DE10353112A1 - Printing head e.g. for an ink jet printer, has a storage reservoir tank for a printing substance liquefied by heating and then cooled after application and a nozzle for directing the substance - Google Patents

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Abstract

A printing substance (PS) (2) is impinged with a pressure burden in a storage reservoir tank (SRT) (1) linked to an injector plate (IP) (3) with a nozzle (4), near which the IP is held during operation at a temperature level below the melting point of the PS. On the IP's side opposite the SRT near the nozzle there is a heating element (5) to transfer heat energy to the nozzle when activated. Independent claims are also included for the following: (A) A Braille symbol printer with a printing head; (B) and for a device for generating a three-dimensional shape according to a rapid prototype method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf mit einem Vorratstank für eine Drucksubstanz, die durch Erwärmung verflüssigt und nach dem Aufbringen auf ein Trägermaterial dort abgekühlt und dabei wieder fest wird, und mit mindestens einer Düse, durch welche die verflüssigte Drucksubstanz in Richtung zum Trägermaterial abgegeben wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen Braille-Zeichen-Drucker, welcher einen solchen Druckkopf verwendet.The The present invention relates to a printhead having a storage tank for one Printing substance caused by heating liquefied and after application to a substrate cooled there and thereby again becomes firm, and with at least one nozzle, by which liquefied Printing substance in the direction of the carrier material is delivered. Furthermore The invention relates to a braille-character printer, which has a used such a printhead.

Die Verwendung von Flüssigkeiten oder zumindest zeitweise verflüssigten Substanzen zum Drucken von Grafiken oder Texten ist beispielsweise von den sogenannten Tintenstrahldruckern bekannt. Diese arbeiten nach dem sogenannten „drop on demand" Prinzip, bei welchem mikroskopisch kleine Tröpfchen in einer Druckkammer erzeugt werden und zur Erzeugung des Druckbildes gezielt auf das Trägermaterial, beispielsweise Papier, geschleudert werden. Zur Erzeugung der Tröpfchen werden entweder piezoelektrische Pumpelemente eingesetzt oder das „bubble-jet" Prinzip wird genutzt, bei welchem es durch schockartige Erhitzung der Drucksubstanz zu einer begrenzten Verdampfung kommt, die eine ein Tintentröpfchen herausschleudernde Druckwelle verursacht.The Use of liquids or at least temporarily liquefied Substances for printing graphics or texts, for example, from the so-called inkjet printers known. These work after the so-called "drop on demand "principle, in which microscopic droplets in a pressure chamber be generated and for generating the print image targeted to the Support material for example, paper, to be spun. To generate the droplets either piezoelectric pumping elements used or the "bubble-jet" principle is used, in which it by shock-like heating of the printing substance to a limited evaporation comes, the one ejecting a droplet of ink Pressure wave caused.

Diese bekannten Prinzipien können jedoch nicht erfolgreich eingesetzt werden, wenn Substanzen mit einem Schmelzpunkt zwischen etwa 80° Celsius und 140° Celsius, insbesondere Wachse gedruckt werden sollen. Ein erheblicher Bedarf zum Drucken mit solchen Drucksubstanzen besteht, wenn auf dem Trägermaterial erhabene Druckbilder erzeugt werden sollen.These known principles can however, not be used successfully when using substances with a melting point between about 80 ° Celsius and 140 ° Celsius, especially waxes are to be printed. A considerable need for printing with such printing substances, when on the substrate raised print images are to be generated.

Ein konkretes Anwendungsgebiet für solche Druckbilder, die sich merklich vom Trägermaterial abheben, ist beim Druck von Braille-Zeichen gegeben, um für Blinde lesbare Texte drucken zu können. Es sind aber auch andere Anwendungsgebiete denkbar, beispielsweise wenn grafischen Oberflächen auch spezielle haptische Eigenschaften gegeben werden sollen.One concrete application area for such print images, which stand out noticeably from the carrier material, is in Pressure given by braille characters to print for blind readable texts to be able to. But there are also other applications conceivable, for example if graphic surfaces also special haptic properties should be given.

Um Wachs als Drucksubstanz in einem Tintenstrahldrucker zu verwenden, müsste das Wachs bis oberhalb seines Schmelzpunktes erwärmt werden. Die dabei auftretenden Temperaturen lassen den Einsatz piezoelektrischer Pumpelemente nicht mehr zu, da die Piezoelemente sehr schnell überhitzen könnten. Wenn andererseits das „bubble-jet" Prinzip eingesetzt werden soll, wäre eine kurzzeitige erhebliche Erhitzung des Wachses erforderlich, um die benötigte Druckwelle zu erzeugen. Bei derart hohen Temperaturen wird die Oberflächenspannung der verflüssigten Drucksubstanz jedoch so stark reduziert, dass im Wesentlichen kugelförmige Tröpfchen kaum noch geformt werden können. Dies führt dann zu einer schlechten Druckqualität. Außerdem entstehen weitere Probleme auf Grund der hohen Betriebstemperaturen, die bei Anwendung des „bubble-jet" Prinzips und Wachs als Drucksubstanz erforderlich wären.Around To use wax as a printing substance in an ink jet printer, should the wax is heated to above its melting point. The occurring Temperatures no longer allow the use of piezoelectric pumping elements too, because the piezo elements could overheat very quickly. On the other hand, if the "bubble jet" principle used should be a brief considerable heating of the wax required, around the needed To generate pressure wave. At such high temperatures, the surface tension of the liquefied However, printing substance reduced so much that substantially spherical droplets hardly can still be shaped. This then leads to a bad print quality. In addition, arise further problems due to the high operating temperatures at Application of the "bubble-jet" principle and wax would be required as a printing substance.

