Электрография (от электро... и ...графия), совокупность электрических и магнитных способов воспроизведения красочных изображений на различных материалах. К Э. обычно относят электрофотографию, электрографическое копирование, магнитографию (ферромагнитографию) и др. Электрографические способы получения изображений, используемые в полиграфическом производстве, отличаются относительной простотой изготовления печатных форм, но пока ещё уступают классическим полиграфическим способам по скорости и производительности печатного процесса и качеству воспроизведённого оригинала и поэтому применяются ограниченно: для получения небольшого количества копий оригинала, для изготовления малоформатных офсетных печатных форм при оперативном размножении документации небольшими тиражами.
Электрографию придумал Честер Карлсон. Первый оттиск он и его помощник Отто Корнеи получили в своей домашней лаборатории в Нью-Йорке 22 октября 1938 года. Патент на эту технологию был получен 6 октября 1942 года[1]. Долгое время Карлсон безуспешно пытался внедрить свое изобретение, доказывая, что оно абсолютно необходимо для бизнеса, но везде ему отказывали, ссылаясь на то, что его изобретение слишком громоздко и сильно пачкает листы, к тому же, человек может значительно лучше справиться с задачей копирования. Удача улыбнулась ему в 1944 году в Battelle Institute, расположенном в штате Огайо. Там ему предложили усовершенствовать технологию и даже нашли точное слово для названия данного процесса — «электрофотография». После чего лицензию на дальнейшую разработку и производство копировальных аппаратов приобрела фирма Haloid Company. Именно тогда было решено, что слово «электрофотография» слишком научное и может отпугнуть потенциального покупателя. Помощь в поиске более удачного названия оказал местный профессор-филолог. Он придумал термин «ксерография» от греческих слов «xeros» — «сухой» и «graphos» — «писание», а потом уже сам изобретатель Карлсон додумался сократить слово до простого «ксерокс». В итоге в 1948 году первые ксероксы появились на рынке, а первая модель называлась просто — Model A. После выпуска в 1959 году первой полностью автоматической модели Xerox 914 компания Haloid сменила название на Xerox Corporation. Умер Честер Карлсон в 1968 году.
Независимо от Честера Карлсона, в 1948 году, в Германии, изобретатель доктор Эйсбен основал фирму по выпуску копировального аппарата собственной конструкции. Называется его фирма Develop Corp. Она и сегодня продолжает выпускать копировальную технику, так и не признав первенства Карлсона, поскольку получила 16 патентов на изобретение доктора Эйсбена.
Упрощённый принцип ксерографии
Перед печатью фотобарабан (OPC) заряжается при помощи коротрона (коронатора) (то есть приобретает положительный или отрицательный потенциал), после этого производится его экспонирование при помощи лампы и системы зеркал. Покрытие фотобарабана в местах, облучённых светом, теряет свои диэлектрические свойства, что приводит к стеканию в этих местах электрического заряда на массу (фотобарабан соединен с ней, как правило, через свое металлическое основание). Следующая стадия называется проявление. Тонер с вала проявки переносится на разряженные участки фотобарабана за счет своего противоположного заряда. Затем по фотобарабану прокатывается лист бумаги (картона, прозрачной плёнки и др.), на котором следует произвести печать. После этого лист попадает в узел термозакрепления (фьюзер), который расплавляет и впрессовывает тонер в структуру листа.
Аналогичный принцип применяется в лазерных принтерах, только в них разрядка барабана производится лазером в соответствии с поступившей для печати информацией.
В современных цифровых лазерных копировальных аппаратах и принтерах темные части изображения наносятся лазерным лучом и тонер за счет свойств барабанов, используемых в лазерной печати, «прилипает» к незаряженным его участкам, а от заряженных отталкивается одноименным электрическим зарядом. Данный принцип позволяет увеличить срок эксплуатации лазера, так как в большинстве случаев темные участки при печати занимают намного меньшую площадь.
