CN107073942B - 高粘度喷射方法 - Google Patents
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Abstract
一种高粘度喷射方法,其中,液体由通流压电打印头通过喷嘴板(150)中的喷嘴(500)喷射;以及其中,喷嘴(NS)的截面具有包括外边缘(OE)的形状(S),该外边缘(OE)具有最小覆盖圆(C);其中,从该外边缘(OE)到该最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)大于从该外边缘(OE)到该最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)乘以1.2;以及其中,液体的喷射粘度为至少20mPa.s。
Description
技术领域
本发明涉及液体的喷射方法,其中,喷射粘度(即,在喷射温度下的粘度)为至少20mPa.s,以及其中,压电打印头以及特别是压电打印头中的喷嘴的结构适于可靠地喷射液体,具有良好的性能。
背景技术
热打印头是便宜的且一次性的,并且限制于水基油墨(与油墨供应源集成)。这些热打印头已经被用在办公室(SOHO-来自HPTM, CanonTM, EpsonTM等的打印机)中(达数十年),并且最近用于商业/事务性打印,诸如HPTM T300和T400。水基树脂油墨在用于宽幅图形(标识&显示)市场的热打印头中的使用在2008年的德鲁巴展会(the exhibition drupa)上由HPTM展示。
压电打印头是更贵的,要求单独的油墨供应源并且能够处理宽范围的油墨化学成分(热熔体、水、油、溶剂和可UV固化的油墨)。这些压电打印头与水基油墨结合也用在商业/事务性打印中,并且在更小范围上结合油基油墨用在商业/事务性打印中。来自OcéTM、MiyakoshiTM、ImpikaTM和Dainippon ScreenTM的用于事务性打印的卷筒纸印刷机和来自FujiTM、LandaTM和ScreenTM的平张喷墨印刷机使用来自KyoceraTM、PanasonicTM或DimatixTM的压电打印头结合水基染料或水基颜料油墨。
压电打印头中的溶剂、可UV固化的油墨和水基树脂油墨被用在宽幅图形市场中,用于诸如工业打印以及标识&显示的应用。
使用油基油墨的通流压电打印头主要用在陶瓷市场中。在该市场中占优势的打印头是XaarTM 1001。这个通流压电打印头还用在来自DurstTM、 SPGPrintsTM、FFEITM和EFITM的喷墨标签印刷机(使用UV IJ 油墨)中。Toshiba TecTM的通流打印头被Riso KagakucorporationTM用于使用油基油墨的IJ办公打印机中。
通常用于可喷射液体的现有技术的喷射粘度为从3mPa.s(毫帕·秒)到15mPa.s。在上述领域(诸如,商业/事务性喷墨打印或宽幅喷墨打印)中使用的喷墨油墨没有一个具有大于15mPa.s的喷射粘度。
存在需求以便改进用于一些应用的当前的低粘度喷墨油墨的性能和成本。喷射的油墨粘度的提高能够允许改进在一些油墨接收体(诸如,纺织品或玻璃)上的黏着力,这归功于在原料上的更多选择。可喷射液体的这种配方范围(formulation latitude)允许例如包含更高数量的低聚物和/或多聚体(polymer)和/或颜料。这导致更宽的可使用的接收体范围;减少的气味和迁移和用于可UV固化的可喷射液体的改进的固化速度;环境、健康和安全益处(EH&S);物理性质益处;减少的原材料成本和/或用于较高的颜料负载的减少的墨水消耗。
对于具有至少20mPa.s的喷射粘度的白色的可UV固化的喷墨油墨而言,较高的颜料负载的另一个益处是喷射的油墨层的更高的不透明性。此外,在具有至少20mPa.s的喷射粘度的可UV固化的彩色喷墨油墨中的更高的颜料负载允许减少墨水层厚度,从而导致改进的延展性和柔性。
对标准打印头中的较高粘性的油墨的之前的研究展现出严重的困难。主要问题是由于在较高的喷射粘度下喷射的喷墨液滴的增加的尾长所引起的随体(satellites)和雾颗粒的形成。从6mPa.s到12mPa.s的几mPa.s的增加足以产生每滴油墨液滴的许多随体和雾颗粒。
在文献中也已经公开了在标准打印头中使用增加的喷射粘度导致尾长的增加和随体的形成的示例。在WIJSMAN, HERMAN的《Structure and fluid-dynamics in piezoinkjet printheads》(Thesis University Twente. 2008)中,尾部的掐断(pinch-off)时间作为油墨粘度和表面张力的函数被测量。较高的粘度和较低的表面张力引起掐断时间的增加,这不利地影响喷射性能。因为油墨的较高的表面张力也会降低在宽范围的油墨接收体上的黏着力,所以应该清楚的是喷射性能的进一步改进是仍然需要的。
发明内容
为了克服上面描述的问题,本发明的优选实施例已经通过如由权利要求1限定的高粘度喷射方法以及如由权利要求8限定的适于高粘度喷射方法的压电打印头而实现。
出人意料地发现的是,具有至少20mPa.s的喷射粘度的可喷射液体的良好的性能和可靠性能够通过修改压电打印头的结构而实现,更具体地修改压电打印头中的喷嘴(500)的几何结构。
特别地,本发明优选地由通流压电打印头通过使液体再循环通过该压电打印头而执行。必须在压电打印头中保证高喷射粘度,否则压电打印头和/或该压电打印头的喷嘴能够被堵塞。已发现的是,具有如本发明中的喷嘴的特定几何结构的压电打印头实现具有较高的喷射粘度的可印刷性。液体再循环通过压电打印头对于这样的压电打印头而言是非常重要的以便避免堵塞和/或用于压电打印头中的更好的喷射粘度控制。喷射粘度越高,在压电打印头中控制喷射粘度的范围越窄。
在根据本发明的高粘度喷射方法中,液体由压电打印头通过喷嘴(500)喷射;其中,喷嘴(NS)的截面具有包括外边缘(OE)的形状(S),该外边缘(OE)具有最小覆盖圆(C);其中,从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)大于或等于从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)乘以1.2;以及其中,液体的喷射粘度始于20mPa.s,与如在现有技术中的类似圆形的外边缘(OE)相比给出更好的喷射性能。大概在最大距离(D)和最小距离(d)之间的差值在喷射时将液体引导至最佳喷射性能,诸如,通过具有喷射的液体的较短的掐断时间和/或较短的尾长而引起的滴落形成和较少的随体形成或没有随体形成。在优选实施例中,喷射粘度从20mPa.s到3000mPa.s,并且在更优选的实施例中喷射粘度从25mPa.s到1000mPa.s,并且在最优选的实施例中喷射粘度从30mPa.s到500mPa.s。
在优选实施例中,液体由压电打印头通过喷嘴(500)喷射;其中,喷嘴(NS)的截面具有包括外边缘(OE)的形状(S),该外边缘(OE)具有最小覆盖圆(C);其中,从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)大于或等于从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)乘以二的平方根;以及其中,液体的喷射粘度始于20mPa.s,与如在现有技术中的类似圆形的外边缘(OE)相比给出更好的喷射性能。大概在最大距离(D)和最小距离(d)之间的差值在喷射时将液体引导至最佳喷射性能,诸如,通过具有喷射的液体的较短的掐断时间和/或较短的尾长而引起的滴落形成以及较少的随体形成或没有随体形成。在优选实施例中,喷射粘度从20mPa.s到3000mPa.s,并且在更优选的实施例中喷射粘度从25mPa.s到1000mPa.s。
本发明特别地克服了喷射的液体的喷雾问题和伸长的尾部的问题,而没有引入打印速度的降低或精致的油墨通道结构优化。在数学方面,在本实施例中的距离(D、d)符合下述等式:
。
