DE602004003801T2

DE602004003801T2 - Verfahren zum bedrucken von maschengewebe

Info

Publication number: DE602004003801T2
Application number: DE602004003801T
Authority: DE
Inventors: David Andrew Horsnell; Matthew Brian Tomlin; Ammar Lecheheb; John Oliver PRIME; Michael James Fox; Christopher Michael Bates
Original assignee: Willett International Ltd
Current assignee: Willett International Ltd
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: US20060238587A1; CN1795101A; CN101264698A; EP1606118B1; DE602004003801D1; GB0306788D0; WO2004085738A3; EP1606118A2; US7604333B2; WO2004085738A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere ein Verfahren zum Drucken von Bildern auf Fasermaterialien.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viele Gewebe, sowohl Web-, Schlingen- als auch Vliesstoffe, haben eine Oberfläche, die die freien Enden der Fasern insgesamt senkrecht zur Ebene des Gewebes zeigt. Zu solchen Geweben gehören auch Filzmaterialien, wo die Fasern in einer regellos ausgerichteten Masse zusammengedrückt werden, fakultativ in Gegenwart eines Bindemittels wie zum Beispiel eines Klebstoffes; Materialien, die aus Strängen gewebt sind, die aus mehreren einzelnen Fasern bestehen, wo die Oberfläche des Gewebes gebürstet, aufgeraut, aufgescheuert oder anderweitig behandelt wurde, um einige der Fasern aus dem Inneren der Stränge zu lösen, um dem Material eine flauschige Oberfläche zu verleihen, zum Beispiel bei gerautem Nylon; gewebte Materialien, die aus von Natur aus flauschigen Materialien bestehen, wie zum Beispiel gestrickte oder gewebte Angora-, Merino- oder Kaschmirwolle oder Baumwollfrottiergewebe; und teppichartige Materialien wie zum Beispiel Plüsch-, Velours- und Nadelflorteppiche, wo einzelne Strang- oder Faserstücke geknüpft, genäht, geklebt oder anderweitig an einem Folienteil, typischerweise einer netzartigen Trägerfolie befestigt sind, wodurch die freien Enden der Stränge oder Fasern einen Flor bilden, der sich insgesamt senkrecht zur Ebene des Trägers erstreckt, oder wo aus den Strängen oder Fasern Schlingen gebildet sind, die sich insgesamt senkrecht zur Ebene des Trägers erstrecken, und die freien Enden der Schlingen durchtrennt werden können, um den Flor zu bilden. Der Einfachheit halber wird hierin der Begriff Florgewebe verwendet, um alle diese Materialarten zu bezeichnen, wo sich einzelne Fasern oder Fasergruppen umfassende Stränge insgesamt senkrecht zur Ebene des Materials erstrecken, um dem Material eine Oberfläche mit Florwirkung zu verleihen.
Oft sollen auf der Oberfläche von Florgeweben Muster oder Bilder gebildet werden, zum Beispiel ein farbiges Muster. Dies kann dadurch erreicht werden, dass verschiedenfarbige, texturierte oder sonstige Materialstränge aus Wolle oder einem anderen Material bei der Herstellung des Gewebes in dieses eingeflochten werden. Dies ist jedoch schwierig und zeitraubend, vor allem, wenn es sich um ein komplexes Muster handelt und/oder mehrere Farben oder Texturen erwünscht sind. Diese Verwendung mehrerer verschiedener Stränge wird bei der industriellen Fertigung von Gebrauchsgütern, wie zum Beispiel gemusterten Teppichen, zunehmend unökonomisch.
Es wurde daher vorgeschlagen, das Florgewebe aus neutralen oder einheitlich gefärbten Fasern oder Strängen herzustellen und auf die Fasern des Flors Farbe aufzubringen, nachdem das Gewebe gewebt oder anderweitig hergestellt wurde. Bei der Farbe handelt es sich typischerweise um eine Tinte, die mit einer geeigneten Drucktechnik aufgebracht wird. Eine mögliche Drucktechnik ist eine Tintenstrahldrucktechnik mit einem Drop-on-Demand-Drucker, bei dem Tinte durch eine Ansammlung von Düsen ausgestoßen wird, die jeweils an einem jede Düse bedienenden Ventilmechanismus befestigt sind. Das Öffnen und Schließen der Ventile unterliegt der Steuerung eines geeigneten Rechners, so dass die Ventile für die erforderliche Dauer und in der erforderlichen Reihenfolge betätigt werden, um das gewünschte Druckmuster auf dem Gewebe zu erzeugen. Es ergeben sich jedoch Probleme hinsichtlich der Sicherstellung eines gleichmäßigen Aufbringens der Druckfarbe auf die einzelnen Stränge oder Fasern des Flors. Die Tinte sollte auf Teppiche in einer Menge von etwa 300 bis 400 Gew.-% der zu färbenden Faser aufgebracht werden und muss die aus den einzelnen Fasern gebildeten Stränge im Wesentlichen gleichmäßig durchdringen. Wenn eine sehr mobile Tinte mit einer Viskosität von 10 cPs bei 25°C (wie sie bei einem Tintenstrahldrucker normalerweise verwendet wird) benutzt wird, wird sie die Stränge hinablaufen und an der Basis des Flors eine intensive Färbung bilden, so dass der obere Abschnitt des Flors unzureichend gefärbt ist, und es wird nur wenig Durchdringung der Stränge mit Farbe stattfinden. Es ist daher notwendig, die Viskosität der Tinte zu erhöhen, um sicherzustellen, dass sie mit einer ausreichend langsamen Geschwindigkeit die Faser hinabläuft, um ein gleichmäßiges Eindringen der Tinte in die Stränge und eine Bedeckung der Oberfläche der einzelnen Fasern zu erreichen. Je länger der Flor, umso größer wird dieses Problem, und bei langflorigen Geweben, d.h. bei jenen mit einer Florlänge von etwa 2 mm oder mehr, muss eine sehr viskose Tinte mit einer Viskosität von bis zu 500 cPs bei 25°C verwendet werden.
Solche viskosen Tinten lassen sich nur schwer durch die sehr feinen Düsenöffnungen ausstoßen, die typischerweise einen Durchmesser von weniger als 500 μm haben, und es wären Drücke weit über jenen, für die ein mit Ventilen arbeitender Tintenstrahldrucker normalerweise konstruiert ist, erforderlich. Wenn eine Tinte niedriger Viskosität bei solch hohen Drücken aufgebracht wird, kann sie ferner als starker Strahl aus den Düsen austreten und dazu führen, dass sich die einzelnen Stränge umbiegen, so dass die Tinte mit anderen Strängen in dem Flor nicht in Kontakt kommen kann. Es ist daher üblich, Düsen zu verwenden, deren Öffnungen mit zunehmender Länge und Dichte des Flors einen immer größeren Durchmesser haben. Bei einem locker stehenden Flor in einem Frottiergewebe kann es also möglich sein, bei Verwendung von Tinten mit einer Viskosität von 6 bis 15 cPs und einem Druck von 1,5 bis 2 bar durch eine Düse mit einem Durchmesser von 60 μm eine zufriedenstellende Druckqualität zu erreichen. Bei einem schwereren Polstergewebe, das typischerweise eine Florlänge von 3 bis 5 mm hat, kann es jedoch notwendig sein, eine Tinte mit einer Viskosität von etwa 120 cPs, einen Druck von 1,5 bis 2,5 bar und Düsendurchmesser von 90 bis 150 μm zu verwenden. Bei einem Teppich mit einer Florlänge von 15 mm oder mehr ist es notwendig, eine Tinte mit einer Viskosität von bis zu 500 μm, einen Druck von etwa 2 bar und Düsendurchmesser von typischerweise 500 μm zu verwenden, damit die viskose Tinte in ausreichender Menge ausgestoßen werden kann, um die gewünschte Menge an Tinte auf den einzelnen Strängen zu erhalten.
Während es bei Verwendung von Düsen mit großem Durchmesser für Tinten hoher Viskosität möglich ist, die Tinte so auf die Stränge des Flors aufzubringen, dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Färbung der einzelnen Stränge und Fasern erreicht wird, ist die Größe der aus der Düse austretenden Tröpfchen groß genug, um einen sichtbaren Verlust an Schärfe bei dem Druckmuster zu verursachen. Ferner kann die Größe der Tröpfchen dazu führen, dass sich auf den Flor aufgebrachte benachbarte Tröpfchen berühren, so dass es zu einem Ausbluten von Farbe an Stellen kommt, wo die Tröpfen eine unterschiedliche Farbe haben.
Das Dokument EP109242 offenbart ein Verfahren zum Aufbringen einer bilderzeugenden Zusammensetzung mit einem Drop-on-Demand-Drucker, wobei der Drucker mit einem Fluiddruck zwischen 0,1 und 6,2 bar betrieben wird und die bilderzeugende Zusammensetzung eine Viskosität von weniger als 100 cp hat.
Wir haben festgestellt, dass es bei Verwendung eines Drop-on-Demand-Druckkopfes, der mit Frequenzen größer als 1 kHz arbeitet, möglich ist, die Größe der aufgedruckten Tröpfchen zu verringern, was die Probleme des Ausblutens der Farbe verringert und die Schärfe des gedruckten Bildes oder Musters verbessert, ohne die Druckgeschwindigkeit unter ein kommerziell praktikables Maß zu senken. Ferner haben wir festgestellt, dass es möglich wird, einzelne gedruckte Tröpfchen aus dem Druckmuster wegzulassen und somit eine Leerstelle in dem Bild zu drucken, die optisch nicht wahrnehmbar ist, aber bewirkt, dass in den bedruckten Strängen eine Lücke entsteht, die als Sperre für ein Ausbluten der Farbe wirkt. Eine solche Lücke kann auch als schwarze Linie gedruckt werden, die die Ränder von mit unterschiedlichen Farben bedruckten Flächen definiert, was die wahrgenommene Schärfe des gedruckten Bildes oder Musters verbessert.
Außerdem wurde entdeckt, dass Drop-on-Demand-Tintenstrahldrucker auch geeignet sind, Anwendungen zu drucken, bei denen Farbe auf ein dünnes Gewebe, wie zum Beispiel ein Maschengewebe aus Polyester, aufgebracht werden muss, mit dem Ergebniss, dass die Farbe auf jeder Seite des Gewebes von gleicher Brillanz ist. Dieser Effekt ist zum Beispiel erforderlich beim Bedrucken von Flaggen und Bannern. Die meisten bekannten Tintenstrahldruckmaschinen, die zum Bedrucken leichter Textilien verwendet werden, arbeiten eher mit der Impulsstrahldrucktechnik, die zwar einen Druck hoher Schärfe produziert, aber sehr kleine Mengen Tinte punktartig aufbringt. Dies führt im Allgemeinen dazu, dass blasse Farben gedruckt werden, wenn nicht eine Vielzahl von Druckläufen verwendet wird, was die lineare Druckgeschwindigkeit signifikant verlangsamt. Die weiteren Nachteile in Verbindung mit der Impulsstrahldrucktechnik sind die niedrigen Drücke, bei denen Impulsstrahldrucker arbeiten, und die Tinten niedriger Viskosität, die bei diesen Druckern verwendet werden müssen. Dies ist ein besonderer Nachteil beim Textildruck, da Tinten höherer Viskosität bevorzugt werden, da sie eine gleichbleibendere Tiefe der Farbaufnahme durch das Textil bereitstellen, was für einen hochwertigen Druck ganz entscheidend ist. Fluide höherer Viskosität verhindern auch ein seitliches Verlaufen ("Ausbluten") des Fluids, so dass eine schlechte Farbdefinition und/oder ein unbeabsichtigtes "Vermischen" der Farbe an Stellen eines Farbwechsels in dem Druckmuster vermieden werden.
