Fotokopie

Das direkte Verfahren nutzt eine Fotoleitschicht auf dem Träger selbst (zum Beispiel Zinkoxid auf Papier); die Entwicklung erfolgt nass mit einer Suspension aus Toner in einer isolierenden Flüssigkeit (z. B. Leichtpetroleum) oder auch mit Trockentinte.

Das indirekte Nassverfahren nutzt wie die Xerografiegeräte eine fotoempfindliche Trommel; diese wird jedoch mit einer Toner-Suspension benetzt. Der haftende Toner wird direkt von dieser auf das Papier gebracht und muss zum Fixieren nur trocknen.

Das heute ausschließlich gebräuchliche indirekte, trockene Verfahren benutzt fotoempfindliche Trommeln oder Bänder, deren Tonerbild nach der Entwicklung in Pulverform auf den Träger (Papier, Kopierfolie) übertragen und dort thermisch fixiert wird. Das Verfahren arbeitet mit trockenem Toner; es wird daher auch Xerografie (griechisch für „trocken schreiben“) genannt.

Bei der Risografie wird zuerst eine Matrize elektrofotografisch belichtet. Durch die dabei entstandenen feinen Löcher wird in der Folge die Druckfarbe aufs Papier übertragen. Das Verfahren erlaubt kostengünstigen Massendruck mit großen Auflagen, hoher Geschwindigkeit mit bis zu 180 Seiten pro Minute im Format DIN A3, im Vollfarbdruck oder mit 16 monochromen Farben und Papiergewichten im Bereich 40–400 g/m².[1] Die Kopien bzw. Drucke sind mit differenzierten, durch Rasterung erzeugten Grauwerten herstellbar. Risografie zeichnet sich dadurch aus, dass die Farbe ohne Anwendung von Chemikalien oder Hitze aufs Papier gebracht wird. Der ökologische Vorteil wird von günstigen Verbrauchskosten begleitet.

Die Elektrofotografie ist ein von dem Amerikaner Chester F. Carlson zusammen mit seinem Assistenten Otto Kornei erfundenes Kopierverfahren.

Das Patent wurde am 27. Oktober 1937 angemeldet. Der erste erfolgreiche Versuch fand am 22. Oktober 1938 unter Zuhilfenahme einer mit einem Tuch elektrisch aufgeladenen Metallplatte, Schwefelpuder, staubfeinen Bärlappsporen und einer Wachsplatte statt. Auf der ersten Fotokopie (Trockenkopie) war „10.–22.-38 ASTORIA“ zu lesen. Hierbei handelte es sich um das Datum der ersten Fotokopie, den 22. Oktober 1938, und den Ort, Astoria (New York).

Die Haloid Company kaufte das Patent 1947 und brachte 1949 den ersten kommerziellen Kopierer auf den Markt. 1961 wurde die Haloid Company auf den Namen Xerox umbenannt. In Deutschland wurde die Lizenz an die englische Rank Group gegeben, aus der die Firma Rank Xerox entstand. Der Name Xerox Machine wird in englischsprachigen Ländern auch für das Kopiergerät an sich verwendet.

Funktionsschema der Bildtrommel

Prozessschritte des elektrofotografischen Druckprozesses

Entwicklerwalze Gelb (Zweikomponententoner)

Das zentrale Element bei der Xerografie ist die Trommel, die mit einer lichtempfindlichen Beschichtung versehen ist, im Folgenden aktive Schicht oder Fotoleiter genannt. Sie hat die Eigenschaft, im Dunkeln elektrisch nichtleitend zu sein, bei Lichteinfall dagegen Stromleitung zuzulassen. Bis etwa 1975 verwendete man amorphes Selen; heute werden amorphe organische Halbleiter, amorphes Silicium oder Arsentriselenid (As₂Se₃) verwendet.

