Die Geschichte der Xerographie: Von der Fotokopie zum Laserdrucker

Dank der Xerografie können wir heute von effizienten Laserdruckern profitieren.
Dank der Xerografie können wir heute von effizienten Laserdruckern profitieren. © 12196973 - Smileus, depositphotos.com

Den meisten heute eher unter dem Begriff Elektrofotografie oder von der Firma Xerox bekannt, ist die Xerografie die ausschlaggebende Technologie hinter Laserdruckern und Kopierern, die aus dem Büro, Homeoffice oder Privatgebrauch kaum mehr wegzudenken ist. Das virtuelle Büro konnte sich noch nicht in allen Bereichen durchsetzen, weshalb ebendiese Geräte wie Drucker, Kopierer, Fax und Co. auch weiterhin großflächig vertreten sind. Wer dabei große Druckvolumen zu bewältigen hat, setzt auf elektrofotografische bzw. xerografische Systeme. Die Geschichte des Druckers ist eine lange, über Jahrhunderte hinweg spezifizierte Tradition, die ihren Höhepunkt in den letzten Jahren und Jahrzehnten mit Offsetdruckern für den Produktionsdruck, 3D-Druckern vor allem für die Industrie sowie in hochmodernen Laserdruckern fand. Wie so oft in der Geschichte der Technik begann alles mit einem Experiment aus einer Notwendigkeit heraus, das Leben zu erleichtern.

Chester Carlson und die ersten Versuche zum elektrofotografischen Kopierverfahren

Die Xerografie revolutionierte dank Chester Carlson die Büroarbeit maßgeblich.
Die Xerografie revolutionierte dank Chester Carlson die Büroarbeit maßgeblich. © 116382780 – Rawpixel, depositphotos.com

Der amerikanische Physiker und spätere Patentanwalt Chester Carlson gilt als Erfinder der Xerografie. Aus ärmlichen Verhältnissen stammend, konnte sich der mittellose angehende Patentanwalt dazumal die Bücher für sein Studium nicht leisten, weshalb er die benötigten, teils sehr langen Passagen in mühevoller Handarbeit noch selbst abschreiben musste. Dies war zeitaufwändig und mühsam, weshalb er begann, sich Gedanken über ein simpleres und schnelleres Kopierverfahren zu machen, wobei in ihm bereits im Jugendalter eine solche Idee zu keimen begann. Unermüdlich versuchte er einen Weg zu finden, um ein elektrofotografisches Kopiergerät zu entwickeln, welches mittels elektrochemischen Reaktionen auf diversen Stoffen Kopien erzeugen konnte. Ein damals revolutionärer Ansatz, denn das Kopieren stand noch in den Kinderschuhen und war ein Prozess, der zu jener Zeit auch in Büros noch viel Zeit in Anspruch nahm. Nach einigen erfolglosen Versuchen, erzielte er mit seinem 1938 entwickelten Verfahren, welches er „Electron Photography“ nannte, einen ersten Durchbruch und meldete seine Innovation umgehend zum Patent an. Für die Entwicklung seiner Dokumentenduplikate nutzte er ein feines Pulver, welches über ein elektrostatisches Ladungsbild auf Papier transferiert und dort entwickelt wurde. Mithilfe von Wärme konnte es dauerhaft dort festgehalten werden. 

Zusammenarbeit mit Kornei und vielversprechende Erfolge

Soweit die Theorie. Was fehlte, war ein Gerät, welches diese innovative Technologie umsetzen konnte. Zu diesem Zweck stellte Carlson den österreichischen Elektroingenieur Otto Kornei ein, der zu jenem Zeitpunkt verzweifelt nach Arbeit suchte. Gemeinsam experimentierten sie und führten erste Versuche durch, die von Carlson entwickelte Elektrofotografie zu verbessern. Die Zusammenarbeit war schnell von Erfolg gekrönt und Kornei konnte einige wesentliche Verbesserungen und Innovationen auf dem Gebiet beitragen. Um die prototypische Apparatur alltagstauglich zu machen, entwarf Carlson ein Gerät mit sich drehender fotoleitfähiger Trommel, um damit kontinuierlich Kopien von Mikrofilmen zu erstellen. Um diese Trommel herum befanden sich die diversen Schritte bis zur Entstehung der Kopien auf Basis der Elektrofotografie, d.h. Aufladung, Belichtung, Entwicklung, Übertragung und Löschbelichtung. Ganz ähnlich ist bis heute die Laserdrucker-Funktionsweise. Und tatsächlich gelangte diese Innovation zu großer Bedeutung als sie in den 1950er Jahren in den CopyFlo-Printern aus dem Hause Haloid Xerox verbaut wurde. 

