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Toner und Laserdrucker

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Laserdrucker

SW-Laserdruck und LED-Druck

Die Technologie des Laserdrucks basiert auf dem Prinzip der trockenen elektrostatischen Übertragung. Eine Lichtquelle leuchtet auf die im Vorfeld aufgeladene Oberfläche der lichtempfindlichen Walze (Photoleiter, Photowalze). An den Stellen, die von der Lichtquelle getroffen wurden, ändert sich die Ladung und von diesen nun anders gepolten Stellen wird der Toner angezogen. Mithilfe der Elektrostatik wird der Toner anschließend auf das Papier übertragen, wo er unter hohem Druck und bei hoher Temperatur fixiert wird. Ausdrucke, die auf diese Weise entstanden sind, sind wasserabweisend und bleichen weder aus noch verschmieren. Die Qualität der Laserausdrucke ist sehr hoch.

In den Vorrichtungen, die die Technik der trockenen elektrostatischen Übertragung einsetzen, werden verschiedenste Lichtquellen verwendet. In den allerersten Druckern war es die Glühbirne, die das Original reflektiert hat: auf diese Weise wurden und werden nach wie vor die Analogkopien hergestellt.

Später wurde eine Technologie entwickelt, in der ein Laserstrahl zur Lichtquelle wurde. Es versteht sich von selbst, dass Drucker, die die Lasertechnologie einsetzten, auch Laserdrucker genannt wurden. Der Laserstrahl wird von einem vielflächigen Spiegelprisma reflektiert, läuft Zeile für Zeile die ganze Länge der lichtempfindlichen Walze ab und zeichnet auf der Walze eine elektrostatische Abbildung. Der Toner wird nun von den belichteten Stellen der Walze angezogen. Beim Rotieren kommt die lichtempfindliche Photowalze in Kontakt mit dem Papier, auf welches der Toner nun mithilfe der Übertragungswalze gelangt. Der Toner bleibt weiterhin magnetisiert auf dem Papier, bis das Papier die Heizungseinheit erreicht und der Toner dort in das Papier eingeschmolzen wird. Schon ist der Ausdruck fertig.

Das sogenannte LED-Lineal stellt eine alternative Lichtquelle in einem modernen Drucker dar. Das Lineal besteht aus einer Vielzahl an Leuchtdioden (ab 2500 bis 10000 Stück, je nach Länge des Streifens), die in einer Reihe entlang der gesamten Länge der Photowalze angebracht sind (daher der Name LED-Lineal).

Die Belichtung einer Zeile in einem LED-Drucker erfolgt gleichzeitig: die Leuchtdioden, unter denen sich beim Ausdruck ein Bildpunkt befinden soll, leuchten auf Befehl auf, die anderen nicht. Die Reihen der Leuchtdioden bilden beim Rotieren der Photowalze ebenfalls eine elektrostatische Abbildung auf dieser. Die Walze zieht den Toner an, dieser wird auf das Papier übertragen und anschließend fixiert – genau so, wie bei einem Laserdruck auch.

Die Qualität dieser beiden Druckmethoden ist praktisch identisch und die Ausdrucke besitzen den gleichen Eignungswert.

Schauen wir uns nun den Prozess des Drucks am Beispiel der OKI-LED-Drucker genauer an:

1. Papiereinzug

Damit fängt der Druckprozess an. Das Papier wird vom Papierstapel mithilfe der Zuführungswalze in den Drucker eingezogen. Die Zuführungswalze drückt sich an den Papierstapel und drückt den oberen Teil des Stapels in Richtung des Druckermechanismus. Das oberste Blatt wird durch den Verteiler vom restlichen Stapel getrennt, der die Bewegung des Papierstapels stoppt und somit nur ein Blatt in den Drucker läßt.