Um eine strahlende Farbqualität zu erhalten und eine gleichbleibende Farbtiefe in dem textilen Flor bei hoher Druckgeschwindigkeit zu erreichen, sollte es vorzugsweise möglich sein, die Tinte aufzubringen, indem die Druckdüsenöffnung geöffnet und so lange offen gehalten wird, dass ein Streifen einer gewünschten Länge gebildet werden kann. Diese Technik wird als Dosieren bezeichnet. Dieses Verfahren unterscheidet sich von der Herstellung einer Vielzahl von Punkten in einem linearen Druck und stellt eine kontinuierliche, gleichbleibende Farbdosierung durch die textilen Fasern hindurch sicher.
Es wurde festgestellt, dass ein Drop-on-Demand-Druckkopf, in dem einzelne Ventile angebracht sind und aus einer gemeinsamen Kammer über ein Stecksystem gespeist werden, dazu ausgelegt sein kann, Effekte sowohl eines punktförmigen Drucks als auch eines dosierenden Drucks zu erzeugen. Ein wichtiges Merkmal dieser Anordnung besteht darin, dass dabei Tinten hoher Viskosität verwendet werden können. Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht darin, dass bei der Konstruktion des Drop-on-Demand-Kopfes Fluiddrücke von bis zu 3,5 bar verwendet werden können. Impulsstrahlköpfe eignen sich nicht für Tinten höherer Viskosität oder für das Aufbringen mit hohem Druck. Ein weiterer Vorteil einzeln aufgesteckter und gespeister Ventile ist die bedeutende Verringerung an Platz für die erforderliche Anzahl von Drucköffnungen, wodurch ein punktweiser Druck mit höherer Schärfe möglich wird. Die Bereitstellung einzelner Ventile, die auf diese Weise angebracht werden können, erlaubt außerdem ein schnelles und kostengünstiges Auswechseln der Ventile zu Wartungszwecken, da die Steckmöglichkeit einen schnellen und genauen Fluid- und Stromanschluss erlaubt. Die Verwendung von Tinten höherer Viskosität (zum Beispiel 12 cp oder mehr) in Kombination mit dem Aufbringen mit hohem Druck erlaubt die Bereitstellung einer Möglichkeit zum Drucken, die mit der sonst bekannten Technologie nicht erreicht werden kann.
Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Drop-on-Demand-Anordnung ist die Möglichkeit, Fluide höherer Viskosität durch die Anordnung zu leiten, ohne dass es zu Strömungsproblemen und Druckabfällen auf der Reihe von Düsenöffnungen kommt. Dies wird erreicht durch eine Kombination von Verfahren der Fluidzufuhr und des inneren Kanalaufbaus. Dieses Merkmal mindert den als 'Streifenbildung' bekannten Effekt, bei dem auf der bedruckten textilen Fläche eine Streifenbildung zu sehen ist, wenn es an den Düsenöffnungen zu einem Druckabfall kommt, vor allem wenn der Druckkopf dosiert. Ein bedeutender zusätzlicher Vorteil des Betriebs in einem Dosiermodus ist die Verringerung der mechanischen Abnutzung der beweglichen Teile des Ventils, weil es weniger Öffnungs- und Schließvorgänge gibt als sonst in einem raschen punktweisen Druckmodus erforderlich wären. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass auf allen benachbarten Öffnungen relativ leicht ein konstanter Druck aufrechterhalten werden kann.
Die Drop-on-Demand-Anordnung kann auch so ausgestaltet werden, dass eine Vielzahl von Modulen (für Ein- oder Mehrfarbendruck) mechanisch dazu ausgelegt sein können, eine größere bedruckte Fläche bei genauer Ausrichtung der Düsenöffnungen bereitzustellen. Auf diese Weise kann zum Beispiel eine Reihe von Modulen dazu ausgelegt sein, eine breite Versorgung mit einzelnen Farben bereitzustellen, während sie physisch auf weitere Reihen von Modulen für andere Farben ausgerichtet sind. Ein wichtiges Konstruktionsmerkmal besteht darin, dass Module ohne weiteres so angebracht werden können, dass eine "nahtlose" Reihe von Düsenöffnungen bei Einhaltung eines genauen Abstands benachbarter Module voneinander erreicht wird. Ferner können diese Reihen von Modulen auch über einen Verteiler mit Tinte gespeist werden, so dass eine Reihe von Modulen speziell für eine Farbe bestimmt ist. Jede Reihe von Modulen ist an einem mechanischen Befestigungssystem angebracht, das so angeordnet sein kann, dass einzelne Module ausgewechselt werden können, ohne den Tintenzufuhrschlauch oder die Ansteuerelektronik zu stören, was die einfache Wartung und/oder das problemlose Auswechseln von Modulen erlaubt.
Außerdem sei angemerkt, dass es beim Drucken im Dosiermodus immer noch notwendig ist, eine sehr genaue Steuerung des Ventils bereitzustellen, so dass die durch die Dosierfolge erzeugte Linie einen schart definierten Abschnitt an ihren Anfangs- und Endpunkten hat. Eine solche feine Steuerung wird mit Hilfe dieser Erfindung erreicht.
Die Konstruktion des Druckermoduls ist dergestalt, dass die Hauptdüsenkammer unter genauer Temperaturregelung erwärmt oder abgekühlt werden kann. Der Vorteil dieses Merkmals besteht darin, dass die Strahlviskosität einiger Tintenarten für Textilien am Punkt der Strahlbildung modifiziert werden kann, um eine optimale Strahlbildungsleistung zu erzielen, während gleichzeitig eine optimale Farbdurchdringungsleistung in Bezug auf das textile Substrat beibehalten wird. Typischerweise wäre dies dort der Fall, wo eine Tinte hoher Viskosität für die notwendige Farbdurchdringung erforderlich ist, und die Strahlbildung der Tinte wird am besten über eine Verringerung der Viskosität durch Wärmeeinwirkung erreicht. Alternativ könnte ein Abkühlmodus eingesetzt werden, wo überschüssige Wärme in dem System so geregelt werden kann, dass die Viskosität für die Strahlbildung nicht zu niedrig ist, um eine optimale Farbdurchdringung des Substrats sicherzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen einer bilderzeugenden Zusammensetzung auf eine oder mehrere Seiten eines Maschengewebes mit einem Drop-on-Demand-Tintenstrahldrucker bereit, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucker mit einem Fluiddruck zwischen 1 und 3,5 bar betrieben wird. Vorzugsweise hat die bilderzeugende Zusammensetzung eine Viskosität von weniger als 100 cp und weiterhin liegt die Viskosität der bilderzeugenden Zusammensetzung vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20 cp. Die Verwendung eines unter Druck stehenden Fluids bietet beim Textildruck einen signifikanten Vorteil gegenüber dem bei Impulsstrahlsystemen üblicherweise verwendeten Fluid. Ein veränderlicher Überdruck bietet die Möglichkeit, Tinten höherer Viskosität auszustoßen, wie sie beim Textildruck typischerweise verwendet werden, und verhindert das Abblättern der Düsen, was bei Impulsstrahlprodukten oft auftritt.
Ein besonders bevorzugter Drop-on-Demand-Tintenstrahldrucker ist einer mit einer Gruppe von Düsen, bei dem ein Magnetventil die Strömung einer Tinte durch die einzelnen Düsenöffnungen steuert und die Düsenöffnungen einen Durchmesser von 20 bis 200 μm, insbesondere etwa 40 bis 60 μm für dünne Arten von Maschengewebe haben und bei dem der Stößel des Magnetventils einen Durchmesser von weniger als 2,5 mm hat. Solche Ventile können so konstruiert sein, dass sie kompakt und somit in der Lage sind, eng aneinanderliegende Punkte zu drucken, wobei die Bildung der Tropfen an den Düsenöffnungen genau gesteuert wird, womit die Schärfe des gedruckten Bildes weiter verbessert wird. Außerdem haben wir festgestellt, dass die Verwendung eines solchen Druckers die individuelle Steuerung des Drucks der Punkte des Bildes erlaubt, so dass ein genaues Aufdrucken von Punkten oder Dosieren von Streifen erzielt werden kann, womit die erreichbare Farbskala und Farbintensität verbessert werden. Ein solcher Drucker erlaubt somit eine unendliche Skalierung der erzielbaren Farbtöne.
Die Erfindung ist anwendbar auf das Aufbringen jeder Art von Bild auf ein Gewebe. Die Erfindung findet jedoch besondere Anwendung beim Aufbringen einer wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Tintenzusammensetzung, um ein gemustertes Bild auf einem Gewebe zu bilden. Um klar definierte Tröpfchen von gleichbleibender Größe, oder im Falle der Dosierung Ströme, an den Düsenöffnungen des Druckers und klar definierte Start- und Stoppvorgänge bei einer Dosierungssequenz zu erzeugen, wird vorzugsweise ein Drucker verwendet, bei dem der Mechanismus der Magnetventile zum Steuern der Fluidströmung zu der Düsenöffnung ein Stößelteil umfasst, das drehbar gelagert ist, um sich in einer elektrischen Spule unter dem Einfluss eines Magnetfelds, das von dieser Spule erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom durch die Spule fließt, zwischen einer Ruhestellung und einer Betriebsstellung axial hin- und herzubewegen, wobei sich das distale Ende des Stößels in eine Ventilkopfkammer mit einer Auslassdüsenbohrung erstreckt und die Hin- und Herbewegung des Stößels dazu geeignet ist, einen Fluidströmungsweg von der Ventilkopfkammer durch diese Bohrung zu öffnen oder zu schließen, dadurch gekennzeichnet, dass:

a. der Stößel einstückig konstruiert ist und aus einem elektromagnetisch weichen Material besteht, das eine Sättigungsflussdichte größer als 1,4 Tesla, vorzugsweise etwa 1,6 bis 1,8 Tesla, eine Koerzitivfeldstärke kleiner als 0,25 A/m und eine relative magnetische Permeabilität über 10.000 hat; und
b. die von der Ventilkopfkammer zu der Düsenöffnung führende Düsenbohrung ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser kleiner als 8:1, vorzugsweise von 1,5:1 bis 5:1, insbesondere von 2:1 bis 4:1 hat.

Der Begriff magnetisch weich wird hierin verwendet, um anzugeben, dass das Material das in ihm durch die Spule induzierte Magnetfeld verliert, wenn der Stromfluss in der Spule unterbrochen wird, im Gegensatz zu einem Permanentmagneten, der seinen Magnetismus behält. Der Einfachheit halber werden hierin die Begriffe distal und proximal verwendet, um jenen Abschnitt eines Bauteils anzugeben, der sich in Bezug auf die Strömung der Tinte oder eines sonstigen Fluids durch das Ventil stromabwärts bzw. stromaufwärts befindet.