5.Электрографическое оборудование
Электрография благодаря оперативности, автоматизации и широким возможностям компьютеризации процесса получения изображений применяется во многих областях деятельности современного человека, охватывая сферы деловой активности и частной жизни людей. К первой относятся: создание и копирование деловой документации, рекламное хозяйство, полиграфия, техника, архитектура, строительство и военная область. Ко второй - оперативное получение копий документов, журналов, книг и других оригиналов, распечатка информации, полученной на персональных компьютерах, и др.
Многообразие практических приложений привело к созданию обширного парка электрографического оборудования, как узкоспециализированного, так и многофункционального, как дорогого, так и доступного для индивидуальных пользователей, черно-белого и цветного.
5.1.Общие сведения об оборудовании
С учетом назначения и функциональных возможностей электрографическое оборудование принято делить на следующие виды:
Копировальные аппараты предназначены для получения копий с оригиналов различного типа. Это автономные аппараты, не требующие для получения копий дополнительного оборудования. Различаются: черно-белые аналоговые, черно-белые цифровые и цветные копировальные аппараты. Все они являются автоматами. Они функционируют на основе сухого проявления, потому их еще называют ксероксами (ксерокопировальными аппаратами).
Лазерные принтеры - это печатающие устройства к компьютерам. Лазерные принтеры бывают черно-белыми и цветными. К электрофотографическим принтерам относятся также печатающие устройства, где лазер заменен на светодиодную линейку. Принтеры работают совместно с компьютерами или компьютерной сетью (сетевые принтеры).
Цифровые копировальные аппараты, снабженные принтерным интерфейсом или серверами печати (цветные аппараты) выполняют функции копировального аппарата, принтера и сканера.
Цифровые печатные машины - машины, в которые воспроизводимое изображение поступает в виде электронного файла. Лидирующее положение среди них занимают печатные машины, использующие электрофотографический способ записи изображения. Они состоят из печатающего устройства и развитой программно-аппаратной системы управления, позволяют осуществлять оперативную печать («печать по запросу») и персонализацию оттисков в тираже.
Инженерные машины - широкоформатные копировальные аппараты, предназначенные для копирования конструкторской или архитектурно-строительной документации. Это аналоговые ксероксы, электростатические аппараты или светодиодные плоттеры. Плоттеры представляют собой специализированные широкоформатные принтеры.
Факсимильные аппараты и рабочие центры на их основе позволяют принимать и передавать изображения через телефонную сеть и получать копии на обычной бумаге.
Аппараты для микрофильмирования позволяют получать микрокопии с уменьшением до 42 раз и микрофиши с 6 и 60 микрокадрами. Для увеличения микрокопий используют копировальные аппараты с фильм-проекторами.
Электростатические формные автоматы служат для изготовления офсетных печатных форм на электрофотографических материалах.
Рассмотрим принципы построения электрографических аппаратов на примере копировальных аппаратов.
5.2.Копировальные аппараты
5.2.1.Типы копировальных аппаратов
В копировальных аппаратах используется технологическая схема электрофотографического процесса, предложенная изобретателем электрофотографии Карлсоном, состоящая из операций: зарядка фоторецептора, экспонирование, сухое проявление изображения, его перенос на приемную подложку и очистка фоторецептора. Патенты на процесс, действующий по этой схеме, принадлежат фирме «Ксерокс», что заставило другие фирмы изобретать свои технологии, например процесс Canon. По окончании срока действия этих патентов большинство фирм вернулось к схеме Карлсона, как к наиболее удобной. Копировальные аппараты, работающие по указанной технологической схеме, различаются способом выполнения каждой из операций, конструкцией узлов и аппарата в целом и программным обеспечением.
Копировальные аппараты делятся на три основные группы:
аналоговые черно-белые аппараты;
цифровые черно-белые аппараты;
цветные копировальные аппараты.
В аналоговых аппаратах оптическое изображение на фоторецепторе образуется светом, отраженным от оригинала и поступающим на фоторецептор через проекционную оптическую систему.
Цифровые аппараты состоят из трех компонентов. Сканер считывает изображение и формирует электрические сигналы, поступающие в процессор. Процессор обрабатывает полученную информацию в соответствии с программами обработки и вырабатывает сигналы, управляющие записью изображения в печатающем устройстве. Запись проводится с помощью лазера или светодиодной линейки.
