DE1772898A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Fixierung von Tonern - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Fixierung von Tonern

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und der dazugehörigen Vorrichtung zur Fixierung von Tonern auf einer Oberfläche ohne Verwendung von Wärme, jedoch unter Einwirkung von Druck, der durch zwei Rollen übertragen wird, von denen die eine etwas elastisch und die andere verhältnismäßig unelastisch ist. Durch Verwendung der Anordnung mit einer elastischen oder federnden Rolle läßt sich anscheinend ein im wesentlichen gleichmäßiger Druck auf die mit dem Farbstoff, genannt Toner, versehene Fläche aufbringen, um dadurch über die ganze Fläche eine einheitliche

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl-Wirfsth.-Ing. Axel Hunsmnnn, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

f MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 - Telefom 281202 Telearamm-Adri»*. lipciü/Ma.Khi;. Bo/er. Vereintbank Münthen, Zweiflst. Oikar-voivMill«r Rinfl, Xfo-Nr. 882495 · PojtictiBik-Knnto: Mü/.^ai Nr. UH)7

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Fixierwirkung sicherzustellen.

Das Verfahren zur Kopierung von Zeichen mit Hilfe der Erzeugung eines elektrostatischen Bildes auf einer Oberfläche eines Untergrundmaterials ist "bereits weit entwickelt worden. - Für dieses Verfahren gibt es zwei typische Verfahrenswege. In beiden Fällen wird eine photoleitfähige Oberfläche elektrisch aufgeladen und dann einem Licht- und Schattenmuster des Bildes ausgesetzt. Die elektrostatische Aufladung, die auf die photoleitfähige Oberfläche aufgebracht worden ist, wird von den dem Licht ausgesetzten Stellen entfernt, und zwar unter Zurücklassung eines latenten elektrostatischen Bildes, das sich entwickeln läßt. Die Entwicklung geschieht dadurch, daß das elektrostatische Bild einem Farbpulver ausgesetzt wird, das in diesem Zusammenhang gewöhnlich mit "Toner" bezeichnet wird und so geartet ist, daß es von den elektrostatischen Bildbereichen angezogen wird. Bei der ersten der oben genannten beiden Verfahrensweisen wird dann der Toner auf der photoleitfähigen Oberfläche fixiert, so daß er dauerhaft auf der Oberfläche hängen bleibt. Bei der zweiten Verfahrensweise wird das auf der photoleitfähigen Schicht geformte Tonerbild zunächst auf einen anderen Untergrund, beispielsweise ein Blatt gewöhnliches Papier , übertragen und darauf auf diesem anderen Untergrund fixiert.

Der Toner ist normalerweise eine Mischung aus thermoplaatiachöm Harz, Kuß oder einem anderen Pigment und einer kleinen Menge Farbe.¹. Die genaue Zusammensetzung hängt von dem speziellen

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Zweck ab, dem sie dient.

Das Fixieren oder Anhaften des Toners wird normalerweise dadurch erreicht, daß die thermoplastische Harzkomponente des Toners durch Wärme geschmolzen wird. Dies geschieht gewöhnlich dadurch, daß das Bild solange der Wärme ausgesetzt wird, Ms die Tonerteilchen etwas angeschmolzen sind, so daß sie aneinander und an dem Papier oder dem Untergrund haften bleiben. Bei einigen Fixierverfahren wird auch Druck zur Fixierung der Teilchen verwendet, der von zwei Rollen mit harter Oberfläche erzeugt wird. Bei einem anderen vorgeschlagenen Verfahren läuft das Untergrundmaterial zwischen zwei Rollen mit harter Oberfläche hindurch, wobei dann noch zusätzlich Wärme angewendet wird.

Das Warmschmelzen ist, obgleich es in vielen Fällen zu brauchbaren Ergebnissen führt, deshalb unerwünscht, weil hierfür eine Wärmequelle vorhanden sein muß, die gewöhnlich die Zufuhr großer elektrischer Energiemengen verlangt und daher die Möglichkeit bietet, daß sowohl der Untergrund als auch der Toner überhitzt werden, was eine gewisse Feuergefahr mit sich bringt. Die bisher angewendete Druckschmelzung bestand darin, daß das mit dem Toner versehene Untergrundmaterial zwischen zwei Walzen oder Rollen mit harter Oberfläche hindurchgeschickt wurde. Die Rollen bestanden aus Metall, und die eine von ihnen war beweglich und mit Federn verbunden, um dadurch einen gesteuerten Druck zu schaffen. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf die

