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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte von einem Tintenstrahldruckkopf sowie dessen Verwendung zur Charakterisierung von unterschiedlichen Tinten oder zur Überprüfung eines Verschleißzustandes eines gebrauchten Druckkopfes.
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Das Ablösungsverhalten einer Tinte hängt maßgeblich von deren Oberflächenspannung ab. Die Oberflächenspannung ist einerseits ein wichtiger Parameter für das Benetzungsverhalten einer Tinte auf der Düsenplatte eines Druckkopfs und andererseits ein wichtiger Parameter für die Tropfenbildung. Beim Tintenstrahldruck bzw. Inkjetdruck wird Tinte mit einer hohen Frequenz aus in der Düsenplatte eingebrachten Mikrokapilaren, sogenannten Druckdüsen, ausgestoßen.
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Damit der Druckprozess funktioniert sollte sich aus der ausgestoßenen Tinte nach dem Verlassen der Druckdüse ein „sauberer“ Tropfen bilden. Das bedeutet, dass sich die Tinte zu einem einzigen gemeinsamer Tropfen vereinigen sollte, so dass keine Nebentropfen oder Satelliten auftreten. Ferner sollte sich, damit ein nächster Tropfen zeitnah ausgestoßen werden kann, der Tintenmeniskus in die Druckdüse zurückziehen. Dazu darf die Tinte die Oberfläche des Druckkopfs bzw. der Düsenplatte nicht zu stark benetzen. Innerhalb dieser Randbedingungen existiert für jeden Druckkopf ein bauartbedingtes Arbeitsfenster für Tinten. Das Arbeitsfenster wird im Wesentlichen durch die maximale Feuerfrequenz eines Aktuators des Tintenstrahldruckkopfes (in der Regel eines Piezo-Aktuators) und die dabei erreichbaren Tropfengrößen limitiert. Eine in dem Arbeitsfenster funktionierende Tinte benötigt eine in eine gewisse Oberflächenspannung, welche u.a. von der Konzentration und Art von darin gelösten Tensiden abhängt.
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Tenside sind oberflächenaktive Substanzen, die aus zwei chemischen Gruppen bestehen, welche sich stark in ihrer Wasseranziehung unterscheiden. Eine erste Gruppe ist hydrophil, die andere hydrophob. Aufgrund dieser Eigenschaften reichern sich die hydrophoben Bestandteile der Tenside an der Oberfläche an und verdrängen dort die Wassermoleküle. Dadurch wird in Abhängigkeit ihrer Konzentration die Oberflächenspannung verändert, was die Fähigkeit zur Benetzung verbessert.
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Zu unterscheiden ist eine für den Druckprozess relevante dynamische Oberflächenspannung einer Tinte, die maßgeblich vom „Alter“ einer den Tensiden ausgesetzten Oberfläche abhängt, von einem statischen Zustand. Tenside können die Wassermoleküle in Abhängigkeit von der Zeit von der Oberfläche verdrängen. Ein Verhalten der Tinte ist also in dem statischen Zustand, das heißt wenn nicht gedruckt wird, anders als während des Druckens, wenn ein dynamischer Zustand vorliegt.
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Herkömmliche Messverfahren zur Bestimmung der Oberflächenspannung, wie beispielsweise die sogenannte Blasendruckmethode, das sogenannte Differenzdruckverfahren, oder die sogenannte Ring- und Plattenmethode, sind aber nicht in der Lage, eine Oberflächenspannung in einem solchen dynamischen Zustand, das heißt bei den im Inkjetdruck relevanten Zeitintervallen von wenigen µs, zu erfassen. Derzeit wird das dynamische Verhalten einer Tinte daher bisweilen meist empirisch durch Drucktests optimiert.
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Die Veröffentlichung „Ultrafast imaging method to measure surface tension and viscosity of inkjet-printed droplets in flight", Hendrick J. J. Staat et al., 15. Dezember 2016 beschreibt eine Messung zur Oberflächenspannung anhand der dynamischen Oszillationen eines Tintentropfens im Flug. Diese Untersuchung stellt aber nur auf das Verhalten nach der Ablösung des Tropfens ab.
