История создания и развития струйных принтеров

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ. 3

1 ОБЩИЙ РАЗДЕЛ.. 5

1.1 История создания и развития струйных принтеров. 5

1.2 Принцип работы струйного принтера, основные характеристики. 11

2 РАСЧЕТНЫЙ РАЗДЕЛ.. 15

2.1 Расчёт электромеханического привода каретки струйного принтера. 15

2.2 Разработка структурных, кинематических схем. 17

2.3 Расчет ременной передачи и ее геометрических параметров, а также усилия натяжения ремня привода каретки принтера. 19

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 23

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 24

 

ВВЕДЕНИЕ

        

    Принципу струйной печати уже больше 100 лет. Лауреат Нобелевской премии Лорд Рэйли ещё в XIX веке изучал распад струи жидкости и формирование капель. Всерьёз к этой технологии отнеслись лишь в 1948 году, когда компания Siemens занялась разработкой непрерывного струйного принтера. В 1953 году компания обнародовала свое изобретение: измерительное устройство, оборудованное распылителем, с помощью которого регистрировались результаты измерений.

На сегодняшний день существуют три различных метода струйной печати. В принтерах фирм Epson и Brother используется пьезоэлектрический метод. В сопло установлен пьезокристалл, который связан с диафрагмой. На пьезокристалл подаётся ток, он вибрирует и давит на диафрагму, при этом выдавливается управляемое количество чернил. Таким образом формируется капелька, которая выталкивается на бумагу.

В 1977 году фирма Canon несколько модернизировала технологию Epson. Главных отличия было два: - капелька образовывалась не с помощью пьезокристалла, а с помощью нагревательного элемента, который разогревал чернила до температуры около 400 градусов, в результате чего образовывались пузырьки газа, выталкивающие краску на бумагу; - головки Canon выстреливали чернила сбоку, а не сверху. Позже эта технология получила название BubbleJet.

Корпорации Hewlett-Packard принадлежит изобретение метода drop-on-demand, который очень схож с методом газовых пузырей. Отличие лишь в том, что температура нагрева немного ниже и на бумагу попадает не капля, а пузырёк пара. Но вернёмся к истории. Первопроходцами в струйной печати была фирма Epson, со своим пьезоэлектрическим методом. Но у этого метода были такие недостатки как высокий расход чернил и низкое качество печати. Поэтому в 1985 году Epson представила принтер с новыми стандартами качества печати SQ 870/1170, в котором стали использовать пьезоэлектрические пластины.

Следующий шаг был сделан компанией Dataproducts в 1987 году. Ею был предложен другой принцип использования пьезоэлектриков для струйной печати, основанный на применении пластинчатого пьезопреобразователя.

Конкуренты в это время тоже не дремали - в 1984 году Hewlett-Packard выпустила принтеры серии ThinkJet, которые стали очень популярны благодаря хорошему соотношению цена/качество. В начале 90-х эта же компания придумала смешать три цвета (голубой, пурпурный и желтый) друг с другом, что дало возможность получать любой оттенок. Однако эти модели свою популярность получили несколько позже. Опередили их принтеры от Epson серии StylusColor.

 

1 ОБЩИЙ РАЗДЕЛ

 

    В развитии техники, ничто не вызывало так много разочарования, как создание изображений на бумаге. Многолетняя печать с компьютеров была неблагодарной задачей для пользователей, которые стремились точно воспроизвести то, что они видят - часто четкость и контрастность печати оставляли желать лучшего. Со временем появился струйный принтер, который распылял крошечные точки чернил на бумагу и обозначал революцию в печатании высококачественных изображений, что признано одним из самых важных достижений, начиная с фотогравюр и создания фотопанно.

История создания и развития струйных принтеров

        

Термопечать, впервые примененная в коммерческих целях Hewlett-Packard и Canon в 1980-ых, начиналась как медленные, грязные и низкоточные машины, которые не шли ни в какое сравнение с более четкими и качественными лазерными принтерами, которые сейчас распространены на рынке. Но, в итоге, неуклюжие небольшие струйные принтеры становились все более и более качественными. Сегодня, струйный принтер, стоящий $50 выдает четкие цветные изображения, тексты и четкую графику почти столь же хороши как и любой лазерный принтер, стоящий в 10-20 раз больше (хотя и имеющий гораздо больший ресурс печати). Неудивительно, что струйных принтеров продается в 10 раз больше, нежели лазерных. Только к этим принтерам продаются на $10-20 миллиардов долларов в год, согласно Исследованию LyraResearch.

