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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verringern des
Volumens von Papier, nachdem es einen Bildübertragungsprozess durchlaufen hat.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Bücher und
andere gebundene Papierprodukte sind ein wesentlicher Teil vieler
Unternehmungen, Haushalte und Bildungseinrichtungen. Diese Drucksachen
bestehen im Allgemeinen aus mehreren Bögen oder Schichten Papier.
Auch wenn jedes einzelne Blatt für
sich allein keine große
Dicke haben mag, beansprucht die kumulative Gesamtdicke dieser Seiten
doch erheblichen linearen Platz im Regal.
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Viele
Einrichtungen zum Aufbewahren dieser Druckschriften haben ein festes
Speichervolumen. Darum werden viele Materialien entweder an einen
anderen Ort geschafft oder vernichtet. Die Vernichtung von Materialien
hat zahlreiche nachteilige Implikationen. Doch auch die Lagerung
an einem anderen Ort erfordert das Katalogisieren des Transports
und die Verwaltung der Materialien, wodurch die Gesamtkosten steigen.
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Zwar
wissen Herausgeber von Büchern
und anderen gebundenen Papierprodukten um das Lagerplatzproblem,
doch bei der Dicke des Papiers, das sie verwenden können, sind
ihnen Grenzen gesetzt. Die meisten Druckmaschinen erfordern, dass
das Papier eine Mindestdicke, eine Einrollbeständigkeit und weitere Parameter
aufweist, um eine zügige
Verarbeitung des Papiers zu ermöglichen.
Deshalb muss das Papier eine bestimmte Dicke haben, um bedruckt
werden zu können,
und die resultierende Druckschrift hat eine entsprechende Dicke.
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Dies
führt zu
einem erhöhten
Platzbedarf der Druckschriften im Regal. Außerdem steigen die Bindekosten,
wenn das Volumen des zu bindenden Materials zunimmt.
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Eine
Lösung
dieses Problems ist die Verwendung von dünnerem Papier. Dünneres Papier
klemmt aber oft in Kopierern und anderen Bildübertragungsmaschinen.
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In
den 1970-er Jahren brachte die Xerox Corporation ein Papier auf
den Markt, das als "Mikrokugeln" bekannt war und
das aus winzigen Papier- oder Kunststoffkugeln bestand, um das Gesamtgewicht
des Papiers zu verringern und so die Portokosten zu senken. Dieses
Papier hatte die normale Dicke von Kopierpapier und ließ sich gut
in Kopierern und Druckern verarbeiten, ohne zu klemmen, und hatte den
weiteren Vorteil, dass sich aufgrund seines geringen Gewichts die
Portokosten senken ließen.
Dieses Papier wird heute nicht mehr benutzt und auch nicht mehr
hergestellt, doch die Technologie zur seiner Herstellung existiert
noch.
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Es
besteht also Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung eines bildtragenden
Papiers, wobei das bildtragende Papier eine verringerte Dicke aufweist.
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EP-A-0343794
offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von
Drucksachen mit einem hohen Grad an Glanz, Abriebfestigkeit, Wasserfestigkeit
und Verschmutzungsbeständigkeit. Als
Bahn zugeführte
Drucksachen oder ein als Bahn zugeführtes Druckpapier wird mit
einem Beschichtungsmittel zur Walzenpressenverarbeitung beschichtet
und einer Heizwalzenpressenverarbeitung unterzogen, während es
sich noch im Zustand einer Bahn befindet.
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US-Patent
Nr. 3,933,547 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Thermoplastharzartikels mit
einem Muster, das dauerhaft auf einer Oberfläche des Artikels aufgebracht ist,
wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einprägen eines Musters mit Drucktinten
oder Farben auf der Oberfläche
eines Thermoplastharzartikels, wobei die Oberfläche eine feine miteinander
verbundene offenzellige Struktur aufweist; und Erwärmen der
mustertragenden Oberfläche
unter Druck auf eine Temperatur über
dem Schmelzpunkt des Thermoplastharzes, um so die mustertragende
Oberfläche
mit einer Dünnfilm-Harzschicht
zu überziehen,
die aus dem ursprünglichen Oberflächenschichtharz
des Artikels gebildet wird.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Erhöhen der Dichte und Verringern
der Dicke eines zusammenfaltbaren Papiersubstrats, nachdem ein Bild
auf ihm aufgebracht wurde, wie in den begleitenden Ansprüchen definiert.
