CN101855088B - 液滴分断装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液滴分断装置，包括：用于容纳印刷液体(3)且包括底板(4)的腔室(2)；用于对印刷液体加压的泵；具有中心轴线的出口管(5)，其设置在所述腔室内以喷射印刷液体；以及用于分断从出口管喷射出的流体的致动器(7)。该致动器绕着出口管而设置，并布置成相对于出口管轴线对称地施加压力脉冲。因此，可在更高的频率下排出更小的液滴。

Description

液滴分断装置

技术领域

本发明涉及一种液滴分断装置(droplet break-up device)，在被称为按需滴定系统或者连续印刷系统的领域中，该液滴分断装置被构造成以各种方式从印刷管嘴中喷射液滴。在这方面，术语“印刷(printing)”通常指小液滴的形成，并且尤其不局限于图像的形成。

背景技术

关于这一点，通过连续喷印技术意味着点滴(drop)的连续形成，其可被选择性地用于预定液滴形成工艺。与所谓的按需滴定技术(由此点滴根据预定的液滴形成工艺而形成)相比，点滴的供应连续地进行。

例如，在WO2004/011154中描述了一种已知设备。该文献公开了用于由包含流体的材料形成液滴的所谓的连续喷印机。通过该喷印机，可印刷出流体。在流体通过出口管流出的过程中，调压机构对邻近流出口的流体提供扰动。这导致从流出口流出的流体射流中发生扰动。这种扰动导致射流的收缩，进而导致射流分断成点滴。这产生了具有均匀分布特性(例如点滴的尺寸)的连续的外出点滴流。致动器被提供用作振动底板。然而，由于底板的尺寸，难以实现更高的频率。

发明内容

在一个方面，本发明旨在提供一种以更高的频率提供更小的液滴的分断装置，以克服当前系统的限制。

根据本发明的一个方面，提供了一种液滴分断装置，包括：腔室，用于容纳加压的印刷流体，并包括底板；至少一个出口管，其具有中心轴线，并设置在所述腔室内以喷射印刷流体；以及致动器，用于将从出口管排出的流体射流分断成液滴；其中，致动器设置成相对于出口管的中心轴线对称，并布置成对流体射流施加相对于出口管中心轴线对称的压力脉冲。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于印刷目的的喷射液滴的方法，该方法包括：提供用于容纳印刷流体并包括底板的腔室、用于对印刷流体加压的泵、以及位于腔室内的具有中心轴线的出口管；以及对靠近出口管的流体施加压力脉冲，以便分断从出口管喷射出的流体；其中，压力脉冲通过底板相对于出口管中心轴线对称的轴线或径向运动而施加。

因此，能够提高分断系统的特征频率，从而实现更高的工作频率和更小的液滴。没有任何限制，频率和液滴可以在5kHz至20MHz的量级，而液滴小于50微米。

此外，借助高压，可印刷具有特别高粘度的流体(例如，当正被处理时具有300×10^-3Pa·s粘度的粘性流体)。具体地，该预定压力可以是介于0.5bar至600bar之间的压力。

