DE19755584A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fixieren von Tonerbildern - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Fixieren von TonerbildernInfo
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Description
Zur Fixierung von Tonerbildern in der Elektrofotografie und verwandten Verfahren
unterscheidet man grundsätzlich zwischen Kontakt- und Nicht-Kontaktverfahren. Zur
ersteren Gruppe gehören die Fixierung durch heiße Walzen oder Bänder sowie die
Druckfixierung, letztere gegebenenfalls unter dem Einfluß erhöhter Temperatur. Zur
zweiten Gruppe gehören z. B. Strahlungsverfahren unter Einsatz von kontinuierlich oder
auch gepulst arbeitenden Lampen, oder aber die physikalisch-chemische Methode der
Fixierung mittels Lösemitteldämpfen.
Unter diesen Verfahren hat sich heute die Heißwalzenfixierung weitgehend durchgesetzt,
obwohl sie einige Nachteile mit sich bringt, die an anderer Stelle durch erhöhten Aufwand
oder durch Einbußen in der Druckqualität erkauft werden müssen. Ein großes Problem,
mit dem die Heißwalzenfixierung kämpft, ist der sogenannte "Hot-offset", bei dem
geschmolzener Toner auf der Walzenoberfläche haften bleibt und bei nachfolgenden
Umdrehungen an das Substrat abgegeben wird. Es entsteht ein charakteristisches
"Geisterbild".
Um diesem Defekt zu begegnen, werden die Walzenmaterialien so gewählt, daß sie eine
geringe Oberflächenenergie besitzen (wie z. B. PTFE oder Silikongummi), und zusätzlich
wird ein niederviskoses Trennmittel, in der Regel Silikonöl, auf die Oberfläche
aufgetragen. Diese Maßnahmen führen sowohl zur Verteuerung der Einheit als auch zu
unerwünschtem Auftrag von Silikonöl auf den Druck und somit zu nicht kontrollierbarem
Glanz. Ebenso werden zur Verhinderung des Hot-offset an den verwendeten Toner
unbequeme Anforderungen gestellt: die mechanischen Moduln des Toners
(viskoelastische Eigenschaften) müssen so eingestellt sein, daß eine ausreichende
elastische Komponente dem Hot-offset entgegenwirkt. Dies beeinträchtigt die
Fließfähigkeit des Toners beim Fixieren bis hin zur Unterbindung einer ausreichenden
Koaleszenz von Tonertröpfchen. Die beeinträchtigte Fließfähigkeit wirkt sich außerdem
nachteilig auf den Prozeß der Tonerherstellung aus, da zu elastische Materialien beim
Mahlprozeß Schwierigkeiten bereiten. Darüber hinaus werden zur Unterbindung des
Hot-offset dem Toner interne Trennmittel zugesetzt, die wieder die Tonerherstellung kompli
zieren und den Toner verteuern.
Die zweite Gruppe der Fixierverfahren, die Nicht-Kontaktverfahren, kennen die Probleme
des Hot-offset nicht. Die Toner können also "ideal fließfähig" hergestellt werden, man
benötigt kein Silikonöl und keine internen Trennmittel. Die Nachteile der Nicht-
Kontaktverfahren betreffen die kontrollierte Einbringung der benötigten Wärme in die
Tonerschicht. Bei allen Strahlungssystemen ist der thermische Wirkungsgrad - zumindest
bei höheren Fixiergeschwindigkeiten - geringer als bei der Walzenfixierung.
Kontinuierlich arbeitende Strahlungssysteme haben im wesentlichen ein
sicherheitstechnisches Problem, das mit maschinenbaulichem Aufwand erkauft werden
muß. Wird nämlich der Papiertransport unterbrochen (z. B. durch Papierstau) ist die
Gefahr einer Entzündung des Papiers groß. Deshalb werden diese Systeme gewöhnlich
bei Rollenmaschinen, in denen der Papiertransport relativ leicht überwacht werden kann,
nicht aber bei Bogenmaschinen eingesetzt.
