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Die Erfindung betrifft einen Tintenbehälter mit
einem Tintenspeicher aus thermoplastischem Fasermaterial, insbesondere
eine Patrone für
einen Tintenstrahldrucker, ein Verfahren zur Herstellung des Tintenbehälters sowie
dessen Verwendung für
den Tintenstrahldruck.
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Tintenbehälter, wie Tintenpatronen für Tintenstrahlschreibgeräte oder
Tintenstrahldrucker, enthalten häufig
Tintenabsorptionsmittel zur kapillarischen Speicherung der Tinte.
Die Tintenabsorptionsmittel dienen dazu, im Tintenbehälter durch
Kapillarkräfte
einen der Entnahme von Tinte entgegenstehenden Unterdruck zu erzeugen
und die Tinte bei einer Beschleunigung des Tintenbehälters mechanisch zu
dämpfen.
Mit solchen Tintenabsorptionsmitteln versehene Tintenbehälter ermöglichen
dadurch auch eine mitfahrenden Anordnung von Tintenpatronen auf
einem Druckerwagen sowie eine zuverlässige Versorgung des Druckkopfes
mit Tinte. Zudem verhindert der durch die Kapillarkräfte erzeugte
Unterdruck ein Auslaufen der Tinte aus dem Tintendruckkopf.
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Als Tintenabsorptionsmittel werden
häufig Schwammmaterialien
aus Polyurethan oder Melamin eingesetzt. Aus diesen Materialien
hergestellte Tintenspeicher weisen jedoch verschiedene Nachteile auf.
So nimmt Polyurethanschaum wässerige
Tinte nur schlecht an, was eine aufwendige Vakuumbefüllung notwendig
macht. Melaminschaum ist in dieser Hinsicht besser geeignet, jedoch
besteht hier das Problem der Hydrolysebeständigkeit. Außerdem ist die
Struktur von Melaminschaum sehr spröde, wodurch Partikel erzeugt
werden, die in den Düsenstrukturen
des Druckkopfes Probleme bereiten.
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Auch die mechanischen Eigenschaften
eines Materials sind für
die Verwendbarkeit als Tintenspeicher entscheidend. So spielt beispielsweise
die Gleitfähigkeit
eine Rolle, wenn der Tintenspeicher in das Plastikgehäuse der
Tintenpatrone eingesetzt wird. Damit der Tintenspeicher seine Funktion
erfüllen kann,
ist es nämlich
notwendig, dass der Tinten speicher die Tintenkammer des Behälters im
wesentlichen vollständig
und gleichmäßig ausfüllt und
keine Falten oder umgebogenen Ecken aufweist. Derartige Montagefehler
können
zu unerwünschten
Tinteneinschlüssen
oder Luftkanälen
führen
und dadurch die Tintenergiebigkeit der Tintenpatronen sowie die Druckqualität negativ
beeinflussen.
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Um solche Montagefehler, deren primäre Ursache
ein großer
Reibungskoeffizient zwischen dem Tintenspeicher und der Tintenbehälterwandung
beim Einbringen in die Tintenkammer ist, zu vermeiden. sind aufwendige
Montagevorrichtungen und/oder komplizierte Verfahrensschritte erforderlich.
Erschwert wird die Montage des Tintenspeichers im übrigen auch
durch die häufig
komplexen Tintenbehältergeometrien,
die sich nach den konstruktiven Vorgaben des Druckers richten und
denen die Geometrie des Tintenspeichers angepasst werden muss.
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Auch die mechanische Formstabilität des Tintenspeichermaterials
ist wichtig, da davon die Automatisierbarkeit des Montageprozesses
beeinflusst wird. Ein weiches Material, das eine schlechte Formstabilität aufweist.
lässt sich
nur unter Aufwendung erheblicher Kosten für spezielle Montagevorrichtungen
automatisiert verarbeiten.
