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          Révision : 02 août 2002 
 
Avancées technologiques en jet d'encre (début)
 
G. Barros et S. Autellet (étudiants EFPG - avril 2001)
Texte revu et corrigé par Eliane Rousset (juillet 2002)
       
 
  Plan  
I -  Introduction
II -  Données technologiques
III -  Prospective et analyse stratégique
IV -  Conclusion
V -  Bibliographie
 
        
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Consulter aussi : un mémoire de 1999 consacré au même sujet, et le dossier des presses numériques
 
I - Introduction
Plan     Fin
Avec des taux de croissance de 20 à 30 % depuis trois ans, il devient actuellement de plus en plus difficile d'ignorer le marché de l'impression jet d'encre (inkjet printing). Les rythmes de progression considérables (actuellement une centaine de brevets sont déposés chaque mois) dans un marché qui a réalisé en 1999 un chiffre d'affaires de l'ordre de 10 milliards de dollars ou d’euros, demandent de plus en plus d'attention et surtout une surveillance accrue des acteurs principaux. Il est donc judicieux dans ce contexte de pratiquer une veille technologique.
Cette étude a pour objectif de sonder en terme d'évolution technique et technologique le secteur de l'impression jet d'encre, mais dans l'état actuel du marché (dispersion des produits alliée à une concurrence féroce dans un environnement très réactif) cette information seule serait peu utile. On se voit donc contraint d'introduire une composante économico stratégique, surtout en ce qui concerne la notion d'économie sectorielle, afin d'établir une analyse par projection -- celle-ci bien utile dans le contexte actuel.
Ce rapport s'articule en trois points : une présentation technologique (différents types de procédés) et technique (caractéristiques des produits phare et hauts de gamme), l'exposition des tendances de l'environnement économique sectoriel et la réalisation d'une analyse prévisionnelle.
Comme toute chose, ce document présente ses limitations, essentiellement en terme d'espace d'action et temps de validité.
L'espace se limite au marché des industries graphiques et non au marché de l'impression en général. Le marché de la bureautique personnelle est volontairement écarté (connu sous le sigle SOHO – Small Office, Home Office), marché qui a vendu dans les 5 dernières années plus de 150 millions d'unités et où la stratégie est très liée à la vente des consommables. Il faut aussi préciser que ce marché a ses spécificités en termes de produits, prix et stratégies, le rendant unique et différent du marché dit "professionnel".
En ce qui concerne la notion de validité temporelle, on cible le court et moyen terme avec une durée maximale de 3 ans. Le jet d'encre est un secteur très réactif encore relativement jeune (le grand boom a eu lieu il y a moins de 5 ans) et en pleine expansion. Il ne faut pas oublier qu'il est plus ou moins intégré et surtout très dépendant du marché de l'informatique, lui-même lié au marché des "nouvelles technologies", ce que lui rend très sensible aux évolutions macro-économiques en général (on observe par exemple l'actuelle incertitude des marchés vis-à-vis des télécommunications mobiles).
Pour compléter cette introduction il faut se référer au modèle d'analyse utilisé dans ce rapport pour le produit jet d'encre. Suivant une approche purement industrielle, chaque produit peut être divisé en sous-ensembles qui le composent. Ceci est encore plus vrai dans le cas d’une plate-forme jet d'encre.
Une imprimante jet d'encre regroupe sous un même boiter :
    un système de têtes d'impression (normalement un par couleur) avec son alimentation en encre ;
  un RIP ("Raster Image Processor") qui est la partie logicielle transformant les fichiers numériques décrivant la page à imprimer reçus de l'ordinateur, dans un langage interprétable directement par l'imprimante – positionnement des têtes et modulation de la quantité d'encre à éjecter compte tenu des critères de tramage choisis ;
  un boiter contenant le système de positionnement et déplacement des têtes, traction du papier et dispositifs de contrôle ;
  une encre adaptée à la tête d’impression et à l'utilisation finale du produit imprimé ;
  un support d'impression optimisé pour une meilleure qualité. Il s'agit souvent du papier, mais d'autres matériaux sont de plus en plus souvent proposés.
