Głowica bąbelkowa (Bubble Jet)

Głowica bąbelkowa, znana szeroko pod handlową nazwą Bubble Jet spopularyzowaną przez firmę Canon, to specyficzny typ głowicy termicznej stosowanej w drukarkach atramentowych. Jej nazwa doskonale oddaje fundamentalną zasadę działania: wykorzystanie gwałtownego tworzenia się i zapadania pęcherzyków pary do wyrzucania mikroskopijnych kropli tuszu przez dysze na podłoże drukowe. Jest to jedna z dwóch głównych technologii druku atramentowego Drop on Demand (DOD), obok technologii piezoelektrycznej.

Mechanizm działania głowicy bąbelkowej rozpoczyna się w maleńkiej komorze na tusz, znajdującej się bezpośrednio za dyszą wylotową. Wewnątrz tej komory umieszczony jest element grzewczy – najczęściej mały rezystor. Gdy drukarka otrzymuje sygnał do wydrukowania punktu w określonym miejscu, do elementu grzewczego przyłożone zostaje krótkotrwałe, intensywne napięcie elektryczne. Powoduje to błyskawiczne nagrzanie elementu grzewczego do bardzo wysokiej temperatury, często przekraczającej 300°C, w ciągu zaledwie kilku mikrosekund.

Gwałtowne podgrzanie tuszu w bezpośrednim kontakcie z elementem grzewczym prowadzi do jego lokalnego zagotowania i odparowania. W efekcie powstaje niewielki, ale rapidly rozszerzający się pęcherzyk pary (ang. bubble) w komorze. Ekspansja tego pęcherzyka pary powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia wewnątrz komory. To ciśnienie działa na objętość tuszu znajdującego się w komorze, wypychając go z dużą prędkością przez dyszę w kierunku podłoża drukowego. W ten sposób formowana jest i wyrzucana pojedyncza kropla tuszu.

Po ustaniu napięcia elektrycznego, element grzewczy szybko stygnie. Spadek temperatury powoduje natychmiastowe zapadnięcie się pęcherzyka pary. Zapadający się pęcherzyk tworzy w komorze lokalne podciśnienie. To podciśnienie, wspomagane przez napięcie powierzchniowe i siły kapilarne, zasysa świeży tusz z głównego kanału doprowadzającego do komory, napełniając ją i przygotowując do kolejnego cyklu wyrzucania kropli. Cały proces – od podgrzania, przez powstanie i rozszerzenie pęcherzyka, wyrzucenie kropli, po zapadnięcie się pęcherzyka i zassanie nowego tuszu – trwa ułamki sekundy i jest powtarzany tysiące razy na sekundę dla każdej z dyszy w głowicy.

Technologia Bubble Jet charakteryzuje się stosunkowo prostą konstrukcją mechaniczną w porównaniu do technologii piezoelektrycznej, co może przekładać się na niższe koszty produkcji samej głowicy. Umożliwia również stosowanie głowic z bardzo dużą gęstością dyszy, co teoretycznie pozwala na osiągnięcie wysokiej rozdzielczości wydruków. Firma Canon, będąc głównym promotorem tej technologii, opracowała i wdrożyła zaawansowane procesy produkcyjne, co zaowocowało stworzeniem głowic FINE (Full-photolithography Inkjet Nozzle Engineering). Głowice FINE charakteryzują się niezwykle precyzyjnie wykonanymi, bardzo gęsto upakowanymi dyszami, co dodatkowo poprawia jakość i szybkość druku.

Wiele drukarek wykorzystujących technologię Bubble Jet ma głowicę drukującą zintegrowaną z kartridżem z tuszem. Oznacza to, że przy każdej wymianie tuszu, wymieniana jest również głowica. Ma to swoje zalety i wady. Zaletą jest to, że potencjalne problemy z zapchanymi dyszami lub uszkodzeniem głowicy są rozwiązywane poprzez prostą wymianę kartridża. Wadą jest potencjalnie wyższy koszt eksploatacji w dłuższej perspektywie, ponieważ płaci się za nową głowicę za każdym razem, nawet jeśli stara była w dobrym stanie. Istnieją również modele drukarek Bubble Jet z głowicami stałymi, które wymagają osobnej wymiany dopiero po zużyciu.

Jedną z głównych kwestii związanych z technologią Bubble Jet jest narażenie tuszu na cykliczne, gwałtowne podgrzewanie. Chociaż producenci tuszy projektują je tak, aby były odporne na te warunki, proces ten może wpływać na właściwości tuszu, a także ograniczać gamę tuszy, które mogą być bezpiecznie stosowane (np. niektóre tusze pigmentowe lub specjalistyczne mogą nie być odpowiednie ze względu na temperaturę). Cykliczne nagrzewanie i chłodzenie elementów grzewczych i materiałów głowicy może również prowadzić do ich zużycia i skrócenia żywotności głowicy w porównaniu do technologii piezoelektrycznej przy bardzo intensywnym użytkowaniu.

Mimo tych ograniczeń, technologia Bubble Jet jest powszechnie stosowana w szerokiej gamie drukarek, od modeli domowych i biurowych (np. seria Canon PIXMA) po niektóre drukarki wielkoformatowe (np. Canon imagePROGRAF). Jest ceniona za szybkość druku (dzięki dużej liczbie dyszy) oraz dobrą jakość wydruków tekstowych i graficznych w typowych zastosowaniach. Podobnie jak w przypadku innych drukarek atramentowych, głowice bąbelkowe wymagają regularnego czyszczenia i użytkowania, aby zapobiec zasychaniu tuszu w dyszach i utrzymać optymalną jakość druku. Wbudowane programy czyszczące pomagają w udrażnianiu dyszy, ale długotrwałe nieużywanie drukarki może prowadzić do trudnych do usunięcia zatorów.

Podsumowując, głowica bąbelkowa (Bubble Jet) to dynamiczna i efektywna implementacja technologii termicznego druku atramentowego, która wykorzystuje pęcherzyki pary do precyzyjnego wyrzucania kropli tuszu. Charakteryzuje się szybkością, możliwością stosowania dużej liczby dyszy oraz – w przypadku zaawansowanych wersji jak FINE – wysoką jakością druku. Pomimo pewnych ograniczeń związanych z temperaturą i trwałością przy ekstremalnym użyciu, pozostaje kluczową technologią w świecie druku atramentowego, napędzając rozwój wielu popularnych modeli drukarek.