Цветные копировальные аппараты - сложные цифровые устройства, отличающиеся от черно-белых наличием цветного сканера, программного обеспечения, позволяющего проводить цветокорректирование, а также усложненным печатающим устройством, которое обеспечивает получение однокрасочных изображений тонерами четырех цветов (голубого, пурпурного, желтого и черного) и синтез полноцветного изображения наложением одноцветных изображений друг на друга.
От способа записи изображения (аналоговый или цифровой) зависят строение оптического устройства и требования к фоторецептору. Технологические процессы, лежащие в основе обработки изображения и очистки фоторецептора, могут быть одинаковыми для всех типов аппаратов и зависят от фирмы-изготовителя аппарата, его модели, быстродействия, цены и т.д.
Поэтому принцип действия копировального аппарата и его узлов рассмотрим на примере черно-белых аналоговых аппаратов. При рассмотрении других групп аппаратов будет обращено внимание лишь на особенности, присущие этим группам, то есть на специфику, вызванную цифровым способом записи, и на специфику получения полноцветных изображений.
5.2.2.Общие сведения о строении и работе черно-белых копировальных аппаратов аналогового типа
Несмотря на разнообразие аппаратов, в их строении можно выделить три основные части: оптический блок, электрофотографический блок и бумагопроводящую систему.
Оптический блок создает на поверхности фоторецептора оптическое изображение оригинала. Включает оригиналодержатель (стекло оригинала) с системой подачи оригиналов, источник света и оптическую систему из объектива и зеркал.
Электрофотографический блок состоит из фоторецептора (цилиндрического или ленточного) и расположенных по его периферии узлов обработки изображения, каждый из которых выполняет одну из операций технологического процесса: зарядку, проявление. перенос изображения и очистку фоторецептора. Узлы расположены относительно вращающегося фоторецептора так, что на каждом из его участков последовательно выполняются операции зарядки, экспонирования, проявления, переноса изображения и очистки фоторецептора, а на разных участках фоторецептора одновременно выполняется несколько операций. Если фоторецептор цилиндрический, то запись изображения и его обработка происходят пополосно, т.е. в работе находится полоска изображения, выделяемая из оригинала щелевой диафрагмой, расположенной вдоль образующей фоторецептора.
Бумагопроводящая система включает лотки для бумаги, механизм ее подачи и транспортировки, устройство переноса изображения (этот узел у данного блока общий с электрофотографическим блоком), устройство закрепления изображения, приемные лотки. Если аппарат снабжен сортером (листоподборщиком), то копии поступают в это устройство. Для копировальных аппаратов нужна листовая бумага, допустимые размеры и вес которой указываются изготовителями аппарата. Если предусмотрено получение двусторонних копий, аппарат включает дуплексное устройство (для поворота листа на другую сторону и подачи его в печатающее устройство).
Строение аппарата модульное, поэтому приспособления, расширяющие его функциональные возможности, но не являющиеся необходимыми для осуществления электрофотографического процесса (автоподатчик оригиналов, сортер, степлер, редакционный планшет и др.), поставляются как вместе с аппаратом, так и отдельно. Базовый копировальный аппарат может оборудоваться этими приспособлениями по мере надобности.
Управление работой аппарата
Копировальные аппараты - автоматы, работой которых управляет микропроцессор. Функции микропроцессорной системы такие:
1) обеспечение автоматической работы аппарата;
2) самодиагностика, заключающаяся в контроле за состоянием основных узлов аппарата и выполнением ими рабочих функций. На табло аппаратов (за исключением дешевых настольных моделей) появляются сведения о нарушениях функционирования аппарата и указания по их исправлению;
3) автоматический контроль копировального процесса, обеспечивающий стабильность качества изображения и автоматическое определение оптимальных режимов электрофотографического процесса.
