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Verfahren und Vorrichtung zum direkten Hoch-
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geschwindigkeitsdrucken In den letzten Jahren wurden erhebliche Anstrengungen
unternommen, um schnellere und wirtschaftlichere Druckverfahren und -vorrichtungen
zur Verfügung zu stellen.
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Da nämlich Informationen in Form von elektrischen Signalen von Rechnern,
Wortprozessoren, Schreibern und anderen elektronischen Geraten mit großer Geschwindigkeit
ausgegeben werden, besteht ein Bedarf für Drucker, die imstande sind, solche Informationen
möglichst mit derselben Geschwindigkeit zu drucken, wie sie zur Verfügung stehen.
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Da ferner die derzeit bereits verfügbare Technik der optischen Zeichenerkennung
es ermöglicht, eine Information, die in sichtbarer Form alphanumerisch oder bildhaft
aufgezeichnet ist, schnell zu digitalisieren und zu speichern, können Druckmaschinen,
Reproduktionsgeräte und Photokopierer durch Hochgeschwindigkeitsdrucker ersetzt
werden, in welche die Informat-ion digital eingegeben wird. Insbesondere besteht
ein Bedürfnis für Hochgeschwindigkeitsdrucker, die ebenso schnell wie oder schneller
als Photokopierer arbeiten, jedoch wirtschaftlicher in Herstellung und Gebrauch
sind und eine bessere Kopierqualität liefern.
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Im Verlauf der Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsdruckern sind verschiedene
Bauarten entstanden, wozu die Anschlagdrucker, die thermischen Drucker, die Tintenstrahldrucker
und Laserdrucker zählen. Zu den schnellsten Druckvorrichtungen gehört der elektrophotographische
Laserdrucker, da es möglich ist, elektromagnetische Energie in Form eines Strahls
schneller zu modulieren und abzulenken als mechanische Druckelemente bewegt werden
können.
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Der grundsätzliche Aufbau eines Laserdruckers umfaßt als erste Stufe
eine Laserstrahl-Ablenkvorrichtung und als letzte Stufe eine Anordnung, die der
bei einem herkömmlichen Photokopiergerät entspricht und eine Bildübertragungstrommel,
einen Riemen oder eine Platte zwischen dem Lichtstrahl und dem zu bedruckenden Substrat
aufweist. In der ersten Stufe eines Laserdruckers wird also ein kohärenter und kollimierter
Lichtstrahl über ein Substrat oder eine Trommel abgelenkt, während er gleichzeitig
entsprechend der auszudruckenden, gespeicherten und digitalisierten Information
durch Ein/ Ausschalten moduliert wird. In der letzten Stufe wird das Substrat bzw.
die Trommel elektrisch aufgeladen und empfangt eine photoleitende Substanz, deren
Ladung entsprechend dem darauf auftreffenden Laserlicht ver-
ändert
wird, um ein Ladungsmuster (latentes Bild) zu schaffen, welches der aufzudruckenden
Information entspricht. Das durch den Photoleiter erzeugte latente Bild zieht Tonermaterial
entsprechend dem Ladungsmuster an und wird schließlich von der zwischengeschalteten
photoleitenden Oberfläche auf das zu bedruckende Papier übertragen, wo es durch
Erhitzen, Druck oder andere Einwirkung fixiert wird.
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Es ist zu beachten, daß bei einem Laserdrucker das Papier nicht direkt
durch den Lichtstrahl bedruckt wird, sondern als Zwischenstufe ein Bildübertragungssubstrat
oder eine entsprechende Trommel benötigt wird. Die Notwendigkeit einer solchen Zwischenstufe
ist ein Umstand, durch den Laserdrucker komplex, teuer und schwierig in Herstellung
und Wartung werden, und dies ist zumindest einer der Gründe, weshalb sie sich bis
heute nicht durchsetzen konnten.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer
Vorrichtung zum Hochgeschwindigkeitsdrucken und -aufzeichnen, durch die Geschwindigkeiten
erreicht werden können, welche vergleichbar mit denen von Laserdruckern sind, wobei
jedoch ein Substrat oder eine Trommel als Zwischenstufe entfallen soll, wodurch
die Kompaktheit, die Arbeitsgeschwindigkeit und die Wirtschaftlichkeit hinsichtlich
Herstellung und Wartung gesteigert werden sollen, da insbesondere weniger Bauteile
benötigt werden und gegebenenfalls auch weniger Bauteile ersetzt werden müssen.
