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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Fixieren von Toner auf einem Substrat, bei dem eine Fixiereinrichtung
(Fuser), vorzugsweise umfassend eine den Toner kontaktierende, erwärmbare Fixierwalze,
verwendet wird, um den Toner auf eine Temperatur größer oder
gleich seiner Glasübergangstemperatur
zu erhitzen.
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Des weiteren betrifft die Erfindung
eine Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem Substrat, umfassend
eine Fixiereinrichtung (Fuser), vorzugsweise mit einer, den Toner
kontaktierenden, erwärmbaren
Fixierwalze, um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glasübergangstemperatur
zu erhitzen, vorzugsweise zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
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Beim elektrostatischen bzw. elektrofotographischen
Drucken wird ein latentes elektrostatisches Bild mit geladenen Tonerpartikeln
auf einer Bebilderungstrommel entwickelt und auf ein Substrat bzw.
einen Bedruckstoff, wie insbesondere Papier in Form von Bögen oder
in Form eines fortlaufenden Bandes, übertragen. Dabei werden zum
Beispiel beim Vierfarbdruck vier latente Bilder in den vier Farbauszügen Cyan,
Magenta, Gelb und Schwarz nacheinander und übereinander auf das Substrat übertragen.
Insbesondere das fertige einfarbige oder mehrfarbige latente Bild
wird dann mittels einer Fixiereinrichtung auf dem Substrat fixiert.
Dies geschieht üblicherweise
mittels einer erwärmbaren
Fixierwalze, die auf dem Tonerbild abgerollt wird und dabei den
Toner bis oberhalb seiner Glasübergangstemperatur
erhitzt, also schmilzt, und gleichzeitig unter Druckbeaufschlagung
in das Substrat einarbeitet, an dem es nach seiner Abkühlung fixiert
ist. Dabei verbinden sich einander benachbarte Tonerpartikel und
bilden letztlich eine Polymerschicht auf und an dem Substrat.
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Ein Problem kann bei dem geschilderten
Vorgehen auftreten, wenn eine größere Anzahl
von Druckvorgängen
in einer bestimmten Zeiteinheit durchgeführt werden soll, das Verfahren
also beschleunigt werden soll. Dann kann sich nämlich der Fixiervorgang als
geschwindigkeitsbegrenzender Faktor des Druckverfahrens erweisen,
weil er nicht linear beschleunigt werden kann.
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Soll der Fixiervorgang beschleunigt
werden, könnte
daran gedacht werden, die Temperatur der Fixierrolle zu erhöhen und/oder
den Fixierbereich zwischen der Fixierwalze und einer Gegendruckrolle
in Substrattransportrichtung zu vergrößern.
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Eine Erhöhung der Temperatur führt aber
zu einer reduzierten Lebensdauer der Fixierwalze, insbesondere ihrer
Beschichtung bzw. Ummantelung. Zudem wird beim Fixieren mit einer
Fixierwalze ein Silikonöl
als Trennmittel genutzt, um zu verhindern, daß Toner an der Fixierwalze
haftet und nachfolgende Druckvorgänge beeinträchtigt. Auch dieses Öl muß häufiger nachgefüllt werden
und wird in seinem Verbrauch erhöht,
wobei zusätzlich
die Gefahr besteht, daß es
auf Transporteinrichtungen haftet, diese beschmutzt und weitergetragen wird,
so daß auch
dieses Öl
nachfolgende Druckvorgänge
beeinträchtigen
kann.
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Soll der Fixierbereich vergrößert werden,
kann dies im Prinzip auf zweierlei Weise geschehen, indem der Druck
zwischen Fixierwalze und Gegendruckrolle vergrößert wird und dadurch ein größerer abgeplatteter Bereich
entsteht, oder, indem eine Fixierwalze mit einem größeren Durchmesser
verwendet wird. Durch einen größeren Druck
kann wiederum die Lebensdauer der Fixierwalze, insbesondere ihrer
Beschichtung, verringert werden, und es kann zu Beschädigungen,
insbesondere zu Zerknitterungen, des Substrates kommen. Wird der
Durchmesser der Fixierwalze vergrößert, kann es leichter zu Substratstaus
kommen. Außerdem
werden dadurch die Baukosten und die Baugröße problematisch.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, insbesondere für
eine Geschwindigkeitserhöhung, die
Fixiereinrichtung bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung der
eingangs genannten Gattung zu entlasten, ohne eventuelle Probleme
der im vorhergehenden geschilderten Art nur örtlich zu verlagern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verfahrenshinsicht
dadurch gelöst,
daß vor
der Erhitzung des Toners durch die Fixiereinrichtung eine Vorerwärmung berührungslos
durchgeführt
wird, mit welcher der Toner zunächst
auf eine Temperatur kleiner oder gleich seiner Glasübergangstemperatur
erwärmt
wird.
