Moltissimi di noi hanno quotidianamente a che fare con le teste di stampa. Non serve avere una flatbed o una roll-to-roll, basta avere anche solo una piccola stampante domestica. Con Tim Phillips di IMI Europe abbiamo cercato di capire come sono fatte, come funzionano e come sceglierle.
Tim Phillips, direttore generale di IMI Europe
Tim Phillips, oltre vent’anni di esperienza nel settore della stampa industriale a getto d’inchiostro, è direttore generale di IMI Europe, oltre che fondatore e direttore della società di consulenza tecnologica Catenary Solutions (e appassionato ciclista). Laureato in Scienze naturali, ha un dottorato di ricerca in Fisica dei cristalli liquidi, che è stato uno dei suoi ambiti di ricerca prima di dedicarsi alla formazione e alla consulenza. Ci è sembrato la persona giusta da intervistare per capire meglio cosa sono le teste di stampa e come funzionano.
Che tipi di teste di stampa esistono?
Ci sono due tipi di tecnologia di stampa a getto d’inchiostro. Il primo, inventato negli anni Settanta, è detto “a getto d’inchiostro continuo” (continuous inkjet, CIJ). Le teste di stampa di questo tipo hanno pochi ugelli, attraverso i quali l’inchiostro viene eiettato grazie alla pressione. Quando esce all’aria, il flusso di inchiostro si rompe, così che si ottiene una lunga catena di gocce che vengono caricate elettrostaticamente. Il campo elettrostatico fa deviare le gocce in modo selettivo, così che alcune proseguono la loro corsa e atterrano sul materiale su cui si sta stampando, e altre vengono rimesse in circolo. Questa tecnologia, in produzione dai primi anni Ottanta, è stata usata soprattutto per il date coding. Oggi il suo uso è limitato essenzialmente a quest’ambito. L’altro tipo di inkjet, molto più diffuso, è la tecnologia Drop on Demand, o DOD. A differenza dell’inkjet a flusso continuo, questa tecnologia prevede che le gocce di inchiostro escano dalla testa di stampa, appunto, solo quando servono: se si vuole che la goccia d’inchiostro finisca sul materiale da stampare, allora esce, altrimenti non viene eiettata. Così funziona la maggior parte delle teste di stampa presenti sul mercato. Nella tecnologia DOD ci sono principalmente due modi per far uscire l’inchiostro dagli ugelli: riscaldarlo oppure “spremerlo” fuori, sottoponendolo a una pressione esterna, data da materiali piezoelettrici. Le teste di stampa DOD si dividono quindi in due sottocategorie: le teste di stampa termiche (TIJ) e le teste di stampa piezo o piezoelettriche. La tecnologia termica è usata da HP e Canon, principalmente in stampanti da ufficio, ma anche in sistemi di dimensioni maggiori. La tecnologia piezo è usata praticamente da tutti gli altri. Il che significa che in ambito industriale, a meno che non si parli di HP, tutti gli altri usano tecnologia DOD piezo.
Come funzionano tecnologia termica e piezo? Quali sono le loro differenze?
La differenza principale tra la tecnologia termica e quella piezo sta nel modo in cui l’inchiostro viene spinto fuori dalla testa di stampa. Nelle teste di stampa termiche l’inchiostro viene scaldato molto rapidamente e comincia a bollire, si forma del vapore, la pressione aumenta, ed è questa differenza di temperatura che permette la fuoriuscita dell’inchiostro dagli ugelli. Le teste di stampa piezo sfruttano invece le proprietà di materiali piezoelettrici, che cambiano forma quando gli si applica una carica elettrica. Quando si progetta una testa di stampa si deve decidere che forma dargli, quanti ugelli servono, dove si vuole mettere la camera o l’alveo di raccolta dell’inchiostro, che struttura si vuole dare ai condotti che trasportano l’inchiostro fino agli ugelli. Una volta definito tutto questo, si posiziona intorno all’alveo un materiale piezoelettrico, così che, quando sottoposto a una carica elettrica, faccia pressione sull’inchiostro e lo spinga fuori dalla testa di stampa attraverso l’ugello.
Quali sono i pro e i contro delle diverse tecnologie?
