Картриджи для лазерных принтеров: из чего состоят и как работают?

Хотя знание теории печати картриджей не всегда необходимо для восстановления картриджа, оно действительно помогает при устранении неполадок. Понимание того, какие процессы происходят внутри лазерного картриджа и как взаимодействуют его основные компоненты, позволяет точно определить источник дефекта и выбрать наиболее эффективный способ ремонта. 

Картриджи для лазерных принтеров можно разделить на такие категории:

• картриджи с магнитным тонером (такие, как монохромные HP LaserJet);
• картриджи с немагнитным тонером (такие, как монохромные Lexmark и Samsung);
• картриджи с немагнитным цветным тонером (однопроходный тип, такой, как HP Color LaserJet 4600);
• картриджи с немагнитным цветным тонером («карусельный» тип, такой, как HP Color LaserJet 1500/2500).

Хотя технологии быстро развиваются, основа их работы меняется незначительно. Но важные изменения все же произошли: уменьшился размер частиц тонера, снизилась температура плавления, снизился заряд, и, конечно, были добавлены чипы. 

Картриджи с магнитным тонером

Процесс печати в картриджах с магнитным тонером лучше всего объясняется как серия этапов.

Первый этап: основной зарядный валик (Primary Charge Roller) наносит равномерное отрицательное напряжение на поверхность фотобарабана (Organic Photoconductor). Величина отрицательного напряжения зависит от настроек интенсивности принтера. Этот процесс можно назвать предварительным зарядом фотобарабана

Второй этап: лазерный луч направляется на вращающееся зеркало (сканер). При вращении зеркало направляет луч на фокусирующие линзы. Затем луч попадает на поверхность фотобарабана, оставляя на ней скрытое электростатическое изображение. В большинстве картриджей барабан совершает около трех оборотов на один отпечатанный лист А4.

Третий этап: изображение проявляется на барабане в проявочном отсеке (отсек подачи тонера), который содержит частицы тонера. Тонер удерживается на магнитном ролике стационарным магнитом внутри оболочки и постоянным током, подаваемым от блока высокого напряжения. Этот ток также контролируется настройками интенсивности принтера и регулирует количество тонера, притягиваемого к барабану.

Как основной заряд, так и напряжение на магнитном ролике регулируются настройками интенсивности. Количество тонера на ролике регулируется лезвием-дозатором, которое сдерживает избыточный тонер и обеспечивает равномерное покрытие. Это лезвие также заставляет тонер накапливаться, делая покрытие более равномерным и позволяя переносить его на барабан. В то же время на магнитный ролик подается переменное напряжение, которое ослабляет притяжение тонера к ролику и увеличивает отталкивание от областей, не подвергавшихся воздействию лазера. Это улучшает детализацию и контраст изображения. По мере приближения частиц тонера к барабану, они притягиваются к его поверхности из-за разности потенциалов между ними.

На четвертом этапе тонерное изображение переносится на бумагу по мере ее прохождения через ролик переноса заряда, который создает положительный заряд на обратной стороне бумаги. Этот положительный заряд притягивает отрицательно заряженные частицы тонера с поверхности фотобарабана на бумагу. Маленький диаметр барабана в сочетании с жесткостью бумаги помогает ей легко отделяться от барабана.

На пятом этапе бумага отделяется от барабана. Устройство нейтрализации статического заряда ослабляет силы притяжения между отрицательно заряженной поверхностью барабана и положительно заряженной бумагой. Это предотвращает осыпание тонера и наматывание бумаги на барабан, особенно при низкой температуре и высокой влажности.

На шестом этапе изображение закрепляется на бумаге в блоке закрепления («печки»), состоящем из верхнего и нижнего валов. Бумага проходит между нагретым элементом и мягким резиновым валом, который прижимает бумагу к верхнему валу. Верхний вал может быть жестким валом с тефлоновым покрытием и галогеновой лампой внутри, либо тефлоновой втулкой с керамическим нагревательным элементом внутри.

В новых моделях используются керамические нагреватели, так как они потребляют меньше энергии, быстрее разогреваются и позволяют печатать быстрее.

