Drukowanie natryskowe

1. Streszczenie

W artykule przedstawiono klasyfikację technologii drukowania natryskowego wraz z krótką charakterystyką. Drukowanie natryskowe (ang. ink-jet) jest bezkontaktową technologią drukowania, realizowaną za pomocą cyfrowych urządzeń drukujących wyposażonych w specjalne głowice natryskowe zawierające dysze. To najbardziej dynamicznie rozwijająca się technika drukowania cyfrowego, która znajduje szerokie zastosowanie w poligrafii, jak również w innych dziedzinach, np. elektronice drukowanej. W ostatnich latach mieliśmy do czynienia ze znaczącą poprawą jakości druku natryskowego, a jej celem jest osiągnięcie wyższej rozdzielczości druku, precyzyjnego odwzorowania kolorów i drobnych szczegółów obrazu. W artykule omówiono m.in. konstrukcje i parametry głowic drukujących, w tym ciągłego strumienia (CIJ) i kropli na żądanie (DOD) i rodzaje stosowanych atramentów. Scharakteryzowano główne typy maszyn drukujących (Single Pass i Multi Pass), przedstawiono przykłady ich zastosowania oraz rynkowe perspektywy rozwoju.

2. Wstęp

Drukowanie natryskowe (ang. Ink-jet) jest bezkontaktową technologią drukowania realizowaną za pomocą cyfrowych urządzeń drukujących wyposażonych w specjalne głowice natryskowe zawierające dysze. Zadaniem głowic drukujących jest wytwarzanie i wyrzucanie atramentu w postaci kropel. 

3. Technologie drukowania natryskowego

Wyróżnia się dwie podstawowe technologie druku natryskowego: technologię ciągłego strumienia/druku atramentowego z ang. continuous flow lub continuous ink jet (w skrócie CIJ) i technologię kropli na żądanie, z ang. zwanej drop on demand (w skrócie DOD).

Rys. 1 Podział technologii drukowania natryskowego. Źródło: [Khadzhynova Svitlana, Jakucewicz Stefan, Piłczyńska Katarzyna. Drukowanie natryskowe (ink-jet). Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2017.]

W technologii ciągłego strumienia tworzy się ciągły strumienia kropel atramentu dzięki wytwarzaniu impulsów o wysokiej częstotliwości w głowicy drukującej. Jest kilka metod selekcji kropel na te, które docierają do podłoża, a te wychwytywane z obiegu. Jedna z metod polega na ładowaniu części kropel i odchyleniu ich trajektorii w polu elektrycznym. Są również inne metody sposobu generowania i selekcji kropel. Technologia ta umożliwia bardzo wysokie prędkości druku. Na przykład, Kodak Prosper 7000 Turbo Press, najszybsza drukarka atramentowa na rynku, osiąga maksymalną prędkość druku 410 m/min. Głowice atramentowe CIJ cieszą się opinią najtrwalszych i najdroższych [Khadzhynova Svitlana, Jakucewicz Stefan. Sposoby drukowania cyfrowego. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2016. , Khadzhynova Svitlana, Jakucewicz Stefan, Piłczyńska Katarzyna. Drukowanie natryskowe (ink-jet). Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2017., Brian Derby. Inkjet Printing of Functional and Structural Materials: Fluid Property Requirements, Feature Stability, and Resolution. Annual Review of Materials Research. June 2010, 40(1) p. 395-414. DOI: 10.1146/annurev-matsci-070909-104502. https://www.researchgate.net/publication/229439905_Inkjet_Printing_of_Functional_and_Structural_Materials_Fluid_Property_Requirements_Feature_Stability_and_Resolution]. 