Un esempio di come funziona la tecnologia DOD piezo: il materiale piezoelettrico, al quale viene applicata una carica elettrica, si deforma e causa la fuoriuscita dell’inchiostro dall’alveo della testa di stampa.
Il principale vantaggio della tecnologia termica è la facilità di produzione delle teste di stampa, dovuta al fatto che non viene usato alcun materiale “strano”, come i materiali piezoelettrici. Questo implica un costo di produzione minore, e una buona risoluzione, che si realizza grazie a ugelli posizionati molto vicini gli uni agli altri. Questo è il principale motivo per cui le stampanti da ufficio sono così economiche. Le cartucce di inchiostro che si buttano quando l’inchiostro finisce sono anche teste di stampa. Il principale svantaggio di questa tecnologia è che gli inchiostri che si possono usare sono limitati. In effetti, sono solo inchiostri a base acqua, perché non si possono mettere nelle teste di stampa termiche materiali sensibili al calore. Anche la durata di queste teste tende a essere abbastanza breve. Per quanto riguarda le teste piezo, sono generalmente più costose, ma offrono la possibilità di usare una gamma maggiore di tipi di inchiostri diversi, tra cui gli UV curable, che non si possono usare con le teste termiche. Inoltre, si possono stampare materiali delicati e sottili, e la durata di questo tipo di teste tende a essere significativamente maggiore, se viene fatta una manutenzione corretta.
Quali sono le teste di stampa più usate nel segmento industriale? Che caratteristiche devono avere e perché?
Anche se nel mercato del cartone ondulato HP usa teste di stampa termiche, la maggior parte delle teste di stampa usate nel settore industriale sono piezo. Le ragioni di questo successo sono la loro flessibilità e la loro durata. Entrambe le tecnologie riescono a garantire la velocità e la rapidità di cui il mercato industriale ha bisogno, ma i vantaggi della piezo, come la possibilità di usare inchiostri a solvente e UV, aumenta la gamma di possibilità. Quando si parla di settore industriale, in realtà, si accomunano mercati anche molto diversi tra loro. Per esempio, quello della ceramica è molto particolare perché, a differenza di tutti gli altri, qui non si cerca la massima risoluzione possibile o la migliore qualità dell’immagine. In effetti, qui è proprio il contrario: si cerca di stampare più inchiostro, di eiettarlo in grandi gocce, anche perché le molecole degli inchiostri ceramici tendono ad avere dimensioni considerevoli e quindi non funzionano con piccoli ugelli. Nel mercato ceramico c’è un bisogno molto specifico, che Xaar attualmente sta soddisfacendo bene. Produce teste di stampa che riescono a scaricare grandi quantità di inchiostro, e anche la tecnologia di ricircolo degli inchiostri è adeguata alla richiesta del mercato.
Quali sono le caratteristiche da considerare quando si deve scegliere un sistema di stampa?
Ci sono quattro caratteristiche principali da considerare quando si parla di teste di stampa. La risoluzione si ottiene realizzando ugelli molto vicini tra loro in grado di eiettare gocce molto piccole. Questo aspetto può essere peggiorato da altre caratteristiche della stampante, ma se non si parte da una buona conformazione di base della testa non lo si può di certo migliorare. Un’altra caratteristica fondamentale è la velocità. Il limite principale di una testa di stampa è quante gocce un singolo ugello riesce a eiettare al secondo. Si può rendere una stampante lenta più veloce aggiungendo più teste di stampa. Se si aggiungono teste di stampa, e quindi ugelli, si ottiene una velocità maggiore. Ovviamente, però, è meglio se si parte già da una testa di stampa che riesce a eiettare rapidamente le gocce, così non si devono aggiungere molte teste di stampa per aumentare la velocità. Il terzo aspetto importante da considerare se si cerca di acquistare una stampante è l’accuratezza. In pratica, se la testa di stampa eietta gocce molto piccole ma non le deposita nel posto giusto, il risultato non sarà buono. Il quarto e ultimo aspetto è il costo delle teste di stampa, che sarà direttamente collegato al costo della macchina, ma anche ai suoi costi di gestione e manutenzione.
