Ratgeber
Tintenstrahltechnik
Der Tintenstrahldruck reicht zurück bis in die späten 70er Jahre. Doch erst die Entwicklungsarbeit der Hersteller hat die Technologie zu dem gemacht, was sie heute ist: zu der Technik für den Consumer-Fotodruck schlechthin.
- Tintenstrahltechnik
- Historie
- Thermische und piezoelektrische Drucktechnik
Mittlerweile sind sie legendär, die ersten Tintenstrahler für den Massenmarkt aus dem Jahr 1984: Canons BJ-80, HPs ThinkJet und Epsons SQ-2000. Sie druckten ausschließlich schwarzweiß und waren mit Preisen von mehreren Hundert Dollar für viele Heimanwender kaum erschwinglich. Der SQ-2000 wog zudem 18 kg, und der ThinkJet warb mit einer aus heutiger Sicht unvorstellbar niedrigen Auflösung von 96 dpi. Ab 1988 folgten die ersten Farbmodelle mit immerhin 400 bis 720 dpi, die 0,3 bis 0,8 Farbseiten pro Minute zu Papier brachten. Aktuelle Mittelklasse-Tintenstrahler arbeiten heute bis zu dreißigmal schneller, zum Teil mit der zehnfachen Auflösung und kosten trotzdem oft unter 100 Euro.
Wir stellen Ihnen hier die Meilensteine auf dem Weg vom Schwarzweiß-Pionier bis zum aktuellen Fotodrucker vor und erklären technische Hintergründe und Raffinessen, mit denen sich Canon, Epson und HP immer wieder eine führende Position am Fotodruckermarkt sichern konnten.
Druckkopf-Design: Viele technische Fortschritte des letzten Jahrzehnts basieren auf einem Neudesign des Druckkopfes, dem Herzstück jedes Tintenstrahlers. Von seinem Aufbau und seiner Verarbeitung hängt ab, wie präzise der Drucker die Bildpunkte setzt und wie schnell er dabei vorgeht. Er sitzt in der Regel zusammen mit den Tintentanks auf einem motorisch angetriebenen Schlitten.
Die Tendenz ging lange Zeit zu hohen Druckköpfen, die mehr Fläche pro Bewegungsvorgang bedrucken können. Business-Drucker wie die kürzlich vorgestellten Edgeline-Modelle von HP arbeiten mittlerweile sogar mit seitenbreiten Druckköpfen, die fest montiert sind - das spart die Bewegung und damit Zeit. HP will mit diesen Modellen im Office-Bereich gegen Laserprinter antreten.
Zudem wurden die Düsen, deren Öffnungen und damit die dort austretenden Tintentröpfchen immer kleiner - eine Grundvoraussetzung für die Druckqualität und Detailgenauigkeit aktueller Tintenstrahler.
Um die Düsen derart filigran und präzise fertigen zu können, mussten die Produktionsmethoden geändert werden: Canon verwendet seit Jahren ein fotolithografisches Verfahren. Die Leiterbahnen und Heizelemente werden auf einem Trägermaterial aufgebracht, mit einer lichtempfindlichen Maske versehen, belichtet und schließlich das Layout entwickelt. Die Düsenöffnungen und -kanäle werden mit Fräse oder Strahlverfahren geätzt, wie Chips in der Halbleiterproduktion. Dadurch ist es laut Canon möglich, Düsenkörper herzustellen, die nur noch 50 bis 100 µm und etwa ein Drittel des bis dahin üblichen Düsenkörpers messen. HP brennt die Druckdüsen dagegen mit Lasern in Folien oder Metallblättchen, und Epson stanzt die Löcher in Metall.
Mehr Düsen: Die Anzahl der Düsen eines Druckkopfes steigt seit Jahren kontinuierlich: So besitzt Epsons 1984er SQ-2000 noch 24, der Nachfolger Stylus 800 immerhin schon 48 Düsen. Moderne Consumer-Modelle wie Canons W6400 kommen dagegen auf 7680 Düsen. Der Grund: Mit der Düsenanzahl steigt das Arbeitstempo. Je mehr Düsen der Druckkopf besitzt, desto mehr Tropfen kann er pro Sekunde ausstoßen. Außerdem erreicht ein Drucker mit vielen Düsen eine höhere physikalische Auflösung und daher selbst dann eine verhältnismäßig hohe Bildqualität, wenn der Drucker im schnellen Druckmodus nur die nötigsten Wege zurücklegt.
