Elektrofotografia

1. Streszczenie

Elektrofotografia bierze swój początek od kserografii, a proces drukowania opiera się na zastosowaniu warstw fotoprzewodzących, na których wytwarza się elektrostatyczny obraz utajony wywoływany tonerem. W nowoczesnych maszynach stosowane są dwa rodzaje tonera: w postaci suchej (w większości urządzeń) i ciekłej – technologia Indigo ElectroInk. Dzięki wysokiej jakości (zbliżonej do offsetu) maszyny HP Indigo zdominowały rynek drukowania cyfrowego i znajdują szerokie zastosowanie w druku komercyjnym, wydawniczym, reklamowym oraz produkcji etykiet i opakowań, także giętkich oferując wysoką wydajność zarówno w systemach zwojowych, jak i arkuszowych. W artykule przedstawiono podstawy drukowania elektrofotograficznego, opisano tonery i maszyny druku elektrofotograficznego oraz możliwości ich zastosowania. Nowe rozwiązania, które pojawiają się w maszynach elektrofotograficznych świadczą o dalszym rozwoju tej technologii. Pomimo zagrożeń ze strony drukowania natryskowego, prognozuje niewielki, ale wzrost rynku drukowania elektrofotograficznego w najbliższej przyszłości. 

2. Elektrofotografia

Elektrofotografia (analogowa) została wynaleziona przez Chestera Carlsona w 1938 roku. Swój wynalazek Chester Carlson nazwał „kserografią” (od łacińskiego słowa xeros, oznaczającego „suchy”). W 1946 roku firma Halloid nabyła licencje na patenty Carlsona, a w latach 50. XX wieku rozpoczęła produkcję pierwszych kopiarek elektrofotograficznych. Po wygaśnięciu patentów dziesiątki firm rozpoczęło produkcję analogowych kopiarek elektrofotograficznych: Xerox, Canon, Konica Minolta, Ricoh i in.
W latach 70. XX wieku firma Xerox opracowala pierwsze cyfrowe urządzenie elektrofotograficzne – drukarkę laserową. Rozwój cyfrowych, elektrofotograficznych urządzeń drukujących doprowadził do pojawienia się w 1993 r. pierwszych cyfrowych maszyn drukarskich opracowanych przez firmy Xeikon (Belgia) i Indigo (Izrael). Arkuszowa maszyna firmy Indigo   E-Print 1000 drukowała ciekłym tonerem i bazowała na technologii ElectroInk, a zwojowa maszyna firmy Xeikon drukowała suchym tonerem [Svitlana Khadzhynova, Stefan Jakucewicz. Sposoby drukowania cyfrowego. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2016. , Svitlana Khadzhynova. Badania jakości nadruku w drukowaniu cyfrowym. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2018]. 
W ciągu ostatnich trzech dekad rozwój profesjonalnych cyfrowych maszyn elektrofotograficznych doprowadził do migracji zleceń z klasycznej poligrafii (offsetu, fleksografii i rotograwiury) do druku cyfrowego. Z czasem zaobserwowano spowolnienie ewolucji technologii EP – ze względu na konkurencję drukowania natryskowego (ink-jet). Jednak w zakresie drukowania elektrofotograficznego nadal pojawiają się innowacyjne rozwiązania, więc technologia ta nadal się rozwija i prawdopodobnie pozostanie z nami jeszcze przez jakiś czas [David Zwang. Trends and Technologies in EP (Toner) Digital Printing: 2025. WhatTheyThink, 2025 | Annual Technology Outlook Issue. https://d3a577syzx0or3.cloudfront.net/magazine/2025-issue-1.pdf]. 

3. Zasada drukowania

Podstawowe etapu drukowanie elektrofotograficznego to: ładowanie warstwy fotoprzewodzącej, naświetlanie obrazu, wywoływanie, przenoszenie tonera na zadrukowywane podłoże, utrwalanie nadruku na odbitce (rys. 1).

