DE1772898C3

DE1772898C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Druckfixierung eines Farbstoffpulverbildes

Info

Publication number: DE1772898C3
Application number: DE19681772898
Authority: DE
Inventors: David W. Needham Mass. Lovering
Original assignee: Multigraphics Inc
Current assignee: AB Dick Co
Priority date: 1967-12-29
Filing date: 1968-07-18
Publication date: 1982-04-01
Also published as: DE1772898A1; MY7300186A; SE355875B; BE718784A; MY7300187A; FR1573517A; NL6809878A; CH513433A; GB1226200A; BR6800469D0; DE1772898B2; NL156519B

Description

gezeigt, daß diese Art der Druckschmelzung sich als sehr unzuverlässig erweist, möglicherweise auf Grund des schwachen Kontakts wegen der Ungleichmäßigkeit der Untergrunddicke, Schwankungen in der Dicke des Tonerauftrags od. dgl, obgleich extrem hohe Andrücke angewendet 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 für das Bild verwendet werden und keine schmalen Bänder. Unter hohem Andruck können die Eigenschaften eines Bildträgers aus Papier sich erheblich ändern, denn um die Stellen oder Flächen mit dünnem Tonerauftrag auf dem Papier zur richtigen Fixierung des Toners mit einem Druck zu beaufschlagen, der groß genug ist, müssen die Stellen mit dickem Tonerauftrag unter übermäßig starke Drücke gesetzt werden. Dies wiederum kann zu einer grundsätzlichen Veränderung des Untergrunds führen und in den nicht bedruckten Flächen unerwünschte Oberflächeneigenschaften hervorrufen, d. h. gewisse Flächen eher glänzend oder glatt machen, als sie stumpf zu belassen, wobei dies dann in jedem FaI! 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 Träger des Tonerbildes vernachlässigt werden kann, die Rollen so stark zusammenzudrücken, daß sie auf einem Bogen gewöhnlicher Größe, beispielsweise 21,5 χ 27,9 cm, eine leidlich gleichmäßige Fixierung des Toners bewirken. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, daß die in solch einer Situation erforderliche Belastung den normalen Belastungsbereich so weit 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 auf Grund der Materialermüdung zerstört werden, daß sich keine prakt'sche Vorrichtung bauen läßt, die diesen Bedingungen im Rahmen normaler wirtschaftlicher Gegebenheiten gerecht werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, bei einem Verfahren oder einer Vorrichtung zur Druckfixierung eines Farbstoffpulverbildes negative Auswirkungen von Schwankungen der Dicke des Farbstoffpulverbildes auf die Bildqualität zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens ein Druckelement aus elastischem Werkstoff verwendet wird, dessen Elastizitätsmodul zwischen den Grenzen von 7000 und 140 000 bar so gewählt ist, daß die elastische Verformung der Druckelemente bei ihrem Andrücken an das Werkstück das Fünf- bis Zehnfache des Maßes ausmacht, um das unter dem Druck die Dicke des hindurchlaufenden Werkstücks schwankt, wenn dieser Druck die Fließgrenze des auf dem Werkstück befindlichen Farbstoffs überschreitet.

Die Vorrichtung zur vorteilhaften Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, 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 beträgt, wenn die Belastung so stark ist, daß ein in der Berührungszone rechnerische"· Spitzendruck erzeugt wird, der so hoch

ist, daß die Fließgrenze des auf dem Werkstück befindlichen Farbstoffs überschritten wird, und daß die Druckelemente mit einem Andruck zur Erzeugung dieses Spitzendruckes belastet sind.

Obwohl für die Anwendung der für die Druckfixierung erforderlichen hohen Drücke die Anwendung harter Oberflächen an beiden Walzen der Druckfixierungsstation an sich das .Naheliegende erschien, wurde mit der vorliegenden Erfindung also gefunden, daß man unter den gegebenen Bedingungen trotzdem auch hier mit elastischer Oberfläche arbeiten und damit eine voll ausreichende und sogar gleichmäßige Fixierwirkung erzielen kann. Allerdings bedarf es dazu einer bestimmten Abstimmung der Elastizität auf den Druckfixierungsvorgang.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigt

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

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

F i g. 3 eine schematische Seitenansicht der Walzen 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.

Ein Tonerbild kann z. B. auf elektrophotographischem Wege auf einem photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterial oder einem Bildempfangsmaterial als Bildträger in bekannter Weise hergestellt werden. In jedem Fall ergibt sich als Produkt ein flexibler Bogen oder eine flexible Unterlage 11, auf der sich ein lose gehaltenes Tonerbild 13 befindet.

