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Die
vorliegende Erfindung betrifft Druck und insbesondere Druck unter
Verwendung eines Mehrkopf-Tintenstrahldruckers, der aus einer Vielzahl
von Druckköpfen
aufgebaut ist und breit genug ist, um über die volle Breite eines
Endlossubstrats drucken zu können.
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Ein
Mehrkopfdrucker kann in sogenanntem „Drop-on-Demand"-Tintenstrahldruck (Tropfen-auf-Abruf-Tintenstrahldruck)
zum Bedrucken eines Endlossubstrats benutzt werden, zum Beispiel um
Verpackungen direkt in einer Produktionsstraße zu bedrucken. Diesfalls
kann der Drucker als Teil der Produktionsstraße einem Substratfördermechanismus
gegenüberliegend
angeordnet werden. Solche Drucktechnik ist deshalb besonders interessant
bei der Herstellung von Verpackungen, weil dadurch Produkte eines
und desselben Produktionszyklus ohne Abstellen der Produktionsstraße in Verpackungen
mit unterschiedlichem Aussehen verpackt werden können. So kann beispielhaft
der Verpackungsdrucker die ersten hundert Einheiten einer Verpackung
mit Text in einer bestimmten Sprache bedrucken und anschließend die
nächsten
hundert Einheiten der Verpackung mit Text in einer anderen Sprache
bedrucken. Gleichfalls möglich
ist es, dass der Drucker die Verpackung zunächst mit dem Warenzeichen eines
ersten Kunden bedruckt und anschließend auf das Drucken der Warenzeichen
eines folgenden Kunden umschaltet. In beiden Fällen muss die Fortlaufproduktionsstraße nicht
abgestellt werden, um die Außenverpackung
zu ändern,
was zeit- und kostenersparend für
den Produktionsprozess wirkt.
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Ein
Mehrkopf-Tintenstrahldrucker umfasst eine sehr hohe Anzahl ganz
eng beieinander angeordneter Düsen,
durch die Tinte auf das Bedrucksubstrat aufgespritzt wird und darauf
ein Bild erzeugt. Der Abstand zwischen den Düsen kann etwa 140 μm betragen,
um eine Pixeldichte von 180 dpi zu drucken. Wichtig ist, dass die
Tintenstrahldüsen
in einer präzise
eingestellten Anordnung zueinander ausgerichtet sind. Der kleinste
Ausrichtungsfehler einer einzelnen Düse kann das Druckbild sichtbar
beeinflussen. Zum Drucken einer erwünschten Druckdichte können die
Tintenstrahldüsen
aneinander „geheftet" (nahtlos zueinander
angeordnet) werden, d.h. eine erste Reihe von Düsen kann so angeordnet werden,
dass damit die Leerstellen zwischen den durch eine zweite Reihe
von Düsen
gedruckten Pixeln bedruckt werden.
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Bei
Farbdruck ist für
jede unterschiedlich gefärbte
Tinte eine gesonderte Düse
vorgesehen. Die Düsenanordnung
ist gemäß den Genauigkeitserfordernissen
zu koordinieren. Bei industriellem Vierfarbendruck können viele
unterschiedlich gefärbte
Tinten benutzt werden und sogar in einfachen Druckprozessen können verschiedene
Farben zum Einsatz kommen.
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Ein
Mehrkopf-Tintenstrahldrucker kann aus mehreren Druckköpfen in
Form von insgesamt den Drucker ausbildenden Kassetten aufgebaut
sein. Solche Druckköpfe
sind erhältlich
durch Xaarjet Limited of Cambridge, Großbritannien. Ein solcher Mehrkopfdrucker
beinhaltet den Vorteil, dass ausgefallene Tintenstrahldruckköpfe ersetzt
werden können,
ohne dass der ganze Drucker zu ersetzen ist. Damit der gesamte Drucker
genügend
breit ist, um die Breite eines erwünschten Substrats bedrucken
zu können,
sind die Druckköpfe
aneinander „geheftet", wodurch sich die
Druckköpfe
in die senkrecht auf der Förderrichtung
des Substrats verlaufende Richtung überlappen.