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In Rahmen der Amtsrecherche wurde folgender Stand der Technik aufgefunden:
US 2014/0022294 A1 ,
DE 33 82 649 T2 ,
US 2015/0328882 A1 und
DE 696 06 821 T2 .
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte von einem Tintenstrahldruckkopf bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte aus einem Tintenstrahldruckkopf, mit den Schritten: Aufbringen eines Erregungsimpulses auf die Tinte, wobei der Erregungsimpuls mit einer vorbestimmten Frequenz, insbesondere größer als 20 Hz, derart aufgebracht wird, dass bei einem zum regulären Drucken aufgebrachten statischen Referenzdruck der Tinte kein Tropfen aus dem Tintenstrahldruckkopf ausgegeben wird; Aufbringen eines zusätzlichen Drucks auf die Tinte, der höher als der Referenzdruck ist, und Variieren des zusätzlichen Drucks und/oder der Frequenz des Erregungsimpulses, insbesondere oberhalb von 20 Hz, so lange, bis ein Tropfen aus dem Tintenstrahldruckkopf ausgegeben wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Charakterisierung von unterschiedlichen Tinten.
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Die Erfindung betrifft ferner eine weitere Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit eines Druckkopfes.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass bisherige Messmethoden zur Tropfenablösung ihre Grenzen bei Anregungsfrequenzen von etwa 20 Hz haben. Für eine Charakterisierung des dynamischen Ablösungsverhaltens im Realbetrieb eines Tintenstrahldruckkopfes sind aber Frequenzen im Bereich der maximalen Feuerfrequenzen der Druckköpfe entscheidend, welche üblicherweise deutlich bzw. weit im hochfrequenten Bereich liegen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, den Aktuator des Druckkopfs selbst zur hochfrequenten dynamischen Anregung der Tinte mit vergleichsweise niedriger Amplitude mittels eines Erregungsimpulses zu nutzen, ohne dabei einen Tropfen auszugeben. Das hochdynamische Ablösungsverhalten der Tinte wird dann in diesem hochfrequent angeregten Zustand durch einen zusätzlich aufgebrachten Druck bestimmt.
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Unter einem Erregungsimpuls ist dabei ein auf die Tinte wiederkehrend wirkender Druckimpuls zu verstehen, das heißt ein kurzzeitiger Druckanstieg und -abfall oder umgekehrt, welcher die Tintensäule in eine hochdynamische Schwingung versetzten und somit eine Durchmischung der Tinte hervorrufen kann.
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Um das dynamische bzw. zeitabhängige Verhalten einer Tinte zu charakterisieren, kann der Aktuator, üblicherweise ein Piezo-Aktor, mit unterschiedlichen Erregungsfrequenzen bzw. in unterschiedlichen Zeitintervallen angesteuert werden, um so Unterschiede des dynamischen Ablösungsverhaltens an unterschiedlichen Messpunkten aufzunehmen, die aufgrund der für verschiedene Frequenzen unterschiedlichen Durchmischung unterschiedlichen Oberflächenaltern bzw. Konzentrationen der Tenside an der Meniskusoberfläche entsprechen.
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Der Erregungsimpuls wird als ein sogenannter Dummypuls angesteuert, das heißt als ein Druckimpuls, der nicht zu einem Tropfenausstoß sondern lediglich dazu führt, dass die Tinte in den Druckdüsen stetig vermischt wird. Auf diese Weise ändert sich auch die Tensidkonzentration an der Meniskusoberfläche. Mit einer hohen Erregerfrequenz und entsprechend geringer Tensidkonzentration kann die Tinte beispielsweise eine höhere Oberflächenspannung aufweisen und daher weniger weit aus der Druckdüse heraustreten, da die Tinte durch die stärkere Kapillarwirkung zurückgehalten wird. Ein Tropfen wird sich somit erst bei einem stärkeren zusätzlichen Druck ablösen als bei einer geringeren Erregungsfrequenz.
