Jak działa drukarka laserowa?

O ile termin „drukarka atramentowa” jasno opisuje, jak działa to urządzenie, o tyle w przypadku drukarek laserowych sprawa jest bardziej skomplikowana. Jak bowiem laser, czyli mocno skupiona wiązka światła, może nanieść tekst czy obraz na kartkę papieru? W artykule odsłaniamy ten tajemniczy proces.

Wiele osób korzysta na co dzień z drukarek laserowych, ale najprawdopodobniej mało kto zastanawia się nad technologią, która zamienia cyfrowe dane w obrazy i tekst na kartce papieru. Mało kto wie, jaką rolę w drukarce pełni bęben, utrwalacz czy statyczna energia elektryczna. Ten artykuł nie sprawi, że staniesz się ekspertem od drukarek laserowych, ale rzuci światło na działanie tych urządzeń i wyjaśni, czym jest druk laserowy. Zasady wykorzystywane w tych urządzeniach są proste, ale ich połączenie i interakcje między nimi są dość niezwykłe.

Druk zaczyna się od iskry, czyli statyczne ładunki elektryczne

Ta sama energia, która sprawia, że czasem przeskakuje niewielka iskra, gdy dotkniemy jakiegoś przedmiotu (np. kaloryfera po uprzednim pocieraniu stopami w skarpetkach o dywan), jest głównym mechanizmem wykorzystywanym w drukarkach laserowych.

To zjawisko służy jako „tymczasowy klej” do toneru. Jego głównym komponentem jest fotoreceptor, który w drukarce ma formę rolki i jest określany mianem bębna. Bębny wykonuje się z wysoce fotoprzewodzącego materiału, którego rozładowanie następuje pod wpływem fotonów światła.

Laserowa drukarka Kyocera P3045dn, którą na potrzeby tego artykułu rozmontowaliśmy na części.

Laserowa drukarka Kyocera P3045dn, którą na potrzeby tego artykułu rozmontowaliśmy na części.

Bęben, który nie gra

Początkowo cały bęben jest ładowany dodatnio za pomocą kabla koronowego lub wałka ładującego (w obu przypadkach zasada jest ta sama). Gdy bęben się obraca, drukarka zaczyna emitować maleńką wiązkę lasera w kierunku jego powierzchni, aby rozładować określone punkty. Te punkty przyjmują ujemny ładunek elektryczny. W ten sposób laser „rysuje” elektrostatyczny obraz, który jest odwzorowaniem przesłanej do drukarki treści do wydruku. System może również pracować z odwróconymi ładunkami – dodatnim obrazem elektrostatycznym na ujemnym tle (tak jest w fotokopiarkach).

Wnętrze drukarki Kyocera P3045dn. Widoczny na zdjęciu błyszczący wałek to ceramiczny bęben służący do nanoszenia tonera na papier.

Wnętrze drukarki Kyocera P3045dn. Widoczny na zdjęciu błyszczący wałek to ceramiczny bęben służący do nanoszenia tonera na papier.

Wałek służący do ładowania bębna dodatnimi ładunkami elektrycznymi.

Wałek służący do ładowania bębna dodatnimi ładunkami elektrycznymi.

Po naniesieniu wzoru drukarka dostarcza do bębna toner (drobny, czarny proszek), który jest naładowany dodatnio. Ponieważ toner ma ładunek dodatni, jego drobinki przyczepiają się do ujemnie rozładowanych obszarów bębna. Na pozostały, dodatnio naładowany obszar bębna toner nie zostanie naniesiony. Podobny efekt można uzyskać, jeśli posmaruje się kartkę papieru klejem, a następnie posypie ją jakimś proszkiem. Utrzyma się on tylko w tych miejscach, które zostały pokryte klejem.

Po nałożeniu tonera na papier powierzchnia bębna przechodzi przez lampę wyładowczą. To jasne światło naświetla całą powierzchnię fotoreceptora, usuwając obraz elektrostatyczny. Powierzchnia bębna następnie przechodzi ponownie przez drut ładujący, aby odzyskać dodatni ładunek elektryczny.

Moduł dewelopera transportuje toner ze zbiornika do bębna. Odbywa się to za pomocą naładowanej ujemnie rolki, która w całości pokrywa się tonerem.

Moduł dewelopera transportuje toner ze zbiornika do bębna. Odbywa się to za pomocą naładowanej ujemnie rolki, która w całości pokrywa się tonerem.