Das Bild kann mit einer Vielfalt von Mechanismen, wie beispielsweise
einem Drucker, aufgebracht werden. Das bildtragende Substrat wird
anschließend
einer ausreichenden Kompressionskraft ausgesetzt, um die Dicke des
Substrats ohne Verändern
des Bildes zu verringern.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Verringern der Dicke
eines Substrats.
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2 ist
eine schematische Ansicht einer alternativen Vorrichtung zum Verringern
der Dicke eines Substratquerschnitts eines Blattes aus zusammenfaltbarem
Papier.
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3 ist
eine Querschnittsansicht eines Substrats mit einem bilderzeugenden
Material in einem Bildherstellungszustand.
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4 ist
eine Querschnittsansicht des Substrats von 3 in einem
komprimierten Zustand.
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5 ist
eine Querschnittsansicht eines alternativen Substrats mit einem
bilderzeugenden Material in einem Bildherstellungszustand.
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6 ist
eine Querschnittsansicht des Substrats von 5 in einem
komprimierten Zustand.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Wenden
wir uns 1 zu. Die vorliegende Erfindung
kann in Verbindung mit einem Drucker 10 verwendet werden
und kann dem Drucker nachgeordnet sein. Das heißt, der Drucker 10 erzeugt
ein Bild auf einem Substrats 20, und das Substrat wird dann
zu der vorliegenden Erfindung weitergeleitet.
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Das
Substrat 20 hat eine bestimmte Dicke für die Verarbeitung, beispielsweise
zur Bildherstellung. Das Substrat 20 kann eine beliebige
einer Vielzahl von Breiten und Längen
haben, was von dem vorgesehenen Verwendungszweck und der Bilddarstellungsverarbeitung
abhängt.
Das heißt,
bei einigen Bildherstellungen auf dem Substrat 20 wird
eine kontinuierliche Bahn verwendet, während bei anderen Bildherstellungsprozessen
einzelne Blätter
verwendet werden.
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Wie
in den 3-6 gezeigt, hat das Substrat 20 einen
Bildherstellungszustand 20' und
einen komprimierten Zustand 20''.
Im Bildherstellungszustand 20' hat das Substrat eine erste Dicke,
und im komprimierten Zustand 20'' hat
das Substrat eine zweite, geringere Dicke. Das Substrat 20 kann
durch Anwenden einer Kompressionskraft aus dem Bildherstellungszustand
in den komprimierten Zustand gebracht werden. Bei der Umwandlung
des Substrats 20 aus dem Bild herstellungszustand 20' in den komprimierten
Zustand 20'' handelt es
sich um einen unumkehrbaren Prozess, der keiner nachträglichen Bearbeitung
bedarf. Das heißt,
wenn das Substrat 20 einmal in den komprimierten Zustand 20'' versetzt wurde, so kommt es in
dem Substrat zu keinem nennenswerten Zurückmigrieren oder allmählichen
Zurückbewegen
zu der Dicke des Bildherstellungszustandes mehr. Die Dicke im komprimierten
Zustand 20'' beträgt zwischen
30 Prozent und 90 Prozent der Dicke im Bildherstellungszustand 20', wobei die
bevorzugte Dicke weniger als 70 Prozent der Bildherstellungsdicke
beträgt.
Es versteht sich jedoch, dass die Dicke im komprimierten Zustand
auch 30 Prozent oder weniger der Dicke des Substrats im Bildherstellungszustand
betragen kann.
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Das
Substrat 20 hat vorzugsweise einen solchen Schwellenkompressionsdruck,
dass die gewünschte
Bildherstellung auf dem Substrat erfolgen kann, ohne dass sein Volumen
verringert wird oder das Substrat in den komprimierten Zustand überführt wird.