Na etapie ładowania powierzchnia warstwy fotoprzewodzącej pokrywa się równomiernie ładunkami elektrycznymi.  W procesie ładowania wykorzystywane są urządzenia: korotron, skoroton lub wałek pod napięciem. Naładowaną warstwę fotoprzewodzącą naświetla się za pomocą promieni lasera lub światłem diod przewodzących (LED). W miejscach naświetlonych warstwa zwiększa swe przewodnictwo elektryczne i zostaje rozładowana, a ładunki pozostałe w miejscach nienaświetlonych tworzą tzw. elektrostatyczny obraz utajony. Obraz utajony zastaje wywołany za pomocą proszku (tonera), który jest naładowany. W odróżnieniu od kserografii, gdzie toner posiada ładunek przeciwny do ładunku warstwy fotoprzewodzącej, w procesach cyfrowego druku elektrofotograficznego na etapie wywoływania najczęściej stosuje się toner, który posiada ładunek tego samego znaku co warstwa fotoprzewodząca (wywoływanie rewersyjne). Proces przeniesienia tonera na podłoże odbywa się w polu elektrostatycznym. W tym celu odwrotną stronę podłoża ładuje się tym samym znakiem co warstwa fotoprzewodząca. Na skutek przyciągania elektrostatycznego toner zostaje przeniesiony na podłoże zadrukowywane. Przeniesiony toner związany jest z podłożem za pomocą sił elektrostatycznych i w łatwy sposób może być usunięty z jego powierzchni. Uzyskanie trwałego nadruku odbywa się na etapie utrwalenia obrazu na skutek działania ciepła. Toner w swoim składzie zawiera składnik termotopliwy, który pod wpływem działania ciepła (temperatura utrwalenia wynosi ok. 160-200°C) stapia się i trwale wiąże się z podłożem.  W momencie, kiedy odbitka jest utrwalana, warstwa fotoprzewodząca zostaje oczyszczona z pozostałości tonera i zregenerowana, na przykład poprzez dodatkowe naświetlanie regenerujące, dzięki któremu odbywa się neutralizacja ładunków na powierzchni warstwy i w taki sposób cylinder z warstwą fotoprzewodzącą zostaje przygotowany do następnego cyklu produkcyjnego

Rys. 1. Schemat cyfrowego drukowania elektrofotograficznego. Źródło: [Svitlana Khadzhynova, Stefan Jakucewicz. Sposoby drukowania cyfrowego. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2016. ]

4. Maszyny

Urządzenia do cyfrowego drukowania elektrofotograficznego można podzielić na trzy grupy:

1. Drukarki biurowe (ang. small office home office – SOHO).
2. Urządzenia wielofunkcyjne (ang. multi-function printer – MFP), łączące funkcje drukarki, kopiarki, skanera, faksu i inne.
3. Wysokiej wydajności maszyny drukujące (maszyny produkcyjne lub maszyny nakładowe)

Do cech wyróżniających maszyny do drukowania produkcyjnego trzeba zaliczyć to, że powinny one pracować w trybie 24/7 (24 godziny przez 7 dni w tygodniu) i są przeznaczone do dużych miesięcznych obciążeń.
Maszyny drukujące można klasyfikować w zależności:

• od liczby drukowanych kolorów tonera – wyróżniamy maszyny monochromatyczne i do druku wielobarwnego (CMYK lub CMYK+),
• od postaci podłoża zadrukowywanego: maszyny arkuszowe i zwojowe,
• od tego, czy w jednym cyklu/przebiegu maszyny można zadrukować podłoże z jednej strony czy z obydwu: maszyny jednostronne lub dwustronne,
• od sposobu przenoszenia obrazu z nośnika (warstwy fotoprzewodzącej) obrazu na podłoże: maszyny z bezpośrednim przenoszeniem obrazu i maszyny z pośrednim przenoszeniem obrazu, w których przenoszenie pośrednie może odbywać się za pomocą cylindra pośredniego (transferowego) lub taśmy/pasu [Svitlana Khadzhynova, Stefan Jakucewicz. Sposoby drukowania cyfrowego. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2016. , Svitlana Khadzhynova. Badania jakości nadruku w drukowaniu cyfrowym. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2018,].

