Будова та принцип дії струменевих принтерів

Уроку: №5 «Будова та принцип дії струменевих принтерів»

 Мета уроку:

-навчальна: ознайомити учнів із призначенням, видами та характеристиками пристроїв виведення: моніторів, принтерів, плотера та мультимедійного обладнання (звукові системи, мультимедійне обладнання).

-методична мета: ефективно використовувати інтерактивні та інформаційні технології на уроках спеціальних дисциплін.

Хід Уроку

Будова і принцип роботи

Більшість ділових людей користуються принтерами в повсякденному житті, але одиниці з них знають і уявляють, як працює струменевий принтер.

Картридж для струменевого принтера обладнаний соплами, в яких і криється секрет його роботи. Кількість сопел може досягати декількох тисяч, залежно від картриджа. У них підігрівається рідина, звана чорнилом, після чого виштовхується з величезною, недосяжною для оптичної системи ока людини, точністю на носій.
Зовнішній вигляд пристрою не є нічим особливим, а ось його внутрішня структура являє собою дуже складний і залагоджених механізм. Принцип друку схожий з роботою матричних принтерів тим, що зображення формується послідовно, по рядках. Тільки замість ударів голок, у випадку з матричним, зображення струменевого принтера формується за допомогою нанесення мікроскопічних часток чорнила, що викидаються соплами. Фарба являє собою суміш з води, фарбувального елемента і спеціальних хімічних речовин, що не дозволяють чорнила висихати протягом тривалого періоду часу. Поділяються вони на пігментні і водорозчинні. Перші - наносяться на поверхню паперу, а другі - просочують її, роблячи зображення більш довговічним і захищеним від впливу зовнішнього середовища.
Чорнило можуть подаватися на друкувальну голівку двома методами: з картриджа, в який вбудований резервуар для фарби, і за допомогою постійної подачі зі стороннього резервуара. У другому випадку, як тільки порція чорнила викинулася на папір, модулятор відразу ж повідомляє, що їх рівень знизився і необхідно подати певний обсяг фарби для заповнення ємності з фарбою.
Процес друку починається з того, що механізм подачі паперу (в деяких моделях використовується пристрій автоматичної подачі, розташоване під невеликим ухилом на задній панелі корпусу) за допомогою роликів з гумовими насадками захоплює аркуш паперу з лотка. Система управляється за допомогою одного з розташованих в принтері крокових двигунів. Спеціальний ролик простягає лист і просуває далі всередину принтера до друкуючої головки. Ця головка складається з декількох тисяч мікроскопічних сопел, які розпилюють чорнило по поверхні паперу в строго заданому порядку і режимі. За допомогою приводного ременя, виконаного у вигляді шлейфу, вона з'єднується з другим кроковим двигуном, який управляє рухом роликів для захоплення і подачі паперу, забезпечуючи потрібний темп подачі аркушів в принтер, до друкуючої голівці. Третій мотор управляє рухом голівки в одній площині - вперед-назад, а останній - відповідає за своєчасне виштовхування чорнила з сопел. Ці мініатюрні електродвигуни забезпечують роботу принтера і синхронізують між собою роботу друкуючої головки, механізму подачі паперу і власне процесу нанесення зображення на поверхню аркуша паперу.

Картридж для струменевого принтера складається з резервуара для чорнила і голівки.

Головка являє собою величезну кількість резервуарів, в яких підігріваються чорнило. Вони називаються соплами. У цих соплах розташований мікроскопічний нагрівач, який, при подачі на нього напруги, миттєво розігріває крапельку фарби до температури кипіння. Вона тут же випаровується, значно розширюючись в обсязі. При цьому утворюються бульбашки повітря, що виштовхують чорнила з сопел. Весь процес заснований на тому, що рідина займає менший обсяг, ніж утворився з неї газ. Після виключення нагрівача, він миттєво охолоджується, і наступна крапля надходить для випаровування. Процедура відбувається з величезною швидкістю - кожне сопло за секунду встигає виштовхувати кілька тисяч частинок фарбувальної рідини. Але швидкість в такому випадку другорядна. Головне - точність. Кожна краплина має виштовхувати в відведений їй час, щоб на листку паперу з'являлися потрібні елементи, а не невпорядковані плями фарби. Діаметр частки становить не більше 0.02 мм, що є більше, ніж крок друку. В такому випадку краплі просто наносяться один на одного.
Подібним чином відбувається і нанесення на папір кольорового зображення, тільки виробляється це за допомогою змішування фарби з трьох або більше різнокольорових картриджів.

