Сердце струйной ЦПМ

О сколько нам открытий чудных

Готовят просвещенья дух

И Опыт, сын ошибок трудных,

И Гений, парадоксов друг,

И Случай, бог изобретатель.

А. С. Пушкин

В Китае из всего многообразия печатающих головок, теоретически пригодных для печати этикетки, до коммерческих поставок дошли машины на головках двух производителей — Kyocera и Epson. Нельзя сказать, что не было попыток с другими: даже лично я был на разных китайских заводах, где тестировались ЦПМ на головках Fuji Samba и Xerox. Были и другие разработки, но в серию пока не пошли. А на Kyocera и Epson не просто есть коммерчески доступные машины, они есть и в России. Подход Kyocera и Epson к такому продукту и путь, которым они пришли к современным версиям, существенно отличаются.

Kyocera KJ4A

Kyocera всегда концентрировалась на индустриальном сегменте струйных головок. Её продукция широко используется производителями ЦПМ для печати этикетки во всём мире. На выставке LabelExpo Europe 2023 можно было найти такие машины, произведённые на Западе, в Китае, Южной Корее и Индии. Головки семейства Kyocera KJ4A предназначены для печати УФ-чернилами и популярны у производителей ЦПМ для этикетки.

Kyocera KJ4A

Сердцем головки является керамический пьезоэлемент (актуатор или привод). Видно, что его длина превышает толщину почти в 3000 раз: его толщина около 40 мкм, или треть толщины человеческого волоса

Пьезоэлемент лежит поверх канала, заполненного чернилами. При подаче на него напряжения давит на камеру и выталкивает каплю чернил из форсунки (дюзы)

Пьезоэлемент ламинирован на миллиметровую пластину из нержавеющей стали, в которой сделаны форсунки и пр. Образуется прочная и устойчивая к механическим и химическим воздействиям конструкция. Производитель называет свои головки индустриальными. Обратная сторона этого: головки достаточно дорогие

Интересно, что эта миллиметровая стальная пластина не монолитна, но представляет собой сэндвич из 11 слоёв толщиной около 100 мкм каждый. Из отверстий в этих пластинах образуется трёхмерная структура чернильных каналов

Также в печатающие головки Kyocera встроен внутренний нагреватель в качестве стандартной функции для компенсации изменений температуры чернил во время печати. Это очень важно, так как от температуры сильно зависит вязкость чернил, от вязкости — размер капли, а от него — получаемый на отпечатке цвет. Если в процессе печати чернила в головке нагреваются, а так и происходит при отсутствии терморегулирования из-за трения, то цвет на печати будет «плавать».

Epson Precision Core

Seiko Epson исторически развивала технологии печатающих головок прежде всего для массовых настольных принтеров. По мере совершенствования технологий сферу применения продуктов компании удалось расширить, в том числе на ЦПМ для печати этикетки. Впрочем, на Labelexpo Europe 2023 головки Epson для этой цели использовали только китайские производители и сам Epson.

Конкретно речь про головки семейства PrecisionCore. В соответствии со статьёй PrecisionCore Printhead Manufacturing Technology чип печатной головки состоит из трёх компонентов: (1) пьезоэлементы, они же актуаторы или приводы, (2) чернильные каналы и (3) пластины дюз или форсунок. Важной особенностью головки является то, что все три компонента — чрезвычайно прецизионные кремниевые компоненты, изготавливаемые по тем же технологиям, что и интегральные микросхемы: «Epson производит чипы печати, используя тот же фотолитографический процесс, который применяется для изготовления полупроводниковых интегральных схем чрезвычайно тонкой геометрии. Пьезоэлементы TFP производятся путём равномерного изготовления чрезвычайно тонких пьезоэлектрических элементов на кремниевых пластинах. Толщина пьезоэлектрических элементов составляет всего 1 микрометр (1/1000 мм)».

Epson не использует нагреватели в рассматриваемых головках. Однако производители ЦПМ могут использовать (и зачастую используют) собственные внешние по отношению к головке системы для терморегулирования.

Три кремниевых чипа, из которых состоит чип печати MicroTFP

Как коммерческий продукт для работы на УФ-чернилах головки доступны в модификациях S3200 (4 чипа) и S800 (один чип), где цифра соответствует числу рабочих сопел. На фото хорошо видно зеленоватый кремний на стальной подошве.

