Принципы работы типографской копировальной линии на примере Xerox Color 800

Типографская копировальная линия – комплекс оборудования, предназначенный для высокопроизводительного изготовления печатной продукции. На примере цифровой печатной машины Xerox Color 800 можно детально рассмотреть принципы работы современных электрофотографических систем, которые лежат в основе цифровой полиграфии.

Электрофотография, или ксерография (от греческого xeros — сухой и graphein — писать), является методом репрографии, использующим электрический заряд для переноса тонера на материал-носитель. Данная технология была изобретена американским физиком Честером Карлсоном в 1938 году, когда он получил первый оттиск в своей домашней лаборатории в Нью-Йорке. Первый патент на эту революционную технологию был получен в 1942 году, положив начало новой эре в полиграфии.

Image by Recraft

В основе электрофотографического процесса лежит использование фотопроводящих материалов — полупроводников, которые изменяют своё электрическое сопротивление под воздействием света. Это явление фотопроводимости было открыто еще в XIX веке, но практическое применение получило только в середине XX века благодаря работам Карлсона и последующих исследователей.

Эволюция фотопроводящих материалов

Первые фотобарабаны изготавливались на основе селена — химического элемента, обладающего выраженными фотопроводящими свойствами. Селеновые фоторецепторы состояли из нескольких слоев: ловушечного слоя (оксидная пленка для предотвращения темновой инжекции носителей заряда), фотопроводящего слоя, алюминиевой оксидной пленки и металлической подложки.

Современные фотобарабаны изготавливаются из алюминиевой основы, покрытой многослойным органическим фотокондуктором (OPC — Organic Photo Conductor), см.: https://focus-print.ru/catalog/xerox/C1000/toner800/. Органические фоторецепторы обладают рядом преимуществ перед селеновыми: большей гибкостью в управлении спектральной чувствительностью, возможностью создания многослойных структур с заданными свойствами, меньшей токсичностью и более простой технологией изготовления.

Структура современного фотобарабана

Органический фоторецептор имеет сложную многослойную структуру, каждый слой которой выполняет определенную функцию:

Универсальный защитный слой (USL — Universal Substrate Layer) представляет собой тонкую диэлектрическую пленку, нанесенную непосредственно на алюминиевую подложку. Этот слой предотвращает взаимодействие активных компонентов фотокондуктора с металлической основой и обеспечивает адгезию последующих слоев.

Слой генерации носителей заряда (CGL — Charge Generation Layer) содержит специальные органические пигменты или красители, способные поглощать световое излучение и генерировать пары электрон-дырка. Под действием лазерного излучения в этом слое происходит фотогенерация свободных носителей заряда, которые затем разделяются электрическим полем.

Слой транспорта заряда (CTL — Charge Transport Layer) выполнен из материалов с высокой подвижностью носителей заряда, обычно дырочного типа. Этот слой обеспечивает транспорт фотогенерированных зарядов от слоя CGL к поверхности фоторецептора, где происходит их нейтрализация с поверхностными зарядами.

Защитный поверхностный слой предназначен для защиты активных слоев от механических повреждений, химического воздействия и ультрафиолетового излучения. Этот слой также может содержать добавки, улучшающие электрические характеристики поверхности.

Детальный анализ электрофотографического процесса

Процесс создания изображения в копировальной линии Xerox Color 800 представляет собой точно синхронизированную последовательность семи этапов, каждый из которых критически важен для получения высококачественного результата.

Первый этап: Кондиционирование и зарядка фотобарабана

Цикл печати начинается с подготовки фоторецептора к восприятию изображения. Процесс кондиционирования включает в себя не только нанесение первичного заряда, но и предварительную очистку поверхности от остаточных зарядов предыдущего цикла.

Система первичной зарядки в Xerox Color 800 использует ролики заряда (Primary Charge Roller, PCR) — цилиндрические электроды, покрытые полупроводящей резиной. Ролик заряда представляет собой металлический стержень диаметром обычно 8-12 мм, на который нанесено многослойное покрытие: промежуточный слой для улучшения адгезии, основной полупроводящий слой и поверхностный защитный слой.

