ЧЕРНО-БЕЛЫЕ УСТРОЙСТВА ПЕЧАТИ, ПРИНЦИП И ТЕХНОЛОГИИ ПЕЧАТИ, СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

BLACK AND WHITE PRINTING DEVICES, PRINTING PRINCIPLES AND TECHNOLOGIES, AREAS OF APPLICATION

Denis Sysoev

student, Department of Automated Control Systems, Lipetsk State Technical University,

Russia, Lipetsk

Igor Shadrov

student, Department of Automated Control Systems, Lipetsk State Technical University,

Russia, Lipetsk

Yulia Sedykh

scientific supervisor, senior lecturer at the Department of Automated Control Systems, Lipetsk State Technical University

Russia, Lipetsk

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены основные виды черно-белых принтеров принципы и технологии черно-белой печати включая 3D-печать, сферы применения.

ABSTRACT

The main types of black-and-white printers are considered; the principles and technologies of black-and-white printing, including 3D printing, and areas of application.

Ключевые слова: 3D-принтеры, матричные принтеры, струйные принтеры, лазерные принтеры, термические принтеры, матричная печать, струйная печать, термическая печать, лазерная печать, 3D-печать.

Keywords: 3D printers, dot matrix printers, inkjet printers, laser printers, thermal printers, dot matrix printing, inkjet printing, thermal printing, laser printing, 3D printing.

Первые принтеры появились во второй половине XX века и использовались как основное и единственное устройство вывода информации. С развитием современных технологий расширилась и сфера применения принтеров, а также значительно выросли их технические возможности.

Современный человек практически не представляет своей жизни без такого простого с виду устройства. В данной работе будут рассмотрены основные типы черно-белых устройств печати включая набирающую популярность 3D-печать.

Черно-белая печать и черно-белые устройства печати.

Что такое черно-белая печать и черно-белое устройство печати? Если коротко, то периферийное устройство вывода информации, а сама печать - нанесение черно-белых чернил на любой носитель информации, а если рассматривать еще и 3D-печать, то это еще и создание объёмного объекта для более лучшей визуализации предмета. Приведём основные типы печатающих устройств, рассмотренных в данной работе:

1. Матричные принтеры.

Одним из самых первых, простых и самых надежных принтеров является матричный принтер, который имел набор из 7 иголок. С течением времени и развитием современных технологий для повышения качества печати стали появляться принтеры с 9, 12, 14, 18 и 24 иголками. Скорость и качество печати матричного принтера напрямую зависят от количества иголок, чем их больше, тем выше скорость печати. Скорость печати измеряется в строках в минуту при печати теста и дюймах в минуту при печати изображения.

В матричных принтерах используется последовательная ударно-матричная технология, которая заключается в том, что во время печати блок иголок, который по-другому называется печатающей головкой, движется вдоль каретки перед красящей лентой и формирует изображение путем удара иголкой в нужном месте по красящей ленте (рисунок 1). За один проход по каретке формируется горизонтальная линия напечатанного изображения. После, бумага подаётся дальше, а печатающая головка возвращается обратно, нанося изображение.

Рисунок 1. Схема устройства матричного принтера

Существуют две технологии, приводящие иголку матричного принтера в движение. Первая технология – это баллистическая технология. Принцип работы, которой заключается в том, что при подаче электрического тока на необходимую иголку, она втягивается в электромагнит, по которому проходит ток. После выключения электрического тока происходит возврат иголки за счет пружины и удар по красящей ленте. Минус данной технологии заключается в том, что печатающая головка при длительной печати сильно нагревается. Вторая технология – это технология с запасенной энергией. Принцип работы заключается в том, что иголка находится в состоянии постоянного напряжения за счет действия постоянного магнита. При подаче электрического поля через катушку образуется магнитное поле, которое компенсирует магнитное поле постоянного магнита и за счет этого пружина приводит в движение иголку и происходит удар по красящей ленте. Эта технология более новая и за счет подачи меньшей мощности на катушку для компенсации магнитного поля, печатающая головка меньше нагревается, что влечет за собой меньший износ блока иголок. Для этой технологии используются иголки меньшего размера, что значительно ускоряет процесс печати, за счет более быстрого перемещения печатающей головки по каретке.

Не смотря на то что матричный принтер был изобретен давно и ударно-матричная, технология устарела, он все еще используется в узкоспециализированых и узконаправленных местах, включая государственные структуры поскольку последовательная ударно-матричная технология печати деформирует носитель информации, что в свою очередь позволяет уменьшить количество подделок различных документов.

2. Струйные принтеры

Принцип печати струйного принтера схож с таковым у матричного принтера, поскольку струйный принтер печатает путем набрызгивания капель чернил на лист бумаги, диаметр такой капли в десятки раз меньше, чем след от иголки матричного принтера. Но вот устройство такого принтера (рисунок 2) разительно отличается от устройства матричного принтера и вот в чем.

