DE19926464A1 - Mikrodosiervorrichtung und Verfahren zum Ausstoß einer Flüssigkeit - Google Patents

Abstract

Die Mikrodosiervorrichtung weist mindestens einen Druckkopf (1) zum Ausstoß mindestens eines Tropfens (T) einer Flüssigkeit (F) auf und ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Flutungsmittel (4) in einem Bereich, der vom Tropfen (T) durchflogen werden kann, vorhanden ist, welches mindestens teilweise mit einem Gas (G) beaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrodosiervorrichtung und ein Verfahren zum Ausstoß von Flüssigkeit.

Als Mikrodosiervorrichtung wird eine Vorrichtung bezeichnet, mittels der mikroskopisch kleine Tropfen einer Flüssigkeit ausstoßbar sind. Ein Durchmesser des Flüssigkeitstropfens be­ trägt typischerweise, aber nicht ausschließlich, zwischen 5 µm und 200 µm. Beispiele für eine Mikrodosiervorrichtung sind der Druckkopf eines Tintenstrahldruckers und eine Vorrichtung zur Dosierung von medizinischen Wirkstoffen auf ein Substrat, z. B. eine Tablette.

Nach Ausstoß aus der Mikrodosiervorrichtung durchfliegen die Tropfen eine Flugstrecke einer typischen Größenordnung in Millimetern, bevor sie auf ein Zielobjekt auftreffen. In der Regel bewegt sich das Zielobjekt während des Dosiervorgangs. Typische Zielobjekte für Tintenstrahldrucker sind Papierblät­ ter, Postgut (Briefe, Pakete etc.) und zu codierende Waren, und für die medizinische Dosierung Tabletten, die auf einem Förderband an einer Vorrichtung zur Wirkstoffzugabe vor­ beitransportiert werden.

In: M. Döring: "Flüssigkeiten mikrofein dosieren", F Fein­ werktechnik & Messtechnik, Zeitschrift für Elektronik, Optik und Feinmechanik in Feingerätebau und Messtechnik, 99. Jahr­ gang 1991/11, Carl Hanser Verlag, München, ist ein piezoelek­ trisch betriebenes Mikrodosiersystem allgemein beschrieben. In einem Prospekt "Mikrodosierung" der Firma microdrop Ge­ sellschaft für Mikrodosiersysteme mbH wird ebenfalls die Mi­ krodosiertechnik allgemein beschrieben unter Angabe von An­ wendungsbeispielen aus der Herstellungstechnologie (Isolie­ rung von Leiterbahnen, einer Herstellung von uniformen Kunst­ stoffkügelchen etc.) und der Medizin (Auftrag von Medikamen­ ten auf Tabletten etc.).

In einem Prospekt "Einzeltropfenerzeuger" der Technischen Universität München, Lehrstuhl für Feingerätebau und Mikro­ technik ist ein Einzeltropfenerzeuger beschrieben, welcher Biegewandler aus einem piezoelektrischen Material aufweist.

In einem Prospekt "Solo Auto IP 65" der Firma Domino Amjet GmbH, Ink Jet Systeme, wird ein Ink-Jet-Drucker offenbart, der Zielobjekte, insbesondere Lebensmittelverpackungen, be­ schriftet, codiert oder markiert. Im folgenden wird unter Be­ schriftung jegliches Aufbringen lesbarer Zeichen verstanden, z. B. von Buchstaben und Zahlen, Codierungen (Balken-Codes etc.) und Markierungen (Punkte, Streifen etc.). In diesem Pro­ spekt wird eine Beschriftung mit einer unsichtbaren, UV­ lesbaren Tinte erwähnt.

In einem Prospekt "Solo Auto-Generation" der Firma Domino Am­ jet GmbH, Ink Jet Systeme, werden Ink-Jet-Drucker offenbart, die verschiedene Zielobjekt beschriften können, z. B. eine Blechdose, ein Mikrochip und eine Plastikverpackung.

