Druk termiczny to technologia, w której do wykonania nadruku wykorzystuje się działanie ciepła na materiał, który reaguje na podgrzanie. W odróżnieniu od tradycyjnych drukarek atramentowych i laserowych drukarki termiczne nie wymagają drogich, zwłaszcza przy częstej wymianie, tuszy ani tonerów. Tańsze materiały eksploatacyjne przekładają się na niższe koszty ich użytkowania. Oprócz tego drukarki termiczne drukują szybko, pracują cicho, zapewniają dobrą jakość nadruków i mają prostą konstrukcję, co ułatwia konserwację.
Wyróżnia się dwie techniki druku termicznego: bezpośrednią oraz termotransferową. Różnią się one przede wszystkim rodzajem materiału reagującego na podgrzanie. Ten z kolei wpływa na trwałość wydruku i cechy użytkowe drukarki.
Technika bezpośrednia
W metodzie bezpośredniej używa się specjalnego papieru termicznego, który pod wpływem ciepła zmienia kolor. Dzięki tej właściwości miejsca, które zostają selektywnie podgrzane przez głowicę, drukarki zabarwiają się, tworząc wydruk.
Papier termiczny ma strukturę warstwową. Warstwa nośna nadaje mu grubość. Stanowi też podłoże dla kolejnych powłok, dzięki którym papier termiczny uzyskuje pożądane właściwości. Zazwyczaj warstwa nośna jest wykonana ze zwykłego papieru. Alternatywą są tworzywa sztuczne, zwłaszcza gdy wymagana jest podwyższona odporność na wilgoć, która może powodować rozwarstwianie się papieru, środki chemiczne i uszkodzenia mechaniczne (rozdarcia). Przykładami takich materiałów są: polipropylen, polietylen i poliester. Folie z tych tworzyw sztucznych są używane jako nośnik na przykład w etykietach logistycznych narażonych na trudne warunki podczas transportu i na produktach magazynowanych w chłodniach.
Kolejną warstwą jest podkład. Wygładza on powierzchnię warstwy nośnej, wypełniając pory, rysy i inne mikrouszkodzenia na papierze albo tworzywie sztucznym. Jest to konieczne, aby można było równomiernie nałożyć właściwą powłokę termiczną. Poza tym podkład poprawia jej przyczepność do warstwy nośnej. Przekłada się to na gładkość papieru termicznego, a ostatecznie na czytelność i trwałość nadruków.
Czym są barwniki leuko?
Powłoka termiczna jest z kolei mieszanką różnych środków chemicznych dobranych tak, by ciepło z głowicy drukarki aktywowało zawarte w niej substancje do zmiany koloru. Jednym ze składników są specjalne barwniki (leuko). Wyróżnia je to, że ich cząsteczki mogą przyjmować dwie postacie, z których jedna jest bezbarwna, a druga kolorowa. Przejście między nimi jest odwracalne. Aktywują je czynniki zewnętrzne – w przypadku barwników w papierze termicznym temperatura. Przemiana ta zachodzi w obecności wyzwalacza, który jest kolejnym składnikiem powłoki termicznej.
Tradycyjnie takim aktywatorem był bisfenol-A (BPA) albo bisfenol-S (BPS). Substancje te niestety negatywnie wpływają na układ hormonalny, w związku z czym ich dopuszczalne stężenie zostało ograniczone przepisami. Oprócz tego do mieszanki dodaje się środki stabilizujące przebieg reakcji zmiany koloru barwnika i wiążące wszystkie składniki. Dodatkowo papier termiczny powleka się od spodu i na wierzchu warstwami ochronnymi, które zwiększają jego odporność na uszkodzenia, zapobiegają rozmazywaniu się nadruku i spowalniają jego blaknięcie.
To ostatnie jest największą wadą bezpośredniego druku termicznego. Blaknięcie nadruków, które zostały wykonane tą metodą, wynika z ograniczonej trwałości barwników leuko, która jest jeszcze krótsza w przypadku wystawienia na działanie światła słonecznego. Poza tym metoda ta najlepiej sprawdza się w druku monochromatycznym, przeważnie czarno-białym. Drukowanie w kolorze wymaga użycia specjalnego papieru z wieloma warstwami barwiącymi, z których każda reaguje na inną temperaturę. Ich liczba jest jednak zwykle ograniczona do 2–3, a kolory wydruków są mało nasycone.
