DE2949233A1

DE2949233A1 - Nadeldraht und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2949233A1
Application number: DE19792949233
Authority: DE
Inventors: Boyd E Slade; Peter H Wolf
Original assignee: Ricoh Printing Systems America Inc
Current assignee: Ricoh Printing Systems America Inc
Priority date: 1978-12-15
Filing date: 1979-12-07
Publication date: 1980-07-10
Also published as: IT1127735B; US4256948A; DE2949233C2; IT7928080A0; NL7908920A; JPS55117669A; FR2443933B1; FR2443933A1

Description

29Λ9233

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER ■ D 43OO ESSEN 1 · AM RUHRSTEIN 1 · TEL.: (O2O1) 412687

- t - H D 968

DATAPRODUCTS CORPORATION 6219 DeSoto Avenue, Woodland Hills, Kalifornien 91364,V.St.A.

Nadeldraht und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nadeldraht zur Verwendung in einem Matrix-Druckkopf und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Hochgeschwindigkeitsdrucker, die in der Lage sind, ein Zeichen in Millisekunden zu drucken, finden in der Computertechnik weitverbreitete Anwendung. Da die zur Ausführung der tatsächlichen Druckfunktion erforderliche Zeit in der Praxis der für die Geschwindigkeit der Computerausgabe bestimmende Faktor ist, werden besondere Anstrengungen unternommen, um schneltere und wirksamere Druckmoglichkeiten zu schaffen. Eine Komponente des Hochgeschwindigkeitsdruckers, die sehr erfolgreich und weit verbreitet zur Ausführung der Druckfunktion eingesetzt wird, ist ein Matrix-Druckkopf.

Im Matrix-Druckkopf wird eine Vielzahl dünner Drähte zum Aufdrucken der Farbe auf das Papier verwendet. Diese Drähte werden gewöhnlich als Nadeldrähte bezeichnet. Wenn ein spezieller Buchstabe oder ein besonderes Zeichen gedruckt werden soll, so wird eine geeignete Gruppe dieser Drähte nach vom gegen ein Farbband gestoßen und drückt das Farb-

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band auf das Papier. Jeder Draht hat ein Stoß-Aufnahmeende und ein Druckende, das mit dem Farbband in Kontakt gebracht wird, wobei ein winziger Punkt auf dem Papier abgedruckt wird· Es ergibt sich ein Punktmuster auf dem Papier in einer dem gewünschten Zeichen entsprechenden Konfiguration.

Bei herkömmlichen Ausführungen bestand die an einem Ende des Drahtes ausgebildete Verbreiterung oder der Kopf aus einer mit Kunststoff überzogenen Spirale oder einer schweine— schwanzförmigen Schleife aus Draht in Kunststoff. Die besondere Schwachstelle dieser bekannten Ausführung war der Verbindungspunkt zwischen der schweineschwanzformigen Schleife und dem Drahtschaft. Diese ausgeprägte Schwachstelle bedingte eine sehr sorgfältige Handhabung des Drahtes. Die schweineschwanzartigen Drähte waren sehr hohen Beanspruchungskon— zentrationen, Materialermüdungen und eventuellem Bruch bei Verwendung in Matrix-Druckköpfen unterworfen. Regelmäßig erfolgte ein Bruch an der Übergangsstelle zwischen dem schweineschwanzformigen Schleifenabschnitt und dem Drahtschaft, da diese Verbindungsstelle unter Druckbelastungen eine besondere Schwachstelle bildet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckdraht zur Verfügung zu stellen, der keine ausgeprägten Schwachstellen besitzt und stabil und elastisch ausgebildet ist, so daß er selbst nach einer relativ großen Anzahl von betrieblichen Druckbeanspruchungen nicht bricht. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verdickung an dem dünnen Metalldraht zur Verfügung gestellt, durch das die vorteilhaften physikalischen Eigenschaften oder Charakteristiken des für den Draht verwendeten Metalls nicht beeinträchtigt werden. Die Nadeldrähte können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bei hoher Produktionsgeschwindigkeit hergestellt werden.

