Научный подход к восстановлению
струйных картриджей: НР 51629А

Оригинал статьи на сайте Worldwide Manufacturing

В течение 1990-х годов струйные принтеры заняли значительную часть рынка принтеров. Так как эта новая технология быстро развивалась, значительный рост наблюдался также в сфере переработки (картриджей). В настоящее время тысячи компаний в мире процветают, имея восстановление картриджей за основной бизнес.
Струйные печатающие головки фактически являются высокотехническим изделием и по сей день подвергаются значительным усовершенствованиям материала, дизайна и чернил. Из-за этого успешное восстановление и обращение со струйными картриджами требует все большей осторожности. Опытные специалисты по восстановлению картриджей подтвердят, что в случае ранних дизайнов, таких как Hewlett-Packard 626A, было гораздо легче получить удовлетворительные результаты печати по сравнению с более поздними моделями (629, 614 и др.), в которых используются пигментные чернила.
За последние годы было опубликовано несколько технических статей, посвященных основным принципам и дизайну струйных принтеров, печатающих головок и чернил, и тем самым был сделан важный вклад в понимание применяющихся сегодня струйных технологий. Целью данной работы является дальнейшее расширение имеющихся знаний путем разъяснений взаимосвязи между различными параметрами при восстановлении картриджей и соответствующими результатами печати.
Излагаемые в данной работе результаты базируются на моем опыте восстановления более чем 200 000 струйных картриджей (преимущественно Hewlett-Packard 629A) и научных исследованиях (на протяжении нескольких лет) поврежденных термических печатающих головок разных струйных картриджей.

Рис. 1: Микрофотография печатающей головки 629А, сделанная с помощью стерео микроскопа. Сопловая пластина имеет толщину 80 микрометров и сделана из золота, очень устойчивого к коррозии металла. Размеры показаны белой прерывистой линией. Сопловая пластина наклеена в качестве крышки на печатающую головку.

Рис. 2: Сопловая пластина имеет 2 ряда печатающих сопел, по 26 штук в каждом ряду (см. стрелки).

Описание элементов дизайна печатающей головки 629

С внешней стороны 629 картриджа можно видеть только электрические контакты и золотую сопловую пластину (Рис. 1 и 2). Эти части хорошо знакомы каждому специалисту по восстановлению картриджей. Поскольку элементы струйного картриджа слишком малы, чтобы рассмотреть невооруженным глазом, для лучшего понимания сборки печатающей головки очень полезно использовать микроскопию (Рис. 3).

Рис. 3: Фрагмент изображения, представленного на Рис. 2, полученный с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЕМ). Этот мощный прибор дает возможность увеличивать в 200 000 и более раз. Фотографии СЕМ всегда черно-белые.

Рис. 4: Фрагмент Рис. 3 при большем увеличении. Каждое печатающее сопло имеет диаметр 40 микрометров. Тонкий круг вокруг сопла, вероятно, появился во время производства.

Рис. 5: Стерео микрофотография печатающей головки после снятия золотой сопловой пластины (См. также рис. 2). Элементы печатающей головки находятся в пределах белого прямоугольника. Медные проводники непосредственно присоединяются к электронной части принтера посредством электрических контактов на задней стенке картриджа.

Рис. 6: Микрофотография СЕМ представляет те же детали печатающей головки, что на Рис. 5.

Рис. 7: При большем увеличении элементы печатащей головки можно рассмотреть более детально.

Сканирующий электронный микроскоп является наиболее походящим инструментом для рассмотрения поверхностей при самом лучшем глубинном разрешении и повышенном увеличении. Как пример, сравните микрофотографии сопловой пластины и отверстий печатающих сопел на Рис. 3 и 4, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, с таковыми, сделанными обычным световым микроскопом на Рис. 1 и 2.
Для изучения внутренних частей печатающей головки следует снять сопловую пластину. Теперь можно рассмотреть внутренние функциональные части, такие как медные проводники, ячейки печатающей головки и элементы резисторов. Детальное описание этих частей дается в этой статье далее (Рис. 5-8).

Понимание проблем восстановления картриджей

Чтобы получить удовлетворительную печать, необходимо осторожно осуществлять каждую стадию восстановления картриджа. При выборе пустых картриджей для покупки, хранения и тестирования критически важным является визуальный осмотр и тестирование электрической цепи. В процессе очистки большое влияние на ее эффективность имеет выбор очищающего раствора и метода очистки. При заполнении наиболее важным является выбор чернил и оборудования для заправки. Наконец, следует должным образом оценить работу картриджа после тестирования печати.
В дальнейшем будут рассмотрены и обсуждены возможные причины возникающих проблем на каждой стадии восстановления картриджей.