Plusieurs possibilités s'ouvrent donc lors du développement et la fabrication d'une imprimante jet d'encre. Un fabricant peut développer et produire lui-même tous les sous-ensembles. Dans un contexte actuel de spécialisation et définition précise des métiers de base des entreprises, alliée à une très forte compétitivité et une complexité technologique croissante, cette stratégie est de moins en moins utilisée (voir par exemple les problèmes de coût et de financement liés au développement d'un nouveau produit). L'autre situation consiste à réduire le rôle du fabricant d'imprimantes jet d'encre à celui d'assembleur de sous-ensembles achetés.
Dans la réalité du marché actuel la grande majorité des fabricants se situent dans une situation d'équilibre entre ces deux extrêmes, situation non seulement dictée par l'évolution du marché mais de plus en plus liée aux exigences des actionnaires.
C'est donc dans ce contexte que la majorité des entreprises tend à se focaliser sur la conception, la réalisation et la fabrication d'un de ces sous-ensembles. Ces produits font eux-mêmes partie d'une industrie avec ses technologies, ses besoins et ses clients. On parle donc du concept OEM (Original Equipment Manufacturer), fabricant d'équipement qui vend ses produits (normalement des sous-ensembles) à un autre fabricant et permet à celui-ci de les commercialiser sous une marque de son choix. Nous avons donc orienté ce rapport sur l'industrie des têtes d'impression car c'est là que se joue actuellement une grande partie de l’avenir de l'impression jet d'encre
En ce qui concerne les autres sous-ensembles, on peut dire d'une façon synthétique que les supports sont développés par l'industrie papetière, les encres par l'industrie chimique et les RIP par l'industrie du logiciel dédié.
 
II - Données technologiques
Plan     Fin
II-1- Têtes d'impression
Le procédé jet d'encre est basé sur la projection d'une goutte d'encre sur un support à imprimer, la difficulté étant la création de la goutte d'une forme parfaitement contrôlée et maîtrisée. Curieusement, le principe du mécanisme de formation d'une goutte dans un orifice (nozzle) traversé par de l'encre est connu depuis la fin du 19ème siècle. Mais les premières applications commerciales de cette technologie ont seulement vu le jour à la fin des années 60 voir même début des années 70.
Originellement la méthode avait été conçue pour le marquage d'étiquettes et boîtes de carton nécessitant simplement une grande vitesse, une qualité acceptable et surtout un faible coût. Après presque 30 ans, on a observé plusieurs évolutions du produit qui a commencé par se vulgariser pendant les années 80 et est entré définitivement dans le monde de l'industrie graphique au début des années 90. Il faut cependant noter que cette évolution a suivi de très près celle des technologies d'information (essentiellement avec l'augmentation des puissances de calcul et stockage des micro-ordinateurs) qui, conjointement avec l'évolution des capacités des têtes d'impression, a permis le passage d'une impression binaire basse résolution à une qualité photographique.
La formation d’une goutte d'encre se produit par application d'une pression contrôlée sur une encre liquide contenue dans un réservoir et qui s'écoule à travers un orifice. A la sortie le flux d'encre résultant se fragmente en petites gouttes. Cependant plusieurs techniques sont actuellement disponibles, toutes dérivant de deux technologies principales : le CJ ("Continuous Jet" – jet continu) et DOD ("Drop On Demand" –goutte à la demande). Le tableau ci-dessous permet de mieux comprendre la filiation des différentes techniques.
Procédés jet d'encre
2-1-1 Technologie jet continu (CJ)
La formation en jet continu repose sur le principe thermodynamique de l'énergie minimale. Un liquide (encre) s’écoulant à travers un orifice tend à se séparer en gouttelettes si la surface externe de la masse de liquide est plus grande que la surface extérieure des gouttelettes. La formation de gouttes va donc permettre de réduire l'énergie totale du système. Pour induire la séparation du jet sous forme de gouttes, on va agir sur la pression du fluide (et donc sa vitesse), les dimensions de l'orifice et les perturbations appliquées au système sous forme de vibrations (il faut noter que la géométrie de l'orifice peut aussi influencer largement la réponse du système). Les vibrations sont nécessaires pour assurer la formation de gouttes homogènes et sont générées par des cristaux piézo-électriques fixés aux réservoirs d'encre.
