Цифровая печать

 

Цифровая печать - термин включающий в себя несколько видов печати. Все они характеризуются отсутствием печатной формы с которой изображение переносится на запечатываемый материал. Такая технология носит название NIP (Non-Impact-Printing) - бесконтактные виды печати. Их несколько видов:

1.    Электрофотография

2.    Ионография

3.    Магнитография

4.    Струйная печать

5.    Термография

6.    Фотография

 

Мы применяем электрофотографический способ печати, поэтому на нем и остановимся подробнее.

Электрофотография - это самая распространённая NIP-технология. Она основана на изобретении Честера Карлсона (заявлено на получение патента в 1939 г. и зарегистрировано в 1942 г.).

 

1. Основы электрофотографии

На рис. 2  изображёна реализация способа электрофотографии. Процесс электрофотографической печати подразделяется на пять ступеней:

1) формирование изображения;
2) нанесение тонера (проявление);
3) перенос тонера (печать);
4) закрепление тонера;
5) очистка (подготовка).

 

Рис. 2

Эти пять ступеней процесса в дальнейшем будут рассматриваться более подробно. Большое значение в процессе электрофотографии имеет конструкция носителя изображения. Носитель изображения может быть сконструирован, как показано на рисунке, в виде цилиндра, который выполняется из сплавов на основе алюминия, или в виде гибкой ленты с нанесенным фоточувствительным покрытием.

Цилиндры для формирования изображения могут иметь следующие фоточувствительные покрытия:

.               • As₂Se₃ или подобные соединения, содержащие селен;

.               • органический фотополупроводник ОРС (Organic Photo Conductor);

.               • аморфный кремний (обозначается a-Si или α-Si).

 

Реализация способа электрофотографии

Наиболее распространено покрытие из многослойных органических фоторецепторов. Применение аморфного кремния получает распространение, а использование соединений с содержанием селена сокращается.

На рис.3 изображена структура носителя с покрытием ОРС с равномерным отрицательным зарядом. Свет поглощается основным слоем, генерирующим положительный заряд, CGL (Charge Generating Layer), который при помощи транспортирующего слоя CTL (Charge Transport Layer), попадает на поверхность, в результате чего образуется электрически нейтральный участок. Обычно поверхности с покрытием ОРС имеют отрицательный заряд, а с покрытием из аморфного кремния или соединений селена - положительный.

Покрытия из аморфного кремния по сравнению с покрытиями ОРС имеют большую устойчивость к истиранию, но и затраты на их производство выше.

Слой ОРС можно защитить дополнительными покрытиями для уменьшения износа. В настоящее время ведутся дальнейшие разработки по усовершенствованию обеих систем покрытий.

Далее рассматриваются названные выше пять ступеней печатного процесса для электрофотографии.

1. Формирование изображения

Формирование изображения производится посредством изменения заряда участков фотополупроводниковой поверхности носителя изображения под воздействием управляемого источника света. Это может быть лазерное излучение или свет, испускаемый светодиодами. В обычных копировальных устройствах процесс записи обеспечивается прямой оптической проекцией оригинала. Воздействие световых импульсов на фоторецептор цилиндра соответствует изображению. Посредством облучения равномерно заряженная поверхность слоя частично разряжается, т.е. меняется заряд участков в соответствии с формируемым изображением (поскольку при электрофотографии изображение может записываться как при помощи лазерного излучения, так и при помощи светодиодов, название «лазерное печатающее устройство», применяемое вместо «электрофотографическое печатающее устройство», не соответствует действительности). При прямом формировании изображения в копировальном устройстве для облучения оригинала используется свет галогенового источника. Белые, не занятые деталями изображения, участки оригинала отражают свет, освещая участки фотополупроводнико

вого слоя, и заряды, соответственно, «стекают» с них. Диапазон длин волн источника следует подбирать в соответствии с характеристиками покрытия. Длины волн лазерных источников часто составляют около 700 нм.

2. Нанесение тонера (проявление)

В электрофотографии используются специальные красящие вещества. Это могут быть сухие или жидкие тонеры, различающиеся по составу и содержащие важные для формирования изображения компоненты: пигменты или красители. Тонер наносится красящей системой (специальным устройством). Благодаря разности потенциалов (электрических полей) мельчайшие частицы тонера переносятся на заряженные участки фотополупроводникового слоя. Нанесение тонера происходит таким образом, что заряженные участки поверхности притягивают частицы тонера (изображёно в упрощённом виде на рис. 5.2-1), после чего скрытое изображение на цилиндре становится видимым. Вследствие этого система нанесения называется также проявочным устройством.

