1. Определение и основной принцип
1.1 Обзор технологии термоструйной печати
Технология термоструйной печати - это широко распространенный метод струйной печати. Она существует с конца XX века и с годами постоянно совершенствуется. Эта технология популярна благодаря своей способности производить высококачественные отпечатки при относительно низкой стоимости. Она широко используется в потребительских и коммерческих принтерах, позволяя создавать текстовые документы, изображения и различные другие печатные материалы. Рынок термоструйных принтеров остается значительным, ежегодно по всему миру продаются миллионы устройств. Например, в 2024 году мировой рынок термоструйных принтеров оценивался примерно в 10 миллиардов долларов США, что свидетельствует о его значительном присутствии в печатной индустрии.
1.2 Как работает термоструйная печать
Шаг 1: Активация чернильной камеры
Печатающая головка содержит микроскопические сопла (диаметром 10-30 мкм), соединенные с отдельными чернильными камерами, заполненными красителем или пигментными чернилами на водной основе. Эти камеры предварительно заполняются чернилами по капиллярам из картриджа.
Шаг 2: Электрический нагрев и образование пузырьков
При получении команды на печать электрический импульс активирует тонкопленочный резистор (нагреватель) в камере с чернилами. Резистор быстро нагревает чернила до300-400°C в пределах1-3 микросекундыВ результате локального кипения образуется паровой пузырь. Этот процесс ограничивается выбранной камерой, чтобы избежать вмешательства в работу соседних сопел.
Шаг 3: Выброс капель
Пузырек пара взрывообразно расширяется, образуя~10 атм давления. Это заставляет одну каплю чернил (размером до1-3 пиколитра) из сопла на подложку. Весь цикл роста и схлопывания пузырьков завершается за~20 микросекундобеспечивая скорость выбросадо 36 000 капель в секунду.
Шаг 4: Движение печатающей головки и бумаги
Выбрасывая капли, печатающая головка перемещается по бумаге в горизонтальном направлении с точным шагом. После завершения прохода механизм подачи бумаги продвигает подложку по вертикали на доли миллиметра. Такая двунаправленная координация обеспечивает полное покрытие области печати.
Шаг 5: Смешивание цветов и наложение слоев
Сочетая капли голубых, пурпурных, желтых и черных (CMYK) чернил в разных пропорциях, принтер добивается полного цветового спектра. Например:
- Красный: Пурпурные + желтые капли
- Зеленый: Голубые + желтые капли
- Фотореалистичные градиенты: ДоРазрешение 4800 dpi Благодаря размещению капель на микронном уровне13.
Шаг 6: Высыхание и закрепление краски
Чернила на водной основе высыхают в основном за счет испарения. На обычной бумаге чернила проникают в волокна для быстрого высыхания (1-3 секунды), а на глянцевой бумаге используются полимерные покрытия, удерживающие пигменты на поверхности для повышения яркости цвета. Тепловая энергия процесса печати ускоряет испарение в высокоскоростных принтерах.
2. Основные компоненты системы термоструйной печати
2.1 Печатающая головка для струйной печати
Струйная печатающая головка - важнейший компонент системы термоструйной печати. Она отвечает за выброс капель чернил на печатный носитель.
Современные печатающие головки отличаются высокой технологичностью и могут иметь сотни сопел, каждое из которых имеет диаметр около 20-50 микрометров. Эти сопла точно расположены, чтобы обеспечить точное размещение чернил. Печатающая головка изготавливается из материалов, способных выдерживать высокие температуры и частые циклы нагрева. Например, в некоторых печатающих головках используются такие материалы, как кремний и пьезоэлектрическая керамика. Нагревательные элементы в печатающей головке обычно представляют собой тонкопленочные резисторы, которые могут нагреваться до температуры около 300-400 градусов Цельсия всего за несколько микросекунд. Такой быстрый нагрев необходим для испарения и расширения чернил. Печатающая головка также разработана для совместной работы с электроникой принтера, которая контролирует время и интенсивность импульсов нагрева. Прочность печатающей головки важна для долговечности принтера. В среднем печатающая головка для термоструйных принтеров может прослужить от 50 до 100 миллионов циклов печати, прежде чем потребуется ее замена.
2.2 Рецептура чернил
Сайт чернила используемые в термоструйной печати, специально разработаны для работы с печатающей головкой и процессом печати.