Drukowanie w kilku prostych krokach

W drukarce laserowej jest wiele ruchomych części i komponentów, które wspólnym wysiłkiem przygotowują wydruki dokumentów i grafik. Każda z nich odgrywa ważną rolę. Kluczowymi elementami są: toner, bęben, laser, utrwalacz oraz pas transmisyjny. W oddzielnych akapitach szczegółowo omawiamy rolę poszczególnych komponentów i mechanizm ich działania. W tej ramce natomiast opisujemy cały proces druku, ale na dużym poziomie ogólności. W ten sposób jednak łatwiej zrozumiesz, co dzieje się w drukarce.

  1. W momencie, kiedy używasz funkcji drukowania w komputerze, tablecie czy innym urządzeniu, informacje o wydruku są przesyłane do pamięci drukarki.
  2. Jeśli jest to pierwszy wydruk po jakimś czasie, drukarka najpierw musi się rozgrzać. W tym momencie z reguły trzeba poczekać kilka sekund dłużej, aż drut koronowy (lub specjalny naładowany wałek) nagrzeje się i będzie gotowy, aby przekazać zgromadzony ładunek dodatni do bębna.
  3. Kiedy bęben zaczyna się obracać, na całą jego powierzchnię jest przekazywany dodatni ładunek elektryczny. Drukarki kolorowe mogą zawierać cztery bębny, po jednym dla każdego koloru (Cyan, Magenta, Yellow, Black).
  4. Włącza się laser, którego wiązka przechodzi przez serię zwierciadeł, a następnie pada na powierzchnię bębna, nanosząc kształt wydruku. Odbywa się to z użyciem przeciwnego, ujemnego ładunku elektrycznego.
  5. Toner jest pobierany z pojemnika za pośrednictwem modułu dewelopera (ma on kształt wałka). Drobinki tonera mają dodatni ładunek elektryczny, więc przyklejają się do tych obszarów bębna, które mają ładunek ujemny. Na obszary z dodatnim ładunkiem toner się nie przenosi.
  6. Pas transmisyjny przemieszcza papier przez wnętrze drukarki. Papier również ma dodatni ładunek elektryczny, więc przechwytuje toner przyczepiony do bębna.
  7. Na koniec toner jest wtapiany w papier przy użyciu gorącej rolki, nazywanej utrwalaczem. To ostatni krok, wydruk jest już gotowy.

Utrwalacz

Z bębna drukarka przesuwa papier w kierunku utrwalacza, czyli pary rolek rozgrzanych do 300 stopni Celsjusza. Gdy papier przechodzi przez te rolki, luźny proszek tonera topi się i łączy z włóknami papieru. Po chwili kartka wyjeżdża z drukarki – wydruk jest gotowy. Utrwalacz nagrzewa również sam papier, dlatego strony zawsze są ciepłe, gdy wychodzą z drukarki laserowej lub kserokopiarki. Co zapobiega spaleniu papieru? Głównie szybkość – papier przesuwa się przez utrwalacz na tyle szybko, że nagrzewa się tylko w niewielkim stopniu.

Ten element to utrwalacz. Jego sercem jest widoczny na zdjęciu czerwony wałek, który nagrzewa się do 300 stopni, aby wtopić toner w papier.

Ten element to utrwalacz. Jego sercem jest widoczny na zdjęciu czerwony wałek, który nagrzewa się do 300 stopni, aby wtopić toner w papier.

Koncepcyjnie tak wygląda cały proces drukowania. Oczywiście sprzęgniecie tych wszystkich elementów razem jest bardziej skomplikowane, warto więc przyjrzeć się pozostałym komponentom drukarki.

Kontroler, który rządzi drukarką

Kontroler drukarki to wewnętrzny komputer umieszczony na płycie głównej. Aby drukarka zrobiła cokolwiek, kontroler musi otrzymać dane na temat zawartości strony, a następnie przetłumaczyć ją na język zrozumiały dla drukarki, czyli mapę bitową. Ta mapa zostanie następnie odtworzona na stronie.

Płyta główna, na której znajduje się kontroler drukarki, czyli wewnętrzny komputer koordynujący działanie poszczególnych podzespołów.

Płyta główna, na której znajduje się kontroler drukarki, czyli wewnętrzny komputer koordynujący działanie poszczególnych podzespołów.