Gepulst arbeitende Strahlungsverfahren, sog. Flash-fusing Systeme, erzeugen oft eine
lokale Überhitzung der Tonerschicht, die zum thermischen Abbau der Polymere und
damit zur Emission ungesunder und unangenehm riechender Gase führt. Außerdem wurde
berichtet, daß durch die rasche Aufheizung der Tonerschicht diese zu Mikroexplosionen
neigt, deren Spuren eine gleichmäßige Flächenfüllung verhindern.
Die Methode der Fixierung mit Lösemitteldampf arbeitet nach dem Prinzip, daß die
Tonerschicht auf dem Substrat durch die Dämpfe angequollen wird. Dadurch wird ein
flüssiger Farbfilm auf dem Substrat erzeugt, der sich grundsätzlich wie eine flüssige
Druckfarbe verhalten kann und potentiell hohe Bildqualität liefern sollte. Das Lösemittel
wird nach der Fixierung wieder vom Substrat entfernt. Die Nachteile des Verfahrens
liegen auf der Hand: der Umgang mit organischen Lösemitteln in einer Druckmaschine ist
in Hinblick auf Arbeits- und Umweltschutzaspekte unerwünscht. Zudem basieren
bekannte Systeme auch noch auf halogenierten Lösemitteln (FCKW), deren Verwendung
noch weniger in Frage kommt.
Alle bekannten Verfahren, die mit Temperaturen wesentlich oberhalb von 100°C arbeiten
(typische Fixiertemperaturen liegen bei 170°C), schädigen darüberhinaus das Papier als
wichtigstes Drucksubstrat, indem sie das darin enthaltene Wasser austreiben und zur
Verformung führen.
Diese Probleme werden bei einem Verfahren zum berührungslosen Fixieren eines
Tonerbildes auf einem Substrat durch ein Gas, dem das Tonerbild ausgesetzt wird, gemäß
der Erfindung dadurch gelöst, daß das Gas heiß ist und einen wesentlichen Anteil
Wasserdampf enthält.
Die Erfindung stellt ein System für Nicht-Kontaktfixierung dar, das im Gegensatz zu
Strahlungssystemen als Wärmetransportmedium Wasserdampf verwendet und im Gegen
satz zu Lösemitteldampfsystemen kein nennenswertes Anquellen des Toners bewirkt. Die
Fixierwirkung beruht im wesentlichen darauf, daß die im überhitzten Wasserdampf
gespeicherte Wärme durch Kollision der Wassermoleküle mit dem Toner auf diesen
übertragen wird, wodurch der Toner schmilzt. Falls das Substrat Papier ist, wird durch
den erhöhten Wassergehalt der heißen Luft ein Austrocknen des Papiers verzögert. Eine
unmittelbar nach dem Fixieren erfolgende Kühlung kann der Papieraustrocknung
zusätzlich entgegenwirken.
Das Gas kann zwar zu 100% aus Wasserdampf bestehen, in der Praxis wird das Gas aber
eine Mischung aus Luft und Wasserdampf sein. Mit zunehmendem Luftanteil verringert
sich jedoch der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung auf den Toner. Bei Verwendung
von Papier als Drucksubstrat kann das Verhältnis von Wasserdampf und Luft im Gas so
eingestellt werden, daß einer Papieraustrocknung optimal entgegengewirkt wird.
Mit der Erfindung können Tonerbilder sowohl auf Einzelbogen als auch auf Endlospapier
als Drucksubstrat fixiert werden.
Eine Vorrichtung zum berührungslosen Fixieren von Tonerbildern auf Substrat, mit einer
Transporteinrichtung zum Transport des Substrates durch eine Fixierzone, in der die
Tonerbilder einem Gas ausgesetzt sind, enthält gemäß der Erfindung eine Einrichtung zur
Erzeugung von heißem Gas mit einem wesentlichen Anteil Wasserdampf, wobei das Gas
in einen im wesentlichen geschlossenen Raum geleitet wird, der das gerade in der
Fixierzone befindliche Tonerbild umgibt.