Braille-Drucker wurden auf Grund dieser bestehenden Probleme bislang üblicherweise unter Anwendung mechanischer Techniken zur Ausprägung von Braille-Zeichen realisiert. Ein Beispiel für einen derartigen Drucker ist in der EP 0 956 199 B1 gezeigt.Braille printers have heretofore typically been implemented using mechanical techniques for embodying Braille characters due to these existing problems. An example of such a printer is in EP 0 956 199 B1 shown.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen neuartigen Druckkopf bereit zu stellen, welcher Drucksubstanzen mit einem Schmelzpunkt zwischen 80°C und 200°C verarbeiten kann, unter gleichzeitiger Vermeidung der oben genannten Probleme der bisher bekannten Tintenstrahldrucktechniken. Weiterhin besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Drucker zum Drucken von Braille-Zeichen zu schaffen.The Object of the present invention is thus to provide a novel Printhead to provide which printing substances with a melting point between 80 ° C and 200 ° C can handle, while avoiding the above Problems of the hitherto known inkjet printing techniques. Farther It is an object of the present invention to provide an improved To create printers for printing braille characters.

Diese Aufgabe wird durch einen Druckkopf gelöst, bei welchem die Drucksubstanz im Vorratstank mit einem Überdruck beaufschlagt wird, wobei der Vorratstank an eine Düsenplatte angeschlossen ist, in welcher die Düse angeordnet ist. Diese Düsenplatte wird während des Betriebs zumindest im Bereich der Düse auf einem Temperaturniveau deutlich unterhalb des Schmelzpunktes der Drucksubstanz gehalten. Die Drucksubstanz wird demzufolge in der Düse fest, so dass die „eingefrorene" Substanz die Düse verschließt. Weiterhin zeichnet sich der erfindungsgemäße Druckkopf dadurch aus, dass auf der nicht zum Vorratstank gerichteten Seite der Düsenplatte zumindest im Bereich der Düse wenigstens ein Heizelement angeordnet ist, mit welchem in kurzer Zeit ausreichende Wärmeenergie an die Düse abgegeben werden kann, um die darin verfestigte Drucksubstanz zu verflüssigen und deren Austreten aus der Düse zu ermöglichen.These The object is achieved by a print head in which the printing substance in the storage tank with an overpressure is applied, wherein the storage tank to a nozzle plate is connected, in which the nozzle is arranged. This nozzle plate is during operating at least in the region of the nozzle at a temperature level kept well below the melting point of the printing substance. The printing substance thus becomes stuck in the nozzle so that the "frozen" substance seals the nozzle the printing head according to the invention is characterized characterized in that on the non-storage tank side the nozzle plate at least in the area of the nozzle at least one heating element is arranged, with which in short Time sufficient heat energy delivered to the nozzle can be used to liquefy the pressure substance solidified therein and their exit from the nozzle to enable.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Druckkopfes besteht darin, dass die verwendete Drucksubstanz, beispielsweise Wachs, während des gesamten Druckvorgangs nur wenig über ihren Schmelzpunkt erwärmt werden muss. Außerdem werden keine empfindlichen Pumpelemente im Düsenbereich benötigt, so dass die Betriebssicherheit gewährleistet ist. Durch die Düsenplatte, deren Temperaturniveau unterhalb des Schmelzpunktes liegt, wird sichergestellt, dass die Drucksubstanz in den Düsen „einfriert" und diese automatisch verschließt. Durch kurzzeitiges Einbringen zusätzlicher Wärmeenergie im Düsenbereich wird die Drucksubstanz verflüssigt, so dass sie im flüssigen Zustand auf das Trägermaterial aufgebracht werden kann.A major advantage of this printhead is that the printing substance used, such as wax, must be heated only slightly above its melting point during the entire printing process. In addition, no sensitive pumping elements are needed in the nozzle area, so that the reliability is guaranteed. The nozzle plate, whose temperature level is below the melting point, ensures that the printing substance in the nozzles "freezes" and this automatically closes. By briefly introducing additional heat energy in the nozzle area, the printing substance is liquefied, so that it can be applied to the carrier material in the liquid state.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Düsenplatte aus einem thermisch gut leitenden Material besteht, welches gleichzeitig gut mikrostrukturierbar ist. Insbesondere eignet sich einkristallines Silizium als Ausgangsmaterial für die Düsenplatte. Durch Mikrostrukturierungsvorgänge können zahlreiche Düsen in der Düsenplatte eingebracht werden. Außerdem bereitet es keine Schwierigkeiten, elektrische Heizelemente im Düsenbereich anzuordnen.It is particularly advantageous if the nozzle plate from a thermal good conductive material, which at the same time well microstructured is. In particular, monocrystalline silicon is suitable as starting material for the Nozzle plate. Through microstructuring processes can numerous nozzles in the nozzle plate be introduced. Furthermore There is no problem, electrical heating elements in the nozzle area to arrange.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird zwischen dem Vorratstank, welcher die erwärmte und verflüssigte Drucksubstanz enthält, und der Düsenplatte eine thermisch trennende Isolationsschicht angeordnet. Der Wärmeeintrag von der verflüssigten Drucksubstanz in die Düsenplatte wird auf. diese Weise stark reduziert, so dass das niedrigere Temperaturniveau der Düsenplatte aufrecht erhalten werden kann.at a preferred embodiment is between the storage tank, which is the heated and liquefied printing substance contains and the nozzle plate arranged a thermally isolating insulating layer. The heat input from the liquefied printing substance in the nozzle plate will be on. greatly reduced this way, so that the lower temperature level the nozzle plate can be maintained.