附图说明

结合所附的附图，其他特征和优点将从说明书中变得显而易见。附图中：

图1示意性地示出了在本发明中使用的液滴形成系统的第一实施例；

图2示意性地示出了在本发明中使用的液滴形成系统的第二实施例；

图3示意性地示出了在本发明中使用的液滴形成系统的第三实施例；

图4示意性地示出了在本发明中使用的液滴形成系统的第四实施例；

图5示出了出口管收缩的详细视图；

图6示意性地示出了在本发明中使用的液滴形成系统的第五实施例；以及

图7和图8示出了通过机械地连接至出口管以用于多个出口管的致动器的发明原理。

具体实施方式

在下面，部分A、B以及C代表致动器相应的操作位置和致动方向。

图1示出了根据本发明的液滴分断装置的第一示意性实施例。具体地，液滴分断装置(也称为印刷头)10包括腔室2，该腔室包括底板4。腔室2适于容纳加压的液体3，例如通过泵或者通过加压供应装置(未示出)加压。该腔室2包括出口管5，加压的流体射流60通过该出口管被分断成液滴6。该出口管限定有中心轴线，并且围绕该出口管形成有致动器7，并且该致动器基本上相对于出口管5的中心轴线对称。该致动器优选为设置在底板4内的环形盘形式的压电元件或磁致伸缩元件。通过致动器7的致动，形成相对于出口管轴线5对称的压力脉冲。从而，液滴6以对称的形式恰当地形成，并且可获得更小的单分散液滴。在图1的实施例中，出口管5布置成位于致动件7的中心，其中，出口管5的壁由致动材料形成。

在该实例中，流出口5包括在设置于底板4内的致动器7中。在该实例中，板4内的流出口5具有50μm的直径。流出口5的横向尺寸可在5-250μm之间。作为压力调节范围大小的指标，其可作为一个实例，即，平均压力为0.5-600bar[≡0.5-600×10⁵Pa]大小的量级。印刷头10可进一步设置有支撑板(未示出)，该支撑板支撑管嘴板4，从而使其在腔室内的高压下不会断裂。在图1的实施例中，如部分C中示意性地示出的，压电致动器7以推进的方式被致动，这导致沿着电场的轴向变形。因此，该变形处于相对于底板4的平面内。

图2示出了图1中示出的液滴分断装置10的替代实施例20。为了简明起见，在与图1相似的后续附图中，将不再描述同样的或者相应的元件。在图1中，致动件7主要引起出口管5的收缩。相反，图2的实施例20提供了相对于出口管5位于中心的致动件70，其中，致动件70以剪切方式运行以在相对于底板4的偏离平面(out-of-plane)方向上变形。在图2的C中，所示致动方向为相对于致动器70的平面方向是横向的。该剪切方式的致动由引起压电元件剪切变形的电场提供。通过压电元件70相对于出口管中心轴线5的致动运动，液滴6从流体射流60形成。通过适当的尺寸，致动器的体积(mass)可以非常小，因此，液滴的尺寸可以充分地小于50微米。致动件70优选地是压电元件，但是，其他类型的运动件也是可行的，例如，磁致伸缩元件或者借由线圈的电磁致动。

在图3的实施例中，致动器700设置为夹层压电装置，由于致动器700的夹层701和702的不同变形特性，将导致沿着出口管5轴向方向的弯曲运动。因此，夹层致动器700提供沿着中心轴线的对称致动，从而导致弯曲变形。如在图2的实例中，部分C中的致动方向表示为相对于平面致动器700是横向的。

尽管在图1、2和3中致动器在底板4中一体形成，在图4中，提供了用于致动器的替代结构，设置成相对于出口管5对称。在该实施例中，出口管设置在连接至角形压电元件71的金属箔(metalfoil)40中。部分A、B和C表示致动器71的相应操作位置和致动方向，在该实施例中，致动方向相对于中央的底板4为横向。在该实施例中，底板4设置成其内具有开口41的结构，并且致动压电层71设置在该底板开口41上并围绕该底板开口，并且薄的金属箔包括出口管5，从而形成叠置于致动层71的顶部上的管嘴板40。在操作中，致动层7将引起管嘴板40的横向运动，从而对流体射流60施加沿轴向方向对称的压力脉冲。

转至图5，示出了替代实施例14，其中，在图5中，出口管5的壁由管嘴板40形成，并且磁致伸缩元件或压电元件7绕着所述壁设置在底板4中。致动器7可附接在底板4上或者部分地嵌入在底板4中，或者全部一体形成在底板4中。如图5中的部分B所示，通过以剪切弯曲的方式操作压电致动器7，致动可以相对于出口管为轴向的和/或相对于出口管中心轴线为径向的。