5. Toner

Istnieją dwie główne kategorie tonerów – suchy toner (proszek) i toner ciekły. Systemy na bazie suchego tonera są dostarczane przez wielu producentów maszyn - w tym Xeikon, Xerox, Canon, Ricoh, Konica Minolta i innych - natomiast w technologii ciekłego tonera dominują maszyny HP Indigo (technologia ElectroInk). W przeszłości technologię ciekłego tonera rozwijały firmy Canon Océ, i Miyakoshi i Xeikon, ale zawiesiły produkcję tego typu maszyn.

Różnica między tonerem suchym i ciekłym polega na tym, że w przypadku tonera suchego wszystkie składniki są w postaci stałej/suchej, podczas gdy w przypadku tonera ciekłego cząstki tonera z barwidłem są zawieszone w płynnym „nośniku”.

Polimery (głównie poliestery) zawarte w cząsteczkach suchego tonera powodują, że suchy toner przylepia się do podłoża w stanie stopionym w wyniku działania wysokiej temperatury i ciśnienia (na etapie utrwalania). 
Ciekły nośnik tonera to zazwyczaj olej mineralny o niskiej lotności, który nadaje cząsteczkom tonera lepkość, a kleistość jest podstawowym mechanizmem, dzięki któremu cząsteczki tonera przenoszą się na podłoże (przylepiają się).
Suche tonery zazwyczaj zawierają żywice, pigmenty, wypełniacze, środki kontrolujące ładunek i inne dodatki poprawiające wydajność procesu. Żywice mogą być różnego rodzaju, na przykład styrenowo-akrylowe, akrylowe i poliestrowe. Żywice poliestrowe zyskały popularność dzięki niskiej temperaturze topnienia. Cząsteczki suchego tonera mają rozmiar kilku mikronów i są wytwarzane w jednym z dwóch procesów: technologii mechanicznej polegającej na zredukowaniu rozmiaru nieregularnych cząsteczek tonera lub tonera wytwarzanego chemicznie (w którym cząsteczki tonera są „hodowane” metodą polimeryzacji dyspersyjnej lub polimeryzacji emulsyjnej) [Svitlana Khadzhynova, Stefan Jakucewicz. Sposoby drukowania cyfrowego. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2016. ].

Cząsteczki tonera ciekłego są zazwyczaj mniejsze niż tonera suchego i zapewniają nadruk o lepszej jakości i ostrości. M.in. dzięki temu technologia HP Indigo zyskała uznanie i często nazywa się ją cyfrowym offsetem ze względu na wysoki poziom jakości i pośredni sposób przenoszenia obrazu. 
Technologia tonerów została dostosowana do zapewniania różnych efektów wykończenia druków. Poza tradycyjnymi kolorami tonerów CMYK (plus ew. jeden lub kilka dodatkowych kolorów) produkowane są tonery przezroczyste zapewniające wybiórcze lakierowanie, toner biały do ​​druku na podłożach przezroczystych, metaliczne i perłowe, tonery fluorescencyjne (zabezpieczające) oraz tonery magnetyczne do zastosowań MICR.

Opracowano tonery bezpieczne dla opakowań żywności. Przykładem może być toner Titon firmy Xeikon, który jest całkowicie bezzapachowy i bezsmakowy i nadaje się do opakowań przeznaczonych do pośredniego i bezpośredniego kontaktu z żywnością [Filip Weymans. Xeikon launches groundbreaking TITON technology in response to sustainability trends in packaging. https://xeikon.com/en/press/xeikon-launches-groundbreaking-titon-technology-in-response-to-sustainability-trends-in-packaging].