Viele der gegenwärtig im Einsatz befindlichen Nadeldrähte

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werden aus einem Metall hergestellt, das eine hohe Stabilität und Elastizität aufweist. Die Methoden zur Ausbildung der schweineschwanzförmigen Schleife oder einer ähnlichen Verbreiterung am Ende des relativ langen Metalldrahts führten jedoch dazu, daß diese erwünschten Eigenschaften des Metalls sowohl im Drahtkopf als auch an der Verbindungsstelle verloren gingen. Außerdem haben sich herkömmliche Herstellungsmethoden als aufwendig und relativ ungeeignet erwiesen', einen widerstandsfähigen Kopf in Massenproduktion herzustellen.

Zur Lösung der Erfindungsaufgabe sieht die Erfindung einen Matrix-Druckdraht vor, der aus einem Draht mit einteilig an einem Drahtende angeformten und mit dem Drahtschaft koaxial ausgerichteten festen sphärischen Kopf besteht. In dieser Ausbildung bleibt der Draht unter Druck praktisch starr, während er einen Punkt auf dem Papier abdruckt, ist andererseits jedoch ausreichend flexibel und elastisch, um zum Ausgleich der Beanspruchung leicht ausbiegen zu können. Nach der Entspannung sorgt die Elastizität des Drahtes dafür, daß er wieder in die ursprüngliche Form airückspringt.

Zur Ausbildung des festen sphärischen Kopfes wird eine zuverlässige und wiederholbare Herstellungsmethode unter Verwendung eines Lasers oder eines anderen Geräts benutzt, mit dem eine hohe Wärmemenge örtlich begrenzt an dem Ende des dünnen Metalldrahts zur Wirkung gebracht werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf den erfindungsgemäßen Nadeldraht; und

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht -nicht maßstabsgetreu -, in der die Bildung des kugelartigen Kopfs am Ende des Nadeldrahts veran-

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schaulicht ist, wobei ein Laserstrahl zum Aufbringen hochkonzentrierter Wärme an dem Drahtende verwendet wird.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, besteht der erfindungsgemäße Nadel-' draht 5 aus einem länglichen dünnen Drahtschaft 6, an dessen einem Ende ein kugelförmiger Kopf 7 ausgebildet ist.

Vorzugsweise hat der Drahtschaft 6 eine Länge im Bereich von etwa 5 bis 10,1 cm und einen Durchmesser von 0,356 mm. Der Draht kann aus Wolfram, Klavierseitendraht, Kohlenstoffstählen, Elgiloy oder irgendeinem vergleichbaren Material hergestellt werden, das die besonderen Eigenschaften hoher Stabilität und Elastizität besitzt, so daß der Draht den wiederholtjen Druckbelastungen, denen der Drahtschaft 6 während der Druckvorgänge unterworfen ist, standhalten kann.

Der Kopf 7 des Druckdrahts 5 ist ein kugelförmiger Vollkörper, der einstückig an einem Ende des Drahtschafts 6 angeformt ist. Der Kopf 7 ist mit dem Drahtschaft 6 koaxial ausgerichtet, so daß es keine Biegestelle oder Abwinklung am Übergang 8 gibt. Der Durchmesser des Kopfs 7 liegt allgemein im Bereich des 2- bis 4-fachen des Durchmessers des Drahtschafts 6.

Eine Anschlagkappe 20 umgibt den kugelförmigen Kopf 7 und ist derart am Kopf 7 befestigt, daß sie die Stoßkraft des Drahtschafts 6 auf das Druckmedium zu übertragen vermag. Vorzugsweise besteht die Anschlagkappe 20 aus Kunststoff, und sie wird direkt auf dem kugelförmigen Kopf 7 geformt, wobei sie etwas mehr als die Hälfte des gesamten kugelförmigen Kopfs 7 umfaßt.

