Wie funktioniert ein Laserdrucker?

In Deutschland wurden in jüngster Zeit bis zu vier Millionen Drucker und Multifunktionsgeräte pro Jahr verkauft. Mehr als drei Viertel der verkauften Stückzahlen entfielen auf Multifunktionsgeräte. Sie sind sowohl mit Tintenstrahldruckwerk als auch mit Laserdruckwerk erhältlich. Dass ein Tintenstrahldrucker Tinte aufs Papier spritzt, ist relativ leicht verständlich. Beim Laserdrucker ist die Technik komplizierter und umfasst Bauteile wie Laser, Trommel, Entwicklereinheit, Fixiereinheit und weitere.

Daher haben wir uns entschlossen, dir in unserem Druckerratgeber die Frage zu beantworten: Wie funktioniert ein Laserdrucker? Außerdem erfährst du, wer die Drucktechnik per Laserstrahl entwickelte.

Die ersten mit einem modulierten Laserstrahl arbeitenden Drucker entstanden im Jahr 1970. Der Erfinder war ein bei Xerox angestellter Ingenieur namens Gary Starkweather. Er entwickelte dafür die Elektrophotographie weiter. Diese wurde wiederum vom Amerikaner Chester Floyd Carlson erfunden. Doch das erste Gerät mit der Bezeichnung „XeroX Model A“ erwies sich aufgrund des fehlenden Nutzerkomforts als Flop.

Der erste auf dem Markt erfolgreiche Laserdrucker war der für den PC Xerox Alto entwickelte EARS-Drucker. Er bot bei seinem Erscheinen eine maximale Auflösung von 384 dpi (Dots per Inch). Doch die Kaufpreise lagen bei mehr als 100.000 US-Dollar. Das änderte sich erst, als Hewlett Packard im Jahr 1984 einen LaserJet auf den Markt brachte. Für den ersten HP LaserJet wurde ein Preis von knapp 3.500 US-Dollar aufgerufen. Heute sind die Einsteigermodelle unter den Schwarzweiß-Laserdruckern bereits für weniger als 100 Euro zu bekommen.

Die Techniken der Elektrophotographie unterscheiden sich in direkte und indirekte sowie trockene und nasse Verfahren. Die Funktionsweise des Laserdruckers ordnet sich in die trockenen Verfahren der Elektrophotographie ein. Die dafür genutzte Fachbezeichnung lautet Xerografie, weil die Technologie im Palo Alto Research Center von Xerox entwickelt wurde. Im Gegensatz zu den anderen Verfahren kommt die Xerografie ohne Suspensionen, isolierende Flüssigkeiten und der flüssigen Tinte der Risografie (Matrizenverfahren) aus. Dagegen wird Toner benötigt, das feine Pulver in der Tonerkartusche.

Die Funktionsweise eines Laserdruckers ist hauptsächlich von der Trommel abhängig. Sie trägt in der Fachsprache die Bezeichnungen Bildtrommel oder kurz Drum. Die Trommel verfügt über eine lichtempfindliche Beschichtung. Das heißt, die Beschichtung gehört zur Gattung der Fotoleiter. Zu Beginn kam als Beschichtung der Bildtrommel amorphes Selen zum Einsatz. Mitte der 1970er Jahre erfolgte ein Wechsel auf Beschichtungen aus Silicium und organische Halbleiter.

Durch den Laserstrahl (neuerdings bei einigen Modellen auch LED-Lichtquellen) entstehen Ladungsunterschiede, die letztlich dafür sorgen, dass die Tonerpartikel aus der Tonerkartusche zuerst auf die Bildtrommel und von dort auf das Papier gelangen. Bei der Funktionsweise des Laserdruckers wird also das physikalische Grundprinzip des Ausgleichs unterschiedlicher Ladungen angewendet.

Bei einer Bildtrommel mit Halbleiterbeschichtung wird durch Anlegen einer Spannung auf der gesamten Oberseite eine Schicht aus positiv geladenen Teilchen bewirkt. Dies geschieht meist durch einen Koronadraht. Ein Ausgleich der Ladung kann durch die bei Dunkelheit fehlende Leitfähigkeit nicht stattfinden.

Anschließend kommt der Laser oder die LED-Einheit ins Spiel. Durch die punktuelle Belichtung der Bildtrommel entsprechend des zu druckenden Dokuments (Schrift, Grafik, Bild) wird die Beschichtung leitfähig und es erfolgt schließlich ein Ausgleich der Ladung.