Wir haben festgestellt, dass durch die Verwendung der vorgegebenen Materialien für den Stößel viele der Probleme in Verbindung mit der Verwendung herkömmlicher Stößelmaterialien aus Edelstahl, zum Beispiel Carpenter 430F, die Sättigungsflussdichten kleiner als etwa 1,2 Tesla, Koerzitivfeldstärken von etwa 0,95 bis 2 A/m und Permeabilitäten kleiner als etwa 3.000 haben, überwunden werden. Wir haben festgestellt, dass die herkömmlichen Materialien eine übermäßige Wärmeenergie erzeugen, wenn sie bei Frequenzen von 1 kHz hin- und herbewegt werden oder wenn sie in einem konstant offenen Zustand gehalten werden, wie dies beim Dosieren üblich ist. Die Verwendung von Materialien mit einer hohen Sättigungsdichte des Magnetflusses lässt den Stößel rasch auf Änderungen in dem durch die Spule erzeugten Magnetfeld reagieren, ohne dass eine übermäßige Wärme erzeugt wird bzw. ohne dass er über lange Zeit bei vermindertem Leistungspegel offen gehalten werden muss, was bei Dosieranwendungen notwendig ist. Unter dem Einfluss des erzeugten Magnetfelds, wenn ein Strom mit niedriger Stromstärke durch die Spule geschickt wird, trägt die niedrige Koerzitivfeldstärke des Stößelmaterials auch zu dem raschen Ansteigen und Abfallen des in dem Stößel induzierten Magnetfelds bei. Dies, gekoppelt mit der hohen Permeabilität des Materials, erlaubt es, dass zwischen der Spule und dem Stößel rasch eine hohe magnetische Antriebskraft erzeugt wird. Infolgedessen kann der Stößel durch die Spule rasch beschleunigt werden, ohne dass die Spule mit einem hohen Ansteuerstrom, typischerweise über 20 A, beaufschlagt werden muss, was bisher für notwendig gehalten wurde. Dies reduziert wiederum die Wärmeenergie, die erzeugt wird, wenn der Stößel durch die Spule bewegt wird. Aufgrund der niedrigen Koerzitivfeldstärke kann außerdem rasch eine entgegengesetzt gerichtete magnetische Kraft erzeugt werden, indem die Richtung des Stroms in der Spule umgekehrt wird. Diese umgekehrte Kraft kann verwendet werden, um die Bewegung des Stößels zu verlangsamen, wenn er ein oder beide Enden seines Weges erreicht. Dieses magnetische Bremsen kann anstelle von oder in Verbindung mit der Vorspannfeder verwendet werden, mit der der Stößel herkömmlicherweise wieder in seine Ruhestellung zurückgebracht wird. Das magnetische Bremsen kann auch verwendet werden, um den Aufprall des Stößels zu verringern, wenn er am Einlass zu der Düsenbohrung aufsitzt oder offen gehalten wird, wie es zum Dosieren erforderlich ist. Dies erhöht nicht nur die Nutzungsdauer des Stößels und der Dichtungsbauteile, sondern verringert auch die mit dem Schließen des Ventils einhergehende Bildung von Satellitentröpfchen. Normalerweise sollte der erfindungsgemäße Ventilmechanismus jedoch vorzugsweise auch ein vorgespanntes Federteil umfassen, um den Stößel gegen das durch die Spule erzeugte Magnetfeld vorzuspannen, um den Stößel in seine Ruhestellung zurückzubringen, wenn an die Spule kein elektrischer Strom angelegt wird.
Ferner haben wir festgestellt, dass die obige Konstruktion des Ventils über längere Zeit in der offenen Stellung gehalten werden kann, um durchgehende Linien auf das Substrat zu drucken (Dosierung). In der Praxis führt dies oft dazu, dass die Ventile wegen der hohen Stromstärken ausbrennen, die an die Spule angelegt werden, um den Stößel von seiner anfänglichen Ruhestellung in die vollständig geöffnete Stellung des Ventils zu bewegen. Wir haben festgestellt, dass die Amplitude des durch die Spule fließenden Stroms, die erforderlich ist, um den Stößel in der offenen Ventilstellung zu halten, überraschenderweise viel kleiner ist, typischerweise 80 bis 50% kleiner als die Amplitude des Stroms, der erforderlich ist, um den Stößel zunächst von seiner Ruhestellung wegzubewegen. Durch Anlegen eines Stromimpulses, dessen anfängliche Amplitude ausreicht, um den Stößel von seiner Ruhestellung in die offene Ventilstellung zu bewegen, und indem diese Amplitude dann für den Rest des Impulses auf einen niedrigeren Wert reduziert wird, kann das Ventil über längere Zeit offen gehalten werden, um Linien aus Tinte auf das Substrat zu drucken. Dies ist ganz wesentlich für einen Textildruck bester Qualität, wo mit einem Dosiervorgang gearbeitet wird.
Wir haben festgestellt, dass diese Vorzüge in bemerkenswertem Umfang erzielt werden, wenn der Stößel eine geringe Masse hat, zum Beispiel wenn der Stößel einen Durchmesser von weniger als 2,5 mm, insbesondere etwa 1 mm hat, und wenn er ein Länge/Durchmesser-Verhältnis von mehr als 3:1, vorzugsweise von etwa 5:1 bis 10:1 hat. Infolgedessen stellt die Erfindung bei einer bevorzugten Ausführungsform ein kompaktes, leichtes Magnetventil bereit, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Stößel einen Durchmesser von weniger als 2,5 mm, insbesondere etwa 1 mm hat und ein Länge/Durchmesser- Verhältnis von mehr als 3:1, vorzugsweise von etwa 5:1 bis 10:1 hat. Vorzugsweise hat der Stößel eine einstückige Konstruktion und besteht aus einem Material mit den oben definierten magnetischen Eigenschaften.
Überraschenderweise haben wir weiterhin festgestellt, dass dort, wo der obige Ventiltyp in einem Drop-on-Demand-Tintenstrahldrucker verwendet wird, auf das Austrocknen der Tinte in der Düsenbohrung zurückzuführende Probleme verringert sind. Bei Tintenstrahldruckern führt das Austrocknen der Tinte durch Verlust an Lösungsmittel oder Trägermedium für die Tinte, wenn sich Drucker oder Düse im Ruhezustand befinden und keine Tinte durch die Düsenbohrung fließt, zur Bildung von festen Ablagerungen in der Bohrung. Wenn bei einem herkömmlichen Drop-on-Demand- oder Impulsstrahldrucker das Ventil oder der Wandler des Druckkopfes nach einer solchen Ruheperiode wieder betätigt wird, um ein Tröpfchen aus der Düsenöffnung auszustoßen, behindert diese Ablagerung die Strömung der Tinte durch die Düsenbohrung. Infolgedessen werden die ersten aus der Düsenöffnung ausgestoßenen Tröpfchen verformt und sind nicht gleich groß. Überraschenderweise haben wir festgestellt, dass sich die obige Ventilkonstruktion trotz eines kleineren Länge/Durchmesser-Verhältnisses der Düsenbohrung im Vergleich zu einem Drop-on-Demand-Drucker nach einer Ruheperiode rascher wieder erholt als ein Ventil eines herkömmlichen Drop-on-Demand-Tintenstrahldruckers. Infolgedessen sind die auf eine Verformung des ersten Tröpfchens nach einer Ruheperiode des Ventils zurückzuführenden Probleme verringert.
Überraschenderweise haben wir festgestellt, dass durch eine Verringerung des Länge/Durchmesser-Verhältnisses der Düsenbohrung auf kleiner als 8:1, insbesondere kleiner als etwa 5:1 und, mit zunehmender Viskosität, insbesondere kleiner als 2:1 Veränderungen von Form und Größe der an der Düsenöffnung erzeugten Tröpfchen bei Verwendung der obigen Ventilkonstruktion verringert werden können. Durch Verringern der Länge der Düsenbohrung wird ferner der Druckabfall auf der Düse verringert, so dass an der Düsenöffnung eine schnellere Austrittsgeschwindigkeit erreicht werden kann. Überraschenderweise wird dies erreicht, ohne dass die Tröpfchen versprüht werden, d.h. ohne dass das Tröpfchen an der Düsenöffnung in eine Vielzahl kleinerer Tröpfchen aufgebrochen wird. Dadurch kann bei einem gegebenen Tintendruck über eine gegebene Länge des Flugwegs eine höhere Frequenz der Tröpfchenerzeugung erreicht werden, und es kann dabei immer noch ein unidirektionaler Strahl zu Dosierzwecken strömen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Ventil mit einer Düsenplatte mit mehreren Düsenbohrungen verwendet, die im Wesentlichen gleichzeitig in einem einzigen Vorgang ausgebildet werden, so dass die Düsenplatte eine einstückige Konstruktion ohne Verwendung von Edelsteindüsen hat. Eine solche einfache einstückige Düsenstruktur kann mit einer Vielzahl von Techniken problemlos hergestellt werden und überwindet die Probleme in Verbindung mit der fehlerhaften Ausrichtung von Edelsteindüsen in einem Mehrdüsendruckkopf.
Wie oben angegeben, ist der Stößel einstückig konstruiert und besteht aus einem Material mit den vorgegebenen Eigenschaften. Der Stößel besteht vorzugsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung, die typischerweise 40 bis 55% Nickel enthält, vorzugsweise aus einer Legierung, die von 45 bis 50% Nickel und 55 bis 50% Eisen enthält. Falls gewünscht, können auch andere Metalle, zum Beispiel Chrom oder Aluminium, in geringen Mengen vorhanden sein. Bevorzugte Materialien zur vorliegenden Verwendung sind jene mit einer Sättigungsflussdichte über 1,6 Tesla, zum Beispiel 1,8 Tesla oder mehr. Die Koerzitivfeldstärke ist kleiner als 0,5 A/m, insbesondere kleiner als 0,25 A/m. Die Permeabilität ist vorzugsweise größer als 50.000, zum Beispiel 100.000 oder mehr. Geeignete Materialien zur vorliegenden Verwendung schließen alle die verschiedenen Legierungen ein, die unter den Handelsnamen Permenorm 5000 und Vacofer SI verkauft werden.
Der Stößel kann auch ganz aus solchen Materialien hergestellt werden, zum Beispiel durch Ziehen oder durch Bearbeiten eines zylindrischen oder anders geformten Stößels aus dem massiven Material mit einer geeigneten Technik. Alternativ kann der Stößel aus einem gefritteten, gepressten oder gegossenen polymeren oder keramischen Träger gebildet werden, in dem Teilchen eines geeigneten ferromagnetischen Materials oder einer Mischung von Materialien dispergiert sind. Als weitere Alternative kann das Material, aus dem der Stößel hergestellt wird, ein Laminat verschiedener Arten von ferromagnetischem Material sein, um eine Verbundstruktur mit den erforderlichen Gesamteigenschaften zu ergeben. Der Einfachheit halber wird die Erfindung nachfolgend anhand eines einstückigen Stößels beschrieben, der aus einem massiven Körper aus einer einzigen Ni/Fe-Legierung gebildet ist.
Der Stößel wird geeigneterweise durch spanendes Bearbeiten, Walzen oder Extrudieren der gewünschten Legierung zu einem Stück Material mit der gewünschten Größe und Form hergestellt. Wie oben angegeben, ist es besonders vorzuziehen, den Stößel als insgesamt zylindrisches Teil mit einem Durchmesser kleiner als 2,5 mm und einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von mehr als 3:1, vorzugsweise 5:1 bis 10:1, herzustellen, da ein solcher Stößel verwendet werden kann, um dem Ventil eine kompakte Bauweise zu verleihen.
Wenn der Stößel einen Durchmesser größer als etwa 2,5 mm hat, kann ein Teil des Kerns des Stößels entfernt werden, um in dem Stößel eine innere Bohrung zu bilden, die sich von dem distalen Ende des Stößels erstreckt. Dies reduziert die Masse des Stößels. Überraschenderweise werden die magnetischen Eigenschaften des Stößels dadurch nicht signifikant beeinflusst, und der Stößel verhält sich magnetisch, als wäre er ein massives Teil. Zum Beispiel kann eine axiale Bohrung als Sackbohrung von dem distalen Ende aus in einer massiven Stange aus einem geeigneten Material gebildet werden. Vorzugsweise erstreckt sich die Bohrung nicht axial in den Abschnitt des Stößels hinein, der sich in der Spule befindet, wenn der Stößel ganz in die Spule hinein eingezogen ist, so dass der in der Spule befindliche Abschnitt des Stößels massiv ist. Dies maximiert die Magnetkraft, die auf den Stößel wirkt, wenn der Stößel zu Beginn aus der Spule ausgefahren wird, wenn die Spule erregt wird.
