

Wśród zalet głowic termicznych należy wymienić: niski koszt sprzętu, znakomitą jakość obrazu oraz szybkie zmiany kolorów. Wśród jej wad natomiast: konieczność korzystania z porowatych lub częściowo porowatych nośników (słabo sprawdza się na powierzchni z połyskiem, powlekanych roztworami wodnymi; nie kryje tworzyw sztucznych); ograniczoną wydajność (podatność na zapychanie, druk wyłącznie z niską lub średnią prędkością); wysokie koszty atramentu; ograniczoną możliwość mocowania w różnych pozycjach; konieczność stosowania bardzo blisko podłoża.

Większość przemysłowych drukarek atramentowych zamiast elementu grzewczego wykorzystuje element piezoelektryczny, umieszczony w wypełnionej atramentem komorze za każdą dyszą. Po przyłożeniu napięcia materiał piezoelektryczny zmienia kształt lub rozmiar, co powoduje powstanie impulsu ciśnieniowego w cieczy, wypychając kroplę atramentu przez dyszę. Zasadniczo mechanizm ten działa tak samo, jak w przypadku drukarek z głowicą termiczną, ale wzrost ciśnienia uzyskuje się z wykorzystaniem innego prawa fizyki. Piezoelektryczne drukarki atramentowe mogą korzystać z bardziej zróżnicowanych atramentów niż drukarki z głowicami termicznymi i pracujące metodą ciągłego strumienia atramentu.

Wśród zalet głowic piezoelektrycznych (PIJ – PiezoInk Jet) należy podkreślić: możliwość stosowania atramentów rozpuszczalnikowych i UV do druku na praktycznie każdym podłożu; wyższe prędkości/większą wydajność w porównaniu z głowicami termicznymi; wielogodzinną, ciągłą pracę; znakomitą jakość obrazu.

Średnie koszty atramentu do głowic piezoelektrycznych są niższe niż w przypadku drukarek TIJ, jednakże cena samego urządzenia jest zwykle wyższa.

Druk ciągły

W technologii zadruku metodą ciągłego strumienia atramentu (CIJ – continuous ink jet) pompa ciśnieniowa kieruje ciekły atrament ze zbiornika przez matrycę zbudowaną z miniaturowych dysz, tworząc ciągły strumień kropelek atramentu dzięki wykorzystaniu zjawiska niestabilności Rayleigha. Kryształ piezoelektryczny, wibrując w rezonatorze, tworzy falę akustyczną, co powoduje powstanie fali dźwiękowej i podział strumienia cieczy na kropelki w regularnych odstępach czasu. Można w ten sposób uzyskać od 64 do 165 tys. kropelek z jednego otworu w ciągu sekundy. Powstające kropelki są poddawane oddziaływaniu pola elektrostatycznego, uzyskiwanego przez podawanie napięcia na elektrodę. Zmieniając natężenie pola, można wpływać na zmianę kierunku ruchu kropli. Rezultatem jest kontrolowany, zmienny ładunek elektrostatyczny każdej kropelki. Naładowane kropelki są przyciągane do elementu przechwytującego i spływają z powrotem do układu. Nienaładowane kropelki są umieszczane na podłożu, tworząc obraz. Drukowanie ciągłym strumieniem to jedna z najstarszych obecnie stosowanych technologii atramentowych i jest to już dość dojrzałe rozwiązanie.

Jego zaletą jest brak zapychania dysz, ponieważ strumień atramentu wypływa w sposób ciągły. A ponadto: bardzo niski koszt atramentu, wysokie szybkości/wydajności; możliwość nieprzerwanej pracy przez wiele zmian; stosowanie atramentów wodnych i rozpuszczalnikowych; dobra jakość obrazu; drukowanie grafiki i kodów kreskowych; szeroki wybór konfiguracji mocowania.

Wadą jest natomiast wyższy koszt zakupu od drukarek PIJ. Nie można również w tej technologii stosować atramentów utrwalanych światłem UV.

Obecna sytuacja

Drukarki z głowicami pracującymi w trybie przerywanym (DoD) uległy znacznym przemianom od czasu, gdy były jedynie małymi urządzeniami biurkowymi i mogą obecnie sprostać wymaganiom druku produkcyjnego. Osiągane prędkości rzędu 150 m/min umożliwiają wydruk około 2000 12-calowych obrazów na minutę. Jednak ze względu na prawa fizyki, stymulacja komory i pobieranie nowego atramentu oraz utworzenie kropelki są ograniczone do niskiej częstotliwości (30 kHz). Wysokie prędkości można uzyskać kosztem rozmiarów kropli, a zatem nasycenia kolorów. Aby uzyskać większe krople, konieczne są komory wieloimpulsowe, co z kolei oznacza niższą prędkość.

