CN109789701B - 按需滴液打印头和打印方法 - Google Patents

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Abstract

一种按需滴液打印方法，其包括在打印头中执行下列步骤：从第一喷嘴出口排出第一液体的第一初始液滴，使其在第一速度下沿着第一路径(pA)移动；从第二喷嘴出口排出第二液体的第二初始液滴，使其在比第一速度更低的第二速度下沿着第二路径(pB)移动，其中第二路径(pB)沿着倾斜了3至60度的角度(α)的轴线相对于第一路径(pB)倾斜并且在连接点处与第一路径(pA)交叉；控制第一初始液滴和第二初始液滴的飞行，以在连接点处将第一初始液滴和第二初始液滴结合为结合液滴，从而在第一初始液滴的第一液体与第二初始液滴的第二液体之间引发化学反应；将电荷施加于结合液滴，其中相对于第一初始液滴的飞行路径(pA)的轴线将结合液滴的飞行路径(pC)改变不超过20度；以及通过偏转电极控制带有所施加的电荷的结合液滴的飞行路径(pC)。

Description

按需滴液打印头和打印方法
技术领域
本发明涉及按需滴液打印头和打印方法。
背景技术
喷墨打印是一种打印类型，其通过在纸、塑料或其他基质上推动墨滴而重现数字图像。在使用中存在两种主要技术：连续(CIJ)和按需滴液(DOD)喷墨。
在连续喷墨技术中，高压泵引导油墨液体溶液和快干溶剂从储存器穿过喷枪体和微细喷嘴，从而通过普拉托-瑞利不稳定性(Plateau-Rayleigh instability)形成连续的墨滴流。压电晶体随着其在喷枪体内振动而产生声波，并且致使液流分裂成有规则间隔的液滴。墨滴随着它们的形成而承受充电电极产生的静电场；该静电场根据期望的液滴偏转度而变化。这在每个液滴上产生了受控的、可变的静电荷。带电的液滴通过一个或多个不带电的“保护液滴”分隔开，以使相邻液滴之间的静电斥力最小。带电的液滴穿过静电场并且通过静电偏转板被引导(被偏转)，以在受体材料(基质)上打印，或能够保持不被偏转到达集液槽，以供再利用。更高电荷的液滴被更大程度地偏转。仅有小部分液滴用于打印，大多数都被回收。油墨系统需要主动的溶剂调节，以在飞行时间(喷嘴喷射与集液槽回收之间的时间)期间并且在将与未使用的液滴一起被吸入集液槽中的气体从储存器中排出的排气步骤中应对溶剂汽化。对粘度进行监控并且添加溶剂(或混合溶剂)来抵消溶剂损失。
按需滴液(DOD)可分为为了在所打印的基质上喷射相对较大的墨滴而使用电子阀的低分辨率DOD打印机，或可以通过使用排出液滴的热DOD和压电DOD方法喷出十分小的墨滴的高分辨率DOD打印机。
在热喷墨工艺中，打印墨盒包含有一系列的微小腔室，每一个腔室都包含有加热器。为了从每个腔室中喷出液滴，电流脉冲流过加热元件致使腔室中的油墨快速汽化以形成泡沫，这使压力急剧增大，将墨滴推到纸上。油墨的表面张力以及蒸发泡沫的凝结和因此的收缩拉动另一批油墨穿过附接于油墨储存器的狭窄通道进入腔室。所使用的油墨通常是水基的并且使用颜料或染料作为着色剂。所使用的油墨必须具有挥发性成分以形成蒸发泡沫，否则不能进行液滴喷射。
压电DOD在每个喷嘴后方的油墨填充腔室中使用压电材料而不是加热元件。当施加电压时，压电材料改变形状，这在液体中产生了将液滴推出喷嘴的压力脉冲。DOD工艺使用软件来引导打印头仅在需要时每点施加零至八滴油墨。
高分辨率打印机与办公应用软件一起还用于某些工业编码和标记应用。热喷墨更常用在主要用于较小印记的基于墨盒的打印机中，例如用于制药工业。诸如Spectra或Xaar公司的压电打印头已被成功用于高分辨率箱体编码工业打印机。
所有DOD打印机都共有一个特征：当施加在无孔基质上时，所排出的墨滴与CIJ技术相比需要更长的干燥时间。原因是使用了设计时考虑到使溶剂快速干燥的CIJ技术所广泛接受的快干溶剂，但是这种使用一般在DOD技术、特别是高分辨率DOD中需要受到限制。这是因为快速干燥的油墨会导致干燥物回到喷嘴上。在大多数公知应用中，高分辨率DOD打印机在无孔基质上的印记的干燥时间会是CIJ的干燥时间的至少两倍并通常远超出三倍。这在特定的工业编码应用中是不利的，例如十分快速的生产线，其中几秒钟的干燥时间可能使仍然潮湿(未干)的印记与其他物体接触时使其受到损坏。
高分辨率DOD技术的另外的缺陷在于受限的液滴能量，这需要十分均匀地且靠近打印喷嘴地引导基质。还证明了这对某些工业应用是不利的。例如，当被编码的表面不平坦时，其不能十分靠近喷嘴被引导。
还证明了CIJ技术具有固有限制。目前为止，CIJ并未成功用于高分辨率印记，因为其为了良好工作而需要特定的液滴尺寸。CIJ技术的另外的公知缺陷是大量使用溶剂。这不仅产生了高的供应成本，并且还可能对操作者和环境有害，因为大多数有效溶剂都是有毒的，例如广泛使用的MEK(甲基乙基酮)
下列文献说明了对喷墨打印技术的各种改进。
T.Hasegawa等人所著的文章“给体-受体型有机电荷转移络合物的双射喷墨打印：湿法/非湿法的定义及其在接触工程中的应用”(固体薄膜杂志第518期(2010)，3988-3991页)提出了一种双射喷墨打印(DS-IJP)技术，其中包含有可溶性成分给体分子(例如，四硫富瓦烯，TTF)和受体分子(例如，四氰基对苯二醌二甲烷，TCNQ)的两种皮升(picoliter)级的墨滴在基质表面上被单独地沉积在相同位置处，以形成难溶金属化合物的TTF-TCNQ膜。该技术利用湿法/非湿法表面改性将单独打印的给体油墨和受体油墨的混合液滴局限在预定区域中，这产生了皮升级的瞬时络合物形成。
美国专利US7429100提出了一种用于在连续操作的喷墨打印机的墨滴射流中增加墨滴数量的方法和设备，其中至少两个分开形成的墨滴射流的墨滴结合成一个墨滴射流，使得结合的墨滴射流完全包含有对应的分离墨滴射流的分离的墨滴，并因此具有等于单独液流中墨滴数量之和的墨滴数量。来自单独液流的液滴不会彼此碰撞并且不会彼此结合，而是在结合的液滴射流中保持为分离的液滴。
美国专利申请US20050174407提出了一种用于沉积固体材料的方法，其中一对喷墨打印设备在一个方向上分别喷射墨滴，使得它们在飞行期间重合，以形成朝向基质继续前行的混合液滴，其中混合液滴在打印头外部形成。
美国专利US8092003提出了用于使用数字油墨以及引发和/或加快基质上的油墨固化的催化剂在基质上数字打印图像的系统和方法。油墨和催化剂在喷墨打印机的打印头内时保持彼此分离，并且仅在从打印头中排出之后、即在打印头外部结合。这可能导致对在打印头外部飞行的液滴的聚结进行精确控制的问题，并且相应地对所打印的物体上的液滴定位缺乏精确控制。
日本专利申请JP2010105163A公开了一种喷嘴板，其包括将在喷嘴板外部飞行时结合的液体排出的多个喷嘴孔。
美国专利US8092003提出了用于使用数字油墨以及引发和/或加快基质上的油墨固化的催化剂在基质上数字打印图像的系统和方法。油墨和催化剂在喷墨打印机的打印头内时保持彼此分离，并且仅在从打印头中排出之后、即在打印头外部结合。这可能导致对在打印头外部飞行的液滴的聚结进行精确控制的问题，并且相应地对所打印的物体上的液滴定位缺乏精确控制。
在所有上述方法中，相应主液体的液滴在从相应喷嘴中排出之后不受到引导。因此，它们在朝向它们开始形成混合的结合液滴处的连接点的飞行路径不受控制。这种控制在混合化学反应基质时可能是必要的，以避免基质之间在喷嘴末端区域中的意外且不期望的接触，其中这种过早的接触会导致在结合物质凝固的同时结合物质的残留物堆积并且随时间推移堵塞喷嘴。
