Despre tipărirea digitală cu toner

Dacă într-unul dintre numerele anterioare ale revistei am dedicat un întreg articol tehnologiei digitale de imprimare inkjet, se cuvine să tratăm în acelaşi mod şi tiparul pe bază de toner. Bineînţeles, aşa cum probabil v-aţi obişnuit deja, nu vom intra prea adânc în detalii tehnice, ci ne vom rezuma la a puncta doar elementele esenţiale specifice acestei tehnologii. Practic, cel puţin din punct de vedere al ariei de răspândire, când vorbim despre tiparul digital, ne referim fie la inkjet, fie la toner. Deşi la început fiecare dintre aceste două tehnologii au vizat segmente distincte (viteză, cost, calitate), în prezent se conturează drept inevitabilă o înfruntare directă între acestea. Echipamentele ce folosesc toner livrează printuri din ce în ce mai bune calitativ, în timp ce utilajele inkjet atacă domeniul tiparului de mare viteză cu succes. Bineînţeles, pentru a-şi atinge scopul, ambii „jucători” au fost nevoiţi să facă unele compromisuri în scopul echilibrării balanţei cu trei talere numită Preţ-Calitate-Viteză. Nu vom insista asupra acestui binecunoscut concept, fiind convinşi de faptul că fiecare dintre dumneavoastră ştie că pentru calitate şi rapiditate, talerul destinat costurilor necesită o cantitate crescută de monede pentru asigurarea armoniei întregului. Dar să revenim la subiectul nostru şi să începem printr-o descriere a procesului xerografic, adică tipărirea cu cerneală uscată (toner). Simplist vorbind, tonerul nu reprezintă altceva decât particule fine de plastic ce înglobează diverşi pigmenţi în scopul obţinerii culorii dorite (C,M,Y sau K). Cel puţin theoretic, se poate produce toner şi în alte culori, însă cerinţele actuale ale pieţii fac acest lucru prohibitiv din punct de vedere economic. Şi aici ne referim nu numai la costurile de producţie pentru toner, ci şi la cel al echipamentelor de tipar aferente. Din această cauză, doar puţini producători pun la dispoziţie una sau maxim două staţii (grupuri) adiţionale de printare şi pentru care se poate opta doar dintr-o gamă foarte restrânsă de culori. În general, este vorba de toner alb (folosit în cazul imprimării pe folie transparentă de plastic) sau toner transparent (menit să creeze efecte speciale, în genul lăcuirii selective folosită de tehnologia offset). Pentru obţinerea unui luciu superior, particulele de toner pot îngloba şi parafină, însă trebuie avut în vedere că aceasta poate îngreuna eventualele operaţii de finisare ulterioare, în special înfolierea. Ca scurtă paranteză, în cazul tonerului cu ceară, este recomandată efectuarea de teste apriori achiziţionării utilajului de înfoliere. Cuvântul cheie pentru toate echipamentele digitale cu toner este electrostatic, cu toate avantajele, cât şi cu neajunsurile induse de acesta. Ca avantaje, pe lângă viteză, merită menţionată rezistenţa extrem de ridicată a printurilor (nu a mediei!) la apă şi lumină naturală. Principala limitare este una din domeniul calitativ şi anume (ne)uniformitatea tiparului, ca rezultat al sensibilităţii acestei tehnologii în raport cu media de printare şi caracteristicile mediului înconjurător, în special legate de umiditate. Să explicăm această afirmaţie printr-o succintă descriere a procesului electrofotografic, aşa cum este prezentat în figura 1. Piesa centrală este constituită dintr-un cilindru fotosensibil (I), a cărui suprafaţă prezintă proprietatea de a se încărca electrostatic atunci când apare o stimulare optică. Întregul ciclu porneşte atunci când corotronul (A) generează un câmp electrostatic cu rolul de a aduce potenţialul suprafeţei cilindrului la o valoare negativă (de exemplu -650V), numită tensiune de preîncărcare. Acest corotron prezintă o grilă metalică frontală deoarece la acest pas este esenţială obţinerea unei uniformităţi cât mai bune a câmpului electric generat. Deoarece mediul de propagare al acestui câmp este aerul, orice variaţie a proprietăţilor fizice ale acestuia (umiditatea, densitatea – ca rezultat al temperaturii) se vor reflecta negativ asupra fazelor ulterioare procesului electrofotografic. Etapa imediat următoare este aceea a „inscripţionării” documentului cu lumina generată de un LASER (C). Procedeul este identic cu cel folosit la realizarea plăcilor offset negative. După procesul de developare, zonele expuse la lumină vor prezenta aderenţă pentru