Электрофотография

Классический копировальный аппарат на основе процесса, разработанного Xerox

Электрофотография , ксерография , или электрический факсимильный метод является электрофотографическим способом передачи информации с помощью электрический заряженного цвета порошка. Это процесс фотоэлектрической печати для копирования документов с использованием электрофотографического принтера (в зависимости от типа экспонирования различают копировальные аппараты, светодиодные и лазерные принтеры ). Для этого фотопроводник подвергается воздействию оптического изображения оригинала, которое создает скрытое изображение из электрических зарядов. Чернила в виде тонера прилипают к заряженным участкам, которые затем можно использовать для печати копии оригинала.

В повседневном языке термин « копия» (или фотокопия , ксерокопия или « сухая ) используется как синоним, хотя электрофотография — не единственный процесс фотографического копирования.

Метод электрофотографии

В прямом методе используется фотопроводящий слой на самой подложке ( например, оксид цинка на бумаге); проявление происходит во влажном состоянии с помощью суспензии тонера в изолирующей жидкости (например, легком керосине) или с помощью сухих чернил.

Как и в ксерографических машинах, для непрямого влажного процесса используется светочувствительный барабан; однако он смачивается суспензией тонера. Клейкий тонер наносится непосредственно на бумагу, и для фиксации необходимо только высохнуть.

Непрямой, сухой процесс, который используется исключительно сегодня, использует светочувствительные барабаны или ленты, тонерное изображение которых переносится в виде порошка на носитель (бумагу, пленку для копировального аппарата) после проявления и термически фиксируется там. Процесс работает с сухим тонером; поэтому ее также называют ксерографией (по-гречески «сухое письмо»).

Матричный процесс жидкой краской

В ризографии матрицу сначала подвергают электрофотографическому экспонированию. Полученные мелкие отверстия затем переносят печатную краску на бумагу. Этот процесс обеспечивает недорогую массовую печать больших тиражей, высокую скорость до 180 страниц в минуту в формате A3, полноцветную или 16 монохромных цветов и плотность бумаги в диапазоне 40–400 г / м². Копии или распечатки могут быть изготовлены с дифференцированными полученными путем растрирования . Ризография характеризуется тем, что краска наносится на бумагу без использования химикатов или тепла. Экологическое преимущество сопровождается низкими расходами на потребление.

Ксерографии представляет собой способ сухой копии в основном простых бумажных документов (например, в виде файлов) , которые широко распространены во всех сегодняшних копировальных аппаратов и лазерных принтеров используется. Эти сухие превосходят результаты струйных принтеров или процессов с использованием термобумаги ( термокопировальный аппарат , термопринтер ) с точки зрения разрешения, светостойкости и долговечности.

Электрофотография — это процесс копирования, изобретенный американцем Честером Ф. Карлсоном вместе со своим помощником Отто Корней .

Патент был подан 27 октября 1937 года. Первая успешная попытка была предпринята 22 октября 1938 года с помощью металлической пластины, электрически заряженной тканью, серным порошком, спорами мелкодисперсного мха и восковой пластиной. На первой фотокопии (сухой копии) было написано «10. — 22.-38 ASTORIA». Это была дата первой фотокопии, 22 октября 1938 года, и место съемки, Астория, Нью-Йорк .

Компания Haloid купила патент в 1947 году и выпустила первый коммерческий копировальный аппарат в 1949 году. В 1961 году компания Haloid была переименована в Xerox . В Германии лицензию получила английская Rank Group , из которой возникла компания Rank Xerox . Название Xerox Machine также используется для названия самого копировального аппарата в англоязычных странах.

Функциональная схема барабана переноса изображений

Этапы процесса электрофотографической печати

Желтый проявочный валик (двухкомпонентный тонер)

Центральным элементом ксерографии является барабан, на который нанесено светочувствительное покрытие, в дальнейшем именуемое активным слоем или фотопроводником . Он имеет свойство не проводить электричество в темноте, но пропускает электричество, когда на него падает свет. Аморфный селен использовался примерно до 1975 г . ; сегодня используются аморфные органические полупроводники , аморфный кремний или триселенид мышьяка (As 2 Se 3 ).

Коронационная зарядка активного слоя

из нержавеющей стали или вольфрама заряжается положительно по отношению к активному слою с помощью напряжения обычно 5  кВ . Из-за высокого напряжения окружающий воздух ионизируется , отрицательные ионы притягиваются к положительно заряженному активному слою, где они осаждаются и заряжают его отрицательно, так как он не проводит ток в темноте. Ролик заряжается отрицательно, слой за слоем.