因此，在上面示出了形成液滴6的方法，例如，用于液滴在基板上的沉积，该方法包括提供用于容纳印刷液体3的腔室2，该腔室包括底板4和设置在腔室内并具有中心轴线的出口管5。该方法进一步包括对靠近出口管5的液体3施加压力脉冲，以便以液滴6的形式分断从出口管5喷射出的流体。根据本发明的一个方面，通过底板相对于出口管中心轴线轴向或径向对称的运动施加压力脉冲。代替图1-5的结构或者除此之外，图6示出了液滴分断装置的第五实施例15。在该结构中，压电元件7被设置成在剪切形式致动而偏斜，这导致出口管5的轴向运动。此外，图6示出了与出口管5共轴设置的集中件9。集中件例如由固定销提供。底部91通常靠近出口管且优选地与出口管5距离例如1-500微米的间隔，通过出口管的压力在大于50bar的范围内；通常，该距离可涉及出口管直径的约10％。对于较低的压力，集中件可设置得稍远些，通常例如距离出口管100-1500微米。在图1-6中示出的实施例中，出口管通常具有5-250微米的直径以及约0.01-3毫米的长度。

例如，对于大约80微米的管直径，销直径可在3毫米的量级-例如直径在2至3.5毫米之间。在采用牛顿流体的模型中，柱形管嘴内的压力p可在管嘴内计算为：

$p\left(r\right)=\frac{3\mathrm{\&mu;}{v}_{\mathrm{piezo}}}{h_{\mathrm{gap}}^3}(r_{\mathrm{piezo}}^2-r^2)+\frac{6\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&pi;}{h_{\mathrm{gap}}}^3}{q}_{\mathrm{nozzle}}\ln \left(\frac{r}{r_{\mathrm{piezo}}}\right)+p_{\mathrm{pump}},r_{\mathrm{nozzle}}<r\&le;r_{\mathrm{piezo}}---\left(1\right)$

$=p\left(r_{\mathrm{nozzle}}\right)$ r≤r_nozzle

这里，μ是粘度，例如在3-300mPa·s的范围内；v_piezo是计算的管嘴致动速度；p_pump是泵压，在0.5-600bar的范围内；r_piezo是集中件的直径，且h_gap是间隙距离，例如为1-500微米；并且q_nozzle为计算的通过管嘴的流量变化。针对集中件的直径求压力的积分，可表明施加在集中件与管嘴之间的相对力极大地依赖于直径(在该实例中，用3.3mm的直径作为标准)：

因此，具有与出口管共轴设置的有限直径并且具有与出口管间隔的底部的集中件，因为集中出口管附件的压力脉冲，所以可提供更有效的液滴分断，同时降低了施加在管嘴致动器上的力。

固定销形式的集中件可操作地设置在其中的距离间隔可能取决于流体的粘度。对于由具有高粘度的流体形成的液滴，从端部至流出口的距离优选地相对较小。对于以高达5Bar[≡5×10⁵Pa]的压力工作的系统，该距离例如为0.5mm的量级。对于更高的压力，该距离优选地相当更小。对于印刷粘度特别高(例如，300-900×10³Pa·s)的粘性流体的具体应用，根据出口管的直径，可采用15-30μm的间隔距离。优选地，固定销具有相对较小的单位管嘴集中表面面积，例如，1-5mm²。

根据前面的描述，可以清楚的是，在图6的实施例中示出的集中件9也可以应用于其中产生了出口管5的轴向运动的实施例中，尤其是图2、图3、图4和图5的实施例中。同样，在图1的实施例中(其中提供了出口管的收缩)，可使用集中件9。此外，从前面的描述可以清楚的是，图1-6的致动原理可应用于各种组合中，例如，结合有压电致动器7的轴向运动或弯曲运动的收缩。同样，从前面的描述中可以清楚的是致动器不局限于压电致动器，也可包括其他的致动器，例如，磁致伸缩致动器。

