Farblaserdrucker

Laserdrucker für Heimanwendungen

Fuji Xerox colour laser printer C1110B

Der Laserdrucker ist ein Drucker zur Produktion von Ausdrucken auf Papier oder Folien im Laserbelichtungs- und Tonerpartikel-Druckverfahren. Laserdrucker gehören im Gegensatz zu Nadel- oder Tintenstrahldruckern zu den sogenannten Seitendruckern. Die Belichtung und der Druck erfolgen in einem Durchlauf. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden auch LED-Drucker meist als Laserdrucker bezeichnet, insbesondere weil das Funktionsprinzip sehr ähnlich ist. Im Großformat-Bereich wird ebenfalls oft vom Laserplotter gesprochen, obwohl es sich bei allen derzeit verbreiteten Geräten tatsächlich um LED-Plotter handelt.

Druckprinzip

Tonerkassette eines Schwarzweiß-Laserdruckers

Arbeitsweise eines Laserdruckers

Dem Laserdrucker liegt das Prinzip der Elektrofotografie (Xerox-Verfahren) zugrunde. Herzstück ist eine mit einem Photoleiter beschichtete Bildtrommel oder Endlosband.

Konditionierung des Photoleiters

Die Beschichtung wird zunächst elektrostatisch negativ aufgeladen; entweder mittels einer Ladekorona (ein dünner, nahe der Trommel angebrachter Draht, der unter hohe Spannung gesetzt wird) oder mittels Ladungswalzen. Letzteres hat gegenüber der Ladekorona den Vorteil, dass kaum noch Ozon produziert wird, weil keine hochspannungsführenden Teile in Kontakt mit der Umgebungsluft stehen.

Belichtung

Die Ladung auf dem Photoleiter wird nun an den Stellen gelöscht, an denen später der Toner auf die Trommel aufgetragen werden soll: an den belichteten Stellen wird er leitend und verliert dadurch seine Ladung. Zur Belichtung wird ein Laserstrahl über einen rotierenden Spiegel (Laserscanner) zeilenweise auf die Trommel gelenkt und dabei rasterartig an- bzw. ausgeschaltet.

Grauabstufungen werden bei einfachen Laserdruckern durch Halbtonrasterung erreicht. Entsprechend wird mit weiteren Farben bei einfachen Farblaserdruckern verfahren. Höherwertige Laserdrucker realisieren im Vollfarbsystem höhere Auflösungen. Bei ihnen wird die Ladung auf der Trommel nicht in einem Schritt auf Null reduziert, sondern kann in Stufen (bis zu 256) abgeschwächt werden. Erreicht wird die Abschwächung entweder durch unterschiedliche Verweildauer des Lasers an einer Stelle oder durch Mehrfachüberstreichen der entsprechenden Stelle.

Entwicklung

Der Photoleiter dreht sich weiter und wird in der Entwicklereinheit in unmittelbare Nähe des elektrostatisch gegensätzlich zum Photoleiter aufgeladenen Toners gebracht. Aufgrund der gegensätzlichen Ladung springt der Toner auf die Trommel über und haftet dort an.

Toner-Transfer

Der Photoleiter bewegt sich weiter und bringt den Toner in Kontakt entweder direkt mit dem zu bedruckenden Medium (Papier) oder zunächst mit einer Transferwalze oder einem Transferband.

