Conny Schuttack
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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.

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.

piezo tintenstrahler

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.

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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,


RETIII

Abbildung:
Durch bis zu 28 Tintentröpfchen pro Dot lassen sich rund 3.500 verschiedene Farben ohne Rasterung erzielen.
Quelle: Hewlett-Packard

  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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