Рис. 8: Эта микрофотография показывает одну ячейку печатающей головки 629 картриджа, где чернила нагреваются до образования пузырька пара для выброса капель чернил по несколько тысяч раз в секунду. Центр ячейки печатающей головки находится непосредственно под сопловым отверстиемЮ показанным на Рис. 4. (надписи на рис: центр ячейки печатающей головки; месторасположение соплового отверстия на пластине печатающих сопел).

Рис. 9: Фотография, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа, иллюстрирует часть неповрежденной печатающей головки 629А после удаления золотой сопловой пластины. При печати чернила нагреваются в очерченной кругом областине (эта фотография показывает 3 из 52 нагревательных ячеек), затем пузырьки пара заставляют чернильные капли вылетать из сопел (в направлении к читателю). Материал нагревающего элемента (показано светло-зеленым цветом) - тантал (Та), высокоустойчивый к коррозии метал.

Рис. 10: Микрофотография СЭМ показывает печатающую головку 629 с повреждением электрической части (см. левую нагревательную ячейку). Когда чернила продвигаются при печати, маленькое их количество остается всегда нагретым и образует теплоизолирующее покрытие на резисторе (явление называется когезия). Это ведет к значительному перегреву и поломке элемента резистора. Этот дефект исправить нельзя из-за малых размеров частей печатающей головки. Например, нагревательный элемент в диаметре около 40 микрометров. (Надписи на рис.: нагревательные ячейки; подача чернил).

Дефекты электрической цепи

Картридж Hewlett-Packard 629A имеет, как и все картриджи НР, термическую печатающую головку с выбросом капель через верх. Rob Baydo и Annette Groscup из компании Kimberly-Clark Printing Technologies дают детальное описание такого дизайна и технологии в июльском выпуске журнала Recharger Magazine ( 2001 г.). При нормальной печати резистор (нагреватель) в этом картридже нагревает маленькое количество пигментных чернил до температуры приблизительно 500 0С (Рис. 9). Охлаждающий эффект окружающих чернил в печатающей головке предотвращает всю систему от перегрева.
Когда в картридже заканчиваются чернила, система подвержена частичному перегреву из-за потери охлаждающего эффекта окружающих чернил. Поэтому, когда запас чернил почти истощился в процессе печати, маленькое количество остающихся чернил будет быстро высыхать на поверхностях нагревательной ячейки (Рис. 10). Это приводит к перегреву ячейки и может вызвать короткое замыкание в резисторах.
Элементы резистора объединяются в 4 группы по 13 взаимодействующих элементов (13 элементов имеют общий заземляющий контакт). Поэтому разрушение элемента всегда ведет к одновременному отказу 13 из 52 печатающих сопел. Результирующее снижение качества печати показано на Рис. 11.
Картриджи с повреждением электрической цепи можно идентифицировать, используя промышленный тестер электрической цепи. Тестером обычно измеряют сопротивление электрических контактов для определения дефектов электрической цепи. После тестирования более 100 000 картриджей, я установил, что доля поломки 629 картриджей после 1 цикла работы по вине дефектов электрической цепи составляет 15-20 %. Так как такой дефект нельзя исправить, картриджи обычно выбрасываются.
Это явление в основном наблюдается в картриджах Hewlett-Packard 500 и 600 серии (включая 626б 629б 625б 649 и 614 картриджи). Процесс печати не останавливается автоматически до полного опустошения картриджа. 625 и 649 картриджи особенно подвержены таким повреждениям электрической цепи. Я наблюдал такую поломку в 50 % случаев для 649 картриджей.
Это легко понять потому, что когда заканчивается один цвет, пользователь продолжает печатать оставшимися двумя, перегревая пустую систему. Картриджи 700 и 800 серии прерывают печать перед тем, как закончатся чернила и поэтому обычно нет такого дефекта из-за перегрева. Они также имеют другой дизайн печатающей головки.
По причине возникновения описанной проблемы, я настоятельно рекомендую тестировать электрическую цепь перед покупкой пустых картриджей для уменьшения стоимости комплектующих (сырья). Различные промышленные поставщики предлагают такие тестирующие системы, включая модели, работающие на батарейках, которые легко взять с собой к продавцу картриджей.

