Технология струйной печати развивается уже несколько десятилетий и значительно изменила жизнь людей. Ее можно разделить на два типа: технологию непрерывной струйной печати (Continuous Inkjet — CIJ) и технологию капельной печати (Drop-on-Demand — DOD). Технология капельной печати включает пьезоэлектрическую, термоструйную, электростатическую и акустическую струйную печать. У этих технологий есть свои преимущества и недостатки, например, принтер капельной печати обладает более высокой точностью, чем непрерывная струйная печать.
Оптимизация качества печати может быть достигнута за счет трех факторов: чернил, бумаги и эффекта «кофейного кольца». Качество чернил можно улучшить, контролируя температуру. Качество бумаги можно улучшить, изменив ее структуру. Эффект кофейного кольца можно устранить, используя водорастворимые полимерные добавки или контролируя температуру. Ожидается, что будущие достижения в области технологии струйной печати будут сосредоточены на оптимизации этих факторов посредством междисциплинарных подходов, включая материаловедение, гидродинамику и передовые технологии производства.
Как уже было сказано, стоит выделить две разновидности этой технологии: непрерывная струйная печать (CIJ) и капельная струйная печать (DOD).
Непрерывная струйная печать
На рисунке показан процесс непрерывной струйной печати. Чернила, выкачиваемые из системы подачи чернил, разбиваются пьезоэлементом на мелкие капли. Затем капли проходят через сопло и заряжаются зарядным электродом. Когда сигнал изображения поступает на дефлектор, он управляет напряжением электрического поля, что позволяет заряженным каплям отклоняться и печатать на материале. Незаряженные капли возвращаются в желоб для переработки.
Непрерывная струйная печать может быть двухпозиционной или многопозиционной. Различие между двумя системами заключается в электроде. На рисунке ниже показаны две системы дефлекторов.
На рисунке A показана система бинарного отклонения, а на рисунке Б — система многократного отклонения. В системе бинарного отклонения капля заряжается только до нужного уровня и попадает непосредственно на изделие. В системе многократного отклонения капли проходят через электрод с разным уровнем заряда. По сравнению с системой бинарного отклонения, она позволяет печатать небольшие изображения, используя всего одно сопло. Принцип работы непрерывной струйной печати обуславливает низкую точность и сложную систему подачи чернил. Однако высокая рабочая частота делает ее популярной в промышленном производстве.
Капельно-струйная печать
По сравнению с непрерывной струйной печатью (CIJ), печать методом DOD имеет более широкую область применения и широко применяется в офисах или у домашних пользователей. Она включает в себя 4 метода: пьезоэлектрическую струйную печать, термоструйную печать, электростатическую струйную печать и акустическую струйную печать.
Пьезоэлектрическая струйная печать
На рисунке показана основная конструкция пьезоэлектрического струйного принтера, включающая пьезоэлектрический привод и сопло.
При пьезоэлектрической струйной печати на пьезоэлектрический привод подается импульсное напряжение. Пьезоэлектрический привод меняет свою форму при добавлении напряжения. Это создает давление в чернильной камере, заставляя капли чернил выбрасываться из сопла. В этом методе струйная печать может управляться электрической системой путем подачи напряжения на пьезоэлектрический преобразователь.
Перед печатью сопло нагревает чернила до нужной температуры. Вязкость чернил может зависеть от температуры. Чем выше температура, тем ниже вязкость. Таким образом, пьезоэлектрическая струйная печать имеет значительное преимущество в поддержании стабильности чернил. Пьезоэлектрическая струйная печать проста в эксплуатации, недорога и позволяет точнее управлять каплей. Для управления струей чернил можно напрямую подавать напряжение на пьезоэлектрический привод. Эти преимущества позволяют пьезоэлектрическим струйным принтерам стать одними из лидеров мирового рынка.
Термоструйная печать
Термоструйная печать использует другой метод, показанный на рисунке ниже. Он бывает трех видов: с верхним распылителем, с боковым распылителем и с подвесным нагревателем. Отверстие верхнего распылителя расположено в верхней части нагревателя. В подвесном нагревателе нагреватель подвешен в чернильной камере. В отличие от верхнего нагревателя, в боковом нагревателе отверстие расположено рядом с нагревателем.
