طابعة الليزر

طابعة الليزر هى نوع من أشهر انواع الطابعات الحاسوبية حيت تتميز بقدرتها على طباعة النصوص والرسوم بجودة عالية وبشكل سريع نسبياً.

وتشبه طابعة الليزر آلة تصوير المستندات(Photocopier) في أن كلاهما يعتمد على إسلوب الطباعة الإلكترونى(Xerographic)، في حين أنها تختلف عن آلات التصوير التناظرية(Analog Photocopiers) في أن الصورة يتم تكوينها عن طريق قيام شعاع من الليزر بعملية مسح مباشر على سطح حساس للضوء(Photoreceptor).

نظرة عامة

طابعات الليزر لها العديد من الخصائص التى تميزها عن الطابعات الأخرى، حيث أن سرعة الطباعة تختلف بدرجة ملحوظة من نوع إلى آخر بخلاف طابعات الكتابة المباشرة على الورقة(Impact Printers). حيث تتوقف سرعة طابعة الليزر على عدة عوامل منها مثلاً كثافة الرسوم في الوثيقة محل الطباعة، وقد تستطيع طابعة الليزر السريعة طباعة أكثر من 200 صفحة أحادية اللون في الدقيقة (12000 صفحة في الساعة). أما بالنسبة لطابعة الليزر الملونة فيمكن للأنواع السريعة منها طباعة أكثر من 100 صفحة في الدقيقة (6000 صفحة في الساعة). أما الأنواع فائقة السرعة من طابعات الليزر فهى تستخدم في طباعة الوثائق الشخصية التى ترسل للجمهور، مثل فواتير الخدمات وبطاقات الإئتمان، وتتنافس الطباعة بالليزر مع الطباعة الحجرية أو الليثوجرافى(Lithography) في بعض التطبيقات التجارية.

تتوقف تكلفة الطباعة بالليزر على عدة عوامل منها تكلفة الورق و تكلفة مسحوق الطباعة(Toner) و تكلفة الإستبدال -نادر الحدوث- للإسطوانة الناقلة للصورة (Drum) وغير ذلك من الأجزاء المعرضة للتلف مثل وحدة التثبيت (Fuser Assembly) لتثبيت الصورة المطبوعة وكذلك الأجزاء الخاصة بنقل الورقة عبر الطابعة. وغالبية الطابعات التى تحتوى على إسطوانة الـ Drum المصنوعة من البلاستيك تكون ذات تكلفة مرتفعة ولكن هذه التكلفة لا تظهر إلا عند استبدال هذه الاسطوانة.

أما الطابعة التى تستخدم إسلوب الطباعة المزدوجة (Duplexing Printer) - أى الطباعة على وجهى الورقة في الوقت نفسه - فهى تساعد في تقليص تكلفة الورق وأيضاً المساحة المخصصة لحفظه في الطابعة. الطباعة المزدوجة كانت تتوفر سابقاً في الطابعات باهظة الثمن، أما الآن فهى تستخدم كطابعة مكتب من الفئة المتوسطة، وذلك رغم أنه لا يصلح تركيب وحدة الطباعة المزدوجة لكل الطابعات. وجدير بالذكر انه من عيوب الطباعة المزدوجة أنها تقلل من سرعة الطباعة حيث يصبح مسار الورقة عبر الطابعة أطول منه عند الطباعة على أحد وجهى الورقة فقط.

بالمقارنة مع طابعة الليزر فمعظم أنواع الطابعة نفاثة الحبر(InkJet Printer) و الطابعة النقطية (Dot-Matrix Printer) تقوم بإستقبال البيانات في شكل تدفق متسلسل من الحاسب الآلى إلى الطابعة حيث تتم طباعة هذه البيانات مباشرة في عملية بطيئة وغير سلسة، حيث قد يحدث أن تتوقف عملية الطباعة لتنتظر الطابعة المزيد من البيانات المراد طباعتها. أما في طابعات الليزر فلا يمكن أن تتم عملية الطباعة بهذه الطريقة إذ يجب أن تصل المعلومات إلى الطابعة بشكل سريع ومتصل، حيث لا يمكن لطابعة الليزر أن تتوقف مؤقتاً عن الطباعة دون أن تحدث فجوة ملحوظة على الورقة المطبوعة أو إنحراف في محاذاة الصورة المطبوعة مثلاً.