Druk termotransferowy
Drukarki termotransferowe wykorzystują specjalną taśmę barwiącą, z której pod wpływem ciepła na podłoże (papier, karton, folia z tworzywa sztucznego, tekstylia) uwalniany jest barwnik, który tworzy wzór nadruku. Zaletą tej metody jest możliwość druku na różnych materiałach. Nadruki są trwałe, dzięki ich większej w porównaniu z drukiem termicznym odporności na światło słoneczne, temperaturę, ścieranie, wilgoć. Z drugiej strony konieczność użycia taśmy barwiącej droższej niż papier termiczny zwiększa koszty eksploatacji. Musi być ona również dobrana odpowiednio do oczekiwanej jakości i trwałości nadruków.
Taśma barwiąca tak jak papier termiczny ma strukturę warstwową. Najbardziej zewnętrzną warstwą od strony kontaktu z głowicą drukującą jest tylna powłoka ochronna. Wykonuje się ją z tworzywa o właściwościach antyadhezyjnych (zapobiegających przywieraniu) i smarnych. Funkcją tej powłoki jest zmniejszenie tarcia między taśmą a głowicą, by chronić taśmę przed ścieraniem. Uniemożliwia także przyleganie cząstek zanieczyszczeń do głowicy, co chroni ją przed zarysowaniem. To wydłuża jej żywotność.
Taśma woskowa czy żywiczna?
Kolejna jest warstwa nośna. Jest to zwykle folia poliestrowa, która stanowi podłoże dla pozostałych warstw. Dzięki niej taśma ma odpowiednią sztywność i jednocześnie jest wystarczająco elastyczna, by płynnie przesuwać się przez mechanizm drukarki, bez rozrywania i z zachowaniem wymiarów (bez marszczenia, rozciągania). Następna w kolejności jest warstwa uwalniająca. Oddziela ona folię nośną od warstwy barwiącej. Umieszcza się ją między nimi, by ułatwić ich rozdzielenie w miejscu kontaktu z głowicą drukującą w celu przeniesienia barwnika na zadrukowywane podłoże. Chroni też folię nośną przed przegrzaniem. Najważniejszą warstwą jest ta barwiąca, która pod wpływem miejscowo przyłożonego ciepła mięknie i przylega do podłoża, gdzie zastyga, utrwalając nadruk. Powłoka ta stanowi mieszaninę pigmentów, czarnych lub kolorowych oraz spoiw. Rodzaj warstwy barwiącej wpływa na trwałość nadruku oraz możliwość zadrukowania określonych typów podłoży. Ze względu na jej rodzaj taśmy do druku termotransferowego dzieli się na: woskowe, woskowo-żywiczne oraz żywiczne.
Pierwsze najlepiej nadają się do wykonywania nadruków na materiałach papierowych. Wynika to z mniejszej odporności tuszu na bazie wosku na rozmazywanie. Taśmy woskowe są tanie, ale uzyskany nadruk charakteryzuje się mniejszą odpornością na ścieranie. Taśmy woskowo-żywiczne są z kolei uniwersalne pod względem podłoża – nadają się do wykonywania nadruków na papierze i na tworzywach sztucznych. Nadruki nie rozmazują się i są trwałe. Taśmy żywiczne są najdroższe, ale z drugiej strony pozwalają uzyskać nadruki najtrwalsze, najodporniejsze na rozmazywanie, wpływ temperatury, środki chemiczne i zarysowania. Najlepiej sprawdzają się w zadrukowywaniu podłoży z tworzyw sztucznych. Wymagają jednak najwyższej temperatury drukowania, w porównaniu do taśm woskowo-żywicznych (średnie temperatury) i woskowych (najniższe, w szerokim zakresie).
