Ein Wegweiser zu Druckkopf-Techniken

Simon Eccles erläutert Inkjet-Druckköpfe und wirft einen Blick auf die kommende Generation, die in der Druckindustrie Wellen schlagen werden.

Drop-on-Deman, Continuous Inkjet, piezo-elektrisch, thermo, solid, binär, Graustufen – werbende Begriffe, die gerne fallen, wenn Inkjet-Drucker, und vor allem deren verbaute Druckkopf-Typen beschrieben werden.

Wer weiß, was sie bedeuten, kann ziemlich gut einschätzen, wofür ein Drucker gedacht ist und wie er funktioniert. Wer es nicht weiß, wird nur schwerlich jemanden finden, der sie erklärt.

Deshalb nehmen wir uns hier die Zeit für eine Erklärung. Einige der Begriffe beschreiben den grundsätzlichen Aufbau von Druckköpfen, andere beziehen sich auf spezielle Funktionen oder auf ihre Arbeitsweise.

Einige lassen sich zur weiteren Verfeinerung der Beschreibung kombinieren, etwa "Piezo-Graustufen", andere schließen sich gegenseitig aus, denn es gibt ja keine binären Graustufen.

Dieser Artikel stellt sozusagen den FESPA-Führer durch den Dschungel der Fachbegriffe dar. Und wir beginnen gleich mit der Frage: Was ist eigentlich ein Druckkopf?

Dabei handelt es sich um eine Komponente des Inkjet-Druckers, die Tintentropfen auf das Druckmedium überträgt. Es ist ein Bauteil von höchster Präzision und seine Herstellung erfordert viel Know-how und investitionsintensive Reinraumfabriken.

Moderne Druckköpfe entstehen mit Fertigungstechniken, wie etwa Dünnfilm-Silikon-MEMS (mikro-elektromechanische Systeme), die denen der Mikrochip-Herstellung ähneln.

Im Innern eines üblichen Druckkopfes befinden sich die Ansteuerungselektronik, Aufsätze zur Tintenzufuhr und mindestens eine, doch meist hunderte von Tintenkammern, die zu den Düsen führen. Mit letzterem sind die Öffnungen in der Düsenplatte gemeint.

Die Kanäle für die Tintenzufuhr haben einen Durchmesser von wenigen Dutzend Mikrometern, die Düsen messen meist 20 - 50 Mikrometer. Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 80 Mikrometern.

Die meisten für den Druck von Beschilderungen und anderen grafischern Anwendungen eingesetzten Druckköpfe besitzen hunderte an Düsen, die einzeln angesteuert werden, um Tropfen zu bilden und aufzutragen (siehe "Drop on Demand").

Die oft Millionen von Tropfen während eines Durchlaufs des Kopfes zu erzeugen und dann passgenau an die richtige Stelle aufzutragen erfordert extrem fortgeschrittene Elektronik.

Einige Inkjets haben eine einzelne Düse und werfen einen kontinuierlichen Strom von Tropfen aus. Die Tropfen werden dann elektrostatisch oder durch Luftstöße zum Druckmaterial gelenkt oder von diesem weggeführt. Diese Technik kommt überwiegend bei Etikettier- und Kennzeichnungssystemen zum Einsatz (siehe "Continuous Inkjet").

Druckkopf-Hersteller

Die Explosionsdarstellung eines Druckkopfs und seiner Komponenten, in diesem Fall vom Piezo-Modell Xaar 1001.

Obwohl es weltweit Hunderte von Druckerherstellern gibt, beziehen sie ihre Druckköpfe von einer vergleichsweise kleinen Zahl spezialisierter Hersteller und integrieren diese dann in einer Kombination aus Halterungen, Elektronik, Tintenzuführungen, Firmware und Treiber-Software.

Nur eine Handvoll Hersteller von Großformat-Druckern besitzt eine eigene Fertigung von Druckköpfen, darunter Canon, Epson/Seiko-Epson, Fujifilm (über die Tochter Fujifilm Dimatix), HP und Xerox.

Alle anderen kaufen die Köpfe ein oder sind Joint Ventures eingegangen. Die meisten oben genannten Hersteller liefern Köpfe auf OEM-Basis an andere Hersteller, wobei sie allerdings manchmal die neuesten Modelle erst einmal selbst verbauen. Weitere Druckkopfhersteller sind Konica Minolta, Kyocera, Panasonic, Ricoh, Toshiba TEC und Xaar.

Drop-on-Demand (DoD)

Das ist ein allgemeiner Ausdruck für den Druckkopftyp, der in den meisten modernen Inkjets für Drucke hoher Qualität Verwendung findet. Darunter fallen all die Großformat-Drucker, die man auf der FESPA sehen kann – und auf dieser Website.

