Wie Laserdrucker arbeiten

Drucker sind aus modernen Büros nicht wegzudenken. Sie sind unverzichtbare Werkzeuge für die Erstellung von Dokumenten, Präsentationen und vielem mehr. Unter den verschiedenen Drucktechnologien nimmt der Laserdrucker eine wichtige Stellung ein, insbesondere in Umgebungen, wo hohe Geschwindigkeiten und große Druckvolumen gefragt sind. Laserdrucker, auch bekannt als fotoelektrische Drucker, nutzen ein komplexes, aber hochpräzises Verfahren, um Text und Bilder auf Papier zu bringen. Dieses Verfahren basiert auf dem Prinzip der Elektrofotografie, auch als Xerox-Verfahren bekannt. Es ist ein mehrstufiger Prozess, der elektrostatische Ladungen, Licht und Wärme kombiniert, um den Toner dauerhaft auf dem Druckmedium zu fixieren.

Im Kern des Laserdruckers befindet sich die Bildtrommel. Diese ist mit einem speziellen Photoleiter beschichtet und ihre nutzbare Oberfläche entspricht in der Regel der Größe einer DIN-A4-Seite. Der Druckvorgang beginnt damit, dass diese Bildtrommel vorbereitet und anschließend gezielt mit einem Laser belichtet wird, um das gewünschte Druckbild zu erzeugen. Anschließend wird Toner, ein feines Pulver, auf die Trommel aufgebracht und auf das Papier übertragen, bevor er durch Hitze und Druck fixiert wird. Jeder dieser Schritte ist entscheidend für die Qualität des Endergebnisses.

Konditionierung der Bildtrommel

Der erste Schritt im Laserdruckprozess ist die Konditionierung oder Aufladung der Bildtrommel. Die Beschichtung der Trommel, die aus einem Photoleiter besteht, wird zunächst elektrostatisch negativ aufgeladen. Dies kann auf zwei Arten geschehen: entweder mittels einer Ladekorona oder mittels Ladungswalzen. Die Ladekorona ist ein dünner Draht, der nahe der Bildtrommel angebracht und unter hohe Spannung gesetzt wird. Dabei entsteht ein starkes elektrisches Feld. Ladungswalzen hingegen haben den Vorteil, dass sie kaum noch Ozon produzieren, da keine hochspannungsführenden Teile direkten Kontakt mit der Umgebungsluft haben. Diese gleichmäßige negative Aufladung der gesamten Trommeloberfläche ist die Grundlage für das anschließende „Schreiben“ des Bildes.

Belichtung

Nachdem die Bildtrommel negativ aufgeladen ist, erfolgt die Belichtung. Ein Laserstrahl wird über einen rotierenden Polygonspiegel und einen Umlenkspiegel zeilenweise auf die Bildtrommel gelenkt. Dieser Laserstrahl wird rasterartig an- und ausgeschaltet. Die Trommel wird also Punkt für Punkt von diesem hin- und herbewegten Laserstrahl beschrieben, und zwar genau an den Stellen, an denen später kein Toner auf die Trommel aufgetragen werden soll. An den belichteten Stellen wird der Photoleiter leitend und verliert dadurch seine negative Ladung. Sind keine Informationen (Buchstaben, Bilder) aufzubringen, bleibt der Laser für den entsprechenden Punkt aus und damit die Ladung unverändert. Ob und wie der Laser aktiv wird, hängt direkt von den Druckdaten des Anwendungsprogramms ab. So entsteht ein Negativ des späteren Ausdrucks in spiegelverkehrter Form auf der Bildtrommel. Bei Farb-Laserdruckern belichtet der Laserstrahl die Bildtrommel oder das Transferband viermal pro Druckseite, für jede einzelne Farbe (Cyan, Magenta, Gelb, Schwarz) einmal.

Grauabstufungen bei einfachen Laserdruckern oder weitere Farben bei einfachen Farblaserdruckern werden durch die Annäherung von Halbtönen mittels Druckraster (Halbtonrasterung) erreicht. Höherwertige Laserdrucker können deutlich höhere Auflösungen erzielen, da sie Mischfarben durch echte Farbmischung auf dem Druckmedium erzeugen – dies wird als Vollfarbsystem bezeichnet. Bei diesen fortschrittlicheren Laserdruckern wird die Ladung auf der Trommel nicht einfach auf Null reduziert, sondern kann in Stufen abgeschwächt werden, oft bis zu 256 verschiedene Stufen. Diese Abschwächung der Ladung wird entweder durch unterschiedliche Verweildauer des Lasers an einer Stelle oder durch Mehrfachüberstreichen derselben Stelle erreicht.