Die nicht belichteten Bereiche behalten ihren Überschuss der positiven Ladung bei. Die negativ geladenen Toner-Partikel werden von diesen Bereichen angezogen und lagern sich an der Trommel an, nachdem die Toner-Partikel von der Entwicklereinheit aus der Kartusche geholt und in die Nähe der Bildtrommel gebracht wurden. Gleichzeitig lädt die Bildtrommel die Oberfläche des Druckerpapiers so stark positiv auf, dass die Ladungsunterschiede zwischen dem Toner und dem Papier größer als zwischen dem Toner und der Bildtrommel sind. In der Folge wandert der Toner von der Trommel auf das Papier und ergibt das Druckbild.

Die Entwicklereinheit kann in die Tonerkartusche integriert oder als Komplettentwicklereinheit mit der Bildtrommel verbaut sein. In ihr befinden sich Magneten auf einer Walze. Diese Magneten der Entwicklereinheit ziehen den Toner an und homogenisiert ihn, sie mischen also das aus der Tonerkartusche angezogene Tonerpulver gleichmäßig. Letzteres ist besonders wichtig bei einem Zweikomponententoner. Ein Abstreifer und ein Mischwerk in der Entwicklereinheit sorgen für eine gleichmäßige Verteilung des Toners. Das ist bedeutend für ein sauberes Druckbild auf dem Papier.

Die Grundlagen der Physik sorgen dafür, dass ständig ein Bestreben zum Ladungsausgleich vorhanden ist. Das beste Beispiel aus der Natur sind Blitze, die während eines Gewitters entstehen. Auch wenn du beim Berühren eines Gegenstands oder einer Person wie aus dem Nichts „eine gewischt bekommst“, findet ein Ladungsausgleich statt.

Das beschriebene Bestreben nach Ausgleich der Ladung hat auch für das Anhaften des Toners zunächst auf der Trommel und schließlich auf dem Papier gesorgt, aber das Tonerpulver liegt anschließend nur lose auf. Die Konsequenz: Du würdest durch die vorhandene (meist ausgeglichene) elektrische Ladung deines Körpers auch einen Ladungsausgleich durch das bloße Berühren des Papiers mit der Hand herbeiführen und die Tonerpartikel, die das Druckbild ergeben, zerstören; das Tonerpulver fällt vom Papier ab.

Deshalb benötigt jeder Laserdrucker im Gegensatz zum Tintenstrahldrucker eine Fixiereinheit. Die Fixiereinheit macht ihrem Namen Ehre, denn sie ist dafür zuständig, den Toner auf dem Papier zu fixieren.

Die meisten Laserdrucker nutzen als Fixiereinheit eine Kombination aus einer Press-Walze und einer Heiz-Walze. Durch die Walze mit integrierter Heizung wird der Toner im Laserdrucker auf bis zu 195 Grad Celsius erhitzt. Dadurch werden die Tonerpartikel verflüssigt und können sich mit den Papierfasern fest verbinden. Durch die Walze wird der verflüssigte Toner zusätzlich auf das Papier gepresst.

Als Heizquellen kommen in der Fixiereinheit des Laserdruckers zumeist stabförmige Halogenlampen zum Einsatz. Allerdings müssen sich die Heiz-Walzen vor dem Erstellen der Ausdrucke zuerst aufheizen. Deshalb benötigen Laserdrucker eine Vorwärmzeit. Das stellt im Vergleich zu Tintenstrahldruckern einen Nachteil dar, denn Tintenstrahler starten Ausdrucke sofort. Außerdem ist die Fixiereinheit für den höheren Energieverbrauch von Laserdruckern gegenüber Tintenstrahldruckern verantwortlich.

Ist der Ausdruck erledigt, muss die Ladung der Bildtrommel neutralisiert werden. Das geschieht über eine Vollbelichtung mit der Laserdiode oder der LED-Leuchtquelle. Gleichzeitig reinigt eine stabförmige Bürste die Oberfläche der Bildtrommel. Dabei werden Tonerpartikel abgestreift, die nicht auf das Papier übertragen wurden. Sie fallen nach unten und landen in einer Sammelbox, die als Resttonerbehälter bezeichnet wird. Das heißt, der Resttonerbehälter braucht in regelmäßigen Abständen im Rahmen der Wartung einen Austausch.

