Technologia piezoelektryczna (Piezo Inkjet)

Technologia piezoelektryczna druku atramentowego (Piezoelectric Inkjet – PIJ lub skrótowo Piezo Inkjet) to jedna z dwóch głównych metod generowania i wystrzeliwania kropel atramentu stosowanych w drukarkach atramentowych (inkjet printers), w tym bardzo powszechnie w profesjonalnych i przemysłowych drukarkach wielkoformatowych (LFP). W odróżnieniu od technologii termicznej (TIJ), która wykorzystuje ciepło do wytworzenia pęcherzyka pary, technologia piezoelektryczna opiera się na zjawisku piezoelektrycznym, czyli zdolności niektórych materiałów do zmiany swojego kształtu pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

Zasada działania technologii piezoelektrycznej (Piezo Inkjet):

Proces wystrzeliwania kropli atramentu w głowicy drukującej (printhead) opartej na technologii piezoelektrycznej przebiega następująco:

1. Element piezoelektryczny:
   • W każdej komorze atramentowej (lub w jej bezpośrednim sąsiedztwie), z której atrament ma być wystrzelony przez dyszę (nozzle), znajduje się niewielki element wykonany z materiału piezoelektrycznego. Najczęściej stosowanym materiałem jest PZT (cyrkonian-tytanian ołowiu), który jest rodzajem ceramiki.
   • Element ten może mieć postać cienkiej płytki, rurki lub innego precyzyjnie ukształtowanego komponentu.
2. Przyłożenie napięcia elektrycznego:
   • Kiedy do elektrod elementu piezoelektrycznego zostaje przyłożony impuls napięcia elektrycznego (sterowany przez elektronikę drukarki), materiał piezoelektryczny ulega natychmiastowemu odkształceniu mechanicznemu – kurczy się lub rozszerza (w zależności od polaryzacji napięcia i konstrukcji).
3. Zmiana objętości komory atramentowej:
   • Odkształcenie elementu piezoelektrycznego powoduje zmianę kształtu lub objętości komory atramentowej, z którą jest on sprzężony mechanicznie. Na przykład, jeśli element piezoelektryczny stanowi jedną ze ścianek komory, jego wygięcie do wewnątrz zmniejsza objętość komory.
4. Wystrzelenie kropli (Droplet Ejection):
   • Nagłe zmniejszenie objętości komory atramentowej powoduje wzrost ciśnienia w jej wnętrzu. Ten wzrost ciśnienia wypycha precyzyjnie określoną objętość ciekłego atramentu (kroplę) przez otwór dyszy w kierunku podłoża drukarskiego (medium).
5. Powrót do stanu początkowego i napełnianie komory:
   • Po zaniku impulsu napięcia, element piezoelektryczny powraca do swojego pierwotnego kształtu.
   • Rozszerzenie komory atramentowej do jej początkowej objętości (lub nawet chwilowe jej powiększenie poprzez odpowiednie sterowanie piezoelementem – tzw. “pull-push motion”) wytwarza podciśnienie, które zasysa nową porcję świeżego atramentu z rezerwuaru do komory, przygotowując dyszę do kolejnego cyklu wystrzału.
   • Cały cykl jest niezwykle szybki i może powtarzać się dziesiątki tysięcy razy na sekundę dla każdej dyszy.

Charakterystyczne cechy technologii piezoelektrycznej (Piezo Inkjet):