La faisabilité de cette technologie repose sur sa reproductibilité, donc sa capacité à assurer une formation régulière de gouttelettes avec des dimensions et des comportements similaires. Pour atteindre une telle régularité, un certain nombre de paramètres doivent être respectés :
    appliquer une pression de l'ordre de 3 à 4 Bars ;
  utiliser une encre fluide avec une énergie de surface de l'ordre de 35 mN/m et une viscosité de 1 mPa.s ;
  disposer d'un orifice avec un diamètre moyen de 10 mm ;
  induire une perturbation sous la forme d'une pulsation haute fréquence d’environ 1 MHz (un million de gouttes par seconde).
En conjuguant tous ces paramètres, on arrive donc à produire un flux constant de gouttelettes d'environ 10 picolitres d'encre qui sont projetées à des vitesses proches de 50 m/s. Les valeurs citées sont indicatives et correspondent à une tête d'écriture de dernière génération, type Hertz (voir ci-dessous).
Les gouttes une fois créées, il faut pouvoir les sélectionner (différencier les zones imprimées des zones non imprimées) et orienter les gouttes pour former le motif à imprimer. On commence par charger électriquement chacune des gouttes à la sortie de l'orifice (pour cela l'encre contient des additifs améliorant la conductivité électrique), on peut alors facilement induire une déviation en utilisant des plaques chargées. La déflexion va dans une première approche servir à différencier les gouttes qui vont imprimer (projetées sur la feuille de papier) de celles qui vont être renvoyées vers le réservoir d'encre et recyclées. Le même principe peut être utilisé pour orienter et positionner la goutte sur la feuille. En effet c'est dans le mode d'adressage et positionnement des gouttes que se situent les différences entre les trois sous-familles du jet continu.
Le CJ de type Hertz (du nom de son inventeur suédois, le Dr. Helmut Hertz) est basé sur la répulsion mutuelle des gouttes d'encre électriquement chargées. Ces gouttes forment un cône dont l'ouverture est d'autant plus grande que la charge est plus élevée. Lorsque le faisceau de gouttes passe à travers un diaphragme, les gouttes les plus déviées sont arrêtées (et recyclées). Plus la charge est élevée, moins les gouttes ont une chance de passer. En faisant varier la charge, on peut réaliser une variation continue de ton.
Le jet simple est le plus simple des systèmes jet continu. Il est largement utilisé pour le codage et la numérotation en ligne car il permet d’atteindre des vitesses linéaires de 5 m/s. La formation du motif à imprimer est assurée par la déviation des gouttes qui vont donc être projetées sur le support à différentes positions. Le degré de déflexion et donc le positionnement d'une goutte est obtenu en induisant une certaine quantité de charge à la sortie de l'orifice (par l'application d'une différence de potentiel définie). Un système classique permet un adressage à 32 niveaux (soit l'utilisation de 32 niveaux de voltage différents). C’est le facteur limitant de cette technologie, en terme de possibilité de résolution maximale.
Le jet multiple a été la réponse technique pour vaincre les limitations imposées par l’adressage et donc améliorer la résolution. La solution a été de substituer l'adressage par niveaux de déflexion par une tête multi orifices et donc multi jets (jusqu'à 132), chaque jet pouvant être contrôlé indépendamment. Les gouttes formant le motif à imprimer ne sont pas chargées et sont donc projetées directement sans être déviées vers le support, les autres étant chargées et donc déviées vers le système de récupération. Cette technologie plus simple que la précédente, présente toutefois deux défis techniques : la précision nécessaire pour positionner à des distances très proches les orifices (la distance entre deux orifices va influencer directement la résolution de la tête) et la capacité à charger une goutte sans influencer électriquement les gouttes voisines.
La technologie Hertz utilise des orifices extrêmement fins pouvant produire des gouttes très petites (à la limite de la capacité de reconnaissance humaine). Dans la pratique, les points image sont formés par l'accumulation de plusieurs gouttes ; on peut ainsi moduler la densité optique de chaque point (jusqu'à 32 niveaux) et créer des images en tons continus de qualité photographique. Dans la pratique, la modulation est combinée avec des algorithmes de tramage pour obtenir les meilleures qualité et vitesse d'impression. Ce système présente actuellement deux désavantages :
    le temps d'impression (jusqu'à 1 heure pour une page A0 en 4 couleurs) ;
  la tendance des orifices, liée à leur petite taille, à se boucher (imposant donc une manutention élaborée).