Wenn beispielsweise auf Grund geringer Baugrößen eine ausreichende thermische Entkopplung zwischen Vorratstank und Düsenplatte nicht möglich ist und/oder eine passive Kühlung der Düsenplatte zur Aufrechterhaltung des niedrigen Temperaturniveaus nicht ausreicht, wird die Düsenplatte vorzugsweise mit einem Kühlelement ausgerüstet, welches der Düsenplatte Wärmeenergie entzieht. Das Kühlelement kann beispielsweise als mikrostrukturiertes Kanalsystem aufgebaut sein, welches unmittelbar in die Düsenplatte integriert ist. In dem Kanalsystem wird ein Wärmeträgermedium zur Abfuhr der Wärme geführt. Bei abgewandelten Ausführungsformen können Peltierelemente oder auch passive Kühlkörper zur Wärmeabfuhr eingesetzt werden.If for example, due to small sizes sufficient thermal Decoupling between storage tank and nozzle plate is not possible and / or passive cooling the nozzle plate insufficient to maintain the low temperature level, the nozzle plate is preferably with a cooling element equipped, which the nozzle plate Thermal energy withdraws. The cooling element can be constructed, for example, as a microstructured channel system be, which is integrated directly into the nozzle plate. In The channel system is a heat transfer medium to dissipate the heat guided. In modified embodiments can Peltier elements or passive heat sinks are used for heat dissipation.

Es ist vorteilhaft, wenn die in der Düsenplatte angeordneten Düsen durch einfache Öffnungen gebildet sind. Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn Durchgangslöcher mit elliptischem Querschnitt zum Einsatz kommen, da auf diese Weise die Zeit bis zu einer vollständigen Verfestigung der Drucksubstanz im Querschnitt der Düse reduziert werden kann.It is advantageous if the nozzles arranged in the nozzle plate through simple openings are formed. It is particularly useful if through holes with elliptical cross section are used since in this way the time to complete Solidification of the printing substance reduced in the cross section of the nozzle can be.

Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Druckkopfes kann ein Drucker zum Drucken von Braille-Zeichen ohne Weiteres aufgebaut werden. Die Braille-Zeichen werden durch Wachspunkte gebildet, die jeweils aus einer Vielzahl von aus dem Druckkopf geschleuderten Wachströpfchen zusammengesetzt werden.Under Application of the printhead according to the invention A printer for printing Braille characters can be easily set up become. The Braille signs are formed by wax points that each of a plurality of ejected from the printhead droplets of wax be assembled.

Weiterhin kann der beschriebene Druckkopf vorteilhaft beim so genannten Rapid-Prototyping eingesetzt werden. Dabei werden dreidimensionale Formen erzeugt, indem einzelne Schichten aus Polymeren oder anderen geeigneten Materialien nacheinander aufgebracht werden, wodurch die Form schichtweise „wächst". Mit dem erfindungsgemäßen Druckkopf kann man solche Schichten drucken.Farther can the print head described advantageous in the so-called rapid prototyping be used. This creates three-dimensional shapes, by making individual layers of polymers or other suitable materials be applied in succession, whereby the form "grows" in layers with the printhead according to the invention you can print such layers.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further Advantages, details and developments of the present invention result from the following description of preferred embodiments, with reference to the drawing. Show it:

1 eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Druckkopfes in einer seitlichen Schnittansicht; 1 a schematic representation of a first embodiment of a print head in a side sectional view;

2 eine Detaildarstellung einer zweiten Ausführungsform des Druckkopfes in einer prinzipiellen seitlichen Schnittansicht; 2 a detailed view of a second embodiment of the print head in a schematic side sectional view;

3 eine Detaildarstellung einer abgewandelten Düsenplatte des Druckkopfes in einer Längsschnittansicht; 3 a detailed view of a modified nozzle plate of the print head in a longitudinal sectional view;

4 zwei mögliche Querschnittsformen von Düsen mit darin eingezeichnetem Verfestigungszustand einer Drucksubstanz nach unterschiedlichen Kühlzeiten. 4 Two possible cross-sectional shapes of nozzles with marked therein solidification state of a printing substance after different cooling times.

