В начале 1980-х офисы были шумными местами: повсюду стучал металл, бьющий по красящей ленте, чтобы отпечатать символ на бумаге. Щёлкали пишущие машинки IBM Selectric, трещали ромашковые принтеры, матричные издавали характерный звук рвущейся ткани.
Источник изображения — spectrum.ieee.org
Сегодня этих звуков нет. И хотя читать мы стали больше с экранов, печатать на бумаге всё же не перестали.
Главная причина наступившей тишины — струйный принтер. Крупные тиражи в коммерческой среде по-прежнему берут на себя лазерные машины, а вот дома и в офисе у большинства из нас стоит именно струйник.
Печатающая головка струйного принтера выполняет поразительную работу. Даже при грубом разрешении в 96 точек на дюйм, типичном для первых моделей 1980-х, расстояние между центрами соседних точек составляет всего 260 микрометров. Чтобы заполнить стандартную страницу с полями по 2,5 сантиметра, потребуется более полумиллиона отдельных капель чернил. Доставка этих капель требует крайне точного управления движением, повторённого колоссальное число раз и как можно быстрее. Задача идеально ложится на микроэлектромеханические системы (МЭМС) — электронные устройства с микроскопическими подвижными элементами.
Как и во всей микротехнике, характеристики струйных систем со временем изменились радикально. Типичная головка середины 1980-х имела 12 сопел, работающих параллельно, каждое выдавало до 1350 капель в секунду и печатало 150 символов в секунду. Сегодня головка топового класса для промышленной печатной машины может содержать 21 000 сопел, каждое из которых выдаёт от 20 000 до 150 000 точек в секунду. Объём одной капли — всего 1,5 пиколитра (пиколитр — это одна триллионная литра) при диаметре порядка 14 микрометров.
Превзойдя замыслы своих создателей, струйная технология нашла массу применений за пределами нанесения точек на бумагу. Среди них — изготовление ДНК-микрочипов для геномики, создание проводящих дорожек для печатных плат и построение трёхмерных объектов. В перспективе — персонализированная медицина и разработка перспективных аккумуляторов.
Показательная цифра: поиск патентов, содержащих слово «inkjet», сегодня выдаёт более 92 000 результатов. Если какое-то вещество в принципе можно упаковать в микроскопические капли с подходящими свойствами текучести, велика вероятность, что кто-то уже приспосабливает под него струйную технологию.
Как МЭМС преобразили струйную печать
История технологии начинается в 1948 году, когда шведский изобретатель Руне Эльмквист запатентовал самописец, в котором очень тонкая стеклянная трубка выпускала непрерывную струю чернил, а та направлялась так, чтобы оставлять след на движущейся бумажной ленте. Пару лет спустя он продемонстрировал изобретение в виде прибора для записи электрокардиограмм.
В 1965 году Ричард Г. Свит из Стэнфордского университета разработал самописец, в котором струя чернил разбивалась на равномерный поток электрически заряженных капель. Отклоняющие электроды по обе стороны потока позволяли каплям либо лететь прямо на бумагу, либо уходить на впитывающую подложку или в приёмник для повторного использования.
В апреле 1984 года HP ThinkJet [сверху] открыл эпоху настольной струйной печати. Картридж ThinkJet [снизу] выдавал тысячи микроскопических капель в секунду из 12 сопел, а вся МЭМС-механика для этого умещалась внутри самой головки. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Такая схема называется непрерывной струйной печатью, и уже к 1976 году IBM применила её в коммерческом принтере IBM 6640. Но непрерывные струйники теряют чернила на испарение даже при рециркуляции, что ограничивало их привлекательность.
Чтобы обойти эту расточительность, конкуренты занялись разработкой принтеров drop-on-demand — «капля по требованию», — где каждое отверстие головки выбрасывает по одной капле за раз. Поверхностное натяжение удерживает чернила в крошечном открытом сопле, пока механизм не вытолкнет каплю наружу. Каждая капля, попавшая на бумагу, создаёт точку, а движение головки взад-вперёд формирует изображение. Головка с множеством отверстий выпускает много капель одновременно, поэтому каждый проход добавляет к изображению целую полосу, а не одну тонкую линию.
В конце 1970-х первой принтер по принципу drop-on-demand начала продавать Siemens. Это было не отдельное устройство в современном понимании, а неотъемлемая часть компьютерного терминала Siemens PT80i (Printer Terminal 80 Inkjet). В нём использовались пьезоэлектрические актуаторы, окружавшие 12 чернильных трубок, которые питали 12 сопел, — печать шла со скоростью 270 символов в секунду.