На седьмом этапе фотобарабан очищается. В среднем около 95% тонера переносится на бумагу во время печати, оставшиеся 5% удаляются с помощью чистящего лезвия, направляются в блок отработанного тонера и сохраняются там. После завершения печати основной зарядный валик подает переменное напряжение на поверхность барабана, чтобы стереть остаточные заряды, и затем снова заряжает барабан отрицательным напряжением — так начинается новый цикл печати.

В более старых системах вместо зарядных валиков PCR и роликов переноса использовались коронные провода. Эти провода выполняли ту же задачу, но требовали гораздо больше энергии. Преимущества новых валиков зарядки в том, что они работают при более низком напряжении, не создают озон и не требуют стирающих ламп, как это было в старых монохромных лазерных принтерах.

Компоненты картриджа с магнитным тонером:

• магнитный тонер — смесь углерода, порошкового железа и других добавок, которые контролируют поток и заряд тонера. Используется во всех лазерных принтерах HP и Canon.
• магнитный ролик — один из ключевых компонентов для обеспечения плотной печати. Во время вращения тонер притягивается к ролику за счет постоянного магнитного поля внутри оболочки, а также электрических сигналов, подаваемых от блока высокого напряжения принтера;
• лезвие-дозатор — физически регулирует количество тонера на магнитном ролике, используя давление силиконового резинового валика, трущегося о ролик. Это трение помогает равномерно распределять тонер по ролике.
• основной зарядный валик — выполняет две функции:
  • подает постоянное напряжение на фотобарабан, чтобы лазер мог создавать изображение;
  • подает переменное напряжение, чтобы удалять остаточные заряды с поверхности барабана после печати.
• фотобарабан — состоит из алюминиевой основы, покрытой тремя слоями:
  • изолирующий слой,
  • реактивный слой, чувствительный к свету,
  • защитный слой, определяющий срок службы барабана.
• лезвие очистки — резиновый край очищает барабан от оставшегося тонера. Это одна из основных причин износа барабана.
• лезвие сбора отработанного тонера — тонкая пластиковая лента, направляющая тонер, собранный с барабана, в отсек отработки. Без него тонер мог бы осыпаться на отпечатки.
• отсек отработанного тонера — сохраняет собранный тонер. Обычно содержит также барабан, PCR, лезвие сбора и лезвие очистки.
• отсек подачи тонера — хранит весь новый тонер, а также содержит магнитный ролик и лезвие-дозатор.

Картриджи с немагнитным тонером

Процесс печати с немагнитным тонером также лучше всего описывается как серия этапов.

Первый этап — заряд. Основной зарядный ролик наносит равномерный отрицательный заряд на поверхность фотобарабана. Величина этого заряда контролируется настройками интенсивности печати.

Второй этап —  формирование изображения. Лазерный луч отражается от вращающегося зеркала, затем направляется на линзы, и попадает на поверхность фотобарабана, создавая на нем скрытое электростатическое изображение. Обычно барабан делает около трех оборотов на один лист формата А4.

Третий этап — это этап, на котором тонер переносится на барабан из блока проявки (или отсека подачи тонера), содержащего частицы тонера. Тонер удерживается на валу проявки за счет блока высокого напряжения. Это напряжение регулируется настройками интенсивности печати и определяет, будет ли тонера притягиваться к ролику больше или меньше, что влияет на плотность печати. Тонер сначала поступает к ролику проявки с помощью механизма подачи, который обычно представляет собой пенополиуретановый вал. Количество тонера на ролике регулируется металлическим дозирующим лезвием, которое с помощью давления сохраняет постоянное количество тонера на поверхности ролика.

По мере приближения облученных лазером участков барабана к ролику проявки, частицы тонера притягиваются к его поверхности благодаря разности потенциалов между тонером и зарядами на поверхности барабана. Это изображение затем переносится на бумагу при ее прохождении мимо ролика переноса заряда, который придает обратной стороне бумаги положительный заряд. 

Этот положительный заряд притягивает отрицательно заряженные частицы тонера с барабана на бумагу. Малый диаметр барабана и жесткость бумаги помогают последней отделиться от барабана. Устройство нейтрализации статического заряда ослабляет притяжение между отрицательно заряженным барабаном и положительно заряженной бумагой. Без этой помощи бумага могла бы наматываться на барабан. Изображение затем закрепляется на бумаге в узле закрепления, состоящем из верхнего и нижнего валов. Нижний мягкий резиновый вал прижимает носитель к верхнему, который плавит тонер, закрепляя его на бумаге. Верхний вал — это твердый вал с тефлоновым покрытием, нагреваемый с помощью фена.

