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Neue Technologien bei Tintenstrahldruckern
Die Zeiten, in denen Tintenstrahler nur Tröpfchen aufs Papier
sprühten, sind vorbei. Moderne Geräte sind anhand eines
intelligenten Druckmanagements schneller und besser als ihre Vorgänger.
Tintenstrahler sind nun seit etwa dreizehn Jahren auf dem Markt. In
der Zwischenzeit hat sich einiges an der Technik der Geräte
getan. Die Auflösung der Geräte wurde inzwischen bis auf
2.880 gesteigert. Am Prinzip der Drucktechnik hat sich aber nichts
geändert. Zwei verschiedene Techniken haben sich im Markt
etabliert.
Thermische Tintenstrahler
Canon kam als erster auf den Markt mit der sogenannten Bubble-Jet"-Technik.
Bei Geräten dieses Herstellers sind die Düsen im
Tintentank integriert. Die Düsen bestehen aus winzigen Röhrchen,
in denen jeweils ein Heizelement eingebaut ist. Der Druckkopf wird
nach den gleichen Fertigungsmethoden, wie sie in der
Halbleitertechnik bei Mikrochips angewandt wird, gebaut. Nur so ist
eine wirtschaftliche Serienproduktion bei niedrigen Kosten und
geringen Toleranzen möglich. Die Düse ist eine winzige
Kammer, an deren Boden sich ein Widerstand befindet, der bei
Stromzufuhr heiß wird. Die Kammer ist mit Tinte gefüllt,
die durch die Tintenkanäle mit Hilfe der Kapillarkräfte
zur Düse gelangt. Um einen Tintentropfen auszustoßen,
wird Strom durch den Widerstand am Düsenboden geschickt.
Innerhalb von Sekundenbruchteilen heizt sich die Tinte an dieser
Stelle auf über 300 Grad auf. Es entsteht eine Dampfblase, die
die Tinte explosionsartig aus der Düse treibt. Das Ganze ähnelt
in etwa dem Ausbruch eines Geysirs, nur daß im Druckkopf alles
nach einem festgelegten Schema abläuft. An der Düsenöffnung
fällt die Gasblase in sich zusammen. Die dabei entstehende
Schockwelle beschleunigt den Tintentropfen auf rund 100 km pro
Stunde. Der Tropfen fliegt auf das Papier und erzeugt einen winzigen
Punkt. Auch Tintenstrahler von Hewlett-Packard und Lexmark arbeiten
nach demselben Prinzip. Aus rechtlichen Gründen (der Name
Bubble-Jet ist geschützt) nennen diese Hersteller ihre Geräte
thermische Tintenstrahler.
Abbildung:
Der am Boden der Düsenkammer integrierte Heizwiderstand erwärmt
die Tinte in Sekundenbrucnteilen auf über 300 Grad. Die
entstehende Dampfblase dehnt sich aus und treibt die Tinte aus der Düsenöffnung.
Quelle: Canon
Piezo-Technologie
Epson hat sich voll und ganz der Piezo-Technologie verschrieben. In
diesen Geräten arbeitet ein fest eingebauter Druckkopf mit
vielen winzigen Piezo-Kristallen. Diese Kristalle verformen sich
beim Anlegen einer elektrischen Spannung (Piezo-Effekt). Im
Piezo-Druckkopf wird durch eine elektrische Spannung der Kristall
gebogen und drückt die Tinte durch eine winzige Düse nach
außen. Dabei treten gewaltige Kräfte von ungefähr
200 kg pro Quadratzentimeter auf. Der Tintentropfen fliegt dann mit
hoher Geschwindigkeit auf das Papier, wo er einen winzigen Punkt
bildet.
Abbildung:
Ein Piezo-Kristall ändert durch einen Spannungsimpuls
schlagartig seine Länge. Dadurch wird die Tinte zusammengepreßt
und führt zum Austreten der vorgelagerten Tinte als Tröpfchen
aus der Düse. Quelle: Epson
Vor- und Nachteile der beiden Technologien
Mit beiden Verfahren lassen sich die Punkte äußerst präzise
auf dem Papier plazieren. Dabei ist die Auflösung bei der
Piezotechnik ein wenig höher. Denn der Druckkopf verbleibt über
die gesamte Lebensdauer des Tintenstrahlers im Gerät. Der Kopf
kann so wesentlich präziser hergestellt werden. Bei thermischen
Tintenstrahlern wird der Druckkopf bei jedem Tintenwechsel mit
ausgetauscht und muß dementsprechend auch einfacher gebaut
sein. Sonst kann kein Mensch mehr die Tinte bezahlen. Man erhält
damit nach jedem Tausch einen komplett neuen Druckkopf, und der
Drucker arbeitet wieder genauso sauber wie am ersten Tag. Der
Nachteil liegt in den etwas höheren Kosten für die
Tintenpatrone.