Moduł płyty głównej zawiera gniazda umożliwiające podłączenie drukarki do sieci lub do komputera

Moduł płyty głównej zawiera gniazda umożliwiające podłączenie drukarki do sieci lub do komputera

Drukarka może komunikować się z komputerem czy innym urządzeniem na kilka sposobów. Tradycyjnie są to połączenia kablowe poprzez port szeregowy lub USB, są również możliwe połączenia bezprzewodowe Bluetooth i Wi-Fi. Drukarkę laserową można podłączyć bezpośrednio do komputera lub do sieci, za której pośrednictwem możliwa jest komunikacja między urządzeniami. Jest to szczególnie istotne w biurach, ponieważ umożliwia korzystanie z jednej drukarki z poziomu wielu urządzeń, a także daje szereg innych możliwości, np. monitorowanie wydruków czy wydruk podążający.

W jakim języku drukarka rozmawia z komputerem

Aby komunikacja między kontrolerem drukarki a komputerem była możliwa, muszą używać tego samego języka opisu strony. W starych drukarkach używano specjalnego pliku tekstowego i prostego kodu, który dostarczał drukarce podstawowe informacje na temat formatowania. Umożliwiało to jednak korzystanie tylko z kilku podstawowych czcionek, o grafice nie wspominając. Obecnie wydruki są znacznie bardziej skomplikowane i drukarka musi używać zaawansowanego języka. Najczęściej stosuje się języki PCL (Printer Command Language opracowany przez HP) albo Adobe Postscript. Oba te języki przedstawiają zawartość strony za pomocą wektorów, czyli wzorami matematycznymi opisują kształty, zamiast przenosić informację pojedynczo o każdym pikselu.

Panel do obsługi drukarki.

Panel do obsługi drukarki.

Drukarka zamienia wektorowy obraz na mapę bitową. Ten system sprawia, że do drukarki można przesyłać bardzo skomplikowane strony zawierające zarówno tekst, jak i grafikę. Natomiast konwersja do mapy bitowej powoduje, że drukarka może wykorzystywać swoją maksymalną rozdzielczość.

Oprócz rozpoznania treści do wydrukowania zadaniem kontrolera jest również ustalenie, jakiego papieru należy użyć, jak sformatować stronę, jak obsłużyć czcionki, jak duże mają być marginesy itd.

Co robi laser w drukarce

Ponieważ to laser, a w zasadzie cały układ laserowy, rysuje stronę, musi być precyzyjny. Tradycyjny układ laserowy składa się z następujących elementów:

  • lasera,
  • ruchomego zwierciadła,
  • soczewek.

Do lasera trafia mapa bitowa, która opisuje każdą kropkę tworzącą tekst i obraz. Jest on przesyłany w pojedynczych, poziomych liniach. Wiązka lasera przesuwa się po bębnie, a laser emituje wiązkę w każdym miejscu, w którym ma się znaleźć kropka. W przypadku pustych przestrzeni wiązka jest wygaszana.

Laser znajduje się wewnątrz widocznego na zdjęciu modułu. Wiązka pada poprzez prostokątne szkiełko znajdujące się w górnej części.

Laser znajduje się wewnątrz widocznego na zdjęciu modułu. Wiązka pada poprzez prostokątne szkiełko znajdujące się w górnej części.

Laser jest nieruchomy i nie steruje kierunkiem wiązki. Odbija się ona od ruchomego zwierciadła, a następnie przechodzi przez serię soczewek. Ten system jest odpowiedzialny za korekcję zniekształceń powstających w związku z tym, że odległość między zwierciadłem a bębnem może być różna.

Materiały eksploatacyjne – kartridż czy toner?

Materiały eksploatacyjne do drukarek laserowych są dostępne w formie tonera lub kartridża. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z prostszą konstrukcją – pojemnikiem zawierającym toner. Natomiast kartridż to połączenie tonera i bębna. Oczywiste jest więc, że toner jest tańszy w zakupie, ale to nie wszystkie jego zalety. Gdy w kartridżu kończy się toner, cały element jest do wyrzucenia, mimo że bęben nadal nadaje się od użycia. W przypadku tonera bęben wymienia się znacznie rzadziej. Przykładowo, bęben ceramiczny stosowany w drukarkach Kyocera wystarcza na wydrukowanie ok. 100 tys. stron. Natomiast najbardziej pojemne tonery mają wydajność 17 tys. stron. Jeśli więc w drukarce będą to oddzielne elementy, wystarczy wymieniać tylko sam toner.