PCT申请WO2016135294A2公开了一种按需滴液打印方法，其包括在打印头中执行下列步骤：排出第一液体的第一初始液滴，以沿着第一路径移动；排出第二液体的第二初始液滴，以沿着第二路径移动；控制第一初始液滴和第二初始液滴的飞行，以在打印头内的反应腔室内在连接点处将第一初始液滴和第二初始液滴结合为结合液滴，从而在反应腔室的受控环境中在第一初始液滴的第一液体与第二初始液滴的第二液体之间引发化学反应；以及控制结合液滴穿过反应腔室沿着结合液滴路径的飞行，使得结合液滴在从连接点开始沿着结合液滴路径的运动期间远离打印头的元件。在其中一个实施方式中，打印头包括一组电极，其用于在连接点之前或连接点处将第二初始液滴的飞行路径改变为与第一初始液滴的飞行路径一致的路径。
例如，如专利文献US3657599、US20110193908或US20080074477所述，存在用于通过使用影响带电液滴的电极来改变存在于打印头中的液滴的速度的各种公知设置。
美国专利申请US20080074477公开了一种用于在连续喷墨打印机中控制液滴体积的系统，其中全部从单一喷嘴中喷出的一连串墨滴在目标基质处沿着纵向轨迹投射。从轨迹中的液滴串中选出一组液滴，并且该组液滴通过使该组中的上游液滴静电加速和/或使该组中的下游液滴减速而结合，以结合为单一的液滴。
德国专利申请DE3416449和DE350190提出了包括液滴产生器的CIJ打印头，该液滴产生器产生连续液滴的液流，其中一些被结合为结合液滴。液滴液流通过喷嘴附近的周期性压力扰动而产生，该周期性压力扰动将形成的油墨射流分解为具有相同尺寸且等距间隔的液滴。如CIJ技术常见的那样，大多数液滴都带电且由集液槽收集，并且被送回向液滴产生器供应油墨的储存器。该打印头与CIJ技术相关的核心特征使其在DOD技术方面受到固有限制。结合液滴由不带电的液滴形成并且根据基于碰撞初始液滴的运动路径的运动路径被朝向待打印表面引导。
日本专利申请JPS5658874提出了一种包括产生连续液滴的液流的喷嘴的CIJ打印头，该连续液滴等距间隔，其中一些液滴由集液槽收集并且仅有一些液滴到达待打印表面。该打印头与CIJ技术相关的核心特征使其在DOD技术方面受到固有限制。带电初始液滴的路径被一组电极改变为使得一个液滴的路径被改变为横穿另一个液滴的路径，致使液滴在待打印表面处聚集。结合液滴因此直接在待打印表面处形成。
由于CIJ技术与DOD技术的打印头之间实质性的结构和技术差异，这些打印头不能彼此兼容，并且独立的特征不能在技术之间转换。
美国专利US8342669公开了一种油墨组合，其包括至少两种油墨，它们可以在任何时间(例如：喷射之前、喷射期间或喷射之后)混合。特定实施方式规定了油墨可以在离开油墨喷头与基质之间的任何位置、即在飞行时的任何位置混合或结合。当油墨在喷墨设备与基质之间结合之后，油墨的液滴可以开始反应，即，可以开始乙烯单体的聚合，并且液滴的动量可以将液滴带到基质上的期望位置。然而，这具有的缺陷是难以控制液滴的聚结参数，因为喷墨设备的外部环境是可变的。
可取的是，在主基质液滴离开它们各自的喷嘴出口之后控制它们的飞行路径，从而不仅确保适当的聚结，而且还避免化学反应基质之间在喷嘴出口附近过早接触。这种不期望的接触会导致起反应的物质的残留物堆积并因此堵塞喷嘴。
美国专利申请US2011/0181674公开了一种喷墨打印头，其包括：压力腔室，其储存从储存器中抽出的第一油墨并且通过致动器的驱动力将第一油墨传递至喷嘴；以及阻尼器，其设置在压力腔室与喷嘴之间，并且允许第一油墨与经过用于第二油墨的油墨流路径抽送的第二油墨相混合。该解决方案的缺陷在于混合油墨与喷嘴接触。在混合油墨的理化参数不允许喷射混合油墨、或混合油墨是化学不稳定的并且混合油墨内发生的反应使得理化参数变化从而不允许喷射混合油墨、或该反应导致混合油墨凝固的情况下，该解决方案可能产生问题。在将油墨成分混合的同时引发了化学反应的情况下，与喷嘴接触的混合油墨的任何残留物都会导致残留物堆积，在打印步骤期间导致喷嘴堵塞。
实际上存在的与DOD喷墨打印有关的问题是油墨在其沉积在表面上之后固化时间相对较长。
仍然存在改进DOD喷墨打印技术的需求，以缩短油墨在其沉积在表面上之后的固化时间。另外，有利的是与更高的液滴能量和更精确的液滴定位结合地获得这种效果，以给不同基质和形状的不同产品编码。存在改进喷墨打印技术的需求，以尝试减少印记的干燥(或固化)时间并增大从打印机排出的打印液滴的能量。本发明将这两种优点相结合并且使它们达到目前仅能用于CIJ打印机且一般不能用于DOD技术领域(主要是在涉及到干燥时间时)且特别是高分辨率DOD技术的水平，其中干燥(固化)时间和液滴能量与当前技术相比均已得到了很大改进。本发明还解决了CIJ技术的主要缺陷，导致减少了最少10倍的溶剂用量并且(与CIJ相比)允许更小的液滴以更高的速度排出，同时所产生的印记仍然可以在各种各样的基质上在相当短的时间内固结并且具有高粘度。
还存在提供一种用于控制打印液滴的飞行的替代方案的需求，其具有用于控制打印液滴的飞行路径的替代方法并且目的在于改进液滴定位精度、液滴尺寸选择和打印分辨率。这种替代方案应优选能够通过使用各种各样的油墨将上述改进应用到各种各样的基质上，各种各样的油墨包括允许十分高的粘度、十分高的打印分辨率和液滴定位精度(即，打印质量)和十分短的干燥或凝固时间(即，在将液滴放置在基质上的时刻与在基质上形成预制的、干燥的、固体的、永久的印记的时刻之间的时间)的结合的油墨。
发明内容
在第一方面中，公开了一种按需滴液打印方法，其包括在打印头中执行下列步骤：从第一喷嘴出口排出第一液体的第一初始液滴，使其在第一速度下沿着第一路径(pA)移动；从第二喷嘴出口排出第二液体的第二初始液滴，使其在比第一速度更低的第二速度下沿着第二路径(pB)移动，其中第二路径(pB)沿着倾斜了3至60度的角度(α)的轴线相对于第一路径(pB)倾斜并且在连接点处与第一路径(pA)交叉；控制第一初始液滴和第二初始液滴的飞行，以在连接点处将第一初始液滴和第二初始液滴结合为结合液滴，从而在第一初始液滴的第一液体与第二初始液滴的第二液体之间引发化学反应；将电荷施加于结合液滴，其中相对于第一初始液滴的飞行路径(pA)的轴线将结合液滴的飞行路径(pC)改变不超过20度；以及通过偏转电极控制带有所施加的电荷的结合液滴的飞行路径(pC)。
第一初始液滴可在连接点处具有比第二初始液滴更高的动能。
该方法可包括通过第一初始液滴和第二初始液滴中的至少一个充电来向结合液滴施加电荷。
该方法可包括为下列的至少一个充电：喷嘴出口与连接点之间的第一初始液滴和第二初始液滴。
该方法可包括为下列的至少一个充电：当初始液滴与喷嘴通道内的液体接触时喷嘴出口处的第一初始液滴和第二初始液滴。
该方法还可包括通过偏转电极来偏转带电的初始液滴的飞行路径(pA、pB)。
该方法还可包括通过加速电极为带电的结合液滴加速。
该方法可包括通过为飞行中的结合液滴充电来将电荷施加于结合液滴。
该方法可包括排出比第二初始液滴尺寸更大的第一初始液滴。
该方法可包括控制初始液滴的排出时间。
该方法可包括控制喷嘴出口的相对位置。
连接点可定位在盖体限定的反应腔室内。
该方法还可包括在反应腔室内控制至少一个下列参数：腔室温度、电场、超声波场、紫外光、朝向打印头内容部(enclosure)出口引导的气流。
还公开了一种按需滴液打印头，其包括：喷嘴组件，包括：第一喷嘴，其通过第一通道与具有第一液体的第一液体储存器连接，并且具有第一液滴产生和推动设备，以用于按需形成第一液体的第一初始液滴并且排出第一初始液滴，使其在第一速度下沿着第一路径(pA)移动；以及第二喷嘴，其通过第二通道与具有第二液体的第二液体储存器连接，并且具有第二液滴产生和推动设备，以用于按需形成第二液体的第二初始液滴并且排出第二初始液滴，使其在比第一速度更低的第二速度下沿着第二路径(pB)移动，其中第二路径(pB)沿着倾斜了3至60度的角度(α)的轴线相对于第一路径(pB)倾斜并且在连接点处与第一路径(pA)交叉；用于控制第一初始液滴和第二初始液滴的飞行的装置，其用于在连接点处将第一初始液滴和第二初始液滴结合为结合液滴，从而在第一初始液滴的第一液体与第二初始液滴的第二液体之间引发化学反应；用于将电荷施加于结合液滴的装置，其中相对于第一初始液滴的飞行路径(pA)的轴线将结合液滴的飞行路径(pC)改变不超过20度；以及偏转电极，其用于控制结合液滴的飞行路径(pC)。