Eine Serie von dünnen Edelstahl- oder Wolframdrähten wird mittels einer Spannung von in der Regel 5 kV positiv gegenüber der aktiven Schicht aufgeladen. Durch die hohe Spannung wird die Umgebungsluft ionisiert, negative Ionen werden zur positiv geladenen aktiven Schicht gezogen, setzen sich dort ab und laden diese negativ auf, da sie im Dunkeln nicht leitfähig ist. So wird Schicht für Schicht die Walze negativ geladen.

Die aktive Schicht auf der Walze bzw. dem flexiblen Band wird belichtet:

• Beim Fotokopierer (bzw. Analogkopierer) wird die Vorlage mittels einer starken Lichtquelle (z. B. Halogenlampe) beleuchtet. Die Vorlage wird über ein Objektiv auf die aktive Schicht abgebildet.
• Beim Laserdrucker bzw. digitalen Kopierer wird das reflektierte Licht zunächst durch einen Zeilensensor aufgenommen, vergleichbar mit einem Scanner. Gegebenenfalls nach einer Bildbearbeitung wird das digitalisierte Druckbild mit einem Laser oder einer LED-Zeile auf den Fotohalbleiter geschrieben (siehe Laserdrucker).

Durch den Lichteinfall werden in der aktiven Halbleiterschicht Ladungsträger erzeugt (innerer fotoelektrischer Effekt). Die Ladungsträger entladen an den belichteten Stellen die positiven Oberflächenladungen zur elektrisch leitenden Rückseite (Aluminiumtrommel) – das latente Bild besteht aus ladungsfreien Zonen.

Der Toner wird möglichst gleichmäßig an die belichtete Walze herangebracht, und zwar überall hin, sowohl an die belichteten als auch an die unbelichteten, geladen gebliebenen Bereiche. Das geschieht mittels einer weiteren, „Bürste“ genannten Walze, die magnetisch ist, wodurch der Toner (Zweikomponenten-Toner enthalten Eisenpartikel, Einkomponententoner sind selbst magnetisch) an ihr haftet, wobei sich die Partikel infolge der magnetischen Feldlinienrichtung wie Borsten aufstellen. Die Tonerpartikel (Durchmesser 3–15 µm) werden an der Kontaktstelle zwischen den beiden Walzen aufgrund elektrostatischer Anziehung übertragen und bleiben an den unbelichteten, also geladenen Stellen der Fotoschicht haften (Schwarzschreiben oder Charged Area Development). Bei gleichnamiger Ladung des Toners können sie auch an den zuvor belichteten, also entladenen Stellen haftenbleiben (Weißschreiben oder Discharged Area Development).

Bei der sogenannten Jumpentwicklung wird der Toner mit Hilfe einer Walze nur in die Nähe des Fotoleiters transportiert. Den verbleibenden Luftspalt überspringt (engl. to jump) der Toner dann aufgrund der elektrostatischen Anziehung. Der Vorteil dieser Methode gegenüber der Bürstenentwicklung ist, dass die Bürste den schon entwickelten Toner nicht wieder verwischt und dass die Bildtrommel weniger verschleißt. Einkomponententoner werden bei nahezu allen günstigen Kartuschensystemen angewendet; die Partikel landen komplett auf der Trommel und dem Träger. Bei Zweikomponententoner bleibt die magnetische Komponente zurück; nur die Tonerpartikel werden verbraucht.

Transfertrommel

Das Tonerbild muss von der Trommel auf das zu bedruckende Medium (Papier oder Kopierfolien) übertragen werden. Dazu wird eine zweite Ladungsquelle (Trommel oder Band) verwendet, die stärker (i. d. R. mit 15 kV) geladen ist als die Trommel und entsprechend den Toner anzieht. Wird der Bedruckstoff an dieser Stelle zwischen beiden hindurchgeführt, geht der Toner auf diesen über.

Um das Bild haltbar zu machen, muss es fixiert werden, d. h. üblicherweise durch zwei geheizte Walzen (bei manchen Geräten auch durch eine Heizkammer ohne Druck) geführt, wodurch die Tonerteilchen schmelzen und sich fest mit dem Bedruckstoff verbinden.