Процесс зарядки осуществляется при непосредственном контакте ролика с поверхностью фотобарабана. На ролик подается напряжение, состоящее из постоянной и переменной составляющих. Постоянная составляющая (DC bias) определяет конечный потенциал поверхности барабана, обычно от -600 до -800 вольт. Переменная составляющая (AC voltage) с частотой 1-3 кГц и амплитудой 1-2 кВ обеспечивает равномерность зарядки за счет многократного перезаряда поверхности.

Равномерность зарядки является критическим параметром, поскольку неоднородности потенциала приводят к дефектам изображения в виде полос или пятен различной плотности. Современные системы контроля обеспечивают неравномерность не более ±10 вольт на всей поверхности барабана.

Второй этап: Лазерное экспонирование

Формирование скрытого электростатического изображения осуществляется с помощью прецизионной лазерной системы. В машине Xerox Color 800 применяется технология VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) — революционное решение в области полупроводниковых лазеров.

Принципы работы VCSEL-лазеров

VCSEL представляет собой полупроводниковый лазер, излучающий свет перпендикулярно поверхности кристалла, в отличие от традиционных лазеров с торцевым излучением. Структура VCSEL включает в себя активную область, заключенную между двумя высокоотражающими зеркалами — распределенными брэгговскими рефлекторами (DBR).

Основные преимущества VCSEL-технологии:

Высокая точность позиционирования луча — круглое сечение пучка и низкая расходимость обеспечивают формирование точек минимального размера

Возможность создания матриц излучателей — на одной подложке можно разместить тысячи индивидуальных лазеров, что позволяет создавать многолучевые системы записи

Стабильность длины волны — вертикальная структура резонатора обеспечивает одномодовый режим генерации с высокой спектральной чистотой

Низкое энергопотребление — малый объем активной области требует меньших токов накачки

В Xerox Color 800 лазерная система обеспечивает разрешение 2400 × 2400 точек на дюйм. Для достижения такого разрешения размер лазерного пятна на поверхности фотобарабана должен составлять около 10 микрометров, что требует использования высококачественной фокусирующей оптики.

Растровая обработка изображения

Перед экспонированием цифровое изображение проходит обработку в растровом процессоре (RIP — Raster Image Processor). RIP преобразует векторные данные из файлов PostScript или PDF в растровое представление — матрицу точек, каждая из которых может быть либо экспонирована, либо нет.

Для полутоновых изображений применяется растрирование — процесс преобразования непрерывных тонов в систему точек различного размера или плотности. Xerox Color 800 поддерживает множество типов растров:

• Точечные растры с линиатурой 150, 175, 200, 300, 600 линий на дюйм
• Линейные растры 150 и 200 lpi для специальных применений
• Стохастическое растрирование для получения фотографического качества

Третий этап: Проявление тонером

Проявление скрытого электростатического изображения осуществляется с помощью специально разработанного тонера — мелкодисперсного красящего материала с контролируемыми электрическими свойствами.

Технология EA Dry Ink

Революционная технология EA (Emulsion Aggregation) Dry Ink, применяемая в Xerox Color 800, представляет собой кардинально новый подход к изготовлению тонера. В отличие от традиционного метода механического измельчения (pulverization), при котором частицы имеют неправильную форму и широкое распределение по размерам, технология эмульсионной агрегации позволяет создавать сферические частицы с узким распределением размеров.

Процесс изготовления EA тонера включает следующие стадии:

Подготовка дисперсии пигмента и воска — пигменты и воск диспергируются в водной среде с использованием поверхностно-активных веществ

Эмульсионная полимеризация — мономеры полимеризуются в присутствии эмульгаторов, образуя латексные частицы размером 100-200 нанометров

Гомогенизация — латексные частицы, пигмент и воск смешиваются в однородную дисперсию

Агрегация — под действием коагулянтов мелкие частицы объединяются в агрегаты нужного размера (5-8 микрометров)

Коалесценция — нагревание дисперсии выше температуры стеклования полимера приводит к слиянию частиц в сферические гранулы

Преимущества EA тонера:

• Узкое распределение частиц по размерам обеспечивает высокую четкость изображения и стабильность переноса
• Сферическая форма частиц улучшает текучесть тонера и равномерность нанесения
• Контролируемая поверхностная структура позволяет точно управлять трибоэлектрическими свойствами
• Низкая температура плавления (около 130°C) снижает энергопотребление системы закрепления
• Отсутствие масла в системе закрепления упрощает конструкцию и повышает качество поверхности отпечатка

Image by Recraft

Процесс проявления

Проявление изображения осуществляется в модуле проявления, включающем магнитный вал, дозирующее лезвие и систему подачи тонера. Магнитный вал представляет собой немагнитный цилиндр с установленным внутри неподвижным магнитом, создающим неоднородное магнитное поле на поверхности цилиндра.

