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Die
Erfindung betrifft Druck- oder Sprühköpfe mit einer Vielzahl von
Farbauslasselementen, im folgenden als Druckdüsen bezeichnet. Beispiele hierfür sind Tintenstrahl-Druckköpfe oder
Sprühköpfe, die nach
dem Bernoulli-Prinzip arbeiten. Die zugrunde liegenden Arbeitsprinzipien
weisen das Merkmal auf, dass die zugeführte Farbe oder Tinte, hier
im folgenden stets als Farbe bezeichnet, an den Austritt einer jeden
Druckdüse
durch Kapillarkräfte
gelangt. Damit dies möglich
ist, muss die Farbe unter definierten Druckverhältnissen an den Eingang der
Druckdüsen gefördert werden.
Um ein permanentes Auslaufen der Farbe zu verhindern, wird bei Inkjet-Druckköpfen i.d.R.
ein geringer Unterdruck von wenigen Zentimetern Wassersäule in dem
Farbreservoir auf unterschiedliche Weisen erzeugt. Geringe Schwankungen des
Unterdrucks können
bereits zu Funktionsstörungen
führen,
sodass selbst eine Neigung des Druckkopfes zu vermeiden ist.
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Der
Fokus richtet sich hier auf Druckköpfe größerer Abmessungen der o.g.
Kategorien, die in alle Richtungen beweglich und dynamisch gehandhabt
und dabei aus einem peripheren Tank mit Farbe versorgt werden sollen.
Der erfindungsgemäße Gegenstand
ist beispielsweise für
den Einsatz in einem manuell geführten
Farbauftragsystem wie in
DE
102 02 553 geeignet. Wird ein Sprühdruck-Prinzip mit echter Graustufenfähigkeit
wie in DE 10 2004 033 066.3 eingesetzt, so ist an den Druckdüsen ein
kleiner, eng tolerierter Unterdruck zur Verfügung zu stellen. Dieser muss
unbeeinflusst bleiben von dem Niveauunterschied zwischen Farbvorrat
und Sprühkopf,
von der Neigung des Sprühkopfes
und von ruckartigen Bewegungen.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Zuführung
von Farbe an die Druckdüsen
aus einem Farbvorrat unter den o.g. schwierigen Bedingungen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist die Farbzuführung dadurch
gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Fluidsystemen vorhanden ist,
die einzelne Druckdüsen oder
Gruppen von Druckdüsen
mit Farbe versorgen, dass die Fluidsysteme aus einem Farbvorrat über ein Zuleitungssystem
mit Farbe befüllt
werden, dass die Fluidsysteme mindestens eine weitere Öffnung zur Umgebung
aufweisen und dass die Fluidsysteme mindestens einen Farbauslass,
der mit einer Absaugung verbunden ist, enthalten, durch welche überschüssige Farbe
und Luft abgesaugt wird.
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Die
Erfindung bietet mehrere vorteilhafte Wirkungen. So wird in unmittelbarer
Nähe jeder
einzelnen Druckdüse
eine Druckregulierung vorgenommen, derart, dass Druckschwankungen
aufgrund von dynamischen Bewegungen des Druck- oder Sprühkopfes
kompensiert werden. Der Farbvorrat kann sich an einem beliebigen
Ort befinden. Durch die kleine Größe des Fluidsystemes wird,
zusammen mit der Wirkung der weiteren Öffnungen, eine konstante, niedrige
Fluidimpedanz erreicht, was für
einen diskontinuierlichen Betrieb vorteilhaft ist.
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Die
Erfindung soll im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert werden. 1 zeigt
das Funktionsprinzip eines Sprühkopfes
wie in der Anmeldung DE 10 2004 033 066.3 beschrieben. Ein Luftstrahl 15 wird über ein
Strömungsprofil
abgelenkt und reißt
aus einer Druckdüse 3 Farbe 12 mit,
wobei diese zerstäubt
wird. Wie in der Anmeldung beschrieben, handelt es sich um einen
Sprühkopf
größerer Abmessungen,
welcher frei bewegt wird. In der Druckdüse muss stets Farbe bis zum
oberen Rand anstehen, selbst dann, wenn der Sprühkopf seitlich geneigt wird
oder sich das Niveau zwischen Farbtank und Sprühkopf verändert.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für die Lösung der
beschriebenen Aufgabe. Dargestellt ist ein Sprühkopf 1 mit einer
Anzahl von vier Druckdüsen 3,
welche stellvertretend für
eine große
Anzahl von Druckdüsen
stehen. Jede Druckdüse
ist von einem Fluidsystem 2 umgeben, das diese mit Farbe versorgt.
