Inkjet – vše, co potřebujete vědět o inkjet technologii I.

Inkoustové tiskárny, neboli inkjety, stále patří mezi nejrozšířenější technologie pro značení a potisk výrobků v průmyslu pro jejich spolehlivý a ekonomický provoz. V tomto případě však nemáme na mysli stolní inkoustové tiskárny, které si většina z nás pamatuje jednu až dvě dekády zpět. Ty sloužily pro tisk dokumentů na kancelářský papír, i když některé z principů těchto tiskáren byly později do průmyslu přeneseny. Pro tento příspěvek máme na mysli zejména tyto typy tiskáren:

• Kontinuální inkjety neboli CIJ z anglického slova C-ontinous I-nk J-et
• Termální inkjety neboli TIJ z anglického slova T-hermal I-nk J-et
• HRP tiskárny z anglického slova H-igh R-esolution P-rinter
• DOD tiskárny z anglického D-rop O-n D-emand
• Flexotiskové stroje a pneumatická razítka

V tomto článku nebo spíše sérii článků bychom chtěli rozebrat základní principy strojů z kategorie inkjetů, jejich použití v průmyslu a vhodnost pro různé aplikace a také jejich výhody a nevýhody.

Kontinuální inkjety – CIJ

Pro to, aby člověk pochopil hlavní výhody a nevýhody inkjetové technologie, je nutné nejprve osvětlit princip těchto strojů. Inkjetové tiskárny se v průmyslu používají již dlouhou řadu let. Zdroje se liší, nicméně první inkjety se používají zhruba od druhé poloviny minulého století.

Principiálně se jedná o tiskárny, které v sobě mají dvě nádoby. Jedna nádoba je na ředidlo a ta druhá na inkoust, kterým se tiskne. Jistě jste už doma zkoušeli malovat, ať už zeď nebo třeba plot, takže víte, že při koupi barvy v obchodě není její konzistence vhodná pro okamžité natírání, ale je třeba ji tzv. rozředit kapalinou k tomu určenou, tedy ředidlem. Dle typu barvy existují různé typy ředidel. Stejně tak je tomu i v případě kontinuálních inkjetových tiskáren. Ředidla mohou být na ethylenové bázi, acetonové bázi, methyl-ethyl ketonové bázi apod. Kapalina (ředidlo) se z barvy časem odpařuje a tím se mění její konzistence. Tiskárny pro svůj chod potřebují mít konzistenci barvy nebo-li viskozitu vždy stejnou

Obsahují proto soustavu ventilů a malých čerpadel, aby se barva s ředidlem míchala vždy v předem daném poměru, závislém na daném typu inkoustu. Toto si řídí tiskárna vždy sama automaticky v závislosti na datech z viskozimetru, kterým jsou CIJ tiskárny standardně vybaveny. Děje se tak v tzv. ,,mixtanku“, což je nádoba uvnitř tiskárny k tomuto účelu určená.

V případě, že se s tiskárnou netiskne po delší časový interval, je tiskárny nutno zakonzervovat, jinak vlivem odpaření ředidla dojde k tomu, že inkoust má tendenci v systému ,,zatuhnout“ a to i v případě hermeticky uzavřeného okruhu. Proto se doporučuje inkjetové tiskárny vždy zapínat i při tzv. tisku na prázdno, kdy tiskárna sice netiskne (nespotřebovává inkoust, pouze se odpařuje část ředidla), ale soustavou vnitřního potrubí neustále koluje inkoust spolu s ředidlem a nedojde tak k jeho usazení a následnému zatuhnutí v útrobách tiskárny. U černých, většinou nepigmentových inkoustů, je riziko usazení nižší než například u barevných a pigmentových inkoustů. V jejich případě je tento problém znásoben přítomností pigmentových částic uvnitř inkoustu, které mají tendenci se usazovat již po několika málo hodinách. Takové stroje potom mají v útrobách speciální systém pro míchání inkoustu v inkoustovém zásobníku i v případě, že stroj netiskne, ale je alespoň připojen do elektrické sítě.