Entwicklung

Nach der Belichtung dreht sich die Bildtrommel weiter und gelangt in die Entwicklereinheit. Die Entwicklereinheit ist ein technisches Bauteil des Laserdruckers, das den Toner enthält. Der Toner selbst ist elektrostatisch gegensätzlich zum Photoleiter negativ aufgeladen und enthält feine Eisenteilchen. Die Aufgabe der Entwicklereinheit ist es, eine dünne Tonerschicht auf die Bildtrommel aufzutragen. Aufgrund der gegensätzlichen Ladung springt der negativ geladene Toner auf die Trommel über, allerdings nur an den Stellen, an denen der Laserstrahl die Ladung gelöscht hat (also dort, wo das Bild erscheinen soll). Die Bereiche, die noch negativ geladen sind, stoßen den negativ geladenen Toner ab.

Toner-Transfer

Nachdem der Toner auf die Bildtrommel aufgebracht wurde, bewegt sich der Photoleiter weiter, um den Toner auf das zu bedruckende Medium zu übertragen. Dies kann auf verschiedene Weisen geschehen. Entweder kommt die Bildtrommel direkt mit dem Papier, der Folie oder einem anderen Druckmedium in Kontakt, oder der Toner wird zunächst auf eine Transferwalze oder ein Transferband übertragen. Beim Mehrfarbdruck bei älteren Laserdruckern werden nacheinander alle Tonerfarben (Cyan, Magenta, Gelb, Schwarz) auf das Transfermedium aufgebracht. Um eine präzise Überlagerung der Farben zu gewährleisten und Farbverschiebungen zu vermeiden, muss die Bildtrommel hierbei besonders genau arbeiten. Die Übertragung des gesamten, nun aus allen Farben bestehenden Bildes auf das Papier erfolgt dann in einem einzigen Schritt vom Transfermedium auf das Papier.

Alternativ zum Transfermedium werden auch elektrostatisch vorgeladene Papiertransportbänder verwendet, sogenannte Electrostatic Transport Belts. Auf diesen Bändern kann das Papier so präzise positioniert werden, als wäre es festgeklebt. Das auf dem Transferband oder der Transferwalze gesammelte Bild ist nun das spiegelverkehrte Abbild, das auf das Papier übertragen werden soll. Damit der Toner auf dem Papier haftet, muss das Papier vorher positiv aufgeladen werden. Dies kann ebenfalls durch einen Coronadraht oder eine Ladewalze (PCR) geschehen. Der Coronadraht legt Hochspannung an, wodurch ein starkes Spannungsfeld entsteht, das das Papier positiv auflädt. Eine Ladewalze liegt direkt am Papier an und benötigt kein solches Spannungsfeld, was die Entstehung von giftigem Ozon verhindert. Die Mechanik im Drucker führt das Papier dann am Transferband vorbei. Das positiv geladene Papier zieht den negativ geladenen Toner regelrecht an sich.

Neuere Farb-Laserdrucker arbeiten oft mit vier einzelnen Druckwerken, das heißt, für jede Farbe gibt es ein separates Werk. Das zu bedruckende Papier durchläuft alle vier Druckwerke nacheinander. Dies erfordert eine noch genauere Positionierung des Papiers. Typischerweise wird zuerst Cyan-Toner auf die Bildtrommel aufgebracht, dann Magenta, danach Gelb und zuletzt Schwarz. Dieses Verfahren ermöglicht kontinuierliches Drucken. Während ältere Laserdrucker mit Transferband das Band nacheinander mit jeder Farbe beschicken mussten (was vier Umläufe des Bandes für eine Seite benötigte), können neuere Drucker mit vier getrennten Druckwerken bereits die Folgeseite drucken, während das letzte Werk noch die vorhergehende Seite bearbeitet. Dadurch erreichen sie im Farbdruck oft die gleiche Seitenleistung wie im Monochrom-Druck. Bei alten Laserdruckern mit Transferband verringert sich die Seitenleistung beim Farbdruck im Vergleich zum Monochrom-Druck drastisch, oft auf nur 25 Prozent.

Fixierung

Damit der Toner nicht nur lose auf dem Papier liegt und abgewischt werden kann, muss er fixiert werden. Dies geschieht in der Fixiereinheit. Die Fixiereinheit besteht im Wesentlichen aus zwei Hohlwalzen, die eine spezielle Beschichtung tragen, oft aus Teflon oder Silikongummi. Im Inneren von mindestens einer der Walzen befindet sich ein Heizstab, der die Walze auf rund 180 °C aufheizt (die genaue Temperatur kann je nach verwendetem Medium um ± 10 °C variieren). Die andere Walze sorgt für den notwendigen Gegendruck. Wenn das Blatt Papier die Fixiereinheit durchläuft, schmelzen die Harze im Toner durch die Hitze und den Druck. Dadurch verklebt der Toner dauerhaft mit den Fasern des Papiers. Aus diesem Grund ist das Papier, das aus einem Laserdrucker kommt, immer sehr warm.

Um zu verhindern, dass möglichst wenig Toner an den Heizwalzen haften bleibt, dient einerseits die spezielle Beschichtung der Walzen. Andererseits kann eine leichte elektrostatische Aufladung der Walzen helfen, die den Toner entweder abstößt (obere Walze) oder anzieht (untere Walze). Toner, der es dennoch schafft, auf den Heizwalzen zu verbleiben, wird bei höherwertigen Laserdruckern durch Reinigungswalzen oder ein Reinigungsvlies entfernt.

