CN101541492B - 在可流动基材上的打印、沉积或涂布 - Google Patents

在可流动基材上的打印、沉积或涂布 Download PDF

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Abstract

在可流动基材上的打印、沉积或涂布可包括将可流动的非食物基材挤压到支承件上以及喷射流体以在可流动基材上形成图像。

Description

在可流动基材上的打印、沉积或涂布
背景技术
喷墨打印机是一种用于将颜料滴或材料滴沉积于基材上的装置。喷墨打印机通常包括从墨源到喷嘴通道的墨通道。喷嘴通道终止于喷射墨滴的喷嘴口。通常通过用致动器对墨通道中的墨加压来控制墨滴喷射，所述致动器可以是例如压电偏转器、热气泡喷射发生器或静电偏转元件。典型的打印组件具有带相应的喷嘴口和相关联的致动器的墨通道阵列。能独立控制从每个喷嘴口的小滴喷射。在按需下滴型(drop-on-demand)打印组件中，当打印组件和打印基材彼此相对移动时，每个致动器被激活以选择性地喷射小滴到图像的特定像素位置。在高性能打印组件中，喷嘴口通常具有50微米或更小(如约25微米)的直径、以每英寸100-300个喷嘴的节距分开、具有100-3000dpi或更大的分辨率并提供约1-120皮升(picoliter)或更小体积的小滴。小滴喷射频率通常是10kHz以上。
压电致动器具有根据外加电压而改变几何结构或弯曲的压电材料层。压电层的弯曲使沿墨通道布置的泵送室中的墨增压。Fishbeck等的美国专利No.4825227、Hine的美国专利No.4937598、Moynihan等人的美国专利No.5659346以及Hoisington的美国专利No.5757391中也描述了压电墨喷打印组件，这些专利的全部内容通过引用并入本文。
发明内容
一方面，在可流动基材上的打印、沉积或涂布可包括将可流动的非食物基材挤压于支承件上，并喷射流体以在所述可流动基材上形成图像。
实施方案可包括一个或多个以下特征。可在喷射流体于可流动基材上后(例如，将可流动基材放置于水浴中)，将可流动基材(如粘弹性材料或熔融塑料)转变成固态。墨喷打印机能喷射流体。可流动基材可沿输送器移动，或者可经由模具(die)挤出可流动基材以形成挤出物(extrudate)。
基材可形成为单独的制品。流体可包括墨滴。可流动基材可具有约30000泊或30000泊以下的粘度。
另一方面，打印、沉积或涂布可包括在制品上沉积一层可流动的非食物基材，并喷射流体(如墨滴)以在所述可流动基材层上形成图案。
实施方案可包括一个或多个以下特征。可流动基材层可具有约30000泊或30000泊以下的粘度。可在喷射流体小滴于可流动基材层上后，将可流动基材层从可流动状态固化成固态。所述可流动层和图案可形成一个表面，并在该表面上涂布第二可流动基材层。可喷射流体以在所述第二可流动层上形成第二图案。可在所述表面上喷射所述第二图案后固化所述可流动层。所述图案和层可形成木纹、纹理或装饰图案。所述可流动基材可为选自由涂料(如电介质材料)、釉料(glaze)、油漆(paint)和清漆(varnishe)构成的组中的一种材料。所述制品可包括木材(如密度纤维板木材)、塑料、金属或陶瓷。
一方面，打印、沉积或涂布可包括施加粉末于支承件的表面上、喷射流体于所述支承件上的所述粉末上、以及使所述粉末流动并涂布所述支承件的所述表面。
另一方面，在基材的粉末表面上沉积喷射流体可包括：以图案方式喷射流体于基材上的墨喷打印机、用于支承邻近所述墨喷打印机的基材以便所述墨喷打印机能喷射流体于所述基材上的支承件、以及从所述墨喷打印机上游分配粉末于所述基材的表面上的工作站。
实施方案可包括一个或多个以下特征。所述粉末(如，热固性或热塑性材料)可被静电地施加到基材或支承件(如金属)的表面。可使用压电打印头来喷射流体。工作站可使粉末流动并覆盖基材的表面。