In einer ersten Ausführungsform enthält die Vorrichtung ein mit Ausnahme von einer
Seite im wesentlichen geschlossenes Gehäuse, dessen offene Seite in geringem Abstand
an eine Substrattransportbahn angrenzt, wobei das Gehäuse und die Substrattransportbahn
den im wesentlichen geschlossenen Raum abgrenzen.
In einer zweiten Ausführungsform enthält die Vorrichtung ein im wesentlichen allseitig
geschlossenes Gehäuse, das den im wesentlichen geschlossenen Raum abgrenzt und das
zwei langgestreckte schmale Öffnungen aufweist, durch die hindurch eine
Substrattransportbahn verläuft.
Der geschlossene Raum oder Ofen, der das Fixiergas enthält und durch den hindurch der
Substrattransport stattfindet, kann ohne hohen technischen Aufwand nicht sehr gasdicht
gemacht werden. Die geringsten Dichtigkeitsprobleme ergeben sich, wenn sich der Druck
des Fixiergases nicht wesentlich vom Atmosphärendruck unterscheidet, so daß auch bei
gewissen unvermeidlichen Undichtigkeiten kein nennenswerter Gasaustausch mit der
Umgebung stattfindet.
Der Wärmeaustausch kann dadurch verstärkt werden, daß eine Düsenanordnung in dem
Ofen vorgesehen wird, die den Wasserdampf in konzentrierter Form auf das Substrat
spritzt. Alternativ kann der Ofen auch so konstruiert werden, daß im wesentlichen ohne
eine ausgeprägte erzwungene Strömung, d. h. es findet nur Konvektion statt, allein die
Gegenwart des Wasserdampfes ein Schmelzen des Toners bewirkt.
Es folgt eine Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Darin
zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Fixierofens, der oberhalb einer
Substrattransportbahn angeordnet ist,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Fixierofens, der eine Substrattransportbahn umgibt,
Fig. 3 den Überschuß an innerer Energie von überhitztem Wasserdampf, und
Fig. 4 die für Konvektionsfixierung benötigte Gastemperatur in Abhängigkeit vom
Volumenstrom für Heißluft bzw. Wasserdampf als Wärmetransportmedium.
In einem elektrografischen Drucker passieren Papierbogen nacheinander verschiedene
Stationen, nämlich eine Belichtungsstation, eine Entwicklungsstation und eine
Fixierstation. Fig. 1 zeigt zwei aufeinanderfolgende Papierbogen 1, welche die Fixier
station passieren, wobei sie auf einem nicht gezeigten ebenen Abschnitt eines Trans
portbandes aufliegen, das nach links oder nach rechts in der Figur läuft. Die Fixierstation
enthält im wesentlichen ein quaderförmiges Gehäuse 2, das sich über die Bogenbreite
erstreckt und das eine offene Seite aufweist, die den Papierbogen 1 zugewandt ist. Der
Abstand zwischen den Seitenwänden des Gehäuses 2 und den Papierbogen 1 wird so klein
wie möglich gemacht, so daß im Inneren des Gehäuses 2 ein im wesentlichen
geschlossener Raum 3 gebildet wird. Bei einem gegebenem Abstand zwischen den
Seitenwänden des Gehäuses 2 und den Papierbogen 1, der gerade noch einen
berührungslosen Papiertransport am Gehäuse 2 vorbei zuläßt, kann die Gasdichtigkeit des
Raumes 3 mit Hilfe von Dichtungen 10 verbessert werden, die an den Gehäuseunterseiten
gegenüber den Papierbogen 1 vorgesehen werden, wie in Fig. 1 und 2 schematisch einge
zeichnet.