Обычно они изготавливаются на водной основе и содержат смесь красителей или пигментов, растворители и другие добавки. Красители или пигменты обеспечивают цвет и плотность, необходимые для получения высококачественных отпечатков. Например, в некоторых чернилах для получения черных чернил используются пигменты сажи, которые позволяют получить плотный и четкий текст. Растворители помогают растворить красители или пигменты и обеспечивают нужную вязкость чернил для правильного выброса. Вязкость чернил обычно составляет от 1 до 5 сантипуаз, что аналогично вязкости воды. В состав чернил также входят добавки, улучшающие их свойства. Например, поверхностно-активные вещества добавляются для снижения поверхностного натяжения, что помогает краске равномерно распределяться по печатному носителю. Другие добавки, такие как биоциды, используются для предотвращения роста бактерий и грибков в чернилах, которые могут стать проблемой для чернил на водной основе. Состав чернил также должен быть совместим с материалами печатающей головки, чтобы предотвратить коррозию или засорение. Стоимость чернил является важным фактором в общей стоимости печати. В среднем стандартный картридж с чернилами для термоструйного принтера стоит от 10 до 20 долларов США и позволяет распечатать от 200 до 300 страниц в зависимости от режима использования.
2.3 Бумага и носители
Выбор бумаги и других печатных носителей также имеет решающее значение для достижения хорошего качества печати при термоструйной печати.
Бумага должна обладать определенными свойствами, чтобы правильно впитывать чернила и предотвращать их растекание. Например, высококачественная бумага для термоструйной печати имеет специальное покрытие, которое помогает контролировать скорость впитывания чернил. Это покрытие может быть сделано из таких материалов, как кремнезем или карбонат кальция. Покрытие также обеспечивает гладкую поверхность, на которую попадают капли чернил, что способствует повышению четкости и разрешения отпечатков. Вес бумаги также имеет большое значение. Обычно бумага для термоструйной печати имеет вес от 70 до 100 граммов на квадратный метр. Для термоструйной печати можно использовать и другие типы носителей, например глянцевую фотобумагу, на которой можно получать высококачественные фотографические отпечатки. Поверхность глянцевой фотобумаги предназначена для отражения света и усиления цвета чернил. Стоимость печатных носителей может варьироваться в зависимости от типа и качества.
3. Преимущества термоструйной печати
3.1 Высокое качество печати
Термоструйная печать славится своей способностью создавать высококачественные отпечатки. Современные термоструйные принтеры могут достигать разрешения до 4800 точек на дюйм (dpi), что сопоставимо с некоторыми видами офсетной печати. Такое высокое разрешение позволяет создавать детализированные изображения и текст, что делает его пригодным для широкого спектра применений. Например, при печати фотографий высокого разрешения термоструйная печать позволяет получать четкие и яркие изображения с широким цветовым охватом. Точный контроль выброса капель чернил, размер которых составляет всего несколько микрометров, обеспечивает точное размещение чернил и минимизирует их растекание. В результате получаются отпечатки с четкими краями и плавными градиентами. Кроме того, использование высококачественной бумаги со специальным покрытием еще больше повышает качество печати, контролируя впитывание чернил и обеспечивая гладкую поверхность для приземления чернильных капель.
3.2 Быстрая скорость печати
Термоструйная печать обеспечивает относительно высокую скорость печати, что является важным преимуществом как для потребительских, так и для коммерческих приложений. Быстрый нагрев и выброс капель чернил позволяют быстро печатать текстовые документы и изображения. Например, современные термоструйные принтеры могут печатать до 30-40 страниц в минуту для черно-белых текстовых документов и около 15-20 страниц в минуту для цветных отпечатков. Эта скорость сопоставима с некоторыми лазерными принтерами и значительно выше, чем у некоторых других типов струйных принтеров. Высокая скорость печати достигается благодаря эффективному управлению нагревательными элементами печатающей головки и точной синхронизации выброса чернильных капель. Печатающая головка может иметь сотни сопел, каждое из которых способно выбрасывать тысячи капель в секунду, что позволяет быстро формировать печатные изображения и текст. Это делает термоструйную печать пригодной для выполнения больших объемов работ, таких как печать офисных документов, маркетинговых материалов и малотиражных изданий.
