DE102008003817A1

DE102008003817A1 - Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze mit einer Oxidkeramikschicht

Info

Publication number: DE102008003817A1
Application number: DE102008003817A
Authority: DE
Inventors: Herbert Heimpoldinger; Josef Dipl.-Ing. Ranner (FH); Reinhold Dipl.-Ing. Schmidl (FH)
Original assignee: Oce Printing Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Canon Production Printing Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2009-07-23
Also published as: WO2009087205A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze wird auf die Oberfläche eines walzenförmigen Grundkörpers eine Oxidkeramikschicht durch galvanische Abscheidung aufgetragen. Anschließend wird die Oxidkeramikschicht in ihrer Schichtdicke reduziert. Bei einem alternativen Verfahren wird die Oxidkeramikschicht mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens erzeugt, wobei die Oxidkeramikschicht einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 105 Omegacm bis 1012 Omegacm hat. Vorzugsweise werden die Poren der Oxidkeramikschicht durch eine Versiegelungsschicht verschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze für einen elektrografischen Drucker oder Kopierer, deren Oberfläche geeignet ist, eine Tonerschicht zu tragen. Ferner betrifft die Erfindung eine Tonerwalze, die vorzugsweise nach diesem Verfahren hergestellt ist.
Tonerwalzen sind wichtige Bauelemente in Entwicklerstationen für Drucker oder Kopierer. Eine typische Tonerwalze wird als Applikatorwalze verwendet, die einer zylindrischen Zwischenträgerwalze, z. B. einer Fotoleiterwalze, gegenübersteht. Die Applikatorwalze trägt im Betrieb eine homogene Schicht aus Tonerteilchen. Die Oberfläche des Zwischenträgers trägt ein latentes Ladungsbild entsprechend dem zu druckenden Bild. Infolge elektrischer Feldkräfte werden Tonerteilchen von der Oberfläche des Zwischenträgers angezogen und werden gegebenenfalls unter Überwindung eines Luftspaltes von der Applikatorwalze auf diese Oberfläche transferiert und ordnen sich entsprechend dem latenten Ladungsbild an. Anstelle eines zylinderförmigen Zwischenträgers kann auch ein bandförmiger Zwischenträger verwendet werden.
Im Stand der Technik wird als Tonerwalze eine Aluminiumwalze mit einer Harteloxalbeschichtung eingesetzt. Die Harteloxalschicht hat den Nachteil, dass sie aufgrund von Wärmedehnungsspannungen zwischen dem Aluminiumgrundkörper und der etwa 70 μm dicken Harteloxalschicht bei entsprechenden Temperaturwechseln leicht Risse bildet. Diese Risse führen dazu, dass sich die Tonerschicht nicht mehr vollständig homogen ausbildet, wodurch sich eine Qualitätsminderung beim Drucken ergibt. An die Tonerwalze werden häufig hohe Span nungen, typischerweise 2000 Vss, d. h. von Spitze zu Spitze gemessen, angelegt. Entlang der Rissstrecke in der Harteloxalschicht kann in Verbindung mit Sauerstoff im Riss Plasma gebildet werden, wodurch nach einer bestimmten Laufzeit die Harteloxalschicht zerstört wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze anzugeben, deren Oberfläche geeignet ist, eine Tonerschicht zu tragen und die einer Rissbildung widersteht.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird auf einen metallischen walzenförmigen Grundkörper durch galvanische Abscheidung eine Oxidkeramikschicht mit einer Schichtdicke von 50 bis 120 μm abgeschieden. Die galvanisch abgeschiedene Oxidkeramikschicht hat bei der galvanischen Abscheidung an der Grenzfläche zum Grundkörper eine höhere Dichte als nach außen hin. Zusätzlich nimmt die Unrundheit und die Rauheit bei größer werdender Schichtdicke zu. Um die für das Tragen einer Tonerschicht optimale Dichte, Unrundheit und Rauheit der Oxidkeramikschicht zu erhalten, wird der äußere Bereich der Schicht durch das spanabhebende Verfahren, z. B. durch Feinschleifen, wieder abgetragen. Dies erfolgt derart, dass die verbleibende Unrundheit, d. h. die Abweichung von der Idealgestalt, ≤ 7 μm ist. Auf diese Weise erhält die Oberfläche die gewünschte Unrundheit, Dichte und auch eine gewünschte Rauheit. Aufgrund der kristallinen Oxidkeramikschicht ist die Wärmedehnungsspannung an das Material des Grundkörpers angepasst und verringert, so dass eine Rissbildung auch bei Temperaturwechseln nicht auftritt. Die so hergestellte Tonerwalze hat somit eine lange Standzeit.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Tonerwalze angegeben, die auf ihrem walzenförmigen Grundkörper eine Oxidkeramikschicht trägt, wobei die Unrundheit der Oxidkeramikschicht ≤ 7 μm ist. Die gemittelte Rautiefe dieser Schicht liegt vorzugsweise im Bereich von R_z = 2 μm ± 30%. Durch Verwenden der Oxidkeramikschicht, die optimale mechanische Eigenschaften hat, wird eine Rissbildung auch bei langer Einsatzdauer vermieden.
Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt wird ein Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze angegeben, bei der auf einem metallischen walzenförmigen Grundkörper durch ein thermisches Spritzverfahren eine Oxidkeramikschicht aufgetragen wird, wobei die Oxidkeramikschicht einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁵ Ωcm bis 10¹² Ωcm hat.
Vorzugsweise enthält die Oxidkeramikschicht Chromoxid, Titanoxid und/oder Aluminiumoxid.
Um die bei einer Oxidkeramikschicht vorhandenen Poren, durch die Feuchtigkeit aufgenommen werden kann, zu verschließen, wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Versiegelungsschicht aufgetragen. Die Versiegelungsschicht kann vor dem Durchführen eines spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens, z. B. Schleifen, aufgebracht sein. Die Versiegelungsschicht dringt in die Poren der Oxidkeramikschicht ein. Bei der nachfolgenden Bearbeitung, bei der nur obere Randschichten entfernt werden, bleibt die Versiegelung erhalten. Vorzugsweise umfasst die Versiegelungs schicht Polymere, Kunstharze und/oder teflonhaltiges Solgel. Um den elektrischen Widerstand gezielt einstellen zu können, kann die Versiegelungsschicht elektrisch leitende Stoffe enthalten, vorzugsweise Leitpigmente, Leitsilber und/oder Rußpartikel.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden auf das in den Zeichnungen dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel Bezug genommen, das anhand spezifischer Terminologie beschrieben ist. Die schematischen Figuren zeigen:
1 eine Seitenansicht einer hohlen Tonerwalze;
2 einen Teil-Längsschnitt durch die Tonerwalze, bei der auf den Grundkörper eine Oxidkeramikschicht galvanisch abgeschieden ist; und
3 einen Längsschnitt mit reduzierter Oxidkeramikschicht.
In 1 ist eine Tonerwalze 10 dargestellt, die als Applikatorwalze in einer Entwicklerstation eines Druckers oder Kopierers eingesetzt werden kann. Der Grundkörper ist hohl oder aus Vollmaterial und vorzugsweise aus Aluminium. Als Material für den Grundkörper kann auch eine Aluminiumlegierung, einschließlich Aluminium-Knetlegierung, Aluminium-Gusslegierung und Aluminium-Druckgusslegierung verwendet werden. Auch die Verwendung von Rein-Titan oder einer Titanlegierung (z. B. TiAl6V4) als Material für den Grundkörper 12 ist möglich. Bei der Herstellung wird eine vollzylindrische Walze aus dem genannten Material in einem Drehprozess abgedreht, so dass der Grundkörper 12 entsteht.
Die Verwendung eines Vollzylinders hat den Vorteil, dass dieser relativ unempfindlich gegen mechanische Verspannungen ist.
Auf den Grundkörper 12 ist durch galvanische Abscheidung eine Oxidkeramikschicht 14 mit einer Schichtdicke von 67 bis 83 μm abgeschieden. Als Oxidkeramikschicht kann z. B. eine Kepla-Coat^®-Schicht verwendet werden. Die galvanische Abscheidung erfolgt aus einem wässrigen organischen Elektrolyten, wobei der Grundkörper 12 anodisch geschaltet wird.
Das Anodenpotential ist typischerweise größer als 150 V. Durch das hohe Anodenpotential und das Induzieren von Ladungsträgern in der Sperrschicht wird eine plasmachemische Reaktion ausgelöst, bei der das angeschmolzene Metall mit dem ionisierten Sauerstoff partiell reagiert und als Reaktionsprodukt die kristalline Oxidkeramik entsteht. Durch diese Reaktion wird eine porenarme Schicht ohne Risse erzeugt. Der Vorteil dieser rissfreien Schicht liegt darin, dass der Luftsauerstoff bei angelegter hoher Spannung nicht ionisieren kann und somit die Oberfläche nicht zerstört wird.