Идея, лежащая в основе струйной печати, далека не нова. Уже 1867, Уильям Томсон получил патент на Принимающие или самопишущие приборы для электрических телеграфов", который использовал электростатические силы, чтобы управлять распылением капель чернил и красок по бумаге. В 1951, Сименс сделал первый рабочий струйный принтер. И в течение 1960-ых, другие изготовители опубликовали уточнения этой идеи с успехом. Струйный принтер теперь имел репутацию дорогого, грязного и ненадежного прибора (каким он вобщем то и является), с насосами, баллонами и другими движущимися частями, которые просто не могли представлять надежный прибор, способный создать высококачественную печать, а также его чернила и краски - вытекающие и пачкающие окружающее.

Сегодняшний струйный принтер не до конца решил эти проблемы с отдельной печатающей головкой, картриджем, распыляющим механизмом и дюзами, которые могли точно управляться. В 1970-ые, исследования были вокруг пьезоэлектрических методов печати. Они используют специальные кристаллы, которые вибрируют когда получают заряд, чтобы выдавить некоторые количества чернил. Наиболее выдающимся и передовым, однако, было не в вибрации а в нагреве (термоструйная печать).

Термоструйный принтер был изобретен не раз. Идея пришла одновременно, двум конкурирующим командам с обеих сторон Тихого океана. В Японии, IchiroEndo, инженер Canon заметил распыление чернил и краски от начала шприца, когда его внезапно коснулся горячий паяльник. За тысячи километров в лабораториях Hewlett-Packard в Силиконовой долине, инженер Джон Вог придумывал свою версию термоструйного принтера, заимствуя принцип работы кофеварки.

Усилия Hewlett-Packard начались в Рождество 1978 года. Вместе с Дэвидом Дональдом и группой других инженеров, Г. Вог начал обсуждать концепции для идеального принтера. Команда только что поставила моторчик для первого лазерного принтера Hewlett-Packard и работала над машиной для печати гравюр для издательского мира. Несмотря на это, команда хотела большего цвета, скорости и, наиболее важного, низкой цены.

Это была жесткая комбинация. В то время, принтеры делились на две категории: контактные и бесконтактные. Наиболее распространенными принтерами контактного действия были матричные устройства, которые использовали матрицу штырьков, чтобы нажимать на красящую ленту. Устройства бесконтактной печати, дали больше надежды. Не затрагивая бумагу при создании изображения, они обещали быть более точными и эффективными.

Далекие от завершения, не менее чем пять бесконтактных технологий стремились достичь успеха. Были струйные принтеры, которые распыляли микроскопические точки чернил через сотни крошечных наконечников на бумагу; лазерные принтеры, которые использовали лазерный луч и процесс ксерографии, чтобы присоединить порошковый проявитель к бумаге; струйные принтеры с густыми чернилами, которые использовали подобную методику, чтобы заставить растаивать стержни цветных воскообразных чернил на бумагу; сублимационные принтеры, которые основывались на рулонах пленки, нагретой, чтобы внедрить красители в бумагу специального назначения; и тепловые автохромные принтеры, которые подводили тепло к специальному типу бумаги, уже с нанесенными красителями, чтобы произвести цветную печать.

В 1978, струйная концепция захватила воображение Г. Вога, потому что она обещала дать простой, дешевый и высокоэффективный принтер. Несмотря на ее недостатки, технология, как полагалось, имела гораздо больший потенциал для уточнения, чем ее конкуренты. В тот полдень, перед отъездом в течение Рождества, Г. Вог и его коллеги решили, что идеальным принтером была бы струйная машина, которая могла поставлять 200 точек на дюйм и быть способной к печати в полном цвете. После праздников, Г. Вог устанавливает основные правила: новый тип принтера должен иметь матрицу дюз чернил, расположенных по двести на дюйм способным подавать чернила достаточно быстро, чтобы печатать одну страницу в секунду.

