Цифровая печать: технологии и перспективы

Если большинство традиционных технологий уже близки к пределу своих возможностей, то потенциал «цифровой» печати все еще велик, игроков на этом рынке множество, перспективы заманчивы. Попробуем разобраться в современном состоянии и ближайших перспективах цифровых способов печати.

Несколько слов о терминологии

Некоторые полиграфисты со стажем до сих пор болезненно морщатся, услышав термин «цифровая печать», и поправляют: не цифровая, а бесконтактная. Действительно, речь идет о целой группе технологий, основанных на различных физико-химических процессах, и подобрать для них одно, удовлетворяющее всех, определение достаточно сложно. Кроме уже упоминавшихся терминов существуют и другие: «репрографические способы печати», «из компьютера в печать» (computer-to-print), «печать по требованию» (print-on-demand) и т. д. Но чаще технологии все-таки называют цифровыми, хотя это и не совсем корректно, ведь некоторые (например, электрофотография) широко применялись еще в доцифровую эру.

Итак, цифровая печать — понятие, объединяющее группу печатных технологий, характеризующихся представлением информации в дискретном виде вплоть до ее воспроизведения на запечатываемом материале. Устройства цифровой печати — все виды оборудования, в которых реализуется один из цифровых способов печати. Цифровые печатные машины (ЦПМ) — класс устройств цифровой печати, отличающихся высокой производительностью, надежностью и относительно невысокой себестоимостью оттисков.

В цифровых печатающих устройствах отсутствует свойственная традиционным способам печати вещественная печатная форма. Ее эквивалент — цифровая или «виртуальная» форма, т. е. цифровой код, описывающий информацию, предназначенную для печати.

Ряд производителей называют цифровыми традиционные печатные машины, объединенные с устройством экспонирования. Печатные формы изготавливаются непосредственно внутри машины и устанавливаются автоматически. Обычно в названии этих устройств присутствует сокращение DI (от direct imaging — прямое экспонирование). Это пример интеграции цифровых допечатных технологий (в данном случае — Computer-to-Plate, CtP) и традиционной печатной техники. Но, строго говоря, такие машины нельзя относить к «настоящим» цифровым, одно из важнейших достоинств которых — печать переменных данных.

Технологии

Ввиду чрезвычайного разнообразия технологий, применяемых в цифровых печатных устройствах, подробное рассмотрение каждой вряд ли целесообразно, поэтому ограничимся лишь используемыми для тиражной печати. Их можно разделить на две группы (cм. схему).

В первую входят электрография (электрофотография и ионография), магнитография, OCE' Direct Imaging и элкография, во вторую — струйные технологии.

Электрофотография & Cо

Большинство технологий, относящихся к первой группе, имеют сходную принципиальную схему процесса печати. Ее основные стадии:

• формирование скрытого (латентного) изображения на воспринимающей поверхности (рецепторе);
• проявление изображения;
• прямой или косвенный (через промежуточную поверхность) перенос изображения на запечатываемый материал;
• закрепление изображения на запечатываемом материале;
• подготовка рецептора к новому циклу.

Различия заключаются в способах формирования скрытого изображения, принципах проявления, технологических режимах и т. д.

Электрография — метод, основанный на процессе преобразования информации об изображении в распределение электростатического потенциала в слое полупроводников и диэлектриков (скрытое электростатическое изображение) с последующей его визуализацией и переносом на запечатываемый материал. История развития электрографии насчитывает уже более 100 лет — отдельные ее элементы возникли еще в конце XIX века.

Сейчас в полиграфии востребованы две электрографические технологии: электрофотография и ионография.

Для электрофотографии характерно получение скрытого электростатического изображения экспонированием предварительно заряженных фотополупроводников.

Разработку классического электрофотографического процесса связывают с именем американского изобретателя Честера Карлсона (Chester Carlson, 1906—1968 гг.), оформившего в 1937 г. заявку на первый патент. Способ получил название «ксерография» (от лат. xeros — сухой). В 1946 г. лицензии на патенты Карлсона приобрела фирма Halloid, приступившая в 50-х годах к производству первых электрофотографических устройств (ЭФГУ). В 1957 г. Halloid передает это производство своей дочерней компании Rank Xerox (Великобритания). После окончания сроков действий патентов электрофотографические устройства начали производить десятки фирм. Наиболее известны сегодня — Xerox, Canon, Sharp, Minolta, Konica, Ricoh.