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In
einem Mehrkopfdrucker sind die Druckköpfe also genau auszurichten,
um akzeptable Druckergebnisse zu erhalten. Parallel dazu ist es
erwünscht,
den Drucker zwecks seiner Verwendung in einer Standardproduktionsstraße verhältnismäßig kompakt
zu gestalten.
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Ein
wichtiger Faktor zum Gewährleisten
eines zuverlässigen
Drucks bei Tintenstrahldruck ist eine genaue Steuerung der Temperatur
der Tinte in den Tintenstrahldüsen.
Oft arbeitet der Druckkopf bei einer genügend über der Umgebungstemperatur
liegenden Temperatur, so dass keine Abkühlung der Düsen erforderlich ist. Unter
anderen Bedingungen kann aber der Druckkopf nicht bei solchen Temperaturen
betrieben werden und wird eine gewisse Form von Abkühlung oder
Erwärmung
benötigt.
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Weiterhin
sollte das Temperaturprofil über eine
Matrix von Tintenstrahldüsen
relativ gleichmäßig sein.
In einem Mehrkopfdrucker, in dem die Kassetten aneinander „geheftet" sind, gibt es aber
sehr wenig Raum, in dem ein die Temperatur aller Tintenstrahldüsen steuerndes
Gerät angeordnet
werden kann.
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In
US-A 5 818 516 wird ein Kühlkörper für einen
Tintenstrahlthermodruckkopf offenbart. Der Kühlkörper ist ein fester Bestandteil der
Druckkopfstruktur. Ein Teil der von der Heizplatte zum Kühlkörper abgeführten Wärme wird
in die durch eine Durchführungsleitung
fließende
Tinte sowie in eine Vertiefung des Kühlkörpers überführt. Die Durchführungsleitung
und die Vertiefung sind Teil des Tintenzufuhrwegs zu den Düsen.
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In
EP 0 498 293 werden mehrere
Kühlkörper offenbart:
(1) Stromschienen, die den Chip des Heizelements bestromen, können als
Kühlkörperelemente
verwendet werden, und (2) Flüssigtinte,
die schon mit dem Heizelementchip des Bubble Jet-Druckers in Kontakt
steht und in einem Tintenumpumpsystem mit einem Wärmeaustauscher
verwendet werden kann.
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In
US 5 066 964 wird ein Kühlkörper offenbart,
enthaltend einen Kühlkörperträger in Kontakt mit
einem wärmeerzeugenden
Substrat des Druckkopfes und senkrecht auf dem Kühlkörperträger stehende, der Kontaktfläche zwischen
dem Kühlkörperträger und
dem wärmeerzeugenden
Substrat gegenüberliegende
Rippen. Ein Teil des Kühlkörperträgers und/oder
der Rippen befindet sich im Tintenzufuhrpfad zur Matrix von Düsen und
verstärkt
die Wärmeübertragung
vom Kühlkörper in
den Tintenstrom. In
US 6 007
176 werden ebenfalls ein in Kontakt mit dem wärmeerzeugenden
Substrat stehender Kühlkörperträger sowie
senkrecht auf dem Kühlkörperträger stehende
Rippen offenbart. Der Kühlkörper ist völlig in
der aus den Düsen
auszustoßenden
Tinte eingetaucht.
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In
US 5 017 941 wird ein Kühlkörper offenbart,
enthaltend einen in der Heizplatte eines Thermodruckkopfes eingebauten
Kanal für
eine Kühlflüssigkeit.
Der Kanalweg verläuft
parallel zur Matrix von Wärmewandlern
und ist an einem Ende mit einem Flüssigkeitseinlass und am gegenüberliegenden
Kanalende mit einem Flüssigkeitsauslass
versehen. Die Kühlflüssigkeit
fließt
von einem Ende der Matrix von Wärmewandlern
zum anderen Ende dieser Matrix.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Anordnung
für eine
bessere Temperatursteuerung einer „geheftet" angeordneten Druckkopfkassette.