在优选实施例中,从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)大于从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)乘以三的平方根;并且在更优选的实施例中,从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)大于从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)乘以四的平方根;并且在最优选的实施例中,从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)大于从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)乘以五的平方根。
在优选实施例中,从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)小于从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)乘以150;并且在更优选的实施例中,从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)小于从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)乘以100;并且在最优选的实施例中,从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)小于从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)乘以50。
在优选实施例中,从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)在5μm和0.50mm之间。喷嘴的形状(S)的面积优选地在50μm2和1mm2之间。
已发现的是,该形状的对称性对于具有良好的喷射性能是重要的,该形状(S)优选地包括通过最小覆盖圆(C)的中心(c)的一组对称轴,更优选地包括通过最小覆盖圆(C)的中心(c)的一个或多个对称轴,并且最优选地包括通过最小覆盖圆(C)的中心(c)的两个或更多个对称轴。该形状的对称性最小化液体的流动中的扰动效应,这导致良好的喷射性能。
为了实现对称性,具有外边缘(OE)的形状(S)优选地与由下列公式限定的形状相似:
数学式.2
这个公式是超椭圆的归纳,并且由Johan Gielis首先提出。Johan Gielis建议这个公式(也被称为Gielis的超公式)能够用于描述在自然中发现的对称性明显的许多复杂的形状和曲线。该公式由Piet Hein(丹麦数学家)进一步推广。
本发明的另外的优点和优选实施例通过下列描述将变得明显。
附图说明
图1示出喷射液体的打印头(100)的截面。液体经由管(170)沿流动方向(175)从外部液体供给单元(300)被输送至打印头的主入口(101)。该液体被收集在歧管(102)中,液体通道(104)从歧管(102)被填充。通过液滴形成机构(103),液体通道(104)中的液体被喷射通过喷嘴(500),喷嘴(500)被包括在打印头的喷嘴板(150)中。该液体被喷射在接收体(200)上。
图2示出其中液体被再循环的打印头(100)的截面。液体经由管(170)沿流动方向(175)从外部液体供给单元(300)被输送至打印头的主入口(101)。该液体被收集在歧管(102)中,液体通道(104)从歧管(102)被填充。通过液滴形成机构(103),液体通道(104)中的液体被喷射通过打印头的喷嘴板(150)中的喷嘴(500)。液体被喷射在接收体(200)上。液体经由歧管(102)再循环至主出口(111),沿流动方向(175)经由管(171)在管(171)中的液体被输送回到主入口(101)。
图3示出其中液体被再循环的打印头(100)的截面。液体经由管(170)沿流动方向(175)从外部液体供给单元(300)被输送至打印头的主入口(101)。该液体被收集在歧管(102)中,液体通道(104)从歧管(102)被填充。通过液滴形成机构(103),液体通道(104)中的液体被喷射通过打印头的喷嘴板(150)中的喷嘴(500)。液体被喷射在接收体(200)上。液体经由在喷嘴板(150)和液体通道之间的通道再循环至主出口(111),沿流动方向(175)经由管(171)在管(171)中的液体被输送回到主入口(101)。
图4示出打印头中的喷嘴板(200)的前侧面,其中,包括2个喷嘴行(580、581)。每一个喷嘴行(580、581)包括10个椭圆形喷嘴(500)。箭头(585)图示喷嘴行(580)的喷嘴间隔距离。箭头(588)图示打印头的原始打印分辨率。
图5示出具有喷嘴板(150)和喷嘴(500)的打印头的截面中的一部分。通过液滴形成机构(103),液体从液体通道(104)被喷射通过喷嘴(500)。喷嘴(500)具有进口(501)和退出口(502)。喷嘴板(151)的后侧包括喷嘴的进口(501)并且喷嘴板(152)的前侧包括喷嘴的退出口(502)。
图6示出喷嘴(500),其中,箭头(175)示出喷嘴(500)中的液体流。喷嘴(500)被平行于喷嘴板(150)(不可见)的两个平面(905、907)横切,以便具有喷嘴的子喷嘴(550)。该子喷嘴(550)具有入口(551)和出口(552)。
图7示出喷嘴板(150)中的子喷嘴(550)的截面。子喷嘴(550)的截面的形状(552)具有外边缘(OE)(5521),该外边缘(OE)具有最小覆盖圆(C)(5522)。箭头(5523)指示出从外边缘(OE)(5521)到最小覆盖圆(C)(5522)的中心(5525)的最小距离。箭头(5524)指示出从外边缘(OE)(5521)到最小覆盖圆(C)(5522)的中心(5525)的最大距离。
图8示出具有X-轴(821)和Y-轴(822)的3个外摆线(801、802、803)。这3个外摆线(801、802、803)在固定圆(811、812、813)上四处滑动。第二外摆线(802)也被称为肾脏线。
图9至图12示出由Gielis的“超公式”限定的每个形状,其中,Gielis的“超公式”的参数(m、n1、n2、n3、a、b)能够在参数盒(831)中读取并且在该形状的外边缘(OE)和中心之间的最小距离(d)以及在该形状的外边缘(OE)和中心之间的最大距离(D)能够在计算盒(832)中读取。
图13示出喷嘴的三维视图,并且图15是这个喷嘴(500)的截面。箭头(175)指示出通过具有特定形状(403)的喷嘴(500)的液体流(=喷射方向)。喷嘴的出口的形状(403)示出本发明的优选实施例。
图14示出喷嘴的三维视图,并且图16是这个喷嘴(500)的截面。箭头(175)指示出通过具有特定形状(404)的喷嘴(500)的液体流。喷嘴的出口的形状(404)示出本发明的优选实施例。
图17示出打印头(100)的截面,其中,液体被再循环,并且其中,打印头(100)包括喷嘴(500)。液体经由管(170)沿流动方向(175)从外部液体供给单元(300)被输送至打印头的主入口(101)。该液体被收集在歧管(102)中。通过液滴形成机构(103),液体被喷射通过该液滴形成机构中的小孔以及打印头(100)的喷嘴板(150)中的喷嘴(500)。液体被喷射在接收体(200)上。液体经由在喷嘴板(150)和液体通道之间的通道再循环至主出口(111),沿流动方向(175)经由管(171)在管(171)中的液体被输送回到主入口(101)。液滴形成机构(103)包括附接在液体输送通道的侧面处的致动器,彼此相对。
图18示出打印头(100)的截面,其中,液体被再循环,并且其中,打印头(100)包括喷嘴(500)。液体经由管(170)沿流动方向(175)从外部液体供给单元(300)被输送至打印头的主入口(101)。该液体被收集在歧管(102)中。通过液滴形成机构(103),液体被喷射通过该液体输送通道中的小孔以及包括在打印头(100)的喷嘴板(150)中的喷嘴(500)。液体被喷射在接收体(200)上。液体经由在喷嘴板(150)和液体通道之间的通道再循环至主出口(111),沿流动方向(175)经由管(171)在管(171)中的液体被输送回到主入口(101)。