ولذلك يتم تجميع بيانات المادة المراد طباعتها وتخزينها في ذاكرة خاصة داخل الطابعة، إذ تكفى هذه الذاكرة لتخزين بيانات عن كل نقطة على الصفحة. ولكن عملية التخرين المسبق للبيانات هذه جعلت طابعة الليزر مقيدة بالطباعة على أحجام معينة -وصغيرة- فقط من الورق مثل حجم الخطاب (Letter) وحجم (A4)، وبذلك لا تستطيع طابعات الليزر أن تطبع لافتة إعلانية بطول 2 متر (مثلاً) دفعة واحدة، إذ لا توجد مساحة كافية في ذاكرة الطابعة لتخزين هذا الكم الهائل من البيانات لصورة بهذا الحجم.

تطورها

تم إنتاج أول طابعة ليزر بواسطة شركة زيروكس عندما قام أحد باحثيها ويدعى جارى ستاركويزر بتعديل إحدى آلات النسخ المنتجة بواسطة نفس الشركة وذلك في عام 1971م. لتصبح بعد ذلك طابعة الليزر منتج يجلب أعمالاً تساوى عدة مليارات من الدولارات لصالح شركة زيروكس.

وكان أول تطبيق تجارى لطابعة الليزر هو المنتج IBM model 3800 في عام 1976م، والذى إستخدم لطباعة المستندات بكميات كبيرة مثل الفواتير والخطابات. وقد كان يقال عنها في ذلك الوقت العبارة "taking up a whole room" في إشارة لضخامة حجمها في مراحل انتاجها الأولى، وذلك قبل أن تصبح تلك الأداة المألوفة التى يمكن إلحاقها بالحاسب الشخصى، ولا تزال كثيراً من من الطابعات من الطراز 3800 قيد الإستعمال حتى الآن.,the dog bone

تم إطلاق أول طابعة ليزر قابلة للعمل على حاسب شخصى في عام 1981م وكانت من طراز Xerox Star 8010. وعلى الرغم من كونها إبتكارية في تصميمها إلا أنها كانت باهظة الثمن (17000 دولار) وبالتاى لم تكن متاحة إلا لعدد صغير من المختبرات والمعاهد. وبعد انتشار الحواسب الشخصية ظهرت أول طابعة ليزر مطروحة في الأسواق للجمهور وكانت من طراز HP LaserJet 8ppm والتى اطلقت في العام 1984م. حيث أستخدمت محرك من طراز كانون (Canon) يدار بواسطة برنامج لـ HP. وقد أعقب هذه الطابعة عدة طابعات ليزر أخرى من شركات مثل بروزر إندستريز (Brother Industries) وآى بى إم (IBM) وغيرها.

واللافت للنظر هو الدور الذى لعبته طابعات الليزر في زيادة شعبية عمليات النشر المكتبى وذلك مع تقديم شركة آبل ماكينتوش (Apple Macintosh)للطابعة Apple LaserWriter، مع برنامج ألدوس بيج ميكر (Aldus PageMaker) في عام 1985م، فبإستخدام هذه المنتجات أصبح يمكن للمستخدم أن ينشأ وثائق كانت تحتاج قبل ذلك إلى وسائل طباعة متقدمة.

ومثل معظم الأجهزة الألكترونية أخذت تكلفة طابعات الليزر في الأنخفاض عبر السنوات. ففى عام 1995م وصل سعر الطابعة من طراز HP LaserJet إلى 2995 دولار، وكانت تزن حوالى 32.2 كيلوجرام. والطابعة من طراز Apple LaserWriter وصل سعرها إلى 7000 دولار،وكانت مزودة بمعالج أكثر قوة وبلغة البوست سكريبت (Postscript) لتوصيف الصفحات، ووصل وزنها إلى 71 باونداً(حوالى 31.75 كيلوجرام) -وقد كان من قواعد العمل في المصنع المنتج لهذه الطابعة أن لا يقوم أى عامل برفع الطابعة دون مساعدة-. أما اليوم فيمكن شراء طابعة مشابهة لها وبسرعة أعلى ومزودة بخاصية الطباعة المزدوجة بتكلفة حوالى 300 دولار، أما طابعة الليزر بالإمكانيات الأساسية فقط فقد تتكلف أقل من 100 دولار.