Rys. 2. Metoda z ciągłego strumienia kropel Źródło: [6]

Rys. 3. Głowica drukująca: 
a – termiczna; 
b – piezoelektryczna. Źródło: [Brian Derby. Inkjet Printing of Functional and Structural Materials: Fluid Property Requirements, Feature Stability, and Resolution. Annual Review of Materials Research. June 2010, 40(1) p. 395-414. DOI: 10.1146/annurev-matsci-070909-104502. https://www.researchgate.net/publication/229439905_Inkjet_Printing_of_Functional_and_Structural_Materials_Fluid_Property_Requirements_Feature_Stability_and_Resolution]

W technologii kropli na żądanie kropla atramentu wyrzuca się z dyszy tylko w momencie, gdy sygnał/impuls elektryczny podawany jest do aktywatora. Takie głowice są zazwyczaj w stanie formować krople o różnych rozmiarach – tzw. multidrop. Stosowane są dwa rodzaje aktywatorów: płytka grzejna (metoda termiczna, ang. Termal Ink-jet) i element piezoceramiczny (metoda piezoelektryczna, ang. Piezo Ink-jet), które umieszcza się w kanale łączącym dyszę z komorą zawierającą atramentem. W technologii termicznej element grzejny podgrzewa atrament do temperatury wrzenia, w trakcie wrzenia wytwarza się pęcherzyk pary, który wyrzuca kroplę (rys. 3a). W metodzie piezoelektrycznej wyrzucenie kropli atramentu następuje na skutek deformacji elementu piezoceramicznego (kryształu piezoelektrycznego). Odkształcenie to wytwarza impuls ciśnienia w komorze z atramentem, co powoduje wyrzut kropli (rys. 3b). Istnieje wiele odmian głowic zależnych od konstrukcji kryształu piezoelektrycznego i typu jego deformacji [Khadzhynova Svitlana, Jakucewicz Stefan. Sposoby drukowania cyfrowego. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2016. , Khadzhynova Svitlana, Jakucewicz Stefan, Piłczyńska Katarzyna. Drukowanie natryskowe (ink-jet). Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2017., Brian Derby. Inkjet Printing of Functional and Structural Materials: Fluid Property Requirements, Feature Stability, and Resolution. Annual Review of Materials Research. June 2010, 40(1) p. 395-414. DOI: 10.1146/annurev-matsci-070909-104502. https://www.researchgate.net/publication/229439905_Inkjet_Printing_of_Functional_and_Structural_Materials_Fluid_Property_Requirements_Feature_Stability_and_Resolution]. 

4. Głowice drukujące ink-jet

Głowica drukująca to złożone, zaawansowane technologicznie urządzenie. Składa się z elektroniki sterującej, zaawansowanego układu hydraulicznego oraz mikromechanicznego układu scalonego z dyszami.

Zarówno głowice termiczne, jak i piezoelektryczne mają swoje zalety i wady. Głowice termiczne są znacznie prostsze i tańsze, i oferują rozdzielczość fizyczną do 2400 dpi. Jednak ze względu na częste podgrzanie i schładzanie atramentu w głowicy szybciej się zużywają. Poza tym mogą one pracować tylko z atramentami na bazie wody. W rezultacie w najtańszych urządzenia do druku natryskowego, najczęściej stosowano głowice termiczne. Ale mogą być stosowane nawet w bardzo wydajnych maszynach cyfrowych. Przykładem takim może być maszyna drukująca HP PageWide T1190, która osiąga prędkość druku 305 m/min przy szerokości zadruku 2,8 m.

Głowice termiczne dla cyfrowych maszyn drukarskich są produkowane głównie przez firmę HP. Dla urządzeń segmentu druku konsumenckiego i SOHO1 głowice termiczne dostarczają wielu producentów.

Głowice piezoelektryczne są droższe, w porównaniu do termicznych, a ich żywotność jest większa. Nawet w mocno obłożonych maszynach, przemysłowe głowice piezoelektryczne mogą wytrzymać lata. Głowice piezoelektryczne mogą pracować z różnymi rodzajami atramentów: wodnymi, UV, lateksowymi i rozpuszczalnikowymi. Takie atramenty charakteryzują się bardzo zróżnicowaną lepkością, co stanowi główną różnicę z punktu widzenia głowicy. Niektóre modele głowic są przeznaczone do określonych rodzajów atramentów, podczas gdy inne są dość uniwersalne.

