CN104602918A - 用于在基材上打印的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种打印系统，包括：打印装置，是可操作的以将一种或多种油墨涂敷到基材上；以及加热装置，是可操作的以将所述一种或多种油墨涂敷到所述基材上之前加热所述基材。

Description

用于在基材上打印的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于打印施加到基材上的一种或多种油墨的系统和方法。

背景技术

传统的喷墨打印系统目前能够提供每分钟20页(20ppm)的生产能力。遗憾的是，在这些系统的测试阶段未发现的问题中的一个是由不完全干燥引起的污迹(smear)和偏移。在20ppm时，只是在下一页出来之前没有充分的时间去干燥打印的页面。为了解决这个问题，创建新的颜色表将每单位面积的实体填充(solid-fill)油墨覆盖率限制到80％。

尽管显著地改善了污迹问题，但是减小油墨覆盖率有负面的影响，会减小光密度和对比度。通过减小油墨覆盖率，产生的图像明显地比以100％的覆盖率颜色表产生的图像要浅。

之前限于12ppm的系统在相同的纸张设定方面没有遇到这种污迹问题。因此，似乎20ppm处于必须将干燥时间动力学设计到打印系统中的阈值。当然，随着打印速度增大到远大于20ppm，需要对于干燥时间动力学的设计方式，因为油墨覆盖率不能持续地按比例缩减。此外，尽管可以采用油墨配方(ink formulation)改变来处理干燥时间问题，但是在没有羽化(feathering)增大和光密度减小的情况下，不大可能配制更快渗透的油墨。即使是采用新的油墨配方，也需要特殊的纸以防止否则会出现的低打印质量。

因此，本发明的目的是提供一种改善喷墨干燥时间动力学而不降低打印质量或光密度的方法，并且该方法应用到一系列的纸张类型。

本发明的另一目的是以远超出现在的12-20ppm并在未来达到60+ppm的生产量来满足高打印质量的需求。

发明内容

根据本发明示例性实施例的一种打印系统包括：打印装置，是可操作的以将一种或多种油墨涂敷到基材上；以及加热装置，是可操作的以在将所述一种或多种油墨涂敷到所述基材上之前加热所述基材。

在至少一个示例性实施例中，所述加热装置包括与所述基材接触的加热辊(heated roller)。

在至少一个示例性实施例中，所述加热装置包括与所述加热辊形成辊隙的传送带。

在至少一个示例性实施例中，所述加热辊的外径在20mm至40mm的范围内。

在至少一个示例性实施例中，所述加热辊包括外壁和设置在所述外壁的外表面上的第一涂层。

在至少一个示例性实施例中，所述加热辊包括设置所述外壁的内表面上的第二涂层。

在至少一个示例性实施例中，所述第二涂层由黑色阳极化铝制成。

在至少一个示例性实施例中，其中所述加热辊的所述外壁的厚度在0.5mm至1.5mm的范围内。

在至少一个示例性实施例中，所述第一涂层的厚度是大约25μm。

在至少一个示例性实施例中，所述第一涂层由聚四氟乙烯制成。

在至少一个示例性实施例中，所述传送带的厚度是大约127μm。

在至少一个示例性实施例中，所述传送带由聚酰亚胺膜制成。

在至少一个示例性实施例中，所述聚酰亚胺膜是聚4,4’-氧代二亚苯基-1,2,4,5-苯四甲酰亚胺(poly(4,4'-oxydiphenylene-pyromellitimide))。

