Drucker

Überblick

Funktionsweise eines Typenraddruckers

Da in normalem Text manche Buchstaben wie e,s und t wesentlich häufiger vorkommen als andere, sind die Schriftzeichen nicht einfach z.B. in ASCII-Reihenfolge(a,b,c,d usw.) auf dem Typenrad aufgereiht, sondern so, daß bei statistischem Text die durchschnittlich benötigte Drehzeit des Rades zum Anschlag des nächsten Zeichens möglichst gering ist. Wenn man so auf das Typenrad sieht, daß die Zeichen spiegelverkehrt erscheinen, lautet eine typische Reihenfolge im Uhrzeigersinn:

Da diese Zeichenhäufgigkeit in Standardtexten in Amerika ermittelt wurde (Shannon-Text) kann die Schnelligkeit der Druckausgabe bei deutschen (oder nicht englischen) Texten natürlich erheblich differieren. Preiswerte Typenraddrucker erreichen bei durchschnittlichem Text etwa 14 bis 20 Zeichen/s, typische Profiausführungen etwa 30 bis 40 Zeichen/s und die allerschnellsten Geräte bis zu 80 Zeichen/s, also nur etwa ein Viertel von Nadeldruckern. Außerdem ist der Wechsel der Schriftart nicht per Steuerbefehl, sondern nur durch Austausch des Typenrades machbar. Dem steht als Hauptvorteil eine sehr gute Schriftqualität gegenüber, die ein Nadeldrucker auch im Schönschrift-Modus kaum erreichen kann. Der Grund, warum moderne 24-Nadeldrucker dem Typenraddrucker trotzdem dem Rang abgelaufen haben, liegt wohl darin, das Typenraddrucker prinzipbedingt keine Grafiken drucken können.

Funktionsweise eines Nadeldruckers

Ein Nadeldrucker verfügt über einen Druckkopf, der eine bestimmte Anzahl an Nadel enthält (7, 9, 18, 24, 36 u.a.). Die einzelnen Nadeln sind senkrecht (einreihig oder zweireihig) untereinander im Druckkopf angeordnet. Jede Nadel kann einzeln elektromagnetisch angesteuert werden und bewegt sich im Aktivierungsfall mit rasend hoher Geschwindigkeit aus dem Druckkopf heraus und wieder zurück. Die aktivierten Nadeln treffen auf ein Farbband, das sich zwischen dem Druckkopf und der Druckwalze befindet (ähnlich einer Schreibmaschine) und verursachen so einzelne Punkte auf dem Papier. Der Drucker weiß aufgrund der in ihm gespeicherten Zeichensätze, welche Nadeln er für welches Zeichen benutzen muß (Matrix). Der Druckkopf selbst wiederum sitzt auf einem Schlitten, der über Zahnriemen o.ä. an die gewünschte horizontale Postion (Spaltenvorschub) bewegt wird. Die Druckwalze (oder ein Traktor) übernimmt durch Drehung den Transport des Papiers in vertikaler Richtung (Zeilenvorschub). Die Qualität des Druckbildes kann mit einer höheren Anzahl und dichter im Druckkopf angeordneten Nadeln erhöht werden. Auch die Technik des Mehrfachanschlags bzw. versetzten Anschlags (NLQ, LQ) verbessert die Druckqualität erheblich. Die Matrixdrucker erleben derzeit eine Wiedergeburt, denn Nadeldrucker sind billig herzustellen und nur sie beherrschen Durchschläge. Moderne Nadeldrucker sind leiser und schneller (bis zu 350 Zeichen pro Sekunde) als ihre lärmenden Urahnen aus den 80iger Jahren.