Das Gehäuse 2 ist durch eine Trennwand 4 in einen unteren Teilraum 3a und einen oberen
Teilraum 3b unterteilt, die auf der linken Seite in der Figur miteinander in Verbindung
stehen, so daß der Raum 3 einen U-förmigen Querschnitt hat. Auf der rechten Seite in der
Figur münden Gaseintrittsleitungen 5 in den unteren Teilraum 3a und
Gasaustrittsleitungen 6 in den oberen Teilraum 3b. Aus den Gaseintrittsleitungen 5 wird
heißer Wasserdampf mit einer Temperatur von z. B. 300°C zugeführt, der den Raum 3
entlang der eingezeichneten Pfeile durchläuft und über die Gasaustrittsleitungen 6 wieder
verläßt.
Der heiße Wasserdampf streicht über die Papierbogen 1, während sie die Fixierstation
passieren, wodurch die in der Entwicklungsstation auf die Papierbogen 1 aufgebrachten
Tonerbilder zum Schmelzen gebracht werden. Nachdem sie die Fixierstation verlassen
haben, werden die Tonerbilder bzw. Papierbogen 1 durch eine nicht gezeigte
Kühlvorrichtung gekühlt, so daß die Tonerbilder dauerhaft mit dem Papier verbunden
werden.
Fig. 2 zeigt eine Variante der Fixierstation von Fig. 1, bei der zwei Gehäusehälften 7a und
7b, die jeweils dem Gehäuse 2 von Fig. 1 ähnlich sind, einander mit ihren offenen Seiten
gegenüberliegen, wodurch ein im wesentlichen geschlossener Raum 8 mit einem unteren
Teilraum 8a und einem oberen Teilraum 8b gebildet wird. Die Seitenwände der
Gehäusehälften 7a und 7b haben einen geringen Abstand voneinander, um langgestreckte
schmale Öffnungen 9a und 9b zu bilden, durch die hindurch Papierbogen 1 nach links
oder rechts in der Figur transportiert werden. Die Gehäusehälften 7a und 7b sind jeweils
mit Gasein- und -austrittsleitungen 5 und 6 wie in Fig. 1 verbunden. In diesem
Ausführungsbeispiel haben die Gehäusehälften 7a und 7b keine Trennwände wie das
Gehäuse 2 von Fig. 1, sondern der heiße Dampf bewegt sich innerhalb jedes Teilraumes
8a bzw. 8b im wesentlichen durch Konvektion, wenn er sich an der Papieroberfläche
abkühlt, wie mit Pfeilen angezeigt.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 wird nicht nur die Bogenoberseite mit den
Tonerbildern darauf von heißem Wasserdampf bestrichen, sondern auch die
Bogenunterseite. Dies wirkt einer Papieraustrocknung sehr zuverlässig entgegen. Es kann
auf vielerlei Weise dafür gesorgt werden, daß der Wasserdampf auch die Bogenunterseite
erreicht. Beispielsweise kann der Bogen an seinen Seiten gehalten werden, während er
den Raum 8 passiert, oder es kann ein gasdurchlässiges Transportband verwendet werden.
Fig. 3 zeigt eine Abschätzung des verfügbaren Energieinhaltes U des Wasserdampfes,
wenn dieser von einer Temperatur T auf 100°C abgekühlt wird, während er das Gehäuse
2 oder die Gehäusehälften 7a bzw. 7b durchläuft.
Es folgt eine nähere Untersuchung der Energiebilanz für Konvektionsfixierung von Toner
bei einer Tonerfixierstation für elektrografische Drucksysteme, deren Funktionsprinzip
auf dem Einblasen von heißem Gas in einen Ofenraum beruht, wobei von einer
Konvektionsfixierung wie in Fig. 2 gezeigt ausgegangen wird.
Im Gegensatz zu anderen heute bekannten kontaktlosen Fixierverfahren, z. B. der
Strahlungsfixierung, wird bei dem erfindungsgemäßen System die in Form von
Wärmestrahlung der Heizelemente anfallende Energie nicht direkt für die Fixierung
genutzt. Anhand zweier Beispiele, nämlich der Einleitung entweder von heißer Luft oder
von heißem Wasserdampf, zeigt die folgende einfache Abschätzung, daß das Konzept des
Wärmetransports durch erhitzten Wasserdampf realisierbar ist. Die für die Abschätzung
verwendeten Größen und Konstanten sind:
Die innere Energie eines Gases ist das Produkt aus Wärmekapazität und Temperatur:
dU = cp.dT (1).