Als die Fertigungsprozesse noch nicht ausgereift waren und daher nur den Einsatz weniger Düsen zuließen, versuchten es findige Entwickler übrigens mit anderen Tricks: Canon stattete 1999 den BJC-5000 mit einem dualen Druckkopfsystem aus, um die Düsenanzahl zu verdoppeln. Dieser Ansatz hat sich jedoch wegen der hohen Produktionskosten für zwei Druckköpfe nicht bewährt. Der BJC-5000 blieb Außenseiter. Und wenige Jahre später brachten die Entwickler dann die doppelte Anzahl Düsen auf einem Druckkopf unter.
Ein Piezodruckkopf hat in der Regel weniger Düsen als der thermische Kollege, da seine Kanäle, das Piezoelement und die Steuerung mehr Platz einnehmen. Epsons neueste Druckköpfe verfügen über maximal 1440 Düsen (Stylus Photo R800, Stylus Pro 3800).
Schussfrequenz: Neben der Düsenanzahl pro Druckkopf ist in den letzten Jahren auch die Schussfrequenz rapide gestiegen, also die Anzahl der Tröpfchen, die eine einzige Düse pro Sekunde abgeben kann. Auch sie bestimmt das Drucktempo maßgeblich mit.
In dieser Disziplin hat das Piezodruckverfahren die Nase vorn, da der Verformungsvorgang des Piezokristalls nur etwa fünf, der thermische Prozess dagegen trotz aller Optimierungsbemühungen noch immer bis zu 80 Mikrosekunden in Anspruch nimmt. Der Piezokopf kann deshalb aus einer einzigen Düse heute bis zu 30 000 Tropfen pro Sekunde ausstoßen, erreicht also eine Schussfrequenz von 30 kHz (1 kHz entspricht 1000 Vorgängen pro Sekunde). HPs thermische Modelle konnten sich zwar von 3,6 (1987) auf mittlerweile 24 kHz steigern, liegen aber trotzdem noch weit zurück. Und Canons iP4300 und iP5000 schaffen sogar nur maximal 15 kHz.Aus Anzahl der Düsen und Schussfrequenz ergibt sich bei fester Tröpfchengröße übrigens die Menge der Tinte, die ein Drucker pro Sekunde zu Papier bringen kann. Ein Rechenbeispiel: HPs Photosmart 8450 besitzt 1600 Düsen, die Tröpfchen von je 5 Picolitern ausstoßen. Bei einer Schussfrequenz von 21 kHz (PhotoRet IV) entspricht das einer Abgabe von 33,6 Millionen Tröpfchen, also 168 Millionstel eines Liters Tinte pro Sekunde.
Kleinere Tröpfchen: Einerseits sollten die Tropfen möglichst fein ausfallen, um kleine Druckpunkte und damit eine hohe druckbare Auflösung und Detailschärfe sowie besonders feine Farbabstufungen zu erreichen. Zum anderen sinkt mit der Tröpfchengröße aber die Menge der Tinte, die der Druckkopf pro Sekunde zu Papier bringen kann, also das Drucktempo. Die bessere Qualität ging für die Entwickler vor: So schießt HPs Thinkjet mit 220-Picoliter-Tropfen. Drei Jahre später waren es beim HP Paintjet nur noch 100 Picoliter. Und mit dem Canon Pixma iP5000 kam im Jahr 2004 schließlich der erste Tintenstrahler heraus, der 1 Picoliter winzige Tintentröpfchen abgeben kann. Für Tröpfchen mit zwei bis fünf Picolitern darf der Durchmesser des Düsenmunds nur 10 µm, bei einem Picoliter sogar nur 9 µm messen - kleiner als der Querschnitt eines dünnen Haars.
