Ciche i niepozorne, s dzi tak popularne, e niemal nie zwracamy na nie uwagi. Mimo to potrafi zadziwia - na przykad plujc z szybkoci 140 mln kropel na sekund. Wszystko dziki wyrafinowanej technologii.

MARCIN BIEKOWSKI

WRAZ Z ROZWOJEM KOMPUTERW pojawia si konieczno zbudowania urzdze umoliwiajcych utrwalenie na papierze wynikw ich pracy. W pierwszych komputerach z lat 40. XX wieku do sporzdzania wydrukw wykorzystywano odpowiednio zmodyfikowane dalekopisy lub maszyny do pisania. Dopiero w kolejnym dziesicioleciu rozpoczto prace nad skonstruowaniem drukarki komputerowej z prawdziwego zdarzenia. Jedn z najbardziej znanych drukarek z tego okresu by model IBM 1403, ktry zadebiutowa w 1959 roku jako cz zestawu komputerowego IBM 1401. Ta pierwsza na wiecie tzw. drukarka acuchowa wykorzystywaa przesuwane poziomo metalowe paski (acuchy) ze znajdujcymi si na nich literami, cyframi i znakami.

W 1970 roku firma Digital Euipment Corporation zaprezentowaa LA30 - pierwsz igow drukark mozaikow, ktra tworzya znak, uderzajc stalowymi igami w tam

barwic. Zalet takich drukarek bya moliwo drukowania nie tylko liter i cyfr, lecz rwnie rysunkw i wykresw (zazwyczaj czarno-biaych, cho byy dostpne rwnie modele z czterokolorowymi tamami). W1977 roku firma Xerox przedstawia pierwsz na wiecie komputerow drukark laserow - Xerox 9700. Jej konstrukcja wywodzia si wprost od kserokopiarek, z tym e wiatoczuy bben nie by nawietlany wiatem odbitym od powielanego dokumentu: laserowy promie rysowa wzr strony przekazanej bezporednio z pamici komputera.

Dzi urzdzeniami drukujcymi najczciej spotykanymi przy komputerach, zwaszcza domowych, s drukarki atramentowe, ze wzgldu na metod nanoszenia tuszu na papier popularnie zwane plujkami. Mimo rozwoju technologii laserowej wci pozostaj bezkonkurencyjne podczas drukowania wielobarwnych grafik i cyfrowych fotografii. Atramentowe mechanizmy drukujce s rwnie wykorzystywane w wielu tzw. urzdzeniach wielofunkcyjnych, czcych funkcje skanera i drukarki.

Pocisk z atramentuZasada dziaania drukarek atramentowych jest prosta. Gowica drukujca, wyposaona w kilkadziesit miniaturowych dysz, wyrzuca w kierunku podoa mikroskopijne krople atramentu. Nad rozmiarami kropel i poprawnym ich rozmieszeniem na kartce czuwaj elektroniczne ukady sterujce. Przesuwajc si wzdu papieru, gowica tworzy wydruk. Wszystkie drukarki

a take wyranie szybsza. Pojedyncza dysza moe wystrzeli ponad 40 tys. kropel na sekund, natomiast dysza gowicy termicznej tylko 20 tys.

Gowica piezoelektryczna jest te bardziej od termicznej trwaa - jedynym niebezpieczestwem grocym mechanizmowi drukujcemu jest zatkanie si dyszy wskutek zaschnicia w niej atramentu. W przypadku gowic termicznych element grzejny z czasem si zuywa, wytwarzajc coraz mniej ciepa w coraz bardziej niekontrolowany sposb. Dlatego w drukarkach termicznych (takich firm jak HP, Lexmark, Canon) dysze s zintegrowane ze zbiornikami z atramentem, natomiast w drukarkach z gowicami piezoelektrycznymi (produkowanych gwnie przez firm Epson) wymienia si tylko pojemniki z tuszem.