Während der Bearbeitung der bevorzugten Konstruktionsmaterialien zur Herstellung des Stößels für das Ventil können die magnetischen Eigenschaften des Materials beeinflusst werden. Es kann daher erwünscht sein, den hergestellten Stößel einer Art Nachformbehandlung zu unterziehen, um die magnetischen Werte wiederherzustellen. Zu diesen Behandlungen gehören eine Wärmebehandlung bzw. eine mechanische Stoßbehandlung, die zu einer Änderung in der Kristallzusammensetzung des Materials führen. Die optimale Art der Nachformbehandlung lässt sich ohne weiteres durch einfaches Ausprobieren ermitteln.
Der Stößel wird typischerweise einen kreisrunden Querschnitt haben und mit Gleitsitz in die zylindrische Bohrung eingepasst sein, die sich in axialer Richtung in der Spule erstreckt, so dass er in der Spule gleichmäßig hin- und herbewegt werden kann. Es liegt jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass der Stößel einen polygonalen oder sonstigen nicht-kreisrunden Querschnitt hat und/oder dass die Bohrung in der Spule nicht-kreisrund ist, um zwischen dem Stößel und der Spule axiale Fluidströmungskanäle bereitzustellen. Dadurch kann Fluid aus dem proximalen Ende der Spulenbohrung verdrängt werden, wenn der Stößel in die Spule eingezogen wird, und die Dämpfung der Bewegung des Stößels durch das Fluid wird damit verringert. Alternativ oder zusätzlich können diese Kanäle verwendet werden, um Fluid von einem Einlass am proximalen Ende der Ventilbaugruppe zu der Ventilkopfkammer am distalen Ende der Spule zu leiten. Zum Beispiel kann der Stößel mit zwei oder mehr axialen Abflachungen ausgebildet sein, die mit den Wänden einer zylindrischen Spulenbohrung zusammenwirken, damit Fluid an dem Stößel vorbeiströmen kann. Diese Fluidströmung kann auch dazu dienen, Stößel und Spule während des Betriebs des Ventils zu kühlen.
Wie oben angegeben, unterscheidet sich die zwischen der Ventilkopfkammer und der Düsenöffnung verlaufende Düsenbohrung insoweit von der Düsenbohrung, die bei einem herkömmlichen Drop-on-Demand-Druckkopf oder bei einem Impulsstrahldruckkopf verwendet wird, als das Länge/Durchmesser-Verhältnis der Bohrung typischerweise kleiner ist als 5:1, verglichen mit dem bei einem herkömmlichen Drop-on-Demand-Druckkopf verwendeten Verhältnis von 10:1 und größer, und größer als etwa 1,5:1, verglichen mit dem bei einem Impulsstrahlkopf verwendeten Verhältnis von kleiner als 0,5:1. Wir ziehen ein Länge/Durchmesser-Verhältnis von 2,0:1 bis 5:1, insbesondere von 2:1 bis 4:1, vor. Außerdem wurde festgestellt, dass bei den Tinten höherer Viskosität, die zum Bedrucken dünnerer Materialien verwendet werden, ein Verhältnis größer als 1:1 anwendbar ist.
Wir haben festgestellt, dass die in der Bohrung zu der Düsenöffnung der obigen Ventilkonstruktion nach dem Ausstoßen eines Tröpfchens aus der Düsenöffnung verbleibende Fluidmenge normalerweise kleiner ist als mit einem herkömmlichen Drop-on-Demand-Druckkopf erreicht werden kann. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn das Länge/Durchmesser-Verhältnis der Düsenbohrung bewirkt, dass ein Volumen der Düsenbohrung erreicht wird, das ungefähr dem Tintenvolumen entspricht, das bei jeder Betätigung des Ventils ausgestoßen werden soll. Infolgedessen ist die dämpfende Wirkung der Trägheit dieses Fluids auf die Bewegung des Stößels des Ventils verringert, was weiter zu einer raschen Bewegung des Stößels unter dem Einfluss der Spule und somit zu einer hochfrequenten Betätigung des Ventils beiträgt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Drop-on-Demand-Druckkopfs zur vorliegenden Verwendung sind die Düsenöffnung und die Bohrung, durch die die Tinte bei Betätigung des Ventils ausgestoßen wird, einstückig ausgebildet, zum Beispiel gleichzeitig mit dem Schneiden oder anderweitigen Ausbilden einer Bohrung in einer Platte, auf der der Ventilmechanismus anzubringen ist. Zum Beispiel werden Bohrung und Düsenöffnung durch einen Laser, durch Elektroformen oder Ätzen, durch Nadeln oder sonstige Techniken in einer Düsenplatte ausgebildet. Die Düsenplatte kann eine Dicke von 50 bis 400 μm haben, um die gewünschte Länge der Bohrung zu erreichen. Bei dieser Dicke nimmt die Düsenplatte die Form einer Metallfolie oder sonstigen Folie an, die in einem geeigneten Tragteil angebracht wird, um eine starre und mechanisch stabile Düsenplattenbaugruppe bereitzustellen. Wir haben festgestellt, dass durch das gleichzeitige Ausbilden der Düsenbohrungen in einer Mehrdüsen-Düsenplatte auf die fehlerhafte Ausrichtung der Bohrungen zueinander zurückführende Probleme minimiert werden.
Außerdem haben wir festgestellt, dass durch entsprechende Auswahl der Technik zur Herstellung der Bohrung die Wände der Bohrung ausreichend glatt sind, um einen Strömungsabriss und die Bildung von Wirbeln an der Grenzfläche zwischen den Wänden der Bohrung und dem durch die Bohrung strömenden Fluid zu verringern; dies unterstützt die Strömung von Fluiden höherer Viskosität, wie sie beim Textildruck erforderlich sind. Ferner können solche Techniken auch verwendet werden, um auf der Düsenplatte weitere Merkmale auszubilden, die die Funktionsweise des Ventils verbessern. Zum Beispiel kann das Elektroformen oder Ätzen einer Metallfolie verwendet werden, um die Bohrungen/Düsenöffnungen in der Platte zu bilden und auch um eine erhabene Lippe oder einen Wulst um den Einlass der zu der Düsenöffnung führenden Bohrung herum zu bilden. Dadurch ergibt sich ein örtlicher Druckpunkt zwischen der distalen Stirnfläche des Stößels und der Düsenplatte, um zur Bildung einer fluiddichten Abdichtung beizutragen, wenn sich der Stößel in der geschlossenen Ventilstellung befindet. Wenn eine Nadel verwendet wird, um die Bohrung in einer Metallfolie zu bilden, wird dies alternativ dazu führen, dass sich die Folie verformt und ein glockenartig ausgebildeter Eingang in die Bohrung entsteht, was zu einer gleichmäßigen Fluidströmung von der Ventilkopfkammer in die Bohrung beitragen wird. Beim Eindringen der Nadel in die Folie kann außerdem die Oberfläche der Folie und daher die Innenwand der gebildeten Bohrung poliert werden, wenn die Oberfläche der Nadel über das Material der Folie gleitet. Analog dazu kann durch Verwendung eines Lasers zum Bilden einer Bohrung in einer Folie aus Metall, Keramik oder Kunststoff eine polierte Oberfläche der Wände der Bohrung entstehen, vor allem dort, wo der Laserstrahl für sehr kurze Perioden, typischerweise kleiner als 1 Nanosekunde, getaktet wird, um an der Lippe der Bohrung die Bildung von Ablagerungen aus einem Material, das beim Herstellen der Düsenbohrung von der Platte abgetragen wurde, zu verringern.
Der Magnetventilmechanismus zur vorliegenden Verwendung arbeitet mit einer Spule, durch die ein elektrischer Strom geschickt wird, um das Magnetfeld zu erzeugen, das auf den Stößel wirkt. Bei herkömmlichen Bauformen eines Magnetventils ist eine solche Spule auf einen Wickelkern gewickelt, zum Beispiel aus einem geeigneten isolierenden Kunststoff. Der Wickelkern wird dann auf ein rohrförmiges Teil gesetzt, das den Träger für den Wickelkern bildet und die Wände der axialen Bohrung bereitstellt, in der sich der Stößel hin- und herbewegt. Wir haben festgestellt, dass es wünschenswert ist, den radialen Luftspalt zwischen dem Leiter der Spule und dem Stößel zu minimieren, um die magnetische Kopplung zwischen der Spule und dem Stößel zu optimieren. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Leiter der Spule direkt auf das rohrförmige Teil gewickelt wird, in dem sich der Stößel hin- und herbewegt, wobei es bei Verwendung eines Metallrohres eine dünne isolierende Grenzfläche zwischen dem Draht der Spule und dem rohrförmigen Teil gibt. Alternativ kann die Spule dadurch gebildet werden, dass eine blanke Drahtspule auf ein isolierendes rohrförmiges Teil gewickelt wird und die Spule dann in ihrer Lage fixiert wird, indem eine fixierende Harzschicht oder ein sonstiges Bindemittel auf die gewickelte Spule aufgebracht wird. Alternativ kann die Spule auf einen Dorn oder sonstigen Wickelkörper gewickelt, von dem Wickelkörper abgenommen und dann in ein geeignetes Harz eingebettet werden, das die Wand des rohrförmigen Teils bildet, in dem sich der Stößel hin- und herbewegt. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das rohrförmige Teil aus einem Keramikmaterial gebildet, zum Beispiel als Rohr aus Keramikfritte oder als Rohr aus galvanisch geätztem Silicium. Die Spule kann durch Aufbringen einer Leiterbahn gebildet werden, zum Beispiel durch Dampfphasenabscheidung oder elektrolytische Abscheidung eines Leiters oder einer Leiterbahn aus Kupfer, Gold oder Silber auf die Oberfläche des Rohrs oder in Nuten, die in die Außenseite des Rohrs geätzt, gefräst, lasergeschnitten oder anderweitig darin ausgebildet wurden. Alternativ kann die Spule als Leiterbahn aus Kupfer, Silber, Gold oder dergleichen auf einer biegsamen Leiterplatte ausgebildet werden, die dann auf einen Dorn gewickelt wird, um ein zylindrisches rohrförmiges Teil mit der Spule zu bilden.
Bei allen diesen Bauformen der Spulen zur vorliegenden Verwendung wurde der radiale Luftspalt zwischen dem Leiter der Spule, einschließlich des Bewegungsspielraums zwischen dem Stößel und der Wand der Bohrung bei dem rohrförmigen Träger für den Spulenleiter, und der Dicke des Trägers verringert, typischerweise auf ein radiales Maß von weniger als 0,5 mm, zum Beispiel 100 bis 200 μm. Dies wird mit dem Luftspalt von 1 mm oder mehr bei einer herkömmlichen Magnetspule verglichen. Diese Verringerung des Luftspalts führt zu einem größeren Wirkungsgrad der magnetischen Kopplung des Stößels mit der Spule, was in einem geringeren Energieverbrauch und einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit des Kolbens auf Änderungen in dem in der Spule fließenden Strom führt. Solche Konstruktionen resultieren außerdem in einer einstückigen Konstruktion für die Spule und das rohrförmige Teil, in dem sich der Stößel hin- und herbewegt, womit Konstruktion und Montage des Ventils vereinfacht werden. Die Ausführungsform eines kleinen radialen Spalts trägt auch zur Vermeidung großer Mengen "eingeschlossener" Tinte beim Ausspülen des Druckmoduls bei. Dies ist besonders wichtig beim Vermeiden eines "Verschleppens" von Farbe beim Farbwechsel in dem System, zum Beispiel beim Wechsel von einem schwarzen Fluid zu einem gelben Fluid, wo es wichtig ist, dass es zu keinem Verschleppen des schwarzen Fluids kommt.
