200 מעלות צלסיוס, אפשר גם פחות.....הרבה פחות. על טכנולוגיות קיבוע טונר, חיסכון באנרגיה, אמינות מוגברת ויעילות.

החל מראשית דרכן של מדפסות לייזר ועד לימינו אנו, קיבוע טונר בתהליך ההדפסה האלקטרוסטטי מושג על ידי יישום חום ולחץ על גבי 'תמונת ההדפסה', החום מתיך את אבקת הטונר והלחץ מטמיע אותה אל תוך סיבי המדיה המודפסת, בדרך זו מתקבלת הדפסה יציבה וקבועה. בשונה ממדפסות הזרקת דיו, בהן לא נדרשת פעולת קיבוע, בהן הדיו שתכונתו היא להתייבש עם חשיפה לאוויר, נספג ומתייבש על גבי המדיה המודפסת, טונרים למדפסות מכילים אבקת טונר אשר אינה משנה את מצב הצבירה שלה וקיבועה מצריך יישום של חום ולחץ שתפקידם לקבע את אבקת הטונר אל הנייר. על מנת לסבר את האוזן, אתייחס החל מעכשיו אל מדיית ההדפסה כאל נייר רגיל שכן כל התייחסות אל מדייה מסוג שונה תפתח עוד ועוד דרכי קיבוע שמושתתים על אותה דרך ואולם השוני בין הדרכים יבוא לידי ביטוי במהירות איטית או מהירה יותר וטמפרטורות גבוהות או נמוכות יותר,כך שמחד עקרונות קיבוע אבקת הטונר אל הנייר נשארו על כנן ומאידך טכנולוגיית הקיבוע של אבקת הטונר עברה כיברת דרך ארוכה והתפתחות טכנולוגית שמציגה אפשרויות של חיסכון ניכר באנרגיה לצד שיפורי איכות עם אמינות מוגברת.

ארכיטקטורת המבנה של פיוזר למדפסת (Laser printer Fuser Architecture) כוללת שני חלקים עיקריים, נראים לעין, הראשון הוא גליל הקיבוע שהינו הגליל העליון והשני הוא גליל הלחץ שהינו הגליל התחתון. שני גלילים אלו מסתובבים ומשיקים זה לזה. כשהנייר המודפס מסיים את מחזור מעברי האלקטרוסטטיקה ונפרק מטעינת גליל ההעברה (Transfer Roller) הוא מכוסה באזורים המודפסים (תמונת הדפסה) בשכבה של אבקת טונר 'רטובה', תמונת ההדפסה עוברת תהליך קיבוע תחת חומו של גליל הקיבוע ובלחץ שנוצר בשטח פניו התחתון על ידי גליל הלחץ, בעת הגעת הנייר אל כניסת תנור המדפסת גליל הקיבוע שמיקומו עליון מגיע לטמפרטורת יעד בעלת פיזור אחיד על מנת שיישום החום יופעל על כל שטח הפנים של הנייר ואילו שטח הפנים התחתון שנותר חלק בא במגע עם שטח פני גליל הלחץ שמיקומו תחתון לגליל הקיבוע. טמפרטורת קיבוע אבקת טונר נעה בין 110 ל 240 מעלות צלסיוס והיא מבוקרת על ידי נגד פולימרי או קרמי לחישת טמפרטורה (Thermistor), נגד הטמפרטורה מנוהל על ידי לוח הבקרה של המדפסת. טמפרטורת העבודה של גליל קיבוע הטונר קשורה בקשר ישיר לסוג אבקת הטונר, מרכיביה וגודלו של חלקיק אבקת הטונר. לכל דגם של מדפסת לייזר ישנה פורמולציה ייחודית של אבקת טונר, פורמולציה זו הותאמה למאפייני מתח פעולת המדפסת בתהליך האלקטרוסטטי ובהתאמה לחום הנדרש להתכתה וקיבועה על גבי הנייר.

