Wie funktioniert ein Kopierer?

Dan A. Hays, Senior Fellow am Wilson Center for Research and Technology der Xerox Corporation, erklärt.

Das xerographische Verfahren, das 1938 von Chester Carlson erfunden und von der Xerox Corporation entwickelt und vermarktet wurde, wird häufig verwendet, um qualitativ hochwertige Text- und Grafikbilder auf Papier zu erzeugen. Da Xerox die ersten Normalpapierkopierer vermarktete, werden Fotokopiermaschinen anderer Unternehmen manchmal von denen, die nicht wissen, dass es sich um einen Missbrauch der Marke des Unternehmens handelt, als „Xerox-Maschinen“ bezeichnet. Darüber hinaus wird der xerographische Prozess tatsächlich verwendet, um sowohl Kopien als auch Drucke herzustellen.

Carlson nannte den Prozess ursprünglich Elektrophotographie. Es basiert auf zwei natürlichen Phänomenen: dass Materialien mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen anziehen und dass einige Materialien bessere elektrische Leiter werden, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Carlson erfand einen sechsstufigen Prozess, um ein Bild mit diesen Phänomenen von einer Oberfläche auf eine andere zu übertragen. Zunächst wird eine photoleitfähige Oberfläche positiv elektrisch aufgeladen. Die photoleitfähige Oberfläche wird dann mit dem Bild eines Dokuments belichtet. Da die beleuchteten Abschnitte (die Nichtbildbereiche) leitfähiger werden, zerstreut sich die Ladung in den belichteten Bereichen. Über die Oberfläche verteiltes negativ geladenes Pulver haftet durch elektrostatische Anziehung an den positiv geladenen Bildbereichen. Ein Stück Papier wird über das Pulverbild gelegt und dann positiv aufgeladen. Das negativ geladene Pulver wird vom Papier angezogen, wenn es vom Fotoleiter getrennt wird. Schließlich verschmilzt Hitze das Pulverbild mit dem Papier und erzeugt eine Kopie des Originalbildes.

Carlsons erstes Bild, produziert am 22.Oktober 1938, entstand mit negativ geladenen gelblichen Moossporen (Lycopodium) auf einer schwefelbeschichteten Zinkplatte, die durch Reiben mit einem Taschentuch positiv geladen worden war. Heutige Kopierer und Drucker haben alle Schritte automatisiert und verfeinert, Papier mit einer Geschwindigkeit von mehr als 250 Fuß pro Minute bewegt, Bilder digital erstellt und belichtet und Bilder in einem Regenbogen von Farben erzeugt.

So funktioniert der Prozess heute:

  • Ladung. In jedem Kopierer und Laserdrucker befindet sich eine lichtempfindliche Oberfläche, die als Photorezeptor bezeichnet wird. Es besteht aus einer dünnen Schicht photoleitfähigen Materials, das auf ein flexibles Band oder eine Trommel aufgebracht wird. Der Photorezeptor ist im Dunkeln isolierend, wird aber leitend, wenn er Licht ausgesetzt wird. Es wird im Dunkeln aufgeladen, indem eine hohe Gleichspannung an benachbarte Drähte angelegt wird, wodurch in der Nähe der Drähte ein intensives elektrisches Feld erzeugt wird, das die Luftmoleküle ionisieren lässt. Ionen der gleichen Polarität wie die Spannung an den Drähten lagern sich auf der Oberfläche des Photorezeptors ab und erzeugen ein elektrisches Feld darüber.
  • Aussetzen. In einem digitalen Kopierer oder Drucker wird das Bild auf dem Photorezeptor mit einem abtastmodulierten Laser oder einem Leuchtdioden-Bildbalken belichtet. In älteren analogen Kopierern wird reflektiertes Licht von einem beleuchteten Bild auf den Photorezeptor projiziert. In beiden Fällen werden die dem Licht ausgesetzten Bereiche des Photorezeptors selektiv entladen, was zu einer Verringerung des elektrischen Feldes führt. Die dunkleren Bereiche behalten ihre Ladung.
  • Entwickeln. Pigmentiertes Pulver, das zur Entwicklung des Bildes verwendet wird, wird Toner genannt. Tonerpartikel aus Farbstoff und Kunststoffharz haben präzise kontrollierte elektrostatische Eigenschaften und haben einen Durchmesser von etwa fünf bis 10 Mikrometern. Sie werden mit magnetisierten Trägerperlen gemischt und aufgeladen, die sie in die Entwicklungszone transportieren. Die Teilchen werden durch das Phänomen der Triboelektrizität (oft als statische Elektrizität bezeichnet) aufgeladen. Das dem Ladungsmuster des Bildes auf dem Photorezeptor zugeordnete elektrische Feld übt eine elektrostatische Kraft auf den geladenen Toner aus, der an dem Bild haftet. Ein Farbdokument wird von einem Drucker mit vier separaten xerografischen Einheiten erstellt, die separate Cyan-, Magenta-, Gelb- und Schwarzbilder erstellen und entwickeln. Die Überlagerung dieser Pulverbilder erzeugt vollfarbige Dokumente.
  • Übertragen. Das Pulverbild wird vom Photorezeptor auf Papier übertragen, indem das Papier mit dem Toner in Kontakt gebracht wird und dann eine Ladung mit entgegengesetzter Polarität zu der des Toners aufgebracht wird. Die Ladung muss stark genug sein, um die übermäßige Haftung am Photorezeptor zu überwinden. Eine zweite präzise gesteuerte Ladung löst das Papier, das nun das Bild enthält, vom Photorezeptor.
  • Sicherung. Beim Fixiervorgang wird der Toner, der das Bild enthält, geschmolzen und mit dem Papier verbunden. Dies wird erreicht, indem das Papier durch ein Walzenpaar geführt wird. Eine erhitzte Rolle schmilzt den Toner, der mit Hilfe des Drucks von der zweiten Rolle mit dem Papier verschmolzen wird.
  • Reinigen. Die Tonerübertragung vom Fotorezeptor auf das Papier ist nicht zu 100 Prozent effizient, und Tonerreste müssen vor dem nächsten Druckzyklus vom Fotorezeptor entfernt werden. Die meisten Mittel- und Hochgeschwindigkeitskopierer und Drucker erreichen dies mit einem rotierenden Bürstenreiniger.

Die Xerographie ist ein einzigartiges Verfahren, das auf chemisches, elektrisches, mechanisches und Software-Know-how angewiesen ist. Das schnelle und wirtschaftliche Digitaldruckverfahren erzeugt problemlos entweder einen Druck oder Hunderte identischer Drucke in Schwarzweiß oder Farbe. Noch wichtiger ist, dass die Möglichkeit der variablen Bildgebung von Seite zu Seite mit Xerographie den On-Demand-Druck kompletter Dokumente wie Broschüren und Bücher ermöglicht. Ein solches On-Demand-Drucken kann Zeit sparen, Kosten senken und Dokumentenveralterung, Überschreitungen und Lagerhaltung beseitigen.

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