Die Elektrofotografie (manchmal auch Xerografie genannt) ist ein Verfahren zur Trockenkopie (siehe auch Nassabzugverfahren) von meist einfarbigen Papiervorlagen (z.B. Akten), das in allen heute gängigen Kopiergeräten und Laserdruckern eingesetzt wird. Ähnliche Ergebnisse können mit Geräten erzielt werden, deren Druckwerke denen der Tintenstrahldrucker gleichen oder die ihre Ausgaben auf Thermopapier bringen.

Einer der Vorgänger des Kopiergeräts ist der aus den Zwanziger Jahren stammende Schapyrograph. Die Elektrofotografie jedoch ist ein von dem Amerikaner Chester F. Carlson (* 1906; † 1968) 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, staubfeinem Bärlappsamen und einer Wachsplatte statt. Auf der ersten Fotokopie (Trockenkopie) stand ASTORIA 1938-10-28. Das war das Tagesdatum der ersten Fotokopie, der 28. Oktober 1938.

Dennoch kaufte die Haloid Company das Patent erst 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, daraus wurde die Firma Rank Xerox. Der Name Xerox Machine hat sich zumindest in den englischsprachigen Ländern als Begriffsmonopol durchgesetzt.

Die Anfänge des Kopierens (mit aktuellen Informationen) sind auch sehr gut auf der Xerox-Website unter [1] erklärt.

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Das zentrale Element bei der Elektrofotografie ist die Trommel oder das flexible Band (auch Masterband genannt), das mit einer lichtempfindlichen Beschichtung versehen ist, im Folgenden aktive Schicht oder Photoleiter genannt. Sie besitzt die Eigenschaft, im Dunkeln elektrisch nichtleitend zu sein, bei Lichteinfall dagegen Stromleitung zuzulassen. Bis ca. 1975 verwendete man amorphes Selen, heute werden amorphe organische Halbleiter, amorphes Silizium oder ArsenTriSelenid () verwendet.

Der Prozess funktioniert wie folgt:

1. 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, positive Ionen (z.B. ) werden zur aktiven Schicht (negativ geladen) gezogen, setzen sich dort ab und laden diese positiv auf, da sie im Dunkeln nicht leitfähig ist.

2. Belichtung

Die aktive Schicht auf der Walze bzw. dem flexiblen Band wird belichtet:

• Beim Fotokopierer (bzw. Analogkopierer) wird mittels einer starken Lichtquelle (z.B. Halogenlampe) beleuchtet. Dieses Bild wird über ein Linsensystem auf die aktive Schicht fokussiert.
• Beim Laserdrucker bzw. digitalen Kopierer wird das reflektierte Licht durch elektronische Bauelemente registriert, vergleichbar mit einem Scanner. Nach einer möglichen Bildbearbeitung wird das digitalisierte Druckbild mit einem Laser oder einer LED-Zeile auf den Photohalbleiter geschrieben (siehe Laserdrucker).

Durch den Lichteinfall werden in der aktiven Halbleiterschicht Elektron-Loch-Paare, also Ladungsträger erzeugt (innerer fotoelektrischer Effekt). Die Elektronen neutralisieren dabei die positiven Oberflächenladungen, die Löcher (=Defektelektronen) werden über einen rückseitigen Kontakt abgeführt (bzw. Elektronen zugeführt). Insgesamt wird also die Oberflächenladung an den belichteten Stellen neutralisiert.

3. Entwicklung

Eine der großen Schwierigkeiten ist, den Toner möglichst gleichmäßig auf die belichtete und geladene Walze zu verteilen. Dies geschieht mittels einer sogenannten Bürste und wird als Entwicklung bezeichnet. Die Bürste selbst ist eine magnetische Walze, auf welcher der Entwickler (meistens Eisenpartikel) haften bleibt und sich aufstellt. Die Tonerpartikel selbst sind nicht ferromagnetisch, bleiben jedoch auf dem Entwickler haften. Diese elektrostatisch geladene Toner-Partikel (Durchmesser 3-15 m) werden mit der magnetischen Bürste in Kontakt mit der Trommel gebracht, sie lagern sich je nach ihrer elektrischen Ladung und der Richtung der externen elektrischen Felder entweder an den unbelichteten, also geladenen Stellen ab (Schwarzschreiben oder Charged Area Development) oder an den zuvor belichteten, also entladenen Stellen ab (Weissschreiben oder Discharged Area Development).