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Der bisher als Material für Tintenspeicher häufig eingesetzte
Polyurethanschwamm weist darüber
hinaus den Nachteil auf, dass, aufgrund von Schwamminhomogenitäten (Porengrösse, Benetzungseigenschaften),
die in einem Vakuumfüllprozeß aufgenommene
Tinte aus einzelnen Schwammbereichen nicht mehr entnommen werden
kann, wodurch die Ergiebigkeit des Tintenspeichers ebenfalls sinkt. Darüber hinaus
wirkt sich eine inhomogene Porengrössenverteilung im Tintenspeichermaterial
negativ auf den Tintenfluß zum
Druckkopf aus. Dies führt
dazu, dass der spezifische Flusswiderstand, den das Material dem
Durchfluss der Tintenflüssigkeit
entgegengesetzt, innerhalb einer Produktionsserie ebenfalls Schwankungen
unterworfen ist. Eine genaue Reproduzierbarkeit des spezifischen
Flusswiderstandes des Tintenspeichermaterials ist jedoch zum Erzeugen
hochwertiger Tintenstrahldrucke notwendig, da nur so die jeweils
optimale Menge an Tinte aus dem Tintenspeicher zu dem Druckkopf
gelangt.
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Eine Alternative zu den oben genannten Schwammmaterialien
könnte
in der Verwendung von Formkörpern
aus Fasermaterialien bestehen. Solche Formkörper aus Fasermaterialien,
wie sie beispielsweise in der
US
3 313 665 beschrieben sind, werden unter anderem zur Herstellung
von Dochten verwendet. Versuche, solche Formkörper aus Fasermaterialien als
Tintenspeicher einzusetzen. haben jedoch ergeben, dass bei Formkörpern mit
den für
dieses Material typischen relativ niedrigen Dichten von bis zu etwa
0,15 g/cm
3 die von dem Material ausgeübte Kapillarkraft
zu gering ist. Dies kann zu einer unkontrollierten Abgabe der Tinte,
insbesondere auch zu einem Auslaufen der Tinte aus Druckerpatronen,
führen.
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Prinzipiell lassen sich solche Formkörper aus
thermoplastischen Fasermaterial zwar auch mit höheren Dichten herstellen, an
solchen Materialien bestand jedoch bisher kein Bedarf. Bei ersten
Versuchen mit solchen Fasermaterialien hoher Dichte hat sich dann
gezeigt, dass der spezifische Flusswiderstand, den das Material
dem Durchfluss der Tinte entgegensetzt, stark ansteigt. Dies macht
die Materialien in Bezug auf die Verwendung als Tintenspeicher wenig
geeignet. Darüber
hinaus wurde bei Versuchen gefunden, dass sich die Fasermaterialien
hoher Dichte in Bezug auf den Flusswiderstand, den diese dem Durchfluss
der Tinte entgegensetzen, stark anisotrop verhalten. Dies bedeutet,
dass der spezifische Flusswiderstand in Abhängigkeit von der Richtung des
Tintenflusses durch das Fasermaterial variiert. Diese Eigenschaft
ist bei Verwendung der Materialien als Tintenspeicher in der Regel
nachteilig, da es zu einer Abhängigkeit
des spezifischen Flusswiderstandes von der Orientierung, mit dem
das Fasermaterial als Tintenspeicher eingesetzt ist, führt.
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Vor dem Hintergrund des oben beschriebenen
Standes der Technik lag der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, einen Tintenbehälter
bereitzustellen, in dem ein Tintenspeicher eingesetzt ist, der die
oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll der
in den Tintenbehälter
eingesetzte Tintenspeicher mechanisch stabil sein, gute Gleiteigenschaften
gegenüber
dem Kunststoffgehäuse
aufweisen sowie sich durch eine ausreichende Kapillarität, einen
geeigneten spezifischen Flusswiderstand, ein gutes Aufnahmevermögen für wässerige
Tinte, eine möglichst
vollständige
Abgabe der Tinte und ein chemisch inertes Verhalten gegenüber wässeriger
Tinte auszeichnen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen
Tintenbehälter
gelöst,
der mindestens eine Tintenkammer umfasst, in welcher mindestens
ein Tintenspeicher eingesetzt ist, der aus thermoplastischem Fasermaterial
gebildet ist. wobei der Tintenspeicher eine mittlere Dichte von
etwa 0,155 bis 0,300 g/cm3 aufweist und
an einer oder mehrerer seiner Oberflächen nach außen gerichtete
Faserenden aufweist.