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Als Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist das Aushärten und Drucken
mittels ultravioletter Strahlung von Bedeutung. Eine große Anzahl von photopolymerisier
baren Beschichtungen und Tinten oder Farbschichten werden chemisch gehärtet und
stabilisiert, wenn sie einer geeigneten Ultraviolettstrahlung ausgesetzt werden.
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Derartige Beschichtungen werden insbesondere als letzter
Uberzug
auf Metallgegenständen wie Getränkedosen, Plastikgegenständen wie Schichtstoffen,
auf Holzoberflächen und Furnieren verwendet. Uberdies werden photopolymerisierbare
Farbstoffe für Druckanwendungen verwendet, bei denen Typen aus einem solchen Farbstoff
auf Papier oder ein anderes Substrat aufgeschrieben oder in anderer Weise aufgebracht
und anschließend durch UV-Bestrahlung der gesamten Substratoberfläche gehärtet werden,
wobei nur ein Teil dieser Oberfläche mit Farbstoff beschichtet ist. Derartige Druckverfahren
arbeiten natürlich relativ langsam, da sie durch die Geschwindigkeit eingeschränkt
werden, mit der der Farbstoff in alphanumerischer oder anderer Gestalt entsprechend
der aufzudruckenden Information auf der Oberfläche aufgebracht werden kann.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird gemäß der Erfindung ein zu
bedruckendes Substrat mit einer photopolymerisierbaren und durch Strahlung härtbaren
Substanz beschichtet, ein Strahlungsbündel wird über das Substrat abgelenkt und
gleichzeitig entsprechend der gespeicherten, digitalisierten und aufzudruckenden
bzw. zu kopierenden Information ein/aus-moduliert, um die durch Bestrahlung härtbare
Substanz durch Haftwirkung an das Substrat zu binden, und zwar an mehreren diskreten
Flächenbereichen, welche direkt der gespeicherten und digitalisierten Information
entsprechen, und anschließend wird die nichtanhaftende Beschichtungssubstanz von
dem Substrat entfernt, um ein sichtbares Bild zu entwickeln.
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Gemäß der Erfindung erfolgt also das Drucken direkt auf dem Substrat
mittels einer darauf auftreffenden Strahlung, durch welche die Substanz an das Substrat
gebunden wird, und Zwischenstufen wie Ubertragungsoberflächen oder das elektrische
Aufladen einer Oberfläche oder des Substrats wie bei herkömmlichen Laserdruckern
oder Kopiergeräten können entfallen.
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Der erfindungsgemäße Drucker kann mit Geschwindigkeiten arbeiten,
die mit denen von Photokopiergeräten vergleichbar oder gar größer als diese sind,
und kann herkömmliche Kopiergeräte ersetzen.
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Uberdies ist zur Ausführung der Erfindung kein in besonderer Weise
behandeltes Papier o.dgl. erforderlich, im Gegensatz zu bestimmten Druck- und Kopierverfahren,
und die verwendeten, durch Bestrahlung härtbaren Farbstoffe und Beschichtungen stehen
bereits zur Verfügung. Um die Kosten für den Farbstoff bzw. die Beschichtung und
das Aufbringen derselben niedrig zu halten, wird zunächst das gesamte Substrat beschichtet,
und nach Belichtung durch das aufdruckende Strahlungsbündel wird das überschüssige
Beschichtungsmaterial, welches nicht anhaftet, entfernt und wieder in Umlauf gebracht,
um erneut für die darauffolgenden Beschichtungsvorgänge verwendet zu werden.
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Es kann auch erwünscht oder erforderlich sein, die anhaftende Substanz
besonders fest und dauerhaft an das Substrat zu binden. In diesem Falle wird das
Substrat nach dem Entfernen der überschüssigen Beschichtungssubstanz einer Strahlung
ausgesetzt, die von einer Quarzlampe abgegeben wird, oder das Substrat wird durch
Druckeinwirkung oder auf andere relativ kostengünstige und wirksame Art fixiert
bzw. gehärtet.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen
wird. Die einzige Figur der Zeichnung ist eine schematische Darstellung wesentlicher
Teile einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitsdruckers.
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Ein Substrat in Form einer Bahn 2 aus Papier o.dgl.
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Material, das bedruckt oder mit einer Abbildung versehen werden soll,
wird an einer mit Koronaentladung arbeiten
den, aber nur wahlweise
vorgesehenen Vorrichtung 33 zum Aufladen des Substrates und anschließend an einer
Rinne 4, die einen Farbstoff enthält, sowie unter einem abgelenkten Strahl 6 durch
ollen 8, 10 oder andere geeignete Führungsmittel vorbeigeführt. Die Rinne 4 enthält
einen durch Bestrahlung härtbaren Farbstoff o.dgl.