Bei den meisten Laserdrucker-Modellen brauchst du dir darum keine Gedanken zu machen, weil du den Resttonerbehälter zusammen mit der Bildtrommel automatisch tauschen musst. Seine Aufnahmekapazität entspricht deshalb der durchschnittlichen Lebensdauer der Bildtrommel. Der Toner ist übrigens einer der Gründe, warum du verschlissene Bildtrommeln nicht wegwerfen, sondern in Sammelsysteme geben solltest, wie es auch fürs Tonerkartuschen entsorgen gilt.

Als Beschichtungen für die Bildtrommeln von Laserdruckern sind wohl OPC-Schichten als auch amorphes Silizium aktuell üblich. Die OPC-Trommeln reichen für die Funktionsweise des Laserdruckers beim privaten Anwender völlig aus.

Die Beschichtung mit einen Organic Photo Conductor (kurz OPC) verschafft den Bildtrommeln eine Lebensdauer – je nach Modell – zwischen etwa 30.000 und 60.000 Ausdrucken. Laserdrucker für anspruchsvolle gewerbliche Nutzer bringen eine Trommel mit einer Beschichtung aus amorphem Silizium (a-Si) mit. Diese Bildtrommeln halten mehrere Millionen Ausdrucke durch.

Die Lebensdauer der Bildtrommeln und Fixiereinheiten im Laserdrucker ist direkt vom Nutzerverhalten abhängig. Dabei spielen nicht nur der Deckungsgrad der Ausdrucke sowie die Verteilung der zu bedruckenden Bereiche eine wichtige Rolle. Durch die ständige Aufwärmung und Abkühlung kommt Materialermüdung ins Spiel.

Bei einem Laserdrucker solltest du deshalb Druckaufträge sammeln und geschlossen ausdrucken. Das senkt übrigens durch den Wegfall zahlreicher Vorwärmzeiten auch deinen Energieverbrauch (Umweltschutz!) und die Druckkosten. Außerdem solltest du auf hochwertiges Druckerpapier ohne abrasive (reibende) Stoffe achten, um die empfindlichen Oberflächen der Bildtrommeln nicht zu schädigen.

Ursprünglich hatten Tonerpartikel eine Größe, die als „nicht lungengängig“ gilt. Doch die Wünsche der Nutzer an die von Laserdruckern gelieferte Auflösung sorgte für eine stetige Verkleinerung der Tonerpartikel. Schon seit einiger Zeit fallen sie deshalb unter den Oberbegriff Feinstaub. Besonders problematisch ist die Tatsache, dass sich Toner auch schon bei niedrigen Temperaturen verflüssigt. Die Partikel kleben deshalb an der Schleimhaut und du kannst sie nicht vollständig abhusten. Deshalb solltest du grundsätzlich nur Laserdrucker mit Feinstaubfilter nutzen.

Beim Schwarzweiß-Laserdrucker triffst du nur auf eine Bildtrommel. Die meisten Farblaserdrucker arbeiten dagegen mit mehreren Bildtrommeln. Das heißt, es gibt für jede der Prozessfarben Cyan, Magenta, Yellow (Gelb) und Black (Schwarz) eine separate Trommel. Diese Funktionsweise des Farblaserdruckers kommt einer höheren Druckgeschwindigkeit zugute, denn: Bei der Bestückung mit nur einer Bildtrommel müsste die Belichtung und Entladung mehrmals nacheinander durchgeführt werden. Das heißt, das Papier müsste die Bildtrommel insgesamt 4 x durchlaufen. Bei Fotodruckern, die mit zusätzlichen Farben (Grau und Farbnuancen) arbeiten, erhöht sich die Zahl der notwendigen Durchläufe. Dadurch würde der Druckvorgang extrem lange dauern.

Dazu musst du wissen, dass Laserdrucker sowohl mit einem Weißschreiber als auch einem Schwarzschreiber arbeiten können. Der Weißschreiber markiert auf der Bildtrommel die Bereiche, die später weiß bleiben sollen. Der Schwarzschreiber aktiviert die Stellen, an denen Toner auf das Papier übertragen werden soll. Aus diesen beiden Prinzipien der Funktionsweise von Laserdruckern resultieren Unterschiede beim Druckbild. Bei einem Drucker mit Weißschreiber erhältst du tiefschwarze Flächen. Anderseits ist bei einem Schwarzschreiber die Darstellung feiner Linien beispielsweise beim Ausdruck von Texten besser. Er liefert deutlich schärfere Kantenzeichnungen.