Funktionsweise eines Tintenstrahldruckers

Tintenstrahldrucker gehören zu den "Non-impact"-Druckern, es findet also kein mechanischer Kontakt zum bedruckten Medium statt. Damit entfällt eine unangenehme Eigenschaft des Nadeldruckers, die Geräuschentwicklung, fast völlig. Nur noch ein leises Pfeifgeräusch durch das Ausschleudern der Tinte ist wahrnehmbar. Allerdings geht bei Tintenstrahldruckern die Möglichkeit der Durchschlagsanfertigung verloren.
Das Prinzip der Erzeugung von Zeichen oder Grafik ist das gleiche wie bereits bei den Nadeldruckern beschrieben. Anstatt einer Nadelreihe befinden sich hier am Druckkopf eine Reihe von Mikrodüsen, aus denen winzige Tintentröpfchen auf das Papier gespritzt werden.
Bei der Entwicklung waren verschiedene Probleme zu verzeichnen. Zum einen trocknete die Tinte zu schnell ein und verstopfte die Düsen und es wurde ein spezielles, sehr glattes Papier benötigt, damit die Tinte nicht zu sehr aufgesaugt wurde und somit Flecken erzeugte.
Die Tintenstrahldrucker wurden nach einem Verfahren für Meßwertschreiber der schwedischen Siemens-Tochterfirma Elema entwickelt. Dabei wurde ein kontinuierlicher Strahl aus einer beweglichen Düse versprüht, was sich zwar für Meßschreiber eignete, nicht aber für eine Einzelpunktansteuerung. Aus dieser mechanischen Düsenbewegung wurde Mitte der 60er Jahre eine elektrostatische Steuerung entwickelt. Dabei wird eine Hochspannung von 2,5 kV an eine Düse angelegt. Die Tinte steht mit nur geringem Überdruck an der Düsenöffnung. Eine davor befindliche, geerdete Ringblende zieht einzelne Tintentröpfchen aus der Düse, die von zwei Abdeckplatten horizontal bzw. vertikal gesteuert, zu Zeichen zusammengesetzt werden. Während dieses kontinuierlichen Schreibvorganges wird überschüssige Tinte in einen Ablauf gesprüht. Die Unterbrechung bei Papiervorschub oder in Druckpausen geschieht durch Abschalten der Hochspannung.

Heutzutage wird bei Tintenstrahldruckern der Piezoeffekt ausgenutzt, der auch vielfach bei Gasfeuerzeugen verwendet wird. Allerdings ist der Effekt dort genau umgekehrt. Man schlägt mit einem Hämmerchen auf einen Piezo-Kristall, so daß an diesem eine Spannung entsteht, die direkt von der Stärke der Verformung abhängig ist. Beim Drucker hingegen wird eine Spannung angelegt, so daß das Piezoplättchen sich ausdehnt oder zusammenzieht, je nach Polarität der angelegten Spannung.
Es sind im wesentlichen drei Anordnungen gebräuchlich: Tintenstrahlköpfe mit Piezoröhrchen, mit Piezo-Planarscheibchen oder mit der "Bubble"-Technik.

Bei einem Piezoröhrchen wird ein sinusförmiger Impuls angelegt, der in der ersten Halbwelle eine Vergrößerung des Tintenraumes bewirkt, so daß die Tinte aus dem Vorratsbehälter angesaugt wird. Bei der zweiten Halbwelle wird der Durchmesser der Düse verkleinert und damit ein Stoßdruck erzeugt, der ein Tröpfchen Tinte auf das Papier schleudert. Die Planarscheibchen funktionieren ähnlich, erlauben jedoch höhere Ausstoßfrequenzen bei geringerer Tröpfchengröße. Bei der Bubble-Technik ist der Druckkopf ähnlich wie ein Chip aufgebaut. Die Leiterbahnen direkt hinter den Düsenöffnungen bilden Heizelemente, welche durch kurze Stromstöße sehr kurzfristig aufgeheizt werden. Die sich in der Nähe im Tintenkanal befindliche Tinte wird dadurch verdampft, es bildet sich im Kanal eine Gasblase. Durch das Ausdehnen dieser Blase wird ein Tintentröpfchen weiter vorne aus der Kanalöffnung auf das Papier gespritzt. Es können so bis zu 1000 Tröpfchen pro Sekunde entweichen. Die entstehende Wärme wird sofort wieder durch den Druckkopf und die nachfließende Tinte abgeführt.