具体实施方式
在本发明的优选实施例中,本方法包括通过压电打印头再循环高粘度液体的步骤。在压电打印头中再循环高粘度液体的优点在于液体处于运动中因此涉及较小的惯性,从而导致高粘度液体的更好的可喷射性。
在优选的实施例中,该液体是可UV固化的喷墨油墨,水基颜料油墨或水基树脂喷墨油墨,更优选地是无溶剂的可UV固化的喷墨油墨。与诸如溶剂喷墨油墨的液体相比,无溶剂的可UV固化的喷墨油墨要求较少的打印机维护。通常还能够通过可UV固化的喷墨油墨来处理更宽范围的油墨接收体。如果该液体是可UV固化的喷墨油墨,则高粘度喷射方法优选地包括通过UV辐射机构固化在接收体(200)上的喷射的液体的步骤。
在优选实施例中,来自对称轴组中的对称轴线平行于或垂直于喷嘴行的方向。在喷墨打印系统中,喷嘴行的方向基本上平行于打印方向,诸如在宽幅喷墨打印机中。出人意料地发现的是,在较好的打印质量的优点中这个优选实施例的对称轴线影响在打印方向上的滴落位置。可能的原因是平行于或垂直于喷嘴行的方向的对称轴有利地影响在喷墨打印机的慢扫描方向或快扫描方向上的点精度,从而导致较好的打印质量。
存在三种主要的不同技术的打印头:阀喷射打印头,压电打印头和热打印头,这三种打印头也被统称为按需滴落喷墨打印头,其意指仅在需要时产生油墨滴。
压电打印头(也被称为通流压电打印头)中的高粘度液体的再循环避免在压电打印头中的例如颜料颗粒的沉淀(例如,在液体通道或歧管(102)中)。沉淀可以引起油墨流的阻塞,由此不利地影响喷射性能。液体的再循环还导致液体的较小的惯性。在更优选实施例中,高粘度喷射方法使用诸如通流压电打印头的通流打印头,其中,高粘度液体以连续流动再循环通过液体输送通道,在这里,液体的压力由液滴形成机构施加,以及其中,液体输送通道与喷嘴板接触(图17、图18、图19和图20)。在最优选的实施例中,液滴形成机构在与喷射方向相同的方向上朝向接收体(200)施加压力以便激活加压液体的直线流动从而进入对应于液滴形成机构的喷嘴(图17、图18、图19和图20)。
打印头
打印头是用于通过喷嘴(500)将液体喷射在接收体(200)上的机构。喷嘴(500)可以被包括在附接至打印头的喷嘴板(150)中。包括在打印头中的一组液体通道对应于打印头的喷嘴(500),这意味着该组液体通道中的液体能够以喷射方法离开对应喷嘴(500)。液体优选地是油墨,更优选地是可UV固化的喷墨油墨或水基喷墨油墨,诸如水基树脂喷墨油墨。用于由打印头喷射的液体也被称为可喷射液体。使用可UV固化的喷墨油墨的高粘度喷射方法被称为高粘度可UV固化的喷射方法。使用水基喷墨油墨的高粘度喷射方法被称为高粘度水基喷射方法。
本实施例的高粘度喷射方法可以由喷墨打印系统执行。将打印头结合至喷墨打印系统中的方法对于技术人员而言是熟知的。
打印头可以是任意类型的打印头,诸如,阀喷射打印头,压电打印头、热打印头、连续打印头类型,静电式按需滴落打印头类型或声学式按需滴落打印头类型或页宽打印头阵列(也被称为页宽喷墨阵列)。
打印头包括一组主入口(101)以便向打印头提供来自一组外部液体供给单元(300)的液体。优选地,打印头包括一组主出口(111)以便通过打印头执行液体的再循环。该再循环可以在液滴形成机构之前完成,但更优选的是该再循环在打印头自身中完成,因此被称为通流打印头。液体在通流打印头中的连续流动去除了气泡和来自打印头的液体通道的聚结颗粒,由此避免阻塞喷嘴,喷嘴阻塞会阻碍液体的喷射。连续流动防止了沉淀并且确保一致的喷射温度和喷射粘度。连续流动还有助于阻塞的喷嘴的自动恢复,从而最小化液体和接收体(200)的浪费。
在该组主入口中的主入口的数量优选地为从1到12个主入口,更优选地从1到6个主入口,并且最优选地从1到4个主入口。对应于喷嘴(500)的该组液体通道经由该组主入口中的一个或多个主入口而被补充。
在通流打印头中的该组主出口中的主出口的数量优选地为从1到12个主出口,更优选地为从1到6个主出口,并且最优选地为从1到4个主出口。
在优选实施例中,在补充一组液体通道之前,一组液体被混合至补充该组液体通道的可喷射液体。混合至可喷射液体优选地由混合机构(也称为混合器)执行,该混合机构优选地被包括在打印头中,其中,该混合机构附接至该组主入口和该组液体通道。混合机构可以包括位于液体容器(诸如在打印头中的歧管(102))中的搅拌装置,其中,该组液体被混合器混合。混合至可喷射液体还意味着液体稀释至可喷射液体。用于可喷射液体的一组液体的后期混合具有的益处是对于有限的分散稳定性的可喷射液体能够避免沉淀。
液体靠液滴形成机构(103)通过对应于液体通道的喷嘴(500)离开液体通道。液滴形成机构(103)被包括在打印头中。液滴形成机构(103)正激活液体通道以便使液体通过对应于该液体通道的喷嘴(500)而移出打印头。
对应于喷嘴(500)的该组液体通道中的液体通道的数量优选地为从1到12个,更优选地为从1到6个,并且最优选地为从1到4个液体通道。
本发明的压电打印头适于喷射具有20mPa.s到3000mPa.s的喷射粘度的液体。优选的打印头适于喷射具有20mPa.s到200mPa.s的喷射粘度的液体,并且更优选的打印头适于喷射具有30mPa.s到150mPa.s的喷射粘度的液体。
在打印头中的最大滴大小优选地小于50pL(皮升),更优选地小于30pL,并且最优选地小于15pL。
压电打印头
用于本实施例的高粘度喷射方法的另一个优选打印头是压电打印头。压电打印头(也称为压电喷墨打印头)是基于当施加电压至被包括在该打印头中的压电陶瓷换能器(transducer)时的该压电陶瓷换能器的运动。电压的施加改变压电陶瓷换能器的形状以在液体通道中形成空隙,其然后被液体填充。当电压再被去除时,陶瓷膨胀至其原始形状,从而从液体通道中喷射液体的液滴。
压电打印头的液滴形成机构(103)控制一组压电陶瓷换能器以便施加电压从而改变压电陶瓷换能器的形状。液滴形成机构(103)可以是挤压模式致动器、弯曲模式致动器、推动模式致动器或剪切模式致动器或者是其他类型的压电致动器。
适合的商用压电打印头是TOSHIBA TECTM的TOSHIBA TECTM CK1和CK1L
(https://www.toshibatec.co.jp/en/products/industrial/inkjet/products/cf1/)以及XAARTM的XAARTM1002和XAARTM001
(http://www.xaar.com/en/products/xaar-1002)。
压电打印头中的液体通道也被称为压力室。
在压电打印头的液体通道和主入口之间存在相连接的歧管(102)以便存储液体从而供应至该组液体通道。
压电打印头优选地是通流压电打印头。在优选实施例中,通流压电打印头中的液体的再循环在一组液体通道和喷嘴的入口之间流动,其中,该组液体通道对应于该喷嘴(500)。
在压电打印头的优选实施例中,一个单个被喷射液滴的最小滴大小为从0.1pL(皮升)到300pL,在更优选的实施例中,该最小滴大小为从1pL到30pL,在最优选的实施例中,该最小滴大小为从1.5pL到15pL。通过使用灰度喷墨头技术,多个单个液滴可以形成更大的滴大小。压电打印头中的最大的滴大小优选地小于50pL,更优选地小于30pL,并且最优选地小于15pL。
在优选实施例中,压电打印头具有从3米每秒到15米每秒的滴速度,在优选的实施例中,该滴速度为从5米每秒到10米每秒,在最优选的实施例中,该滴速度为从6米每秒到8米每秒。
在优选实施例中,压电打印头具有从25DPI到2400DPI的原始打印分辨率,在更优选的实施例中,压电打印头具有从50DPI到2400DPI的原始打印分辨率,并且在最优选的实施例中,压电打印头具有从150DPI到3600DPI的原始打印分辨率。
在具有压电打印头的优选实施例中,喷射粘度为从20mPa.s到200mPa.s,更优选地为从25mPa.s到100mPa.s,以及最优选地为从30mPa.s到70mPa.s。
