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Wie funktioniert ein Laserdrucker?

How does a laser printer work?

Seit mehr als 30 Jahren haben Laserdrucker die Art und Weise, wie wir drucken, verändert. Zuerst machten sie den hochwertigen Schwarzweißdruck für jedes Unternehmen erschwinglich, dann revolutionierten sie das Office-Publishing und schließlich auch kleine Büros und Privathaushalte.

Auch heute noch werden Laserdrucker überall im Geschäftsleben eingesetzt und eignen sich hervorragend für hohe Druckgeschwindigkeiten un d-volumen. Aber wie funktionieren Laserdrucker? Wie erzeugt die Kombination aus Laser, geladener Trommel und Toner den Text und die Bilder, die auf der Seite erscheinen?

Geschichte des Verfahrens

Zunächst ist ein kurzer Überblick über die Geschichte der Laserdrucker angebracht. Laserdrucker beruhen auf dem Prinzip der Elektrophotographie. Es handelt sich dabei um ein Verfahren, das 1938 von dem amerikanischen Patentanwalt Chester Carlson entwickelt wurde. Carlson entdeckte, dass durch die Reflexion von Licht auf einem weißen Blatt Papier eine Kopie einer Textseite erzeugt werden kann. Eine geladene Trommel.

Das Licht neutralisierte die Ladung der Trommel, so dass die entgegengesetzt geladenen trockenen Farbpulverpartikel auf der unbelichteten Fläche haften blieben. Dieser “Toner” konnte dann von der Trommel auf das Papier gerollt und dort durch Hitze und Druck festgeklebt werden. Carlsons Erfindung führte sowohl zur Entwicklung des ersten Kopierers als auch zur Gründung des Unternehmens Xerox, das zum Synonym für das Kopieren wurde.

1969 ging der Xerox-Forscher Gary Starkweather mit der Elektrofotografie noch einen Schritt weiter. Warum sollte man nicht einen Laser verwenden, um ein digitales Bild zu zeichnen, anstatt ein fotografisches Verfahren zur Erstellung eines Bildes auf einer Trommel zu verwenden? Acht Jahre später brachte Xerox das elektronische Drucksystem 9700 (einen frühen Laserdrucker) auf den Markt.

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Die Technologie von Xerox funktionierte, war aber noch nicht reif für den Massenmarkt. Sie erforderte eine einzigartige Partnerschaft von Innovatoren. Mitte der 1970er Jahre fragte Canon nach der Entwicklung eines Prototyps eines Laserdruckers bei HP an, ob das Unternehmen daran interessiert sei, die Technologie auf einen kommerziellen Geschäftsdrucker zu übertragen. Dies führte zur Entwicklung des ersten Laserdruckers von HP, des HP 2680A (siehe attraktives Werbefoto oben). Daraus entwickelte sich der erste Laserdrucker für den Massenmarkt, der ursprüngliche HP LaserJet von 1985.

Das Innere eines Laserdruckers

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Obwohl sich die LaserJet-Technologie in den letzten 30 Jahren dramatisch verändert hat, ist der grundlegende Prozess im Wesentlichen derselbe geblieben. Die Anweisungen werden in Form von PCL (Printer Command Language) vom Computer an den Drucker gesendet, der dem Drucker mitteilt, welcher Text zu drucken ist, wo er zu drucken ist, wie er zu formatieren ist und die Grafiken in PCL-Code umwandelt. Der Raster Image Processor (RIP) des Druckers setzt diese Anweisungen dann in ein Bild um, das auf der fertigen Seite gedruckt wird.

Aber wie kommt das Bild dorthin? Zunächst bringt ein primärer Aufladezylinder oder Koronadraht eine negative Ladung auf eine zylindrische Trommel auf. Ein Laser, der durch eine Reihe von Linsen und Spiegeln läuft, ätzt das vom RIP erzeugte Bild zeilenweise auf die Oberfläche der Trommel. Der Bereich, auf den der Laser trifft, ist stärker positiv geladen. Das bedeutet, dass negativ geladener Toner, wenn er auf die Oberfläche der Trommel übertragen wird, an den vom Laser markierten Bereichen haften bleibt und von den Bereichen abfällt, die negativ geladen bleiben.

Der Toner wird dann von der Oberfläche der Trommel über eine Übertragungswalze auf das Papier übertragen. Die Übertragungswalze übt eine positive Ladung auf die Unterseite des Papiers aus, wodurch der negativ geladene Toner von der Trommel angezogen wird. Der Toner wird durch statische Elektrizität festgehalten und durchläuft die Fixiereinheit. In der Fixiereinheit wird der Toner durch eine Kombination aus Hitze und Druck dauerhaft fixiert.