在至少一个示例性实施例中，所述辊隙处的包角(wrap angle)在2°至80°的范围内。

在至少一个示例性实施例中，所述打印装置的生产能力在30ppm至60ppm的范围内。

在至少一个示例性实施例中，所述加热辊包括用于产生热能以加热所述基材的灯泡。

在至少一个示例性实施例中，所述灯泡的最大输入功率在350W至800W的范围之内。

通过下面的详细描述、附图和所附的权利要求，本发明实施例的其它特征和优点将变得明显。

附图说明

通过参考与附图一起考虑的以下详细描述，将更充分理解本发明示例性实施例的特征和优点，其中：

图1是针对传统纸-油墨对的每单位面积的吸收量对时间的平方根的绘图；

图2A至图2D是针对不同吸收系数值的吸收率/蒸发率对各种温度下的相对湿度的绘图；

图3是功能性干燥时间对油墨覆盖率和吸收系数的绘图；

图4是针对两种感兴趣的油墨(Mono-1和Magenta-1)的作为油墨-介质温度的函数的吸收系数乘数的绘图；

图5是根据本发明示例性实施例的打印系统的示意图，其整体由附图标记10表示；以及

图6是根据本发明示例性实施例的加热装置的示意图。

具体实施方式

油墨-介质对的吸收对蒸发的相对效果取决于吸收系数(Ka)。就此而言，Bristow测试是行业中公知的确定任何给定油墨-介质对的Ka值的方式。当绘制每单位面积吸收量对时间的平方根时，Bristow测试结果具有像如图1中所示的特性反应。吸收系数(Ka)是线的斜率并且具有单位mL/m²/ms^0.5(毫升/米²/毫秒^0.5)。

如预期的那样，当Ka大时，进入介质的吸收发生的很快。但是，如果油墨-介质对太能吸收，打印的边缘将表现出粗糙和模糊。已经发现打印质量(PQ)评分与Ka相关。尤其是，Ka值大于0.25的油墨-纸张对不会产生可接受的打印质量。

图2A至图2D示出对于一系列相关Ka值和一系列周围温度——相对湿度条件，吸收对蒸发的相对贡献。特别地，图2A示出吸收系数为0.25mL/m²/ms^0.5的油墨-介质设定将具有“可接受的”打印质量，并且对于B级环境范围，吸收比蒸发显著45-300+倍。图2B示出吸收系数为0.10mL/m²/ms^0.5的油墨-介质设定将具有“优异的”打印质量，并且对于B级环境范围，吸收比蒸发显著20-200倍。图2C示出示出吸收系数为0.15mL/m²/ms^0.5的油墨-介质设定将具有“良好的”打印质量，并且对于B级环境范围，吸收比蒸发显著25-300倍。图2D示出吸收系数为0.75mL/m²/ms^0.5的油墨-介质设定将具有“不可接受的”打印质量，并且对于B级环境范围，吸收比蒸发显著125-350+倍。因此，对于B级环境而言，在很大的Ka值范围上，吸收效果远大于蒸发效果。

可以看出吸收系数(Ka)是接触角、表面张力和粘度的函数：

σ≡表面张力   (1)

μ≡动态粘度

θ≡接触角

已知表面张力和粘度是油墨温度的函数。特别地，已知σ/μ的值随温度增大而增大。因此，本发明的示例性实施例涉及在温热介质上的油墨的影响，这会极大地增大吸收，由此处理污迹问题而无需千瓦型的蒸发干燥器。

通常，甚至在可能确定污迹是否是问题之前，整个系统需要建立并且经历数个硬件重复和数十个固件重复。具有采用离线测试来量测Ka的能力，与在油墨-介质界面处扩散动力学的数学模型结合，提供甚至在打印系统的设计开始之前预测用于任何油墨-介质的功能性干燥时间的能力。特别地，根据本发明示例性实施例的打印系统的设计方法，对于任何给定的油墨-介质对，可以在离线Bristow测试中量测吸收系数Ka。Ka²等于油墨-介质对的质量传递扩散率。由于Ka是表面张力(σ)和动态粘度(μ)的函数，已知两者都是温度的函数，所以可以估计作为温度函数的油墨-介质对的质量传递扩散率。这可以以两种方式进行：1)如果Bristow测试仪被设计为具有纸张加温的能力，则可以对任何给定的油墨-介质对测量Ka对温度的关系，或者2)如果在室温下测量Ka的基准值，则对于一系列温度测量表面张力和粘度以估计对于一系列温度的Ka的效果。因此，考虑到Ka的离线测量值，可以使用已知的数学方法定量预测任何油墨-介质对的功能性干燥时间。特别地，可以使用例如有限元分析来求解用于扩散质量传递的以下公式(采用(Ka²)取代D)，以确定对于一系列组分浓度的功能性干燥时间的值。