В первых ЭФГУ использовался аналоговый принцип записи изображения, они были предназначены для копировально-множительных работ. Новый импульс электрофотографии дало развитие цифровых технологий. В 70-е годы были разработаны первые цифровые ЭФГУ — лазерные принтеры. Сегодня электрофотографическая техника стала неотъемлемой принадлежностью любого офиса. Цифровые и аналоговые копиры, принтеры, принтеры-копиры, предназначенные для копирования и вывода как одноцветных, так и цветных документов, практически монополизировали рынок офисной печати, оставив другим технологиям лишь крохи.

Результатом эволюции цифровых ЭФГУ стало появление в 1993 г. первых цифровых печатных машин (ЦПМ) компаний Xeikon (Бельгия) и Indigo (Израиль/Нидерланды).

Indigo представила первую цифровую многокрасочную офсетную машину, печатающую жидкой краской Indigo E-Print 1000. Она базировалась на технологии ElectroInk — жидкостной электрофотографии, разработка которой велась с 1977 г.

В дальнейшем каждая фирма разработала несколько модельных рядов ЦПМ. В рамках OEM-партнерства машины Xeikon производили Agfa, IBM, Xerox. Сегодня ведущим партнером Xeikon является корпорация MAN Roland. Интересны проекты компаний Xeikon и Indigo по созданию ЦПМ для упаковочного производства. Первая объединилась для этого с Nilpeter, вторая — с Gallus. Однако в 2001 г., прекратив сотрудничество с Gallus, соглашение с Nilpeter подписала и компания Indigo.

Относительно недавно на рынок ЦПМ с собственным электрофотографическим оборудованием вышли новые производители: Heidelberg, Canon и Xerox. Heidelberg разработал свои машины совместно с Kodak.

Кратко остановимся на технических аспектах электрофотографии. Классификация ЭФГУ может производиться по множеству признаков. В рамках этой статьи ограничимся пятью:

• цветностью (одно- и многоцветные);
• количеством печатных аппаратов/секций/модулей (одно- и многоаппаратные);
• способом подачи запечатываемого материала (листовые и рулонные);
• типом проявления (с сухим и жидкостным проявлением);
• способом формирования скрытого изображения (с позитивным формированием скрытого изображения и негативным (или с проявкой заряженной и разряженной областей)).

Классический «сухой» электрофотографический процесс (см. врезку) характерен для подавляющего большинства ЭФГУ. Схема процесса с использованием жидкой краски (см. врезку) разработана компанией Indigo и успешно используется в ЦПМ этой фирмы.

Большинство одноцветных устройств предназначено для офисов. Они работают с листовыми материалами и имеют сходные схемы построения с одним печатным аппаратом. При запечатывании листов с двух сторон необходим их второй прогон через печатный аппарат.

Цветные устройства могут иметь как одно-, так и многоаппаратную схему построения. В большинстве офисных ЭФГУ, а также в некоторых ЦПМ задействован один печатный аппарат. В таких устройствах обычно используется один из двух принципов: цветное изображение собирается либо на запечатываемом материале путем многократного его прохождения через печатный аппарат, либо на фотоцилиндре (фотоленте) или промежуточной поверхности и переносится на запечатываемый материал за один прогон. В листовых устройствах может быть использована любая из этих схем, а в рулонных только вторая. Пример реализации первой схемы — листовые ЦПМ E-Print фирмы Indigo, второй — ЦПМ Omnius MultiStream этой же фирмы. Многоаппаратные схемы построения характерны для более дорогих и высокопроизводительных устройств. К ним относятся ЦПМ DCP фирмы Xeikon, некоторые модели Canon, Indigo, Xerox, NexPress 2100 производства Heidelberg и Kodak.

Максимальная скорость печати современных рулонных ЭФГУ достигает 64 м/мин, а листовых машин — 8000 листов формата А3+ в минуту. Благодаря получению при записи изображения точек переменной плотности видимое разрешение удается поднять до 1200-2400 dpi.

Электрофотография сегодня — ведущая технология на рынке цифровой печати, и ее позиции в ближайшие годы, скорее всего, будут достаточно прочными. Это объясняется сочетанием высокой скорости и качества печати.

К недостаткам, свойственным электрофотографии, относятся высокая стоимость печатающих устройств и расходных материалов, небольшой ресурс рецепторов, зависимость процесса от климатических условий. Хотя для ряда новейших ЦПМ последний аспект уже не столь критичен.

Качество оттисков ограничивается склонностью частиц тонеров образовывать конгломераты, а также краевым эффектом — осаждением частиц тонера при визуализации скрытого изображения преимущественно по краям плашек, что приводит к их неравномерной плотности.

