НАШИ РАБОТЫ
Конструкции печатающих головок и процессы их изготовления


«Статьи»

Среди технологий струйной печати в настоящее время наиболее активно разрабатываются в лабораториях и используются на рынке тепловые и пьезоэлектрические методы дискретной печати. В основном, тепловая струйная печатающая головка состоит из камеры для чернил, имеющей нагреватель рядом с соплом. При подаче на нагреватель короткого импульса тока (менее нескольких микросекунд), тепло передается от поверхности нагревателя чернилам. Чернила при этом перегреваются до критической температуры для образования «зародыша» парового пузыря, причем для красок на водной основе эта температурасоставляет около 300 градусов C. После зарождения водяной пар в «зародыше» мгновенно расширяется, выбрасывая чернила из сопла. После того, как вся тепловая энергия передается краске, пузырек начинает схлопываться к поверхности нагревателя. Одновременно со схлопыванием пузырька, капля чернил отрывается и летит в сторону бумаги. Весь процесс образования и схлопывания пузырьков происходит менее чем за 10 мс. Затем чернила вновь заполняют камеру и процесс может быть повторен снова. В зависимости от геометрии канала и физических свойств чернил, время заполнения может быть от 80 до 200 мкс. Этот процесс зависит от электрического импульса, температуры, и давления объема пузыря.

Например известно, что ячейка инжектирует капли чернил объемом 32 пико литра (pl) в количестве 6000 капель в секунду. Размер выходного канала для чернил оценивается примерно 0.001 дюйма в толщину, и чуть больше в ширину. Однако, стабильность размеров, точность и равномерность таких каналов, как известно, оказывают сильное влияние на параметры работы струйных ячеек, такие как частота образовония, объем, скорость капель. Все эти параметры капель в конечном итоге определяют качество изображения и производительность печатного оборудования. Современные тенденции развития отрасли производства печатающих головок требуют уменьшения размера капель для повышения качества изображения, увеличения частоты испускания капель, и большего количества ячеек для увеличения скорости печати, и, то же время, снижения затрат на их производство.

Эти тенденции требуют дальнейшей миниатюризации конструкции ячеек струйной печати. Поэтому вопрос надежности становится наиболее критическим. В последнем поколении принтеров Hewlett-Packard серии 800, компания представила новую 192-сопльную трехцветную печатающую головку, которая может испускать гораздо меньшие чернильные капли размером 10 пико литров (pl 10) со скоростью 12000 капель в секунду.. Площадь нагревателя в канале – один квадратный микродюйм (mil square). Подача чернил осуществляется с обеих сторон камеры, в которой расположен нагреватель. Такая схема подачи жидкости существенно снизжает вероятность «забивания» форсунок, которое может возникнуть в результате попадания посторонних частиц, образующихся при технологических процессах производства печатающей головки, а также в процессе изготовления красок. В целях повышения надежности новой печатающей головки в новой конструкции также используется ряд небольших отверстий между коллектором чернил и камерой, в которой расположен нагреватель.

Еще одной тенденцией в отрасли является удовлетворение рыночного спроса на более низкие издержки непосредственно самой печати. Производителям печатающих головок необходимо заправить в картридж как можно больший объем чернил, чтобы увеличить объем печати, или использовать постоянные или полупостоянные печатающие головки, чтобы снизить затраты на новые картриджи. Эта тенденция, в свою очередь, требует еще более высокой надежности тепловых струйных печатающих головок.

Фирма Canon яляется еще одной крупной компанией, которая разрабатывает и производит термические струйные принтеры. В струйном принтере BJC-7000, Canon представила 480-сопельную печатающую головку. На сегодняшний день, это самое большое количество форсунок в одной печатающей головке цветного струйного принтера, предназначеннго для использования дома или в небольшом офисе. В исполнении BJC-7000, 480-сопельная печатающая головка состоит из шести цветов с 80 соплами на каждый цвет. Есть и другие компании, которые разрабатывают и производят термические струйные печатающие головки, например, Lexmark, Olivetti и Xerox.