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Die Ablösung eines Tropfens kann beispielsweise mit einem optischen Sensor erkannt werden.
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Erfindungsgemäß werden für die Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens somit zwei Parameter variiert, die Frequenz des Erregungsimpulses und der zusätzliche auf die Tinte aufgebrachte Druck. Sobald der zusätzliche Druck, welcher die Tinte aus der Druckdüse herausdrückt, die bei der aktuellen Frequenz bestehende Kapillarwirkung und Oberflächenspannung überwindet, tritt ein Tintentropfen aus.
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Diese Parameter können für unterschiedliche Drücke und Frequenzen gemessen werden, so dass eine Charakterisierung des Verhaltens der Tinte in Abhängigkeit von Erregungsfrequenz und zusätzlichem Druck möglich ist. Beispielsweise können Grenzdrücke bei voreingestellten Frequenzen oder Grenzfrequenzen bei voreingestellten Drücken gemessen werden, bei welchen ein Tintentropfen ausgegeben wird. Diese lassen sich dann in Abhängigkeit der Voreingestellten Werte in Parameterfelder eintragen.
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Zwar lassen sich somit nicht direkt Oberflächenspannungen messen, jedoch lässt sich das hochdynamische Ablösungsverhalten einer Tinte von einem Druckkopf sehr genau charakterisieren und vergleichen und es können zumindest Rückschlüsse auf eine Oberflächenspannung im hochdynamisch erregten Zustand gezogen werden. Auf diese Weise lassen sich erfindungsgemäß etwaige im hochdynamischen Bereich auftretende Unterschiede zwischen verschiedenen Tinten oder zwischen verschiedenen Druckköpfen oder zwischen verschiedenen Zuständen von Druckköpfen identifizieren.
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Auf diese Weise lassen Abweichungen in der Tintenqualität, beispielsweise unterschiedlicher Tintenchargen, sowie Fehler des Druckkopfes, beispielsweise im Neuzustand oder durch Verschleiß, vorteilhaft leicht diagnostizieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt die Frequenz des Erregungsimpulses bzw. eine Erregungsfrequenz im Hochfrequenzbereich. Insbesondere liegt die Frequenz > 1 kHz. Moderne Druckköpfe weisen in der Regel maximale Feuerfrequenzen auf, die weit im kHz Bereich liegen, üblicherweise im 2-stelligen oder sogar im 3-stelligen kHz Bereich. Dementsprechend hoch kann auch eine maximale Frequenz des Erregungsimpulses vorgesehen werden. Selbstverständlich sind Variationen nach unten bis in den niedrigen kHz Bereich möglich. Ferner sind erfindungsgemäß auch Variationen der Frequenz ausgehend von der üblichen Grenze bisheriger Messmethoden von maximal 20 Hz, d.h. Frequenzen des Erregungsimpulses von > 20 Hz bis zur maximalen Feuerfrequenz des verwendeten Druckkopfes in möglich. Vorteilhaften sich daher bisher nicht charakterisierbare dynamische Zustände der Tinte nun erfindungsgemäß hinsichtlich des Ablösungsverhaltens charakterisieren.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der zusätzliche Druck als zusätzlicher statischer Druck aufgebracht. Beispielsweise kann dazu ein Druck der an dem Druckkopf anstehenden Tintensäule erhöht werden. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise einfach darstellbare und sehr genau einstellbare Druckerhöhung ermöglicht.