3.3 Экономическая эффективность
Термоструйная печать - это экономически выгодное решение, как с точки зрения первоначальных инвестиций, так и с точки зрения текущих эксплуатационных расходов. Первоначальная стоимость термоструйного принтера относительно невысока по сравнению с некоторыми другими типами принтеров, такими как лазерные принтеры. Например, базовый термоструйный принтер может стоить от 50 до 100 долларов США, что делает его доступным для большинства потребителей и малых предприятий. Стоимость чернильных картриджей также относительно невысока: стандартный картридж стоит от 10 до 20 долларов США. Хотя стоимость одной страницы может быть немного выше, чем у некоторых лазерных принтеров, общая стоимость печати остается конкурентоспособной, особенно для задач печати малого и среднего объема. Кроме того, термоструйные принтеры, как правило, просты в обслуживании и имеют более низкие эксплуатационные расходы по сравнению с некоторыми другими типами принтеров. Печатающая головка является долговечным компонентом и может прослужить около 50-100 миллионов циклов печати, прежде чем ее нужно будет заменить. Использование чернил на водной основе также снижает риск засорения и других проблем с обслуживанием. Это делает термоструйную печать привлекательным вариантом для тех, кто ищет надежное и экономичное решение для печати.
4. Области применения термоструйной печати
4.1 Потребительская печать
Термоструйная печать широко используется в потребительской печати, что делает ее популярным выбором для домашних хозяйств и малого бизнеса. Одна из основных сфер ее применения - печать текстовых документов. Высокое разрешение и высокая скорость печати термоструйных принтеров позволяют создавать четкие и профессионально выглядящие текстовые документы, такие как письма, отчеты и рефераты. Например, термоструйный принтер с разрешением 4800 dpi может печатать четкий и легко читаемый текст даже при небольшом размере шрифта.
Помимо текстовых документов, термоструйная печать также широко используется для печати фотографий. Возможность получения отпечатков высокого разрешения с широким цветовым охватом делает их пригодными для изготовления высококачественных фотоотпечатков. Потребители могут легко распечатать свои цифровые фотографии дома или в небольших типографиях с помощью термоструйных принтеров. Использование специальной глянцевой фотобумаги еще больше повышает качество отпечатков, делая их пригодными для обрамления и демонстрации. Например, стандартный термоструйный принтер может создавать фотоотпечатки с яркими цветами и плавными градиентами, передавая мельчайшие детали изображений.
Кроме того, термоструйная печать используется для печати различных других типов документов, таких как поздравительные открытки, приглашения и этикетки. Гибкость процесса печати позволяет изготавливать эти изделия в соответствии с индивидуальными предпочтениями. Потребители могут разработать собственный дизайн открыток или этикеток с помощью программного обеспечения, а затем распечатать их на термоструйном принтере. Это делает его идеальным решением для персональных и небольших типографий.
4.2 Промышленное применение
Термоструйная печать нашла широкое применение и в различных отраслях промышленности. В упаковочной промышленности она используется для печати этикеток и информации о продукте непосредственно на упаковочных материалах. Это позволяет индивидуализировать упаковку и включать в нее важную информацию, такую как штрих-коды, сроки годности и описание продукта. Например, в пищевой промышленности и производстве напитков термоструйные принтеры используются для печати этикеток на бутылках, банках и упаковочных коробках. Возможность печати на различных типах материалов, таких как бумага, пластик и металл, делает их универсальным решением для упаковочных приложений.
Еще одно важное промышленное применение термоструйной печати - электронная промышленность. Она используется для печати токопроводящими чернилами на электронных компонентах и печатных платах. Точный контроль выброса капель чернил позволяет создавать тонкие рисунки и схемы, которые необходимы для миниатюризации электронных устройств. Например, термоструйная печать может использоваться для нанесения проводящих трасс на гибкие подложки, что позволяет создавать гибкую электронику и носимые устройства. Эта область применения становится все более важной в связи с растущим спросом на более компактные и совершенные электронные изделия.
Термоструйная печать также используется в медицинской промышленности для печати медицинских карт, этикеток и диагностических заключений. Высокое качество печати и высокая скорость позволяют использовать принтер для создания четких и точных медицинских документов. Например, в больницах и клиниках термоструйные принтеры используются для печати этикеток с информацией о пациенте, медикаментах и диагностических снимках. Возможность печати на различных типах носителей, включая бумагу и пленку медицинского качества, гарантирует, что напечатанные документы будут соответствовать стандартам, необходимым для использования в медицине.
Кроме того, термоструйная печать находит применение в текстильной промышленности для нанесения рисунков и узоров на ткани. Технология позволяет создавать красочные отпечатки с высоким разрешением на различных видах текстиля, таких как хлопок, полиэстер и шелк. Это привело к созданию индивидуального текстиля и модной продукции. Например, термоструйная печать может использоваться для нанесения уникальных рисунков на футболки, шарфы и другие предметы одежды, обеспечивая экономичное и эффективное решение для мелкосерийного текстильного производства.