Bevorzugt findet der erfindungsgemäße Nadeldraht 5 in einem Hochgeschwindigkeitsdrucker mit einem Matrix-Druckkopf Verwendung. Ein typischer Druckkopf, in welchem derartige Nadel-

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drähte verwendet werden können, ist in der US-PS 3 929 214 beschrieben. Der aus dieser Druckschrift bekannte Druckkopf verwendet eine Vielzahl von in Matrixanordnung vorgesehenen Nadeldrähten zur Ausführung der Funktion. Die Drähte werden selektiv betätigt, um Punktgruppen zur Ausbildung des gewünschten Zeichens abzudrucken. Ein gewählter Nadeldraht wird mit der Anschlagkappe des Drahts vorgestoßen und drückt ein Farbband gegen das zu bedruckende Medium, wobei ein Punkt auf diesem erscheint. Daher muß ein einzelner Druckdraht impulsartigen Druck- und Entlastungsvorgängen über eine große Anzahl von Zyklen standhalten.

Der Aufbau des beschriebenen Druckdrahts 5 eignet sich besonders gut für diesen speziellen Anwendungsfall. Aufgrund der koaxialen Ausrichtung des Kopfs 7 mit dem Drahtschaft 6 hat der beschriebene Druckdraht 5 eine erhöhte Stabilität unter Druckbeanspruchungen, da die Kräfte entlang der dem Kopf 7 und dem Drahtschaft 6 gemeinsamen Achse wirksam werden. Außerdem erlaubt die Elastizität des metallischen Druckdrahts 5 eine leichte Durchbiegung zum teilweisen Ausgleich der Druckbeanspruchung bei nachfolgender Rückkehr in die Ursprungsform nach Fortfall der wirksamen Kraft.

Ein Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Druckdrahts 5 ist in Fig. 2 veranschaulicht, die zeigt, daß eine kugelförmige Schmelzperle 7 am Ende des Drahtschafts 6 gebildet wird. Gemäß der Darstellung wird ein Laser 10 zum Konzentrieren der Wärme an der Sollstelle verwendet, jedoch können auch andere Methoden zum Aufbringen hoher und örtlich konzentrierter Wärmeenergie verwendet werden, so z.B. Mikrowellen- oder Plasmaschweißen oder Induktionsbeheizung. Bei der dargestellten Methode wird ein Laser 10 verwendet, um an einem Brennpunkt 11, der nahe dem zu schmelzenden Ende des Drahtschafts angeordnet ist, ein hohe Wärmeenergiedichte herbeizuführen. Dieses Verfahren zum Formen des kugelförmigen Vollkörperkopfs 7 macht es möglich, daß der ge-

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schmolzene Teil die Stabilitäts- und Elastizitätseigenschaften des Metalls nach dem Härten beibehält.

Für dieses Verfahren wird bevorzugt ein YAG-Impulslaser·10 verwendet. Dieser Laser 10 emittiert normalerweise ein kohärentes konzentriertes Lichtstrahlbündel 12. Der erste Verfahrensschritt besteht darin, eine Sammellinse 13 irgendwo innerhalb der Strahlenbahn 12 so anzuordnen, daß der Strahl zu einem definierten Brennpunkt 11 konvergiert. Die generell verwendete Linse hat eine Brennweise von 10,16 cm, d.h. der Brennpunkt 11 ist im Abstand von 10,16 cm von der Linse 13 in Fig. 2 entfernt angeordnet.

Nach der genauen Bestimmung der Lage des Laserstrahlbrennpunkts 11 besteht der nächste Schritt darin, den Drahtschaft 6 genau mit Bezug auf den Brennpunkt 11 zu positionieren. Der Drahtschaft 6 muß eine genaue Stellung mit Bezug auf den Brennpunkt 11 haben, da diese Relativstellung bestimmend für die Größe der Kugel 7 und deren Ausrichtung zu dem Drahtschaft 6 ist. Der Drahtschaft 6, der anfänglich einen einheitlichen Querschnitt über die Gesamtlänge besitzt, wird so angeordnet, daß der Brennpunkt 11 in einem bestimmten Abstand 14 von dem Ende des Drahtschafts 6 liegt. Der Abstand 14 wird vorzugsweise entlang des Drahtschafts 6 nach hinten gemessen. Der Drahtschaft 6 muß außerdem so positioniert werden, daß der Brennpunkt 11 von dem Umfang des Drahtschafts 6 beabstandet und die optische Achse des Laserstrahlbündels die Schaftachse schneidet. Abstände in den nachfolgend angegebenen Bereichen ergeben eine Kugel 7 der gewünschten Form und Ausrichtung: Der Abstand 14 sollte im Bereich zwischen dem 1- und 4-fachen des erwarteten Kugeldurchmessers liegen, während der Abstand 15 im Bereich des 1- bis 5-fachen des erwarteten Kugeldurchmessers sein sollte. So kann beispielsweise eine Kugel 7 mit einem Durchmesser zwischen 0,762 und 0,89 mm durch Wahl der Abstände in den oben angegebenen Bereichen hergestellt werden; der Abstand 14 beträgt beispiels-