在具有压电打印头的优选实施例中,喷射温度为从10℃到100℃,更优选地为从20℃到60℃,以及最优选地为从30℃到50℃。
压电打印头中的喷嘴行的喷嘴间隔距离优选地为从10μm到200μm;更优选地为从10μm到85μm;以及最优选地为从10μm到45μm。
喷墨打印系统
高粘度喷射方法优选地由喷墨打印系统来执行。将打印头结合至喷墨打印系统中的方法对于技术人员而言是熟知的。关于喷墨打印系统的更多信息在STEPHEN F. POND.的《Inkjet technology and Product development strategies》(美国: Torrey PinesResearch, 2000, ISBN 0970086008.)中被公开。
诸如喷墨打印机的喷墨打印系统是正使用打印头或具有一个或多个打印头的打印头组件的标记装置,其在接收体(200)上喷射油墨。通过喷墨打印系统的喷射而在接收体(200)上标记的图案优选地是图像。该图案可以是非彩色的或是有彩色的。
喷墨打印系统的优选实施例在于喷墨打印系统是喷墨打印机并且更优选的是宽幅喷墨打印机。宽幅(wide-format)喷墨打印机一般被接受为具有超过17inch(英寸)的打印宽度的任意喷墨打印机。具有超过100inch的打印宽度的数字打印机一般被称为超宽打印机或大幅(grand format)打印机。宽幅打印机主要用于打印横幅、海报、纺织品、以及一般标识,并且在一些情况中可以比诸如丝网印刷的短回次(short-run)方法更经济。宽幅打印机一般地使用一卷基材而不是基材的多个单片,但是如今也存在具有其上装载基材的打印台的宽幅打印机。
喷墨打印系统中的打印台可以在打印头下方移动或者龙门架可以使打印头在打印台上方移动。这些所谓的平台(flat-table)数字打印机的大部分通常用于平面基材、带凸脊的基材以及多片柔性基材的打印。它们可以结合IR干燥器或UV干燥器以便防止印刷品在它们被制作时粘贴到彼此。宽幅打印机和更具体的平台数字打印机的示例在EP1881903B(AGFA GRAPHICS NV)中被公开。
高粘度喷射方法可以被包括在单程式打印方法中。在单程式打印方法中,喷墨打印头通常保持静止并且基材表面一旦在一个或多个喷墨打印头的下方就被输送。在单程式打印方法中,该方法可以通过使用覆盖接收体(200)的整个宽度的页宽喷墨打印头或多个交错的喷墨打印头来执行。单程式打印方法的示例在EP2633998(AGFA GRAPHICS NV)中被公开。
喷墨打印系统可以标记宽范围的基材,诸如折叠纸板箱、丙烯酸板、蜂窝板、波纹板、泡沫、中密度纤维板、实心板、刚性纸板、槽纹芯板、塑料、铝复合材料、泡沫板、波纹塑料、地毯、纺织品、薄铝、纸、橡胶、粘合剂、乙烯基、薄板、清漆毯,木材、柔印板、金属基板,玻璃纤维,透明箔,粘合剂PVC片等。
优选地,喷墨打印系统包括喷射可UV固化的油墨以标记基材的一个或多个打印头和在标记之后固化该油墨的UV源(诸如,干燥器系统)。可UV固化的喷墨油墨在基材上的扩散可以通过部分固化或“销钉固化(pin curing)”处理来控制,其中,油墨液滴被“钉住”,即固定不动,然后不发生进一步的扩散。例如,WO 2004/002746(INCA)公开了使用可固化油墨在多程中打印基材区域的喷墨打印方法,该方法包括将第一程的油墨沉积在该区域上;部分地固化在第一程中沉积的油墨;将第二程的油墨沉积在该区域上;以及完全固化在该区域上的油墨。
UV源的优选构造是汞蒸气灯。在含有例如带电的汞的石英玻璃管内,能量被添加,并且汞被蒸发并被离子化。作为蒸发和离子化的结果,高能量的完全自由的汞原子、离子和自由电子导致许多汞原子和离子的激发态。当这些汞原子和离子向回安定下来至它们的基态时,辐射被发出。通过控制存在于灯中的压力,发出的辐射的波长能够被稍微精确地控制,当然目的是确保发出的大多辐射落在光谱的紫外线部分中,并且处于对于可UV固化的油墨的固化有效的波长。另一个优选的UV源是UV-发光二极管,也称为UV-LED。
执行本实施例的喷墨打印系统可以用于通过靠喷射顺序层的顺序分层工艺而创建结构,也称为叠层制造(additive manufacturing)或3D喷墨打印。因此该实施例的高粘度喷射方法优选地被包括在3D喷墨打印方法中。可以由喷墨打印系统的实施例叠层制造的物体能够在整个产品生命周期中的任何地方被使用,除了工装应用和后生产定制之外,还从预生产(即,快速原型制作)至完整规模的生产(即,快速制造)。优选地,通过喷墨打印系统以添加层喷射的物体是柔印(flexographic)打印板。由喷墨打印系统制造的这样的柔印打印板的示例在EP24655678B(AGFA GRAPHICS NV)中被公开。
执行本实施例的喷墨打印系统可以被用于通过喷射顺序的一组层而创建凸纹(relief)(诸如,物体上的地形结构),例如用于制造压花板。这样的凸纹打印的示例在US20100221504(JOERG BAUER)中被公开。因此该实施例的高粘度喷射方法优选地被包括在凸纹喷墨打印方法中。用喷射粘度为至少20 mPa.s的液体喷射允许添加高分子量的化学化合物以用于凸纹喷墨打印的更好的结果,诸如,用于压花板或柔印板的凸纹的控制(harness)。
本实施例的喷墨打印系统可以被用于创建用于计算机直接制板(CTP)系统的打印板,在该系统中,专用液体被喷射至金属基底上以便从数字记录创建图像板。因此本实施例的高粘度喷射方法优选地被包括在喷墨计算机直接制板制造方法中。这些板不需要处理或后烘干并且能够在完成喷墨成像完成后立即使用。另一个优点在于具有喷墨打印系统的制板机比通常用在计算机直接制板系统中的激光设备和热设备更便宜。优选地,可以通过喷墨打印系统的本实施例喷射的物体优选地是平板打印板。由喷墨打印系统制造的这样的平板打印板的示例在EP1179422B(AGFA GRAPHICS NV)中被公开。使用喷射粘度为至少20mPa.s的液体喷射允许添加高分子量化学化合物以用于喷墨计算机直接制板方法的更好的结果,诸如,接受胶印油墨的能力。
优选地,喷墨打印系统是纺织品喷墨打印系统,执行纺织品喷墨打印方法。在工业纺织品喷墨打印系统中,同时在多个纺织品上打印是以经济的方式制造印刷纺织品的优点。因此本实施例的高粘度喷射方法优选地被包括在通过使用打印头的纺织品打印方法。使用喷射粘度为至少20mPa.s的液体喷射允许添加高分子量化学化合物以用于纺织品喷墨打印方法的更好的结果,诸如,当在纺织品上干燥后喷射的液体的柔性。
优选地,喷墨打印系统是陶瓷喷墨打印系统,执行陶瓷喷墨打印方法。在陶瓷喷墨打印系统中,同时在多个陶瓷上打印是以经济的方式制造印刷陶瓷的优点。因此本实施例的高粘度喷射方法优选地被包括在通过使用打印头而在陶瓷上打印的方法。使用喷射粘度为至少20mPa.s的液体喷射允许添加高分子量化学化合物(诸如,亚微米玻璃颗粒和无机颜料)以用于陶瓷喷墨打印方法的更好的结果。
优选地,喷墨打印系统是玻璃喷墨打印系统,执行玻璃喷墨打印方法。在玻璃喷墨打印系统中,同时在多个玻璃上打印是以经济的方式制造印刷玻璃的优点。因此本实施例的高粘度喷射方法优选地被包括在通过使用打印头而在玻璃上打印的方法。
优选地,喷墨打印系统是装饰喷墨打印系统,执行装饰喷墨打印方法,以便创建数字印刷的壁纸,层压板,数字印刷物体,诸如,平坦工件,瓶子,奶油缸或瓶子的冠形盖。
优选地,喷墨打印系统被包括在电子电路制造系统中,并且本实施例的高粘度喷射方法被包括在电子电路制造方法中,其中,液体是具有导电颗粒的喷墨液体,通常总地称为导电喷墨液体。
本实施例优选地由工业喷墨打印系统执行,诸如,纺织品喷墨打印系统,陶瓷喷墨打印系统,玻璃喷墨打印系统和装饰喷墨打印系统。
高粘度喷射方法的实施例优选地被包括在工业喷墨打印方法中,诸如,纺织品喷墨打印方法,陶瓷喷墨打印方法,玻璃喷墨打印方法和装饰喷墨打印方法。
喷嘴板