In 1 ist eine prinzipielle Darstellung eines erfindungsgemäßen Druckkopfes in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt. Neben den üblichen Bestandteilen eines Druckkopfes, wie mechanischen und elektrischen Anschlusselementen, Gehäuse usw. umfasst der erfindungsgemäße Druckkopf einen Vorratstank 1, in welchem eine Drucksubstanz 2 aufbewahrt wird. Mit geeigneten Heizmitteln (nicht dargestellt) wird die Drucksubstanz 2 im Vorratstank soweit erwärmt, dass sie in den flüssigen Aggregatzustand übergeht.In 1 is a schematic representation of a printhead according to the invention shown in a side sectional view. In addition to the usual components of a print head, such as mechanical and electrical connection elements, housing, etc., the print head according to the invention comprises a storage tank 1 in which a printing substance 2 is kept. With suitable heating means (not shown), the printing substance 2 warmed in the storage tank so far that it merges into the liquid state of aggregation.

Vorzugsweise wird Wachs oder dergleichen als Drucksubstanz verwendet. Es können aber auch andere geeignete Materialien, wie z.B. Polymere eingesetzt werden, welche sich durch Erwärmung verflüssigen lassen und bei Umgebungstemperatur schnell wieder abkühlen und verhärten. Die Drucksubstanz sollte eine Schmelztemperatur im Bereich zwischen 80°C und 200°C besitzen, vorzugsweise nicht oberhalb von 140°C. Die erforderlichen Heizmittel sind unter Berücksichtigung der ausgewählten Drucksubstanz und des Volumens des Vorratstanks 1 zu dimensionieren.Preferably, wax or the like is used as the printing substance. However, it is also possible to use other suitable materials, such as polymers, which can be liquefied by heating and quickly cool and harden again at ambient temperature. The printing substance should have a melting temperature in the range between 80 ° C and 200 ° C, preferably not above 140 ° C. The required heating means are taking into account the selected pressure substance and the volume of the storage tank 1 to dimension.

Der Druckkopf umfasst weiterhin eine Düsenplatte 3, welche den Vorratstank zur Druckseite hin abschließt bzw. in einer Weise an diesen angekoppelt ist, dass die verflüssigte Drucksubstanz zur Düsenplatte geleitet werden kann. In der Düsenplatte 3 sind mehrere Düsen 4 angeordnet, über welche verflüssigte Drucksubstanz austreten kann. In an sich bekannter Weise müssen die Düsen 4 in der Nähe eines Trägermaterials (nicht gezeigt) positioniert werden, um die Drucksubstanz auf die gewünschten Stellen des Trägermaterials aufzubringen. Da die Positionierungsmechanik und die erforderliche Steuerung dem Fachmann bekannt sind, wird an dieser Stelle auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet.The printhead further includes a nozzle plate 3 , which the storage tank to the pressure side towards or in such a way is coupled to the fact that the liquefied printing substance can be passed to the nozzle plate. In the nozzle plate 3 are several nozzles 4 arranged over which liquefied printing substance can escape. In known manner, the nozzles must 4 in the vicinity of a support material (not shown) to apply the printing substance to the desired locations of the support material. Since the positioning mechanism and the necessary control are known in the art, a detailed description will be omitted here.

Die Düsenplatte 3 muss zur Realisierung der vorliegenden Erfindung auf geeignete Weise auf einem Temperaturniveau gehalten werden, welches zumindest im Bereich der einzelnen Düsen 4 unterhalb der Schmelztemperatur der Drucksubstanz liegt. Die Drucksubstanz, die vom Vorratstank 1 in die Düsen 4 eindringt, wird dadurch innerhalb der Düse abgekühlt und verfestigt sich beginnend von der Düsenwand bis die verfestigte Drucksubstanz die Düse 4 vollständig verschließt. Dies ist natürlich nur möglich, wenn der Querschnitt der Düsen 4 und die Dicke der Düsenplatte 3 so aufeinander abgestimmt sind, dass der in die Düsen eintretenden flüssigen Drucksubstanz ausreichend Wärme entzogen werden kann, um zumindest am Düsenausgang einen vollständigen Verschluss der Düse durch verfestigte Drucksubstanz zu erzielen. Abweichend von herkömmlichen Flüssigkeitsdruckern wird also eine bewusste „Verstopfung" der einzelnen Druckdüsen angestrebt.The nozzle plate 3 In order to implement the present invention, it must be suitably maintained at a temperature level which is at least in the region of the individual nozzles 4 is below the melting temperature of the printing substance. The pressure substance coming from the storage tank 1 in the nozzles 4 is thereby cooled within the nozzle and solidifies, starting from the nozzle wall to the solidified pressure substance the nozzle 4 completely closes. Of course, this is only possible if the cross section of the nozzles 4 and the thickness of the nozzle plate 3 are matched to one another such that sufficient heat can be withdrawn from the liquid printing substance entering the nozzles in order to achieve complete closure of the nozzle by solidified printing substance at least at the nozzle outlet. Deviating from conventional liquid printers, therefore, a deliberate "blockage" of the individual pressure nozzles is sought.