第一初始液滴可在连接点处具有比第二初始液滴更高的动能。
打印头可包括充电电极，其用于为下列的至少一个充电：第一初始液滴和第二初始液滴。
充电电极可定位在喷嘴出口与连接点之间。
充电电极可定位在喷嘴出口处，以在初始液滴与喷嘴通道内的液体接触时为初始液滴充电。
打印头还可包括偏转电极，其用于偏转带电的初始液滴的飞行路径(pA、pB)。
打印头还可包括加速电极，其用于为带电的结合液滴加速。
打印头还可包括充电电极，其用于通过为飞行中的结合液滴充电来将电荷施加于结合液滴。
第一初始液滴可具有比第二初始液滴更大的尺寸。
打印头还可包括控制器，其用于控制初始液滴的排出时间。
打印头还可包括用于控制喷嘴出口的相对位置的装置。
连接点可定位在盖体限定的反应腔室内。
在第二方面中，公开了一种按需滴液打印方法，其包括在打印头中执行下列步骤：排出具有第一电荷的第一液体的第一初始液滴，使其沿着第一路径移动；排出具有与第一电荷相反的第二电荷的第二液体的第二初始液滴，使其沿着第二路径移动，其中第一电荷和第二电荷被选择为使得初始液滴在飞行时彼此吸引并且在到达打印表面之前在连接点处结合形成结合液滴。
该方法可包括从第一喷嘴出口排出第一初始液滴并且从第二喷嘴出口排出第二初始液滴，其中第一喷嘴出口与第二喷嘴出口分离开一定距离，该距离在喷嘴出口平面中在喷嘴轴线之间测得，该距离大于离开喷嘴出口的初始液滴的直径。
该方法可包括从第一喷嘴出口排出第一初始液滴，该第一喷嘴出口通过具有下游变窄的截面的分离器与排出第二初始液滴的第二喷嘴出口分离开。
该方法还可包括通过气流控制初始液滴的飞行路径。
连接点可定位在盖体限定的反应腔室内。
第一液体可以是油墨基，并且第二液体可以是用于固化油墨基的催化剂。
第一液体和第二液体可以在结合液滴内经历化学反应。
第一液体和第二液体可具有为了允许液体在飞行中聚结并且扩散从而形成结合液滴而选择的界面表面张力，使得在初始液滴聚结之后立即引发化学反应。
该方法还可包括在反应腔室内控制至少一个下列参数：腔室温度、电场、超声波场、紫外光。
该方法可包括在液体储存器内为液体充电。
该方法可包括在液体储存器外为液体充电。
该方法可包括在喷嘴出口与连接点之间沿着初始液滴的飞行路径为其充电。
还公开了一种按需滴液打印头，其包括：喷嘴组件，包括：第一喷嘴，其通过第一通道与具有第一液体的第一液体储存器连接，并且具有第一液滴产生和推动设备，以用于按需形成第一液体的第一初始液滴并且排出第一初始液滴，使其沿着第一路径移动；以及第二喷嘴，其通过第二通道与具有第二液体的第二液体储存器连接，并且具有第二液滴产生和推动设备，以用于按需形成第二液体的第二初始液滴并且排出第二初始液滴，使其沿着第二路径移动；用于将形成第一初始液滴的第一液体充电为具有第一电荷的装置；用于将形成第二初始液滴的第二液体充电为具有与第一电荷相反的第二电荷的装置，其中第一电荷和第二电荷被选择为使得初始液滴在飞行时彼此吸引并且在到达打印表面之前在连接点处结合形成结合液滴。
第一液体可以是油墨基，并且第二液体可以是用于固化油墨基的催化剂。
第一液体和第二液体可以在结合液滴内经历化学反应。
第一液体和第二液体可具有为了允许液体在飞行中聚结并且扩散从而形成结合液滴而选择的界面表面张力，使得在初始液滴聚结之后立即引发化学反应。
第一喷嘴出口可以与第二喷嘴出口分离开一定距离，该距离在喷嘴出口平面中在喷嘴轴线之间测得，该距离大于离开喷嘴出口的初始液滴的直径。
第一初始液滴可以从第一喷嘴出口排出，该第一喷嘴出口通过具有下游变窄的截面的分离器与排出第二初始液滴的第二喷嘴出口分离开。
分离器的侧壁距离喷嘴出口末端平面的长度不小于初始液滴的直径。
打印头还可包括围住喷嘴出口与连接点的盖体。
液体储存器、喷嘴以及喷嘴出口可通过电绝缘板分离开，该电绝缘板在喷嘴出口之间形成末端尖锐的分离器。
喷嘴出口可被构造为将初始液滴彼此平行地排出。
打印头还可包括用于控制结合液滴的飞行路径的装置。
打印头还可包括：充电板，其位于初始液滴的飞行路径下游、喷嘴出口与连接点之间；第一直流电压源，其连接在第一喷嘴出口与第一充电板之间；第二直流电压源，其连接在第二喷嘴出口与第二充电板之间，其中第二充电板连接至与第一充电板相反的电势；电绝缘分离板，其位于喷嘴出口之间以及充电板之间。
第一充电板可通过第一电绝缘分离器与第一喷嘴出口分离开，并且第二充电板可通过第二电绝缘分离器与第二喷嘴出口分离开。
打印头还可包括气流源，其被构造为在电绝缘分离器与喷嘴之间产生第一气流，并且在充电板与喷嘴之间产生第二气流。
打印头还可包括气流源，其被构造为在充电板与内容部之间产生第三气流，该内容部在喷嘴出口和连接点之间。
附图说明
通过附图中的示例实施方式示出本发明，其中：
图1示意性示出打印头的概览图；
图2示意性示出第一实施方式的第一变型；
图3示意性示出第一实施方式的第二变型；
图4示意性示出第二实施方式；
图5示意性示出第三实施方式的第一变型；
图6示意性示出第三实施方式的第二变型；
图7示意性示出第三实施方式的第三变型；
图8示意性示出第三实施方式的第四变型；
图9示意性示出第四实施方式的第一变型；
图10示意性示出第四实施方式的第二变型；
图11A和11B示意性示出第五实施方式；
图12、13、14示意性示出用于将液滴推出喷嘴的不同设备；
图15示意性示出第六实施方式；
图16示意性示出第七实施方式；
图17示意性示出第八实施方式。
具体实施方式
通过按需滴液打印头和打印方法的优选实施方式的下列详细说明，本发明的细节和特征、其主旨和各种优点将变得显而易见。
通过允许使用在打印头内的反应腔室中发生化学反应的快速固化成分，本发明允许在油墨沉积在表面上之后缩短其固化时间，由此提高打印步骤的效率和可控性。换句话说，本发明提供了受控环境中的聚结。
在根据本发明的打印头中，初始液滴可结合为其中引发了化学反应的结合液滴，而不存在堵塞反应腔室或反应腔室出口的风险。优选地，初始液滴在反应腔室内(在打印头的受控且可预知的环境中)结合为结合液滴，但是它们也可在打印头外、在接触打印表面之前结合。这是通过将初始液滴充电为具有相反的电荷使得初始液滴可在飞行时彼此吸引且聚结来实现的。
反应腔室优选在形成结合液滴的连接点处具有比结合液滴的期望尺寸更大的尺寸，从而允许初始液滴良好地聚结并且防止结合液滴与反应腔室壁部接触。因此在连接点处具有可用于初始液滴自由结合的空间。
当初始液滴聚结形成结合液滴时，在形成第一初始液滴的第一液体的成分与形成第二初始液滴的第二液体的成分之间引发化学反应。可使用多种物质作为初始液滴的成分。下列例子应认为仅仅是示例性的并且不限制本发明的范围：
-可通过单体的初始液滴(例如，甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丁酯，可选地添加有着色剂)与引发剂的第二初始液滴(例如，催化剂，诸如三羟甲基丙烷，三(1-吖丙啶基丙酸酯)或氮丙啶，另外可使用紫外光作为引发剂)之间的化学反应形成的聚丙烯酸酯的结合液滴；
-可通过单体的初始液滴(例如，二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)，诸如4,4'-二苯甲烷二异氰酸酯，或甲苯二异氰酸酯(TDI)，或脂肪族或脂环族的不同单体二异氰酸酯)与引发剂的第二初始液滴(例如，一元醇、二元醇或多元醇，诸如丙三醇或乙二醇；硫醇，可选地添加有着色剂)之间的化学反应形成的聚氨酯的结合液滴；