Aufgrund einer gestiegenen Transportgeschwindigkeit des zu beschriftenden Zielobjekts, z. B. der Briefe im Förderband einer Briefsortieranlage, steigt auch die Anforderung an die Dosiervorrichtung in Bezug die Geschwindigkeit der Beschrif­ tung ohne Verschlechterung der Lesequalität. Dies erfordert Tropfen, die mit einer hohen Geschwindigkeit und damit mit einer hohen Energie auf dem Zielobjekt auftreffen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mikrodo­ siervorrichtung bzw. ein Verfahren zum Ausstoß von Flüssig­ keit mit einer erhöhten Geschwindigkeit der Tropfen bereitzu­ stellen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mikrodosiervorrichtung bzw. ein Verfahren zum Ausstoß von Flüssigkeit mit beschleunigter Beschriftung ohne Verschlech­ terung der Lesequalität bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mittels der Patentansprüche 1 bzw. 7 ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen Un­ teransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung basiert darauf, eine Mikrodosiervorrichtung zu verwenden, welche ein druckbeaufschlagbares Flutungsmittel aufweist. Als Flutungsmittel wird eine Vorrichtung bezeich­ net, durch die ein (Volumen-)Bereich mit einem Gas beauf­ schlagbar ist. Das Flutungsmittel ist so angebracht, daß ein aus mindestens einem Druckkopf der Mikrodosiervorrichtung austretender Flüssigkeitstropfen das Flutungsmittel durch­ fliegen kann.

Der Strömungswiderstand C eines Tropfens beträgt

mit ρ = Dichte des durchflogenen Mediums, v = Geschwindigkeit des Tropfens, c_w = spezifischer Widerstandsbeiwert.

Beispielsweise für einen Tintenstrahldrucker ergibt sich eine typische Austrittsgeschwindigkeit v = 10 m/s bis 20 m/s, eine Größe der Tropfen von ca. 40 µm bis 120 µm und eine kinemati­ schen Zähigkeit von Luft von ca. 15.10^-6 m²/s und daraus eine Reynoldszahl von Re = 33 bis 133, entsprechend einer lamina­ ren Strömung der Luft um den Tropfen. Dieser laminaren Strö­ mungsform ist ein Widerstandsbeiwert von c_w = 0,47 zugeord­ net.

Mit Hilfe des Flutungsmittels wird mindestens ein Teil der Flugstrecke des Tropfens mit einem Gas beaufschlagt, welches im Normalzustand eine geringere Dichte aufweist als das Umge­ bungsmedium, typischerweise Luft. Dadurch verringert sich nach Gl. (1) der Strömungswiderstand C linear mit der Dichte ρ.

Aufgrund des verringerten Strömungswiderstandes C ergibt sich als Vorteil eine höhere Austrittsgeschwindigkeit der Flüssig­ keitstropfen aus dem Druckkopf. Daraus wiederum ergibt sich wegen des schnelleren Druckvor­ gangs der Vorteil, daß die Tropfen auf ein wesentlich schnel­ ler vorbeitransportiertes Zielobjekt, z. B. Postgut, gezielt aufbringbar sind.

Es ist vorteilhaft, wenn der vom Tropfen durchflogene und mit dem Gas beaufschlagte Bereich möglichst lang ist, weil da­ durch der Strömungswiderstand C und der Energieverlust bis zum Auftreffen auf das Zielobjekt minimiert wird.

Das Flutungsmittel ist beispielsweise eine am Druckkopf ange­ brachte zylinderförmige Hülse, welche mit einer Gaszufuhr, z. B. einem Druckbehälter mit Druckregler, versehen ist.

Es ist auch vorteilhaft, wenn das Flutungsmittel eine Glocke ist, welche mindestens den Druckkopf umfaßt. Die Glocke weist selbstverständlich Öffnungen dergestalt auf, daß die Flüssig­ keit ungehindert von der Düse durch die Austrittsöffnung an das Schriftgut gelangen kann. Weil durch die typischerweise sehr kleine Austrittsöffnung nur vernachlässigbar wenig Gas austritt, ist es mit geringen Mitteln möglich, eine möglichst geringe und sparsame Druckbeaufschlagung herzustellen.

Eine Verwendung einer Glocke ergibt den Vorteil, daß ein her­ kömmlicher Druckkopf verwendbar ist, was entsprechend preis­ günstig ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß mit ihr ein her­ kömmliches Mikrodosiersystem nachgerüstet werden kann.