5. Проблемы и ограничения
5.1 Проблемы с высыханием и размазыванием чернил
Термоструйная печать сталкивается с проблемами, связанными с высыханием и размазыванием чернил, что может повлиять на качество и долговечность печати. Чернила на водной основе, используемые в термоструйной печати, высыхают относительно медленно по сравнению с некоторыми другими типами чернил. Это медленное время высыхания может привести к размазыванию, особенно если печатный материал обрабатывается до полного высыхания чернил. Например, при больших объемах печати, таких как печать нескольких копий документа или партии фотографий, риск появления пятен возрастает, поскольку отпечатанные листы могут соприкасаться друг с другом или другими поверхностями до полного высыхания краски. В среднем на высыхание чернил на стандартной бумаге для термоструйной печати уходит от 10 до 30 секунд, в зависимости от таких факторов, как тип чернил, качество бумаги и условия окружающей среды. Это время высыхания может быть существенным недостатком в тех случаях, когда требуется быстрое обращение и обработка напечатанных материалов.
Тот факт, что капли чернил могут слегка растекаться по поверхности бумаги до высыхания, особенно если бумага не очень высокого качества или не имеет подходящего покрытия, еще больше усугубляет проблему размазывания. Такое растекание может привести к потере четкости и ясности напечатанного текста и изображений. Например, в мелких текстовых документах с небольшим размером шрифта или на детальных фотографических отпечатках с замысловатыми деталями размазывание может затруднить чтение или четкое отображение содержимого. Чтобы смягчить эту проблему, в некоторых термоструйных принтерах используются быстросохнущие чернила или специальные покрытия на бумаге для сокращения времени высыхания и предотвращения размазывания. Однако эти решения могут стоить дополнительных денег или не подходить для всех типов печати.
5.2 Засорение печатающей головки
Засорение печатающей головки - еще одна серьезная проблема в термоструйной печати, которая может повлиять на качество печати и производительность принтера. Печатающая головка с ее сотнями крошечных сопел очень восприимчива к засорению под воздействием различных факторов. Одной из распространенных причин засорения является испарение растворителя в чернилах, в результате чего в соплах могут оставаться засохшие остатки чернил. Эти остатки могут накапливаться со временем и блокировать сопла, препятствуя правильному выбросу капель чернил. Например, если принтер простаивает в течение длительного периода времени без надлежащего обслуживания, чернила в соплах могут высохнуть и привести к засорению. В среднем, термоструйный принтер, который используется редко, может столкнуться с проблемой засорения в течение нескольких недель - нескольких месяцев, в зависимости от условий окружающей среды и типа используемых чернил.
Еще один фактор, способствующий засорению печатающей головки, - наличие примесей или загрязнений в чернилах. Даже если чернила тщательно разработаны, они все равно могут содержать мелкие частицы или мусор, которые могут застрять в соплах. Кроме того, взаимодействие между чернилами и материалами печатающей головки иногда приводит к химическим реакциям, в результате которых образуются отложения, что еще больше способствует засорению. Засорение может привести к пропуску или смещению капель чернил, что приведет к появлению полос, линий или других дефектов печати на конечном выходе. Чтобы решить эту проблему, необходимо регулярно проводить техническое обслуживание печатающей головки. Оно включает в себя выполнение циклов очистки печатающей головки, в ходе которых сопла промываются чистящим раствором для удаления остатков или засорения. В некоторых случаях при более сильном засорении может потребоваться замена печатающей головки, что может оказаться дорогостоящим ремонтом. В среднем стоимость замены печатающей головки для термоструйного принтера может составлять от 20 до 50 долларов США, в зависимости от модели и марки принтера.
6. Последние разработки и инновации
6.1 Новые составы чернил
В последние годы были достигнуты значительные успехи в создании чернил для термоструйной печати. Исследователи и производители сосредоточились на разработке чернил, которые устраняют некоторые традиционные ограничения термоструйной печати и одновременно расширяют ее возможности.
- Быстросохнущие чернила: Разрабатываются новые составы чернил, позволяющие значительно сократить время высыхания. Например, некоторые современные чернила могут высыхать на стандартной бумаге всего за 5-10 секунд, что является значительным улучшением по сравнению с прежним временем высыхания. Это достигается за счет использования быстроиспаряющихся растворителей и оптимизации химического состава чернил для ускорения высыхания. Эти быстросохнущие чернила помогают свести к минимуму появление пятен и улучшить общее качество и долговечность печатных материалов.