Wie oben angegeben, umfasst das Magnetventil außerdem eine Ventilkopfkammer, die das distale Ende des Stößels aufnimmt und mit der Auslassdüsenbohrung zu der Düsenöffnung versehen ist. Eine solche Kammer hat typischerweise einen insgesamt kreisrunden Querschnitt und hat eine quer verlaufende Abschlusswand, in welcher der Auslass und die Düsenbohrung zu der Düsenöffnung ausgebildet sind. Falls gewünscht, kann sich das rohrförmige Tragteil für die Spule in Längsrichtung erstrecken, um die radialen Wände der Ventilkopfkammer bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform einer solchen Konstruktion ist das rohrförmige Teil als zylindrisches Rohr ausgebildet, das an einem Ende verschlossen ist, um die quer verlaufende Stirnwand der Ventilkopfkammer zu bilden, wobei die Wand von einer Bohrung durchzogen ist, deren freies Ende die Düsenöffnung bereitstellt. Eine solche Baugruppe kann unter Verwendung automatisierter Techniken durch Elektro- oder Laserätzen eines Silicium- oder Keramikteils mit hoher Genauigkeit ausgebildet werden.
Der Ventilmechanismus wird vorzugsweise in Verbindung mit mehreren eng aneinanderliegenden Ventilmechanismen verwendet, die jeweils eine oder mehrere einzelne Düsenöffnungen bedienen, um einen gruppenartig angeordneten Druckkopf zu bilden, der in der Lage ist, eine Vielzahl von Fluidpunkten auf ein Substrat aufzubringen, um ein zweidimensionales Bild auf einem Substrat zu schaffen. Eine solche Gruppe kann gebildet werden, indem das Auslassende der Ventile auf einer Düsenplatte angebracht wird, wobei eine sich durch die Platte erstreckende Bohrung die Düsenbohrung von der Ventilkopfkammer des Ventils zu der Düsenöffnung bereitstellt. Vorzugsweise liegen die Ventile in versetzten Reihen, um einen möglichst engen Abstand der Düsenöffnungen in der Düsenplatte zu erreichen. Falls gewünscht, können die von jeder Ventilkopfkammer ausgehenden Düsenbohrungen einen Winkel bilden, damit die Ventilkörper von der Mittellinie der Düsenplatte versetzt sein können, um einen engeren Abstand der Düsenöffnungen zu erlauben. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Düsenplatte mit einer Serie aufrechtstehender Rohre versehen, die jeweils mit einer der die Platte durchziehenden Bohrungen fluchten. Die Rohre dienen als Träger für die Spule des Ventils, und der Stößel bewegt sich in diesem Rohr hin und her. Die an die Düsenplatte angrenzenden distalen Endabschnitte der Rohre bzw. der proximate Abschnitt der Bohrung in der Düsenplatte dienen als Ventilkopfkammer des Ventilmechanismus. Solche Gruppen können unter Verwendung automatisierter Techniken aus Keramik- oder Siliciummaterialien gebildet werden, und die Düsenöffnung kann entweder durch einen Edelsteindüsensatz im distalen Ende der die Düsenplatte durchziehenden Bohrung oder durch Ausbildung einer geeigneten Düsenöffnung im Ende einer oben beschriebenen Sackbohrung in der Düsenplatte bereitgestellt werden. Solche Baugruppen können in einem sehr kleinen Maßstab hergestellt werden, so dass eine Miniaturisierung der Ventilstruktur erreicht werden kann. Vorzugsweise wird die Düsenplatte als Metall-, Keramik- oder sonstige Folie bereitgestellt, in der die Bohrungen wie oben beschrieben ausgebildet sind, und die Platte wird vorzugsweise so angebracht, dass die darin befindlichen Bohrungen mit den distalen Enden der Stößel der Ventile fluchten. In diesem Fall können die Ventilkopfkammern einzeln in der Oberfläche der Folie oder in einer zwischen den Tragteilen der Ventilspule und der Düsenplatte befindlichen Zwischenplatte ausgebildet werden. Wir haben jedoch festgestellt, dass die Strömung von Tinte oder einem sonstigen Fluid zu den einzelnen Bohrungen und Düsenöffnungen verbessert wird, wenn die Zwischenplatte mit einer durchgehenden Kammer ausgebildet ist, die eine kombinierte Ventilkopfkammer für alle Ventile in der Druckkopfbaugruppe bereitstellt. Eine solche Konstruktion ist wesentlich, um eine genau ausgewogene Fluidströmung über die Düsen zu erreichen. Bei einer solchen Konstruktion stellt die Abdichtung zwischen der distalen Stirnfläche jedes Stößels und der damit fluchtenden Bohrung in der Düsenplatte eine ausreichende Isolierung der Strömung durch jede der Düsenbohrungen und -öffnungen bereit. Die gegenüberliegenden Flächen der Düsenplatte und des distalen Endes der Stößel sind vorzugsweise mit Dichtungsmitteln versehen, um zur Bildung einer fluiddichten Abdichtung beizutragen, wenn sich jeder Stößel in der geschlossenen Stellung befindet. Zum Beispiel kann die Stirnfläche des Stößels mit einer Vorderseite aus Natur- oder Synthesekautschuk oder aus einem Polymer versehen sein, die sich verformt, um eine Abdichtung gegen die gegenüberliegende Fläche der Düsenplatte bereitzustellen. Die Vorderseite der Düsenplatte kann mit einer oder mehreren ringförmigen erhabenen Rippen oder dergleichen versehen sein, die lokale erhabene Druckflächen bereitstellen, um zur Bildung der fluiddichten Abdichtung beizutragen. Solche erhabenen Flächen können während des Elektroformens oder Ätzens der Düsenplatte ohne weiteres auf der Vorderseite der Düsenplatte ausgebildet werden.
Falls gewünscht, können die erhabenen Flächen auf der Düsenplatte aus einem biegsamen Material gebildet werden, um den Aufprall der Stirnfläche des Stößels auf die Düsenplatte abzufedern. Eine solche Verformung kann außerdem zur Bildung der fluiddichten Abdichtung beitragen, wenn die Stirnfläche des Stößels kein Gummipolster oder dergleichen trägt. Falls gewünscht, kann das von der Stirnfläche des Stößels getragene Polster aus einem Material gebildet sein, das unter der Last der Vorspannfeder, die den Stößel in die geschlossene Ventilstellung drückt, kaltes Kriechen oder Verformung erfährt. Durch dieses Kriechen kann ein Nippel oder sonstiger Vorsprung entstehen, der sich in den proximalen Abschnitt der Düsenbohrung in der Düsenplatte erstreckt. Bei der Hin- und Herbewegung des Stößels streift dieser Vorsprung wiederholt zumindest über den Anfangsteil des proximalen Abschnitts der Düsenbohrung und beseitigt feste Ablagerungen, die sich auf die Wand der Bohrung gelegt haben können, und dies kann dazu beitragen, die Verformung des ersten Tropfens nach einer Ruheperiode des Ventils zu verringern. Um die Funktionsweise dieses Vorsprungs zu unterstützen, kann die Mündung des Einlasses der die Düsenplatte durchziehenden Bohrung glockenartig ausgebildet sein, wie es der Fall sein kann, wenn die Bohrung in der Düsenplatte mit Hilfe einer Nadel hergestellt wird.
Wenn die Ventile in unmittelbarer Nähe zueinander angebracht sind, um einen Druckkopf zu bilden, der mehrere Düsenöffnungen enthält, sollte vorzugsweise jeder Ventilmechanismus mit einem Metallgehäuse für seine Spule versehen sein, das nicht nur als Rückweg für das durch die darin befindliche Spule erzeugte Magnetfeld wirkt, sondern auch als magnetische Abschirmung wirkt, um eine Kreuzkopplung zwischen den durch eine Spule und die Spule eines angrenzenden Ventilmechanismus erzeugten Magnetfeldern zu verringern. Typischerweise besteht ein solches Metallgehäuse aus μ-Metall, Aluminium oder Edelstahl und wirkt außerdem als starres Gehäuse für die Bauteile des Ventilmechanismus. Somit kann das Gehäuse eine insgesamt zylindrische Form haben und kann an jedem Ende radial einwärts gecrimpt sein, um die Spulenbaugruppe festzuhalten. Das distale Ende des Metallgehäuses kann dort, wo die Düsenplatte die oben beschriebenen aufrechtstehenden rohrförmigen Teile trägt, an die Düsenplatte gecrimpt oder anderweitig daran befestigt sein.
Wie oben angegeben, umfasst der Ventilmechanismus vorzugsweise außerdem ein Federteil, um die Vorspannung bereitzustellen, mit der der Stößel wieder in seine Ruhestellung gebracht wird, wenn an die Spule kein Strom angelegt ist. Typischerweise ist die Feder eine Druckfeder und bewirkt, dass der Stößel gegen den Einlass am proximalen Ende der Bohrung zu der Düsenöffnung vorgespannt wird, so dass der Stößel in der geschlossenen Ventilstellung seine Ruhestellung hat. Wenn an die Spule ein Strom angelegt wird, kehrt dies die Vorspannung der Feder um, und das distale Ende des Stößels wird vom Einlass der Bohrung wegbewegt, um einen Strömungsweg von der Ventilkkopfkammer zu der Düsenöffnung zu öffnen. Es versteht sich jedoch, dass die Ruhestellung auch die offene Ventilstellung sein kann und die Betriebsstellung die geschlossene Ventilstellung ist. Der Einfachheit halber wird die Erfindung nachfolgend in dem Sinne beschrieben, dass die Ruhestellung die geschlossene Ventilstellung ist.
Das Federteil ist vorgespannt, zum Beispiel macht die Vorspannung 50 bis 80% des Wegs der Federkompression aus, da wir festgestellt haben, dass die Feder dank dieser Vorspannung eine gleichbleibende Vorspannkraft gegen die Bewegung des Stößels über den Rest der Federkompression während der Bewegung des Stößels aufbringen kann. Wir haben festgestellt, dass die Verwendung einer konischen Feder besonders vorteilhaft ist, da solche Federn problemlos in die Maße der Ventilkopfkammer eingepasst werden können und sich während der Montage des Ventilmechanismus im Allgemeinen selbst zentrieren, während herkömmliche zylindrische Schraubenfedern dies nicht tun. Ferner wird durch Verwendung einer konischen Feder die Masse und damit Trägheit der Feder reduziert, was weiterhin zu einer raschen Reaktion der Feder auf die Bewegung des Stößels beiträgt. Es wird besonders bevorzugt, eine konische Schraubenfeder zu verwenden, die bis auf die beiden letzten Windungen der Feder vorgespannt ist, da wir festgestellt haben, dass eine solche Feder rasch auf die Bewegung des Stößels reagiert und die Feder aufgrund der Vorspannung über eine kleine zusätzliche Federkompression eine signifikante Vorspannkraft ausüben kann.