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Gemäß einer Weiterbildung wird der zusätzliche statische Druck in einem den Druckkopf versorgenden Tintenvorratstank auf die Tinte aufgebracht. Der Tintenvorratstank, auch als „Backpressuretank“ bezeichnet, sorgt für eine Pufferung etwaiger Schwankungen des Tintendurchsatzes und stellt einen konstanten statischen Druck der den Druckkopf versorgenden Tintensäule bereit. Auf diese Weise kann vorteilhaft die bestehende Systemtechnik eines Drucksystems für die Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens genutzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der zusätzliche Druck als Druckimpuls aufgebracht. Der Druckimpuls kann in diesem Fall in dem Takt oder unabhängig von dem Takt des Erregungsimpulses aufgebracht werden. Vorteilhaft braucht somit zum Aufbringen des zusätzlichen Drucks ein Tintenversorgungssystem eines Drucksystems, insbesondere der Tintenvorratstank, zur Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte nicht verändert zu werden.
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Gemäß einer Weiterbildung wird der Druckimpuls mit dem selben Aktuator wie der Erregungsimpuls aufgebracht. Der zusätzliche Druck kann somit ohne einen zusätzlichen Aktuator aufgebracht werden. Gemäß einer Weiterbildung werden der zusätzliche Druckimpuls und der Erregungsimpuls mit einem Piezoaktor des Tintenstrahldruckkopfes aufgebracht. Somit ist vorteilhaft eine exakt zur Ausgabe eines Tropfens bestimmte Aufbringung des zusätzlichen Druckimpulses ermöglicht. Auf diese Weise lässt sich selbst zur Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte ein Tintentropfen kontrolliert abgeben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird zur Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte bei einer konstanten Frequenz des Erregungsimpulses der zusätzliche Druck ausgehend von einem über dem Referenzdruck liegenden Startwert so lange stetig erhöht, bis ein Tropfen ausgestoßen wird. Es handelt sich in diesem Fall somit um einen Messdurchgang mit einer Variation des Druckes für eine vorgegebene Erregungsfrequenz. Dies kann mit weiteren Messdurchgängen für verschiedene Erregungsfrequenzen wiederholt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung wird zunächst in einem ersten Durchgang eine mit dem Druckkopf maximal aufbringbare konstante Frequenz des Erregungsimpulses eingestellt und anschließend in nachfolgenden Durchgängen schrittweise jeweils eine niedrigere konstante Frequenz eingestellt. In einem ersten Schritt wird die maximale Ansteuerfrequenz angewendet und stufenweise ein Überdruck aufgebaut. Ab einem gewissen zusätzlichen Druck der Tinte, bei welchem der zusätzliche Druck größer als die Oberflächenspannung der Tinte ist, tritt ein Tintentropfen aus der Druckdüse aus. Anschließend wird die Erregungsfrequenz variiert und für jede gewünschte Frequenz wird der maximale zusätzliche Druck bis zum Austritt eines Tintentropfens gemessen. Der Austritt kann beispielsweise mit einem auf den Druckkopf gerichteten optischen Sensor erkannt werden. Vorteilhaft kann auf diese Weise eine Charakterisierung eines von der Frequenz abhängigen maximalen Drucks bis zur Tropfenablösung über das gewünschte Frequenzband ermittelt und so das Ablösungsverhalten charakterisiert werden. Ausgehend von dem ermittelten maximalen zusätzlichen Druck kann ferner die für die jeweiligen Erregungsfrequenzen vorliegende Oberflächenspannung der Tinte abgeschätzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei einem konstant auf die Tinte wirkenden zusätzlichen Druck eine Frequenz des Erregungsimpulses ausgehend von einer Startfrequenz so lange stetig variiert, bis ein Tropfen ausgestoßen wird. Beispielsweise kann die Startfrequenz als die maximal mit einem Druckkopf aufbringbare Frequenz vorgesehen und die Frequenz innerhalb eines Messdurchgangs bei konstantem Druck stetig gesenkt werden. Bei der höchsten Frequenz werden Tenside am stärksten von der Oberfläche verdrängt, sodass eine Oberflächenspannung am höchsten sein und sich ein Tropfen damit in der Druckdüse oder an deren Ausgang halten müsste, sofern der zusätzliche Druck nicht zu hoch eingestellt ist. Mit niedriger werdender Frequenz verlangsamt sich die Verdrängung, sodass hier die Oberflächenspannung sinken und entsprechend, sofern der zusätzliche Druck ausreicht, ein Tropfen ablösen könnte.