Термоелектрична друкуюча головка

вперше дану технологію запропонував інженер компанії Canon в кінці 1970-х.
Будова термоелектричної головки досить просте. Вона складається з великої кількості сопел, каналу для підведення до них чорнила з відповідного резервуара, провідників, за допомогою яких здійснюється управління, і нагрівального елементу в кожному соплі.
У момент надходження завдання друку принтера, сопло готується до роботи. До нього підводяться чорнило, нагрівальний елемент при цьому вимкнений. Під час подачі керуючого сигналу через спеціальні провідники, нагрівач у мить розігріває рідина, вона закипає і випаровується. Процес супроводжується втратою певної кількості чорнила, що досягає 1%. Вони використовуються на створення пари. Ситуацію, що створилася тиск тут же виштовхує крапельку рідини з сопла на поверхню паперу. Щоб утворилася крапля рідини отримала швидкість, необхідну для досягнення паперу, процес створення пари повинен бути миттєвим, щоб утворилося високий тиск. Це забезпечується за рахунок швидкого розігріву нагрівального елементу і низької температури закипання розчинника. Після виштовхування краплі рідини з сопла, напруга на нагрівачі падає і він остигає. У цей момент виходить пар і надходить чергова порція чорнила. Швидкість друку багато в чому залежить від темпів охолодження сопла.
П'єзоелектрична друк або крапля на вимогу

Струменевий принтер з п'єзоелектричної друкованої головкою - це пристрій, в основу роботи якого покладено так званий п'єзоефект - це здатність певних матеріалів змінювати свою фізичну форму при подачі на них напруги. П'єзоматеріалів також володіють зворотним п'єзоелектричним ефектом - на них утворюється потенціал під час фізичної деформації. Робота такої друкуючої головки схожа з термоелектричної. Але в цьому випадку виштовхування чорнила відбувається за рахунок зміни розміру керуючого кристала під час подачі на нього потенціалу. Будова п'єзоелектричної головки залежить від виду деформації матеріалу: поздовжня або поперечна. Технологія п'єзоелектричної друку має значну перевагу в порівнянні з попередньою - можливістю регулювати розмір крапельки чорнила. Така можливість дозволяє домогтися високої якості друку зображень в градаціях чорного. Ще цей метод пресі не витрачає чорнило на випаровування і не виділяє теплову енергію, підвищуючи тим самим ККД роботи струминного принтера. Завдяки цьому принтери з головками на основі п'єзоелементів стали настільки популярними в останнє десятиліття.

До складу п'єзоелектричної головки входить:
- п'єзоелемент - основний компонент сопла;
- сопло - утворює мікроскопічні частинки фарби і забезпечує точне їх поширення;
- еластична мембрана, яка відокремлює пьезоматеріал від ємності з чорнилом - дозволяє захистити провідники від шкідливого впливу речовин, що входять до складу фарби;
- камера, що підводить чорнило до сопла. З причини того, що розмір пьезокристалла змінюється незначно, камера повинна мати мінімальні розміри і забезпечувати якомога більшу площу його зіткнення з чорнилом через мембрану.
Головною відмінністю таких головок є змінний або постійний розмір утворених крапель чорнила. Великі частинки швидше покривають потрібну площу, а менші за розміром - забезпечують більшу точність друку і дозвіл. Головки зі змінним розміром краплі вміють на ходу регулювати цей показник, об'єднуючи кілька частинок чорнила базових розмірів.
Завдяки величезному спектру модифікацій і матеріалів виготовлення п'єзоелементів, які друкують головки на основі пь'зоматеріалов користуються величезною популярністю в різних сферах діяльності людини: друк тексту, документів, поштових марок, нанесення індексів і маркерів на тканини, гравірування і т.д.

І на завершення коротко розглянемо переваги і явні недоліки принтерів з рідкими чорнилом.
Негативні сторони:
- невелика швидкість роботи, в порівнянні з лазерними принтерами, не є критичною в разі домашнього використання;
- частинки фарби в соплах можуть засохнути, тому потрібно періодично користуватися принтером, щоб не довелося купувати новий картридж;
- висока ціна на витратні матеріали для деяких моделей принтерів.

Позитивні сторони використання струменевого принтера:
- дешевизна пристрою;
- дуже дешеві витратні матеріали (картриджі та чорнила) для деяких моделей;
- можливість друкувати кольорові фотографії високої якості;
- картридж можна заправити самостійно в домашніх умовах;
- можливість підключення системи безперервної подачі чорнила.

Струменеві принтери займають проміжні позиції між матричними і лазерними принтерами за ціною, швидкості і якості друку. Найчастіше їх використовують для друку кольорових фотографій і зображень.

Основними конструктивними елементами струменевого принтера є друкуюча головка, картриджі, СНПЧ, механізм подачі паперу, мотори, датчики, панель управління, інтерфейсні роз'єми і корпус.