Fluid kann der Ventilkopfkammer durch jedes geeignete Mittel zugeführt werden, zum Beispiel durch eine oder mehrere radiale Einlassöffnungen in der Seitenwand der Kammer. Wie oben beschrieben, kann alternativ der Stößel und/oder die Innenwand des rohrförmigen Trägers für die Spule mit axialen Abflachungen oder Kanälen ausgebildet sein, so dass Fluid in axialer Richtung ganz oder teilweise an dem Stößel in der Spule vorbeiströmt, so dass das Fluid die Bewegung des Stößels in der Spule schmiert und außerdem bewirken kann, dass die Spule bei hohen Strombelastungen und/oder hohen Betriebsfrequenzen des Ventils gekühlt wird. Wenn der Ventilmechanismus als Bestandteil eines gruppenartig ausgebildeten Druckkopfes mit einer Vielzahl von Düsen verwendet wird, wird es normalerweise bevorzugt, wenigstens einen Teil der Tinte oder des sonstigen Fluids mit Hilfe einer Verteilerplatte zuzuführen, in der miteinander in Verbindung stehende Ventilkopfkammern ausgebildet sind, so dass Tinte ungehindert an einer lang gestreckten Kammer entlangströmen kann, um zu der oben beschriebenen gleichmäßigen Strömung zu jeder Düsenbohrung in der zugehörigen Düsenplatte beizutragen. Diese Art der Anordnung ist entscheidend für den Erfolg beim Ausstoßen von z.B. Tinten höherer Viskosität für den Textildruck.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Drucker auf herkömmliche Weise unter Verwendung eines Rechners betrieben werden, der so programmiert ist, dass er die Reihenfolge und Dauer der Betätigung der Ventile in dem Druckkopf auswählt. Wir ziehen es jedoch vor, den Rechner dazu zu benutzen, weitere Steuerungen der Funktionsweise des Ventilmechanismus zu erreichen, um Schwankungen bei der Tinte und/oder den Betriebsbedingungen des Druckers auszugleichen. So können zum Beispiel eine CCD-Kamera oder -Gruppe und ein Rechner verwendet werden, um das Tröpfchen an der Düsenöffnung und/oder den gedruckten Punkt zu prüfen und den beim Drucken der Bilder an die Spule des Ventils angelegten Strom zu modifizieren, um das gedruckte Bild zu optimieren. Der Rechner kann also so programmiert werden, dass er die Bewegung des Stößels an einem oder an beiden Enden seines Weges verlangsamt. Wir haben festgestellt, dass dadurch das Verspritzen der Tinte aus der Düsenöffnung aufgrund des starken Aufpralls des Stößels auf die Dichtungsteile am Eingang der Bohrung von der Ventilkopfkammer zu der Düsenöffnung verringert wird. Wie oben angegeben, kann dadurch auch der Verschleiß der Dichtungsbauteile der Düsenplatte und der Stirnfläche des Stößels verringert werden. Die Software zur Steuerung der Funktionsweise des Ventilmechanismus kann verwendet werden, um Schwankungen in der Viskosität der Tinte zu kompensieren, die auf Temperaturschwankungen oder andere Gründe zurückzuführen sind; auf Schwankungen in der Spannung, die an die verschiedenen Spulen in einer Gruppe von gleichzeitig betätigten Druckköpfen angelegt wird; und um sonstige Änderungen in den Betriebsbedingungen zu kompensieren, zum Beispiel die Verwendung einer anderen Tinte, wodurch Änderungen an Form und Größe des an die Spule des Ventils angelegten elektrischen Impulses erforderlich werden. Die Verwendung von Software kann auch dazu dienen, ein Ventil in der offenen Stellung zu halten, um wie bei dem Dosiervorgang eine durchgehende Linie aus Tinte zu drucken und nicht eine Serie sich überlappender Punkte, wie dies mit den gegenwärtigen Druckkopf-Betriebsverfahren erreicht wird. Wie oben angegeben, kann dadurch während des Offenhaltens ein schwächerer Strom durch die Spule geleitet werden, nachdem zunächst ein stärkerer Strom angelegt wurde, um das Ventil zu öffnen. Falls gewünscht, kann die offene Zeit des Ventils verlängert werden, um die Verringerung der Größe der ersten, im Anschluss an eine Ruheperiode des Ventils aus der Düsenöffnung ausgestoßenen Tröpfchen zu kompensieren.
Durch eine solche Kombination kann das gedruckte Tröpfchen und/oder die Punktqualität (der Einfachheit halber nachfolgend nur als Punktqualität bezeichnet) während des Betriebs des Druckers online überwacht und korrigiert werden. Bis jetzt wurde die Druckqualität objektiv durch den Bediener des Druckers festgestellt, und eine Korrektur an der Funktionsweise des Druckers wurde von Hand vorgenommen. Die Tatsache, dass die Software online verwendet werden kann, um eine Überwachung und Korrektur der Druckqualität zu erreichen, ist ein großer Vorteil für den Bediener und kann praktisch eine sofortige Korrektur von Schwankungen in der Druckqualität ermöglichen.
Überwachung und Korrektur können mit Hilfe herkömmlicher Techniken und Bauformen von Software und Hardware erzielt werden. Die Punktqualität kann fortlaufend überwacht werden, und in Abhängigkeit vom Durchschnitt von drei oder mehr aufeinanderfolgenden Punkten kann eine Korrektur vorgenommen werden. Alternativ kann in Abständen die Qualität des gedruckten Punkts überwacht werden, zum Beispiel jede Sekunde oder in Abständen von jeweils zwanzig Ventilbetätigungen, und es kann eine Korrektur vorgenommen werden, sobald der gedruckte Punkt um mehr als z.B. 5% in einem oder mehreren der Parameter abweicht, mit denen die Qualität des gedruckten Punkts beurteilt wird.
Typischerweise wird die Überwachung der Qualität des gedruckten Punktes verwendet, um ein Signal anzulegen, mit dem die offene Zeit des Ventils verändert wird. Die Software kann auch verwendet werden, um die Ventile alternativ in Form eines Druckrasters und nicht in strenger Reihenfolge zu betätigen. Die Software kann also die Ventile 1, 3, 5 und 7 gleichzeitig und dann die Ventile 2, 4, 6 und 8 betätigen, um eine Überlappung der gedruckten Punkte um eine geeignete Zeitverzögerung und somit eine bessere Schärfe des gedruckten Bildes zu erreichen. Dieses Merkmal ist von besonderer Bedeutung für den Textildruck, wo es die individuelle Steuerung des Düsenausstoßes in Verbindung mit einer Steuerung der Punktgröße erlaubt, eine Farbschattierung auf dem Substrat zu erreichen.
Es versteht sich, dass das Signal, mit dem angezeigt wird, dass eine gewisse Veränderung der Funktionsweise des Ventils erforderlich ist, von einer externen Quelle und nicht aufgrund der online erfolgenden Abtastung des gedruckten Punktes bereitgestellt werden kann. Ein Sensor kann also die Betriebstemperatur des Druckers und/oder der dem Ventil zugeführten Tinte überwachen, da dies die Viskosität und damit das Strahlbildungsvermögen der Tinte beeinflussen wird. Solche Sensoren können die an den Ventilmechanismus angelegte Spannung überwachen, zum Beispiel den Spannungsabfall, der auftritt, wenn mehrere Ventile gleichzeitig von einer einzigen Stromquelle aus betätigt werden, die Zeit, in der ein bestimmtes Ventil zwischen zwei Druckvorgängen im Ruhezustand war, die Betriebsfrequenz eines Ventils, und so weiter. Diese Sensoren können dann eine Reihe von Nachschlagetabellen befragen, die dann die erforderliche Veränderung der offenen Zeit einstellen, um Mängel in der Qualität des gedruckten Punktes zu verringern, wenn der überwachte Parameter von einem vorbestimmten Optimalwert abweicht.
Vorzugsweise wird die Qualität des von jeder Düse gedruckten Punktes einzeln überwacht. Falls gewünscht, kann jedoch auch die Qualität des von Gruppen von Düsen gedruckten Punktes kollektiv überwacht werden.
Bei der herkömmlichen berechneten Steuerung der Funktionsweise eines Ventils in einem Drop-on-Demand-Drucker werden einfache 1-Bit-Signale zum Öffnen und Schließen des Ventils verwendet, da bisher der Rechner dem Ventil lediglich befehlen musste, zu öffnen und zu schließen, um einen Punkt der erforderlichen Größe zu drucken. Die Möglichkeit der individuellen Veränderung der Funktionsweise jedes Ventils während des Betriebs des Druckers in Reaktion auf viele zusammenhängende Faktoren erfordert jedoch die Übertragung komplexerer Signale als einfacher Befehle zum Öffnen und Schließen. Wir haben festgestellt, dass es wünschenswert ist, Signale im Byte-Format zu übertragen, so dass die übertragene Menge an Informationen den gewünschten Permutationen von Betriebsparametern Rechnung tragen kann. Die Verwendung der Signalübertragung in Byteform bietet so zum Beispiel 256 mögliche Abstufungen der offenen Zeit des Ventils. Dadurch kann die bei jedem gedruckten Punkt aufgebrachte Tintenmenge über einen sehr großen Bereich variiert werden, indem eine Nachschlagetabelle mit 256 einzelnen Adressen darin bereitgestellt wird, aus denen der die Funktionsweise des Druckers steuernde Rechner den Befehl für die zu wählende offene Zeit des Ventils geben kann. Dadurch kann eine echte Abstufung der Farben in jedem Bild erreicht werden. Bei Verwendung der Signalübertragung in Byteform kann eine große Auswahl an Werten zur Veränderung eines gegebenen Betriebsparameters übertragen werden und es kann rasch und genau darauf reagiert werden, womit die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Funktionsweise des Druckkopfes weiter verbessert werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Form eines Drop-on-Demand-Druckkopfes und seine Verwendung beim online software-gesteuerten Drucken von Bildern wird nun lediglich beispielhaft und anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
1 einen schematischen axialen Querschnitt durch eine bevorzugte Bauform eines Ventils zur vorliegenden Verwendung;
2 einen axialen Querschnitt durch einen Drop-on-Demand-Tintenstrahldruckkopf mit einer Gruppe der in 1 gezeigten Ventile;
3 eine Draufsicht auf die Düsenplatte des in 2 gezeigten Druckkopfes;
4 ein schematisches Blockdiagramm einer Gruppe gemäß 2 in Kombination mit einer CCD-Kamera zum Überwachen der Qualität der gedruckten Punkte und einem Rechner zum Festlegen, welche Veränderung der Frequenz, Art, Form und Amplitude des an die Spule des in 1 gezeigten Ventils angelegten elektrischen Impulses erforderlich ist, um jegliche Abweichung in der Qualität des begutachteten gedruckten Punktes zu kompensieren; und
5 bis 8 Variationen hinsichtlich der Konstruktion des in 1 gezeigten Ventils.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Das Ventil von 1 umfasst einen Stößel 1, der eng anliegend und frei beweglich für eine axiale Hin- und Herbewegung in einem Edelstahlrohr 2 gelagert ist. Das Rohr 2 hat eine auf seiner Außenseite ausgebildete dünne Isolierschicht oder -hülse (nicht dargestellt) und trägt eine darauf aufgewickelte Spule 3. Die Spule 3 wird unter der Steuerung eines in 4 dargestellten Rechners 20 mit elektrischem Strom aus einer Quelle (nicht dargestellt) versorgt. Ein Anschlag 4 ist am proximalen Ende des Rohrs 2 angebracht, um das axiale Einfahren des Stößels 1 in dem Rohr 2 zu begrenzen. Die Spule 3 ist in einem zylindrischen Metallgehäuse 5 eingeschlossen.
Die obige Baugruppe ist in einem Traggehäuse 10 angebracht, das sich in axialer Richtung über das distale Ende der Spule hinaus erstreckt und eine quer verlaufende Stirnwand 11 besitzt, die eine Edelsteindüse 12 trägt. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform hat das Gehäuse 10 eine sich axial erstreckende ringförmige Innenwand 13, die die radiale Wand der Ventilkopfkammer 14 bildet, in die sich das distale Ende des Stößels erstreckt. Das distale Ende des Stößels 1 trägt ein abschließendes Dichtungspolster 15 aus Gummi oder dergleichen, das dicht schließend an der proximalen Stirnfläche des Edelsteins 12 anliegt. Eine vorgespannte konische Feder 16 spannt den Stößel 1 in Dichtungseingriff mit der Vorderseite des in 1 gezeigten Edelsteins vor, d.h. in die Ruhestellung bzw. geschlossene Ventilstellung.