Głowice termiczne
Kluczowy element drukarek termicznych obu rodzajów to głowica wytwarzająca liczne, punktowo skoncentrowane impulsy cieplne, miejscowo podgrzewające papier termiczny albo taśmę barwiącą. Jest zbudowana z matrycy oporowych elementów grzejnych (kropek), selektywnie nagrzewanych zgodnie z docelowym wzorem, który ma zostać przeniesiony na nośnik reagujący na ciepło. Liczba punktów grzejnych na milimetr decyduje o rozdzielczości wydruku. Przykładowe rozdzielczości to 203 dpi (8 punktów na mm) oraz 300 dpi (12 punktów na mm). Z głowicą zintegrowany jest układ sterujący elementami grzejnymi.
Elementy oporowe umieszczone są na szkliwie. Od góry pokryte są powłoką ochronną. Materiały obu tych warstw mają wpływ na jakość nadruku, zużycie energii i żywotność głowicy.
Szkliwo między podłożem ceramicznym a elementami grzejnymi (rys. 2) magazynuje ciepło, które jest generowane przy przepływie prądu elektrycznego przez oporniki. Jego zadaniem jest regulacja transferu energii termicznej, odprowadzanej z rezystorów do podłoża o wysokim współczynniku rozpraszania ciepła. Szkliwo poprawia efektywność jego przekazywania do papieru termicznego lub taśmy barwiącej. Zwiększa to oszczędność energii oraz poprawia jakość wydruku. Im większa jest pojemność termiczna szkliwa, tym wydajniej ciepło jest przekazywane do nośnika barwnika. Z drugiej strony, jeżeli jest za duża, może skutkować mało wyraźnym nadrukiem na początku lub na końcu cyklu drukowania.
Szkliwienie i powłoki
Szkliwienie może być częściowe lub pełne. W pierwszym przypadku szkliwem pokrywa się jedynie podłoże pod elementami grzejnymi. Jego warstwa jest cienka, co zmniejsza ilość akumulowanego ciepła i zapewnia szybszą reakcję termiczną. Dzięki temu głowice z częściowym szkliwieniem sprawdzają się w drukowaniu z dużą prędkością, 150 mm/s i większą. Z drugiej strony, zużywają więcej energii, by zwiększyć efektywność przepływu ciepła z elementów grzejnych do papieru albo taśmy. Są one częścią głównie drukarek stacjonarnych. W drugim przypadku szkliwo pokrywa całe podłoże. Jego warstwa jest gruba, co zwiększa pojemność cieplną, ale spowalnia reakcję termiczną. Dlatego głowice z pełnym szkliwieniem sprawdzają się w drukowaniu z małą prędkością, około 50 mm/s. Zużywają jednak mniej energii, dzięki efektywniejszemu przenoszeniu ciepła z rezystora do nośnika barwnika. Wyposaża się w nie głównie drukarki mobilne.
Powłoki ochronne z kolei zabezpieczają wewnętrzne obwody głowic, zwiększając ich odporność na zużycie, warunki środowiskowe i zmiany temperaturę. Ponadto wygładzając powierzchnię styku z papierem termicznym, wpływają na jakość nadruku. Im twardsza powłoka ochronna, tym mniejsze jest ścieranie głowicy podczas drukowania. Im większa jest jej przewodność termiczna, tym ciepło elementów grzejnych jest efektywniej przenoszone do papieru lub taśmy. Ważne są też właściwości antyadhezyjne, zapobiegające przywieraniu głowicy i antystatyczne, ograniczające gromadzenie się ładunków elektrostatycznych.
Elementy grzejne
Elementy grzejne głowic termicznych wykonuje się w technologii grubo- albo cienkowarstwowej. Pierwsze mają grubość rzędu kilku mikrometrów i są wytwarzane metodą sitodruku. Drugie są cieńsze (poniżej mikrometra) i powstają przez napylanie. W obu przypadkach najpierw na podłoże ceramiczne nanoszona jest warstwa szkliwa, które jest suszone i wypalane. Następnie w pierwszym podejściu przewody i oporniki nanosi się na podłoże metodą sitodruku, zaś w drugim – napyla się je i formuje w procesie fotolitografii. Potem nanosi się powłokę ochronną i docina elementy grzewcze, by uzyskać wymaganą rezystancję.
