Попадание в струю: принтеры не только для чернил

Лазерная (точнее, сухая электрографическая — ведь источником света для формирования электрического заряда на фотобарабане могут выступать не только лазеры) печать превалирует в мировом масштабе — хотя и не подавляющим образом. По оценке Global Market Insights, в 2024 г. из общего объёма глобального рынка печатающих устройств в 75,1 млрд долл. США на струйные принтеры различных типов приходилось 22,0 млрд — почти 30%. Учитывая же, что домашний/офисный струйный принтер обыкновенно дешевле лазерного (это не совсем верно для устройств с системами непрерывной подачи чернил, СНПЧ, но они формируют довольно специфичную нишу), можно предположить, что поставляемые в мировой канал продаж количества тех и других вполне сопоставимы. В России же ситуация принципиально иная: за первый квартал текущего года, как подсчитали в ITResearch, из 286 тыс. реализованных в стране принтеров и МФУ на лазерные пришлось 260 тыс. единиц, то бишь струйные устройства печати в общем объёме продаж не составляют у нас и 10%. В то же время по итогам 2021 г. струйные модели в количественном выражении образовывали 27% российского рынка печатающих устройств, почти как по миру в целом; популярность их аналитики объясняли не только сравнительной дешевизной, но и готовностью печатать в цвете — что обеспечивало заведомое преимущество в глазах потребителей: в тех ценовых стратах, где такого рода аппараты были представлены, электрографических цветных устройств печати не было и в помине.

Сам факт, что сегодня в России на цветные модели приходится не более 10% продаж (по количеству) всех принтеров и МФУ, подтверждает, что перспективы роста у этого подкласса устройств печати есть, вот только, очевидно, нет у потенциальных покупателей желания выкладывать за цветные электрографические аппараты чрезмерные суммы; особенно после того, как многие успели испробовать дома и в офисе фотопечать не только на четырёх-, но и на шестицветных струйниках, в том числе с СНПЧ. Однако раз целевая аудитория для увеличения продаж струйных устройств печати по меньшей мере в 2-3 раза явно есть, а ИТ-импортозамещению сегодня уделяется самое пристальное внимание, в том числе со стороны государства, почему лазерные принтеры в России выпускают (с какой фактической степенью локализации и насколько крупноузловая там идёт сборка — вопрос особый), а струйные — нет? Неужели так трудно освоить технологию выброса крохотных чернильных капелек через миниатюрные форсунки — технологию, которой в применении именно к сопрягаемым с компьютерами системам печати уже около полувека?

Мингограф конструкции Элмквиста, серийный образец рубежа 1950-х — 1960-х (источник: Carlotta)

⇡#Капля по капле

В классической работе 1878 г. «К вопросу о нестабильности потоков жидкости» лорд Рэлей (Lord Rayleigh, F.R.S.) описал дробление ламинарной (непрерывной) струи при определённых условиях, однако практических приложений его исследование долго не находило. Прошло семь с лишним десятилетий, пока шведский инженер Руне Элмквист (Rune Elmqvist) — кстати, разработчик первого в мире вживляемого кардиостимулятора — в 1948 г. придумал, а в 1951-м запатентовал устройство печати, основанное на принципе переноса изображения на бумагу или иную поверхность вытекающей через тонкую трубку струёй чернил; правда, пока без разделения её на капли. Специфика профиля работы Элмквиста с медицинской техникой определила и область применения первого струйного принтера: был он аналоговым — в том смысле, что управлялся непрерывным электрическим сигналом, отклонявшим поток чернил, что вытекали из стеклянного капилляра, — и использовался для фиксации электрокардиограмм на длинной бумажной ленте. И лишь в середине 1960-х Ричард Свит (Richard G. Sweet) из Стэндфордского университета усовершенствовал предложенную Элмквистом систему, перейдя от ламинарной струи чернил к потоку непрерывно испускаемых дискретных капелек, полёт которых от единственной форсунки до бумажной подложки контролировало электрическое поле. Поток этот формировался — как раз по заветам лорда Рэлея — приложением к форсунке переменного высокочастотного механического давления, причём капли заряжались на выходе из её сопла избирательно, что и давало возможность создавать содержащее информацию изображение. Заряженные капли отклонялись в электрическом поле и уходили в каплеулавливатель — коллектор для сбора и рециркуляции; остававшиеся же нейтральными попадали по расчётной траектории на бумагу, формируя на ней точки будущего рисунка.

