Laserdrucker

Laserdrucker für Heimanwendungen

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 Seitendruckern. Belichtung und Druck erfolgen in einem Durchlauf. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden auch LED-Drucker meist als Laserdrucker bezeichnet, 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.

Geschichte

Der Physiker Chester F. Carlson (1906-1968) meldete im Jahre 1937 die Elektrofotographie zum Patent an. Diese Erfindung war ein Grundstein des heutigen Laserdruckers unter Ausnutzung positiver und negativer elektrischer Ladung. Carlson war zu jener Zeit in der Patentabteilung einer Elektrofirma tätig und fertigte manuell Kopien von Patentanmeldungen. Es gab bis dato noch kein maschinelles Vervielfältigungs-Verfahren. Der Tüftler und Bastler machte sich ans Werk und schaffte es am 22. Oktober 1938 mit Hilfe des Physikers Otto Kornei die erste Fotokopie mit Bärlappsamen auf einer Glasplatte anzufertigen. Der heutige Laserdrucker basiert auf demselben Prinzip.

Carlson hatte anfangs Schwierigkeiten seine Erfindung zu vermarkten. Unternehmen wie IBM oder General Electric zeigten sich skeptisch und desinteressiert. Im Jahre 1944 konnte er seine Idee jedoch am Batelle Memorial Institute in Ohio verkaufen. Ihm wurden 3000 US-Dollar zur Verfügung gestellt, um seine Idee in die Tat umzusetzen. 1950 kam schließlich der erste Trockenkopierer von der Firma Haloid auf den Markt (Modell A). Als das Geschäft zu laufen begann, änderte man aus marketingstrategischen Gründen den Produkt- und Firmennamen. So wurde aus der Elektrofotographie die Xerographie. Der Firmenname wurde in Haloid Xerox Inc. umgeändert, ab 1961 hieß sie nur noch Xerox.

1953 produzierte Bob Gundlach, der Erfinder des ersten Xerox-Kopierers, die ersten Vollfarbdrucke in seinem Labor. 1959 meldete Xerox das erste Farbpatent an. Mit dem Modell Xerox 914 waren bereits 6 Kopien pro Minute möglich. Man konnte dieses Gerät nicht kaufen, sondern nur mieten. So konnte sich das Unternehmen Xerox Corp. über einen langen Zeitraum eine gute Einnahmequelle sichern.

Im Jahre 1970 eröffnete Xerox das Palo Alto Research Center (PARC). Der dort angestellte Ingenieur Gary Starkweather entwickelte das erste Laserdruckgerät. Ihm gelang es, Laserstrahlen zu modulieren und so ein Druckbild herzustellen. Der erste Laserdrucker arbeitete nach der ROS-Technik (raster output scanner) und konnte 500 Punkte pro inch (dpi) drucken. Durch die Zusammenarbeit hervorragender Techniker gelang 1973 die Herstellung eines kleinen PCs (Xerox Alto), der mit einer Maus, einer grafischen Oberfläche und dem ersten kommerziell verwendbaren Laserdrucker (EARS, Ethernet-Alto research character generator scanning laser output terminal) ausgestattet war. Mit EARS war es möglich, in einer Auflösung von 384 dpi zu drucken. Im selben Jahr führte Xerox den Farbkopierer Xerox 6500 ein.

In den 1960er und 1970er Jahren erledigten Nadel- und Typenraddrucker den Großteil der Druckaufträge. Ein hochwertiger Laserdrucker kostete zwischen 100.000 und 350.000 US-Dollar. Von 1975–1985 wurde bei Xerox Pasadena die Farblaser-Xerographie entwickelt. Bei dieser Technologie wurden RGB-Bilder mittels elektronischer Farbkorrektur mit CMYK-Toner wiedergegeben. Durch den xenographischen Farbhalbtondruck konnten stabile Farben erzielt werden. Im Mai 1984 kam der erste HP LaserJet auf den Markt. Er kostete „nur“ noch 3495 US-Dollar und erfüllte sämtliche gestellte Anforderungen, in Bezug auf die Geschwindigkeit, Flexibilität und Druckqualität.