cerneală (în cazul nostru – pentru toner). Unitatea de developare (B) conţine toner încărcat de asemenea la o valoare negativă (de exemplu, -590V) şi care se va transfera pe suprafeţele încărcate cu un potenţial electrostatic mai mare ale cilindrului. Din punct de vedere constructiv, se disting două tipuri de unităţi de developare. Cea mai des folosită este aceea care utilizează pentru transfer un cilindru metalic şi magnetic în conjuncţie cu un purtător pentru particulele de toner numit revelator. Acesta este practic constituit din granule metalice, perfect sferice şi acoperite cu un înveliş de plastic identic cu cel folosit pentru toner, însă fără adaosul de pigmenţi coloraţi. Particulele de toner sunt atrase electrostatic de către granulele de revelator apoi întregul ansamblu aderă magnetic la cilindrul metalic. Cel de-al doilea tip de unitate de developare este acela în care cilindrul de transfer este dintr-un material plastic, particulele de toner fiind atrase electrostatic de acesta. Ambele variante prezentate conţin o lamelă (D) folosită cu scopul uniformizării stratului de toner de pe cilindrul de transfer. Aceasta este principala cauză responsabilă de uzura revelatorului folosit la primul tip de unitate menţionată, prin deteriorarea învelişului plastic al granulelor de metal sau chiar distrugerea acestora şi având drept rezultat un transfer mult diminuat al tonerului pe cilindrul fotosensibil. Pe de altă parte, în cazul nefolosirii revelatorului, atât uniformitatea, cât şi cantitatea maximă de toner transferată au de suferit, această soluţie fiind potrivită mai mult pentru echipamentele la care calitatea nu este factorul predominant urmărit (ci mai degrabă viteza şi/sau formatul). Depunerea tonerului pe substratul de tipar (H) se face prin atragerea acestuia de către un câmp electrostatic generat fie prin folosirea unui corotron (E), fie a unui valţ (cilindru) cu o suprafaţă din plastic. În acest punct, umiditatea prezentă (sau absentă) din hârtie constituie factorul determinant în succesul transferului optim al tonerului, influenţând decisiv calitatea finală a produsului tipărit. O umiditate absolută excesivă va acţiona ca o barieră asupra câmpului electrostatic menit să atragă tonerul, în timp ce absenţa totală a acesteia va scoate în evidenţă defectele de fabricaţie ale hârtiei din punct de vedere al uniformităţii densităţii materialului. Efectele, în ambele cazuri, sunt similare în ceea ce priveşte uniformitatea tiparului, singura distincţie fiind aceea că pentru umiditate excesivă, datorită cantităţii scăzute de toner transferat, culorile îşi vor pierde din intensitate. Iată, aşadar, importanţa, extremă am putea zice, a factorilor de umiditate şi temperatură pentru un proces de printare cu toner – şi acest lucru fără a mai pune la socoteală secţiunea finală, aceea de fixare pe substratul de tipar. Atât datorită faptului că orice proces de transfer nu poate avea un randament de 100%, cât şi în lumina celor prezentate anterior, pe cilindrul fotosensibil va rămâne o oarecare cantitate de toner netransferat, numit rezidual. Acesta este îndepărtat cu ajutorul unei staţii de curăţare (F) în a cărei componenţă intră o perie cilindrică din material textil pentru a nu uza excesiv cilindrul. Ultima etapă este aceea de neutralizare a sarcinilor electrice remanente existente fie folosind un corotron (G) ce generează un câmp electrostatic alternativ, fie o simplă lampă, fie o combinaţie între cele două. În mare, procesul foto-electrostatic de printare cu toner a rămas neschimbat de-alungul timpului, micile variaţiuni urmând să le prezentăm puţin mai târziu. În figura 2, am reprezentat schematic efectul tensiunii de încărcare a cilindrului fotosensibil (A) şi cel al cilindrului de developare (B) – numită şi tensiune de prag (bias). Ecartul dintre acestea (notat cu D) este necesar pentru evitarea apariţiei unui fundal (background) pe documentele tipărite şi de eliminare a încărcării electrostatice neuniforme a suprafeţei cilindrului ca urmare a uzurii acestuia sau a corotronului de preîncărcare. Zonele de pe cilindrul fotosensibil ce prezintă un potenţial mai mare decât cel al tensiunii de prag (deci cât mai aproape de 0 volţi, fiind vorba de valori negative!) vor atrage tonerul (E). De aici se poate desprinde concluzia că se poate varia cantitatea de toner depusă pe media de