EP0641657B1 - Düsenplatte für Fluidstrahl-Druckkopf und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Düsenplatte für Fluidstrahl-Druckkopf und Verfahren zu deren Herstellung Download PDF

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EP0641657B1
EP0641657B1 EP94111846A EP94111846A EP0641657B1 EP 0641657 B1 EP0641657 B1 EP 0641657B1 EP 94111846 A EP94111846 A EP 94111846A EP 94111846 A EP94111846 A EP 94111846A EP 0641657 B1 EP0641657 B1 EP 0641657B1
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EP
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nozzle plate
piece
plastic
producing
functional regions
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EP94111846A
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Nezih Ünal
Dr. Ralf-Peter Peters
Dr. Frank Bartels
Dr. Holger Reinecke
Friedolin Franz Nöker
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Boehringer Ingelheim Microparts GmbH
Original Assignee
Microparts Gesellschaft fuer Mikrostrukturtechnik mbH
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Definitions

  • the invention relates to a nozzle plate for printheads which are used in inkjet and Color beam printers are used, as well as a process for their production.
  • the invention aims such nozzle plates and the equipped with it Produce printheads more economically and their function in terms Improve printing speed and resolution.
  • Nozzle plates for ink and color jet print heads are known (Hewlett-Packard Journal, August 1988, pages 28 to 31) (EP-495 663; EP-500 068); such nozzle plates contain 12 up to about 100 nozzles with a hole diameter down to 20 ⁇ m.
  • a Device for ejecting drops with a volume of 1 to 1,000 Picoliters are connected to each nozzle.
  • the print head often arises by joining the ink tank with generally three plates, where one plate has a thin film structure, the next plate a lithographic one generated plastic structure with feed channel and ink chamber is (channel plate), and the third plate contains the nozzles (nozzle plate). Both the manufacture of the nozzle plate and the channel plate as well Assembling the plates to form the printhead requires considerable effort and high precision.
  • the nozzle plate is made, for example, by laser processing of plastic parts manufactured. Other methods are based on a conductive method Base plate made with a non-conductive plastic layer at certain points is provided. The non-conductive points are circular; their Distance corresponds to the nominal distance of the nozzles in the nozzle plate. On the The base plate is deposited electrolytically. This metal layer is thicker than the non-conductive layer, and the electrodeposited Metal inevitably grows over the edge of the non-conductive areas on the non-conductive layer. This way, smaller nozzle diameters realized as the dimensions of the lithographically produced non-conductive Places the plastic layer corresponds. To the nozzle cross section and its variation from nozzle to nozzle within the prescribed tolerances keep, complex manufacturing and measuring methods are to be used. In which last described manufacturing process, the hole spacing is inevitable greater than the thickness of the plate to be manufactured. Because the plate for reasons The stability must have a minimum thickness, the smallest possible hole spacing and thus also limits the print density.
  • EP - 0 109 755 has a nozzle plate with it attached Partitions between the fluid chambers indicated that by galvanic deposition of metal on a structured Plate is made.
  • the structured plate is made of metal, on the complementary to the shape of the fluid chambers molded body made of non-conductive material attached are.
  • the structured two-piece plate is made for several Impression processes used.
  • the bodies made of non-conductive material are structured again before each electroforming Plate applied, which is a constantly repeating Adjustment effort required.
  • the nozzles are replaced by partial Overgrow the top of the non-conductive body with Metal generated and are thus determined by the molding process. This means that only nozzles with an aspect ratio can be smaller generate as 1.
  • One complementary to the shape of the nozzles Body is on the plate used for electroforming unavailable.
  • EP - 0 564 102 describes a plastic nozzle plate and their manufacturing processes.
  • the nozzle plate has at least two structural levels; the one level contains the Nozzles, the level above contains the fluid chambers and the connecting channels between the fluid chambers and the ink supply channel and possibly also the ink supply channel.
  • Both structure levels are structured one after the other by laser ablation or other etching or shaping processes, which according to a pattern given by a mask the partial removal of plastic or its Effect formation.
  • the masks are used for every ablation step constantly re-adjusted in every structural level.
  • Each Nozzle plate is on a long belt in at least two Process steps manufactured separately.
  • the channel structures and the nozzle carrier are made by molding manufactured.
  • the nozzles are each using a laser beam drilled individually.