Variable Tröpfchengröße: Den Tempoverlust durch kleinere Tröpfchen wollten die Hersteller zunächst durch eine größere Anzahl der Düsen pro Druckkopf ausgleichen. Erst 1997/98 gab man sich damit nicht mehr zufrieden: Die ersten Canon- und Epson-Drucker mit variabler Tröpfchengröße kamen auf den Markt. Sie arbeiten bei großflächigen Strukturen mit verhältnismäßig großen Tropfen (10 oder 15 Picoliter) - für maximale Geschwindigkeit. Bei detailreichen Bildausschnitten verwenden sie bis zu 1 Picoliter kleine Tröpfchen - für maximale Druckqualität. Canon nennt dies Drop-Modulation-Technologie und nutzt sie seit zehn Jahren (BJC-4300). Epson zog mit dem Piezo-Pendant Variable Size Droplet Technology kurz später nach (Stylus Photo 700).
Was so simpel klingt, entpuppte sich als große technische Herausforderung. Vor allem beim thermischen Verfahren waren Modifikationen am Druckkopf notwendig: Die Hersteller statteten die Düsen statt mit einem, mit zwei Heizelementen aus. An detailreichen Bildpassagen kommt eines davon zum Einsatz, um den Tropfen klein zu halten. Bei größeren Flächen heizen beide Elemente, was zum Ausstoß eines größeren Tropfens führt, die Farbsättigung steigert und das Tempo erhöht. Epson hatte es mit dem Piezodruckverfahren leichter. Hier muss der Drucker lediglich die Höhe der an dem Piezokristall anliegenden Spannung variieren.
Eine höhere Spannung verformt das Piezokristalls stärker und führt so zu größeren Tropfen. Dieses Verfahren erfordert nicht nur deutlich weniger Eingriffe in die Fertigungsprozesse, sondern ermöglicht auch eine ganz andere Flexibilität: Während beim thermischen Druck in der Regel nur zwei verschiedene Tröpfchengrößen zur Verfügung stehen, arbeiten moderne Piezodrucker wie der Epson Stylus Color 980 mit sechs Tropfengrößen zwischen 3 und 40 Picolitern.
Höhere Auflösung: Da die Auflösung, die Zahl der pro Inch gesetzten Tropfen (dpi), einen wesentlichen Beitrag zur Detailgenauigkeit und Feinheit der Farbabstufungen leistet, gehörte auch sie von Anfang an zu den zentralen Themen. Zwischen der Auflösung von 720 x 720 dpi, wie sie der Epson Stylus Color Mitte der 90er Jahre bot, und den 9600 x 2400 dpi des Canon Pixma iP4300 liegen Welten. Um eine höhere theoretisch mögliche vertikale Auflösung zu erreichen werden die Düsen auf dem Druckkopf heute noch enger positioniert. So müssen die Düsenzeilen für eine vertikale physikalische Auflösung von 1200 dpi eine Dichte von 470 Düsen pro Zentimeter aufweisen (Druckkopfauflösung). Zudem war für die höhere vertikale Auflösung ein präziserer Papiervorschub notwendig. Die von den Herstellern angegebene horizontale Auflösung entspricht der Anzahl der Tröpfchen, die der Druckkopf im besten Fall innerhalb einer Zeile platzieren kann (Rasterweite). Hier ist die Positioniereinheit gefragt, die dafür sorgt, dass der motorisierte Druckkopfschlitten möglichst viele Positionen innerhalb einer Zeile exakt ansteuern kann.
Wie hoch die Auflösung in der Praxis dann tatsächlich ist, hängt jedoch auch davon ab, wie viel Platz ein Tröpfchen auf dem Papier einnimmt. In vielen Fällen bedeckt ein einziger Tropfen nämlich mehrere Druckpunkte. Mit der Miniaturisierung der Tröpfchengröße stieg also nicht automatisch auch die reale Auflösung. Deswegen wurden Druckpapier und Tinte zusätzlich so optimiert, dass die Tropfen auf dem Papier kaum noch verlaufen und sich weniger stark ausbreiten.