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USA-Patentschrift 3 269 626 verwiesen. Die Erfahrungen haben nun gezeigt, daß diese Art der Druckschmelzung sich als sehr unzuverlässig erweist, möglicherweise aufgrund des schwachen Kontakts wegen der Ungleichmäßigkeit der Untergrunddicke, Schwankungen in dem Tonerauftrag oder dergl., obgleich extrem hohe Beladungen vorgenommen worden sind, um ein Bild zu erhalten, das in allen seinen Teilen adäquat mit Toner beschichtet ist. Dieses ist insbesondere dann der Fall, wenn breitere Bögen verwendet werden und keine Streifen. Unter hohen Beladungen können die Eigenschaften des Papieruntergrundes selbst sich erheblich ändern, denn um die tiefen Stellen oder Flächen im Papier zur richtigen Fixierung des Toners mit einem Druck zu beaufschlagen, der groß genug ist, müssen die hohen Stellen unter übermäßig starke Drücke gesetzt werden. Dies wiederum kann zu einer grundsätzlichen Veränderung des Untergrunds führen und in den nicht bedruckten Flächen unerwünschte Überflächeneigenschaften hervorrufen, d.h. gewisse Flächen eher glänzend oder glatt machen als zulassen, daß sie stumpf bleiben, wobei dies dann in Jedem Fall mit großer Wahrscheinlichkeit dazu führt, daß in den verschiedenen Abschnitten des Bogens sich keine Verschmelzungsgrade erreichen lassen, die so einheitlich sind, daß sie für die meisten Anwendungsfälle praktikabel sind.

Es ist vielleicht theoretisch möglich, falls die nachteilige Wirkung auf den Bogen vernachlässigt werden kann, die Rollen so stark zusammenzudrücken, daß sie auf einem Bogen gewöhnlicher Größe,

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beispielsweise 21,5 χ 27>9 cm, eine leidlich gleichmäßige Fixierung des Toners bewirken. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, daß die in solch einer Situtation erforderliche Belastung den normalen Belastungsbereich soweit überschreitet, daß die mechanischen Elemente des Systems, beispielsweise die Rollen selbst und ihre die Belastung aufnehmenden Lager, entweder direkt unter der Einwirkung der Belastung versagen oder so rasch aufgrund der Materialermüdung zerstört werden, daß sich keine praktische Vorrichtung bauen läßt, die diesen Bedingungen im Rahmen normaler wirtschaftlicher Gegebenheiten gerecht werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren zur Druckverschmelzung von Farbstoffen mit einer Unterlage zu schaffen, bei dem keine Wärme erforderlich ist. Des weiteren soll das erfindungsgemäße Verfahren die Einwirkung eines im wesentlichen gleichmäßigen Druckes auf die mit dem Toner, also dem Farbstoff, versehene Fläche ermöglichen, ohne daß Teile der Unterlage nachteilig beeinflußt werden. Die für diesen Zweck vorgesehene Vorrichtung soll mit schmalbändigen, fortschreitend berührenden Druckelementen versehen sein, mit denen ein Toner unter Druck auf einer Unterlage fixierbar ist und dio no beschaffen sind, daß sie eine wirkungsvolle, gleichmäßige Fixierung auf einem Unterlage bogen normaler Größe unter angemessenen Belaotungnkruften ermöglichen, so daß eine praktische Maschine gebaut werden kann, ohne daß unangemessene Kons fcruktionnochw.i eri/rk^i ten dabei auf t re ton ,

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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, schematLsch dargestellt. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, wobei Belastungs- und Antriebseinrichtungen weggelassen sind und

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht der Zylinder in

einem vergrößerten Maßstab, die dabei einmal in entspanntem Eingriff und in Druckeingriff stehen, wobei auch die Bedeutung bestimmter in der Beschreibung verwendeter Symbole verdeutlicht wird.

Das Verfahren zur Erzeugung des Pulverbildes wird in der gewöhn Liehen Weise durchgeführt, wobei ein Unterlagebogen, der eine pho tolei. t;fähige Schicht trägt, beladen, Licht- und einem Schattenmuatür ausgesetzt wird, die dem gewünschten Bild entsprechen, und dann mit einem Tonerpulver nach bekannten Verfahren entwickelt wird. Andererseits läßt sich ein latentes elektrostatisches Bild, das in ahnlicher Weise auf einer photoempfindlichen Schicht hergestellt wurde, mit dem Toner entwickeln, und das auf diese Weise erzeugte Tonerbild wird dann auf einen anderen Bogen oder eine

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andere Unterlage ülDertragen. In jedem Fall ergibt sich ?ls Produkt ein flexibler Bogen oder eine flexible Unterlage 11, auf der sich ein lose gehaltenes Bild 13 befindet, das auf seiner Oberfläche durch das Tonerpulver definiert wird.

