Imprimante à jet d'encre

Le jet d'encre est un procédé d'impression sans contact dans lequel de très petites gouttes (de l'ordre du picolitre) d'encre sont projetées par des buses. Dans les années 1960, le D^r Sweet, de l'Université Stanford, a montré qu'en appliquant une onde de pression à une buse, l'encre pouvait se séparer en gouttes uniformes. Ensuite, en chargeant l'encre électriquement ou non, on peut dévier le jet en le faisant passer dans un champ électrostatique (il s'agit du même principe que dans un tube cathodique). On voit alors l'apparition du jet d'encre continu (continuous ink jet ou CIJ).

L'impression jet d'encre est apparue dans les années 1970. La technologie a tout d'abord été développée par des informaticiens, soucieux de trouver une sortie pour leurs ordinateurs. IBM a breveté cette technologie dans les années 1970 et la première imprimante, l'IBM 4640 ink-jet, est sortie en 1976.

À la même date^{[Laquelle ?]}, le professeur Hertz^[Lequel ?] de l'Université de Lund, en Suède, a développé la possibilité d'imprimer en niveaux de gris en faisant varier le nombre de gouttes par pixel. Cette invention a été brevetée par Iris Graphics and Stork. Elle permettait d'imprimer des images de plus grande qualité.

Peu après s'est développé le jet d'encre dit « goutte à la demande » ou en anglais drop on demand (DOD). La goutte n'est alors générée que si elle est désirée, puis apposée sur le substrat (généralement du papier), ce qui évite le dispositif complexe de déflection.

Les pionniers du DOD sont Zoltan, Kyser et Sears. Leur invention verra le jour en 1977 avec la Siemens PT-80 et en 1978 avec Silonics.

Le jet continu (en anglais Continuous inkjet ou CIJ) où des gouttes, chargées ou non, sont générées et consistent en la formation de gouttes régulières en volume et fréquence. Elles sont chargées et orientées selon le motif à générer, et peuvent donc être déviées dans un réceptacle si elles ne sont pas désirées.

Les gouttes non chargées ne sont pas dirigées vers le support. Elles ne sont pas déviées par un champ électrostatique et sont alors récupérées dans une gouttière. Elles réalimentent alors la tête d'impression. La qualité est moindre qu'en DOD mais les cadences bien plus élevées. On l'utilise notamment pour le marquage des œufs (dates de péremption…)

Il existe deux types de déflexion, binaire ou multiple :

• Dans la déflexion binaire, les gouttes sont chargées ou non. Les gouttes chargées vont être déviées et récupérées dans une gouttière et sont recyclées. Les non chargées vont directement sur le média.
• Pour la déflexion multiple, les gouttes sont chargées à différents paliers. Ce qui permet une plus ou moins grande déflexion et donc atteint le média à différents endroits.

Données techniques (2002) :

• Viscosité : environ 1 mPa s,
• Énergie de surface : 30 à 40 mN/m,
• Volume de la goutte : 10 pL,
• Vitesse d'éjection : environ 50 m/s,
• Fréquence : 1 MHz,
• Taille de l'orifice : de 40 à 75 µm.

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Le procédé de loin le plus développé est le « goutte à la demande » où chaque goutte est générée à la demande (Drop On Demand ou DOD) à chaque fois qu'elle est désirée. C'est la technologie la plus courante en bureautique ou SOHO (Small Office - Home Office) et permet une bonne qualité. Elle reste cependant plus lente^[pas clair].

On peut considérer quatre différentes méthodes d'éjection : piézo-électrique, thermique (en anglais bubble-jet), valve-jet, jet par clapet et la thermofusion.

Le procédé piézo-électrique

le plus développé et a été mis au point par Epson. Le réservoir d'encre est en contact avec un cristal piézo-électrique qui va convertir les impulsions électriques — la paroi se déforme à la suite d'une excitation électrique — en force mécanique — la surpression due au cristal provoque l'éjection d'une goutte. C'est la surpression induite qui permet l'expulsion de la gouttelette.