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Gemäß einer Weiterbildung wird zunächst in einem ersten Durchgang bei einem Startwert des zusätzlichen Drucks das mit dem Druckkopf aufbringbare Frequenzband ausgehend von einer maximalen mit dem Druckkopf aufbringbaren Frequenz stetig nach unten abgefahren und anschließend in nachfolgenden Durchgängen schrittweise jeweils ein höherer konstanter zusätzlicher Druck eingestellt und das Frequenzband abgefahren. Vorzugsweise wird dieses Vorgehen so lange wiederholt, bis eine Charakterisierung einer von dem Druck abhängigen maximalen Frequenz bis zur Tropfenablösung über einen gewünschten Druckbereich ermittelt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses zur Charakterisierung von unterschiedlichen Tintenchargen eines gleichen Tintentyps verwendet werden. Auf diese Weise kann vorteilhaft, insbesondere ohne eine chemische Untersuchung der Tinte, rein aus dem Ablösungsverhalten eine etwaige Schwankung in der Tintenqualität festgestellt werden. Beispielsweise kann dazu mit dem selben Druckkopf eine komplette Charakterisierung für eine neue Tintencharge vorgenommen und entweder mit einer bereits existierenden Charakterisierung einer Referenztinte verglichen werden oder, um Einflussgrößen andere Prozessparameter auszuschließen, im direkten Anschluss eine komplette Charakterisierung für die Referenztinte vorgenommen werden. Selbstverständlich kann die Reihenfolge auch umgedreht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform einer weiteren Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Überprüfung eines Verschleißzustandes eines gebrauchten Tintenstrahldruckkopfes dieser im Vergleich zu einem neuen Druckkopf unter Verwendung einer identischen Tinte hinsichtlich des Ablösungsverhaltens überprüft. Beispielsweise kann dazu im Neuzustand eines Druckkopfes eine komplette Charakterisierung durchgeführt werden und, wenn der selbe Druckkopf später einen gebrauchten Zustand aufweist, die Charakterisierung wiederholt werden. Selbstverständlich ist auch ein direkter Vergleich mit einem anderen neuen Druckkopf möglich, beispielsweise um Einflüsse anderer Prozessparameter möglichst auszuschließen.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Im Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens zur Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte von einem Tintenstrahldruckkopf;
- 2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte von einem Tintenstrahldruckkopf;
- 3 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 4 eine schematische Darstellung eines Druckverlaufs in einem Messdurchgang gemäß einer Ausführungsform;
- 5 eine beispielhafte Aufzeichnung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte bei unterschiedlichen Erregungsfrequenzen; und
- 6 ein beispielhaftes Charakterisierungsdiagramm des jeweiligen von der Frequenz abhängigen maximalen Drucks bis zur Tropfenablösung für zwei unterschiedliche Tinten.
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Die beiliegenden Figuren der Zeichnung sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens zur Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte 1 von einem Tintenstrahldruckkopf 2.
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Das Verfahren enthält einen ersten Schritt des Aufbringens S1 eines Erregungsimpulses pe auf die Tinte 1, wobei der Erregungsimpuls pe mit einer vorbestimmten Frequenz derart aufgebracht wird, dass bei einem zum regulären Drucken aufgebrachten statischen Referenzdruck p1 der Tinte 1 kein Tropfen aus dem Tintenstrahldruckkopf 2 ausgegeben wird. Das Verfahren enthält ferner einen zweiten Schritt des Aufbringens S2 eines zusätzlichen Drucks p2 auf die Tinte 1, der höher als der Referenzdruck p1 ist. Darüber hinaus enthält das Verfahren einen dritten Schritt des Variierens S3 des zusätzlichen Drucks p2 und/oder der Frequenz f des Erregungsimpulses pe so lange, bis ein Tropfen 3 aus dem Tintenstrahldruckkopf 2 ausgegeben wird.