另一方面，喷射流体于可流动的非食物基材上可包括：以图案方式喷射流体于基材上的墨喷打印机、用于支承邻近所述墨喷打印机的可流动的非食物基材以便所述墨喷打印机能喷射流体于所述可流动基材上的支承件、以及配置成从所述墨喷打印机上游将所述可流动基材挤压到所述支承件上的挤压机。
实施方案可包括一个或多个以下特征。固化站可从墨喷打印机下游固化可流动基材。形成站可将可流动基材形成为单独的制品。
实施方式可包括一个或多个以下优点。能在处于可流动状态下的脆弱表面上形成高分辨率的多色图像或沉积功能材料(图像)。能使用按需下滴型打印装置快速地并廉价地生成图像。能在打印稍前选择图像的内容。能将图像定制成识别产品、生产者或消费者。通过在基材可流动时将图像打印于基材上，可喷射的材料能更好地粘附，因为可流动基材的表面能(surfaceenergy)可能小于固体基材。例如，可喷射的材料能合并到基材中，并不易被从基材的表面擦掉。由于喷墨打印技术能实现在基材处于可流动形式时打印基材，所以墨喷打印机能安装到生产线中。同样地，基材在离开挤压机时、被喷涂涂料后或者在将材料切割或组装成最终形式前被打印。不必等到生产线上的产品被冷却或干燥后再打印基材。这能实现使用建成的生产线的现存冷却和干燥工艺来干燥、固化或合并沉积的墨或材料。
更多其它方面、特征和优势见以下。例如，下面将描述诸如流动性、粘度、分辨率、基材类型以及其它参数的组合和范围。
附图说明
图1示出挤压、打印以及固化可流动基材的系统。
图1A示出包括打印图像的可流动制品。
图2示出沉积多个层以构建多层图像的系统。
图3是打印头模块的截面图。
具体实施方式
参考图1，系统10包括用于将可流动基材14(即，非食物产品)挤压到支承件15(如输送器)上的挤压机12。喷射组件16(如，压电或热喷墨打印头)喷射流体小滴18(如，墨)，以在可流动基材14上形成图像(如，文本、图形或图案)。控制器20发送图像数据到打印头，并且还能存储图像。墨喷打印允许用户实时改变每个基材上的打印图像。支承件15将带有打印图像的可流动基材移动到固化站22，以将可流动基材14转变成固体、固化打印图像或者执行两者。当可流动基材是一幅或一张材料时，视情况由控制器20控制的切制站24能将幅材切成单独的制品26(如促销产品)。还能经由模具挤出可流动基材以形成挤出物，所述模具能使挤出物成型为所需形状。打印期间，基材处于这样一种状态，其中基材具有例如脆弱的、易被损坏的通常可流动的表面。例如，基材可为液体、熔融材料或粉末。
在挤压或沉积可流动基材的状态下，流动性、稳定性和/或粘度可为可流动基材的特征，或者可在打印前或打印期间处理产品，如加热或冷却，以建立打印时所需的流动性或粘度。可流动基材是处于诸如液体、膏、浆、粉末、悬浮液、胶体、粘弹性材料或熔融材料等既非气体又非固体的状态下的基材。可在室温时(如，约20°F-25°F)沉积可流动基材，这时基材可流动，或者可将可流动基材加热到高温，例如其熔点、软化温度或玻璃态转化温度。
例如，塑料基于其类型可具有约120℃到约350℃的熔点。聚氯乙烯(PVC)具有约80℃的玻璃态转化温度以及约210℃的熔点。在玻璃态转化温度，PVC从玻璃状固态变成柔性和变形性更大的橡胶态。如果温度增加到熔点，则PVC从橡胶态变成液态。在实施方式中，可流动基材在其最终状态大致变成固体，但是处于可流动的粘性状态以成像。可流动基材的实施例包括熔融塑料或玻璃、清漆、涂料(如电介质材料)、油漆、釉料、膏、浆、粘合剂、粉末、泡沫或其它既非气态又非固态的基材。