$D(\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}}{\∂{\mathrm{\φ}}^2}+\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}}{{\∂z}^2})=\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂t}=D{\▿}^2\mathrm{\φ}$

D＝扩散系数

φ＝组分浓度

t＝时间

(2)

采用公式(2)，可以产生功能性干燥时间对油墨覆盖率和吸收系数的绘图，如图3所示。从该绘图可以估计在不同打印系统生产能力下，产生实体填充、高光密度和单衬版(mono-blocks)所需的吸收系数。就此而言，表1提供了用来以20pL/600dpi产生实体填充的一系列生产能力范围的最小所需Ka值。

表1

打印系统能力(PPM)	最小所需Ka值(mL/m2/ms0.5)
		12	0.15
15	0.17
		20	0.20
30	0.25
		60	0.35

如以上讨论的，σ/μ的比值是温度的函数，而Ka与σ/μ直接成比例。因此，可以加热油墨-介质对以增大吸收系数。也就是说，根据本发明的各示例性实施例，将油墨喷射到温热的基材上以增强吸收过程。从表1可以确定在大的打印系统生成能力范围上实现无污迹(即，功能性干燥)打印所需的Ka。对于给定的油墨，温度对σ/μ的影响可以测量，这反过来对一系列温度范围提供吸收系数乘数。例如，图4提供对于两种感兴趣的油墨(Mono-1和Magenta-1)而言作为油墨-介质温度函数的吸收系数乘数的绘图。

下面的示例说明根据本发明示例性实施例的设计打印系统的方法。

示例1

提供Ka值为0.15mL/m²/ms^0.5的油墨-介质对。该Ka值通常用于产生非常好的打印质量的油墨-介质对。根据表1，当实体区域填充包含所期望的20pL/600dpi时，0.15的Ka值仅能支持具有12ppm生产能力的打印系统。如果需要20ppm的打印系统，图3的绘图表明油墨覆盖率需要被减小到15pL/600dpi以实现3秒的功能性干燥时间。换言之，要使该油墨-介质对在20ppm或更高时以无污迹方式工作，需要将油墨覆盖率减小至少～25％％。但是，如果不减小油墨覆盖率(这会使光密度和对比度变差)，而是通过向温热的纸张上喷射，会使吸收系数变差。在该示例中，打印系统的要求包括60ppm的生产能力、0.15的k值和20pL/600dpi的实体填充覆盖率。表1表明，基于这些要求，Ka需要减小到0.35mL/m²/ms^0.5。换言之，为了用该油墨-介质对实现60ppm，吸收系数必须从0.15增大到0.35，于是需要2.3的乘数。对于吸收的2.3的乘数，图4要求将油墨-介质对加热到～65-70C。

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根据本发明的各示例性实施例，在打印系统中设置加热装置加热油墨-介质对以实现无污迹、高速打印系统解决方案，而无需依赖于油墨覆盖率减小。在示例性实施例中，可以将油墨-介质对从～25℃加热到～65℃或更高，这取决于打印系统的设计需求。