Das Papierblatt wir weiter unter die Registrierungswalze transportiert, wo sein vorderer Rand ausgerichtet wird. Dies geschieht durch eine kleine Bewegungsverzögerung der Registrierungswalze. Das Papier “buckelt” sich leicht und wenn die Registrierungswalze sich wieder in Bewegung setzt, ergreift sie den kompletten Rand des Papiers und das Blatt wird gerade ausgerichtet weitergereicht.

2. Aufladung der Photowalze

Zeitgleich mit dem Papiereinzug beginnt die Aufladung der Photowalze (des Photoleiters). Das Aufladen erfolgt mithilfe der Aufladungswalze, auf die ständig negative Spannung von einem Hochspannungsnetzteil gereicht wird. Die Oberfläche der lichtempfindlichen Photowalze wird auf ihrer ganzen Länge ständig mit einer negativen Ladung versorgt.

Es ist anzumerken, dass eben dieser Aufladungsprozess traditionell mit einem hohen Ausscheiden von Ozon zusammenhing. Dies passierte, weil früher statt einer Aufladungsrolle ein Sprühdraht verwendet wurde – ein dünner Draht, durch den dauernd eine Hochspannungsladung floss, die eine Sprühentladung zur Folge hatte, welche den Photoleiter auflud. Während er den Photoleiter auflud, ionisierte der Sprühdraht gleichzeitig die Luft und brachte so die Sauerstoffmoleküle zur Spaltung. So entstanden große Ozonmengen. Nutzbringend in kleinen Mengen, ist Ozon in großen Mengen schädlich für die Gesundheit und führt zu Schwindelgefühl und Ermüdung. Heutzutage werden in praktisch allen Druckern die Aufladungswalzen verwendet, bei deren Betrieb kein Ozon freigesetzt wird.

3. Belichtung

Das LED-Lineal (oder im Fall der Laserdrucker der Laserstrahl) beleuchtet die negativ geladene Oberfläche der Phototrommel. Punkte, die auf der Walze beleuchtet werden müssen, werden durch die Kontrolleinrichtung der Ausdruckaufstellung geregelt. An den Stellen, die von Licht getroffen werden, wird die negative Ladung in eine Nullspannung umgewandelt. Auf diese Weise entsteht auf der Oberfläche der Photowalze eine elektrostatische Abbildung des zukünftigen Ausdruckes.

4. Entwicklung

Die negativ aufgeladene Tonerträgerwalze gibt die Negativspannung an den Toner weiter und reicht den Toner an die Entwicklungsrolle. Das Verteilermesser verteilt den Toner gleichmäßig dünn auf der Entwicklungsrolle. Danach kommt der Toner mit der Photowalze in Kontakt und wird an die Stellen angezogen, an denen die negative Ladung durch Belichtung genommen wurde. Dadurch wird die elektrostatische (unsichtbare) Abbildung zu einer entwickelten (sichtbaren) Abbildung. Der so an die Photowalze übertragene Toner wird auf dieser weitergereicht, bis er in Kontakt mit dem Papier kommt.

5. Übertragung

An der Stelle im Drucker, an der die Photowalze mit dem Papier kontaktiert, befindet sich noch eine Walze, Transportwalze genannt. Die Transportwalze wird positiv aufgeladen und lädt das Papier ebenfalls positiv auf. Die negativ geladenen Tonerteilchen werden so auf das Papier gezogen und werden mithilfe der Elektrostatik auf dem Papier festgehalten. Wenn man in diesem Moment auf das Papier schaut, erkennt man eine vollständige Abbildung des späteren Ausdruckes, die jedoch mit einem darüber gezogenen Finger zerstört werden kann, da der Toner nur elektrostatisch auf dem Papier festgehalten wird. Um den Ausdruck wischfest zu machen, muß man ihn fixieren.