Die das Tonerbild tragende Unterlage wird dann zwischen Druckelemente gefördert, die sich fortschreitend einander längs einer Linie berühren oder längs eines schmalen Bandbereichs und zusammen mit dem verfestigten und fest auf der Unterlage, wie bei 13' gezeigt, haftenden Bild aus dem Rollenspalt auftauchen. Normalerweise bestehen diese Druckelemente aus einer Walze und einem Gegenelement, das mit der Walze in rollender Druckberührung steht. In der gebräuchlichsten Anordnung ist dieses gegenüberliegende Druckelement ebenfalls eine Walze.

Bei der bevorzugten Ausführungsform, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, bilden zwei Walzen 15 und 17 einen Zwickel, in den der den Toner tragende Bogen 11 einläuft. Bei bekannten Verfahren werden für diese Walzen Hartmetallwalzen verwendet, erfindungsgemäß hat sich jedoch herausgestellt, daß wenigstens eine dieser Walzen oder Elemente aus einem weicheren, elastischeren Material bestehen sollte. Vom Standpunkt der grundsätzlichen Verschmelzung aus könnten anscheinend beide Glieder oder Walzen gleich elastisch sein. Vom Gesichtspunkt des effektiven praktischen Betriebs jedoch wurde gefunden, daß es gewöhnlich leichter ist,

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eine farbstoff- oder tonerabstoßende Oberfläche auf einem harten, verhältnismäßig unelastischen Element zu schaffen. Demzufolge ist die obere Walze 15, die sich mit dem Tonerbild in Berührung befindet, vorzugsweise eine Metallwalze mit harter Oberfläche, während die untere Walze 17 aus einem weicheren und elastischeren Material besteht.

Die elastischere Walze kann aus irgendeinem Material gefertigt sein, das auf seiner Oberfläche ein bestimmtes elastisches oder federndes Verhalten zeigt. So kann die Walze beispielsweise aus einem Hartgummi geformt sein, eine tuchgefüllte oder papiergefüllte Walze sein, eine poröse Nylonoberfläche besitzen oder aus solchen Materialien wie Maiskolben oder Asbest bestehen. In der Papierherstellung sind eine Anzahl Typen derartiger elastischer Walzen für verschiedene Zwecke bekannt, die allerdings mit dem vorliegenden Problem in keinem Zusammenhang stehen. Die Form der elastischen Walze, die hier bevorzugt wird, ist die, welche aus übereinander geschichteten Textillagen, in denen Baumwollfasern und Wollfasern in annähernd gleichen Mengen verwendet sind, aufgebaut ist.

Wenn die mit Toner versehene Unterlage 11, 13 zwischen den Walzen 15 und 17 hindurchläuft, wird die Oberfläche der elastischen Walze 17 offensichtlich leicht verformt, wie dies in Fig. 2 bei 19 übertrieben dargestellt ist, so daß der Druck über einen breiteren Teil der'Unterlage verteilt wird. Darüberhinaus scheint die

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Federeigenschaft der Walze 17 es der Walze zu ermöglichen, sich an die Schwankungen in der Dicke der Papierunterlage oder des abgelagerten Toners anzupassen und dadurch den Druck gleichmäßiger zu verteilen. Wenn dies der Fall ist, so hieße das, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Druckbeaufschlagung der Fläche möglich ist, die das Tonerbild enthält, das verschmolzen werden soll. Möglicherweise wird beim Durchgang zwischen den Walzen eine gewisse Scherkraft erzeugt, die mit dazu beiträgt, den Toner mit dem Papier zu verschmelzen. Es wird jedoch angenommen, daß der Einfluß eines gleichmäßigen Druckes auf den Toner wahrscheinlich die Hauptrolle bei der Erlangung einer guten Tonerfixierung spielt.

Beim Einführen der den Toner tragenden Unterlage in den Zwickel oder Spalt der Walzen 15 und 17 muß die mit Toner versehene Seite nach Möglichkeit mit der nicht elastischen Walze 15 in Berührung gebracht werden. Dies ergibt eine bessere Druckverschmelzung mit der Unterlagenoberfläche und verhindert auch, daß eich Tonerpulver auf der elastischen Walzenoberfläche aufbaut. Dieser letztere Paktor ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Oberfläche der elastischen Walze irgendwie porös ist, denn der fein verteilte Toner könnte dann sich allmählich in den Oberflächenporen aufbauen. Die nicht elastische Walze besteht vorzugsweise aus einem Material, dessen Oberfläche glatt und nicht porös ist und das außerdem die Eigenschaft aufweist, daß die in den Tonerteilchen verwendeten Harze nicht an ihm haften bleiben.

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Chromplattierter Stahl hat sich im allgemeinen für diesen Zweck gut bewährt.