Beim Mehrfarbdruck werden bei älteren Laserdruckern nacheinander alle Tonerfarben auf das Transfermedium aufgebracht. Um registerhaltig zu bleiben, also die einzelnen Farbauszüge nicht gegeneinander zu versetzen, muss hier besonders präzise positioniert werden. Die Übertragung auf das Papier erfolgt anschließend in einem Schritt für alle vier Farben. Alternativ zum Transfermedium werden auch elektrostatisch vorgeladene Papiertransportbänder (Electrostatic Transport Belt) verwendet, auf denen das Papier wie festgeklebt positioniert werden kann. Bei neueren Geräten besteht der Farb-Laserdrucker aus vier einzelnen Druckwerken (für jede Farbe ein Werk), und das Papier durchläuft alle vier Druckwerke nacheinander. Hier ist eine noch genauere Positionierung des Papiers notwendig. Dieses Druckverfahren bietet aber den Vorteil, dass kontinuierlich gearbeitet werden kann. Während bei alten Geräten mit Transfer-Band das Band immer nur mit einer Farbe beschickt werden konnte (die vier Tonerkartuschen befinden sich in einer Revolver-Trommel und werden nacheinander zum Einsatz gebracht, so dass das Transfer-Band vier Umläufe benötigt, um eine Seite zu vervollständigen), können neuere Geräte mit vier getrennten Druckwerken bereits im ersten Druckwerk die Folgeseite drucken, während das letzte Druckwerk noch damit beschäftigt ist, die vorhergehende Seite zu drucken. Dadurch erreichen sie im Farbdruck die gleiche Seitenleistung (Druckseiten / Minute), wie im Monochrom-Druck. Bei den alten Geräten mit Transfer-Band verringert sich beim Farbdruck die Seitenleistung auf 25 % im Vergleich zum Monochrom-Druck.

Der Toner wird dazu gebracht, auf das Papier überzuspringen, indem auf der Rückseite des Papiers mittels einer Transferrolle eine starke elektrische Ladung angelegt wird, die der Ladung des Toners entgegengesetzt ist.

Fixierung

Das Papier bewegt sich weiter zur Fixiereinheit; diese besteht im wesentlichen aus zwei Walzen, die eine besondere Beschichtung tragen (z. B. Teflon oder Silikongummi). Mindestens eine der Walzen ist hohl und hat einen Heizstab im Inneren, der die Walze auf rund 180 °C (± 10 °C, je nach verwendetem Medium) aufheizt. Beim Durchlaufen des Blattes schmilzt der Toner und verklebt mit dem Papier. Dafür, dass möglichst wenig Toner an den Heizwalzen haften bleibt, sorgt einerseits die Beschichtung, andererseits wiederum eine entsprechende, leichte elektrostatische Aufladung der Walzen, die den Toner abstoßen (obere Walze) bzw. anziehen (untere Walze, jenseits des Papiers). Der dennoch auf den Heizwalzen verbleibende Toner wird bei höherwertigen Geräten durch Reinigungswalzen oder ein Reinigungsvlies entfernt. Teilweise kommt eine Nassfixierung zum Einsatz, bei der die Heizung über austauschbare Kartuschen mit Silikonöl versorgt wird, welches die ebenfalls vom Benutzer zu tauschenden Reinigungswalzen benetzt. Je nach konstruktivem Aufwand der Fixiereinheiten liegen die Standzeiten im Bereich zwischen 40.000 und 400.000 Druckseiten.

Daneben gibt es aufwendigere Fixierverfahren, die bei einer wesentlich niedrigeren Fixiertemperatur arbeiten (nur ca. 70 °C), dafür aber einen wesentlich höherern Druck aufbauen. Das Verfahren ist konstruktiv wesentlich aufwendiger und daher so teuer, dass es für Heimanwender-Drucker nicht geeignet ist. Es hat aber den Vorteil, dass auch wärmeempfindlichere Medien bedruckt werden können. Ferner ist bei niedrigeren Temperaturen die Gefahr wesentlich geringer, dass aus den Kunststoffharzen des Toners oder dem Papier selbst schädliche Emissionen austreten.

Vollentladung

Bei der weiteren Drehung der Trommel wird der verbleibende Resttoner von der Trommel abgestreift. Bei aufwändigeren Konstruktionen wird dieser in einem Resttonerbehälter gesammelt. Dazu wird die Trommel zuerst durch Vollbelichtung entladen. Bei kleineren Geräten mit integrierten Toner-Trommel-Kartuschen wird seit den 1990ern der Resttoner zurück in die Developerstation gestreift. Die Grenze zwischen Kleingeräten ohne Resttonerauffangbehälter und Hochvolumendrucker mit Resttonerentsorgung wird sowohl durch die allgemein steigenden Druckleistungen als auch durch die technische Entwicklung hinausgeschoben.