Má-li inkoust správnou viskozitu, je tlakovým čerpadlem tlačen do tiskové hlavy, která je speciální hadicí spojena s tělem tiskárny. Tyto hadice mají většinou délku od 3 do 6 metrů v závislosti na typu tiskárny. V tiskové hlavě je další elektronika a komponenty, které z kontinuálního paprsku inkoustu dokážou udělat soustavu jednotlivých kapiček. Ty kapičky, které mají dopadnout na značený produkt, jsou nabity nábojem při průchodu tzv. nabíjecím kanálkem a až poté jsou jednotlivé kapičky inkoustu (dle množství náboje – větší či menší, který obdržely v nabíjecím kanálku) vychylovány elektrostatickým napětím v řádu jednotek kV vertikálním směrem. Napětí se v takovém případě přivádí na horní a spodní vychylovací elektrody – na obrázku níže ta hnědá část (spodní vychylovací elektroda). Pokud kapička inkoustu není nijak nabitá, standardně letí do odsávacího kanálku, kde se opět smíchá s inkoustem a celý proces se opakuje. Pokud kapička nabitá je, letí mimo tiskovou hlavu, kde dopadne na potiskovaný předmět.

Princip elektrostatického vychylování je znám zejména ze zobrazovací techniky minulého století. Jedná se o velmi podobný princip jako u CRT monitorů a televizí , známých zejména před rokem 2000. Ty ale měly vychylování oběma směry, tedy vertikálně i horizontálně. U CIJ tiskáren dochází k vychylování pouze jedním směrem – vertikálně, nikoliv horizontálně Pokud tedy chceme natisknout čitelný text, logo, kód apod., je nutné s potiskovaným předmětem nebo hlavou pohybovat v horizontálním směru a dát vědět rychlost tohoto pohybu tiskárně. Pro takové účely se používá tzv. enkodér, a to v případě, že je rychlost proměnná. V případě, že bychom měli produkt například na dopravníku, jehož rychlost by se neměnila, lze zadat fixní rychlost do tiskárny a ta s ní tak bude počítat. V případě, že by se rychlost zvýšila, nápis se roztáhne. Pokud by se naopak snížila, nápis se zúží. Pokud bychom s produktem nebo hlavou nepohybovali, tiskárna je schopná natisknout pouze vertikální čáru.

Typů inkjetových tiskáren je na trhu nepřeberné množství. Liší se zejména těmito parametry:

Maximální rychlostí

Spousta výrobců udává maximální rychlost jako parametr, kdy je inkjet schopen tisknout nepřerušovanou čáru, tzn. že čára má na výšku pouze jeden pixel, což je ale velmi zavádějící. Vždy je třeba srovnávat tisk alespoň jednoho řádku v dané matrici (5 x 5 nebo 7 x 5).

Zde se také nabízí otázka, co je to matrice. Zjednodušeně řečeno je to číslo, které udává, jaký maximální počet kapek (pixelů) je použitý na vytvoření vyplněného čtverce, do kterého se vepisují jednotlivé alfanumerické znaky.

U matrice m5 je to 5 x 5 tzn., že kdybychom udělali vyplněný čtverec, bude obsahovat 25 kapek neboli 25 pixelů. U matrice 7 x 5 je to 35 pixelů. To znamená že máme více bodů na to vykreslit jednotlivé písmeno.

Příklad níže: Písmeno A v matrici 7 x 5 je složeno ze 17 kapek, v matrici 5 x 5 je to 14 kapek. Zjednodušeně lze říci, že čím více kapek je použito (čím větší je matrice), tím je tiskárna pomalejší.

Pokud inkjetová tiskárna přestane stíhat danou rychlost, začne se tisk navíc roztahovat, popřípadě bortit, jak je vidět na obrázku níže.

Zajímavostí také je, že na maximální rychlost inkjetové tiskárny má vliv velikost trysky, se kterou se tiskne. Zde platí pravidlo, že čím větší tryska, tím nižší rychlost.