Активный слой на ролике или гибкой ленте обнажается:

• В копировальном аппарате (или аналоговом копировальном аппарате) оригинал освещается сильным источником света (например, галогенной лампой ). Оригинал отображается на активный слой через объектив.
• В лазерном принтере или цифровом копировальном аппарате отраженный свет сначала улавливается линейным датчиком , сравнимым со сканером . При необходимости после обработки изображения оцифрованное печатное изображение записывается на фотополупроводник с помощью лазера или светодиодной линии (см. Лазерный принтер ).

Падение света генерирует носители заряда в активном полупроводниковом слое (внутренний фотоэлектрический эффект ). Носители заряда сбрасывают положительные поверхностные заряды на электропроводящую заднюю сторону (алюминиевый барабан) на открытых участках — скрытое изображение состоит из зон, свободных от заряда.

Тонер вносится как можно равномернее к воздействию ролика, а именно везде, как к воздействию и необлученным областям , которые оставались заряженными. Это делается с помощью другого ролика, называемого «кистью», который является магнитным, благодаря чему тонер (двухкомпонентные тонеры содержат частицы железа, однокомпонентные тонеры сами по себе являются магнитными) прилипает к ним, в результате чего частицы встают, как щетинки. из-за направления силовых линий магнитного поля. Частицы тонера (диаметр 3-15 мкм), передаются в точку контакта между двумя роликами за счетом электростатического притяжения и прилипают к неэкспонированному, т.е. заряженным областям фотографии слоя ( черной письменной формы или заряженному развития области ). Если тонер заправлен с таким же названием, он также может прилипнуть к ранее обнаженным, то есть разряженным областям ( проявление белой надписи или разряженной области ).

При так называемом скачкообразном проявлении тонер перемещается в область фотобарабана только с помощью ролика. Оставшийся воздушный зазор пропускает (англ. To jump ) тонер затем из-за электростатического притяжения. Преимущество этого метода по сравнению с проявкой кистью состоит в том, что кисть не размазывает проявленный тонер снова и печатный барабан изнашивается меньше. Однокомпонентные тонеры используются практически во всех недорогих картриджных системах; частицы полностью приземляются на барабан и носитель. В случае двухкомпонентного тонера магнитная составляющая остается; используются только частицы тонера.

Тонерное изображение должно быть перенесено с барабана на носитель для печати (бумагу или прозрачную пленку для копирования). Для этого используется второй источник заряда (барабан или лента), который заряжен сильнее (обычно 15 кВ), чем барабан, и соответственно притягивает тонер. Если в этот момент печатный материал проходит между ними, тонер переходит на него.

Чтобы картина была прочной, ее нужно закрепить, т.е. ЧАС. Обычно проходит через два нагретых ролика (в некоторых устройствах также через камеру нагрева без давления), в результате чего частицы тонера плавятся и прочно связываются с печатным материалом.

Чтобы тонер не прилипал к роликам термоэлемента, они либо сделаны из специального материала (например, тефлона), либо покрыты очень тонким слоем масла для (обычно силиконового масла). Последний метод в основном использовался с полноцветными системами, так как эти устройства могут привести к толстому нанесению краски и придется использовать эластичные валики (резина). Кроме того, для некоторых печатных продуктов был весьма желателен блеск, который оставляет закрепляющее масло. В более новых устройствах используется эластичный пластик, что делает излишним фиксирующее масло. Фиксация с помощью сильных вспышек света, используемых в старых устройствах SW, является идеальным бесконтактным методом, но сегодня он больше не используется, поскольку не подходит для цветных устройств. Самый распространенный метод — это нагревательный ролик и прижимной ролик. Температура фиксации от 165 до 190 ° C. Фиксация имеет решающее значение для долговечности копии. Срок службы источника нагрева (например, галогенной лампы накаливания в виде стержня внутри ролика) может составлять от 50 000 до 500 000 экземпляров.

Полный слив и чистка

После переноса тонера на носитель необходимо удалить оставшийся заряд с барабана перед следующей зарядкой и экспонированием. Это достигается за счет полного экспонирования (источник света в форме стержня) и электрического снятия зарядов.

Наконец, барабан очищается от остатков тонера скребком или щеткой. Отработанный тонер утилизируется в контейнере, встроенном в устройство. В некоторых устройствах тонер также перерабатывается и возвращается в процесс проявки.

Требования к активному слою барабана достаточно высоки: он должен иметь низкий уровень проводимости в темноте вместе с высоким уровнем светочувствительности. Во время экспонирования он должен на короткое время иметь высокую проводимость в области малых боковых расстояний, иначе разрешение или резкость будут потеряны. Он должен быть механически устойчивым и выдерживать воздействие ультрафиолетового излучения и ионов или радикалов .