Softwaretreiber

Das Druckwerk eines Laserdruckers benötigt spezielle Rasterdaten. Diese werden durch den Raster Image Processor (RIP) erzeugt. Hierzu gibt es drei Ansätze:

• Vor allem preisgünstige Drucker nutzen das Betriebssystem des ansteuernden Computers für die Erzeugung des Rasterbildes. Solche Geräte werden als GDI-Drucker bezeichnet und sind aufgrund des fehlenden Bild-Prozessors erheblich günstiger als Geräte mit eingebautem RIP. Der Nachteil der GDI-Methode besteht darin, dass die Drucker nur mit einem speziellen Gerätetreiber funktionieren, welcher vom Druckerhersteller geliefert wird. Viele dieser Drucker funktionieren daher nur mit populären oder älteren Betriebssystemen, weil der Hersteller für Nischenlösungen keine Treiber bereitstellt oder den Support für das Produkt einstellt. Aus diesem Grund sollte man bei hochwertigen Druckern darauf achten, dass sie PCL oder Post-Script beherrschen. Bei diesen Geräten, die heutzutage bereits im untersten Preissegment verfügbar sind, ist es äußerst wahrscheinlich, dass bei einem Betriebssystemwechsel auch unter dem neuen Betriebssystem Treiber zur Verfügung stehen. Bei GDI-Druckern ist das nicht häufig der Fall, so dass man unter Umständen gezwungen ist, einen voll funktionsfähigen Drucker wegen mangelnder Treiberunterstützung auszumustern.

• Bei Geräten der Mittelklasse erfolgt das „Rippen“ im Drucker selbst – an ihn werden also keine Rasterdaten, sondern Dokumente in Seitenbeschreibungssprachen wie PCL oder Postscript geschickt. Die Aufbereitung übernimmt der Drucker selbst.

• Bei vielen Großgeräten wird ein eigenständiger und vom Drucker getrennter RIP-Server verwendet. Er ist mit einer Hochgeschwindigkeitsverbindung direkt an die Belichtereinheit angeschlossen und verfügt über entsprechend viel Speicher. Das RIP einer einzigen DIN-A3-Seite bei CMYK benötigt rund 125 MB Speicher.

Qualität, Vor- und Nachteile gegenüber anderen Drucksystemen

Textausdruck: Links Tintenstrahldrucker, rechts Laserdrucker

Der Leistungsumfang bei Laserdruckern reicht bei geschnittenem Papier von 4 bis zu etwa 200 Seiten pro Minute und bei Endlospapier bis etwa 1000 Seiten pro Minute.

Laserdrucker sind in der Qualität bei reinem Textausdruck (bei Farblaserdruckern auch farbigem Text) sowie bei Geschäftsgrafiken unerreicht. Lediglich einige Tintenstrahldrucker erreichen eine ähnliche Kantenschärfe und auf Spezialpapier eine vergleichbare Schwärzentiefe. Die wesentlichen Vorteile sind die Unempfindlichkeit gegenüber verschiedenen Papiersorten, und es gibt prinzipbedingt ein geringeres Ausbluten feiner Konturen, wie dies bei Tintenstrahldruckern oftmals zu beobachten ist. Auch sind die Ausdrucke beständiger gegen Sonneneinstrahlung, was mit Tintenstrahldruckern nur bei Verwendung von Spezialtinte erreicht werden kann. Die Laser-Druckkosten sind erheblich niedriger, und die Lebenserwartung der Geräte ist höher als bei Tintenstrahldruckern. Einige Laserdrucker sind in der Lage, die Rasterauflösung zu verändern (z. B. von 300 dpi zu 400 dpi) und sind damit in der Lage, Druckdatenströme, die für unterschiedliche Druckauflösungen optimiert wurden, ohne Qualitätseinbußen zu drucken.