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Im Verlauf von Arbeiten, die sich
mit der Verwendbarkeit von Formkörpern
aus Fasermaterial als Tintenspeichermedium befassten, wurde durch
elektronenmikroskopische Untersuchungen überraschend gefunden, dass
diese Materialien, bedingt durch das Herstellungsverfahren, eine
Art "Haut" auf ihrer Oberfläche bilden.
Diese Haut besteht aus einer großen Anzahl von Faserschleifen,
die sich auf der Oberfläche
des Materials befinden und die zu einer starken Erhöhung des
spezifischen Flusswiderstandes führen,
der dem Tintenfluss durch eine solche Oberfläche entgegengesetzt wird. Die
Ausbildung dieser Haut tritt offensichtlich bei den Fasermaterialien
ungewöhnlich
hoher Dichten, wie sie für
die Zwekke der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, in besonders
hohem Umfang auf. Nur bei diesen hohen Dichten ist jedoch die Rückhaltekraft
des Materials groß genug,
dass es als Tintenspeichermedium in Tintenbehältern in Betracht gezogen werden
können.
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1 zeigt
eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines
nicht nachbearbeiteten Fasermaterials aus Nylonfasern („bonded
nylon fibres" von
Filtrona mit einer Dichte von 0,180 g/cm3). Es
ist deutlich zu erkennen, dass eine große Anzahl von Fasernschleifen
auf der Oberfläche
auftreten und dadurch die oben genannte Haut auf der Oberfläche gebildet
wird.
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2 zeigt
das gleiche Material in elektronenmikroskopischer Aufnahme, wobei
das Innere des Materials nach dem Herstellungsprozess durch Abschneiden
der Oberfläche
freigelegt wurde. Hier ist deutlich zu erkennen, dass das Material
nach außen
gerichtete Faserenden aufweist.
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Unter Oberfläche des Materials soll für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich des Materials verstanden
werden, der sich von der äußersten
Begrenzung des Materials bis etwa 1 mm in das Innere des Materials
erstreckt.
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Es hat sich somit überraschend
gezeigt, dass durch eine Nachbearbeitung von Fasermaterialien hoher
Dichte ein Tintenspeichermedium erhalten werden kann, das einerseits
die gewünschten
Tintenspeichereigenschaften, insbesondere in Bezug auf ausreichende
Kapillarität
und damit verbunden hohe Rückhaltekraft
für die
Tinte sowie die gewünschten mechanischen
Eigenschaften aufweist und andererseits den Nachteil eines zu hohen
spezifischen Flusswiderstandes beim Durchfluss von Tintenflüssigkeit durch
das Speichermaterial überwindet.
Unter dem spezifischen Flusswiderstand soll im Sinne der Erfindung
der Flusswiderstand bezogen auf die durchflossene Strecke verstanden
werden.
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3 zeigt
ein Druckdiagramm, in dem der Unterdruck aufgetragen ist, den ein
Fasermaterial aus Nylonfasern („bonded nylon fibres" von Filtrona mit
einer Dichte von 0,180 g/cm3) dem Durchfluss
einer wässrigen
Tinte entgegensetzt. Die Stufenform der Graphen resultiert daraus,
dass mit einem wechselnden Volumenstrom gearbeitet wurde. Der in
Fettdruck ausgeführte
obere Graph zeigt dabei den Druckverlauf für ein nicht nachbearbeitetes
Fasermaterial während
der nicht in Fettdruck ausgeführte
untere Graph den Druckverlauf für
ein durch Abschneiden der Oberflächen
nachbearbeitetes Fasermaterial zeigt. Die Stufenhöhe ΔX ist dabei
ein relatives Mass für
den Flusswiderstand, den das Material dem Durchfluss der Tintenflüssigkeit
entgegensetzt. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass das nachbearbeitete
Material einen niedrigeren Flusswiderstand aufweist, als das nicht
nachbearbeitete Material.