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Die Frequenz des Erregungsimpulses pe wird vorzugsweise größer als 20 Hz vorgesehen. Insbesondere kann diese im Hochfrequenzbereich > 1 kHz vorgesehen werden. Dabei steht das gesamte durch den Tintenstrahldruckkopf 2 aufbringbare Frequenzspektrum bis zu einer maximalen Feuerfrequenz zur Verfügung.
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Der zusätzliche Druck p2 kann, abhängig von der Messanordnung, als zusätzlicher statischer Druck oder ggfs. auch in Form von Druckimpulsen aufgebracht werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung 8 zur Bestimmung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte 1 aus einem Tintenstrahldruckkopf 2.
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Die Messanordnung 8 weist neben einem Tintenstrahldruckkopf 2 auch einen den Druckkopf 2 mit Tinte 1 versorgenden Tintenvorratstank 4 sowie eine den Tintenvorratstank 4 mit Druck versorgende Druckversorgungspumpe 5 auf. Ferner ist ein auf den Druckkopf 2 ausgerichteter optischer Sensor 6, insbesondere eine Kamera 6, vorgesehen, die mit einer den Tintenstrahlkopf steuernden Steuereinrichtung 7 gekoppelt ist. Die Steuereinrichtung ist ferner mit der Druckversorgungspumpe 5 zur Ansteuerung der Druckversorgung gekoppelt.
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Der zusätzliche statische Druck p2 wird mit einem mit dieser Anordnung durchführbaren Verfahren in dem den Tintenstrahldruckkopf 2 versorgenden Tintenvorratstank 4 auf die Tinte 1 aufgebracht, so dass er auf die gesamte Tintensäule wirkt. In dem Tintenvorratstank herrscht stets ein zum regulären Drucken benötigter statischer Referenzdruck p1, welcher auf die Tintensäule wirkt. Zur Durchführung des Verfahrens wird der statische Druck um den zusätzlichen Druck p2 erhöht auf p1 + p2.
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Bei einer konstanten Erregungsfrequenz f, welche mittels des Druckkopfes 2 selbst bzw. einem in dem Druckkopf 2 enthaltenen Piezo-Aktuator aufgebracht wird, wird der zusätzliche Druck p2 und damit auch der gesamte Druck p 1 + p2 durch eine entsprechende Ansteuerung der Druckversorgungspumpe 5 mittels der Steuereinrichtung 7 so lange erhöht, bis der Sensor 6 die Ausgabe eines Tropfens 3 erkennt. Sobald ein Tropfen durch den Sensor 6 erkannt wird, wird ein Messdurchgang durch die Steuereinrichtung 7 gestoppt und anschließend eine Veränderung der Erregungsfrequenz f für einen neuen Messdurchgang vorgenommen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Der im Vergleich zu 1 zusätzliche Schritt S4 stellt die Variation des während eines Messdurchgangs konstant gehaltenen Parameters dar. Darüber hinaus ist eine Schleife eingezeichnet, welche die Wiederholung der Messung in einem neuen Messdurchgang mit dem neuen während des Messdurchgangs konstant bleibenden Parameter symbolisiert.
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Beispielsweise ist die Variation S4 eine Änderung der Erregungsfrequenz f, sodass bei jedem Messdurchgang bei einer konstanten Frequenz f des Erregungsimpulses pe der zusätzliche Druck p2 ausgehend von einem über dem Referenzdruck p1 liegenden Startwert so lange stetig erhöht wird, bis ein Tropfen 3 ausgestoßen wird. Für einen nachfolgenden Messdurchgang wird dann jeweils eine neue Frequenz, beispielsweise ausgehend von einer anfangs mit dem Druckkopf 2 maximal aufbringbaren Frequenz schrittweise jeweils eine niedrigere konstante Frequenz, eingestellt, so dass ein neuer Messdurchgang für die neue Frequenz durchgeführt und der entsprechende zur Ablösung des Tropfes 3 benötigte Druck p2 bestimmt werden kann. Dies wird so lange wiederholt, bis das gewünschte Parameterfeld abgefahren und so eine Charakterisierung des Ablösungsverhaltens ermöglicht ist.
