Исторический пасьянс открытий, предшествовавших собственно изобретению струйной печати, может быть разложен по-разному, о чём наглядно свидетельствуют примеры такого рода интроспекций, предпринятых в уже опубликованных работах и книгах.
Струйная печать не была изобретена в один день, она стала результатом череды фундаментальных открытий в таких областях, как физика и гидродинамика. Чтобы чернильная капля нужного размера оказалась в нужное время в нужном месте бумажного листа или ткани, лучшим умам человечества пришлось разгадать немало тайн гидравлики, акустики, термодинамики, электричества и молекулярной химии. Надеемся, что наш краткий экскурс поможет лучше понять всё многообразие подходов и решений, лежащих в основе этой технологии.
От стилуса до чернильного самописца
Техники окрашивания и декорирования ткани и одежды постоянно развивались, получая импульсы от наших изобретательных предков. От людей древности, украшавших одежду простейшими узорами, до красильщиков тканей Персии и Индостана и древнеегипетских писцов и рисовальщиков, чьи тростниковые перья (ок. 2500 г. до н. э.) стали прообразом струйных систем. От мастеров каллиграфии Месопотамии и Китая (ок. 2000 г. до н. э.), впервые добавивших в чернила из сажи связующие из растительных смол (гуммиарабик и т. п.), до греков — к примеру, отца пневматики Ктесибия, Архимеда и изобретателя прообраза СНПЧ Филона Византийского (III век до н. э.) и, наконец, создателя паровой турбины Герона (I век н. э.), который в своём трактате «Пневматика» описал устройства, которые можно назвать ранними прототипами струйных принтеров.
Прежде чем физики научились управлять полётом капли, переписчики, алхимики и мастера-ремесленники Cредних веков создали множество рецептов чернил и красок. Без этого многовекового опыта сопла современных принтеров забивались бы ещё до начала печати. Задолго до того, как физические открытия привели к возможности создания технологии струйной печати, Леонардо да Винчи усовершенствовал печатный станок Гутенберга и заполнил свои рабочие тетради сотнями эскизов движущейся воды, изучая турбулентность и динамику струй.
В начале XV века мир ещё не знал формул для описания динамики жидкостей, но последователь Галилея Бенедетто Кастелли (1577–1644) и его ученик Эванджелиста Торричелли (1608–1647) уже проделали работу, которая заложила основы теоретического фундамента гидравлики, построение которого через столетие завершили в Санкт-Петербургской академии наук Даниил Бернулли и его коллега Леонард Эйлер, создавший общие уравнения гидродинамики идеальной жидкости (1755).
Тем временем (в 1740-х годах) французский аббат и по совместительству физик-энтузиаст и член Парижской академии наук Жан-Антуан Нолле демонстрировал в парижских салонах и даже при королевском дворе свои эффектные электрические опыты.
Можно сказать, что первые эксперименты по управлению потоком капель с помощью электричества относятся к 1749 году, когда аббат Нолле опубликовал свои исследования о влиянии статики на поток капель. Также он обнаружил, что электрический заряд может преодолевать силы поверхностного натяжения, «разбивая» жидкость на мелкие фракции. Это явление сегодня называется электродинамическим распылением.
Нолле отмечал в своих «Лекциях по фундаментальной физике» такой эффект: если из узкой трубки вода вытекает по каплям, то при подаче заряда на саму жидкость капли начинают отделяться гораздо быстрее. Но самым знаменитым был его опыт с 200 монахами, державшимися за кольцо из проволоки длиной в милю — при разряде через цепь лейденской банки все они синхронно дёрнулись и отпрыгнули, из чего аббат сделал вывод: электрический ток очень быстр.
К фундаментальным основам, предвосхитившим разработки струйной печати, относят также и другие открытия. Это открытие электромагнетизма Майклом Фарадеем (1831), работы Феликса Савара (1833) и Жозефа Плато (1873), которые исследовали образование капель и поверхностное натяжение.
В 1832 году (за пять лет до Морзе) Павел Шиллинг создал и продемонстрировал в Санкт-Петербурге первый в мире практически пригодный электромагнитный телеграф («дальноизвещающую машину»), доказав, что импульс тока может управлять механизмами в практических целях. Позднее Якоби и Морзе оборудовали телеграф пишущим элементом (перо с чернилами).