喷嘴板(150)是位于压电打印头的外侧处的平坦层并且固定至压电打印头。喷嘴板(150)是一种层,液体经由喷嘴板(150)中的喷嘴(500)通过该层喷射在接收体(200)上。它是指液体在从压电打印头中被排出之前最后经过的压电打印头的部分。喷嘴板(150)包括一组喷嘴,液体通过该组喷嘴喷射在接收体(200)上。该组喷嘴中的喷嘴的数量可以是一个或多于一个的喷嘴(500);并且优选地为从1到12000个喷嘴,更优选地为从1到6000个喷嘴,以及最优选地为从1到3000个喷嘴。
如果该组喷嘴中的喷嘴的数量多于一个,则该组喷嘴的一部分可以以行设置,该行称为喷嘴行。喷嘴行的喷嘴间隔距离是沿着该喷嘴行方向在喷嘴行中的喷嘴的中心之间的最小距离,该距离优选地为从10μm到200μm。压电打印头的原始打印分辨率是压电打印头中沿着喷嘴行方向上在所有喷嘴的中心之间的最小距离。
优选地,喷嘴板(150)包括多个喷嘴行,其中,每个喷嘴行具有相同的喷嘴间隔距离并且喷嘴行平行于彼此,以及其中更优选地,沿着喷嘴行方向在一个喷嘴行的喷嘴和下一个喷嘴行的喷嘴之间的最小移位是喷嘴行的最小间隔距离除以大于一的整数,以及其中最优选地,沿着喷嘴行方向在一个喷嘴行的喷嘴和下一个喷嘴行的喷嘴之间的最小移位是喷嘴行的喷嘴间隔距离除以二。
喷嘴板(150)可以包括多个喷嘴行,其中,第一喷嘴行具有与第二喷嘴行不同的喷嘴间隔距离。
在另一个实施例中,喷嘴板(150)包括多个喷嘴行,其中,每一个喷嘴行具有相同的喷嘴间隔距离并且喷嘴行平行于彼此,以及其中,第一液体通过喷嘴板(150)经由第一喷嘴行的喷嘴喷射,并且第二液体通过喷嘴板(150)经由第二喷嘴行的喷嘴喷射。
喷嘴板(150)优选地平行于接收体(200),喷射在该接收体上的液体具有垂直于接收体的直线喷射性能。
喷嘴板(150)优选地具有从10μm到100μm的厚度。喷嘴板(150)需要具有一定硬度但是喷嘴随着喷嘴板(150)变得更厚而变得更长。更长的喷嘴的抗剪力变得更高,从而要求液体通道中的更高的压力以便提供足够的滴速度。
喷嘴板(150)及其喷嘴组的制造可以由激光钻孔来执行,或者更优选地由MEMS技术或NEMS技术来执行。制造喷嘴板(150)的其他方法可以在模具技术或冲压技术中。MEMS和NEMS技术是优选的,因为与激光钻孔相比,该技术允许更容易地制造具有如本发明中的喷嘴几何结构的压电打印头。
制造喷嘴板(150)中的喷嘴的激光钻孔可以在高的重复率下一次执行一个喷嘴(500),或者甚至可以并行处理以便每步制造多个喷嘴并且重复使用高能量激光器。喷嘴板(150)中的激光钻得的喷嘴的示例在US8240819 (SEKI MASASHI, TOSHIBA TEC KK)中被公开。
微机电系统(或MEMS)被定义为使用微制造技术制作的微型机械和机电元件(即,装置和结构)。MEMS装置的关键物理尺寸能够从尺寸光谱的低端上的一微米以下一直变化到几毫米。同样地,MEMS装置的类型能够从没有移动元件的相对简单的结构变化到具有在集成微电子器件的控制下的多个移动元件的极端复杂的电机械系统。MEMS的一个主要标准是存在具有某种类别的机械功能的至少一些元件,无论这些元件是否能够运动。MEMS有时也被称为微系统技术或微加工装置。
纳机电系统(或NEMS)是在纳米尺寸上集成电和机械功能的一类装置。NEMS从所谓的微机电系统(或MEMS装置)形成逻辑上的下一个微型化步骤。NEMS通常集成具有机械致动器、泵或马达的类似晶体管的纳电子器件,并且可以由此形成物理、生物和化学传感器。该名称源于纳米范围内的典型装置尺寸,导致低质量,高机械共振频率,潜在的大量子力学效应(诸如零点运动),以及用于基于表面的感测机制的高表面积/体积比。
用于打印头中的喷嘴板(150)的MEMS技术的优选方法在US 20120062653(SILVERBROOK RESEARCH PTY LTD)中被公开。
MEMS和NEMS技术有助于制造如在本发明中的喷嘴(500)中的特定喷嘴(500)截面的可能性。
压电打印头中的喷嘴板的后侧是位于喷嘴的进口处的喷嘴板的平坦侧,并且该后侧面向喷嘴的液体通道组。
压电打印头中的喷嘴板的前侧是位于喷嘴的退出口处的喷嘴板的平坦侧,并且该前侧面向被喷射液体的接收体(200)。
在优选实施例中,喷嘴的出口由被包括在喷嘴板的前侧处的非浸湿(non-wetting)涂层环绕,该前侧也被称为喷嘴板的外侧。
在优选实施例中,喷嘴板的前侧包括被称为非浸湿涂层的层。来自压电打印头的液体必须以完整液滴的形式以稳定的方式被喷射,以便获得高的打印质量。这是为什么非浸湿处理(诸如,将非浸湿涂层附接至喷嘴板的前侧)可以在喷嘴板的前侧上被执行,并且优选地围绕喷嘴的出口和/或表面执行,使得液滴的弯月面可以被适当地形成。在没有非浸湿处理的情况下,可能发生浸湿,其中,当液体从喷嘴(500)中喷射时液体浸湿喷嘴的出口的表面,使得浸湿喷嘴的出口的表面的液体和被喷射的液体一起形成块状物,使得液体以流动方式被喷射而没有实现完整的液滴。这可以导致不良的打印质量,并且在液体的喷射之后随之形成的弯月面也可能变得不稳定。因此,为了确保压电打印头中的高水平的可靠性,需要在喷嘴的出口周围和/或在喷嘴的表面上执行非浸湿处理。
喷嘴(500)
喷嘴(500)是压电打印头的喷嘴板(150)中的孔,液体通过该喷嘴喷射在接收体(200)上。
喷嘴的长度是在喷嘴的进口和喷嘴的退出口之间的距离。如果喷嘴(500)被包括在喷嘴板(150)中,则喷嘴的长度由喷嘴板的厚度限定。
液体的流路是从喷嘴的进口到喷嘴的退出口。通常在接收体(200)和喷嘴的退出口之间的距离也被称为打印头间隙,位于100μm和10000μm之间。
喷嘴的截面是喷嘴和一平面的相交部,该平面与喷嘴的出口位于其中的平面平行。
喷嘴的子喷嘴(550)是位于喷嘴的两个不同截面之间的喷嘴的部分,其中,最靠近喷嘴的进口的截面被称为子喷嘴(550)的入口,并且最靠近喷嘴的退出口的截面被称为子喷嘴(550)的出口。
喷嘴的入口是喷嘴和一平面的相交部,喷嘴板的后侧被包括在该平面中,因此喷嘴的入口面向一组液体通道。喷嘴的入口因此是喷嘴的截面。
喷嘴的出口是喷嘴和一平面的相交部,喷嘴板的前侧被包括在该平面中,因此喷嘴的出口面向喷射的液体的接收体(200)。喷嘴的出口因此是喷嘴的截面。
在本实施例中,子喷嘴(550)的入口的形状优选地与子喷嘴(550)的出口的形状相似。为了避免在喷嘴(500)中对可喷射液体的高阻力,这样的相似性对于更好的喷射性能是优选的。如果一个形状能够通过均匀缩放以及一系列的旋转、平移和/或镜像而转变成另一个形状,则这两个形状是相似的。如果一个边缘能够通过均匀缩放以及一系列的旋转、平移和/或镜像而转变成另一个边缘,则这两个边缘(诸如,形状的外边缘)是相似的。
在喷嘴(500)被包括在喷嘴板的优选实施例中,在最小覆盖圆(C)的中心之间的轴线垂直于喷嘴板(150),该最小覆盖圆来自子喷嘴(550)的入口和出口的外边缘。已发现的是,子喷嘴(550)的对称性给予更好的喷射性能。
自子喷嘴(550)的出口的最小覆盖圆(C)的最大直径优选地为从10μm到100μm,更优选地为从15μm到45μm,以及最优选地为从20μm到40μm。
从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)优选地为从0.001μm到75μm。
二维形状
二维形状是二维的物体的形式,该二维物体具有由其外边缘(OE)限定的外边界。如果很清楚二维形状位于平面中的话,二维形状也被称为形状。
如果一个形状能够通过均匀缩放以及一系列的旋转、平移和/或镜像而转变成另一个形状,则这两个形状是相似的。
在优选实施例中,来自实施例中的形状的外边缘(OE)包括一组对称轴。优选地一组对称轴中的一个平行于或垂直于喷嘴板(150)位于其中的平面。已发现的是喷嘴(500)中的截面的对称性对于喷射性能而言是很大的优点,例如,在液体流(175)中具有较少的扰动,当形状的外边缘(OE)包括一组对称轴时是这样的。在二维形状中的对称轴线也被称为二维形状中的镜像轴线。
边缘(诸如,外边缘(OE))上的最小点是在该边缘上的这样的点:从边缘上的所有点来看,该点到该边缘的最小覆盖圆(C)的中心的距离是到该边缘的最小覆盖圆(C)的中心的最小距离。