- Расширенный стабильность цвета: Составы красок также совершенствуются, чтобы обеспечить лучшую стабильность цвета и устойчивость к выцветанию. Благодаря использованию более стойких пигментов и красителей, а также УФ-стабилизаторов, напечатанные цвета могут сохранять свою яркость в течение длительного времени, даже при воздействии света и других факторов окружающей среды. Например, некоторые новые чернила продемонстрировали стабильность цвета в течение 50 лет при нормальном освещении в помещении, что делает их пригодными для использования в таких областях, как фотопечать и долгосрочное архивирование документов.
- Улучшенные чернила совместимость: Все большее внимание уделяется разработке красок, совместимых с широким спектром печатных носителей. Сюда входят не только традиционные виды бумаги, но и специализированные материалы, такие как пластик, металл и ткань. Оптимизация поверхностного натяжения и адгезионных свойств чернил позволяет им лучше сцепляться с различными подложками, что приводит к получению высококачественных отпечатков на различных носителях. Например, новые составы чернил позволили осуществлять термоструйную печать на гибких электронных подложках, открывая новые возможности для применения в электронной промышленности.
- Экологически чистые чернила: В связи с растущей озабоченностью состоянием окружающей среды все активнее разрабатываются более экологичные чернила. Эти чернила разработаны таким образом, чтобы наносить меньший вред окружающей среде, используя растворители на водной основе и нетоксичные пигменты. Они также направлены на снижение общего воздействия процесса печати на окружающую среду за счет минимизации использования вредных химикатов и сокращения отходов. Например, некоторые новые чернила разработаны таким образом, чтобы быть биоразлагаемыми и перерабатываемыми, что способствует более экологичной практике печати.
6.2 Передовые технологии печатающих головок
Печатающая головка - важнейший компонент системы термоструйной печати, и последние инновации в технологии печатающих головок позволили значительно повысить качество, скорость и надежность печати.
Многослойная печатающая головка дизайны: Для повышения общей производительности и функциональности печатающей головки разрабатываются новые конструкции многослойных печатающих головок. Эти конструкции предполагают укладку нескольких слоев материалов с различными свойствами для достижения лучшей теплоизоляции, электропроводности и механической прочности. Например, многослойная печатающая головка может иметь слой изоляционного материала для снижения теплопотерь, слой проводящего материала для эффективного нагрева и слой прочного материала для защиты сопел. Такой инновационный подход к конструкции обеспечивает более эффективный и надежный выброс чернил, способствуя повышению качества печати и увеличению срока службы печатающей головки.
Повышенная плотность сопла: Современные печатающие головки имеют более высокую плотность сопел, что позволяет получать более тонкие и детализированные отпечатки. Например, некоторые современные печатающие головки могут иметь до 1 200 сопел на дюйм (dpi), по сравнению с прежней плотностью около 600 dpi. Увеличение плотности сопел позволяет выбрасывать более мелкие капли чернил, в результате чего получаются отпечатки с высоким разрешением, более плавными градиентами и четкими краями. Это также позволяет более точно контролировать размещение капель чернил, улучшая общее качество печати.
Улучшенное отопление элементы: Новые материалы и технологии производства используются для создания более эффективных и долговечных нагревательных элементов в печатающей головке. Эти нагревательные элементы могут быстрее нагреваться и остывать, обеспечивая более высокую скорость выброса чернил. Например, некоторые современные печатающие головки могут нагревать чернила до необходимой температуры всего за несколько микросекунд, обеспечивая выброс тысяч чернильных капель в секунду. Такой быстрый нагрев и выброс чернил значительно увеличивает скорость печати при сохранении высокого качества отпечатков.
Передовые системы очистки форсунок: Для решения проблемы засорения печатающих головок современные печатающие головки оснащаются более совершенными системами очистки. Эти системы используют комбинацию механических, химических и ультразвуковых методов очистки для удаления остатков чернил и других загрязнений из сопел. Например, некоторые печатающие головки оснащены встроенными модулями ультразвуковой очистки, которые используют высокочастотные звуковые волны для вытеснения и удаления засохших частиц чернил из сопел. Это помогает поддерживать производительность печатающей головки и продлевает срок ее службы, уменьшая необходимость в частой замене.
Интеллектуальная печатающая головка технологии: Некоторые последние разработки предусматривают интеграцию интеллектуальных датчиков и систем управления в печатающую головку. Эти датчики могут отслеживать температуру печатающей головки, расход чернил и работу сопел в режиме реального времени. Система управления может динамически регулировать параметры нагрева и выброса для оптимизации качества печати и предотвращения таких проблем, как засорение и осечка чернил. Например, если обнаружено, что сопло частично засорилось, система управления может отрегулировать импульс нагрева, чтобы обеспечить надлежащий выброс чернил из этого сопла. Эта интеллектуальная технология повышает надежность и стабильность процесса печати.