In phun là công nghệ in ma trận điểm không tiếp xúc mà trong đó, mực được bắn ra cách chíng xác vào những điểm riêng biệt trên bề mặt vật liệu cần in. Cơ chế hoạt động dựa theo sựphân đoạn dòng chảy của chất lỏng thành từng giọt được giới thiệu bởi Lord Raileigh vào năm1878. Vào năm 1951 Emlqvist, kỹ sư của tập đoàn Siemen được cấp bằng sáng chế bộ phận phângiọt tia mực dựa trên nguyên lý của Rayleigh. Phát minh này mở đầu cho việc máy Mongograph,1 trong những máy ghi biểu đồ bằng phương pháp in phun sử dụng tín hiệu analog.
Vào đầu những năm 1960, tiến sĩ Sweet thuộc trường đại học Stanford chứng minh về khảnăng ứng dụng sự thay đổi áp suất ở lỗ phun làm cho tia mực bị phân thành từng giọt như kíchthước như khi còn trong tia mực.
Khi giọt mực được tích điện bay qua vùng điện trường, chúng sẽ bị thay đổi hướng bay vàbay tới máng chặn đẻ trở về máng chứa mực.Những giọt mực không được tích điện sẽ bay thẳngtới bề mặt vật liệu cần in.Nguyên lý này được gọi là Continuos Ịnkjet (CIJ). Cuối những năm1960, phát minh của Sweet mở đầu cho sự ra đời của máy in AB Videojet, Mead DijIT. Năm 1970,IBM đăng kí bản quyền công nghệ và xúc tiến việc viết chương trình điều khiển phù hợp với nguyên lý CIJ cho những máy in được điều khiển bằng máy tính. Năm1976, máy IBM 4640 đượcgiới thiệu trên thị trường, và được xem như là dẫn chứng điển hình về khả năng sao chép các ứngdụng của phần cứng ra bên ngoài.
Cùng thời điểm hiện tại, giáo sư Hertz ở viện nghiên cứu công nghệ Lund ở Thụy Điển cùng cộng sự của mình đã phát triển vài công nghệ dựa theo nguyên lý CIJ.Một trong những kết quả đạt được của Hertz là khả năng kiểm soát số lượng giọt mực trong mỗi pixel của quá trình in đen trắng. Trước đó mật độ của mỗi tông màu cũng đã được tính toán để tạo ra tông màu xám.
Công nghệ này được cấp phép sử dụng cho công ty IrisGraphics và Stork để sản xuất dòng máy in máy cung cấp cho thị trường thiết bị chế bản điện tử.
Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ của máy in hoạt động theo phương pháp CIJ, sự pháttriển của các loại máy in khác hoạt động theo phương pháp Drop-on-Demand (DOD) cũng được biết đến khá nhiều. Phương pháp này gần như loại bỏ bộ phận tích điện cho giọt mực và bộ phậnthay đổi hướng bay của giọt mực cũng như khả năng hồi tiếp mực dùng trong nguyên lý CIJ. Zoltan, Kyer &Sear là những nhà tiên phong phát minh ra nguyên lý DOD. Phát minh này được dùng trong dòng máy in ký tự PT80(1977) của hãng Silonics. Máy in này dùng tác dụng đẩy của dòng điện để đẩy mực, giọt mực được bắn ra dưới do sự thay đổi áp suất theo chu kỳ được tạo ra bởi cơ chế chuyển động của chất điện môi có cấu trúc xốp. Nhiều máy in có hệ thống phun dựa trên nguyên lý này được chế tạo vào những năm 197 0 và 1980. Tính đơn giản của hệ thống phun sử dụng nguyên lý DOD đã làm tăng sự tin cậy đối với công nghệ này. Tuy nhiên trong khoảng thời gian đó sự tin cậy cũng dần bị giảm sút do các vấn đề như : nghẹt mực, sự không ổn định về chất lượng của hình ảnh.
Năm 1979, hai kỹ sư Endo và Hara của công ty Canon đã phát minh ra nguyên lý phun sử dụng bong bóng khí đẩy mực ra ngoài vòi phun dựa trên phương pháp DOD. Canon gọi đó là công nghệ Bubble-Jet và công nghệ này được áp dụng cho hầu hết các máy in phun của hãng Canon.