• Konstrukcja głowicy drukującej:
  • Głowice piezoelektryczne są zazwyczaj konstruowane jako komponenty stałe (fixed printheads) lub półstałe, o wysokiej trwałości, często zaprojektowane na cały okres eksploatacji drukarki lub na bardzo dużą liczbę wydruków. Nie są one typowo zintegrowane z wymiennymi kartridżami z atramentem.
  • Atrament jest dostarczany do nich z oddzielnych, dużych kartridży lub systemów stałego zasilania (CISS).
  • Są bardziej złożone i droższe w produkcji niż głowice termiczne.
• Kompatybilność z szeroką gamą atramentów:
  • Ponieważ proces wystrzeliwania kropli nie wiąże się z podgrzewaniem atramentu do wysokich temperatur, technologia piezoelektryczna jest kompatybilna z znacznie szerszą gamą typów atramentów, w tym:
    • Atramenty wodne (barwnikowe i pigmentowe).
    • Atramenty solwentowe i eko-solwentowe.
    • Atramenty UV (utwardzane promieniowaniem UV).
    • Atramenty lateksowe.
    • Atramenty sublimacyjne.
    • Atramenty tekstylne.
    • Atramenty na bazie oleju.
    • Nawet bardziej lepkie płyny lub zawiesiny (w zastosowaniach przemysłowych).
• Precyzyjna kontrola nad kroplą:
  • Technologia piezoelektryczna pozwala na bardzo precyzyjną kontrolę nad procesem formowania i wystrzeliwania kropli atramentu.
  • Jest to podstawa dla technologii zmiennej wielkości kropli (Variable Dot Technology), gdzie poprzez modulację impulsów sterujących piezoelementem, można generować krople o różnych, ściśle zdefiniowanych objętościach (np. 3 pl, 7 pl, 14 pl) z tej samej dyszy.
• Wysoka trwałość głowic:
  • Elementy piezoelektryczne, jeśli są prawidłowo wykonane i eksploatowane, charakteryzują się bardzo dużą żywotnością, wykonując miliardy cykli odkształceń bez degradacji.

Zalety technologii piezoelektrycznej (Piezo Inkjet):

• Doskonała jakość druku: Możliwość generowania bardzo małych kropel i precyzyjnej kontroli nad ich umiejscowieniem oraz technologia zmiennej wielkości kropli pozwalają na uzyskanie wyjątkowej ostrości, szczegółowości, gładkich przejść tonalnych i szerokiego gamutu barwnego.
• Wszechstronność zastosowań: Kompatybilność z niemal wszystkimi typami atramentów otwiera drzwi do bardzo szerokiego spektrum zastosowań, od druku fotograficznego i artystycznego, przez reklamę i oznakowanie, po druk przemysłowy.
• Wysoka trwałość i niezawodność głowic: Głowice piezoelektryczne są generalnie uważane za bardziej trwałe i mniej podatne na zużycie niż głowice termiczne.
• Precyzyjna kontrola nad procesem druku: Umożliwia implementację zaawansowanych technik optymalizacji jakości i prędkości.
• Niższe koszty eksploatacji w długim okresie (potencjalnie): Dzięki trwałym głowicom i możliwości stosowania większych, bardziej ekonomicznych systemów zasilania w atrament, koszty druku mogą być niższe, zwłaszcza przy dużych wolumenach.

Wady technologii piezoelektrycznej (Piezo Inkjet):

• Wyższy koszt produkcji głowic: Bardziej złożona konstrukcja i proces produkcyjny przekładają się na wyższą cenę samych głowic i często również drukarek w nie wyposażonych.
• Potencjalnie wyższy koszt wymiany głowicy: Jeśli głowica piezoelektryczna (która jest elementem stałym) ulegnie uszkodzeniu po okresie gwarancji, jej wymiana jest zazwyczaj bardzo kosztowną operacją serwisową.
• Większa wrażliwość na pęcherzyki powietrza w systemie atramentowym: Pęcherzyki powietrza mogą zakłócać prawidłowe działanie piezoelementów i wymagają skutecznych systemów odpowietrzania.

Główni producenci i zastosowania technologii piezoelektrycznej w druku wielkoformatowym:

Technologia piezoelektryczna jest fundamentem dla wielu czołowych producentów drukarek wielkoformatowych i głowic drukujących, takich jak:

• Epson: Pionier i jeden z liderów w rozwoju głowic piezoelektrycznych (np. technologie MicroPiezo, PrecisionCore). Stosowane w szerokiej gamie drukarek SureColor (serie T, P, S, F, R).
• Ricoh, Fujifilm Dimatix, Konica Minolta, Kyocera, Xaar, Seiko Instruments: Producenci głowic piezoelektrycznych dostarczanych do wielu firm produkujących drukarki LFP (w tym drukarki UV, solwentowe, tekstylne).
• Wielu producentów drukarek (np. Roland, Mimaki, Mutoh, Agfa, Durst) wykorzystuje głowice piezoelektryczne od wyżej wymienionych dostawców w swoich urządzeniach.

Technologia piezoelektryczna zrewolucjonizowała rynek profesjonalnego i przemysłowego druku atramentowego, oferując niezrównaną jakość, wszechstronność i precyzję. Jest to preferowany wybór w większości zastosowań, gdzie wymagana jest najwyższa jakość obrazu, trwałość wydruków i możliwość druku na zróżnicowanych podłożach przy użyciu różnych typów atramentów.