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Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Druckmaschine mit mehreren Druckköpfen, einem Vorratsbehälter, einer Zuleitung und einer Rückleitung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Gebiet der Technik
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Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der grafischen Industrie und dort insbesondere im Bereich des industriellen, d.h. hochproduktiven Tintendrucks (Inkjet) auf flache Substrate, d.h. des bildgemäßen Auftragens von feinsten Tropfen aus flüssiger Tinte auf bogen-, bahn-, folien- oder etikettenförmige Bedruckstoffe, bevorzugt aus Papier, Karton, Pappe, Kunststoff, Metall oder Verbundmaterial. Im Besonderen liegt die Erfindung dabei auf dem Teilgebiet des Bevorratens und Verteilens von flüssiger Tinte und des (zirkulierenden) Versorgens von - die Tintentropfen erzeugenden - Druckköpfen mit flüssiger Tinte.
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Stand der Technik
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Die noch unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung
DE 10 2020 107 415 offenbart eine Vorrichtung zum Drucken mit Tinte, umfassend einen Vorratsbehälter für Tinte und eine Anordnung mehrerer, zueinander gleicher und Tintentropfen erzeugende Druckköpfe, welche von einer gemeinsamen Zuleitung samt Pumpe parallel mit Tinte versorgt werden. Zudem offenbart das Dokument eine Rückleitung zum Vorratsbehälter sowie zwei Tintenverteiler, je einen in der Zu- und der Rückleitung. Es sollen störende Druckspitzen in der Tintenflüssigkeit reduziert werden. Hierzu soll eine schnell steuerbare oder regelbare Pumpe parallel und komplementär zu den Druckköpfen eingesetzt werden. Allerdings können weitere störende Effekte auftreten.
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Ein Stand der Technik ist zur Erläuterung in der 1a dargestellt (siehe auch zugehörige Beschreibung zur 1a):
- Beim Drucken wird der (Tinten-) Volumenstrom von den Tintenverteilern („Manifolds“) zu den Druckköpfen als differentielle Volumenstrom-Anteile zugeführt. Um die dynamischen Drücke zu verstehen, können die Tintenverteiler 8 und 9 vereinfacht als eine Aneinanderreihung von hydraulischen Induktionsanteilen dL und hydraulische Widerstandsanteilen dR verstanden werden, an denen jeweilige Druckabfälle entstehen. Zwischen den Anschlüssen jeweils zweier benachbarter Druckköpfe an einem Tintenverteiler wird je ein Element dL und ein Element dR angenommen. Die hydraulische Induktivität (in Analogie zur elektrischen Induktivität) ist der Widerstand einer Flüssigkeit, hier z.B. der Tinte, gegen deren Beschleunigung bei translatorischen Bewegungen z.B. in Leitungen. Sie gibt an, welche Druckdifferenz für eine Volumenstromänderung erforderlich ist. Dabei werden zur Vereinfachung „symmetrische“ Druckköpfe, d.h. mit gleichgroßen Eingangs- und Ausgangswiderständen, angenommen. Dadurch sind die Volumenstromanteile im Supply- und Returnmanifold gleich groß.
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Umfangreiche Untersuchungen in diesem Umfeld haben Folgenden gezeigt: Ein störender Puls in der Tintenflüssigkeit zeigt im Wesentlichen zwei Phasen. Phase A zeigt eine steile Anstiegsflanke und Phase B einen Anstiegsverlauf mit geringerer Steilheit. Phase A resultiert aus den hydraulischen „Induktionseffekten“ und kann nur unwesentlich mit einer hydraulischen Kapazität, also einem Dämpfer, oder einem Regler beeinflusst werden, da beide für diesen Zweck zu langsam arbeitende Stellglieder sind. Diese weiteren störende Effekte müssen anderweitig reduziert werden.
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Eine Lösung des Problems mittels einer hydraulischen Kapazität an den Zuflüssen und Abflüssen der jeweiligen Druckköpfe ist aufwendig und kann ggf. zu neuen Problemen führen, da damit eine Kette von hydraulischen Schwingkreisen aufgebaut würde.
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Die hydraulische Induktion wird maßgeblich vom Querschnitt des Manifolds und der Anzahl der Druckköpfe bestimmt. Es besteht aber die Anforderung, die Geometrie der Manifolds, d.h. die Querschnitte nicht oder nur unwesentlich zu verändern. Dies ist insbesondere für weiße (sedimentierende) Tinte relevant, damit ein Mindestfluss gewährleistet werden kann, um eine mögliche Sedimentation zu verhindern.