Die Glocke reicht vorteilhafterweise möglichst weit über den Druckkopf hinaus in Richtung des Zielobjekts. Eine solche längenoptimierte Glocke besitzt den Vorteil, daß die Tropfen eine lange Strecke innerhalb des Gases (d. h. eines reinen Ga­ ses oder einer Gaskombination) mit der geringeren Dichte fliegen. Dadurch wird der Energieverlust noch weiter im Ver­ hältnis zu einem herkömmlichen Druckkopf verringert. Optima­ lerweise reicht diese Glocke bis kurz vor das Schriftgut.

Als Glocke wird eine vertikal verstellbare Glocke bevorzugt. Mit vertikal wird diejenige Richtung bezeichnet, in die die Druckglocke auf ein vor dem Druckkopf befindliches Zielobjekt bewegt werden kann. Mittels der vertikalen Verstellbarkeit ist somit der Abstand der Glocke zum Zielobjekt einstellbar. Dieser Abstand wird vorteilhafterweise möglichst klein einge­ stellt, so daß der Tropfen möglichst lang innerhalb des Flu­ tungsmittels fliegt.

Zur Druckbeaufschlagung wird ein Gas bevorzugt, welches eine Dichte ρ < 1,293 kg/m³ im Normalzustand aufweist und somit dünner ist als das typische Umgebungsmedium Luft. Dabei wird als Gas Helium bevorzugt, weil es chemisch träge ist und somit sicherheitstechnisch unbedenklich. Weiterhin ist Helium vergleichsweise preiswert. Auch ist Helium mit ei­ ner Dichte ρ von 0,177 kg/m³ im Normalzustand wesentlich dün­ ner als Luft, wodurch nach Gl. (1) der Strömungswiderstand um einer Faktor von ca. 7,3 erniedrigt wird.

Aber auch eine Verwendung eines anderen geeigneten Gases wie Wasserstoff ist möglich, welches eine besonders geringe Dich­ te ρ im Normalzustand aufweist. Eine erhöhte Explosionsgefahr kann beispielsweise mittels eines Sicherheitsgitters verrin­ gert werden.

Als Flüssigkeit kann Druckertinte jeglicher Form, also auch nur unter UV-Licht oder IR-Licht sichtbare Tinte, verwendet werden. Eine solche im sichtbaren Bereich nicht oder kaum sichtbare Tinte besitzt den Vorteil, daß eine Markierung ei­ nes Gutes von einem Endverbraucher in der Regel nicht bemerkt wird.

Die Verwendung der Mikrodosiervorrichtung ist aber nicht auf ein bestimmtes Gebiet oder eine Flüssigkeit eingeschränkt und umfaßt außer der Drucktechnik unter anderem auch die Dosie­ rung von Arzneimitteln, die Dosierung von Quecksilber in Lam­ pen und die Schmierung von Mikrokugellagern.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Mikrodosier­ vorrichtung schematisch näher dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Mikrodosiervorrichtung in Form eines Tin­ tenstrahldruckers,

Fig. 2 zeigt eine weitere, mit einer Glocke ausgestattete, Mikrodosiervorrichtung in Form eines Tintenstrahl­ druckers,

Fig. 3 zeigt einen Tintenstrahldrucker als Teil einer Be­ schriftungseinrichtung für Postgut.

Fig. 1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Mikrodosiervorrichtung innerhalb eines Tintenstrahldruckers, der nach dem Ink-Jet-Prinzip arbeitet.

Diese ist im Bereich zwischen einem Druckkopf 1 und einer Austrittsöffnung 2 mit einem Flutungsmittel 4 ausgestattet. Die Austrittsöffnung 2 ist z. B. in eine Blende eingefügt.

Die Tinte wird aus einem Tank unter Druck mittels einer Flüs­ sigkeitszuleitung 7 zum Druckkopf 1 gefördert und mit hoher Geschwindigkeit aus dem Druckkopf 1 ausgestoßen. Der entste­ hende Tintenstrahl wird dabei mittels Ultraschallanregung in eine hohe Zahl (typischerweise 64 000/s) Tropfen T zerlegt und elektrisch aufgeladen. Die Tropfen T durchfliegen sodann den gasbeaufschlagten Bereich zwischen Druckkopf 1 und Aus­ trittsöffnung 2 und werden danach durch die Austrittsöffnung 2 abgegeben. Hinter der Austrittsöffnung 2 fliegt der Tropfen T im Umgebungsmedium, hier: Luft, bis zum Zielobjekt Z.