Ионография Эта технология основывается на образовании скрытого изображения путем избирательного осаждения ионов на диэлектрике. Наиболее известная реализация ионографического процесса — EBI (Electron Beam Imaging) — разработана в 80-х годах фирмой Delphax (Канада) (см. врезку). На основе EBI-процесса построен печатный аппарат Gemini, дающий отпечатки с разрешением 600 dpi. По заявлению Delphax, скорость печати Gemini достигает 45 м/мин.

Существующие ионографические устройства предназначены для одноцветной печати; среди них есть как листовые, так и рулонные модели. Наиболее известные производители — американские компании Microplex, Check Technology, Digital Print. Производство, принадлежавшее Delphax, было куплено в конце 2001 г. корпорацией Xerox (до этого в течение более чем десятка лет Xerox был одним из совладельцев и OEM-партнеров Delphax), и его дальнейшие перспективы пока не ясны.

Сейчас ионография находится на вторых ролях, количество инсталляций ионографических устройств исчисляется всего несколькими сотнями. Однако некоторые эксперты считают, что ее потенциал далеко не исчерпан и она еще о себе заявит. Действительно, ионографические устройства отличаются простой конструкцией и достаточно высокой производительностью. Инвестиции в развитие этой технологии, возможно, позволили бы ей потеснить электрофотографию.

Магнитография — технология, основанная на формировании скрытого изображения путем изменения намагниченности поверхности магнитного материала.

Разработка магнитографических устройств активно велась в СССР еще в 60-х годах. Первый коммерческий продукт был реализован в начале 80-х фирмой Bull (США). В дальнейшем производство магнитографического печатного оборудования было возложено на ее дочернюю компанию Nipson (Франция).

В 1999 г. Nipson был куплен компанией Xeikon. Под новой маркой на рынке предлагается несколько моделей одноцветных листовых и рулонных магнитографических устройств. Скорость печати наиболее производительной модели — 120 м/мин, максимальное разрешение магнитографических устройств достигает 600 dpi.

Достоинства магнитографии: отсутствие дорогостоящих оптических устройств, высокая надежность элементов механизма, стабильность процесса печати, хорошее воспроизведение мелких штриховых элементов (например, микротекста).

OCE' Direct Imaging Компания OCE' (Нидерланды), предложившая за последние 30 лет целый ряд инновационных решений, призванных усовершенствовать электрофотографический процесс (контактный перенос изображения на бумагу, бесконтактное закрепление изображения и т. д.), разработала новую репродукционную технологию, сочетающую черты электрографии и магнитографии. OCE' Direct Imaging предполагает нанесение сплошного слоя тонера на полупроводниковый материал с последующим удалением частиц тонера с пробельных элементов изображения при помощи электромагнитов (см. врезку).

Первый прототип устройства, реализующего технологию OCE' Direct Imaging, был представлен в 1996 г. на выставке CeBIT. С 2001 г. OCE' начала продажи цифрового принтера-копира CPS700 формата A3+. Особенность этого устройства — семикрасочная печать (CMYK+RGB) с производительностью 25 многоцветных оттисков в минуту и разрешением 400Ё1600 dpi.

Многоцветное изображение в CPS700 за один проход собирается на промежуточной поверхности (цилиндре) и переносится на бумагу. Недостаток технологии — невозможность наложения элементов изображения друг на друга, что несколько сужает воспроизводимое цветовое пространство устройства.

Достоинства — исключение этапа формирования скрытого изображения, отсутствие сложных оптических устройств и генераторов коронного разряда, что способствует стабильности процесса.

Элкография Основывается на электрохимическом эффекте — электрокоагуляции (electrocoagulation). Сущность этого процесса состоит в сцеплении между собой и осаждении на одном из электродов частиц полимеров в результате электролиза.

Разработки начались более 30 лет назад. Изобретателем элкографии считается Эдриен Кестижер (Adrien Castegnier), он же стал президентом Elcorsy Technology (Канада) — компании, созданной в 1981 г. для коммерческой эксплуатации этой технологии. По замыслу Кестижера, она должна обеспечивать экологически чистую печать с фотографическим качеством на традиционных материалах.

Первая презентация прототипа элкографической ЦПМ состоялась в 1996 г. на выставке NEXPO в Лас-Вегасе. Специальные краски на водной основе разрабатывались фирмой Toyo.

В 2001 г. Elcorsy представила первый коммерческий продукт — рулонную четырехкрасочную ЦПМ секционного построения ELCO 400. Скорость работы ELCO 400 достигает 120 м/мин, разрешение печати — 400 dpi, причем воспроизводится до 256 градаций цветов в каждой точке.

