miniatur|Klassisches Fotokopiergerät nach dem von Xerox entwickelten Verfahren miniatur|Prinzip der Elektrofotografie
Die Fotokopie, Xerografie oder Elektrofotografie ist ein elektrofotografisches Verfahren der Informationsübertragung mit Hilfe von elektrisch geladenem Farbpulver.
In der Alltagssprache wird der Begriff Kopie gleichbedeutend verwendet.
Verfahren der Elektrofotografie Man unterscheidet direkte und indirekte sowie nasse und trockene Elektrofotografie. Die Nassverfahren nutzen als Entwickler eine Suspension aus einem aliphatischen Lösungsmittel mit geringer Dielektrizitätskonstante und dem Toner (siehe auch Nassabzugverfahren), während das Trockenverfahren ein Pulver verwendet.
Direktes Verfahren 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.
Indirektes Verfahren 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.
Trockenes Verfahren 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.
Matrizenverfahren mit flüssiger Farbe 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. 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.
Xerografie Die Xerografie (von „trocken“ und -graphie) ist ein Verfahren zur Trockenkopie von meist einfarbigen Papiervorlagen (z. B. Akten), das in allen heute gängigen Kopiergeräten und Laserdruckern eingesetzt wird. Die Ergebnisse dieser Trockenkopierer sind denen der Tintenstrahldrucker oder Verfahren mit Thermopapier (Thermokopierer, Thermodrucker) hinsichtlich Auflösung, Lichtechtheit und Beständigkeit überlegen.
Geschichte 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.
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.
Funktionsweise miniatur|Funktionsschema der Bildtrommel miniatur|Prozessschritte des elektrofotografischen Druckprozesses miniatur|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.
Prozess Corona-Aufladung der aktiven Schicht 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.
Belichtung 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.
Entwicklung 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.
miniatur|Transfertrommel
Toner-Transfer 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.
Fixierung 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.
Vollentladung und Reinigung 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.
Anforderungen 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.
Lebensdauer 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.
Dauerhaftigkeit 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.