边缘(诸如,外边缘(OE))上的最大点是在该边缘上的这样的点:从边缘上的所有点来看,该点到该边缘的最小覆盖圆(C)的中心的距离是到该边缘的最小覆盖圆(C)的中心的最大距离。
外边缘(OE)上的最小点的数量优选地为在外边缘(OE)上从1到12,更优选地为从1到6,并且最优选地为从1到4个最小点。外边缘(OE)上的最小点的数量优选地为2与外边缘(OE)上的两个最小点中的最小值的乘数。
外边缘(OE)上的最大点的数量优选地为在外边缘(OE)上从1到12,更优选地为从1到6,并且最优选地为从1到4个最大点。外边缘(OE)上的最大点的数量优选地为2与外边缘(OE)上的两个最大点中的最小值的乘数。
在优选实施例中,形状的外边缘(OE)是椭圆,其中,横向直径大于该椭圆的共轭直径。横向直径是椭圆上的两点之间的最大距离,并且共轭直径是椭圆上的两点之间的最小距离。
在优选实施例中,形状的外边缘(OE)是矩形。
在优选实施例中,形状的外边缘(OE)是具有k个尖点的外摆线,并且在这里k为整数,更优选地该形状是具有1、2、3、4或5个尖点的外摆线。外摆线是通过追踪圆(称为周转圆)的被选择的点的路径而形成的平面曲线,该圆围绕固定圆滚动而不滑动(图8)。如果较小的圆具有半径r,而且较大的圆具有半径R,R=kr,然后曲线的参数方程式能够由下列公式(I)给出:
数学式.3
其中,k限定了尖点的数量,因此k是正整数并且k大于零。具有一个尖点的外摆线被称为心脏线,具有两个尖点的外摆线被称为肾脏线并且具有五个尖点的外摆线被称为毛茛线(ranunculoid)。已发现的是喷嘴(500)中的截面的对称性对于外摆线情况的喷射性能是很大的优点。这样的外摆线的对称性最小化了液体流(175)中的扰动效应,这导致更高的点形成。外摆线的外边界限定了外摆线的形状,在优选实施例中,该形状与该实施例中的喷嘴(NS)的截面的形状(S)相似。
在更优选的实施例中,形状的外边缘(OE)类似于超椭圆,由下列公式限定,限定在笛卡尔坐标系(II)中:
数学式.4
a等于b的超椭圆被已知为Lamé曲线或Lamé卵形线(oval),并且a=b且r=4的情况有时被已知为方圆形。以此类推,a不等于b且r=4的超椭圆可以被称为矩椭圆形。已发现的是喷嘴(500)中的截面的对称性对于超椭圆情况中的喷射性能而言是很大的优点。
在更优选的实施例中,形状的外边缘(OE)类似于超椭圆的归纳,由Johan Gielis提出,由下列公式限定,限定在极坐标系(III)中:
数学式.5
其中,参数m和极坐标系的使用导致具有m重(m-fold)旋转对称性的外边缘和/或内边缘。该公式也被称为“超公式”(图9、图10、图11和图12)。在优选实施例中用于限定来自该“超公式”的形状的“超公式”的外边界类似于该实施例中的喷嘴(NS)的截面的形状(S)。在优选实施例中,在超公式中的r(θ)对于θ=0和θ=2kπ是相等的以便得到闭合曲线,该闭合曲线限定类似于该实施例中的形状的外边缘(OE)的形状。数值k是大于零的正整数。数字π是数学常数,是圆的周长与其直径的比率,近似等于3.14159。关于Johan Gielis的“超公式”的更多的信息在US7620527(JOHAN LEO ALFONS GIELIS)中被公开。已发现的是喷嘴(500)中的截面的对称性对于在Johan Gielis的“超公式”的情况中的喷射性能而言是很大的优点。形状的对称性导致液体流(175)的最小化的扰动效应。
在优选实施例中,形状的外边缘(OE)是圆角矩形、矩椭圆形、半圆、体育场形、卵形。体育场形是由在一对相对侧处具有半圆的矩形构造的二维几何形状。关于矩椭圆的更多信息在Fernandez Guasti, M.的《Analytic Geometry of Some RectilinearFigures.》(Int. J. Educ. Sci. Technol. 23, 895-901, 1992)中被公开。半圆是形成圆的一半的点的一维轨迹。
在优选实施例中,来自喷嘴(NS)的截面的形状的外边缘(OE)具有一组角部,诸如方形或矩形中的角部。出人意料地发现的是,在这个优选实施例中喷射性能(例如,通过更小的掐断时间(pinch-off-time))被提升。可能地在这个优选实施例的喷嘴中的液体流在该组角部中的一个角部处被延时,因此液体向喷嘴的中心的供应被降低并且尾长(taillength)更短。角部优选地具有小于160度的内角(因此在外边缘(OE)内),更优选地小于120度。
最小覆盖圆
覆盖圆描述了这样的圆:其中所有给定组的点被包含在该圆的内部或者在该圆上。最小覆盖圆(C)是具有最小的半径的给定组的点的覆盖圆。
近似于任意圆,覆盖圆由其中心限定,在该圆中,在中心和圆上的每个点之间的距离是相等的。在中心和圆上的点之间的距离被称为半径。圆是简单的闭合曲线,其将包括该圆的平面分割成两个区域:内部和外部。
找出给定组的点的最小覆盖圆(C)被称为最小覆盖圆(C)问题,也被称为最小圆问题。
如何解决最小覆盖圆(C)问题的更多信息能够在MEGIDDO, NIMROD的《Linear-time algorithms for linear programming in R3 and related problems》(SIAMJournal on Computing. 1983, vol.12, no.4, p.759-776)中找到。
解决最小覆盖圆(C)问题的简单的随机化算法能够在WELZL, EMO的《Smallestenclosing disks (balls and ellipsoids)》(New Results and New Trends inComputer Science (H. Maurer, Ed.), Lecture Notes in Computer Science 555.1991, p.359-370)中找到。
形状的外边缘(OE)的最小覆盖圆(C)是该形状的这个外边缘(OE)上的所有点中的最小覆盖圆(C)。这也意味着该形状的所有点以及在该形状中的所有点被包含在最小覆盖圆(C)的内部中或者在最小覆盖圆(C)上。
通过形状的外边缘(OE)每个点,在该点和最小覆盖圆(C)的中心之间的距离能够被计算,并且因此还能够确定从该形状的外边缘(OE)到该形状的外边缘(OE)的最小覆盖圆(C)的中心的最小和最大距离。
喷墨油墨
在优选实施例中,液体是油墨,诸如喷墨油墨,并且在更优选的实施例中,喷墨油墨是水性可固化喷墨油墨,并且在最优选的实施例中,喷墨油墨是可UV固化的喷墨油墨。
优选的水性可固化喷墨油墨包括水性介质和带有可聚合化合物的聚合物纳米颗粒。可聚合化合物优选地从由下述内容构成的组中选择:单体、低聚物、可聚合光引发剂和可聚合共引发剂。
喷墨油墨可以是不带色彩的喷墨油墨,并且被用作例如提高黏着力的底漆或者用作获得期望的光泽的清漆。然而,优选地喷墨油墨包括至少一种染料,更优选地包括彩色颜料。
喷墨油墨可以是青色、品红色、黄色、黑色、红色、绿色、蓝色、橙色或专色(spotcolour)喷墨油墨,优选地是企业专色喷墨油墨,诸如,Coca-ColaTM的红色喷墨油墨和VISATM或KLMTM的蓝色喷墨油墨。
在优选实施例中,液体是包括金属颗粒或包括无机颗粒的喷墨油墨,诸如白色喷墨油墨。
喷射粘度和喷射温度
喷射粘度通过测量喷射温度下的液体的粘度而被测量。
喷射粘度可以利用各种类型的粘度计(诸如,Brookfield DV-II+粘度计)在喷射温度和12转每分钟(RPM)下使用对应于90s-1的剪切率的CPE40主轴来测量,或者在1000s-1的剪切率下利用将具有传感器C60/1 Ti的HAAKE Rotovisco 1流变仪来测量。
在优选实施例中,喷射粘度为从20mPa.s到200mPa.s,更优选地为从25mPa.s到100mPa.s,并且最优选地为从30mPa.s到70mPa.s。
喷射温度可以利用各种类型的温度计来测量。
喷射的液体的喷射温度在喷射时在压电打印头中的喷嘴的退出口处被测量,或者喷射温度可以通过测量液体通道中的液体的温度或通过喷嘴喷射时的喷嘴温度来测量。