При пьезоэлектрическом метод сруйной печати, деформация пьезокерамического материала вызывает изменение объема чернил в камере, создавая волну давления, распространяющуюся в направлении сопла. Эта акустическая волна давления преодолевает вязкостные потери давления в микросопле и силы поверхностного натяжения мениска чернил, таким образом, чтобы капли чернил могли формироваться на выходе. После формирования капли, давление должно быть достаточным, чтобы капля могла оторваться в сторону носителя.

Если говорить в общем, то деформация пьезоэлектрических элементов имеет субмикронный масштаб. Поэтому для формирования капель необходимо иметь достаточно большой объем сдвигаемых чернил, поэтому физический размер пьезоэлектрических элементов часто гораздо больше, чем отверстие для выхода чернила. Поэтому миниатюризация пьезоэлектрических струйных печатающих головок была сложной проблемой в течение многих лет. Список производителей пьезоэлектрических печатающих головок представлен в Таблице I.

Таблица I. Список производтелей пьезоэлектрических струйных печатающих головок

Производитель Режим деформации Пример принтера
Tektronix Изгиб Tektronix Phaser 350 И 380
Sharp Изгиб Mutoh RJ-1300 & RJ-1800
Epson Изгиб Epson Stylus Color 400, 600 и 800
Dataproducts Выталкивание Idanit 162Ad
Spectra Сдвиг Polaroid DryJet, 3D Actua 2100
Nu-Kote Сдвиг Raster Graphics PiezoPrint 5000
Topaz Изгиб/ Calcomp ножницы комбинированный CrystalJet

Печатающие головки фирм Tektronix (352 сопла) и Sharp (48 сопло), сделаны полностью с использованием пакетов пластин из нержавеющей стали. Эти пакеты состоят из нескольких пластин нержавеющей стали, обработанных фотохимическим способом, которые скреплены или спаяны вместе и при высокой температуре. Тонкий слой золота (Au), использующийся для соединения пластин виден между спаяными пластинами. Интерметаллическое крепление пластин в струйной печатающей головке требует одинаковой толщины пластин, последовательно представленых в конструкции для герметизации и предотвращения протекания чернил наружу или между двумя соседними каналами. Аналогичные характеристики соединения пластин имеют место и в конструкции Sharp. Кроме соединения металлических пластин с помощью Au или Ni для изготовления печатающих головок используются также припои и эпоксидные смолы. Однако, из-за проблем совместимости с чернилами, выбор эпоксидных смол или композиции припоев должен быть тщательно исследован. Учитывая тенденции увеличения количества сопел, уменьшения их размеров, использования многих различных жидкостей, сохранение целостности и стабильности печатающей головки становится все более важным вопросом.

В 1993 году компания Epson представила пьезоэлектрический струйный принтер Stylus 800, который стал прямым конкурентом принтерам, использующим террмическую или пузырьковую струйную технологии, в секторе рынка принтеров для дома и небольшого офиса. Этот продукт сыграл важную роль в том смысле, что впервые надежная и недорогая несменяемая пьезоэлектрическая струйная печатающая головка была успешно использована в принтере. Эта печатающая головка Epson основана на конструкции, реализующей режим выталкивания с многослойным пьезоэлементом. Печатающие головки сдланные на основе той же технологии, Epson использовала в пинтерах Stylus Color в 1994 году и Color Stylus II в 1995 году. Благодаря такой конструкции, Epson разработала 64-сопльную печатающую головку с расстоянием между соплами 140 мкм, что обеспечло достижение плотности печати 180 dpi.

В 1997 году компания Epson представила серию принтеров Stylus Color 400, 600 и 800 с конструкией пьезоэлектрических печатающих головок, работающих в режиме изгиба. В принтере Color Stylus 800 работают две печатающие головки: 128-сопельная для черно-белой печати и 192-сопельная для цветой (CMY). Технологический прорыв в создании печатающей головки, основанной на режиме изгиба, был получен благодаря уникальному методу изготовления пьезоэлектрических приводов, выполненых из толстопленочных PZT, спеченных на вершине с циркониевой диафрагмойЭти структуры (PZT/диафрагма) имеют толщину менее 1 милидюма (mils). В отличие от структуры PZT/диафрагма, печатающая головка фирмы Tektronix, работающая в режиме изгиба, имеет толщину PZT около 6 mils и диафрагму из нержавеющей стали, толщиной около 3 mils. Значительное уменьшение толщины структуры рабочего пьезоэлемента позволяет фирме Epson провести миниатюризацию и разместить 192 сопла в печатающей головке размером 18 на 34,8 мм и обеспечить плотность печати 180 dpi. Обратите внимание, что, по сравнению с конструкцией с длинной структурой PZT, реализующей режим выталкивания, новое устройство Epson с толстой PZT пленкой, работающей в режиме изгиба, имеет плоскую структуру. Процесс изготовления новой конструкции является простым и менее дорогостоящим. Кроме того, при небольшой, плоской и тонкой структуре печатающей головки, дополнение конструкции нагревателем для управления температурным режимом печатающей головки намного проще. Основными тенденциями здесь являются увеличение количества сопел и разнообразие состава чернил, которые потенциально могут быть использованы Epson в печатающей головке с новой технологией.