  • Channel structures and nozzles are created in two steps completely different processes. There is also post-processing required. This process is also very complex.
  • the nozzle plate contains nozzles, fluid chambers, functional areas the connecting channels between the fluid chambers and the storage container for the fluid and possibly adjustment elements, all Functional areas as a one-piece multifunctional microstructure body by molding a one-piece mold insert can be produced in a single molding step.
  • Filters and filters can be added to the functional areas of the nozzle plate Fluidic structures are part of increasing the print quality.
  • a one-piece micro-structured metal insert used all functional areas contains the nozzle plate in a complementary structure, and the z. B. by Lithography, preferably deep lithography with X-rays, and electroforming will be produced.
  • Lithography preferably deep lithography with X-rays
  • electroforming By using the lithographic process also non-round or non-square nozzle outlet openings realized become.
  • a second layer of an X-ray resist is then generally applied applied in a suitable thickness using a second mask X-rays are irradiated, this second mask having a different absorber structure wears as the first mask.
  • a second resist layer is made in the microstructure on the base plate Plastic (resist) a metal electrodeposited, all Cavities of the microstructure can be completely filled with metal. Subsequently more metal is deposited, creating the whole microstructure is covered.
  • microstructure made of metal is different from that on the base plate Microstructure made of plastic separated, the microstructured mold insert is obtained from metal, the all functional areas of the nozzle plate contains in a complementary structure.
  • the micro-structured nozzle plate is made of plastic by means of the mold insert with all functional areas as a one-piece microstructure body e.g. B. made by injection molding.
  • a one-piece nozzle plate can be created, the functional elements contains on both sides.
  • the nozzles are on a side running parallel to its axis open. This side of the nozzles is closed, once the nozzle plate has a thin film structure supporting plate is assembled.
  • Figure 4 is one using this method manufacturable nozzle plate shown by structuring Nozzle channels on two sides of the plate doubled the print density and / or the use of two different colors is permitted.
  • the plastic nozzle plate can be made by injection molding, reaction molding or Embossing can be produced using a metal mold insert. This procedure enable inexpensive mass production of nozzle plates.
  • the nozzle plate made of metal can be manufactured inexpensively a negative mold made of plastic, as described above. To the negative form in a galvanoform process - analogous to the process, described in the manufacture of the mold insert - in a metal structure transferred with the desired nozzle holes and functional elements.
  • plastics such as polysulfone, polyether sulfone, polymethyl methacrylate, Polycarbonate, polyethylene ether ketone and liquid crystal polymers suitable.
  • nozzle plate made of metal for. B. nickel or nickel-cobalt alloys or copper-tin-zinc alloys; such Panels are used either directly or with a coating.
  • Example 1 Method for producing a mold insert for a nozzle plate with an axial fluid jet
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • This layer will irradiated with synchrotron radiation through a first X-ray mask.
  • the first mask is in a shape that matches the structure of the nozzle plate structured.
  • the irradiated areas of the first resist layer soluble. Those irradiated through the first mask Areas are removed from GG developers with a solution.
  • the areas detached from the first resist layer filled with nickel, and the whole plate is covered with a 50 ⁇ m thick PMMA resist layer.
  • This layer is covered by a irradiated with synchrotron radiation through the second X-ray mask.
  • the second Mask is in one of the structure of the channel plate and the structure of the first Structured mask matching shape.
  • the irradiated areas of the second resist layer to a depth of approximately 65 ⁇ m soluble through targeted dose deposition. That through the second mask Irradiated areas of the second resist layer are covered with a solution GG developer detached.
  • Nickel is electrodeposited in the extracted areas, and the entire plate is covered with an approximately 8 mm thick layer of nickel, whereby the nickel structure of the first level serves as an electrical contact.
  • the base plate made of copper is milled off, and the remaining parts both resist layers are dissolved with polyethylene glycol. So that gets the mold insert, its structure to the structure of the nozzle and channel plate is complementary.
  • Example 2 Nozzle plate for a printhead with an axially emerging fluid jet
  • the nozzle plate produced by means of a mold insert according to Example 1 contains 108 nozzles with a diameter of 50 ⁇ m and one in 2 rows Nozzle length of 100 ⁇ m
  • the fluid chamber is 50 ⁇ m deep and below the 70 ⁇ m wide nozzles.
  • the fluid pan is also 50 ⁇ m deep.