Когда нагреватель достигает температуры около 300°C, время, необходимое для образования пузырька, составляет всего 2 мкс. Давление внутри камеры будет увеличиваться по мере увеличения пузырька, пока капля чернил не вылетит через сопло. Пузырь при этом лопнет. Давление внутри сопла будет уменьшаться из-за выброса капли. Затем чернила заливались в камеру, где формировался еще один пузырек и формировалась новая капля. Это принципы работы термоструйной печати.
Сопло термоструйного принтера просто в конструкции и удобно в использовании. Однако, поскольку оно требует работы при высоких температурах, существует ограничение, связанное с нестабильностью чернил из-за тепловой энергии. Более того, высокие температуры могут привести к химическим изменениям чернил, что является существенным недостатком по сравнению с пьезоэлектрической печатью.
Электростатическая струйная печать
В отличие от двух предыдущих типов, где чернила выталкиваются из сопла, электростатическая струйная печать использует заряженную пластину, расположенную за подложкой, которая создает электрическое поле между соплом и подложкой. Капли чернил притягиваются электрической силой и перемещаются к подложке. Импульсное напряжение, действующее на заряженную пластину, может управлять процессом каплеобразования.
По сравнению с пьезоэлектрической и термоструйной печатью, электростатическая струйная печать отличается более высокой скоростью печати, лучшим качеством и меньшим расходом чернил. Однако существенным ограничением электростатической струйной печати являются свойства чернил. Чтобы чернила электростатического принтера могли выталкиваться из сопла под действием электрической силы, они должны обладать хорошей электропроводностью. Это ограничивает применение электростатической печати.
Акустическая струйная печать
На рисунке ниже показан процесс акустической струйной печати. Рабочая часть акустического струйного принтера состоит из преобразователя и акустической линзы. Акустическая волна создается преобразователем. При прохождении через акустическую линзу волна фокусируется и преобразует акустическую энергию в одну точку, что приводит к образованию и выбросу капли чернил на подложку.
Акустическая струйная печать имеет свое преимущество — конструкцию без сопла. Это позволяет значительно снизить вероятность засорения сопла, что снижает риск непредвиденных отказов, вызванных его блокировкой.
Сравнение печати CIJ и печати DOD
Разница между печатью непрерывной струйной и капельной печатью зависит от характера потока, проходящего через сопло. При печати CIJ поток капель непрерывный, и через сопло могут проходить только капли, несущие заряд. В отличие от этого, поток DOD-печати импульсный, капля выбрасывается только по мере необходимости. Более того, струйные DOD-устройства создают капли размером от 10 до 50 мкм, что сопоставимо с каплями, создаваемыми при непрерывной струйной печати. Эти преимущества обеспечивают более высокую точность капельных струйных аппаратов, что позволяет им быть гибкими и универсальными в различных ситуациях.
Меры по оптимизации точности струйных принтеров
По мере развития технологий ученые предпринимали меры по оптимизации точности струйной печати. Струйная печать основана на форме, выбросе и каплеобразовании каждой капли чернил. В процессе печати капля выбрасывается из сопла, ударяется о основание и растекается по поверхности подложки. Для оптимизации точности струйного принтера, прежде всего, необходимо улучшить качество чернил.
Оптимизация химического состава чернил
Разрешение струйной печати зависит от площади осаждения капель чернил. При падении капли чернил на подложку она проникает и рассеивается по ее поверхности. Чем больше площадь поверхности, тем ниже разрешение. Для уменьшения этой площади важную роль играет вязкость чернил, которая может препятствовать их растеканию. Однако вязкость чернил не должна быть чрезмерно высокой, иначе возникнет риск засорения сопла.
Проводились эксперименты, в рамках которых использовались графеновые нанопластинки (ГНП) средней толщиной 10 нм и средним диаметром 8 мкм. Также были задействованы два типа составов, отличающихся добавлением коммерческого полимерного диспергирующего агента. Эксперимент проводился при различных температурах: от 15°C до 45°C. В результате вязкость чернил с диспергирующим агентом была ниже, чем у чернил без диспергирующего агента. В обоих случаях более высокие температуры соответствуют более низкой вязкости. Это означает, что вязкость чернил можно контролировать с помощью температуры.