图5是根据本发明示例实施例的打印系统的示意图，该打印系统整体由附图标记10表示。打印系统10可以是喷墨打印机，包括打印头27，大约是在打印区域25，例如打印机外壳30内。打印头27包括喷射器片21，该喷射器片21包括与多个排放喷嘴(未示出)关联的致动器。诸如油墨填充容器之类的油墨源与喷射器片21流体连通(在示出的实施例中，油墨源与打印头27一体形成)。打印头27被托架(carrier)23支撑，托架23反过来被支撑在打印外壳30的导轨26上。设置诸如传送带29等的驱动机构用于实现托架23和打印头27沿导轨26来回的往复运动。随着打印头27来回运动，其将墨滴14沿基材进给路径36经由喷射器片21喷射到设置在喷射器片21之下的基材12上，以形成信息带(swath)(通常具有与排放喷嘴的列长度相等的宽度)。如在整个说明书中使用的，术语“油墨”旨在包括适于当在基材上沉积时在基材形成图像(或其要素)的任何水性或非水性物质。

驱动电路24可以将电压脉冲提供到致动器，例如位于喷射器片21中的电阻加热元件或者压电元件(未示出)。在电阻加热元件的情况下，将每个电压脉冲施加到加热元件中的一个以瞬时蒸发与该加热元件接触的油墨，从而在加热元件所在的气泡室(未示出)内形成气泡。气泡的作用是转移气泡室中的油墨使得墨滴从与气泡室相关联的至少一个排放喷嘴排出。

打印机外壳30可以包括托盘32，用于存放要在上面打印的基材12。可旋转的进料辊40可以安装在外壳30中并且位于托盘32上。当被传统驱动装置(未示出)旋转时，辊40夹紧最上面的基材12并且沿基材进给路径36的初始部分将基材馈送。进给路径36部的大部分是被一对基材导引部50限定。可以可选择地使用涂覆设备在打印之前在基材12第一面的至少一部分上涂上一层涂覆材料，以有助于优化打印质量。

可以在外壳30中设置一对第一进料辊71和72。进料辊71和72可以由传统辊驱动装置(未示出)递增地驱动，该传统辊驱动装置也可以由驱动电路24驱动。第一进料辊71和72递增地将基材12馈送到打印区域25并且在打印头27下面。如以上所述，打印头27在沿导轨26来回运动时将墨滴14喷射到基材12上，使得在基材12上打印图像。

一对第二进料辊110和112可以设置在外壳30中，位于打印头27下游。第二进料辊110和112可以由传统辊驱动装置(未示出)递增地驱动，该传统辊驱动装置可以由驱动电路24驱动。进料辊110和112使打印后的基材12通过最终基材导引部114和116移动到输出托盘34。

加热装置75可以设置在外壳30中，位于第一进料辊71和72与打印区域25之间。加热装置是可操作的以用于在将一种或多种油墨涂覆到基材上之前加热基材以减少或消除污迹，尤其在高速打印系统的情况下(例如具有12ppm或更高生产能力的打印系统)。就此而言，加热装置可以在基材转移到打印区域之前，将基材从室温(例如接近25℃)加热到更高的温度，例如达到50℃至80℃范围内的温度。通过将加热装置75在保持在将基材加温到导致油墨-基材对的Ka增大的温度所必需的温度，对基材的加热可以由驱动电路24控制。

图6是根据本发明示例性实施例的加热装置75的示意图。该加热装置包括加热辊120和传送带130。在加热辊120和传送带130之间形成辊隙140。例如辊隙接触角可以在2°至80°的范围内。

加热辊120包括外壁122、设置在外壁122的外表面上的第一涂层124以及设置在外壁122的内表面上的内涂层126。例如，加热辊120的外径可以在20nm至40nm的范围内。外壁122可以由铝制成并且厚度在例如0.5mm至1.5mm的范围中。第一涂层124可以例如由聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)制成并且具有例如25μm的厚度。第二涂层用于吸收由设置在加热辊120内的加热元件产生的热流，并且可以由例如黑色阳极化铝(black anodized aluminum)制成。

例如，加热元件可以是灯泡128。输入到电灯泡128的最大输入功率可以在例如350W至800W的范围之内。取决于油墨-基材对所需的Ka，可以控制灯泡128以将加热辊的表面维持在例如100C至180C范围内的温度。就此而言，可以在打印装置的预热(warm-up)过程中使用最大输入功率，之后当基材开始通过辊隙140移动时，可以将功率调制为保持在所需的辊温度。例如，平均调制功率可以是峰值功率的70％。