Четвертый этап — это очистка фотобарабана. В среднем около 90% тонера переносится на бумагу во время печати. Оставшиеся 10% остаются на барабане и удаляются чистящим лезвием, направляются в отсек отработанного тонера с помощью лезвия сбора.

Заключительный этап осуществляется основным зарядным валом. Этот вал подает переменное напряжение на поверхность барабана, стирая с нее все остаточные заряды. Теперь барабан готов снова быть заряженным постоянным напряжением от основного зарядного вала, и цикл печати начинается заново.

Компоненты картриджа с немагнитным тонером

• Немагнитный тонер — используется в однокомпонентных системах. В его составе очень малое количество или вовсе нет порошкообразного железа. Преимущество такого материала — его высокая производительность. 500 г немагнитного тонера могут напечатать до 20 000 страниц, тогда как 500 г магнитного тонера хватит примерно на 10 000 страниц.
• вал проявки;
• дозирующее лезвие;
• основной зарядный вал;
• барабан.

Эти компоненты выполняют те же функции, что и в картриджах с магнитным тонером.

Картриджи с немагнитным цветным тонером (однопроходный тип)

Цветная одноразовая печать — это процесс, при котором бумага проходит мимо каждого цветного картриджа только один раз, а картриджи выстраиваются в линию. Это гораздо более быстрый и точный метод по сравнению с «карусельной» системой. Обычно применяется в более дорогих устройствах.

Процесс печати в таких картриджах содержит следующие этапы.

Первый этап — основной источник экспонирования (светодиод LED), находящийся внутри картриджа, излучает свет на барабан, устраняя остаточные заряды с поверхности и обеспечивая равномерную плотность изображения.

Второй этап — вал первичного заряда (PCR) создает равномерное отрицательное напряжение на поверхности барабана. Величина напряжения регулируется настройками интенсивности печати.

Третий этап — лазерный луч направляется на вращающееся зеркало (сканер). Отраженный луч проходит через фокусирующие линзы и попадает на поверхность барабана, нейтрализуя отрицательный заряд и формируя скрытое электростатическое изображение. Участки барабана, не освещенные лазером, сохраняют отрицательный заряд. Каждый цветной картридж имеет собственные лазер и блок сканирования.

Четвертый этап (этап проявки) —  тонер переносится на барабан в проявочном отсеке (или отсеке подачи), который содержит частицы тонера. Этап проявки фактически делится на два шага: зарядка тонера и собственно проявка.

В процессе зарядки тонера нижний мешалка в контейнере начинает вращаться, создавая трение, которое вызывает отрицательный потенциал на тонере. Кроме того, на вал зарядки тонера подается отрицательное напряжение. Эти два заряда обеспечивают равномерное распределение тонера на ролике проявки. 

После того как тонер надлежащим образом заряжен, он будет удерживаться на валу проявки другим отрицательным напряжением постоянного тока. Это напряжение контролируется по интенсивности принтера и либо увеличивает, либо уменьшает притяжение тонера к ролику проявки, тем самым регулируя плотность печати. 

Тонер сначала подается к ролику проявки механизмом подачи, в данном случае это ролик из открытой пористой пены. Количество тонера на ролике проявки регулируется дозирующим лезвием, которое оказывает давление, чтобы сохранить постоянный уровень тонера. По мере того как облученные лазером участки барабана подходят к ролику проявки, частицы тонера притягиваются к поверхности барабана из-за противоположного электрического потенциала и экспонированных участков поверхности фотобарабана.

Пятый этап — это этап переноса изображения, в котором есть некоторые отличия от монохромных принтеров. Первый шаг в блоке переноса — это участок, где прижимной ролик накладывает положительный заряд на бумагу. Прижимной ролик располагается сразу за участком захвата бумаги. 