Najwiksz zalet metody termicznej s natomiast stosunkowo niskie koszty wykonania gowicy. Proces technologiczny sprowadza si zaledwie do kilku krokw: naparowania elektrod, naniesienia elementw grzejnych i osony gowicy oraz wytrawienia w krzemie dysz i kanaw. Ten ostatni etap wykonuje si metod litograficzn, w podobny sposb, w jaki s produkowane pprzewodnikowe ukady scalone. Przy gowicach termicznych najwaniejszy jest bo-

Zasady dziaania i budowy drukarki atramentowej opracowa Ichiro Endo, inynier z firmy Canon. Prace rozpoczy si w 1976 roku, pierwsz publikacj naukow na ten temat przedstawiono w sierpniu 1977 roku, a ju kilka miesicy pniej firma Siemens wyprodukowaa drukark atramentow PT 80i. Urzdzenie zostao wyposaone w gowic o 12 dyszach, generujc krople metod piezoelektryczn (maksymalna szybko druku wynosia 270 znakw na sekund). Na spopularyzowanie plujki musiay jednak czeka a do 1988 roku. Przeamujc barier tysica dolarw, firma Hewlett-Packard wprowadzia wwczas na rynek pierwsze urzdzenie z serii DeskJet. Trzy lata pniej zadebiutowaa HP DeskJet 500C, pierwsza kolorowa drukarka atramentowa. Dzi takie drukarki stoj przy niemaf kadym domowym komputerze.

PLUCIE W SKRCIE

atramentowe korzystaj z tuszw o czterech podstawowych barwach: niebieskozielonej, purpurowej, tej i czarnej. W celu zwikszenia dokadnoci odwzorowania barw w niektrych modelach drukarek, przeznaczonych przede wszystkim do drukowania fotografii, stosuje si zasobniki z szecioma lub nawet omioma kolorowymi tuszami.

Korzysta si dzi z dwch metod wystrzeliwania tuszu z dysz: termicznej i piezoelektrycznej. W pierwszej wykorzystuje si zjawisko parowania atramentu pod wpywem wysokiej temperatury. Znajdujcy si tu pod dysz ukad grzewczy w kilka mikrosekund zamienia niewielk ilo cieczy w gaz. Gwatownie powikszajcy objto pcherzyk odparowanego tuszu wywiera cinienie na otaczajcy go atrament i z du si wyrzuca jego kropl z dyszy. Wielko i ksztat wystrzelonej kropli oraz kierunek jej lotu zale od wytworzonego cinienia i ksztatu dyszy. Niestety, metoda termiczna nie gwarantuje powtarzalnoci warunkw powstawania kropli. Mona wprawdzie dokadnie kontrolowa wzrost i rozkad temperatury na elemencie grzewczym, ale sam proces tworzenia si pcherzyka, jego wielko i cinienie pary s za kadym razem nieco inne. Parametry te jednak zawsze mieszcz si w okrelonych przez konstruktorw granicach, ktre w kadej kolejnej generacji gowic s coraz wsze. Zalet dysz termicznych jest moliwo ich gstego upakowania w gowicy.

Druga metoda plucia atramentem opiera si na tzw. odwrotnym zjawisku piezoelektrycznym: pod wpywem pola elektrycznego przyoonego do materiau piezoelektrycznego (zazwyczaj krysztau, np. kwarcu) ulega on odksztaceniu mechanicznemu, tym wikszemu, im wiksza jest rnica potencjaw. Przykadajc napicie o rnych wartociach do odpowiednio uksztatowanej elektrody piezoelektrycznej, mona w cile kontrolowany sposb zmienia cinienie tuszu w dyszy i wystrzeliwa w stron podoa krople atramentu o danej wielkoci. Gowica piezoelektryczna jest wic precyzyjniejsza od termicznej,

Dysza gowicy na fotografii mikroskopowej

Infografika ilustruje dwa podstawowe mechanizmy wyrzucania kropel atramentu z dysz gowic drukujcych.

wiem ksztat dysz i odpowiednio gadkie i zaokrglone krawdzie. Tutaj precyzja wykonania siga kilkudziesiciu nanometrw.

Produkcja gowic piezoelektrycznych, znacznie bardziej zoona, wymaga od kilkunastu do kilkudziesiciu etapw porednich przeprowadzanych z nanometrow dokadnoci. Proces ten przypomina wieloetapowe wytwarzanie procesorw i odbywa si w pomieszczeniach bezpyowych (cleanroomach).

Plucie precyzyjne na czasDokument lub zdjcie wydrukowane z zastosowaniem technologii atramentowej skada si z milionw uoonych obok siebie miniaturowych plamek atramentu, ktre pady na papier. Takie zdjcie jest tym wyraniejsze i lepszej jakoci, im kropelki atramentu s mniejsze, a ich wielko w miar staa. Istotne s te waciwoci samego papieru i atramentu - o czym za chwil.