-可通过单体的初始液滴(例如，碳酰亚胺)与引发剂的第二初始液滴(例如，二羧酸，诸如己二酸，可选地添加有着色剂)之间的化学反应形成的聚碳酰亚胺的结合液滴。
一般来说，第一液体可包括第一聚合物形成体系(优选地，一种或多种成分，诸如单体、低聚物(树脂)、聚合物等等，或它们的混合物)并且第二液体可包括第二聚合物形成体系(优选地，一种或多种成分，诸如单体、低聚物(树脂)、聚合物、聚合反应的引发剂、一种或多种交联剂等等，或它们的混合物)。化学反应优选是聚合反应或共聚反应，可能涉及交联，诸如缩聚、加聚、游离基聚合、离子聚合或配位聚合。另外，第一液体和第二液体可包括其他物质，诸如溶剂、分散剂等。
一般来说，最优选的是液体被选择为使得液体都具有相同的且较低的动态粘度，优选低于50mPa*s(cps)。
液体应都被选择为不在空气中形成爆炸性混合物。
液体都应具有为了允许液体在飞行中聚结并且扩散从而形成结合液滴而选择的界面表面张力，使得在初始液滴聚结之后立即引发化学反应。添加剂(例如，表面活性剂)可加入液体中，以降低界面表面张力。
第一液体是二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)(其可包含颜料)并且第二液体是乙醇胺获得了尤为良好的结果。这些液体所形成的结合液滴通过化学反应在约1秒或更短时间内凝结。
通过控制反应腔室的环境，能够实现初始液滴的可控的完全聚结(这仅在特定情况下发生，基于液体，例如液滴的质量、速度、表面张力、粘度、入射角)。通常不能在打印头外的环境下控制这些参数，其中环境温度、压力、湿度、风(或任何空气运动)的速度以及空气中的任何污染颗粒可能变化，并且对聚结步骤产生很大影响。这还会导致液滴的飞行路径偏差、初始液滴弹开，而这些即便不导致打印步骤完全故障，也会至少导致质量损失。
通过提高打印头内的温度，可减小初始液滴的表面张力和粘度。
如果聚结步骤受到控制，则可在结合液滴的容积内均匀引发化学反应，由此提供可预知的印记质量。初始液滴的液体通过机械方式聚结(通过液滴间的碰撞)并且通过成分的扩散而混合。扩散速度基于单独的液滴中成分浓度之差以及依赖于温度的扩散系数。随着温度升高，扩散系数增大，并且结合液滴内成分的扩散速度提高。因此，温度的升高产生更均匀组成的结合液滴，并且提高了化学反应的速度。
如果结合液滴形成为使其具有比待打印表面的温度更高的温度，则结合液滴在其撞击打印表面时经历快速冷却，并且其粘度增大，因此液滴不容易移动离开其沉积的位置。这种冷却步骤在沉积阶段，而不是进行到最终的凝固阶段增大结合液滴的密度和粘度，因为需要通过完全的化学反应而不仅仅是温度变化来产生最终的凝固。此外，由于已经在结合液滴中引发了化学反应(即，聚合、固化(交联))，因此提升了打印物的单独层的交联(这对于3D打印是尤其重要的)。
所提出的方案通过在初始液滴从相应的喷嘴出口排出之后控制它们的飞行路径而允许防止结合的、起反应的物质的残留物在喷嘴出口附近堆积。
所提出的按需滴液打印头和打印方法可用于各种应用，包括高质量打印，甚至是在渗透性受限的无孔基质或表面上打印。聚合物的十分良好的粘附力与相当高的液滴能量相结合允许在各种各样的产品上、在它们的生产步骤的最后阶段高速地进行工业打印和编码。包括初密度增大的、对于逐步凝固的控制允许液滴留在被施加的位置，但同时还允许化学反应在最终凝固之前完成，使得该技术适用于先进的3D打印。独立层之间的交联允许在最终的3D打印材料中避免各向异性类现象，这与大量现有的基于3D喷墨的技术相比是有利的。
所提出的打印头和打印方法在单一方案中结合了CIJ和DOD技术的特征和优点。该方案在诸如速度、打印面积、液滴定位精度、油墨针对不同基质的选择和粘附力、打印分辨率以及减少有害溶剂使用的特征方面与现有工业打印机相比是优秀的。所提出的打印头和打印方法可因此认为是通过目前仅能用于CIJ技术的优点改进的DOD类型。
下面将描述本发明的多个实施方式。
实施方式概述
第一、第二、第三和第四实施方式至少与至少对应于权利要求27-53的第二方面有关，并且至少解决的问题是改进DOD喷墨打印技术从而在油墨沉积在表面上之后缩短其固化时间，并且减少印记的干燥(或固化)时间以及增加从打印机排出的打印液滴的能量。
第五、第六、第七和第八实施方式至少与至少对应于权利要求1-26的第一方面有关，并且至少解决的问题是在诸如速度、打印面积、液滴定位精度、油墨针对不同基质的选择和粘附力、打印分辨率以及减少有害溶剂使用的特征方面改进现有的工业打印机。
所有实施方式至少共有的特征是至少一个初始液滴在连接点之间被充电。
所提出的打印头和打印方法可因此认为是通过目前仅能用于CIJ技术的优点改进的DOD类型。
在图1中整体示出并且在具体针对特定实施方式的后续附图的详细剖视图中示出所有实施方式共有的喷墨打印头的例子。
第一实施方式
在图2的第一变型和图3的第二变型的详细剖视图中示出根据本发明的喷墨打印头100的第一示例实施方式。
图2和图3所示的变型区别在于压电液滴产生和推动设备161A、161B的定位，在图2的变型中它们平行于排出液滴的方向设置，而在图3的变型中它们垂直于排出液滴的方向设置。可基于期望形状和打印头内的可用空间来选择特定布置。另外，如图2所示，连接点132定位在反应腔室(其可由打印头的盖体181限定，或由打印头内的其他内容部限定)内，而在图3中连接点132定位在盖体181外。连接点132的位置不依赖于液滴产生和推动设备161A、161B的定位。
喷墨打印头100可包括一个或多个喷嘴组件110，其各自被构造为产生由被分离器131分开的一对喷嘴111A、111B喷出的两个初始液滴121A、121B形成的结合液滴122。本实施方式可通过使用两个以上的喷嘴来改进。图1示出了具有8个平行设置的喷嘴组件110的打印头，以在基质190上打印8个点的行191。应注意的是，打印头在替代实施方式中可仅包括单一的喷嘴组件110或8个以上或以下的喷嘴组件，甚至多达256个喷嘴组件或更多以用于更高分辨率的打印。
喷嘴组件110中的一对喷嘴中的喷嘴111A、111B各自具有通道112A、112B，以用于引导来自储存器116A、116B的液体。在喷嘴出口113A、113B处，液体由于液滴产生和推动设备161A、161B(优选为压电类型)的操作而被形成为初始液滴121A、121B。喷嘴出口113A、113B邻近分离器131，其具有将喷嘴出口113A、113B(特别是在喷嘴末端平面处)分离开的下游变窄的截面(优选为纵向楔形或锥形的形状)并因此在初始液滴121A和121B从它们相应的喷嘴出口113A和113B完全排出之前防止它们之间不期望的接触。从喷嘴出口113A、113B喷出的初始液滴121A、121B分别沿着顺着(或靠近)分离器131的第一路径pA和第二路径pB移动。在连接点处，初始液滴121A、121B结合形成结合液滴122，其沿着结合液滴路径pC朝向待打印表面移动，连接点可以位于分离器的尖端处、或位于沿着路径更下游处、优选位于反应腔室内但也能够位于打印头外。因此，分离器131作为防止第一初始液滴121A和第二初始液滴121B在喷嘴出口113A、113B附近结合的装置，从而防止堵塞。另外，分离器131还可作为控制初始液滴121A、121B的飞行的装置，从而允许第一初始液滴121A和第二初始液滴121B在连接点132处结合为结合液滴122。
由于初始液滴121A、121B充有相反的电荷，因此路径pA和pB在连接点132处彼此结合。例如，第一初始液滴121A充有正电荷并且第二初始液滴121B充有负电荷，并且反过来也一样。基于液体类型、液滴尺寸、飞行速度以及连接点132的期望位置(优选在打印头内，但也可以在打印头外)来为液滴选择电荷量，从而在连接点处实现液滴的低速碰撞。