Рисунок 2. Устройство струйного принтера

Самым важным элементом в струйном принтере является печатающий блок, который движется за счет зубчатого ремня с помощью шагового двигателя по направляющей и состоит из картриджей с чернилами и печатающей головки. Остановимся чуть более подробно на этих элементах.

Картридж струйного принтера состоит из резервуара, наполненного чернилами и капиллярной системы. В резервуаре находятся чернила которые, могут удерживаться за счет поролоновой губки, с помощью специального маленького мешка, заполненного воздухом или за счет разницы внутреннего и внешнего давления. Капиллярная система подводит чернила из резервуаров в сопла печатающей головки. В каждый картридж или во все сразу, если они соединены в единый блок, устанавливаются специальные чипы, которые позволяют контролировать расход чернил.

Самой важной частью печатающего блока является печатающая головка. Печатающая головка может устанавливаться отдельно от картриджей, а может быть объединена с ними в единый блок. Печатающая головка состоит из большого количества сопел, к которым подведена капиллярная система, чернила не вытекают из сопел за счет поверхностного натяжения жидкости.

Принцип работы печатающей головки различается по технологии подачи чернил на бумагу. На данный момент существуют две технологии подачи: непрерывная подача и подача по требованию.

Непрерывная подача – в сопло под давлением подается чернила, которые на выходе разбиваются на последовательность микрокапель с помощью расположенного на сопле пьезокристаллом, на котором формируется акустическая волна. Каплям чернил дополнительно сообщается электрический заряд и их отклонение производится с помощью дефлектора. Т.е. капли, которые не должны попасть на бумагу собираются в сборник чернил и возвращаются обратно в резервуар с красителем.

Подача по требованию – подача чернил осуществляется только тогда, когда необходимо нанести чернила на соответствующую область печати. Именно эту технологию используют в современных струйных принтерах. Существуют две разновидности технологии подачи по требованию:

пьезоэлектрическая – над соплом расположен пьезокристалл с диафрагмой. Когда на него подается электрический ток, он изгибается и тянет за собой диафрагму, формирую каплю.

Термическая – в сопле расположен микроскопический нагревательный элемент, который при прохождении электрического тока мгновенно нагревается до 500 0С, при нагревании образуются газовые пузырьки, которые выталкивают капли чернил на бумагу «Цитата» [2].

Струйный принтер получил большое распространение у обычных пользователей и различных фотоателье за счет своей простоты использования, высокого качества печати и относительно недорогой стоимости.

3. Термический принтер

Довольно простое устройство в технологическом плане, предназначенное для нанесения штрих-кодов, текста и графики на термочувствительную бумагу. Принцип работы данного принтера довольно прост – нагретая печатающая головка соприкасается с термочувствительной бумагой, оставляя на ней след (рисунок 3).

Рисунок 3. Принцип работы термического принтера

Подобная технология позволяет использовать минимум расходных материалов так как для работы такого принтера не требуется чернила или красящая лента, как в выше описанных устройствах. Но в подобной технологии есть существенный минус, используемые носители очень чувствительны к воздействию ультрафиолетовых лучей, воды и различных загрязнений и напечатанный текст довольно быстро становится трудночитаемым.

Термические принтеры получили широкое распространение в современном обществе. Данные устройства применяются в банках, кассах, медицине и торговле за счет своей простоты, надежности, компактности и широким возможностям использования.

4. Лазерные принтеры

Технология лазерной печати была изобретена довольно давно в 1971 году. С развитием современных технологий развились и лазерные принтеры. Давайте более подробно остановимся на устройстве данного принтера (рисунок 4) и принципах его печати. Современный лазерный принтер состоит из фотопроводящего цилиндра или другое его название печатающий барабан. Это металлический цилиндр, покрытый тонкой пленкой фотопроводящего полупроводника, чаще всего это оксид цинка. Поверхности данного покрытия можно придать как положительный, так и отрицательный заряд, который останется на поверхности до момента его снятия. Заряд на барабане появляется за счет тонкой проволоки называемой коронирующего проводом. На данный провод подается высокое напряжение вызывающее возникновение светящейся ионизированной области, которая и придает барабану необходимый заряд.

Следующей важной частью лазерного принтера является прецизионно оптико-механическая система, которая перемещает луч. Малогабаритный лазер генерирует, отражающийся от вращающегося зеркала, зачастую шестигранного, и разряжает заряженную часть печатного барабана. С помощью управляющего микроконтроллера лазер включается и выключается, зеркало разворачивает луч в строку на поверхности барабана и всё это позволяет создать строку невидимого изображения на печатающем барабане. После создания строки шаговый двигатель поворачивает барабан и происходит формирование новой строки. Это смещение называется разрешающей способностью принтера, и оно обычно составляет 1/300,1/600 дюйма.