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"Vorerwärmung" bedeutet dabei,
daß der
Toner bis in den Bereich seiner Glasübergangstemperatur erhitzt
wird, aber diese Temperatur nicht überschritten wird, um ein Schmelzen
des Toners zu vermeiden. Demgegenüber beinhaltet "Fixieren" eine Erhitzung des
Toners oberhalb seiner Glasübergangstemperatur.
Vorzugsweise wird jedoch ein Toner mit einer möglichst scharf definierten
Glasübergangstemperatur
verwendet, so daß daher
eine Vorerwärmung
und eine Fixierung mit ihren Temperaturbereichen dicht aneinandergrenzen können.
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Durch die erfindungsgemäße, berührungslose
Vorerwärmung
wird der Fixiervorgang insbesondere zeitlich entlastet und auch
im Hinblick auf die Gefahr von Sutstratstaus, ohne daß die Probleme
aus dem Fixierbereich in den Vorerwärmungsbereich vorverlagert
würden.
Hierbei ist die berührungslose
Vorerwärmung von
besonderem Vorteil.
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Eine kontaktierende Vorerwärmung mittels
eines erhitzbaren Sattels, der auf das Toner tragende Substrat zu
dessen Erwärmung
aufgedrückt
werden kann, ist im Prinzip, zum Beispiel aus der
US-A-4147922 , bekannt. Derartige
Sättel
sind jedoch von relativ großer
Baugröße und können insbesondere
beim sogenannten Duplex-Drucken, dem beidseitigen Bedrucken eines
Substrates im Schön-
und Widerdruck, Probleme aufwerten, weil derartige Sättel doch
so hoch erhitzt werden müssen,
daß insbesondere
ein schon auf einer ersten Seite (Unterseite) des Substrates fixiertes
Druckbild erneut aufgeweicht und verschmiert werden kann, zumal ein
Gegendruckelement gerade an dieser Unterseite anliegt. Dagegen kann
bei der erfindungsgemäß berührungslos
erfolgenden Vorerwärmung
eine Temperatur deutlich unterhalb der Glasübergangstemperatur präzise und
konstant eingestellt werden und das Substrat kann gegebenenfalls
sogar "schwebend", beispielsweise auf
einem Luftpolster, transportiert werden. Die Vorerwärmung erfolgt
erfindungsgemäß bevorzugt
durch eine Mikrowellenanwendung, mit der mit Vorteil das Substrat
und mittelbar über
das Substrat, zum Teil aber auch unmittelbar der Toner erwärmt wird.
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Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren
auf Substratbögen
oder (kontinuierlich) auf Substratbänder angewendet werden. Als
eigentlicher Fixierschritt kommt die Anwendung einer beliebigen
Technik in Betracht, also beispielsweise eine berührungslose
Fixierung durch Mikrowellen, Infrarot-Bestrahluhg, Blitzlicht-Bestrahlung
oder dergleichen, oder mit Berührung
durch ein Band oder eine Fixierwalze oder dergleichen. Dabei können auch
weitere Druckqualitätsparameter,
wie zum Beispiel Tonerglanz, Berücksichtigung
finden.
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Bevorzugt sieht das erfindungsgemäße Verfahren
vor, daß resonante
bzw. stehende Mikrowellen Anwendung finden. Hierbei kann durch die
Auswahl und/oder Abstimmung der Resonatoren sehr zielgerichtet und
bedarfsgerecht gearbeitet werden und insbesondere verschiedenen
Druckqualitätsmerkmalen
Rechnung getragen werden, wie auch im weiteren noch dargelegt werden
wird.
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Um einen besseren Energieeintrag
zu erzielen, kann das Substrat vor der Mikrowellenbeaufschlagung angefeuchtet
werden. Dies kann beispielsweise mit 100°C heißem Wasserdampf geschehen.