可通过为储存在液体储存器116A、116B中的液体预充电(但是不在储存器内产生电化学反应)来实现充电。也可以通过定位在喷嘴111A、111B内的充电设备来实现充电。
分离器可形成电绝缘板，其将液体储存器116A、116B、喷嘴111A、111B以及喷嘴出口113A、113B电隔离开。
分离器是打印头的推荐的但并非必须的元件。对于稳定的、清洁的环境中的应用，如图4的第二实施方式中所示，也可使用不具有分离器的打印头。
喷嘴出口113A、113B之间的、在它们在出口平面中的轴线之间测量的距离D大于离开喷嘴出口的初始液滴121A、121B的直径之和。这提供了初始液滴121A、121B在它们碰撞之前在喷嘴出口的平面中必须移动的最小距离，这有利于控制飞行路径的参数，并且有利于在初始液滴121A、121B结合形成结合液滴122之后、在避免喷嘴出口被结合液滴物质的残留物堵塞所期望的距喷嘴出口的距离上促进了聚结。
结合液滴122在从连接点开始沿着结合液滴路径pC的运动期间远离打印头的元件。有些时候，在全部物质(首先由开始混合的两种物质构成)保持远离打印头的部件朝向打印产品移动的同时进行聚结步骤。这意味着，事实上，尽管初始液滴可通过打印头的元件朝向连接点被引导，但是在与打印头的元件失去接触之后已经形成结合液滴，在结合液滴中，两种基质的扩散达到了允许主基质之间开始化学反应的程度。在结合液滴内可能有各种紊流，并且结合液滴在一开始就将不会具有理想的圆形。因此，为了清楚起见，可以说在行进了小段距离之后，例如行进了结合液滴122的一个直径的距离，结合液滴在从连接点开始沿着结合液滴路径pC的运动期间远离打印头的元件(即，元件的壁部)。同时，结合液滴路径pC远离打印头的元件的距离大于结合液滴122的直径的一半。因此，结合液滴在形成之后不与打印头的任何元件接触，这使打印头被结合液滴物质堵塞的风险最小。这种堵塞可能是由结合的、起反应的物质的残留物的堆积导致的，这些残留物可能在结合的、经历凝固反应的物质与打印头的元件之间不期望的接触的情况下沉积在打印头内。打印头因此构造为使得结合液滴不与除了朝向连接点(在此处，仅在结合液滴路径的最开始处产生与结合液滴的接触)引导初始液滴的元件之外的任何打印头元件接触。一旦结合液滴与引导元件分离，其就不会与打印头的其他元件接触。因此，一旦化学反应已经在反应腔室中引发并且在结合液滴沿其路径的运动期间持续，结合液滴就不会与打印头的任何元件接触。这种关系对于其他实施方式也是一样。
从两个储存器116A、116B供应的液体是第一液体(优选为油墨)和第二液体(优选为用于引发油墨的固化的催化剂)。这允许在第一初始液滴121A的第一液体与第二初始液滴121B的第二液体之间引发化学反应，以使结合液滴122中的油墨在其到达待打印表面之前固化，使得油墨可更容易地粘附于打印表面和/或在打印表面处更快地固化。
在反应腔室内在连接点132处(在此处第一路径与第二路径交叉)引发化学反应，反应腔室在本实施方式中由打印头的盖体181形成。
例如，油墨可包括丙烯酸酯(50-80重量份)、丙烯酸(5-15重量份)、颜料(3-40重量份)、表面活性剂(0-5重量份)、丙三醇(0-5重量份)、粘度调节剂(0-5重量份)。催化剂可包括氮丙啶基固化剂(30-50重量份)、颜料(3-40重量份)、表面活性剂(0-5重量份)、丙三醇(0-5重量份)、粘度调节剂(0-5重量份)、溶剂(0-30重量份)。液体可具有1-30mPas的粘度以及20-50mN/m的表面张力。也可使用现有技术公知的其他油墨和催化剂。优选地，溶剂最大占结合液滴重量的10％，优选最大5％。这允许显著减少打印步骤中溶剂的含量，使得根据本发明的技术与打印步骤期间溶剂含量通常超过总液滴质量的50％的现有CIJ技术相比更加环保。为此，本发明认为是绿色技术。
打印头的构造使得喷嘴出口113A、113B优选通过分离器131彼此分离开，因此油墨和催化剂不会直接在喷嘴出口113A、113B处混合，这防止了喷嘴出口113A、113B堵塞。一旦液滴结合为结合液滴122，分离器尖端132堵塞的风险就最小，因为分离器一般不会在液滴飞行期间被触碰并且作为喷嘴出口的额外防护。此外，在液滴与分离器之间不期望的接触情况下，分离器尖端132具有较小表面，并且移动的结合液滴122的动能足够高使结合液滴122与分离器尖端132分离。即使由于初始液滴121A、121B的尺寸或密度或动能的差异使得结合液滴122不会垂直地(如图2所示)而是以倾斜的角度离开打印头，该角度也会是相对恒定的并且对于所有液滴都是可预知的，因此这也在打印步骤期间纳入考虑。在其他实施方式中，可使用其他类型的液滴产生和推动设备161A、161B，例如热式或阀式设备。在阀式设备的情况下，需要在足够压力下递送液体。
初始液滴可垂直于待打印表面从喷嘴出口喷出，如图2所示。它们也可成小于90度的角度喷出，从而使路径pA、pB的方向朝向彼此。
分离器131的侧壁优选具有从喷嘴出口(即，从喷嘴出口末端平面)到分离器尖端132测量的长度，其不小于在该侧壁处离开喷嘴出口113A、113B的初始液滴121A、121B的直径。这防止了初始液滴121A、121B在它们离开喷嘴出口113A、113B之前融合。
储存器116A、116B中的液体可被预热。工作流体(即，油墨和催化剂)温度的升高还可导致改进的初始液滴聚结步骤，并优选在施加于基质上时增大结合液滴122的粘附力且减少其固化时间。
分离器131对于多个喷嘴组件110可以是相同的。在替代实施方式中，每个喷嘴组件110可具有其自身的分离器131和/或盖体181，或喷嘴组件110的子组合可具有其自身的分离器131和/或盖体181。
打印头还可包括盖体181，其保护打印头部件、特别是分离器尖端132和喷嘴出口113A、113B不受环境影响，例如，保护它们不被使用者或打印基质触碰。
此外，盖体181可包括加热元件182，其用于将反应腔室181内的容积、即喷嘴出口113A、113B和分离器131周围的容积加热至预定温度，例如40℃-60℃(也可以是其他温度，取决于液滴参数)，从而为液滴的结合提供稳定条件。温度传感器183可定位在盖体181内以感测温度。
第二实施方式
图4所示的第二实施方式与第一实施方式的区别在于不包括喷嘴出口之间的分离器。标有附图标记2xx的元件等同于第一实施方式中标有1xx的元件。
在第二实施方式中，喷嘴出口213A、213B之间的、在它们在出口平面中的轴线之间测量的距离D也大于离开喷嘴出口的初始液滴221A、221B的直径，除了已经讨论的第一实施方式的优点之外，这还提供了液滴不会在出口平面处结合而是至少在稍下游处、远离出口结合的优点，因此减少了堵塞喷嘴出口213A、213B的可能性。
第三实施方式
在图5的第一变型、图6的第二变型、图7的第三变型以及图8的第四变型中示出了第三实施方式。其与第一实施方式的区别在于包括用于在初始液滴321A、321B离开喷嘴出口313A、313B之后将它们排出的附加装置。标有附图标记3xx的元件等同于第一实施方式中标有1xx的元件。
充电板351A、351B设置在初始液滴的飞行路径pA、pB下游，并且在喷嘴出口313A、313B与连接点332之间。第一直流电压源连接在第一喷嘴出口313A与第一充电板351A之间，并且第二直流电压源连接在第二喷嘴出口313B与第二充电板351B之间，使得第二充电板351B具有与第一充电板351A相反的电势。因此在第一喷嘴出口313A与第一充电板351A之间形成第一电容并且在第二喷嘴出口313B与第二充电板351B之间形成第二电容。
在图5示出的第一变型中，电绝缘分离板352定位在喷嘴出口313A与313B之间以及充电板351A与351B之间。为了附图的清楚，图5中没有示出打印头的盖体。