Zapisywanie strony

Wiązka lasera porusza się tylko w płaszczyźnie poziomej. Po każdej zapisanej linii drukarka obraca delikatnie bęben tak, aby laser mógł nanieść kolejną linię. Kontroler drukarki perfekcyjnie synchronizuje te ruchy nawet przy dużych szybkościach druku.

Niektóre drukarki laserowe używają całego paska diod elektroluminescencyjnych (LED) do zapisywania obrazu strony zamiast pojedynczego lasera. Każda kropka ma własne źródło światła, co oznacza, że taka drukarka drukuje tylko w jednej rozdzielczości. Takie urządzenia są tańsze w produkcji, ale charakteryzują się niższą jakością druku i zazwyczaj diody LED są stosowane tylko w tańszych drukarkach.

Zasadniczo drukarki laserowe działają w ten sam sposób co fotokopiarki, ale jest kilka istotnych różnic. Oczywistą jest inne źródło pochodzenia treści do wydruku. Kolejną istotną różnicą jest sposób tworzenia elektrostatycznego obrazu. Kiedy kserokopiarka rzuca światło na kawałek papieru, odbija się ono od białych obszarów, a jest pochłaniane przez ciemne obszary. W tym procesie „tło” jest rozładowywane, podczas gdy obraz elektrostatyczny zachowuje ładunek dodatni. W większości drukarek jest odwrotnie – rozładowuje się obszary, które mają być zadrukowane. Taki system jest łatwiejszy do zbudowania, a także daje lepszą jakość wydruków.

Tajemnice tonera

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech drukarki laserowej jest toner. Co istotne, nie jest to substancja typu atrament, którą papier wchłania. W dużym skrócie, toner to elektrycznie naładowany proszek składający się z dwóch składników: pigmentu i plastiku. Rola pigmentu jest dość oczywista – odpowiada on za kolor wydruku (w urządzeniach monochromatycznych jest to kolor czarny).

Wymienny pojemnik z tonerem.

Wymienny pojemnik z tonerem.

Pigment jest zmieszany z cząstkami tworzywa sztucznego. Dlatego toner topi się, kiedy przechodzi przez utrwalacz. Takie właściwości powodują, że toner ma wiele zalet w porównaniu z płynnym atramentem. Przede wszystkim mocno wiąże włókna prawie w każdym rodzaju papieru, co oznacza, że tekst nie będzie się łatwo rozmazywał.

Toner jest przechowywany w pojemniku, z którego drukarka pobiera go z użyciem modułu dewelopera. Jest to ujemnie naładowana rolka, do której toner przyczepia się i jest przenoszony w kierunku bębna.Ponieważ obraz elektrostatyczny ma silniejszy ładunek ujemny niż deweloper, cząsteczki tonera przeskakują z dewelopera na bęben.

Drukarki laserowe zawierają pojemnik na zużyty toner.

Drukarki laserowe zawierają pojemnik na zużyty toner.

Papier przemieszczający się wzdłuż bębna ma jeszcze większy ładunek ujemny, więc on z kolei przechwytuje toner. Następnie papier jest rozładowywany przez kabel koronowy. Przez chwilę jedyną siła utrzymującą toner na papierze jest grawitacja. Po chwili jest on wtapiany w papier przez utrwalacz. Rolki utrwalacza są pokryte teflonem, więc roztopiony toner nie przykleja się do nich.

Zalety drukarek laserowych

Główne zalety drukarek laserowych w porównaniu do technologii atramentowej to: szybkość, precyzja i koszty druku pojedynczej strony. Laser może poruszać się bardzo szybko, dlatego może „pisać” dużo szybciej niż strumień atramentu. Wiązka laserowa ma stałą średnicę, więc nanosi obraz bardziej precyzyjnie i nie występują takie efekty, jak rozlanie się nadmiaru tuszu.

Jeśli porównać ceny zakupu, drukarki laserowe są droższe niż atramentowe, natomiast charakteryzują się niższymi kosztami eksploatacji. Toner jest tańszy niż atrament i bardziej wydajny. Dlatego w biurach stosuje się prawie wyłącznie drukarki laserowe. W większości modeli wydajność druku idzie w parze z szybkością przetwarzania dokumentów i możliwością obsługi wielu użytkowników. Obecnie ceny drukarek laserowych znacznie spadły i podstawowe modele są na tyle tanie, że są kupowane również do zastosowań domowych.