参考图1，能经由将挤出物塑造为所需形状的模具挤压例如处于粘弹性状态的塑料(如PVC)等可流动基材14。例如，挤出物可被塑造成用于制作威尼斯窗户遮蔽物(Venetian window blinds)的单独的窗户板条(windowslats)。可在粘弹性塑料上打印木纹图案，然后在例如水浴中冷却它。其它实施方案可包括将太阳能电池或可打印电池沉积在窗户遮蔽物上，以使太阳能电池或可打印电池在材料处于熔融、可流动状态时嵌入遮蔽物中。还可在材料冷却和硬化前向遮蔽物施加耐刮擦的涂料。图1A示出被挤出并被切制以形成打印有图像102(如FUJIFILM DIMATIX)的促销产品100后的熔融塑料104。可经由模具挤出熔融塑料，并在熔融塑料仍然具有热度和柔性时打印熔融塑料。固化站能冷却熔融塑料，并将它转变成固体。可在可流动状态下打印其它产品(如，笔、食物容器、乙烯基侧壁(vinyl siding)、管道(tubing)、水瓶、开信刀或杯子)，以识别生产者或消费者、或者可作为装饰性。既可在打印前也可在打印后使用切制站来将一张塑料切制成单独的制品。
参考图2，系统200包括连接到控制器208的涂布装置202、喷射组件204和固化装置206，所述控制器208将每个装置相对于支承件213(如，固定台或输送器)上的制品210从活动位置移动到空闲位置。在图2中，涂布装置202和固化装置206处于空闲位置A和C，而喷射组件204在活动位置B打印制品。系统200能通过在打印图案和沉积涂层之间交变而在制品210(如，幅材或离散产品)上构建多层图像212。
在一实施例中，固化装置206和喷射组件204开始于空闲位置A和C，而涂布装置202处于活动位置B。涂布装置202将一层可流动基材214(如，清漆)沉积到制品210上。当涂布完成时，涂布装置从B移动到空闲位置A，喷射组件204从空闲位置C移动到活动位置B，而固化装置从空闲位置A移动到空闲位置C。在活动位置B，喷射组件喷射流体小滴215，以在可流动基材层214上形成第一图案216。然后，固化装置206从空闲位置C移动到活动位置B，并固化第一图案216、可流动基材214或两者。可沉积第二可流动层218和图案220到第一可流动层214等上，以制作多层图像212。
例如，可将多纹理木材图案喷墨打印到地板、柜子或家具上，例如中密度纤维板木材(MDF)。首先，将清漆(即，聚氨酯或油基)层施加到MDF木材。其次，在清漆仍然湿润或发粘时，将木纹图案喷墨到清漆上。重复这些步骤，以制作具有深度的木纹外观。可在施加各层之间固化清漆和墨，或者可作为沉积完所有层后的最终步骤而固化清漆和墨。
另一实施例是使用以下步骤的相似工艺来制作装饰瓷砖：在瓷砖上施加釉料、在可流动釉料上喷射图案以及在打印图案后烧制釉料。在釉料仍然湿润时，墨喷打印机在釉料上打印，然后再干燥、固化或烧制釉料。同样可重复这些步骤，以制作多层图像。可在每施加一层釉料后烧制带有打印图案的每层釉料，也可在最后一起烧制所有层。
代替构建多层图像，可使用单通(single-pass)或扫描模式来打印单个可流动基材层和图像。
图2中的涂布装置202可沉积粉末(如热固性或热塑性聚合物)在表面上，并在将粉末转变成固体前将图像打印到粉末上。可使用粉末来涂刷金属(如锯条)，而不是使用典型的溶媒漆。将粉末静电地施加到锯条，并将图像(如，公司商标)喷射到粉末上。然后加热粉末直到它开始流动并涂布锯条的表面。粉末随着在金属刀刃上冷却而转变成固体。
参考图3，墨喷打印头包括一系列用于打印不同彩墨(如，青、洋红、黄和黑墨)的模块。模块300优选为包括压电元件302的按需下滴型模块，该压电元件302使泵送室304中的墨增压，以经由喷嘴口306而喷射。在实施方式中，打印头包括将流体加热到所需粘度以促进喷射的加热器。一种适当的打印头是加利福尼亚圣克拉拉(Santa Clara)的FUJIFILM Dimatix公司出品的NOVA或GALAXY打印头。在上述引入的Fishbeck的美国专利No.4825227、Hine的美国专利No.4937598、Moynihan的美国专利No.5659346和Hoisington的美国专利No.5757391以及WO 01/25018中也描述了适当的压电喷墨打印机，这些专利的全部内容通过引用而并入本文。
