หัวพิมพ์คืออะไร และแตกต่างกันอย่างไร?

หัวพิมพ์ (Print Head) คือหัวใจของเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ต ทำหน้าที่รับหมึกจากระบบจ่ายหมึกและพ่นออกมาเป็นหยดขนาดเล็กมากลงบนวัสดุพิมพ์อย่างแม่นยำ คุณภาพและเทคโนโลยีของหัวพิมพ์มีผลโดยตรงต่อความละเอียด ความเร็ว และต้นทุนในการผลิตมากกว่าปัจจัยอื่นใดในเครื่องพิมพ์

โครงสร้างพื้นฐานของหัวพิมพ์

หัวพิมพ์ประกอบด้วยช่องจ่ายหมึกขนาดเล็กมากที่เรียกว่า Nozzle เรียงตัวกันเป็นแถวในความหนาแน่นสูง แต่ละ Nozzle มีขนาดเล็กกว่าเส้นผมมนุษย์หลายเท่า โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 10–50 ไมโครเมตร และทำงานโดยการสร้างแรงดันอย่างรวดเร็วเพื่อดันหมึกออกมาเป็นหยดขนาดเล็กมากในระดับ Picoliter (1 Picoliter เท่ากับ 0.000000001 มิลลิลิตร) ความสามารถในการควบคุมขนาดและตำแหน่งของหยดหมึกแต่ละหยดคือสิ่งที่กำหนดคุณภาพของงานพิมพ์

เทคโนโลยีการสร้างแรงดัน

หัวพิมพ์ในปัจจุบันแบ่งตามกลไกการสร้างแรงดันออกเป็นสองเทคโนโลยีหลัก

Piezoelectric (Piezo)

ใช้ผลึก Piezoelectric ที่เปลี่ยนรูปร่างเมื่อได้รับกระแสไฟฟ้า การเปลี่ยนรูปของผลึกสร้างแรงดันในห้องหมึกขนาดจิ๋วที่อยู่เหนือแต่ละ Nozzle ดันหมึกออกมาเป็นหยดในเสี้ยววินาที เมื่อสัญญาณไฟฟ้าหยุด ผลึกกลับสู่รูปทรงเดิมและดูดหมึกกลับเข้ามาเติมห้องพร้อมสำหรับ Cycle ถัดไป กระบวนการนี้เกิดขึ้นได้หลายหมื่นครั้งต่อวินาที

ข้อดีของ Piezo คือสามารถใช้กับหมึกได้หลากหลายประเภท ทั้ง Eco-Solvent, UV, Latex และ Aqueous เนื่องจากกลไกไม่ได้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางความร้อนของหมึก นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมขนาดของหยดหมึก (Variable Drop Size) ได้ละเอียดมาก โดยการปรับแอมพลิจูดของสัญญาณไฟฟ้าที่ส่งไปยังผลึก Piezo ทำให้หัวพิมพ์ Piezo รุ่นปัจจุบันสามารถจ่าย Dot ได้ตั้งแต่ขนาดเล็กสุด 1.5 picoliter สำหรับงาน Fine Detail ไปจนถึง 40+ picoliter สำหรับงาน High Speed Production ในหัวพิมพ์เดียวกัน

เทคโนโลยี Piezo ถูกใช้โดยผู้ผลิตหัวพิมพ์ชั้นนำอย่าง Epson (PrecisionCore), Ricoh (Gen4, Gen5), Konica Minolta (KM1024), Kyocera และ Xaar

Thermal Inkjet (TIJ)

ใช้ความร้อนในการสร้างแรงดัน โดยมีตัวต้านทานความร้อน (Thermal Resistor) ขนาดเล็กมากอยู่ใกล้กับแต่ละ Nozzle เมื่อได้รับกระแสไฟฟ้า ตัวต้านทานจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วถึงกว่า 300°C ในเวลาเพียง 1–3 ไมโครวินาที ความร้อนนี้ทำให้หมึกบริเวณนั้นระเหยกลายเป็นฟองไอน้ำขนาดเล็กในทันที ฟองไอน้ำขยายตัวอย่างรวดเร็วและสร้างแรงดันดันหมึกออกจาก Nozzle เมื่อกระแสไฟหยุด ฟองไอน้ำยุบตัวและดูดหมึกเข้ามาเติมแทน