tipar folosită printr-o alegere convenabilă a raportului dintre intensitatea LASER-ului şi valoarea tensiunii de prag, având grijă să păstrăm un ecart (D) suficient de mare. Şi iată-ne ajunşi, în sfârşit, la ultimul stadiu al întregului proces, fixarea tonerului pe media de tipar. Aceasta se face printr-un proces termic, de topire a tonerului, prin două procedee distincte – cu contact direct sau fără. În figura 3, am ilustrat schematic prima variantă, specifică echipamentelor de printare în coală. Cilindrii (B) sunt încălziţi cu ajutorul unor lămpi cu emisie în infraroşu (A) dispuse fie la exteriorul, fie în interiorul acestora. Temperatura suprafeţei cilindrilor şi a mediei de tipar este controlată cu ajutorul unor senzori IR (B), fiind în strânsă legătură cu viteza de deplasare a mediei folosite şi grosimea acesteia. Aşa cum se poate observa, intensitatea culorilor obţinute depinde foarte mult de această secţiune de fixare, prin varierea vitezei sau a temperaturii obţinându-se un luciu mai mult sau mai puţin pronunţat. În figura 4, am încercat să exemplificăm acest efect. Tonerul depus pe coală (A) este topit în cuptor şi aderă la suprafaţa mediei de printare. Datorită efectului de „netezire” a suprafeţei acestuia, intensitatea culorilor creşte aparent (B), razele de lumină reflectate fiind mai concentrate. Dacă întregul proces are loc la o viteză mai mică (păstrând constantă temperatura), efectul de luciu conferit este mai pronunţat (C). Al doilea procedeu, potrivit mai degrabă echipamentelor de tipar din rolă, este cel fără contact direct cu media de printare (figura 5). Acest tip de cuptor prezintă avantajul unei întreţineri minime şi a unei durate de viaţă maxime, principalul dezavantaj fiind legat de luciul relativ scăzut al documentelor tipărite. Marea majoritate a echipamentelor digitale ce posedă astfel de staţii de fixare sunt dotate cu secţiuni suplimentare de „netezire” termică a tonerului prin contact direct. Chiar şi în secţiunea de fixare pot apărea probleme legate de umiditatea excesivă din media de printare folosită, efectul fiind acela al apariţiei de puncte albe dispuse aleatoriu pe suprafaţa tipărită. Cauza este reprezentată de şocul termic exercitat asupra hârtiei prea umede, iar efectul este atingerea punctuală a temperaturii de fierbere a apei înglobate, presiunea de vapori astfel creată îndepărtând la nivel microscopic stratul de toner depus. Acest efect este cu atât mai probabil cu cât viteza de tipărire a echipamentului este mai ridicată, deoarece este necesară o temperatură mai mare pentru fixarea tonerului, deci un şoc termic crescut aplicat mediei. Odată terminată descrierea în linii mari a procesului tehnologic al tipăririi cu toner, ne putem îndrepta atenţia către câteva dintre particularităţile echipamentelor curente. Prima componentă pe care dorim să o supunem atenţiei dumneavoastră este modulul LASER. Acesta poate fi întâlnit sub două versiuni constructive, prima dintre acestea fiind ilustrată schematic în figura 6. În acest caz, avem de-a face cu un modul constituit dintr-o baretă de diode LASER (B) şi de lungime egală cu cea a cilindrului optic (A). Practic, este vorba de o înşiruire de LED-uri (D), fiecare dintre acestea având ataşat câte un element optic de focalizare constituit dintr-o simplă lentilă (C). Acesta este şi cel mai vechi sistem folosit, în speţă datorită limitărilor tehnologice existente la vremea respectivă. Dezavantajul evident este acela al unei rezoluţii maxime relativ scăzute, acest lucru datorându-se nu costurilor, ci imposibilităţii de a aglomera foarte multe diode într-un spaţiu restrâns. Rezoluţia maximă ce poate fi obţinută folosind un asemenea sistem este de aproximativ 600 dpi. De asemenea, pentru obţinerea unei uniformităţi cât mai bune a tiparului, toate diodele folosite într-o astfel de baretă trebuie alese extrem de atent în ceea ce priveşte caracteristicile electrice, nemaipunând la socoteală precizia montării acestora, precum şi a lentilelor aferente. Toate acestea pot duce în final la costuri destul de ridicate dacă ţinta vizată este obţinerea unui tipar de calitate. Cea de-a doua versiune (figura 7) şi cea mai răspândită este cea în care se foloseşte un număr redus de diode LASER (E), baleierea pe lungime a cilindrului fotosensibil făcându-se cu ajutorul unei oglinzi rotative (C). Focalizarea este