Струйный принтер: пьезоэффект братьев Кюри, пигментная химия и энкодер на 1200 делений на дюйм

Введение: 3 пиколитра и 2 микрометра

Когда струйный принтер печатает, каждая точка на бумаге — это капля объёмом 1–3 пиколитра (10⁻¹² литра), выброшенная с точностью позиционирования ~2 микрометра.

Для сравнения: диаметр человеческого волоса — 70 мкм. Принтер попадает в точку, которая в 35 раз тоньше.

За этим стоят: кристаллография братьев Кюри (1880), коллоидная химия пигментных суспензий, оптический линейный энкодер и синхронизация с точностью в микросекунды.

⚡ Пьезоэффект: Пьер и Жак Кюри, 1880

В 1880 году братья Пьер и Жак Кюри — не Мария, это более ранняя история — изучали кристаллы и обнаружили: если сжать кристалл кварца, на его гранях появляется электрический заряд. Деформация → напряжение.

Через год Габриэль Липпман теоретически предсказал обратный эффект: электрическое поле → деформация кристалла. Братья Кюри немедленно подтвердили это экспериментально.

Прямой пьезоэффект: деформация → заряд.
Обратный пьезоэффект: напряжение → деформация — именно этот работает в принтере.

Почему кристалл деформируется от поля?

В пьезоэлектрическом кристалле (кварц, ниобат лития, PZT) центр положительных зарядов и центр отрицательных не совпадают — асимметрия решётки. Внешнее электрическое поле тянет их в разные стороны. Решётка вытягивается или сжимается. Это и есть деформация.

В современных принтерах используется PZT (цирконат-титанат свинца) — керамика с пьезоотклонением на порядок большим, чем у кварца. Синтезирован в 1950-х, сегодня — стандарт.

Пьер Кюри получил Нобелевскую премию в 1903 году — за радиоактивность, совместно с Марией Кюри и Беккерелем. Пьезоэффект к тому времени уже работал в гидрофонах и сонарах Первой мировой.

👉 Связь: Сервопривод и шаговый мотор — PZT-актуаторы используются и в прецизионных приводах

🖨 Печатающая голова: как стреляет капля

Принцип пьезоголовки (Epson MicroPiezo)

За каждым соплом — своя чернильная камера с PZT-элементом на стенке. Процесс выброса капли:

1. Покой: камера заполнена чернилами, PZT расслаблен
2. Расширение: контроллер подаёт напряжение → PZT расширяется → объём камеры растёт → чернила втягиваются из резервуара
3. Сжатие: напряжение меняется → PZT сжимается → давление в камере резко растёт → капля выбрасывается из сопла
4. Возврат: камера снова заполняется

Весь цикл: ~20–50 мкс. Частота: до 50 000 капель в секунду на одно сопло.

Размер капли регулируется формой и амплитудой импульса напряжения. Тонкий импульс — маленькая капля (1 пл), широкий — большая (4 пл). Это и есть «переменная точка» (variable dot) — разные оттенки без смешения чернил.

Альтернатива: термальная голова (HP, Canon)

Вместо PZT — нагревательный элемент. Импульс тока → температура 300°C за 1–3 мкс → пузырёк пара → выброс капли → пузырёк схлопывается. ThinkJet HP (1984) — первый коммерческий термальный принтер.

Термальная голова проще и дешевле в производстве. Но нагрев ограничивает выбор чернил — только водные. Пьезоголовка работает с любыми чернилами: водными, сольвентными, УФ-отверждаемыми, текстильными.

🎨 Пигментные чернила: коллоидная химия

Два типа чернил: принципиальная разница

Красительные (dye-based): молекулы красителя растворены в воде. Ярко, мгновенно впитываются в бумагу, дают сочный цвет. Но молекулы красителя разрушаются под действием УФ — отпечаток выцветает за годы.

Пигментные (pigment-based): твёрдые частицы пигмента взвешены в жидкости. Частица не растворяется — она физически остаётся на бумаге, не уходя вглубь. Устойчивость к УФ, воде, истиранию. Archival quality: 100–200 лет при правильном хранении.

Физика пигментной суспензии

Пигментные частицы: 100–300 нм в диаметре. Это коллоид — система, где частицы настолько малы, что гравитация не вызывает оседания (броуновское движение удерживает взвесь).

Но частицы такого размера стремятся слипнуться (агломерация) — ван-дер-ваальсовы силы притяжения. Чтобы этого не происходило, поверхность каждой частицы покрывается диспергатором — молекулой с гидрофобным концом (прилипает к пигменту) и гидрофильным (отталкивает другие частицы).