SCHEMAT DZIAANIA GOWICY DRUKARKI ATRAMENTOWEJ

TERMICZNEJ PIEZOELEKTRYCZNEJ

dyszadysza

atrament atrament

po przyoeniu napicia

piezoelektryk wypycha kropl

atramentupcherzykigazu

pcherzyk powiksza sie

kroplapcherzyk zapada si

kropla

Precyzyjne umiejscowienie kropli nie jest problemem, poniewa pooeniem dyszy nad kartk (w pionie i poziomie) atwo sterowa za pomoc silnikw krokowych przesuwajcych gowic i papier. Zadrukowywanie kartki z wykorzystaniem gowicy z jedn dysz trwaoby jednak bardzo dugo. Dlatego wspczesne drukarki maj gowice z setkami dysz; w przypadku drukarek firmy HP ich liczba przekracza nawet 4 tys. (po 700 dysz dla kadego koloru w systemie szeciokolorowym). Aby zwikszy precyzj nanoszenia tuszu, pionowe rzdy dysz czsto si wzgldem siebie nieco przesuwa. Dysze w obecnie sprzedawanych drukarkach maj od 10 do 20 pm rednicy, przy czym dysze dla atramentw kolorowych maj zazwyczaj mniejsze rednice od tych dla tuszu czarnego, ktry musi lepiej kry powierzchni. Objto wystrzelonej kropli w zalenoci od modelu drukarki moe si zmienia od okoo 1 pl (pikoli- tra; 1 pl = 1 10-12 l) do okoo 20 pl. Tak mae kropelki pozwalaj uzyska przy druku fotograficznym gsto punktw rzdu 9600x2400 dpi (dla porwnania: kolorowe magazyny, takie jak na przykad Wiedza i Zycie, s drukowane w 300 dpi). Gowice stosowane we wspczesnych drukarkach s bardzo szybkie. Mog bez problemu wystrzeli do 140 mln kropel atramentu na sekund, co pozwala drukowa nawet ponad 30 kolorowych stron na minut (wynik porwnywalny z drukarkami laserowymi).

Aby atrament nie zlewa si na wydruku, a przejcia tonalne byy jak najlepiej odwzorowane, krople tuszu wystrzeliwane z gowicy maj zmienn wielko. W nowoczesnych gowicach stosuje si cinieniowe systemy zasilania tuszem, ktre pozwalaj unikn bdw na wydruku, zwizanych z nierwnym podawaniem atramentu do dysz. Unika si w ten sposb zapowietrzenia ukadu, a take zmniejsza zuycie atramentu, gdy w trybie rewersyj- nym pompka moe usun jego nadmiar. Z takiego systemu korzystaj np. drukarki firmy Hewlett-Packard.

Atrament atramentowi nierwnyCzynnikami w zasadniczy sposb wpywajcymi na jako wydrukw s oczywicie atramenty i dostosowane do nich papiery. Kady atrament jest zoony z dwch podstawowych skadnikw: rozpuszczalnika oraz barwnika. W przypadku drukarek atramentowych skad obu komponentw dobiera si odpowiednio do typu gowicy drukujcej, np. piezoelektrycznej lub termicznej. Wanymi elementami wpywajcymi na skad tuszu s rwnie: wielko i ksztat dysz w gowicy drukujcej, materia, z ktrego wykonano dysze, a take rodzaj

elementgrzewczy

elementypiezoelektryczne

nonikw, na ktrych bdziemy drukowali (papier fotograficzny lub zwyky). Atrament musi te by odporny, aby wydruk pozostawiony na przykad na socu zbyt szybko nie powia.

Wikszo obecnych na rynku tuszw mona podzieli na dwa rodzaje: pigmentowe i barwnikowe. W atramentach barwnikowych wielko czstek barwnika nie przekracza 10 nm; jest to zatem roztwr barwnika w rozpuszczalniku. Tusze pigmentowe zawieraj agregaty zoone z wielu czsteczek barwnika, nazywane pigmentami. Ich rozmiary wahaj si od 20 do 200 nm. Pigmenty nie s rozpuszczone, lecz tworz zawiesin.