Funktionsweise eines Laserdruckers

Laserdrucker werden im Unterschied zu den oben beschriebenen Nadel- und Typenraddruckern zu den "Non-impact"-Druckern gezählt. Hier wird, im Gegensatz zu den Matrikdruckern in einem Zug eine volle Seite Text oder Grafik aufgebaut.
Die Laserdrucker sind ursprünglich aus Fotokopierern weiterentwickelt worden. Zusätzlich sind hier eigene Kontroller eingebaut, die die vom PC übergebenen Daten aufbereiten und einen Laserstrahl steuern.
Ein Bild setzt sich üblicherweise aus 300x300 Punkten pro Zoll(dots per inch=dpi) zusammen, es können aber auch höhere Auflösungen (600x600) erreicht werden. Diese erfordern dann aber spezielle Microtoner.

Während bei Matrixdruckern oft nur ein kleiner Druckerpuffer(1-32 KByte) üblich ist, liegt der interne Speicher bei einem Laserdrucker meist zwischen 512 KByte und einigen MByte. Eine einfache Rechnung verdeutlicht den Grund. Eine schwarzweiße Grafikseite im DIN-A4-Format besteht bei einer Auflösung von 300 dpi aus ca. 8,7 Millionen Bildpunkten, was 8,7 Millionen Bit oder ca. 1,1 MByte entspricht. Bei 600 dpi sind es schon 35 Millionen Bildpunkte, es sind also 4,4 MByte Speicher nötig. Um also auf einem Standardlaserdrucker mit 300 dpi eine volle DIN-A4-Grafik ausgeben zu können, ist ein Mindestspeicherausbau auf etwas mehr als 1 MByte RAM im Drucker erforderlich.
Für reine Textausgaben gelten durchaus 512 KByte an Speicherkapazität als ausreichend. Die Erfahrung hat gezeigt, daß 1,5 MByte ein guter Wert sind um noch etwas Kapazität als Eingangspuffer und zum Laden von Schriftarten übrigzuhaben.
Ein großer Puffer hat den Vorteil, daß nach dem Abschicken einer Grafik oder von mehreren Textseiten der PC gleich wieder für weitere Arbeiten zur Verfügung steht, während der Drucker, durch seinen eigenen Prozessor in der Lage ist, unabhängig weiter zu arbeiten.
Ein Nachteil dieses großen Speichers bei der Textverarbeitung ist, daß bei Abbruch eines Druckauftrages fast immer noch etliche Seiten gedruckt werden.

Der Ausdruck einer Seite erfolgt in drei Schritten:
a) Empfangen und Aufbereiten der Daten
b) Schreiben des(elektrischen) Spiegelbildes auf die Trommel
c) Übertragen des Bildes von der Trommel auf das Papier

Der Kontroller im Drucker empfängt die Daten vom PC über die Schnittstelle und bringt sie in einen Zwischenpuffer. Die Daten werden interpretiert und als Bitmap-Grafik im Bildspeicher abgelegt.
Während sich die Bildtrommel dreht, wird sie durch Entladung eines Drahtes(Ladekoroton) gleichmäßig elektrisch(negativ) geladen.
Wird die Trommel nun von einem Laserstrahl an einer bestimmten Stelle getroffen, wird die Ladung an dieser Stelle der Oberfläche abgeleitet. Der Prozessor im Drucker steuert nun einen Polygonspiegel, der den Laserstrahl reflektiert. Dieser Laserstrahl überstreicht die Breite der Trommel und durch ihre Weiterbewegung kann die gesamte Oberfläche angesprochen werden. Nach dem Abtasten enthält die Oberfläche ein unsichtbares, elektrisches Abbild.
Zum entwickeln dieses virtuellen Bildes wird mit einer Magnettrommel Toner auf die Trommel übertragen. Dieser haftet nur an den elektrisch neutralen Stellen. Das eingezogene Papier wird durch das sogenannte Übertragungskoroton positiv aufgeladen und zieht so die Tonerpartikel von der Trommel an. Beim nun folgenden Fixiervorgang wird das Papier zwischen einer Andrucksrolle und einer Heiztrommel durchgeführt. Durch die Wärme haftet der Toner dauerhaft auf dem Papier.