Друкуюча головка

Важливу роль в роботі струминного принтера грає друкуюча головка, яка через мікроскопічні отвори (сопла) розпорошує на поверхню носія крихітні крапельки чорнила. Найперші струменеві принтери мали по 12 сопел, в останніх ультрасучасних друкуючих пристроях кількість сопел досягає декількох десятків тисяч, причому діаметр таких сопел значно менше діаметра голки або навіть людської волосини.

Дюза струменевого принтера під мікроскопом

Виробники струменевих принтерів самостійно визначають кількість сопел в друкуючій голівці, їх розмір і розташування. Наприклад, компанія Lexmark використовує шаховий принцип розстановки малих і великих сопел, компанія Canon надає перевагу оснащувати свої принтери безліччю сопел з малим діаметром.

Друкуюча головка може бути вбудована в картридж, а може розташовуватися автономно від резервуара з чорнилом. Для підвищення швидкодії струменевих принтерів сучасні виробники модернізують друкують головки, об'єднуючи їх в модулі. Це дозволяє домогтися істотного збільшення швидкості друку.

Під час друку така головка залишається нерухомою, а папір ковзає повз неї, приймаючи на свою поверхню чорнило. У корпусі головки розташовано п'ять груп сопел (по 2112 у кожній), кожна головка наносить на папір чорнило двох кольорів. На кожен колір доводиться по 5280 сопел.

Методи викидання чорнильних крапель

У струменевих принтерах використовуються два методу викидання чорнильних крапель: п'єзоелектричний і термоструйная.

У кожне сопло принтера з п'єзоелектричної технологією друку вбудована плоска пьезокрісталліческая мембрана, яка під дією електричного імпульсу вигинається, виштовхуючи з сопла чорнильну краплю. Після цього електричний імпульс зникає, і в сопло з картриджа надходить нова порція чорнила.

У кожному соплі принтера з технологією газових бульбашок є мікроскопічний нагрівач, який дуже швидко нагріває чорнило до температури кипіння. Утворений при цьому пар видавлює з сопла краплю чорнила. Після цього нагрівач відключається, чорнило остигають, і в сопло з картриджа надходить нова порція чорнила.

чорнило

Чорнило є витратним матеріалом для струменевих принтерів. За своєю природою вони являють собою фарбувальну рідину, яка розпорошується на поверхню паперу під час друку. До складу чорнила входять вода, барвники, розчинники, смачиватели, регулятори, стабілізатори та інші хімічні речовини, що забезпечують стабільність їх фракції. В одному кубічному міліметрі міститься приблизно 10000 чорнильних крапель, що вилітають з сопла струминного принтера.

Сучасні струменеві принтери формують зображення з мільйонів мікроскопічних крапельок, тому вони виходять дуже якісними. Якщо розглянути таке зображення під мікроскопом, то на поверхні паперу можна побачити крихітні опуклі чорнильні точки.

Варто згадати, що чорнило можуть бути водорозчинними і пігментованими. Перші проникають в глибинні шари паперу, а другі закріплюються на її поверхні. Пігментоване чорнило забезпечують більш висока якість друку, але поступаються по довговічності готових документів.

У більшості струменевих принтерів використовується чотирьохкольорова розкладка CMYK, в яку входять пурпурні, блакитні, жовті та чорне чорнило. У прагненні зробити фотодрук більш реалістичною, розробники постійно доповнюють розкладку CMYK новими квітами. У деяких принтерах можна зустріти блідо-блакитні, блідо-рожеві, блідо-сірі чорнила, а також помаранчеві і зелені чорнила.

картридж

Картридж - це один з найважливіших конструктивних елементів струминного принтера, який складається з резервуара для чорнила, контактної пластини і в деяких випадках - голівки і чіпа.

Картриджі для струменевих принтерів можуть бути комбінованими або роздільними. У роздільних картриджах використовуються чорнило тільки одного кольору, комбіновані картриджі розділені на три відсіки для пурпурних, блакитних і жовтих чорнила. Система роздільних картриджів використовується в принтерах старшого покоління з багатобарвним розкладкою, система комбінованих картриджів частіше зустрічається в принтерах молодшого покоління, призначених для невеликих обсягів друку.

Система друку з суміщеними картриджами

Система друку з роздільними картриджами

При використанні комбінованих картриджів після закінчення якого-небудь одного кольору чорнила доводиться викидати весь картридж, навіть якщо в інших резервуарах є достатня кількість фарбувальної рідини. Тому в останнім часом в струменевих принтерах все частіше використовуються системи роздільних картриджів.

У деяких офісних принтерах і принтерах для комерційної друку для зменшення вартості відбитків використовуються системи безперервної подачі чорнила або скорочено СНПЧ, що складаються з ємностей з чорнилом і гнучких трубок, по яких чорнило надходять до друкуючої голівці.