Пример строк текста, сформированных IBM 6640 с использованием одного из штатных пропорциональных шрифтов: качество вполне на высоте (источник: Wikimedia Commons)

К тому времени компьютеры — пока ещё далеко не персональные — уже начали уверенно проникать в коммерческие офисы и научные лаборатории по всему миру, так что на основе технологии потоковой — не путать с непрерывной; тут речь именно о постоянном потоке дискретных капель — струйной печати (continuous inkjet printing) Свита ведущие ИТ-разработчики мира принялись создавать печатающие устройства вывода для вычислительных машин. Такие, как появившаяся в 1976 г. модель IBM 6640: уже с возможностью печати на конвертах, с поддержкой нескольких пропорциональных шрифтов (а не только фиксированных по ширине литер) — но всё ещё с одной-единственной форсункой. Более того, чтобы предотвратить появление паразитных следов на бумаге, за одной незаряженной каплей форсунка IBM 6640 выпускала сразу несколько заряженных, которые отклонялись электрическим полем в коллектор, — это приводило к дополнительному снижению и без того невеликой скорости печати. Выходило, что немалых размеров машина — с пару типичных письменных столов в ширину и высотой с небольшой комод, — формируя 117 тыс. чернильных капель в секунду, была способна выводить печатный текст — точка за точкой, строка за строкой — со скоростью лишь 92 символа в секунду.

Правда, это всё равно ощутимо превышало предел возможностей множества механических устройств вывода того времени, в частности телетайпов; да и качество печати однофорсуночный струйник обеспечивал достойное: каждая литера представляла собой изображение, закодированное в матрице 24×40 точек, тогда как владельцам других аппаратов схожей конструкции приходилось довольствоваться весьма грубыми символами, формировавшимися 35 точками максимум (5×7). «Мозгом» IBM 6640 выступал встроенный микропроцессор, который как раз и отвечал за разложение отправляемых на печать литер на последовательность строк из отдельных точек, а затем управлял как подачей чернил и избирательным заряжением выходящих из сопла капель, так и работой механизма, благодаря которому бумажный лист-мишень по завершении строки прокручивался ровно на ширину одиночной точки. Встречались и более экзотические идеи — непрерывная струйная печать с термической активацией каплеобразования, например. Впрочем, уже ближе к концу 1970-х разработчики печатающей техники пришли к выводу, что использовать для печати плотный поток слишком уж медлительно и неэкономично, даже с учётом рециркуляции попадавших в каплеулавливатель чернил, и потому взялись за создание узлов формирования капель по требованию (drop-on-demand inkjet), дабы вовсе исключить нецелевое использование чернил.

Принципиальные схемы действия пьезоструйной (слева) и термоструйной печатающих форсунок (источник: Wikimedia Commons)

Изрядно понаторевшим в работе с капиллярами инженерам было уже к тому времени в целом ясно, как заставить миниатюрную форсунку выдавать чернильную каплю строго в указанное время — и удерживать ту в себе, если формировать очередную точку не требуется. В отверстии (на срезе) заполненного жидкостью канала крайне малого диаметра принципиальную роль играет поверхностное натяжение: сама эта сила надёжно удерживает чернила от вытекания даже в том случае, если отверстие направлено вертикально вниз — для сравнительно малого объёма жидкости действующая на него сила тяжести не в состоянии оказывается преодолеть поверхностное натяжение. Однако стоит приложить с тыльной по отношению к срезу стороны некое дополнительное дискретное усилие, как определённое количество жидкости выдавится наружу в виде капли — после чего, едва усилие будет снято, поверхностное натяжение вновь вернётся в свои права, и новая капля из форсунки сама по себе не выйдет. Такой дискретный, или импульсный, подход позволяет выстраивать рядком сразу несколько форсунок и уверенно управлять каждой по отдельности, не опасаясь паразитных наводок от внешних отклоняющих электродов, — и тем самым формировать на бумаге за один проход печатающей головки не единичную строку точек, а множество, заметно ускоряя процесс струйной печати.

Оставалось лишь определиться с тем, каким именно способом создавать дополнительное давление на чернила в форсунке, чтобы выталкивать из той более или менее стандартизированные по размерам капли. Способов, собственно, отыскалось два: пьезоструйный (механическое давление за счёт изгиба меняющего форму под воздействием тока актуатора) и термоструйный (давление расширяющегося при нагревании в узком канале объёма тех же самых чернил). Они и дали начало двум соперничающим до сих пор веткам развития струйных принтеров.

⇡#Давить или греть?

