Piezodrucker


Piezodrucker
Typischer Tintenstrahldrucker für den Heimbereich
Druckkopf eines DOD-Tintenstrahldruckers

Tintenstrahldrucker sind Matrixdrucker, bei denen durch den gezielten Abschuss oder das Ablenken kleiner Tintentröpfchen ein Druckbild erzeugt wird. Sie gehören zur Gruppe der Non-Impact-Drucker.

Man unterscheidet zwei Geräteklassen:

  • CIJ (Continuous Ink Jet, also Geräte mit kontinuierlichem Tintenstrahl)
  • DOD (Drop On Demand, d. h., Geräte die einzelne Tropfen verschießen)

Inhaltsverzeichnis

CIJ-Drucker (Continuous Ink Jet, Tintenstrahldrucker)

Funktion eines Continuous-Ink-Jet-Druckers

CIJ-Drucker werden nur in der Industrie eingesetzt, dort aber in verschiedenen Bereichen (z. B. Rubbellose, Haltbarkeitsdatum, EAN-Code, Adressierung, Personalisierung usw.).

Verfahren

In beiden Fällen (Ein- und Mehrstrahler) tritt der Tintenstrahl über eine Düse aus dem Druckkopf aus. Dieser Strahl wird über einen piezoelektrischen Wandler, der sich hinter der Düse befindet, moduliert, so dass ein gleichmäßiger Zerfall (Rayleigh'scher Tropfenzerfall) in einzelne Tropfen erreicht wird. Über eine Ladeelektrode werden die so gebildeten Tropfen nun mehr oder weniger stark elektrostatisch aufgeladen. Die 10 bis 40 m/s schnellen Tropfen durchfliegen anschließend eine größere Ablenkelektrode, wo sie - abhängig von ihrer spezifischen elektrischen Ladung – seitlich abgelenkt werden. Je nach Gerätetyp gelangen nun die geladenen bzw. die ungeladenen Tropfen auf das Substrat/Produkt. Nicht benötigte Tropfen werden bereits am Druckkopf wieder aufgefangen und erneut dem Tintenkreislauf zugeführt. Unterschieden wird hier noch zwischen Binary-Deflecting-Verfahren und Multi-Deflecting-Verfahren. Bei Ersterem kommt der Tropfen entweder auf den Bedruckstoff oder er wird in einen Tropfenfänger abgelenkt. Beim Multi-Deflecting-Verfahren können die Tropfen durch unterschiedliche Ladungszustände unterschiedlich abgelenkt werden. Auf diese Weise ist es möglich, über eine Düse eine breitere Zeile zu drucken. Die Breite der Zeile ist abhängig vom Abstand der Düse zum Substrat, wodurch ein höherer Abstand die Auflösung vermindert.

DOD-Drucker (Drop on Demand, Tintendrucker)

Animation zum Druckprinzip Drop on Demand (3,9MB)
verschiedene Druckköpfe:
links: in die Patrone integriert (HP Deskjet 600), rechts: Druckkopf eines HP Business Inkjet 1100D, Mitte: Patrone des BIJ1100D

Diese Art von Druckern findet man sowohl in der Industrie, als auch im Büro- und Heimbereich. Im Gegensatz zu CIJ-Druckern verlässt hier nur der Tintentropfen die Düse, der tatsächlich gebraucht wird.

Die Geräte werden zusätzlich danach unterschieden, mit welcher Technik die Tintentropfen ausgestoßen werden.

Der Einsatzbereich ist sehr groß und reicht von Personalisierung über den Heim-/Büro-Bereich bis zum Druck von Passbildern.

Je nach Tinte kann man damit auch elektrische Schaltungen drucken oder sogar 3D-Modelle z. B. für Rapid Prototyping erzeugen.
Anstatt Tinte werden auch Wachs, langkettige Polymere oder heiße, flüssige Lote verwendet.

Verfahren

Je nach DOD-Typ wird die Tinte auf eine andere Art aus der Düse getrieben:

  • Bubble-Jet-Drucker erzeugen winzige Tintentropfen mit Hilfe eines Heizelements, welches das Wasser in der Tinte erhitzt. Dabei bildet sich explosionsartig eine winzige Dampfblase, die durch ihren Druck einen Tintentropfen aus der Düse presst. Hierbei kommen zwei Systeme zum Einsatz: Lexmark und HP bei der Deskjet-Reihe setzen auf flache Düsenelemente, die im Wesentlichen aus zwei Platten bestehen. Die dem Papier zugewandte enthält eine winzige Düsenbohrung und die Dampfblase bildet sich gegenüber dieser Bohrung (Sideshooter). Das Verfahren ist sehr einfach herzustellen und ist deswegen preiswert, hat aber den Nachteil einer begrenzten Lebensdauer der Druckköpfe. Es wird bei allen Wechseldruckköpfen verwendet. Canon arbeitet bei seinen Druckern mit einer Bubble-Jet-Technik, bei der sich die Düsen im rechten Winkel zu den Heizelementen befinden (Edgeshooter). Das Verfahren ist dem Piezo-Verfahren sehr ähnlich, nur dass der Auspressdruck nicht durch ein piezoelektrisches Element, sondern durch eine Dampfblase erzeugt wird. Das einzelne Heizelement arbeitet mit einer Frequenz bis 10 kHz.
    Hersteller sind z. B. Canon, Lexmark und Hewlett-Packard (DeskJet-Reihe)
  • Piezo-Drucker nutzen den Piezoelektrischen Effekt in piezoelektrischen Keramikelementen, sich unter elektrischer Spannung zu verformen, um Drucktinte durch eine feine Düse zu pressen. Es erfolgt eine Tropfenbildung der Tinte, deren Tropfenvolumen sich über die Größe des angelegten elektrischen Impulses steuern lässt. Die Arbeitsfrequenz eines Piezokristalls reicht bis zu 23 kHz.
    Hersteller ist z. B. Epson und war Siemens ab 1977 mit dem Siemens PT80i.
  • Bei Druck-Ventil-Druckern sind einzelne Ventile an den Düsen angebracht, die sich öffnen, wenn ein Tropfen die Düse verlassen soll. Diese Technik wird nur industriell oder als Kunstobjekt [1] eingesetzt.

Reinigung

Allen DOD-Druckköpfen ist die Eigenschaft gemeinsam, dass sie mit der Zeit eintrocknen, wenn sie nicht genutzt werden. Um dies zu verhindern, sind die Tinten nicht sehr schnelltrocknend und die meisten Drucker fahren einen Reinigungszyklus vor dem ersten Ausdruck: die Tinte wird üblicherweise in einen nur zu diesem Zweck bereitgestellten Schwamm gespritzt. Eine weitere Maßnahme ist, den Druckkopf an einer speziellen Stelle luftdicht zu parken, sodass die Tinte in den Düsen nicht eintrocknen kann. Dies ist vergleichbar mit dem Aufsetzen einer Kappe auf den Tintenfüller, wenn er nicht benutzt wird.

Viele Druckermodelle führen diese Reinigung automatisch in bestimmten Zeitabständen durch (häufiger, wenn der Druckkopf von der Patrone getrennt ist). Die Reinigung kann aber bei Bedarf auch manuell gestartet werden. Durch die Reinigung wird in der Regel viel Tinte verbraucht, was bei den aktuellen Preisen für Tintenpatronen einen Teil der Druckkosten ausmacht, vor allem dann, wenn nur selten und wenig gedruckt wird. Je nach Druckermodell und Größe der Tintenpatrone kann die Patrone nach 40 bis 100 Reinigungen leer sein. Manche Druckermodelle führen immer dann eine Reinigung durch, wenn sie vom Strom getrennt wurden, dies trifft hauptsächlich auf Epson-Drucker mit getrennten Patronen zu. Diese Druckermodelle sollten daher aus Kostengründen nicht an einer schaltbaren Steckerleiste angeschlossen werden, um unnötige Reinigungen zu vermeiden und damit Tinte zu sparen. Die durch Abschalten gesparten Stromkosten sind deutlich geringer als die Kosten für die Tintenpatronen, vor allem, wenn die Steckerleiste oft ein- und ausgeschaltet wird.

Technik

Zum Bedrucken muss ein Drucker im Wesentlichen zwei Bewegungen ausführen: die Querbewegung des Druckkopfes und die Vertikalbewegung der Papierseite. Die Bewegung des Druckkopfes erfolgt auf Schienen mittels eines Zahnriemens und eines Gleichstrom- oder Schrittmotores. Zur hochgenauen, zum Datenstrom des Druckkopfes synchronen Bewegung des Druckwagens trägt dieser einen optischen Inkrementalgeber, der ein mit Strichen versehenes, feststehendes Band abtastet. Schrittmotoren müssen hierzu im Mikroschritt-Modus arbeiten, da deren Schrittauflösung bzw. -genauigkeit bei weitem nicht für die erforderliche Auflösung ausreicht.
Die das Papierblatt antreibende Walze wird mit einem weiteren Motor angetrieben. Ist dies ein Schrittmotor, kann auf einen weiteren Inkrementalgeber verzichtet werden.