  • the closest The location of the fluid channels is about 30 ⁇ m wide.
  • This one-piece nozzle plate comes with a silicon plate that is a heating element for each nozzle, its electrical connections and the fluid inlet contains, glued. Polyurethane glue serves as the adhesive.
  • Example 3 Nozzle plate for a printhead with a fluid jet emerging in the plate plane
  • Nozzle plate contains 216 nozzles on both sides.
  • the nozzles on each side has a distance of 84 ⁇ m. Both rows of nozzles are against each other offset by 42 ⁇ m.
  • the dimensions of the nozzle channel are on the narrowest point 40 ⁇ m in width and 40 ⁇ m in depth.
  • the diameter the fluid chamber in front of the nozzle is 60 ⁇ m, the wall thickness between the fluid chambers 24 ⁇ m
  • the narrowest part of the fluid channel is 20 ⁇ m wide.
  • This one-piece nozzle plate is covered on both sides with a silicon plate, which is a heating element for each nozzle and its electrical connections contains, glued.
  • a polyurethane adhesive is used as the adhesive.

Description

Die Erfindung betrifft eine Düsenplatte für Druckköpfe, die in Tintenstrahl-und Farbstrahl-Druckern verwendet werden, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Die Erfindung bezweckt, derartige Düsenplatten und die damit bestückten Druckköpfe wirtschaftlicher herzustellen und deren Funktion hinsichtlich Druckgeschwindigkeit und Auflösung zu verbessern.
Düsenplatten für Tinten- und Farbstrahl-Druckköpfe sind bekannt (Hewlett-Packard Journal, August 1988, Seiten 28 bis 31) (EP-495 663; EP-500 068); solche Düsenplatten enthalten 12 bis zu etwa 100 Düsen mit einem Lochdurchmesser bis hinab zu 20 µm. Vor jeder Düse liegt eine Tintenkammer, die über speziell geformte Kanäle mit einem Tintenbehälter in Verbindung steht. Eine Vorrichtung zum Ausstoßen von Tropfen mit einem Volumen von 1 bis 1 000 Picolitern steht in Verbindung mit jeder Düse. Der Druckkopf entsteht häufig durch Zusammenfügen des Tintenbehälters mit im allgemeinen drei Platten, wobei eine Platte eine Dünnschichtstruktur, die nächste Platte eine lithographisch erzeugte Kunststoffstruktur mit Zuleitungskanal und Tintenkammer ist (Kanalplatte), und die dritte Platte die Düsen enthält (Düsenplatte). Sowohl die Herstellung der Düsenplatte und der Kanalplatte als auch das Zusammenfügen der Platten zum Druckkopf erfordern einen erheblichen Aufwand und hohe Präzision.
Die Düsenplatte wird beispielsweise durch Laserbearbeitung von Kunststoffteilen hergestellt. Bei anderen Verfahren geht man von einer leitfähigen Grundplatte aus, die an bestimmten Stellen mit einer nichtleitenden Kunststoffschicht versehen ist. Die nichtleitenden Stellen sind kreisförmig; ihr Abstand entspricht dem Sollabstand der Düsen in der Düsenplatte. Auf der Grundplatte wird Metall elektrolytisch abgeschieden. Diese Metallschicht ist dicker als die nichtleitende Schicht, und das elektrolytisch abgeschiedene Metall wächst zwangsläufig über den Rand der nichtleitenden Stellen auf die nichtleitende Schicht auf. Auf diese Weise werden kleinere Düsendurchmesser realisiert als den Abmessungen der lithographisch hergestellten nichtleitenden Stellen der Kunststoffschicht entspricht. Um den Düsenquerschnitt und seine Schwankung von Düse zu Düse in den vorgeschriebenen Toleranzen zu halten, sind aufwendige Fertigungs- und Meßverfahren anzuwenden. Bei dem zuletzt beschriebenen Herstellungsverfahren ist der Lochabstand zwangsläufig größer als die Dicke der herzustellenden Platte. Da die Platte aus Gründen der Stabilität eine Mindestdicke haben muß, ist der kleinstmögliche Lochabstand und damit auch die Druckdichte begrenzt.