图7和图8的实施例最终示出了通过机械地连接至出口管以用于多个出口管5的致动器提供对称压力脉冲的发明原理。具体地，图7的结构示出了图5实施例的偏离平面延伸的示意性透视图，其中，在管嘴板5中设置有多个出口管，管嘴板由机械地连接至底板4的压电致动器7的剪切运动致动。通过剪切弯曲致动，管嘴板40相对于出口管5沿轴向移动。

同样，图7的实施例示出了参照图3所描述实施例的偏离平面延伸。在该实施例中，在包括多个出口管5的致动器7中提供弯曲运动。通过弯曲该致动器，出口管沿轴向振动。因此，该发明原理可应用于多个出口管。

已经基于示例性实施例描述了本发明，但无论如何本发明不限于该实施例。同样落在本发明范围内的各种变型都是可行的。需要考虑的是，例如，提供可调加热件，用于加热管内的粘性印刷液体，例如，在-20至1300℃的温度范围内，更优选地，在10至500℃之间)的。通过调节流体的温度，流体可获得用于处理(印刷)目的的特定粘度。这使得印刷诸如不同种类的塑料和金属(例如，焊料)的粘性流体成为可能。

Claims (16)

1.一种液滴分断装置，包括：

腔室，用于容纳加压的印刷液体，并包括底板；

至少一个出口管，具有中心轴线，并设置在所述腔室内，以便喷射所述印刷液体；以及

致动器，机械地连接至所述出口管，用于将从所述出口管喷射出的流体射流分断成液滴；其中

所述致动器设置成相对于所述出口管的中心轴线对称，并布置成对流体射流施加相对于所述出口管的中心轴线对称的压力脉冲；并且

其中，与所述出口管共轴地设置有集中件，并且所述集中件具有与所述出口管间隔的底部，以便集中所述出口管附近的压力脉冲。

2.根据权利要求1所述的液滴分断装置，其中，所述致动器设置在所述底板中。

3.根据权利要求2所述的液滴分断装置，其中，所述出口管布置在所述致动器中。

4.根据权利要求1所述的液滴分断装置，其中，所述致动器是环形的且绕着所述出口管共轴地布置，其中所述致动器在一侧上附接至腔室壁并在相对侧上附接至所述底板。

5.根据权利要求1所述的液滴分断装置，其中，所述致动器被设置为压电元件或者磁致伸缩元件。

6.根据权利要求1所述的液滴分断装置，其中，所述致动器设置成轴向地致动所述出口管。

7.根据权利要求1所述的液滴分断装置，其中，所述致动器设置成提供所述出口管的收缩。

8.根据权利要求1所述的液滴分断装置，其中，所述底板包括设置成通过所述致动器的弯曲或剪切运动而相对于所述出口管轴向地移动的延伸部。

9.根据权利要求1所述的液滴分断装置，其中，所述集中件包括固定销，所述固定销具有与所述出口管间隔1-500微米的距离的底部。

10.根据权利要求1所述的液滴分断装置，其中，所述出口管的直径在5-250微米之间。

11.根据权利要求1所述的液滴分断装置，其中，所述出口管的长度在0.01-3毫米之间。

12.一种喷射液滴的方法，包括：

提供用于容纳印刷液体并包括底板的腔室、用于对所述印刷液体加压的泵、以及位于所述腔室内且具有中心轴线的出口管；以及

对所述出口管附近的液体施加压力脉冲，以便分断从所述出口管喷射出的流体；

其中，所述压力脉冲通过底板相对于所述出口管的中心轴线轴向或径向对称的运动而施加；并且

使用集中件，所述集中件与所述出口管共轴地设置，并且所述集中件具有与所述出口管间隔的底部，以便集中所述出口管附近的压力脉冲。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述底板的运动由所述出口管的收缩提供。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述出口管的运动由沿着所述出口管轴线的轴向振动提供。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述运动由设置在所述底板中的压电元件或磁致伸缩致动件提供。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述压电元件或磁致伸缩致动件绕着所述出口管的中心轴线对称地设置。

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