Прижимной ролик подает бумагу к электростатическому транспортному ремню (Electrostatic Transfer Belt). На ролик переноса, расположенный напротив барабана и на обратной стороне ремня, подается положительное напряжение постоянного тока. Каждый тонерный картридж имеет собственный ролик переноса. Когда ремень проходит через ролик переноса, положительный заряд захватывает и вытягивает отрицательно заряженный тонер с поверхности барабана на бумагу. 

Этот процесс повторяется для каждого картриджа. По мере прохождения бумаги через каждый картридж положительный заряд на ролике переноса увеличивается, чтобы перенести следующий цвет. После каждого цикла печати ремень очищается от остатков тонера и готов к следующему проходу.

На шестом этапе изображение закрепляется на бумаге узлом термофиксации. Узел термофиксации состоит из нагревательного элемента и прижимного ролика. Нижний прижимной ролик подает бумагу в верхний нагревательный ролик, который расплавляет тонер и закрепляет изображение. Верхний нагревательный узел обычно представляет собой гибкий рукав с индукторным нагревателем внутри. Такой тип термофиксатора обеспечивает почти мгновенное закрепление с минимальной задержкой и низким энергопотреблением.

Заключительные этапы — это этапы очистки ETB-ремня и барабана.

Очистка ETB — ремень очищается каждый раз при включении принтера, при закрытии крышки принтера, в начале задания на печать и после определенного количества страниц. На ролики переноса подаются как положительное, так и отрицательное напряжения. 

Эти напряжения удаляют остаточный тонер как с ремня, так и с барабана, где его затем очищает ракель. После цикла печати на ремень может быть как положительный, так и отрицательный заряд. Поскольку вал переноса всегда находится в контакте с барабаном, важно, чтобы отсеки подачи тонера не были загрязнены старыми остатками. Во время очистки ремня и в однопроходной цветной печати вал проявки не должен контактировать с барабаном. Для этого нижняя часть картриджа может отклоняться, освобождая проявочный вал. В задней части картриджа расположен небольшой блок, который приподнимает вал проявки и отключает его от барабана.

Очистка фотобарабана — он очищается после переноса изображения ракельным лезвием. Ракель соскабливает остатки тонера, а направляющая лезвия подает их в отсек для отработанного тонера. Отработанный тонер затем перемещается в заднюю часть камеры отработки с помощью транспортной ленты. В отличие от других роликов, вал переноса и вал зарядки удерживают на себе тонер. На них подаются переменные отрицательные напряжения, чтобы тонер перемещался между роликами, пока ракель не удалит его. Очистка валов PCR и зарядки тонера происходит каждый раз при включении принтера, закрытии крышек или начале задания на печать.

Калибровка принтера

В начале каждого задания выполняется цикл калибровки. Принтер автоматически калибруется при включении, при установке нового картриджа, после 8 часов работы и через определенные интервалы времени. Калибровка включает печать сплошного черного и полутонового изображения каждого цвета на ETB-ремень. Когда изображенные области достигают верхней части ленты, сенсоры определяют их плотность и регулируют параметры печати. Также проводятся физические калибровки передаточного механизма и различных роликов.

Компоненты картриджа с немагнитным цветным тонером

• цветной немагнитный тонер — используется во всех новых цветных системах HP. В отличие от традиционного порошкообразного тонера, это полимеризованные или химически выращенные частицы. Они имеют однородную форму и вызывают меньший износ, обеспечивая более точную калибровку. Такие тонеры содержат очень малое количество или вовсе не содержат порошкообразного железа.
• вал проявки — металлический вал с резиновым покрытием и проводящей оболочкой. Тонер притягивается за счет электрических сигналов от высоковольтного блока питания. Магниты не используются.
• вал зарядки тонера — gередает дополнительный заряд тонеру при его подаче от питающего ролика к валу проявки. Обеспечивает равномерную зарядку и более точную цветопередачу.
• дозирующее лезвие — регулирует количество тонера, оказывая давление металлическим лезвием на вал проявки. Это также способствует статической зарядке тонера. Цветные картриджи почти всегда оснащаются металлическим дозирующим лезвием.
• основной зарядный вал (PCR) — выполняет две функции: подает постоянное напряжение на барабан для записи лазером и переменное напряжение для удаления остаточных зарядов после печати.
• барабан — покрыт тремя слоями: изоляционным, реактивным (светочувствительным) и защитным. Именно защитный слой определяет срок службы барабана.
• ракель — скребковое лезвие, удаляющее остатки тонера с барабана. Является одной из главных причин износа барабана.
• направляющее лезвие — очень тонкая пленка майлар, направляющая удаленный ракельным лезвием тонер в отсек отработки. Если повреждено — тонер может просыпаться на бумагу.
• камера отработки — собирает весь использованный тонер. Обычно также содержит барабан, PCR, ракель и направляющее лезвие.
• камера подачи — содержит весь новый тонер, сборку проявочного вала, вал зарядки тонера и дозирующее лезвие. 