Следующий шаг на пути к струйной печати был сделан в 1867 году: Уильям Томсон, объединив идеи Шиллинга и Нолле, создал сифонный самописец. В нём использовалась трубка, из которой под действием электростатики выталкивались чернила, рисовавшие график поступающего сигнала не касаясь бумаги. Это был первый в истории работающий струйный «принтер».
Позднее распад струи на капли под действием поверхностного натяжения был математически описан исследователем из Кэмбриджа лордом Рэлеем в работе «О неустойчивости струй» (1878). К пониманию природы этого явления нас, кстати, ещё более приблизили недавние исследования группы голландцев под руководством Стефана Коойя, опубликованные в прошлом году в Physical Review Letters. В целом можно говорить о том, что формулы лорда трансформированы в коде современных контроллеров струйных принтеров, а эффект неустойчивости Плато, который проявляет себя, заметим, и в невесомости, лежит в основе каплеобразования печатными головками.
На службе связи
После изобретения телеграфа в странах Европы и Северной Америки распространились проводные передающие сети. Неудивительно, что возникла идея связать таким оперативным способом Старый Свет с Новым. Вскоре появился и план строительства телеграфной кабельной линии между США
и Европой через Аляску, Берингов пролив и Сибирь. Однако план британцев по прокладке подводного трансатлантического кабеля, даже несмотря на то что первые попытки закончились неудачей, выиграл у транссибирского варианта.
Успешная укладка трансатлантического кабеля была произведена с четвёртой попытки с помощью судна Great Eastern, самого большого в мире корабля того времени (1866), который был переоборудован для перевозки более 500 членов экипажа и провизии, более 8000 тонн угля и более 2700 миль кабеля общим весом более 5000 тонн.
Трансатлантический телеграф заработал, и на станциях связи Старого и Нового света застрочили чернильные регистраторы, фиксирующие переданный сигнал на бумаге. Однако возникла проблема — сигналы были столь слабы, что не могли как следует привести пишущие перья в движение.
К решению задачи был привлечён уже задействованный в проекте британский физик Уильям Томсон, усовершенствовавший ранее проложенный по дну Атлантики кабель.
Британский физик Уильям Томсон усовершенствовавший проложенный по дну Атлантики кабель: заменил стальное перо на тонкую стеклянную трубку-капилляр
Будущий лорд Кельвин (королева Виктория даровала учёному титул за инженерный вклад в проект) заменил стальное перо на тонкую стеклянную трубку-капилляр (сифон), один конец которой запитывался в чернильнице, другой был направлен на движущуюся бумажную ленту, но не касался её. Трубка соединялась с катушкой, подвешенной в магнитном поле, и, когда слабый ток из океанского кабеля проходил через катушку, она отклоняла сифон вправо или влево и он рисовал чернилами волнистую линию.
Чтобы «выстреливать» чернилами из тонкой трубки, Кельвин использовал принцип статического электричества. Это была первая в мире бесконтактная печать и первая реализация Continuous Inkjet. В этой работе Кельвина, создавшего, по сути, первый в истории струйный протопринтер, встретились идеи Шиллинга и Савара. Устройство называлось сифонный регистратор (Siphon Recorder). На своё изобретение будущий лорд, кстати, предусмотрительно получил патент (UK patent 2147/1867). От этого изобретения до современных струйных принтеров по меркам истории рукой подать. В 1880 году Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектрический эффект. Их эксперимент заключался в измерении зарядов, возникающих на специально подготовленных кристаллах, которые подвергались механическому воздействию. В 1881 году Липпман математически вывел обратный пьезоэлектрический эффект. Братья Кюри немедленно подтвердили его существование. Приближался XX век.
От кардиограммы до цветопробы
В 1931 году австрийский инженер и физик Александр Мейснер (Alexander Meißner) подал патентную заявку (US Patent 1,804,838), описывающую использование пьезоэлектрического эффекта для управления движением механических частей. Это заложило практический фундамент для технологий,
которые спустя десятилетия использовались для создания современных струйных печатающих головок. Мейснер был автором многочисленных публикаций по явлению пьезоэлектричества и обладателем более 200 патентов, часть которых приобрёл консорциум компаний AEG, Siemens & Halske, Telefunken и Feiten & Guilleaume.