Eine andere Möglichkeit als die Bürstenentwicklung ist die sogenannte Jumpentwicklung. Dabei wird der geladene Toner mit Hilfe einer Walze in die Nähe des Photoleiters transportiert. Den verbleibenden Luftspalt überspringt (engl. 'jumped') der Toner dann aufgrund der Anregung durch äußere elektrische Felder. Der Vorteil dieser Methode gegenüber der Bürstenentwicklung ist, dass die Bürste dazu neigt, den schon entwickelten Toner noch zu verschleifen und damit die Druckqualität zu verschlechtern.

Zwei weitere Prozessvarianten entstehen durch die verschiedenen Möglichkeiten, den Entwickler im Prozess zu führen: Bei Zweikomponententoner wird nur der Toner aufgetragen und der Entwickler verbleibt im Drucker. Bei Einkomponententoner (nahezu alle günstigen Kartuschensysteme) wird der Entwickler ebenfalls aufgetragen.

4. Toner-Transfer

Nun muss das so entstandene Tonerbild auf das zu bedruckende Medium (meistens Papier oder Overheadfolien) 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 in diesem Moment der Bedruckstoff zwischen beiden Trommeln hindurchgeführt, bleibt der Toner darauf haften. Eine gegensätzliche Ladung beim Tonertransfer, wie einigen Quellen zu entnehmen ist, schließt sich aus, da gegensätzliche Ladungspoteniale durch den sehr dünnen Spalt zuerst zu einem Potentialausgleich und somit zu einem Kurzschluß führen würden.

5. Fixierung

Um das Bild haltbar zu machen, wird es zum Schluss noch fixiert, 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 auf 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 Farbauftrag von bis zu 400% kommen kann und man auf elastische Walzen (Gummi) angewiesen war. Zudem war der Glanz, den das Fixieröl hinterließ bei einigen Druckerzeugnissen durchaus erwünscht. Bei neuern Geräten wird ein neuentwickelter elastischer Kunststoff verwendet, der das Fixieröl überflüssig macht.

6. Vollentladung

Der Toner wurde auf das Medium übertragen, die Ladung verbleibt jedoch auf der Trommel und muss vor dem nächsten Aufladen entfernt werden. Dies geschieht durch Vollbelichtung und dem elektrischen Abstreifen der Ladungen.

7. Reinigung

Zum Schluss muss die Trommel noch von etwaigen Tonerrückständen befreit werden. Dies geschieht durch einen Abstreifer oder eine Bürste. Der Resttoner wird in ein im Gerät eingebautes und dafür vorgesehenes Behältnis entsorgt.

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 über kurze Entfernungen eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, sonst ginge die Auflösung bzw. Schärfe verloren. Schließlich darf sie weder ihre mechanischen oder chemischen Eigenschaften im Laufe vieler Kopierzyklen ändern, so dass ihre Funktion beeinträchtigt wäre.

Die Lebensdauer einer solchen Trommel ist begrenzt. Die Hersteller bemühen sich jedoch, Angaben für die ungefähre Anzahl der möglichen Abzüge zu machen. Die Werte liegen zwischen 15.000 und 25.000 Abzügen für preisgünstige, und bei mehreren 100.000 für hochwertige Bürogeräte. Bei Produktionsanlagen wie sie zum Beispiel Telekommunikationsfirmen zum Drucken ihrer Rechnungen verwenden, bei denen die Drucker im 24 h Betrieb eingesetzt werden, werden Wechselintervalle für die Photoleiter von bis zu 2 Millionen Abzügen erreicht. Die Anzahl der Abzüge ist jedoch nur ein Faktor - das Alter und vor allem die Nutzungsart sind viel entscheidender. Wird ein Kopierer/Laserdrucker nur bei Bedarf eingeschaltet und werden dabei nur wenige Drucke getätigt, so schadet dies der Trommel mehr als es sie schont. Auch längere Standzeiten sind der Lebenserwartung abträglich.

Kopien sind nicht archivfest und nicht dokumentenecht. Der Toner kann rückstandsfrei wieder vom Träger entfernt werden bzw. es geschieht automatisch im Lauf der Jahre. Insbesondere leiden sie unter Druck (in einem Papierstapel) oder in Klarsichthüllen: Der Toner kann sich, ebenso wie an einer Knickstelle, ablösen und übrig bleiben lediglich Reste von Schrift oder Bild. Verschiedene Gutachten bescheinigen den gewöhnlichen Kopien zwar eine Archivfestigkeit über 50 Jahre, aber alle Erfahrungen belehren den Nutzer, dass die Gutachten von der Praxis als nicht zutreffend abqualifiziert werden. Diese widersprüchlichen Aussagen haben ihre Ursache im Alter dieser Studien. Als man Mitte der 1980er Jahre feststellen wollte, wie lange eine Kopie hält, testete man die damals üblichen Flüssigkopierer und nicht die kurze Zeit später erschienenen Trockentonersysteme. In der Tat haben die inzwischen vom Markt verschwundenen Flüssigsysteme keine Beinträchtigung der Lebenserwartung einer Kopie.