在优选实施例中,喷射温度为从10℃到100℃,更优选地为从20℃到60℃,并且最优选地为从30℃到50℃。
本发明可以包括粘度控制系统,因为具有至少20mPa.s的高粘度喷射方法要求高精度的喷射控制。因此压电打印头可以包括:
油墨流体回路,该油墨流体回路基本上被支撑在所述紧凑壳体构件内,所述油墨流体回路包括:
再循环罐,该再循环罐被围在所述压电打印头内;
再循环泵,该再循环泵被围住所述压电打印头内,所述泵被构造成从所述再循环罐基本无脉冲地抽吸油墨并且被构造成在所述回路内基本上无脉冲地驱动油墨;
加热组件,该加热组件被安装至所述压电打印头以用于加热由所述再循环泵驱动的油墨;
传感器组件,该传感器组件包括第一和第二压力传感器以及第一和第二粘度传感器,该传感器组件被安装至所述压电打印头并且被构造成检测从所述加热组件接收的油墨的压力和温度,以及从一个或多个打印头接收的返回油墨的压力和温度;
以及控制系统,该控制系统容纳在所述压电打印头内并且被构造成响应于所述传感器并且可操作以调整所述再循环泵速度和所述加热组件的温度。
在本发明的一个实施例中,所述再循环罐与空气泵流体连通,该空气泵可操作以用于从所述再循环罐中去除空气。
在另一个实施例中,所述加热组件包括导管,油墨通过该导管传输,所述导管形成双螺旋并且与一个或多个加热元件热接触。
在另一个实施例中,所述油墨流体回路进一步包括旁通管线,该旁通管线用于在所述回路内的流体压力增加超过阈值的事件中,将由所述再循环泵驱动的油墨传输至所述再循环罐中。
在另外的实施例中,所述控制系统是基于计算机的处理器,该处理器具有构造有控制逻辑的存储器以用于执行下述步骤:
获得源于所述传感器组件的被测量的压力差;
获得源于所述传感器组件的被测量的温度;
将所述被测量的压力差与至少一个预定的可接受压力进行比较,以及将所述被测量的温度与至少一个预定的可接受温度进行比较;
响应于所述比较结果而改变所述再循环泵的速度;以及
响应于所述比较结果而改变由所述加热组件产生的热量。
示例
在示例中的喷嘴都具有70μm的长度。对于所有的示例而言,喷嘴角内的接触角为60度,并且对于所有示例而言喷嘴板的前侧的接触角为110度。
对于喷嘴1,形状是当前现有技术的圆形。对于喷嘴2,该形状是椭圆形;对于喷嘴3,该形状是两个圆形的组合;对于喷嘴4,该形状是具有4个突出部的圆形;对于喷嘴5,该形状是方形。通过将喷嘴1(当前现有技术)与喷嘴2、喷嘴3、喷嘴4和喷嘴5(其符合本发明的实施例)进行对此,为具有10mPa.s(液体1)、20mPa.s(液体2)、30mPa.s(液体3)和50mPa.s(液体4)的喷射粘度的可喷射液体确定喷射的液体的掐断时间。当与喷嘴1一起使用时,具有10mPa.s的喷射粘度的液体1代表当前现有技术。
为了区分喷射性能,诸如随体(satellites)的最小数量,以μs为单位的掐断时间被确定。喷射的液体的掐断时间越小,喷射性能越好。同样在一些对比中,以μm为单位的尾长被确定。喷射的液体的尾长越小,诸如随体的最小数量的喷射性能越好。
喷嘴1:该喷嘴中的所有截面的形状是具有17.297μm的半径的圆。该形状的面积为929.12μm2并且体积为65038.4μm3。从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)为17.197μm,并且从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)为17.197μm,因此最大距离(D)没有大于最小距离(d)乘以1.2。
喷嘴2:该喷嘴中的所有截面的形状是具有2*12.16μm的共轭直径并且具有2*24.321μm的横向直径的椭圆。该形状的面积为929.12μm2并且体积为65202.83μm3。从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)为24.321μm,并且从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)为12.16μm,因此最大距离(D)大于最小距离(d)乘以二的平方根。喷嘴21:该喷嘴中的所有截面的形状是具有2*9.928μm的共轭直径并且具有2*29.789μm的横向直径的椭圆。
喷嘴3与图13中图示的相似。该喷嘴中的所有截面的形状是具有12.5μm的半径的两个圆的组合并且自两个圆中心的切割平面的距离为9.949μm。该形状的面积为929.1169μm2并且体积为65038.18μm3。从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)大于从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)乘以1.2。
喷嘴4与图14中图示的相似。该喷嘴中的所有截面的形状具有17.809μm的最大直径。相同的四个突出部中的每一个具有5*5μm的尺寸。该形状的面积为851.8μm2并且体积为59622.8μm3。从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最大距离(D)大于从外边缘(OE)到最小覆盖圆(C)的中心(c)的最小距离(d)乘以1.2。
喷嘴5:该喷嘴中的所有截面的形状是其中每个侧边为30.48μm的方形。该形状的面积为929.12μm2并且体积为65040μm3。喷嘴51:该喷嘴中的所有截面的形状是具有43.108μm的宽度和21.554μm的长度的矩形。喷嘴52:该喷嘴中的所有截面的形状是具有52.796μm的宽度和17.598μm的长度的矩形。
四种可喷射液体(液体1、液体2、液体3和液体4)具有32mN/m的表面张力和1000kg/m3的密度。
喷嘴的入口处的压力在示例中取决于喷嘴的形状而改变,使得在500μm喷嘴距离处的滴速度为6m/s。
在下表(表1)中,为使用50mPa.s的液体(液体4)的每个喷嘴示例确定以bar(巴)为单位的喷嘴的入口处的压力,因此在500μm喷嘴距离处的滴速度为6m/s:
表1
喷嘴几何结构 | 喷嘴的入口处的压力 |
喷嘴1 | 9.2 bar |
喷嘴2 | 11.3 bar |
喷嘴3 | 12.9 bar |
喷嘴4 | 16.6 bar |
喷嘴5 | 10.3 bar |
喷嘴距离是喷射的液体液滴在接收体的方向上距喷嘴板的距离。
在下表(表2)中,为使用50mPa.s的液体(液体4)和如在表1中限定的喷嘴的入口处的压力以μm为单位的不同喷嘴距离示出到达某一喷嘴距离的以μs为单位的滴(drop)时间:
表2
喷嘴距离 | 喷嘴1 | 喷嘴2 | 喷嘴3 | 喷嘴4 | 喷嘴5 |
100 μm | 20 μs | 20 μs | 20 μs | 20 μs | 20 μs |
300 μm | 50 μs | 40 μs | 50 μs | 50 μs | 40 μs |
500 μm | 80 μs | 80 μs | 80 μs | 80 μs | 80 μs |
700 μm | 110 μs | 110 μs | 120 μs | 120 μs | 110 μs |
对于使用50mPa.s的液体(液体4)以及如在表1中限定的喷嘴的入口处的压力的每个喷嘴示例,在以μm为单位的某一喷嘴距离处的以m/s为单位的速度能够在下表(表3)中找到:
表3
喷嘴距离 | 喷嘴1 | 喷嘴2 | 喷嘴3 | 喷嘴4 | 喷嘴5 |
100 μm | 8 m/s | 8 m/s | 7.75 m/s | 7.5 m/s | 8 m/s |
300 μm | 7 m/s | 6.6 m/s | 6.5 m/s | 6.15 m/s | 6.6 m/s |
500 μm | 6 m/s | 6 m/s | 5.75 m/s | 5.4 m/s | 6 m/s |
700 μm | 5.45 m/s | 5.5 m/s | 5.5 m/s | 5.15 m/s | 5.5 m/s |