Le procédé thermique ou bubble jet

fonctionne sur le même principe. En chauffant localement l'encre à environ 350 °C, on provoque une vaporisation locale de celle-ci et donc une surpression (un gaz prend près de 24 fois plus de place qu'un solide, selon les conditions). Comme précédemment, une goutte est éjectée pour répondre à ce déséquilibre.

Cependant, ce type d'éjection pose certains problèmes, notamment à cause des contraintes thermiques que doit subir l'encre.

Le valve jet

abandonné à cause de sa mauvaise qualité. Son principe résidait en des micro-valves commandées électroniquement qui permettaient ou non l'éjection de l'encre. Son application était essentiellement industrielle, pour imprimer de gros caractères. L'avantage était que le fait d'avoir un réservoir fermé permet d'utiliser des solvants volatils et donc un séchage plus rapide.

La thermofusion

inspirée du procédé piézo-électrique pour une encre solide qui doit être chauffée à environ 150 °C afin d'être éjectable. Au contact du média, l'encre se solidifie et donne alors une très bonne qualité d'impression. Cependant, l'encre étant en relief, elle s'use vite. Il est donc nécessaire d'avoir un bon liant.^{[réf. nécessaire]}

Données techniques (2002) :

• Viscosité : 30 à 500 mPa s (2005),
• Énergie de surface : 30–50 mN/m (2005),
• Volume de la goutte : 3 à 20 pL avec la même buse,
• Vitesse d'éjection : environ 30 m/s,
• Fréquence : 30 à 40 kHz,
• Taille de l'orifice : 100 µm (2000) pour éviter à la buse de se boucher,
• Nombre de buses par tête d'impression : 1 000 (pour augmenter les vitesses).

L'encre la plus courante est une encre à base de colorant dissous dans un solvant (un peu comme l'encre à l'eau des stylos à plume). Elle présente l'avantage d'être facile à manipuler et à gérer dans les buses de jet de l'encre, mais elle est très sensible à l'érosion et à la corrosion par les gaz (ce qui réduit considérablement la durée de vie des impressions).

Plus proche de la peinture à l'huile, les encres à pigments comportent des particules colorées solides volumineuses (seulement quelques microns tout de même), parfois emballées dans une gaine de résine, qui sont simplement transportées par un fluide transparent et facilement évaporable.

Dans ce cas, l'encre a une très bonne tenue, une longue durée de vie. Mais, la gestion de l'encre est compliquée par des risques accrus de bouchage des buses de projection et il se produit parfois un phénomène de bronzing qui fait apparaître des reflets métalliques sous certains éclairages rasants.

Un nouveau marché se développe dans le domaine de l’impression, il consiste à déposer divers matériaux conducteurs, appelés « encres conductrices ». Elles sont composées de particules métalliques ou de polymères conducteurs. Cela permet d'imprimer des radio-étiquettes, étiquettes intelligentes qui améliorent la traçabilité des produits. Elles sont souvent comparées au code-barres mais ne nécessitent pas d'être visibles pour être lues. Pour qu'elles se développent, il faut cependant arriver à diminuer les coûts de production et mettre au point une standardisation, car les fréquences changent selon les pays.

Les circuits imprimés sont actuellement réalisés par photolithographie (photo-imaging) ou par sérigraphie (screen-printing). La technologie jet d'encre peut également imprimer des circuits imprimés. La qualité est moins bonne qu'avec les procédés classiques mais le coût est bien inférieur et la pollution moindre.