Cùng thời gian trên, Hewlett-Packard (HP) cũng độc lập tìm ra nguyên lý trên. Do bongbóng khí được được hình thành do sự bay hơi của nước khi nhiệt độ bên trong vòi phun tăng lên nên HP gọi đó là công nghệ Thermal-Inkjet. Dòng máy in Thermal-Inkjet của HP là dòng máy có giá thành rẻ và thành công nhất vào thời đó. Giá thành bộ đầu phun kết hợp chung với hộp mực của máy in HP rẻ đến mức có thể thay thế bất cứ khi nào hết mực. HP đã tính toán thể tích lượng mực sử dụng sao cho sao cho phù hợp với tuổi thọ của đầu phun để sau khi hết mực thì tuổi thọ của đầu phun cũng đến hồi kết thúc.
Ngày nay sự góp mặt của máy in phun trong đời sống đã giúp ích cho chúng ta rất nhiều trong công việc văn phòng, các phòng thiết kế in ấn, in quảng cáo và nhu cầu sử dụng trong gia đình, giúp rút ngắn thời gian cũng như giảm bớt chi phí in ấn với số lượng nhỏ.Máy in phun ngày nay không chỉ in được trên giấy mà còn có thể in được trên các chất liệu khác nữa như: vải, nhựa, đĩa CD/DVD.. Các dòng máy in phun ở thị trường Việt Nam hiện nay rất đa dạng tích hợp nhiều tính năng cho phép người sử dụng dễ dàng liên kết các thiết bị kỹ thuật số lại với nhau như :
– Công nghệ Pic-bridge cho phép người sử dụng in ảnh trực tiếp từ máy ảnh kỹ thuật số, điện thoại di động…
– Công nghệ FINE ( Full-Photolithographic inkjet Nozzle Engineering) cho phép in ảnh tràn lề (dòng máy Canon Pixma, Epson Stylus, Epson Deskjet..),
– Tích hợp chức năng điện thoại,fax, photo, scan, in đảo mặt..( dòng máy in phun của Lexmark…
Ngoài ra các máy in phun khổ lớn cũng được chế tạo nhằm phục vụ cho việc quảng cáo: các tấm pano quảng cáo ngoài trời…
Máy in phun được xếp vào loại máy in ma trận điểm không tiếp xúc, chúng hoạt động dựa trên khả năng phun ra một lượng mực có kiểm soát lên trên bề mặt vật liệu cần in. Máy in phun được sử dụng rộng rãi do giá thành rẻ, tốc độ in nhanh , phù hợp với nhu cầu sử dụng trong gia đình cũng như công việc văn phòng.
Công nghệ in phun được chia thành hai nguyên lý cơ bản :(Hình 1)
– Nguyên lý phun mực liên tục (Continuos Ink jet) : Trong kỹ thuật này, giọt mực được tạo ra từ tia mực được phun liên tục trong suốt quá trình in. Chỉ những vùng cần in trên bề mặt vật liệu mới có mực bay đến và bám vào, còn ở những chỗ không in, mực không bay đến được do bị chặn lại.
– Nguyên lý phun chỉ tạo giọt tại những điểm cần in (Drop-on-Demand Ink jet): mực được tạo ra tại các vòi phun độc lập, chỉ có những vùng cần in mực mới được phun ra, còn ở những vùng không in, mực hoàn toàn không được phun ra.
Hình 1.
Dựa vào hai kỹ thuật in phun trên, người ta đã thiết kế ra các loại máy in phun có các nguyên lý phun mực khác nhau:
– Nguyên lý Binary- Deflection
– Nguyên lý Multi-Deflection
– Nguyên lý phun bằng nhiệt
– Nguyên lý phun bằng hiệu ứng áp điện ngược
– Nguyên lý phun tĩnh điện
– Nguyên lý CIJ
– Nguyên lý DOD
A. Nguyên lý phun liên tục
1. Nguyên lý Binary-Deflection
Mực được phun ra có hai trạng thái: tích điện và không tích điện. Mực được phun thành tia nhờ một máy bơm nhỏ.Cùng lúc đó chất điện môi có cấu trúc tinh thể dao động dưới tần số 1 MHz và truyền dao động đó cho khối mực lỏng trong lòng vòi phun dưới dạng sóng dọc. Khi ra khỏi vòi phun, nó không bị giới hạn bởi thành vòi phun nên nó sẽ làm biến dạng tia mực tạo nên những nut thắt giữa mặt cắt ngang của tia mực. Lúc này giọt mực được hình thành, giọt mực tiếp tục bay qua giữa hai điện cực. Tại đây, mực sẽ được tích điện hoặc không tích điện và tiếp tục bay ngang qua hai bảng kim loại được nối với điện thế cao.
– Những giọt mực được tích điện sẽ bị lệch hướng bay dưới tác dụng của điện trường để đi tới máng chặn mực và theo lòng máng trở về bình chứa mực.
– Những giọt mực không được tích điện sẽ không bị tác dụng của điện trường nên bay thẳng tới bề mặt giấy.