Die Farbe wird dabei aus einem Farbvorrat 14 durch eine
Förderpumpe 4 und
durch ein Zuleitungssystem 8, welches sich vor den einzelnen
Fluidsystemen 2 verzweigt, diesen zugeführt. Die Fördermenge wird dabei durch
die Förderpumpe 4 so
reguliert, dass mindestens soviel Farbe zugeführt wird, wie maximal von allen
versorgten Druckdüsen
benötigt
wird. Dabei wird in der Praxis stets mehr Farbe gefördert, als
benötigt
wird. Die Fluidsysteme sind so ausgebildet, dass überschüssige Farbe
an den Eingängen
zu den Druckdüsen 3 vorbeifließen und
dahinter oder daneben abgesaugt werden kann. Damit durch das Absaugen
keine großen
Druckschwankungen entstehen, welche zur Folge haben würden, dass Farbe
entweder aus den Druckdüsen
heraus gedrückt
oder in die Druckdüsen
hinein gesaugt wird, ist eine Druckregulierung an jedem Fluidsystem
ein Bestandteil der Erfindung. Die Druckregulierung wird erreicht,
in dem jedes Fluidsystem eine oder mehrere Öffnungen 6 zur Umgebung
enthält,
an der sich eine Flüssigkeitsoberfläche bildet,
sodass Umgebungsdruck auf der Flüssigkeitsoberfläche herrscht.
Der Druck in dem Fluidsystem ist an dieser Stelle um den Kapillardruck, hervorgerufen
durch die Kapillarkräfte in
der Öffnung,
geringer als der Umgebungsdruck. In der Umgebung der Öffnungen 6 schließlich befindet sich
mindestens eine Fluidabsaugung 7, welche imstande ist,
ein Farb-Luft-Gemisch zu fördern.
Die Absaugung bewirkt, dass Luft durch die Öffnung 6 eingesaugt
wird, was im Regelfall kontinuierlich erfolgt. Die Förderrate
in der Fluidabsaugung 7 wird durch eine Saugpumpe 4 oder
durch Erzeugen eines definierten Unterdruckes in einem Unterdrucktank
so gewählt,
dass sie größer ist
als die Förderrate
in der Farbzuführung.
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Dies
bewirkt, dass zusätzlich
zu der abgesaugten Farbe Luft durch die Öffnung 6 in das Fluidsystem
eingesaugt wird. Damit Luft durch die Öffnung 6 und nicht
durch die Druckdüsen
eingesaugt wird, sind die Geometrie und/oder die Benetzungseigenschaften
der Öffnung
durch den Konstrukteur so zu wählen,
dass der Kapillardruck in der Öffnung 6 dem
Betrage nach geringer ist als der Kapillardruck in den Druckdüsen. Dies
kann beispielsweise konstruktiv erreicht werden, indem der Durchmesser
der Öffnung 6 größer ist
als der Durchmesser der Druckdüsen 3,
oder durch Modifikation der Oberflächeneigenschaften beispielsweise
in der Öffnung 6,
indem diese hydrophobere Eigenschaften erhält.
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Es
ist sinnvoll, dass der Abstand zwischen Öffnung 6 und Druckdüse 3 und
das Volumen des Fluidsystems 2 in diesem Bereich genau
bemessen sind. So hat dieses Volumen die Wirkung eines Fluidpuffers,
aus dem die Druckdüse 3 im
diskontinuierlichen Betrieb versorgt wird. Aufgrund des Kontaktes der
Farbe zur Luft durch die Öffnung 6 ist
dieses Fluidvolumen in der Wirkung ähnlich wie ein offenes Farbreservoir
anzusehen. Die darin enthaltene Farbe steht mit geringer Fluidträgheit und
somit mit einer geringstmöglichen
Fluidimpedanz für
die Druckdüse 3 zur
Verfügung.