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Die Nachbearbeitung des Fasermaterials kann
durch verschiedene Prozesse erfolgen. Beispielsweise kann das Fasermaterial
nach dem eigentlichen Herstellungsprozess durch mechanische Bearbeitung,
wie durch Stanzen, Schneiden und/oder Schleifen, so nachbearbeitet
werden, dass es an einer, an mehreren oder an allen seiner Teiloberflächen nach
außen
gerichtete Faserenden aufweist.
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Es hat sich gezeigt, dass Oberflächen des Fasermaterials,
die nach außen
gerichtete Faserenden aufweisen, dem Durchfluss von Tinte einen
niedrigeren Flusswiderstand entgegensetzen, als Oberflächen mit
nach außen
weisenden Faserschleifen, die zwangsläufig aus dem Herstellungsprozess
der Fasermaterialien resultieren. Besonders vorteilhaft ist es da her,
wenn diejenigen Oberflächen
des Tintenspeichers, die bei bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht parallel
oder im Mittel normal zur Flußrichtung
der Tinte liegen, nach außen
gerichtete Fasern aufweisen. Bei den Oberflächen des Tintenspeichers, die
bei bestimmungsgemäßen Gebrauch
parallel zur Flußrichtung
der Tinte liegen, ist das Vorliegen der speziellen Oberflächenbeschaffenheit,
die in nach außen
gerichteten Faserenden besteht, unter Umständen weniger bedeutsam. da
diese Oberflächen
nicht von Tinte durchflossen werden. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
weisen jedoch alle Oberflächen
des Tintenspeichers nach außen
gerichtete Faserenden auf.
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Vorzugsweise handelt es sich bei
dem thermoplastischen Fasermaterial um ein Material, das aus Polyamidfasern
gebildet ist. Besonders gute Ergebnisse werden bei Einsatz eines
thermoplastischen Fasermaterials erzielt, das aus Nylonfasern hergestellt
ist, welche unmittelbar nach der Extrusion in einem Stauchprozeß gefaltet
werden und somit im Mittel. parallel ausgerichtet sind.
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Es lassen sich auch thermoplastische
Fasermaterialien einsetzen, die durch eine überwiegend heterogene Ausrichtung
der Fasern zueinander gekennzeichnet sind. Bei solchen Fasermaterialien herrscht
keine vorherrschende parallele Orientierung der Fasern zueinander,
vielmehr liegen die Fasern in Form eines weitgehend ungeordneten
dreidimensionalen Fasergewirrs vor, was zu guter dimensionaler Stabilität und vorteilhaften
mechanischen Eigenschaften führt.
Die Eigenschaften des Fasermaterials können im Sinne der vorliegenden
Erfindung dadurch weiter verbessert werden, dass Fasermaterial eingesetzt
wird, bei dem die thermoplastischen Fasern untereinander an ihren
Berührungspunkten
zumindest teilweise gebunden sind. Diese Bindung der Fasern untereinander
kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass die Fasern durch
eine thermische Einwirkung an ihren Berührungspunkten zusammengeschmolzen
und somit aneinander gebunden werden. Die thermische Behandlung
kann beispielsweise schon während
des Herstellungsprozesses des Fasermaterials und vor dessen Nachbearbeitung
im Sinne der vorliegenden Erfindung erfolgen.
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Die erfindungsgemäß eingesetzten Tintenspeicher
werden aus einem thermoplastischen Fasermaterial gebildet, das eine
mittlere Dichte von etwa 0,155 bis 0,300 g/cm3 aufweist.