Рис. 11: Новый 629 картридж печатает хорошую черную полосу с использованием всех 52 сопел. Поломка в 1 или более групп нагревателей приводит к появлению серых или белых полос. Заметьте, что отказ двух групп нагревателей может привести к двум разным дефектным картинкам при печати. Отказ четырех групп нагревателей приводит к такой печати, как будто отсутствуют чернила. Этот тест следует проводить в режиме экономной печати принтера.

Рис. 12. Одна из нагревательных ячеек 629 печатающей головки с засохшими чернилами. Движение чернил по каналам затруднено из-за твердых отложений пигмента и их следует прочистить, придерживаясь соответствующей методики очистки, чтобы иметь возможность снова печатать.

Дефекты высохших чернил

Подобно другим новым моделям картриджей 629 картридж работает с пигментными чернилами, которые обеспечивают лучшее качество печати. Эти чернила содержат твердые микроскопические частицы углерод-полимерного материала. Когда остатки чернил в картридже засыхают, образуется паста. Со временем паста затвердевает и крепко удерживается на внутренних поверхностях картриджа, что делает ее все более и более нерастворимой в воде и очищающих растворах. Кроме того, некоторое количество чернил засыхает непосредственно в печатающей головке, откуда их невозможно удалить без применения соответствующей методики очистки (Рис. 12).
Неполное удаление чернил часто ведет к проблемам печати. Чернильная паста остается на стенках печатающей головки или на входе в нагревательные ячейки на протяжении всего процесса восстановления картриджа. Сначала картридж показывает хорошие результаты печати.
Однако спустя несколько дней или недель чернильная паста медленно начнет растворяться в новых чернилах, так как те продвигаются вниз к печатающей головке. Вследствие этого меняется вязкость чернил, что приводит к затруднению их прохода к нагревательным ячейкам и печатающим соплам, что впоследствии приводит к поломке картриджа. К сожалению, в то время картридж уже находится у пользователя и последует неприятный возврат.
Во избежание такой проблемы я рекомендую чистку всех картриджей, в которых визуально замечены засохшие чернила. Очистка внутренних стенок в отсеке на входе в печатающую головку должна быть особенно тщательной (Рис. 13). Это можно легко доказать простым тестом с пустыми 629 картриджами, содержащими засохшие чернила. После восстановления без очистки некоторые картриджи могут показать вначале хорошее качество печати. Когда повторить тест печати через несколько дней, часть из этих картриджей не будет работать должным образом.
Хранение пустых картриджей длительный период времени и/или при умеренных температурах дает возможность остаткам чернил засыхать до такой степени, что их невозможно будет растворить и удалить даже сильными очищающими растворами. Поэтому я не рекомендую покупать пустые картриджи, которые хранились несколько месяцев или при высоких температурах.
Кроме того, я не рекомендую новичкам в этом бизнесе собирать большое количество пустых картриджей, не планируя восстановить их всех сразу после приобретения необходимого оборудования. Общее правило: чем меньше времени находится картридж без чернил, тем лучше результат его восстановления.

Рис. 13: Перед приобретением пустого картриджа следует визуально рассмотреть отделение на входе в печатающую головку на предмет наличия в нем засохших чернил, которые можно видеть с задней стороны. В окружности показано вид сзади очищенного отделения перед печатающей головкой. Засохший пигмент обычно находится на внутренних стенках.

Рис. 14: Когезия в ячейке нагревателя загрязненной печатающей головки 629 картриджа. Загрязнение образует наслоения на стенках ячейки нагревателя и затрудняет проход чернил по каналам. Методом EDX можно проанализировать химический состав отложения в отмеченной точке (см. Рис. 15).

Рис. 15: Метод EDX-микроанализа позволяет определить химический состав отложений в отмеченной точке на Рис.14. Идентифицированными элементами загрязнения являются хлор, натрий, калий и кальций. Появляется пик тантала благодаря танталовому нагревателю. Пик золота появляется вследствие процедуры измерения и игнорируется.