2-1-2 Technologie goutte à la demande (DOD)
Contrairement à la technologie jet continu, dans la technologie goutte à la demande la formation de gouttes n'est pas continue mais est fonction du motif à reproduire. Ainsi toutes les gouttes générées vont atteindre le support. Le principe de formation des gouttes repose sur l'expansion d'un fluide dans une chambre ayant un orifice de petites dimensions. L'expansion étant déclenchée et contrôlée électroniquement, il est donc possible de former le nombre de gouttes désiré et, dans une certaine mesure, moduler les caractéristiques de ces gouttes. Comme précédemment l'objectif est d'avoir des gouttes homogènes.
Cette technologie présente des coûts de fabrication et maintenance moins élevés pour une meilleure qualité de reproduction (la limitation étant la moindre vitesse d'impression – on travaille actuellement à des fréquences maximales de 30 à 40 KHz, presque 30 fois inférieures aux systèmes CJ). Il est donc normal qu'elle soit devenue la technologie la plus utilisée actuellement et celle sur laquelle sont focalisés les efforts de recherche et développement.
Dans une première phase, le développement de la technologie DOD s'est fait par la diminution de la taille des gouttes de façon à augmenter la qualité de reproduction (à la fin des années 80 on était passé sous la barrière des 100 picolitres, ce qui rendait la technologie compétitive avec les autres systèmes de l'époque). On a progressivement agi sur les têtes d'impression (en termes de diminution de la complexité de fabrication et de l'amélioration des capacités de contrôle de la formation de gouttes) pour, dans le milieu des années 90, passer sous la barrière des 10 picolitres. En dix ans la taille des gouttes a été réduite d'un facteur 10. On atteint donc la capacité de reproduction avec qualité photographique. Mais avec l'utilisation de gouttes de plus en plus petites, on peut observer une diminution de la vitesse d'impression. L'augmentation des fréquences de travail des têtes n'a pas suffi à compenser le temps nécessaire à générer des images d'une résolution de plus en plus élevée avec des gouttes de plus en plus petites. Pour minimiser les temps d'attente, les fabricants ont multiplié le nombre de jets par tête (actuellement on trouve des têtes ayant plus de 1000 jets), mais cela n'a pas suffi pour satisfaire une demande de résolution de plus en plus élevée.
La solution (adoptée depuis par la plupart des fabricants) est née avec la technologie multi taille – la même tête d'impression peut dans un même passage générer des gouttes de différentes tailles (de 3 à 20 picolitres pour une tête dernière génération). On peut donc moduler la densité optique de chaque point. Cela avait été déjà utilisé auparavant, mais pas en un même passage. Avant impression la taille des gouttes utilisées pouvait être sélectionnée, il y avait le choix entre le mode vitesse (gouttes plus grandes donc moins de temps pour la même surface) ou le mode qualité (gouttes plus petites avec une impression plus lente). Le grand défi avec l'utilisation simultanée de gouttes de tailles différentes a été la précision de positionnement des gouttes générées. Des gouttes avec des tailles variant d'un facteur 10 ont une inertie différente et donc un comportement différent ; plus petite est la goutte, plus la perte de vitesse est accentuée. Il a donc fallu concevoir des systèmes de contrôle qui vont jusqu'à tenir compte du ménisque formé par l'encre et produire des gouttes de différentes dimensions ayant la même vitesse.
Comme dans le cas des systèmes à jet continu, les différents chemins suivis par les entreprises ont donné naissance à des sous-familles de la même technologie.
L'excitation piézo-électrique utilise la propriété que certains matériaux cristallins ont de se dilater quand ils sont électriquement stimulés. Le cristal piézo-électrique est incorporé au réservoir d'encre et permet la création de pulsations de pression sur l'encre qui vont induire la formation de gouttes. Cette technique, commercialement exploitée depuis le début des années 80, utilise des encres très fluides qui peuvent créer des problèmes quand les supports ont un fort pouvoir d'absorption. Depuis quelques années, certains fabricants proposent des imprimantes utilisant des encres solides (type hotmelt), qui ont la particularité de se comporter comme des encres fluides quand elles sont chauffées et de se solidifier rapidement quand elles sont en contact avec le substrat, évitant ainsi une absorption excessive et donnant des couleurs plus saturées.