6. Zastosowanie

Zastosowanie maszyn elektrofotograficznych jest wszechstronne: od druków biurowych, mailingu bezpośredniego i różnego rodzaju druków reklamowych poprzez druk książek do drukowanie etykiet i opakowań. Elektrofotografia zajmuje silną pozycję w druku etykiet i opakowań giętkich za pomocą jednostronnie drukujących maszyn zwojowych, natomiast maszyny arkuszowe są bardzo popularne wśród drukarni komercyjnych i wydawniczych, o wydajności miesięcznej od 50 000 odbitek A4 do 5 milionów w przypadku maszyn najwyższej klasy.

Elektrofotografia zajmuje dominującą pozycję w porównaniu do drukowania natryskowego w zakresie drukowania etykiet i opakowań giętkich zarówno pod względem wolumenu, jak i wartości. Na tym rynku dominują maszyny HP Indigo i Xeikon.

HP Indigo. Maszyny Indigo są częścią rynku druku produkcyjnego od czasu, gdy Benny Landa zaprezentował je w 1993 roku, a następnie przekazał je firmie HP w 2001 roku. Według IDC, w ciągu ponad 20 lat od premiery zainstalowano ponad 10 300 maszyn Indigo, z czego około 2000 to maszyny do etykiet i opakowań. Wg źródła [David Zwang. Trends and Technologies in EP (Toner) Digital Printing: 2025. WhatTheyThink, 2025 | Annual Technology Outlook Issue. https://d3a577syzx0or3.cloudfront.net/magazine/2025-issue-1.pdf] zainstalowana baza obejmuje około 7500 maszyn u 4500 klientów w 120 krajach. Obejmuje to maszyny w formacie B2: arkuszową maszynę cyfrową HP Indigo 10000 przeznaczoną do druku komercyjnego, maszynę HP Indigo 20000 do druku zwojowego oraz arkuszową maszynę cyfrową HP Indigo 30000 przeznaczoną do druku na tekturze. Łącznie zainstalowano ponad 300 maszyn w formacie B2. Według IDC (2024), HP Indigo odpowiada za 51% rynku maszyn cyfrowych. Wynika to z szerokiego zakresu zastosowań w druku komercyjnym i opakowaniach. Na przykład, w sektorze etykiet, baza zainstalowanych maszyn liczy ponad 2500, co stanowi 50% udziału w rynku, a główną siłą napędową jest seria 6K i pionierska maszyna V12. Maszyna V12 (rys. 2) w odróżnieniu od poprzednich modeli HP Indigo posiada 6 zespołów drukujących (każdy z których może drukować 2-ma kolorami tonera) i może osiągać prędkość drukowania 120 m/min.  Może to stanowić atrakcyjną alternatywę w porównaniu do prędkości 150 m/min produkcyjnych maszyn natryskowych i 300 m/min maszyny Koenig & Bauer RotaJET [David Zwang. Trends and Technologies in EP (Toner) Digital Printing: 2025. WhatTheyThink, 2025 | Annual Technology Outlook Issue. https://d3a577syzx0or3.cloudfront.net/magazine/2025-issue-1.pdf, HP Indigo’s LEPx stuwt flexo/offset digitaal-transfer. https://www.printmedianieuws.nl/2021/07/hp-indigos-lepx-stuwt-flexo-offset-digitaal-transfer/].