Epson S800 построена на одиночном чипе. Epson S3200 использует четыре таких печатающих чипа

Печатный блок собственной ЦПМ Epson SurePress L-6034. Аналогичный блок используется в других моделях семейства

Интересно, что собственная ЦПМ Epson для печати этикетки УФ-чернилами использует головки S800, а насколько можно судить, все китайские производители — головки S3200. Могу предположить, что выбор китайцев диктуется стремлением упростить и удешевить конструкцию, а японцев — снизить эксплуатационные расходы на замену головок. Действительно, у S3200 эффективная ширина печати 120 мм и на классическую ширину около 330 мм китайским ЦПМ требуется лишь три головки на цвет. А ЦПМ Epson — 11 штук, и это на скорости печати всего 15 м/мин. Понятно, что систему из трёх головок юстировать гораздо проще. Понятно также, что как запчасть головка на 800 сопел гораздо дешевле, чем на 3200 таких же сопел.

Сравнение и независимое мнение

Практика использования головок Kyocera KJ4A в китайских ЦПМ для печати этикетки началась в России в 2022 г. Насколько известно автору, замен головок по причине износа не было. Однако были заменены несколько головок из-за нарушения условий эксплуатации или — по гарантии — с браком в момент поставки. Первые инсталляции ЦПМ для этикетки на головках Epson состоялись в 2023 г. Известно о нескольких случаях замены головок, но так как статистика незначительна, а причины никогда не были (и вряд ли будут) обнародованы, окончательные выводы по практике делать рано.

Сравним конструкции. Пьезоэлектрический элемент (актуатор) — собственно та часть головки, которая и создаёт работу, у Epson — кремниевый толщиной 1 мк. А у Kyocera — керамический и толщиной 40 мк. Чернильные каналы и пластина дюз (форсунок) у Epson — также кремниевые элементы. У Kyocera используется наборная пластина из нержавеющей стали суммарной толщиной 1 мм, на которую ламинирован керамический пьезоэлемент. Кремний — достаточно нежный материал, если сравнивать с керамикой, не говоря уже о нержавеющей стали основания, принимающего на себя внешние механические воздействия.

Создаётся впечатление, что прецизионная структура из кремния будет недостаточно прочной, но так ли это? Полагаться на информацию производителей не приходится. Владельцы ЦПМ также не склонны делиться информацией о сроке жизни головок. Значительную ценность, впрочем, имеют гарантийные обязательства на головки. У одних поставщиков головки — расходный материал и гарантии на него не распространяются. У других — запчасти и гарантийные обязательства на них чётко установлены. Они могут быть такими же, как на другие запчасти, или сокращёнными. Впрочем, такое сравнение каждый потенциальный покупатель проводит предметно и в обязательном порядке. В России «Нисса Центрум» предоставляет на головки в ЦПМ HanGlobal LabStar такую же гарантию, как и на всю машину.

Как источник независимого мнения было бы интересно найти компанию, в деталях разбирающуюся в струйных головках, в идеале — их обслуживающую и ремонтирующую, причём разных компаний, но никак не зависящую от производителей головок. Да ещё достаточно открытую, чтобы публиковать сравнительную информацию. И такая компания существует. Это канадская Print Head Doctorhttps. Её бизнес — выпуск оборудования для обслуживания всевозможных печатающих головок, используемых коммерчески. А также химикатов, растворителей и реактивов для возвращения к жизни этих головок и продления срока эксплуатации. Конечно — и методик такого продления.

Актуальная модификация продукта Print Head Doctor: ультразвуковая ванна, оборудованная насосами и компьютерным управлением, дозирует воздействие химикатов на восстанавливаемые головки

На сайте компании в открытом доступе можно найти документацию на выпускаемое ею оборудование и инструкции по оживлению головок. А начинается инструкция со сравнительной таблицы, где головки ранжированы от малочувствительных к высокочувствительных к воздействиям при восстановлении. Первые три градации зелёные, в наиболее массовый — третий — уровень попали Kyocera KJ4. Головки Epson — в самом конце таблицы.

В заключение

На Labelexpo South China 2024 стала известна интересная новость. Крупный китайский производитель ЦПМ для печати этикетки, представленный и в России, переходит с головок Epson на головки Kyocera. Всем понятно, что теперь им предстоит набивать новые шишки и сразу отлично не получится. Но без крайне веских причин такие решения не принимают. Событие примечательное, но не будем отбирать хлеб у маркетологов компании, которым предстоит нелёгкая задача объяснить, что и как.

* Слухами земля полнится (лат.).