In der Zeichnung weist die elastische Walze 17 einen größeren Durchmesser auf als die nicht elastische Walze. Diese Tatsache ist normalerweise erwünscht, jedoch nicht unbedingt notwendig. Ob nun die beiden Walzen gleich groß oder verschieden groß sind, sie rotieren so, daß sie im wesentlichen die gleiche Oberflächengeschwindigkeit besitzen. Das bedeutet, daß die entstehende Scherkraft, falls überhaupt eine solche auftritt, fast ausschließlich den Oberflächeneigenschaften der elastischen Walze zuzuschreiben ist. ρ

Die auf die Walzen oder Druckelemente 15 und 17 aufzubringende Belastung läßt sich durch Kupplungs- und Antriebselemente konventioneller Art, die schematisch bei 21 in Pig. 1 angedeutet sind, erzeugen und variiert mit einer Anzahl Paktoren, beispielsweise der Elastizität oder Pedereigenschaft der Druekelemente und dem Gegendruckniveau des Toners. Bei den anfänglichen, im Zusammenhang mit dem Erfindungsgegenstand durchgeführten Versuchen.wur$e_;eine baumwollgefüllte Walze mit einer Härte von etwa 80, gemessenauf der Shore-D-Skala, und mit einem berechneten Elastizitätsmodul bei einer Kompression von etwa 14.100 kp/cm durchgeführt. Dabei wurde gefunden, daß viele herkömmliche Toner wirksam mit der Unterlage verschmolzen werden, wenn die Belastung im Bereich von etwa 36 - 72 kg/cm in direkter Linie war. Eine Berechnung des Spitzen-

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druckes, der auf die Walzen einwirken könnte, ergibt für einen differentiellen Plächenanteil der Walzenberührung einen Durchschnittswert von etwa 352 - 703 kp/cm . Die "bei diesen Versuchen verwendeten Toner waren konventionelle Farbtoner, die als Bindemittel Harze enthielten, wie sie gewöhnlich bislang für diesen Zweck "benutzt wurden. Diese Zahlen verkörpern ein bestimmtes Beispiel eines ziemlich gewöhnlichen Falles, bei dem der Erfindungsgegenstand Anwendung finden kann, jedoch läßt sich selbstverständlich die Belastung der Druckelemente so einstellen, daß der gewünschte Druck in Abhängigkeit von der Walzenelastizität des verwendeben Materials auf den gewünschten Druck eingestellt werden kann. Außerdem läßt sich der Druck selbstverständlich erheblich variieren, um den Verschmelzungserfordernissen des jeweiligen Toners gerecht zu werden. Obgleich die spezielle elastische Walze einen berechneten Elastizitätsmodul von etwa 14.100 kg/cm besaß, lassen sich selbstverständlich auch andere elastische Materialien bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzen, deren Modul sehr viel größer als 14.100 kg/cm ist, wenn nach den im folgenden erläuterten Grundsätzen verfahren wird. Was den minimalen Modul anbelangt, so sollte dieser so gewählt werden, daß sich das Material nicht zu stark verformt. Gewöhnlich wird ein berechneter Modul von wenigstens 70.300 kp/cm im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad als vorteilhaft angesehen.

Vergleichsweise beträgt der Elastizitätsmodul für Stähle etwa 2,11 χ 1O⁶ kp/cm².

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Die soeben gemachten Feststellungen werden im Lichte der folgenden Ausführungen verständlicher.

Das mechanische Zusammenwirken der beiden parallelen Zylinder,

die gegeneinander gedrückt sind, wurde gründlich untersucht und es wurden mathematische Beziehungen entwickelt, die die Größenberechnung ermöglichen, so die Berechnung des Wertes (a), ein anscheinend berechneter Wert für den Elastizitätsmodul für das zylindrische Material, und zwar dort, wo beispielsweise das Material einem Typ angehört, für den im allgemeinen noch kein Modulwert festgestellt oder ermittelt wurde. Ferner läßt sich die Größe (b) mit den oben genannten mathematischen Beziehungen berechnen, die die maximale Druckspannung oder den effektiven Spitzendruck in kp/cm beinhaltet, der von den Zylindern an dem Zwickel ausgeübt wird. Ein Beispiel für diese Beziehungen läßt sich in der Druckschrift "Formeln für Spannung und Verformung" von Raymond J. Koark, 4· Auflage, veröffentlicht durch die McGraw-Hill Book Company finden.

Auf Seite 320 dieser Druckschrift, Tabelle XIV, Abschnitt 5, findet sich der folgende Ausdruck:

b = 1 ,6

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Es bedeuten:

"b die tranaaxiale Breite in Zoll der Berührungsfläche unter Belastung (s. Pig. 3)»

ρ die Zylinderbelastung in 0,45 kp/Linearzoll,

D₁ und Dp die Durchmesser der Zylinder in Zoll,

das PoissongclB Verhältnis "bei Druck für die

Materialien der Zylinder und

. und E^ die Elastizitätsmodulen bei Druck für die Materialien der Zylinder.