Rys. 2. Schemat zespołu drukującego maszyny HP Indigo V12. Źródło: [HP Indigo’s LEPx stuwt flexo/offset digitaal-transfer. https://www.printmedianieuws.nl/2021/07/hp-indigos-lepx-stuwt-flexo-offset-digitaal-transfer/]

Xeikon. Na rynku etykiet maszyny Xeikon zajmują drugą pozycję (zaraz po HP Indigo) pod względem udziału w rynku. Firma Xeikon dostarcza serię maszyn do druku etykiet Cheetah (suchy toner). Drukarka CX300 drukuje na wstędze o szerokości do 330 mm, wykorzystuje do pięciu kolorów i generuje wydruki w rozdzielczości 1200 dpi z prędkością do 30 m/min, natomiast CX500 drukuje wstęgi o szerokości do 520 mm, również z rozdzielczością 1200 dpi i prędkością do 30 m/min. 

Wśród innych producentów maszyn o druku etykiet należy wyróżnić: Konica Minolta z serią maszyn AccurioLabel, Mark Andy z maszyną DigitalOne. 

7. Rozwój i innowacje

Ciągle innowacje, które pojawiają się w maszynach elektrofotograficznych skierowane są na poprawę niezawodności i jakości procesu drukowania. Druk dwustronny może nasilać potencjalne problemy, zwłaszcza w przypadku długich arkuszy. W maszynach Canon wdrożono nowy podajnik POD DECK F1, który oddziela arkusz ze stosu za pomocą pasu ssącego, wyrównuje go, a następnie podaje do sekcji drukujących. Konica Minolta AccurioPress C14000e wykorzystuje inteligentny system zapełnienia jakości IQ-501, który automatycznie przeprowadza regulację pasowania przód-tył przed drukowaniem. Firma Ricoh również oferuje nowy moduł transferu papieru, zaprojektowany specjalnie w celu poprawy pasowania przód-tył.

W celu zapewnienia zgodności kolorystycznej w większości maszyn flagowych wszystkich producentów, a nawet w wielu maszynach średniej klasy, zainstalowano (on-line) spektrofotometry lub systemy automatycznej diagnostyki kolorów i spasowania. 

8. Podsumowanie

Drukowanie elektrofotograficzne ewoluuje od dziesięcioleci. Do zalet należy zaliczyć to, że jest to technologia sprawdzona czasem oraz to, że początkowe nakłady inwestycyjne CAPEX są niższe niż w przypadku większości innych technologii. Po stronie ograniczeń, pozostaje prędkość drukowania i szerokość arkusza [David Zwang. Trends and Technologies in EP (Toner) Digital Printing: 2025. WhatTheyThink, 2025 | Annual Technology Outlook Issue. https://d3a577syzx0or3.cloudfront.net/magazine/2025-issue-1.pdf].

W perspektywie czasu przewiduje się stopniowy spadek udziału maszyn elektrofotograficznych na rzecz drukowania natryskowego. Zostanie osłabiona pozycja druku elektrofotograficznego w takich obszarach, jak druk reklamy, książek i druk transakcyjny, w których elektrofotografia zajmowała silną pozycję na wczesnym etapie rozwoju. Obecnie druk EP jest napędzany głównie przez następujące sektory przemysłu:

• Druk korporacyjny i biurowy.
• Profesjonalny druk nakładowy, gdzie elektrofotografia jest szeroko stosowana do produkcji broszur, katalogów, instrukcji oraz opakowań i etykiet.
• Edukacja i medycyna – do drukowania podręczników, formularzy, dokumentacji prawnej i medycznej.

W latach 2025–2035 przewiduje się dla rynku drukowania elektrofotograficznego wzrost z roczną stopą (CAGR) na poziomie 1,9%. Chociaż wskazuje to na stosunkowo powolny wzrost spowoduje, że globalny rynek EP osiągnie wartość około 11,24 miliarda dolarów do 2034 roku [David Zwang. Trends and Technologies in EP (Toner) Digital Printing: 2025. WhatTheyThink, 2025 | Annual Technology Outlook Issue. https://d3a577syzx0or3.cloudfront.net/magazine/2025-issue-1.pdf, Paul Ewing, Sean Smyth. The Future of Digital Print: Long-Term Strategic Forecasts to 2029. Smithers Pira, 2019. www.smitherspira.com].