Барабаны могут быть изготовлены из различных материалов; являются обычным OPC ( Organic Photo Conductor , англ. «органический фотопроводник») или a-Si ( аморфный кремний ). Однако срок службы этих барабанов ограничен. Производители указывают приблизительное количество возможных вычетов. В то время как барабаны OPC, которые в основном используются в офисном оборудовании, имеют срок службы от 25000 до 60000 страниц, барабаны a-Si могут иметь срок службы от одного миллиона до пяти миллионов страниц, что делает их подходящими для больших систем, таких как пример телекоммуникационных компаний. распечатать свои счета.

Однако количество отпечатков — это только идеальное значение — возраст и, прежде всего, тип использования также имеют решающее значение: если копировальный аппарат или лазерный принтер включается только при необходимости и делается только несколько отпечатков, количество возможных копий уменьшено. Абразивные наполнители в бумаге или другие механические повреждения (например, при вытягивании замятых страниц) могут сделать светочувствительный слой необратимо шероховатым или поцарапать его.

В отличие от струйных или термопечати ксерографы очень прочные и, прежде всего, светостойкие. Однако тонер прилипает только к поверхности и может быть удален с носителя. Иногда с годами это происходит само по себе. Тонер также может отслаиваться на изгибах. Теперь есть полимерные тонеры с более мелкими частицами однородной формы. Он больше не отслаивается на загнутых краях.

Бумаги, напечатанные на обеих сторонах, могут прилипать друг к другу; Иногда часть тонера застревает в прозрачных рукавах.

Различные отчеты подтверждают, что ксерографы и лазерные принтеры хранятся более пятидесяти лет. Мокрые копии якобы служат дольше ксерографов — для этих продуктов, которые уже не используются, ограничений по сроку службы не обнаружено.

Благодаря оптическому сканированию оригинала качество изображения и разрешение линейного датчика или барабана имеют решающее значение для разрешения. В диапазоне значений серого с цветовым охватом менее десяти процентов даже высококачественные устройства демонстрируют слабые места в виде шума или так называемых эффектов грязи . Однородность, градация и точность цветопередачи были улучшены за последние несколько лет, но уступают другим процессам воспроизведения.

Используемые цветные пигменты устанавливают ограничения, особенно в цветных системах, поскольку все тонеры разного цвета должны отвечать одним и тем же высоким требованиям, которые не обязательно совместимы с хорошим результатом печати.

С помощью оцифровки можно подготовить полутоновые изображения таким образом, чтобы, как и при других процессах печати, печатались мелко структурированные поверхности. Таким образом, области с плохим покрытием чернилами могут быть более надежными за счет разрешения.

Опасность для здоровья

Ксерографические копировальные аппараты, как и лазерные принтеры , используют сухой тонер , который содержит черную пигментную сажу и, в случае некоторых типов, тяжелые металлы, такие как свинец и кадмий , и поэтому может быть вредным для здоровья.

Проблема заключается не только в составе тонера, но и в его (желаемой) тонкости. Хотя размер частиц порошка тонера превышает размер частиц пригодной для вдыхания мелкой пыли , он все еще откладывается в бронхах, потому что его нельзя просто удалить кашлем: тонер меняет свое состояние при температуре тела и может прилипать к слизистым оболочкам. Это означает, что загрязнители тонера могут оказывать постоянное и прямое воздействие на слизистые оболочки, особенно на дыхательные пути или кожу.

Тонер не только вдыхается, но и случайно проглатывается из-за загрязнения. Сотрудники в секторах обслуживания, заправки и вторичной переработки, в частности, подвергаются естественному воздействию загрязняющих веществ в течение длительного периода времени.

Коронные разряды (коронирующий провод), используемые для генерации зарядов, генерируют озон : в области высокой напряженности поля окружающий воздух ионизируется. Озон создается. Озон вреден для здоровья и, в свою очередь, также генерирует вредные свободные радикалы из других веществ. Однако в большинстве таких устройств есть озоновые фильтры из активированного угля , которые удаляют большую часть загрязняющих веществ.

Печатные устройства, которые заряжают барабан передачи изображений с помощью зарядного валика, полностью не содержат озона. Он находится в прямом контакте с барабаном передачи изображений; коронный разряд не требуется, поэтому озон не образуется.

Копирование документов или банкнот

Изготовление копий определенных документов или действительных банкнот запрещено, если существует угроза наказания. Некоторые производители внедрили функции, которые предотвращают или затрудняют создание таких копий.