Den beiden Wissenschaftlern gelangen in der Folgezeit noch weitere Verbesserungen und Verfeinerungen ihrer Technologie, sodass Carlson 1939 ein weiteres Patent einreichte, nachdem Kornei den Arbeitsplatz kurz zuvor gewechselt hatte. Mit diesem wollte er sämtliche potenzielle Einsatzmöglichkeiten, die mit seiner nunmehr „Electrophotography“ genannten Erfindung möglich waren, schützen. Auch nachdem sich die Wege der beiden Erfinder trennten, blieben sie in freundschaftlichem Kontakt zueinander. 

Der erste elektrofotografische Kopierer

Dank den ersten Kopierern konnten Büroaufgaben wesentlich schneller erledigt werden und mussten nicht mehr per Hand erstellt werden.
Dank den ersten Kopierern konnten Büroaufgaben wesentlich schneller erledigt werden und mussten nicht mehr per Hand erstellt werden. © 12301191 – everett225, depositphotos.com

Trotz der bahnbrechenden Innovation fand Carlson nach Abschluss seines Studiums keinen Investor für seine Erfindung. Doch Aufgeben war für den ehrgeizigen nunmehr Patentanwalt keine Option und so entwickelte er einen Prototyp für einen elektrofotografischen Bürokopierer in der Hoffnung, das Gerät könne eher potenzielle Investoren überzeugen. 1940 reichte er dafür Patent ein. Das Kopier-Gerät hatte dazumal in etwa die Größe einer herkömmlichen Schreibmaschine und die Vorzüge waren so kaum mehr von der Hand zu weisen, weshalb seine Erfindung auch in der New York Times erwähnt wurde, woraufhin sich zwar ein leitender Mitarbeiter von IBM zunächst für Carlsons Innovation interessierte, es allerdings bei diesem milden Interesse blieb. Weitere Vorführungen und Versuche zur Verbesserungen des Geräts blieben erfolglos.

Die Xerografie auf dem Vormarsch dank des Battelle Memorial Institute und Haloid/Xerox

Nachdem Carlson Leiter der Patentabteilung bei P. R. Mallory wurde, hatte er zwar weniger Zeit, sich auf die Suche nach weiteren potenziellen Investoren zu begeben, doch der Zufall wollte es, dass er 1944 auf Russel W. Dayton traf, der seinerseits Ingenieur beim Battelle Memorial Institute war. Nachdem Chester Carlson ihm von seiner Erfindung berichtete, sorgte Dayton für eine Vorführung der Apparatur an ebendiesem Institut. Dort fand er erstmals positiven Zuspruch, denn die dortigen Wissenschaftler erkannten prompt das Potenzial der Elektrofotografie. Noch im selben Jahr wurde ein Lizenzvertrag zwischen beiden Parteien geschlossen. Trotz weiterer Forschung und Entwicklung blieb der erhoffte Erfolg zunächst aus. Doch 1945 wurde der Forschungsleiter der Haloid Company (später Xerox) durch ein Bulletin der Eastman Kodak Company auf Carlsons Erfindung aufmerksam und konnte sich schnell von deren Nutzen für Haloid überzeugen. Das junge Unternehmen war zu dem Zeitpunkt auf der Suche nach neuen Erfindungen und Innovationen, um im Wettbewerb mit dem Technologieriesen Kodak mithalten zu können. 1946 wurde im Anschluss an weitere Treffen und Gespräche ein Lizenzvertrag zwischen Haloid und dem Battelle Memorial Institute unterschrieben, der es Haloid gegen eine jährliche Lizenzgebühr erlaubte, elektrofotografische Kopiergeräte zu entwickeln und zu vertreiben. Dabei boten diese Geräte bereits eine relativ hohe Druckgeschwindigkeit.

