Jak działa drukarka laserowa?

Technika druku laserowego jest powszechnie stosowana od ponad ćwierćwiecza. Jednak wciąż mało kto wie, w jaki sposób działają drukarki laserowe. W naszym artykule wyjaśniamy, jak zbudowane są tego typu urządzenia i jaka jest prawdziwa rola lasera w takiej drukarce.

Drukarka laserowa to kolejne, po aparatach cyfrowych i monitorach LCD, urządzenie, które zdecydowaliśmy się rozmontować, by wyjaśnić w przystępny sposób szczegóły konstrukcyjne tego typu sprzętu, przedstawić samą technologię druku laserowego, a także wytłumaczyć, jakie różnice występują wśród urządzeń dziś spotykanych na rynku.

Praktycznie każde tego typu urządzenie składa się z kilku charakterystycznych elementów: co najmniej jednego podajnika papieru, bębna światłoczułego, zespołu elektrod (ładująca bęben i rozładowująca), systemu transportującego nośnik (kartki papieru), pojemnika z tonerem oraz zespołu utrwalającego wydruk. Oczywiście do tego należy dodać jeszcze niezbędną elektronikę odpowiedzialną za komunikację z urządzeniami zlecającymi zadania wydruku oraz za przetwarzanie tych zadań w formę „zrozumiałą” dla mechaniki drukarki.

 Jak powstaje wydruk

W momencie gdy użytkownik korzystający z oprogramowania na komputerze bądź dowolnym innym urządzeniu zdolnym do generowania wydruków wyda polecenie Drukuj, do urządzenia przekazywane jest zadanie wydruku, czyli zestaw danych opisany w jednym z tzw. języków opisów strony. Najbardziej obecnie popularnym językiem opisu stron jest język PCL, innym równie popularnym i stosowanym głównie w zastosowaniach profesjonalnych (DTP) jest PostScript. Za przygotowanie zadania wydruku po wydaniu przez użytkownika polecenia Drukuj odpowiada sterownik, który jest zainstalowany na stacji roboczej, na której przygotowywane jest zadanie wydruku.

 Najpierw interpretacja

Gdy dane trafiają do drukarki, do głosu dochodzi zainstalowany w oprogramowaniu wewnętrznym drukarki interpreter języka opisu strony. Interpreter na podstawie otrzymanego zbioru informacji przygotowuje bitmapowy obraz wydruku. Obraz ten jest następnie za pomocą lasera odwzorowywany na tzw. bębnie drukarki laserowej. Zanim laser zacznie oddziaływać na bęben, powierzchnia bębna jest uprzednio naładowywana za pomocą np. rolki ładującej bądź elektrody ładującej (w zależności od urządzenia stosowanych jest w tym przypadku kilka różnych rozwiązań; wszystkie one mają za zadanie naładowanie bębna drukarki laserowej). To, czy bęben jest naładowany ujemnie czy dodatnio, zależy już od producenta drukarki, jednak w najnowszych typach urządzeń, ze względu na ograniczenie emisji ozonu, najczęściej stosuje się rozwiązania ładujące bęben dodatnio.

 Czas na laser

Laser punktowo rozładowuje obszary bębna, tworząc na nim utajniony obraz powstały w wyniku przesłanego do drukarki zadania wydruku. Gwoli ścisłości, zdanie to jest pewnym uproszczeniem, gdyż laser nie oddziałuje na bęben bezpośrednio. Na jednym ze zdjęć widać zdemontowany zespół naświetlania wraz z obrotowym lustrem wielokątnym oraz zestawem soczewek. Wiązka lasera trafia z emitera na bardzo szybko obracające się lustro wielokątne (element ten może się obracać nawet kilkadziesiąt tysięcy razy na sekundę). Promień odbity od jednej z płaszczyzn lustra przechodzi przez złożony zespół soczewek (składający się z soczewek walcowatych i sferycznych). Zadaniem tego układu optycznego jest takie przeniesienie lasera, by z całej wiązki do bębna trafił promień odpowiadający pojedynczemu pikselowi obrazu bitmapowego powstałego w wyniku przetworzenia zadania wydruku. W ten sposób z pojedynczych pikseli „kreślony” jest na powierzchni bębna niewidoczny jeszcze obraz zawierający fragment wydruku.