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Technische Aufgabe
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik zu schaffen, welche es insbesondere ermöglicht, störende Pulse in der Tintenflüssigkeit zu reduzieren oder gar zu eliminieren.
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Erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte und daher bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Eine erfindungsgemäße Druckmaschine mit mehreren Druckköpfen zum Verdrucken von Tinte mit einem Vorratsbehälter für Tinte, mit einer Zuleitung, d.h. einer Tintenleitung zum Leiten von Tinte vom Vorratsbehälter hin zu den Druckköpfen, mit einer Rückleitung, d.h. einer Tintenleitung zum Leiten unverdruckter Tinte von den Druckköpfen zurück zu dem Vorratsbehälter, mit einem ersten Tintenverteiler in der Zuleitung, mit einem zweiten Tintenverteiler in der Rückleitung, wobei die Druckköpfe beim Drucken zusammen einen jeweiligen Volumenstrom von Tinte in der Zuleitung und in der Rückleitung erzeugen, zeichnet sich dadurch aus, dass die Druckköpfe derart mit dem ersten Tintenverteiler und mit dem zweiten Tintenverteiler verbunden sind, dass sich beim Drucken differentielle Volumenströme der einzelnen Druckköpfe im ersten Tintenverteiler und im zweiten Tintenverteiler wenigstens teilweise aufheben.
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Anders formuliert zeichnet sich die Erfindung durch einen Aufbau bzw. eine Art der Verbindung der Druckköpfe mit den Tintenverteilern aus, derart dass sich beim Drucken die differentiellen Volumenströme (oder: Volumenstromanteile) entlang des Zuflusses zu den Druckköpfen und entlang des Rückflusses von den Druckköpfen entgegengesetzt auswirken, wobei sich die induzierten Teildrücke (in der Tintenflüssigkeit) an den Druckköpfen mit umgekehrten Vorzeichen an den Druckköpfen addieren.
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Vorteilhafte Ausbildungen und Wirkungen der Erfindung
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Die Erfindung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, störende Pulse in der Tintenflüssigkeit zu reduzieren oder gar zu eliminieren.
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Eine erfindungsgemäße Druckmaschine bzw. ein System mit deren technischen Merkmalen sieht vor, dass die Druckköpfe derart mit dem ersten Tintenverteiler und mit dem zweiten Tintenverteiler verbunden sind, dass sich beim Drucken - insbesondere sich summierende - differentielle Volumenströme der einzelnen Druckköpfe (welche kurzzeitig und schnell ansteigend durch hydraulische Induktionsanteile induziert werden) im ersten Tintenverteiler und im zweiten Tintenverteiler wenigstens teilweise aufheben. Durch die erfindungsgemäße und vorteilhafte Art und Weise des Verbindens der Druckköpfe mit den beiden Tintenverteilern (diese werden oft „Manifolds“ genannt), werden Druckspitzen in der Tintenflüssigkeit, also störende Pulse, wenigstens reduziert. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die beiden Manifolds in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchflossen werden.
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Weitere Vorteile sind: geringer Bauraum, kein Luftkontakt der Tinte, einfache Konstruktion, Mindestfluss ist gewährleistet (wichtig für sedimentierende Tinten), geeignet für große Anzahl an Druckköpfen, und kleines Umlaufvolumen (da Querschnitte geringgehalten werden).
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Weiterbildungen der Erfindung
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Im Folgenden werden bevorzugte Weiterbildung der Erfindung (kurz: Weiterbildungen) beschrieben.
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Eine Weiterbildung kann sich dadurch auszeichnen, dass die Zuleitung in der Mitte des ersten Tintenverteilers angeschlossen ist.
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Eine Weiterbildung kann sich dadurch auszeichnen, dass die Rückleitung in der Mitte des zweiten Tintenverteilers angeschlossen ist.
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Der Begriff „Mitte“ bedeutet zunächst, dass der jeweilige Anschluss nicht an einem der beiden Enden des jeweiligen Tintenverteilers oder im Bereich der Enden bzw. nahe bei diesen angeordnet ist. Die „Mitte“ muss nicht exakt in der Mitte eines Tintenverteilers - bezogen auf die Richtung von dessen längster Ausdehnung oder kurz: bezogen auf seine Länge - liegen. Die „Mitte“ kann leicht versetzt zur exakten Mitte liegen, z.B. wenn dort bauraumbedingt kein Anschluss möglich ist. Beispiel: Beide Tintenverteiler haben bevorzugt eine längliche Bauweise und mithin eine Längsrichtung, z.B. sind sie rohrförmig; die Druckköpfe sind bevorzugt entlang der Längsrichtung an den Tintenverteilern angeschlossen; der Begriff „Mitte“ bezieht sich in diesem Fall auf die Längsrichtung.