IMI Europe è una società specializzata nella formazione specialistica nell’ambito della stampa a getto d’inchiostro. Fondata da Mike Willis e Al Keene nel 1999, è basata in Gran Bretagna, a Cambridge, uno dei cuori europei della ricerca sull’inkjet (qui si trovano i centri di ricerca di molte aziende del settore). IMI Europe organizza però conferenze, workshop e corsi altamente specialistici in tutta Europa e Asia, in inglese. Sono pensati per gli addetti ai lavori (ricercatori, sviluppatori di inchiostri, stampanti e teste di stampa, progettisti), ma anche per quei tecnici che vogliano approfondire particolari aspetti del settore in modo indipendente. Il prossimo appuntamento è l’Inkjet Winter Workshop dal 22 al 26 gennaio 2019 a Valencia, in Spagna. In questa occasione sarà possibile seguire i corsi Inkjet Academy (parte del quale verte proprio sulle tematiche che abbiamo affrontato in questa intervista), Inkjet Printing Software, Inkjet Ink Characterisation, Inkjet Inks: Materials & Applications, Single Pass Inkjet System Design e Inkjet Ink Manufacturing. Dall’8 all’11 aprile 2019 ad Amburgo, in Germania, si terrà l’Inkjet Ink Development Conference, durante la quale sarà possibile frequentare anche i corsi Inkjet Academy e Ink Characterisation. Come ogni estate, dal 10 al 14 giugno si terrà l’Inkjet Summer School, che quest’anno è a Cambridge, in Gran Bretagna. Un altro appuntamento importante, che ha cadenza annuale, è il Digital Print Europe (data e luogo in via di definizione). Per restare aggiornati sulle iniziative formative e di networking di IMI Europe è possibile consultare il sito imieurope.com
Secondo te ci sono innovazioni necessarie nel settore? Ci sono prodotti interessanti ma non ancora pienamente sviluppati?
Non credo che il settore della stampa inkjet cambierà in modo radicale. Tuttavia la maggior parte dei produttori di teste di stampa è riuscita a presentare nuovi prodotti, innovando i processi produttivi. Questi nuovi processi sono gli stessi usati per la produzione di microchip, ma applicati in modo diverso. Questa tecnologia, usata anche in altri settori industriali, può certamente portare a fare dei passi in avanti anche nella produzione delle teste di stampa, che possono offrire una risoluzione maggiore, una buona velocità, una buona affidabilità, ma anche essere prodotte a costi inferiori rispetto ad alcune delle teste di stampa con i vecchi design. È la tecnologia piezo DOD MEMS in silicone. Non è nuovissima, perché ha ormai un paio d’anni, ma i vantaggi si stanno cominciando a vedere ora che la maggior parte delle stampanti nel mercato sta ancora usando la vecchia tecnologia. La differenza principale è data dai materiali siliconici usati nella produzione, e la questione principale è come vengono prodotte le teste di stampa. Per semplificare, sono costruite a strati, in un modo molto simile a come vengono prodotti i microprocessori o processati i siliconi. Un esempio di questa nuova tecnologia di teste di stampa sono le Dimatix Samba. Oggi sono montate su diversi sistemi di stampa e hanno caratteristiche indubbiamente positive: la dimensione della goccia è molto piccola, così come lo spazio tra gli ugelli. Questo fa sì che offrano una buona risoluzione. Hanno una buona precisione del getto e le gocce vengono eiettate con un’alta frequenza. Inoltre, si integrano bene in lunghe linee di teste di stampa, nel caso di grandi macchine single pass. Altri produttori stanno lavorando a prodotti simili. In questo scenario, credo che ci saranno avanzamenti in questo settore. Ma c’è spazio per un’altra innovazione, secondo me. Parliamo sempre di velocità e risoluzione maggiori, ma credo che ci sia un’altra area in cui è possibile migliorare, che per certi versi è simile a quella delle piastrelle ceramiche. C’è la necessità di eiettare quantità maggiori di materiale per ottenere effetti di coating digitale. Alcuni produttori hanno questa tecnologia, ma siamo ancora a livello prototipale. Non esiste una tecnologia che stende una vernice in modo digitale, nel packaging per esempio. È molto difficile farlo al momento. Ecco, questa è un’area in cui serve ancora lavoro.