Das ist eine sehr interessante Frage, denn bisher sieht es so aus, als ob der Laser auf der Beschichtung der Bildtrommel die Ladungsunterschiede nur ein- und ausschalten könnte. Doch das ist nicht der Fall. Über die Intensität der Laser kann das Ausmaß der Ladungsunterschiede in 256 Stufen gesteuert werden. Durch die unterschiedliche Ladungsintensität gelangen unterschiedliche Mengen von Tonerpartikeln auf das Papier. In der Folge bekommen auch die einzelnen Farben verschiedene Intensitäten. Das gilt genauso bei der Übertragung von schwarzen Tonerpartikeln, wodurch die 256 Graustufen entstehen.

Die Technik des Laserdruckers kann noch so gut sein, aber wenn dein Drucker nicht die optimalen Daten bekommt, erhältst du Ausdrucke in einer schlechten Qualität. Der Drucker benötigt Informationen darüber, in welcher Farbe er die einzelnen Bildpunkte darstellen soll. Diese Informationen werden Rasterdaten genannt und im Raster Image Prozessor (kurz RIP) erzeugt.

Mache Drucker bringen einen eigenen RIP mit, andere Modelle nutzen die Fähigkeiten, die das Betriebssystem der verbundenen Rechner zur Verfügung stellt. Letztere gehören zur Kategorie GDI-Drucker und sind sehr weit verbreitet. Sie benötigen als Schnittstelle zum Betriebssystem spezielle Druckertreiber. Drucker mit eigenem RIP gehören zu PostScript-fähigen Druckern und wandeln die Seitenbeschreibungen selbst in Rasterdaten um. Eine Alternative im gewerblichen Einsatz wäre die Zwischenschaltung spezieller RIP-Server.

• Ein großer Nachteil ist der Weg, den das Papier im Laserdrucker zurücklegen muss. Durch die notwendige Passage der Bildtrommel, der Entwicklereinheit und der Fixiereinheit muss das zu bedruckende Medium biegsam sein. Die Konsequenz ist, dass Laserdrucker Fotokarton mit einem sehr hohen Flächengewicht nicht verarbeiten können. Im Tintenstrahldrucker gibt es dazu eine einfache Lösung in Form des Einzelblatteinzugs.
• Außerdem kannst du mit dem Laserdrucker aufgrund seiner Funktionsweise nur hitzebeständige Medien bedrucken. Das schließt beispielsweise die Verarbeitung einiger Arten von Druckfolien aus.
• Für Referenzausdrucke sind Laserdrucker ungeeignet, da die Ausgabe der Farben durch äußere Faktoren (Raumtemperatur, Tonerfeuchte) beeinflusst wird.
• Laserdrucker sind durch die kompliziertere Technik wartungsintensiver.
• Es ist wichtig, das Laserdrucker reinigen nicht zu vernachlässigen.

Ob du die Arbeitsweise von Tintenstrahldruckern bevorzugen oder die Funktionsweise von Laserdruckern nutzen solltest, hängt von der Art deiner Druckaufträge ab. Außerdem spielt es eine Rolle, welche Medien du bedrucken möchtest.

Die Unterschiede bei den Druckkosten und der Druckgeschwindigkeit sind zwischen Laserdruckern und Tintenstrahldruckern längst nicht mehr so groß wie noch vor ein paar Jahren. Allerdings spielen Unterschiede beim Druckbild eine wichtige Rolle.

Der Laserdrucker ist ein idealer Begleiter für den Büroalltag, während du beim Fotodruck mit einem guten Tintenstrahldrucker besser beraten bist.

Die gesundheitlichen Risiken, die in der Vergangenheit viele Interessenten vom Kauf eines Laserdruckers abgehalten haben, kannst du durch die Beschränkung auf Laserdrucker mit Ozonfilter bzw. ozonfreie Laserdrucker und Feinstaubfilter ausschalten.

Zum Abschluss noch ein Video. Es ist zwar schon älter, erklärt aber schön, wie ein Fotokopierer funktioniert. Ein Laserdrucker basiert auf der gleichen Funktionsweise:

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