Es gibt jedoch seit einigen Jahren den so genannten Polymertoner, welcher feinere und gleichmäßiger geformte Partikel besitzt. Dieser Toner platzt an den Falzkanten nicht mehr ab.

Bedingt durch die optische Abtastung des Original steht und fällt das Verfahren mit der Scannereinheit, die bei heutigen Geräten verwendet werden. Auch im Bereich der Farbtönungen unter 10% Farbdeckung zeigen selbst hochwertige Geräte Schwächen in Form von Rauschen oder sogenannten Schmutzeffekten. Die Homogenität, die Graduierung sowie die Farbtreue sind in den letzten Jahren sehr gut geworden, anderen Reproduktionsverfahren jedoch unterlegen. Eine umgangssprachliche Fotokopie ist auch bei Topgeräten noch als solche zu erkennen. Vor allem bei Farbsystemen setzen die verwendeten Farbpigmente Grenzen, da der Toner einigen technischen Anforderungen genügen muss, die nicht unbedingt mit einem guten Druckergebnis vereinbar sind. So ist dieser zwar sehr fein, für hochqualitative Abzüge dennoch zu grob.

Technisch funktionieren Kopiergeräte genau wie ein Laserdrucker auf der Basis von Trockentoner, der als schwarzes Farbpigment Ruß und bei bestimmten Sorten Schwermetalle wie Blei und Cadmium enthält, mithin also gesundheitsschädlich sein kann.

Das Problem besteht hierbei nicht nur in der Tonerzusammensetzung, sondern gerade in seiner wichtigsten Eigenschaft: seiner Feinheit. Er ist letztendlich Feinstaub, lagert sich in den Lungen ab, kann jedoch nicht so einfach wieder durch Abhusten entfernt werden. Tonerschadstoffe können damit dauerhaft und direkt auf die Schleimhäute, insbesondere der Atemwege oder auf die Haut wirken. Toner werden aber nicht nur eingeatmet, sondern auch geschluckt. Dies geschieht nahezu täglich und über lange Zeit. Servicetechniker und Beschäftigte im Bereich Refill und Recycling sind naturgemäß den Schadstoffen im besonderen ausgesetzt. Außerdem wird technologisch bedingt Ozon freigesetzt (das Aufbringen elektrischer Ladungen auf die Bildtrommel geschieht mit sehr hohen elektrischen Feldstärken durch auf Hochspannung gelegte feine Drähte, die sog. Corona. Im Bereich solch hoher Feldstärken wird die Umgebungsluft ionisiert, wobei dann teilweise Ozon entsteht). Die meisten Geräte besitzen allerdings bereits Ozonfilter, welche zumindest einen Teil des Ozons entfernen..

Das Anfertigen von Kopien bestimmter Urkunden oder gültiger Geldscheine ist bei Strafandrohung verboten. Die Hersteller haben teilweise Features implementiert, die solche Kopien unterbinden oder erschweren.

Nachdem die Bilddaten für den Druck aufbereitet wurden (RIP), werden diese noch einmal auf bestimmte Muster hin untersucht, wie sie nur auf Geldscheinen oder bestimmten Urkunden verwendet werden. Wird ein solches Muster entdeckt, dann gibt es verschiedene Möglichkeiten zu reagieren. Viele Geräte drucken anstatt der Kopie eine schwarze Fläche, verfälschen die Farben oder überziehen das Dokument mit dem deutlichen Aufdruck "Kopie". Andere Geräte täuschen einen Gerätefehler vor und verlangen nach dem Kundendienst.