Daraus wird ersichtlich, daß sich, wenn die Größe b gemessen wird, beispielsweise durch Belastung der Walzen mit einem druckübertragenden Material und einem Kopierbogen zwischen den Walzen und durch Messung der Druckbreite, und wenn die eine der Walzen einen bekannten Ε-Wert, beispielsweise den von Stahl, hat, der Ε-Wert, d.h. also der berechnete Elastizitätsmodul, für die andere Walze leicht ermittelt werden kann. (Der effektive Wert des Poieson Verhältnisses für die Materialien in dem üblichen Bereich läßt sich als etwa 0,3 für den Fall annehmen, daß in der Literatur kein Wert dafür angegeben ist; diese Annahme ist insbesondere deshalb zu vertreten, weil diese Größe nur geringen Einfluß auf das errechnete Ergebnis hat).

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An derselben Stelle des oben genannten Textes findet sich auch der Ausdruck:

Max. s_n * 0.798]

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Hier stellt Max. s die maximale Druckspannung oder den Spitzeneinheitsdruck am Zwickel, gemessen in 0,07 kp/cm , dar, und die anderen Symbole haben dieselbe Bedeutung wie oben. Wie leicht zu erkennen ist, gibt diese Formel unmittelbar den errechneten Zwickelspitzendruck wieder, wenn die richtigen Werte für p, D₁, Dp, E₁, Ep und die angegebenen oder angenommenen Werte für das Poisson Verhältnis eingesetzt werden.

Die Bedeutung der einzelnen oben genannten Symbole wird anhand von Fig. 3 verständlicher, wo zwei Zylinder gezeigt sind, die als den Walzen 15 und 17 von Fig. 1 und 2 entsprechend angesehen werden können. In der in durchgehender Linie gezeigten Stellung sind die Zylinder nicht belastet, und die Achse des Zylinders 15 befindet eich bei A. In der in unterbrochener Linie gezeigten Stellung wirkt auf die Zylinder eine Last ρ ein, die zur Folge hat, daß sich die Achsen näher aufeinander zu bewegen, wie dies durch die Verschiebung der Achee des Zylinders 15 nach B

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dargestellt ist. Der Abstand AB oder y läßt sich messen and wird als Verformung bezeichnet. Die belasteten Zylinder berühren sich in einem schmalen Streifen, dessen Breite b beträgt, die in der oben beschriebenen Weise gemessen werden kann. Ähnliche Berechnungen können durchgeführt werden, falls einer der beiden Körper sich abflacht, indem der Durchmesserwert des Körpers in den oben genannten Ausdrücken gegen Unendlich geht, wobei sich dann in

diesem Fall "⁰I ^D2 dem Wert D nähert.
D₁₊D₂

Die im Zusammenhang mit dieser Erfindung durchgeführten Versuche haben ergeben, daß an dem Zwickel ein bestimmter rechnerischer Spitzendruck erforderlich ist, um das richtige Verschmelzen eines gegebenen Toners sicherzustellen, und daß dieser Spitzendruck hauptsächlich von der Beschaffenheit des Tonermaterials abhängt. Wie bereits ausgeführt wurde, wird für die sichere Fixierung der konventionellen, gegenwärtig gebräuchlichen Toner ein rechnerischer Spitzendruck von mindestens 352 kp/cm benötigt. Das Fixieren in der hier verstandenen Weise umfaßt eine grundsätzliche Veränderung des Zustande des Tonerharzes, die ausreicht, um den Toner fließfähig zu machen und ihn sowohl in sich selbst als auch mit der Unterlage zu verkleben. Dies geschieht angenommenermaßen hauptsächlich mit Hilfe eines durch Druck bewirkten Temperaturanstiegs innerhalb des Tonermaterials, obgleich mechanische Wirkungen ebenfalls eine allerdings geringere Rolle bei dem Fixiervorgang spielen. Durchgeführte Versuche lassen erwarten, daß Toner entwickelt werden

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können, die einen geringeren Druck erfordern. Auch kann angenommen werden, daß die Druckschwelle bei zusammengesetzten Tonern zur Sicherung anderer guter Eigenschaften erhöht werden muß. In jedem Pail ergibt sich ein schnell bestimmbarer Minimalwert des Effektivdrucks für den jeweiligen in Betracht kommenden Toner, und dieser Wert wird im folgenden als Schwellendruck des Toners bezeichnet.

Unter Berücksichtigung der obigen Feststellungen scheinen die zur Sicherung einer angemessenen, gleichförmigen Fixierung erforderlichen Parameter, wie die bisher ausgeführten Untersuchungen gezeigt haben, im wesentlichen die folgenden Größen zu umfassen.