在图6示出的第二变型中，电绝缘分离板352与分离器331整合，该分离器331在喷嘴出口之间具有下游变窄的截面，其具有针对第一实施方式所描述的功能。
在图7示出的第三变型中，第一充电板351A通过第一电绝缘分离器353A与第一喷嘴出口313A分离开，并且第二充电板351B通过第二电绝缘分离器353B与第二喷嘴出口313B分离开。这有助于对施加于初始液滴321A、321B的电荷的控制。
在图8示出的第四变型中，沿着喷嘴出口313A、313B、电绝缘分离器353A、353B以及充电板351A、351B(通过使它们的直径等于所产生的初始液滴321A、321B的直径)形成了液滴引导通道，这有助于将飞行路径的主要部分与期望轨迹对齐。
第四实施方式
在图9的第一变型和图10的第二变型中示出了第四实施方式。其与第三实施方式的区别在于包括额外的供气喷嘴419A、419B，以用于在初始液滴421A、421B离开喷嘴出口413A、413B之后引导它们。标有附图标记4xx的元件等同于第三实施方式中标有3xx的元件。
在图9示出的第一变型中，供气喷嘴419A、419B可被设置为用于如图9的箭头所示那样朝向飞行路径pA、pB吹送气体(例如空气或氮气)，优选加热至比环境温度更高或比第一和第二储存器中的液体温度更高的温度(即，加热至比所产生的第一和第二液滴的温度更高的温度)，从而减少固化时间、增大液滴的运动动力以及吹走形成在喷嘴出口413A、413B处和分离器尖端432处(如果存在的话)的任何残留物。可至少在结合液滴从连接点穿过打印头到达打印头出口的飞行时间内以间歇的方式产生气流，这允许通过气流控制结合液滴的飞行。另外，可至少在从初始液滴离开喷嘴出口直到初始液滴或结合液滴离开打印头出口的时间内以间歇的方式产生气流，这允许通过气流控制初始液滴和/或结合液滴的飞行。另外，可在初始液滴或结合液滴离开打印头之后继续吹送气流，例如，即使在打印结束之后(即，在产生了最后的液滴之后)也吹送几秒钟，从而在打印头的部件上清理掉第一液体、第二液体或它们的组合物的任何残留物。也可通过连续的方式产生和递送气流。
在电绝缘分离器452与喷嘴411A、411B之间引导第一气流471A、471B。在充电板451A、451B与喷嘴411A、411B之间引导第二气流472A、472B。这两种气流在喷嘴出口413A、413B处结合，以朝飞行路径pA、pB的下游引导且帮助排出产生于喷嘴出口中的初始液滴421A、421B。
可以使充电板451A、451B处的出口直径等于初始液滴直径，以进一步有助于液滴排出和飞行路径的控制。
在图10示出的第二变型中，盖体181在充电板451A、451B外形成内容部441，其中在充电板451A、451B与盖体181之间引导第三气流473A、473B。第三气流473A、473B在初始液滴朝向定位在内容部441内的连接点432移动时帮助控制它们的飞行路径pA、pB。因此，在本变型中，通过将电荷施加于初始液滴421A、421B且还通过经由气流473A、473B引导它们而实现了对飞行路径pA、pB的控制。
第五实施方式
在图11A和11B的详细剖视图中示出了根据本发明的喷墨打印头的第五实施方式。
该喷墨打印头可包括一个或多个喷嘴组件，喷嘴组件各自被构造为产生由一对喷嘴511A、511B喷出的两个初始液滴521A、521B形成的结合液滴522。本实施方式可通过使用两个以上的喷嘴来改进。
喷嘴组件510中的一对喷嘴中的喷嘴511A、511B各自具有通道512A、512B，以用于引导来自储存器516A、516B的液体。在喷嘴出口513A、513B处，液体形成为初始液滴521A、521B并且由于图12、13、14中更详细示出的液滴产生和推动设备561A、561B的操作而被喷出。例如，液滴产生和推动设备可以是热式设备(图12)、压电式设备(图13)或阀式设备(图14)。在阀式设备的情况下，需要在一定压力下递送液体。一个喷嘴511A优选设置为平行于打印头的主轴线AA，为此，其被简称为“平行轴线喷嘴”。另一个喷嘴511B设置为与第一喷嘴511A成角度α，为此，其被简称为“倾斜轴线喷嘴”。因此，第一喷嘴511A被构造为喷出第一初始液滴521A使其沿着第一路径移动，并且第二喷嘴511B被构造为喷出第二初始液滴521B使其沿着第二路径移动。喷嘴出口513A、513B通过至少与出口513A、513B处产生的较大的初始液滴的尺寸相等的距离彼此分离开，使得初始液滴521A、521B在它们仍处于喷嘴出口513A、513B处时不会彼此接触。这防止了在喷嘴出口513A、513B处形成结合液滴，并且防止了凝固的油墨随后堵塞出口513A、513B。优选地，角度α是窄角，其优选为3-60度，更有选为5-25度(这帮助在聚结之前对准两个液滴)。以这种方式，平行轴线喷嘴511A的出口513A与打印头出口分离开的距离比倾斜轴线喷嘴511B的出口513B大出“x”。第二液滴521B的飞行路径与第一液滴521A的飞行路径在连接点532处交叉。
第一初始液滴521A和/或第二初始液滴521B被充电。在图11A示出的示例实施方式中，第二初始液滴521B通过图11B示出的、定位在倾斜轴线喷嘴511B的出口513B处的充电系统550被充电。类似的充电系统550(出于附图的清楚没有示出)也可设置在主轴线喷嘴511A的出口513A处。也可使用其他充电装置，例如定位为与喷嘴出口513A、513B距离更大的充电装置，以用于给在喷嘴出口513A、513B与连接点532之间飞行的至少一个初始液滴521A、521B充电。此外，可在液体储存器516A、516B中给液体充电，即，可通过带电的液体产生初始液滴521A、521B。
充电系统550包括通过电隔离器551A、551B与喷嘴511B分离开的充电电极551A、551B。充电电极551A、551B连接至直流电压源，其向初始液滴521B施加静电荷。优选地，充电电极551A、551B定位为靠近喷嘴出口513B，使得初始液滴521B在其与喷嘴通道512B中的液流分离开的同时被充电，使得一旦初始液滴521B被分离开，其就已经施加有电荷。这有助于对在喷嘴出口513B旁的充电腔室553的环境中的充电步骤的控制。
因此，当第一初始液滴521A和第二初始液滴521B中的至少一个或二者在结合之前被充电时，电荷通过第一初始液滴521A和第二初始液滴521B中的一个施加于结合液滴522。
因此，结合液滴522相应地被充有施加于第一初始液滴521A和/或第二初始液滴521B的电荷。通过来自两个储存器516A、516B的液滴的结合而产生的液体是从第一储存器516A供应的第一液体与从第二储存器516B供应的第二液体化学反应的产物(优选是包含有油墨基以及用于引起油墨基固化的催化剂的活性油墨)。油墨基可包含有具有流变调节剂和着色剂的可聚合单体或聚合物树脂。催化剂(其也可称为固化剂)在聚合物树脂的例子中可以是交联试剂或在可聚合树脂的例子中是聚合催化剂。油墨基和固化剂的特性是在连接点532处的混合之后立即开始发生使混合物在打印材料表面上凝固的化学反应，使得油墨可能容易地粘附于打印表面和/或在打印表面处更快地固化。
例如，油墨可包括丙烯酸酯(50-80重量份)、丙烯酸(5-15重量份)、颜料(3-40重量份)、表面活性剂(0-5重量份)、丙三醇(0-5重量份)、粘度调节剂(0-5重量份)。催化剂可包括氮丙啶基固化剂(30-50重量份)、颜料(3-40重量份)、表面活性剂(0-5重量份)、丙三醇(0-5重量份)、粘度调节剂(0-5重量份)、溶剂(0-30重量份)。液体可具有1-50mPas的粘度以及20-50mN/m的表面张力。也可使用现有技术公知的其他油墨和催化剂。优选地，溶剂最大占结合液滴重量的10％，优选最大5％。这允许显著减少打印步骤中溶剂的含量，使得根据本发明的技术与打印步骤期间溶剂含量通常超过总液滴质量的50％的现有CIJ技术相比更加环保。为此，本发明认为是绿色技术。
