Referat über das Thema

Xerographie

von Boris Bull, NGO12 im Januar 2001

I. Die Geschichte der Xerographie

"Das brauchst Du nicht abzuschreiben, ich geh in der Pause in den Kopierraum und zieh dir ein Exemplar ab."

Dieser Satz geht uns heute so schnell von den Lippen, dass das Photokopieren eigentlich aus unseren (Schul-)Alltag nicht mehr wegzudenken ist.

Die heute so selbstverständliche Technologie nahm vor fast genau 60 Jahren ihren Anfang.

Damals saß Chester F. Carlson mal wieder in seiner Küche und hantierte mit Schwefel. Da seine Arbeit in einem Patentbüro einer kleinen Firma ihm so zuwider war - er verbrachte seinen Arbeitstag damit, Zeichnungen und Patentschriften zu kopieren, d. h. per Hand abzuschreiben - suchte er in seiner Freizeit nach einer Möglichkeit eines automatischen Kopiersystems.

Nachdem aber Schwefel und Wasserstoff bekanntlich nach faulen Eiern stinken, beschwerten sich die Nachbarn über diese Belästigung, so dass Carlson sich bald ein eigenes Labor einrichten musste, um seine Forschungen fortsetzen zu können.

Nach vielen gescheiterten Versuchen gelang ihm schließlich mit Hilfe des Physikers Otto Kornei der Durchbruch: Sie beschichteten eine Metallplatte mit Schwefel und luden sie elektrisch auf, indem sie diese Platte mit einem Baumwolltuch abrieben. Anschließend beschrifteten sie eine Glasplatte mit dem Datum und dem Ort des Versuches - "10-22-38 Astoria" - und legten diese auf die Metallplatte. Der Raum wurde verdunkelt und die Platte mit einer starken Lampe belichtet. Dann wurde die Glasplatte entfernt und Bärlappsamen, der sehr kleine Samenkörner hat, über die Metallplatte gestreut. An den beleuchteten Stellen war die Ladung verschwunden, nur an den abgedunkelten Stellen, da wo im Original der Schriftzug war, blieben die Samenkörner haften. Anschließend wurde ein Blatt Wachspapier auf die Platte gedrückt und mit dem Bärlappsamen abgezogen. Die erste Photokopie war geboren. Natürlich entsprach dieses Verfahren prinzipiell dem, was moderne Kopierer heute mit Halbleitertrommel und Toner machen.

Versuche, diese Erfindung zu vermarkten waren noch wenig erfolgreich. Alle Firmen, denen er dieses Verfahren anbot, darunter IBM und General Electric, hatten ein "enthusiastisches Fehlen von Interesse", wie Carlson es nannte. Carlson ließ sich dieses Verfahren, das er damals Elektrophotographie nannte, jedoch patentieren. 1944 unterstützte ihn dann das Batelle Memorial Institute in Columbus, Ohio, mit einer Spende von 3.000 $, um seine Idee umzusetzen. Erst drei Jahre später war die Firma Haloid in Rochester, N.Y, bereit, Photokopierer in Serie zu bauen. Haloid stellte damals Photopapier und sonstiges Zubehör für die Photographie her.

1950 kam dann der erste kommerzielle Trockenkopierer auf den Markt, das Modell A. Von einfacher Bedienung konnte jedoch noch keine Rede sein: Für eine Kopie musste der Benutzer 39 Arbeitsschritte ausführen.

Da die Bezeichnung "Elektrophotographie" jedoch für das Marketing nicht so geeignet war, schlug ein Professor der Ohio State University die Bezeichnung "Xerographie" vor, vom griech. "xeroV" "grafein", "trocken" "schreiben". Die Fa. Haloid nannte sich dann ab 1958 Haloid Xerox Inc.

Einige Jahre später, 1959, kam dann der erste vollautomatische Kopierer auf den Markt, die Xerox 914. Diese machte damals schon selbständig 6 Kopien pro Minute auf Normalpapier. So zuverlässig wie heute war dieses Modell allerdings noch nicht: Bei einer Präsentation von zwei dieser Kopierer fing der eine Feuer...

Trotz allem hatte die Xerox 914 so einen Erfolg dass sich die Fa. Haloid 1961 in Xerox Corporation umbenannte.