Es hat sich gezeigt, dass Fasermaterialien mit einer Dichte von
unter etwa 0,15 g/cm3 eine für viele
Tintenbehälterformen
zu geringe Rückhaltekraft
bei Verwendung von wässerigen
Tinten aufweisen. Bei solchen Materialien ist die Kapillarität zu gering,
um ein gutes Druckergebnis zu erzielen. Darüber hinaus besteht die Gefahr
eines Auslaufens der Tinte aus einer Druckerpatrone. Andererseits
ist bei Fasermaterialien einer mittleren Dichte von größer als
etwa 0,300 g/cm3 die Aufnahmefähigkeit
des Materials für
Tinte zu gering, um als Tintenspeichermedium Verwendung zu finden.
Darüber
hinaus führen
Dichten oberhalb von 0,300 g/cm3 zu Fasermaterialien
mit veränderten
mechanischen Eigenschaften, die zu einer Verschlechterung der Eignung
der Fasermaterialien als Tintenspeicher führen.
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Als besonders vorteilhaft hat sich
eine mittlere Dichte des Materials von etwa 0,155 g/cm3 bis 0,250
g/cm3, insbesondere 0,160 g/cm3 bis
0,200 g/cm3, erwiesen. Eine Dichte von 0,180
g/cm3 führte zu
besonders guten Ergebnissen.
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Durch die beschriebene Nachbearbeitung des
Fasermaterials kann ferner erreicht werden, dass das Material in
Bezug auf den spezifischen Flusswiderstand, das dem Durchfluss einer
Flüssigkeit
entgegengesetzt wird, isotrop ist. Dies bedeutet, dass der spezifische
Flusswiderstand unabhängig
ist von der Richtung, mit der die Flüssigkeit das Material durchfließt.
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Die Herstellung des thermoplastischen
Fasermaterials erfolgt typischerweise in einem kontinuierlichen
Prozeß.
Beispielsweise werden nach dem in der bereits erwähnten
US 3 313 665 beschrieben Verfahren
in einem ersten Schritt Fasern oder Filamente mit konstantem Vorschub
in eine einseitig geschlossene Kammer gedrückt. Dort werden diese zuerst
mit Druckluft gleichmäßig verteilt.
Die Verteilung der Fasern kann gerichtet oder wirr sein. Der nächste Teil
der Kammer ist so aufgebaut, dass die zweidimensionale Querschnittsform
des Tintenspeichermaterials durch eine graduelle konische Verengung
erreicht wird. Damit diese Form stabilisiert werden kann, wird Dampf
eingespritzt, mit dessen Einwirkung die einzelnen Fasern zusammengeklebt
(bonded) werden. Damit wird die dreidimensionale Form stabilisiert.
Am Ende der Kammer ist eine Abzugsvorrichtung, die mit der Vorschubeinrichtung
gekoppelt ist. Durch die Einstellung der Geschwindigkeitsdifferenz
dieser beiden Einrichtungen kann der Staudruck in der Kammer gesteuert
werden.
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Die Dichte des Tintenspeichermaterials
wird mit dem Staudruck und der eingangs erwähnten Druckluft eingestellt.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner
ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenbehälters. der durch die oben genannten
Eigenschaften charakterisiert ist. Das Verfahren umfasst dabei mindestens
die Schritte des Bereitstellens eines Behälters mit mindestens einer
Tintenkammer sowie mindestens eines Tintenspeichers aus thermoplastischem
Fasermaterial. der an mindestens einer seiner Oberflächen so behandelt
wird, dass die ursprüngliche
Außenfläche abgetragen
wird, und des Einführens
eines oder mehrerer Tintenspeicher in die Tintenkammer(n) des Behälters.