בתחילה יוצרו תנורי קיבוע הטונר (Toner Fixing Fuser) בשילוב עם מערכת שימון שנועדה למנוע הידבקות של אבקת הטונר אל גליל הקיבוע. דרך זו יושמה על ידי מבנה מערכת שימון פנימית שהורכבה מגליל נוסף עשוי חומר בעל מראה של מברשת במרקם צימרי, גליל זה השיק לגליל הקיבוע וקיבל אספקה קבועה של שמן סיליקון שהותאם במיוחד לטמפרטורת עבודת התנור ונמרח באופן שווה על גליל הקיבוע בכל מחזור סיבובי, גליל קיבוע מעין זה יוצר בדרך כלל מגומי סיליקון. שיטת שימון נוספת נשעשתה בדרך של קיבוע רצועה עשויה 'פילץ' שקיבלה הזנת שמן קבועה ויוצבה מעל לגליל הקיבוע למגע רציף. תוצאת ההדפסה שהתקבלה בשימוש עם מערכת קיבוע טונר זו הייתה בעלת מראה מבריק ולא טבעי, נוסף על כך עבר גליל הסיליקון תהליכי שינוי צורה מהירים, שנבעו מטמפרטורת עבודה גבוהה שבאו לידי ביטוי בשינוי מראהו של גליל הסיליקון עקב היתרככותו כשעל פניו נוצרו מעין כיווצים ושקערוריות שהובילו לתוצאת הדפסה לא אחידה עקב פיזור חום לא אחיד וחוסר מגע שטח פנים באזורי הכיווץ שבאו במגע עם הנייר המודפס. בעיה נוספת שנוצרה עקב שינוי צורת שטח הפנים של גליל הסיליקון הייתה מאופיינת בחסימות נייר מרובות בתנור המדפסת.



בחלוף השנים פותחה טכנולוגיות קיבוע שנחשבת כיום לסטנדרט תנורי המדפסות, יישום טכנולוגיה זו התאפשר עקב יישום מערך השימון אל תוך מבנהו הפיזי של גרגר אבקת הטונר, זאת על ידי הוספת ווקס להליך ייצורה של אבקת הטונר. הוספת הווקס אל תוך מבנה אבקת הטונר מנע את הדבקותה לגליל הקיבוע.
גליל קיבוע סטנדרטי מעין זה, מיוצר מגליל אלומיניום מצופה בשכבת גומי סיליקון או שכבת טפלון כשבמרכזו של גליל האלומינים ניצבת מנורת הלוגן שאורכה מקצה אל קצה של גליל האלומיניום, לא בכדי נבחרה מנורת ההלוגן כאלמנט החימום של תנור המדפסת שכן היא מסוגלת להגיע לטמפרטורות גבוהות בפרק זמן קצר, טמפרטורת העבודה של מנורת ההלוגן ניתן לשליטה על ידי נגד-משתנה (Rheostat) שמבוקר על ידי הטרמיסטור. מנורת הלוגן מפיקה אנרגיית חום שמתפזרת ללא בקרה בתוך גליל הקיבוע, אנרגיית החום עוברת דרך שכבת האלומיניום אל פני השטח המצופים של גליל הקיבוע, פיזור מעין זה גרם לאובדן אנרגיית חום בתהליך המעבר דרך שכבת האלומיניום ופיזור החום מופנה אף אל חלקי הגליל שאינם נמצאים במגע עם שטח הנייר בעת הקיבוע. אובדן אנרגיית החום והאנרגיה שמושקעים בהפקתה יורדים לטימיון ומעבר לביזבוז האנרגייה חום זה משפיע לרעה על חלקי התנור והמדפסת שבקרבתו. השפעות החום של מנורת ההלוגן נראות כבר במחצית חיי תנור המדפסת במראה של גליל לחץ מרוכך שמאבד אחוזים ניכרים של אפקט הלחץ אותו הוא נועד להפעיל ובאזורים בהם שכבת הציפוי העשויה טפלון מתקלפים ואו נשרפים ומאבדים חלק מהאפקטיביות שלהם.

שילוב מערך השימון אל תוך חלקיקי אבקת הטונר על ידי שילוב ווקס בהליך ייצור אבקת הטונר תרם להשגת איכות הדפסה טובה יותר ולהגברת אמינותה של מדפסת הלייזר. בהמשך פותחו סוגים חדשים של אבקות טונר שניתכות בטמפרטורות נמוכות יותר ובגדלים קטנים יותר של חלקיק אבקה, פיתוחים אלה איפשרו השגת איכות ואמינות יוצאי דופן ביחס ליישומי שיטות קודמות ואף תרמו להפחתה ניכרת בצריכת האנרגיה של מדפסות הלייזר. במאמר זה אעסוק בשיטות המתקדמות ביותר לקיבוע אבקת טונר ובתהליכים שתרמו להשגת תוצאת הדפסה טובה יותר, חיסכון באנרגיה חשמלית והגברת אמינותה של מדפסת הלייזר.