 Teraz toner

Następnie bęben obraca się w bliskim kontakcie z zespołem wywołującym, w którym umieszczony jest pojemnik z tonerem, i poprzez różnicę potencjałów toner jest przyciągany do bębna w tych miejscach, w których uprzednio laser „nakreślił” utajniony obraz wydruku. W tym momencie, gdy toner zostanie elektrostatycznie „przyklejony” do bębna, na tym ostatnim widoczny jest już fragment obrazu powstałego w wyniku przetworzenia zleconego przez użytkownika zadania wydruku. Warto przy tym zauważyć (widać to wyraźnie na zdjęciach), że bęben drukarki laserowej po „naszkicowaniu” na nim obrazu utajonego przez zespół lasera nie zawiera obrazu całej strony (np. w formacie A4). W przypadku rozmontowanej przez nas drukarki Kyocera FS-4200DN ceramiczny bęben tego modelu ma obwód ok. 7 cm, tymczasem standardowa kartka formatu A4 ma długość 29,7 cm.

 Wreszcie na papier

Obraz powstały w wyniku naniesienia tonera na bęben jest przenoszony na papier, przesuwany przez rolki transportujące pod obracającym się bębnem. Drobinki tonera umieszczone na bębnie są – również za pomocą elektrostatyki (tzw. elektrody transferowej) – przenoszone na papier. Ze względu na mniejszy od długości kartki obwód bębna przeniesienie obrazu pełnej strony wymaga tego, by proces ładowania bębna, „kreślenia” laserem, a następnie transferu tonera na papier był powtarzany kilkukrotnie dla pojedynczej strony. Po przeniesieniu fragmentu obrazu na papier bęben jest rozładowywany, czyszczony z ewentualnych pozostałości tonera, ponownie naładowany, naświetlony punktowo laserem (obraz wirtualny kolejnego fragmentu drukowanej strony), następnie znowu toner przylega do bębna i kolejny fragment obrazu przenoszony jest na przesuwającą się w zespole tworzenia obrazu kartkę. Cykl ten powtarzany jest odpowiednią liczbę razy, aż cały obszar strony zostanie wypełniony zgodnie ze zleconym zadaniem wydruku.

 Utrwalanie obrazu

W tym momencie mamy już obraz na papierze, jest on jednak jeszcze bardzo nietrwały: drobinki tonera są przyciągnięte do kartki papieru wyłącznie elektrostatycznie. Kartka z tonerem transportowana jest dalej i trafia do tzw. modułu utrwalania. W module tym poprzez wysoką temperaturę (ok. 260 stopni Celsjusza) oraz docisk rolek przytwierdzony elektrostatycznie toner jest ostatecznie utrwalany na papierze, a kartka z wydrukiem zostaje przetransportowana do miejsca, w którym użytkownik może odebrać już gotowy, jeszcze ciepły (dosłownie) wydruk.

 Szybkość

Cały ten złożony proces powstawania obrazu we współczesnych drukarkach laserowych w rzeczywistości trwa od kilku do co najwyżej kilkunastu sekund. Dla przykładu, rozmontowywany na potrzeby artykułu model drukarki Kyocera FS-4200DN potrzebuje 9 sekund na wydruk pierwszej strony. Tyle właśnie czasu zajmuje tej drukarce przetworzenie otrzymanego zadania i wydrukowanie strony w formacie A4. Nominalnie drukarka ta jest zdolna do wydrukowania nawet 50 stron w ciągu minuty. Parametr ten – liczba wydruków na minutę – jest podawany przez wielu producentów, jednak nie uwzględnia on zazwyczaj czasu koniecznego na nagrzanie dopiero co uruchomionego urządzenia. Parametr ten również jest często podawany przez producentów drukarek, dlatego chcąc otrzymać faktyczną prędkość druku, warto pamiętać o uwzględnieniu również czasu potrzebnego na nagrzanie urządzenia.