Возвращаясь в лабораторию после Рождества, Г. Вог сфокусировался на создании твердотельной печатающей головки, которая испытывает меньше износа и не будет засорятся, но приэтом будет способной выдавать чернила достаточно быстро для работы. Он наблюдал кофеварку и понял, что ответ был в использовании чернил непосредственно, чтобы выстреливать точки на бумаге.

Гонка, чтобы первыми разработать струйный принтер имела глубокое культурное влияние на обе компании.

Чтобы делать так, он пробовал использовать пару электродов с чернилами между ними, действующими как резистор. Идея состояла в том, чтобы заставить теплоту выпаривать маленькую часть чернил около наконечника, заставляя выплевывать капельки. К сожалению, чернила не имели достаточно высоко удельного сопротивления, чтобы создать необходимую теплоту. Хуже, процесс элекролизовывал воду в чернилах в водород и кислород, что мешало процессу.

Г. Вог тогда пробовал использовать водород и кислород, чтобы произвести микровзрыв, способный выстреливать чернила из головки. Маленькая искра могла быть вызвана поперек электродов чтобы зажечь водородные пузыри и выплюнуть каплю чернил, но процесс не проходил достаточно быстро. В третьей попытке, инженеры Hewlett-Packard решили помещать всю энергию в искру зажигания непосредственно, чтобы кипятить пузырь чернил. Это получилось, но электроды, быстро выходили из строя.

Прорыв пришел, когда Г. Вог и его коллеги ухватились за тонкопленочные резисторы. Они были найдены, чтобы быть способными произвести достаточно теплоты, чтобы кипятить пузырь чернил и выплевывать точку быстро с высокой степенью управления. Резисторы были установлены внутри маленьких трубок, которые были с углублениями, чтобы создать наконечники, и быстро включались и выключались, чтобы выплевывать микроскопические точки чернил. В пределах трех месяцев, команда Hewlett-Packard придумала осуществимую версию теплового струйного механизма.

Удивительно, но при всех их техническом видении, команда не могла объяснять точно, почему их принтер работал. И хотя он работал хорошо, и был патентоспособен без лежащей в основе теории, менеджеры среднего уровня Hewlett-Packard отказывались инвестировать в идею. Некоторые высшие менеджеры Hewlett-Packard отклонили изобретение в целом. Как оказалось физика изобретенного процесса не будет понята полностью в течение следующего года.

Но Г. Вог упорно преследовал свой интерес в струйном принтере. Он демонстрировал его работу любому, кто интересовался. Лэрри Ла Барр ветеран Hewlett-Packardкоторый смог убедить менеджмент компании воспринять технологию более серьезно. После этого, в Hewlett-Packard одобрили инвестиции в технологию струйной печати.

Тем временем, Г.Ендо уже запустил работу над подобным устройством. Целью Canon было создание лучшей ксерографической технологии, струйная печать являлась только что одним из нескольких параметров. В прошлом в 1977 году, Г. Ендо и его команда фокусировалась на изготовлении пьезоэлектрического устройства, которое могло посылать электронные импульсы через дюзу, создавая достаточную силу для выстрела чернил. Но когда исследователь случайно коснулся кончика заполненного чернилами шприца паяльником, шприц с чернилами изменил курс исследований и последствий для Canon.

В пределах нескольких дней, Г. Ендо и его команда использовали открытие, чтобы сделать простой струйный принтер, который появится, чтобы стать известным как Bubblejet. Главное отличие между ним и изобретением Hewlett-Packard лежит в процессе зажигания чернил: головки Canon выстреливали чернила сбоку, в то время как печатающие головки Hewlett-Packard выпускали их чернила сверху.

