Инфотроник

Научный подход к восстановлению струйных картриджей на примере HP 629A

На протяжении 1990х, струйные принтеры заняли существенную часть рынка принтеров. По мере распространения этой новой технологии, индустрия перезаправки и восстановления тоже стала стремительно расти. Сегодня тысячи компаний по всему миру заняты заправкой струйных картриджей, считая это своим главным бизнесом
Печатающая головка струйного картриджа есть, фактически, высокотехнологичный продукт и все еще подвергается серьезным переработкам с точки зрения улучшения материалов, конструкции и чернил. По этим причинам, успешная перезаправка струйных картриджей все сильнее требует тщательной заботы и бережного обращения с пустыми картриджами. Опытные заправщики могут подтвердить, что было гораздо проще получить хорошие результаты при заправке картриджей ранних моделей и конструкций, таких как Hewlett-Packard 626A, чем с более поздними моделями (629, 614 и другими), которые используют пигментные чернила.
В последние годы ряд технических публикаций дали детальную информацию по основным принципам и устройству струйных принтеров, печатающих головок и чернил и тем самым внесли важный вклад в понимание струйных технологий, используемых сегодня. Задача этой работы - расширить существующие знания путем прояснения взаимозависимости между различными способами восстановления картриджей и соответствующими результатами при печати. Я буду использовать картридж 629A в качестве примера.
Результаты, обсуждаемые в этой работе, основаны на моем опыте восстановления боле 200,000 струйных картриджей (в основном Hewlett-Packard 629A) также, как на многих годах научных исследований дефектных термоструйных печатающих головок разных струйных картриджей.
Представление элементов конструкции 629 печатающей головки
Снаружи 629 картриджа вы можете видеть только электрические контакты и золотую плату сопел снизу картриджа (Рисунки 1 и 2).


Рисунок 1: Микрография 629 печатающей головки, полученная с помощью стереомикроскопа. Плата сопел (Nozzle Plate) имеет толщину 80 микрон и сделана из золота, очень устойчивого к коррозии металла. Размеры показаны белыми линиями. Плата сопел приклеена и накрывает собой печатающую головку.


Рисунок 2: Плата сопел (Nozzle Plate) имеет два ряда по 26 печатающих сопел каждый (см.стрелки)
Эти части хорошо известны каждому заправщику. Так как детали струйного картриджа слишком малы для невооруженного глаза, микроскопия очень полезна для понимания устройства печатающей головки (Рисунок 3).
Рисунок 3: Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) показывает детали Рисунка 2. Этот мощный инструмент позволяет увеличение до 200,000 и более. СЭМ - микрографии всегда черно-белые.
Рисунок 4: Деталь Рисунка 3 с большим увеличением показывает, что каждое отверстие сопла имеет диаметр 40 микрон. Правильная окружность вокруг сопла, очевидно, является частью процесса производства.
Рисунок 5: Стереомикрография печатающей головки после удаления золотой платы сопел (см также Рисунок 2). Элементы печатающей головки находятся внутри белого прямоугольника. Медные провода (copper conductors) напрямую соединяют печатающую головку с электроникой принтера через контакты снаружи (сзади) картриджа.




Рисунок 6: СЭМ-микрография показывает те же детали печатающей головки, что и на Рисунке 5.
Для большего увеличения и рассмотрения поверхности с большим разрешением сканирующая электронная микроскопия, пожалуй, самый подходящий инструмент. Как пример, сравните СЭМ-микрографию платы сопел на рисунках 3 и 4 с традиционной световой микроскопией на рисунках 1 и 2.
Для исследования внутренних деталей печатающей головки плата сопел должна быть удалена.Теперь возможно взглянуть на функциональные внутренние части, такие , как медные проводники и элементы резисторов. Детальное обсуждение этих частей дается далее в этой статье (Рисунки с 5 по 8).
Рисунок 7: При большем увеличении элементы печатающей головки могут быть рассмотрены более детально.

Хорошая печать требует внимания на каждом шаге процессов заправки или восстановления. Выбор при покупке пустых картриджей, хранение и тестирование пустых картриджей, визуальная и электрическая проверка целостности электроники являются критическими. В процессе очистки выбор чистящего раствора и метода очистки значительно влияет на результат. Во время процесса заправки, выбор чернил и оборудования является критическим. Наконец, оценка работы после заключительного теста печати должна быть правильно произведена. Далее в статье будут показаны и объяснены возможные источники проблем, а их влияние на разные шаги в процессе заправки будет обсуждено.