Funktionsweise eines Thermodruckers

Den Thermodruck muss man in zwei verschiedene Verfahren unterscheiden:

a) Thermodruck mit wärmeempfindlichem Papier: für diesen Thermodrucker wird Spezialpapier benötigt, das wärmeempfindlich sein muss. Dieses wird durch winzige Heizelemente auf dem Druckkopf aufgeheizt, wodurch gewünschte Schrift­ oder Grafikzeichen erzeugt werden. Fast alle Faxgeräte arbeiten nach diesem Verfahren. Diese Drucker sind für den Heimbedarf nicht zu empfehlen, da das Spezialpapier teuer ist und der Kontrast der abgebildeten Zeichen nicht gerade optimal ist.

b) Thermotransferdruck: dieses Verfahren ist nicht an eine spezielle Papiersorte gebunden, denn die wärmeempfindliche Schicht befindet sich hier auf dem Farbband. Die Funktionsweise ist die Gleiche wie beim Thermodruck mit Spezialpapier. Die beiden Verfahren unterscheiden sich nur in der Art des Druckauftrages. Die Farbe auf dem Farbband wird durch die Heizelemente des Druckkopfes auf das Papier geschmolzen, deshalb kann man das Farbbandnur einmal benutzen. Bei diesem Verfahren lassen sich durch den Einsatz von mehrfarbigen Farbbändern (R­G­B­Farben; Rot­Grün­Blau), bunte Grafiken in relativ guter Qualität erzeugen. Durch die nur einmalige Benutzung der Farbbänder sind diese Drucker sehr teuer und nicht unbedingt für den alltäglichen Gebrauch zu empfehlen.

Funktionsweise eines Plotters

Für Architekten und Ingenieure sind Plotter nach wie vor das wichtigste Ausgabemedium, um farbige Darstellungen bis zur Größe DIN A0 detalliert wiederzugeben. Tischplotter(DIN A4 bis DIN A3) waren bis vor kurzem ebenso gefragt, wenn Farbe erwünscht war. Sie wurden in diesem Bereich aber zunehmend von Farb-Tintenstrahldruckern verdrängt.
Dies liegt an der unterschiedlichen Technik. Bei den bisher vorgestellten Druckern wird das Bild am Schluß gerastert, als Ansammlung von einzelnen Punkten, ausgegeben, wohingegn Plotter kontinuierliche Linien zeichnen können. Es werden also keine "Treppenstufen"-Effekte erzeugt, womit Plotter prädestiniert sind für Ausgaben von Grafiken im technischen Bereich. Für reine Schriftdarstellungen eignen sie sich weniger, da jedes Zeichen gemalt werden muß und die Ausgabegeschwindigkeit dabei sehr klein ist.
Zum Zeichnen dienen Faserschreiber, teilweise auch Stifte mit speziellen Stahlkugelspitzen oder Gasdruckminen. Prinzipell gibt es zwei Möglichkeiten die Zeichnung auf das Papier zu übertragen. Beim Flachbettplotter wird das Papier am Rande festgeklemmt. In X-Richtung(also von links nach rechts) wird durch einen Schrittmotor ein Schlitten gefahren, auf dem sich in Y-Richtung der Schreibstift hin- und herbewegen läßt. Ein eigener Elektromagnet senkt den Stift erst dann auf die Papieroberfläche, wenn gezeichnet werden soll. Eine Mechanik erlaubt sogar das Anfertigen mehrfarbiger Grafiken, indem sich der Schlitten aus einer Trommel verschiedenfarbige Stifte holen kann.
Bei Trommelplottern wird eine Achse durch den Zeichenstift, die andere durch Vor- bzw. Rückschub des Papiers gesteuert. Da bei der Papierführung mittels Stachelwalze bei gelochtem Endlospapier eine hohe Geschwindigkeit auftritt, muß das verwendete Papier sehr reißfest sein. Trommelplotter sind geeignet für große Ausdrucksformate.
Reibungsplotter funktionieren ähnlich wie Trommelplotter, nur daß hier das Papier zwischen einer Gummi-Andruck- und einer Quarzsandrolle(als Antriebsrolle) gehalten wird. Oft ist noch eine zusätzliche Einrichtung auf Vakuum- oder elektromagnetischer Basis zum Festhalten des Papiers vorhanden.