Los cabezales de inyección de tinta y la evolución de la calidad de impresión

Aunque los cabezales de impresión, las tintas, el secado y el software tienen su papel en la calidad de impresión, este artículo se centra en cómo los cabezales evolucionan para brindar mejores resultados a medida que la inyección de tinta de producción se expande a nuevas áreas.

Cuando la inyección de tinta de producción en una sola pasada empezó a ser comercialmente viable, sus aplicaciones en las artes gráficas eran apenas una declaración de intenciones. Para satisfacer las necesidades de las aplicaciones de alta cobertura y alto colorido, los cabezales de impresión deben ofrecer una mayor resolución, además de mayor precisión. Para lograr esta combinación, hay que superar no pocos retos, que abordaremos aquí en relación con las diferentes tecnologías de cabezales de impresión.

Entre las categorías de cabezales utilizados para la impresión en las artes gráficas están los piezoeléctricos, los térmicos y los de inyección de tinta continua (CIJ). Los cabezales de impresión piezoeléctricos y térmicos se engloban dentro de la tecnología DOD (del inglés 'Drop-On-Demand') porque solo se activan para expulsar una gota de tinta cuando se requiere, frente a los cabezales CIJ, que emiten los chorros continuamente.

• Los cabezales de impresión piezoeléctricos envían un impulso eléctrico a un cristal piezoeléctrico para expandir y contraer la cámara de tinta de la boquilla, lo que genera la presión necesaria para propulsar una gota de tinta.

• Los cabezales de impresión térmicos utilizan un elemento calefactor en la boquilla (en lugar de un cristal piezoeléctrico) para crear un impulso de presión que propulsa una gota de tinta.

• En los cabezales de impresión CIJ, la tinta circula por el cabezal continuamente. Al salir la tinta de la boquilla, el chorro se separa en gotas que imprimen y gotas que se recirculan.

No debemos confundir las capacidades exclusivas de reciclaje continuo de gotas de los cabezales CIJ con las de los cabezales DOD 'recirculantes. Los cabezales de impresión DOD recirculantes ofrecen un flujo constante de tinta en el interior del cabezal para evitar que las boquillas se sequen y se obstruyan, por el riesgo de extinción del chorro y otros defectos. La recirculación también ayuda a mantener la tinta a una temperatura más uniforme, lo que es especialmente importante en los cabezales térmicos. Esta capacidad es una característica relativamente nueva y compleja de los cabezales de impresión DOD, pero es inherente a los cabezales de impresión CIJ.

Todas estas tecnologías de cabezales de impresión han evolucionado con el tiempo para perseguir diferentes medidas de calidad a través de diferentes planteamientos.

Hace quince años, el principal segmento de aplicación de la inyección de tinta de producción era el de las comunicaciones monocromas a clientes, en el que una resolución de 300 ppp cubría ampliamente casi todas las necesidades. En línea con el progreso de la inyección de tinta para abordar aplicaciones más exigentes, ha evolucionado también el énfasis en las diferentes medidas de calidad de impresión.

En sus inicios, los fabricantes de cabezales de impresión se centraban en aumentar la resolución nativa. Para aumentar el número de gotas por pulgada (ppp), es necesario reducir el tamaño de las propias gotas. A medida que se ha ido elevando el techo de ppp de 300 a 600 y luego a 1.200 o más, los volúmenes de las gotas se han ido reduciendo de forma constante y proporcional. Sin embargo, las gotas más pequeñas son más susceptibles a la cizalladura de viento provocada por el movimiento del sustrato bajo los cabezales de impresión. Si de la gota primaria se separa una cola larga, esta se rompe formando un 'satélite' que golpea el sustrato más tarde que la gota primaria, lo que resulta en una impresión borrosa.

Ejemplo de reducción de la precisión del chorro y aumento de los satélites con los cabezales piezoeléctricos a mayores distancias de proyección. Fuente: Mark Bale, DoDXAct Ltd.