Работа пьезоэлектрических устройств основана на том, что некоторые материалы — например, керамический цирконат-титанат свинца (ЦТС) — меняют форму под приложенным напряжением. Для МЭМС в целом этот эффект оказался исключительно полезен: он позволяет создавать точные усилия и перемещения по команде. Если слой ЦТС приклеить к непьезоэлектрическому материалу, получится так называемый биморф, который под напряжением изгибается. В пьезоэлектрическом сопле именно изгиб биморфа выталкивает чернила через отверстие.
Промышленный 3D-принтер HP Jet Fusion 5200 использует струйный процесс для изготовления деталей из нейлона, полипропилена или полиуретана. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Впрочем, в 1970-х новая технология печати ещё не была так же надёжна, как проверенные ударные принтеры, а при отказе принтера весь терминал Siemens становился непригодным к работе — поэтому решение не прижилось.
Тем временем исследователи в Hewlett-Packard и Canon обратили внимание, что чернила закипают и разбрызгиваются при контакте с горячим предметом вроде жала паяльника, — и решили превратить это разбрызгивание в полезный механизм печати. Они знали, что резистор можно использовать как нагревательный элемент и миниатюризировать теми же методами, что и интегральные схемы. В их принтерах каждое сопло содержит не пьезоактуатор, а резистор: электрический импульс разогревает его, тот мгновенно вскипячивает тонкий слой чернил, и стремительно расширяющийся паровой пузырь выталкивает каплю через отверстие.
Эта работа привела к тому, что 40 лет назад практически одновременно на рынок вышли две конкурирующие версии термоструйной технологии. В том же 1984 году Epson представила отдельный пьезоэлектрический струйный принтер.
HP ThinkJet стал первым настольным струйным принтером компании на её термотехнологии и предназначался для подключения к персональному компьютеру и повседневной печати. У него было немедленное преимущество перед недавно появившимися лазерными машинами — цена. Настольный лазерный принтер HP стоил 3500 долларов (около 10 500 долларов в сегодняшних деньгах), тогда как HP 2225A ThinkJet — всего 495 долларов (примерно 1500 долларов сегодня). Струйники к тому же потребляли заметно меньше энергии и работали тише. Разрешение, правда, оставляло желать лучшего — 96 dpi против 300 у лазерных в те годы, — да и скорость была невысокой.
Но преимущества перевесили недостатки, тем более по мере совершенствования технологии, и струйные принтеры заняли доминирующее положение на рынке настольной и домашней печати. Сегодня их выпускают более 20 компаний, формируя рынок объёмом свыше 100 миллиардов долларов в год, который продолжает расти темпом более 8 процентов ежегодно.
Печать ДНК-микрочипов
Пока бизнес по производству принтеров взрослел и рос, отдельные компании начали выяснять, какие ещё «чернила» можно доставлять струйным методом. Одной из них стала Agilent Technologies — выделившееся из Hewlett-Packard подразделение, сосредоточенное на технологиях для наук о жизни и химического анализа. Agilent разработала способ печатать нити ДНК из четырёх азотистых оснований: цитозина (C), гуанина (G), аденина (A) и тимина (T). Компания адаптировала существующую химию ДНК и приёмы струйной печати, чтобы строить микрочипы с ДНК на стеклянных подложках для геномных работ — например, для измерения того, какие гены экспрессируются в организме в тех или иных условиях. Академические исследователи, в свою очередь, опубликовали открытые методики переделки серийных струйных принтеров под изготовление собственных микрочипов, пусть и со значительно более скромными характеристиками.
ДНК-микрочип представляет собой подложку, обычно стеклянную, с массивом небольших областей — пятен, — к которым прикреплены нити ДНК. Agilent выпускает чипы, содержащие до миллиона пятен на одном стекле размером 2,5 × 7,6 см. Открытая самодельная система размещает до 10 000 на несколько меньшей площади. Каждая нить состоит из последовательности оснований C, G, A и T. В двухцепочечной ДНК цепи комплементарны и соединяются, словно перекладины лестницы: C с G, а A с T.
Микрочип использует одноцепочечную ДНК, и каждое пятно содержит миллионы нитей с одинаковой последовательностью. Когда через пятно проходит образец с копиями комплементарной цепи, они связываются с закреплёнными нитями. Цепи образца помечены флуоресцентными молекулами, поэтому исследователь понимает, какие последовательности присутствовали в пробе, просто по тому, какие пятна засветились.
В методе Agilent принтер делает по подложке несколько проходов, каждый из которых добавляет по одному основанию к каждой нити в пятнах, с промежуточными этапами подготовки к следующему проходу.