Dabei kann das Substrat vorzugsweise beidseitig angefeuchtet werden,
um Spannungen und Biegungen des Substrates zu vermeiden. Zudem wird
durch Kondensationswärme
das Toner tragende Substrat ebenfalls bereits erwärmt.
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Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, daß ein
Transportmittel, z. B. ein Saugband oder ein elektrostatisches Transportband,
zum Transport des Substrates von dem Ort der Vorerwärmung zum
Ort der Fixierung des Toners auf eine konstante Temperatur von vorzugsweise
etwa 40°C temperiert
wird.
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Zur Energieersparnis bzw. für einen
hohen Wirkungsgrad können
eine Abwärme
oder Energieabfälle im
weitesten Sinne für
die Vorerwärmung
genutzt oder mitgenutzt werden. Zum Beispiel kann Abwärme oder ein
Energieabfall von einem Magnetron, einem Zirkulator oder von einer
Wasserlast genutzt werden. Damit kann beispielsweise Spülluft erwärmt werden.
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An ein Magnetron können Abstände überbrückende bzw.
vermeidende Wellenleiter hin zum Applikator verwendet werden. Gegen
Leckstrahlung im Bereich des Applikators kann an Materialspalten
eine sogenannte Choke-Struktur mit lippenartigen Vorsprüngen vorgesehen
sein. Auch kann absorbierendes Material an der Außenseite
des Applikators verwendet werden.
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Für
eine Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem Substrat, umfassend
eine Fixiereinrichtung (Fuser), vorzugsweise mit einer, den Toner
kontaktierenden, erwärmbaren
Fixierwalze, um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glasübergangstemperatur
zu erhitzen, vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
die sich erfindungsgemäß auszeichnet
durch eine Vorheizeinrichtung zur berührungslosen Vorerwärmung des
Toners auf eine Temperatur kleiner oder gleich seiner Glassübergangstemperatur,
wird selbständiger
Schutz beansprucht. Die sich dadurch ergebenden Vorteile sind sinngemäß bereits
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschildert worden.
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Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Mikrowellenquelle umfassen, an welche die Vorheizeinrichtung
für eine
Vorwärmung
durch Mikrowellenanwendung angeschlossen ist. Dabei kann die Vorheizeinrichtung
vorzugsweise wenigstens einen Mikrowellenresonator zur Erzeugung
stehender Mikrowellen umfassen. Es können insbesondere mehrere Resonatoren
mit horizontal verlaufenden Mikrowellen in Substrattransportrichtung
hintereinander und jeweils um einen Bruchteil einer Mikrowellenlänge querversetzt
zueinander angeordnet sein, um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung über die
Breite des Substrates zu erzielen. Es können aber beispielsweise auch
Resonatoren, zum Beispiel zueinander gestaffelt, angeordnet sein,
die lotrecht durch das Substrat verlaufende Mikrowellen ausbilden.
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Eine prinzipielle Ausbildung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann beispielsweise auf eine Kombination einer Vorheizeinrichtung
und eine Fixiereinrichtung konzipiert sein, bei der wenigstens ein
Transportmittel das Substrat in die Vorheizeinrichtung transportiert
und von der Vorheizeinrichtung in die Fixiereinrichiung transportiert
, wonach eine Abkühlungsstrecke
für das
Toner tragende Substrat folgt, um eine Abkühlung des Toners wieder unter
seine Glasübergangstemperatur
zu erreichen. Dabei können
alle bekannten Arten von ein oder mehreren Mikrowellenapplikatoren
zur Erzeugung resonanter oder nicht-resonanter Mikrowellen für die Vorerwärmung verwendet
werden.
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Die Vorrichtung kann leicht zu öffnen, beispielsweise
klammerartig, ausgebildet sein, um im Falle eines Substratstaus
den Substratweg für
eine Beseitigung dieses Staus zugänglich zu machen.
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Für
eine resonante Mikrowellenerzeugung wird üblicherweise ein kontaktierender
oder nicht-kontaktierender Tauchkolben (plunger) zur Abstimmung
des Mikrowellenapplikators verwendet. Bei eine genauen Bestimmung
der Applikatorgeometrie ist ein solcher plunger oder ein tuner nicht
notwendig. Der plunger kann durch eine definiert plazierte Endwand
ersetzt werden und der tuner kann durch fixe Metallstummel und/oder durch
Blöcke
aus Polytetrafluoräthylen
in einem Wellenleiter zur Einstellung der Länge des Wellenleiters zwischen
der Mikrowellenquelle und der Apertur ersetzt werden. Die Apertur,
welche die Resonzkammer definiert, kann eine beliebige Form, insbesondere
eine rechtwinkelige oder sphärische
bzw. gebogene Form haben.