Nach Division durch das Molvolumen Vm erhält man daraus die Energie pro Volumen
EV,
Setzt man als Näherung das Molvolumen idealer Gase Vm = RT/p an, so erhält man
beziehungsweise in der integralen Form
Die verfügbare Heizleistung P der Luft ergibt sich dann durch Multiplikation mit dem
Volumenstrom IV zu
Nach Berücksichtigung eines Konversionsfaktors für den Wirkungsgrad der Fixierung fe
erhält man für die Fixierleistung Pf
Auflösen nach T2 ergibt
Beide Hauptbestandteile der Luft, nämlich N2 (78%) und O2 (21%) haben eine molare
Wärmekapazität von cp = 29 JK-1 mol-1. Also ist dieser Wert auch für trockene Luft
anzusetzen.
Der Druck in der Fixierkammer beträgt p = 1.105 Pa (1 bar).
Die Endtemperatur der Luft kann nicht unter der Erweichungstemperatur normaler Toner
liegen. Diese wird zu 127°C angesetzt, also T1 = 400 K.
Nach G. Goldmann, Technologie der OPS-Hochleistungsdrucker, in das Druckerbuch
(Océ Printing Systems, 1992, S. 3-16) ergibt sich der Energiebedarf Q für das Fixieren
von Toner im wesentlichen aus der Wärmekapazität des Papiers und der Ver
dampfungswärme des im Papier gespeicherten Wassers. Bei 5% Wassergehalt erhält man
Q = 236 J/cm3. Die Energieaufnahme des Toners ist wegen der geringen Tonermenge
vernachlässigbar.
Für die Abschätzung wird folgende Annahme gemacht:
Papiergewicht: G = 0,15 kg/m2
Druckgeschwindigkeit: v = 0,3 m/s
Druckbreite: l = 0,3 m
Dichte: r = 700 kg/m3.
Druckgeschwindigkeit: v = 0,3 m/s
Druckbreite: l = 0,3 m
Dichte: r = 700 kg/m3.
Damit wird im Druckprozeß das Papiervolumen pro Zeiteinheit
durchgesetzt und die zur Fixierung benötigte Leistung ergibt sich zu
Pf ≈ 4.5 kW (11).
Der Wirkungsgrad der Fixierung befrage fe = 0,1, also 10%.
Einsetzen der Werte für T1, cp, p, Pf und fe aus den Annahmen 1 bis 5 in Gl. (8) ergibt
Hiernach errechnet sich beispielsweise für eine Luftförderleistung von 4.10-3 m3 s-1
(= 15 m3/h, das entspricht der Förderleistung bekannter Pumpen mit 1 kW Leistungsaufnahme)
eine Temperatur von 5.1016 K, also ein unsinnig hoher Wert.
Löst man Gl. (12) nach dem Volumenstrom IV auf:
so kann man den benötigten Volumenstrom der Luft für eine gegebene Lufttemperatur
ausrechnen. Bei der maximal möglichen Temperatur der Luft muß man berücksichtigen,
daß sich Papier bei etwa 233°C (506 K) entzündet. Setzt man diese Temperatur für die
heiße Luft an so errechnet sich ein Volumenstrom von 0,55 m3 s-1. Aber auch für 300°C
erhalten wir immer noch 0,36 m3 s-1, bei 400°C 0,25 m3 s-1. Solch hohe Volumenströme
sind nur mit erheblichem technischen Aufwand realisierbar.
Gleichung (8) beschreibt den Zusammenhang zwischen der zur Fixierung verwendeten
Gastemperatur und dem benötigten Volumenstrom
Um das System dahingehend zu verändern, daß es technisch realisierbar wird, muß der
Exponent in Gl. (8) verringert werden. Dies kann z. B. durch eine Erhöhung des
Wirkungsgrades fe oder die Erhöhung des Drucks p geschehen. Der Wirkungsgrad wird in
jedem Falle so gut wie technisch erreichbar angestrebt. Ob man wesentlich über 10%
hinauskommt oder diesen Wert überhaupt erreicht, bleibt zu prüfen. Eine Erhöhung des
Drucks ist nur mit hohem technischen Aufwand möglich und scheidet daher aus.