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 ablenkten, waren die einzige Möglichkeit, diese Aufgabe zu erfüllen. Bei den später üblichen Diodenlasern konnte dagegen der Lichtstrom sehr schnell moduliert werden.

Druckprinzip

Tonerkassette eines Schwarzweiß-Laserdruckers

Arbeitsweise eines Laserdruckers

Eindimensionaler Laserscanner aus einem Laserdrucker:
(1) Laserdiode, (2) Kollimator- und Fokussierlinsen, (3) Glaskörper zur Linearitätskorrektur, (4) Polygonspiegel mit Motor, (5) Motortreiber / -steuer-IC

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 der Bildtrommel wird zunächst elektrostatisch negativ aufgeladen; entweder mittels einer Ladekorona (ein dünner, nahe der Trommel angebrachter Draht, der unter hohe Spannung gesetzt wird und eine Koronaentladung erzeugt) oder mittels Ladungswalzen. Letzteres hat gegenüber der Ladekorona den Vorteil, dass kaum noch Ozon produziert wird, weil die hochspannungsführende Walze direkt in Kontakt mit der Bildtrommel steht und daher keine Ionisierung der Umgebungsluft stattfindet.

Belichtung

Die Ladung auf dem Photoleiter wird nun durch Belichtung an den Stellen gelöscht, an denen später 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- und 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 sie kann in Stufen (bis zu 256) abgeschwächt werden. Erreicht wird die Abschwächung entweder durch unterschiedliche Verweildauer des Lasers an einer Stelle oder durch Mehrfachbelichten der entsprechenden Stelle.

Entwicklung

Der Photoleiter dreht sich weiter und wird in der Entwicklereinheit in unmittelbare Nähe des Toners gebracht. Der Toner ist durch den Kunstharzanteil negativ geladen und haftet nur an den (neutralisierten) Stellen der Bildtrommel, an denen der Laserstrahl aufgetroffen ist.

Tonertransfer

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 beschichtet 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 je Minute) wie im Monochrom-Druck. Bei 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 und diese besteht im Wesentlichen aus zwei Walzen, die eine besondere Beschichtung tragen (meist 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 aufwändigere Fixierverfahren, die bei einer niedrigeren Fixiertemperatur arbeiten (nur ca. 70 °C), dafür aber einen höheren Druck aufbauen. Das Verfahren ist konstruktiv aufwändiger und so teuer, dass es für Heimanwender-Drucker nicht geeignet ist. Es hat aber den Vorteil, dass wärmeempfindlichere Medien bedruckt werden können. Ferner ist bei niedrigeren Temperaturen die Gefahr geringer, dass schädliche Emissionen aus den Kunststoffharzen des Toners oder dem Papier selbst austreten.

Vollentladung

Bei der weiteren Drehung der Trommel wird der verbleibende Resttoner von der Trommel mittels Abstreifern, sogenannte Wiperblades, abgestreift. Bei aufwändigeren Konstruktionen wird dieser Resttoner in einem Resttonerbehälter gesammelt, der gegen einen neuen, leeren Behälter ausgetauscht werden kann (der volle Resttonerbehälter kann über den Hersteller entsorgt werden). Bei kleineren Geräten mit integrierten Toner-Trommel-Kartuschen wird der Resttoner in eine kleine Kammer gestreift, deren Inhalt mit der verbrauchten Kartusche entsorgt wird. Die Grenze zwischen Kleingeräten ohne Resttonerauffangbehälter und Hochvolumendrucker mit Resttonerentsorgung verschiebt sich sowohl durch die allgemein steigenden Druckleistungen als auch durch die technische Entwicklung.

Softwaretreiber

Das Druckwerk eines Laserdruckers benötigt spezielle Rasterdaten. Diese werden durch den Raster Image Processor (RIP) erzeugt. Dazu 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 weiterhin 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 vier bis zu etwa 500 Seiten A4 pro Minute und bei Endlospapier bis etwa 1600 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, ferner gibt es prinzipbedingt ein geringeres Ausbluten feiner Konturen, wie es bei Tintenstrahldruckern oft 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 können dadurch Druckdatenströme, die für unterschiedliche Druckauflösungen optimiert wurden, ohne Qualitätseinbußen drucken.