תנור המדפסת היווה, מאז המצאתה, את האתגר היישומי הקשה ביותר שניצב בפני מהנדסי תכנון ופיתוח של מדפסות לייזר, שכן תהליך של מעבר אבקת טונר על ידי אלקטרוסטטיקה חד-הוא וכל התהליכים שהצריכו אתתכנון ובניית מערכת האלקטרוסטטיקה הינם קלים ופשוטים יחסית ליישום ותכנון. מאידך עצם קיומה של יחידת התנור שמגיע לעבודה בטמפרטורות יעד של עד 240 מעלות צלסיוס ועתידה להשתלב בתוך מבנה המדפסת יצר צורך בשינוי מבני של מערכת ההדפסה, זאת על מנת שטמפרטורת העבודה של התנור לא תשפיע על תהליכים אלקטרוסטטיים מחד ולא תתרום לבלאי מואץ של חלקי המדפסת הרגישים לחום מאידך. בעיית שילוב התנור במדפסת, מבלי שהחום הנוצר סביבו ישפיע על תהליכים אלקטרוסטטיים נפתרה על ידי תכנון של מערכת איוורור שהעבירה את החום שנוצר בתהליך הקיבוע אל מחוץ לגוף המדפסת, ועדיין ניצב בפניהם האתגר שבבניית יחידת קיבוע טונר אמינה שלא תגרום לבלאי מואץ של חלקי המדפסת הקרובים אליה שכן טמפרטורת עבודה של 240 מעלות צלסיוס גרמה לדפורמציה (עיוות - שינוי צורה) של חלקי המדפסת הקרובים אליה ולפגיעה בחלקי הפלסטיק מהם עשויים מרבית רכיבי מדפסת הלייזר ואף חלקים נכבדים ממבנה שלד המדפסת. תופעת עיוות חלקי המדפסת עקב טמפרטורת עבודה גבוהה של התנור הובילה לתוצאת אמינות נמוכה של מדפסות הלייזר יחד עם צורך תדיר בהחלפה של יחידת התנור. הפתרון הראשון למניעת עיוותים בחלקי המדפסת הושג בבניית מבנה השלד של המדפסת מלוחות עשויים פח וייצור מכלולים נעים ממתכת וחומרים פלסטיים מרוכבים עמידים בחום, שיטת ייצור זו הביאה לעלויות ייצור גבוהות ולמשקל גבוה של מדפסת הלייזר. למרות יישום שיטות ייצור אלו, לא הושגה פריצת דרך להפחתת טמפרטורת העבודה של תנור המדפסת ולכן בלאי תנורי קיבוע הטונר היה בעוכרן של מדפסות הלייזר, שכן עלות ההחלפה של תנור מדפסת לאחר מחזורי הדפסה קצרים של כ- 50,000 דפים בממוצע הוביל לעלויות אחזקה יקרות שגרמו ללקוחות פוטנציאליים להעדיף מדפסות הזרקת דיו, שלא לדבר על החום הרב והרעש שבקע ממערכת האוורור.

אתגר נוסף שניצב לפיתחם של מתכנני מדפסות הלייזר היה בהשגת פתרון לבעיית שקיעתה והדבקותה של אבקת הטונר אל עבר שטח הפנים של גליל הלחץ התחתון. הפתרון שהוצג למניעת בעיה זו הושג על ידי הארקת גליל הקיבוע וגליל הלחץ, הארקה זו פתרה את בעיית עליית פוטנציאל המתח השלילי בגליל הקיבוע אל מעבר לפוטנציאל גליל הלחץ ומנעה את שקיעתה והידבקותה של אבקת הטונר על פני השטח של גליל הלחץ.