L'excitation thermique est l'alternative à l'excitation piézo-électrique et représente une grande partie des systèmes conçus et commercialisés actuellement. Un élément chauffant contrôlé électroniquement est introduit dans le réservoir d'encre Quand il est activé, l'élément chauffant vaporise instantanément l'encre qui l'entoure générant une bulle de gaz (Bubble Jet). La matière occupe un volume supérieur en phase gazeuse qu’en phase liquide. L'augmentation de volume causé par la vaporisation d'une partie de l'encre, va générer une pression qui tend à pousser une partie de l'encre vers l'orifice du réservoir et former une goutte. L'élément chauffant doit se refroidir avant qu'un nouveau cycle puisse être entamé. Actuellement, on arrive à moduler la taille de la goutte en jouant sur la durée du temps de chauffage. Des encres solides de type "hotmelt" peuvent aussi être utilisées avec les mêmes avantages cités précédemment.
Le valve jet n'est actuellement presque plus développé à cause de sa qualité moyenne. Le principe repose sur l'utilisation de 7 à 9 jets alignés en formation verticale qui sont électriquement contrôlés par des microvalves. L'ouverture des valves se fait électroniquement et permet la formation d'une goutte, l'encre étant sous pression.
II-2- Les produits du présent et les tendances du futur
Évidemment, un produit technologique tel qu'une tête d'impression jet d'encre ne présente de la valeur pour le consommateur que si elle est intégrée dans un système plus complexe, l’imprimante. Il est important de présenter les différentes technologies des têtes jet d'encre, mais il ne faut pas oublier que le client de tels produits est plutôt intéressé par les performances du produit assemblé.
Actuellement on peut diviser le marché du jet d'encre en trois grandes catégories suivant l'utilisation à laquelle sont destinés les systèmes d'impression :
    le marquage ;
  l'épreuve couleur ;
  l’impression à la demande.
Chacune de ces catégories utilise un système d'impression avec des caractéristiques bien démarquées des autres.
Le marquage a été le berceau de la technologie jet d'encre et est devenu actuellement le parent pauvre. C'est le secteur le mieux établi car son cycle de vie a atteint la maturité d'une solution vieille de 30 ans. On est ici dans le royaume de la grande, voir même très grande vitesse d'impression. Par contre les performances en terme de qualité sont limites pour écrire du texte dans les systèmes classiques et au mieux dans les systèmes haut de gamme pour imprimer des codes barre. En effet la qualité est directement liée à la vitesse d'impression. Certains systèmes actuels peuvent imprimer à des vitesses supérieures à 300 m/min avec une résolution de 100 dpi. Pour des résolutions deux fois plus élevées, la perte en vitesse peut aller jusqu'à trois fois. La différentiation des produits proposés ne se fait plus aux niveaux des performances (vitesse et résolution) mais surtout au niveau des systèmes de contrôle et programmation, compatibilité avec différentes encres (à colorant soluble ou à pigments) et possibilité d'imprimer sur différents supports. Un grand effort a été fait sur la réduction du temps et le coût de la maintenance, aussi bien que sur la réduction des durées des cycles de démarrage et changement d'encre.
L'épreuve couleur est devenue l'application par excellence de la technologie jet d'encre. Les imprimantes actuelles sont des ensembles assez complexes très modulaires (de plus en plus de solutions flexibles sont proposées) et représentant un fort investissement (de 3.000 à 100.000 euros selon les performances) associé à un important coût d'utilisation. Leurs performances oscillent en terme de format du A4 jusqu'au B0 avec une qualité minimale de 600 x 600 dpi. De nombreux systèmes offrent du 1200 x 1200 dpi et peuvent en général travailler à des vitesses supportant une sortie toutes les 10 à 20 minutes. La quasi totalité des systèmes travaille en hexachromie :
    habituellement avec du CcMmYK (cyan, cyan clair, magenta, magenta clair, jaune et noir) ;
  plus rarement avec du CMYKOG (cyan, magenta, jaune, noir, orange et vert).