Drop-on-Demand heißt, dass die Tintendüsen einen Farbtropfen nur dann bilden und auf das zu bedruckenden Material aufbringen, wenn er auch gebraucht wird. Der Ausdruck wurde vor allem eingeführt, um den Unterschied zu den älteren Continuous-Flow-Modellen heraus zu stellen (siehe Continuous Flow weiter unten).

Bei den Drop-on-Demand Druckköpfen unterscheidet man weiterhin zwischen thermo- und piezo-elektrischen Typen (siehe unten).

Continuous Inkjet

Das Prinzip des Continuous Inkjet mit Strahllenkung. Quelle: Xaar. 

Der Inkjet-Druckkopf gibt während der gesamten Betriebsdauer ununterbrochen Tropfen ab. Üblich ist dabei eine Düse pro Kopf, doch ein Array von Köpfen kann einen größeren Druckbereich abdecken.

Es gibt zwei Verfahren, den Tintenfluss entweder zum Druckmedium hin-, oder davon wegzulenken. Im ersten kommen geladene Metallscheiben mit einem elektrostatischen Feld zum Einsatz, im zweiten, von Kodak benutzten Verfahren, erledigen präzise eingesetzte Luftstöße die Arbeit.

Heute finden sich diese Druckköpfe eher in Etikettier- und Kennzeichnungssystemen als in hochwertigen Grafikdruckern.

Die Ausnahme sind die Druckköpfe der Reihe Prosper von Kodak, die eine hochentwickelte Continuous Inkjet-Technik verwenden. Die heißt Stream und führt zu Drucken hoher Qualität. Derzeit finden weder Prosper noch Stream Verwendung in Werbemittel- oder Displaydruckern.

Thermo-Druckköpfe

Das Prinzip eines Thermo-Inkjets. Quelle: Xaar. 

Dies waren die ersten Druckköpfe des Print-on-Demand-Typs, die in die ersten Desktop-Inkjets der frühen 1980er-Jahre eingebaut wurden.

Thermo-Druckköpfe sind effizient und erreichen hohe Druckqualität bei Geschwindigkeiten, die denen der piezo-elektrischen Köpfe vergleichbar sind, doch arbeiten sie nur mit wasserbasierten Tinten und sind deshalb in der Regel auf Indoor-Anwendungen beschränkt.

HPs Latex-Tinten bilden eine Ausnahme: sie arbeiten mit HP Thermoköpfen. Sie enthalten ein hitzeaktivierbares Polymer in einer Wassersuspension gelöst, die eine Nutzung im Außenbereich ermöglicht.

Die Thermotechnik wurde unabhängig, aber zeitgleich, in den 1970er-Jahren von Printheat Technolo in Japan und Hewlett-Packard in den USA erfunden. Man beschlossen, die Patente zu bündeln, statt sich zu bekriegen.

Das Funktionsprinzip fußt auf einem Bauteil innerhalb der Tintenkammer, das schnell erhitzt wird, bis die Flüssigkeit verdampft und eine Gasblase bildet. Diese dehnt sich aus und presst einen Tintentropfen aus einem Loch (der Düse) an einem Ende der Kammer.

Das Heizelement wird daraufhin abgeschaltet, die Gasblase kühlt ab, verdichtet sich und zieht sich zusammen. Die Oberflächenspannung an der Düse verhindert das Eindringen von Luft in die Kammer und so wird neue Flüssigtinte am anderen Ende aus den Zuführrohren gezogen. Canon, einer der Miterfinder der Thermoköpfe, prägte wegen dieser Funktionsweise den Namen Bubble Jet.

Bis heute gibt es keine wirklichen Graustufen-Thermoköpfe. Sie sind alle binär, was heißt, dass die Tintentropfen alle dieselbe Größe haben. HP allerdings hat Düsen unterschiedlicher Größe paarweise verknüpft, was einen Schritt hin zu Graustufen bedeutet.

Weil die Hitzebelastung die Köpfe schnell verschleißt, werden sie als Verbrauchsmaterial ausgelegt, sodass sie einfach und kostengünstig nach wenigen zehn oder hundert Betriebsstunden ersetzt werden können.

Piezo-elektrische Druckköpfe

Das Prinzip eines piezo-elektrischen Inkjet im "Bend"-Modus. Quelle: Xaar

Solche werden oft auch einfach Piezo-Köpfe genannt. Diese Drop-on-Demand-Köpfe erschienen in den frühen Großformat-Druckern der 1990er-Jahre zum ersten Mal auf der Bildfläche und revolutionierten diesen Industriebereich. Zum ersten Mal konnten so Solvent- und UV-gehärtete Tinten, die bis dahin dem Siebdruck vorbehalten waren, auch digital gedruckt werden.

