Износ термоэлементов струйных картриджей: причины и последствия

На износ термоэлементов струйных картриджей существенное влияние оказывают три взаимосвязанных процесса: кавитация, когезия и термическая усталость материалов.

Кавитация (от лат. Cavitas – пустота) – это формирование в жидкости под воздействием высоких температур пузырьков, заполненных паром. Такие пузырьки называют кавернами или кавитационными пузырьками.

Принцип кавитации положен в основу пузырьково-струйной технологии печати: при нагревании термоэлемента струйного принтера чернила закипают, и в них появляются воздушно-чернильные пузырьки, которые соединяются в один кавитационный пузырь и выталкивают капли чернил из сопла на бумажный носитель. В определённый момент времени кавитационный пузырь лопается, образуя полость пониженного давления, которая затягивает в сопло новую порцию чернил. Устремляясь в сопло, чернила создают небольшую ударную волну, которая разбивается о поверхность нагревательного элемента картриджа. Волнообразное движение чернил напоминает морские волны, которые разбиваются о каменистый берег, обтачивая его камни. Аналогичное воздействие, только в микроскопическом масштабе, чернила оказывают на термоэлемент струйного картриджа. Постоянное давление чернильных волн на термоэлемент с течением времени приводит его к износу и выходу из строя.

На рисунке представлена начальная степень износа термоэлемента струйного картриджа от кавитации.

Начальная степень износа термоэлемента струйного картриджа от кавитации

На данном этапе износ термоэлемента незначителен, он позволяет получить отпечатки хорошего качества. Но после нескольких циклов заправок картриджа разрушающее влияние кавитации становится более заметным и с течением времени приводит к износу термоэлемента и выходу картриджа из строя.

Кавитация в струйном картридже протекает в чернильной среде. Поэтому на износ термоэлемента влияет качество чернил. Использование некачественных чернил порождает такое явление, как когезия.

Когезия – это появление липкого загрязняющего слоя на поверхности деталей и элементов струйного картриджа под влиянием ионов металлов и солей. Со временем липкий слой твердеет, образуя плотную корку. Такая корка похожа на накипь электрического чайника или нагревательного элемента стиральной машины. Её очень сложно, а порой невозможно удалить при помощи утилиты прочистки печатающей головки, оказывается бессильной и промывка картриджей дистиллированной водой.

На рисунке ниже представлено изображение термоэлемента струйного картриджа, поражённого когезией.

Когезия термоэлемента струйного картриджа

Когезия поражает не только термоэлемент струйного картриджа, но и другие функциональные элементы печатающей головки.

Сопло печатающей головки струйного картриджа, покрытое слоем солей и металлов

Когезия изменяет конфигурацию ячейки термоэлемента, уменьшает количество выдавливаемых из сопла чернильных капель и искажает траекторию их полёта. В результате страдает качество отпечатков: появляются полосы и пробелы, посторонний фон, нечёткая печать, тени.

Ниже представлено два образца печати: в верхней части рисунка тестовые строки распечатаны на поражённом когезией струйном картридже, а в нижней части – на новом струйном картридже.

Сравнение отпечатков, полученных на новом струйном картридже (внизу)

и струйном картридже, повреждённом когезией (вверху)

С усилением когезии образование пузырьков может полностью прекратиться и в элементе резистора может произойти короткое замыкание.

Результаты научных исследований показали, что вызвать когезию термонагревателя и других функциональных частей струйного картриджа могут даже незначительные загрязнения в соплах печатающей головки.

Исследование липкого загрязняющего слоя, вызванного когезией термоэлемента струйного картриджа, показало, что в нём присутствуют хлор, натрий, калий и кальций. Частицы солей и металлов достаточно плотно прилипают к поверхности термоэлемента, поэтому отчистить их при помощи стандартной процедуры прочистки печатающей головки картриджа не представляется возможным.

Почему же микроскопические кристаллы солей и металлов образуют на внутренней поверхности картриджей липкие наслоения?