Um zu einem gewünschten Zeitpunkt eine vorbestimmte Menge an flüssiger Drucksubstanz aus der Düse 4 austreten zu lassen, sind an der Düsenplatte in unmittelbarer Nähe der einzelnen Düsen 4 Heizelemente 5 angeordnet, bei deren Aktivierung Wärmeenergie in die Düse bzw. in die darin verfestigte Drucksubstanz eingeleitet wird. Die Heizelemente 5 können auf der Oberfläche der dem Vorratstank abgewandten Seite der Düsenplatte 3 angeordnet sein oder gegebenenfalls in die entsprechenden Oberflächenschichten integriert werden. Es eignen sich insbesondere elektrische Heizelemente, beispielsweise Dünnschichtwiderstände, die auf der Oberfläche der Düsenplatte 3 ausgebildet sind. Um die von den Heizelementen 5 bereitgestellte Wärmeenergie mit einer möglichst geringen Zeitverzögerung an die in der jeweiligen Düse 4 enthaltene Drucksubstanz weiterzuleiten, muss die Düsenplatte 3 aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen. Da die Abstände zwischen den einzelnen Düsen 4 normalerweise sehr klein gehalten werden müssen, bieten sich zur Herstellung der Düsenplatte 3 wiederum Mikrostrukturierungsverfahren an. Das Material der Düsenplatte sollte somit auch gut mikrostrukturierbar sein. Diese beiden erforderlichen Eigenschaften werden beispielsweise von einkristallinem Silizium bereitgestellt.At a desired time, a predetermined amount of liquid printing substance from the nozzle 4 To exit, are on the nozzle plate in the immediate vicinity of the individual nozzles 4 heating elements 5 When activated, thermal energy is introduced into the nozzle or into the pressure substance solidified therein. The heating elements 5 can on the surface of the storage tank side facing away from the nozzle plate 3 be arranged or optionally integrated into the corresponding surface layers. In particular, electrical heating elements, for example thin-film resistors, which are located on the surface of the nozzle plate are suitable 3 are formed. To those of the heating elements 5 Provided heat energy with the least possible time delay to those in the respective nozzle 4 forward the pressure substance contained, must the nozzle plate 3 consist of a good heat conducting material. Because the distances between the individual nozzles 4 usually have to be kept very small, are suitable for the production of the nozzle plate 3 turn to microstructuring. The material of the nozzle plate should therefore also be well microstructured. These two required properties are provided, for example, by single-crystal silicon.

Damit die verflüssigte Drucksubstanz bei aktiviertem Heizelement aus der Düse austreten kann, wird im Vorratstank ein Überdruck erzeugt. Dies lässt sich durch geeignete Erhitzung der Drucksubstanz im Vorratstank oder durch den zusätzlichen Einsatz von Überdruckerzeugern realisieren. Beispielsweise kann Druckluft in den Vorratstank eingepresst werden, um die Drucksubstanz mit ausreichendem Druck zu beaufschlagen. Ebenso ist es denkbar, auf mechanische Weise den gewünschten Druck auszuüben, z.B. durch eine belastete Druckplatte, die das für die Drucksubstanz zur Verfügung stehende Volumen permanent minimiert.In order to the liquefied one If the heating element is activated, discharge the pressure substance from the nozzle can, in the storage tank is an overpressure generated. This is possible by suitable heating of the printing substance in the storage tank or through the additional Use of overpressure generators realize. For example, compressed air can be pressed into the storage tank be used to pressurize the printing substance with sufficient pressure. Likewise, it is conceivable in a mechanical way the desired To exert pressure, e.g. by a loaded printing plate, which is the one available for the printing substance Volume permanently minimized.

Sobald ein aktiviertes Heizelement 5 wieder abgeschaltet wird, kühlt die zugeordnete Düse und die darin enthaltene Drucksubstanz wieder ab, so dass die Düse durch die sich verfestigende Drucksubstanz wieder verschlossen wird. Wenn weitere Drucksubstanz aus der selben Düse abgegeben werden soll, muss das Heizelement erneut aktiviert werden.Once an activated heating element 5 is switched off again cools the associated nozzle and the printing substance contained therein again, so that the nozzle is closed by the solidifying printing substance again. If additional printing substance is to be dispensed from the same nozzle, the heating element must be reactivated.

2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Druckkopfes in einer seitlichen Schnittansicht. Die wesentliche Änderung gegenüber der zuvor beschriebenen Ausführungsform besteht darin, dass zwischen dem Vorratstank 1 und der Düsenplatte 3 eine Wärmeisolationsschicht 6 angeordnet ist. Die Düsenplatte 3 wird auf diese Weise weitgehend vom Vorratstank und der darin enthaltenen, erwärmten Drucksubstanz thermisch entkoppelt. Die von der erwärmten Drucksubstanz an die Düsenplatte abgegebene Wärme kann dadurch klein gehalten werden, so dass sich die Düsenplatte nicht zu stark erwärmt und das Temperaturniveau auch über einen langen Zeitraum deutlich unterhalb des Schmelzpunktes der Drucksubstanz gehalten werden kann. 2 shows a modified embodiment of the print head in a side sectional view. The essential change compared to the previously described embodiment is that between the storage tank 1 and the nozzle plate 3 a thermal insulation layer 6 is arranged. The nozzle plate 3 is largely decoupled in this way from the storage tank and the heated pressure substance contained therein. The heat emitted by the heated printing substance to the nozzle plate heat can be kept small, so that the nozzle plate is not heated too much and the temperature level can be maintained well below the melting point of the printing substance over a long period.