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Alternativ oder zusätzlich wäre es zur Bestimmung des Ablösungsverhaltens der Tinte 1 ferner denkbar, für jeden Messvorgang bei einem konstant auf die Tinte 1 wirkenden zusätzlichen Druck p2 eine Frequenz f des Erregerpulses pe ausgehend von einer Startfrequenz so lange stetig zu variieren, bis ein Tropfen 3 ausgestoßen wird. In diesem Fall kann dann für einen nachfolgenden Messdurchgang ein neuer Druck p2 eingestellt werden. Das heißt, eine Messreihe kann ebenso für jeweils während eines Messdurchgangs konstant gehaltene Drücke p2 unter Variation der Erregungsfrequenz f vorgenommen werden. Beispielsweise kann in einem ersten Durchgang bei einem Startwert des zusätzlichen Drucks p2 das mit dem Druckkopf 2 aufbringbare Frequenzband f ausgehend von einer maximalen mit dem Druckkopf aufbringbaren Frequenz stetig nach unten abgefahren und anschließend in nachfolgenden Durchgängen schrittweise jeweils ein höherer konstanter Druck p2 eingestellt und das Frequenzband erneut abgefahren werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Druckverlaufs in einem Messdurchgang gemäß einer Ausführungsform.
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Bei dieser Ausführungsform wird ein zusätzlicher Druck p2 in Form von Druckimpulsen p2a, p2b, p2c, p2d, ... mittels des Druckkopfes 2, insbesondere mit dem selben Aktuator wie der Erregungsimpuls pe, aufgebracht. Der Erregungsimpuls wird beispielsweise mit einem in dem Druckkopf 2 vorgesehenen Piezo-Aktuator mit einer vorbestimmten Frequenz f generiert, sodass ein Druckverlauf ausgehend von dem Referenzdruck p1 wiederkehrend einen kurzzeitigen Druckanstieg auf den Druck des Erregungsimpulses pe und einen entsprechenden Abfall aufweist. Ferner können auch die zusätzlichen Druckimpulse p2a, p2b, p2c, p2d, ... mit dem Piezo-Aktuator generiert werden.
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Beispielhaft sind die Druckimpulse p2a, p2b, p2c, p2d, ... hier zur Aufbringung des zusätzlichen Drucks in den Takt des Erregungsimpulses pe eingegliedert. Somit wird ein Erregungsimpuls pe durch den Druckimpuls p2a, p2b, p2c, p2d, ... ersetzt. Bei weiteren Ausführungsformen wäre es aber selbstverständlich auch denkbar, den zusätzlichen Druckimpuls p2a, p2b, p2c, p2d, ... unabhängig vom Takt des Erregungsimpulses pe aufzubringen.
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Bei der dargestellten Ausführungsform handelt es sich ferner um einen Messdurchgang mit konstanter Erregungsfrequenz f und stetig ansteigendem zusätzlichem Druck p2, wozu eine Amplitude der Druckimpulse p2a, p2b, p2c, p2d, ... stetig erhöht wird. Bei weiteren Ausführungsformen wäre aber auch eine konstante Amplitude der Druckimpulse p2a, p2b, p2c, p2d, ... und einer Variation der Frequenz f des Erregungsimpulses pe während eines Messdurchgangs denkbar.
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5 zeigt eine beispielhafte Aufzeichnung des hochdynamischen Ablösungsverhaltens einer Tinte 1 bei unterschiedlichen Erregungsfrequenzen f1, f2.