Nachdem sich Carlson ab 1945 als Patentanwalt selbstständig gemacht hatte und im Anschluss seine eigene Firma gründete, wurde die weitere Forschung und Entwicklung an der Elektrofotografie zwischen 1947 und 1948 ausschließlich am Battelle Memorial Institute vorangetrieben. 1948 gelang es, einen Forschungsauftrag von 100.000 US Dollar über die US Army zu erhalten, da diese ein fotografisches Verfahren benötigte, das auch in verstrahltem Gebiet funktionierte. Die konventionelle Fotografie war dazu bislang nicht fähig. Die finanzielle Unterstützung konnte nun die intensive Forschung entscheidend vorantreiben, sodass im Bereich der Bürokopie maßgebliche Fortschritte erzielt wurden. Eine Innovation, die aus dieser Forschung hervorging, war die Entdeckung des amorphen Selens als Fotoleiter, wodurch auch optische Vergrößerungen und Verkleinerungen mittels Elektrofotografie aufgrund der höheren Empfindlichkeit gegenüber den früheren Leitern Schwefel oder Anthracen möglich wurden.

10 Jahre nachdem Kornei Carlson bei seiner Innovation zu assistieren begann, wurde der Vertrag zwischen Haloid (Xerox) und dem Battelle Memorial Institute in eine exklusive Lizenz umgewandelt. Zu dieser Zeit wurde auch der Name, den Carlson seiner Erfindung gab, geändert. Der Begriff der Elektrofotografie wurde als wenig revolutionär betrachtet, weshalb er in Xerografie umgewandelt wurde, um der Innovation einen avantgardistischen, neuen Klang zu verleihen. Dieser leitet sich aus dem Griechischen ab und kann frei mit „trocken schreiben“ übersetzt werden.

Der erste xerografische Bürokopierer, das XeroX Model A, konnte trotz der innovativen Technologie keine großen Erfolge feiern, da es für die Büroarbeit zu langsam und aufwändig war. Doch ungeahnterweise erschloss sich ein neuer Markt im Offsetdruck für diese Apparatur, wie bereits von Carlson und Kornei vorausgesehen. Denn das Model A eignete sich nicht nur als Kopierer, sondern auch für die Erstellung von Papierdruckplatten für den Offsetdruck. Hier war die Apparatur konkurrenzlos und so konnte mit den Gewinnen die Forschung und Weiterentwicklung der Xerografie vorangetrieben werden. Damit nicht genug, verdiente Carlson, der mittlerweile für Haloid als Patentanwalt arbeitete, nun erstmals mehr mit seiner Erfindung als er zuvor investiert hatte. Es folgten die Weiterentwicklungen Model D, Camera Nr. 1 und 4, die jedoch alle noch manuell betrieben werden mussten. In den 1950er Jahren konnte Xerox jedoch einen Durchbruch mit seinen CopyFlo-Printern erzielen, die eine Selentrommel als Fotoleiter besaßen, wodurch sämtliche Prozesse kontinuierlich vonstattengehen konnten. Dies hatte bereits Carlson in einer seiner Patentschriften so vorgesehen, konnte es bis dato jedoch nie erfolgreich in die Tat umsetzen.

Durch den folgenden Triumphzug der Xerografie, beschloss sich Haloid 1958 erst in Haloid Xerox und bereits 3 Jahre später in Xerox umzubenennen, um seine Erfolge auf diesem Gebiet auch im Firmennamen zu tragen. Der Begriff „xerox machine“ ist im englischsprachigen Raum bis heute eine gängige Bezeichnung für ein Kopiergerät sowie „to xerox“ mit „kopieren“ übersetzt werden kann. In den 1950er Jahren wurde auch sämtliche Rechte an der Xerografie vom Battelle Memorial Institute an Haloid abgetreten. 1959 schuf Xerox mit dem ersten xerografischen Bürokopierautomaten einen wahren technologischen Meilenstein. Der Xerox 914 übertraf sämtliche Erwartungen und schon bald konnte die kleine Firma kaum die hohe Nachfrage decken und kam mit der Produktion nur schwerlich hinterher. Dieser Kopierer avancierte im Eiltempo zum dazumal erfolgreichsten Industrieprodukt und revolutionierte die Bürotechnik nachhaltig, sodass xerografische bzw. elektrofotografische Geräte bis heute in den meisten Büroumgebungen zu finden sind. Weiterentwicklungen und Innovationen brachten die bis heute weithin genutzten digitalen Laserdrucker, LED-Drucker und Kopierer hervor. Dass wir von dieser Technologie in diesem Ausmaß profitieren können, ist nicht zuletzt das Werk von Chester Carlson, Otto Kornei, dem Battelle Memorial Institute sowie Xerox.

