图文店知识2喷墨打印机2:详解热发泡技术,以 HP 为例

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【0. 前情提要】

上一篇说到,HP 研发喷墨打印机,一开始只是为了给计算器使用,而喷墨具有便宜,安静,不耗电等特点。HP 采用了热发泡这个技术路线,并且在当时研发之初,就确定了,为了降低成本,将打印头作为耗材,用完即扔的这个重要决定。

为什么要先说 HP 呢?原因很简单,因为 HP 卖的打印机最多,是当之无愧的霸主。

【1. HP 的 ThinkJet 从计算器的配件到 PC 打印机】

上期提到,HP 最开始的打印机,是作为计算器输出的配件而生的。

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HP 早期的计算器可通过数据线直接连接打印机(注意,本图的打印机为热敏打印机)图源:Wikipedia

而 HP 的研发人员,尤其是在 John Vaught、Dave Donald 等人的努力下[1],终于完善了热发泡喷墨技术,使其能够量产。在 1984 年[2],HP 推出了第一台桌面型热发泡技术的喷墨打印机 ThinkJet,事实上,Canon 的第一款热发泡喷墨打印机 BJ-80 发布于第二年,即1985 年[1]。网上有说 HP 的打印机技术是来源于 Canon 的。这样的说法不全面。事实上,HP 和 Canon 是几乎同时开发出了热发泡技术,两家很快达成了共识,以联合研发,专利交叉授权等方式合作。并形成市场垄断[1][3][4]

事实上,热发泡技术有 HP 和 Canon 的专利阻碍,别家不好进入。而微压电的发展却是开放的[5]

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HP ThinkJet 海报截图,图源:HP Virtual Museum

说回 HP 的第一款喷墨打印机,ThinkJet,这个名字,让我想到了今天的 ThinkPad。但是,其本意,Think 是 THermal INK 的意思[6]

这款打印机设计之初,主要是连接 HP 的计算器的。1984 年的 HP 的研发人员,并没有意料到个人电脑 (PC)将迎来爆发式的增长,本来的想法是,能连计算器就OK了,没有想到要连 PC,但后来觉得多兼容一个接口似乎也没增加多少成本,于是就这么决定了。歪打正着的是, ThinkJet 之所以成功,很大程度上恰恰是因为它有兼容 PC 的带并口的版本。

直到 2000 年初的电脑上,仍然能找到这个紫色的并口,坊间也叫“打印口”,一直以来主要就是拿来连接打印机的。直到近 20 年,才终于被 USB 口所取代。

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ThinkJet 背后的并口
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51604A,ThinkJet 的带喷头的墨盒

ThinkJet 的耗材——墨盒(型号:51604A)当然也是带喷头的。这样的模式仍然是现在 HP 喷墨打印机墨盒的标准模式。直到今天,在 ThinkJet 发布了 36 年之后,你仍然能在 Amazon 上买到全新的,HP 的正品 51604A 墨盒[7]

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【2. 碾压式的市场霸主】

HP 的热发泡喷墨打印机发布以来,在市场上是相当成功的。近年来,其市占率一直是碾压式的。

根据 IDC 的报告[8],最新的 19Q4 数据显示,HP 在 hardcopy peripherals[9] 领域 2019 年第四季度仍然保持着接近 40% 的市场份额。而在大画幅领域,HP 也是排名第一的霸主[10]。因此,罗永浩曾用“卖打印机的”来揶揄 HP。

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19Q4 全球 HCP 类打印机和大画幅打印机市占率,HP 均为霸主。图源:IDC

HP 的销量中,大部分是激光打印机,我这个系列主要讲的是喷墨打印机。于是,我们看看喷墨打印机的销量:根据 2016 年日本的一份报告[11],HP 的喷墨打印机,也是全球市占率最高的,以碾压的优势占到超 40% 的市场份额。

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2016 年的报告中统计的全球喷墨打印机市占率

【3. 当今 HP 的热发泡技术详解】

关于热发泡技术,有不少非常详细的技术图纸,但我看了这么多,觉得这个最形象:油管上,有一段 HP 的动画,非常完整的解释了HP热发泡技术的原理[12]。有梯子的同学可以直接过去看完整的视频。以下为该视频的 GIF 截图,我仅配以文字说明。

首先,热发泡打印机的喷头通常为一个直的金属条,有 2 排或多排喷头并列。

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这个是 HP 803 墨盒,图中红色圈出来的就是喷头
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上图这个喷头组件放大,可以看到有一排排的喷头阵列
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从这些喷头的小孔中喷出来,就是这个情况
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墨水通过一个个轨道,连通喷口的小仓,其中红色的就是加热电阻丝,通过它来瞬间加热小仓,使墨水产生气泡
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小仓上方瞬间加热,汽化墨水,产生气泡,将墨水从小孔中喷出来,然后气泡消失,压强关系,小孔吸入了小量空气,然后再由内部墨水重力填上小仓,准备下一次喷墨动作
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换一个角度看
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喷出来的墨滴,会形成一大一小两个墨滴
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这一大一小两个墨滴,将分别掉落在纸上

如上面的 GIF 动画,喷出来的墨滴会形成一大一小两个墨滴,为什么两个墨滴不会重叠呢?这是因为,在打印的过程中,喷头是在快速移动着的,因此,由于惯性,墨滴并不是垂直下落的,因此两个墨滴之间会有距离。但在一瞬间之后,墨滴散开,两个墨滴于是融合。

关于这个现象,有很多研究,如 oce(佳能)的这个研究[13]

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这就说到,为什么原装墨水品质更稳定,那就是因为,原装墨水的配方中各种成分的调配,是适应于打印机原装的喷头的,厂商为了达到喷墨品质的稳定性,会做各种测试,调整喷头的设计和墨水的配方,使得这两者达到较好的匹配。而兼容墨水,无论是加墨还是连供,在细微的层面,都和原装墨水的配方有差异,因此不能达到如原装墨水那样跟喷头的匹配程度。

【4. 热发泡优点与问题】

这部分,我将在将来的热发泡技术 VS 微压电技术的文章中详细解释。敬请期待。

【5. 总结】

HP Lab 在打印技术及墨水方面的研发非常扎实[14]。这些研发成本都是要摊在打印机和墨盒里面,我在这个系列将来的文章中,将进一步聊商业模式与研发成本的问题。

虽然,喷墨打印机我不会首先推荐大家买 HP 的(这个在接下来本系列热发泡和微压电技术对比中,会详细解释原因),但 HP 作为打印机领域销量绝对的老大,第一台量产的桌面热发泡打印机的生产者,打印机喷头的重要提供商,以及如今 3D 打印这个新兴行业的领导者之一,大家千万不要质疑 HP 的研发能力,也不要说 HP 没有技术,都是日本公司买的。HP 这些年在打印机的研发投入确实少了,剃刀的商业模式也越来越不好用了[15],但是,人家底子厚,大家千万不要小看 HP 这个“做打印机的”大佬啊!

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