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Im Falle insbesondere der Verwendung
eines TE10N-Resonators kann die Wellenlänge im Resonator, das heißt der Abstand
der Maxima, durch die Weite des Resonators senkrecht zur Ebene des
Substrates optimiert werden. Bei einer Weite von beispw. 94 mm beträgt der Abstand
der Maxima 84 mm. Daher kann bei einer Überlappung von zwei Applikatoren
eine absolute Toleranz der Substrattemperatur von 6°C (±3°C, entsprechend ±5%) erreicht
werden. Bei einer Weite von beispw. 109 mm beträgt der Abstand der Maxima nur
73 mm, was zu einer Toleranz von 4°C (±2°C, entsprechend ±3%) führt.
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Die Höhe eines Resonators in Substrattransportrichtung
wird optimiert, um eine hohe elektrische Feldstärke zu erreichen, ohne Entladungen
im Applikator. Daher werden gute Resultate erzielt mit Höhen von
beispw. 54 mm, 34 mm, 24 mm und 20 mm. Die kleineren Werte werden
für eine
höhere
elektrische Feldstärke bevorzugt.
Eine höhere
elektrische Feldstärke
erhöht
die Effizienz des Mikrowellensystemsfür Substrate mit niedrigeren
Verlusten, wie zum Beispiel Papier.
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Die Frequenzanpassung eines resonanten
Applikators ist größenabhängig in
Längsrichtung.
Nach einer längeren
Betriebsdauer kann das Heizen des Applikators durch Wandverluste,
bedingt durch Oberflächenströme an der
inneren Oberfläche
des Applikators, induziert durch Mikrowellenstrahlung im Applikator,
zu einer Abstimmungsveränderung
(detuning) des resonanten Applikators führen. Zur Vermeidung dessen
wird vorgeschlagen, die frequenzbestimmenden Teile des resonanten
Applikators (Apertur und plunger) temperaturunabhängig, eventuell
temperaturstabilisiert, zueinander zu positionieren, wobei der Applikator
selbst beweglich gelagert ist, so daß die inneren Dimensionen des
resonanten Applikators sich nicht während eines kontinuierlichen
Betriebes ändern.
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Ausführungs- und Anwendungsbeispiele,
aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf
die die Erfindung in ihrem Umfang aber nicht beschränkt ist,
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Zusammenhang mit
den Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
experimentellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Kombination aus einer Vorheizeinrichtung
und einer Fixiereinrichtung,
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2 eine
erste Temperaturverteilung bei einer ersten Anwendung eines Aufbaues
gemäß 1 und
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3 eine
zweite Temperaturverteilung bei einer zweiten Anwendung eines Aufbaues
gemäß 1.
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1 zeigt
einen prinzipiellen, experimentellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Sie weist eine Vorheizeinrichtung auf, die zwei Resonatoren 1 und 2 umfaßt und der
ein vorzuerwärmendes
Substrat auf einem Transportband 3 in Transportrichtung 4 zugeführt wird.
Das Transportband 3 könnte
das Substrat mit Vakuum oder elektrostatisch fixieren.
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Die Resonatoren 1, 2 sind
TE10N-Resonatoren, die quer zur Transportrichtung 4 ausgerichtet
sind und in Transportrichtung hintereinander angeordnet sind, und
zwar in einer Weise und in einem Maße zueinander querversetzt,
daß die
Maxima der Mikrowelle des ersten Resonators 1 genau auf
Lücke zu
den Maxima der Mikrowelle des nachfolgenden Resonators 2 positioniert
sind. Die Temperatur, die mit den Resonatoren 1, 2 möglichst
gleichmäßig über die
Breite des Substrates dem Toner tragenden Substrat erteilt wird,
kann in der experimentellen Anordnung der 1 beim Austritt aus den Resonatoren mit
einem Linienpyrometer 5 gemessen werden. Ist die Vorrichtung
in zufriedenstellender Weise ausgemessen und eingestellt, kann im
Prinzip dieselbe Vorrichtung wie in 1,
unter Fortlassung des Pyrometers 5, auch als Einbau in
eine elektrophotographische Druckmaschine genommen werden.
