Der Laserdrucker ist ein Drucker zur Produktion von Ausdrucken auf Papier oder Folien im Elektrofotografieverfahren. Laserdrucker zählen zu den Seitendruckern, da Belichtung und Druck der ganzen Seite in einem Durchlauf erfolgen. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden auch LED-Drucker und LED-Plotter meist als Laserdrucker bezeichnet, weil das Funktionsprinzip sehr ähnlich ist.

Laserdrucker: (1) Drucker-Controller; (2) Bildtrommel; (3) Toner; (4) Papiereinzugswalzen; (5) Fixiereinheit

Geschichte

Der Physiker Chester F. Carlson (1906-1968) meldete im Jahre 1937 die Elektrophotographie zum Patent an. Diese Erfindung war ein Grundstein des heutigen Laserdruckers unter Ausnutzung 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 Bärlappsporen 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. 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 Transferband 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 Transferband vier Umläufe benötigt, um eine Seite zu vervollständigen), arbeiten moderne Drucker mit vier einzelnen Farbeinheiten, von denen die Toner auf ein Zwischenband (ITB – Intermediate Transfer Belt) übertragen werden. Durch die vier getrennten Druckwerke kann im ersten Druckwerk bereits die Folgeseite belichtet werden, während das letzte Druckwerk noch damit beschäftigt ist, die vorhergehende Seite zu belichten. Dadurch erreichen sie im Farbdruck die gleiche Seitenleistung (Druckseiten je Minute) wie im Monochrom-Druck. Bei alten Geräten mit Revolver-Trommel verringert sich beim Farbdruck die Seitenleistung auf 25 % im Vergleich zum Monochrom-Druck.

Der Toner wird anschließend dazu gebracht, vom Zwischenband 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. Bei früheren Systemen kam 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.

Zur Energieeinsparung wird in modernen Fixierungen nur noch eine Walze verwendet, die durch eine Induktionsheizung erhitzt wird. Auf der Gegenseite wird ein antihaft-beschichtetes Band verwendet, das um einen Zylinder rotiert und nicht aufgeheizt werden muss. Durch diese Konstruktion kann die Fixierung in kürzerer Zeit auf die notwendige Fixiertemperatur aufgewärmt werden und kann nach Gebrauch schneller wieder abgesenkt werden, bis die nächste Seite gedruckt werden soll.

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.

Quelle:www.Wikipedia.de