2. Nguyên lý Multi-Deflection
Mực phun ra cũng có hai trạng thái: tích điện hoặc không tích điện. Quá trình hình thành giọt mực cũng giống như ở nguyên lý Binary-Deflection. Tuy nhiên, khi mực bay ngang qua hai điện cực, những giọt mực được tích điện sẽ mang những mức năng lượng khác nhau. Khi chúng tiếp tục bay qua điện trường, hướng bay của chúng sẽ bị thay đổi dưới những góc lệch khác nhau. Những giọt mực không được tích điện sẽ bay theo đường thẳng tới máng chặn mực và chảy trở lại bình chứa. Khoảng cách của các giọt mực trên bề mặt giấy phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của giấy so với đầu phun. Chiều cao của dòng chữ được in ra phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu phun và bề mặt giấy.
B. Nguyên lý phun chỉ tạo giọt tại những điểm cần in
1. Nguyên lý phun bằng nhiệt (thermal inkjet)
Mực được bắn ra ngoài vòi phun do sự căng phồng của bong bóng hơi nước. Điện trở trong vòi phun khi nhận được tin hiệu hình ảnh cần in bẵt đầu nóng lên tới nhiệt độ 3000C, và làm cho lượng nước trong mực bay hơi tạo thành bong bóng khí trong lòng vòi phun. Bong bóng khí này lớn dầnlên rất nhanh, chiếm gần hết chỗ trong lòng vòi phun,và đẩy khối mực lỏng gần đầu vòi phun bay ra ngoài ( mực chưa hình thành giọt). Ngay lúc đó, nhiệt độ hạ xuống đột ngột, bong bóng khí xẹp xuống, để lại khoảng trống làm cho áp suất trong vòi phun nhỏ hơn môi trường bên ngoài. Dosự chênh lệch áp suất, không khí tràn vào bên trong làm tách rời liên kết của khối mực dẫn đến tách rời khối mực tạo thành một giọt mực hoàn chỉnh. Mực bay ra khỏi vòi phun hoàn toàn và bay đến bề mặt vật liệu in. đồng thời lượng mực mới được hút vào.
Điện trở sử dụng trong nguyên lý phun bằng nhiệt được đặt ở hai vị trí:
– Vuông góc với hướng phun mực (Hình 5)
– Thẳng góc với hướng phun mực (Hình 6)
Hiện nay, một số hãng sản xuất máy in lớn như HP,Canon, Lexmark đã đưa ra những cải tiến về công nghệ giúp cho các dòng máy in phun theo nguyên lý này có khả năng đáp ứng nhu cầu in ảnh trực tiếp từ máy ảnh kỹ thuật số với chất lượng cao nhất.HP & Canon đang dẫn đầu thị trường về máy in sử dụng nguyên lý phun bằng nhiệt.
2.Nguyên lý phun bằng hiệu ứng áp điện ngược
Khái niệm về chất điện môi : hay còn gọi là vật liệu áp điện ( piezoelectric material) là những chất có khả năng phân cực mạnh khi được đặt trong điện trường, hoặc khi cho dòng điện chạy qua.
– Chất điện môi tiêu biểu : polime, ceramics, nước …
– Chất điện môi thông dụng thường sử dụng trong các ngành kỹ thuật :
+ Chất điện môi có cấu trúc tinh thể (Piezoelectric crystal)
+ Chất điện môi có cấu trúc xốp (Piezoelectric ceramics)
Chất điện môi trong tự nhiên được biết đến nhiều nhất là : thạch anh (SiO2), Barium Titanate (BaTiO3).
Đặt tính của chất điện môi
– Tạo ra dòng điện khi bị nén ( hiệu ứng áp điện )
– Bị biến dạng khi cho dòng điện chạy qua hoặc là đặt trong điện trường (hiện ứng áp điện ngược)
Ứng dụng
Chất điện môi có cấu trúc xốp được sử dụng trong các nhạc cụ điện nhằm chuyển đổi sóng âm thành điện trường và ngược lại( trống điện, guitar điện …). Ngoài ra có cấu trúc xốp được sử dụng trong bộ phận đánh lửa (manegto) của bếp gas, hộp quẹt gas …
* 1 cm3 chất điện môi có cấu trúc xốp khi bị nén dưới áp lực 2 KN sẽ sinh ra dòng điện 12500 V
Chất điện môi có cấu trúc tinh thể tiêu biểu là thạch anh được sử dụng trong các đồng hồ để bàn hoặc đeo tay. Dưới tác dụng của điện trường tinh thể thạch anh dao động tạo ra cộng hưởng làm cân bằng chuyển động của con lắc giúp đồng hồ chạy đúng giờ. Các nhà sản xuất dụng cụ thể thao đã cho ghép vào ván trượt tuyết nhằm ngăn chặn sự rung động của ván trượt giữ cho các cạnh của ván trượt tiếp xúc tốt với bề mặt tuyết.