Рис. 3. Структура носителя с покрытием органическим фотополупроводником (ОРС)

3. Перенос тонера (печать)

Тонер может переноситься с цилиндра или ленты прямо на бумагу, а также посредством промежуточных элементов, например в виде цилиндра или ленты. Как показано на рис. 2, тонер переносится, как правило, прямо с фотополупроводникового слоя цилиндра на запечатываемый материал. Чтобы заряженные частицы тонера перешли с поверхности цилиндра на бумагу, в зоне печатного контакта посредством зарядного устройства (Corona) создается электростатическое поле. Перенос поддерживается прижимом поверхности цилиндра к бумаге.

4. Закрепление (оплавление) тонера

Чтобы для получения стабильного изображения закрепить частицы тонера на бумаге, необходимо фиксирующее устройство. Оно осуществляет подачу тепла в зону печатного контакта, что приводит к оплавлению и закреплению тонера на бумаге.

5. Очистка

Как показано на рис. 2, после переноса изображения с фотополупроводникового слоя цилиндра на бумагу на нем могут оставаться отдельные частицы тонера и остаточные заряды. Чтобы подготовить цилиндр для следующего изображения, необходима механическая очистка поверхности и восстановление одинакового заряда всех его участков. Механическая очистка для удаления частиц тонера может производиться при помощи щёток или вытяжки. Зарядовая нейтрализация осуществляется посредством равномерного облучения поверхности (часто также посредством переменного электрического поля). После этого поверхность становится электрически нейтральной и подготовленной к новому циклу работы. Как и на первой ступени процесса, производится зарядка фоторецептора цилиндра по всей поверхности при помощи коронного разряда (рис. 3), а затем формируется соответствующее изображение.

Качество оттисков

Из описанных выше процессов становится ясно, что электрофотография не требует печатной формы со стабильным изображением. При каждом обороте на фотополупроводниковом слое цилиндра можно формировать совершенно новое скрытое изображение (переменное изображение).

Если при помощи этой технологии нужно изготовить тираж, например, в сто идентичных оттисков, то в противоположность способам печати с печатной формой для них формируется (сто раз) одно и то же скрытое зарядное изображение. Это может привести к колебаниям качества оттисков, во-первых, из-за отклонений в зарядке участков слоя фоторецептора, а во-вторых, из-за разницы в нанесении тонера на скрытое изображение и в последующем его переносе на бумагу. Поэтому в бесконтактных способах и, в частности, в электрофотографии в процессе печати тиража чаще возникают несоответствия изображения и оригинала на отдельных оттисках, чем при технологиях с печатной формой.

При печати способом электрофотографии решающее влияние на качество и стабильность оказывает идентичность скрытого изображения оригиналу, равномерность и точность переноса тонера, его закрепление на бумаге, а также температура поверхности цилиндра или промежуточного носителя для следующего печатного цикла. Для этого необходимы технологические компоненты высочайшей сложности.

На рис. 4 для сравнения с рис. 2 дано подробное изображение компонентов процесса (в этом примере перенос тонера производится на бумажное полотно). На рисунке показаны, в частности, устройства для равномерной зарядки фотопроводящего цилиндра, для переноса тонера с цилиндра на бумагу, для нейтрализации поверхности перед процессом очистки от тонера, а также элемент облучения разрядной лампой.

Рис. 4.

2.   Устройства для формирования изображения

На рис. 5 изображена принципиальная схема формирования изображения методом электрофотографии.

Рис. 5

 

На рис. 5а изображена система, использующая многогранное вращающееся зеркало (ROS: Raster Output Scanner) (скорость 1000 м/с, число оборотов многогранного зеркала 500 об/с). Луч или лучи от одного или нескольких источников лазерного излучения отклоняются посредством многогранного зеркала. На рис. 6 эта система показана более подробно.

На рис. 5б изображена стационарная система для формирования изображения по всей ширине запечатываемого материала. Она построена в виде линейки светодиодов.

На рис. 5в и 9 показан принцип построения системы формирования изображения с исполь-зованием устройства с микрозеркалами Microspiegel-Arrays (DMD - Digital Mirror Device) фирмы Texas Instruments

 

 

На рис. 6 показан пример высокопроизводительного устройства для формирования изображения с помощью светодиодов (LED) с разрешением в 600 dpi.

Рис.6 Система с вращающимся зеркалом (ROS - Raster Output Scanner) для формирования изображения в электрофотографии (LBP-CX/ 1986, Canon)

Рис. 7 Линейка светодиодов для формирования изображения на фотополупроводниковом слое цилиндра в электрофотографии, разрешение 600 dpi, ширина строки 520 мм (генератор строк ZG 2, Oce, [5.2-2])

 

Кроме того, на рис. 8 изображены некоторые технические детали системы, представленной на рис. 7 [3].