Das heißt,
im Bildherstellungszustand 20' hat das Substrat solche Struktur-
und Produktleistungseigenschaften und -parameter, dass die Bildherstellung
mittels Simplex- oder Duplexoperationen möglich ist, bei denen zum Beispiel
Kopierer, Drucker, Faxgeräte
oder dergleichen verwendet werden. Die Struktureigenschaften des
Substrats 20 im Bildherstellungszustand werden so gewählt, dass
das Substrat austauschbar mit herkömmlichen Substraten, wie beispielsweise
Papier, verwendet werden kann.
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Das
Substrat 20 kann vorzugsweise komprimiert werden, ohne
das Bild zu verändern.
Das heißt, das
Substrat 20 verzieht, wellt oder rollt sich nicht nennenswert
unter Druck, so dass die Qualität
eines Bildes auf dem Substrat nicht beeinträchtigt wird.
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Das
Substrat 20 kann aus verschiedensten Konstruktionen bestehen,
wie beispielsweise einer Vielzahl zusammendrückbarer Hohlräume 21.
Die Hohlräume 21 können durch
in das Substrat 20 eingebettete Mikrostrukturen sowie durch
Hohlräume
im Material des Substrats selbst ausgebildet werden. Die Hohlräume 21 können durch
Dispergieren einer Vielzahl von Mikrokapseln oder -kugeln im gesamten Substrat 20 ausgebildet
werden, wenn das Substrat hergestellt wird. Auf diese Weise sind
verformbare eingebettete Strukturen im gesamten Substrat 20 angeordnet.
Die verformbaren Strukturen werden so gewählt, dass die Strukturen bei
Anlegen der Kompressionskraft ausreichend aufgebrochen oder zusammengedrückt werden,
dass ein nicht-unterstütztes
Zurückkehren
in die Bildherstellungskonfiguration verhindert wird. Alternativ
kann das Substrat 20 Beabstandungen aufweisen, die zwischen
Schichten eingeschoben sind. Bei anderen möglichen Verfahren zum Aufbau
von Substraten wie beispielsweise Laminaten wird eine mikrodünne Schicht
aus Styroporschaum (oder einem anderen stark komprimierbaren Material)
zwischen zwei sehr dünnen
Schichten aus Papier angeordnet. Das Laminat hat im Bildherstellungszustand
eine ausreichend hohe Zugfestigkeit, um es in Bildherstellungsprozessen
verwenden zu können,
gibt aber der Kompressionskraft so weit nach, dass die Dicke wesentlich
verringert wird, ohne das Bild zu verziehen oder seine Qualität zu mindern.
Bei einer weiteren Konstruktion des Substrats 20 wird die
Einbindung einer Vielzahl von faserigen oder aufblähenden Partikeln
erwogen. Alternativ kann das Substrat 20 eine Wellschicht
enthalten, die bei Einwirkung der Kompressionskraft unumkehrbar zusammengedrückt wird.
Jedoch eignet sich jedes komprimierbare, zusammendrückbare Papier
gut für dieses
Verfahren.
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Die
Herstellung eines solchen Papiersubstrats gehört zum Stand der Technik. Insbesondere
offenbart US-Patent Nr. 3,293,114, erteilt am 20. Dezember 1966,
Papiersorten, die sich zum Verpacken, Bedrucken, zur Herstellung
von Behältnissen
und dergleichen eignen, wobei hohle expandierte kugelförmige Partikel
durch Vermischen mit dem nassen Papierbrei vor dem Aufbringen auf
dem Sieb in den Papierbrei eingebracht werden. Diese Papiersorten weisen
erhöhte
Steifigkeit und eine größere Dicke auf.
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US-Patent
Nr. 3,556,934 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Papiersorten ähnlich dem
auf, was in dem oben erwähnten
US-Patent Nr. 3,293,114 beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass
dieses Patent lehrt, die Mikrokugeln in einem nicht-expandierten Zustand
in die wässrige
Suspension einzuarbeiten und das Papier während des Trocknens Temperaturen
auszusetzen, die ausreichen, um die Partikel in dem Papierbogen
expandieren zu lassen.