Die Materialien für die Druckelemente oder -walzen werden (oder wo, wie in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, die eine Walze eine erheblich größere Nachgiebigkeit oder Anpassungsfähigkeit besitzt als die andere, wird das Material der nachgiebigeren Walze) so ausgewählt, daß die Werte bzw. der Wert für den Elastizitätsmodul derart ist, daß bei Aufbringung einer Belastung p, die einen rechnerischen Zwickelspitzendruck (Max.a ) gleich oder etwas größer als der Schwellendruck für den in Betracht kommenden Toner ist, eine gemessene Verformung (y) erzeugt wird, die noch innerhalb der Elastizitätsgrenze des Materials liegt und deren Wert ein beträchtliches Vielfaches der Durchschnittsachwankung in

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den Werkstückeigenschaften "beträgt. Mit dieser Schwankung ist irgendeine Merkmalsveränderung gemeint, die einen Widerstand gegen Zusammenquetsehen verursacht, "beispielsweise die Dicke oder Dichte des Materials. In der Praxis wird gewöhnlicherweise "bei der Durchführung derartiger Dickenmessungen ein genormter Druck aufgegeben, so daß die Gesamtwirkung normalerweise auch dann als Dickenschwankung betrachtet werden kann, wenn die Dichte oder der Kompressitiilitätsfaktor etwas zu dieser Schwankung beiträgt. Gewöhnliche Papierbögen, um ein gebräuchliches Beispiel zu nehmen, zeigen Abweichungen zwischen ihren maximalen und minimalen Dickenwerten von etwa 0,01 mm. Obgleich die Tonerauftragsdicke unter gewiseen Umständen mit zu dieser Schwankung beitragen kann und dann auch berücksichtigt werden muß, kann doch für die meisten gegenwärtigen Tonermaterialien und ihre gewöhnlichen Ablagerungseigenechaften diese Schwankungskomponente bei der Berechnung der Dickenechwankung praktisch vernachlässigt werden. Es wird jedoch festgestellt, daß die Situationen, die sehr gleichmäßige Unterlagen und Toner erfordern, mit ihren Schwankungen in der Teilchengröße gleichermaßen auf das hier vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ansprechen, so daß, wenn im folgenden auf eine Werkatüekdiokeneohwankung Bezug genommen wird, diese Art der Unterlagen und Toner genauso eingeschlossen ist wie die Werkstückechwankung, die eich hauptsächlich aufgrund einer nicht gleichmäßiger unterlage ergibt.

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Aus Gründen der Vereinfachung wird diese Art von Schwankungen, die als Ergebnis von Dickenmeßversuchen erscheint, als "Dickenschwankungen" bezeichnet.

Der Begriff "wesentliches Vielfaches¹¹, der in dem obigen Abschnitt verwendet wurde, bedeutet wenigstens einige Male, und in der Praxis wurde gefunden, daß, wenn der errechnete Spitzendruck an dem Zwickel an oder etwas über dem Schwellendruckwert des Toners liegt, ein Vielfaches von etwa fünf als Minimum der durchschnittlichen Schwankung aufgegeben werden sollte, um die angemessene Verformung zu bestimmen und dadurch sicherzustellen,daß auf der Oberfläche der Unterlage eine ziemlich gleichmäßige Verschmelzung stattfindet. Ein im allgemeinen noch mehr bevorzugter Wert würde ein Multiplikator von 10 sein.

Dieser Multiplikator weist jedoch keinen festliegenden Wert oder Bereich auf, sondern hängt möglicherweise bis zu einem gewissen Maß von dem Betrag ab, um den der errechnete, benutzte Spitzendruck im Zwickel den für den jeweiligen Toner erforderlichen Druck übersteigt.

Somit würde für einen Toner, dessen Schwellendruck 352 kp/cm beträgt und unter der Voraussetzung eines gewöhnlichen Papierbogena mit einer Durchschnittsdickenschwankung von etwa 0,01 mm das Materia]

der Walze 17 in bezug auf seinen Elastizitätsmodul (B) so gewählt

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werden, daß, wenn der Belastungswert ρ den gewünschten rechnerischen Spitzendruck im Zwickel von 352 kp/cm oder etwas mehr ergibt, die gemessene Verformung y wenigstens 5 x 0,01 oder 0,05 mm "beträgt. Wie oben bereits ausgeführt wurde, könnte dies sich als etwas am Eande gelegen erweisen, und der E würde vorzugsweise so gewählt, daß eine Verformung y von etwa 10 χ 0,01 oder 0,1 mm erreicht werden kann, um eine absolute Verschmelzungsgleichmäßigkeit sicherzustellen. Falls jedoch eine Belastung ρ verwendet werden sollte, die einen rechnerischen Zwickelspitzendruck erzeugt, der erheblich größer ist als der für den in Präge kommenden Toner benötigte, vielleicht 1050 - 1410 kp/cm , und falls dieser Druck verwendet werden könnte, ohne daß dadurch die Unterlage beschädigt wird, dann wäre zu erwarten, daß das die Verformung hervorrufende Vielfache, das der Durchschnittsschwankung auferlegt wird, einen geringeren Wert haben könnte, vielleicht im Bereich von 3-4- als Minimum liegen könnte.