3 zeigt eine weitere Abwandlung der Düsenplatte 3 in einer vereinfachten seitlichen Schnittansicht. Diese Ausführungsform ist zweckmäßig, wenn beispielsweise auf Grund der angestrebten kleinen Bauform keine ausreichende thermische Trennung zwischen dem Vorratstank und der Düsenplatte möglich ist. Zur verbesserten Wärmeabfuhr aus der Düsenplatte 3 ist ein Kühlkanalsystem 7 in die Düsenplatte integriert, in welchem ein Wärmeträgermedium geführt wird. Das Kühlkanalsystem 7 kann die gesamte Düsenplatte 3 im Wesentlichen gleichmäßig durchdringen oder auf die Bereiche in unmittelbarer Nachbarschaft der einzelnen Düsen 4 konzentriert werden. Bei besonders hohen Anforderungen ist es auch denkbar, dass jeder Düse ein eigenständig ansteuerbares Kühlsystem zugeordnet wird, auf welches die Kühlleistung konzentriert wird, sobald das jeweilige Heizelement 5 deaktiviert wurde und ein schneller Verschluss der Düse gewünscht ist. Natürlich kommen bei abgewandelten Ausführungsformen auch andere Kühlelemente in Frage, beispielsweise Peltierelemente oder Kühlkörper, die mit der Düsenplatte 3 verbunden werden. 3 shows a further modification of the nozzle plate 3 in a simplified side sectional view. This embodiment is expedient if, for example, due to the desired small design no sufficient thermal separation between the storage tank and the nozzle plate is possible. For improved heat dissipation from the nozzle plate 3 is a cooling duct system 7 integrated into the nozzle plate, in which a heat transfer medium is guided. The cooling duct system 7 can the entire nozzle plate 3 penetrate substantially evenly or on the areas in the immediate vicinity of the individual nozzles 4 be concentrated. For particularly high requirements, it is also conceivable that each nozzle is assigned a independently controllable cooling system to which the cooling capacity is concentrated as soon as the respective heating element 5 has been deactivated and a quick closure of the nozzle is desired. Of course, come in modified embodiments, other cooling elements in question, such as Peltier elements or heatsink, with the nozzle plate 3 get connected.

Das in 3 beispielhaft gezeigte Kühlkanalsystem 7 kann bei der Verwendung von Silizium wiederum durch Mikrostrukturierungsschritte erzeugt werden.This in 3 Cooling channel system shown by way of example 7 can in turn be generated by microstructuring steps when using silicon.

Um einerseits die erforderlichen Strukturen in die Düsenplatte einzubringen und andererseits keine zu großen Wärmekapazitäten zu erhalten, welche eine unerwünschte Trägheit bei der Ansteuerung der einzelnen Düsen zur Folge hätte, soll die Düsenplatte vorzugsweise eine Dicke zwischen 100 μm und 600 μm aufweisen. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Düsenplatte ist einerseits sichergestellt, dass die von den Heizelementen 5 bereitgestellte Wärme zu einem schnellen Aufschmelzen der Substanz in der ausgewählten Düse führt. Andererseits wird die Wärme allseits gleichmäßig abgeleitet, so dass nicht die Gefahr besteht, dass benachbarte Düsen ebenfalls aufschmelzen.On the one hand to introduce the necessary structures in the nozzle plate and on the other hand not to obtain too large heat capacities, which would result in an undesirable inertia in the control of the individual nozzles, the nozzle plate should preferably have a thickness between 100 microns and 600 microns. Due to the high thermal conductivity of the nozzle plate on the one hand ensures that the of the heating elements 5 provided heat leads to a rapid melting of the substance in the selected nozzle. On the other hand, the heat is dissipated uniformly on all sides, so that there is no risk that adjacent nozzles also melt.

In 4 sind zwei mögliche Querschnittsformen der Düse 4 gezeigt. Einerseits ist eine kreisrunde Düse möglich (linke Darstellung). Besondere Vorteile ergeben sich aber bei der Verwendung einer Düse mit elliptischem Querschnitt (rechte Darstellung). In beiden Darstellungen sind durch gestrichelte Linien zwei aufeinanderfolgende Verfestigungszustände der in der Düse liegenden Drucksubstanz angegeben, welche den verfestigten Querschnitt der Drucksubstanz nach Ablauf unter schiedlicher Zeiten t1 und t2 verdeutlichen. Bei einer gezielten Erwärmung der Düse 4 durch das ihr zugeordnete Heizelement wird die Drucksubstanz im gesamten Düsenquerschnitt verflüssigt. Nach Deaktivierung des Heizelements soll die Düse möglichst schnell wieder durch verfestigte Drucksubstanz verschlossen werden. Nach Ablauf einer vorbestimmten Abkühlzeit t1 ist ein vom Düsenrand beginnender Bereich verfestigt, der sich bis zur ersten Verfestigungszustandslinie 8 erstreckt. Bei einem kreisrunden Düsenquerschnitt erfolgt die Verfestigung im Wesentlichen konzentrisch. Bei der dargestellten elliptischen Querschnittsform liegt allerdings ein geringerer Abstand zwischen Längsachse und Düsenwand vor, gegenüber dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt und der Düsenwand bei der kreisrunden Düse. Dies führt bei weiterer Abkühlung dazu, dass nach dem Ablauf der Kühlzeit t2 bei der kreisrunden Düse ein zweiter Verfestigungszustand 9 erreicht ist, der die Düse noch nicht vollständig verschließt. Demgegenüber führt nach der selben Zeit t2 der zweite Verfestigungszustand 9 bereits zu einem vollständigen Verschluss der Düse mit elliptischen Querschnitt.In 4 are two possible cross-sectional shapes of the nozzle 4 shown. On the one hand, a circular nozzle is possible (left illustration). Special advantages arise when using a nozzle with an elliptical cross-section (right-hand illustration). In both representations, two successive solidification states of the printing substance lying in the nozzle are indicated by dashed lines, which illustrate the solidified cross section of the printing substance after expiration at different times t 1 and t 2 . With a targeted heating of the nozzle 4 by the associated heating element, the printing substance is liquefied in the entire nozzle cross-section. After deactivation of the heating element, the nozzle should be closed again as quickly as possible by solidified pressure substance. After a predetermined cooling time t 1 , a region beginning at the nozzle edge is solidified, extending to the first solidifying state line 8th extends. In the case of a circular nozzle cross-section, solidification takes place essentially concentrically. In the illustrated elliptical cross-sectional shape, however, there is a smaller distance between the longitudinal axis and the nozzle wall, compared to the distance between the center and the nozzle wall in the circular nozzle. This leads to further cooling to the fact that after the expiry of the cooling time t 2 in the circular nozzle a second solidification state 9 is achieved, which does not completely close the nozzle yet. In contrast, after the same time t 2, the second solidification state results 9 already to a complete closure of the nozzle with elliptical cross-section.