Drukarki DoD charakteryzują się zatem generowaniem kropelek z częstotliwością 10-30kHz, maksymalną prędkością 150 m/min (ograniczenie spadkiem rozmiarów kropli); wysoką rozdzielczością, sięgającą 600x600 dpi przy dużych nakładach; zmiennymi rozmiarami kropli (drukarki PIJ) od 3 do 15 pl.

Z kolei dostępne obecnie drukarki CIJ umożliwiają druk na nośnikach o różnej szerokości z prędkością do 300 m/min. Znajdują one szereg zastosowań, od prostego adresowania do pełnokolorowego, dwustronnego druku dokumentów transakcyjnych w trybie 2-up z prędkością 250 m/min lub 3000 12-calowych obrazów na minutę. Ze względu na możliwość bardzo szybkiego generowania kropelek oraz fakt, że są one dostępne również wtedy, gdy drukarka znajduje się w trybie oczekiwania; rezerwa prędkości jest znacznie większa w przypadku drukarek CIJ niż DoD. Przy 9-calowych głowicach oraz 165 kHz w ciągu każdej sekundy powstaje 44,2 mln kropli, których lot jest kontrolowany.

Podsumowując zatem drukarki CIJ charakteryzuje: generowanie kropli z częstotliwością do 165 kHz; uzyskiwana prędkość 300 m/min (bez spadku rozmiarów kropli wraz ze wzrostem prędkości); rozdzielczość do 300x600 dpi; stałe rozmiary kropli, od 17 do 44 pl, w zależności od głowicy drukującej.

Rozwój w najbliższej przyszłości

Wizja rozwoju drukarek atramentowych składa się z elementów, których wprowadzenie znacznie poszerzyłoby pole ich zastosowań, a w konsekwencji potencjał rynkowy. Jakie warunki musiałaby spełnić nowa technologia, aby uzyskać taki przełom i pokonać obecne niedostatki i kompromisy technologii atramentowej?

Cele jakie trzeba postawić przed nową technologią to niewątpliwie poprawa jakości obrazu, szerszy zakres obsługiwanych podłoży oraz większa trwałość druku; obniżenie kosztu mechanizmu drukującego oraz zwiększenie szerokości druku. Jednocześnie należy utrzymać już istniejące zalety urządzeń atramentowych, tzn.: wydajność, sprawność, niskie koszty operacyjne, a także sprawdzoną niezawodność w zastosowaniach przemysłowych.

Pewien wpływ na poprawę, podwyższenie jakości obrazu będzie miało zwiększenie rozdzielczości drukarek. To z kolei wymaga szybszego tworzenia kropli w celu utrzymania lub nawet zwiększenia prędkości druku. Bardzo przydatna byłaby również możliwość zmiany rozmiarów kropli, dzięki czemu urządzenie mogłoby drukować obrazy o różnej jakości. Należy również podwyższyć jakość kropli atramentu, ujednolicając rozmiary i ograniczając występowanie przypadkowych kropli obok obszaru zadrukowywanego. Technologia Stream zaproponowana podczas ostatniej drupy, pozwala to osiągnąć dzięki wykorzystaniu umieszczonych w jednej linii dysz krzemowych CMOS, generujących kropelki atramentu z bardzo wysoką częstotliwością, wynoszącą obecnie 450 kHz. W przyszłości możliwe jest dalsze zwiększenie częstotliwości w celu uzyskania wyższej rozdzielczości i (lub) prędkości.

Jej obecne parametry, to: rozdzielczość 600 dpi (900, a nawet 1200 dpi w przyszłości); mały rozmiar i duża jednorodność kropli 12 pl (z możliwością obniżenia do 1 pl w przyszłości); dokładne rozmieszczanie kropli (prędkość 20 m/s gwarantuje prostoliniowe przemieszczanie i precyzyjną lokalizację); generowanie kropli z częstotliwością 450 kHz (w przyszłości 1 GHz) umożliwiające zadruk z prędkością 300 m/min i wyższą.