6. Fixierung

Fixiert wird die Darstellung durch Aufheizung und Druck. Die Fixierung erfolgt in der Heizungseinheit. Die Heizungseinheit besteht aus zwei Walzen: die obere - Thermowalze, in deren Inneren sich das Heizungselement befindet (normalerweise eine Halogenlampe) und die untere - Papierandrückwalze, die das Papier mithilfe einer Stützfeder an die Thermowalze drückt. Um die Temperatur der Thermowalze kümmert sich der Thermosensor. Bei Kontakt mit der Thermowalze wird der Toner geschmolzen und in flüssigem Zustand in das Papier eingedrückt. Nach Verlassen der Heizungseinheit kühlt der Toner sehr schnell ab und ergibt so einen dauerhaften und den Umwelteinflüssen gegenüber resistenten Ausdruck. Damit das Papier nicht an der Thermowalze kleben bleibt, sind auf dieser Papierabstreifer angebracht.

Als Anmerkung ist zu sagen, daß die Thermowalze nicht die einzige Realisierung des Aufheizens ist. Alternativ dazu gibt es eine Heizungseinheit, in der die Thermofolie zum Einsatz kommt: ein spezielles, biegsames Material mit Heizungselementen in seiner Struktur. Der Vorteil der mit Thermofolie betriebenen Drucker besteht darin, dass die Heizungseinheit fast sofort nach dem Einschalten des Druckers einsatzbereit ist, während die Thermowalze-betriebene Heizungseiheit erst eine gewisse Zeit braucht, um die nötige Temperatur zu erreichen. Auf der anderen Seite kann die Thermofolie deutlich schneller beschädigt werden, sollte ein harter Gegenstand ins Innere der Heizungseiheit gelangen.

7. Reinigung

Nicht der komplette Toner, der auf das Papier gelangen sollte, erreicht sein Ziel. Ein Teil des Toners bleibt auf der Oberfläche der Photowalze kleben. Für die Reinigung der Walze ist bei LED-Druckern von OKI ein spezieller Vorgang zuständig. Dieser Vorgang findet automatisch nach allen 10 Seiten statt oder kann auch manuell vom Betreiber gestartet werden. Im Verlauf des Reinigungsprozesses wird eine spezielle Reinigungswalze (die sich unter der Aufladungswalze befindet) aufgeladen. Der Toner wird von der Photowalze auf die Reinigungswalze angezogen und anschließend wieder auf die Photowalze zurückgereicht. Auf deren Oberfläche gelangt der Toner an die Entwicklungsrolle, die zu diesem Zeitpunkt positiv aufgeladen wurde. Diese Aufladung zwingt den Toner, auf die Entwicklungsrolle überzugehen und in den Behälter mit frischem Toner zurückzukehren. Auf diese Weise funktioniert das Rezirkulationssystem, mit dessen Hilfe der Toner wiederholt verbraucht werden kann.

Dies ist allerdings nicht das am Weitesten verbreitete Schema. In anderen Druckermodellen kommt ein Reinigungsmesser zum Einsatz, der automatisch die Tonerreste von der Oberfläche der Photowalze “abschneidet” und diese in einen Resttonerbehälter befördert, der von dem Behälter mit frischem Toner isoliert ist. Jede dieser zwei Methoden hat Vor- und Nachteile. Drucker mit einem Resttonerbehälter profitieren von einem immer frischen, schmutzfreien Toner. Drucker mit dem Rezirkulationssystem bieten eine Tonerersparnis von ca. 30%. Solange qualitativ hohes Papier verwendet wird, stellt der verschmutzte Toner kein Problem dar, doch wenn am Papier gespart wird, führt das Rezirkulationssystem schnell zu einer Verschlechterung der Ausdrucksqualität aufgrund der Verschmutzung des Papiers und der Abnutzung der Walzen im Inneren der Kartusche.

Farbiger Laser- und LED-Druck

Das Prinzip der Abbildungsentstehung und deren Übersetzung von der “Ziffernsprache” in eine sichtbare Abbildung ist vollkommen analog mit den Prozessen in Schwarz-weiß-Druckern, daher gehen wir hier nur auf die Entstehung des farbigen Ausdrucks ein, die benötigten Elemente und die technologischen Lösungen.