asigurată de lentilă (D) şi prezintă, în marea majoritate a cazurilor, o valoare fixă. Elementul optic (B) are rolul de a menţine paralele razele LASER pe toată lăţimea cilindrului. Asamblarea întregului cap LASER este mult mai uşoară şi mai permisivă (d.p.d.v. mecanic) decât în cazul unei barete. Pe de altă parte, logica electronică de comandă este mai complexă, la fel şi calitatea diodei (diodelor) folosite. Ne putem face o idee despre aceasta considerând cazul unui echipament cu o viteză de printare de 60 de pagini pe minut, adică o pagină pe secundă. Dacă nu se specifică altfel, viteza este considerată implicit ca fiind valabilă pentru formatul A4 LEF. Dacă considerăm o rezoluţie de 600 dpi, putem calcula simplu viteza minimă de comutaţie necesară unei singure diode LASER pentru a expune întreaga pagină, obţinând o valoare de aproximativ 34,8 MHz. Tot ceea ce avem de făcut este să determinăm numărul de puncte de expunere prin înmulţirea valorii rezoluţiei echipamentului (convertită în puncte per mm) cu dimensiunile mediei de printare (A4). Frecvenţa de comutare a diodei va rezulta prin împărţirea valorii obţinute anterior la timpul necesar imprimării unei coli (pentru simplificarea calculelor, am considerat o distanţă nulă între paginile tipărite). Dacă capul LASER dispune de două diode, atunci este necesară comutarea oprit-pornit a acestora la doar 17,4 MHz. Dacă această valoare pare mare, putem reface calculul pentru o rezoluţie de 2.400 dpi. Vom obţine 556 MHz pentru o diodă ! Deci este imposibil, cel puţin în următorii ani, să construim un echipament cu o viteză de 60 de coli pe minut şi o rezoluţie de 2400 dpi folosind doar o singură diodă LASER. Pornind de la valorile de mai sus, putem calcula mai departe şi vitezele minime la care trebuie efectuat transferul de date către diode pentru printarea continuă la 60 de pagini pe minut şi echipament pe 1 bit (halftone). Rezultatele sunt de 4,15 MB/s la 600dpi, respectiv 66,3 MB/s pentru 2.400 dpi, toate aceste valori dublându-se pentru cazul unei viteze de 120 de coli per minut sau pentru un echipament la 2 biţi. Pentru echipamente color CMYK, ratele minime de transfer cresc de 4 ori. Concluzia este simplă: atât timp cât omenirea va putea produce relativ ieftin diode LASER, memorii, procesoare şi hardisk-uri din ce în ce mai rapide ne putem aştepta ca vitezele de printare ale echipamentelor digitale cu toner să crească continuu. Cei pasionaţi de tehnică pot calcula viteza necesară oglinzii rotative (figura 7 – C), considerând un număr de șase faţete, 600 dpi şi 60 A4 per minut. Veţi obţine o valoare de aproximativ 50.000 de rotaţii pe minut. În fine, un ultim aspect pe care ne propunem să-l mai amintim este cel legat de transferul tonerului de pe cilindrul fotosensibil pe media de tipărire. Aşa cum am arătat anterior, acesta se poate face în mod direct, cu dezavantajul legat de uzura prematură a cilindrului din cauza contactului acestuia cu media folosită pentru imprimare. Mai ales în cazul utilizării de hârtie pentru echipamente offset. Soluţia de compromis este ilustrată în figura 8 şi reprezintă, în esenţă, folosirea unei folii de transfer intermediare (D) între cilindri (C) şi medie (F). Datorită existenţei unei zone adiţionale în care are loc transferul pe hârtie (E), eficienţa întregului ansamblu este ceva mai mică. În plus, mai este necesară prezenţa de elemente adiţionale precum sistemul de înlăturare a tonerului rezidual de pe folie (B). Cu (A) s-a notat eventualul senzor utilizat pentru calibrarea densităţii maxime de toner şi a curbelor de răspuns pentru fiecare culoare în parte. Acesta poate executa măsurători intermediare (adică pe folia de transfer) sau direct pe hârtie (pentru o calitate crescută a calibrării). Ca ultim exemplu, mai putem enumera un alt sistem, folosit în special pentru tipărirea simultană faţă-verso şi utilizând hârtie din rolă, aşa cum este ilustrat în figura 9. Drept cuvânt de final, putem afirma că această tehnologie de tipar digital, deşi nu cu mult timp în urmă dispreţuită sau desconsiderată de surorile mai mari, reprezintă în cadrul industriei tipografice exponentul cel mai sugestiv al epocii actuale pe care o traversează omenirea, şi anume epoca de plastic. Iar apariţia tonerului în aceste condiţii, chiar dacă discutabilă din punct de vedere ecologic, era în mod cert inevitabilă.