Der Stößel 1 besteht aus einer ferromagnetischen Legierung mit einer Sättigungsflussdichte von 1,6 Tesla, einer Koerzitivfeldstärke von 0,2 A/m und einer relativen magnetischen Permeabilität von 100.000. Um die Masse des Stößels 1 zu reduzieren, kann er eine innere Sackbohrung aufweisen, die sich von seinem distalen Ende erstreckt. Diese Bohrung sollte sich jedoch nicht über die in 1 gezeigte Linie A-A hinaus erstrecken, wenn sich der Stößel in seiner Ruhestellung befindet. Außerdem sollte der Stößel einen Durchmesser von kleiner als 3 mm, typischerweise etwa 1 mm, und ein Länge/Durchmesser-Verhältnis von etwa 5:1 haben. Die Düsenbohrung in der Edelsteindüse hat einen Durchmesser von 300 μm und ein Länge/Durchmesser-Verhältnis von 2:1 bis 3:1, und die Öffnung am distalen Ende der Düsenbohrung hat einen Durchmesser von 300 μm. Tinte mit einer Viskosität von 250 cPs (dieser Wert fällt nicht in den Umfang der Ansprüche) wird unter einem Druck von 1,5 bar einem Tintenkanal 17 mit der Wand 13 zugeführt und tritt über radiale Öffnungen 18 in die Ventilkopfkammer ein. Wenn sich der Stößel in seiner in 1 gezeigten Ruhestellung befindet, steht das Polster 15 in Dichtungseingriff mit der Vorderseite der Edelsteindüse 12 und verhindert so, dass Tinte durch die Düsenöffnung strömt. Um die Dichtung zwischen dem Polster 15 und der Edelsteindüse 12 zu verbessern, sollte die proximale Fläche des Edelsteins vorzugsweise mit einer oder mehreren erhabenen ringförmigen Dichtungsrippen (nicht dargestellt) versehen sein.
Ein solches Ventil kann bei Frequenzen von unter 1 kHz bis über 8 kHz betrieben werden, um Tröpfchen von gleichbleibender Größe im Größenbereich von 150 bis 1500 μm zu erzeugen, indem die Dauer, für die der Strom in der Spule 3 fließt, und die Frequenz, mit der diese Stromimpulse an die Spule angelegt werden, entsprechend gesteuert werden.
Wie oben angegeben, wird das Ventil vorzugsweise in einer Gruppe mit anderen Ventilen verwendet, um einen Druckkopf zu bilden, der sich quer zur Bewegungslinie eines Substrats erstreckt, auf das ein Bild gedruckt werden soll. Eine solche Gruppe ist in 2 und 3 dargestellt. In diesem Fall wird der Endabschnitt 11 des Gehäuses 10 durch eine wannenförmige Düsenplatte 30 bereitgestellt, die die Düsen 12 trägt und als Verteiler dient, um den Tintenströmungskanal 17 zu bilden, der Tinte von Tinteneinlasszapfen 31 an jedem Ende der Düsenplatte über die Einlassöffnungen 18 zu den einzelnen Ventilkopfkammern 14 der Ventile in der Gruppe führt. Bei einer weiteren Alternative wird auf die einzelnen Ventilkopfkammern 14 verzichtet, so dass Tinte von dem Kanal 17 direkt in eine Düsenbohrung strömt, wenn ein Stößel zurückgezogen wird. Die Gruppe ist mit einem Verbindungselement 32 versehen, durch das die Spulen 3 in jedem der Ventile einzeln mit elektrischem Strom versorgt werden können. In einer solchen Gruppe dient das Gehäuse 4 zur Reduzierung einer elektrischen und magnetischen Kreuzkopplung zwischen benachbarten Ventilen in der Gruppe.
Solche Ventile und Gruppen können durch Bearbeitung der entsprechenden Metallbauteile hergestellt werden. Eine alternative Art der Konstruktion besteht jedoch darin, das Rohr 2 als Keramik- oder Siliciumteil 40 auszubilden, wie in 5 gezeigt. Die Spule 41 kann in Nuten 42 ausgebildet werden, die in die Außenseite des Rohrs 40 geschnitten sind, so dass der Luftspalt zwischen der Spule und dem in dem Rohr gelagerten Stößel 43 verringert ist. Die Spule 41 kann eine in die Nuten 42 gewickelte Drahtspule sein; oder es kann eine Leiterbahn sein, die durch jedes geeignete Mittel in den Nuten 42 aufgebracht wird. Falls gewünscht, kann die Baugruppe dann mit einem Polymer beschichtet werden, um die Spule in den Nuten zu halten und zu schützen. Anstelle eines starren Tragrohrs aus Keramik oder Silicium kann das Rohr 40 durch eine Schicht aus einem biegsamen Trägermedium bereitgestellt werden, zum Beispiel durch ein geeignetes fasergefülltes Polymer oder dergleichen, auf dem eine Leiterbahn aus Kupfer oder dergleichen ausgebildet wurde. Das Trägermedium wird dann zu einem Zylinder aufgerollt, um einen zylindrischen Träger zu bilden, der die Spule auf seiner Innen- oder Außenseite trägt. Bei solchen Bauformen kann sich das Rohr 40 in axialer Richtung erstrecken, um die radialen Wände 44 der Ventilkopfkammer und das distale offene Ende des mit einer Edelsteindüse 45 verschlossenen Rohres zu bilden. Die ganze Baugruppe kann dann in ein Rohr 46 aus Edelstahl oder dergleichen eingeschlossen werden, das die Baugruppe trägt und als Abschirmung für die Spule den magnetischen Rückweg bereitstellt. Die Enden des Rohrs 46 können nach innen gecrimpt werden, um das Rohr 40, die Spule 42 und den Edelstein 45 festzuhalten.
Anstelle der obigen Konstruktionsarten kann eine Baugruppe aus Ventilen in der in 6 dargestellten Weise hergestellt werden, indem eine Düsenplatte 50 aus Silicium oder Keramikfritte oder einem anderen Material gebildet wird. Diese Platte wird mit Edelsteindüsen 51 in den gewünschten Abständen entlang der Platte 50 versehen. Die Platte 50 ist mit aufrechtstehenden rohrförmigen Teilen 52 versehen, die die Rohre 40 der Ventilkonstruktion von 5 bilden. Die Spulen 53 sind auf die aufrechtstehenden rohrförmigen Teile 52 gewickelt oder in anderer Weise darauf ausgebildet, und die fertige Gruppe ist in 5 dargestellt. Die Ventilkopfkammer 54 wird durch die distalen Endabschnitte der rohrförmigen Teile gebildet, und radiale Tinteneinlassöffnungen können vorgesehen sein, damit Tinte in die Ventilkopfkammer strömen kann. Ein Stößel 55 ist in den rohrförmigen Teilen 52 für eine axiale Hin- und Herbewegung unter dem Einfluss der Spule 53 gelagert. Anstelle der Edelsteindüse, die das geschlossene distale Ende der Ventilkopfkammer bildet, kann die Platte 50 als sich durchgehend erstreckende Platte bereitgestellt werden, um die geschlossenen Enden der aufrechtstehenden rohrförmigen Teile 52 zu bilden. Diese geschlossenen Enden können dann, zum Beispiel mit einem Laser, durchbohrt werden, um darin die Bohrungen und die Düsenöffnungen auszubilden.
Anstelle der radialen Tinteneinlassöffnungen zu der Ventilkopfkammer 14 oder 54 kann die Tinte in axialer Richtung von einem Tinteneinlass zu dem sich axial erstreckenden Raum zwischen den rohrförmigen Teilen 2 oder 52 und den Stößeln 1 oder 51 an dem Stößel 1 oder 55 vorbeiströmen. Um die an dem Stößel vorbeiführenden axialen Kanäle zu bilden, kann die Bohrung in dem rohrförmigen Teil 2 oder 52 einen ovalen oder polygonalen Querschnitt haben, und der Stößel 1 oder 55 hat einen kreisrunden Querschnitt. Vorzugsweise wird der Stößel 1 oder 55 jedoch mit axialen Abflachungen daran ausgebildet, die axiale Kanäle zwischen dem Stößel und der in 7 dargestellten, einen kreisrunden Querschnitt aufweisenden Bohrung des rohrförmigen Teils bereitstellen.
Eine besonders bevorzugte Art der Konstruktion des Druckkopfes ist in 8 dargestellt. Die Düsenplatte 100 ist mit mehreren Bohrungen 101 darin ausgebildet, die eine Länge von 1000 μm und einen Durchmesser von 500 μm haben. Die Platte besteht aus Edelstahl, und die Bohrungen sind entweder durch Nadeln oder durch Laserbohren jedes Loches ausgebildet. Alternativ können die Bohrungen 101 durch Elektroätzen hergestellt werden, wobei mit Hilfe dieser Technik auch der erhabene ringförmige Wulst 102 um den Einlass zu jeder Bohrung 101 herum ausgebildet werden kann. Diese folienartige Düsenplatte wird zwischen zwei Tragplatten 103 und 104 aus Edelstahl eingespannt. Die Platte 104 ist mit einer einzigen Verteilerkammer 105 ausgebildet, die sich über alle in der Platte 100 ausgebildete Bohrungen 101 erstreckt. Alternativ kann die Kammer 105 in der Platte 100 ausgebildet werden.
Eine in einem Traggehäuse 111 enthaltene Ventilbaugruppe 110 ist an den Platten 100, 103 und 104 befestigt, wobei jeder der Stößel in einem Ventilmechanismus in der Baugruppe mit einer Bohrung 101 fluchtet. Die Ventilmechanismen umfassen eine Spule, die auf ein Tragrohr 112 gewickelt ist, in das ein Stößel 113 lose verschieblich eingepasst ist. Jede Spule ist von einem Edelstahlgehäuse 114 umgeben, das an eine mit Löchern versehen Tragplatte 115 gecrimpt ist, die zwischen dem Gehäuse 111 und der Platte 104 eingespannt ist, um jeden Ventilmechanismus zu fixieren und zu befestigen, wobei der Stößel durch die mit einer Bohrung 101 in der Düsenplatte 100 fluchtende Öffnung ragt. Jeder Stößel 114 besteht aus einer 45/55-Ni/Fe-Legierung, die unter dem Warenzeichen Permenorm 5000 vertrieben wird, und hat einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 7,5 mm. Die elektrischen Kontakte für die Spulen werden über einen Mehrkontakt-Steckverbinder von einer computergesteuerten Stromquelle (nicht dargestellt) gespeist. Die Ventilkopfkammer für jeden Ventilmechanismus 110 wird durch die einzige Verteilerkammer 105 bereitgestellt, die von jedem Ende der Platte 104 aus mit Tinte gespeist wird.