通过两个储存器516A、516B供应的液体可以是各种物质，其被选择为使得在混合之后立即开始发生导致第一和第二液体转变为反应产物的化学反应。因此在打印头内的反应腔室内引发将第一和第二液体转变为反应产物的化学反应。因此，在结合液滴离开打印头内容部且到达打印材料表面之前引发化学反应。
通常，油墨液滴将大于催化剂液滴。
通过设置下列中的至少一个来控制初始液滴521A、521B的飞行路径：
-从喷嘴出口喷出的初始液滴的特定速度(用于向液滴提供足够的动能)；
-初始液滴的尺寸；
-喷嘴出口的位置。
初始液滴的参数优选被选择为使得在连接点处从平行轴线喷嘴喷出的液滴动能更高，优选比从倾斜轴线喷嘴喷出的液滴动能更高(例如，至少2倍，或至少4倍，或至少8倍，或至少10倍，或至少20倍，或至少50倍，或至少100倍)。因此，当初始液滴在连接点处碰撞时，结合液滴沿着基本上通过初始液滴的路径pA而对齐的路径pC移动。优选地，结合液滴522的路径pC相对于第一初始液滴521A的飞行路径pA的轴线改变不超过20度，优选不超过10度，优选不超过5度。
由于结合液滴522带电，因此其路径pC可进一步通过偏转电极(其也称为偏转板)571、572控制。
充电电极551和偏转电极571、572可通过CIJ技术公知的方式设计，并因此不需要进一步详细说明。
因此，待打印表面上的液滴定位可通过结合液滴522的电气参数被有效控制。例如，可通过设置施加于第一初始液滴521A和/或第二初始液滴521B的电荷量来控制结合液滴522的电荷。
因此，本文提出的液滴充电和液滴路径偏转类似于现有CIJ技术中公知的那些。然而，提出的打印头是按需滴液类型，其在液滴朝向打印基质飞行的路径中不需要集液槽。这允许沿两个方向偏转结合液滴的路径，而不仅是像传统CIJ打印机那样的一个方向。该特征允许在液滴定位方面以更精确的方式打印更大的面积。通过优化的打印光栅(网)，与CIJ技术相比也可更快地打印多行。
优选地，液滴具有不同尺寸，其中较大的液滴521A从平行轴线喷嘴511A喷出，并且较小的液滴521B从倾斜轴线喷嘴511B喷出。例如，较大的液滴521A可比较小的液滴521B大出至少2倍，或至少4倍，或至少8倍，或至少10倍。
优选地，液滴具有不同速度，其中从平行轴线喷嘴511A喷出的初始液滴521A具有比从倾斜轴线喷嘴511B喷出的初始液滴521B更大的速度。例如，初始液滴521A可在比初始液滴521B大出至少2倍、或至少4倍、或至少8倍或至少10倍的速度下喷出。第二初始液滴521B的喷射速度可设定为可被特定喷嘴接受的最小速度，例如2m/s。第一初始液滴521A的喷射速度可设定为可被特定喷嘴接受的最大速度，例如6m/s或更高。
例如，如果第一初始液滴521A比第二初始液滴521B大4倍并且以高出3倍的速度喷出，则其将具有高出约6倍的动能。因此结合液滴朝向打印表面的飞行路径pC基本上不会从第一初始液滴的飞行路径pA改变。由于该特征，会在连接点处彼此碰撞的第一初始液滴和第二初始液滴的路径中的微小改变不会实质上改变结合液滴的飞行路径，其会持续地保持可重复，提供了打印表面的高精度液滴定位。
可调节喷嘴出口的位置，以微调连接点的位置，使得液滴以使结合液滴的飞行路径与平行轴线初始液滴521A的飞行路径紧密地对齐的方式碰撞。
初始液滴优选在打印头内结合，即，在液滴离开打印头的出口585之前结合。
产生初始液滴521A、521B的步骤通过液滴产生和推动设备561A、561B的控制器进行控制(为了清楚没有在图中示出)，该控制器产生触发信号并且控制液滴的喷射时间。初始液滴因此被按需生成，与喷嘴出口处产生连续液滴流的CIJ技术不同。所产生的初始液滴各自随后被引向待打印表面，与仅输出一部分液滴且其他液滴被送回集液槽的CIJ技术不同。
在另外的实施方式中，可产生两个以上的初始液滴，即，可通过两个以上的、例如从三个喷嘴喷出的三个液滴的聚结(同时地或按序地)来形成结合液滴522，其中至少两个喷嘴的轴线相对于结合液滴522的期望流轴线Ac倾斜。
结合液滴522的流轴线Ac优选是打印头的主轴线，但也可以是另外的轴线。打印头可包括改进液滴定位控制的附加装置。
此外，打印头可包括用于在结合液滴522离开打印头之前加快其固化的装置，例如，紫外光源(图中没有示出)，其用于影响结合液滴522中的紫外敏感固化剂。
储存器516A、516B中的液体可被预热或喷嘴出口可被安装于喷嘴出口的加热器加热，使得喷出的初始液滴具有升高的温度。工作液体(即，油墨和催化剂)温度的升高可导致改进的初始液滴聚结步骤，并优选在施加于温度低于结合液滴的温度的基质上时增大结合液滴522的粘附力且减少其固化时间。喷出的初始液滴的温度因此应高于待打印表面的温度，其中温度差应适应特定的工作流体特性。聚结的液滴在定位在打印表面(具有比油墨更低的温度)上之后的快速冷却增大了液滴的粘度，防止液滴由于引力而流动。
打印头还包括盖体581，其保护打印头部件，特别是喷嘴出口513A、513B以及连接点532周围的区域，不受环境影响，例如，保护它们不被使用者或打印基质触碰。盖体581形成反应腔室。由于连接点532在反应腔室内，因此结合初始液滴的步骤可以受到精确且可预知的控制，因为该步骤在与打印头的周围环境分离开的环境中发生。打印头内的环境是可控的并且环境条件(诸如气流路径、压力、温度)是已知的，因此可以通过可预知的方式发生聚结步骤。
此外，盖体581可包括加热元件(图中没有示出)，以用于将盖体581内的容积、即喷嘴出口513A、513B和液体储存器516A、566B周围的容积加热至相对于环境温度而升高的预定温度，例如40℃-80℃(也可以是其他温度，取决于液滴参数)，从而为液滴的结合提供稳定条件。温度传感器可定位在盖体581内以感测温度。打印头内的温度越高，越能够帮助聚结的液滴更好地通过扩散来混合。另外，升高的温度提高了混合时开始的化学反应的速度。在打印材料表面上起反应的油墨允许打印图像更好的粘附。
第六实施方式
图15示出了根据本发明的喷墨打印头的第七实施方式。其大部分特征都与第五实施方式相同，具有下列区别。具有以6起始的附图标记(6xx)的元件对应于第六实施方式中具有以5起始的附图标记(5xx)的元件。
偏转电极673、674沿着带电的初始液滴621B的路径定位。偏转电极673、674连接至直流电压源并由此形成电容。偏转电极673、674用于偏转带电的初始液滴621B的路径。偏转电极673、674可通过CIJ技术公知的方式设计，并因此不需要进一步详细说明。
在某些应用中，可能重要的是控制初始液滴621A、621B的飞行路径使得它们以特定的角度α在连接点632处碰撞。例如，角度α可取决于形成初始液滴621A、621B的液体类型，对于某些液体，与其他液体相比更小的碰撞角度α可能是优选的。带电的初始液滴的飞行路径中的偏转电极673、674提高了打印头的通用性。喷嘴611A、61B可定位为预定的布置，使得初始液滴沿着飞行路径pA、pB喷出。至少一个带电的液滴621A、621B的至少一个飞行路径pA、pB可随后被沿着路径pA、pB定位的偏转电极673、674改变，使得在连接点处得到期望的碰撞角度α。
在初始液滴621A、621B都带电的情况下，可使用两组偏转电极，其各自沿着相应的路径pA、pB定位在分离的位置。
第七实施方式
图16示出了根据本发明的喷墨打印头的第七实施方式。其大部分特征都与第六实施方式相同，具有下列区别。具有以7起始的附图标记(7xx)的元件对应于第七实施方式中具有以6起始的附图标记(6xx)的元件。