Die das Tonerbild tragende Unterlage wird dann zwischen Druckelemente gefördert, die sich mit einer schmalen Berührungszone aufeinander abwälzen. No-malerweise 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 Ausführung.^cform, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, bilden zwei Walzen 15 und 17 einen Zwickel, in den der den Toner tragende Bogen 11 einläuft. Eine dieser Walzen besteht aus einem gegenüber der anderen weicheren, elastischeren Material. Vom Standpunkt der grundsätzlichen Verschmelzung aus könnten anscheinend beide Walzen gleich elastisch sein. Vom Gesichtspunkt des effektiven praktischen Betriebs jedoch wurde gefunden, daß es gewöhnlich leichter ist, 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 Kunststoffoberfläche bedizen oder aus 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 übereinandergeschichteten Textillagen, in denen Baumwollfasern und ί 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 κι leicht verformt, wie dies in Fig. 2 bei 19 übertrieben dargestellt ist, so daß der Druck über einen breiteren Teil der Unterlage verteilt wird. Darüber hinaus scheint die Federeigenschaft der Walze 17 es der Walze zu ermöglichen, sich an die Schwankungen in der Dicke der ι ^r> Papierunteriage 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 dc-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 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 sich Tonerpulver auf der elastischen Walzenoberfläche ablagert. Dieser letztere Faktor ist insbesondere dann r> von Bedeutung, wenn die Oberfläche der elastischen Walze irgendwie porös ist, denn der feinverteilte Toner könnte dann sich allmählich in den Oberflächenporen festsetzen. Die nicht elastische Walze besteht vorzugsweise aus einem Material, dessen Oberfläche glatt und w nicht porös ist und das außerdem die Eigenschaft aufweist daß die in den Tonerteilchen verwendeten Harze nicht an ihm haftenbleiben. Chromplattierter Stahl hat sich im allgemeinen für diesen Zweck gut bewährt. 4-,

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 Umfangsgeschwindigkeit besitzen. Das bedeutet daß die entstehende Scherkraft falls überhaupt eine solche auftritt fast ausschließlich den Oberflächeneigenschaften der elastischen Walze zuzuschreiben ist

Die auf die Walzen oder Druckelemente 15 und 17 aufzubringende Belastung läßt sich durch Kupplungsund Antriebselemente konventioneller Art, die schematisch bei 21 in F i g. 1 angedeutet sind, erzeugen und variiert mit einer Anzahl Faktoren, beispielsweise der Elastizität oder Federeigenschaft der Druckelemente und der Fließgrenze des Toners. Bei den anfänglichen, im Zusammenhang mit dem Erfindungsgegenstand durchgeführten Versuchen wurde eine baumwollgefüllte Walze mit einer Härte von etwa 80, gemessen auf der Shore-D-Skala, und mit einem berechneten Elastizitätsmodul bei einer Kompression von etwa 14 100 kp/cm² durchgeführt Dabei wurde gefunden, daß viele herkömmliche Toner -'irksam mit der Unterlage verschmolzen werden, wenn der Andruck im Bereich von etwa 36 bis 72 kg je cm Länge der Berührungslinie der Walzen war. Eine Berechnung des Spitzendruckes, der auf diese Walzen einwirken könnte, ergibt für einen differentiellen Flächenanteil der Walzenberührung einen Durchschnittswert von etwa 352 bis 703 kp/cm². Die bei diesen Versuchen verwendeten Toner waren konventionelle Farbtoner, die als Bindemittel Harze enthielten, wie sie gewöhnlich bislang für diesen Zweck benutzt werden. Diese Zahlen verkörpern ein bestimmtes Beispiel eines ziemlich gewöhnlichen Falles, bei dem der Erfindungsgegenstand Anwendung finden kann, jedoch läßt sich selbstverständlich der Andruck der Druckelemente so einstellen, daß abhängig von der Elastizität verschiedener Walzenmaterialien jeweils der gewünschte Druck in der Berührungszone eingestellt werden kann. Außerdem läßt sich der Druck selbstverständlich erheblich variieren, um den verschiedenen Fließgrenzen des jeweiligen Toners gerecht zu werden. Obgleich die spezielle elastische Walze einen berechneten Elastizitätsmodul von etwa 14 100 kp/cm² besaß, lassen sich selbstverständlich auch andere elastische Materialien bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzen, deren Modul sehr viel größer als 14 100 kp/cm² 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 703C kp/cm³ im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad als vorteilhaft angesehen.