Głowice piezoelektryczne do cyfrowych maszyn drukarskich są produkowane przez wielu producentów. W przypadku wysokowydajnych cyfrowych maszyn drukarskich najpopularniejsze są głowice firm Kyocera, Epson i Fujifilm. Służą one do drukowania wielobarwnego. Głowice Ricoh, Seiko i Xaar są szeroko stosowane do aplikacji lakieru (przezroczystego atramentu utrwalanego promieniowaniem ultrafioletowym (UV)). Większość głowic może wytwarzać krople o różnej wielkości: od 2-3 pikolitrów do kilkudziesięciu pikolitrów. Oprócz wymienionych firm, stosowane są również inni producenci głowic. Rynek druku wielkoformatowego jest szczególnie zróżnicowany pod względem zastosowanych głowic.

Rozdzielczość drukowania natryskowego. W drukowaniu natryskowym zazwyczaj podaje się rozdzielczość w postaci dwóch liczb na przykład 600×600 dpi lub 600×1200 dpi. Pierwsza liczba uzależniona jest od konstrukcji głowicy, druga – charakteryzuje liczbę kropel wzdłuż ruchu podłoża. Kolejny parametr, który ma duży wpływ na jakość nadruku (zwłaszcza drobnych szczegółów) – to minimalna objętość kropli (podawana w pikolitrach (pl)) [Khadzhynova Svitlana, Jakucewicz Stefan. Sposoby drukowania cyfrowego. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2016. , Khadzhynova Svitlana, Jakucewicz Stefan, Piłczyńska Katarzyna. Drukowanie natryskowe (ink-jet). Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2017.].

5. Atramenty

Receptury poszczególnych typów atramentów są złożone. Atramenty muszą spełniać standardowe wymagania stawiane farbom drukowym, takie jak: określona barwa, termin ważności, odporność na światło (światłotrwałość) itp. Ponadto muszą posiadać ściśle określone właściwości fizyko-chemiczne narzucane przez stosowane głowice drukujące. Przykładowo każdy rodzaj głowic drukujących ma swoje wymagania co do napięcia powierzchniowego i lepkości atramentów. Rodzaj stosowanego atramentu będzie także zależeć od rodzaju i właściwości zadrukowywanego podłoża.

W zależności od składu chemicznego rozróżnia się atramenty wodne, rozpuszczalnikowe, olejowe, termotopliwe, utrwalane promieniowaniem UV lub strumieniem elektronów (EB) i hybrydowe. W zależności od zastosowanego barwidła rozróżniamy atramenty pigmentowe i barwnikowe. W tabeli 1 zestawiono ogólny skład oraz inne charakterystyki różnych rodzajów atramentów. 

Źródło: [Zapka Werner Handbook of Industrial Inkjet Printing. Volume 1 & 2. 2018, Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA , Germany]

6. Maszyny drukujące

Wyróżnia się dwa rodzaje maszyn drukujących natryskowych w zależności od tego czy głowica drukująca jest ruchoma czy nie. W rozwiązaniach z głowicami typu Single Pass głowica drukująca jest nieruchoma, a jej szerokość równa się szerokości zadrukowywanego podłoża. W maszynach typu Multi Pass, nazywanych również Scanning Head, szerokość głowicy jest mniejsza niż szerokość podłoża, a głowica porusza się i ew. wykonuje więcej przejść (liczba Pass), aby w pełni zadrukować podłoże. W zależności od tego, który element maszyny jest ruchomy, wyodrębnia się różne konfiguracje systemów drukowania (rys. 4). 