Příklady maximálních rychlostí našich inkjet tiskáren v matrici 5 x 5 při využití 5 pixelů:

• Alphajet Mondo (entry model, tryska 62 µm)      286 m/min
• Alphajet HS – High speed (tryska 50 µm)             446 m/min
• Alphajet SP – Small print  (tryska 42 µm)              518 m/min
• Alphajet 5X – Nový model (tryska 62µm)              286 m/min

Spotřebou ředidla

Typicky 2 – 8 ml/hod. Tímto parametrem naše tiskárny značky Koenig & Bauer vynikají nad konkurencí. Spotřeba se typicky udává při 20 °C pro nejpoužívanější typ ředidla na bázi MEK. Konkrétní spotřeby jsou uvedeny níže:

• Alphajet Mondo                                                      4,7 ml/hod
• Alphajet 5x, HS, SP, HS-M                                        2 ml/hod

Maximálním počtem řádků 3 až 8

• Alphajet Mondo, HS-M, SP                                       5 řádku v matrici (5 x 5)
• Alphajet HS                                                               4 řádky v matrici (5 x 5)
• Alphajet 5X-FP                                                          8 řádků v matrici (5 x 5)

Velikostí trysky (42 – 70µm)

Jak již bylo výše zmíněno, velikost trysky ovlivňuje rychlost tiskárny poměrně zásadně. Velikost trysky také dále ovlivňuje velikost samotné kapičky inkoustu a tím pádem i spotřebu inkoustu. Čím menší kapička, tím menší spotřeba, ale také horší čitelnost, protože písmo bude menší. Níže je vidět rozdíl mezi tryskou 42 µm a 62 µm. V minulosti jsme u modelů Alphajet Into  a Alphajet Evo používali také velikost trysky 70 µm. Větší tryska se lépe hodila především pro tzv. hard pigmentové inkousty. Aktuálně se používá u nejprodávanějších strojů Alphajet HS-M a Alphajet 5X tryska 62 µm jako kompromis mezi spotřebou, použitelností pigmentových i nepigmentových inkoustů a velikostí nápisu.

Pigmentové / Nepigmentové stroje

V případě, že je potřeba tisknout inkousty, které obsahují pigmentové částice, tj. nejčastěji barevné inkousty, je nutné tomu ve výrobě přizpůsobit stroj. Do stroje musí být přidána elektronika, která zajistí míchání inkoustu v inkoustové lahvi, aby si pigmentové částice nesedly na dno.

V případě, že by se usadily na dno, mohly by ucpat nasávací hadičku tiskárny, a to by zapříčinilo vyřazení tiskárny z provozu. Z tohoto důvodu jsou také pigmentové stroje většinou dražší než nepigmentové. Jedná se také o stroje s větší tryskou, typicky 62 µm, aby nedocházelo k jejímu přicpávání. Obecně lze říci, že stroje na pigmentové inkousty vyžadují více údržby jak co do servisu, tak i co do nároků na operátory.

Čištěním tiskové hlavy

ať chceme nebo ne, k určitému zašpinění tiskové hlavy dříve nebo později dojde. Je to stejné, jako když doma malujete. Kapka barvy občas ukápne mimo. U inkjetu se tomu snažíme vyhnout, ale i přes to se to stát může a je to většinou zapříčiněno nenadálým otřesem tiskové hlavy, případně nesprávnou obsluhou, kolizí ve výrobě apod. Hlavu je tedy nutné od inkoustu čistit. Na trhu probíhá mezi výrobci velký konkurenční boj o to, kdo přijde s lepším systémem pro oplach tiskové hlavy, aby se stroje daly prodávat jako „bezúdržbové“. V současné době jsou na trhu tyto alternativy:

• Automatický proplach – používají ho i naše stroje Alphajet HS, HS-M, SP, 5X a 5X-FP. Po dokončení tisku je tisková hlava propláchnuta ředidlem a zbylé ředidlo odsáto odsávacím kanálkem.
• Externí čistící stanice – využívají ji zejména japonské značky. Z hlavy je nutné sundat kryt a dát ji do čistící stanice, kde se hlava sama očistí. Tento proces trvá přibližně několik desítek sekund.
• Manuální proplach – využívá ho entry model tiskárny Alphajet Mondo. Hlavu je jednoduše nutné propláchnout ručně za pomocí speciální oplachové lahvičky. Zkušenému operátorovi to nezabere víc než 15 vteřin.
   