Weitere Vorteile des Laserdruckers sind

• Resistenz der Ausdrucke: Die Druckerfarbe ist nicht nur – wie bereits oben erwähnt – resistent gegen UV-Bestrahlung, sie hält auch der Feuchtigkeit sehr gut stand. Wer viel für unterwegs und den Außeneinsatz druckt, sollte einen Laserdrucker verwenden.
• Wartungsarmut: Ein Laserdrucker kann längere Standzeiten überbrücken, ohne dass eine Wartung nötig wäre (zum Vergleich: bei Tintenstrahldruckern trocknen die Düsen, bei Nadeldruckern die Farbbänder aus), wobei jedoch auch 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 für das Ausdrucken von Fotos (noch) nicht die erste Wahl.

Der Druckvorgang kann bei einem Laserdrucker nicht unterbrochen werden. Eine Seite muss vollständig in einem Durchgang gedruckt werden, da das Anhalten des Papiertransports unter anderem das Papier in der Fixiereinheit anbrennen würde. Daher muss die ganze Seite für den Druck bereits im Speicher des Druckers Platz finden, womit es einen direkten Zusammenhang zwischen dem im Drucker verbauten RAM und der maximalen Druckauflösung dpi gibt. Moderne Raster Image Processoren können zwar Text noch zur Druckzeit rastern, bei bereits als Bitmap vorhandenen Bildern gibt aber auch bei modernen Druckern die Speichergröße die maximale Auflösung für Vollseiten-Bildausdrucke vor. Im Gegensatz dazu kommen Tintenstrahldrucker mit deutlich weniger eingebautem Speicher aus, da sie problemlos nach jeder gedruckten Zeile auf die Daten für die nächste Zeile warten können. Da der erforderliche Arbeitsspeicher lange Zeit verhältnismäßig teuer war, schlug sich dies auf die Kosten nieder.

Die thermische Belastung der Druckmedien in der Fixierung erfordert bei Sonderdruckmedien (wie bei Folien, Selbstklebeetiketten, 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 (wie ESD-Karton) oder völlig starren Vorlagen (wie für 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.

Gesundheitsgefährdung

Schon seit langem stehen Laserdrucker (ebenso wie Kopierer) im Verdacht, die Gesundheit zu gefährden.^[1] Verschiedene Studien konnten das jedoch bisher nicht konkret klären. Das Bundesinstitut für Risikobewertung führte eine Pilotstudie durch. Nach ersten Ergebnissen wurde empfohlen, Geräte zu verwenden, die den Standard des Umweltzeichens Blauer Engel einhalten.^[2]

Tonerpartikel

Laserdrucker arbeiten wie Fotokopierer 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.

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. 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 unter Hochspannung gesetzte feine Platindrähte, die sogenannten Koronadrähte, oder spitz zulaufende Metallkämme. Im Bereich hoher Feldstärken wird die Umgebungsluft ionisiert, wobei der Luftsauerstoff O₂ aufgespalten und in Ozon (O₃) umgewandelt 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“ deklariert.

Siehe auch

• Magnetografisches Drucken

Literatur

• Rainer Hoffmann: Modeling and Simulation of an Electrostatic Image Transfer (Dissertation) (engl.)
• Edwin D. Reilly: Milestones in Computer Science and Information Technology. Greenwood Press 2003, ISBN 1-57356-521-0 (engl.)

Weblinks

 Commons: Laser printers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Unterschied zwischen Tonerkartusche und Trommeleinheit
• Datenspur Papier
• Hirtner, Michael: Laserdrucker -  Funktion, Bestandteile und Wartung. drucker-infos.de, abgerufen am 13. August 2010. 
• Wie funktioniert ein Laserdrucker?

Einzelnachweise

1. ↑ Gefahr im Büro - Bericht des ZDF-Magazins Frontal 21
2. ↑ Abschlussbericht vom 8. Januar 2008 der Pilotstudie im Auftrag des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR): Evaluierung möglicher Beziehungen zwischen Emissionen aus Büromaschinen, insbesondere aus Fotokopierern und Laserdruckern, und Gesundheitsbeeinträchtigungen bzw. Gesundheitsschäden bei exponierten Büroangestellten, 317 S., 11 MB, abgerufen am 27. Februar 2010