После формирования изображения в виде заряженных и незаряженных участков барабан проходит мимо, который подаёт тонер – черный красящий порошок. Частички тонера притягиваются к нейтрально заряженным участкам и отталкиваются от положительно заряженных.

Последним этапом является перенос тонера на бумагу. Перед печатающим барабаном бумаге сообщается статический заряд при помощи еще одного коронирующего провода, после бумага прижимается к поверхности барабана. Разные заряды на поверхностях барабана и бумаги вызывают перенос тонера на бумагу. Затем валики перемещают бумагу к выходному лотку принтера, перед которым находится узел фиксации изображения, состоящий из двух валиков, один из которых нагрет до 200-220 С⁰. Проходя между ними тонер на бумаге расплавляется, за счет содержащихся в его составе полимера или смолы, и прилипает к бумаге.

Рисунок 4. Устройство лазерного принтера

Лазерные принтеры получили еще большее распространение, чем выше рассмотренные принтеры. Лазерный принтер используют в офисах, домах и различных магазинах печати, за счет высокой скорости печати и экономии тонера.

5. 3D-принтеры.

Современные технологии печати шагнули далеко вперед и были созданы 3D-принтеры. Технология 3D-печати может осуществляться разными способами с использованием различных материалов: пластик, бетон, еда, гипс и множество различных материалов. В основе всех принтеров лежит принцип послойного создания модели в трех измерениях.

Существуют две технологии 3D-печати (рисунок 5):

1. Лазерная, которая разделяется на лазерную стереолитографию, лазерное сплавление и ламинирование. Рассмотрим эти технологии более подробно.

Лазерная стереолитография. Принцип работы данной технологии заключается в том, что ультрафиолетовый лазер пиксель за пикселем засвечивает жидкий фотополимер, либо засвет происходит через фотошаблон, меняющийся с каждым слоем, с помощью ультрафиолетовой лампы. Жидкий полимер под светом застывает и превращается в твердый пластик.

Лазерное сплавление. Принцип данной технологии заключается в сплавлении порошка из металла или пластика в будущую деталь.

Ламинирование. Принцип данной технологии заключается постепенном наложении слоёв материала друг на друга и последующем их склеивании, при этом лазер вырезает в каждом слое контур сечения будущей детали.

2. Струйная, которая разделяется на технологию застывания материала при охлаждении, полимеризацию фотополимерного пластика, склеивание порошкообразного материала.

Застывание материала при охлаждении. Принцип данной технологии заключается в выдавливании капель разогретого термопластика на охлаждаемую платформу. Капли застывают и происходит склеивание их друг с другом, образуя слои будущего объекта.

Полимеризация фотополимерного пластика. Принцип данной технологии похож на предыдущий, за исключением того, что застывание пластика происходит под действием ультрафиолета.

Склеивание порошкообразного материала. Принцип данной технологии похож на лазерное спекание за исключением, что порошковая основа склеивается жидким веществом, поступающим из струйной головки.

Рисунок 5. Технологии 3D-печати

Сфер применения 3D-печати множество: археология, медицина, строительство, инженерная промышленность и домашнее использование. Так как технология довольно «новая», то с её развитием появляется все больше сфер применения 3D-печати.

Заключение

Необходимость применения принтеров настолько огромно, что они используются в каждой области и во всех сферах современной жизни. На сегодняшний день четыре технологии печати наиболее распространены и используемы. Это струйная печать, лазерная печать, термическая печать и 3D-печати. Данные технологии прочно закрепились в современной жизни человека.

Список литературы:

1. Отраслевой информационный веб-ресурс о технологии матричной печати «Хабр» [Электронный ресурс]. – URL: https://habr.com/ru/companies/nbz/articles/158275/ (дата обращения: 02.10.2023).
2. Электронная библиотека «Википедия» о струйных принтерах [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Струйный_принтер (дата обращения: 02.10.2023).
3. Штоляков, В. И. Печатное оборудование : учебное пособие для среднего профессионального образования / В. И. Штоляков, В. Н. Румянцев. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2023. — 470 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-13424-7. — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. с. %PAGE% — URL: https://urait.ru/bcode/518420/p.%PAGE% (дата обращения: 03.09.2023).
4. Рэдвуд, Б. 3D-печать. Практическое руководство : руководство / Б. Рэдвуд, Ф. Шофер, Б. Гаррэт ; перевод с английского М. А. Райтмана.. — Москва : ДМК Пресс, 2020. — 220 с. — ISBN 978-5-97060-738-1. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/140567  (дата обращения: 08.10.2023).
5. «Электронная библиотека «Википедия» о термических принтерах [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Термопечать (дата обращения: 08.10.2023)