Bei dem Beschichtungsprozess wird die Oberfläche des Grundkörpers 12 im Elektrolyt mit entsprechender Salzlösung in Oxide umgewandet. Die Anodisation erfolgt über Plasmaentladungen im Elektrolyten an der Oberfläche des Grundkörpers 12. Durch Einwirkung des im Elektrolyten erzeugten Sauerstoff-Plasmas auf die Oberfläche des Grundkörpers 12 wird das Metall partiell in kurzer Zeit erschmolzen und es entsteht ein fest haftender Oxidkeramik-Metallverbund auf dem Grundkörper 12. Die Oberflächenstruktur der galvanisch aufgebauten Oxidkeramikschicht 14 wird umso rauer, je dicker die Schicht wird. Auch die Dichte der Oxidkeramikschicht nimmt mit zunehmender Dicke ab.
Um die Oberfläche für das Tragen einer Tonerschicht zu optimieren, wird in einem spanabhebenden Verfahren die Oxidkeramikschicht 14 in ihrer Schichtdicke reduziert. Als spanabhebendes Verfahren wird typischerweise ein Schleifverfahren verwendet. Es sind jedoch auch andere spanabhebende Verfahren denkbar, z. B. Feindrehen oder Diamantdrehen. Beispielsweise bei einem Schleifverfahren werden das Schleifmaterial und die Schleifbedingungen so eingestellt, dass sich eine gemittelte Rautiefe R_z von 2 μm ± 30% einstellt (R_z nach DIN 4768).
3 zeigt in einem Querschnitt den Schichtaufbau vom Grundkörper 12 und reduzierter Schichtdicke für die Oxidkeramikschicht 14. Die Oxidkeramikschicht 14 ist rissfrei, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass auch bei Anlegen einer hohen Spannung an die Tonerwalze 10 Luftsauerstoff nicht ionisieren kann. Eine zerstörerische Wirkung auf die Oberflächenschicht wird dadurch vermieden. Der für das Aufnehmen der Tonerschicht günstige spezifische elektrische Widerstand der Oxidkeramikschicht im Bereich von 10⁹ bis 10¹² Ωcm ist mit der von der eingangs erwähnten Harteloxalschicht vergleichbar.
Vorteilhafterweise kann die so erzeugte Tonerwalze 10 als Applikatorwalze verwendet werden, die einem Zwischenträger als Zylinderwalze oder als Band gegenübersteht. Tonerteilchen, die auf der Tonerwalze 10 in einer homogenen Schicht haften, lösen sich unter dem Einfluss eines elektrischen Kraftfeldes leicht von der Oxidkeramikschicht 14 und werden gegebenenfalls unter Überwindung eines Luftspaltes auf die Oberfläche des Zwischenträgers übertragen. Insbesondere ist die Tonerwalze 10 als Jumpwalze geeignet, von der die Tonerteilchen auf die Oberfläche des Zwischenträgers hinüberspringen, wobei für diesen Prozess der spezifische elektrische Widerstand der Oxidkeramikschicht im Bereich von 10⁹ bis 10¹² Ωcm eingestellt wird.
Zur Erzeugung der Oxidkeramikschicht kann gemäß einem Erfindungsaspekt ein thermisches Spritzverfahren verwendet werden. Die dadurch erzeugte Oxidkeramikschicht hat einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁵ Ωcm bis 10¹² Ωcm. Als Oxidkeramikschicht kann Chromoxid, Titanoxid, Aluminiumoxid und Mischungen hiervon verwendet werden. Auf die Oberfläche der Oxidkeramikschicht kann eine Versiegelungsschicht aufgetragen werden, die die Poren der Oxidkeramikschicht verschließt. Die Versiegelungsschicht kann zum Einstellen eines bestimmten Widerstandsbereiches elektrisch leitende Stoffe, vorzugsweise Leitpigmente, Leitsilber und/oder Rußpartikel enthalten.
Nachfolgend werden einige Beispiele für eine Tonerwalze angegeben, zu deren Herstellung ein thermisches Spritzverfahren eingesetzt wird.
Beispiel 1:
Auf einen metallischen walzenförmigen Grundkörper, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wird durch ein thermisches Spritzverfahren eine Oxidkeramikschicht aufgetragen. Diese Oxidkeramikschicht hat einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁵ Ωcm bis 10¹² Ωcm. Die Oxidkeramikschicht enthält Chromoxid.
Beispiel 2:
Es wird vorgegangen wie bei Beispiel 1; neben Chromoxid wird auch Titanoxid im Bereich von 0 bis 50 Vol.%, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 30 Vol.%, verwendet.
Beispiel 3:
Die Oxidkeramikschicht besteht hier im Wesentlichen aus Aluminiumoxid und zusätzlich Titanoxid im Bereich von 3 Vol.% bis 13 Vol.%. Die durch das Spritzverfahren aufgetragene Oxidkeramikschicht wird anschließend in ihrer Schichtdicke reduziert, beispielsweise durch Feinschleifen. Das Reduzieren der Schichtdicke erfolgt derart, dass die verbleibende Unrundheit der reduzierten Schicht ≤ 7 μm ist. Nach Durchführen des spanabhebenden Verfahrens verbleibt eine definierte Oberflächengüte mit einer gemittelten Rautiefe R_z von 2 μm ± 30%.