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Gelöst wird
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch eine Kassette für einen
Mehrkopf-Tintenstrahldrucker, wobei die Kassette zumindest eine Matrix
von Tintenstrahldüsen
und einen Kühlkörper zur
Steuerung der Temperatur der Düsen
umfasst, wobei der Kühlkörper einen
Block aus wärmeleitendem
Material, in dem ein Durchlass für eine
wärmeleitende
Flüssigkeit
vorgesehen ist, und sich wesentlich parallel vom Block zur Matrix
von Düsen
erstreckende Flügelbereiche
aus wärmeleitendem
Material umfasst, wobei der Block und die Flügelbereiche in thermischem
Kontakt mit der Matrix von Tintenstrahldüsen stehen und sich die Flügelbereiche
in eine Richtung senkrecht auf der Matrix von Düsen weniger weit erstrecken
als sich der Block in die gleiche Richtung erstreckt.
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Der
erfindungsgemäße Kühlkörper für die Druckkopfkassette
weist dünne
Flügelbereiche
und einen dickeren Block auf. Dank der dünnen Flügelbereiche kann die Kassette
unter konstanter Steuerung der erforderlichen Temperatur „geheftet" angeordnet werden.
Der dickere Block erlaubt eine Verbindung mit einem Kühlkreis
mit wärmeleitender
Flüssigkeit und
verbessert das gesamte thermische Vermögen des Kühlkörpers, wodurch die thermische
Stabilität aufrechterhalten
bleibt.
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Der
Kühlkörper kann
aus einem beliebigen Material hergestellt werden und in der bevorzugten Ausführungsform
wird als Material Kupfer verwendet. In gleicher Weise kann als wärmeleitende
Flüssigkeit eine
beliebige Flüssigkeit
verwendet werden und wird in der bevorzugten Ausführungsform
Wasser bevorzugt.
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Der
Durchlass für
die wärmeleitende
Flüssigkeit
kann sich bis in die Flügelbereiche
des Kühlkörpers erstrecken.
In diesem Fall kann der Durchlass in den Flügelbereichen dünner gestaltet
werden als im Block.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Nachstehenden anhand eines Beispiels
und mit Verweis auf die zugehörigen
Figuren beschrieben. Es zeigen
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1 schematisch
eine Draufsicht eines Mehrkopfdruckers gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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2 schematisch
eine vergrößerte Vorderansicht
einer einzelnen Kassette des in 1 gezeigten
Druckers und zwar gemäß der Linie
A-A von 1 und
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3 schematisch den Kühlkörper der in 2 gezeigten
Kassette und zwar in vergrößerter Ansicht
(3a) und Draufsicht (3b).
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1 zeigt
einen zum Drucken auf einem Endlosbahnmaterial wie Papier oder Pappe
ausgelegten Mehrkopfdrucker nach einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Drucker umfasst 20 identische Kassetten
(Detailansicht in 2), die jeweils aus zwei 92
mm breiten, auf einem gemeinsamen Träger 2 angeordneten Druckköpfen 1 aufgebaut
sind. Jeder Druckkopf 1 umfasst eine 70 mm breite Matrix 3 von
500 Tintenstrahldüsen
an seinem unteren Ende und eine Anordnung winziger Ventile, die
das Ausstoßen
der Tinte durch die Düsen
steuern. Ein (nicht gezeigtes) Tintenzufuhrelement ist an die Oberseite
des Druckkopfes 2 angeschlossen. Die Matrix 3 von
Tintenstrahldüsen
auf jedem Druckkopf 1 hat eine effektive Druckdichte von
180 dpi. Die zwei Druckköpfe 1 sind mit
solchem Zwischenraum zueinander auf Träger 2 angeordnet,
dass die Düsen
der Matrix 3 des ersten Druckkopfes um die Hälfte des
Abstands zwischen angrenzenden Düsen
zu den Düsen
der Matrix 3 des anderen Druckkopfes beabstandet sind.