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Beschichtungsmaterial in Form eines Pulvers oder einer Flüssigkeit
und ist derart ausgebildet, daß sie diese Substanz gleichmäßig auf der Bahn 2 aufbringt,
während diese unter der Rinne durchläuft. Bei der gezeigten Ausführungsform ist
die Rinne 4 ein Behälter mit einer Verschlußklappe 12, die zwischen einer geschlossenen
Stellung, in der kein Farbstoff austreten kann, und einer Offenstellung bewegbar
ist, in der Farbstoff aus der Rinne herausfallt und gleichförmig auf der darunter
durchlaufenden Bahn aufgetragen wird. Bei einer anderen Ausführungsform besitzt
die Rinne 4 eine Klappe, die in mehrere verschiedene Stellungen bewegbar ist, um
je nach der Bewegungsgeschwindigkeit der Bahn 2 eine kleinere oder größere Menge
des Farbstoffes aufzubringen, die auch von dem Material abhängt, aus dem die Bahn
gebildet ist, oder auch von anderen Faktoren. Es können aber auch andersartige Vorrichtungen
zum Aufbringen der Beschichtung bzw. des Farbstoffs verwendet werden. Bei einer
betriebsfähigen Ausführungsform ist ferner eine Einrichtung vorgesehen, um den Farbstoffvorrat
in der Rinne 4 automatisch und kontinuierlich aufzufüllen, z.B. indem der Farbstoff
aus einem größeren Behälter direkt oder indirekt in die Rinne hineingepumpt wird;
dies kann auch durch eine Einrichtung 28 geschehen, welche das Beschichtungsmaterial
im Umlauf hält.
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Als Farbstoff oder Beschichtungsmaterial kann eine pulverförmige oder
flüssige Substanz verwendet werden, und zwar eine von vielen durch Strahlung härtbaren
Substanzen. Als pulverförmige Substanz kann beispielsweise ein äthylenisch ungesättigtes
Epoxypolyesterpolymer verwendet werden, welches in der US-PS 4 163 810 be-
schrieben
ist.
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Das optische System enthält einen Laser 14, der ein kohärentes Bündel
15 im Wellenlängenbereich der Ultraviolettstrahlung oder in einem anderen Wellenlängenbereich
abgibt. Die Strahlbündelung wird durch eine Optik 16 bewirkt. Das Bündel fällt anschließend
auf einen akustooptischen oder elektrooptischen Modulator 18.
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Da ein akustooptischer Modulator aus Glas oder einem Kristall kompressibel
ist, kann er aus miteinander abwechselnden Stauchungen und Dehnungen bestehende
Wellen leiten, die durch einen Schallwandler erzeugt werden, welcher an den Glas-
oderKristallblock angekoppelt ist und durch elektrische Signale erregt wird. Derartige
akustooptische Modulatoren sind wohlbekannt; sie können z.B. aus Bleimolybdat oder
Germanium hergestellt werden.
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Eine Signalquelle 20 liefert elektrische Digitalsignale, die der auf
der Bahn 2 aufzudruckenden Information entsprechen. Die Signalquelle 20 kann beispielsweise
die Ausgabestation eines Wortprozessors oder einer elektronischen Schreibmaschine
sein oder gespeicherte Signale abgeben, die von sichtbar aufgezeichneter Information
abgeleitet werden, wobei diese aufgezeichnete Information durch eine optische Zeichenerkennungsvorrichtung
von einer Vorlage, die nachgedruckt werden soll, abgelesen wird. Wenn das zugeführte
Signal oder Videosignal abgeschaltet ist, was durch eine digitale Null am Ausgang
der Signalquelle 20 dargestellt wird, liegt keinerlei elektrisches Signal am akustischen
Wandler des Modulators 18 an, und der Lichtstrahl 15 durchquert den Nodulatorblock
geradlinig und wird von einer optischen Falle 21 aufgefangen, die beispielsweise
als geschwärzte Wärmesenke ausgebildet ist. Wenn aber das Videosignal eingeschaltet
ist, führt der Ausgang der Signalquelle 20 eine digitale Eins, und ein elektrisches
Signal ist an dem Schallwandler des Modulators 18 vorhanden, wodurch
eine
Schallwelle innerhalb des Modulatorblocks erzeugt wird, die Beugungsgitter innerhalb
desselben erzeugt, durch welches der den Block durchquerende Lichtstrahl im Bragg'schen
Winkel abgelenkt wird.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, trifft der Lichtstrahl, wenn
er im Bragg'schen Winkel abgelenkt wird, auf einer einen Reflektor enthaltenden
Ablenkeinrichtung 22 auf, die den Strahl 6 über die Bahn ablenkt. Die Ablenkeinrichtung
22 ist beispielsweise ein Schwingspiegel oder Galvanometer, ein rotierendes, auf
jeder Fläche verspiegeltes Polygon oder eine akustooptische oder elektrooptische
Ablenkeinrichtung. Um zu gewährleisten, daß das Videosignal zeilenrichtig entsprechend
der gespeicherten Digitalinformation aufgedruckt wird, sind die Signalquelle 20
und der Antrieb 23 der Ablenkeinrichtung 22 elektrisch miteinander durch eine Synchronisationseinrichtung
24 synchronisiert.