Рис. 8 Конструкция светодиодов (LED) для формирования изображения в электрофотографических печатных системах:

а система для формирования изображения (соответственно рис. 7) (600 dpi, длина до 520 мм);

б модуль LED (в центре системы) с интегральными микросхемами и проводниками (ZG 2, Oce);

в фрагмент микросхемы LED с разрешением 600 dpi (Oce)

 

 

Рис. 9 Применение модуля с микрозеркалами DMD (Digital Mirror Device) в электрофотографической печатной системе (Texas Instruments; 5, 6)

 

Длина волн излучения в системах на светодиодах составляет 660-740 нм. Необходимо согласование источников излучения и свойств фоточувствитель-ной поверхности носителя изображения.

Описанные выше системы лазерного формирования изображения на фотополупроводниковом слое работают в диапазоне длины волн от 630 до 780 нм.

В последнее время всё больше обсуждается применение синих лазерных светодиодов (длины волн около 430 нм). Они имеют излучение с короткой длиной волны и очень хорошими оптическими свойствами для достижения наибольшей резкости сфокусированного изображения. Таким образом, возникают конструктивные преимущества из-за возможности применения допусков на точность установки цилиндра и других элементов.

На рис. 5в и 9 показан принцип построения системы формирования изображения с исполь-зованием устройства с микрозеркалами Microspiegel-Arrays (DMD - Digital Mirror Device) фирмы Texas Instruments [5, 6].

Устройство для формирования изображения на основе световых клапанов показано на рис. 9а

Рис. 9а Светоклапанная линейка для формирования изображения; цилиндр, покрытый фотополупроводниковым слоем; PLZT; (цирконат-титанат свинца и лантана, прозрачный керамический материал)

 

На схеме, изображённой на рис. 5г, при использовании электрооптической керамики возможна реализация принципа светового клапана. В этом случае повышается разрешающая способность и скорость записи изображения.

 

 

3.    Красочный аппарат (проявочная секция) и тонер

Аппарат для переноса тонера (проявки скрытого зарядного изображения) на носитель изображения конструируeтся в зависимости от процесса зарядки, состава тонера (одно-, многокомпонентная структура и т.д.) и от скорости печати (нанесения). Применяются одно- и двухкомпонентные проявители в виде порошка, а также жидкие тонеры.

Порошковый двухкомпонентный проявитель - самая распространённая структура. Проявитель в этой системе состоит из частиц-носителей и красящих частиц. Частицы-носители (например окись железа с размером частиц 50 мкм) посредством электростатических сил удерживают частицы красителя или пигмента. Диаметр красящих частиц (в зависимости от способа производства) составляет от 5 до 20 мкм, в дорогостоящих составах в среднем от 6 до 8 мкм.

В аппарате (проявочной секции) частицы-носители и красящие частицы смешиваются и подаются на накатные (проявочные) валики. Фотополупроводниковый слой цилиндра принимает заряженные частицы тонера в соответствии с их зарядами. На рис. 11 приведён пример проявочной секции.

Рис. 10 Высокопроизводительная проявочная секция с двухкомпонентным тонером с двумя проявочными накатными валами для переноса тонера (Oce, 5-2-2)

 

Частицы-носители используются в последующих процессах повторно. Для переноса тонера на фоточувствительный слой цилиндра накатные валики имеют магнитные щётки.

На рис. 11 показано построение и принцип действия проявочных валиков при двухкомпонентном проявлении с магнитной щёткой.

Рис.11 Магнитная щётка для переноса тонера на фотополупроводниковый слой цилиндра:

а) частицы тонера и носителя в проявочной секции; перенос при

помощи магнитной щётки; постоянные магниты, вращение

в одном направлении;

б) конструкция магнитной щётки для равномерной подачи тонера

на фоторецептор: магнитный, накатной валики вращаются

в противоположных направлениях (Kodak)

 

Посредством изображённой на рис. 11б магнитной щётки с многополюсным магнитным стержнем в накатном валике, вращающимися в противоположных направлениях, тонер в виде нитевидной структуры передаётся на фотополупроводниковый слой. Участки поверхности с зарядами притягивают тонер - и скрытое зарядное изображение проявляется.