Auf diese Weise kann ein erster Druckkopf 1 Pixel zwischen den
durch den anderen Druckkopf 1 gedruckten Pixeln drucken.
Dadurch kann die gesamte Kassette eine effektive Druckdichte von
360 dpi drucken.
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Der
Drucker umfasst ein Gehäuse 4,
in dem jede Kassette an einer präzisen
Stelle angeordnet ist. Das Gehäuse 4 umfasst
einen rechteckigen Außenrahmen 5, über die
eine Vielzahl horizontaler Stäbe 6,
auf denen die Kassetten befestigt sind, angeordnet ist. Bei einem
Drucker in Betriebsstand verlaufen die Stäbe 6 senkrecht auf
der Richtung der Bewegung des Substrats (die z-Richtung). Auf jedem
Stab 6 ist nahe an jeder Kassettenposition ein Anschlag 7 vorgesehen,
der die Bewegung der Kassette in die Richtung am Stab 6 entlang
(die x-Richtung) beschränkt. Träger 2 jeder
Kassette wird durch ein schematisch in 1 durch
eine Feder veranschaulichtes elastisches Element 8 gegen
den zugehörigen
Anschlag 7 gedrückt.
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Wie
sich ganz eindeutig aus 2 ergibt, überspannt jede Kassette einen
Stab 6 und befindet sich an jeder Seite des Stabs 6 ein
Druckkopf 1. Die Bodenfläche des Trägers 2 greift in die
Oberfläche des
Stabs 6 ein und positioniert die Kassette in die senkrecht
auf der Oberfläche
des Substrats (die y-Richtung) verlaufende Richtung und die Innenfläche des
ersten Druckkopfes greift in eine Seitenfläche des Stabs 6 ein
und positioniert die Kassette in die z-Richtung.
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Damit über die
ganze Druckerbreite gedruckt werden kann, sind angrenzende Reihen
von Kassetten aneinander „geheftet", d.h. mit einer Überlappung in
die x-Richtung. Dank der Überlappung
kann die volle Breite des Substrats ununterbrochen durch die Tintenstrahldüsen bedruckt
werden und zwar obgleich die Druckköpfe 1 breiter sind
als die Breite der durch die Druckköpfe getragenen Matrix 3 der
Tintenstrahldüsen.
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Die
in 1 gezeigte Anordnung von Kassetten ist für Vierfarbendruck
(Gelb, Magenta, Cyan, Schwarz) ausgelegt, wobei jede Farbe mit einer
Reihe von drei Kassetten, die an der angrenzenden Reihe von zwei
Kassetten geheftet ist, gedruckt wird. Auf diese Weise werden die
vier Farben nacheinander durch Reihen von Kassetten in die z-Richtung
gedruckt. Zum Drucken von mehr Farben ist nur die Anzahl von Kassettenreihen
zu steigern. Ist eine größere Breite
zu bedrucken, so muss die Anzahl von Kassetten in jeder Reihe gesteigert
werden.
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Zwecks
eines korrekten Betriebs der Tintenstrahldüsen 3 muss deren Temperatur
präzise
gesteuert werden. Die Temperatur der Düsen 3 wird jeweils
durch einen in thermischem Kontakt mit der Außenfläche jedes Druckkopfes 1 stehenden
Kühlkörper 9 gesteuert.
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Der
in 3 gezeigte Kühlkörper 9 ist aus handelsüblichem
Kupfer hergestellt und enthält
einen 18 × 30
mm großen,
massiven Block 10, der sich um 10 mm von der Rückfläche des
Kühlkörpers 9 erstreckt
und in dem zwei Gewindelöcher 11 für den Anschluss
einer (nicht gezeigten) Kühlwasserleitung vorgesehen
sind. Block 10 ist einstückig in einer 70 × 30 mm
großen
Bodenplatte 12 integriert. In der Bodenplatte 12 ist
ein Kanal 13 ausgefräst,
der eine verhältnismäßig flache
Durchlassleitung mit einem Querschnitt von 10 × 1,2 mm ausbildet. Die Gesamtstärke der
Bodenplatte beträgt
2,5 mm und die Bodenplatte bildet die dünnen Flügelbereiche des Kühlkörpers 9 an
jeder Seite des Blocks 10.