Piezo-Köpfe nutzen die Eigenschaft eines speziellen Kristalls (bei Inkjets oft Bleizirkonat, PZT), sich unter Strom auszudehnen und bei dessen Abschaltung wieder zusammen zu ziehen. Diese Ausdehnung bewirkt einen Pumpeffekt in der Tintenkammer.

Abhängig von der Konfiguration des Kristalls im "bend" oder "shear"-Modus bewirken die zwei Phasen der Ausdehnung entweder das Ansaugen der Tinte mit anschließendem Ausstoß durch die Düse (etwa bei Epson-Geräten), oder es werden akustische Druckwellen aufgebaut, die dann den gleichen Effekt haben, so arbeitet etwa Xaar.

Der elektrische Strom kann sehr schnell ein- und ausgeschaltet werden. Die beinahe unmittelbare Reaktion des Kristalls erlaubt dabei eine wesentlich größere Kontrolle über die Punktbildung als dies im Thermoverfahren möglich ist.

Neben anderen Vorteilen ermöglicht dies die Bildung von Tropfen variabler Größe aus der gleichen Tintenkammer und Düse und so unterschiedliche Dichten auf dem bedruckten Material. Hier spricht man von "Graustufen-Köpfen" (siehe unten).

Der piezo-elektrische Effekt kann so ziemlich auf alle Flüssigkeiten angewendet werden. Deshalb lassen die Piezo-Druckköpfe fertigen, die Tinten auf Lösungsmittelbasis, UV-gehärtete Tinten (darunter auch solche für den 3D-Druck) und wasserlösliche Farben verarbeiten.

Diese Köpfe finden auch Anwendung bei komplexen Flüssigkeiten, wie etwa elektrisch leitende Tinten, mit großen Partikeln deckende weiße und metallische Farben, 3D-Tinten und phasenwechselnde Tinten, die flüssig sind, wenn sie die Tintenkammer erreichen.

Piezo-Köpfe haben eine erheblich längere Lebensdauer als Thermo-Köpfe, da die Hitzebelastung geringer ist und die Kristalle sich einige Millionen Mal ausdehnen können. Von einem Piezo-Kopf wird normalerweise erwartet, über den gesamten Lebenszyklus der Druckmaschine zu halten, solange es zu keinen Beschädigungen durch Blockierung oder Einwirkung von außen kommt. 

Sie kosten allerdings auch erheblich mehr in Herstellung und Anschaffung. Anwender müssen deshalb mehr Aufwand in die Wartung investieren.

Binär oder Graustufen?

Dieser Epson Micro Piezo PrecisonCore TFT Druckkopf bildet Tropfen in variablen Größen zwischen 1,3 und 23 Picolitern. 

Diese beiden Begriffe unterscheiden, ob die Druckköpfe Tropfen von gleichem Volumen abgeben oder ob dieses variabel ist, um die Dichte der Tinte auf dem Medium zu steuern und hellere Töne zu erzielen. In Verbindung mit Halbtontechniken können Graustufenköpfe die Farbtiefe eines Inkjet-Druckers erheblich steigern und trotzdem eine normale Düsenverteilung beibehalten oder mit weniger Durchläufen auskommen.

Ursprünglich waren Piezo-Köpfe immer binär und erzeugten nur Tropfen gleicher Größe. Mit Halbtontechniken erreicht auch ein binärer Druckkopf einen guten Farbwertumfang, doch erscheinen hellere Bereiche oft etwas körnig, wenn man keinen extrem geringen Düsenabstand oder zusätzliche hellere Farben einsetzt.

Binäre Tropfengrößen bewegen sich üblicherweise zwischen 30 und 100 Picolitern. Es ist möglich mit kleineren Tropfen zu arbeiten, um feinere Auflösungen zu erhalten. Doch dann sind mehr Durchläufe nötig, um ausreichende Dichte in deckenden Bereichen zu erreichen und der Druckvorgang verlangsamt sich.

Graustufenköpfe können die Dichte der einzelnen gedruckten Punkte variieren, sodass ein einzelner Tropfen 30%, 50% oder 100% Farbe ergibt. Der Vorteil dabei ist, dass man mit geringerer Auflösung und weniger Kopf-Durchläufen die gleiche "effektive Auflösung" erreicht wie binäre Köpfe mit viel höherer tatsächlicher Auflösung.

Man geht davon aus, dass die Auflösung von beispielsweise 360 dpi eines Graustufen-Kopfs zum gleichen Ergebnis führt wie 1.000 dpi im Binärverfahren. Und mehr wird man für Fotografien oder Mischdrucke selbst bei genauer Betrachtung nicht benötigen.