Teilweise wird auch eine Nassfixierung verwendet. Dabei wird die Heizung über austauschbare Kartuschen mit Silikonöl versorgt, das die Reinigungswalzen benetzt. Dieses Öl verhindert das Anhaften des Toners. Je nach konstruktivem Aufwand der Fixiereinheiten liegen die Standzeiten, also die Anzahl der Druckseiten, die eine Fixiereinheit bewältigen kann, im Bereich zwischen 40.000 und 400.000 Druckseiten. Ein Hersteller, Océ, ein führendes Unternehmen im Bereich hochwertiger Druck- und Dokumentmanagement-Lösungen, arbeitet mit einem Fixierverfahren, das eine wesentlich niedrigere Fixiertemperatur (nur rund 70 °C) verwendet, dafür aber einen wesentlich höheren Druck. Dieses Verfahren ist konstruktiv aufwendiger und teurer, hat aber den Vorteil, dass auch wärmeempfindlichere Medien bedruckt werden können.

Bei Farb-Laserdruckern werden die einzelnen Grundfarben nacheinander mit dem entsprechenden Toner übereinander auf das Papier gedruckt und anschließend fixiert. Da bei Farb-Laserdruckern die vierfache Menge Toner auf dem Papier sein kann (im Vergleich zu Schwarz-Weiß), besteht ein höheres Risiko, dass Toner an den Walzen der Fixiereinheit kleben bleibt, anstatt auf dem Papier zu haften. Um dies zu verhindern, benetzen einige Farb-Laserdrucker die Fixierwalzen zusätzlich mit einem dünnen Film Silikonöl. Dies kann jedoch zu einem unerwünschten Glanz auf dem Papier führen. Moderne Farblaserdrucker, wie beispielsweise der HP Color Laserjet 4600N, arbeiten ohne Fixieröl. Bei ihnen besitzen die Tonerpartikel oft eine dünne Wachsschicht, welche die Aufgabe des Öls übernimmt. Am Papierauswurf können feine Härchen vorhanden sein, die über das Papier streichen und dafür sorgen, dass sich das noch positiv geladene Papier wieder neutralisiert. Ohne diese Neutralisierung könnten die Blätter aneinander haften bleiben.

Vollentladung

Nachdem das fixierte Blatt den Drucker verlassen hat, dreht sich die Bildtrommel weiter, um für den nächsten Druckvorgang vorbereitet zu werden. Dabei wird der verbleibende Resttoner von der Trommel abgestreift. Bei aufwändiger konstruierten Laserdruckern wird dieser Resttoner in einem speziellen Resttonerbehälter gesammelt. Zuvor wird die Trommel oft durch eine Vollbelichtung elektrisch entladen, um sicherzustellen, dass keine Ladungsreste zurückbleiben. Bei kleineren Laserdruckern, insbesondere solchen mit integrierten Toner-Trommel-Kartuschen, wird der verbleibende Toner in die Entwicklereinheit zurückbefördert und wiederverwendet oder entsorgt, wenn die Kartusche gewechselt wird.

Häufig gestellte Fragen

• Warum ist das Papier aus einem Laserdrucker warm?
  Das Papier ist warm, weil der Toner in der Fixiereinheit durch Hitze (ca. 180 °C) und Druck auf das Papier geschmolzen und fixiert wird. Diese Wärme überträgt sich auf das Papier.

• Was ist die Bildtrommel?
  Die Bildtrommel ist eine Walze im Laserdrucker, die mit einem Photoleiter beschichtet ist. Sie wird elektrostatisch aufgeladen und dann vom Laser belichtet, um das Druckbild als Ladungsmuster zu erzeugen, das den Toner anzieht.

• Wie unterscheidet sich ein Farblaserdrucker von einem Schwarz-Weiß-Laserdrucker in der Funktionsweise?
  Ein Farblaserdrucker durchläuft den Prozess der Belichtung, Entwicklung und des Transfers für jede der vier Grundfarben (Cyan, Magenta, Gelb, Schwarz). Bei älteren Modellen geschieht dies nacheinander auf einem Transferband, während modernere Drucker oft vier separate Druckwerke nutzen, die das Papier nacheinander durchläuft, was schneller ist. Außerdem ist die Tonermenge auf dem Papier höher, was spezielle Fixierungsverfahren erfordern kann.

• Was ist Toner?
  Toner ist ein feines Pulver, das Harze und Pigmente enthält. Es ist elektrostatisch geladen und haftet an den Bereichen der Bildtrommel, die durch den Laser entladen wurden. Später wird es durch Hitze und Druck auf dem Papier fixiert.

• Was passiert in der Fixiereinheit?
  In der Fixiereinheit wird der Toner durch die Kombination von hoher Temperatur (ca. 180 °C) und Druck geschmolzen und dauerhaft mit den Fasern des Papiers verbunden, sodass der Ausdruck wischfest ist.

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