Элкография чрезвычайно перспективная технология, об этом говорят высокое качество и скорость печати.

Струйная печать

Технология струйной печати долгое время успешно применялась в принтерах класса SOHO, цветопробных устройствах и производстве широкоформатной продукции. В последнее время она стала использоваться и в оборудовании для тиражной печати.

Технологии струйной печати делятся на две группы:

• c непрерывной подачей чернил;
• с прерывистой подачей чернил (drop-on-demand - капля по требованию).

Струйная печать c непрерывной подачей чернил Ее сущность — в генерации непрерывной струи (последовательности) капель с сообщением для капель участвующих и не участвующих в формировании изображения разных траекторий движения. «Лишние» капли попадают в ловушку и возвращаются в резервуар.

Пример — рулонная ЦПМ VersaMark производства Scitex Digital Printing. VersaMark выпускается в нескольких модификациях и работает со скоростью 99 и 152 м/мин и разрешением 300 dpi при схеме печати с роля на роль.

Струйная печать c прерывистой подачей чернил Существуют два варианта реализации технологии «капля по требованию»: термоэлектрическая и пьезоэлектрическая. В последнее время несколько фирм разработали цифровые печатные машины и модули, использующие принцип пьезоэлектрической печати.

Он основан на пьезоэффекте: выброс капли из сопла происходит в результате колебания пластины, обладающей пьезоэлектрическими свойствами.

Среди устройств, в которых реализован принцип пьезоэлектрической печати, можно назвать Dot Factory компании Barco, оснащенную печатающими головками производства фирмы Xaar, и Argio 75 SC фирмы Chromas.

Dot Factory — шестикрасочная машина, печатающая со скоростью до 24 м/мин с разрешением 300 dpi. Argio 75 SC — однокрасочный модуль с максимальной скоростью печати 30 м/мин и разрешением 600 dpi.

Струйная печать — перспективная технология. Ее достоинства — полное отсутствие контакта с запечатываемым материалом и связанных с этим ограничений, использование красок на водной основе и самая низкая себестоимость оттиска в данном секторе печати. Однако составить конкуренцию другим видам цифрового оборудования на рынке тиражной печати струйные устройства смогут только после повышения качества печати и снижения стоимости самих устройств.

Перспективы

Путь цифровой печати в «большую полиграфию» оказался тернистым. Продвижение цифровых устройств происходит непросто. Однако динамика рынка внушает оптимизм: постоянно появляются новые производители, разрабатываются новые и совершенствуются уже известные технологии. Интересна тенденция интеграции цифровых и традиционных способов печати.

Сегодня можно констатировать: цифровая печать востребована полиграфией, она успешно осваивает рынок оперативной печати. Теперь очередь за закреплением позиций, а в перспективе — за постепенным продвижением на рынок средних тиражей. Для этого необходимы снижение цен на расходные материалы, повышение надежности и производительности оборудования, улучшение качества печати.

Электрофотография

Печатный аппарат состоит из следующих узлов:

• барабан или бесконечное полотно, покрытые фоторецептором;
• устройство зарядки (устройство коронного разряда);
• экспонирующее устройство (лазер или матрица светодиодов с оптической системой);
• устройство сухого проявления скрытого изображения (магнитная кисть или донорный валик), покрытое мелкодисперсным одно- или двухкомпонентным проявителем;
• устройство закрепления изображения (так называемый "фьюзер");
• устройство очистки фоторецептора (устройство коронного разряда, дополненное ракельным механизмом или щеткой для счистки частиц тонера).

После зарядки фотополупроводника (фоторецептора) коронным разрядом производится экспонирование изображения на фотополупроводник — формируется скрытое электростатическое изображение. Оно проявляется заряженными частицами тонера и переносится на запечатываемый материал под действием электростатического поля. Закрепление изображения на запечатываемом материале обычно производится термосиловым методом (под давлением при высокой температуре). В конце цикла фоторецептор очищается от остатков тонера.

Электрофотография Indigo

Процесс, разработанный фирмой Indigo, имеет следующие особенности.