Рисунок 8: Эта микрография показывает одну камеру печатающей головки картриджа 629, в которой чернила нагреваются для создания пузырьков пара чтобы выстрелить чернильную каплю со скоростью несколько тысяч раз в секунду. Центр камеры находится точно под отверстием сопла, показанного на рисунке 4.

Дефекты электрической цепи

Картридж Hewlett-Packard 629A имеет, как и все картриджи HP, термоструйную печатающую головку. В процессе печати резистор (нагреватель) в этом картридже нагревает небольшое количество пигментных чернил дo температуры около 500°C (Рисунок 9). Охлаждающий эффект от чернил, окружающих печатающую головку предохраняет систему от перегрева. Когда картридж приближается к опустошению, однако, система подвергается частичному перегреву по причине отсутствия охлаждающего эффекта из-за отсутствующих чернил. Таким образом, если картридж почти пустой во время печати, маленькое количество оставшихся чернил будет быстро высыхать и приведет к образованию термоизолирующей корки на поверхностях нагревательной камеры (Рисунок 10). Это вызывает перегрев камеры и может вызвать короткое замыкание резисторов.
Каждый резистор является частью одной из четырех групп по 13 взаимосвязанных элементов (13 элементов используют общий контакт «земли»). Таким образом, разрушение одного элемента ведет к одновременному выходу из строя 13 из 52 печатающих сопел. Результатом является снижение качества печати, показанное на Рисунке 11.


Рисунок 9: Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) показывает часть неповрежденной печатающей головки 629A после удаления золотой платы сопел. Во время печати чернила нагреваются внутри округлых областей (это фото показывает 3 из 52 нагревательных камер (heating сhambers), и пузырьки пара выталкивают чернила вверх и за пределы сопел (в направлении к читателю). Материалом, из которого изготовлен нагревательный элемент (Светло серый) является тантал (Ta), экстремально устойчивый к коррозии метал.
Рисунок 10: СЭМ-микрография 629 печатающей головки с электрическим дефектом (левая нагревательная камера). Когда чернила заканчиваются во время печати, небольшое оставшееся количество чернил нагревается и образует термоизолирующий слой на нагревательном элементе(феномен под названием когация). Это приводит к последовательному перегреву и выходу из строя терморезисторов. Такой дефект невозможно исправить по причине очень маленького размера частей печатающей головки. Например, нагревательный элемент имеет диаметр около 40 микрон.


Рисунок 11: Новый 629 картридж печатает превосходную черную полосу, используя 52 сопла. Одна или более дефектных нагревательных групп вызывает появление серых или белых полос. Обратите внимание, что выход из строя двух групп может вызвать проявление двух разных дефектов. Выход из строя всех четырех групп приведет к тому, что никакого изображения не появится при печати. Этот тест должен быть произведен, используя режим экономичной печати.

Картриджи с дефектами электрической цепи могут быть идентифицированы используя коммерческие тестеры картриджей. Эти тестеры обычно измеряют сопротивление электрических контактов для определения дефектов. После тестирования более чем 100 000 картриджей, я высянил, что количество дефектных пустых не перезаправленных картриджей 629 по причине электрических дефектов составляет от 15 до 20% . Так как этот дефект не может быть исправлен, обычно такие картриджи выбрасывают.
Этот феномен в основном возникает с картриджами Hewlett-Packard 500 и 600 серий (включая 626, 629, 625, 649 и 614 картриджи). Процесс печати не останавливается автоматически при полном опустошении картриджа. 625 и 649 еще более подвержены этим электрическим проблемам. Я определил, что дефектными являются до 50% картриджей 649.
Это легко понять, потому что обычно, когда один цвет заканчивается, пользователь продолжает печатать оставшимися двумя цветами, перегревая пустую систему. Картриджи 700 и 800 серий прекращают печать до окончания чернил и обычно не содержат дефекта перегрева. Они также имеют другую конструкцию печатающей головки.
По причине вышеописанных проблем, я настоятельно рекомендую тестирование электрических цепей перед покупкой пустых картриджей, что снижает стоимость расходных материалов.




Рисунок 12: Одна нагревательная камера 629 печатающей головки с высохшими чернилами. Каналы подвода чернил забиты твердым чернильным пигментом и должны быть очищены, используя адекватный процесс очистки, чтобы быть способным печатать снова.