Drucker besitzen einen eigenen Zeichensatz, der das Drucken mit geringer, zum Drucker zu übertragender Datenmenge gestattet. Beim heute üblichen Anschluss über USB sind jedoch als Bitmap pixelweise übertragene große Datenmengen kein Problem, sodass Zeichen und Grafiken gleichermaßen bereits im Druckertreiber des steuernden PC in ein Bitmap umgewandelt werden. Damit lassen sich die wesentlich umfangreicheren Zeichensätze der auf dem PC installierten software nutzen.

Tinte

ein geöffneter Canon S520-Tintenstrahldrucker

Die in Tinten(strahl)druckern verwendete Tinte wird bei den meisten Herstellern auf Wasserbasis hergestellt und ist mit Additiven versetzt, die das zu schnelle Eintrocknen und insbesondere das Durchtrocknen in der Düse verhindern, sodass die Selbstreinigung des Druckers eine Chance hat, verstopfte Düsen wieder in Gang zu bringen. Da zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit der Ausdrucke Eiweiße hinzugegeben werden, haben diese Tinten im flüssigen Zustand eine begrenzte Lebensdauer. Weitere Zusätze zur Verbesserung der Lichtechtheit und der Leuchtkraft werden herstellerspezifisch zugegeben.

Zusammensetzung eines grauen Zeichens aus verschiedenfarbigen Tinten

Um farbig drucken zu können, benötigt ein Tinten(strahl)drucker Tinten in den Farben Cyan, Magenta und Gelb (CMYK-System). Durch Übereinander- (subtraktive Farbmischung) und enges Nebeneinanderdrucken lassen sich aus diesen Grundfarben fast alle Farben, sogar Schwarz erzeugen. Fast alle Tinten(strahl)drucker besitzen jedoch auch einen Tank mit schwarzer Tinte. Einige Modelle verfügen über Zusatzfarben, um die Qualität insbesondere im Fotodruck weiter zu steigern:

  • Kontrastschwarz: Tinten unterscheiden sich von Tuschen dadurch, dass sie nicht pigmentiert sind. Einige Drucker bieten eine zweite Schwarzpatrone mit pigmentiertem Schwarz, welches auf Normalpapier Schwärzungen zulässt, die denen eines Laserdruckers gleichzusetzen sind. Da dieses Schwarz jedoch nicht für den Fotodruck geeignet ist, wird eine zweite Schwarzpatrone eingesetzt. Es existieren auch Tintenstrahldrucker, die ausschließlich mit pigmentierter Tinte arbeiten.
  • Photo-Cyan, Photo-Magenta: Prinzipbedingt kommt es bei hellen Cyan- und Magentatönen zu einem unerwünschten Grieseln (die Pixel werden in weiteren Abständen gesetzt). Mit den beiden Zusatzfarben Hellcyan und Hellmagenta wird dieser Effekt vermieden.
  • Rot, Grün, Blau: Einige Drucker arbeiten zusätzlich mit den Grundfarben der additiven Farbsynthese, da diese sich am Rande und zum Teil außerhalb des CMYK-Farbraumes befinden.

Spezialpapiere

Eine Auswahl von Papieren für Tintendrucker

Ihre wahre Leistungsfähigkeit entfalten Tintenstrahldrucker erst auf Spezialpapieren, die sich insbesondere in der Saugfähigkeit der Oberfläche unterscheiden. Bei Normalpapier dringt die Tinte in das Papier ein und breitet sich dort zu einem Fleck aus, der wesentlich größer als der eigentliche Tintentropfen wird und je nach Textur der Papierfasern stark von der gewünschten Kreisform abweicht. Das führt zu unscharfen Abgrenzungen, Verlaufen der verschiedenen Farben ineinander und generell zu einem „matschigen“ Druckbild. Spezialpapiere hingegen bestehen in der Regel aus einem Trägerstoff, der aus Papier oder bei höherwertigen „Papieren“ auch aus Kunststoff bestehen kann, und einer speziellen Haftschicht. Diese Schicht verhindert vorrangig das Auseinanderlaufen des Tintentropfens und garantiert damit eine deutlich höhere Detailauflösung und Farbtrennung. Außerdem sorgt die Schicht für kräftigere Farben, je nach Art für einen Matt- oder Glanzeffekt und teilweise sogar für längere Farbstabilität der Tinten. Mit modernen Spezialpapieren in Verbindung mit hochwertigen Tintenstrahldruckern und Tinten lassen sich fotoähnliche „Abzüge“ herstellen, die in vielen Aspekten (Detailauflösung, Farbraum) dem klassischen, chemischen Fotoabzug ebenbürtig oder überlegen sind. So lassen sich Fotos im Heimbereich ausdrucken, so dass beispielsweise Fotos einer Digitalkamera sofort als Ausdruck hergestellt werden können. Nachteile dieser Technik sind der gegenüber ausbelichteten Fotos höhere Preis und die je nach Tinte unzulängliche Lichtechtheit, insbesondere bei Einfluss von Tageslicht mit hohem Blau-, Violett- und Ultraviolettanteil.