Aus der obigen Erörterung wird offensichtlich, daß unter Berücksichtigung des Schwellendrucks des Toners und der Durchschnittsschwankung in den Werkstückeigenschaften, verkörpert als Dickenschwankung, schnell bestimmt werden kann, ob irgendein spezielles massives Material kohärenter, elastischer Natur die für ein wirksames Druckfixierungselement benötigten Eigenschaften besitzt. Zur Vereinfachung kann festgestellt werden, daß die Druckelemente oder -walzen aus einem Material bestehen, dessen Elastizitätsmodul für Druck so groß ist, daß sie, sobald sie einer

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Belastung unterworfen werden, die einen errechneten Zwickelspitzendruck von wenigstens Schwellendruckgröße des in Frage kommenden Toners verursacht, einer Verformung unterliegen, die ein wesentliches Vielfaches der Werkstückdickenschwankung ausmacht.

Es versteht sich, daß, obgleich die Druckelemente im obigen in Form zweier Walzen dargestellt und beschrieben wurden, jedes Druckelement auch als Platte ausgebildet sein kann, wobei dann das andere Druckelement die Form einer Walze oder eines Segments besitzt und mit ersterem in rollender Druckberührung steht.

Die meisten der jetzt gemeinhin bekannten und verwendeten Toner- oder Farbstoffpulver lassen sich bei dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Kopien benutzen. Da das erfindungsgemäße Verfahren jedoch eine gleichmäßige Tonerhaftung auf der Oberfläche der Unterlage allein durch Druckaufwendung bewirkt, bietet es eine Gelegenheit zur Benutzung anderer feinkörniger Pulver für Toner, die nicht notwendigerweise gleich denen sein müssen, wie sie beim Verfahren der Verschmelzung durch Wärme benutzt werden. Auf diese Weise wird eine größere Flexibilität bei der Tonerwahl und der Eigenschaften der fertigen Kopie erreicht.

Das neuartige Verfahren der Druckfixierung ermöglicht das Arbeiten mit breiteren Unterlagebögen, als dies bei der Verwendung von zwei Walzen mit harter Oberfläche möglich ist. Die bei der

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Benutzung zweier Walzen mit harter Oberfläche gemachten Erfahrungen zeigen, daß die bei der Erreichung zufriedenstellender Eigenschaften in dem nicht mit Toner versehenen Oberflächenbereich auftretenden Probleme mit zunehmender Breite der Unterlage größer werden. Diese mit ansteigender Breite zunehmende Problematik der Fixierung tritt nicht auf, wenn die Fixierung in der oben beschriebenen, erfindungsgemäfien Weise erfolgt.

Auf diese Weise werden die eingangs genannten Ziele der Erfindung erreicht und die Erfindungsaufgabe zufriedenstellend gelöst, wobei gleichzeitig darauf hingewiesen wird, daß gewisse Änderungen in der oben geschilderten Verfahrensweise und der dafür vorgesehenen Vorrichtung vorgenommen werden können, ohne daß diese Änderungen außerhalb des beanspruchten Schutzbereiches liegen.

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Claims (16)

1. CLEVELAND, OHIO 44117 BABBITT ROAD 1200 V. St. A.

   Dipl.-lng. MARTIN LICHT Dr. REINHOLD SCHMIDT Dipl.-Wirtsdi.-liig. AXEL HANSMANN Dipl.-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

   ADDRESSOGRAPH-MULTlGRAPH München, den 4 Ihr Zeichen I & Juli 868 CORPORATION I Unter Zeidien

   Patentanmeldung; Verfahren und Errichtung zur Fixierung von Tonern

   Patentansprüche

   Verfahren zur Fixierung eines Farbstoffpulverbildes auf einer Werkstückunterlage, deren Dicke meßbare Schwankungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück bei Umgebungstemperatur zwischen zwei unbeheizte, elastische Druckelemente, die sich fortschreitend einander längs eines schmalen Bandes berühren, hindurchgeschickt wird, wobei die Druckelemente aus einem elastischen Material bestehen, deren Elastizitätsmodulen so gewählt sind, daß die Gesamtverformung des Materials der Druckelemente unter Belastung ein erhebliches Vielfaches der Dickenschwankung des Werkstücks ausmacht, wenn die Druckelemente so stark belastet werden, daß sie einen rechnerischen Spitzendruck im Zwickel der beiden Druckelemente erzeugen, der den Schwellendruck des auf dem Werkstück befindlichen Farbstoffs übersteigt. r