Zwischen Druckkopf 1 und Austrittsöffnung 2 werden die Trop­ fen T durch Ablenkplatten 5 entsprechend ihrer Aufladung ab­ gelenkt und stellen so beim Auftreffen auf das zu beschrif­ tende Zielobjekt Z den Schriftzug her. Nicht benötigte Trop­ fen T werden nicht aufgeladen, in einem Rohr aufgefangen und wieder zum Tank zurückbefördert.

Eine übliche Distanz, die ein Tropfen T nach dem Austritt aus dem Druckkopf 1 bis zu den Ablenkplatten 5 durchfliegt, be­ trägt ca. 70 mm. Bis zum Austritt des Tropfens T aus der Aus­ trittsöffnung 2 sind weitere 5 mm bis 10 mm zu überwinden. Allein innerhalb der Mikrodosiervorrichtung hat er aufgrund seines Strömungswiderstandes C Energie verloren, d. h. daß er langsamer geworden ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der von den Tropfen T durchflogene Bereich zwischen Druckkopf 1 und Austrittsöff­ nung 2 vollständig von einem Flutungsmittel 4 umgeben. Das Flutungsmittel 4 besteht aus einem hohlzylindrischen Körper, beispielsweise einer Blechhülse, welche an einem Ende am Druckkopf 1 und an einem anderen Ende um die Austrittsöffnung 2 herum befestigt ist. Das Flutungsmittel 4 kann beispiels­ weise mittels Schweißen oder Kleben befestigt sein. Der Raum innerhalb des Flutungsmittels 4 wird über eine Gaszuleitung 3 mit dem Gas G beaufschlagt. Die Gaszuleitung 3 ist mit einem Druckbehälter mit Druckregler verbunden.

Als Gas G wird Helium verwendet, welches eine Dichte ρ von 0,177 kg/m³ im Normalzustand aufweist und damit weit dünner ist als Luft, welches im Normalzustand eine Dichte ρ von 1,293 kg/m³ aufweist.

Typischerweise ist der Abstand zwischen Austrittsöffnung 2 und dem Zielobjekt Z weit geringer als der typische Abstand zwischen Druckkopf 1 und Austrittsöffnung 2. Daher wird durch das Fluten des Flugbereichs der Tropfen T mit Helium eine si­ gnifikante Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit v sowie der Reaktionsfähigkeit der Mikrodosiervorrichtung erreicht.

Es ist auch möglich, nur Teilbereiche der Flugstrecke der Tropfen T mit dem Gas G zu beaufschlagen. Allerdings wird da­ durch der Energieverlust der Tintentropfen T im Vergleich zur weitergehenden Druckbeaufschlagung gemäß dieses Ausführungs­ beispiels erhöht.

Fig. 2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Mikrodosiervorrichtung als Teil eines Tintenstrahldruckers, welche mit einer Glocke 6 als Flutungsmittel 4 ausgerüstet ist.

Die Glocke 6 umfaßt mindestens den Druckkopf 1, den von den Tintentropfen T durchflogenen Bereich zwischen Druckkopf 1 und Austrittsöffnung 2 sowie die Austrittsöffnung 2. Zudem ist sie noch weiter hinter der Austrittsöffnung 2 in Richtung des Zielobjekts Z gestreckt. Die Tropfen T durchfliegen so­ mit nach ihrem Austritt aus der Austrittsöffnung 2 noch für eine weitere Zeit ein dünneres Medium. Dadurch wird der Strö­ mungswiderstand weiter reduziert.

Somit wird die Reaktion des Druckkopfes weiter verbessert und die Auftreffgeschwindigkeit der Tintentropfen T auf das Schriftgut weiter erhöht.

Die Glocke 6 wird mittels einer Gaszuleitung 3 mit Gas G, vorzugsweise Helium, beaufschlagt.

Die Glocke 6 ist, wie durch den beidseitigen Pfeil darge­ stellt, vertikal verstellbar, so daß der Abstand zum Zielob­ jekt Z minimierbar ist.