Das Volumen dieses Fluidpuffers muss dabei so groß gewählt werden,
dass bei maximaler Farbabgabe aller an einem Fluidsystem 2 angeschlossenen
Druckdüsen 3 der
Farbinhalt nicht vollständig
aufgebraucht wird, sodass Luft aus der Öffnung 6 in die Druckdüse 3 gelangt.
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3 illustriert
die Anwendung der erfindungsgemäßen Farbzuführung auf
einen Inkjet Druckkopf 1 in der Ansicht von oben. Dargestellt
ist ein Druckkopf, der als Piezodrucker in der Konfiguration als
Sideshooter konzipiert ist. Die Piezoelemente 11 bewirken
bei Ansteuerung eine schlagartige Verringerung des Volumens in den
Druckdüsen 3,
wodurch einzelne Tropfen 12 aus der Düsenöffnung herausgeschleudert werden.
Die Eingänge
der Druckdüsen 3 gehen
in der Sideshooter-Konfiguration direkt in das Fluidsystem 2 über. Dieses
wird über
eine interne Durchführung 13 von
der Fluidzuführung 5 durch
eine Pumpe 4 mit Farbe versorgt.
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Unweit
der Durchführung 13 zu
der Fluidzuführung 5 befindet
sich eine weitere Durchführung 13 zu
der Absaugung 7. Auch in diesem Beispiel ist die Förderrate
der Absaugung größer als
die Förderrate der
Farbzuführung.
Dies bewirkt, dass in dem Fluidsystem Umgebungsluft durch die Öffnung 6 eingesaugt
wird und zusammen mit der überschüssigen Farbe
in der Absaugung abtransportiert wird.
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Die
erfindungsgemäße Farbversorgung
erlaubt es, das Niveau H1, siehe 1 zwischen Druckkopf 1 und
Farbvorrat 2 während
des Druckens zu variieren. Die Farbversorgung erlaubt weiterhin, die
Neigung des Druckkopfes zu verändern,
was einer Veränderung
des Niveauunterschiedes zwischen unterschiedlichen Druckdüsen entspricht,
siehe Niveau H2 in 1, ohne dass sich unterschiedliche Fluidverhältnisse
in den Druckdüsen
einstellen.
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Durch
die Fluidabsaugung können
Unterschiede der Farbzufuhr-Förderraten
in die einzelnen Fluidsysteme wirkungsvoll kompensiert werden. Es ist
dennoch von Vorteil, wenn die Farbzuführung sicherstellen kann, dass
die pro Zeit gelieferte Farbmenge in alle Fluidsysteme gleich groß ist. Vorteilhaft ist
hier, wenn, wie in 1 dargestellt, alle Fluidsysteme über ein
sich gleichmäßig verzweigendes
Kanalsytem 8 mit Fluid versorgt werden. Im Idealfall weist
die Farbversorgung ein sich soweit verzweigendes Kanalsytem 8 auf,
dass jedes Fluidsystem mit einem einzelnen Zweig verbunden ist.
Der Einfluss von Niveauunterschieden kann dabei weiter verringert
werden, wenn an geeigneten Stellen in der Fluidzuführung 8 Drosselstrecken 9 vorhanden
sind. Diese können
beispielsweise vor einer Verzweigung, aber auch vor jedem einzelnen
Fluidsystem 2 eingefügt
sein. Drosselstrecken erhöhen
den benötigten Förderdruck
und bewirken, an der richtigen Stelle eingefügt, dass der durch Niveauänderungen
hervorgerufene Teil des Gesamtdruckes eine vernachlässigbare
Rolle spielt. Somit ist es sinnvoll, dass sich vor dem Farbeinlass
ein oder mehrerer Fluidsysteme ein oder mehrere Fluidbereiche befinden,
in denen ein Druckafall stattfindet, der mindestens so groß wie der
hydrostatische Druck der maximalen geodätischen Höhendifferenz zwischen den Druckdüsen ist.
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Ebenso
wie in der Farbzuführung
können
in der Absaugung sich verzweigende Kanalsysteme verwendet werden.
Weiterhin können
auch hier Drosselstrecken eingefügt
werden. Allerdings sei angemerkt, dass die Wirkung derartiger Maßnahmen
in der Absaugung von geringerem Nutzen ist als in der Fluidzuführung, da
sich in der Absaugung ein 2-Phasengemisch aus Luft und Farbe befindet,
dessen Verhalten nicht genau vorausberechnet werden kann. Es ist
jedoch beispielsweise von Vorteil, wenn nach dem Vorbild der Kondensationswärmetauscher
Rinnen mit geeignetem Profil in Fließrichtung in den Kanal-Querschnitt
integriert sind, in denen Farbe bevorzugt fließt. Ein geeignetes Profil ist
beispielsweise auch ein V-Profil.