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   Patentanwalt· Dipl-lnQ. Martin Licht, DipJ-VflrtKh-lna. Axd Honimann I MONCHENS. THEmItNSTRASMM · T«Mom»»« · ■ayer. VereinAonk Manche«, Zweie·»· ΟΛαΓ-ven-Mlltw-Rtae. Κίο,-Ντ. W«M ·
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Elemente, zwischen denen das Werkstück hindurchläuft, aus einem verhältnismäßig steifen Material mit einem hohen Elastizitätsmodul und mit einer glatten, nicht absorbierenden Oberfläche besteht, die im wesentlichen keine Klebverbindung mit dem unter Druck stehenden Parbstoff eingeht, und daß das andere Element verhältnismäßig biegsam ist und einen Elastizitätsmodul aufweist, der so groß ist, daß das Element im wesentlichen die ganze Verformung selbst erbringt, und daß das Werkstück bei seinem Durchgang zwischen den Druckelementen so liegt, daß die das Bild tragende Oberfläche mit dem erstgenannten Druckelement in Berührung kommt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckelemente Walzen sind, und daß das verhältnismäßig biegsame Element eine mit Textilstoff gefüllte Walze mit annähernd gleichen Teilen aus Baumwollfasern und Wollfasern ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckelemente Walzen sind, und daß das Element, das einen hohen Elastizitätsmodul besitzt, aus chromplattiertem Stahl besteht,
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge- kennzeichnet, daß wenigstens ein Druckelement aus einem elastischen Material besteht, dessen errechneter Elastizitätsmodul für Druck

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   nicht größer ale 140.000 kp/cm ist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daB wenigstens ein Druckelement, das aus elastischem Material besteht, einen Elastizitätsmodul besitzt, der zwischen etwa 7*000 und HO.000 kp/cm² liegt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß einer der Druckkörper aus einem verhältnismäßig steifen Material mit einer glatten, nicht absorbierenden Oberfläche besteht, der mit dem Farbstoff unter Druck im wesentlichen keine Klebverbindung eingeht und bei dem die den Farbstoff tragende Oberfläche der Unterlage dem verhältnismäßig steifen Element zugewandt ist.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen so belastet werden, daß der errechnete Spitzendruck an dem Druckzwickel zwischen den Oberflächen durchschnittlich zwischen 352 und 703 kp/cm² liegt.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Druckelement aus einer mit Faseretoff gefüllten Walze besteht, die sich annähernd zu gleichen Teilen aus Baumwollfasern und Wollfasern zusammensetzt.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß beide Druckelemente Walzenform besitzen.

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11. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-10, gekennzeichnet durch zwei "bewegliche Druckelemente (15, 17,) die so angeordnet sind, daß sie fortschreitend miteinander längs eines schmalen Bandes in rollende Druckterührung kommen, daß die Druckelemente aus elastischem Material bestehen, deren Elastizitätsmodulen so gewählt sind, daß die gemeinsame Verformung des Materials der Druckelemente unter Belastung ein wesentliches Vielfaches der Dickenschwankung des Werkstücks (11, 13) "beträgt, wenn die Belastung so stark ist, daß ein rechnerischer Zwickelspitzendruck erzeugt wird, der den Schwellendruck des auf dem Werkstück (11) befindlichen Farbstoffs (13) übersteigt, und ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit der die Oberflächen während des Durchgangs eines Werkstücks zwischen den Druckelementen (15, 17) so belastbar sind, daß ein rechnerischer Zwickelspitzendruck erzeugt wird, der größer ist als der Schwellendruck des Farbstoffs.
12. 12, Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das eine Druckelement einen errechneten Elastizitätsmodul für Druck zwischen etwa 7.000 und H.000 kp/cm aufweist, und daß Einrichtungen (21) zur Belastung der Oberflächen während des Durchgangs der Unterlage (n)zwischen den Druckelementen (15, 17) vorhanden sind, die einen errechneten Durchschnittsdruck auf die mit dem Bild versehene Unterlage an dem Spitzendruckpunkt beim Durchgang durch die Maschine erzeugen, der zwischen 352 und 703 kp/ca liegt.

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13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß beide Druckelemente (15, 17) Walzen sind.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Walzen mit Textilgewebe gefüllt ist, das zu annähernd gleichen Teilen aus Baumwollfasern und Wollfasern besteht,
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Walze eine Metallwalze mit einer glatten, nicht
    absorbierenden Oberfläche ist.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwalze eine Chromoberfläche besitzt.

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