Weitere Vorteile des Laserdruckers sind:

• Resistenz der Ausdrucke: Die Druckerfarbe ist nicht nur resistent gegen UV-Bestrahlung, wie bereits oben erwähnt, sie hält auch der Feuchtigkeit sehr gut stand. Wer viel für unterwegs und den Außeneinsatz druckt, sollte dafür einen Laserdrucker verwenden.
• Wartungsarmut: Ein Laserdrucker kann längere Standzeiten überbrücken ohne dass eine Wartung nötig wäre (zum Vergleich: bei einem Tintenstrahldrucker vertrocknen die Düsen, bei Nadeldruckern vertrocknen die Farbbänder), wobei jedoch auch ein Toner nicht unbegrenzt lagerfähig ist, da er bei zunehmender Feinkörnigkeit Luftfeuchtigkeit anzieht und somit auch im Stand altert.

Wegen der hohen Qualität des Druckergebnisses von Farblaserdruckern wurde schon früh an Maßnahmen zur Vermeidung und Verfolgung von Dokumentenfälschungen gedacht. So bringen viele aktuelle Geräte ein unsichtbares Wasserzeichen, den Machine Identification Code, auf jedem Ausdruck an, um eine Rückverfolgung von Ausdrucken auf einen bestimmten Laserdrucker zu ermöglichen.

Nachteile sind bei der Druckqualität in Bezug auf Fotos zu beobachten. Handelsübliche Laserdrucker sind in den Bereichen Farbraum und Kontrastabstufungen einem guten Tintenstrahldrucker auf Spezialpapier unterlegen. Meistens fehlt den Bildern die Tiefenwirkung und die Farbechtheit, des Weiteren ist bei günstigen Geräten eventuell eine leichte Rasterung sichtbar. Zwar sind die Ergebnisse eines Laserdruckers wischfest, jedoch nicht unbedingt gegen Abblättern (z. B. an Knickstellen) resistent. Das gilt insbesondere für Vollfarbsysteme, bei denen der oftmals plastische Farbauftrag ebenfalls als Nachteil gewertet werden kann. Prinzipiell sind heutige Laserdrucker noch nicht die erste Wahl für das Ausdrucken von Fotos.

Die thermische Belastung der Druckmedien in der Fixierung erfordert bei Sonderdruckmedien (z. B. Folien, Selbstklebe-Etiketten, Sichtfenster-Briefumschläge) Hitzefestigkeit bis 200 °C.

Der prinzipbedingt nicht völlig geradlinige Papierweg und der Tonertransfer durch elektrostatische Umladung erschwert die Verarbeitung von hohen Papierstärken, weshalb mindestens die Verarbeitungsgeschwindigkeit stark reduziert werden muss. Eine Verarbeitung von elektrisch (teilweise) leitfähigen Medien (z. B. ESD-Karton) oder völlig starren Vorlagen (z. B. CD-Rohlinge) ist daher nicht möglich.

Neben dem Fotoausdruck sind Laserdrucker ebenfalls ungeeignet für Referenzausdrucke (Proof), da die Farbqualität aufgrund von Temperatur- und Feuchtigkeitsveränderungen nicht konstant bleibt. Außerdem arbeiten Laserdrucker oft mit nichtlinearen Intensitätskurven, so dass dunkle Farbtöne zulaufen und Helle überstrahlt werden.

Geschichte

In diesem Artikel oder Abschnitt fehlen folgende wichtige Informationen: Über die Geschichte der Schwarz-Weiß-Laserdrucker, bis hin zum Masseneinsatz, den erstmaligen Einsatz von Falblaserdruckern, und auch hier bis hin zur Massentauglichkeit und dem Quasi-Ersatz von SW-Laserdruckern kann man mehr schreiben. Überhaupt liest sich der ganze Artikel so, als wären Laserdrucker schon immer bunt gewesen.... Du kannst Wikipedia helfen, indem du sie recherchierst und einfügst.

Laserdrucker wurden erstmals 1969 von Gary Starkweather bei Xerox PARC konstruiert^[1]. Den Grundstein für die Entwicklung des Laserdruckers legte Chester Carlson mit der Erfindung des elektrofotografischen Prozesses 1938.

Das Hauptproblem bei der Entwicklung von Laserdruckern war es, den Laserstrahl zu modulieren. Zur Zeit der ersten Laserdrucker gab es nur Gaslaser, die nicht in der benötigten Geschwindigkeit ein- und ausgeschaltet werden konnten. Spezielle Optiken, die mechanisch verschoben wurden, oder Piezo-Kristalle, die mittels angelegter Spannung das Licht abgelenkt haben, waren die einzige Möglichkeit, diese Aufgabe zu erfüllen.