После подготовки данных изображения к печати ( RIP ) они снова проверяются на наличие определенных шаблонов , которые используются только на банкнотах или определенных документах. Если такая закономерность обнаружена, есть разные способы реагирования. Многие устройства печатают черную поверхность вместо копии, искажают цвета или покрывают документ четким отпечатком «Копия». Другие устройства имитируют неисправность устройства и обращаются в службу поддержки.

Четкая идентификация (привязка каждой копии к используемому копировальному устройству)

Некоторые производители копировальных аппаратов хранят на копиях электронные идентификаторы (например, идентификационный код аппарата ). Это выполняется, например, путем применения определенного битового шаблона к широкой области желтого цвета для цветных устройств и для черно-белых устройств в качестве слабого оттенка на носителе.

У одного производителя серийный номер устройства почти незаметно выгравирован на обратной стороне стеклянной пластины и записывается при каждом процессе копирования.

Эти меры позволяют производителям и следственным органам определить сам копировальный аппарат, его местонахождение и, возможно, даже лицо, делающее копию. Сторонники защиты данных считают, что основные права, гарантированные Конституцией, находятся под угрозой (например, из-за простой возможности раскрыть информацию о СМИ).

Копировальные аппараты очень надежны, но не требуют обслуживания. Из-за тонкого порошка тонера большая часть неисправностей все еще может быть связана с грязью. По техническим причинам устройства не являются полностью герметичными, поэтому порошок тонера часто осаждается на экспонирующем блоке.

Транспортная система копировального аппарата состоит из резиновых роликов, которые могут стареть, а затем регенерируются или заменяются.

Аналоговая и цифровая технология копирования

Копировальные аппараты можно разделить на аналоговые и цифровые. Примерно до середины 1980-х годов производились только аналоговые копировальные аппараты. С тех пор было разработано все больше и больше цифровых копировальных машин. Аналоговый копировальный аппарат был заменен цифровым копировальным аппаратом примерно с 2000 года; аналоговые копиры больше не производятся. Исключение составляют небольшие копировальные аппараты формата A4 для личного пользования со скоростью около четырех копий формата A4 в минуту. Некоторые производители все еще выпускают их (по состоянию на апрель 2011 г.).

В аналоговых копировальных аппаратах барабан разворачивается непосредственно из оригинала с помощью линзы и зеркала; изображение оригинала оптически воспроизводится на барабане. Экспозиция и проявка выполняются синхронно на одном устройстве. Цифровой копировальный аппарат, с другой стороны, состоит из двух отдельных блоков: сканера и принтера. Однако, как правило, эти блоки размещаются в одном устройстве, как аналоговый копировальный аппарат. С помощью цифрового копировального аппарата оригинал оцифровывается с помощью сканера и временно сохраняется в памяти ( RAM или на жестком диске ). Сохраненное здесь изображение шаблона затем передается в электронном виде на принтер (лазерный принтер) и распечатывается.

Одним из преимуществ цифровой технологии является то, что страницы можно многократно копировать из буфера без необходимости повторного отображения оригинала. В дополнение к чистому копированию также могут быть предложены дополнительные функции, такие как печать, отправка факсов, сканирование и отправка шаблонов в электронном виде по электронной почте или в сетевых каталогах. Еще одно преимущество — возможность промежуточной обработки копии в устройстве. Наиболее часто используемой функцией здесь является повышение резкости краев шрифтов, что устраняет проблему размытия краев, известную в аналоговых системах, и означает значительное улучшение качества, особенно для документов.

Однако наиболее важным преимуществом является более компактная и недорогая конструкция, поскольку нет необходимости в оптике, диафрагмах и зеркалах в загрязненной зоне между экспонирующим блоком и барабаном. Кроме того, сканирование не обязательно должно выполняться синхронно с проявкой.

Технология цифрового копирования может сделать полутоновые репродукции более надежными за счет печати микроскопических структур вместо поверхности. Это, а также возможно недостаточно точная оцифровка и резкость краев могут быть нежелательными или раздражающими для полутоновых оригиналов.