a

b

c

d

Rys. 4. Schemat działania głowic w maszyn ink-jet z głowicą: a – Single Pass; 
b – Multi Pass (ruchoma głowica XY i nieruchome podłoże); c – Multi Pass z ruchomą głowicą (oś X) i podłożem (oś Y); d –  Multi Pass z nieruchomą głowicą i ruchomym podłożem (rzadko spotykane rozwiązanie). Źródło: [Brian Derby. Inkjet Printing of Functional and Structural Materials: Fluid Property Requirements, Feature Stability, and Resolution. Annual Review of Materials Research. June 2010, 40(1) p. 395-414. DOI: 10.1146/annurev-matsci-070909-104502. https://www.researchgate.net/publication/229439905_Inkjet_Printing_of_Functional_and_Structural_Materials_Fluid_Property_Requirements_Feature_Stability_and_Resolution]

Single Pass. Zastosowania głowicy typu Single Pass znacznie upraszcza konstrukcję i umożliwia są znacznie wyższe prędkości druku. Najszybsze maszyny druku natryskowego firm Kodak, HP i KBA które drukują z prędkościami 300+ i 400+ m/min posiadają konstrukcie typu Single Pass. Cyfrowe maszyny natryskowe do druku i uszlachetniania niemal wyłącznie posiadają konstrukcję typu Single Pass.
W ciągu ostatnich dziesięciu lat główni producenci głowic drukujących, tacy jak Kyocera, Fujifilm, HP, Epson, Xaar, Konica Minolta, Memjet, Kodak i Ricoh, opracowali i udoskonalili nowe generacje głowic drukujących przeznaczonych do druku jednoprzebiegowego (Single Pass). Mogą one drukować w rozdzielczości do 2400 dpi, a 1200 dpi staje się standardem dla grafiki wysokiej jakości. Coraz więcej producentów głowic drukujących produkuje głowice w technologii MEMS, która łączy wysoką rozdzielczość z wysoką funkcjonalnością głowicy drukującej – oferując takie funkcje, jak zaawansowana konstrukcja dyszy i recyrkulacja atramentu [2Khadzhynova Svitlana, Jakucewicz Stefan, Piłczyńska Katarzyna. Drukowanie natryskowe (ink-jet). Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2017., Paul Ewing, Sean Smyth. The Future of Digital Print: Long-Term Strategic Forecasts to 2029. Smithers Pira, 2019. www.smitherspira.com]. 

Multi Pass (Scannig Head). System z ruchomą głowicą jest bardziej oszczędnym rozwiązaniem (ze względu na mniejsze koszty głowicy), ale posiada bardziej złożony napęd. Oprócz redukcji kosztów, taki system pozwala na wybór trybów drukowania, ustawiając rozdzielczość (i jakość drukowania) zarówno wzdłuż kierunku ruchu głowicy drukującej (poprzez zmianę prędkości), jak i w poprzek (drukując kolejny pasek z przesunięciem o 1, 1/2, 1/4 itd. szerokości zadruku). Całkowita ilość atramentu, jaką system zużywa, rośnie proporcjonalnie do liczby przebiegów. Wydruk roboczy można wykonać w jednym przejściu, a maksymalna jakość uzyskuje się przy maksymalnej liczbie przejść. Rozwiązanie takie często jest spotykane w przypadku ploterów [Khadzhynova Svitlana, Jakucewicz Stefan, Piłczyńska Katarzyna. Drukowanie natryskowe (ink-jet). Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2017., Colton Freeze. Evaluating Inkjet Printing for Corrugated.  Issue of Corrugated Today January/February, 2019.].

7. Jakość drukowania

W przypadku drukowania natryskowego można wyróżnić cztery kluczowe elementy, mające wpływ na jakość nadruku:

• głowica drukująca (typ, rozdzielczość, objętość generowanych kropel i in.),
• urządzenie drukujące, RIP i parametry procesu drukowania,
• atrament (rodzaj, wymiary cząsteczek barwidła i właściwości atramentu),
• podłoże zadrukowywane (struktura powierzchni, energia powierzchniowa, zwilżalność i in.).