Für den farbigen Ausdruck muss der Drucker vier aufeinander gelegte Abbildungen erschaffen. Jede von denen besitzt eine eigene Farbe: Cyan, Magenta, Yellow und Schwarz. Dies sind die polygraphischen Hauptfarben, die beim subtraktiven Modell der Entstehung des Farbausdrucks zum Einsatz kommen. Es gibt zwei verschiedene Methoden der vollfarbigen Darstellung: das Übereinanderdrucken und das Nacheinanderdrucken.

Beim Übereinanderdrucken wird ein Transportband benötigt, auf welches in jedem Durchgang die jeweilige Farbe aufgetragen wird. Nachdem alle vier Farben auf dem Transportband abgebildet wurden, wird die vollständige Abbildung genauso auf das Papier aufgetragen, wie weiter oben bei SW-Druckern in Punkt 5 beschrieben. Solch eine Funktionsweise ist sehr gut ausgearbeitet – Drucker und Kopiergeräte, die diese Funktionsweise nutzten, waren die allerersten vollfarbfähigen Vorrichtungen.

Heutzutage wird diese Technologie hauptsächlich in den allerjüngsten Modellen der Laserdrucker verwendet. Dies ermöglicht eine ziemlich günstige Herstellung dieser Modelle. Einer der Nachteile dieser Technologie ist die relativ niedrige Geschwindigkeit des Prozesses (wie man sehr deutlich an der Animation links sehen kann), da der Druckermechanismus vier volle Arbeitsschritte ausführen muß. Außerdem wird aufgrund diverser Mechanismen, die für diese aufwendige Methode notwendig sind, viel Lärm verursacht (insbesondere durch die routierende Trommel mit den Tonerkartuschen). Die Geschwindigkeit eines SW-Druckes solcher Druckermodelle gleicht meistens der Geschwindigkeit guter Netzwerkdrucker; die Selbstkosten des SW-Druckes sind praktisch identisch mit den Selbstkosten handelsüblicher SW-Druckermodelle. Auch muß erwähnt werden, daß beim Kauf der Verbrauchsmaterialien (Photoleiter, Transportband) im Regelfall die Ressourcen für einen SW-Druck angegeben sind. Für einen farbigen Ausdruck müssen diese Angaben durch vier geteilt werden.

Beim Nacheinanderdrucken (auch in OKI-Druckern im Einsatz) gibt es vier Ausdrucksmechanismen, die in einer Reihe angebracht sind und in einem Arbeitsdurchgang alle vier Farben auf das Papier bringen. Das Papier wird auf einem Transportband weitergeschoben und gelangt so nacheinander unter alle vier Farbtonertrommeln. Infolgedessen entsteht ein vollfarbiger Ausdruck in einem Durchgang. Diese Methode ermöglicht das Erreichen einer ziemlich hohen Geschwindigkeit beim Farbausdruck, die ungefähr das drei- bis vierfache der Geschwindigkeit der übereinander druckenden Modelle beträgt. Die Geschwindigkeit des SW-Druckes ist auch ziemlich hoch. Bei einem SW-Ausdruck werden die Cyan-, Yellow- und Magentatrommeln angehoben und beteiligen sich damit nicht am Herstellungsprozeß, sodass ihre Ressourcen bei einem SW-Druck nicht verbraucht werden. Die Schwarz-Trommel hat damit auch die Möglichkeit der schnelleren Drehung, da die zusätzlichen Energieabzweiger in Form der drei nicht benötigten Trommeln fehlen.

Dank des direkten Weges, den das Papier zurücklegen muß, wird auch die Möglichkeit geboten, einen Träger höherer Dichte zu verwenden. Zusätzlich können auch Materialien genommen werden, die die normale Länge des Papiers überschreiten – so ist zum Beispiel ein Banner mit einer Länge von 1, 2 Meter möglich!