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US-Patent
Nr. 3,779,951, erteilt am 18. Dezember 1973, betrifft ein verbessertes
Verfahren zum Expandieren von expandierbaren Mikrokugeln in Gegenwart
von Wasser.
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US-Patent
Nr. 3,941,634, erteilt am 2. März 1976,
offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Papier, das Kunststoffpartikel
enthält,
wobei zwei voneinander beabstandete entwässerte Bahnen aus Zellulosefasern
hergestellt werden, expandierbare Thermoplastperlen zwischen die
entwässerten
Bahnen eingebracht werden, die voneinander beabstandeten, teilweise
entwässerten
Bahnen zusammengepresst werden und dieses Produkt Wärme ausgesetzt
wird, um die Fasern wenigstens teilweise zu trocknen und wenigstens
einen Teil der Perlen zu expandieren.
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US-Patent
Nr. 4,133,688, erteilt am 9. Januar 1979, offenbart ein Fotopapier,
das beidseitig mit einem Polyolefin beschichtet ist, wobei bei der
Herstellung des Papiers entweder nicht-expandierte Mikrokugeln,
die anschließend
während
der Trocknung des Papiers expandiert werden, oder expandierte Mikrokugeln
dem Papierbrei während
der Herstellung des Papiers beigegeben werden.
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US-Patent
Nr. 4,268,615, erteilt am 19. Mai 1981, betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines Reliefs durch Ausbilden einer Schicht eines Musters
auf der Oberfläche
eines Bogens, der aus einem Material besteht, das die Eigenschaft
hat, bei Erwärmung
sein Volumen zu vergrößern, wobei
das Muster aus dem Material besteht, das eine ausgeprägtere Fähigkeit zur
Lichtabsorption besitzt als das zuvor erwähnte Material, und anschließendes gleichmäßiges Bestrahlen
der gesamten Oberfläche
des Bogens mit einem starken Licht, um den Abschnitt des Bogens
neben der Unterseite der Schicht des Musters selektiv zu erwärmen, wodurch
die Schicht des Musters sich von der Oberfläche des Bogens abhebt. Der
Bogen wird durch Vermischen von Mikrokapseln und eines Bindemittels,
wie beispielsweise Vinylacetatpolymere, hergestellt.
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Die
Bild kann auf dem Substrat 20 mittels eines beliebigen
einer Vielzahl von Mechanismen hergestellt werden, einschließlich beispielsweise
xerografischer Transfer, Tintenstrahl, Laser, Fax oder Offsetdruck.
Es versteht sich, dass das Bild auf einer oder auf beiden Seiten
des Substrats 20 ausgebildet sein kann.
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Die
Kompressionskraft kann mittels eines beliebigen einer Vielzahl von
Druckerzeugungsmechanismen angelegt werden, einschließlich beispielsweise
Walzen, Kalandrieren und Pressen. Die Kompressionskraft drückt das
Substrat 20 so zusammen, dass die Dicke des Substrats verringert
wird. Des Weiteren wird – unter
bestimmten Bedingungen – davon
ausgegangen, dass die Kompressionskraft die Partikel, aus denen
das Bild besteht, in das Substrat 20 hineindrückt. Auf
diese Weise stehen. die Bildpartikel im komprimierten Zustand möglicherweise
nicht so weit von dem Substrat 20 hervor wie im Bildherstellungszustand.
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Die
gesamte Oberfläche
des Substrats wird der Kompressionskraft ausgesetzt. Die Kompressionskraft
kann gleichzeitig auf die gesamte Oberfläche angelegt werden oder kann
der Reihe nach an Abschnitte des Substrats 20 angelegt
werden, bis die gesamte Fläche
des Substrats erfasst wurde.