פריצת דרך משמעותית שאיפשרה את הפחתת טמפרטורת העבודה של תנור הקיבוע יחד עם הפחתה ניכרת בצריכת האנרגיה החשמלית והגברת אמינותה של מדפסת הלייזר הושגה דווקא על ידי פיתוחה של אבקת טונר חדשנית בהליך של ריאקציה כימית. אבקת הטונר החדשה פותחה על ידי חברת קנון ויושמה במדפסות לייזר מתוצרתה ובמדפסות לייזר של hp, שכן hp רוכשת את מנועי המדפסות שלה מחברת קנון. אבקת הטונר החדשה יוצרה בהליך כימי שאיפשר שימוש בחומרים טרמופלסטיים שניתנים להתכה בטמפרטורות נמוכות של עד 50 מעלות צלסיוס. יתרון נוסף שהושג מפיתוח אבקת טונר זו היה בביטול הצורך בשימוש של ממסים אורגניים ששולבו בהליך ייצורה של אבקת טונר סטנדרטית, ביטול השימוש בממסים אורגניים הוביל להפחתה ניכרת בפליטת חומרים אורגניים נדיפים, שנוצרו תחת חום הקיבוע של אבקת הטונר, אל חלל האוויר שבסביבת המדפסת. נוסף על כך הושגה בעזרת אבקת טונר זו תוצאת הדפסה אחידה ואיכותית יותר, עם שיפור ניכר ברזולוציית ההדפסה שכן גודל החלקיק של אבקת טונר זה קטן יותר מגודלו של חלקיק אבקת טונר סטנדרטית והדבר תרם להגברת אמינותה של יחידת קיבוע הטונר שכן ככל שגודלו של חלקיק אבקת טונר קטן יותר כך מרקמו עדין יותר ביחס למירקמה הגס של אבקת טונר סטנדרטית.
הפחתת טמפרטורת היעד של תנור המדפסת הובילה להשגת זמני תוצאת הדפסה ראשונה מהירים יותר, בלאי מופחת של יחידת התנור והחלקים הסובבים אותו, אפשרות ייצור חלקי מדפסת מחלקי פלסטיק עמידים בטמפרטורת היעד המופחתת, הפחתת הרעש והחום שנפלטו מגוף המדפסת והחשוב מכל תוצאת הדפסה עם שיכבת פילם של מיקרון אחד ביחס לפילם הדפסה של שבעה מיקרון שהושג בשימוש עם טונר סטנדרטי.

פיתוח נוסף של חברת קנון הוביל להחלפת השימוש בגליל קיבוע עשוי אלומיניום והחלפתו בפילם מצופה טפלון שעוביו כחמישה אחוזים מעוביו של גליל הקיבוע עשוי האלומיניום. גליל הקיבוע החדש שינה את אופן הפעולה של תנור המדפסת מקצה אל קצה, ראשית דבר גליל הטפלון היה רך ולא קשיח כמו גליל האלומיניום, שנית הוא איפשר מעבר אנרגיית חום טובה הרבה יותר ושלישית, הוא איפשר עבודה עם גוף חימום קרמי שכוון ישירות אל כיוון שטח פני גליל הלחץ והוביל למיקוד אנרגיית החום הנדרשת אל אזור הפעולה בו היא נדרשת בלבד. בכך הושג יעד חשוב בהתפתחות הטכנולוגית של תנור המדפסת, יעד שהציג יתרונות מרובים ואף לא חיסרון אחד ביחס לטכנולוגיות קודמות ושיטות לקיבוע תמונת הדפסה אלקטרוסטטית. מדפסות הלייזר בהן הוטמעה מערכת הקיבוע החדשה הציגו נתוני אמינות גבוהים והובילו להפחתת הקריאות לשרות שנדרש עבור מדפסות מדור קודם. יתרון נוסף וחשוב שתרם ליעילות השימוש במדפסות אלו הושג על ידי בניה מודולרית של מערכת התנור, שכעת ניתן היה להחליפו בעת הצורך על ידי משתמשי הקצה מבלי להזדקק לשרותי טכנאי, כך שההחלפה מבוצעת בקלות ממש כמו החלפתה של מחסנית טונר ומונעת זמני הדממה של מדפסת הלייזר. יעילות?, מה דעתכם על שיפור משמעותי בזמני ההמתנה לתוצאת הדפסה ראשונה מזמן המתנה של תשעים שניות בממוצע לזמן המתנה של פחות מעשר שניות בממוצע. אורך חיים?, מה דעתכם על 200,000 ביחס ל 100,000 בממוצע?. איכות?, מה דעתכם על הדפסה מדוייקת יותר, הדפסה בעלת גבולות ברורים ותוצאה מושלמת בהדפסה של רשתות.

ארכיטקטורת תנור המדפסת שפותח על ידי חברת קנון ומיושם במדפסות hp וקנון.

אלו סך השיפורים שהושגו בהצגת תכלית טכנולוגית, מבריקה יש לומר, של מהנדסי חברת קנון. תנורים אלו שולבו במדפסות קנון ובעיקר במדפסות הלייזר של חברת hp והוצגו לראשונה בדגמי 5L, 6P, 4000 ובהמשך בכל דגמי מדפסות הלייזר של hp וקנון.