TIJ ถูกใช้โดย HP ในเครื่องพิมพ์ Latex ทั้งหมด และมีข้อดีคือสามารถบรรจุ Nozzle ได้หนาแน่นมากในพื้นที่เล็กกว่า ทำให้หัวพิมพ์ HP มี Nozzle จำนวนมากและให้ความละเอียดสูง อย่างไรก็ตาม TIJ มีข้อจำกัดคือหมึกต้องทนความร้อนสูงชั่วขณะได้ จึงไม่เหมาะกับหมึกบางประเภท และตัวต้านทานความร้อนเสื่อมสภาพตามการใช้งาน ทำให้หัวพิมพ์ TIJ ส่วนใหญ่ถูกออกแบบให้เป็นแบบ Disposable หรือเปลี่ยนได้ง่าย

ประเภทของหัวพิมพ์แบ่งตามอายุการใช้งาน

นอกจากเทคโนโลยีการสร้างแรงดันแล้ว หัวพิมพ์ยังแบ่งออกได้เป็นสองกลุ่มใหญ่ตามปรัชญาการออกแบบ

Permanent Head

หัวพิมพ์ที่ออกแบบมาให้อยู่กับเครื่องพิมพ์ตลอดอายุการใช้งาน มีอายุการใช้งานยาวนานตั้งแต่หลายร้อยล้านไปจนถึงหลายพันล้าน Nozzle Fire ก่อนที่ประสิทธิภาพจะลดลง ตัวอย่างที่ชัดเจนคือหัวพิมพ์ Epson PrecisionCore, Ricoh Gen5 และ Konica Minolta KM1024i

ข้อดีของ Permanent Head คือต้นทุนต่อการพิมพ์ต่ำกว่าในระยะยาว เนื่องจากไม่ต้องเปลี่ยนหัวพิมพ์บ่อย แต่ต้องการการดูแลรักษาที่พิถีพิถันกว่า โดยเฉพาะการทำความสะอาดและการป้องกันการอุดตันของ Nozzle ซึ่งถ้าเกิดการอุดตันรุนแรงอาจต้องเสียค่าซ่อมหรือเปลี่ยนหัวพิมพ์ที่มีราคาสูงกว่า

Replaceable Head

หัวพิมพ์ที่ออกแบบมาให้เปลี่ยนได้ง่ายและบ่อย โดยมักรวมหัวพิมพ์และตลับหมึกไว้ด้วยกัน หรือแยกแต่มีราคาถูกพอที่จะเปลี่ยนเมื่อเสื่อมสภาพ ตัวอย่างที่ชัดเจนคือหัวพิมพ์ HP ในเครื่อง Latex ซึ่งออกแบบมาให้ผู้ใช้เปลี่ยนเองได้ง่ายโดยไม่ต้องเรียกช่าง

ข้อดีของ Replaceable Head คือรักษาคุณภาพการพิมพ์ได้สม่ำเสมอตลอดเวลาเนื่องจากหัวพิมพ์ใหม่เสมอ และลดความเสี่ยงจากการอุดตันสะสม แต่ต้นทุนค่าหัวพิมพ์สะสมในระยะยาวสูงกว่า

ความหนาแน่นของ Nozzle และผลต่อความละเอียด

ความหนาแน่นของ Nozzle บนหัวพิมพ์มีผลโดยตรงต่อความละเอียดสูงสุดที่ทำได้และความเร็วในการพิมพ์

หัวพิมพ์ที่มี Nozzle หนาแน่นสูงสามารถพิมพ์ได้ละเอียดกว่าในจำนวน Pass ที่เท่ากัน หรือพิมพ์ได้เร็วกว่าในระดับความละเอียดเดียวกัน ตัวอย่างเช่น Ricoh Gen5 มี Nozzle 1,280 ช่องต่อหัวพิมพ์หนึ่งอัน ในขณะที่ Konica Minolta KM1024i มี Nozzle 1,024 ช่อง และ Kyocera KJ4B มี Nozzle ถึง 2,656 ช่องต่อหัวพิมพ์

เครื่องพิมพ์ Wide Format ทั่วไปติดตั้งหัวพิมพ์หลายอันเรียงกันข้ามความกว้างของเครื่อง แต่ละสีหนึ่งหรือหลายหัว โดยหัวพิมพ์แต่ละอันอาจเหลื่อมกัน (Staggered) เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของ Nozzle ที่ครอบคลุมต่อนิ้วให้สูงขึ้น

Variable Drop Size และผลต่องานพิมพ์

หัวพิมพ์ Piezo รุ่นปัจจุบันส่วนใหญ่รองรับ Variable Drop Size คือสามารถปรับขนาดของหยดหมึกที่จ่ายออกมาได้ในแต่ละ Nozzle Fire ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่มีผลอย่างมากต่อคุณภาพงานพิมพ์