Chất điện môi có cấu trúc tinh thể có kích thướt nano được dùng làm bộ phận thay đổi góc xoay của các lưỡng lăng kính phản chiếu tia sáng quét trong máy scan.
* Nguyên lý phun bằng hiệu ứng áp điện ngược (Piezoeletric inkjet)
– Khi tín hiệu hình ảnh được truyền tới chất điện môi có cấu trúc xốp, nó sẽ dao động và tạo ra lực đẩy đủ để đẩy mực bay ra khỏi vòi phun. Giữa chất điện môi và mực in, có một lớp màng trung gian ngăn cách giữa chúng. Lớp màng này thực hiện việc truyền dao động từ chất điện môi tới mực và ngăn không cho mực thấm vào bề mặt của chất điện môi.
Chất điện môi có thể thay đổi kích thước theo 3 dạng:
+ Thay đổi độ dày và chiều dài
+ Thay đổi đường kính và độ dày
+ Thay đổi theo góc giữa hai mặt khối(biến dạng trượt)
(hình 7)
Hình a:Chất điện môi thay đổi độ dày của nó.Khi độ dày tăng lên, nó sẽ làm cho thể tích bên trong khoang chứa mực giảm, đồng thời áp suất trong khoang tăng lên đẩy khối mực chuyển động ra khỏi vòi phun tạo.Trong khi mực đang chuyển động ra khỏi vòi phun, độ dày của chất điện môi giảm xuống, thể tích khoang chứa mực tăng lên như lúc đầu, lúc này áp suất trong khoang chứa mực giảm. Do sự chênh lệch áp suất với môi trường bên ngoài, không khí bên ngoài tràn vào miệng vòi phun với vận tốc cao, tác động lực ép lên phần cuối của khối mực làm cho khối mực bị cắt đứt hoàn toàn và hình thành nên giọt mực.
Hình b: Chất điện môi thay đổi chiều dài của nó.Khi tín hiệu hình ảnh truyền tới chất điện môi, chiều dài của nó tăng lên, ép vào lớp màng chắn với tốc độ cao làm phát sinh một lực tác động khối mực làm cho mực bay ra ngoài, cơ chế hình thành giọt cũng nhờ sự chênh lệch áp suất như trên.
Hình c: Khi tín hiệu hình ảnh truyền tới chất điện môi, nó sẽ biến dạng trượt. nhưng do hai đầu của nó bị giữ cố định nên. chất điện môi sẽ lõm xuống làm cho áp suất bên trong lên, mực bị đẩy ra ngoài. Khi chất điện môi trở lại trạng thái ban đầu, thể tích bên trong khoang chứa mực tăng lên, áp suất bên trong bị giảm đột ngột. Khi đó không khí bên ngoài tràn vào và cắt đứt khối mực thành giọt.(Hình 7c &Hình8)
3. Nguyên lý in phun tĩnh điện
Khi máy hoạt động, sẽ tạo ra 1 vùng điện trường giữa máng mực vàbề mặt giấy. Hay nói cách khác, giữamực và giấy được tích điện trái dấunhau, điện tích âm trên bề mặt giấy có năng lượng lớn hơn của mực nên hút mực ra khỏi những lỗ phun nhỏ trên hộp chứa mực thành từng tia nhỏ.Đường kính của chúng có kích thước chỉ bằng 1:20 so với đường kính của lỗ phun mực.Khi tia mực chạm đến bề mặt giấy hoàn toàn thì giọt mực mới được hình thành.Sự tương tác của điện trường lên tia mực được ứng dụng từ hiệu ứng Taylor.Ngoài ra người ta còn áp dụng hiệu ứng nhiệt làm tăng vận tốc chuyển động của các phân tử chất lỏng dẫn đến nội năng liên kết của mực giảm làm cho mực dễ bứt ra khỏi lỗ phun mực làm cho quá trình hình thành giọt mực nhanh hơn.
Hình 9: Sơ đồ nguyên lý phun tĩnh điện
Hình 10: Sơ đồ nguyên lý phun tĩnh điện có sử dụng điện trở nhiệt làm tăng quá trình hình thành giọt mực
TÀI LIỆU THAM KHẢO
HANDBOOK OF PRINT MEDIA
Piezoelectricity – Wikipedia, the frê encyclopedia
Materials by Design Piezoelecric Materials
www.imaging.com
www.canon.com