Prinzipiell können die Düsenformen an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Es hat sich gezeigt, dass ein Düsenquerschnitt im Bereich von 2 × 10–9 bis 1 × 10–8 m2 zu guten Resultaten führt. Der Öffnungsdurchmesser der Düsen kann im Bereich zwischen 30 μm und 60 μm liegen.In principle, the nozzle shapes can be adapted to the particular application. It has been found that a nozzle cross section in the range of 2 × 10 -9 to 1 × 10 -8 m 2 leads to good results. The opening diameter of the nozzles can be in the range between 30 .mu.m and 60 .mu.m.

Es ist darauf hinzuweisen, dass der beschriebene Druckkopf besonders vorteilhaft in einem Drucker für die Erzeugung von Braille-Zeichen eingesetzt werden kann. Außerdem ist es denkbar, dass mit diesem Druckkopf neuartige Drucker ausgerüstet werden, die gezielt Darstellungen mit wechselnden Topografien erzeugen können. Auf diese Weise können grafischen Darstel lungen beispielsweise zusätzliche haptische Eigenschaften hinzugefügt werden.It It should be noted that the printhead described in particular advantageous in a printer for the generation of Braille characters can be used. Besides that is it is conceivable that with this printhead novel printers are equipped, which can produce targeted representations with changing topographies. On this way you can graphical representations, for example, additional haptic properties added become.

Der Druckkopf kann bei einer abgewandelten Ausführungsform auch mehrere unabhängig voneinander zu betreibende Vorratstanks aufweisen, in denen beispielsweise farblich unterschiedliche Drucksubstanzen bevorratet werden. Für den Fachmann ist es auch ohne Weiteres ersichtlich, dass die Anordnung mehrerer Düsen in der Düsenplatte an den jeweiligen Einsatzfall angepasst werden kann. Die Düsen können linear aneinander gereiht sein oder matrixförmig positioniert werden, um beispielsweise gleichzeitig mehrere Punkte eines Braille-Zeichens zu erzeugen.Of the Printhead can in a modified embodiment, several independent of each other have to be operated storage tanks in which, for example, color stockpiled different pressure substances. For the expert It is also readily apparent that the arrangement of several Nozzles in the nozzle plate can be adapted to the particular application. The nozzles can be linear be strung together or positioned in a matrix to for example, several points of a Braille character simultaneously to create.

11
Vorratstankstorage tank
22
Drucksubstanzprinting substance
33
Düsenplattenozzle plate
44
Düsejet
55
Heizelementheating element
66
WärmeisolationsschichtThermal insulation layer
77
KühlkanalsystemCooling duct system
88th
erster Verfestigungszustandfirst solidification state
99
zweiter Verfestigungszustandsecond solidification state

Claims (15)