Um zu verhindern, dass der Toner an den Fixierwalzen haften bleibt, sind diese entweder aus einem speziellen Material (z. B. Teflon) oder werden mit einer hauchdünnen Ölschicht aus Fixieröl (i. d. R. Silikonöl) überzogen. Letzteres Verfahren wurde vor allem bei Vollfarbsystemen eingesetzt, da es bei diesen Geräten zu einem dicken Farbauftrag kommen kann und man elastische Walzen (Gummi) verwenden muss. Zudem war der Glanz, den das Fixieröl hinterlässt, bei einigen Druckerzeugnissen durchaus erwünscht. Bei neueren Geräten wird ein elastischer Kunststoff verwendet, der das Fixieröl überflüssig macht. Das bei älteren SW-Geräten eingesetzte Fixieren mittels starker Lichtblitze ist zwar ein ideales berührungsloses Verfahren, wird jedoch wegen der fehlenden Eignung für Farbgeräte heute nicht mehr verwendet. Das geläufigste Verfahren benutzt eine Heizwalze und eine Presswalze. Die Fixiertemperatur beträgt zwischen 165 und 190 °C. Die Fixierung ist bestimmend für die Haltbarkeit der Kopie. Die Lebensdauer der Heizquelle (z. B. eine Halogenglühlampe in Stabform im Inneren einer Walze) kann 50.000 bis 500.000 Kopien betragen.

Nachdem der Toner auf das Medium übertragen ist, muss die verbliebene Ladung der Trommel vor dem nächsten Laden und Belichten entfernt werden. Das geschieht durch Vollbelichtung (stabförmige Lichtquelle) und elektrisches Abstreifen der Ladungen.

Zum Schluss wird die Trommel mit einem Abstreifer oder einer Bürste von etwaigen Tonerrückständen befreit. Der Resttoner wird in einen im Gerät eingebauten Behälter entsorgt. Bei einigen Geräten wird der Toner auch recycelt und dem Entwicklungsprozess wieder zugeführt.

Die Anforderungen an die aktive Schicht der Trommel sind recht hoch: Sie muss eine geringe Dunkelleitfähigkeit zusammen mit einer hohen Lichtempfindlichkeit aufweisen. Bei der Belichtung muss sie kurzzeitig im Bereich geringer lateraler Abstände eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, sonst ginge die Auflösung bzw. Schärfe verloren. Sie muss mechanisch stabil sein und die Einflüsse von Ultraviolettstrahlung und Ionen bzw. Radikalen ertragen.

Trommeln können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden; üblich sind OPC (Organic Photo Conductor, engl. für organischer Fotoleiter) oder a-Si (amorphes Silizium). Die Lebensdauer dieser Trommeln ist jedoch begrenzt. Die Hersteller geben eine ungefähre Anzahl der möglichen Abzüge an. Während OPC-Trommeln, die hauptsächlich in Bürogeräten verwendet werden, eine Lebensdauer von 25.000 bis 60.000 Seiten aufweisen, sind für a-Si-Trommeln Lebensdauern von einer Million bis zu fünf Millionen Seiten möglich, wodurch sie sich für große Anlagen eignen, wie sie zum Beispiel Telekommunikationsfirmen zum Drucken ihrer Rechnungen verwenden.

Die Anzahl der Abzüge ist jedoch nur ein Idealwert – das Alter und vor allem die Nutzungsart sind ebenfalls entscheidend: Wird ein Kopierer oder Laserdrucker nur bei Bedarf eingeschaltet und werden dabei nur wenige Drucke getätigt, so sinkt die Anzahl der möglichen Kopien. Abrasive Füllstoffe im Papier oder andere mechanische Beschädigungen (z. B. beim Herausziehen verklemmter Seiten) können die fotoempfindliche Schicht dauerhaft aufrauen oder zerkratzen.