Vergleichsweise beträgt der Elastizitätsmodul für Stähle etwa 2,11 χ 10* kp/cm².

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 obengenannten mathematischen Beziehungen berechnen, die die maximale Druckspannung oder den effektiven Spitzendruck in kp/cm² beinhaltet der von den Walzen im Spalt ausgeübt wird. Ein Beispiel für diese Beziehungen läßt sich in der Druckschrift »Formeln für Spannung und Verformung« von P.aymond J. Roark, 4. Auflage, veröffentlicht durch die McGraw-Hill Company, finden.

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

b =

D₁+D₂ L E₁

E-,

Es bedeutet

b die transaxiale Breite in Zoll der Berührungsfläche unter Belastung (s. F i g. 3),
ρ die Zylmderbelastung in 0,45 kp/linearzolL

D] und Eh die Durchmesser der Zylinder in Zoll,

i»i und V2 das Poissonsche Verhältnis bei Druck für die Materialien der Zylinder und

E] und E₂ 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 Breite der Druckzone und wenn die eine der Walzen einen bekannten £-Wert, beispielsweise den von Stahl, hat, der £"-Wert, d. h. also der berechnete Elastizitätsmodul, für die andere Walze leicht ermittelt werden kann. (Der effektive Wert des Poissonschen 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 besonders deshalb zu vertreten, weil diese Größe nur geringen Einfluß auf das errechnete Ergebnis hat).

An derselben Stelle des obengenannten Textes findet sich auch der Ausdruck:

Max. .v, = 0,798

/ /	p-	D] +D₂
' 1	-n	D]D₂

Hier stellt Max. s_cdie maximale Druckspannung oder den Spitzeneinheitsdruck im Walzenspalt, gemessen in 0,07 kp/cm², dar, und die anderen Symbole haben dieselbe Bedeutung wie oben. Wie leicht zu erkennen ist, gibt diese Formel unmittelbar den errechneten Spitzendruck im Spalt wieder, wenn die richtigen Werte für p, D], Lh, E], E₂ und die angegebenen oder angenommenen Werte für das Poisson Verhältnis eingesetzt werden.

Die Bedeutung der einzelnen obengenannten Symbole wird an Hand von F i g. 3 verständlicher, wo zwei Zylinder gezeigt sind, die als den Walzen 15 und 17 von F i g. 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 sich 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 Achse des Zylinders 15 nach B dargestellt ist Der Abstand AB oder y läßt sich messen und 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 obengenannten Ausdrucken gegen Unendlich geht wobei sich dann in diesem Fall

D₁D₁

D, +D₂

dem Wert D nähert

Die im Zusammenhang mit dieser Erfindung durchgeführten Versuche haben ergeben, daß in dem Spalt 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/cm² benötigt. Das Fixieren in der hier

. verstandenen Weise umfaßt eine grundsätzliche Veränderung des Zustands 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

in 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 können,

ι-, die einen geringeren Druck erfordern. Auch kann angenommen werden, daß der Grenzwert für den Druck bei zusammengesetzten Tonern zur Sicherung anderer guter Eigenschaften erhöht werden muß. In jedem Fall ergibt sich ein schnell bestimmbarer

v\ Minimalwert des Effektivdrucks für den jeweiligen in Betracht kommenden Toner, bei dem die Fließgrenze erreicht wird und der im folgenden als Schmelzdruck des Toners bezeichnet ist

Unter Berücksichtigung der obigen Feststellungen

2'· 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

jo 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

r> Elastizitätsmodul derart ist daß bei Aufbringung einer Belastung p, die einen rechnerischen Spitzendruck im Spalt (Max. s_c) gleich oder etwas größer als der Schmelzdruck für den in Betracht kommenden Toner ist eine gemessene Verformung (y) erzeugt wird, die

w noch innerhalb der Elastizitätsgrenze des Materials liegt und deren Wert das Fünf- bis Zehnfache der Durchschnittsschwankung in den Werkstückeigenschaften beträgt Mit dieser Schwankung ist irgendeine Merkmalsveränd ?rang gemeint die einen Widerstand gegen Zusammenquetschen verursacht beispielsweise die Dicke oder Druckfestigkeit des Materials. In der Praxis wird gewöhnlicherweise bei der Durchführung derartiger Dickenmessungen ein genormter Druck aufgegeben, so daß die Gesamtwirkung normalerweise