传送带130由两个驱动辊130和132驱动以传送基材通过辊隙140。例如，传送带130可以由诸如聚4,4’-氧代二亚苯基-1,2,4,5-苯四甲酰亚胺之类的聚酰亚胺膜制成，并且具有127μm的厚度。

下面的示例说明根据本发明实施例的加热装置。

示例2

加热装置被设置成具有与图6示出的结构相同的整体结构。加热装置具有以下的特性：

加热辊的外径＝30mm

加热辊壁是1.0mm厚的铝

外涂层是25.4μm厚的

辊隙带是5密耳(mil)厚的

辊隙接触角＝60°

生产能力＝30ppm(5.75英寸/秒(in/s))

加热辊表面控制温度＝130℃

加热辊预热时间＝11.7秒

辊隙出口处的平均介质温度＝77℃

经过辊隙45mm处的介质温度＝73℃

最大灯泡功率＝550W

30ppm下的平均功率＝395W

****************

示例三

加热装置被设置成具有与图6示出的结构相同的整体结构。加热装置具有以下的特性：

加热辊的外径＝40mm

加热辊壁是1.0mm厚的铝

外涂层是25.4μm厚的

辊隙带是5密耳(mil)厚的

辊隙接触角＝55°

生产能力＝30ppm(5.75英寸/秒(in/s))

加热辊表面控制温度＝115℃

加热辊预热时间＝10秒

辊隙出口处的平均介质温度＝70℃

经过辊隙45mm处的介质温度＝68℃

最大灯泡功率＝737W

30ppm下的平均功率＝360W

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尽管已经描述和说明了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员清楚的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种其他变化和改型。因此在所附权利要求中旨在覆盖处于本发明范围内的所有这些变化和改型。

Claims (17)

1.一种打印系统，包括：

打印装置，是可操作的以将一种或多种油墨涂敷到基材上；以及

加热装置，是可操作的以在将所述一种或多种油墨涂敷到所述基材上之前加热所述基材。

2.如权利要求1所述的打印系统，其中所述加热装置包括与所述基材接触的加热辊。

3.如权利要求2所述的打印系统，其中所述加热装置包括与所述加热辊形成辊隙的传送带。

4.如权利要求2所述的打印系统，其中所述加热辊的外径在20mm至40mm的范围内。

5.如权利要求2所述的打印系统，其中所述加热辊包括外壁和设置在所述外壁的外表面上的第一涂层。

6.如权利要求5所述的打印系统，其中所述加热辊包括设置所述外壁的内表面上的第二涂层。

7.如权利要求6所述的打印系统，其中所述第二涂层由黑色阳极化铝制成。

8.如权利要求5所述的打印系统，其中所述加热辊的所述外壁的厚度在0.5mm至1.5mm的范围内。

9.如权利要求5所述的打印系统，其中所述第一涂层的厚度是大约25μm。

10.如权利要求5所述的打印系统，其中所述第一涂层由聚四氟乙烯制成。

11.如权利要求3所述的打印系统，其中所述传送带的厚度是大约127μm。

12.如权利要求3所述的打印系统，其中所述传送带由聚酰亚胺膜制成。

13.如权利要求12所述的打印系统，其中所述聚酰亚胺膜是聚4,4’-氧代二亚苯基-1,2,4,5-苯四甲酰亚胺。

14.如权利要求3所述的打印系统，其中所述辊隙处的包角在2°至80°的范围内。

15.如权利要求1所述的打印系统，其中所述打印装置的生产能力在30ppm至60ppm的范围内。

16.如权利要求1所述的打印系统，其中所述加热辊包括用于产生热能以加热所述基材的灯泡。

17.如权利要求16所述的打印系统，其中所述灯泡的最大输入功率在350W至800W的范围内。