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Nach
Anspruch 2 kann jede Druckdüse
aus einem separaten Fluidsystemen 2 mit Farbe versorgt werden.
Dies hat den Vorteil, dass in idealer Weise jede einzelne Druckdüse dieselben
Fluidverhältnisse aufweist.
Ist der Pitch zwischen den Druckdüsen klein, so ist es sinnvoll,
mehrere Druckdüsen 3 von einem
erfindungsgemäßen Fluidsystem 3 mit
Farbe zu versorgen, entsprechend Anspruch 3. Auch es ist möglich, dass
eine Druckdüse 3 aus
zwei Fluidsystemen 2 versorgt wird, wie in Anspruch 4.
Auch können,
beispielsweise in dem genannten Fall, einzelne Merkmale der Fluidsysteme
von zwei benachbarten Fluidsystemen zusammen verwendet werden. So kann
sich, um nur ein Beispiel zu nennen, die Öffnung 6 zwischen
den Eingängen
zweier Druckdüsen 3 befinden.
In diesem Fall kann überschüssige Farbe einer
Druckdüse
sowohl an der auf der einen Seite gelegenen Öffnung vorbei strömen und
abgesaugt werden als auch an der auf der anderen Seite gelegenen Öffnung vorbei
strömen
und dort abgesaugt werden.
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Es
ist sinnvoll, wie in Anspruch 5 beschrieben, und in den 1 und 3 dargestellt,
die Fluidsysteme als geschlossene Kanalstrukturen auszuführen. Ebenso
ist es denkbar, dass diese als Kavitäten in anderer Weise ausgeführt sind.
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Wie
in Anspruch 9 beschrieben, können
Teile der Bewandung des Fluidsystems 2 elastisch ausgeführt sein.
Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn auf diese Weise durch Verringerung
der mechanischen Impedanz der Wand die Impedanz des Fluids verringert
werden soll. Eine praktische Ausführung kann beispielsweise die
Integration einer hochelastischen Membran in der Nähe einer
Druckdüse
sein. Eine gleichartige Wirkung wird erreicht, wenn mindestens eine Öffnung 3 nahe
an der Druckdüse
angeordnet ist.
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Im
Falle sehr langer Leitungen zwischen Farbvorrat und Druckkopf können bei
ruckartigen Bewegungen des Druckkopfes Trägheitsströmungen in den Leitungen entstehen,
welche möglicherweise nicht
ausreichend durch das Absaugsystem kompensiert werden können. Diese
Druckwellen können
jedoch wirkungsvoll gedämpft
werden, indem an ein oder mehreren Stellen in der Fluidzuführung elastische
Fluidpuffer oder pneumatische Pufferelemente eingesetzt werden.
Um Fluidschwingungen zu unterbinden, können zusätzlich Fluiddämpfer eingesetzt werden.
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Mehrere
der Funktionseinheiten Fluidsysteme, Farbzuführung, Absaugung, Öffnung und
Druckdüsen
fassen sich in einer zusammenhängenden Struktur
realisieren. So können
beispielsweise die Fluidsysteme, ein Teil der Farbzuführung und/oder Fluidabsaugung
in eine Seite einer Fluidplatte eingearbeitet sein, während Druckdüsen und
Luft-Öffnungen
in der anderen Seite der Platte eingearbeitet sind, am Beispiel
der 1 in der Unterseite. Ein solcher Aufbau erlaubt
eine einfache Massenproduktion als Kunststoffteil, z.B. im Falle
eines Sprüh-Druckkopes. Üblicherweise
werden heute, bei stets kleiner werdenden Strukturen, die Druckköpfe mit
Verfahren der Mikrosystemtechnik hergestellt. In diesem Zusammenhang
werden Fluidstrukturen auch als Mikrofluidstrukturen bezeichnet.
Eine Unterscheidung soll in dem erfindungsgemäßen Kontext jedoch nicht vorgenommen
werden, da dieser unabhängig
von der tatsächlichen
Größenordnung
der Fluidsysteme anwendbar ist.