Problem uzyskania wysokiego akceptowalnego poziomu jakości nadruków na różnych rodzajach podłoży w drukowaniu natryskowym jest bardzo aktualny i rozwiązuje się obecnie w różny sposób. Uniezależnienie jakości od rodzaju podłoża współcześni producenci maszyn i technologii druku natryskowego realizują za pomocą trzech sposobów:

• stosowanie specjalnych powłok (primerów) nanoszonych na papier przed zadrukiem in-line w maszynie drukującej. Primery mogą być nanoszone całopowierzchniowo, za pomocą zespołów druku fleksograficznego (na bazie cylindra anilox) lub wybiórczo (kropla pod kroplę) – za pomocą dodatkowej głowicy druku natryskowego,
• stosowanie specjalnych atramentów stałych, które w trakcie drukowania są stapiane i nanoszone w postaci ciekłej. Trafiając na podłoże, kropla atramentu krzepnie i nie penetruje w głąb porowatych podłoży, uzyskując tym samym intensywny nadruk,
• połączenie zastosowania specjalnych atramentów i pośredniego przenoszenia atramentu na podłoże w warunkach podwyższonej temperatury (za pomocą podgrzanego pasu transferowego) w przypadku nanografii powoduje przylepienie się atramentu do powierzchni podłoża i tym samym umożliwia osiągniecie dużej intensywności nadruku [Khadzhynova Svitlana. Badania jakości nadruku w drukowaniu cyfrowym. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2018,].

Maszyny drukowania natryskowego dostępne są w bardzo szerokiej gamie modeli: od drukarek biurowych i modułów do znakowania do wydajnych maszyn arkuszowych i zwojowych w małym i dużym formacie. Poza tym moduły drukowania ink-jet mogą być łączone z modułami drukowania klasycznego tworząc maszyny hybrydowe. Druk natryskowy jest szeroko stosowany w proofingu, w druku komercyjnym i dekoracyjnym, w tym na tekstyliach. Do drukowania etykiet i opakowań giętkich stosuje się maszyny wąskozwojowe, a w druku mailingowym, druku książek, gazet i innych produktów komercyjnych, a także do drukowania opakowań i materiałów dekoracyjnych, stosuje się maszyny arkuszowe w formatach B3, B2 i B1 lub szerokowstęgowe przy czym większe maszyny arkuszowe są wykorzystywane do druku na tekturze falistej [Svitlana Khadzhynova, Natalia Baran. Jakość nadruku ink-jet na tekturze falistej. Przegląd Papierniczy nr 1 (80), 2024 s. 43-48 DOI: 10.15199/54.2024.1.1] i materiałach dekoracyjnych, takich jak płytki ceramiczne, drewno i szkło.

Kolejna szybko rozwijającą się niszą zastosowania drukowania natryskowego – bezpośredni druk na przedmiotach (ang. Direct-to-Shape) o nieregularnych kształtach, potencjalnie zastępując etykiety na niektórych butelkach i puszkach, a także umożliwiając nadruk na długopisach, kubkach, szklankach i innych przedmiotach. Połączenie zrobotyzowanych systemów transportowych z drukiem natryskowym stosuje się w celu drukowania na kaskach, nartach, piłkach i innych przedmiotach, a nawet na ścianach i samochodach.
Elastyczność drukowania natryskowego umożliwia integrację ​​urządzeń drukujących z liniami produkcyjnymi i przetwórczymi, jako dodatkowy element lub jako fundamentalną część linii. Jest to powszechne w przypadku zadruku powierzchni drewnianych i dekoracyjnych, w firmach takich jak Bürkle, Hymmen, Cefla Finishing i TecnoFerrari [Zapka Werner Handbook of Industrial Inkjet Printing. Volume 1 & 2. 2018, Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA , Germany, Paul Ewing, Sean Smyth. The Future of Digital Print: Long-Term Strategic Forecasts to 2029. Smithers Pira, 2019. www.smitherspira.com]. 