通过以下方式生成适当的图像：选择打印条件以使喷射流体以小滴形式喷射来防止小滴冲击可流动基材表面时过度飞溅或形成凹坑，从而维持图像的完整性。对于粘度约为50000厘泊(cP)或更小(例如2500厘泊或更小)的可流动基材，适当的小滴尺寸约为200皮升(pL)或更小，如60-100皮升。例如粘弹性材料等粘度较高的可流动基材可具有约30000泊(Poise)或更小(如20000泊或更小，或者10000泊或更小)的粘度，并且也能以200皮升或更小(如60-100皮升)的小滴尺寸来打印。小滴的速度约为2-12米/秒，如约7-9米/秒。打印分辨率约为50dpi以上，如约150-500dpi。在实施方式中，喷射流体被加热到例如约40-125℃，以维持所需的喷射粘度，如约10-20厘泊。可使用旋转筒型粘度计(viscosometer)来测量粘度。适当的工具是马萨诸塞(MA)的Middleboro的Brookfield出品的带有由106型号的可编程温度控制器(Model 106Programmable Temperature Controller)控制的热固性系统3(Thermoset System 3)样品座的DV-III型号的可编程流变仪(Model DV-III Programmable Rheometer)。使用#18支轴转速为60rpm时，该系统能测量高达约49.9厘泊的粘度。可使用平行板粘度计(parallelplate viscometer)测量较高的粘度。
在实施方式中，打印期间基材的粘度大于室温时的水的粘度。在其它实施方式中，粘度大于室温时的蜂蜜的粘度。可相对于基材的粘度调节喷射流体的粘度。例如，如果喷射流体可与可流动基材混合(miscible)，则喷射流体应该具有大于基材的粘度，以防止流体渗透(bleeding)。如果喷射流体不能与可流动基材混合(即，油性清漆和水基墨)，则喷射流体需要避免网组化(reticulation，即墨凝集在一起)的粘度。为防止网组化，可向喷射流体加入凝胶剂(gelants)，或者可使用热熔性墨。
在实施方式中，喷射流体可包括在喷射期间或冲击可流动基材后蒸发的溶剂基载体。在实施方式中，喷射流体包括在基材上凝固的可熔载体。在实施方式中，喷射流体可为在暴露于紫外光时凝固的紫外线可固化流体。当从喷嘴喷出并冲击可流动基材时，这些喷射流体的粘度通常相对较低，这降低飞溅或凹坑效应。然后，随着溶剂载体蒸发、载体凝固或流体被紫外线固化，喷射流体的粘度增加，这降低喷射流体向基材中的散布。适当的溶剂载体是低分子量的乙二醇醚乙酸酯，如DPMA(dipropylene glycolmonomethyl ether acetate，二丙二醇单甲醚乙酸酯)。适当的可熔载体是动物脂肪或蜡。在实施方式中，喷射期间喷射流体的粘度约为20cps或更小，如10-20cps，而在基材温度时粘度为20-200cps或更大。在实施方式中，喷射时粘度为10-20cps，且喷射流体被加热到40-125℃，例如50-60℃时粘度为12-14cps。在实施方式中，喷射流体或流体的主要成分在基材中溶解度低，以降低喷射流体向基材中的扩散。对于包括非极性(non-polar)例如类脂成分的基材，喷射流体或其主要成分一般为极性(polar)并在水中具有溶解度高，例如可混合。例如，在实施方式中，喷射流体包括高水溶性载体，即例如50％或70％或更大的喷射流体。适当的高水溶性载体包括水和酒精。适当的载体是丙二醇(propylene glycol)。对于大致可溶于水的基材，流体可包括具有低水溶解度的载体，例如动物脂肪。介质还可包括诸如有机染料、稳定剂、软化剂、增塑剂和/或其它添加剂等颜料。
参考图1，支承件还可为固定台。在图1和2中，固化装置可包括热源、水浴、炉(kiln)、紫外光、冷空气、急速冷却器(flash freezer)或用于固化可流动基材或喷射流体的其它装置。可存在多个固化站(例如，一个用于墨的固化站和另一个用于固化可流动基材的固化站)。