Загрязнения в печатающей головке картриджа

Результаты обширных исследований показали, что даже очень незначительное количество загрязнений в печатающей головке может вызвать так называемую когезию. Это наращивание очень липкого слоя загрязнений на элементах нагревателя в присутствии ионов мелаллов. Это отложение изменяет геометрию ячейки нагревателя, что влияет на количество чернильных капель и направление их выброса, и, наконец, может полностью прекратиться образование пузырьков и произойти короткое замыкание в элементе резистора. Пример показан на рис. 14.
С помощью рентгенодисперсионного метода анализа в этом слое обнаружены хлор (Cl), натрий (Na), калий (K) и кальций (Ca) (Рис. 15). Эти элементы также находятся в обычной водопроводной воде. Отложение может быть и за пределами печатающих сопел (Рис. 16), что приводит к отклонению траектории полета капель чернил. Соответствующее качество печати по сравнению с хорошим качеством показано на рис. 17.
Чтобы понять, почему очень малые примеси металлов, солей и другие загрязнения могут образовать такие наслоения, особенно в пределах ячейки нагревателя, мы должны представить все в микроскопических размерах. Следуя общему правилу, каждый подъем температуры на 8 0С ускоряет в 2 раза все химические процессы. Это означает, что коррозионная активность ингредиентов чернил при 500 0С возрастает в 5х1017 раз по сравнению с активностью при комнатной температуре - это невероятно большая величина. Идентифицированные элементы Na и Cl (см. Рис. 15) представляют собой хлорид натрия, обычную соль.

Рис. 16: Микрофотография (СЭМ) печатающего сопла (в золотой сопловой пластине), где видны частицы, содержащие соли и металлы. Эти частицы не могут быть удалены очисткой картриджа потому, что очень сильно приклеены к стенкам. Проходящие чернила отклоняются из-за этих отложений, что приводит к некачественной печати. См. Рис. 17.

Рис. 17: Загрязнение сопел печатающей головки и ячеек нагревателей ведет к значительному ухудшению качества печати из-за потери или отклонения чернил. Отклонение чернильных капель создает тени вокруг напечатанных объектов (сверху) в то время как должным образом печатающий картридж дает четкие характеры (внизу).

Рис. 18: Ячейка печатающей головки использованного 629 картриджа. На основании нагревательного элемента видно результат слабой кавитации, которая случается при обычной работе картриджа. Это обычный процесс ухудшения состояния и его избежать нельзя. После нескольких рабочих циклов возрастающее разрушающее влияние кавитации выводит картридж из строя.

Чтобы коррозионная природа соли была наглядней, представьте как морская соль разъедает сталь даже при комнатной температуре. Рисунки помогают понять то, что даже очень маленькие количества загрязнений могут атаковать металл нагревательного элемента и откладываться в виде заметного коррозионного слоя в описанных условиях.
Более того, нагревательная система печатающей головки в процессе обычной работы находится под влиянием двух дополнительных процессов. Во-первых, повторяющийся нагрев и охлаждение элементов резистора до тысяч раз в секунду вызывает термическую усталость материалов нагревательной ячейки из-за их различных термических свойств (по-разному расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении).
Во-вторых, явление под названием кавитация имеет место каждый раз, когда пузырек пара разбивается на нагревательном элементе после выброса капли чернил через сопло. Из-за высокой скорости этого взрывного процесса, окружающие чернила достигают поверхности нагревателя с механическим ударом. Оба процесса ведут к усталости и медленному разрушению печатающей головки (Рис. 18). Вот почему срок службы печатающей головки ограничен, и картриджи нельзя восстанавливать бесконечно.
Для предотвращения отложения загрязнений на нагревателе используют очень чистые ингредиенты (в первую очередь - экстра чистую воду) для производства оригинальных чернил, а также высоко устойчивые к коррозии материалы, такие как тантал, для изготовления нагревателей. При исследовании печатающих головок после первого цикла я не обнаружил наслоения загрязнений.
Имеется три возможных источника появления загрязнений в восстановленных картриджах:

а) Загрязнение при хранении пустых картриджей

Абсолютно реально предположить, что только одна капля дождевой воды, которая попадает в печатающую головку через сопла, содержит достаточно ионов металлов для разрушения картриджа (самое позднее, при следующем цикле). Поэтому пустые картриджи не должны быть подвержены влиянию погодных условий или высокой влажности при хранении.

б) Загрязнение в процессе очистки посредством очищающей жидкости

Для очистки картриджей используйте по возможности только высоко очищенную воду или очищающие растворы такого же качества, как ингредиенты для производства чернил. По результатам данного исследования я не могу рекомендовать обычную дистиллированную воду.
Чистоту воды и других жидкостей можно измерить. Электропроводимость отражает общее содержание растворенных солей и ионов металлов. Чем ниже проводимость, тем выше чистота воды. С использованием современных деионизирующих фильтров можно достичь электропроводимости воды менее 0,1 микроСименс/см. В то же время обычная уличная вода имеет проводимость до 350 микроСименс/см и выше.
Несколько лет опыта обращения с большим количеством очищенных 629 картриджей показал, что использование чистой воды с проводимостью менее 1 микроСименс/см (лучше менее 0,5 микроСименс/см) может предотвратить загрязнение. Такая вода также рекомендуется для приготовления очищающих растворов.