В 1948 году шведский врач и изобретатель Руне Элмквист из компании Elema-Schönander (позднее Siemens-Elema) разработал и в 1951 году запатентовал первое струйное устройство (патент США 2566,433), которое было основано на рэлеевском разрыве. Вместо непрерывного потока чернил, как в сифонном самописце, теперь на бумагу выбрасывалась непрерывная череда капель.
Элмквист разработал прибор под названием мингограф (Elema Mingograf), первый струйный электрокардиографический принтер. Поток капель в нём формировался из стеклянного капилляра длиной 3 см и диаметром 100 мкм, заканчивающегося сопловым отверстием 15 мкм. Mingograph мог регистрировать сигналы с частотой до 1,25 кГц. Фактически это был первый современный аппарат струйной печати, появившийся на рынке. К слову, в 1958 году Элмквист разработал и первый в мире имплантируемый кардиостимулятор.
Одними из первых современных разработок в области струйной печати также считаются исследования Р. Г. Свита в Стэнфордском университете в начале 1960-х годов. По контракту с войсками связи армии США, Свит разработал технологию селективной зарядки и отклонения отдельных капель чернил, что позволило увеличить скорость записи для струйных самописцев. Проект Свита назывался «высокочастотный осциллограф прямой записи». Заряженные капли отклонялись при прохождении через электрическое поле, образуя изображение на подложке, незаряженные падали в жёлоб и попадали в систему рециркуляции. Этот процесс сегодня известен как непрерывная струйная печать (US Patent 3596,275).
В 1968 году фирма A. B. Dick на основе патента Льюиса-Брауна 1964 года (US Patent 3298,030) произвела Videojet 9600 — первый коммерчески доступный принтер струйной печати. Эту разработку впоследствии подхватила VideoJet Technology. Другой компанией, активно работающей над разработкой струйной технологии, была Sharp, выпустившая свой принтер Jetpoint в 1973 году. Тогда же представила свой струйный принтер под маркой DIJIT компания Mead. Его печатающая головка использовала 512 сопел, обеспечивая разрешение 100 npi (nozzle per inch, число дюз на кв. дюйм) с частотой генерации капель 12 кГц. После приобретения компанией Eastman Kodak в 1983 году Mead стала подразделением под названием Diconix, которое спустя ещё десять лет было продано израильской Scitex.
Свой вклад в разработки в этой области внесла и IBM, которая лицензировала технологию у AB Dick и Mead, что привело к появлению в 1976 году струйного принтера IBM 6640. Ещё одна реализация технологии струйной печати связана с именем Карла Хельмута Герца. В 1970-х годах он работал аспирантом на кафедре ядерной физики Лундского университета в Швеции и внёс большой вклад в разработку методов ультразвуковой диагностики сердца, что вызвало потребность в разработке техники, пригодной для печати результатов в виде цветных отпечатков струйным способом.
Герц разработал свой метод электрического управления мельчайшими каплями чернил при струйной печати, который позволял наносить одну точку на лист бумаги примерно за одну миллионную долю секунды. Размер пикселя составлял 0,1×0,1 мм с изменяющейся насыщенностью (градациями полутонов) в каждом пикселе.
В 1977 году компания Applicon приобрела у него лицензию на эту технологию струйной печати и представила свой первый цветной широкоформатный струйный принтер. Эти методы также были позднее использованы компанией Stork, известной на рынке текстильной печати, и фирмой Iris Graphics, основанной выходцами из Applicon, которая стала выпускать принтеры для изготовления высококачественных полиграфических цветопроб. В 1985 году поступил в продажу принтер Iris*, способный печатать на бумаге форматом 864×1118 мм, обусловленным размером цилиндра, с разрешением 300 dpi. В 1990 году этот бизнес отошёл к Scitex, а в 2000-м — к Creo.
Продолжение следует
P.S. Эти заметки позволяют лишний раз убедиться в том, что, как правило, технологии создаются для более серьёзных применений, чем просто печать красивых картинок. Изобретения, предшествовавшие современным струйным технологиям, использовались для решения задач связи, маркировки, медицины и много другого. В следующей части доберёмся до печати на текстиле.
*С конца 1980-х годов принтеры Iris использовались в качестве устройств цифровой печати для создания произведений изобразительного искусства. Многие печатники, фотографы, художники
и инженеры оценили преимущества использования этого промышленного принтера для создания высококачественных цветных репродукций.
Александр Шмаков