Das Nacheinanderdrucken wurde zum ersten Mal von der Firma OKI realisiert (im Modell OKIPAGE 8c von 1998) und ist durchführbar dank des kompakten LED-Lineals, welches anstatt der sperrigen Laser-Vorrichtungen verwendet wurde. Die Nacheinanderdrucktechnologie wird heutzutage zum Erreichen einer höheren Geschwindigkeit des Farbdruckes in Druckern verschiedenster Hersteller verwendet (wobei nicht jedem deutlich ist, dass die Geschwindigkeit ein wichtiger Faktor für Farblaserdrucker ist).

Die Realisierung des Prinzips unterscheidet sich jedoch ab und an. Rechts ist ein Beispiel aufgeführt, wie die Druckvorrichtung in den Druckern von Konica-Minolta und Xerox funktioniert. Beim Drucken wird eine Trommel verwendet, in der sich drei Walzen befinden. Zwei von ihnen formieren je eine zweifarbige Zwischenabbildung, die mithilfe der dritten Walze zu einem vierfarbigen Bild zusammengelegt, auf das Papier übertragen und in der Heizungseinheit fixiert werden. Zum Belichten der Photowalzen verwendet man ein geistreiches Aufteilungssystem der Laserstrahlen, das bei jedem Hersteller einen eigenen Namen trägt.

Der deutlichste Nachteil bei dieser Funktionsweise ist die fehlende Möglichkeit, bei einem SW-Druck die Ressourcen der Farbtonerwalzen zu sparen: alle drei Walzen sind immer in Bewegung und in Kontakt zueinander, unabhängig davon, ob das nun ein SW-Druck oder ein farbiger Ausdruck ist.

Andererseits sind diese Druckermodelle ziemlich kompakt und bieten einen bequemen Zugang zu den Verbrauchsressourcen. Auch gibt es nur eine Walze, die direkt am Druck beteiligt ist, statt vier wie weiter oben beschrieben.

Es gibt folgende Verbrauchsmaterialien in Farbdruckern:

Vier Toner (in den Farben Yellow, Magenta, Cyan und Schwarz), die einzeln in den Drucker eingebaut werden; der oder die Photoleiter (beim Nacheinanderdrucken); das Trägerband für den Übereinanderdruck und das Transportband für den Nacheinanderdruck; die Heizungseinheit.

Oft erwähnen die Hersteller nicht, daß die Heizungseinheit zu den Verbrauchsmaterialien zählt. Jedoch ist ihre Ressource deutlich kleiner als die Ressource des Druckers, somit muß der Verbraucher auch die Heizungseinheit früher oder später austauschen. Es ist sicherlich von Vorteil, wenn die Heizungseinheit leicht heraus- und wieder eingebaut werden kann und der Verbraucher so die Hilfe eines Technikers nicht benötigen wird.

Im Gegensatz zu SW-Druckern kann es in den Farblaserdruckern keine Möglichkeit des Rezirkulationssystems geben, da während des Druckprozesses der Toner auf die eine oder andere Weise mit einem anderen Toner zusammengemischt wird. Wenn der auf diese Weise verschmutzte Toner in das Rezirkulationssystem geschickt wird, wird sich seine Farbe von dem des sauberen Toners unterscheiden und macht somit einen normalen Ausdruck unmöglich. Deshalb wird der nicht verbrauchte Toner in Farbdruckern immer in den Resttonerbehälter transportiert und anschließend entsorgt. Der Resttonerbehälter ist entweder ein separater Behälter, der gefüllt und ausgetauscht oder einfach nur ausgeleert wird (was in den meisten Fällen gemacht wird), oder er befindet sich als ein isolierter Teil im Inneren der Tonerkartusche.

Dieser Artikel wurde veröffentlicht am 03.10.2012.
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