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Bei
der Walzenkonfiguration kann der Druck mittels einer einzelnen Walze
angelegt werden. Alternativ kann ein Paar einander gegenüberliegender Walzen 32, 34 verwendet
werden. Die Härte
und Oberflächenbeschaffenheit
der Walze wird wenigstens teilweise durch das erwartete Verarbeitungsvolumen,
das Substrat 20, das Bild und die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit
für das
Substrat bestimmt. Die komprimierten Substrate 20' können so komprimiert
werden, dass sie eine glänzende,
glatte, schimmernde, antiquierte oder matte Oberflächenbeschaffenheit
aufweisen. Es wird davon ausgegangen, dass wenigstens ein Teil der
Verarbeitung zum Ziel hat, eine resultierende Oberflächenbeschaffenheit
zu erreichen, die weitestgehend der bildtragenden und unkomprimierten
Oberflächenbeschaffenheit
gleichkommt.
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Wenn
in dem Komprimierungsprozess Walzen verwendet werden, so kann es
sein, dass sich Fixieröl
oder Tonerrückstände auf
diesen Walzen festsetzen. Wenn das der Fall ist, so kann anhaftendes Öl oder anhaftender
Toner mit einem Gummiwischer, einer Rakel oder einer Klinge entfernt
oder verringert werden.
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In
der gestapelten Konfiguration des Substrats 20 wirkt eine
Pressplatte auf die Oberfläche
des Substrats ein. Obgleich die Pressplatte vielfältige Konfigurationen
zum Anlegen der Kompressionskraft aufweisen kann, wie beispielsweise
ein Kolben, ein Nocken oder eine Walze, die auf die Rückseite
der Pressplatte wirkt, kann auch eine Vakuumstützplatte im Zusammenwirken
mit der Pressplatte verwendet werden, um das Zusammendrücken von
Substraten zu unterstützen,
in denen Gase eingeschlossen sind.
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Der
Bogen aus zusammendrückbarem
Papier wird durch einen Drucker geführt, wie beispielsweise einen
Kopierer oder ein anderes Bilddarstellungssystem. Die Seite (das
Substrat) ist auf einer oder auf beiden Seiten bildtragend. Die
Seite wird dann zu einem Kompaktierungssystem 30 transportiert,
das mit dem Bilddarstellungssystem 10 verbunden oder mit
dem Bilddarstellungssystem 10 integral ausgebildet sein
kann, oder es kann ein separates Element sein (1).
Das Kompaktierungssystem legt dann die Kompressionskraft an die
Hauptebenen des Substrats (die Seite) an. Eine einfache Art, eine Kompaktierung
zu erreichen, ist, den Papierbogen zwischen zwei Walzen oder zwischen
einer Walze und einer relativ harten Oberfläche hindurchzuführen. Das
Substrat wird dann im komprimierten Zustand zu einer Ausgabevorrichtung
oder zum Benutzen bewegt.
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Der
Komprimierungsmechanismus 30 kann mit derzeitigen Hochgeschwindigkeitsdruckern,
die eine Umgehungstransportstrecke aufweisen, zusammenwirken. Die
Umgehungstransportstrecke schickt die bedruckten Bögen (Substrate) 30 direkt
aus dem Drucker in eine Weiterverarbeitungsmaschine. Somit würde der
Komprimierungsmechanismus 30 betriebstechnisch als die
Weiterverarbeitungsmaschine positioniert sein.
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Alternativ
kann der Komprimierungsmechanismus 30 auch ohne Weiteres
an dem Drucker 10 angebracht sein und die benötigte Kompressionskraft
zur Verringerung der Papierdicke auf die gewünschte Abmessung als einen
Zwischenschritt zwischen dem Drucker und einer Weiterverarbeitungsmaschine
anlegen.
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Alternativ
können
die Seiten des Substrats 20 in eine Presse geladen werden,
die einen vorgegebenen Druck auf die Seiten ausübt, was zu einer Kompaktierung
der Seiten und der Toneroberfläche führt. Die
komprimierten Seiten können dann
aus der Presse herausgenommen werden. Das Beschicken und Herausnehmen
kann manuell erfolgen, oder es kann automatisiert erfolgen. Beispielsweise
kann im Fall eines Druckers mit einer Umgehungstransportstrecke
die Presse ein einfacher Behälter
sein, wo bildtragende Seiten gesammelt und dann gepresst werden,
bevor sie herausgenommen und zu der Weiterverarbeitungsmaschine
geschickt werden.