Es ist bei einigen Herstellern Fakt und bei den restlichen nicht auszuschließen, dass Kopiergeräte elektronische Fingerabdrücke (z.B. den Machine Identification Code) auf den Kopien hinterlegen. Dies geschieht indem ein definiertes Bitmuster weiträumig verteilt in der Farbe Gelb bei Farbgeräten und eine schwache Tönung bei Schwarz-Weiß-Systemen auf den Träger aufgebracht wird. Bei einem Hersteller ist die Seriennummer des Gerätes auf der Rückseite der Glasplatte nahezu unsichtbar eingeätzt und wird bei jedem Kopiervorgang mit erfasst. Dies macht es Herstellern aber auch Ermittlungsbehörden leicht möglich, auf das Kopiergerät selbst, den Standort und evtl. sogar auf die die Kopie anfertigende Person schließen. Datenschützer und Aktivisten sehen darin demokratisch zugesicherte Bürgerrechte gefährdet (z.B durch die einfache Möglichkeit zur Aufdeckung von Presseinformanten).

Zwar wurden Fotokopiergeräte in den letzten Jahren sehr zuverlässig, dennoch sind sie von Wartungsfreiheit noch weit entfernt. Durch die Verwendung des feinen Tonerpulvers ist auch heute noch ein Großteil der Ausfälle auf Verschmutzungen zurückzuführen. Technisch bedingt sind die Geräte nicht vollständig hermetisch abgeschlossen, so dass sich immer wieder Tonerpulver auf der Belichtereinheit niederschlagen kann.

Interessanterweise betrifft der häufigste, nicht verschleißbedingte Defekt, die Glasplatte für die Vorlage. Immer wieder wird anscheinend versucht, bestimmte Körperpartien abzulichten. Für die daraus resultierenden Belastungen ist das System jedoch nicht ausgelegt.

Kopierer können in analoge und digitale Kopierer eingeteilt werden. Bis ungefähr Mitte der 1980er Jahre wurden ausschließlich analoge Kopierer hergestellt. Seit Mitte der 1980er Jahre werden immer mehr digitale Kopierer entwickelt, der analoge Kopierer wird etwa seit dem Jahr 2000 vom digitalen Kopierer verdrängt und nicht mehr hergestellt.

In analogen Kopierern erfolgt die Entwicklung der Trommel über ein System aus Linsen und Spiegeln, das Abbild der Vorlage wird über einen optischen Weg auf die Trommel übertragen. Die Belichtung und die Entwicklung müssen daher in einem Gerät installiert werden. Der digitale Kopierer besteht aus zwei getrennten logischen Einheiten, dem Scanner und dem Druckwerk. In der Regel werden diese Einheiten jedoch wie bei einem analogen Kopierer in einem Gerät untergebracht. Bei einem digitalen Kopierer wird die Vorlage mit dem Scanner digitalisiert und in einem Speicher (RAM oder auch Festplatte) zwischengespeichert. Das hier gespeicherte Bild der Vorlage wird anschließend elektronisch an das Druckwerk übertragen und dort in der Regel von einem Laserdruckwerk ausgedruckt.

Ein Vorteil der digitalen Technologie liegt darin, dass mehrere Kopien aus dem Zwischenspeicher erstellt werden können und die Vorlage nicht immer wieder belichtet werden muss. Zudem können neben dem reinen Kopieren zusätzliche Funktionen wie Drucken, Faxen, Scannen und das elektonische Versenden der Vorlagen per E-Mail oder in Netzwerkverzeichnisse angeboten. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Zwischenbearbeitung einer Kopie im Gerät. Die hierbei am häufigsten eingesetzte Funktion ist die Kantenschärfung für Schriften, die das bei analogen Systeme bekannte Problem der Randunschärfen eliminiert und insbesondere bei Schriftstücken eine erhebliche Verbesserung der Qualität bedeutet.

Der wichtigste Vorteil ist jedoch die kompaktere und preisgünstigere Bauweise, da auf aufwändige Optiken, Blenden und Spiegelsysteme und die damit einzuhaltenden Abstände zwischen Belichtereinheit und Trommel verzichtet werden kann.

Diese ganzen Vorteile dürfen jedoch über die Nachteile der digitalen Kopiertechnik nicht hinwegtäuschen. Die Neigung zum Rauschen ist größer, nachträgliche Eingriffe führen zu Verfälschungen (Kantenschärfung kann in Bildern negative Folgen haben) und der Farbraum bzw. die Graduierung ist in der Regel geringer.

Kopierer bestehen aus mehreren Komponenten die spezielle Aufgaben im Einlese-, Kopier- und Endverarbeitungsprozess übernehmen. Je leistungsfähiger ein Kopierer ist, desto mehr Komponenten sind in der Regel im Standardlieferumfang enthalten. Bei kleineren Modellen können diese oftmals als eine Option erworben werden.