В соответствии с общим правилом, каждое увеличение температуры на 8°С приводит к двукратной активации всех химических процессов. Следовательно, коррозия железистых компонентов чернил при температуре в 500°С увеличивается с ускорением в 5х1017 раз по сравнению с коррозией при комнатной температуре. Следовательно, появлению когезии способствует разогревание чернил до температуры закипания.

Практика показывает, что чем хуже чернила, используемые для заправки струйного принтера, тем активнее и быстрее протекает процесс когезии. Как известно, в состав чернил могут входить вода, спирты, консерванты и пигменты. Перечисленные ингредиенты могут содержать следы присутствия солей и других примесей, оказывающих неблагоприятное влияние на качество чернил. И чем качество чернил ниже, тем больше примесей они содержат.

Чаще всего носителями загрязнений в чернилах являются пигменты, которые очистить от посторонних примесей значительно сложнее, чем жидкие компоненты. Поэтому высококачественные пигменты, прошедшие дополнительную очистку, намного дороже не очищенных пигментов. Наряду с этим даже самые высококлассные пигменты, прошедшие комплексную очистку от примесей, имеют проводимость и содержат металлы. Так, например, качественные оригинальные пигментные чернила для картриджа HP 629 имеют проводимость 990 мкС/см (для сравнения: дождевая вода имеет проводимость от 350 мкС/см и выше).

Высокую проводимость могут иметь и всевозможные чистящие растворы, используемые для прочистки деталей струйных картриджей. Именно поэтому следует с осторожностью относиться к рекомендациям некоторых специалистов, предлагающих использовать для промывки картриджей самодельные промывочные растворы.

Практика показывает, что самым лучшим средством для промывки струйных картриджей является вода, отфильтрованная при помощи деионизирующего фильтра. Фильтрация позволяет снизить электропроводность воды до 0,1 мкС/см. Оптимальной для промывки струйных картриджей является проводимость воды в 0,5 мкС/см. Применение такой воды предотвращает появление накипи из солей и металлов на поверхности термоэлемента и других деталей картриджа.

В воздухе содержатся различные примеси металлов. Поэтому чернила, отфильтрованную воду для прочистки картриджей и очищающие растворы не следует хранить в открытых резервуарах. При соприкосновении перечисленных жидкостей с воздушной средой металлы поступают из воздушной среды в водную, а впоследствии попадают в картриджи, усиливая когезию их термоэлементов.

Кроме того, загрязнение может произойти при контакте деталей картриджа с металлами, которые обладают щелочными свойствами. Инструменты и приспособления из таких металлов не следует использовать при восстановлении струйных картриджей, не нужно прикасаться ими к деталям, которые взаимодействуют с жидкими средами.

Наконец, третья причина, по которой термоэлемент струйного картриджа может выйти из строя, - это механическая и термическая усталость его материалов. К появлению «усталости» термоэлемента струйного картриджа может привести чередование циклов нагревания и охлаждения его деталей. Ежесекундно термоэлемент производит от 1 000 до 2 000 циклов нагревания и охлаждения. При этом одни материалы термоэлемента нагреваются и охлаждаются быстрее, другие медленнее, третьи легко адаптируются к перепадам температур, для четвёртых такие перепады губительны. Поэтому колебание температур приводит к усталости и медленному разрушению термоэлемента струйного картриджа.

Износ термоэлемента могут спровоцировать неблагоприятные погодные условия, высокая влажность при хранении. Всего одна капля дождевой воды, просочившаяся в печатающую головку через сопла, содержит разрушающее количество ионов металлов, которые выведут термоэлемент из строя самое позднее – в следующем жизненном цикле. Поэтому в местах хранения струйных картриджей следует поддерживать оптимальную температуру и влажность воздуха, не допускать хранения в помещениях с повышенной влажностью.

Таким образом, к когезии, кавитации и механической усталости термоэлементов струйных картриджей приводят нарушение условий их хранения и эксплуатации, заправка картриджей низкокачественными чернилами, загрязнение сопел печатающей головки, применение некачественных или самодельных промывочных жидкостей.