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Eine Weiterbildung kann sich dadurch auszeichnen, dass wenigstens zwei Kopf-Rückleitungen zwischen den Druckköpfen und dem zweiten Tintenverteiler zueinander gekreuzt angeordnet sind.
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Eine Weiterbildung kann sich dadurch auszeichnen, dass alle Kopf-Rückleitungen zwischen den Druckköpfen und dem zweiten Tintenverteiler zueinander gekreuzt angeordnet sind.
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Eine Weiterbildung kann sich dadurch auszeichnen, dass alle Kopf-Zuleitungen zwischen dem ersten Tintenverteiler und den Druckköpfen zueinander ungekreuzt angeordnet sind.
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Der Begriff „gekreuzt“ bedeutet, dass die Anschlussorte der (Zu- oder Rück-) Leitungen mehrerer Druckköpfe (a, b, c usw.) an einem Tintenverteiler in ihrer Reihenfolge vertauscht sind (also z.B. b-a statt a-b oder c-b-a statt a-b-c usw.) - und zwar relativ zu den Anschlussorten der (Rück- oder Zu-) Leitungen der mehreren Druckköpfe an dem anderen Tintenverteiler (also z.B. a-b oder a-b-c am ersten Verteiler und b-a oder c-b-a am zweiten Verteiler usw.), wenn beide Tintenverteiler jeweils an der gleichen Seite oder an der Mitte mit einer Leitung (von oder zu einem Vorratsbehälter) verbunden sind (vergleiche 2d). Wenn stattdessen beide Tintenverteiler an gegenüberliegenden Seiten mit einer Leitung (von oder zu einem Vorratsbehälter) verbunden sind, so bedeutet der Begriff „gekreuzt“, dass die Anschlussort nicht in ihrer Reihenfolge vertausch sind (vergleiche 2b). Der Begriff „ungekreuzt“ bedeutet in diesem Sinne „nicht gekreuzt“ bzw. das Gegenteil von „gekreuzt“.
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Eine Weiterbildung kann sich dadurch auszeichnen, dass der erste Tintenverteiler zweiteilig oder mehr als zweiteilig ausgebildet ist.
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Eine Weiterbildung kann sich dadurch auszeichnen, dass der zweite Tintenverteiler zweiteilig oder mehr als zweiteilig ausgebildet ist.
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Die beiden Tintenverteiler können gefäßförmig und insbesondere rohrförmig ausgebildet sein. Ein zwei- oder mehrteiliger Tintenverteiler weist dann zwei oder mehrere, separate Gefäße oder insbesondere Rohre auf. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Zwei- oder Mehrteilung nur durch eine innere Trennwand eines einzigen Gefäßes und insbesondere Rohres verwirklicht ist.
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Eine Weiterbildung kann sich dadurch auszeichnen, dass die beiden Tintenverteiler geneigt angeordnet sind.
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Eine Weiterbildung kann sich dadurch auszeichnen, dass die beiden Tintenverteiler mit wenigstens einem Bypass miteinander verbunden sind.
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Der jeweilige Bypass (und auch jede der weiteren Leitungen im System) kann als Schlauchleitung oder Rohrleitung ausgebildet sind.
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Die in den obigen Abschnitten Technisches Gebiet, Erfindung und Weiterbildungen sowie im folgenden Abschnitt Ausführungsbeispiele offenbarten Merkmale und Merkmalskombinationen stellen - in beliebiger Kombination miteinander - weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
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Ausführungsbeispiele zur Erfindung und Figuren
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Die 1a, 1b und 2a zeigen den Stand der Technik.
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Die 2b bis 6 zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und der Weiterbildungen. Einander entsprechende Merkmale sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Sich in den Figuren wiederholende Bezugszeichen wurden der Übersichtlichkeit teils weggelassen.
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Die 1a und 1b zeigen den Stand der Technik: Dargestellt sind eine Tinten-Druckmaschine 1 zum Bedrucken von Bedruckstoff 2 mit Tinte, z.B. Papier, Karton oder Folie, mit einer Vielzahl an Druckköpfen 3 zum Erzeugen von Tintentropfen; ein Vorratsbehälter 4 für die Tinte; eine Pumpe 5 zum zirkulierenden Fördern der Tinte; eine Zuleitung 6 und eine Rückleitung 7; sowie ein erster Tintenverteiler 8 und ein zweiter Tintenverteiler 9 („Manifolds“). In der Zuleitung fließt ein erster Volumenstrom 10 an Tinte; in der Rückleitung ein zweiter Volumenstrom 11.