再参考图2，涂布站可通过喷涂、喷墨、丝网印刷、挤压、浸涂、喷溅或其它沉积或打印方法来沉积可流动基材层。
可存在多个打印台。
其它实施方式在权利要求的范围内。例如，可以不同顺序来进行方法步骤，仍然获得令人满意的结果。

Claims (21)

1.一种打印、沉积或涂布的方法，包括：在制品上沉积一层非食物的可流动基材层，所述可流动基材层的材料是选自由电介质材料、釉料、油漆构成的组中的一种材料；
喷射流体以在制品上的所述可流动基材层上形成图案，所述流体具有比可流动基材层的粘度大的粘度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，还包括在喷射流体小滴于所述可流动基材层上后，将所述可流动基材层从可流动状态固化成固态。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述可流动基材层和图案形成一个表面，并在该表面上涂布第二可流动基材层。
4.如权利要求3所述的方法，其中，还包括喷射流体以在所述第二可流动基材层上形成第二图案。
5.如权利要求4所述的方法，其中：还包括在喷射所述第二图案后固化所述第二可流动基材层。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述图案和层形成装饰图案。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述装饰图案是纹理。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述纹理是木纹。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述流体包括墨滴。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述制品包括木材、塑料、金属或陶瓷。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述制品包括中密度纤维板木材。
12.一种打印、沉积或涂布的方法，包括：
施加粉末于支承件的表面上；
喷射流体于所述支承件上的所述粉末上；以及
在所述粉末上喷射流体之后，使所述粉末流动，并涂布所述支承件的表面。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述粉末被静电地施加到所述支承件。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述粉末包括热固性或热塑性材料。
15.如权利要求12所述的方法，其中，使用压电打印头来喷射所述流体。
16.如权利要求12所述的方法，其中，所述支承件包括金属。
17.一种喷射流体于非食物的可流动基材上的系统，包括：
以图案方式喷射流体于基材上的墨喷打印机；
支承件，用于支承邻近所述墨喷打印机的非食物的可流动基材，以便所述墨喷打印机能喷射流体于所述支承件上的所述可流动基材上；和
配置成从所述墨喷打印机上游将所述可流动基材挤压到所述支承件上的挤压机，所述流体具有比可流动基材的粘度大的粘度。
18.如权利要求17所述的系统，其中，还包括从所述墨喷打印机下游固化所述可流动基材的固化站。
19.如权利要求17所述的系统，其中，还包括将所述可流动基材形成为单独的制品的形成站。
20.一种在基材的粉末表面上沉积喷射流体的系统，包括：
以图案方式喷射流体于基材上的墨喷打印机；
用于支承邻近所述墨喷打印机的基材以便所述墨喷打印机能喷射流体于所述基材上的支承件；
从所述墨喷打印机上游分配粉末于所述基材的表面上的工作站；和
使所述粉末流动并覆盖所述基材的所述表面的另一工作站。
21.如权利要求20所述的系统，其中，所述粉末被静电地施加到所述基材的所述表面。
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