в) Загрязнение чернилами в процессе восстановления

Основными ингредиентами чернил для 629 картриджей являются вода, пигменты, спирты и консерванты. Все ингредиенты могут содержать в следовых количествах элементы, соли и другие примеси, влияющие на чистоту чернил в целом. Наиболее вероятный путь попадания загрязнений в чернила - через пигменты, так как более трудно получить чистые твердые материалы, чем жидкие. Поэтому пигменты высокой чистоты намного дороже, чем "обычной" чистоты.
В отличие от случая с водой, мы не можем определить чистоту чернил путем простого измерения электропроводимости. Пигменты для 629 картриджей содержат проводящую угольную пыль (которая не является вредной для печатающей головки). Таким образом, пигменты даже самой высокой очистки имеют проводимость. Например, электрическая проводимость оригинальных пигментных чернил для картриджа Hewlett-Packard 629 равна 990 микроСименс/См, что гораздо больше, чем у водопроводной воды.
Я настоятельно рекомендую специалистам по восстановлению картриджей узнавать чистоту покупаемых ингредиентов чернил. Спросите у Ваших потенциальных производителей чернил, как они определяют и контролируют чистоту воды. Помните, что чем ниже проводимость воды, тем она чище.
И наконец, заметьте, что высокочистые вода, очищающие растворы и чернила могут загрязняться при контакте с воздухом (воздух содержит частицы металлов и другие примеси). Поэтому, очищающие растворы и чернила не должны храниться в открытых контейнерах. Более того, эти жидкости могут загрязниться при контакте с металлами, имеющими основные (щелочные) свойства. Нужно избегать применения таких металлов в тех деталях оборудования для восстановления струйных картриджей, которые пребывают в непосредственном контакте с жидкостями.

Рис. 19: Этот рис. показывает около 26 из 52 нагревательных ячеек печатающей головки 629 картриджа. Большинство из них разрушено после ультразвуковой очистки (справа).

Рис. 20: Фотография сделана в левой части картриджа, показанного на рис. 19. Некоторые нагревательные ячейки остаются неповрежденными. Структурные части сделаны из очень твердого полимерного материала и не так легко ослабляются под влиянием ультразвука.

Рис. 21: Фотография сделана в правой части картриджа, показанного на рисунке 19. Все структурные части ячеек печатающей головки исчезли после очистки ультразвуком.

Рис. 22: Сравнение качества печати печатающих головок, подвергнутых ультразвуковой очистке различной продолжительности. (Сверху) отлично печатающий картридж. Частично разрушенная печатающая головка печатает с белыми полосами и линиями (в центре). Внизу - печатающая головка почти полностью разрушена. Этот картридж не подлежит ремонту.

Очистка картриджей ультразвуком

Специалисты по восстановлению струйных картриджей часто обсуждают эффективность ультразвуковых очистителей для очистки печатающих головок. При ультразвуковой очистке частицы колеблются внутри картриджа, отрываются от поверхности и могут быть удалены через сопловую пластину. Несмотря на проверенную эффективность во многих областях, применение этого метода для очистки печатающих головок все больше оспаривается.
Исследуя с помощью микроскопии, я наблюдал, что ультразвук разрушал некоторые важные функциональные части печатающей головки (Рис. 19-21). Эти разрушения привели к частичному, а позже полному разладу в работе печатающей головки и резкому снижению качества печати (Рис. 22). В частности, я исследовал очистку с помощью ультразвука новых картриджей 600, 700 и 800 серий. Их более слабый дизайн также может способствовать расшатыванию и отклеиванию сопловой пластины.
По моему мнению, проблему нельзя решить модифицированием ультразвукового очистителя (например, варьировать частоту ультразвука или амплитуду) потому, что в принципе избежать атаки некоторых слабых частей печатающей головки невозможно.

Доктор наук Wolfgang Reick является соучредителем TB Acessorios do Brasil, бразильского производителя оборудования для струйной промышленности, главный менеджер Euro-Labor, немецкого института исследования материалов и анализа проблем функционирования оборудования.

Координаты для контакта: wkreick@gmx.de