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Kanal 13 wird
durch eine auf Bodenplatte 12 geschweißte Rückplatte 14 abgeschlossen.
Bodenplatte 12 ist mit solch großer Präzision gestaltet, dass sie
mit Rohrlötmetall
auf Rückplatte 14 geschweißt werden
und eine zweckmäßige Wasserabdichtung um
Kanal 13 herum bilden kann. Während des Schweißvorgangs
wird mit großer
Vorsicht darauf geachtet, die Flachheit der Bodenplatte 12 nicht
zu beeinträchtigen
und somit einen guten thermischen Kontakt mit der Matrix 3 von
Düsen zu
gewährleisten, wenn
der Kühlkörper 9 am
verschlossenen Ende der auf gleicher Ebene wie die ebenfalls in
gutem thermischem Kontakt mit der Düsenmatrix 3 stehende Rückplatte
des Druckkopfes 1 liegenden Flüssigkeitsleitung befestigt
wird.
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Der
Flüssigkeitskreis
zwischen Kanal 13 und den Löchern 11 im Block
sorgt dafür,
dass Kühlwasser
durch diesen Kreis fließen
und Wärme
von der Matrix 3 von Düsen
abführen
kann. Die Durchführung zu
den Gewindelöchern 11 ist
so gestaltet, dass die Flussbewegung nicht in merklichem Maße im Vergleich
zur Flussbewegung im Kanal 13 selbst beeinträchtigt wird.
Die kalte Seite des Kühlwassers
wird mittels einer über
der Warmwasserrückleitung
laufenden Flüssigkeitsleitung
direkt zum Ende des Kanals 13 geführt.
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Der
Kühlkörper wird
bei einem Durchsatz von 2,6 Liter Wasser pro Minute bei der minimalen Tintenbetriebstemperatur
und einem Druck von mehr als 1 Bar mit Wasser versorgt. Man hat
errechnet, dass bei einer erforderlichen Wärmeabführung von 40 W die maximale
Kühlkörpertemperatur
am Ende der dünnen
Flügelbereiche
etwa 5°C über der
Wassertemperatur liegt. In der Praxis hat sich ergeben, dass der
gemessene Temperaturunterschied sogar unter dem berechneten, auf
pessimistischen Voraussetzungen basierenden Wert liegt.
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Aus 1 ist
ersichtlich, dass dank dem erfindungsgemäßen Kühlkörper 9 die Kassetten
aneinander „geheftet" werden und dadurch
die volle Bereite des Substrats bedrucken können. Dabei sichert der Kühlkörper eine
präzise
Steuerung der Temperatur der Matrix 3 von Düsen.
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Zusammenfassend
lässt sich
sagen, dass eine Druckkopfkassette für einen Mehrkopf-Tintenstrahldrucker
eine Matrix 3 von Tintenstrahldüsen und einen die Temperatur
der Düsen 3 steuernden Kühlkörper 9 umfasst.
Der Kühlkörper 9 ist
aus einem Kupferblock 10 und dünnen kupfernen, sich vom Block 10 parallel
zur Matrix 3 von Düsen
erstreckenden Flügelbereichen 12 aufgebaut.
Im Block 10 ist eine sich in Form eines dünneren Kanals 13 in
die Flügel 12 erstreckende
Durchführung 11 für Kühlwasser
vorgesehen. Block 10 und die Flügelbereiche 12 sind
in thermischem Kontakt mit der Matrix 3 von Tintenstrahldüsen angeordnet.
Kühlkörper 9 beinhaltet
den Vorteil, dass die Kassetten im Drucker aneinander „geheftet" werden und somit
die volle Breite des Substrats bedrucken können.