Существуют однокомпонентные проявители на магнитной и немагнитной основе.  Ядро однокомпонентного магнитного проявителя состоит из окиси железа, а красящие компоненты тонера (пигменты, связующие вещества, добавки) окружают это ядро. Поэтому тонер переносится на фотополупроводниковый слой цилиндра относительно простым способом, без применения циркуляционной и смешивающей системы, а только посредством накатного валика с магнитной щеткой. Недостатком такого проявителя является то, что окись железа не позволяет создавать стандартные хроматические цвета (голубой, пурпурный, жёлтый).

Немагнитные однокомпонентные проявители применяются в системах с низкой скоростью печати. При их использовании очень трудно равномерно наносить тонер на большие поверхности. Кроме того, они подвержены пылению при печати. В этом случае может ухудшаться качество изображения на оттиске.

Жидкий тонер состоит из жидкости-носителя, в которой находятся очень мелкие частицы тонера (1-3 мкм). Во время проявления заряженные частицы тонера переходят из жидкости-носителя и концентрируются на элементах изображения.

Процесс осаждения требует контроля температурных и электрических параметров. Жидкость-носитель должна удаляться с окрашенной поверхности посредством испарения и вытяжки. Благодаря тому что частицы тонера очень малые, получаемое качество печати сравнительно высокое.

 

Печатные системы с жидкими проявителями

В многокрасочной печатной системе фирмы Indigo в соответствии с рис. 12 применяется жидкий проявитель вместе с органическим фотополупроводниковым слоем на цилиндре для формирования изображения.

Рис.12 Электрофотографическая многокрасочная печатная система с жидким тонером (TurboStream, 33 страницы А4 в минуту), Indigo

 

В системе MD300, заявленной фирмой Mitsubishi, в которой в качестве носителя изображения используется аморфный кремний, также применяются жидкие проявители (рис. 13).

Рис.13 Электрофотография с применением жидких тонеров и цилиндра для формирования изображения со слоем аморфного кремния:

а) концепция печатной системы (72 страницы А4 в минуту);

б) печатная секция с проявкой жидким тонером на цилиндре с покрытием из аморфного кремния для формирования изображения (800 dpi, 8 градаций на пиксель) (MD 300, Mitsubishi по состоянию на 1999 г.)

Работы фирмы Ricoh также касаются использования жидких проявителей в электрофотографии.

Печатные системы с двухкомпонентным проявителем

Двухкомпонентные проявители используются в распространённых печатных системах для многокрасочной печати высокого качества и производительности, например в системе Xeikon

Рис. 14. Многокрасочная печатная система на основе электрофотографии с применением двухкомпонентного сухого тонера; 600 dpi, 9 градаций на пиксель, ширина ленты 500 мм, 50 листов А4 в минуту (двусторонняя печать, см. также рис. 4.5-3), DCP 500, Xeikon, по состоя-нию на 1999 г.

Печатные системы с однокомпонентными проявителями

используются в однокрасочных печатных системах высокой производительности, например в системах, а также в относительно простых электрографических копировальных и печатных системах. В многокрасочной печатной системе с низкой производительностью, изображённой на рис. 15, визуализация изображения производится немагнитным однокомпонентным проявителем, который подаётся более простым способом непосредственно из  картриджа. Для однокомпонентных проявителей не требуется дополнительных расходных материалов, которые используются в двухкомпонентных проявителях с частицами-носителями. Конструкция проявочной секции также проще.

Рис. 15 Многокрасочная печатная система (электрофотография, однокомпонентный тонер, формирование изображения посредством светодиодов, формат А4, 600 dpi, 8 страниц А4 в минуту (OKIPAGE 8c, OKI)

 

Система с тремя уровнями (для «высоких» цветов)

В технологии электрофотографии существует специальный метод, при помощи которого на носителе могут создаваться изображения с различным уровнем заряда участков поверхности.
На рис. 16б изображён принцип, который используется фирмой Xerox в некоторых моделях оборудования. При помощи устройства для формирования изображения на фотополупроводниковом слое ленты создается скрытое изображение с разрешением в 300 dpi с различным уровнем величины заряда, например, цветные изображения с высоким, а чёрно-белые с низким потенциалом. Средний потенциал не допускает переноса тонера (поэтому три уровня). Применяются различные сухие тонеры соответственно для различных зарядов поверхности.

Эта система позволяет воспроизводить цвета в так называемых высоких светах. На фрагмент слоя ленты наносятся, например, чёрное и синее растровое изображение соответственно. Обе секции для проявления переносят тонер. В результате получается новый цвет повышенной насыщенности, составленный из чёрного и синего (рис. 16в). Этот метод подходит, прежде всего для того, чтобы впечатывать дополнительное изображение специальной краской, например чтобы впечатать логотип на фоне чёрного текста или сделать в нем отдельные цветовые выделения.