在下表(表4)中,对于使用50mPa.s的液体(液体4)以及如在表1中限定的喷嘴的入口处的压力的每个喷嘴示例,喷嘴几何结构的结果示例出以μs为单位的掐断时间。当使用高粘度喷射方法时,相比于现有技术的喷嘴几何结构,喷嘴2、喷嘴3、喷嘴4和喷嘴5的掐断时间更短:
表4
喷嘴几何结构 | 掐断时间 |
喷嘴1 | 125μs |
喷嘴2 | 75μs |
喷嘴3 | 65μs |
喷嘴4 | 65μs |
喷嘴5 | 75μs |
下表(表5)是现有技术的喷嘴几何结构(喷嘴1)和椭圆形喷嘴几何结构(喷嘴2)的对比结果,其中,相比于以μs为单位的掐断时间的不同的液体(液体1、液体2、液体3和液体4)被检查。掐断时间越短,喷射性能越好,诸如在喷嘴2的情况中的随体的最小数量。
表5
喷射液体 | 喷嘴1 | 喷嘴2 |
液体1:10mPa.s | 55μs(入口压力:1.6bar) | 55μs(入口压力:1.8bar) |
液体2:20mPa.s | 85μs(入口压力:3.1bar) | 75μs(入口压力:3.6bar) |
液体3:30mPa.s | 115μs(入口压力:4.9bar) | 75μs(入口压力:5.9bar) |
液体4:50mPa.s | 125μs(入口压力:9.2bar) | 75μs(入口压力:11.3bar) |
下表(表6)是现有技术的喷嘴几何结构(喷嘴1)和椭圆形喷嘴几何结构(喷嘴2)的对比结果,其中,相比于以μm为单位的尾长的不同的液体(液体1、液体2、液体3和液体4)被检查。喷射的液体的尾长越短,喷射性能越好,诸如在喷嘴2的情况中的随体的最小数量。
表6
喷射液体 | 喷嘴1 | 喷嘴2 |
液体1:10mPa.s | 275μm(入口压力:1.6bar) | 275μm(入口压力:1.8bar) |
液体2:20mPa.s | 475μm(入口压力:3.1bar) | 425μm(入口压力:3.6bar) |
液体3:30mPa.s | 675μm(入口压力:4.9bar) | 450μm(入口压力:5.9bar) |
液体4:50mPa.s | 775μm(入口压力:9.2bar) | 475μm(入口压力:11.3bar) |
下表(表7)是通过使用50mPa.s的液体(液体4)的现有技术的喷嘴几何结构(喷嘴1)相对于具有宽度和高度之间的不同宽高比的矩形喷嘴几何结构(RECT)(喷嘴5、喷嘴51和喷嘴52)的对比结果,以及现有技术的喷嘴几何结构(喷嘴1)相对于具有共轭直径和横向直径之间的不同宽高比的椭圆形喷嘴几何结构(ELLIPSE)(喷嘴2、喷嘴21)的对比结果。表7包括以bar为单位的喷嘴的入口处的压力使得在500μm喷嘴距离处的滴速度为6m/s,以μs为单位的掐断时间和喷射液体的尾长。喷射液体的尾长越短,喷射性能越好,诸如在喷嘴2、喷嘴21、喷嘴5、喷嘴51和喷嘴52的情况中的随体的最小数量。
表7
喷嘴几何结构 | 宽高比 | 形状 | 喷嘴的入口处的压力 | 掐断时间 | 尾长 |
喷嘴1 | 1:1 | ELLIPSE | 9.2 bar | 125μs | 775μm |
喷嘴2 | 2:1 | ELLIPSE | 11.3 bar | 75μs | 475μm |
喷嘴21 | 3:1 | ELLIPSE | 15.2 bar | 65μs | 425μm |
喷嘴5 | 1:1 | RECT | 10.3 bar | 75μs | 475μm |
喷嘴51 | 2:1 | RECT | 12.6 bar | 75μs | 475μm |
喷嘴52 | 3:1 | RECT | 16.7 bar | 65μs | 425μm |
附图标记列表
表8
100 | 打印头 |
101 | 主入口 |
102 | 歧管 |
103 | 液滴形成机构 |
104 | 液体通道 |
111 | 主出口 |
150 | 喷嘴板 |
170 | 管 |
171 | 管 |
175 | 流动方向 |
200 | 接收体 |
300 | 外部液体供给单元 |
151 | 喷嘴板的后侧 |
152 | 喷嘴板的前侧 |
500 | 喷嘴 |
501 | 喷嘴的进口 |
502 | 喷嘴的退出口 |
550 | 子喷嘴 |
905 | 平面 |
907 | 平面 |
551 | 入口 |
552 | 出口 |
5521 | 外边缘 |
5522 | 外边缘的最小覆盖圆 |
5523 | 外边缘到最小覆盖圆的中心的最小距离 |
5524 | 外边缘到最小覆盖圆的中心的最大距离 |
801 | 外摆线 |
802 | 外摆线 |
803 | 外摆线 |
811 | 外摆线的固定圆 |
812 | 外摆线的固定圆 |
813 | 外摆线的固定圆 |
821 | X轴 |
822 | Y轴 |
831 | 参数盒 |
403 | 形状 |
404 | 形状 |
832 | 计算盒 |
Claims (16)
1.一种高粘度喷射方法,其中,液体由压电打印头通过喷嘴(500)喷射;以及
其中,喷嘴的截面具有包括外边缘的形状,所述外边缘具有最小覆盖圆;以及其中,从所述外边缘到所述最小覆盖圆的中心的最大距离大于或等于从所述外边缘到所述最小覆盖圆的所述中心的最小距离乘以1.2;以及
其中,所述液体的喷射粘度为从25mPa.s到1000mPa.s;以及其中,所述高粘度喷射方法包括使所述液体再循环通过所述压电打印头的步骤。
2.根据权利要求1所述的高粘度喷射方法,其中,再循环的所述步骤是所述液体通过液体输送通道的连续流的再循环,所述液体输送通道被包括在所述压电打印头中,其中,所述液体的压力由液滴形成机构施加,所述液滴形成机构被包括在所述压电打印头中,以及其中,所述液体输送通道与所述压电打印头中的喷嘴板接触,以及其中,所述喷嘴(500)被包括在所述喷嘴板中的喷嘴行中。
3.根据权利要求2所述的高粘度喷射方法,其中,所述形状包括通过所述最小覆盖圆的所述中心的一组对称轴。
4.根据权利要求3所述的高粘度喷射方法,其中,来自所述一组对称轴的对称轴线平行于或垂直于其中包含喷嘴的所述喷嘴行的方向。
5.根据权利要求1所述的高粘度喷射方法,其中,所述形状与椭圆、矩形、圆角矩形、矩椭圆形、半圆或卵形相似,或者其中,所述形状与由外摆线的公式限定的形状相似或者与由下述公式限定的形状相似:
。
6.根据权利要求2所述的高粘度喷射方法,其中,从所述外边缘到所述最小覆盖圆的所述中心的所述最大距离为从5μm到100μm。
7.根据权利要求2所述的高粘度喷射方法,其中,所述液体是包括金属颗粒的喷墨油墨。
8.根据权利要求2所述的高粘度喷射方法,其中,所述液体是包括无机颗粒的喷墨油墨。
9.根据权利要求2所述的高粘度喷射方法,其中,从所述外边缘到所述最小覆盖圆的所述中心的所述最大距离是:
- 大于或等于从所述外边缘到所述最小覆盖圆的所述中心的最小距离与三的平方根的乘积;或者
- 大于或等于从所述外边缘到所述最小覆盖圆的所述中心的最小距离与四的平方根的乘积;或者
- 大于或等于从所述外边缘到所述最小覆盖圆的所述中心的最小距离与五的平方根的乘积。
10.根据权利要求2所述的高粘度喷射方法,其中,所述喷嘴的形状的面积优选地在50μm2和100μm2之间。
11.根据权利要求2所述的高粘度喷射方法,其中,来自所述压电打印头的一个单个被喷射液滴的最小滴大小为从1pL到30pL。
12.根据权利要求2所述的高粘度喷射方法,其中,所述压电打印头的原始打印分辨率为从150DPI到3600DPI并且喷射温度在10℃和100℃之间。
13.根据权利要求2所述的高粘度喷射方法,其中,所述液体的喷射粘度为从35mPa.s到70mPa.s。
14.根据权利要求1所述的高粘度喷射方法,其中,所述液体是水性可固化喷墨油墨、可UV固化的喷墨油墨、无色彩喷墨油墨。
15.根据权利要求14所述的高粘度喷射方法,其中,所述水性可固化喷墨油墨包括水性介质和带有可聚合化合物的聚合物纳米颗粒。
16.根据权利要求15所述的高粘度喷射方法,其中,所述可聚合化合物从由下述内容构成的组中选择:单体、低聚物、可聚合光引发剂和可聚合共引发剂。
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