Sowohl Schwarzweiß- als auch Farblaserdrucker arbeiten nach demselben Grundverfahren, mit einem wichtigen Unterschied. Monochrome Laserdrucker haben nur eine Trommel und eine Tonerkassette, während Farblaserdrucker vier Kassetten – Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz – haben, jede mit eigener Trommel, eigenem Toner, eigener Primärladungswalze und dazugehörigen Mechanismen.

Tatsächlich steckt ein Großteil der Technologie von Farblasern in der Tonerkassette, und die Zusammensetzung des Toners ist entscheidend für Druckqualität, Leistung und Zuverlässigkeit. Die Hersteller raten den Anwendern, weiterhin Original-Tonerkartuschen zu verwenden, da sie wissen, dass diese Kartuschen mechanisch einwandfrei und zuverlässig sind und der verwendete Toner für die jeweilige Druckerserie ausgelegt ist.

Vorteile und Beschränkungen von Laserdruckern

Als System ist der Laserdruckerprozess sehr effizient. Die Verbesserungen haben die Geschwindigkeit von weniger als einer Seite pro Minute (ppm) auf mehr als 50 Seiten pro Minute erhöht, und die Auflösung hat sich mehr als vervierfacht. Darüber hinaus haben Laserdrucker seit jeher mehrere Vorteile gegenüber konkurrierenden Drucktechnologien wie Tintenstrahl- und Festtintendruckern.

Laserdrucker produzieren gestochen scharfen Text und helle, farbenfrohe Grafiken auf Normalpapier, wobei sich die Druckgeschwindigkeit zwischen Farbe und Schwarzweiß kaum unterscheidet. Laserdrucker sind außerdem eine zuverlässige Technologie und können ein Arbeitsvolumen von 4.000 bis 15.000 Seiten pro Monat bewältigen. Aus diesem Grund dominieren Laserdrucker trotz der starken Konkurrenz durch moderne Tintenstrahldrucker weiterhin die Arbeitsgruppendrucker.

Allerdings sind Laserdrucker durch mehrere Einschränkungen beeinträchtigt. Erstens verbringen die Tonerpartikel in der Kartusche viel Zeit damit, den Mechanismus zu durchlaufen. Das bedeutet, dass sie sich mit der Zeit zersetzen. Das bedeutet, dass nicht der gesamte Toner in der Kartusche verwendet werden kann und ein Teil davon verschwendet wird. Zweitens benötigt die Fixiereinheit in einem Laserdrucker eine große Menge an Wärme, um den Toner auf dem Papier zu fixieren, was die Betriebskosten erhöht und sich negativ auf die Umwelt auswirkt.

HP ist führend auf diesem Gebiet und bietet neue Tonerformulierungen und neue Drucker (LaserJet M-Serie), die kleiner, schneller und energieeffizienter sind. Durch kontinuierliche Forschung, Entwicklung und Innovation werden die Laserdrucker immer leistungsfähiger.

Was ist Toner?

Frühe Laserdrucker verwendeten eine Mischung aus Harzen, Pigmenten und verschiedenen Zusatzstoffen, die in heißem Zustand zu einer Paste vermischt, abgekühlt und zu einem trockenen Pulver gemahlen wurden. Diese Toner wurden gesiebt, um die kleinsten und größten Partikel zu entfernen, denn Toner funktionieren am besten, wenn die Partikel eine möglichst einheitliche Größe und Form haben. Pulverförmiger Toner wird auch heute noch in vielen Laserdruckern verwendet, aber die Partikelgröße ist kleiner als früher.

1997 begann HP jedoch mit einem chemischen Verfahren, um die Cyan-, Magenta- und Gelbtonerpartikel zu “züchten”, die in seinen Flaggschiff-Laserdruckern verwendet werden. Jedes kleine, kugelförmige Teilchen wird aus einem Kern mit genau der erforderlichen Größe und Form gezüchtet. Dadurch kann der Toner kontrollierter durch die Kartusche und das Druckwerk fließen, was die Druckgeschwindigkeit, die Auflösung und die Anzahl der Seiten, die mit jeder Kartusche gedruckt werden können, erhöht. Alle HP ColorSphere und ColorSphere 3 Toner werden jetzt auf diese Weise hergestellt, wobei die neuesten Versionen einen weicheren Tintenkern haben, der von einer haltbareren Außenhülle umhüllt ist, was zu mehr bedruckbaren Seiten führt und den Toner bei einem niedrigeren Schmelzpunkt schmelzen lässt.

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