В конце 1970-х компания Siemens представила вычислительный терминал PT80i (Printer Terminal 80 Inkjet), неотъемлемой частью которого — собственно, средством вывода данных (для ввода же использовалась механическая клавиатура) — стал импульсный струйный принтер с дюжиной форсунок, чернила из которых выталкивали по каплям пьезоэлектрические актуаторы, обеспечивая скорость печати до 270 символов в секунду. Принцип действия таких актуаторов довольно прост: компактные образцы некоторых материалов меняют геометрический размер под действием прилагаемого электрического напряжения. Биморф — прочно соединённые между собой пластины пьезоэлектрика и не обладающего такими свойствами материала — будет под воздействием такого напряжения изгибаться, причём весьма точно контролируемым образом (что находит немало применений в MEMS-системах, а не только в печатной отрасли). Интересно, что, хотя Siemens оказалась пионером в области пьезоструйной печати, её терминал не завоевал широкой популярности, в частности потому, что выход из строя печатающего узла делал его весь практически бесполезным, — устройство не предусматривало возможности подключения внешнего средства вывода данных (хотя бы пресловутого телетайпа). Поэтому до середины 1980-х, когда уже Epson анонсировала свой первый коммерческий пьезоструйный принтер SQ-2000, как раз представлявший собой обособленный от всей прочей функциональности печатный агрегат, эта технология дискретной чернильной печати оставалась по сути заброшенной.

Сопла термоструйных печатающих головок изготавливают, в частности, из полиимидных либо стальных пластинок методом лазерной абляции, что позволяет формировать отверстия сложной внутренней структуры с выходным диаметром 30, 20 и даже 10 мкм (источник: Le Technologies, Inc.)

А тем временем практически одновременно инженеры в Canon и Hewlett-Packard заметили, что нагретые чернила в целом сохраняют свои свойства, попадая на бумагу, — и что нагрев этот чрезвычайно просто осуществлять внутри печатающей головки, прилагая напряжение к миниатюрными резисторам с высоким электрическим сопротивлением. (Забавна одна из историй этого открытия: сотрудник 22-й лаборатории Canon Product Technology Research Institute по фамилии Эндо (Endo) в июле 1977 г. по неловкости коснулся разогретым паяльником металлического капилляра с чернилами внутри — после чего из открытого конца трубки моментально вылетела капля; к счастью, инженер оказался небоязливым и смекалистым — и сразу же оценил потенциал обнаруженного им эффекта.) Короткий импульс тока нагревает термоэлемент, прилегающий к нему тонкий слой чернил мгновенно вскипает, образуется стремительно расширяющийся пузырёк — причём физические его параметры, такие как максимальный объём и скорость расширения, напрямую определяются характеристиками как термоэлемента, так и самих чернил.

Здесь, кстати, кроется объективное обоснование неустанно повторяемых вендорами принтеров/МФУ фраз об отсутствии гарантии качества отпечатка при использовании не оригинальных, а всего только совместимых чернил: имеется в виду, что если химический состав «совместимки» отличается от исходника (а покуда последний всё ещё защищён патентом, не быть хотя бы мелких отличий не может), то физика взаимодействия такой жидкости с нагревательным элементом априори отличается от расчётной, т. е. капля из форсунки — точнее, из её сопла — вылетает с несколько иным импульсом, отсюда и отсутствие гарантии. И к пьезоструйным печатающим головкам применимы схожие рассуждения: от состава чернил зависят их плотность и вязкость; толчок, сообщаемый капле биморфом, рассчитан для соответствующих параметров оригинальных чернил, и, если применять неоригинальные, тоже получаем на выходе каплю с нештатным импульсом. Другой вопрос, что тщательный подбор совместимых чернил способен свести разницу в поведении с оригинальными если не к нулю, то к пренебрежимым на практике величинам, но это уже разговор особый.

Отметим, что дополнительную привлекательность нарождающемуся направлению термоструйной печати придала возможность формировать эти нагревательные микроэлементы с применением тех же самых технологий, которые использовались и для изготовления компонентов интегральных вычислительных схем, что создавало отменные перспективы для дальнейшей их миниатюризации. Соперничество двух компаний на этом направлении привело к почти одновременному выходу в свет в середине 1980-х термоструйных Canon BJ-80 и HP ThinkJet, ориентированных на уже довольно широкий в те времена рынок пользователей персональных компьютеров — как офисных, так и домашних. Важнейшим аргументом в их пользу сразу же стала небывало низкая — по сравнению с лазерниками — цена: если струйная модель с подключением к ПК обходилась американскому покупателю менее чем в 500 долл. без учёта местных налогов, то за настольный лазерный принтер сопоставимого класса требовалось выкладывать уже 3,5 тыс. долл., — разница налицо. Бесспорно, и по скорости работы, и по разрешению (96 точек на дюйм у первых моделей HP ThinkJet против характерных уже в те годы для простейших лазерников 300 dpi) струйные устройства персональной печати уступали, но их доступность искупала решительно всё.