Es bleiben die Möglichkeiten, die zur Fixierung benötigte Leistung Pf zu verringern und
die Wärmekapazität cp des Gases zu erhöhen. Beides ist durch die Verwendung von
Wasserdampf als Wärmetransportmedium möglich. Pf wird verringert, weil das
Austreiben von Wasser aus dem Papier in einer Wasserdampfatmosphäre verhindert oder
zumindest verlangsamt, und somit nach Goldmann (vgl. oben) nur noch ca. 50% der
Energie zum Fixieren benötigt wird. Auf der anderen Seite wird cp erhöht, weil
Wasserdampf gegenüber Luft mit 33,6 J K-1 mol-1 statt 29 J K-1 mol-1 zu Buche schlägt.
Einsetzen diese Werte in Gl. (8) bei sonst unveränderten Bedingungen ergibt analog zu
Gl. (12) und (13)
Bei einer Gastemperatur von 300°C erhalten wir jetzt rechnerisch einen Volumenstrom
von 0,16 m3 s-1, das entspricht einer Verbesserung gegenüber Heißluft um etwa 66%.
Diese Zusammenhänge werden durch Fig. 4 veranschaulicht, welche die benötigte
Gastemperatur in Abhängigkeit vom Volumenstrom bei der Konvektionsfixierung von
Tonern für Heißluft und Wasserdampf als Wärmetransportmedium nach den Gleichungen
(12) und (14) zeigt.
1
Papierbogen
2
Gehäuse
3
geschlossener Raum
3
a,
3
b Teilräume
4
Trennwand
5
Gaseintrittsleitungen
6
Gasaustrittsleitungen
7
a,
7
b Gehäusehälften
8
geschlossener Raum
8
a,
8
b Teilräume
9
a,
9
b Öffnungen
10
Dichtungen
Claims (10)
1. Verfahren zum berührungslosen Fixieren eines Tonerbildes auf einem Substrat durch
ein Gas, dem das Tonerbild ausgesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gas heiß ist und einen wesentlichen Anteil Wasserdampf enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das heiße Gas eine Temperatur zwischen ungefähr 150°C und 400°C hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat durch eine Zone transportiert wird, in der das Tonerbild dem Gas
ausgesetzt wird, und anschließend durch eine Zone transportiert wird, in der es aktiv
abgekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat Papier ist.
5. Vorrichtung zum berührungslosen Fixieren von Tonerbildern auf Substrat, mit einer
Transporteinrichtung zum Transport des Substrates durch eine Fixierzone, in der die
Tonerbilder einem Gas ausgesetzt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung von heißem Gas mit einem
wesentlichen Anteil Wasserdampf enthält, wobei das Gas in einen im wesentlichen
geschlossenen Raum (3; 8) geleitet wird, der das gerade in der Fixierzone befindliche
Tonerbild umgibt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie ein mit Ausnahme von einer Seite im wesentlichen geschlossenes Gehäuse (2)
enthält, dessen offene Seite in geringem Abstand an eine Substrattransportbahn
angrenzt, wobei das Gehäuse (2) und die Substrattransportbahn den im wesentlichen
geschlossenen Raum (3) abgrenzen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie ein im wesentlichen allseitig geschlossenes Gehäuse (7a, 7b) enthält, das den
im wesentlichen geschlossenen Raum (8) abgrenzt und das zwei langgestreckte schma
le Öffnungen (9a, 9b) aufweist, durch die hindurch eine Substrattransportbahn verläuft.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das heiße Gas eine Temperatur zwischen ungefähr 150°C und 400°C hat.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Substrates, nachdem es den im wesentlichen
geschlossenen Raum (3; 8) verlassen hat.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat Papier ist.
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Publication Number | Publication Date |
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