128-сопельная пьезоэлектрическая печатающая головка фирмы Nu-Kote и 256-сопельная фирмы Topaz Technologies недавно появились на рынке струйной печати. Печатающая головка Ну-Kote является развитем конструкции фирмы Xaar и ее конструкция работает в режиме сдвига. Фирма Raster Graphics использует три 128-сопельные печатающие головки для печати каждого цвета в своем новом широкоформатном цветном струйном принтере PiezoPrint 5000. Этой технологии уже около 10 лет, но такое применение отмечается впервые. Основной особенностью печатающих головок Nu-Kote,обеспечивающей успех на рынке, является их надежность.

256-соплная печатающая головка фирмы Topaz также является новинкой. Известно, что совмещение двух режимов - изгиба и сдвига позволяет увеличить частоту инжекции капль чернил. Эта технология была использована в широкоформатных струйных принтерах фирмы Calcomp CrystalJet.

Независимо от того, какой струйный метод используется – термический или пьезоэлектрический, режим изгиба или сдвига, одним из самых важных компонентов печатнающей головки является конструкция сопла. Факторы геометрии сопла, такие как диаметр и толщина напрямую влияют на объем капли, ее скорость и угол траектории. Неоднороность сопел, которая может проявиться в производственном процессе изготовления плат с соплами, может значительно снизить качество печати. Наличие у изображения «окантовки» в общем случае является результатом того, что печатающая плата с соплами не соответствует спецификации. Известны различные геометрии сопел, сконструированные для струйных печатающих головок. Наибольшее распространение получили два метода изготовления отверстий в платах – никелевая гальванопластика и лазерная абляция на полиимиде. Известны также другие методы изготовления сопел для струйных головок – электрообработка, микроперфорирование и микропрессование.

Поскольку для достижения более высокого разрешения печати требуется уменьшение объем капли чернил, диаметр сопла печатающих головок становится все более мелким. Для инжекции капельки чернил объемом 14 pl диаметр сопла печатающей головки принтера Epson Stylus Color 800 имеет размер менее 30 мкм. Для капель объемом 10 pl диаметр сопла цветной печатающей головки принтера Hewlett-Packard DeskJet 890C имеет размер около 20 мкм. Учитывая тенденции в направлении уменьшения диаметра сопел и снижения стоимости изготовления, метод лазерной абляции становится все более и более популярным для изготовления сопел. Вот такие сложные технологии используются для получения сопел в современной качественной струйной широкоформатной печати! Справка: Абляция (физич. от позднелат. ablatio — отнятие), унос массы с поверхности твёрдого тела потоком горячих газов, обтекающим эту поверхность. Абляция. происходит в результате эрозии, расплавления, сублимации.

Ла?зерная абля?ция (англ. laser ablation) — метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом, вещество испаряется или сублимируется в виде свободных молекул, атомов и ионов, то есть над облучаемой поверхностью образуется слабая плазма. При плотности мощности лазерного импульса, превышающей порог режима абляции, происходит микро-взрыв с образованием кратера на поверхности образца и светящейся плазмы. (Википедия)



  Другие работы >>


  Другие работы >>


  Другие работы >>


  Другие работы >>

Услуги / Оборудование / Материалы / Техтребования / Дизайн / Наши цены / Галерея / О компании / Публикации / Контакты

«Printwork» - широкоформатная печать 127550, Москва, ул. Прянишникова, 31. Тел.: 8(495)720-01-70; 8(495)720-01-62