Дополнительная стабилизация: pH чернил поддерживается на уровне 8–10 (слабощелочная среда) — при таком pH частицы несут отрицательный заряд и отталкиваются друг от друга.

Проблема: пигментная частица может забить сопло диаметром 20–30 мкм. Поэтому критичен контроль размера — ни одна частица не должна превышать 1/3 диаметра сопла.

CMYK: субтрактивное смешение

Принтер работает в системе CMYK — голубой (Cyan), пурпурный (Magenta), жёлтый (Yellow), чёрный (Key/Black).

Каждый пигмент поглощает свою часть спектра белого света:

• Голубой поглощает красный → отражает G+B
• Пурпурный поглощает зелёный → отражает R+B
• Жёлтый поглощает синий → отражает R+G

Наложение всех трёх → поглощается весь видимый свет → чёрный. Но «грязный» — поэтому отдельная чёрная краска. Профессиональные принтеры: 8–12 цветов (светло-голубой, светло-пурпурный, оранжевый, зелёный, фиолетовый) для расширения цветового охвата.

👉 Связь: Цветовое смешение — та же физика субтрактивного смешения
👉 Связь: Минеральные пигменты — те же вещества, другой масштаб

🔧 Механика: энкодер, ремень и синхронизация

Здесь проявляется вся сервомеханика, о которой мы говорили в статье про сервоприводы.

Линейный энкодер каретки

Вдоль всей каретки натянута прозрачная полоска (кодерная лента) с нанесёнными делениями — 1200–2400 штрихов на дюйм. На каретке закреплён фотодатчик: светодиод светит сквозь ленту, фотоприёмник считает проходящие штрихи.

Каждый штрих — это 21–42 мкм. Контроллер знает положение головки с точностью в доли штриха (интерполяция по фазе сигнала).

Это замкнутый контур: позиция головки → энкодер → контроллер → мотор. Классический сервопривод. Без него принтер работал бы вслепую — по числу шагов, накапливая ошибку.

Привод каретки

Ремённый привод с сервомотором: бесконечный зубчатый ремень огибает два шкива, каретка закреплена на ремне. Мотор — коллекторный или бесколлекторный постоянного тока с энкодером на валу.

ПИД-регулятор удерживает скорость каретки строго постоянной — иначе точки лягут неравномерно. Отклонение скорости в момент выброса капли на 1% → смещение точки на бумаге.

Подача бумаги

Шаговый мотор с прецизионными резиновыми роликами. Подача после каждой строки — строго одинаковая. Здесь тоже энкодер: на валу подающего ролика — диск с прорезями, оптический датчик считает оборот.

Люфт и проскальзывание роликов — главный враг. Производители тестируют ролики на сотнях тысяч листов и калибруют подачу в прошивке.

Синхронизация: момент выброса капли

Это самая тонкая часть. Капля должна вылететь в строго определённый момент — когда головка находится точно над нужной точкой.

При скорости каретки 0,5 м/с и разрешении 1200 dpi:

• Расстояние между точками: 21,2 мкм
• Время между точками: 42,3 мкс
• Именно столько у контроллера на решение: «стрелять или нет»

Сигнал энкодера → прерывание в контроллере → проверка растрового буфера → пуск PZT-актуатора. Вся цепочка: < 5 мкс.

💧 Физика капли: пиколитры и поверхностное натяжение

Капля объёмом 2 пл в полёте имеет диаметр ~15 мкм. Это меньше клетки крови. Скорость: 5–8 м/с.

Два безразмерных числа определяют, будет ли капля нормальной или разлетится на спутники:

Число Вебера (We = ρv²d/σ): отношение инерции к поверхностному натяжению. При We > ~12 капля разрушается.

Число Охнезорге (Oh = η/√(ρσd)): отношение вязкости к инерции. При Oh < 0,1 — брызги, при Oh > 1 — капля не образуется вообще.

Оптимальное окно: 1/Oh ∈ [1, 10]. Именно в этом диапазоне работают все коммерческие чернила. Это не случайность — рецептуры чернил (вязкость, поверхностное натяжение) выбираются под конкретную голову.

На бумаге капля растекается под действием капиллярных сил — впитывается в волокна, диаметр точки: 20–50 мкм в зависимости от покрытия бумаги. Фотобумага с пористым покрытием впитывает быстро и не растекается — поэтому отпечаток резкий.

👉 Связь: Капиллярность — та же физика впитывания чернил в бумагу

Итог: карта открытий

Принтер рядом с вашим столом — это кристаллография XIX века, коллоидная химия, прецизионная сервомеханика и гидродинамика капли в одном корпусе.