Quelques fabricants n'hésitent pas à accroître le nombre de têtes, ce qui permet :
    d'augmenter la vitesse. Ainsi, une machine qui possède 12 têtes va trois fois plus vite si elle imprime en quadrichromie seulement ;
  de diminuer les effets de "banding", c'est à dire l'apparition de bandes horizontales sur le média imprimé. Ce phénomène, inhérent à l'impression jet d'encre, peut avoir des causes multiples (matérielles et/ou logicielles). Il est d'autant plus à craindre que la vitesse d'impression est plus élevée ;
  d'utiliser jusqu'à 12 couleurs de base. On améliore ainsi considérablement l'espace colorimétrique (gamut), et on peut simuler pratiquement toutes les couleurs Pantone (97 % d'entre elles avec la seule hexachromie).
Avec l'achat d'un système d'épreuve le client reçoit (ou achète en option) des logiciels de contrôle et tramage (RIP) de plus en plus performants. En effet une grande partie de l'amélioration de la qualité se fait par le biais des systèmes de contrôle. Le point commun de la plupart des offres du marché est centré sur la compatibilité avec les formats (PS3, PDF) et les standards les plus utilisés (Pantone, ICC), la possibilité d'utiliser une multitude de supports (papier, plastique, tissé) et la capacité d’opérer avec plusieurs types d'encre.
L’impression à la demande est le tout nouveau marché de la technologie jet d'encre. Avant tout il faut marquer la différence entre les systèmes d'impression grand format (un marché déjà existant mais qui bascule actuellement vers le jet d'encre) et les "vrais" systèmes d'impression à la demande pour les petits et moyens tirages. Ce dernier marché est encore en phase embryonnaire et l'offre actuelle est très limitée. On recense à l'heure actuelle une seule machine utilisant du jet d'encre avec un coût supérieur à un demi million d’euros et qui permet d'imprimer 185 m2/h avec une résolution de 600 dpi. Le marché du grand format est lui fortement établi et attire de plus en plus l'utilisation du jet d'encre. Les produits proposés sur le marché utilisent des solutions techniques semblables à celles pour l'épreuve couleur si ce n’est qu’au critère très haute qualité a été substitué le critère vitesse (avec un compromis acceptable). Ainsi on trouve actuellement sur le marché des systèmes capables d'imprimer sur une largeur de 5 m avec une vitesse supérieure à 70 m2/h et une résolution supérieure à 300 x 300 dpi. Le choix en terme de performances étant très large, on trouve des imprimantes coûtant entre 15.000 et plus de 600.000 euros. Comme dans les cas précédents, la différence entre machines joue sur le nombre de supports et encres utilisables, les coûts de maintenance et la facilité d'utilisation.
Toutes ces applications évoluent vers les mêmes objectifs : imprimer plus rapidement avec la meilleure qualité, à moindre coût et en utilisant des systèmes moins onéreux. L'évolution se fait non seulement par l'amélioration des performances des têtes (gouttes plus petites à fréquence plus élevée) mais elle passe de plus en plus par un système de contrôle plus élaboré nécessitant davantage de puissance de calcul.
La tendance actuelle est au passage à la technologie DOD, avec des têtes plus larges (prototype avec des têtes de la largeur d'une page A4) nécessitant de moins en moins de maintenance et surtout compatibles avec différents types d'encre. Des têtes utilisant des encres à solvant et pigmentées sont déjà disponibles, il reste à les rendre compatibles avec des encres à l'eau et UV. La recherche porte également sur l'étude des phénomènes de "banding".
La plupart des fabricants tendent à créer des partenariats pour développer l'utilisation de leurs têtes d'impression dans des systèmes innovants, visant à la création de nouvelles applications et à cibler de nouveaux marchés. On observe actuellement l'application de la technologie jet d'encre à l’impression de tissus, de la céramique, du plastique et même à des systèmes plus exotiques pour la fabrication de plaques offset CTP(Computer to Plate) ou la production de modèles 3D !
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