Piezo-Köpfe variieren die Tropfengrößen mit verschiedenen Methoden. Die hängen meist vom Hersteller und dessen Zugriff auf Patente ab. Abhängig von der Methode sind zwischen drei und fünf Tropfengrößen möglich.

Die kleinsten Größen feinauflösender Druckköpfe, wie sie etwa für Fotografie Verwendung finden, liegen unter 2 Picolitern. Im digitalen Großformatdruck finden sich eher Größen von 10 bis 20 Picolitern, da Geschwindigkeit und Abdeckung hier wichtiger sind als die Qualität bei Betrachtung aus der Nähe.

Thermo-Graustufen

Richtige Graustufen werden derzeit nur mit Piezo-Köpfen erreicht. HP hat allerdings so etwas wie Graustufen für seine "WidePage"-Thermoköpfe entwickelt und nennt diese Technik High Definition Nozzle Architecture.

Sie kommt bis jetzt nur in den riesigen Inkjet-Webmaschinen der T-Serie zum Einsatz, und nicht in den großformatigen Pagewide XL Modellen, die vorwiegend für CAD und zum Druck von Plänen genutzt werden.

Obwohl die Tropfen der einzelnen Düse immer die gleiche Größe haben, werden ein größere und eine kleinere Düse nahe aneinander angeordnet und dann zwei dieser Düsenpaare als ein einzelner Druckpunkt angesteuert um den Graustufeneffekt zu erzielen.

Durch die verschiedenen Kombinationen der zwei großen und zwei kleinen Düsen ergeben sich fünf Graustufen (tatsächlich sind es vier und weiß). Die Düsenverteilung bei HDNA beträgt 2.400 dpi, so haben die Düsenpaare eine Auflösung von 1200 dpi und die Graustufenpunkte kommen auf 600 dpi.

Weitere Steuerungsmöglichkeiten ergeben sich aus der Verwendung verschiedener Farben in den großen und kleinen Düsen (z. B. Cyan und Light Cyanyan). Die Düsengruppen können auch einzeln angesteuert werden, um höhere Geschwindigkeiten oder Auflösungen bei dann weniger Graustufen zu erreichen.

Native Auflösung

Dieser Memjet Waterfall-Druckkopf hat eine Breite von 222.8 mm und druckt in einem Durchlauf. Er besitzt 70,400 Düsen in zwei Reihen, was eine native Auflösung von 1,600 dpi ergibt. 

Das ist die Beschreibung der Düsenverteilung, das heißt der tatsächlichen Anzahl der Tintentropfen, die ein Druckkopf in einem gegebenen Bereich absetzen kann.

Die Industrie gibt diese Größe normalerweise in Dots per Inch an, und nicht mit einem metrischen Wert. Hat ein Druckkopf eine Breite von 1,5 Inches (38 mm) und besitzt 540 Düsen über diese Breite, dann ist seine native Auflösung 360 dpi.

Viele großformatige Inkjets erzeugen das Druckbild in überlappenden Durchläufen. Deshalb kann es sein, dass auf dem Druckmedium sehr viel mehr Tropfen landen, als die native Auflösung alleine ergeben würde. Je höher die Dots per Inch, desto mehr gleicht der Ausdruck einem Foto mit kontinuierlichen Farbverläufen.

Graustufen-Köpfe ermöglichen eine Reihe verschiedener Punktdichten und damit einen im Vergleich zu binären Köpfen mit gleicher Düsenverteilung größeren Tonwertumfang, der wiederum den Eindruck eines kontinuierlichen Farbverlaufs verstärkt.

Es ist deshalb üblich bei Graustufendruckern von "vergleichbaren" Auflösungen zu sprechen, wenn man zum Beispiel sagt, dass ein Graustufen-Kopf mit 360 dpi die gleiche wahrgenommene Qualität erreicht wie ein binärer Druckkopf mit 1.000 dpi.

Es gibt auch Druckköpfe wie den Epson’s Micro Piezo TFT (in den SureColor Druckern) mit einer hohen nativen Auflösung von 600 dpi und fünf Tropfengrößen zwischen 1,5 und 23 Picolitern.

HPs oben angesprochene PageWide HDNA verfügt über eine Düsenverteilung von 2.400 dpi mit abwechselnd angeordneten großen und kleinen Düsen, doch da sie paarweise angesteuert werden kann ihre Auflösung als 1.200 dpi angenommen werden.

Besuchen Sie die FESPA 2017!

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HP und Epson sind zwei von mehr als 700 Marken, die sich auf der Veranstaltung vorstellen, für die ein neuer Besucherrekord erwartet wird.

Mehr zur FESPA 2017 findet sich auf www.fespa2017.com. Besucher, die sich online registrieren, erhalten freien Eintritt, wenn sie den Code FESG702 angeben.