Druckkopf mit einem Vorratstank (1) für eine Drucksubstanz (2), die durch Erwärmung verflüssigt und nach dem Aufbringen auf ein Trägermaterial dort abkühlt und dabei wieder fest wird, und mit mindestens einer Düse (4), durch welche die verflüssigte Drucksubstanz in Richtung zum Trägermaterial abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksubstanz im Vorratstank (1) mit einem Überdruck beaufschlagt wird, dass der Vorratstank (1) an eine Düsenplatte (3) angeschlossen ist, in welcher die Düse (4) angeordnet ist und die während des Betriebs zumindest im Bereich der Düse (4) auf einem Temperaturniveau unterhalb des Schmelzpunktes der Drucksubstanz (2) gehalten wird, so dass die Drucksubstanz in der Düse (4) fest wird und diese verschließt, und dass auf der dem Vorratstank (1) abgewandten Seite der Düsenplatte (3) im Bereich der Düse (4) wenigstens ein Heizelement (5) angeordnet ist, welches bei Aktivierung Wärmeenergie an die Düse (4) abgibt, um die darin verfestigte Drucksubstanz (2) zu verflüssigen, so dass diese aus der Düse (4) austreten kann.Printhead with a storage tank ( 1 ) for a printing substance ( 2 ), which is liquefied by heating and, after application to a carrier material there, cools and becomes solid again, and with at least one nozzle ( 4 ), through which the liquefied printing substance is delivered in the direction of the carrier material, characterized in that the printing substance in the storage tank ( 1 ) is subjected to an overpressure that the storage tank ( 1 ) to a nozzle plate ( 3 ) is connected, in which the nozzle ( 4 ) is arranged and during operation at least in the region of the nozzle ( 4 ) at a temperature level below the melting point of the printing substance ( 2 ), so that the printing substance in the nozzle ( 4 ) and closes it, and that on the storage tank ( 1 ) facing away from the nozzle plate ( 3 ) around Jet ( 4 ) at least one heating element ( 5 ), which upon activation heat energy to the nozzle ( 4 ) to the pressure substance solidified therein ( 2 ) to liquefy, so that these from the nozzle ( 4 ) can escape. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenplatte (3) aus einem thermisch gut leitenden und gut mikrostrukturierbaren Material besteht.Printhead according to claim 1, characterized in that the nozzle plate ( 3 ) consists of a thermally highly conductive and easily microstructured material. Druckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenplatte (3) aus Silizium besteht und dass das Heizelement (5) durch elektrisch versorgte Dünnschichtwiderstände gebildet ist.Printhead according to claim 2, characterized in that the nozzle plate ( 3 ) consists of silicon and that the heating element ( 5 ) is formed by electrically powered thin film resistors. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Düsenplatte (3) und dem Vorratstank (1) eine Wärmeisolationsschicht (6) angeordnet ist.Printhead according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the nozzle plate ( 3 ) and the storage tank ( 1 ) a heat insulation layer ( 6 ) is arranged. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an die Düsenplatte (3) ein Kühlelement (7) angekoppelt ist, welches der Düsenplatte (3) Wärmeenergie entzieht.Printhead according to one of claims 1 to 4, characterized in that to the nozzle plate ( 3 ) a cooling element ( 7 ), which of the nozzle plate ( 3 ) Extracts heat energy. Druckkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement durch ein in die Düsenplatte (3) integriertes Kanalsystem (7) gebildet ist, in welchem ein Wärmeträgermedium geführt wird.Printhead according to claim 5, characterized in that the cooling element by a in the nozzle plate ( 3 ) integrated channel system ( 7 ) is formed, in which a heat transfer medium is guided. Druckkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement mindestens ein Peltierelement ist.Printhead according to Claim 5, characterized that the cooling element is at least one Peltier element. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (4) durch ein Durchgangsloch mit elliptischem Querschnitt in der Düsenplatte (3) gebildet ist.Printhead according to one of claims 1 to 7, characterized in that the nozzle ( 4 ) through a through hole having an elliptical cross section in the nozzle plate (FIG. 3 ) is formed. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck im Vorratstank (1) durch Einleitung eines unter Druck stehenden Gases oder durch Verringerung des Volumens des Vorratstanks erzeugt wird, wobei der Überdruck ausreichend hoch ist, um die Drucksubstanz (2) bei erwärmter Düse (4) tröpfchenförmig aus dieser herauszupressen und auf das Trägermaterial zu schleudern.Printhead according to one of claims 1 to 8, characterized in that the overpressure in the storage tank ( 1 ) is generated by introducing a pressurized gas or by reducing the volume of the storage tank, wherein the overpressure is sufficiently high to the pressure substance ( 2 ) with heated nozzle ( 4 ) to extrude droplet-shaped out of this and to spin on the carrier material. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Düsen (4) mit jeweils getrennt ansteuerbaren zugeordneten Heizelementen (5) in der Düsenplatte (3) angeordnet sind.Printhead according to one of claims 1 to 9, characterized in that a plurality of nozzles ( 4 ) each having separately controllable associated heating elements ( 5 ) in the nozzle plate ( 3 ) are arranged. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Vorratstanks (1) mit jeweils zugeordneten Düsen (4) und Heizelementen (5) umfasst.Printhead according to one of Claims 1 to 10, characterized in that it has a plurality of storage tanks ( 1 ) with associated nozzles ( 4 ) and heating elements ( 5 ). Druckkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Vorratstanks (1) eine gemeinsame Düsenplatte (3) besitzen.Printhead according to claim 11, characterized in that the plurality of storage tanks ( 1 ) a common nozzle plate ( 3 ). Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Drucksubstanz (2) ein Material mit einer Schmelztemperatur zwischen 80°C und 140°C, insbesondere Wachs verwendet wird.Printhead according to one of claims 1 to 12, characterized in that as printing substance ( 2 ) a material having a melting temperature between 80 ° C and 140 ° C, in particular wax is used. Braille-Zeichen-Drucker, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 13 besitzt.Braille character printer, characterized that it has a print head according to one of claims 1 to 13. Vorrichtung zur Erzeugung einer dreidimensionalen Form nach dem Rapid-Prototyp-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass sie für die Erzeugung der dreidimensionalen Form einen Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 13 einsetzt.Device for generating a three-dimensional Mold according to the rapid prototype method, characterized that they are for the generation of the three-dimensional shape of a print head after a the claims 1 to 13.
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