Xerografie: Die Technologie hinter der Innovation

Mit der Zeit hat sich die Xerografie oder Elektrofotografie verändert. Dennoch ist die Funktionsweise noch heute ähnlich wie zu ihrer Erfindung 1937 bzw. 1938 als Chester Carlson und Otto Kornei den ersten erfolgreichen Versuch unternahmen, Dokumentenkopien mithilfe elektrochemischer Reaktionen auf diversen Stoffen zu produzieren. Damals wurde eine Zinkplatte als fotoleitfähige Oberfläche mithilfe eines Tuchs elektrostatisch aufgeladen und mit Schwefel beschichtet. Als bildgebendes Material verwendeten sie ein dunkles Pulver aus gefärbten Bärlappsporen. Eine starke Fotolampe war als Belichtungseinheit konzipiert. Die Kopiervorlage stellte eine mit Tusche beschriebene Glasplatte. Mit der Schriftseite wurde nun die Glasscheibe auf die elektrisch aufgeladene, lichtempfindliche Schwefelplatte gelegt und einige Sekunden lang mit der Fotolampe belichtet. Es entstand ein unsichtbares elektrostatisches Abbild der Schrift, welches die Wissenschaftler mit dem Bildpulver bestäubten und so das kopierte Bild sichtbar machen konnten. Im Anschluss wurde ein Stück Wachspapier auf das Pulver gelegt und mit einer Walze darübergerollt, sodass es auf dem Papier haften blieb. Schließlich wurde mittels Wärme das Pulver auf dem Wachspapier fixiert und die erste Elektrofotografie hatte ein Ergebnis hervorgebracht. Schon im nächsten Schritt entwickelte Carlson eine Apparatur mit sich drehender fotoleitfähiger Trommel, die kontinuierliche Kopien liefern konnte und um welche herum sämtliche andere Verfahrensschritte angeordnet waren, d.h. Aufladung, Belichtung, Entwicklung, Übertragung und Löschbelichtung. 

Das Verfahren im Detail

Die Technologie, die bereits in den 1930ern von Carlson beschrieben wurde, wird noch heute von den meisten Laserdruckern und Kopierern genutzt, um schnell und effizient viele Ausdrucke erstellen zu können, sodass auch Vieldrucker mit hohem Druckvolumen nie lange auf eine große Anzahl an Druckergebnissen warten müssen. Dabei sind die Ausdrucke in Druckauflösung, Lichtechtheit sowie Beständigkeit kaum zu übertreffen. Selbst das Drucken dokumentenechter Resultate ist möglich.

Trommel, Laser und Tonerpulver

Die Trommeleinheit zählt zu den zentralen Bauelementen xerografischer Geräte. Sie ist mit einer lichtempfindlichen Schicht überzogen, welche als Fotoleiter dient und mithilfe von Licht leitfähig wird. Wurden früher noch Stoffe wie amorphes Selen genutzt, werden heutzutage eher organische Halbleiter, unter anderem amorphes Silicium oder Arsentriselenid, verwendet.

Durch elektrische Ladung entsteht das Druckbild zunächst auf der Trommel. Heutzutage wird ein sogenannter PCR-Roller für die elektrische Aufladung verwendet. In modernen Laserdruckern dient der Laser als Lichtquelle (in LED-Druckern übernimmt diese Funktion eine LED-Leiste), der gewisse Stellen wieder entlädt, sodass das Tonerpulver nur dort haftet, wo es später abgegeben werden soll, um auf das Papier transferiert zu werden. Auf der Trommel entsteht folglich ein Negativ des späteren Druckbildes.

Der Toner wird mittels eines Magnetrollers auf die nicht durch den Laser entladenen Stellen auf die Trommel abgegeben und durch einen Rakel auf die gewünschte Menge reduziert. Die entstehende Reibung lädt den Toner elektrisch auf, sodass er an den gewünschten Stellen auf der Trommel haften bleibt. Das Phänomen wird auch Triboelektrizität genannt.

Transferrollen

Damit der Toner von der Trommel auf das Papier gelangt, wird dieses mithilfe von Transferrollen an die Trommel gepresst. Das elektrisch aufgeladene Papier kann so das Pulver aufnehmen, wonach es über die entsprechenden Rollen zur Fixiereinheit weitertransportiert wird. Überschüssiges Pulver wird in den Resttonerbehälter geleitet. Dennoch können sich mit der Zeit feinste Tonerpartikel ablagern. Es ist daher ratsam, dass Sie in regelmäßigen Abständen Ihren Laserdrucker reinigen.