Atramenty pigmentowe naniesione na papier pozostaj na jego powierzchni, mona wic stosowa do nich papier gorszej jakoci. Tusze tego typu daj gbok, ciemn barw i ostre kontury wydruku. Atramenty barwnikowe wnikaj w gb struktury papieru, nasczajc jego wkna. Do uzyskania odpowiedniego efektu wymagaj znacznie lepszego papieru, choncego rozpuszczalnik tylko w okrelonych granicach (w przeciwnym razie tusz by si rozlewa).

Atramenty barwnikowe daj si atwo ze sob miesza, dziki czemu wydruk ma wiksz przestrze barwn. Tusze pigmentowe mieszaj si znacznie gorzej. Aby dao si uzyska prawidowe przejcia tonalne, agregaty barwnikw o rnym kolorze musz by mniej wicej tej samej wielkoci - w przeciwnym razie mniejsze pigmenty uton w wikszych, a rezultatem tego procesu bdzie niekontrolowane rozmywanie si barw. Poniewa dla tuszw o barwach podstawowych trudno uzyska agregaty barwnika podobnych rozmiarw, wikszo atramentw stosowanych w drukarkach to atramenty barwnikowe.

Ciekawym atramentem, ktry pojawi si kilka lat temu, jest tusz DURABrite firmy Epson. Agregat barwnika zosta tu otoczony specjaln polimerow otoczk. W rezultacie nawet na zwykym papierze mona otrzyma wydruk fotograficznej jakoci. Co wicej, po wyschniciu polimer zapewnia trwa ochron wydruku, ktry mona nawet zanurzy w wodzie. Trwao takiego dokumentu jest szacowana na ponad 80 lat.

Warstwa na warstwieOstatnim czynnikiem wpywajcym na jako wydruku atramentowego jest papier. Tzw. papier fotograficzny to specjalnie zaprojektowana, wielowarstwowa struktura, uatwiajca schnicie i wchanianie atramentu barwnikowego

W drukarkach termicznych dysze s zintegrowane ze zbiornikami z atramentem.

Zazwyczaj taki papier jest projektowany z myl o konkretnym typie atramentu.

Wspczesny papier fotograficzny to polimerowo- -kompozytowa kartka zbudowana z kilku warstw. Warstwa zewntrzna, nazywana warstw obrazu, skada si z co najmniej trzech powok. Pierwsz jest wielofunkcyjny polimer, umoliwiajcy szybkie i rwnomierne przyjmowanie tuszu; jego zadaniem jest rwnie ochrona wydruku przed uszkodzeniami, wod i blakniciem. Druga powoka, warstwa kapilarna, wie barwniki. Ma ona kilka funkcji: skraca czas schnicia atramentu, zapewnia odpowiedni ostro punktow obrazu i zabezpiecza wydruk przed czynnikami zewntrznymi, takimi jak powietrze i jego zanieczyszczenia. Ostatnim, trzecim elementem warstwy obrazu jest powoka izolacyjna, najczciej z polietylenu. Uniemoliwia ona wniknicie tuszu w gb podoa. Opisane powoki bezporednio odpowiadaj za jako wydruku.

Po warstwie obrazowej mamy najgrubsz warstw papieru fotograficznego: podoe z celulozy lub polimeru. Zapewnia ono caej kartce odpowiedni sztywno. Grubo i gramatura podoa maj wpyw na przeznaczenie danego papieru fotograficznego; papieru innej gruboci uywa si do

wydrukw plakatw, innej do prezentacji, a jeszcze innej do zdj do rodzinnego albumu.

Ostatnia warstwa papieru fotograficznego, tzw. powoka spodnia, zapobiega zwijaniu si papieru i umoliwia uzyskanie gadkiego, paskiego arkusza. Powoka spodnia najczciej jest sztywnym polime

rem lub warstw celulozy z wknami uoonymi w innym kierunku ni wkna w warstwie podoa. Niektre papiery od spodu s pokryte dodatkowo warstw bazow, czyli wodoodpornym polimerem (najczciej na bazie te

flonu) zabezpieczajcym papier od spodu przed dziaaniem wilgoci. Jego zadaniem jest rwnie niedopuszczenie do sklejenia si ze sob dwch fotografii.

Obok drukarek atramentowych du popularnoci - zwaszcza w zastosowaniach biurowych - ciesz si drukarki laserowe. O nich za miesic.

DR IN. MARCIN BIEKOWSKI jest dziennikarzem zajmujcym si

popularyzacj nauki i techniki.