Wie oben angegeben, wird die Funktionsweise des Ventils durch einen Rechner 20 in Reaktion auf eine CCD-Kamera oder -Gruppe 21 oder sonstige Sensoren 22 gesteuert, die die Qualität der gedruckten Punkte und/oder sonstige Faktoren wie Betriebstemperatur, -spannung oder -fequenz des Ventils erfassen, die sich ebenfalls auf die Qualität des gedruckten Punktes auswirken. Der Rechner 20 bestimmt also, welches Ventil in der Gruppe von 2 zu öffnen ist und wie lange es zu öffnen ist, um einen Tropfen der gewünschten Größe an der gewünschten Stelle auf dem an dem Druckkopf 24 vorbeilaufenden Substrat 23 zu drucken. Bei niedrigen Betriebsfrequenzen, zum Beispiel unter 1 kHz, wird dies normalerweise dazu führen, dass ein Punkt guter Qualität auf das Substrat gedruckt wird. Wenn die Frequenz jedoch steigt, zum Beispiel auf 2 kHz oder mehr, kann die Qualität des gedruckten Punktes leiden, weil sich zum Beispiel das Ventil plötzlich schließt, was zur Bildung von Satellitenpünktchen führt. Der Rechner kann darauf reagieren, indem er anhand der CCD-Gruppe feststellt, dass solche Satellitenpünktchen gebildet werden, und veranlasst, dass sich die Form des Impulses des an die Spule angelegten elektrischen Stroms ändert, so dass die Bewegung des Stößels an jedem Ende seines Weges verringert wird, um das plötzliche Schließen des Ventils zu verringern, indem dafür gesorgt wird, dass der Stößel weich auf der Vorderseite der Edelsteindüse oder auf der Stirnwand der Ventilkopfkammer landet. Alternativ kann der Rechner auf den Befehl zum Drucken bei hohen Frequenzen reagieren, indem er die offene Zeit des Ventils anhand einer Nachschlagetabelle 25 verringert, die eine Liste von Verkürzungen der offenen Zeit für einen Bereich von Betriebsfrequenzen enthält. Analog dazu kann die die Funktionsweise des Druckkopfes steuernde Software feststellen, wann ein Ventil für eine gewisse Zeit im Ruhezustand war, und mit Hilfe einer weiteren Nachschlagetabelle ein Signal zum Verlängern der offenen Zeit des Ventils für die ersten von diesem Ventil gedruckten Punkte bereitstellen, um jegliches Austrocknen der Tinte in dem Ventil und/oder an der Düsenöffnung zu kompensieren. In diesem Fall sollten die Informationen zwischen dem Rechner und der Nachschlagetabelle vorzugsweise als Signale in Byte-Größe ausgetauscht werden, damit bis zu 256 mögliche Permutationen von offener Zeit und Betriebsfrequenz in einem einzigen Signal untergebracht werden können.
Wenn im Vergleich dazu der Stößel des in 1 dargestellten Ventilmechanismus aus einer herkömmlichen Edelstahllegierung Carpenter 430 mit einer Sättigungsflussdichte von etwa 1,2 Tesla, einer Koerzitivfeldstärke von etwa 0,95 A/m und einer relativen magnetischen Permeabilität von etwa 3.000 besteht, kann das Ventil nicht mit Frequenzen größer als etwa 800 Hz hin- und herbewegt werden. Bei über diesem Wert liegenden Frequenzen des Stromimpulses zum Ansteuern der Spule des Ventils bleibt der Stößel in der Spule stehen und vibriert lediglich ohne signifikante Axialbewegung. Wir nehmen an, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass das Material des Stößels nicht schnell genug auf die Stromimpulse reagieren kann und dass der Stößel zwischen den Stromimpulsen wegen der magnetischen Hysterese des Materials im Wesentlichen auf demselben magnetischen Zustand bleibt.
In einem weiteren Vergleich wurde das Ventil von 1 in Verbindung mit einer Düsenbohrung mit einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von 10:1, 8:1, 4:1 und 0,5:1 und mit einer Ansteuerstromfrequenz von 2 kHz betätigt. Bei dem Verhältnis von 10:1 betrug der Druck, der erforderlich ist, um die Tinte so durch die Bohrung zu leiten, dass eine gleichbleibende Größe des gedruckten Punktes erreicht wird, etwa 10 bar. Ein solcher Druck ist jedoch zu hoch zur Verwendung bei herkömmlichen Drop-on-Demand-Druckköpfen und hätte zum Bruch von Bauteilen geführt. Wurde der Druck auf ein akzeptableres Niveau reduziert, beispielsweise auf etwa 3 bar, war die Strömungsgeschwindigkeit der Tinte durch den Druckkopf nicht ausreichend, um Tinte für eine konstante Tröpfchenbildung bereitzustellen, so dass die gedruckten Punkte nicht gleich groß waren, und es fehlten Punkte, wo das Ventil keine Tinte aus dem Vorratsbehälter hatte bekommen können.
Bei einem Verhältnis von 8:1 betrug der Druck, der erforderlich ist, um die Tinte der Düsenbohrung so zuzuführen, dass eine einheitliche Größe des gedruckten Punktes erreicht wird, 5 bar, was am oberen Ende der Betriebskapazität der Bauteile eines Drop-on-Demand-Druckers liegt.
Bei einem Verhältnis von 4:1 arbeitete der Drucker mit Erfolg bei einem Tintendruck von 1,5 bis 2,5 bar und konnte bei Frequenzen des Spulenansteuerstroms von weniger als 1 kHz bis 7 kHz gleichbleibende Punkte drucken.
Bei einem Verhältnis von 0,5:1 konnte der Drucker selbst bei einem Tintendruck von 0,1 bar nicht betrieben werden, ohne dass die Tinte versprüht wurde und ohne dass es zur Bildung einer Vielzahl kleiner Punkte neben den gewünschten Hauptpunkten kam.
Der Druckkopf von 8 wurde verwendet, um Tinten mit einer Viskosität von 300 cPs durch eine Düsenöffnung von 500 μm aufzubringen, um auf den Flor eines farbigen Nadelflorteppichs aus neutralen Wollfasern verschiedenfarbige Tinten aufzubringen. Der Druckkopf wurde mit einer Frequenz von 2 kHz betrieben, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Färbung der einzelnen Fasern in dem Flor zu erreichen. Die Grenzen zwischen den verschiedenen Farben des gedruckten Bildes waren klar definiert, und die Schärfe des Bildes war ausgezeichnet. Bei einer alternativen Funktionsweise war der Druckkopf so programmiert, dass an der Grenze zwischen zwei Farben kein Tintenpunkt gedruckt wurde, um die Gefahr des Ausblutens von Farbe zwischen verschiedenfarbigen Bereichen zu minimieren.
Die oben anhand der Figuren beschriebenen Druckköpfe eignen sich auch für Druckanwendungen, bei denen Farbe auf ein dünnes Gewebe aufgebracht werden muss, das keinen Träger hat, wie zum Beispiel ein Maschengewebe aus Polyester. Oft muss die Tinte auf eine oder auf beide Seiten des Gewebes aufgebracht werden, so dass die Farbe auf jeder Seite des Gewebes im Wesentlichen die gleiche Brillanz hat. Ein solcher Effekt ist beispielsweise beim Bedrucken von Flaggen erforderlich. Die meisten bekannten Tintenstrahldruckmaschinen, die zum Bedrucken leichter Textilien verwendet werden, arbeiten in der Regel mit einem Impulsstrahldruckverfahren, bei dem sehr kleine Mengen an Tinte punktförmig aufgebracht werden, während gleichzeitig ein Druck hoher Schärfe erzeugt wird. Dabei werden jedoch im Allgemeinen blasse Farben gedruckt, sofern nicht mit einer Vielzahl von Druckläufen gearbeitet wird, und dadurch wird die Druckgeschwindigkeit signifikant verlangsamt. Die weiteren Nachteile in Verbindung mit den Impulsstrahldruckverfahren sind die niedrigen Drücke, bei denen Impulsstrahldrucker arbeiten, und die bei diesen Druckern zu verwendenden Tinten niedriger Viskosität. Dies ist ein besonderer Nachteil beim Textildruck, da Tinten höherer Viskosität bevorzugt werden, da sie eine gleichbleibendere Tiefe der Farbaufnahme durch das Textil bereitstellen, was für einen hochwertigen Druck von entscheidender Bedeutung ist. Fluide höherer Viskosität verhindern auch ein seitliches Verlaufen des Fluids, womit eine schlechte Farbdefinition an Stellen eines Farbwechsels in dem gedruckten Muster vermieden wird.
Um eine strahlende Farbqualität zu erhalten und eine gleichbleibende Farbtiefe in dem textilen Flor zu erreichen, wird die Tinte vorzugsweise aufgebracht, indem die Druckdüsenöffnung geöffnet und so lange offengehalten wird, dass sich ein Streifen einer gewünschten Länge bilden kann. Diese Technik wird als Dosieren bezeichnet. Dieses Verfahren unterscheidet sich von der Herstellung einer Vielzahl von Punkten in Form eines linearen Drucks.
Die oben beschriebenen Druckköpfe können dazu ausgelegt sein, Effekte eines punktförmigen Drucks und eines dosierenden Drucks zu erzeugen. Ferner können die Druckköpfe mit Tinten hoher Viskosität (zum Beispiel 8 cp und mehr) und mit Fluiddrücken von bis zu 3,5 bar arbeiten. Impulsstrahlköpfe eignen sich nicht für Tinten höherer Viskosität oder für Hochdruckanwendungen.
Beim Bedrucken leichter oder mittelschwerer Materialien (im Vergleich zu den oben erläuterten dicken Florgeweben) wird eine Düsengröße zwischen 80 und 250 μm bevorzugt. Beim Bedrucken dünner Maschengewebe, wie sie für Flaggen verwendet werden, haben sich Düsengrößen von 40 bis 60 μm als nützlich erwiesen. Die für solche Maschengewebe verwendete Tintenviskosität beträgt typischerweise 8-15 cp, und im Allgemeinen wird die Viskosität der Tinte mit zunehmendem Gewicht des Gewebes erhöht.

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer bilderzeugenden Zusammensetzung auf eine oder mehrere Seiten eines Maschengewebes mit einem Drop-on-Demand-Tintenstrahldrucker, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucker beim Aufbringen der Zusammensetzung auf das Maschengewebe mit einem Fluiddruck zwischen 1 und 3,5 bar betrieben wird und die bilderzeugende Zusammensetzung eine Viskosität von weniger als 100 cp hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Viskosität der bilderzeugenden Zusammensetzung im Bereich von 5 bis 20 cp liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Drop-on-Demand-Tintenstrahldrucker eine Anordnung von Düsen und ein Magnetventil umfasst, um im Gebrauch die Strömung der bilderzeugenden Zusammensetzung durch die Düsenöffnungen zu steuern, wobei die Düsenöffnungen einen Durchmesser im Bereich von 20 bis 200 μm haben, und bei dem der Stößel des Magnetventils einen Durchmesser kleiner als 2,5 mm hat.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Düsenöffnungen für dünne Maschengewebearten einen Durchmesser im Bereich von im Wesentlichen 40 bis 60 μm haben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Magnetventilmechanismus des Drop-on-Demand-Tintenstrahldruckers zum Steuern der Fluidströmung zu der Düsenöffnung ein Stößelteil umfasst, das drehbar gelagert ist, um sich in einer elektrischen Spule unter dem Einfluss eines Magnetfelds, das von dieser Spule erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom durch die Spule fließt, zwischen einer Ruhestellung und einer Betriebsstellung axial hin- und herzubewegen, wobei sich das distale Ende des Stößels in eine Kammer des Ventilkopfes mit einer Auslassdüsenbohrung erstreckt und die Hin- und Herbewegung des Stößels dazu geeignet ist, einen Fluidströmungsweg von der Kammer des Ventilkopfes durch diese Bohrung zu öffnen oder zu schließen, dadurch gekennzeichnet, dass: a. der Stößel einstückig konstruiert ist und aus einem elektromagnetisch weichen Material besteht, das eine Sättigungsflussdichte größer als 1,4 Tesla, vorzugsweise etwa 1,6 bis 1,8 Tesla, eine Koerzitivfeldstärke kleiner als 0,25 A/m und eine relative magnetische Permeabilität über 10.000 hat; und b. die von der Kammer des Ventilkopfes zu der Düsenöffnung führende Düsenbohrung ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser kleiner als 8:1, vorzugsweise von 1,5:1 bis 5:1, insbesondere von 2:1 bis 4:1 hat.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Ventil für längere Zeit in der offenen Stellung gehalten wird, um durchgehende Linien auf das Maschengewebe zu drucken.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die zum Halten des Stößels in der offenen Ventilstellung erforderliche Amplitude des durch die Spule fließenden Stromes 80 bis 50% kleiner ist als die Stromstärke, die erforderlich ist, um den Stößel zunächst von seiner Ruhestellung wegzubewegen.