Bei Druckern gibt es keinen direkten Zusammenhang von Auflösung (dpi-Zahl) und Detailzeichnung, da der Drucker die Menge seiner Tropfen nicht nur zur Detailzeichnung, sondern genauso zur Tonwertdifferenzierung nutzt und so teilweise auch übereinandersetzt. ColorFoto gibt deswegen in den Tabellen keine dpi-Zahl an. Für guten Fotodruck sind variable Tropfengrößen, weniger dichte Zusatztinten (Hellgrau, Light-Cyan und Light-Magenta) sowie Zusatzfarben (Rot oder Grün) mindestens genauso wichtig.
Bessere Farbdarstellung: Die ersten Farbtintenstrahldrucker aus den späten achtziger Jahren konnten zwar farbig drucken, von der heute üblichen Fotoqualität waren sie jedoch weit entfernt - nicht nur wegen ihrer geringen Auflösung, sondern auch wegen der spärlichen Palette druckbarer Farbtöne. Für eine bessere Farbdarstellung erhöhten die Hersteller zum einen die Anzahl der Tintenfarben: Zu den drei Grundfarben Cyan, Magenta und Gelb, die die Pioniere zu bieten hatten, gesellten sich zehn Jahre später beim Canons iP8500 zusätzlich die Farben Photo Cyan, Photo Magenta, Rot und Grün. Mittlerweile setzen ausgewählte Tintenstrahler wie Canons Pixma Pro 9500 sogar schon zwölf unterschiedliche Tintenfarben ein.
1996 beschritten die Hersteller jedoch noch einen anderen Weg, um die Farbdarstellung zu revolutionieren: Sie setzen seitdem mehrere Tintentropfen übereinander. Diese vermischen sich und ergeben dadurch viele zusätzliche Farben. HP nennt diese Technik PhotoRet. In der ersten Version sah sie vier übereinandergesetzte Tropfen pro Punkt vor und erreichte mit sechs Tintenfarben immerhin 48 statt nur acht direkt druckbare Farben. Seit 2002 kommt die vierte PhotoRet-Version zum Einsatz: 32 übereinandergesetzte Tintentropfen ermöglichen laut HP bis zu 1,2 Millionen darstellbare Farben.
Effizientere Software: Neben der Hardware hat auch die Software in den letzten Jahrzehnten einen Beitrag dazu geleistet, dass Druckqualität und -geschwindigkeit steigen. Denn der auf dem Rechner installierte Treiber oder die Firmware auf dem Controller des Druckers bestimmen, wie die Druckpunkte neben- und übereinandergesetzt werden, damit sie die richtige Farbe ergeben. Je nachdem, wie gut der zur Berechnung verwendete Algorithmus umgesetzt und wie fein das Raster ist, erscheint die Darstellung mehr oder weniger naturgetreu und detailreich. Im Laufe der Zeit erweiterten die Hersteller ihre Treiber um Funktionen zur Bildoptimierung. Techniken wie ColorSmart (HP), Image Optimizer (Canon) und PhotoEnhance (Epson) interpolieren z. B. die Bildinformationen, berechnen also zusätzliche Bildpunkte, um die Auflösung zu erhöhen. Dadurch sollen auch größere Ausdrucke ohne grobe Strukturen und sichtbare Bildpunktblöcke gelingen.
Separate Tintentanks: Ein großes Problem der Tintenstrahler bestand schon immer im hohen, kostspieligen Tintenverbrauch. Besonders unökonomisch sind All-in-one-Patronen, die bis 1992 Usus waren und auch heute noch in Low-cost-Druckern zum Einsatz kommen. Sie enthalten alle Tintenfarben, abgesehen von Schwarz. Da in den seltensten Fällen alle Farben gleichzeitig verbraucht sind, entsorgt der Anwender die verbliebene Tinte zwangsläufig mit. Vor knapp 15 Jahren brachte Canon mit dem BJC-800 Tanks, die sich einzeln austauschen lassen. Epson zog fünf Jahre später mit dem Stylus Color 3000 nach. HP brachte seinen ersten Drucker außerhalb des Profibereichs mit separaten Tintentanks, den Photosmart 8250, erst im Jahr 2005. HP arbeitete bis dahin bei Home-Printern nicht mit permanenten Druckköpfen, sondern überwiegend mit solchen, die auf den Tintentanks sitzen und mit jedem Patronenwechsel erneuert werden. Die neuen HP-Drucker, die mit separaten Tintentanks arbeiten, besitzen daher einen permanenten Druckkopf. Der Druckkopf erhät die Tinte über ein Tintenzuführungssystem. Keine ganz neue Idee: Auch Canon startete beim BJC-800 die Single-Ink-Technik mit fest angebrachten Patronen, die über ein Schlauchsystem mit dem Druckkopf verbunden sind. Diese Technik von Canon hat sich jedoch nicht bewährt, da sich in den Schläuchen Resttinte sammelt, die bei langen Druckpausen eintrocknet und die Schläuche verstopft. Deshalb kommt bei den aktuellen Canon-Tintenstrahlern mit separaten Tanks eine Technik zum Einsatz, bei der die verschiedenen Patronen auf dem Schlitten sitzen können. Canons Low-cost-Modelle, die mit Wechseldruckköpfen arbeiten, muten den Verbrauchern noch immer einen Farbkombitank zu. Auch HP entwickelt neben den Individual-Ink-Printing-Modellen die Printerlinien mit integrierten Druckköpfen und Mehrkammerpatronen fort.