Vi auch dann als Dickenschwankung betrachtet werden kann, wenn der Kompressibilitätsfaktor 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 gewissen Umständen mit zu dieser Schwankung beitragen kann und dann auch berücksichtigt werden muß, kann doch für die meisten gegenwärtigen Tonermaterialien und ihre gewöhnlichen Ablage-

bo rungseigenschaften diese Schwankungskomponente bei der Berechnung der Dickenschwankung praktisch vernachlässigt werden. Es wird jedoch festgestellt daß die Situationen, die sehr gleichmäßige Unterlagen und Toner erfordern, mit ihren Schwankungen in der

<>5 Teilchengröße gleichermaßen auf das hier vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ansprechen, so daß, wenn im folgenden auf eine Werkstückdickenschwankung Bezug genommen wird.

diese Art der Unterlagen und Toner genauso eingeschlossen ist, wie die Werkstückschwankung, die sich hauptsächlich auf Grund einer nicht gleichmäßigen Unterlage ergibt.

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

Der Multiplikator 5 bis 10 weist jedoch keinen festliegenden Wert oder Bereich auf, sondern hängt möglicherweise bis zu einem gewissen Maß von dem u> Betrag ab, um den der errechnete, benutzte Spitzendruck im Spalt den für den jeweiligen Toner erforderlichen Druck übersteigt.

Somit würde für einen Toner, dessen Schmelzdruck 352 kp/cm² beträgt und unter der Voraussetzung eines ι > gewöhnlichen Papierbogens mit einer Durchschniitsdikkenschwankung von etwa 0,01 mm das Material der Walze 17 in bezug auf seinen Elastizitätsmodul (E) so gewählt werden, daß, wenn der Belastungswert ρ den gewünschten rechnerischen Spitzendruck im Spalt von _>» 352 kp/cm² oder etwas mehr ergibt, die gemessene Verformung y wenigstens 5 χ 0,01 oder 0,05 mm beträgt Wie oben bereits ausgeführt wurde, könnte dies sich als etwas am Rande gelegen erweisen, und der Elastizitätsmodul würde vorzugsweise so gewählt, daß >> eine Verformung/ von etwa 10 χ 0,01 oder 0,1 mm erreicht werden kann, um eine absolute VerschmelzungsgleichniäBigkeit sicherzustellen. Falls jedoch eine Belastung ρ verwendet werden sollte, die einen rechnerischen Spitzendruck im Spalt erzeugt, der «ι erheblich größer ist als der für den in Frage kommenden Toner benötigte, vielleicht 1050 bis 1410 kp/cm², und falls dieser Druck verwendet werden könnte, ohne daß dadurch die Unterlage beschädigt wird, dann wäre zu erwarten, daß das die Verformung hervorrufende r> Vielfache, das der Durchschnittsschwankung auferlegt wird, einen geringeren Wert haben könnte, vielleicht im Bereich von 3 bis 4 als Minimum liegen könnte.

Aus der obigen Erörterung wird offensichtlich, daß unter Berücksichtigung des Schmelzdrucks 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 Eigenschäften 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 Belastung unterworfen werden, die einen errechneten Spaltspitzendruck von wenigstens der Größe des Schmelzdrukkes 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 abrollender Druekberührung 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 Bildformaten, als dies bei der Verwendung von zwei Walzen mit harter Oberfläche möglich ist. Die bei der 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 durchlaufenden Fläche größer werden. Diese mit ansteigender Breite zunehmende Problematik der Fixierung tritt nicht auf, wenn die Fixierung in der oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Weise erfolgt

Auf diese Weise werden die eingangs genannten Ziele der Erfindung erreicht und die Erfindungsaufgabe zufriedenstellend gelöst