Neuerungen in der Tintenstrahltechnik
Moderne Tintenstrahler warten inzwischen mit physikalischen Auflösungen
von 2.400 dpi bei Geräten mit thermischem und 2.880 dpi bei
solchen mit Piezo-Druckkopf auf. Doch eine hohe Auflösung ist
nicht alles. Zwar läßt sich durch feinere Düsen ein
immer besseres Druckbild erzeugen, aber die Punkte würden noch
immer nebeneinander plaziert werden. Hier kommt die Software ins
Spiel. Die Punkte werden nicht mehr direkt nebeneinander, sondern
leicht versetzt übereinander auf das Papier gespritzt. Durch
diesen Trick entstehen bei schrägen Linien keine Treppen mehr,
sondern die Treppenstufen verwischen". Dies geschieht
aber im Mikrometerbereich, so daß das menschliche Auge eine
gerade Linie sieht. Im Fachjargon nennt sich dieses Verfahren
Kantenglättung.
Tintenstrahler mit hoher Auflösung, sprich kleinerer Tröpfchengröße,
haben gewisse Vor- und Nachteile. Der Vorteil liegt beim Fotodruck.
Denn es gilt: Je kleiner das Tintentröpfchen, desto feiner und
besser ist die Auflösung des Druckbildes. Inzwischen
produzieren Tintenstrahler Tröpfchengrößen von unter
fünf Picolitern, das sind 5 x 10 hoch minus 12 Liter. Ein
einzelnes solches Tintentröpfchen ist auf dem Papier mit bloßem
Auge kaum wahrnehmbar. Erst mit Hilfe einer Lupe kann es betrachtet
werden. Kleinere Tröpfchen haben aber auch einen entscheidenden
Nachteil: Je kleiner der Tropfen, desto mehr einzelne Tröpfchen
werden gebraucht, um das Blatt zu füllen. Die Folge: Der
Druckvorgang dauert wesentlich länger.
Aber moderne Tintenstrahler haben nicht nur höhere Auflösungen,
sie sind auch schneller im Druck geworden. Mit einem Trick haben die
Hersteller das fast Unmögliche geschafft, hohe Auflösung
mit hoher Geschwindigkeit zu verbinden.
Variable Tröpfchengrösse
Um beide Forderungen unter einen Hut zu bekommen, können
moderne Tintenstrahler die Tröpfchengröße variieren.
Die Ingenieure von Lexmark gingen einen verblüffend einfachen
Weg. In modernen Tintenstrahlern sind immer zwei Druckköpfe
integriert. Einer mit schwarzer Farbe für den Textdruck und für
schwarze Stellen im Fotodruck. Ein extra Farbkopf ist nur für
farbige Grafiken und Fotos zuständig. Um den Forderungen des
Anwenders nach einem schnellen Textdruck gerecht zu werden, setzten
die Entwickler von Lexmark für den schwarzen Druckkopf einem
mit größeren Düsen, sprich großen Tintentröpfchen,
ein. Der Farbdruckkopf hat feinere Düsen, sprich auch kleinere
Tintentröpfchen. Ein Farbausdruck dauert nun zwar ein wenig länger,
ist durch die höhere Auflösung aber auch wesentlich
detailgetreuer. Hewlett-Packard und Epson gingen einen anderen Weg.
Ihre Geräte können mit einem einzigen Druckkopf die Tröpfchengröße
variieren. Bei großen einheitlich eingefärbten Flächen
stößt das Gerät große Tintentröpfchen
aus. Ist Detailreichtum angesagt, wird die Tintenmenge reduziert,
und das Gerät druckt mit extrem kleinen Tintenmengen
pixelgetreu. Dadurch erreicht der Drucker im Mittel eine hohe
Geschwindigkeit.
Variable Tröpfchengrösse mit einer Düse
An der Düsenöffnung ist die Tinte aufgrund der Oberflächenspannung
linsenförmig nach innen gewölbt. Mit der
Piezo-Ansteuerelektronik läßt sich dieser Effekt
kontrollieren. Vor dem eigentlichen Ausstoß der Tinte wird der
Meniskus durch eine negative Ladung ein wenig nach innen gezogen.
Ein positiver Impuls feuert" die Tinte aus der Düse.