Zum Herstellen von Overheadprojektor-Folien werden speziell beschichtete Folien angeboten, die sich auch mit Tintenstrahldruckern verarbeiten lassen.

Vorteile gegenüber anderen Verfahren

Der größte Vorteil des Tintenstrahldruckers ist der vergleichsweise einfache Aufbau der Geräte und die damit verbundenen niedrigen Herstellungskosten. In den letzten Jahren erreichen die Ergebnisse - zumindest auf Spezialpapier - eine Qualität, welche mit anderen Verfahren nur schwer oder nur mit hohen Kosten erreichbar ist. So sind heutzutage einfache Laserdrucker, der Hauptkonkurrent der Tintenstrahldrucker, kaum schneller, und auch der Unterschied im Schriftbild ist kaum noch wahrnehmbar. Einige Tintenstrahldrucker erreichen beachtliche Farbräume - lediglich Vollfarbsysteme und Thermosublimationsdrucker bieten größere Farbräume; erstere sind in der Anschaffung für den privaten Einsatz unerschwinglich, letztere in den Verbrauchskosten höher.

Nachteile gegenüber anderen Verfahren

Tintenstrahldrucker sind empfindlich gegenüber dem zu bedruckenden Medium, viele Tinten sind nicht archivfest (wasserlöslich, chemische Langzeitveränderungen) und bleichen insbesondere bei Einfluss kurzwelliger Lichtanteile (Tageslicht) erheblich stärker aus als bei anderen Verfahren, sind also nicht lichtecht.
Bei Laserdruckern können dagegen lichtechte Farbpigmente verwendet werden.

Die höchste Qualität wird nur auf relativ teuren Spezialpapieren erreicht und führt zu Seitenpreisen von in Einzelfällen mehr als einem Euro pro DIN-A4-Seite. Damit liegen die reinen Druckkosten im Farbdruck etwa dreimal, im Schwarzweißdruck zwischen vier- und zehnmal so hoch wie bei einem Laserdrucker.

Des Weiteren neigen die Systeme zum Eintrocknen. Die verwendeten Tinten sind extrem teuer. Hohe Patronenpreise sind üblich.

Tintenstrahldrucker sind für Massendrucke nicht geeignet, weil sie zu langsam sind. Je nach Auflagenstärke ist das Laser-, Offset- oder Tiefdruckverfahren das geeignetste.

Nachfüllen von Tintenpatronen

Ein wesentlicher Teil der beim Druck anfallen Kosten kommt von den Verbrauchsmaterialien (Tinte/Toner, etc.). Daher gibt es für alle gängigen Druckerhersteller Anbieter kompatibler Verbrauchsmaterialien. Jedoch variiert die Qualität von kompatiblen Verbrauchsmaterial sehr stark, so dass es für den Endanwender mitunter schwer ist, eine Entscheidung zu treffen. Eine annehmbare Entscheidungshilfe bieten hier Tests unabhängiger Zeitschriften und Labore. Verbrauchsmaterialien, die nicht bestimmten Qualitätskriterien entsprechen können den Drucker zerstören und/oder schlechte Druckqualität liefern. Im schlimmsten Fall sind durch die Nutzung solcher Materialien sogar Gesundheitsschäden möglich.

Nischenprodukte mit Tintendruckwerk

Eine nur kurzzeitig mit mäßigem Erfolg auf dem Markt vertretene Form der Schreibmaschine waren die letzten Brother-Modelle der 700er und 800er Serien mit Tintendruckwerk und integriertem Textsystem. Sie nutzten bereits die hochauflösenden Möglichkeiten des Tintendrucks für Schriften (mehrere Schriftarten mit Skalierung) und Grafik mit schwarzer und je nach Modell auch farbiger Tinte. Ihre Leistungsfähigkeit blieb allerdings hinter derer moderner PCs zurück, und als fertig konfigurierte Systeme waren sie nicht erweiterungsfähig. Sie waren nur wenige Jahre Anfang bis Mitte der 90er Jahre erhältlich.

Tintendruckwerke sind weiterhin in einigen wenigen Registrierkassen, Kommissionisiergeräten oder weiteren Nischensegmenten in Industrie und Handel enthalten und stehen dort in direkter Konkurrenz hauptsächlich zu den sehr robusten und farbechten Nadeldruckern oder dem billigeren und kompakten Thermodruck für Spezialpapier.

Einzelnachweise

  1. http://www.youtube.com/watch?v=AICq53U3dl8 Bitfall

Weblinks


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