Lịch sử hình thành công nghệ in phun Piezo
Máy in phun theo nhu cầu với tinh thể piezo được phát minh trong những năm 1970. Cơ chế chung của các phát minh là sử dụng tinh thể piezo để chuyển đổi điện thành cơ năng làm biến dạng tinh thể Piezo gây ra áp suất cần thiết đẩy các giọt mực ra qua vòi phun. Máy in đầu tiên là của Zoltan[18]
của công ty Clevite hoạt động theo kiểu ép các giọt mực ra ngoài (squeeze mode). Trong loại này một ống rỗng bằng piezo được sử dụng khi điện thế áp vào piezo trong bồn chứa mực bị biến dạng đẩy mực ra ngoài.
Máy in phun PIJ đầu tiên ra thị trường là của Siemens[19]
PT-80 sử dụng kiểu ép. Silonics là công ty thứ hai cho ra đời máy in PIJ tên là Quietype năm 1978 sử dụng kiểu uốn cong. Kiểu uốn cong cũng thường được gọi là bimorph hoặc là unimorph.
Hình 16 Nguyên lý phun mực trong phát minh của Kyser và Sears
độ thay đổi làm lớp này giản nở hơn lớp kia) và sự kích hoạt bằng điện trong lớp piezo (điện trường gây ra lớp này mở rộng ra và lớp còn lại co lại).
Trong khi đó với kiểu unimorph được xây dựng gồm hai lớp: một lớp hoạt động (tinh thể Piezo) và lớp còn lại là thụ động; khi điện trường áp vào lớp hoạt động bị uốn cong kéo theo cả cấu trúc bị thay đổi. Lớp thụ động thường được chế tạo từ vật liệu không phải là tinh thể Piezo. Tóm lại phân biệt chính giữa những phát minh của PIJ là sử dụng hầu hết là kiểu biến dạng của tinh thể piezo, kết hợp với cái cấu trúc của đầu in phun mực.
Phát minh của Stuart Howkins US4459601 của công ty Exxon năm 1984 miêu tả phiên bản kiểu đẩy (push mode) và phát minh của Fischbeck số US4584590 với kiểu kéo (shear mode) đã hoàn thành các loại thích hợp tương ứng với từng loại đầu in. Với kiểu đẩy (push mode) giống như cái bơm đẩy ngược vào thành của bình mực làm biến dạng thành bình và đẩy mực ra ngoài. Trong kiểu kéo biến dạng kéo mạnh trong miếng Piezo kéo biến dạng bình chứa mực. Tóm lại có bốn kiểu để đẩy mực ra khỏi đầu in theo công nghệ in Piezo đó là: biến dạng kiểu ép, đẩy, uốn cong và kéo tinh thể.
Công nghệ in phun Piezo
Hình 17 Phân loại công nghệ Piezoelectronic
Như đã trình bày kỹ thuật theo nhu cầu lợi dụng sự biến dạng của tinh thể piezo dưới tác dụng của điện trường gồm bốn kiểu là ép, đẩy, uốn cong và kéo.Tinh thể Piezo được định nghĩa như là một loại vật liệu khi bị kích thích do điện tích tạo
Drop on demand
Piezoelectronic
Moving Wall
Squeeze
ra thì sinh ra một lực ứng suất hoặc sẽ biến dạng thể tích của Piezo đó. Sự biến dạng này cũng giống như là sự thay đổi hình dạng của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi. Dựa vào tính chất của vật liệu này mà chúng ta có thể có những cách bố trí các tinh thể khác nhau.
Squeeze mode: đây là in phun theo cơ chế ép mực, công nghệ này được thiết kế gồm một tinh thể Piezo và một ống thủy tinh có một nozzle nhỏ hoặc là tinh thể Piezo với ống nhựa có một nozzle nhỏ[21]
. Các ống tròn phân cực cùng với các điện cực cung cấp điện tích trên bề mặt và bên trong của tinh thể. Khi tăng điện áp trong thời gian ngắn thì đầu dò sẽ phân tích nếu phân cực thì đầu dò sẽ cho ra tín hiệu và sẽ gây ra xung điện mạnh tác dụng vào tinh thể.