Unmittelbar nach dem Feuern wird der Piezo-Kristall entladen und der
Meniskus kehrt in seine Ruheposition zurück. Zieht man vor dem
Feuern den Meniskus etwas schneller zurück, so wird das Volumen
des Tropfens kleiner. Aus nur einer Düse entstehen so
Mikropunkte und normale Punkte ohne Geschwindigkeitsverlust.
Mehr DPI sind nicht alles
Vor etlichen Jahren wurde bei Druckern der Begriff dpi (Dots per
Inch) eingefühlt. Dieser Wert gibt die Anzahl der Punkte per
Inch an, die ein Drucker zu Papier bringen kann. Auch heute ist
dieser Wert für den Kunden ein wichtiges Kriterium bei der
Auswahl seines Druckers. Mit der Einführung von Photo Ret III könnte
diese Angabe aber ins Wanken geraten. Eine spezielle Technik erlaubt
jetzt höhere Auflösungen, ohne die Anzahl der Dots per
Inch erhöhen zu müssen.
Bild x
Intelligente Ansteuerung des Piezo-Plättchens sorgt für
unterschiedliche Tröpfchengrößen beim
Tintenstrahler. Quelle: Epson
Herkömmliche Technologie
Herkömmliche Tintenstrahler setzen auf einen Druckpunkt (Dot)
maximal zwei Tintentropfen. Unter Ausnutzung der vier
Tintengrundfarben -Schwarz, Cyan, Magenta und Gelb -und zwei
Tintentropfen kann ein Tintenstrahler bis zu acht verschiedene
Farben - Schwarz, Weiß, Cyan, Magenta, Gelb, Rot, Grün
und Blau wiedergeben. Zwischentöne werden durch Rasterung
erzeugt. Dabei werden unterschiedliche Farben nebeneinander
plaziert, daß sie aus der Entfernung betrachtet zu einer neuen
Farbe verschmelzen. Bei diesem Verfahren hängt natürlich
die Ausgabequalität entscheidend davon ab, wie viele Punkte der
Drucker pro Inch setzen kann. Je mehr Punkte gesetzt werden, desto
feinere Nuancen lassen sich auf dem Ausdruck erkennen. Ein höherer
dpi-Wert bedingt aber gleichzeitig auch immer feinere Düsen des
Tintenstrahlers und immer kleinere Schritte bei der Plazierung des
Papiers vor der Druckdüse.
Eine weitere Steigerung der Auflösung läßt sich mit
diesem Verfahren nur schwer durchführen.
Höhere Auflösung durch PHOTO RET III
Mit der Photo-Ret-III-Technologie beschreitet HP einen anderen Weg,
um die Auflösung zu erhöhen. Wie oben beschrieben, können
herkömmliche Tintenstrahler maximal zwei Punkte übereinander
setzen. Photo Ret III erlaubt dagegen den Druck von 17 Farbintensitätsstufen
beziehungsweise Farbtönen je Primärfarbe und Dot. Diese
Farbtöne können nach einem ausgeklügelten Prinzip so
geschichtet werden, daß sich die Zahl der Farben in der
Farbpalette des Druckers vor dem Rastern beträchtlich erhöht
- im Gegensatz zu älteren HP-Tintenstrahlern um mehr als das
Vierhundertfache. Gleichzeitig steuert die Photo-Ret-III-Software
auch die Tintenmenge für jede Primärfarbe für einen
besseren Ausdruck. Trotz der vielen Tintentröpfchen sind die
neuen Drucker von HP nicht langsamer. Denn die Ausstoßgeschwindigkeit
der einzelnen Tröpfchen wurde enorm gesteigert. Bis zu 18.000
Tröpfchen pro Sekunde kann eine einzelne Düse ausstoßen.
Bei insgesamt 408 Düsen (136 Düsen pro Farbe) können
bis zu 7,3 Millionen Tintentropfen pro Sekunde zu Papier gebracht
werden,
Abbildung:
Durch bis zu 28 Tintentröpfchen pro Dot lassen sich rund 3.500
verschiedene Farben ohne Rasterung erzielen. Quelle:
Hewlett-Packard
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Photo Ret III |
Herkömmlicher
Tintendruck |
Tropfen: |
max. 29 Tropfen per Dot |
max. 3 Tropfen per Dot |
Farbschattierungen: |
über 3.500 verschiedene Farben |
8 Farben |
Geschwindigkeit: |
weniger zu verarbeitende Farben erhöhen
die Geschwindigkeit |
umfangreiche Datenmenge |
Papier: |
kleine Tropfen durchtränken das Papier
nicht |
größere Tropfen können
verlaufen |
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