При наладке аппарата на заводе или специалистом по обслуживанию и ремонту с помощью специальных тестов производится установка оптимальных режимов (экспозиция, подача тонера в проявочное устройство и т.п.), после чего аппарат действует без вмешательства пользователя. Последний устанавливает на пульте режим («фото» или «текст») причем режим «текст» основной), масштаб воспроизведения и количество копий, а также указания по редактированию изображения (если оно необходимо и может быть сделано аппаратом). Указания аппарат выполняет автоматически. Единственная ручная регулировка режима работы, доступная пользователю, - изменение напряжения смещения на проявляющем электроде («оптическая плотность»). Увеличение «оптической плотности» улучшает качество воспроизведения малоконтрастных изображений, уменьшение позволяет очистить фон копии от пятен и других нежелательных загрязнений.
При небольших изменениях контраста оригинала, внешних условий и качества применяемых материалов аппарат производит автоматическое регулирование режимов работы. Система автоматического регулирования содержит:
чувствительные элементы (датчики). Они измеряют фактическое значение регулируемой величины, например потенциал фоторецептора до и после экспонирования, температуру фьюзерного валика и др. В датчике вырабатывается сигнал, передаваемый в микропроцессор;
систему сравнения фактической величины с заданной, включающую устройство, задающее требуемое значение величины, орган сравнения фактической и заданной величин и усилитель сигнала рассогласования;
регулятор, ликвидирующий рассогласование в соответствии с полученным сигналом управления.
Управление качеством изображения
Продукция аналоговых аппаратов - копии оригиналов, в которых основное информационное содержание имеют штриховые изображения: текст и штриховые рисунки (например, чертежи и графики). Поэтому качество изображения определяется оптическими плотностями элементов и фона, резкостью границ элементов и разрешающей способностью процесса.
Структурометрические характеристики изображения определяются возможностями электрографического процесса. Резкость элементов улучшается за счет краевого эффекта, присущего изображениям, получаемым в аналоговых электрофотографических аппаратах. Разрешающая способность в основном ограничивается тем, что элементы формируются из частиц тонера размером 6-15 мкм, и составляет при сухом проявлении 4-10 мм-1. Контраст изображения (разность оптических плотностей элементов и фона) зависит от режимов процесса: потенциала зарядки, экспозиции, полученной фоторецептором на участках фона, и режимов проявления.
Схема контроля и поддержания стабильного качества изображения приведена на. В оригиналодержателе с краю за пределами рабочей зоны расположены черный и белый тестовые элементы. В соответствующих им участках фоторецептора измеряют потенциалы скрытого изображения Vч и Vб с помощью датчика. Микропроцессор сравнивает эти сигналы с заданными, определяя величину рассогласования. Рассогласование по потенциалу темных участков устраняется изменением потенциала, подаваемого на сетку скоротрона зарядки. Рассогласование потенциала на светлом участке с заданным значением величины устраняется изменением напряжения на лампе экспонирования, определяющего ее яркость. Оптические плотности изображения измеряются датчиком плотности изображения. Плотность изображения зависит от количества тонера на шариках носителя, поэтому специальным датчиком определяют плотность тонера. Сигналы от этих датчиков поступают в микропроцессор, и рассогласование с заданными величинами устраняется изменением подачи тонера в бункер проявления.
Датчик потенциала размещен перед секцией проявления, датчик оптической плотности изображения - между секциями переноса и очистки фоторецептора. При измерении оптической плотности изображения перенос не производится. Это один из примеров управления контрастом изображения, в других аппаратах система контроля может отличаться от описанной.
Электрография - печать без печатных форм
Процесс формирования электрофотографической печати осуществляется в пять этапов: 1. Формирование изображения. «Скрытое» изображение получают на поверхности фоторецептора с помощью управляемого источника света (это может быть лазер или светодиодная линейка). Позиционирование светового сигнала на фоторецепторе соответствует запечатываемому изображению. При экспонировании изменяется заряд отдельных участков поверхности фоторецептора.
2. Нанесение тонера
Для электрофотографии применяют специальные красящие материалы, называемые тонером. Это могут быть порошковые или жидкие тонеры, которые различны по своему составу и содержат цветной пигмент. Нанесение тонера происходит с помощью систем, обеспечивающих перенос мелких частиц тонера (размером от 6 до 8 мкм) на фоторецептор. Частицы тонера попадают на заряженные участки поверхности фотополупроводникового слоя, происходит формирование изображения. После нанесения тонера на фоторецептор скрытое электростатическое изображение становится видимым.