Zalety grubowarstwowych elementów oporowych to: elastyczność w doborze wartości rezystancji, niewielkie wahania średniej rezystancji i odporność na obciążenia mechaniczne. Cienkowarstwowe wyróżnia z kolei: jednorodne rozmieszczenie elementów grzejnych, niewielkie wahania rezystancji sąsiednich oporników, ich mała pojemność cieplna i gładkość powierzchni.
Jak pisaliśmy, z głowicą drukującą zintegrowany jest kontroler elementów grzejnych. Steruje on zasilaniem oporników, kontrolując moc, jaka się w nich wydziela. W zależności od nanoszonego wzoru załączane są tylko wybrane punkty grzewcze w danej linii. Po odłączeniu zasilania grzałki schładzają się i rozpoczyna się drukowanie kolejnej linii. W głowicę wbudowuje się też termistor, który monitoruje wzrost temperatury wynikający z działania elementów rezystancyjnych podczas normalnego użytkowania. Czujnik ten wykrywa przekroczenie jej wartości dopuszczalnej, co może prowadzić do awarii i uszkodzenia drukarki. W takim przypadku aktywuje się sterownik, który zmniejsza moc grzania.
Prawidłowa eksploatacja
Ponieważ głowica to najdroższy i równocześnie najwrażliwszy podzespół drukarki, jej prawidłowe użytkowanie i konserwacja są kluczowe. Regularne czyszczenie wydłuża jej żywotność i zapewnia stałą jakość druku. Należy używać wyłącznie dobrej jakości materiałów eksploatacyjnych, papieru termicznego i taśm barwiących, kompatybilnych z danym modelem drukarki, aby zminimalizować ścieranie głowicy i gromadzenie się na niej ich pozostałości. Przed uruchomieniem drukarki trzeba sprawdzić, czy głowica została prawidłowo zainstalowana i wyrównana, aby uniknąć jej uszkodzeń mechanicznych i nierównomiernego zużycia. Dobierając ustawienia drukarki, takie jak prędkość i temperatura drukowania, trzeba też wziąć pod uwagę obciążenie cieplne głowicy drukującej.
By uzyskać nadruk dobrej jakości, nie wystarczą jednak tylko głowica i papier termiczny albo taśma barwiąca i podłoże – drukarki wymagają jeszcze kilku komponentów, które współpracują ze sobą. Konieczna jest na przykład precyzyjna kontrola ruchu nośnika barwnika, by elementy rezystancyjne głowicy drukującej trafiały w jego odpowiednie miejsca. System taki składa się typowo z silnika krokowego i wałka dociskowego, które współpracują ze sobą, by przesuwać nośnik z kontrolowaną prędkością.
Silniki i czujniki
Silniki skokowe generują ruch przyrostowy – ich wirniki obracają się w dyskretnych krokach, przesuwając nośnik reagujący na ciepło do przodu. To gwarantuje precyzyjne pozycjonowanie każdej następnej linii nadruku. Wałek dociskowy, zwykle w postaci pokrytego gumą cylindra, dociska nośnik do głowicy drukującej, zapewniając równomierny kontakt i zapobiegając jego ślizganiu się.
Choć prawidłowo zaprojektowany system kontroli ruchu zapewnia płynne drukowanie i nie dopuszcza do błędów, które pogarszałyby czytelność nadruku, w pewnych sytuacjach zwykle nie uniknie się problemów. Są to: zacięcie nośnika, który został nieprawidłowo założony lub zanieczyszczenia spowodowały jego zablokowanie oraz niewspółosiowość wydruku, która jest skutkiem nadmiernego zużycia wałka dociskowego.
Ponadto drukarki termiczne są wyposażone w różne czujniki monitorujące ich działanie. Oprócz wspomnianych termistorów wbudowanych w głowicę są to sensory, zwykle optyczne, wykrywające obecność nośnika i położenie głowicy drukującej. Dzięki pierwszym można zapobiec przegrzaniu głowicy na skutek drukowania na pustej rolce. Te drugie wykrywają, kiedy głowica nie ma styku z nośnikiem, nie dopuszczając do zacięcia się papieru i nierównomiernego drukowania. Drukarki termiczne wyposaża się też w sensory, które sygnalizują, gdy rolka nośnika się kończy, zapobiegając niekompletnym wydrukom.
Monika Jaworowska