Les têtes d'impression embarquées (en anglais fixed head) sont conçues pour durer la vie de l'imprimante. Les cartouches d'encre se résument à un réservoir d'encre et sont donc d'un prix de revient plus faible. De même la qualité des têtes peut se permettre un prix de fabrication supérieur à des têtes d'impression à usage unique, permettant ainsi d'augmenter la qualité de l'impression. Cette technologie rend le calibrage entre les différentes couleurs primaires généralement inutile (ou de manière occasionnelle). Cependant, le risque après une non-utilisation prolongée de l'imprimante, de voir les buses des têtes s'obstruer devient problématique, tout comme un endommagement ou un dysfonctionnement des têtes, car leur remplacement revient à un changement de pièce détachée qui peut être onéreux, surtout si une main-d'œuvre spécialisée est requise pour procéder au remplacement. Pire, si le remplacement des têtes n'a pas été pensé lors de la conception, le changement de l'imprimante entière peut s'imposer. Il faut également noter que le prix des imprimantes d'entrées de gamme grand public étant généralement plus faible qu'une réparation, les cas de réparation sont assez rares. Pour pallier ce problème, les constructeurs intègrent des cycles de nettoyage qui font circuler une petite quantité d'encre dans chaque buse des têtes afin de ne pas avoir d'encre stagnante qui risquerait de sécher. Ces cycles peuvent néanmoins augmenter la consommation d'encre jusqu'à 10 à 20 %, mais cela reste préférable au remplacement d'une tête. Il est à noter que ces cycles, souvent intégrés à la mise en marche de l'imprimante, sont plus économique en les laissant en veille, surtout que la plupart d'entre eux propose des veilles basse consommation de moins d'un watt. En effet, la surconsommation d'encre des cycles de nettoyages à chaque allumage revient plus cher que la consommation électrique[1].

Tête d'impression déportée sur cartouches Canon noire (gauche) et tricolore (droite)

Les têtes d'impression déportées sont intégrées aux consommables et ne durent que le temps de la cartouche d'encre. Les cartouches intégrant les têtes sont généralement reconnaissables par la présence de multiples picots métalliques permettant de relier électriquement la cartouche à l'imprimante. Chaque changement de cartouche implique un remplacement des têtes d'impression. Les consommables sont donc plus chers car comportent une partie de la technologie d'impression de l'appareil. La fabrication requiert également plus de précision ce qui la rend difficile pour ne pas rendre le prix des consommables excessif. Un calibrage est souvent nécessaire à chaque remplacement de cartouche, pour aligner la tête de la cartouche remplacée avec les cartouches déjà en place. En revanche, un obstruction des buses ou un dysfonctionnement des têtes se corrige facilement par le changement de la cartouche défectueuse par une neuve. Hewlett-Packard et Lexmark était traditionnellement les constructeurs qui privilégiaient ce type de tête, tout comme Canon dans ses premiers modèles. Mais actuellement, tous les constructeurs s'orientent vers des têtes embarquées. Plusieurs facteurs expliquent ce revirement : la difficulté de trouver des sous-traitants capables de produire des cartouches d'encres de haute précision et le fait que l'utilisateur final ne voit bien souvent que la différence de prix entre les cartouches d'une marque a tête intégrée et celui de cartouches sans tête d'impression, sans prendre en considération les avantages et inconvénients des deux systèmes.

Une technologie mixte existe consistant à coupler un réservoir d'encre jetable relié à une tête interchangeable qui peut être remplacée moins fréquemment, par exemple toutes les 10 cartouches. Cela permet de réduire le coût des cartouches tout en bénéficiant de l'avantage de têtes d'impression remplaçables. La plupart des imprimantes gros volumes à jet d'encre de Hewlett-Packard utilisent une telle configuration, avec des têtes d'impression jetables utilisés sur les modèles à faible volume. Kodak et Canon utilise maintenant, dans la plupart de leurs modèles, des têtes d'impression remplaçables à prix raisonnable qui sont conçues pour durer toute la vie de l'imprimante, mais qui peuvent être remplacées par l'utilisateur si elles devaient s'obstruer.