Двумя годами позже, Hewlett-Packard узнал о работе Canon. Патенты многих из ключевых изобретений обеих компаний были зарегистрированы в пределах месяцев друг от друга. Результатом были отношения между Canon и Hewlett-Packard, которые продолжаются по сей день. Hewlett-Packard заимствовал некоторые из конструкций Canon для продления ресурса печатающей головки, в то время как Canon заимствовал от идей Hewlett-Packard конфигурацию печатающей головки. Несмотря на краткие разногласия по вопросу о правах на технологию, Hewlett-Packard упорно утверждает, что сотрудничество развилось в здоровые конкурентные отношения между этими двумя компаниями, и продвинуло состояние дел далее, чем это иначе ушло бы.

После двух начальных изобретений, развитие струйной технологии стало мультидисциплинарными усилиями. Должны были быть разработаны новые быстросохнущие и светостойкие чернила. Улучшения струйных принтеров шли быстро. Добавлялись лучшие механизмы для подачи бумаги и новое программное обеспечение, чтобы улучшить качество изображения. Чтобы увеличить скорость печати струйных принтеров, инженеры с обеих сторон разработали более быстрые силовые механизмы и увеличивали количество дюз на головках. Больше особенностей было добавлено к струйным принтерам, и скоро появилась гибридная технология, которая превратила принтеры в факсимильные машины, и копировальные устройства. Сегодня, многофункциональные машины - самый быстро возрастающий сегмент рынка принтеров.

Состязание при разработке струйных принтеров имело глубокое культурное влияние на обе компании. Например, одноразовые печатающие головки, разработанные в 1984, как считают, не вызвала восторга в Hewlett-Packard. Сама мысль о удалении небольших пластмассовых модулей, которые содержали интеллектуальную собственность принтеров, была анафемой для некоторых директоров Hewlett-Packard.

Другие конкуренты вышли на рынок с собственными конструкциями. Epson вывел линейку струйных принтеров основанную на технологии пьезоэлектрики, впервые исследованной в 1970-ых. Lexmark и Agfa также успели заскочить на подножку уходящего поезда фокусируясь на специальных приложениях типа цифровой фотографии и графики. Но при всем интересе, рост рынка струйных принтеров начинался со слабого старта. По сравнению с Laserjets, в которых видели, здоровый коммерческий рост, струйный рынок, казалось, томился после того, как компания создала ее первую линейку Deskjet в конце 1980-ых. Один раз в середине 1990-ых, Hewlett-Packard даже обдумывал уход с рынка струйных принтеров.

Широко распространившееся применение цвета в компьютерной индустрии в течение середины 1990-ых, изменило все. Как и предполагал Г. Вог, добавление цветовых возможностей струйным принтерам было следующим логическим шагом. Печатающие головки с дополнительными цветами маджента, синий и желтый были добавлены к черной краске, позволяя принтерам создавать полный диапазон цветов. Более специализированные фото принтеры также прибавили различные оттенки основных красителей, чтобы произвести еще большее количество точных копий. Мы по существу взяли всю работу создателя в магазине печати и поместили это в алгоритмы, " говорит Джон Мейер, директор лабораторий Hewlett-Packard. Поскольку компьютеры стали еще быстрее, алгоритмы, стали еще более точными, что позволило печатать еще качественней.

Сегодня, струйный принтер больше не дешевая замена лазерного принтера. Средняя печатающая головка теперь содержит больше чем 300 дюз к созданию изображений с разрешением по крайней мере 1,200 на 1,200 точек на дюйм больше, чем глаз позволяет различить. Средняя машина может теперь выдавать 14,000 точек в секунду, нанося больше чем 1 миллион точек чернил на квадратный дюйм бумаги. Основная работа теперь сосредоточена на создании длительных, светостойких чернил, чтобы предотвратить изображения от постепенного изменения. Тем временем, новое программное обеспечение помогает производить более чистые изображения при печати каждым пикселем.

В конечном счете, развитие струйного принтера подчеркивает, как непрямолинейный подход может выдавать замечательно простые решения сложным проблемам. И Г. Ендо и Г. Вог, которые разделили многочисленные промышленные награды с учетом достоинств каждого, продемонстрировали упорное стремление и веру в их изобретения, несмотря на большое внутреннее сопротивление. Но при этом, они изменили компьютерный бизнес и принесли цвет в жизнь людей.