Krytím IP

Tyto stroje stále nachází zásadní uplatnění v FMCG, zejména v potravinářství, kde jsou často umístěny na produkčních linkách. Díky tomu je často vyžadováno vyšší krytí IP, aby tiskárny odolaly například mytí tlakovou vodou apod. V tomto naše tiskárny Alphajet razí heslo, čí více, tím lépe, a tak bez jakýchkoli příplatků nabízíme krytí IP65 ve standardu.

Délkou hadice k tiskové hlavě

Ne vždy je možné mít inkjetovou tiskárnu přímo na výrobní lince, případně v její těsné blízkosti. Například u třídiček Vajec Moba a Sanovo je nutné volit delší hadici k tiskové hlavě, jinak by tisková hlava nedosáhla do místa uvnitř třídiče, kde k potisku dochází. Proto většina výrobců nabízí i prodlouženou délku hadice k tiskové hlavě. Standardem je délka 3 – 4 metrů, za příplatek se potom dá objednat hadice až 6 m.

Komunikací s nadřazeným systémem

Velmi důležitým parametrem při výrobě inkjet tiskárny je také to, s jakým nadřazeným systémem má tiskárna komunikovat (např. třídičkou vajec, stříhačkou kabelů apod.). Může to být například linka řízená průmyslovým PC nebo PLC, ale také zařízení třetích stran jako jsou například třídičky vajec Moba a Sanovo, případně stříhačky kabelů Schleuniger a Komax. Některé tiskárny mají defaultně komunikační rozhraní pro různé zařízení od externích dodavatelů a není tak potřeba nic doprogramovávat. Setkáváme se nejčastěji s požadavky na komunikaci s těmito zařízeními:

• Třídičky vajec MOBA
  • Moba Omnia řady FT (170, 250, 330, 500)
  • Moba Omnia řady XF (85, 125, 170, 250, 330)  
• Třídičky vajec Sanovo (Staalkat)
  • Alpha (70, 100, 125)
  • Ardenta (170, 300)
  • Optigrader (400, 600, 707)
  • GraderPro (75, 110, 150, 220, 400, 600)
• Stříhačky Schleuniger
  • Powerstrip 9580
  • Megastrip 9680
  • Multistrip 9480
  • EcoStrip 9380
  • Crimpcenter
• Stříhačky Komax
  • Kappa
  • Alpha

Díky popsanému principu si můžeme říct hlavní výhody a nevýhody této technologie. Začněme tedy s tím pozitivním, tedy výhodami.

Výhody kontinuálních inkjetů

• Možnost tisku na vzdálenost až cca 25 mm od hrany tiskové hlavy
• Možnost tisku různými inkousty s různou přilnavostí a různou barvou s různými vlastnostmi
• Léty odzkoušená a ověřená technologie
• Vysoká rychlost tisku pro jednořádkové nápisy (v matrici 5 x 5 pixelů až 518 m/min)
• Možnost tisku nahoru, dolů, z boku
• Tisková hlava má relativně malé a kompaktní rozměry (cca 40 x 40 x 180 mm)
• Relativně nízké náklady na tisk
• Možnost tisku velmi malým písmem v závislosti na velikosti trysky
• Vhodné pro nonstop provozy

Nevýhody kontinuálních inkjetů

• Nutná údržba – výměny filtrů (dle charakteru výroby a stroje od 1 500 – 10 000 motohodin)
• Nízké rozlišení – vertikálně od 32 pixelů do 48 pixelů dle typu tiskárny
• Nízká rychlost pro víceřádkové nápisy (4 řádky v matrici 7 x 5 maximálně 37 m/min)
• Při zapnutí tiskárny a cirkulaci inkoustu je zde vždy odpar ředidla řádově do 5 ml/hod
• Nutnost čistit tiskovou hlavu po skončení výroby
• Výměna barvy = proces na cca 4 hodiny, kdy se tiskárna musí kompletně propláchnout

Termální inkjety – TIJ

Na rozdíl od inkjetových tiskáren se v tomto případě jedná o znatelně jednodušší zařízení, nevyžadující pravidelný servis jako v případě kontinuálních inkjetů. Tyto systémy, například od firmy Anser, které najdete v našem portfoliu (model X1, A1, SPH, U2 aj.), jsou založeny na patentovaném systému cartridgí od HP, které se v minulosti používaly v domácích inkoustových tiskárnách.