Điều này làm tinh thể biến dạng và phun ra một lượng mực in bị bắn ra khỏi các nozzle. Một lượng mực tương đối nhỏ sẽ quay lại đầu in vì do áp suất sau khi phun mực ra sẽ bị giảm xuống. Xung điện áp tăng hoặc giảm tương đối chậm nên cho phép đầu dò trở lại trạng thái ban đầu của nó. Do sự thay đổi từ từ này nên áp suất là rất nhỏ để vượt qua áp suất của sức căng bề mặt tại nozzle nên mực được nạp đầy mà không bị ảnh hưởng của áp suất.[22]
Bend mode: đây là đầu in theo cơ chế uốn cong tinh thể, được thiết kế gồm tinh thể piezoceramic dính liền với màng ngăn tạo thành một mảng khi các đầu dò bilaminar nhận tín hiệu điện sẽ làm cong tinh thể để đẩy giọt mực. Dưới đây là các công ty đã ứng dụng công nghệ đầu in này để thiết kế các đầu in Phaser Tektronix 300 và 350 của Epson Color Stylus 400, 600, và 800.[23]
Push – mode: push – mode được thiết kế như hình 17, các thanh Piezoceramic giãn nở ra nó đẩy các giọt mực ra khỏi nozzle. Về lý thuyết Piezodrivers có thể trực tiếp thúc đẩy quá trình hình thành giọt mực trong công nghệ in nay. Tuy nhiên, trong việc thực hiện thực tế, một màng mỏng giữa piezodrivers và mực in được kết hợp để ngăn chặn sự tương tác không mong muốn giữa mực in và vật liệu piezodriver. Việc thực hiện thành công của máy in phun chế độ push-mode được tìm thấy trong các đầu in từ các công ty như Dataproducts, Trident, và Epson.[24]
Hình 19 Chế đ uốn cong Piezo của công nghệ in phun liên tục
Shear – mode: trong cả hai thiết kế Bend – mode và Push – mode điện trường tạo ra giữa các điện cực là song song với sự phân cực của các Piezomaterial. Trong đầu in phun Shear – mode thì điện trường được thiết kế vuông góc với sự phân cực của piezodriver. Trường hợp shear là biến dạng các piezoplater đẩy các giọt mực đi ra ngoài. Trong trương hợp này, piezodrivers sẽ trở thành một tấm chắn hoạt động trong buồng mực. tương tác giữa mực và piezomaterial là một trong những thông số quan trọng của kiểu thiết kế đầu in Shear này. Các công ty như Spectra và xaar là những công ty tiên phong trong việc thiết kế kiểu đầu in Shear – mode.[25,26]
Bảng 2 Những kỹ thuật Piezo phổ iến của m t số công ty
Công ty Kỹ thuật Máy in
Tektronix Bend – mode Tektronix Phaser 350 &380 Sharp Bend – mode Mutoh RJ – 1300 & RJ – 1800
Epson Bend – mode Epson Color Stylus 400, 600 và 800
Dataproducts Push – mode Idanit 162Ad
Spectra Shear – mode Polaroid Dryjet, 3D Actua 2100 Nu – Kote Shear – mode Raster Graphics Piezoprint 5000
Topaz Tecnologies Bend/ Calcomp shear
combination CrystalJet
Thuận lợi và khó khăn của công nghệ in Piezo
Thuận l i: Thích hợp với nhiều loại mực in, tuổi thọ của đầu in cao. Đầu in Micro Piezo bắn giọt mực lên một bề mặt bằng cách áp một xung điện vào phần tử thạch anh để làm biến dạng nó. Việc này tạo nên áp lực, bắn giọt mực ra khỏi vòi phun thay vì phải đốt nóng mực như các công nghệ in khác.
Micro Piezo cho phép định vị hạt mực in chính xác, tạo ra hình ảnh sắc nét và tiết kiệm mực. Nhiệt độ xử lý thấp giúp máy in hoạt động mát hơn và tuổi thọ dài hơn. Micro Piezo đóng vai trò quan trọng trong việc mở rộng ứng dụng công nghệ in phun, như in mực trắng nhiều lớp và in 3 chiều… Nhưng có lẽ đóng góp to lớn của công nghệ này cho ngành in đó là mở đường cho tổng hợp mực in màu.
Khó kh n: Giá thành cho đầu in và các thiết bị phụ trợ cao, hạn chế trong giá cả sản phẩm cuối cùng thấp.
CHƯƠNG III. TỔNG QUAN MỰC IN