Картриджи с немагнитным цветным тонером («карусельный тип»)

Еще одним вариантом механизма цветной печати является «карусельный» тип. Такая система значительно дешевле в производстве, чем однопроходные системы. Вероятно, одна из главных причин этого заключается в том, что в однопроходных системах используется отдельный лазерно-сканерный блок и соответствующая электроника для каждого цветного картриджа. В карусельной системе все они используют один общий блок. 

Хотя эта система не такая сложная, как однопроходная, в ней по-прежнему происходит множество процессов, которые должны выполняться с высокой точностью. Карусель удерживает все четыре картриджа и вращается по мере необходимости использования каждого из них. По мере развития технологий такие системы чаще применяются в более бюджетных устройствах. Система HP CLJ 1500/2500 похожа на HP CLJ 4500, но значительно более продвинутая.  

На первом этапе первичный зарядный валик (PCR) наносит равномерное отрицательное постоянное напряжение на поверхность OPC-барабана. Величина этого напряжения регулируется настройкой интенсивности принтера.  

На втором этапе лазерный луч направляется на вращающееся зеркало (называемое сканером). При вращении зеркала луч отражается в набор фокусирующих линз, а затем попадает на поверхность барабана, нейтрализуя отрицательный заряд и оставляя скрытое электростатическое изображение. Участки, на которые лазер не воздействовал, сохраняют отрицательный заряд.

На этом этапе (см. иллюстрацию выше) тонер наносится на барабан с помощью блока проявления (или камеры подачи), содержащего частицы тонера. Когда лопасть для перемешивания тонера вращается внутри бункера, она проталкивает тонер к ролику проявки. В результате трения частицы тонера приобретают отрицательный заряд. Тонер начинает покрывать ролик проявки.

Одновременно на ролик проявки подается отрицательное постоянное напряжение смещения. Это напряжение регулируется настройкой интенсивности принтера и определяет, какое количество тонера притягивается к ролику — больше или меньше. Это, в свою очередь, увеличивает или уменьшает плотность печати.

Окончательное количество тонера на ролике проявки контролируется дозирующим лезвием, которое использует давление и второе напряжение смещения для поддержания постоянного уровня тонера.

Когда участки OPC-барабана, экспонированные лазером, приближаются к ролику проявки, частицы тонера притягиваются к поверхности барабана благодаря разности потенциалов между заряженным тонером и экспонированными областями барабана.

Четвертый этап — это этап первичного переноса. Здесь наблюдаются существенные отличия от монохромных принтеров и даже от модели HP 4600. Первый шаг на этапе первичного переноса заключается в том, что ролик переноса создает положительный заряд на обратной стороне трансферного ремня. Затем отрицательно заряженный тонер с барабана переносится на положительно заряженный трансферный ремень. Этот процесс повторяется для каждого цвета. Положительное напряжение смещения (DC bias) увеличивается для каждого последующего цвета, чтобы обеспечить надежное закрепление всех тонеров на ремне.

Пятый этап — вторичный перенос. Когда бумага достигает трансферного ремня, она проходит рядом с роликом вторичного переноса. Этот ролик создает положительный заряд на бумаге, что вызывает перенос тонера с ремня на бумагу. После завершения переноса на ролик вторичного переноса подается напряжение смещения (DC bias), чтобы предотвратить прилипание тонера. Отделение бумаги от ремня происходит благодаря статическому нейтрализатору и жесткости самой бумаги.