Подавление эффекта «кофейного кольца»
Представьте, что вы пролили каплю кофе или чернил на стол. После того как она высохнет, вы увидите, что вся краска собралась по краям, а середина осталась почти пустой. Это и есть эффект «кофейного кольца» — знакомое всем явление, которое здорово портит жизнь в струйной печати. Механизм обусловлен капиллярным потоком, компенсирующим интенсивное испарение жидкости у края капли. Этот поток транспортирует частицы к периметру, где они осаждаются, формируя характерное кольцо. В контексте струйной печати данное явление снижает качество отпечатка, поскольку приводит к неравномерному распределению пигмента.
Для подавления эффекта кофейного кольца применяются водорастворимые полимерные добавки, такие как полиэтиленгликоль (ПЭГ). Их действие основано на двух основных физических эффектах. Во-первых, увеличение вязкости дисперсионной среды полимером создает гидродинамическое сопротивление, которое противодействует движению частиц к краю капли. Это замедляет их осаждение на периферии.
Во-вторых, возникает эффект Марангони — конвективный поток, вызванный градиентом поверхностного натяжения. В процессе испарения концентрация полимера у края капли увеличивается, что локально снижает поверхностное натяжение. В результате возникает поток жидкости от центра к краю, компенсирующий капиллярное течение. В некоторых условиях это может приводить к обратному, центростремительному потоку, который возвращает частицы во внутреннюю область капли.
Совместное действие этих эффектов нарушает механизм формирования кольца и способствует более однородному осаждению частиц по всей площади капли. Для анализа процесса используются методы видеомикроскопии, позволяющие непосредственно наблюдать движение частиц и динамику высыхания капли.
Каждая из этих перечисленных технологий обладает уникальными принципами работы, преимуществами и ограничениями, определяющими их применение в различных областях.
Непрерывная струйная печать (CIJ) основана на формировании постоянного потока капель, часть которых, будучи заряженными, отклоняется на подложку для формирования изображения. Особый интерес представляет система множественного отклонения, которая обеспечивает возможность печати сложных изображений с использованием всего одного сопла, что отличает ее от системы бинарного отклонения. Несмотря на относительно невысокое разрешение и сложность системы подачи чернил, ключевым достоинством CIJ является исключительно высокая рабочая частота, что делает эту технологию незаменимой для задач промышленного маркирования и кодирования.
Прямая струйная печать по требованию (DOD), в свою очередь, обеспечивает более высокую точность за счет генерации капель только в те моменты, когда это необходимо. Среди методов DOD выделяются четыре основных типа. Пьезоэлектрическая печать, в которой капля формируется за счет деформации пьезоэлемента под действием напряжения, является одной из наиболее распространенных и технологически отработанных. Термоструйная печать, использующая для выброса капли быстрое образование парового пузырька, отличается простотой конструкции печатающей головки, но сталкивается с серьезными ограничениями, связанными с термической стабильностью чернил.
Электростатическая печать, где капли притягиваются к подложке под действием электрического поля, позволяет достичь высокого качества отпечатка, но предъявляет жесткие требования к электропроводности чернил. Наконец, акустическая струйная печать, использующая сфокусированную звуковую энергию для выброса капли, представляет собой перспективный подход, позволяющий в перспективе отказаться от традиционного сопла, что потенциально может решить проблему его засорения.
Повышение качества струйной печати является комплексной задачей, требующей решения нескольких ключевых проблем. Одной из первостепенных задач является точный контроль реологических свойств чернил, в частности, их вязкости, которую можно эффективно регулировать с помощью температурного воздействия. Другим фактором является адаптация физико-химических свойств подложки для обеспечения оптимального смачивания и закрепления чернил. Однако наиболее сложной и распространенной проблемой остается эффект кофейного кольца — неравномерное осаждение частиц по краю высохшей капли, вызванное компенсационным капиллярным потоком жидкости в процессе испарения.
Если перед вами стоит задача выбора струйного оборудования или расходных материалов, оптимально соответствующих вашим задачам, мы настоятельно рекомендуем обратиться за консультацией к нашим специалистам. Опытные менеджеры отдела продаж обладают экспертных знаниями в области пьезоэлектрической, термоструйной и других технологий печати. Они готовы провести детальный анализ ваших требований, чтобы предложить наиболее эффективное и экономически обоснованное решение — от промышленного плоттера коммерческого назначения до наиболее удобного и недорогого офисного принтера.