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weise 2,1 mm und der Abstand 15 liegt im Bereich von 2,54 bis 5,1 mm, wobei die Strahlachse in einer Ebene mit der Achse des Drahtschafts 6 liegt.

Der nächste Schritt des Verfahrens ist die Schaffung einer inerten Atmosphäre 17 zur Verhinderung der Oxydation des im geschmolzenen Zustand befindlichen Metalls. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß die Behandlungsstell-e des Drahtschafts 6 in eine Argon- oder Stickstoffatmosphäre eingehüllt wird. Das gasförmige Argon oder der Stickstoff tritt aus engen Düsen 18 (deren Durchmesser etwa 6,35 mm beträgt) aus, wobei die Düsen in unmittelbarer Nähe des Drahtschafts 6 angeordnet sind.

Der letzte Schritt bei dem Herstellungsprozeß ist die Aktivierung des Lasers 10. Die Intensität des Laserstrahl— bündeis 12 und die Einschaltdauer des Lasers bestimmen das Ausmaß der Verdampfung des geschmolzenen Metalls. Wie oben erwähnt, besteht das Ziel darin, daß die gehärtete Kugel 7 mit dem Drahtschaft 6 koaxial ausgerichtet ist und die Gesamtstruktur die Stabilitäts- und Elastizitätseigenschaften des ursprünglichen Drahts zumindest beibehält oder sogar übertrifft. Um dies zu erreichen, muß verhindert werden, daß die Kugel 7 in dem geschmolzenen Zustand gegenüber dem Ende des Drahtschafts absinkt und das fertige Produkt fehlausgerichtet ist. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß die Schwerkräfte nur sekundäre Wirkungen auf die geschmolzene Kugel 7 haben. Ausführliche Versuchsreihen haben ergeben, daß das Absinken oder Abfallen der geschmolzenen Kugel 7 in erster Linie eine Funktion der beim Schmelzen stattfindenden Verdampfung ist.

Die Reaktionskräfte beim Ausstoß der verdampften Metallteilchen suchen die geschmolzene Kugel 7 gegenüber der

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Drahtschaftachse 16 zu dezentrieren. Es ist daher erwünscht, die Strahlintensität und die Einschaltdauer des Lasers gerade so zu bemessen, daß ein koaxial ausgerichteter sphärischer Kopf 7 entsteht, wobei die Bestrahlungspara-: meter jedoch nicht ausreichen, einen bestimmten Grad der Metal!verdampfung zu erreichen, deren Reaktionskraft die Form und Ausrichtung des Kopfs 7 beeinträchtigen würde. Ein Laserbetrieb nach den folgenden beispielsweisen Angaben hat sich als geeignet erwiesen: Impulslänge im Bereich von 1,6 bis 3,2 Millisekunden, Impulsfolgefrequenz im Bereich von etwa 40 bis 50 Impulsen pro Sekunde, Bestrahlungsdauer etwa 1,0 Sekunden, Energie pro Impuls von 0,8 Joules und mittlere Laserleistung im Bereich von 30 bis 40 Watt.

Das oben beschriebene Herstellungsverfahren führt zur zuverlässigen und wiederholbaren Ausbildung einer Verbreiterung am Ende des Drahtschafts 6 bei einer hohen Produktionsgeschwindigkeit. Das Laserstrahlbündel 12 ruft nur geringe oder keine Verluste an Stabilitäts- und Elastizitätseigenschaften des Metalldrahts in der Schmelzzone hervor.