Добавление основания — на самом деле трёхэтапный процесс. У каждой растущей нити на конце стоит молекулярный «колпачок», препятствующий беспорядочному присоединению новых оснований. Первый шаг — снять или деактивировать эти колпачки, промыв заготовку раствором. Второй шаг аналогичен печати страницы: в каждое пятно струйная головка добавляет каплю жидкости с очередным мономером — модифицированной версией C, G, A или T. Каждый такой мономер несёт новый колпачок, поэтому к нити присоединяется ровно одна молекула. Связь при этом ещё нестабильна, так что третий шаг — обработка окислителем, который модифицирует связи и окончательно встраивает мономер в структуру ДНК. Далее промывка и повтор цикла.
Гибкость самодельных струйных установок позволяет исследователям быстро собирать прототипы чипов с любыми интересующими последовательностями. Новый чип можно спроектировать, синтезировать и применить для анализа ДНК за один день. Одна из групп сообщала о цикле в 10–20 минут на присоединение каждого основания, то есть около 13 часов на партию чипов с примерно 10 000 пятен, содержащих нити из 40 оснований. Для сравнения: коммерческие микрочипы Agilent обычно несут нити длиной до 60 оснований.
Той же струйной системой Agilent синтезирует и другой рабочий инструмент геномики — олигонуклеотидные библиотеки. Процесс идентичен изготовлению микрочипа, но в конце все нити срезаются с подложки, высушиваются и упаковываются вместе в единую пробирку для заказчика. Длина нитей в таких библиотеках достигает примерно 230 оснований.
Чешский стартап Invent Medical, работающий в партнёрстве с HP, напечатал этот шлем для коррекции деформаций формы черепа [сверху]. Футляр для губной помады [снизу] отпечатан на HP Jet Fusion 5200. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Трёхмерная печать двумя видами чернил
Помимо печати двумерных страниц и построения одномерных молекулярных нитей, струйная технология уже много лет применяется для изготовления трёхмерных объектов. Один подход — разновидность печати по порошковому слою, при которой изделия строятся послойным сплавлением или связыванием порошка по заданному рисунку. Струйная головка наносит капли жидкого связующего на каждый слой порошка ровно в тех областях, которые сформируют готовую деталь.
Линейка 3D-принтеров HP Multi Jet Fusion (MJF) развивает эту схему, нанося два типа «чернил»: первый — промотор связывания, второй — детализирующий агент, который наносится по краям рисунка, чтобы промотор не расползался в окружающий порошок. Головка с широким массивом сопел распределяет эти составы, а следом быстро проходит осветительная планка, нагревающая порошок и сплавляющая его там, где присутствует промотор. Затем по всей площади печати распределяется свежий слой порошка — и цикл повторяется. В финале сжатый воздух и вакуумный шланг убирают неспечённый порошок, открывая готовые объекты. Рабочий объём принтеров HP MJF достигает 38 × 28 × 38 см.
Эта модель ручного пылесоса с цветными, полупрозрачными и прозрачными элементами напечатана единой деталью на струйном 3D-принтере Mimaki. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Совсем иным путём пошла японская Mimaki Engineering, представившая 3D-принтеры с пьезоэлектрическими струйными головками, наносящими капли смолы. Смолы представляют собой фотополимеры, отверждаемые ультрафиолетовыми светодиодами после печати каждого слоя. Вместо порошковой ванны, заполняющей весь рабочий объём, принтер наносит смолы прямо поверх растущей конструкции. Для работы с крутыми нависаниями — например, вытянутой рукой фигурки — одна из смол даёт водорастворимый материал, из которого строятся поддержки; по окончании печати их просто растворяют.
Ещё семь смол дают цвета, включая привычный по потребительским принтерам набор CMYK — голубой, пурпурный, жёлтый и чёрный, — а также белый и прозрачный, что в сумме даёт 10 миллионов цветовых сочетаний, сопоставимо с тем, что способен различить человеческий глаз. Готовые изделия могут сочетать плотный цвет, цветную прозрачность и полупрозрачность, а также бесцветную прозрачность.
Рабочий объём такого принтера — 51 × 51 × 30 см. В отличие от порошковой машины, здесь можно изготовить небольшую тестовую деталь, не заполняя весь объём. В целом, однако, подход Mimaki медленнее HP MJF, поскольку использует небольшие головки вместо широкой, проходящей всю область за один проход.