Разные поставщики предлагают такие тестирующие системы, включая тестеры с питанием на батарейках, которые можно взять с собой к месту расположения поставщика пустых картриджей.

Дефекты засохших чернил

Как и большинство новых картриджей, 629 использует пигментные чернила, которые обеспечивают лучшее качество печати. Эти чернила содержат твердые микроскопические частицы угольно-полимерного состава. Как только последние оставшиеся в картридже чернила высыхают, формируется паста. С течением времени паста твердеет и крепко прилипает к внутренним поверхностям картриджа, что делает ее все более и более нерастворимой в воде или чистящих растворах. В добавок, некоторые чернила почти всегда засыхают в печатающей головке, откуда их нельзя удалить без использования адекватных прочесов очистки (Рисунок 12).
Недостаточное удаление чернил часто приводит к проблемам в работе картриджа. Чернильная паста остается на стенках печатающей головки или предварительной чернильной камеры (pre-chamber) на протяжении всего процесса перезаправки/восстановления. Поначалу картридж будет показывать хорошие результаты при печати.
Днями или неделями позже, однако, чернильная паста очень медленно начнет растворяться в новых чернилах и устремляться к печатающей головке. Вязкость чернил, таким образом, изменится, что приведет к забиванию нагревательных камер и печатающих сопел, и , как следствие, к отказу картриджа. К несчастью, в это самое время картридж уже будет в использовании у клиента, что приведет к возврату брака и прочим неудобствам.
Чтобы избежать этих проблем, я рекомендую очистку всех картриджей, которые могут содержать засохшие чернила во время визуальной инспекции. Очистка внутренних стенок предварительной камеры печатающей головки является жизненно важной.

Рисунок 13: Перед покупкой пустого картриджа предварительная камера (pre-chamber) должна быть визуально инспектирована на наличие засохших чернил, которые видны снаружи. В кружке на рисунке показаны внутренности открытой и очищенной предварительной камеры. Засохшие чернила обычно находятся на внутренних стенках (круг).




Рисунок 14:когация в нагревательной камере загрязненного картриджа 629. Загрязнения построили слой на поверхностях нагревательной камеры и вызвали закупорку каналов подачи чернил. Эта закупорка не может быть очищена. EDX-микроанализ показывает химический состав отмеченной точки (см Рисунок 15).


Рисунок 15: EDX- микроанализ делает возможным определить химический состав отмеченной точки на рисунке 14. Идентифицированными загрязняющими элементами являются Cl, Na, K и Ca. Происхождением танталового пика (Ta) является материал нагревателя. Пик золота (Au) вызван применяемым методом измерения и должен быть проигнорирован.

Это легко может быть обеспечено простой проверкой пустых 629 картриджей с засохшими чернилами. После восстановления без очистки, некоторые картриджи поначалу будут показывать хорошее качество печати. Когда тест будет повторен несколькими днями позже, часть этих же картриджей уже не будет печатать хорошо.
Хранение пустых картриджей в течение длительного периода или при повышенной температуре вызывает дополнительное высыхание чернил, которое не может быть растворено и удалено даже мощными чистящими растворами. Таким образом, я не рекомендую покупать пустые картриджи, которые хранились многие месяцы или при высокой температуре.
Вдобавок, я не рекомендую, чтобы новички в этом бизнесе собирали большое количество пустых картриджей в надежде переработать их позже одним махом, после покупки необходимого оборудования. Общее правило: чем меньшее время картридж остается пустым, тем лучше результат восстановления.

Загрязнения в печатающей головке картриджа

Результаты тщательных исследований показывают, что даже очень маленькое количество загрязнений в печатающей головке может вызвать феномен под названием когация. Это образование сильного адгезивного* слоя загрязнений на нагревательных элементах в виде солей металлов. Это образование меняет геометрию нагревательной камеры, что приводит к изменению объема и направления движения капель чернил. Когация может полностью остановить формирование пузырьков и вызвать короткое замыкание резистора. Пример показан на Рисунке 14.
Благодаря EDX анализу были идентифицированы элементы хлор (Cl), натрий(Na), калий (K) и кальций (Ca) в этом слое (Рисунок 15). Эти элементы найдены в обычной водопроводной воде. Препятствие может также возникнуть внутри печатающих сопел (Рисунок 16) и привести к отклонению движения чернил. Соответствующее качество печати, в сравнении с хорошим картриджем, показано на Рисунке 17.