Пьезоструйная четырёхцветная печатающая головка в полную ширину листа А4 — настоящее произведение инженерного искусства: 33,5 тыс. форсунок в 36 блоках выстроены диагональными рядами так, что паспортное разрешение единичного блока в 333 dpi трансформируется в фактически достижимое 600×1200 dpi (источник: Epson)

Вдобавок со временем струйные технологии стали избавляться от детских болезней: объём единичной капли поступательно уменьшался (актуальный на сегодня минимум — около 1,5 пиколитров, т. е. шарик порядка полутора десятков микрометров в диаметре), печатающие головки научились оперировать каплями разных объёмов (от тех же 1,5 пл до десятков пиколитров — технология variable sized droplet, VSDT) и/или размещать эти капли на листе не в узлах воображаемой строго прямоугольной сетки, а со смещением, — тем самым появилась возможность менять насыщенность оттенков и создавать тонкие полутона, оперируя весьма ограниченным набором базовых цветов. Вместо небольшой печатающей головки, что мечется влево-вправо над протягиваемым под ней листом бумаги, в ряде случаев применяют весьма протяжённую головку шириной во весь лист — это позволяет достигать скоростей печати до 100 стр./мин при разрешении 600×1200 dpi. Особенно широки возможности цветной струйной печати: здесь применяют чернила на водной и на пигментной основе (у каждого варианта — свои плюсы и минусы), количество базовых цветов может варьироваться от четырёх (прежде были и трёхцветные машины, без отдельного чёрного картриджа) до дюжины, перед нанесением чернил на бумагу её порой — с применением той же самой печатающей головки — покрывают особым составом (precoat fluid) для ускорения фиксации цветных капель, чтобы не допускать паразитного смешивания, и т. д.

⇡#Не только чернила

Словом, хотя современная струйная печать и уступает сухой электрографической по скорости — речь сейчас о бытовых и офисных принтерах без гигантских головок во всю ширину листа, — привлекательными для множества как частных, так и корпоративных/бюджетных заказчиков струйники делают сравнительно низкая цена печатающего устройства, чернил и сменных компонентов (да, ту же головку приходится время от времени менять, одной прочисткой от засохших чернил её обслуживание не ограничивается) в сочетании с возможностью создавать довольно высококачественные цветные отпечатки — не обращаясь в специализированную мини-типографию, чаще всего, кстати, оснащённую тоже струйными машинами, но классом повыше. Почему же тогда звезда домашней/офисной струйной печати в России практически закатилась три с половиной года назад, хотя до тех пор эта категория устройств неторопливо, но уверенно набирала популярность? И отчего импортозаместить (моделями локальной сборки либо закупаемыми у вендоров из КНР) лазерные принтеры к настоящему времени удалось в значительном объёме, а струйники — со всеми их бесспорными достоинствами — вдруг оказались недоступны, кроме как по параллельному импорту? В конце концов, если термо- и пьезоструйные устройства под марками Canon, Epson или HP всё равно выпускаются по большей части на материковых китайских предприятиях, в точности так же, как и лазерные, почему изготовление первых независимые мастера из Поднебесной толком никак не освоят (хотя попытки есть), а вторых — сколько угодно?