Xerografien sind im Gegensatz zu Tintenstrahl- oder Thermodrucken sehr dauerhaft und vor allem lichtecht. Der Toner haftet jedoch nur oberflächlich und kann wieder vom Träger entfernt werden. Manchmal geschieht das im Laufe der Jahre von selbst. Der Toner kann sich auch an Knickstellen ablösen. Inzwischen gibt es Polymertoner mit feineren und gleichmäßiger geformten Partikeln. Dieser platzt an den Falzkanten nicht mehr ab.

Beidseitig bedruckte Papiere können aneinander haften; in Klarsichthüllen bleibt manchmal ein Teil des Toners haften.

Verschiedene Gutachten bescheinigen den Xerografien bzw. Laserdruckern eine Archivfestigkeit von über fünfzig Jahren. Nasskopien halten angeblich länger als Xerografien – bei diesen inzwischen nicht mehr gebräuchlichen Erzeugnissen haben sich keine Lebensdauerbeschränkungen feststellen lassen.

Aufgrund der optischen Abtastung der Vorlage sind die Abbildungsqualität und die Auflösung des Zeilensensors bzw. der Trommel entscheidend für die Auflösung. Im Bereich von Grauwerten mit unter zehn Prozent Farbdeckung zeigen selbst hochwertige Geräte Schwächen in Form von Rauschen oder sogenannten Schmutzeffekten. Die Homogenität, die Graduierung sowie die Farbtreue sind in den letzten Jahren verbessert worden, anderen Reproduktionsverfahren jedoch unterlegen.

Vor allem bei Farbsystemen setzen die verwendeten Farbpigmente Grenzen, da die verschiedenfarbigen Toner alle den gleichen hohen Anforderungen genügen müssen, die nicht unbedingt mit einem guten Druckergebnis vereinbar sind.

Bei Digitalisierung ist es möglich, Halbtonbilder so aufzubereiten, dass wie bei anderen Druckverfahren feinstrukturierte Flächen gedruckt werden. So können auf Kosten der Auflösung Flächen mit geringer Farbdeckung sicherer gelingen.

Xerografische Kopiergeräte benutzen ebenso wie Laserdrucker Trockentoner, der ein schwarzes Farbpigment Ruß und bei bestimmten Sorten Schwermetalle wie Blei und Cadmium enthält, mithin also gesundheitsschädlich sein kann.

Das Problem dabei ist nicht nur die Tonerzusammensetzung, sondern auch seine (erwünschte) Feinheit. Das Tonerpulver hat zwar Partikelgrößen oberhalb des lungengängigen Feinstaubes, lagert sich aber dennoch in den Bronchien ab, da es nicht einfach durch Abhusten wieder entfernt werden kann: Toner verändert bereits bei Körpertemperatur seinen Zustand und verklebt unter Umständen mit den Schleimhäuten. Tonerschadstoffe können damit dauerhaft und direkt auf die Schleimhäute, insbesondere der Atemwege oder auf die Haut wirken.

Toner wird nicht nur eingeatmet, sondern durch Kontaminationen auch unbeabsichtigt geschluckt. Besonders Beschäftigte im Bereich des Service, Refill und Recycling sind naturgemäß über lange Zeit den Schadstoffen ausgesetzt.

Die zur Ladungserzeugung eingesetzten Koronaentladungen (Korona-Draht) erzeugen Ozon: Im Bereich der hohen Feldstärken wird die Umgebungsluft ionisiert, wobei u. a. Ozon entsteht. Ozon ist gesundheitsschädlich und erzeugt seinerseits ebenfalls schädliche freie Radikale aus anderen Stoffen. Die meisten solcher Geräte haben jedoch Ozonfilter aus Aktivkohle, welche einen großen Teil der Schadstoffe entfernen.

Komplett ozonfrei arbeiten Druckwerke, die die Bildtrommel mit Hilfe einer Ladungsrolle laden. Diese steht in direktem Kontakt mit der Bildtrommel; es ist keine Koronaentladung erforderlich und somit entsteht kein Ozon.