เมื่อพิมพ์พื้นที่สีทึบขนาดใหญ่ ซอฟต์แวร์ RIP จะสั่งให้จ่าย Dot ขนาดใหญ่เพื่อเติมพื้นที่ได้เร็วและสม่ำเสมอ ในขณะที่บริเวณรายละเอียดเล็กๆ อย่างขอบภาพ ตัวอักษรขนาดเล็ก หรือ Gradient ที่ต้องการความนุ่มนวล ซอฟต์แวร์จะสั่งให้จ่าย Dot ขนาดเล็กสุดเพื่อให้ขอบคมและ Gradient เนียนตา ความสามารถนี้ทำให้งานพิมพ์เดียวมีทั้งพื้นที่ทึบที่สม่ำเสมอและรายละเอียดที่คมชัดในเวลาเดียวกัน โดยไม่ต้องแลกระหว่างความเร็วและความละเอียด

การดูแลรักษาและความเสี่ยงของ Nozzle Clog

ปัญหาที่พบบ่อยที่สุดของหัวพิมพ์คือการอุดตันของ Nozzle (Nozzle Clog) ซึ่งเกิดจากหมึกแห้งตัวภายใน Nozzle เมื่อเครื่องพิมพ์ไม่ได้ใช้งาน หรือจากอนุภาคขนาดเล็กในหมึกที่สะสมอยู่ในช่องทาง Nozzle เมื่อ Nozzle อุดตันจะเกิด Banding คือแถบสีอ่อนหรือหายไปบนงานพิมพ์ในแนวขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ของหัวพิมพ์

เครื่องพิมพ์ระดับมืออาชีพมีระบบดูแลรักษาหัวพิมพ์อัตโนมัติหลายระดับ ตั้งแต่ Auto Purge ที่ดันหมึกออกเพื่อล้าง Nozzle ไปจนถึงระบบ Maintenance Station ที่ปิดคลุม Nozzle เมื่อไม่ใช้งาน และระบบ Nozzle Check ที่พิมพ์แถบทดสอบเพื่อตรวจสอบสถานะของ Nozzle ทุกช่องก่อนเริ่มงานจริง

หัวพิมพ์ที่พบในเครื่องพิมพ์ Wide Format ชั้นนำ

Epson PrecisionCore ใช้เทคโนโลยี Piezo MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) ที่ผลิตด้วยกระบวนการ Semiconductor ให้ความแม่นยำของการจ่าย Dot สูงมาก Dot Size เล็กสุด 1.5 picoliter เป็นหัวพิมพ์ที่ Epson ใช้ในเครื่องพิมพ์ทั้งไลน์ SC-S Series และ SureColor

Ricoh Gen5 หัวพิมพ์ Piezo ที่ได้รับความนิยมสูงมากในอุตสาหกรรม Wide Format เนื่องจากความทนทานและความเข้ากันได้กับหมึกหลากหลายประเภท รองรับ Viscosity หมึกได้ในช่วงกว้าง 5–30 mPa·s ทำให้ผู้ผลิตเครื่องพิมพ์หลายรายเลือกใช้ เช่น AGFA, Roland และผู้ผลิตเครื่องพิมพ์ UV หลายยี่ห้อ

Konica Minolta KM1024i หัวพิมพ์ Piezo ความละเอียดสูงที่ให้ Native Resolution 720 dpi ต่อหัวพิมพ์หนึ่งอัน ด้วย Nozzle 1,024 ช่องที่เรียงกันในพื้นที่เล็ก ทำให้ให้ความสม่ำเสมอของ Dot สูงและเป็นที่นิยมในงาน Industrial Inkjet และ Wide Format UV

HP Thermal Inkjet ใช้ใน HP Latex ทุกรุ่น มีจำนวน Nozzle สูงมากต่อหัวพิมพ์หนึ่งอัน HP Latex 700W ใช้หัวพิมพ์ที่มี Nozzle กว่า 3,900 ช่องต่อหัว รองรับการพิมพ์ความกว้าง 64 นิ้วด้วยความเร็วสูงในขณะที่ยังคงคุณภาพ

สรุป

หัวพิมพ์คือส่วนที่กำหนดเพดานคุณภาพของเครื่องพิมพ์ทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นวัสดุ หมึก หรือซอฟต์แวร์ที่ดีเพียงใด ถ้าหัวพิมพ์ไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอก็ไม่สามารถดึงศักยภาพของระบบทั้งหมดออกมาได้ การเลือกเครื่องพิมพ์จึงควรพิจารณาเทคโนโลยีและรุ่นของหัวพิมพ์เป็นปัจจัยสำคัญ ควบคู่ไปกับสเปกอื่นๆ ของเครื่องพิมพ์เสมอ