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Es handelt sich um eine Aneinanderreihung von Kameraaufnahmen zweier Messdurchgänge mit gleichem zeitlichem Druckverlauf des zusätzlichen Drucks p2, wie schematisch in dem zugehörigen Diagramm dargestellt. Die gleiche Tinte wurde in zwei Messdurchgängen mit unterschiedlichen Erregungsfrequenzen f1, f2 und ansonsten gleichen Versuchsparametern untersucht.
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Bei einer mit f1 bezeichneten ersten Erregungsfrequenz ist mit der Kamera 6 ein Tropfen 3 der Tinte 1 früher erfassbar als mit einer zweiten Erregungsfrequenz f2. Bei der ersten Erregungsfrequenz f1 löst sich die Tinte also von dem Druckkopf 2 etwas früher ab als bei der zweiten Frequenz f2, was auf eine bei Erregung mit der ersten Erregungsfrequenz f1 niedrigere Oberflächenspannung als mit der zweiten Erregungsfrequenz f2 schließen lässt.
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6 zeigt ein beispielhaftes Charakterisierungsdiagramm des jeweiligen von der Erregungsfrequenz f abhängigen maximalen zusätzlichen Drucks p2 bis zur Tropfenablösung für zwei unterschiedliche Tinten A, B.
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Erkennbar verhalten sich die unterschiedlichen Tinten A, B hinsichtlich der Tropfenablösung über das Frequenzband unterschiedlich. Beide Tinten A und B weisen eine Abängigkeit des zusätzlichen Drucks p2, bei dem sich ein Tropfen 3 ablöst (Ablösungsdruck) von der angelegten Erregungsfrequenz f auf. Ausgehend von nahezu gleichen Ablösungsdrücken bei einer minimalen Erregungsfrequenz f min weist die erste Tinte A dabei einen steileren Anstieg des Ablösungsdrucks über der Erregungsfrequenz f als die zweite Tinte B auf. Beide Verläufe sind jedoch exponentiell. Bei einer maximalen Erregungsfrequenz f max unterscheiden sich die Ablösungsdrucke bereits deutlich, hier beispielhaft um etwa 30%.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher zur Charakterisierung von unterschiedlichen Tinten A, B. Selbst unterschiedliche Tintenchargen eines gleichen Tintentyps können charakterisiert und etwaige Unterschiede anhand eines etwaigen unterschiedlichen hochdynamischen Ablösungsverhaltens festgestellt werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Beispielsweise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Funktionsfähigkeit eines Druckkopfes, insbesondere ein Verschleißzustand eines gebrauchten Druckkopfes, untersucht werden. Der zu untersuchende Druckkopf, beispielsweise ein gebrauchter Druckkopf, wird dazu im Vergleich zu einem Referenzdruckkopf, , beispielsweise einem neuen Druckkopf, unter Verwendung einer identischen Tinte hinsichtlich des Ablösungsverhaltens überprüft.
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Eine weitere mögliche Verwendung betrifft die Untersuchung der Funktionstüchtigkeit von Peripheriegeräten des Druckkopfes, beispielsweise der Reinigungsleistung einer Reinigungseinrichtung zum Beseitigen von Tintenresten von der Düsenplatte, insbesondere eines soganannten Wipers.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tinte
- 2
- Tintenstrahldruckkopf
- 3
- Tropfen
- 4
- Tintenvorratstank
- 5
- Druckversorgungspumpe
- 6
- optischer Sensor bzw. Kamera
- 7
- Steuereinrichtung
- 8
- Messanordnung
- A
- erste Tinte
- B
- zweite Tinte
- f
- Frequenz bzw. Erregungsfrequenz
- f1
- erste Erregungsfrequenz
- f2
- zweite Erregungsfrequenz
- p1
- Referenzdruck
- p2
- zusätzlicher Druck
- p2a-d
- Druckimpulse
- pe
- Erregungsimpuls
- S1 - S4
- Schritte