Para evitar los defectos de impresión causados por las turbulencias de aire, se hace necesario reducir la distancia de proyección entre el cabezal de impresión y el sustrato, o bien aumentar la velocidad del chorro. La necesidad de un impulso para crear una gota pone coto a la capacidad de los cabezales de impresión DOD de aumentar la velocidad del chorro, por lo que se hace necesario situar los cabezales más cerca del sustrato que con los cabezales CIJ. Para ello, se requieren equipos adicionales para elevar los cabezales en apoyo de funciones de automatización tales como el bobinado y el empalme sin paradas, para evitar daños en los cabezales.

Mientras que una mayor resolución es la consideración primordial a la hora de evaluar la calidad de impresión del texto, una mayor escala de grises o de bits por punto es fundamental a la hora de optimizar las imágenes, sobre todo las fotográficas. Los cabezales de impresión binarios varían las posiciones de los puntos de tamaño fijo, apoyándose en un algoritmo de difusión de errores para adaptarse a las variaciones de densidad de una imagen fotográfica. Al tener un único tamaño de punto, y a menos que los puntos sean realmente minúsculos, queda poco margen para evitar el 'escalonamiento' visible. Sin embargo, el uso de múltiples volúmenes produce en el soporte un intervalo de tamaños de gota que permite mejorar el rango tonal y la nitidez de los bordes.

En un principio, la apuesta de los principales fabricantes de cabezales de impresión piezoeléctricos para superar este reto fue hacer posible un chorro de 'gota dinámica a demanda' con tres o incluso cuatro tamaños de gota distintos. Sin embargo, el uso de gotas más pequeñas y de múltiples tamaños de gota requiere una mayor frecuencia de chorro, lo que puede poner en riesgo la productividad. Por ese motivo, la mayoría de los cabezales piezoeléctricos actuales orientados a las artes gráficas solo proyectan dos tamaños de gota distintos. También es posible intercalar boquillas de alto peso de gota con boquillas de bajo peso de gota en un mismo cabezal de impresión, como ha hecho HP con sus cabezales térmicos HDNA.

Cuando se utilizan todas las boquillas, es posible una reproducción excelente de la escala de grises, pero la formación uniforme de las gotas más pequeñas plantea dificultades a alta velocidad y exige un compromiso entre velocidad y calidad: la máxima calidad solo está disponible a baja velocidad y viceversa. Un tercer método a la hora de optimizar la reproducción de imágenes es la posibilidad de suministrar pequeños volúmenes de gotas y suministrar múltiples gotas con precisión en el mismo punto para crear puntos más grandes. Este planteamiento exige mayores frecuencias de disparo y mayores velocidades de gota, que son características exclusivas de los cabezales de impresión CIJ.

La calidad de impresión también depende de la salud del cabezal de impresión. Incluso los cabezales de impresión de más alta resolución con formación de gotas precisa ofrecerán resultados de calidad inferior si las boquillas se obstruyen por secarse la tinta en su interior. Una forma de mitigar este problema es cubrir los cabezales de impresión durante las paradas, pero las obstrucciones de las boquillas también pueden tener otras causas. Los cabezales de impresión situados cerca del sustrato pueden verse perjudicados por el polvo y los restos del material que se desplaza debajo de ellos. Algunos fabricantes de prensas digitales añaden sistemas de calidad de impresión en línea para compensar dinámicamente las posibles pérdidas de chorro mediante boquillas redundantes. Todos estos sistemas importantes, aunque costosos, pueden evitarse utilizando cabezales de impresión que trabajen más lejos del sustrato, disparen a mayor velocidad y recirculen la tinta para evitar atascos.