Beispiel 4:
Es wird vorgegangen wie bei den vorherigen Beispielen. Zusätzlich wird auf die Oberfläche der Oxidkeramikschicht eine Versiegelungsschicht aufgetragen, die die Poren der Oxidkeramikschicht verschließt. Als Versiegelungsschicht werden Polymere, Kunstharze und/oder teflonhaltiges Solgel verwendet. Zusätzlich enthält die Versiegelungsschicht elektrisch leitende Stoffe, vorzugsweise Leitpigmente, Leitsilber und/oder Rußpartikel, wodurch der elektrische Widerstand definiert eingestellt werden kann.

10: Tonerwalze
12: Grundkörper
14: Oxidkeramikschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 4768 [0020]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze (10) für einen elektrografischen Drucker oder Kopierer, deren Oberfläche geeignet ist, eine Tonerschicht zu tragen, bei der auf einem metallischen walzenförmigen Grundkörper (12) durch galvanische Abscheidung eine Oxidkeramikschicht (14) mit einer Schichtdicke von 50 bis 120 μm abgeschieden wird, und anschließend in einem spanabhebenden Verfahren die aufgetragene Oxidkeramikschicht (14) in ihrer Schichtdicke reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die galvanische Abscheidung aus einem wässrigen organischen Elektrolyten erfolgt, wobei der Grundkörper (12) anodisch geschaltet wird und wobei das Anodenpotential größer als 150 Volt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze (10) für einen elektrografischen Drucker oder Kopierer, deren Oberfläche geeignet ist, eine Tonerschicht zu tragen, bei der auf einem metallischen walzenförmigen Grundkörper (12) durch ein thermisches Spritzverfahren eine Oxidkeramikschicht (14) aufgetragen wird, wobei die Oxidkeramikschicht einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁵ Ωcm bis 10¹² Ωcm hat.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Oxidkeramikschicht Chromoxid enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Oxidkeramikschicht neben Chromoxid auch Titanoxid im Bereich von 0 bis 50 Vol.%, vorzugsweise 20 bis 30 Vol.% enthält.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Oxidkeramikschicht im wesentlichen Aluminiumoxid und zusätzlich Titanoxid im Bereich von 3 Vol.% bis 13 Vol.% enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, bei dem in einem spanabhebenden Verfahren die durch das thermische Spritzverfahren aufgetragene Oxidkeramikschicht (14) in ihrer Schichtdicke reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem die Oxidkeramikschicht in ihrer Schichtdicke so reduziert wird, dass die Unrundheit der reduzierten Schicht ≤ 7 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, bei dem als spanabhebendes Verfahren ein Schleifverfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, bei dem die Oberfläche der Oxidkeramikschicht (14) nach Durchführen des spanabhebenden Verfahrens eine definierte Oberflächengüte mit einer gemittelten Rautiefe R_z von 2 μm ± 30% hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der walzenförmige Grundkörper (12) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, einschließlich Aluminium-Knetlegierung, -Gusslegierung und -Druckgusslegierung, oder aus Rein-Titan oder einer Titanlegierung gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 11, bei dem auf die Oberfläche der Oxidkeramikschicht eine Versiegelungsschicht aufgetragen wird, die die Poren der Oxidkeramikschicht verschließt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Versiegelungsschicht vor dem Durchführen des spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Versiegelungsschicht Polymere und/oder teflonhaltiges Solgel enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Versiegelungsschicht elektrisch leitende Stoffe, vorzugsweise Leitpigmente, Leitsilber und/oder Rußpartikel, enthält.
Tonerwalze (10) zur Verwendung in einer Entwicklerstation für einen Drucker oder Kopierer, mit einem walzenförmigen metallischen Grundkörper (12), dessen Zylindermantelfläche eine Oxidkeramikschicht (14) trägt, wobei die Oxidkeramikschicht einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁵ Ωcm bis 10¹² Ωcm hat.
Tonerwalze (10) nach Anspruch 16, wobei die Unrundheit der Oxidkeramikschicht ≤ 7 μm ist.
Tonerwalze (10) nach Anspruch 16 oder 17, wobei die gemittelte Rautiefe R_z der Oberfläche der Oxidkeramikschicht (14) im Bereich von 2 μm ± 30% liegt.
Tonerwalze nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei sie als Applikatorwalze in einer Entwicklerstation eingesetzt ist.