Oprócz poprawy parametrów drukowania kolejnym czynnikiem zwiększającym elastyczność i przydatność systemu jest możliwość stosowania nowych atramentów i podłoży. W technologii Stream uzyskano ją dzięki nanotechnologii, która zwiększyła potencjał atramentów pigmentowych, poszerzając dostępną paletę kolorów o około 30%. Taki atrament w znacznie mniejszym stopniu będzie przenikać do wnętrza włókien papieru, pozostając na ich powierzchni i zapewniając znacznie większe niż obecnie nasycenie kolorów. Umożliwi to druk na o wiele bardziej zróżnicowanych gatunkach papieru niż obecnie. Zostało to już udowodnione w testach systemu, gdzie stosowano podłoża komercyjne zoptymalizowane pod kątem druku atramentowego, zawierające nośniki mikroporowate w cenach typowych dla dóbr powszechnego użytku.

Zastosowanie rozwiązania Stream umożliwi produkcję głowic drukujących po niższych kosztach niż obecnie dzięki technologii CMOS. Dysze będą kosztować „kilka centów” i będzie można wytwarzać je, korzystając z aktualnie stosowanej technologii produkcji układów scalonych. Wymiana głowic w warunkach produkcyjnych będzie łatwiejsza dzięki mniejszym rozmiarom. Wydajność szybkich drukarek atramentowych będzie wyższa od obecnej, a czas pomiędzy wymianą głowic drukujących zostanie przedłużony. Ich wydajność ma wynieść 2600 obrazów A4 na minutę.

Rozwiązania

Obecna i przyszła technologia druku atramentowego dostarcza użytkownikowi niezwykle elastycznego narzędzia do druku hybrydowego. Już dzisiaj setki takich urządzeń współpracują z maszynami offsetowymi i liniami wykończeniowymi, zmniejszając liczbę etapów produkcji, oszczędzając czas i koszty. Niektóre z nich są wykorzystywane w najbardziej wymagających środowiskach produkcyjnych.

Zastosowanie technologii Stream umożliwi druk w trybie inline z jakością podobną do druku laserowego, rozdzielczością 600x600 dpi oraz prędkością do 300 m/min. Ze względu na elastyczne rozwiązania konstrukcyjne wyposażone w nią głowice drukujące można umieścić niemal w każdym gotowym systemie druku produkcyjnego.

W połączeniu z zaawansowanymi rozwiązaniami workflow technologie atramentowe już teraz umożliwiają druk dokumentów w pełnym kolorze z wysokimi prędkościami. Systemy workflow takie jak AFP/IPDS, IJPDS, PDF, PS i inne, można wykorzystywać do kierowania pracą tych drukarek w różnych zastosowaniach. Obecnie stosowane drukarki DoD i CIJ systematycznie zwiększają liczbę produkowanych, kolorowych dokumentów o różnorodnych zastosowaniach: w sektorze finansowym, ubezpieczeniowym, w programach lojalnościowych, produkcji książek, itd. Szacuje się, że w 2008 r. wydrukowano w kolorze ok. 15 mld stron.

System Stream zwiększy liczbę potencjalnych zastosowań, zbliżając jakość druku atramentowego do jakości offsetu, umożliwiając korzystanie z drukarek inkjetowych w sytuacjach, które dotychczas wymagały niskonakładowego druku offsetowego. Dodatkową korzyścią jest możliwość personalizacji dokumentów, a dostępne urządzenia do przetwarzania papieru w trybie inline umożliwiają produkcję ze zwoju. Tym samym dostępne stają się nowe rynki, takie jak: druk gazet czy druk w środowiskach przemysłowych.

Foto 1: PinP

Rainer Kuessel ukończył techniczne szkoły wyższe w Wielkiej Brytanii i Niemczech z tytułem inżyniera. Karierę zawodową rozpoczął w 1994 r. W 1996 r. związał się z firmą Scitex Digital Printing a poźniej z Kodak Versamark na stanowisku inżyniera ds. aplikacji, wspierając działy sprzedaży w całej Europie. Od 2007 r. zarządza w strukturach Kodak IPS działem wsparcia sprzedaży w regionie EMEA, na stanowisku Sales Support Department Manager for Sales Support Engineering, Special Engineering, Workflow Group and Installation

Project Management.

Foto 2: Samsung

Wśród zalet głowic termicznych należy wymienić: niski koszt sprzętu, znakomitą jakość obrazu oraz szybkie zmiany kolorów.

Foto 3: inkproducts.com

Dostępne obecnie drukarki continous inkjet umożliwiają druk na nośnikach o różnej szerokości z prędkością do 300 m/min, znajdując szereg zastosowań: od prostego adresowania do pełnokolorowego, dwustronnego druku dokumentów transakcyjnych.

Foto 4: Kodak

Zaprezentowana podczas drupy jako Concept, technologia Stream firmy Kodak, podczas październikowych targów Graph Expo pojawiła się już w wersji bardziej „jawnej”.

Data publikacji: 09/2009