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Claims

29A9233 PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · D 43OO ESSEN 1 · AM RUHRSTEIN 1 TEL : (02 O1) 412687 3.It. - 1 - D DATAPRODUCTS CORPORATION Ansprüche

1. Nadeldraht zur Verwendung in einem Matrix-Druckkopf, dadurch gekennzeichnet, daß der Nadeldraht (5) aus einem dünnen Metallschaft (6) und einem an dessen Ende angeformten, als Vollkörper ausgebildeten kugelförmigen Kopf (7) besteht und daß der Schaft (6) und der kjgelförmige Kopf (7) im wesentlichen gleichmäßige Stabilitäts- und Elastizitatseigenschaften haben.

2. Nadeldraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtschaft (6) und der Kopf (7) im wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind.

3. Nadeldraht nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (6) zylindrisch ausgebildet ist und der Kopf (7) einen Durchmesser im Bereich des 2- bis 4-fachen des Durchmessers des zylindrischen Schafts (6) hat.

4..Nadeldraht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschlagbauteil, das während einer Druckkopfbetätigung axiale Stoßkräfte auf ein Druckmedium überträgt, den Kopf wenigstens teilweise umschließt und mit diesem fest verbunden ist.

5. Verfahren zur Ausbildung eines Nadeldrahts gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst an einer vorgegebenen Stelle eine Zone hoher Wärmeenergie-

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konzentration verfügbar gemacht und ein Ende eines Drahtes mit der Zone hoher Wärmeenergiekonzentration ausgerichtet wird, daß der Draht mit einer Inertatmosphäre umgeben wird und daß unter Aufrechterhaltung der Inertatmosphäre um den Draht Wärme mit einer solchen Intensität und über eine solche Dauer zugeführt wird, daß an einem Ende des Drahtes ein koaxial ausgerichteter, kugelförmiger Kopf ohne übermässige Metal!verdampfung entsteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Zone hoher Wärmekonzentration ein Laser verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle für die Wärmeenergie ein Lichtbogen- oder Plasmaschweißgerät oder eine Induktionsspule verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahlbündel an einem Brennpunkt zum Konvergieren gebracht und der Draht in eine bestimmte Lagebeziehung zum Brennpunkt und zur Laserstrahlachse gebracht wird, wobei die Größe des am Ende des Drahts ausgebildeten kugelförmigen Kopfs durch den Abstand zum Brennpunkt eingestellt wird, und daß schließlich der Laser eingeschaltet und ein Laserstrahlbündel ausreichender Intensität über eine genügend lange Dauer auf das Ende des Drahtes gerichtet wird, so daß ohne wesentliche Metallverdampfung ein koaxial ausgerichteter kugelförmiger Kopf am Ende des Drahts entsteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt (11) des Laserstrahlbündels hinter dem mit dem kugelförmigen Kopf zu versehenden Ende des Drahts (5) und mit Abstand von der Drahtachse (16) eingestellt wird.

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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt (11) von der Drahtachse (16) um das 1- bis 5-fache des Solldurchmessers des kugelförmigen Kopfs beabstandet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt (11) gegenüber dem mit dem kugelförmigen Kopf zu versehenden Drahtende um das 1- bis 4-^fache Maß des Solldurchmessers des kugelförmigen Kopfs zurückgesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung eines kugelförmigen Kopfs mit einem Durchmesser im Bereich von 0,76 bis 0,89 mm der Brennpunkt in einem Abstand (15) von 2,54 bis 5,08 mm vom Umfang des Drahts/um etwa 2,1 mm zurückgesetzt eingestellt wird, wobei die Strahlachse in eine Ebene mit der Drahtachse (16) gelegt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht zwischen 40 und 50 Impulsen eines Laserstrahlbündels bei einer Impulsdauer im Bereich von 1,6 bis 3,2 Millisekunden ausgesetzt wird und daß ein Laser verwendet wird, dessen mittlere Leistung 30 bis 40 Watt beträgt und der pro Impuls eine Energie von 0,8 Joules abgibt.

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