Kodak ha adoptado una postura única con su adopción y optimización de la tecnología CIJ como base de su cartera tecnológica de inyección de tinta. Kodak fabrica sus cabezales de impresión CIJ Stream desde 2008. Los cabezales de impresión Stream utilizan calentadores térmicos que modifican la energía superficial de un flujo continuo de tinta para formar las gotas. Una deflexión por aire separa las gotas destinadas a la impresión de las que se van a recircular. Los cabezales de impresión Kodak Stream proporcionan la velocidad necesaria para su integración en máquinas offset, flexográficas o de huecograbado y para alimentar las prensas de mayor productividad de Kodak, la Kodak Prosper 6000 y la Prosper 7000 Turbo. Esta última es la prensa de inyección de tinta más rápida del mercado actual, con una velocidad de entre 200 y 410 mpm y resoluciones que van de los 600 x 450 ppp a los 600 x 900 ppp.

Randy Vandagriff, vicepresidente senior del negocio de impresión digital de Kodak, explica que los cabezales de impresión CIJ de Kodak son capaces de generar diferentes tamaños de gota con la misma frecuencia: “Por esta vía, podemos modular el tamaño de las gotas en función de la resolución y la velocidad sin necesidad de aumentar el número de boquillas. Nuestra frecuencia de generación de gotas significativamente superior, basada en la inyección de tinta continua a alta presión, aporta flexibilidad para compensar la resolución, la velocidad y el tamaño de las gotas con la misma frecuencia. Kodak es capaz de ofrecer una cobertura de tinta de píxel completa a 600 ppp, 900 ppp y 1.800 ppp, todas ellas con diferentes tamaños de gota para satisfacer el requisito de cobertura de página completa o de píxeles”.

Kodak también cuenta con una línea más reciente de cabezales de impresión CIJ, Ultrastream, que proporcionan más de 400.000 gotas por segundo por boquilla, con una frecuencia de impresión de 2 a 3 veces más rápida que las tecnologías DOD más rápidas. Los cabezales Ultrastream utilizan un electrodo cargado en lugar de una corriente de aire para desviar las gotas y recircularlas. Ultrastream es la tecnología empleada en la prensa digital Kodak Prosper Ultra 520 para obtener una resolución de 600 x 1.800 a velocidades de hasta 152 mpm incluso en materiales estucados.

Vandagriff señala: “Durante el desarrollo de Ultrastream, logramos reducir los costes de fabricación gracias a la escalabilidad del diseño de Ultrastream. Esta escalabilidad también abre la puerta a frecuencias de gota futuras que podrían doblar a las frecuencias actuales y acercarse a los 800 kHz; por tanto, aún nos queda mucho margen de maniobra para mejorar la calidad de imagen, la velocidad y la productividad. En Kodak, también hemos demostrado la escalabilidad de la resolución de la densidad cross-track, lo que podría permitirnos alcanzar una resolución de 1.200 ppp y mantener o mejorar la velocidad posible frente a las tecnologías actuales de la competencia”.

Otra característica de los cabezales Stream y Ultrastream es la uniformidad de las gotas producidas. La velocidad de disparo y la alta redondez de las gotas, sumadas a una colocación precisa de las gotas, proporcionan una calidad de impresión precisa sin los satélites y la niebla atribuibles al impacto de las turbulencias del aire en los sistemas de chorro DOD que producen gotas de pequeño tamaño.

Los elementos de la tecnología CIJ de Kodak, como la recirculación continua y la alta velocidad de chorro que ya mencionamos por permitir una impresión precisa en escala de grises, también permiten trabajar a máxima velocidad con menos boquillas, reducir las paradas por mantenimiento y admitir tamaños de partícula de pigmento más pequeños sin temor a que se obstruyan las boquillas. A medida que la inyección de tinta de producción siga desafiando la supremacía de la impresión offset en las aplicaciones de artes gráficas, los cabezales de impresión seguirán evolucionando para satisfacer unos requisitos cada vez más exigentes. Es razonable afirmar que los cabezales de inyección de tinta continua presentan ventajas inherentes a la hora de escalar eficientemente para satisfacer estas necesidades. Como ventaja exclusiva, Kodak cuenta con una estrategia de plataforma basada en la mejora continua de los cabezales de inyección de tinta continua.