Что дальше
Сила струйной печати — в возможности наносить самые разные «чернила» на большие площади короткими быстрыми сериями при разумной себестоимости. Конкурировать со стандартным крупносерийным производством она, как правило, не может: массовые методы почти всегда дешевле. Автолюбитель вполне может обратиться к трёхмерной струйной печати ради нестандартной детали для ремонта или доработки, но крупный производитель автокомпонентов такие принтеры на конвейер не поставит. Точно так же компания может печатать единичные фигурки по эскизу заказчика, но для массового выпуска моделей очередного супергероя метод окажется неэкономичным. Применений много, а вот где именно струйный подход окажется безусловным победителем — пока неочевидно.
Показательный пример — персонализированная медицина. Идея в том, чтобы печатать таблетки, подобранные под конкретного пациента. Такая персонализация включает и простую подстройку дозы, и регулировку скорости высвобождения препарата — от очень быстрой до медленной и пролонгированной — за счёт изменения связующих веществ и внутренней структуры таблетки. Вместо жонглирования несколькими препаратами по сложному расписанию пациент мог бы принимать одну ежедневную полипилюлю — напечатанную таблетку с несколькими лекарствами, каждое со своей скоростью высвобождения.
Исследователи изучают, как приспособить под такие задачи существующие методы трёхмерной печати, включая струйную. Особенно хорошо струйные системы подходят для печати лекарств в форме тонких плёнок: трансдермальных пластырей, наклеиваемых на кожу, и буккальных плёнок, размещаемых за щекой, откуда препарат попадает прямо в кровоток, минуя пищеварительную систему.
ДНК-микрочип можно изготовить струйной системой, наращивая нити ДНК заданной конструкции в каждом пятне массива. Головка доставляет каплю «чернил» [слева] с модифицированными мономерами одного нуклеотида [G, C, A или T] в каждое пятно. В первом цикле печати мономеры прикрепляются к химически обработанной стеклянной поверхности. В последующих проходах [справа] к концу каждой растущей нити присоединяется по одному мономеру. Каждый мономер несёт защитный колпачок, не позволяющий присоединиться другим. Дополнительные операции [здесь не показаны] смывают нуклеотидные чернила, наносят катализатор для завершения связывания и снимают защитные колпачки перед следующим шагом печати. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Впрочем, такие напечатанные персонализированные препараты будут дороже фиксированных дозировок, сходящих с обычных высокопроизводительных линий. Поэтому метод, скорее всего, останется уделом относительно редких состояний.
Ещё одно потенциальное применение трёхмерной струйной печати — изготовление перспективных литий-ионных аккумуляторов. Заряд и разряд таких батарей основаны на движении ионов лития от электродов к электролиту и обратно, с высвобождением или поглощением электронов, создающих ток. Плотность запасённой энергии при стандартной конструкции электрода можно повысить, сделав электрод толще, но это бьёт по удельной мощности — скорости отдачи энергии, — поскольку в тесном контакте с электролитом остаётся меньшая доля электрода.
Струйная трёхмерная печать позволила бы строить электроды с продуманной микроструктурой, дающей электролиту проникать по всему их объёму. Это повысило бы эффективность доступа ионов лития и электронов ко всему электроду даже при большей толщине, увеличивая одновременно и запас энергии, и удельную мощность. Чтобы такое видение стало реальностью, исследователям предстоит куда лучше разобраться в составлении «чернил» для печати электродов: какие размеры частиц и растворители дают состав с подходящими свойствами текучести, который при этом образует устойчивые структуры с хорошими электрохимическими характеристиками.
Конкурировать по цене с крупносерийным производством струйная печать здесь вряд ли сможет. Зато печать прототипов способна выявить оптимальную конструкцию аккумулятора, которую затем адаптируют под традиционные методы производства, — и это, пожалуй, более реалистичная роль технологии.
Струйные системы демонстрировались и в целом ряде других применений. Печатать можно живые клетки, формируя тканевые структуры для экспериментов in vitro. Печатались МЭМС вроде микроскопических двигателей — с использованием чернил на основе наночастиц золота и серебра в качестве проводников и смоляных составов в роли изоляторов. Печатались гибкие датчики для мониторинга здоровья на основе электропроводящего полимера, реагирующего на перепады температуры. Не говоря уже о множестве способов наносить изображения на носители, далёкие от офисной распечатки: печать по текстилю, роботы для нанесения нестандартной автомобильной окраски и печать жикле — воспроизведение произведений искусства архивными чернилами на специальных основах.
Каждое из этих применений — как цветная точка на огромном полотне человеческих технологий. И пусть точки, поставленные струйной печатью на основе МЭМС, лишь один цвет среди множества других на этой метафорической странице, без них картина выглядела бы совсем иначе.