L'application la plus populaire du jet d'encre est la bureautique (Small Office/home Office ou SOHO). L'encre utilisée est généralement à base d'eau pour des raisons environnementales et de confort. Le procédé utilisé est la goutte à la demande (Drop On Demand ou DOD), ce qui permet d'avoir une bonne qualité d'image mais des vitesses moindres qu'en CIJ.

Avant d'imprimer sur une presse offset ou autre (héliogravure, flexographie…), on teste généralement l'imprimé sur un système d'épreuvage analogique (Cromalin, Matchprint…) ou numérique (copieur calibré, jet d'encre…). Cela permet alors d'avoir une idée du rendu final à la condition que le système d'épreuvage simule l'engraissement provoqué par la presse offset (utilisation d'un profil ICC, pour les systèmes numériques, qui caractérise la presse qui sera utilisée pour l'impression). L'épreuvage peut être réalisé en jet d'encre DOD, qui donne de très bons résultats du point de vue de la qualité.

Le jet d'encre est le seul procédé permettant d'imprimer de grandes laizes (largeurs). Actuellement, les laizes maximales sont de 5 mètres. Le jet d'encre « grande laize » permet d'imprimer de grandes affiches lors d'événements ponctuels, ou des bâches servant par exemple à masquer des travaux immobiliers (échafaudages et autres). De plus, ces impressions étant généralement des exemplaires uniques, il est impossible de les réaliser avec les procédés classiques.

La technologie utilisée est généralement du jet d'encre DOD avec une encre à séchage ultraviolet, ce qui procure plus de résistance à l'encre (tenue à la lumière, résistance à l'abrasion…).

Les textiles sont généralement imprimés en sérigraphie, sublimation thermique ou transfert. Le jet d'encre se positionne également sur le marché.

Il a l'avantage d'être très flexible sur la conception du fichier image et permet donc de s'affranchir de certaines contraintes techniques inhérentes aux métiers de l'imprimerie. L'impression jet d'encre sur textile permet de réduire les temps de production et d'augmenter la réactivité. La qualité de l'image imprimée est acceptable sur un textile blanc mais encore insuffisante sur un textile foncé ou noir à cause de la faible épaisseur d'encre déposée. La technique du jet d'encre obtient ses meilleurs résultats là où la sérigraphie rencontre des difficultés (quadrichromie) et paradoxalement échoue sur les travaux les plus simples (ton direct - couleur unie). Sa vitesse est lente pour le moment mais en progrès grâce à la multiplication des buses de projection. Le coût des consommables est élevé (90 à 230 € le litre d'encre) et les machines spécifiques au textile trop récente pour en connaître le réel coût de la maintenance.

Le CIJ est généralement utilisé pour le marquage des produits pour sa vitesse d'impression. En alimentaire, l'encre utilisée est à base d'alcool qui donne un séchage rapide. Les encres utilisées en conserveries doivent également être résistantes aux traitements (stérilisation à la vapeur sous pression à 125 °C pendant 25 minutes).

Le marquage est également présent dans l'automobile, l'électronique, l'industrie du câble, la construction aéronautique…

En tant que procédé numérique, le jet d'encre permet de changer le design à chaque imprimé. Il peut donc s'attaquer au marché de l'impression personnalisée. On en voit bon nombre dans les publicités mais il devient possible de commander du vin avec une étiquette à son effigie, avoir des skins uniques…

Impression grand format en haute résolution, destinée à la reproduction de tableaux. Ce procédé a un excellent rendu et une bonne durabilité.

Le procédé par jet d'encre est également utilisé pour la production industrielle de certains écrans à cristaux liquides qui demandent le dessin d'électrodes semi-transparentes de formes complexes. Dans ce cas, une encre spéciale est utilisée non pas pour ses propriétés colorantes (elle est aussi transparente que possible) mais pour sa conductivité électrique.

• Papier
• Imprimante
• Code d'identification de machine

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