Система безперервної подачі чорнила

Установка на принтер системи безперервної подачі чорнила, як правило, не викликає проблем навіть у непідготовлених користувачів. У комплект поставки СНПЧ входять всі необхідні матеріали та інструменти, а також детальна схема з картинками. Капсули або картриджі СНПЧ встановлюються замість оригінальних друкуючих касет, капілярний шлейф прокладається всередині принтера за допомогою вхідних в комплект наклейок і затискачів. Капсули і ємності заправляються чорнилом, запускається кілька циклів прочищення голівки, і пристрій готовий до роботи.

Принтер з СНПЧ

СНПЧ дозволяє істотно скоротити витрати на придбання картриджів, але особливо такі системи актуальні при великих обсягах кольорового друку. У цьому випадку собівартість одного відбитка порівнянна із собівартістю відбитка, зробленого на лазерному принтері.

Механізм подачі паперу

Папір може завантажуватися в принтер вертикальним або горизонтальним способом. Вертикальне завантаження проводиться з відкритих лотків, розташованих у верхній частині принтера, при цьому орієнтація листа при завантаженні може бути як книжкової, так і альбомній. Горизонтальна завантаження проводиться з лотків, доступ до яких забезпечується з передньої панелі пристрою.

Після отримання завдання принтер захоплює верхній аркуш паперу і подає його в друкований тракт. Аркуш паперу переміщається по друкованому тракту завдяки спеціальному механізму, основу якого складає валик з прогумованої поверхні, що приводиться в рух кроковим двигуном. Папір притискається до валика додатковими роликами з прогумованої поверхнею.

У деяких принтерах використовуються пристрої дуплексного друку, які дозволяють друкувати в автоматичному режимі відразу на двох сторонах аркуша.

Важливу роль в струменевих принтерах грають чотири невеликих мотора. Перший мотор приводить в рух ролик, захоплюючий папір і проштовхує її в друкує механізм, інший - автоподатчик паперу, третій змушує друкує головку рухатися уздовж носія, а четвертий відповідає за виштовхування чорнила з сопел. Завдяки цим чотирьом моторам конструктивні деталі принтера працюють як єдине ціле.

датчики

Принтер має «органи чуття», роль яких виконують механічні та оптичні датчики. Оптопара (світлодіод і фотодіод) визначають момент, коли аркуш паперу вступає у що друкує тракт. Енкодерние датчики сигналізують принтеру про становище голівки по відношенню до аркуша паперу. PW-сенсор визначає формат надійшла в принтер паперу. Сенсор в ланцюзі харчування принтера сигналізує про те, що в зону руху каретки потрапив сторонній предмет, наприклад застряглий аркуш.

інтерфейсні роз'єми

Для підключення принтера до персонального комп'ютера або ноутбука використовуються інтерфейсні роз'єми LPT, USB і Ethernet. Паралельний порт LTP використовується в старих моделях ПК, на зміну йому сьогодні прийшли інтерфейси USB і Ethernet. Для користувачів доступні адаптери, які дозволяють підключати принтери з LPT інтерфейсом до слотів USB.

У більшості випадків інтерфейсні роз'єми знаходяться на задній панелі струменевих принтерів або на бічних панелях, ближче до задньої стінки.

Панель управління

ля контролю над роботою принтера використовується панель управління з функціональними кнопками і індикаторами. Деякі принтери не мають панелей управління, а їх налаштування виробляються за допомогою комп'ютера.

корпус

Принтер «одягнений» в пластиковий корпус, який надійно захищає робочий механізм від пошкоджень і частинок пилу. Найчастіше корпус принтера оформлений в нейтральній кольоровій гамі: сірої, білої, сріблястою, чорною. Він може мати однотонну або комбіновану забарвлення.

Пластик, з якого виготовляється корпус принтера, може бути матовим або глянсовим. Матовий пластик менш вибагливий в обслуговуванні, за ним просто доглядати, волога серветка не залишає на його поверхні розлучень. Глянцевий пластик виглядає більш привабливо і презентабельно, але на ньому видно сліди від пальців і пилу, волога серветка залишає на його поверхні розлучення.

Центральну частину струменевого принтера займає друкований тракт, по якому під час друку простягається папір. Праворуч від нього зазвичай розміщується

Також потрібно обов'язково сказати про те, що власники принтерів струменевих моделей повинні врахувати той факт, що чорнило всередині витратного матеріалу при тривалому простої девайса можуть засохнути. З цієї причини хоча б раз в 3-4 дня потрібно роздруковувати пару документів. Власники лазерних моделей при зниженні якості друку можуть просто вийняти картридж з пристрою і потрясти його з боку в бік, після чого вставити на місце і продовжувати використовувати його.