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Somit übt der Komprimierungsmechanismus die
Kompressionskraft auf die gesamte Oberfläche des Substrats 20 aus.
Im Gegensatz zu Vorrichtungen, die einen Abschnitt eines Substrats örtlich kompaktieren,
wie beispielsweise ein Siegel, übt
die vorliegende Erfindung die Kompressionskraft auf die gesamte
Fläche
des Substrats 20 aus.
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Im
Zusammenwirken mit dem Komprimierungsmechanismus 30 kann
ein Heizmechanismus 40 verwendet werden, um bei der Verringerung
der Substratdicke mitzuwirken. Bei dem Heizmechanismus 40 kann
es sich um eine beliebige einer Vielzahl von Konfigurationen handeln,
beispielsweise abstrahlende, konvektive oder konduktive Wärme. Bei einer
Konfiguration kann die Komprimierungswalze 32 oder 34 eine
Widerstandsheizung beinhalten, so dass die Oberfläche der
Walze Wärme
zu dem komprimierten Substrats überträgt. Alternativ
kann eine separate Heizwalze verwendet werden, die der Komprimierungswalze
vorgeschaltet ist. Es wird in Betracht gezogen, dass abstrahlende
Heizvorrichtungen, wie beispielsweise Wärmelampen, verwendet werden
könnten,
um das Substrat vor dem Anlegen der Kompressionskraft zu erwärmen. Das
Substrat 20 kann somit über
eine Umgebungstemperatur hinaus und erforderlichenfalls auf eine
höhere
Temperatur erwärmt
werden, die unterhalb einer Temperatur liegt, die das Substrat beschädigen würde.
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In
einem Referenzbeispiel, wie es in den 3 und 4 gezeigt
ist, wurde ein Bondpapier Xerox 4024 als das Substrat verwendet.
Die Dicke des Substrats und des bilder zeugenden Toners auf zwei
Seiten des Substrats betrug 112 μm
(0,0044 Inch). Dieses Substrat 20 hat eine Bildherstellungsdicke
von 102 μm
(0,004 Inch). Bei Anlegen der Komprimierungskraft zwischen 71 und
285 kg je linearem Zentimeter (400 und 1600 Pfund je linearem Inch) hatte
das Substrat eine Dicke von 94 μm
(0,0037 Inch) im komprimierten Zustand. Die kombinierte Dicke des
Substrats und des bilderzeugenden Toners auf zwei Seiten des Substrats
im komprimierten Zustand betrug 104 μm (0.0041 Inch). Somit hat das entstandene
bildtragende Substrat eine Dicke von etwa 93 Prozent der ursprünglichen
Papierdicke. Somit können
sogar Substrate, die keine komprimierbaren oder zusammendrückbarer
Mikrostrukturen enthalten, um über
5 Prozent komprimiert werden.
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In
einem weiteren Beispiel, wie in den 5 und 6 gezeigt,
wurde das Substrat 20 mit zusammendrückbaren Mikrokapseln ausgebildet.
Das bildtragende Substrat hatte im bildtragenden Zustand eine Dicke
von 102 μm
(0,004 Inch), wobei die Kombination aus Substrat und bilderzeugendem
Toner auf zwei Seiten des Substrats eine Dicke von 112 μm (0,0044
Inch) hatte. Nach dem Einwirken einer Kompressionskraft zwischen
2760 und 11000 kPa (400 und 1600 Pfund je Quadratinch) behielt das
Substrat im komprimierten Zustand eine Dicke von 66 μm (0,0026
Inch), wobei die Kombination aus Substrat und bilderzeugendem Toner
auf zwei Seiten des Substrats eine Dicke von 71 μm (0,0028 Inch) hatte. Somit
hatte das Substrat 20 im komprimierten Zustand eine Dicke,
die 65 Prozent des ursprünglichen
Dicke betrug. Das heißt,
das Substrat 20 wurde um 35 Prozent komprimiert.