Tiskárna je vlastně samotná cartridge, která má na svém čele pole s dutinkami pro inkoust, v nichž jsou velmi drobné rezistory. Jakmile se na daný rezistor přivede napětí a začne jim procházet proud, rezistor se nahřeje, což způsobí ohřátí inkoustu a díky jeho roztažnosti je z inkjetové komory vystřelena kapička inkoustu na potiskovaný předmět. Rezistor potom opět zchladne a děj se může opakovat. Toto probíhá v řádech mikrosekund.

Díky tomu jsou tyto systémy schopny tisku vysokou rychlostí v poměrně vysokém rozlišení – až 600 DPI. To znamená, že na prostoru 25,4 mm je až 600 těchto bodů, což vychází na cca 24 tiskových bodů na jednom milimetru – to už je celkem slušná porce.

To, jak rychle se rezistory v hlavě nahřívají, udává tzv. tisková frekvence cartridge, která je u TIJ řady 2.5 od 12 do 18 kHz. Průměrný objem inkoustu v cartridge je od 32 do 42 ml, přičemž velikost kapky inkoustu, která vychází z jedné inkoustové komory je dle typu cartridge od 26 do 38 pl. Tisk je možný jak na porézní, tak i neporézní materiály, avšak je nutno počítat s tím, že zde necirkuluje inkoust, tak jako v případě CIJ.

To znamená, že cartridge může zaschnout v řádu několika hodin. Obecně jsou na toto náchylnější cartridge na neporézní materiály, tedy na bázi solventu. U vodních cartridge je toto nebezpečí znatelně nižší. V případě zaschnutí se dá poté cartridge otřít speciálním hadříkem a oživit.

Vzhledem k tomu, že tisk je realizován technologií nahřívání rezistorů v tiskové hlavě, není zde dosaženo takového tlaku jako v případě CIJ. Díky tomu je nutné, aby byly tiskové hlavy relativně blízko potiskovanému předmětu – typicky do 5 mm (některé cartridge umí až 10 mm). Kvůli absenci čerpadel, je v cartridge také znatelně nižší tlak, tudíž je s tiskovou hlavou možný tisk pouze z boku nebo shora. Někteří distributoři udávají možnost tisku ze spodu. Teoreticky možný je, nicméně při takovém tisku v cartridge zbude obrovské množství nespotřebovaného inkoustu, což je způsobeno právě absencí čerpadla, které by zajistilo dostatečný tlak. Také tisk barevnými inkousty na neporézní materiály je poměrně problematický kvůli ucpávání trysek v tiskové cartridge.

Nabízí se otázka, kolik tisků se dá natisknout na jednu cartridge a co se s ní potom stane. Orientační počet tisků je vidět v tabulce níže. Po vytištění se cartridge vyhodí a již nepoužije. Ve srovnání s CIJ technologií se tímto prodražuje cena tisku, protože zákazník musí vždy koupit novou cartridge spolu s elektronikou, kterou již následně nepoužije. Pokud tisk CIJ technologií vychází na cca 0,001 Kč na nápis, tak tady je to o řád výše – tedy 0,01 Kč. U termálních inkjetů se lze setkat také s tzv. BULK systémem, tedy jedním velkým zásobníkem, který je spojen s cartridge hadicí a inkoust je do tiskové hlavy podtlakem nasáván. Tyto systémy mají většinou objem 370 – 420 ml, což zvýší využití jedné cartridge cca 10 x a sníží cenu za tisk. Nevýhodou tohoto řešení je jeho vhodnost pouze na savé, tedy porézní materiály.

Výše jsme zmínili termální inkjet s označením 2.5. Aktuálně je na trhu novinka s označením TIJ 4.0 od firmy Norwix, konkrétně model PC 22 a UC 22. Jedná se také o patentovanou technologii od firmy HP, avšak cartridge prodělala mnoho změn. Hlavním a poměrně zásadním rozdílem je změna samotného rozlišení cartridge, která umí tisknout v rozlišení až 1200 DPI oproti TIJ 2.5, kde je to maximálně 600 DPI. Další změnou je velikost, kdy má cartridge na výšku 22 mm oproti 12,7 mm v případě TIJ 2.5 (je možno také objednat speciální 1“ cartridge s výškou 25,4 mm). Přepracovaný je i design samostatné cartridge. Cartridge pro TIJ 4.0 je většinou menší a je spojena s inkoustovým zásobníkem (bulk). Touto cartridge proteče 5 000 až 10 000 ml inkoustu před tím, než se poškodí, což je obrovská změna oproti TIJ 2.5, kde je to pouze 42 ml v případě klasické cartridge a 420 ml v případě bulk systému na savé povrchy.  