Ewolucja atramentów była jednym z kluczowych czynników w rozwoju zastosowań drukowania natryskowego. Podczas gdy pierwsze generacje systemów drukujących drukowały wyłącznie przy użyciu atramentów wodnych lub rozpuszczalnikowych o niskiej lepkości, dzisiejsze głowice drukujące są w stanie drukować atramentami o znacznie wyższej lepkości. Utorowało to drogę do druku bezpośredniego na złożonych powierzchniach - od metali po płytki ceramiczne. Wysoka lepkość pozwala na uzyskanie grubszych warstw, efektów tłoczenia/lakierowania i elementów teksturowanych, a nawet powłok funkcjonalnych - od ochronnych (lakierowanie) po przewodzące (elektronika drukowana).

Wysoka lepkość stosowanych atramentów otwiera również nowe możliwości w pracy z materiałami porowatymi: atramenty te lepiej przylegają i zapewniają dobre krycie, dzięki czemu w wielu przypadkach można uniknąć wstępnej obróbki powierzchni - nanoszenia primera. W ten sposób równoległy rozwój głowic drukujących i atramentów poszerza granice możliwości zastosowania drukowania natryskowego.

8. Perspektywy

Wysokowydajne zwojowe systemy drukowania natryskowego typu Single Pass (o szerokości zadruku od 420 mm do 3 m) to najbardziej obiecujący pod względem rozwoju segment rynku natryskowego: wielu producentów oferuje takie maszyny dostosowane do prędkości, podłoży i poziomów jakości dla szerokiego zakresie produktów poligraficznych: dla druku publikacyjnego, opakowań, druków z zabezpieczeniami  i in. Przewiduje się systematyczny wzrost wydajności takich systemów do 500 m/min w perspektywie do 2030 roku, nawet w najszerszych maszynach zwojowych. 
W ciągu najbliższych 10 lat (w perspektywie do 2035 roku), wąskowstęgowy druk natryskowy będzie najszybciej rozwijającym się sektorem. W przypadku wąskowstęgowy druku atramentowego zlecenia będą wykraczać poza niskonakładową produkcję etykiet i obejmą opakowania elastyczne, blistrowe i typu doypack, małoformatowe opakowania typu flow-wrap, a także produkcję kopert z nadrukiem i druk zabezpieczający. Przewiduje się również zwiększenie formatu typowej maszyny wąskowstęgowej do szerokości zadruku 440 mm i 510 mm, pracującej z rozdzielczością ponad 1200 dpi przy prędkości 150 m/min, z szeroko zaawansowanymi funkcjami wykańczania inline lub nearline [John Nelson. Smithers Analyzes Future Equipment Trends in $167.5 Billion Digital Print Market. Smithers, 02, 2025. https://whattheythink.com/articles/126326-smithers-analyzes-future-equipment-trends-1675-billion-digital-print-market/].
Podkreśla się [John Nelson. Smithers Analyzes Future Equipment Trends in $167.5 Billion Digital Print Market. Smithers, 02, 2025. https://whattheythink.com/articles/126326-smithers-analyzes-future-equipment-trends-1675-billion-digital-print-market/] konieczność dalszego udoskonalenia maszyn natryskowych również ze względu na wyzwania pojawiającymi się ze strony chińskich i azjatyckich producentów maszyn drukujących, których spektrum skupienia przenosi się z tańszych maszyn natryskowych na bardziej zaawansowane systemy druku natryskowego [John Nelson. Smithers Analyzes Future Equipment Trends in $167.5 Billion Digital Print Market. Smithers, 02, 2025. https://whattheythink.com/articles/126326-smithers-analyzes-future-equipment-trends-1675-billion-digital-print-market/].