3. Перенос тонера (печать)
Тонер может переноситься прямо на бумагу или же на промежуточную систему, например, в виде цилиндра или ленты. В большинстве случаев тонер передается прямо с фоторецептора на запечатываемый материал. Чтобы перенести заряженные частицы тонера с поверхности барабана на бумагу, необходимы электростатические силы. Они создаются источником коронного разряда с одновременным прижимом бумаги к барабану.
4. Закрепление тонера
Чтобы частицы тонера закреплялись на носителе информации для создания стабильного печатного изображения, необходимо зафиксировать тонер на бумаге. При нагревании бумаги с тонером происходит его оплавление и тем самым закрепление.
5. Очистка
После переноса изображения с фоторецептора на бумагу, на светочувствительном барабане могут находиться остаточные заряды и отдельные частицы тонера. Чтобы подготовить барабан для воспроизведения следующего изображения, необходима механическая «очистка» (нейтрализация) и, кроме того, снятие электрических зарядов на отдельных его участках. Удаление частиц тонера осуществляют щеткой и отсосом. Поверхностные заряды нейтрализуются коронным разрядом. После этого поверхность барабана станет электрически нейтральной и освобожденной от частиц тонера. Как и на первом этапе процесса, затем снова проводится зарядка фоторецептора и формирование изображения на барабане соответственно оригиналу.
Из описания процессов становится ясно, что электрофотография работает без традиционной в полиграфии печатной формы с печатными элементами. Скрытое электростатическое изображение формируется на фотополупроводниковом слое каждый раз, когда необходимо получить оттиск с оригинала. (Для унификации терминологии принято название «оттиск» вместо употребляемого «отпечаток»).
Если электрофотографическим способом необходимо произвести печать тиражом более ста одинаковых экземпляров, то, в отличие от печати с печатной формой, нужно для каждого оттиска заново воспроизводить одно и то же изображение, используя свойство фотополупроводниковых материалов изменять свой поверхностный заряд. Это может привести к изменению печатного изображения, с одной стороны, из-за отклонений его параметров при формировании на материале и, с другой стороны, из-за нарушения параметров процесса при нанесении тонера на фоторецептор и впоследствии на бумагу. Поэтому при использовании бесконтактных способов печати можно получить большие искажения в воспроизведении оригинала по сравнению со способами печати с печатной формой.
Однако, преимущество этой технологии заключается в том, что в процессе печати можно получать один за одним абсолютно разные оттиски. Отпадает необходимость изготавливать для каждой новой полосы традиционную печатную форму. Самые маленькие тиражи (до одного экземпляра) при этом будут экономически выгодны - печать по требованию. Кроме того, для одной брошюры, например, можно последовательно печатать отдельные страницы от первой до последней, затем также отпечатать страницы для второго экземпляра и т.д. Возможна, наконец, персонализация каждого издания, т. е. изменение части печатного изображения, например, внесение адреса или дополнительной информации, специальной для каждого адресата.
Рассмотрим в качестве примера представлена электрофотографическая печатная система для многокрасочной печати. Построение этой системы отвечает секционному принципу, который реализуется, например, в листовых офсетных машинах. В системе установлены четыре электрофотографические печатные секции, при помощи которых тонер, имеющий соответственно черный, голубой, пурпурный и желтый цвета, последовательно наносится на печатный лист.
В указанном примере формирование изображения на фоторецепторе происходит через оптическую систему, в которой на барабан поступают узконаправленные световые импульсы от лазера. Используются различные устройства для того, чтобы в соответствии с оригиналом манипулировать размером и местом расположения точек изображения на барабане. Разрешение зависит от скорости вращения зеркала и частоты лазерных импульсов, угловой скорости барабана. Указанная система называется системой растрового вывода изображения Р05.
В подобных печатающих устройствах специфично решены вопросы подачи бумаги, например, с помощью ленточного транспортера. Для подачи листа бумаги не применяется захват. Лист удерживается только электростатическими зарядами, образующимися на ленте. Относительная точность приводки при многоцветной печати уступает (примерно в 2-4 раза) результатам, достигаемым в способах печати с традиционной технологией, например, в офсетной.