عملية الطباعة

تتكون عملية الطباعة في طابعة الليزر وبشكل عام من سبع مراحل أساسية:

معالجة الصورة

وتعرف هذه العملية بـ Raster Image Processing، حيث أن كل خط أفقى من النقاط الموجودة في الصفحة يسمى بخط الفحص scan line أو الـ raster line. وتتم تهيئة الصورة للطباعة عن طريق معالج الخطوط الأفقية للصورة أو الـ Raster Image Processor ويرمز له بـ RIP، والذى يكون مدمج في الطابعة في الحالات العادية. والمادة المراد طباعتها تكون مكتوبة بطريقة شفرية بإحدى اللغات الخاصة بتوصيف الصفحات لتتمكن الطابعة من التعامل معها ومن أشهر هذه اللغات الـ Adobe PostScript أو الـ PS، وأيضاً لغة أوامر الطابعة أو HP Printer Command Language أو الـ PCL كما قد تستخدم أيضاً إسلوب البيانات النصية غير المنسقة. ويقوم معالج الـ RIP بإستخدام البيانات المكتوبة بأى من هذه اللغات لتحويلها إلى خريطة نقطية (bitmap) للصفحة المراد طباعتها، ليتم نقل هذه الخريطة بعد ذلك إلى ذاكرة الطابعة المسماه بالـ Raster memory، وبعد إكتمال عملية المعالجة وانتقال البيانات إلى هذه الذاكرة، تكون الطابعة مستعدة لإرسال هذا التيار من البيانات النقطية إلى الورقة في تسلسل متواصل.

التنظيف

عندما تنتهى الطابعة من عملية الطباعة, تقوم شفرة من البلاستيك الناعم ذات شحنة كهربية محايدة بتنظيف سطح الدرام من اى تونر فائض من عملية الطباعة وتنقله إلى مستودع مخصص لذلك. ثم يقوم مصباح خاص بإزالة اى شحنات الكتروستاتيكية زائدة من على سطح الدرام.

قد يحدث ان يتبقى بعض من التونر على سطح الدرام بشكل عرضى وذلك في حالات استثنائية مثل انحشار ورقة في الطابعة اثناء عملية الطباعة حيث يكون التونر جاهز لأن يثبت على الورقة وحيث ان هذه العملية لم تتم اذا يجب ان يمسح هذا التونر من على سطح الدرام وتعاد عملية الطباعة من جديد.

والتونر المفقود لا يمكن اعادة استخدامه مرة اخرى وذلك لانه يكون قد اختلط بالاتربة والزغب الناتج عن الورق, ولكى نحصل على صورة مطبوعة بجودة عالية يجب ان نستخدم تونر نقى و نظيف. اما اعادة استخدام التونر فسوف تتسبب في صورة ذات اجزاء ملطخة او تونر غير مثبت جيداً على سطح الورقة.

الكتابة

تقوم في هذه المرحلة وحدة الليزر بتوجيه شعاع من الليزر نحو مرآة مضلعة، حيث تكون تلك المرآة قابلة للدوران بواسطة موتور خاص بها. تقوم هذه المرآة بإعادة توجيه شعاع الليزر نحو مجموعة من العدسات والمرايا الأخرى والتى تقوم بدورها بإسقاط آشعة الليزر على أماكن محددة مسبقاً على السطح الحساس للضوء لإسطوانة الدرام. ويسقط شعاع الليزر بزاوية تجعله يمر بطول السطح الافقى للاسطوانة. وتستمر الإسطوانة في الدوران خلال عملية المسح هذه, وذلك التيار من البيانات المتدفق من الذاكرة ينشط/يوقف شعاع الليزر ليشكل النقاط والفجوات المكونة للصورة على سطح الأسطوانة. (بعض الطابعات تستخدم صمامات الكترونية قاذفة للضوء Light emitting diodes للمسح بعرض الاسطوانة بدلاً من وحدة الليزر، ولكن هذه الطابعات لا تسمى طابعات ليزرية) ويستخدم الليزر لإنه يولد شعاع دقيق حتى مع المسافات الطويلة, يقوم شعاع الليزر هذا بـ"تحييد" أو "عكس شحنة" الاجزاء البيضاء من الصورة المراد طباعتها تاركاً الاجزاء غير البيضاء مشحونة بشحنتها الالكتروستاتيكية السالبة على سطح الدرام وذلك لتتمكن تلك الاجزاء المشحونة من التقاط ذرات التونر فيما بعد.