Kaufen konnte man diesen Kopierer nicht. Man konnte ihn nur mieten. In der Grundmiete waren monatlich 2.000 Kopien enthalten, jede weitere Kopie kostete 4 Cent.

Chester F. Carlson, der aus bescheidenen Verhältnissen stammte, starb 1968 und hinterließ ein Vermögen von 150 Mio. Dollar. Und das alles nur, weil er seinen langweiligen Büroalltag etwas vereinfachen wollte.

II. Prinzip und Verfahrensschritte

Die Xerografie ist ein Verfahren, bei dem ein Bild erzeugt wird, indem ein thermoplastisches Pulver - der Toner - von einem lichtempfindlichen Fotorezeptor angezogen wird. Dieser Toner wird wiederum auf das Papier übertragen und das Tonerbild anschließend mit Hitze und Druck fixiert.

Bei diesem Prozess der Bildgebung dreht sich der als Trommel bzw. Band ausgeführte Fotorezeptor und durchläuft die nachfolgend kurz erläuterte Folge von sieben Einzelschritten:

1. Aufladung

Zum Aufladen der Selentrommel wird ein spezieller Draht benutzt. Er heißt Korotron-Draht und eignet sich besonders für hohe Spannungen. Er ist innerhalb eines Metallgehäuses angebracht, das ihn schützt und zugleich als elektrische Abschirmung wirkt. Die Abschirmung verhindert, dass die hohe Spannung auf unerwünschte Stellen einwirkt. Dieser Draht hat eine interessante Funktion innerhalb des Prinzips der Xerographie: Unter einer hohen positiven Spannung von 7.000 Volt zieht er negative Teilchen (Elektronen) aus der Luft ab. In dieser Luft werden dadurch positive Teilchen (Ionen) frei, die das Selen auf der Trommel positiv aufladen. Es ist also für das Prinzip der Xerographie wichtig, dass der Korotron-Draht ständig von Luft umgeben ist.

Wird die Selenschicht der Trommel bei Dunkelheit aufgeladen, kann sie diese Ladung recht lange halten.

Zunächst bringt das sogenannte Koroton eine einheitliche elektrostatische Ladung auf die Oberfläche des Fotorezeptors auf.

2. Bildgebung

Die Trommel ist nach der Aufladung für den xerographischen Prozess bereit.

Das Original kann jetzt abgelichtet werden. Durch ein System optischer Linsen (siehe unten) wird - ähnlich wie bei der Fotografie -, das Bild des Originals auf die Selentrommel geworfen. Die hellen Stellen des Originals reflektieren Licht, die dunklen Stellen nicht. Aus diesem Grunde fällt das Licht nicht gleichmäßig auf die Selentrommel, sondern nur dort, wo das Original hell ist. Das bedeutet:
Die Ladung der Selentrommel bleibt da erhalten, wo das Original dunkel ist.
Durch das optische System wird das Bild des Originals auf der Selentrommel umgekehrt und seitenverkehrt abgebildet. Diese Abbildung ist auf der Selentrommel nicht sichtbar, da das menschliche Auge Ladungsunterschiede nicht erkennen kann. Da wir aber eine sichtbare Abbildung brauchen, muss das schon vorhandene - aber noch nicht sichtbare Bild -, sichtbar gemacht werden.

Dann wird das Bild der Originalvorlage auf den Fotorezeptor projiziert. Eine Lampe (1) beleuchtet das Dokument (2). Das Bild wird von einem Spiegel (3) durch ein Objektiv (4) reflektiert und über einen weiteren Spiegel (5) auf den Fotorezeptor projiziert.

3. Entwicklung

In Schritt 2 haben wir gelesen, dass unser Bild noch unsichtbar in Form einer positiven Ladung auf der Selentrommel vorhanden ist. Nun muss das Bild zunächst sichtbar gemacht werden. Der Entwickler, also das Gemisch aus Toner und Träger(*), wird dazu gleichmäßig über die Selentrommel geschüttet. Dieser Vorgang heißt "Kaskadieren". Da der Toner auf dem noch unsichtbaren Bild der Selentrommel haften soll, muss er vom Träger abgelöst und von der Trommel angezogen werden. Das ist dadurch möglich, dass die Selentrommel stärker positiv geladen ist als der Träger. Nach dem Kaskadieren ist das Bild auf der Selentrommel - wie schon beschrieben -, erkennbar... und zwar seitenverkehrt. Das Bild ist jetzt noch verwischbar, der Toner sitzt locker, als Staub-Bild auf der Trommel.