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Von den Resonatoren 1, 2 hin
zu der Fixiereinrichtung wird das vorerwärmte Substrat mittels eines zweiten
Transportbandes 6 transportiert. Mit diesem Transportband 6 kann
das Substrat auch weiterhin temperiert werden.
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Die Fixiereinrichtung umfaßt im wesentlichen
eine im Querschnitt dargestellte Fixierwalze 7, die mittels einer
innerlichen Wärmequelle 12,
zum Beispiel einer Strahlungsquelle, erwärmt wird, und zwar auf eine
Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur
des Toners auf dem Substrat. Im Bereich dieser Fixiereinrichtung
ist einmal schematisch ein Toner tragendes, bogenförmiges Substrat 9 angedeutet,
das nach der Fixierung in Richtung des Pfeiles 10 einer
Kühlung
zugeführt
wird.
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Die Fixierwalze 7 wird aus
einem schematisch angedeuteten Ölreservoir 11 mit
einem Silikonöl
als Trennmittel zur Vermeidung einer Anhaftung von Toner an der
Fixierwalze 7 versorgt. Als Widerlager für die das
Substrat 9 auch mit Druck beaufschlagende Fixierwalze 7 dient
eine Gegendruckrolle 8.
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2 zeigt
den Verlauf der von den Resonatoren 1, 2 im Substrat
erzeugten Temperatur, und zwar einmal in gestrichelter Linie, wenn
nur der Resonator 2 eingeschaltet ist, einmal in durchgezogener
Linie, wenn nur der Resonator 1 eingeschaltet ist, wobei
dessen Maxima der stehenden Mikrowelle zu den Maxima der Mikrowelle
des Resonators 2 genau auf Lücke bzw. um eine halbe Wellenlänge der
in 2 (und 3) dargestellten Wellenlänge der
stehenden Welle, die dem Energieeintrag entspricht und nur halb
so groß ist
wie die Wellenlänge
der ursprünglich
eingespeisten freien Mikrowelle, phasenverschoben angeordnet sind,
und einmal in durchgezogener Linie als Umhüllende bei beiden eingeschalteten
Resonatoren 1 + 2. Die Umhüllende
ergibt im Substrat eine über
die auf der Abszisse aufgetragene Breite des Substrates nahezu gleichmäßige Temperatur
von etwa 75°C ± 3°C. Die Temperaturen
wurden mit dem Linienpyrometer 5 gemäß 1 gemessen. Dabei wurde als Substrat
ein Papier mit einem spezifischen Flächengewicht von 220 g/m2, bei einer Substratvortriebsgeschwindigkeit
von 50 cm/s, bei einer Mikrowellenleistung von 2 kW pro Resonator
und bei einer Pixelgröße von 3,1
mm verwendet.
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In 3 ist
ein zweiter Temperaturverlauf entsprechend 2 aufgetragen, jedoch diesmal mit Mikrowellenmaxima,
die einen etwas kleineren Abstand zueinander aufweisen als in der
Darstellung der 2, was, wie
weiter oben erwähnt,
mittels der gewählten
Weite des Resonators eingestellt bzw. vorgegeben werden kann. Durch
die kleineren Maximaabstände
in 3 ist der Temperaturverlauf über die
Substratbreite erkennbar noch gleichmäßiger als im Falle der 2.
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Die Entlastung der Fixiereinrichtung
mittels einer erfindungsgemäßen Vorerwärmung soll
im Nachfolgenden noch einmal anhand von Tabellen verdeutlicht werden.
Insbesondere ist den Tabellen entnehmbar, daß eine höhere Vorerwärmung des Papieres als Substrat
eine Verkürzung
der Zeitdauer des Fixiervorganges ergibt und daher eine Vergrößerung der
Papiertransportgeschwindigkeit erlaubt, wodurch auch insgesamt ohne
Probleme bei der Fixierung eine höhere Druckgeschwindigkeit mit
einer Druckmaschine erzielt werden kann.
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Dabei wird im Beispiel 1 der Tabelle
1 ein Papier mit einem spezifischen Flächengewicht von 80 g/m
2 und im zweiten Beispiel in Tabelle 2 ein
Papier mit einem spezifischen Flächengewicht
von 300 g/m
2 verwendet. Beispiel
1 (Tabelle 1):
Beispiel
2 (Tabelle 2):
