Technologia termiczna (Thermal Inkjet – TIJ)

Technologia termiczna druku atramentowego (Thermal Inkjet – TIJ), często określana również jako technologia pęcherzykowa (Bubble Jet) – termin spopularyzowany przez firmę Canon – to jedna z dwóch głównych metod generowania i wystrzeliwania kropel atramentu stosowanych w drukarkach atramentowych (inkjet printers), w tym w niektórych modelach drukarek wielkoformatowych (LFP). Jest to technologia oparta na zjawisku gwałtownego podgrzewania atramentu w celu wytworzenia pęcherzyka pary, który wypycha kroplę atramentu z dyszy (nozzle).

Zasada działania technologii termicznej (TIJ):

Proces wystrzeliwania kropli atramentu w głowicy drukującej (printhead) opartej na technologii termicznej przebiega w kilku cyklicznych etapach:

1. Podgrzewanie (Heating):
   • W każdej komorze atramentowej bezpośrednio przy dyszy znajduje się miniaturowy element grzejny, czyli rezystor (heater resistor).
   • Kiedy przez ten rezystor przepływa krótki impuls prądu elektrycznego (sterowany przez elektronikę drukarki), jego temperatura gwałtownie wzrasta do bardzo wysokich wartości (np. 300-400°C) w ciągu zaledwie kilku mikrosekund (milionowych części sekundy).
2. Tworzenie pęcherzyka pary (Vapor Bubble Formation):
   • Gwałtowne podgrzanie cienkiej warstwy atramentu stykającej się z rezystorem powoduje jej natychmiastowe odparowanie (zagotowanie) i utworzenie mikroskopijnego pęcherzyka pary wodnej (lub pary innego rozpuszczalnika zawartego w atramencie).
3. Wystrzelenie kropli (Droplet Ejection):
   • Szybko rozszerzający się pęcherzyk pary działa jak tłok, wypychając niewielką objętość ciekłego atramentu (kroplę) z otworu dyszy w kierunku podłoża drukarskiego (medium). Prędkość wystrzeliwanej kropli może wynosić kilka lub kilkanaście metrów na sekundę.
4. Zapadanie się pęcherzyka (Bubble Collapse):
   • Po przerwaniu impulsu elektrycznego, element grzejny szybko stygnie. Pęcherzyk pary również gwałtownie ochładza się i zapada (kondensuje), zmniejszając swoją objętość.
5. Napełnianie komory (Chamber Refill):
   • Zapadnięcie się pęcherzyka pary powoduje powstanie podciśnienia w komorze atramentowej. Siły kapilarne oraz to podciśnienie powodują zassanie nowej porcji świeżego atramentu z rezerwuaru (np. kartridża) do komory, przygotowując dyszę do kolejnego cyklu wystrzału.
   • Cały ten cykl (podgrzanie, utworzenie pęcherzyka, wystrzał, zapadnięcie, napełnienie) może powtarzać się tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy razy na sekundę dla każdej dyszy (firing frequency).

Charakterystyczne cechy technologii termicznej (TIJ):

• Konstrukcja głowicy drukującej:
  • Głowice termiczne są często (choć nie zawsze) zintegrowane z wymiennym kartridżem z atramentem (Integrated Printhead – IPH). Oznacza to, że przy każdej wymianie kartridża użytkownik otrzymuje nową głowicę drukującą. Takie rozwiązanie jest popularne np. w wielu drukarkach HP (zarówno biurkowych, jak i niektórych modelach DesignJet) oraz w starszych drukarkach Canon.
  • Istnieją również systemy TIJ z głowicami półstałymi lub łatwo wymienialnymi przez użytkownika, które nie są integralną częścią kartridża, a atrament jest dostarczany z oddzielnych, większych zbiorników (np. w niektórych nowszych profesjonalnych drukarkach HP DesignJet, Canon imagePROGRAF, czy w technologii HP PageWide).
• Wymagania dotyczące atramentu:
  • Atrament stosowany w technologii termicznej musi być odporny na krótkotrwałe, cykliczne działanie wysokiej temperatury bez degradacji jego właściwości chemicznych i fizycznych (np. zmiany lepkości, wytrącania się osadów).
  • Tradycyjnie, technologia TIJ była kojarzona głównie z atramentami wodnymi (barwnikowymi i pigmentowymi). Stosowanie atramentów solwentowych lub UV w klasycznych głowicach termicznych było problematyczne ze względu na wysoką temperaturę pracy, choć pojawiają się rozwiązania próbujące obejść te ograniczenia (np. specjalne formulacje atramentów lub modyfikacje konstrukcji głowic).
• Wielkość kropli:
  • Głowice termiczne są zdolne do generowania bardzo małych kropel atramentu (rzędu kilku pikolitrów), co pozwala na uzyskanie wysokich rozdzielczości druku.
  • Możliwość implementacji technologii zmiennej wielkości kropli w TIJ jest bardziej ograniczona niż w technologii piezoelektrycznej, choć niektórzy producenci (np. HP) opracowali zaawansowane techniki modulacji impulsów grzewczych, pozwalające na pewną kontrolę nad objętością kropli.