عملية التظهير

وتسمى بعملية الـ "Developing" أو "التحميض" حيث أنها شبيهة بعملية تحميض الافلام الفوتوغرافية. ويتم في هذه العملية تعريض سطح الدرام - المحتوى على الصورة في شكل شحنات الكتروستاتيكية - إلى التونر وهو الحبر المستخدم في الطابعات الليزرية, وهو عبارة عن جزيئات صغيرة جداً وناعمة من البلاستيك الجاف, مخلوطة مع الكربون الاسود او مواد ملونة, حيث تشحن هذه الجزيئات بشحنة الكتروستاتيكية مغايرة للشحنة المكونة للصورة على الدرام مما يمكن تلك الجزيئات من الانجذاب إلى سطح الدرام في الاماكن المكونة للصورة المراد طباعتها والتى قام الليزر بتحييد او قلب شحنتها على سطح الدرام, في حين ان تلك الجزيئات سوف تتنافر ولن تلتصق بسطح الدرام في الاماكن التى لم يسقط عليها شعاع الليزر وذلك لانها تحمل نفس شحنة الدرام في تلك الاجزاء.

وتتوقف كثافة الحبر في الصورة المطبوعة على قوة الشحنة الالكتروستاتيكية المعطاة لجزيئات التونر, فبمجرد قطع جزيئات التونر للمسافة الموصلة إلى سطح الدرام تعمل الشحنة الالكتروستاتيكية لهذه الجزيئات نفسها على صد و مقاومة باقى جزيئات التونر الاخرى - التى تحمل نفس شحنتها - من الانتقال إلى سطح الدرام. وبالتالى لو كان فرق الجهد "Voltage" منخفض, اذاً طبقة خفيفة من التونر ستكون كافية لمنع مزيد من التونر من الانتقال إلى سطح الدرام وبالتالى ستخرج الصورة باهتة إلى حد ما. وبالعكس اذا كان فرق الجهد مرتفعاً, فطبقة رقيقة من التونر على سطح الدرام لن تكون كافية لمنع المزيد من الوصول إلى سطح الدرام, وبذلك سيستمر تدفق التونر حتى تتكون طبقة سميكة من التونر على الدرام تكون كافية لمنع تدفق التونر إلى الدرام, وبذلك ستخرج الصورة المطبوعة بدرجة لون أغمق. مما يعنى انه كلما تم تعديل اعدادات الطابعة إلى طباعة صور اغمق كلما زاد الجهد المستخدم في عملية الطباعة. وعند الطباعة على اغمق الدرجات يكون فرق الجهد كافياً حتى لجعل التونر ينجذب إلى الاجزاء غير المكتوبة من سطح الاسطوانة مما سيعطى تلك الاجزاء ظلاً خفيفاً في كامل الصفحة.

النقل

يتم ضغط الاسطوانة الحساسة (Photoreceptor) أو تمريرها تجاه الورقة لتنتقل بذلك الصورة من سطح الاسطوانة إلى الورقة. وفى الطابعات المتقدمة تستخدم بكرة تمرير (Roller) على الوجه الاخر من الورقة لتشحن الورقة بشحنة موجبة لتجعلها أكثر قدرة على التقاط جزيئات التونر سالبة الشحنة من على سطح الدرام.

التثبيت

تمر الورقة بعد ذلك على وحدة التثبيت (Fuser Assembly) التى تتكون من بكرتين تمر خلالهما الورقة لتقع تحت ضغط عالى ودرجة حرارة تصل إلى 200 درجة مئوية, بهدف تثبيت مسحوق البلاستيك في الورقة.

إحدى البكرتين عبارة عن اسطوانة جوفاء (بكرة التسخين) والاخرى اسطوانة مطاطية لاحداث ضغط على الورقة في الاتجاه المقابل (بكرة الضغط), ويوجد مصباح مشع للحرارة معلق في مركز الاسطوانة المجوفة, تصدر منه طاقة حرارية تعمل على تسخين الاسطوانة من الداخل وبشكل متسق حيث تتوزع حرارته بالتساوى عبر الاسطوانة, وذلك لكى يتم تثبيت التونر بشكل صحيح على سطح الورقة.