На рис. 16б изображён принцип, который используется фирмой Xerox в некоторых моделях оборудования. При помощи устройства для формирования изображения на фотополупроводниковом слое ленты создается скрытое изображение с разрешением в 300 dpi с различным уровнем величины заряда, например, цветные изображения с высоким, а чёрно-белые с низким потенциалом. Средний потенциал не допускает переноса тонера (поэтому три уровня). Применяются различные сухие тонеры соответственно для различных зарядов поверхности.

Рис. 17 Электрофотография в системе с тремя уровнями заряда поверхности цилиндра с использованием специальных тонеров и тоне-ров высокой яркости:

а печатная система; б метод трёхуровнего заряда поверхности (потенциалы напряжения); в пример: чёрный + синий (светлый) (например DocuPrint 350-HC, Xerox)

 

4. Закрепление (фиксирование)

Как показано на рис. 2 после переноса изображения при помощи тонера на бумагу происходит его фиксирование (закрепление). Фиксирование производится посредством подачи тепла и созданием давления. Задачей этой стадии является закрепление на бумаге частиц тонера посредством оплавления (спекания). Кроме того, при оптимальном проведении процесса может произойти улучшение качества поверхности красочного слоя. В системе, изображённой на рис. 14, тонер закрепляется посредством давления валиков и подводом тепла на поверхность оттиска.

На рис. 18 показано устройство для фиксирования (закрепления). Процесс происходит благодаря воздействию тепла и давления на тонерное изображение, находящееся на бумаге.

Рис. 18 Устройство для фиксирования/закрепления (Oce)

Проблемы процесса закрепления могут заключаться в слишком сильном воздействии тепла и связанным с этим высушиванием бумаги, а также в нежелательных изменениях структуры красочного слоя. Устройства для фиксирования, которые закрепляют тонер посредством давления между валиками, могут вызвать скручивание запечатанного листа. После этого лист выводится в приемное устройство неплоским, что создает проблемы и является помехой при подборке брошюр.

В секциях для закрепления, работающих на основе контакта, может возникнуть нежелательное «обратное» расщепление красочного слоя. Тонер, попадая на фиксирующий вал, ухудшает качество изображения на последующих оттисках. Во избежание такого явления валики для фиксирования увлажняются специальным (силиконовым) маслом, которое противодействует переносу тонера. В то же время попа-дание масла может вызвать нежелательный эффект глянца на оттиске.

Фиксирующие и прижимные валики имеют различное покрытие. В зоне контакта между ними и бумагой возникают деформации. Они влияют на процессы образования глянца и равномерности красочного слоя. Температура в зоне печатного контакта составляет, как правило, около 150 °С.

Фиксирующие валики имеют эластичное покрытие, в то время как прижимные валики жёсткие. Разработка высокопроизводительных установок для закрепления сегодня особенно актуальна. Можно ожидать дальнейших усовершенствований функциональных и специфических материалов для покрытий, которые позволят устранить недостатки процесса закрепления.

Очистка

Как изображено на рис. 2, после переноса изображения на бумагу производится очистка фотополупроводникового слоя цилиндра. Для этого используется воздействие электростатических сил, процесс механического разрыхления и снятия, а также воздействие светом. На рис. 4 показаны устройства, имеющие щётки и вытяжные элементы. Применяются также системы с резиновыми ракелями устройства, создающие переменные электрические поля для разрыхления частиц тонера, прилипших к поверхности.

 

5. Концепция печатной секции

Наличие устройств заряда, разряда, переноса тонера на фотополупроводниковый слой цилиндра и с него на бумагу или через промежуточный носитель, требует точного и стабильного расчёта компонентов системы, регулирования напряжения, а также стабилизации температуры и влажности воздуха, окружающего печатную секцию. При использовании сухих тонеров с малым размером частиц следует предотвращать циркуляцию пыли. Пыль может отрицательно повлиять на качество печати или нарушить сам процесс.

Физические и химические процессы, протекающие в электрофотографической печатной секции, гораздо сложнее и многообразнее, чем процессы в печатной секции с печатной формой, например в офсете. Для обучения оператора системы «Компьютер - печать» не требуется меньше времени, чем для офсетного способа. Надёжно и с высоким качеством эксплуатации можно применять системы «Компьютер - печать» тогда, когда произведен расчет этих систем в отношении концепции, технологии и управления. Печатные секции оснащены соответствующей измерительной и регулирующей техникой.

Особое значение имеет эффективность обслуживания, в частности, замена расходных материалов, к которым наряду с тонером относятся изнашивающиеся детали, например, цилиндр, покрытый фотополупроводниковым слоем, и устройства для очистки.