 Materiały eksploatacyjne

Elementem podlegającym regularnej wymianie w wyniku zużycia jest toner – czarny (w drukarkach kolorowych występujący również w innych barwach) proszek nanoszony na papier w procesie druku. Oprócz tonera wymianie podlega również bęben. W bardziej zaawansowanych modelach drukarek toner jest wymieniany niezależnie od bębna. Ma to sens, gdy weźmiemy pod uwagę, że nawet najbardziej pojemny toner może wystarczyć na co najwyżej kilkadziesiąt tysięcy wydruków (przy czym do określenia szacowanej liczby wydruków korzysta się z normy określającej stopień zadrukowania pojedynczej strony). Natomiast żywotność bębna może być liczona w setkach tysięcy wydruków niezależnie do stopnia zadrukowania stron. Jednak w przypadku tańszych modeli drukarek elementem podlegającym wymianie jest cały zespół drukujący zawierający i bęben, i pojemnik z tonerem. Tego typu element nazywany jest wtedy kartridżem. Choć drukarki, w których elementem podlegającym wymianie jest kartridż, są zwykle tańsze w zakupie, to kartridż jest zazwyczaj droższym elementem niż sam toner.

Teoretycznie na każdej drukarce laserowej można drukować nie tylko na standardowym papierze, ale również np. na foliach. Trzeba tylko pamiętać o tym, by używać specjalnych folii odpornych na wysokie temperatury występujące w module grzewczym obecnym w każdej drukarce laserowej. Użycie złej folii lub innego nośnika nieodpornego na wysoką temperaturę może spowodować uszkodzenie urządzenia.

 A co z kolorem

Zasada działania kolorowych drukarek laserowych jest bardzo zbliżona do objaśnionego w artykule procesu drukowania realizowanego przez laserową drukarkę monochromatyczną. Jedyną różnicą pomiędzy drukarką monochromatyczną a drukarką kolorową jest to, że ta druga dysponuje nie jednym, lecz czterema zespołami drukującymi, z czterema tonerami w kolorach CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Black).

 Laser a diody LED

Oprócz drukarek stricte laserowych na rynku znaleźć można również drukarki LED charakteryzujące się bardzo podobną metodą druku, także opartą na tonerze nanoszonym przez odpowiednio naświetlony bęben, jednak różnicą w ich przypadku jest to, że zespół naświetlania nie zawiera emitera laserowego. Zamiast tego wstępnie ładowany bęben jest naświetlany przez specjalną listwę z diodami LED. Innymi słowy, zamiast pojedynczej wiązki lasera omiatającej (poprzez wirujące lustro i zespół soczewek) powierzchnię bębna, mamy listwę z diodami LED. W zależności od rozdzielczości drukarki liczba diod LED jest różna, w przypadku drukarek o rozdzielczości 300 dpi stosuje się listwę wyposażoną w 2500 diod LED, dla rozdzielczości 600 dpi jest ich odpowiednio więcej – 5000 diod LED. Mimo nieco innej konstrukcji elementu naświetlającego jego rola w drukarkach LED jest podobna do tej, jaką odgrywa laser w drukarkach laserowych – odpowiednie naładowanie miejsc bębna i „naszkicowanie” w ten sposób wirtualnego obrazu fragmentu wydruku.

 Podsumowanie

Zasada działania drukarki laserowej jest stosunkowo prosta: mamy toner, bęben, trochę elektrostatyki, punktowego naświetlania laserem, potem tylko grzałka i możemy odbierać ciepły wydruk. Brzmi niemal banalnie, ale proces powstawania druku przedstawia się podobnie niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z tanią domową drukarką laserową, czy wypluwającym kartki niemalże z prędkością karabinu maszynowego ciężkim sprzętem klasy heavy duty używanym w dużych korporacjach, gdzie – jak wiadomo – każdy potrzebuje bardzo ważnych wydruków i to najlepiej – na wczoraj.

 

Autor: Aleksander Działdowski
Źródło: PC World 8/2014