Die Glocke 6 ist nicht auf eine Verwendung in einem Ink-Jet- Drucker beschränkt, sondern kann an einer beliebigen Mikrodo­ siervorrichtung befestigt sein, z. B. einem Piezo-Drucker, einem Bubble-Jet-Drucker, einer Schmierdüse, einem Arzneido­ sierer etc.

Fig. 3 zeigt als Schnittdarstellung in Aufsicht eine Anwen­ dung einer Mikrodosiervorrichtung zur Beschriftung von Postz gut (Briefe, Päckchen, Pakete etc.). Die Mikrodosiervorrich­ tung ist Teil eines Tintenstrahl-Drucksystems, z. B. in Ink- Jet-, Bubble-Jet- oder Piezo-Technologie.

Der Druckkopf 1 ist stationär gegenüber einem Transportband 8 angebracht. Auf dem Transportband 8 werden Zielobjekte Z in Form von Postgut ZL in horizontaler Richtung (angedeutet durch den einseitigen Pfeil) transportiert und mit einem Bal­ kencode bedruckt. Die Geschwindigkeit des Transportbandes 8 beträgt zwischen 2,5 m/s und 4 m/s bei einem Durchsatz von 35000 Stücken Postgut ZL pro Stunde. Dies entspricht einer verfügbaren Zeit zwischen zwei Druckvorgängen von 40 ms bei einer Geschwindigkeit des Postguts ZL von 3,5 m/s.

Die vertikale Dicke des Postguts ZL variiert zwischen 0,5 mm und 30 mm, woraus sich ein variabler Druckabstand zwischen Druckkopf 1 und Oberfläche des Postguts ZL von 10 mm bis 39,5 mm ergibt.

Der Druckkopf 1 wird über eine Flüssigkeitszuleitung 7 mit Tinte als Flüssigkeit F beliefert. Er ist von einer Glocke 6 umgeben, welche mittels einer Gaszuleitung 3 mit Helium als Gas G beaufschlagt wird. Die Glocke 6 ist vertikal verfahr­ bar, angedeutet durch den zweiseitigen Pfeil. Durch die ver­ tikale Verfahrbarkeit wird die Glocke der Höhe des Postguts ZL so angepaßt, daß der Abstand zwischen Glocke 6 und Postgut ZL möglichst klein und damit die im Helium durchflogene Strecke der Tropfen T möglichst groß ist.

Claims (10)

1. Mikrodosiervorrichtung, aufweisend mindestens einen Druckkopf (1) zum Ausstoß mindestens eines Tropfens (T), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein druckbeaufschlagbares Flutungsmittels (4) vor­ handen ist, welches vom Tropfen (T) durchflogen werden kann.

2. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Flutungsmittel (4) eine Glocke (6) ist, welche mindestens den Druckkopf (1) umfaßt.

3. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Glocke (6) vertikal verschiebbar ist.

4. Mikrodosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, bei der das Flutungsmittel (4) mit einem Gas (G) ei­ ner Dichte (ρ) kleiner als 1,293 kg/m³ im Normalzustand flut­ bar ist ist.

5. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 4, bei der als Gas (G) Helium einsetzbar ist.

6. Mikrodosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, bei der der Druckkopf (1) ein Teil eines Tinten­ strahldruckers ist.

7. Verfahren zum Ausstoß von Fluid (F), bei dem mindestens ein Tropfen (T) einer Flüssigkeit (F) aus minde­ stens einem Druckkopf (1) ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Tropfen (T) während seines Fluges mindestens teilweise von einem Gas (G) umgeben wird, welches eine geringere Dichte (ρ) aufweist als das Umgebungsmedium.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als Gas (G) Helium verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem als Flüssigkeit (F) Tinte verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9 zur Beschriftung von Stückgut, insbesondere von Postgut (ZL), bei dem

• - der Druckkopf (1) von einer vertikal verstellbaren und mit Gas (G) beaufschlagbaren Glocke (6) dergestalt umgeben ist, daß der Tropfen (T) nach Ausstoß aus dem Druckkopf (1) die Glocke (6) durchquert und danach auf das Zielob­ jekt (Z) in Form des Stückguts trifft,
• - die Glocke (6) vertikal so positioniert wird, daß die in­ nerhalb des Gases (G) zurückgelegte Flugstrecke des Trop­ fens (T) maximiert wird.