Bei später üblichen Diodenlasern konnte dagegen der Lichtstrom sehr schnell moduliert werden.

Gesundheitsgefährdung

Schon seit langem stehen Laserdrucker (ebenso wie Kopierer) im Verdacht, die Gesundheit zu gefährden. Verschiedene Studien konnten das jedoch bisher nicht konkret klären. Das Bundesinstitut für Risikobewertung betreibt derzeit eine Pilotstudie dazu, von der erste Ergebnisse vorliegen und empfiehlt Geräte zu verwenden, die den Standard des Umweltzeichens Blauer Engel einhalten.

Tonerpartikel

Laserdrucker arbeiten wie Kopierer mit sogenannten Trockentonern, die als schwarzes Farbpigment Ruß und bei nicht RoHS-konformen Sorten auch Schwermetalle wie Blei und Cadmium enthalten, mitunter also gesundheitsschädlich sein können.^[2] Tritt Toner aus, etwa bei unsachgemäßer Handhabung oder Schäden am Gerät, so können die enthaltenen Stoffe auf die Schleimhäute, insbesondere die der Atemwege, oder auf die Haut wirken. Laserdrucker sind prinzipiell nie ganz „sauber“: Ein Teil des Toners wird durch das Ventilationssystem, das zur Kühlung der internen Komponenten unerlässlich ist, aus dem Drucker geschleudert. Es handelt sich um mikroskopische Teilchen. In normalen Dosen ist dies für den Menschen nach aktuellem Wissensstand unbedenklich. Servicetechniker und Beschäftigte im Bereich Refill und Recycling sind den Schadstoffen naturgemäß in erhöhtem Maße ausgesetzt. Es wird empfohlen, Schutzvorrichtungen in Form von Einweghandschuhen und Atemschutz einzusetzen.

Ozon

Weiterhin wird bei einigen Laserdruckern technisch bedingt Ozon freigesetzt. Das Aufbringen elektrischer Ladungen auf die Bildtrommel erfolgt mit hohen bis sehr hohen elektrischen Feldstärken durch auf Hochspannung gelegte feine Platindrähte, die sogenannten Koronadrähte, oder spitz zulaufende Metallkämme. Im Bereich hoher Feldstärken wird die Umgebungsluft ionisiert, wobei dann der Luftsauerstoff O₂ aufgespalten und Ozon (O₃) freigesetzt wird. Geräte mit hohem Ozonausstoß sollten daher in gut belüfteten Räumen stehen. Auswechselbare Ozonfilter verfügen bei sinnvoll praktizierbaren Wechselintervallen von mehreren Monaten über keinen nennenswerten Luftreinigungseffekt.

Bei Geräten mit niedrigen Druckgeschwindigkeiten werden seit Mitte der 1990er die Ladungen anstatt mit Koronadrähten mit Hilfe von gezackten Metallstreifen oder Kontaktrollern übertragen. Die benötigten Spannungen können soweit gesenkt werden, dass keine nennenswerte Luftionisation und damit auch keine deklarierungspflichtigen Ozonemissionen auftreten. Diese Geräte werden von den Herstellern als „ozonfrei“ angepriesen.

Literatur

• Rainer Hoffmann: Modeling and Simulation of an Electrostatic Image Transfer (Dissertation) (engl.)

Einzelnachweise

1. ↑ Edwin D. Reilly: Milestones in Computer Science and Information Technology. Greenwood Press 2003, ISBN 1573565210
2. ↑ http://de.news.yahoo.com/12/20081022/ttc-tonerstaub-ist-krebserregend-a8a9a5f.html

Siehe auch

• unsichtbare Markierungen auf Farblaserausdrucken
• Magnetografisches Drucken

Weblinks

• Datenspur Papier
• Wie funktioniert ein Laserdrucker?
• Risikostudien des Bundesinstituts für Risikobewertung und Gefährliche Drucker: Neue Studien warnen vor Gesundheitsrisiko, Bericht des Wirtschaftsmagazins Markt des NDR