Hieizu 2 Blatt Zeichnunsen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Druckfixierung eines Farbstoffpulverbildes auf einer Werkstückunterlage, deren Dicke meßbare Schwankungen aufweist, bei dem das Werkstück bei Umgebungstemperatur zwischen zwei unbeheizten Druckelementen, die sich aufeinander längs einer schmalen Berührungszone unter Andruck abwälzen, hindurchgeschickt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Druckelement aus elastischem Werkstoff verwendet wird, dessen Elastizitätsmodul zwischen den Grenzen von 7000 und 140 000 bar so gewählt ist, daß die elastische Verformung der Druckelemente bei ihrem Andrücken an das Werkstück das Fünf- bis Zehnfache des Maßes ausmacht, um das unter dem Druck die Dicke des hindurchlaufenden Werkstücks schwankt, wenn dieser Druck die Fließgrenze des auf dem Werkstück befindlichen Farbstoffs überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Druckelemente eine glatte, nicht absorbierende Oberfläche hat, die im wesentlichen keine Klebeverbindung mit dem unter Druck stehenden Farbstoff eingeht, und einen höheren Elastizitätsmodul aufweist, als das andere Druckelement, das daher im wesentlichen die ganze Verformung selbst erbringt, und daß das Werkstück bei seinem Durchgang zwischen den Druckelementen die das Bild tragende Oberfläche der glatten, nicht absorbierenden Oberfläche zuwendet.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, mit zwei beweglichen Druckelementen (15, 17), die sich aufeinander längs einer schmalen Berührungszone abwälzen, sowie mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Andruckes zwischen den beiden Druckelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckelemente aus elastischem Material bestehen, deren Elastizitätsmodule so gewählt sind, daß die gemeinsame Verformung des Materials der Druckelemente unter Belastung das Fünf- bis Zehnfache der Dickenschwankung des Werkstücks (11, 13) beträgt, wenn die Belastung so stark ist, daß ein in der Berührungszone herrschender Höchstwert der Belastung erzeugt wird, der 352 bis 703 bar beträgt und die Fließgrenze des auf dem Werkstück (11) befindlichen Farbstoffs (13) überschreitet, und daß die Druckelemente mit einem Andruck zur Erzeugung dieses Höchstwertes belastet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Druckelemente (15, 17) Walzen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Walzen gegenüber der anderen verhältnismäßig elastisch ist und mit Textilgewebe gefüllt ist, das zu annähernd gleichen Teilen aus Baumwollfasern und Wollfasern besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Walze eine Metallwalze mit einer glatten, nicht absorbierenden Oberfläche ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwalze eine Chromoberfläche besitzt.

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und der dazugehörigen Vorrichtung zur Druckfixierung eines Farbstoffpulverbildes auf einer Werkstückunterlage, deren Dicke meßbare Schwankungen aufweist, bei ■5 dem das Werkstück bei Umgebungstemperatur zwischen zwei unbeheizten Druckelementen, die sich aufeinander längs einer schmalen Berührungszone unter Andruck abwälzen, hindurchgeschickt wird.
Das Farbstoffpulver, auch Toner genannt, ist nor-

iii malerweise eine Mischung aus thermoplastischem Harz, Ruß oder einem anderen Pigment und einer kleinen Menge Farbe. Die genaue Zusammensetzung hängt von dem speziellen 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 so lange der Wärme ausgesetzt wird, bis die Tonerteilchen etwas angeschmolzen sind, so daß sie aneinander und an dem Papier oder dem Untergrund haftenbleiben. 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

2) Untergrundmaterial zwischen zwei Rollen mit harter Oberfläche hindurch, wobei dann noch zusätzlich Wärme angewendet wird.

Aus der US-Patentschrift 33 31592 ist es bereits bekanntgeworden, bei einer mit Wärme arbeitenden

so Fixiereinrichtung die Oberfläche einer beheizten Walze eines Fixierwalzenpaares mit einer Teflonoberfläche zu versehen, während die Gegenwalze hart ist. Die Nachgiebigkeit der beheizten Walze dient zur Erzielung einer bogenförmigen Anlagefläche und gestattet nicht

S5 die Aufbringung der für eine Druckfixierung ohne Wärmeanwendung erforderlichen Drücke.

Zum Stand der Technik ist auch noch auf die DE-AS 11 20 788 zu verweisen, die eine nachgiebige Druckrolle für die Übertragung eines Tonerbildes von einem xerographischen Zylinder auf ein Bildempfangsmaterial offenbart, während die Beschaffenheit der Rollen einer hier ebenfalls vorgesehenen Druckfixierungsstation nicht erläutert ist. Dem seinerzeitigen Stand der Technik, wie er durch die Literaturstelle XEROGRA-PHY AND THE IBM ELECTROSTATIC PRINTERS« aus der Zeitschrift »PHOTOGRAPHIC ENGINEERING, Volume 7, Nos. 3 und 4,19 756, Seite 137« gegeben ist, entnimmt man jedoch, daß für die Druckfixierung Stahlrollen für erforderlich gehalten wurden, und in Anbetracht der bei einer Druckfixierung ohne Wärme erforderlichen hohen Drücke, schien das auch das Einleuchtende zu sein.

Das Warmschmelzen ist, obgleich es in vielen Fällen zu brauchbaren Ergebnissen führt, deshalb unerwünscht,

5-5 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.

bo 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

bj beweglich und mit Federn verbunden, um dadurch einen gesteuerten Druck zu schaffen. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf die US-Patentschrift 32 69 626 verwiesen. Die Erfahrungen haben nun