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Der Laserstrahl, der bei der gezeigten Ausführungsform von einem #elium-Kadmium-Laser
erzeugt wird, der bei 325 nm emittiert, wlrd mit einer Frequenz von mehreren Megahertz
moduliert. Wenn beispielsweise eine Auflösung von 11,8 Punkten pro Millimeter (300
Punkte pro Zoll) auf der Bahn 2 gewünscht wird, so nehmen 2400 Impulse in einem
Videosignal für eine Zeile eine Breite von 203,2 mm (8") auf der Bahn ein. Die Bahn
kann mit einer solchen Geschwindigkeit bewegt werden, daß nach Ablauf der Zeitspanne,
in der die Ablenkeinrichtung einen vollständigen Zyklus ausführt und in ihre Anfangsstellung
zurückgelangt ist, die Bahn um eine Strecke vorgeschoben wurde, die einem Bildpunkt
in der Vertikalrichtung des Bildrahmens entspricht. Auf diese Weise kann die gesamte
Oberfläche der Bahn mit diskreten Punkten überdeckt werden, und durch selektives
Ein- und Ausschalten des Lichtsignals kann jedes gewünschte Bild dargestellt werden.
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Einzelheiten der verwendeten optischen Ablenkeinrichtung sind an sich
wohlbekannt, da ähnliche Einrichtungen bei bekannten Laserdruckern verwendet werden.
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Der von dem Laser 14 abgegebene Lichtstrahl hat die geeignete Wellenlänge
und eine ausreichend hohe Energiedichte, um eine "Härtung" des Farbstoffes bzw.
der Beschichtungssubstanz zu bewirken, wenn er darauf auftrifft. Unter der Bezeichnung
"Härten" wird hier eine Xreuzvernetzung der Beschichtung von einer solchen Stärke
innerhalb des jeweiligen, örtlich begrenzten Flächenbereiches verstanden, daß die
Beschichtung an dem Substrat anhaftet bzw. in dem betreffenden Flächenbereich an
dieses Substrat "gebunden" ist, so daß die Beschichtung einen festen Film über diesem
Flächenbereich bildet.
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Durch die beim Aushärten auftretenden chemischen Reaktionen der Beschichtung
kann diese auf dem Substrat anhaften, die Moleküle der Substanz können an Nachbarmoleküle
gebunden werden, und es können Temperaturänderungen der Substanz aufgrund von katalytischen
Reaktionen oder eine Kombination dieser Reaktionen auftreten.
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Da der Laserstrahl in der oben beschriebenen Weise ein/aus-moduliert
wird, werden nur diskrete Bereiche des vollständig beschichteten Substrats bestrahlt
und an das Substrat gebunden. Im Anschluß an diesen Vorgang können die ungebundenen
Beschichtungsteile an einer gegebenenfalls vorgesehenen Korona-Entladungsvorrichtung
34 vorbeigeführt werden, welche die Entfernung dieser Beschichtungsteile von dem
Substrat erleichtert.
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Diese Entfernung erfolgt durch "Abziehen" des Bildhintergrundes, d.h.
durch einen Vorgang, der das Gegenteil der Art und Weise darstellt, in welcher das
Bild bei herkömmlichen graphischen oder Kopierverfahren erzeugt wird.