تستهلك وحدة التثبيت ما يقرب من 90% من اجمالى الطاقة التى تستهلكها الطابعة بأكملها. والحرارة الناتجة من وحدة التثبيت يمكنها ان تدمر باقى اجزاء الطابعة ولذلك فغالباً ما يتم تهوية هذا الجزء من الطابعة جيداً, لإبعاد الحرارة عن داخل الطابعة. ولتزويد الطابعة بخاصية توفير الطاقة Power Saving Feature فأول ما يتم مراعاته في معظم طابعات الليزر و آلات النسخ هو إطفاء وحدة التثبيت حين تكون الطابعة غير مستخدمة, ولكن هذا الاجراء يتطلب انتظار وحدة التثبيت لتعود إلى درجة الحرارة المطلوبة كلما اردنا استئناف عملية الطباعة.

بعض الطابعات تستخدم بكرة تسخين معدنية مرنة ورقيقة جداً, وبذلك تكون كمية اقل من الحرارة كافية لأن تصل تلك البكرة الرقيقة إلى درجة الحرارة المطلوبة بل وفى وقت اسرع ايضاً, مما يسرع من عملية الطباعة بعد فترات التوقف المؤقت, ويسمح لوحدة التسخين بأن تنطفأ بشكل متكرر مما يساعد على توفير الطاقة.

اذا مرت الورقة عبر وحدة التثبيت ببطء فإن وقت أطول سيكون متاح لبكرة التسخين لصهر التونر على الورقة, بل وسيمكن تشغيل وحدة التثبيت على درجة حرارة اقل. وطابعات الليزر الصغيرة زهيدة الثمن عادة ما تكون سرعة طباعتها منخفضة نتيجة لهذا التصميم الموفر للطاقة. بالمقارنة بالطابعات ذات سرعة الطباعة المرتفعة حيث تمر الورقة بسرعة كبيرة خلال وحدة تثبيت ذات درجة حرارة مرتفعة كافية لتثبيت التونر في ذلك الوقت القصير لمرور الورقة.

الشحن الالكتروستاتيكى

يقوم سلك الشحن الرئيسى Corona wire (فى الطابعات القديمة) أو بكرة الشحن الرئيسية Primary charge roller، بتسليط شحنة الكتروستاتيكية على السطح الحساس للدرام Photoreceptor (أو الوحدة الناقلة للصورة Photoconductor) وهى عبارة عن اسطوانة دوارة ذات سطح حساس للضوء يمكنها حمل شحنات الكتروستاتيكية على سطحها هذا في حالة وجودها في الظلام.

الخطوات المتزامنة

بمجرد ان يتم توليد الصورة المعالجة او الـ Raster Image, يمكن لجميع خطوات عملية الطباعة ان تتم واحدة تلو الاخرى في تعاقب سريع, مما يسمح بإستخدام وحدات صغيرة مضغوطة, حيث يتم شحن السطح الحساس للضوء ثم تدور الدرام بضعة درجات ثم يتم مسحها بشعاع الليزر, لتدور بضعة درجات اخري لتتم عملية التظهير وهكذا. حيث يمكن ان تتم العملية بكاملها قبل ان تكمل الدرام دورة واحدة.

الطابعات المختلفة تقوم بهذه الخطوات بطرق مختلفة, فبعض طابعات "الليزر" تستخدم مصفوفة خطية من الصمامات الالكترونية القاذفة للضوء لتكتب الصورة علي سطح الدرام (انظر الـ"ليد برينتر"). اما التونر فقد يكون مصنوع من البلاستيك او الشمع, وبذلك فبمرور الورقة خلال وحدة التثبيت تنصهر جزيئات التونر. وقد يتم شحن الورقة بشحنة مغايرة لشحنة التونر وقد لا يتم ذلك. ووحدة التثبيت قد تكون "فرن" يعمل بالآشعة تحت الحمراء وقد تكون بكرة ضغط ساخنة (كما سبق وذكرنا) وقد تكون (في بعض الطابعات عالية السرعة, باهظة الثمن) عبارة عن مصباح زينون وهاج. عملية الاحماء التي تقوم بها الطابعة عندما يتم توصيل التيار الكهربي لها تتضمن في الاساس تسخين اداة وحدة التثبيت. معظم الطابعات بها خيار لتفعيل خاصية توفير التونر (وضع توفير-التونر economode), التي تكون اقتصادية أكثر فيما يتعلق بإستهلاك الكهرباء من قبل وحدة التثبيت, ولكن يأتي هذا علي حساب درجة وضوح الورقة المطبوعة.