一组梳状的加速电极775、776连接至可控的直流或交流电压源，其被构造为在带电的结合液滴722离开打印头出口之前提高其流动速度。该速度可通过对连接至电极775、776的交流电压源进行控制而以可控的方式提高，以实现期望的结合液滴722的出口速度，从而例如控制打印距离，这在不均匀基质上打印时是尤为有用的。一组加速电极775、776应设置在距偏转电极773、774一定距离处，该距离足够大，使得电极所产生的电场不会以不期望的方式干扰它们的操作。加速电极之间的距离以及在加速力影响下保持结合液滴722的加速电极对的数量取决于结合液滴722的尺寸和其速度的期望增量。对于某些工业打印应用，可能需要一组交流电容来优选地将结合液滴速度增至双倍或三倍，例如从6m/s到打印头出口处测量的12m/s。还能够安装直流电极作为加速单元。
使用加速电极允许从喷嘴出口喷出具有相对较小速度的初始液滴，这有助于聚结(在决定于液滴的相对速度、它们的表面张力、尺寸、温度等的特定优选碰撞参数下发生聚结)，并随后使结合液滴加速以实现期望的打印条件。
第八实施方式
图17示出根据本发明的喷墨打印头的第八实施方式。其大部分特征都与第五实施方式相同，具有下列区别。具有以8起始的附图标记(8xx)的元件对应于第五实施方式中具有以5起始的附图标记(5xx)的元件。
充电电极877、878沿着结合液滴822的路径定位。例如，充电电极877、878可连接至直流电压源以在电极之间形成电弧。充电电极877、878可作为电子枪。因此，结合液滴822在沿着其路径pC飞行时被充电。结合液滴pC可由电中性的(即，不带电的)初始液滴821A、821B形成，并且随后结合液滴822可在飞行时充电，以允许其通过偏转电极进行的控制。替代地，结合液滴pC可由至少一个带电的初始液滴形成(例如，根据第一实施方式)，并且随后结合液滴822的电荷可在飞行时通过充电电极877、878改变。
其他实施方式
应注意的是，附图是示意性的且不是按比例绘制的，并且仅用于说明实施方式以更好地理解操作原理。
本发明特别适用于高分辨率DOD喷墨打印机。然而，本发明还可用于基于允许排出加压油墨液滴的阀的低分辨率DOD。
反应腔室中的环境可通过控制至少一个下列参数来进行控制：腔室温度(例如，借助于反应腔室内的加热器)、气流速度(例如，通过控制所递送的气体的压力)、气体成分(例如，通过控制从各种源递送的气体的组分)、电场(例如，通过控制电极)、超声波场(例如，通过在反应腔室内设置额外的超声波产生器，图中没有示出)、紫外光(例如，通过在反应腔室内设置额外的紫外光产生器，图中没有示出)等等。
技术人员将理解上述实施方式的特征可与其他DOD打印头中公知的特征进一步组合。例如，可以有两个以上的喷嘴引导两个以上的初始液滴，以通过使用相同的排出、引导、形成原理并且还通过受控的聚结以及上述的在打印头内加速液滴来形成一个结合液滴。

Claims (26)

1.一种按需滴液打印方法，其包括在打印头中执行下列步骤：
-从第一喷嘴出口按需排出第一液体的第一初始液滴，使其在第一速度下沿着第一路径移动；
-从第二喷嘴出口按需排出第二液体的第二初始液滴，使其在比第一速度更低的第二速度下沿着第二路径移动，其中第二路径沿着倾斜了3至60度的角度(α)的轴线相对于第一路径倾斜并且在连接点处与第一路径交叉；
-控制第一初始液滴和第二初始液滴的飞行，以在连接点处将第一初始液滴和第二初始液滴结合为结合液滴，从而在第一初始液滴的第一液体与第二初始液滴的第二液体之间引发化学反应；
其特征在于，所述方法还包括下列步骤：
-将电荷施加于结合液滴；
-其中相对于第一初始液滴的飞行路径的轴线将结合液滴的飞行路径改变不超过20度；以及
-通过偏转电极控制带有所施加的电荷的结合液滴的飞行路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一初始液滴在连接点处具有比第二初始液滴更高的动能。
3.根据权利要求1所述的方法，该方法包括通过为第一初始液滴和第二初始液滴中的至少一个充电来向结合液滴施加电荷。
4.根据权利要求3所述的方法，该方法包括为下列的至少一个充电：喷嘴出口与连接点之间的第一初始液滴和第二初始液滴。
5.根据权利要求4所述的方法，该方法包括为下列的至少一个充电：当初始液滴与喷嘴通道内的液体接触时喷嘴出口处的第一初始液滴和第二初始液滴。
6.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括通过偏转电极来偏转带电的初始液滴的飞行路径。
7.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括通过加速电极为带电的结合液滴加速。
8.根据权利要求1所述的方法，该方法包括通过为飞行中的结合液滴充电来将电荷施加于结合液滴。
9.根据权利要求1所述的方法，该方法包括排出比第二初始液滴尺寸更大的第一初始液滴。
10.根据权利要求1所述的方法，该方法包括控制初始液滴的排出时间。
11.根据权利要求1所述的方法，该方法包括控制喷嘴出口的相对位置。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，连接点定位在盖体限定的反应腔室内。
13.根据权利要求12所述的方法，该方法还包括在反应腔室内控制至少一个下列参数：腔室温度、电场、超声波场、紫外光、朝向打印头内容部出口引导的气流。
14.一种按需滴液打印头，其包括：
-喷嘴组件，包括：
-第一喷嘴，其通过第一通道与具有第一液体的第一液体储存器连接，并且具有第一液滴产生和推动设备，以用于按需形成第一液体的第一初始液滴并且排出第一初始液滴，使其在第一速度下沿着第一路径移动；以及
-第二喷嘴，其通过第二通道与具有第二液体的第二液体储存器连接，并且具有第二液滴产生和推动设备，以用于按需形成第二液体的第二初始液滴并且排出第二初始液滴，使其在比第一速度更低的第二速度下沿着第二路径移动，其中第二路径沿着倾斜了3至60度的角度(α)的轴线相对于第一路径倾斜并且在连接点处与第一路径交叉；
-用于控制第一初始液滴和第二初始液滴的飞行的装置，其用于在连接点处将第一初始液滴和第二初始液滴结合为结合液滴，从而在第一初始液滴的第一液体与第二初始液滴的第二液体之间引发化学反应；
其特征在于，所述按需滴液打印头还包括：
-用于将电荷施加于结合液滴的装置，其中相对于第一初始液滴的飞行路径的轴线将结合液滴的飞行路径改变不超过20度；以及
-偏转电极，其用于控制结合液滴的飞行路径。
15.根据权利要求14所述的打印头，其中，第一初始液滴在连接点处具有比第二初始液滴更高的动能。
16.根据权利要求14所述的打印头，其包括充电电极，以用于为下列的至少一个充电：第一初始液滴和第二初始液滴。
17.根据权利要求16所述的打印头，其中，充电电极定位在喷嘴出口与连接点之间。
18.根据权利要求17所述的打印头，其中，充电电极定位在喷嘴出口处，以在初始液滴与喷嘴通道内的液体接触时为初始液滴充电。
19.根据权利要求14所述的打印头，其还包括用于偏转带电的初始液滴的飞行路径的偏转电极。
20.根据权利要求14所述的打印头，其还包括加速电极，以用于为带电的结合液滴加速。
21.根据权利要求14所述的打印头，其还包括充电电极，以用于通过为飞行中的结合液滴充电来将电荷施加于结合液滴。
22.根据权利要求14所述的打印头，其中，第一初始液滴具有比第二初始液滴更大的尺寸。
23.根据权利要求14所述的打印头，其还包括控制器，以用于控制初始液滴的排出时间。
24.根据权利要求14所述的打印头，其还包括用于控制喷嘴出口的相对位置的装置。
25.根据权利要求14所述的打印头，其还包括朝向打印头出口引导的气流源。
26.根据权利要求14所述的打印头，其中，连接点定位在盖体限定的反应腔室内。
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