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Durch Verwendung der oben beschriebenen Fasermaterialien
als Tintenspeicher ergibt sich der weitere Vorteil, dass bedingt
durch die guten mechanischen Eigenschaften der Fasermaterialien
im Sinne der Erfindung die Automatisierbarkeit des Montageprozesses
erleichtert wird und die Herstellkosten für den Tintenbehälter sinken.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
wird als Tintenspeicher ein thermoplastisches Material verwendet,
bei dem an den Oberflächen,
die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch
nicht parallel oder im Mittel normal zur Flussrichtung der Tinte
liegen, die ursprüngliche
Außenfläche abgetragen
wird. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn ein thermoplastisches
Material verwendet wird, bei dem an allen Oberflächen die ursprüngliche
Außenflächen abgetragen
werden.
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Das Abtragen der ursprünglichen
Außenflächen der
Tintenspeicher kann prinzipiell nach allen geeigneten Verfahren
erfolgen. Besonders bevorzugt ist dabei das Abtragen durch Schneiden,
Stanzen und/oder Schleifen. Dabei werden in der Regel besonders
gute Ergebnisse erzielt, wenn das Abtragen der ursprünglichen
Oberfläche
bis zu einer Tiefe von mindestens etwa 1 mm erfolgt. In besonderen
Fällen kann
jedoch auch ein Abtragen bis zu einer Tiefe von weniger als 1 mm
gewählt
werden, da dadurch eine Steuerung der Flusswiderstandes, den die
behandelte Fläche
dem Durchfluss von Tinte entgegensetzt, möglich wird.
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Durch die erfindungsgemäße Behandlung des
Materials aus thermoplastischen Fasern wird, wie bereits ausgeführt, eine
Verringerung des spezifischen Flusswiderstandes erreicht, den das
Material dem Durchfluss einer Tintenflüssigkeit entgegensetzt. Diese
Verringerung des Flusswiderstandes macht die Materialien zur Verwendung
als Tintenspeicher überhaupt
erst geeignet. In einigen besonderen Fällen kann es jedoch auch vorteilhaft
sein, eine Oberfläche
des Materials, die zunächst
durch Abtragen der ursprünglichen
Außenfläche behandelt wurde,
anschließend
einer thermischen Behandlung zu unterziehen, die zu einer definierten
Erhöhung
des Flusswiderstandes führt.
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Vorzugsweise erfolgte das Verfahren
so, dass ein Tintenspeicher eingesetzt wird, dessen Form und Größe im wesentlichen
der Form und Größe der jeweiligen
Tintenkammer entspricht, in die der Tintenspeicher eingesetzt wird.
In anderen Fällen kann
es jedoch auch vorteilhaft sein, einen Tintenspeicher einzusetzen,
dessen Form und Größe von der
Form und Größe des Innenraums
der jeweiligen Tintenkammer abweicht, in die der Tintenspeicher eingesetzt
wird.
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Vorzugsweise wird das Verfahren zur
Herstellung des Tintenbehälters
so durchgeführt,
dass die Tintenkammer nach Einführung
des Tintenspeichers mit Tinte befüllt und anschließend verschlossen
wird.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung
besteht in der Verwendung des Tintenbehälters für den Tintenstrahldruck, insbesondere
in Form einer Druckerpatrone.
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Die erfindungsgemäßen Tintenbehälter weisen
gegenüber
den im Stand der Technik bekannten Tintebehältern den Vorteil auf, dass
sie neben chemischer Inertheit des Tintenspeichers gegenüber den gängigen Tintenflüssigkeiten,
die zu einer langen Lagerfähigkeit
der Tintenbehälter
führt,
die Eigenschaft einer hohen Aufnahmefähigkeit für Tinte mit der einer guten
Rückhaltekraft
für die
Tinte, die ein Auslaufen verhindert, sowie guten und gleichmäßigen Fließeigenschaften
der Tinte innerhalb des Faserspeichers kombinieren. Der Einsatz
der thermoplastischen Fasermaterialien als Tintenspeicher führt darüber hinaus
zu wirtschaftlichen Vorteilen. Durch diese Kombination von Eigenschaften
wird ein Tintenbehälter, insbesondere
in Form einer Druckerpatrone, bereitgestellt, der in der Ausgewogenheit
seiner Eigenschaften bisherigen Tintenbehältern überlegen ist.