Причин здесь немало, начиная с чисто юридических: срок действия изначального патента Xerox на сухую электрографическую печать давно истёк, тогда как право интеллектуальной собственности на разработки ведущих компаний в области струйной печати по-прежнему защищено — да, к исходной версии оно уже может быть неприменимо, но проприетарные эти технологии непрерывно совершенствуются и патентуются заново. Есть загвоздки и чисто прикладного характера: современные струйные печатающие головки настолько сложны по конструкции, что изготавливают их нередко по технологиям, характерным для миниатюрных электромеханических систем (micro-electro-mechanical systems, MEMS). К примеру, в случае пьезоструйной головки тонкий слой пьезоэлектрического материала осаждают на кремниевый субстрат с последующим травлением по шаблону, — именно так удаётся выдерживать субмикронную точность как габаритов самих каналов для прохождения чернил, форсуночных сопел и биморфных актуаторов, так и взаимного расположения десятков форсунок в едином блоке. Возможно ли создать альтернативное производство печатающих головок — адекватного современным запросам пользователей качества, а не с разрешением 96 dpi, заметим, — отыскав для начала не защищённый патентами вариант либо пьезо-, либо термоструйной технологии? С инженерной точки зрения — наверняка да, однако это потребует колоссальных вложений в НИОКР и в фабричные линии, что с учётом уже фактически поделенного между существующими производителями мирового рынка струйной печати представляется экономически нецелесообразным. Если собственные микропроцессорные производства государства будут целенаправленно развивать, не считаясь с затратами времени и средств, поскольку здесь на кону стоит сама возможность обретения подлинного цифрового суверенитета, то при наличии вполне доступной (на корпоративном/бюджетном уровне) цветной лазерной печати вбухивать сотни миллионов в проект, который через несколько лет (возможно!) позволит каждому желающему поставить у себя дома шестицветный струйник с СНПЧ по-настоящему местного производства, чтобы выводить на печать, не бегая для этого в фотосалон через улицу, сгенерированные ИИ на настольном компьютере картинки с котиками в смешных шляпах, — ну… такое.

Микроконтакты в виде зерни (solder bumps), изготавливаемые методом струйной печати из расплавленного припоя: (a) — на корпусе микросхемы, (b) — на головке чтения/записи магнитного дискового накопителя (источник: MicroFab Technologies)

В известном смысле офисная струйная печать — живой пример того, как сомнительная рыночная стратегия, выбранная ведущими игроками, сдерживает развитие отрасли в целом. Струйный сегмент глобального рынка печати на первый взгляд трудно назвать олигополией: на трёх ведущих его игроков (упоминавшиеся уже не раз Canon, Epson и HP) приходится, по оценке Future Market Insights, лишь 13% его в денежном выражении; на следующих двух — Brother и Ricoh — ещё 8%, первая десятка в целом занимает только 25% этого сегмента, а следующая за ней двадцатка — ещё 43%. А вот в количественном выражении, судя по данным IDC, ситуация разительно иная: HP по поставкам принтеров в штуках за IV кв. 2024 г. занимала более 34% рынка, Epson — свыше 25%, Canon — 20% с лишним, Иными словами, как раз в наиболее бюджетном сегменте домашней/офисной печати наблюдается фактически олигополия, порождённая избранной ведущей тройкой вендоров ещё десятилетия назад стратегией: «продавать сами принтеры по себестоимости, если не ниже, а прибыль получать за счёт реализации оригинальных расходников», — в результате условный набор из четырёх картриджей для обычного струйника (без СНПЧ!) продают в розницу в США почти за 125 долл., тогда как самому вендору он обходится менее чем в 10 долл. Отсюда и чипирование картриджей, и беспощадная борьба с «совместимкой», и запланированный выход принтеров из строя (planned obsolescence) — всё ради удержания высокой прибыльности для производителя при обманчиво низкой цене первой покупки для пользователя. Навряд ли аналогичный подход оправдает себя на локальных рынках, где объёмы закупок заведомо ниже, а антимонопольный контроль жёстче.

Впрочем, есть у струйной технологии немало иных применений, за исключением переноса красителей на бумагу, ткань либо полимерную плёнку, — и вот по этим направлениям, вполне вероятно, локализация соответствующих технологий с привлечением бюджетного финансирования производиться всё-таки будет. Нет, речь не о пищевой печати — украшающие вычурными картинками тортики кондитеры как раз прекрасно обойдутся импортными решениями. А вот изготовление тех же самых MEMS для разнообразных высокотехнологичных устройств, или же интегральных схем из полностью полимерных транзисторов (одна из операций там подразумевает проделывание колодца сквозь 500-нм слой поливинилфенола, и это оказывается проще всего делать, выбрасывая из форсунки специального принтера капля за каплей быстросохнущий растворитель), или же молекул ДНК методом высокопроизводительного микроузлового синтеза (high-throughput microarray DNA synthesis) — дело другое. Не забудем также, что в развитии 3D-печати, в том числе в биопечати тканей для регенерационной медицины, немалую роль сыграли как раз наработанные в процессе создания струйных принтеров технологии. Струйную печать применяют для формирования токоведущих дорожек на малосерийных монтажных платах, фильтрующих/сепарирующих химические вещества мембран и т. д. Словом, потенциал развития у неё совершенно точно имеется, вот только в широко доступных рядовому потребителю импортозамещённых домашних принтерах и МФУ он навряд ли в обозримом будущем воплотится.