Zalety technologii termicznej (TIJ):

• Stosunkowo niski koszt produkcji głowic: Konstrukcja głowic termicznych jest generalnie prostsza i tańsza w masowej produkcji niż głowic piezoelektrycznych, co może przekładać się na niższy koszt początkowy drukarek (zwłaszcza tych z wymiennymi głowicami IPH).
• Wysoka rozdzielczość: Możliwość precyzyjnego formowania małych dysz i generowania małych kropel pozwala na osiąganie wysokich natywnych rozdzielczości druku.
• Dobra jakość druku dla atramentów wodnych: Technologia ta jest dobrze zoptymalizowana dla atramentów na bazie wody, dając dobre rezultaty w druku biurowym, fotograficznym (z odpowiednimi atramentami) i technicznym.
• Mniejsze ryzyko związane z trwałością głowicy (w systemach IPH): Jeśli głowica ulegnie zaschnięciu lub zużyciu, wymiana kartridża rozwiązuje problem.

Wady technologii termicznej (TIJ):

• Ograniczona żywotność głowicy (zwłaszcza IPH): Elementy grzejne w głowicach termicznych podlegają stopniowemu zużyciu z powodu cyklicznych, wysokich obciążeń termicznych. Głowice zintegrowane z kartridżami są projektowane na określoną, ograniczoną ilość atramentu.
• Wyższy koszt eksploatacji w systemach IPH: Ponieważ przy każdej wymianie atramentu wymieniana jest również głowica, koszt takich kartridży jest zazwyczaj wyższy niż samych zbiorników z atramentem w systemach z głowicami stałymi.
• Ograniczenia w stosunku do typów atramentów: Tradycyjne głowice termiczne nie są idealne do wszystkich typów atramentów, zwłaszcza tych zawierających lotne rozpuszczalniki (solwenty) lub składniki wrażliwe na wysoką temperaturę (niektóre pigmenty, monomery UV).
• Podatność na przegrzanie: Przy bardzo intensywnej pracy, istnieje ryzyko przegrzania elementów grzejnych, co może wpływać na stabilność pracy lub żywotność głowicy.

Zastosowania technologii termicznej (TIJ) w druku wielkoformatowym:

Pomimo pewnych ograniczeń, technologia termiczna jest z powodzeniem stosowana w wielu drukarkach wielkoformatowych, szczególnie w segmentach:

• Druku technicznego (CAD/GIS): Np. wiele modeli HP DesignJet serii T, Canon imagePROGRAF serii TM/TA.
• Druku graficznego i fotograficznego (entry-level i mid-range): Np. niektóre modele HP DesignJet Z, Canon imagePROGRAF PRO (choć te ostatnie wykorzystują bardziej zaawansowane, trwałe głowice termiczne).
• Wysokowydajny druk produkcyjny (HP PageWide XL): Wykorzystuje stacjonarne głowice termiczne na całą szerokość strony, osiągając bardzo wysokie prędkości druku.

Technologia termiczna druku atramentowego jest dojrzałą i sprawdzoną metodą, która dzięki swojej prostocie i możliwościom produkcyjnym znalazła szerokie zastosowanie. Firmy takie jak HP i Canon są liderami w jej rozwoju, nieustannie ją doskonaląc i wprowadzając innowacje (np. zwiększanie trwałości głowic, poprawa kompatybilności z nowymi typami atramentów, rozwój technologii PageWide).