Цифровые данные оригиналов, копии которых должны быть отпечатаны подобными машинами, могут быть получены, с одной стороны, считыванием их сканером, встроенным в печатную систему или присоединенным через интерфейс в виде отдельного устройства. С другой стороны, в электрофотографическую систему может вводиться непосредственно цифровая информация об оригинале с помощью носителя или из сети: локальной или глобальной. В систему включен отдельно планшетный сканер, с помощью которого изобразительный оригинал считывается. Печатный процесс проходит самостоятельно. В традиционных копировальных устройствах, использующихся для однокрасочной печати офисной документации, оригинал экспонируется соответствующими элементами прямо на фоторецептор. О печатных системах с такой технологией переноса изображения оригинала на бумагу говорят как о «копировальных устройствах» в противоположность «печатающим устройствам», использующим цифровые данные об оригинале для печати.
Скорость печати в бесконтактных устройствах значительно отличается, например, от скорости листовой офсетной машины. Существует система (относительно скоростная благодаря секционному построению), которая может печатать 1200 страниц формата АЗ в час, в то время как листовая офсетная машина обычно производит от 10 до 15 тысяч оттисков за то же время. Разница в производительности связана с применяемой технологией воспроизведения изображения для печати - для каждого оттиска оно должно быть всегда заново сформировано, даже когда выполняются тиражные работы. Скорость печати определяется как выбором технического и программного обеспечения, так и физическими процессами, способом построения систем нанесения тонера и подачи бумаги.
При проектировании отдельных частей и всей электрофотографической машины в целом необходимо ставить такие же требования, как для обычных печатных машин. Например, важны такие показатели, как прочность корпуса, точность изготовления барабана, обработка его поверхности. Транспортировка бумаги должна обеспечиваться высококачественной технической системой. Часто динамические требования и нагрузки при малой скорости печати делают возможным реализовать более дешевый и простой принцип построения.
Качество печати, получаемое электрофотографическими способами на базе имеющихся в распоряжении технологических компонентов, может достигать высокого уровня, но все-таки оно значительно ниже, чем при способах печати с применением традиционных форм. Качественные показатели бесконтактных способов печати различаются в зависимости от разрешения (число уровней пикселей - на единицу длины), количества уровней градаций, связанных с используемой технологией нанесения тонера. Манипулировать можно размером точек путем сокращения длительности импульса лазерного источника, в результате чего уменьшается и площадь участка на барабане, где заряд удерживает тонер. Благодаря увеличению разрешающей способности становится возможным воспроизведение мелких структур изображения и передача тоновых градаций и цветовых пространств.
Кроме того, на качество печати влияют характеристики тонера, размер его частиц, геометрическая форма, химическое или физическое строение. В целом для качественной печати применяют тонеры с малым отклонением размера частиц от 6 до 8 мкм. Порошковый тонер может привести к ухудшению качества из-за распыления, т.е. из-за попадания «блуждающих» частиц тонера на участки изображения, которые не должны нести информации.
Решающим условием и гарантом высокого качества выпуска продукции в традиционных способах печати является то, что используется постоянная механическая форма. В электрофотографии, вследствие необходимости постоянного формирования изображения для каждого последующего оттиска, самой системой обусловлены отклонения и их различия.
Электрофотографические способы печати могут работать с порошковыми или жидкими тонерами. Применение жидких тонеров пока не получило широкого распространения. Однако они имеют существенное преимущество, так как вследствие меньшего размера частиц (около 1-2 мкм) должны обеспечить более высокое качество оттиска.
В способах бесконтактной печати, в особенности в способах со скрытым промежуточным изображением, таких, как электрофотография, длина развертки окружности светочувствительного барабана не должна совпадать с длиной оттиска. Часто диаметры светочувствительных барабанов меньше, чем требуется для максимального изображения. Поэтому даже при печати идентичных оттисков скрытое изображение и тонер не попадают на одно и то же место поверхности барабана. Расщепление слоя краски, имеющее место в офсетной печати, в электрофотографии недопустимо, независимо от того, применяются порошковые или жидкие тонеры.