Шестой этап (см. иллюстрацию выше) — закрепление изображения. Закрепляющий узел, состоящий из верхнего нагревательного элемента и нижнего прижимного ролика, фиксирует тонер на бумаге. Нижний ролик прижимает бумагу к нагревательному элементу, который расплавляет тонер. Верхний нагревательный элемент представляет собой гибкую втулку с индукционной нагревательной катушкой внутри. Такая конструкция обеспечивает мгновенный нагрев, минимальное время ожидания и низкое энергопотребление. На втулку также подается напряжение смещения для фиксации тонера и предотвращения его рассеивания.

Седьмой этап — очистка трансферного ремня. Очистка выполняется при включении принтера, закрытии крышек, начале печати и после определенного количества отпечатанных страниц. Вспомогательный очистной ролик получает положительное напряжение смещения, которое удерживает тонер на ремне. Затем подается дополнительное напряжение на основной очистной ролик, создающее разность потенциалов с предыдущим зарядом. На трансферный ремень и ролик очистки OPC-барабана также подаются напряжения смещения для удаления остаточного тонера.

Последний этап — очистка барабана (см. выше). Барабан очищается после всех предыдущих этапов с помощью очистного лезвия. Этот процесс довольно стандартен: лезвие соскребает тонер с барабана, а направляющее лезвие отправляет его в отсек для отходов. Особенностью является система транспортировки отработанного тонера. Тонер удаляется из блока барабана с помощью шнекового транспортера. Тонер перемещается по транспортной пластине к другому шнеку, который окончательно доставляет его в контейнер для отходов. Этот контейнер является частью узла трансферного ремня.

Как видно, источник постоянного тока активно задействован на протяжении всего процесса печати. Хотя эти устройства доказали свою надежность, даже незначительные отклонения в работе источника питания могут вызвать серьезные проблемы.

В начале всего процесса происходит цикл калибровки. Принтер выполняет калибровку при включении, установке нового картриджа с тонером или барабаном, а также через определенные интервалы, определяемые количеством отпечатанных страниц. Калибровка включает печать сплошных блоков и полутонов каждого цвета на трансферный ремень. Когда отпечатанные области достигают верхней части ремня, датчик определяет их, измеряет плотность и соответствующим образом корректирует настройки принтера.

Компоненты немагнитного цветного картриджа карусельного типа:

• немагнитный цветной тонер — используется во всех новых цветных системах HP. В отличие от традиционного измельченного тонера, эти цветные тонеры являются полимеризованными или химически выращенными. Полимеризованные тонеры имеют идеально круглые частицы, которые меньше изнашивают детали и обеспечивают более точную цветовую калибровку. В таких тонерах используется очень малое количество или вообще отсутствует порошковое железо;
• ролик проявки — состоит из металлического вала с резиновым покрытием и проводящей внешней гильзой. Тонер притягивается к ролику электрическими сигналами от высоковольтного блока питания принтера. Для притягивания тонера не используются магниты или другие элементы;
• ролик заряда тонера — заряжает тонер при его подаче с подающего ролика на ролик проявки. Этот дополнительный заряд обеспечивает более равномерное распределение заряда на ролике проявки, что улучшает качество цветной печати;
• дозирующее лезвие — дизически регулирует количество тонера на ролике проявки за счет давления металлического лезвия, которое соприкасается с поверхностью ролика. Трение также способствует статической зарядке тонера для равномерного распределения слоя на гильзе ролика. В цветных картриджах обычно используется металлическое дозирующее лезвие;
• первичный зарядный ролик — выполняет две функции: подает постоянный ток на поверхность барабана для возможности записи лазером, а также подает переменный ток для удаления остаточных зарядов с поверхности барабана после печати;
• барабан  — в картриджах используются OPC-барабаны;
• очистное лезвие;
• направляющее лезвие — тонкое майларовое лезвие, которое направляет тонер, удаленный очистным лезвием, в отсек для отходов. При его отсутствии или повреждении тонер мог бы попадать на печатаемые страницы.
• камера отходов — собирает и хранит отработанный тонер. Обычно содержит барабан, PCR, направляющее и очистное лезвия. В модели HP 4600 также содержит светодиодную линейку первичной экспозиции;
• камера подачи — содержит свежий тонер, узел ролика проявки, ролик заряда тонера и дозирующее лезвие.