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Bei der gezeigten Ausführungsform wird das überschüssige Beschichtungsmaterial
durch Schwerkraft entfernt, wozu die Bahn derart geführt wird, daß sie nach erfolgtem
Anheften der belichteten Beschichtungsteile nach unten gewendet wird, so daß die
nichtanhaftenden Beschichtungsteile von dem Substrat abfallen. Die überschüssige
Beschichtungssubstanz kann aber auch durch Abblasen oder Absaugen entfernt werden;
in der Zeichnung ist als Beispiel eine geeignete Vorrichtung 32 gezeigt. Bei einer
anderen Ausführungsform wird das Beschichtungsmaterial elektrostatisch entfernt,
indem eine angrenzende Oberfläche entgegengesetzt wie die Beschichtung aufgeladen
und die überschüssige Beschichtung elektrostatisch abgezogen wird; gemäß einer weiteren
Ausführungsform wird ein Magnet mit entgegengesetzter Polarität wie Teilchen in
der gegenüberliegenden Beschichtung verwendet, um das überschüssige Beschichtungsmaterial
magnetisch abzuziehen. Dabei kann die Korona-Entladungsvorrichtung 34 die Haftkräfte
zwischen der ungebundenen Farbbeschichtung und dem Substrat vermindern.
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Das überschüssige entfernte Beschichtungsmaterial kann aufgefangen
und wieder in Umlauf gebracht werden, damit es wieder auf dem Substrat aufgebracht
wird. In der Zeichnung ist eine Sammelrinne 26 gezeigt, in welche das überschüssige
Beschichtungsmaterial hineinfällt, und die Einrichtung 28 kann z.B. ein Pumpsystem
enthalten, um das Beschichtungsmaterial in die Rinne 4 zu befördern.
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Es kann erforderlich oder erwünscht sein, die anhaftenden Beschichtungsteile
auf dem Substrat zu fixieren oder aufzuschmelzen, nachdem die Entwicklung durchgeführt
wurde. Dies kann erfolgen, indem eine Bestrahlung mittels einer Vorrichtung erfolgt,
die wesentlich kostengünstiger als ein Laser ist, z.B. eine Quarzlampe, ein Gasbrenner
oder eine Induktionsheizung; als Beispiel ist in der Zeichnung eine Quarzlampe 30
dargestellt. Das Aufschmel-
zen kann auch durch Druckeinwirkung
erfolgen, z.B. mittels einer Druckrolle, eines Lösungsmitteldampfs, einer Induktionserregung
der Beschichtung und/oder eine Kombination dieser oder anderer geeigneter Maßnahmen.
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Um Kosten und Leistungsbedarf des Lasers möglichst gering zu halten,
sollte die Stärke des Anhaftens nur ausreichend sein, um gegen die Entfernung des
überschüssigen Beschichtungsmaterials beständig zu sein. Überdies sollten die stärksten
Linien im Spektrum des Lasers mit einem Maximum oder Höchstwert des Absorptionsspektrums
der verwendeten Beschichtung übereinstimmen. Die Erfindung wurde zwar anhand der
Verwendung von Beschichtungs-und Farbstoffen beschrieben, die durch Strahlung im
Ultraviolettbereich des Spektrums aushärtbar sind, es kann aber auch Strahlung aus
einem anderen Wellenlängenbereich in Verbindung mit geeigneten Beschichtungs- und
Farbstoffen angewendet werden.
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Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind somit geeignet,
um ohne Anwendung eines Substrats zur übertragung eines Zwischenbildes Informationen
mit hoher Geschwindigkeit auszudrucken. Sowohl herkömmliche Drucker und Druckverfahren
als auch herkömmliche Photokopiergeräte und -verfahren können durch die erfindungsgemäßen
ersetzt werden. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung wird auf Korona-Entladungsvorrichtungen
verzichtet, und beide Seiten der Bahn bzw. des Substrats werden gleichzeitig abgetastet,
um diese gleichzeitig zu bedrucken.
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Zur Verdeutlichung der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
sei darauf hingewiesen, daß ein Papierbogen vom Format 21,6 x 28 cm (8,5 x 11 ")
mit einer Geschwindigkeit von einem Blatt pro Sekunde und einer Auflösung von 11,8
Punkten pro Millimeter sowohl in Horizontalrichtung als auch in vertikaler Richtung
bedruckt werden kann und hierzu eine Lasermodulationsrequenz
von
4,2 Megahertz erforderlich ist.
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In der Beschreibung und in den Patentansprüchen wird der Begriff "Drucken"
im allgemeinsten Sinne gebraucht und schließt das Aufdrucken von nichtalphanumerischen
Bildmustern, Zeichen und Bildelementen ein.