Sparsame Reinigung: Nur ein Teil der Tinte, die der Drucker verbraucht, landet auf dem Papier. Einiges geht auch bei den Reinigungsprozessen verloren, die den Druckkopf mit Tinte durchspülen, um eingetrocknete Tinte und Luftbläschen zu entfernen. HP begegnet dieser Tintenverschwendung beim Photosmart 8250 mit einem speziellen Zirkulationssystem: Eine integrierte Pumpe befördert die Tinte, die das Gerät zum Reinigen des Druckkopfes verwendet, zurück in die Patrone. Dadurch steht sie später wieder zum Druck zur Verfügung.
Bidirektionaler Fotodruck: Im unidirektionalen Druckmodus gibt der Druckkopf nur während seiner Bewegung von der Startposition bis zum Zeilenende Tinte ab. Auf dem Rückweg macht er sozusagen eine Druckpause. Um diese Leerlaufzeit zu vermeiden, beherrschten schon die ersten für den Massenmarkt entwickelten Tintenstrahler zusätzlich den bidirektionalen Modus: Der Drucker beschreibt dabei sowohl auf dem Hinweg des Schlittens von rechts nach links als auch auf dessen Rückweg von links nach rechts jeweils eine Druckzeile. Bei jedem Richtungswechsel erfolgt ein Papiervorschub entsprechend einer Zeilenbreite.
Allerdings geht dieser Tempovorteil auf Kosten der Druckqualität, weshalb der bidirektionale Druck über viele Jahre hinweg nur als Entwurfsmodus diente. Vor allem der bidirektionale Farbdruck stellte die Entwickler vor ein riesiges Problem: Da die Farb- und Schwarzdüsen parallel zueinander und in vertikalen Zeilen angeordnet sind, ändert sich mit der Druckrichtung auch die Reihenfolge des Farbauftrags. Bei einer Mischfarbe wie Blau gelangt beispielsweise in einer Zeile zunächst Cyan, in der nächsten dagegen zunächst Magenta auf das Papier. Unschöne Streifen entstehen. Erst 1995 führte HP mit dem Deskjet 660 den bidirektionalen Fotodruck ein, und Canon zog im Jahr 2000 mit dem bidirektionalen, hochqualitativen Fotodruck nach (S600 und S800). Canons Trick bestand aus einem neuen Druckkopf-Design, das statt einer zwei symmetrisch angeordnete Düsengruppen vorsieht. Eine Düsengruppe ist für den Hin-, die andere für den Rückweg des Druckkopfschlittens zuständig. Dadurch bleibt die Reihenfolge des Farbauftrags in jeder Zeile gleich.
Ausblick: Die Druckqualität ist mittlerweile so hoch, dass hier kaum noch Lorbeeren zu gewinnen sind. Deshalb werden die Hersteller ihr Hauptaugenmerk vermutlich auf das Drucktempo richten. Auch die Verbrauchskosten werden Thema bleiben. Denn die Hersteller günstiger Consumer-Tintenstrahler finanzieren die niedrigen Gerätepreise mit Hilfe teurer Tinte - und das wird wohl bis auf weiteres so bleiben.