Тонер, содержащий ферромагнитные частицы-носители, образует на поверхности магнитного вала "магнитную щетку" — слой частиц, ориентированных вдоль силовых линий магнитного поля. Дозирующее лезвие контролирует толщину этого слоя, обеспечивая равномерное нанесение тонера.

При контакте магнитной щетки с экспонированными участками фотобарабана происходит электростатический перенос тонера. Частицы тонера, заряженные трибоэлектрически до потенциала -200 до -400 вольт, притягиваются к разряженным (нейтральным или слабоположительным) областям поверхности барабана.

Четвертый этап: Первичный перенос на промежуточную ленту

В четырехцветных копировальных машинах применяется технология промежуточного переноса для последовательного наложения четырех цветов. Система IBT (Intermediate Belt Transfer) в Xerox Color 800 представляет собой бесшовную полимерную ленту, движущуюся синхронно с фотобарабанами всех четырех цветов.

Конструкция системы IBT

Промежуточная лента изготавливается из специального полиимидного материала с контролируемой проводимостью. Поверхностное сопротивление ленты составляет 10^9 — 10^12 Ом·см, что обеспечивает необходимые электростатические свойства для качественного переноса тонера.

Лента натянута на систему роликов, включающую:

• Ведущий ролик с прецизионным приводом, обеспечивающим постоянную линейную скорость
• Натяжные ролики для поддержания оптимального натяжения ленты
• Ролики первичного переноса для каждого цвета
• Ролик вторичного переноса для переноса изображения на бумагу
• Чистящий ролик для удаления остатков тонера после переноса

Пятый этап: Вторичный перенос на бумагу

Сформированное на промежуточной ленте полноцветное изображение переносится на бумагу в зоне вторичного переноса. Этот процесс требует точной синхронизации движения ленты и бумаги, а также оптимального электростатического поля для переноса.

Ролик вторичного переноса (Second Bias Transfer Roller) создает электростатическое поле, обеспечивающее перенос тонера с ленты на бумагу. Система автоматического выравнивания (Automatic Alignment) корректирует положение изображения относительно краев листа с точностью ±0,5 мм.

Шестой этап: Термическое закрепление

Закрепление тонера на бумаге является наиболее энергоемким этапом электрофотографического процесса. В Xerox Color 800 применяется усовершенствованная технология ленточного фьюзера (Advanced Belt Fuser Technology), обеспечивающая равномерное нагревание и точный контроль температуры.

Конструкция системы закрепления

Система закрепления состоит из следующих основных элементов:

Нагревательный модуль включает керамический нагреватель с встроенными нагревательными элементами и теплоотражающим экраном для равномерного распределения температуры

Фьюзерная лента выполнена из термостойкого материала (обычно полиимид) с антиадгезионным покрытием из политетрафторэтилена (PTFE)

Прижимной ролик с эластичным покрытием обеспечивает необходимое давление для впрессовывания расплавленного тонера в структуру бумаги

Система контроля температуры включает несколько термодатчиков (термисторов) и термопредохранителей для предотвращения перегрева

Физико-химические процессы закрепления

При прохождении через зону закрепления происходят следующие процессы:

Нагревание тонера до температуры плавления (130-160°C для EA тонера) приводит к переходу полимерной основы из стеклообразного в вязкотекучее состояние

Впрессовывание расплавленного тонера в поры и неровности поверхности бумаги под давлением 150-300 кПа

Образование адгезионной связи между тонером и волокнами целлюлозы за счет механического анкеринга и межмолекулярных взаимодействий

Охлаждение и затвердевание тонера при выходе из зоны нагрева фиксирует изображение

Функция коррекции температуры фьюзера позволяет оператору изменять температурный режим в пределах ±10°C для оптимизации качества закрепления на различных материалах.