Чтобы понять, почему очень маленькое содержание металлов, солей и других загрязнений может вызвать появление такого слоя, особенно внутри критической нагревательной камеры, мы должны мыслить микроскопическими размерами. . Следуя общему правилу, каждое увеличение температуры на 8° C удваивает интенсивность химических реакций.
Рисунок 16: СЭМ-микрография печатающего сопла (в золотой плате сопел), показывающая частицы загрязнения, которые содержат соли и металлические элементы. Эти частицы не могут быть удалены путем очистки картриджа, т.к. они очень сильно прилипли к стенкам. Проходящие чернила будут отклоняться этой преградой, что приведет к плохому качеству печати. См. Рисунок 17.
Рисунок 18: Камера печатающей головки бывшего в употреблении 629 картриджа. Дно нагревательного элемента показывает результат легкой кавитации, возникающей при нормальном использовании. Это естественный процесс и его нельзя избежать. После нескольких жизненных циклов увеличивающийся разрушительный эффект от кавитации вызывает выход картриджа из строя.
Это означает, что коррозионная атака чернильных ингредиентов на нагревательный элемент при температуре выше 500°C в 5 x 1017 раз сильнее, чем при комнатной температуре – невероятно большая величина. Идентифицированные элементы Na и Cl(см Рисунок15) это хлорид натрия – обычная поваренная соль.
Чтобы визуализировать коррозионную природу соли, представьте, как морская вода атакует сталь даже при комнатной температуре. Это позволит легче представить и понять, что даже очень маленькое количество загрязнений может атаковать металл нагревательных элементов и построить слой коррозии при описываемых условиях..

* Адгезия — сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием (вандерваальсовым, полярным, иногда — образованием химических связей или взаимной диффузией) в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. В некоторых случаях адгезия может оказаться сильнее, чем когезия, т. е. сцепление внутри однородного материала, в таких случаях при приложении разрывающего усилия происходит когезионный разрыв, т. е. разрыв в объёме менее прочного из сопроскасающихся материалов.

* Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация). Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.

Рисунок 17: Препятствия в соплах и нагревательной камере вызывают ухудшение качества печати из-за отсутствия или искажения потока чернил. Отражение направления чернил вызывает тени чернильных точек вокруг печатаемых объектов (вверху), тогда как правильно работающий картридж имеет четкие символы
(внизу).

Более того, нагревательная система печатающей головки атакуется при нормальных условиях двумя дополнительными процессами. Первый – это повторяющиеся нагрев и охлаждение элементов резистора тысячи раз в секунду, что вызывает термальную усталость материалов камеры нагрева из-за разности в их способности к расширению под действием температуры.
Второй, феномен, называемый кавитацией, случается каждый раз когда пузырек пара ударяется обратно в нагревательный элемент после выстрела чернилами через сопла. По причине высокой скорости этого процесса, окружающие чернила достигают поверхности нагревателя, вызывая механический удар. Оба процесса ведут к усталости и медленному разрушению печатающей головки (Рисунок 18). Вот почему срок службы термоструйной печатающей головки ограничен и картридж нельзя перезаправлять вечно.
Чтобы избежать возникновения загрязняющего слоя, HP использует очень чистые ингредиенты (особенно ультра-чистую воду) для производства оригинальных чернил, также как и очень устойчивые к коррозии материалы, такие как тантал (Ta) для нагревательных элементов.
В своих исследованиях я не обнаружил слоя загрязнений на печатающей головке HP после первого жизненного цикла.

Существуют три возможных источника происхождения загрязнений в восстановленном картридже:

a) Загрязнения в процессе хранения пустых картриджей
Абсолютно реально предположить, что даже одна капля дождевой воды, которая проникнет в печатающую головку через сопла, содержит достаточно ионов металла чтобы разрушить картридж (по крайней мере, в течение следующего жизненного цикла). Таким образом, пустые картриджи не должны попадать под влияние погоды или высокой влажности
b) Загрязнения во время очистки через бывшую в употреблении чистящую жидкость
Для очистки картриджей используйте только очень чистую воду или чистящий раствор, желательно того же качества, какое было при производстве чернил, если это возможно. Я не могу порекомендовать качество дистиллированной воды, например, после результатов данного исследования.
Чистота воды и других жидкостей может быть измерена. Электропроводность отражает общее содержание растворенных солей и ионов металлов. Меньшая электропроводность означает большую чистоту. С современными деионизационными фильтрами возможно достигнуть электропроводности менеt 0.1 микроСименс/сантиметр, тогда как обычная вода имеет электропроводность около 350 микроСименс/сантиметр и больше.
Многие годы опыта с большим числом очищенных 629 картриджей показывают, что использование воды с значением электропроводности менее, чем 1 микроСименсs/сантиметр (лучше менее 0.5 микроСименс/сантиметр) должно предупредить критическое загрязнение. Такое качество воды также рекомендовано для изготовления чистящих растворов.
c) Загрязнение чернилами в процессе заправки.
Основными ингредиентами чернил для 629 являются вода, пигмент, спирт и консерванты. Все ингредиенты могут содержать посторонние элементы, соли и другие загрязнения, которые рискуют отразиться на конечном качестве чернил. Загрязнения чаще всего попадают в чернила через пигменты, потому что гораздо более тяжело получить очень чистый твердый материал, чем жидкость. Поэтому пигменты высокой чистоты гораздо более дорогие, чем “нормального” качества.
В отличие от воды, мы не можем измерить чистоту чернил, просто измеряя их электропроводность. Пигменты для 629 картриджей содержат токопроводящую угольную пыль (которая не опасна для печатающей головки). Т.е. пигменты даже самой высочайшей чистоты увеличивают электропроводность чернил. Например, электропроводность оригинальных чернил Hewlett-Packard 629 составляет 990 микроСименс/см, что гораздо выше, чем даже у водопроводной воды.
Я настоятельно рекомендую, чтобы перезаправщики тщательно исследовали чистоту ингредиентов в чернилах, которые они покупают. Спросите своего поставщика чернил, как он определяет и мониторит чистоту воды. Помните, что чем меньше электропроводность,тем лучше качество.
Наконец, имейте в виду, что сверхчистая вода, чистящие растворы и чернила могут насыщаться загрязнениями просто из воздуха (воздух содержит металлические частицы и другие загрязнения). Таким образом, чистящие растворы и чернила не должны храниться в открытых контейнерах. Более того, эти жидкости могут быть загрязнены через контакт с некоторыми основными металлами. Следует избегать использования таких металлов в заправочном оборудовании, если они вступают в прямой контакт с жидкостями.



Переработчики струйных картриджей часто дискутируют о эффективности ультразвуковой очистки печатающих головок.. Ультразвуковая очистка колеблет частицы путем использования вибрирующего кварца, таким образом, частицы внутри картриджа отсоединяются от поверхности и могут быть удалены через плату сопел. Несмотря на доказанную эффективность во многих областях применения, этот метод все более критикуют относительно применения для очистки печатающих головок. Через исследования под микроскопом я наблюдал, что ультразвук разрушает некоторые важные функциональные части печатающих головок. (Рисунки с 19 по 21). Это разрушение начинается с частичного и ведет к полному отказу печатающей головки и фатальному ухудшению качества печати (Рисунок 22). В частности, я абсолютно уверен в этом относительно картриджей 600, 700 и 800
серий. Их общий хлипкий дизайн также может привести к отклеиванию платы сопел.

Рисунок 19: Этот рисунок содержит 26 из 52 нагревательных камер печатающей головки 629 картриджа. Большинство камер разрушено после ультразвуковой очистки (справа).
Рисунок 20: Фотография получена с левой части картриджа, показанного на рисунке 19. Некоторые нагревательные камеры по-прежнему исправны. Структурные части сделаны из очень прочного полимерного материала и не так легко разрушаются ультразвуковой очисткой.


Рисунок 21: Фото получено с правой части картриджа, показанного на рисунке 19. Все структурные части печатающей головки отсутствуют после ультразвуковой очистки.

Рисунок 22: Сравнение качества печати картриджей с разным временем экспозиции в ультразвуковой машине. (Вверху) прекрасно печатающий картридж. Частично разрушенная печатающая головка показывает белые полосы (в центре). Внизу разрушение почти завершено. Этот картридж нельзя починить.
По моему мнению, проблема не может быть обойдена путем модификации ультразвуковой машины, например, используя специальную частоту или амплитуду, потому что в принципе, атака некоторых функциональных частей картриджа, которые имеют низкую прочность, не может быть обойдена.

Автор статьи Dr. Wolfgang Reick является учредителем TB Acessorios do Brasil, бразильского производителя оборудования для восстановления струйных картриджей и директором Euro-Labor, немецкого института анализа неисправностей и изучения материалов.

Google