Další zásadní změnou je i rychlost tisku, kdy u novější technologie při poměrně vysokém rozlišení 150 DPI jsme schopni dosahovat rychlostí až 732 m/min. U TIJ 2.5 to bylo jen něco kolem 150 m/min při stejném rozlišení. Dalším rozdílem je velikost jedné inkoustové kapky, která je v případě TIJ 4.0 pouze 6 pl, u TIJ 2.5 je to potom dle typu cartridge kolem 26 – 38 pl. Frekvence tisku je také znatelně vyšší, což vyplývá i s maximální tiskové rychlosti, a to i díky menším inkoustovým kapkám. Bavíme se zde o frekvenci 72 kHz vs. 12 – 18 kHz v případě TIJ 2.5. Pro úplnost uvádíme zásadní rozdíly i v tabulce níže.

Portfolio systémů pro TIJ je většinou skromnější, než je tomu pro CIJ. Pokud bychom se bavili pouze o portfoliu inkoustů pro TIJ 4.0, je toto číslo ještě skromnější a počet inkoustů pro tuto technologii bychom napočítali na prstech jedné ruky. Jedná se téměř výhradně o černé inkousty na vodní bázi, které jsou určeny na savé (porézní) materiály, kde mají schopnost velmi rychle zasychat, což je nezbytné při vysokorychlostních tiskových aplikací (nad 300 m/min). U TIJ 2.5 je situace trochu příznivější, zde lze najít už inkousty jak na savé (vodní báze), tak i nesavé povrchy (solventová báze). Aktuálně máme v našem portfoliu kolem 30 typů takových inkoustů od firmy Anser, jak v černé barvě, tak také bílé, žluté, modré, červené, zelené a další barvy. Mimo to lze tiskárnu vybavit i inkousty se specifickými chemicko-fyzikálními vlastnostmi jako je inkoust na vajíčka, popřípadě UV viditelný inkoust aj.  

Výhody termálních inkjetů

• Výměna barvy = výměna cartridge, není potřeba dělat proplach tiskárny jako v případě CIJ
• V případě poškození tiskové hlavy si ji obsluha umí jednoduše vyměnit
• Nulové odstávky vlivem nutnosti pravidelně servisovat tiskárnu
• Vysoké tiskové rozlišení vhodné i pro tisk log, Datamatrix a QR kódů
• Tiskárně nevadí i dlouhá odstávka nebo sezónní provoz. Ideální pro:
  • Minipivovary
  • Vinařství
  • Výroba kombuchy
  • Výroba sirupů a džemů
  • Výroba potravinových doplňků apod.
• Vysoká tisková rychlost
• Znatelně menší rozměry zařízení než u CIJ
• Není zde nutno kupovat dva spotřební materiály (inkoust + ředidlo) jako v případě CIJ

Nevýhody termálních inkjetů

• Tisk pouze shora nebo z boku
• Nižší IP krytí
• Nižší vzdálenost od produktu (typicky do 5 mm)
• Není vhodná pro prašné prostředí – zanášení trysek
• Omezenější portfolio inkoustů než v případě CIJ
• O řád vyšší cena tisku než v případě CIJ (platí pro TIJ 2.5)
• Po konci práce s tiskárnou je nutno cartridge vyndat z tiskové hlavy a uzavřít ji do speciálního silikonového pouzdra, aby nevysychala
• Při delší nečinnosti, může cartridge zaschnout – je nutné ji poté ,,obnovit“ respektive otřít hadříkem

Jako přední distributor značicí techniky na našem trhu vám rádi pomůžeme s výběrem zařízení, které bude pro váš provoz nejvhodnější. Napište nám na [email protected] nebo zavolejte na +420 602 147 730.