Дополнительные функции копировальных аппаратов

Современный цифровой многофункциональный копировальный аппарат с рядом дополнительных функций

Копировальные аппараты, особенно предназначенные для профессионального использования, обычно имеют большое количество дополнительных функций, в основном в виде насадок:

• Устройство автоматической подачи документов (АПД, устройство автоматической подачи документов ) позволяет автоматически копировать документы с несколькими страницами. Устройство подачи документов помещает страницу на стекло экспонирования, где она будет открыта. Затем страница удаляется со стекла экспонирования, и следующая страница оригинала из устройства подачи документов помещается на стекло экспонирования. Рециркуляционные устройства автоматической подачи документов (RADF ) также могут автоматически размещать обратную сторону страницы оригинала на стекле экспонирования . Альтернативный метод — подать страницы, подаваемые АПД, мимо фиксированной линии сканирования, где оригинал сканируется по мере движения. Так называемые устройства смены документов с двойным сканированием производятся примерно с 2005 года, которые имеют отдельную интегрированную линию сканирования для обратной стороны листа и, таким образом, вместе с фиксированной линией сканирования могут считывать как лицевую, так и оборотную стороны листа. за один проход (без механического точения). Регулярное обслуживание АПД необходимо для надежной работы. Подушечка для разделения страниц обычно изготавливается из резины и пробки. Этот резиновый сепаратор стареет. Если его не очистить, не регенерировать или не заменить, это приведет к ошибкам подачи.
• Устройство двусторонней печати позволяет автоматически печатать на обратной стороне копий. Это означает, что расход бумаги можно сократить вдвое по сравнению с односторонним копированием.
• Бумага хранится в кассетах и ​​журналах.
  Бумага форматов от A5 до A3 или A3 + или SRA3 (негабаритная) обычно может храниться в кассетах . Кассеты называются универсальными, если их можно подогнать под различные размеры бумаги. Емкость кассеты составляет примерно от 500 до 1000 листов бумаги.Лотки для бумаги обычно рассчитаны на формат А4 . Для производственных систем также доступны магазины для DIN A3. Как правило, журналы не могут быть настроены на другой размер бумаги. Емкость журнала составляет от 2500 до 4000 страниц.
• Бумага форматов от A5 до A3 или A3 + или SRA3 (негабаритная) обычно может храниться в кассетах . Кассеты называются универсальными, если их можно подогнать под различные размеры бумаги. Емкость кассеты составляет примерно от 500 до 1000 листов бумаги.
• Лотки для бумаги обычно рассчитаны на формат А4 . Для производственных систем также доступны магазины для DIN A3. Как правило, журналы не могут быть настроены на другой размер бумаги. Емкость журнала составляет от 2500 до 4000 страниц.
• Финишер и сортировщик используются для получения готовых копий или распечаток. В цифровых копировальных аппаратах устройство вывода называется финишером, в аналоговых копировальных аппаратах — сортировщиком. В финишерах и сортировщиках копии автоматически сортируются по документам и страницам. С помощью многих финишеров и сортировщиков отсортированные стопки также можно сшивать и / или перфорировать; комплекты копий могут содержать до 50 или 100 страниц. Финишер также может создавать многостраничные буклеты. Для этого готовые распечатанные страницы складываются посередине и дважды скрепляются проволокой. Возможные форматы — брошюры DIN A5 (половина страницы DIN A4) и брошюры DIN A4 (половина страницы DIN A3).
• Устройство перфорирования позволяет копии , чтобы пробивать. Копии перфорируются индивидуально, поэтому нет ограничений на количество страниц (или толщину) набора копий. Во многих моделях копиров перфоратор можно переключать между различными стандартами, поэтому возможна перфорация в соответствии со стандартом ISO 838 и в соответствии со стандартом ISO 838 с расширением на 4 отверстия. Шведская перфорация обычно предлагается в виде отдельного перфоратора, что не позволяет перейти на упомянутые выше стандарты.
• Функция печати позволяет документы с компьютерной рабочей станции в сети или с носителя данных.
• Функция факса работает как обычный факсимильный аппарат. Документы сканируются через стекло экспонирования и передаются на другой конец через телефонное соединение. Факсы также можно принимать и распечатывать. Кроме того, полученные факсы можно отправлять напрямую различным адресатам, например Б. Адреса электронной почты или каталоги в сетях пересылаются.

• Р. Шафферт: Электрофотография. Focal Press, 1975. ISBN 978-0240507811
• Р. Хоффманн: Моделирование и моделирование передачи электростатического изображения. Шейкер-Верлаг, 2004, ISBN 3-8322-3427-6 .

• Подробное описание, математическое моделирование и численное моделирование процесса электрофотографической печати ( от 22 октября 2005 г. в Интернет-архиве ) (английский, PDF, 7,3 МБ)
• Веб-сайт Xerox: Наша история
• Ваш принтер шпионит за вами? Фонд электронных рубежей (EFF)

• Ханс Ф. Эбель , Клаус Блиферт : Лекции по естествознанию, технологии и медицине. 1991; 2-е, отредактированное издание 1994 г., VCH, Weinheim ISBN 3-527-30047-3 , стр. 297-299 и 304.
• FAQ по risoprint.de от 19 августа 2013 года