• Originaleinzug. Der Originaleinzug ermöglicht das automatische Kopieren von Vorlagen mit mehreren Seiten. Der Originaleinzug positioniert eine Seite auf dem Vorlagenglas wo sie belichtet wird. Anschließend wird die Seite vom Vorlagenglas entfernt und die nächste Seite der Vorlage vom Originaleinzug auf dem Vorlagenglas positioniert. Originaleinzüge mit Originalwendung können auch die Rückseite einer Seite der Vorlage automatisch auf das Vorlagenglas positionieren.
• Duplexeinheit, automatische. Die automatische Duplexeinheit ermöglicht das automatische Bedrucken der Rückseite der Kopien. Mit Nutzung dieser Funktion kann der Papierverbrauch gegenüber dem einseitigen Kopieren halbiert werden.
• Papiervorrat. Der Papiervorrat eines Kopierers wird in Kassetten und Magazinen vorgehalten. In Kassetten können normalerweise Papiergrößen von DIN A5 bis DIN A3 oder auch A3+ (Überformat) vorgehalten werden. Diese Kassetten werden als Universalkassetten bezeichnet, da sie sich auf die verschiedenen Papierformate einstellen lassen. Die Kapazität einer Kassette liegt bei ca. 500-550 Blatt Papier. Papiermagazine sind normalerweise für das Format DIN A4 vorgesehen. Bei Produktionssystemen sind auch Papiermagazine für DIN A3 verfügbar. Papiermagazine lassen sich in der Regel nicht auf ein anderes Papierformat einstellen. Die Kapazität eines Magazins liegt bei ca. 2.500 bis zu 4.000 Seiten.
• Finisher und Sorter. Finisher und Sorter dienen zur Aufnahme der fertigen Kopien oder Drucke. Bei digitalen Kopierern wird die Ausgabeeinheit als Finisher bezeichnet, bei analogen Kopierern als Sorter. In Finishern und Sortern können die Kopien exemplarweise abgelegt werden. Auf Wunsch des Bedieners können bei vielen Finishern und Sortern die Exemplare geheftet werden, die Kopiensätze dürfen hierbei bis zu 50 oder gar 100 Seiten umfassen.
• Lochereinheit. Die Lochereinheit ermöglicht das Lochen der Kopien. Die Kopien werden einzeln gelocht, so dass es keine Beschränkung bei der Seitenzahl (bzw. Stärke) eines Kopiensatzes gibt.
• Druckfunktion. Die Druckfunktion ermöglicht das Ausdrucken von Dokumenten die von einem Anwender an einem Rechner erstellt wurden. Die Druckerfunktion nimmt die Druckdaten (die Dokumente) vom Rechner über das Netzwerk entgegen und bereitet diese für den Druck auf. Dabei werden die Druckdaten wie Texte und Bilder gerastet und zu einer Bitmap aufbereitet. Diese Bitmap wird anschließend vom Druckwerk ausgegeben. Die Druckfunktion ist nur für digitale Kopierer verfügbar.
• Faxfunktion. Die Faxfunktion arbeitet wie ein herkömmliches Fax. Dokumente können über das Vorlagenglas eingelesen und an ein Fax als Gegenstelle übertragen werden. Ebenso kann die Faxfunktion eines Kopierers ein Fax von einem anderen Fax empfangen und ausdrucken. Die Faxfunktion kann als analoges G3-Fax oder als digitales ISDN verfügbar sein. Die Faxfunktion ist nur für digitale Kopierer verfügbar.
• Sendefunktion. Die Sendefunktion ermöglicht das elektronische Versenden von Dokumenten ähnlich wie ein Fax, jedoch wird das Dokument als E-Mail übertragen oder kann in Netzwerkverzeichnissen abgespeichert werden. Bei dem Versand als E-Mail wird das Dokument als Anhang übertragen. Als Dateiformate bei dem Versand per E-Mail wie auch bei dem Speichern in Netzwerkverzeichnissen sind PDF, TIFF oder JPEG üblich.

• R. Schaffert: Electrophotography. Focal Press, 1975
• R. Hoffmann: Modeling and Simulation of an Electrostatic Image Transfer. Shaker-Verlag, 2004. ISBN 3-8322-3427-6

• Detaillierte Beschreibung, mathematische Modellierung und numerische Simulation des elektrofotografischen Druckprozesses (englisch)
• Xerox-Website: Geschichte der Elektrofotografie
• Electronic Frontier Foundation (EFF): Is Your Printer Spying On You? (englisch)