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In 1b sind erste differentielle Volumenströme 12 und zweite differentielle Volumenströme 13 dargestellt. Die Tinte 14 im dargestellten System fließt somit als Volumenströme 10 und 11, differentielle Volumenströme 12 und 13 und als Tintentropfen 15. Differentielle Volumenströme können einem Volumenstrom gleichgerichtet (vergleiche die differentiellen Volumenströme 12 und den ersten Volumenstrom 10) oder entgegengerichtet sein (vergleiche die differentiellen Volumenströme 13 und den zweiten Volumenstrom 11). Das Volumen aller ausgestoßenen Tropfen 15 zu einem gegebenen Zeitpunkt entspricht im Wesentlichen der Differenz zwischen den Volumenströmen 10 und 11 zu diesem Zeitpunkt (im Rahmen systembedingter zeitlicher Verzögerungen).
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Die Pfeile 12 und 13 deuten die kurzeitigen Volumenstromanteile an, die die Druckköpfe durch ihre jeweiligen Volumenströme an bzw. in den Manifolds erzeugen. Wenn man davon ausgeht, dass die Druckpotentiale an dem Eingang der Manifolds konstant sind (z.B. durch Dämpfer stabilisiert), dann addieren sich die jeweiligen Druckdifferenzen vom Eingang bis zum Ende des Manifolds. Das zuvor mit Bezug zum gezeigten Stand der Technik gemäß der 1a und 1b Beschriebene gilt auch für die dargestellten Anordnungen gemäß der weiteren 2 bis 6.
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Folgendes wurde im Rahmen der Arbeiten zur Erfindung erkannt: Bei einem üblicherweise aufgebautes Manifoldsystem addieren sich induzierte Druckpulse entlang eines Manifoldsystems beidseitig auf. Dieser aufsummierte induzierte Puls ist abhängig vom zeitlichen Volumenstromanstieg und der Größe der jeweiligen Induktionsegmente dL und deren Anzahl N. Die Pulshöhe und der zeitliche Verlauf können nur sehr schwer reduziert werden. Insbesondere können Regelungen die sehr kurzen Anstiegszeiten der Druckpulse nicht beseitigen, da dazu entsprechend (sehr) schnelle Stellglieder (z.B. Pumpen) erforderlich wären.
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2a zeigt den Stand der Technik und entspricht der in 1b gezeigten Anordnung.
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Die 2b bis 2d zeigen jeweils ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmaschine.
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In 2b ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Kopfzuleitungen 19 zwischen dem ersten Tintenverteiler 8 und den Druckköpfen 3 nicht gekreuzt sind, während die Kopfrückleitungen 20 zwischen den Druckköpfen 3 und dem zweiten Tintenverteiler 9 gekreuzt sind. Dass die Kopfrückleitungen 20 tatsächlich gekreuzt sind wird klar, wenn man sich den dargestellten Tintenstrom durch den zweiten Tintenverteiler 9 in entgegengesetzter Richtung vorstellt (den zweiten Tintenverteiler 9 gewissermaßen um 180° dreht und dabei alle Leitungen 20 kreuzt; so wie in 2d). Der Anschluss der Zuleitung 6 am ersten Tintenverteiler 8 ist an dessen Ende und der Anschluss der Rückleitung 7 am zweiten Tintenverteiler 9 ist an dessen Ende (vergleiche die 2c und 2d: dort sind die Anschlüsse in den Mitten). 2b entspricht somit 2a mit gekreuzten Leitungen 20. Durch das „Kreuzen“ verteilen sich die differentiellen Volumenströme 12 des einen Manifolds 8 entgegengesetzt (bezüglich ihrer Richtungen) zum anderen Manifold 9.
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In 2c ist eine Ausführungsform mit Mittenzuleitung dargestellt, d.h. der Anschluss der Zuleitung 6 am ersten Tintenverteiler 8 ist im Wesentlichen in dessen Mitte und der Anschluss der Rückleitung 7 am zweiten Tintenverteiler 9 ist im Wesentlichen in dessen Mitte. Dabei sind die Kopfzuleitungen 19 zwischen dem ersten Tintenverteiler 8 und den Druckköpfen 3 nicht gekreuzt und die Kopfrückleitungen 20 zwischen den Druckköpfen 3 und dem zweiten Tintenverteiler 9 ebenfalls nicht gekreuzt sind. Bei dem gezeigten Anschluss in der Mitte heben sich die Wirkungen in der Mitte auf, wenn die Anzahl der Druckköpfe N vorteilhaft eine gerade Zahl ist.