Fixiereinheit

Damit das Druckbild aus den Tonerpartikeln dauerhaft auf dem Papier haften bleibt, wird die Fixiereinheit benötigt. Mithilfe von Hitze wird das Pulver quasi in das Papier „gebrannt“, sodass dokumentenechte und langlebige Druckergebnisse entstehen. Über Transportrollen gelangt der nun fertige Ausdruck in die Papierausgabe Ihres Druckers, wo Sie sie entnehmen und direkt anfassen können, da die Druckresultate nicht wie beim Tintenstrahldrucker noch trocknen müssen.

Der Toner

Der Toner dient in heutigen LED- und Laserdruckern sowie Kopierern als bildgebendes Material. Er besteht aus einem feinen gefärbten Pulver aus verschiedenen Pigmenten, Harzen, Verdünnern sowie weiteren Mitteln zur Lösung und Haltbarkeit und wird in Kartuschen in den Laserdrucker eingesetzt. Auf giftige oder gesundheitsschädliche Stoffe wird mittlerweile weitestgehend verzichtet. Wie weiter oben erwähnt, wir das Tonerpulver mittels elektrischer Ladung und Belichtung auf das Papier transferiert und im Anschluss mithilfe von Wärme darauf fixiert. Sollten Sie ein Verblassen der Farben, ausgelassene Stellen oder ähnliches bemerken, kann dies ein Indiz dafür sein, dass Sie den Toner wechseln müssen, weil dieser verbraucht ist. Bei TintenCenter erhalten Sie für alle gängigen Laserdrucker den passenden Toner. Wer hier seine Druckkosten minimieren möchte, greift zu unserem kompatiblen Druckerzubehör, welches dem Original in nichts nachsteht. Ein weiteres positives Merkmal dieses Stoffes ist die Toner-Haltbarkeit. Durch die trockene Konsistenz ist Toner nahezu ewig haltbar und so profitieren auch Wenigdrucker von diesem Material und müssen bei längerem Stillstand des Druckers kein Eintrocknen der Patronen befürchten.

Mittlerweile dient der Toner in Geräten, die mit der Xerografie arbeiten, als bildgebendes Pulver, während die Trommel dafür sorgt, dass das Pulver mittels elektrostatischer Ladung erst auf ihr haftet, um im Anschluss auf das Papier abgegeben zu werden.
Mittlerweile dient der Toner in Geräten, die mit der Xerografie arbeiten, als bildgebendes Pulver, während die Trommel dafür sorgt, dass das Pulver mittels elektrostatischer Ladung erst auf ihr haftet, um im Anschluss auf das Papier abgegeben zu werden. © 18848761 – ksena32, depositphotos.com

Xerografie: Dank Chester Carlson zu effizienten modernen Laserdruckern

Ohne Chester Carlson und seine Elektrofotografie wäre das Dokumentenmanagement noch heute ein langwieriger Prozess. Wir haben es ihm und seiner Entdeckung zu verdanken, von besonders schnellen und effizienten Fotokopierern und nicht zuletzt auch Laserdruckern zu profitieren. Seiner und Korneis Arbeit ist es zu verdanken, dass das aufwändige Kopieren per Hand nicht mehr notwendig ist. Und auch wenn aller Anfang schwer ist, erkannten das Battelle Memorial Institute und die Firma Xerox schnell das Potenzial dieser Erfindung. Xerox ist noch heute bekannt für seine innovativen und technologisch hochwertigen Laserdrucker, die in jedem Büro gern gesehen sind. Denn vor allem bei hohem Druckaufkommen sind Laserdrucker so gut wie unschlagbar in Druckgeschwindigkeit und Effizienz. Zwar erreichen Sie nicht die enormen Auflösungen und Farbmöglichkeiten eines Tintenstrahldruckers oder Fotodruckers, doch sind die Ausdrucke im Gegensatz zu den tintenbasierten Ergebnissen licht- und dokumentenecht und entsprechend langlebig, weshalb diese Druckerart bis heute weit verbreitet ist. 

Tipp: Sind Sie sich nicht sicher, welcher Druckertyp für Ihre Anforderungen geeignet ist, kann Ihnen vielleicht unser Laserdrucker-Tintenstrahldrucker-Vergleich weiterhelfen.

Quellen:

https://www.xerox.com/de-at/innovationen/einblicke/chester-carlson-xerografie

https://www.xerox.de/de-de/einblicke/xerographie

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