(*) Toner und Träger è Das Xerographie-Gemisch setzt sich aus zwei Bestandteilen zusammen: 1. dem Träger und 2. dem Toner (Bildpulver). Als Träger nimmt man Ouarzsand oder auch Glas- oder Stahlkügelchen, die mit einem Kunststoffmantel umgeben sind. Der Träger ist das Transportmittel für den Toner-Staub. Der Toner besteht aus einem tief schwarzen thermoplastischen Pulver. "Thermoplastisch" bedeutet, dass es unter Wärme verformbar ist. Dieses Pulver wird später auf das Papier übertragen. Die beiden Bestandteile des Entwicklers - der Träger und der Toner - werden miteinander vermischt. Beim Mischen entsteht Reibung, dadurch laden sich, nach den elektrostatischen Gesetzen, Toner und Träger gegenseitig auf. Der Toner wird gegenüber dem Träger negativ und umgekehrt, der Träger gegenüber dem Toner positiv. Da sich gegensätzliche Ladungen anziehen, legt sich der Toner wie eine Hülle um den Träger.

4. Übertragung

Um ein getreues Abbild des Originals zu erhalten, muss das Staub-Bild - das sich auf der Selentrommel befindet -, nun auf das Papier übertragen werden. Damit der Toner bei diesem Vorgang von der Selentrommel abgezogen werden kann, muss das Papier eine stärker positive elektrostatische Ladung bekommen als die Trommel. Also wird das Papier ebenfalls durch den Korotrondraht positiv aufgeladen, und zwar so stark, dass es den Toner von der Selentrommel abziehen kann. Das stärker positiv geladene Papier hält nun den Toner-Staub. Das Bild ist jetzt wieder seitenrichtig, aber noch verwischbar. Der Toner liegt nur lose auf dem Papier, er muss fixiert werden

Mit diesem elektrisch haftenden Tonerbild dreht sich der Fotorezeptor, bis er mit einem Blatt Papier in Kontakt kommt. Dieses Blatt wird wiederum, wie schon beschrieben, mit einem Korotron-Draht aufgeladen.

5. Fixierung

Der Toner besteht wie erwähnt, aus einem tiefschwarz eingefärbten thermoplastischem Material. Thermoplastisch bedeutet, dass der Toner unter der Einwirkung von Hitze weich wird. Nun wird das Papier erhitzt. Der Toner, der auf dem Papier liegt, wird weich und verschmilzt mit dem Papier. Das Papier kühlt sich schnell wieder ab. Fertig ist die xerographische Kopie.

Das Papier wird vom Fotorezeptor gelöst und durchläuft zwei gummibeschichtete Walzen, die die Tonerpartikel durch Aufbringen von Hitze und Druck miteinander verschmelzen und auf dem Papier fixieren.

6. Reinigung

Beim Übertragen des Staub-Bildes von der Selentrommel auf das Papier bleiben einige Toner-Partikelchen an der Selentrommel hängen. Sie müssen entfernt werden, bevor ein neuer Xerographiescher Prozess beginnen kann. Diese Partikelchen bleiben hängen, weil die Trommel immer noch eine positive Restladung statischer Elektrizität hat. Bisher kennen wir nur den Korotron-Draht als positive Spannungsquelle. Man kann ihn auch mit negativer Spannung beschicken, dann reinigt er die Selentrommel in Verbindung mit einem weichen Filz und einem Auffangbehälter.

Die verbleibende statische Aufladung wird dann von einem Reinigungs-Korotron abgeschwächt und der restliche Toner mit Hilfe eines Abstreifers bzw. einer Magnetbürste entfernt. Zum Abschluss wird der Fotorezeptor durch die Lichtquelle vollständig neutralisiert. Anschließend ist die Oberfläche bereit, erneut die verschiedenen Schritte der Aufladung und Bildgebung zu durchlaufen.