Седьмой этап: Очистка и кондиционирование

После переноса изображения фотобарабан подготавливается к следующему циклу печати. Этот процесс включает механическую очистку от остатков тонера и электрическую разрядку поверхности.

Очистка фотобарабана осуществляется системой, включающей чистящее лезвие (ракель) — эластичную пластину из полиуретана, установленную под определенным углом к поверхности барабана. Полное удаление остаточных зарядов с поверхности фотобарабана осуществляется лампой стирания — светодиодной матрицей, равномерно облучающей всю поверхность барабана.

Система управления качеством изображения

Технология Full Width Array

Одним из ключевых инновационных решений в Xerox Color 800 является система Full Width Array (FWA) — встроенный спектрофотометр полной ширины, расположенный в тракте движения бумаги после блока закрепления.

Принцип работы FWA

Система Full Width Array состоит из источника освещения, равномерно освещающего всю ширину листа, приемной матрицы — линейного датчика, измеряющего отраженный свет в нескольких спектральных диапазонах, калибровочных эталонов — керамических плиток известного цвета для калибровки системы, и вычислительного модуля — обрабатывающего сигналы датчиков и вычисляющего цветовые координаты.

FWA выполняет следующие функции:

Автоматическая калибровка цвета — система непрерывно отслеживает изменения цветопередачи и автоматически корректирует параметры печати для поддержания заданных цветовых координат

Контроль равномерности плотности — измерение плотности изображения в различных точках по ширине листа позволяет выявить и скорректировать неравномерности

Автоматическое совмещение цветов — анализ специальных тестовых меток позволяет определить и устранить несовмещение отдельных цветоделений

Профилирование носителей — создание цветовых профилей для различных типов бумаги без использования внешних измерительных приборов

Замкнутая система контроля процесса

Automated Color Quality Suite (ACQS) представляет собой комплексную систему автоматизированного контроля качества, работающую в режиме реального времени. Система автоматически печатает тестовые полоски между изображениями на промежуточной ленте, измеряет их характеристики и вносит корректировки в процесс без остановки производства.

Производительность и технические характеристики

Скоростные характеристики

Xerox Color 800 обеспечивает производительность 80 страниц в минуту формата A4 в полноцветном режиме с поддержкой материалов плотностью до 350 г/м² без снижения скорости. Время выхода первой копии составляет менее 10 секунд.

Качество воспроизведения

Система обеспечивает разрешение печати 2400 × 2400 dpi благодаря технологии VCSEL, поддерживает растровые структуры различных типов и обеспечивает градацию тонов в 256 уровней на канал. Расширенная цветовая палитра достигается благодаря технологии EA Dry Ink.

Экологические аспекты и перспективы развития

Экологические преимущества

Технология EA Dry Ink характеризуется экологической безопасностью: отсутствием летучих органических соединений (VOC), возможностью вторичной переработки отпечатков стандартными методами и использованием водной основы производства тонера. Xerox реализует комплексную программу утилизации Green World Alliance для переработки расходных материалов.

Направления развития

Будущее электрофотографических систем связано с повышением энергоэффективности через использование светодиодных систем экспонирования и оптимизацию термодинамики процессов. Расширение материальной базы включает разработку функциональных тонеров с магнитными, электропроводящими или люминесцентными свойствами, а также биоразлагаемых тонеров на основе природных полимеров.

Интеграция с цифровыми технологиями предполагает использование искусственного интеллекта для предиктивного обслуживания и оптимизации процессов, внедрение технологий интернета вещей (IoT) для интеграции в умные производственные системы, и применение дополненной реальности для обучения операторов.

Типографская копировальная линия – вершина развития электрофотографических технологий. Сложная последовательность физико-химических процессов демонстрирует высочайший уровень инженерного мастерства и научных достижений. Ключевые технологические инновации — VCSEL-лазеры, обеспечивающие субмикронную точность экспонирования, революционная технология EA Dry Ink с химически выращенными частицами тонера, интеллектуальная система Full Width Array для автоматического контроля качества — позволяют достигать качества печати, ранее недоступного цифровым технологиям.