Bijna iedereen heeft tegenwoordig thuis een spotgoedkope en prima functionerende inkjetprinter staan. Toch is deze printtechnologie nog allerminst uitontwikkeld; het ontwerpen van supersnelle printers die de huidige drukpersen kunnen vervangen, inclusief bijpassende inkt en papier, biedt nog voldoende uitdagingen voor zowel de industrie als de wetenschap. De grote Nederlandse printerfabrikant Océ werkt daarom intensief samen met diverse universiteiten, waaronder de TU/e. In de zomer van 2015 werd die samenwerking bekrachtigd met het deeltijdhoogleraarschap van Herman Wijshoff, die al sinds zijn afstuderen aan TU/e-faculteit Technische Natuurkunde in dienst is bij het Venlose bedrijf.

De leerstoel is er mede op zijn eigen initiatief gekomen, legt Wijshoff uit in zijn werkkamer in Gemini. “Gelukkig zag Océ het strategisch belang in van een dergelijke constructie, en waren ze bereid om mijn aanstelling hier in Eindhoven - voor één dag per week - mogelijk te maken.” Wijshoff werkte al jaren samen met hoogleraar Harald van Brummelen, die aan het hoofd staat van het Eindhoven Multiscale Institute van de TU/e. “Sinds Haralds verhuizing van Delft naar Eindhoven kwam ik hier al vaak als gastonderzoeker.”

Océ richt zich op printers die de huidige offset-drukpersen kunnen vervangen

Het doel van Wijshoff en zijn collega’s is om alle aspecten van inkjetprinten tot in detail te begrijpen, om met die kennis nieuwe, betere printers te kunnen ontwerpen. Computermodellen, als aanvulling op theoretisch en experimenteel onderzoek, spelen een belangrijke rol binnen zijn leerstoel. “We richten ons bij Océ met name op printers die de huidige offset-drukpersen kunnen vervangen, dan moet je denken aan snelheden tot drieduizend beelden per minuut. Met een nieuw prototype zijn al snel honderd mensen een paar jaar bezig. Als je met goede modellen met één of twee ontwerpslagen minder tot een eindproduct kunt komen, dan kun je zelf uitrekenen wat dat ongeveer oplevert. Bovendien kun je je product eerder op de markt brengen, met alle concurrentievoordelen van dien.”

Afgelopen najaar is Océ samen met de TU/e en de Universiteit Twente (waar Wijshoff in 2008 zijn doctorstitel behaalde) een FOM Industrial Partnership Programme gestart, waarbinnen twaalf promovendi worden aangesteld, vier postdocs en twee werkgroepleiders. De helft van deze mensen zal onderzoek verrichten binnen de R&D-afdeling van Océ. Binnen het programma komt het hele proces van inkjetprinten aan de orde - van de werking van de printkoppen, de eigenschappen van de inktdruppels en hun interactie met het gebruikte medium (voornamelijk papier, maar ook glas of plastic). Dat vereist modellen die de link weten te leggen tussen zeer uiteenlopende lengteschalen: van de metersgrote printers tot de minuscule vezels in het printerpapier: ‘multiscale modelling’ kortom - een van de sterktes van de TU/e.

Het basisprincipe van inkjetprinten zit hem in de printkop, legt Wijshoff uit. Een elektrisch signaal zorgt ervoor dat een piezo-elektrisch element in de wand van het inktreservoir vervormt, waardoor er een druppel inkt uit het reservoir wordt geperst. “Dat lijkt op hoe je tandpasta uit een tube krijgt, maar in dit geval hebben we het over hoogfrequente drukgolven die tot exact de juiste druppels moeten leiden. Daarvoor heb je een gedetailleerd akoestisch ontwerp nodig om te voorkomen dat je bijvoorbeeld luchtbelletjes krijgt, of ongewenste bevochtiging.”

Voor het gedrag van de druppels in hun vrije val, en hun daaropvolgende interactie met het medium, zijn eigenschappen zoals de viscositeit en oppervlaktespanning van de inkt van belang. “Afhankelijk van het soort inkt en medium spelen vervolgens processen als spreiding van de druppels, absorptie, verdamping en polymerisatie een rol. En papier is een poreus materiaal, daarom hebben we ook contact met experts op dat gebied. Omdat de coating van glanzend papier gemaakt is van calciumcarbonaat - hetzelfde materiaal waaruit ook het kalksteen van de kliffen van Dover is opgebouwd - werken we zelfs samen met geofysici van de Universiteit van Utrecht. ”

Een natuurgetrouwe reproductie van een Rembrandt - waar je aan mag zitten

De inkjetprinters die consumenten thuis hebben staan, maken gebruik van op water gebaseerde inkten. Een nadeel hiervan is dat het even duurt voordat de inkt droog is. Hierdoor zijn deze inkten volgens Wijshoff niet geschikt voor de toepassingen die Océ voor ogen heeft: als je vijftig beelden per seconde kunt printen, dan wil je uiteraard niet hoeven wachten tot de inkt droog is voordat je het papier kunt snijden, stapelen en vouwen. Daarom heeft het bedrijf zich toegelegd op het gebruik van op hars gebaseerde inkten: deze worden alleen vloeibaar bij verhitting in de printkop, en stollen direct weer zodra ze het papier raken. “We hebben het over minuscule druppeltjes van een picoliter, een miljoenste van een miljoenste liter; die koelen binnen een milliseconde af.”

Een andere mogelijkheid om toch heel snel te kunnen printen zonder het risico op vlekken of krassen - om ‘robuuste’ afbeeldingen te kunnen maken - is door de inkt snel te laten uitharden met ultraviolet licht. Onder invloed van het licht vindt een polymerisatiereactie plaats die de inkt razendsnel fixeert, legt Wijshoff uit. “Tandartsen gebruiken een vergelijkbare techniek bij het aanbrengen van vullingen. Met deze techniek kun je ook goed op glasplaten printen. Die kun je vervolgens zonder problemen jaren aan de buitenlucht blootstellen.“

Een andere toepassing van de nieuwste Océ-printers is het stapelen van meerdere laagjes inkt; in feite een vorm van 3D-printen. “In samenwerking met onder meer het Rijksmuseum hebben we zo reproducties kunnen maken van olieverfschilderijen van Rembrandt en Van Gogh. Met een veel hogere resolutie dan andere 3D-printtechnieken. Daar is veel belangstelling voor; veel mensen vinden het fantastisch om zo’n natuurgetrouwe reproductie te bezitten, waar ze gewoon met hun handen aan mogen komen.”

“Inkjet-technieken werden al gebruikt voor grotschilderingen uit de steentijd”

In zijn intreerede legt Wijshoff de nadruk op de geschiedenis van het inkjetprinten en hoe de voortdurende wisselwerking tussen wetenschap en industrie cruciaal is geweest bij de ontwikkeling van deze techniek. Hij laat die geschiedenis overigens al in een zeer ver verleden beginnen. “De grotschilderingen uit de steentijd zou je kunnen beschouwen als uitingen van een inkjet-techniek: ze zijn aangebracht door een papje met kleurstof door een hol botje heen te blazen. In de achttiende eeuw kwam men erachter dat oppervlaktespanning de oorzaak was van het opbreken van een dunne straal vloeistof in druppels, en niet de zwaartekracht. Later, in 1860, leidde dat tot de eerste moderne inkjetprinter, voor het afdrukken van telegraafberichten. Die wisselwerking tussen wetenschap en toepassing gaat door tot de dag van vandaag.”