Очищенный формный цилиндр заряжается с помощью скоротрона до потенциала –800 В. Затем лазерное экспонирующее устройство засвечивает участки, формирующие будущее изображение, при этом разряжая в них фотоформу до потенциала –100 В. Для формирования видимого изображения (проявления) краска ElectroInk (смесь самой краски и носителя) впрыскивается между формным цилиндром, содержащим скрытое изображение, и проявляющим цилиндром. Проявляющий цилиндр заряжен до потенциала –400 В. Из-за разности потенциалов заряженные частицы краски перемещаются в направлении большего потенциала — т. е. в зонах скрытого изображения к формному цилиндру (от –400 к –100 В), а в пробельных зонах — к проявляющему цилиндру (от –800 к —400 В). После этого на формном цилиндре образуется видимое проявленное изображение, которое переносится на бумагу. Из сформированного изображения удаляется носитель.

Перенос на бумагу аналогичен традиционному офсету. Главное отличие — в подсушивании краски непосредственно на нагретом до 140 °С офсетном цилиндре, а не на бумаге. Благодаря нагреву промежуточного цилиндра повышается эффективность переноса краски на запечатываемый материал.

Ионография (EBI)

Основные элементы печатного аппарата — покрытый рецептором (диэлектриком) цилиндр или лента, устройства записи, проявления и переноса изображения, а также механизм очистки поверхности рецептора.

Устройство записи изображения представляет собой матрицу электродов, расположенных около поверхности покрытого рецептором барабана или ленты, закрытую сетчатым экраном (экранирующим электродом). При подаче напряжения на электрод происходит коронный разряд. За счет разности потенциалов поток ионов направляется через экран, выполняющий функцию фокусирующего устройства, к рецептору. Таким образом, на поверхности рецептора формируется скрытое электростатическое изображение, которое затем проявляется однокомпонентным тонером.

Перенос тонера на запечатываемый материал производится под давлением, для закрепления изображения используется термический нагрев или технология flash fusing (закрепления тонера световым излучением). Для очистки рецептора от частиц тонера служит ракельный нож, а специальный генератор нейтрализует остатки заряда.

Gemini отличается использованием промежуточной поверхности — нагретого полотна. На нем тонер расплавляется, после чего переносится на предварительно нагретый запечатываемый материал. Остатки удаляются очищающим валиком.

Процесс EBI характеризуется очень высоким коэффициентом переноса тонера (более 99%).

Магнитография

Основные элементы печатного аппарата — покрытый рецептором (магнитным материалом) цилиндр, устройства записи, проявления и переноса изображения, механизмы очистки поверхности рецептора и подготовки его к новой записи.

Скрытое изображение записывается на поверхности цилиндра линейкой электромагнитов. После проявления однокомпонентным тонером изображение под давлением переносится на бумагу и закрепляется по технологии flash fusing. Остатки тонера удаляются с поверхности рецептора ракельным ножом, а для нейтрализации намагниченных участков служит устройство стирания.

OCE' Direct Imaging

Конструкция печатного аппарата проста: цилиндр, покрытый полупроводником, устройства нанесения тонера и записи.

Заряженный однокомпонентный тонер переносится на поверхность цилиндра благодаря разнице потенциалов в 100 В. Устройство записи представляет собой линейку электромагнитов, помещенных внутри вращающейся гильзы. Формирование изображения происходит путем удаления электромагнитами частиц тонера с пробельных элементов. Удаленный тонер возвращается в резервуар за счет вращения гильзы устройства записи. Технология записи позволяет получать четыре градации плотности элементов изображения. Перенос изображения на запечатываемый материал происходит при нагреве и под давлением.

Элкография

Печатный аппарат состоит из металлического цилиндра, устройства кондиционирования, нанесения краски, записи, проявления и переноса изображения, а также механизма очистки поверхности цилиндра.

В устройство кондиционирования на поверхность цилиндра наносится тонкий слой масла для обеспечения переноса изображения на бумагу и поглощения газов, выделяющихся при электролизе. Жидкая краска подается в зазор между цилиндром и устройством записи изображения. Она представляет собой суспензию, состоящую из полимерных частиц, воды и электролитических солей. Интересно, что используемый в красках полимер аналогичен материалам, традиционно применяемым для очистки сточных вод.

Устройство записи — это линейка электродов (катодов), помещенных в цилиндрический корпус. При подаче на катод напряжения начинается процесс электролиза, анодом служит металлический цилиндр. Ионы поверхности цилиндра образуют связи с полимерными частицами краски, формируя таким образом элементы изображения. Размер элемента зависит от продолжительности активации катода.

Процесс проявления изображения заключается в удалении с поверхности цилиндра при помощи эластичного ракеля лишней (не подвергшейся коагуляции) краски, которая перекачивается в красочный резервуар и используется повторно.

Перенос изображения на бумагу производится под давлением, для чего служит полиуретановый валик. В конце цикла остатки краски и масла смываются с цилиндра струей воды.