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In 2d ist eine Ausführungsform mit Mittenzuleitung dargestellt, d.h. der Anschluss der Zuleitung 6 am ersten Tintenverteiler 8 ist im Wesentlichen in dessen Mitte und der Anschluss der Rückleitung 7 am zweiten Tintenverteiler 9 ist im Wesentlichen in dessen Mitte. Dabei sind die Kopfzuleitungen 19 zwischen dem ersten Tintenverteiler 8 und den Druckköpfen 3 nicht gekreuzt, während die Kopfrückleitungen 20 zwischen den Druckköpfen 3 und dem zweiten Tintenverteiler 9 gekreuzt sind. 2d entspricht somit 2c mit gekreuzten Leitungen 20.
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3 zeigt die Volumenströme 10 und 11 und die differentiellen Volumenströme 12 und 13 im System der Ausführungsform gemäß 2b. Während des Druckens, d.h. während des Aufstoßens von Tintentropfen 15, kann es im zweiten Tintenverteiler 9 zu differentiellen Volumenströme 13 kommen, die dem zweiten Volumenstrom 11 entgegengerichtet sind.
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4 zeigt die Volumenströme 10 und 11 und die differentiellen Volumenströme 12 und 13 im System der Ausführungsform gemäß 2c. Während des Druckens, d.h. während des Aufstoßens von Tintentropfen 15, kann es im zweiten Tintenverteiler 9 zu differentiellen Volumenströme 13 kommen, die dem zweiten Volumenstrom 11 entgegengerichtet sind.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform: Die Zuleitung 6 und die Rückleitung 7 sind jeweils in zwei Leitungen verzweigt; der erste Tintenverteiler 8 und der zweite Tintenverteiler 9 jeweils als zwei separate und bevorzugt im Wesentlichen identische Tintenverteiler 8a, 8b und 9a, 9b ausgeführt. Es sind auch mehr als die gezeigten jeweils zwei Verzweigungen möglich. In der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Tintenzuleitung und Tintenrückleitung jeweils im Wesentlichen in der Mitte (wie z.B. in 2b). Die Kopf-Zuleitungen 19 sind nicht gekreuzt, während die Kopf-Rückleitungen gekreuzt sind (ähnlich wie in 2d; mit dem Unterschied, dass in 5 nur jeweils die Kopf-Rückleitungen benachbarter Paare von Druckköpfen 3 gekreuzt sind). Diese Ausführungsform führt zum besten Ergebnis.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform: die Tintenverteiler 8 und 9 sind hier unter einem Winkel 23 geneigt angeordnet und über einen ersten Bypass 17 und einen zweiten Bypass 18 miteinander verbunden. Der Winkel 23 ist bevorzugt kleiner als 5° und ist der Entlüftung der Manifolds dienlich. An den Tintenverteilern 8 und 9 sind Drucksensoren 21 und 22 angeordnet, mit denen der Druck in der Tintenflüssigkeit gemessen und zu dessen rechnerbasierten Steuerung oder Regelung mittels der Pumpe 5 verwendet werden kann. An der Zuleitung 6 ist eine hydraulische Kapazität 16, d.h. ein Dämpfer, vorhanden, welche störende Druckspitzen in der Tintenflüssigkeit dämpft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckmaschine
- 2
- Bedruckstoff
- 3
- Druckköpfe
- 4
- Vorratsbehälter
- 5
- Pumpe
- 6
- Zuleitung
- 7
- Rückleitung
- 8, 8a, 8b
- erster Tintenverteiler
- 9, 9a, 9b
- zweiter Tintenverteiler
- 10
- erster Volumenstrom
- 11
- zweiter Volumenstrom
- 12
- erste differentielle Volumenströme
- 13
- zweite differentielle Volumenströme
- 14
- Tinte
- 15
- Tintentropfen
- 16
- hydraulische Kapazität, Dämpfer
- 17
- erster Bypass
- 18
- zweiter Bypass
- 19
- Kopf-Zuleitungen
- 20
- Kopf-Rückleitungen
- 21
- erster Drucksensor
- 22
- zweiter Drucksensor
- 23
- Winkel
- dL
- hydraulischen Induktionsanteilen
- dR
- hydraulische Widerstandsanteilen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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