In EP - 0 109 755 ist eine Düsenplatte mit darauf angebrachten Trennwänden zwischen den Fluidkammern angegeben, die durch galvanisches Abscheiden von Metall auf einer strukturierten Platte hergestellt wird. Die strukturierte Platte besteht aus Metall, auf der zur Form der Fluidkammern komplementär geformte Körper aus nichtleitendem Material angebracht sind. Die strukturierte zweiteilige Platte wird für mehrere Abformvorgänge benutzt. Die Körper aus nichtleitendem Material werden vor jeder Galvanoformung erneut auf die strukturierte Platte aufgebracht, was einen sich ständig wiederholenden Justieraufwand erfordert. Die Düsen werden durch teilweises Überwachsen der Oberseite der nichtleitenden Körper mit Metall erzeugt und werden somit vom Abformvorgang bestimmt. Damit lassen sich nur Düsen mit einem Aspektverhältnis kleiner als 1 erzeugen. Ein zur Form der Düsen komplementärer Körper ist auf der für die Galvanoformung benutzten Platte nicht vorhanden.
EP - 0 564 102 beschreibt eine Düsenplatte aus Kunststoff und deren Herstellungsverfahren. Die Düsenplatte hat mindestens zwei Strukturebenen; die eine Ebene enthält die Düsen, die darüberliegende Ebene enthält die Fluidkammern und die Verbindungskanäle zwischen Fluidkammern und Tintenzuleitungskanal sowie gegebenenfalls noch den Tintenzuleitungskanal. Beide Strukturebenen werden nacheinander strukturiert durch Laserabtragung oder andere Ätz- oder Formungsverfahren, die gemäß eines durch jeweils eine Maske vorgegebenen Musters die bereichsweise Abtragung von Kunststoff oder dessen Formung bewirken. Die Masken werden für jeden Abtragungsschritt in jeder Strukturebene ständig neu justiert. Jede Düsenplatte wird auf einem langen Band in mindestens zwei Verfahrensschritten separat hergestellt.
Nach EP-495 663 werden die Kanalstrukturen und der Düsenträger durch Abformen hergestellt. Die Düsen werden mittels eines Laserstrahls jeweils einzeln gebohrt. Kanalstrukturen und Düsen werden in zwei Schritten nach völlig unterschiedlichen Verfahren hergestellt. Ferner ist eine Nachbearbeitung erforderlich. Auch dieses Verfahren ist sehr aufwendig.
Damit stellt sich die Aufgabe, Düsenplatten und Kanalplatten herzustellen, mit denen Fluidstrahl-Druckköpfe mit möglichst erhöhter Präzision einfacher zusammengesetzt werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Düsenplatte und ein Verfahren zu deren Herstellung, deren kennzeichnende Merkmale in den Ansprüchen angegeben sind.
Die Düsenplatte enthält Düsen, Fluidkammern, Funktionsbereiche der Verbindungskanäle zwischen Fluidkammern und Vorratsbehälter für das Fluid sowie gegebenenfalls Justierelemente, wobei alle Funktionsbereiche als einstückiger multifunktionaler Mikrostrukturkörper durch Abformen eines einstückigen Formeinsatzes in einem einzigen Abformschritt hergestellt werden.
Zu den Funktionsbereichen der Düsenplatte können weiter Filter und fluidische Strukturen zum Erhöhen der Druckqualität gehören.
Für eine Düsenplatte aus Kunststoff wird ein einstückiger mikrostrukturierter Formeinsatz aus Metall verwendet, der sämtliche Funktionsbereiche der Düsenplatte in komplementärer Struktur enthält, und der z. B. durch Lithographie, bevorzugt Tiefenlithographie mit Röntgenstrahlen, und Galvanoformung hergestellt wird. Durch den Einsatz der lithographischen Verfahren können auch nicht-runde oder nicht-quadratische Düsenaustrittsöffnungen realisiert werden. Dazu geht man von einer metallenen Grundplatte aus, die mit einer ersten Schicht geeigneter Dicke eines (Positiv- oder Negativ-) Röntgen-Resists belegt ist. Diese Schicht wird durch eine erste Maske, die eine Absorberstruktur für Röntgenstrahlen trägt, bestrahlt, wodurch die Löslichkeit der ersten Resist-Schicht an den bestrahlten Stellen verändert wird. Beim Entwickeln der bestrahlten ersten Resist-Schicht werden die löslich gebliebenen oder löslich gewordenen Bereiche aufgelöst.
Anschließend wird im allgemeinen eine zweite Schicht eines Röntgen-Resists in einer geeigneten Dicke aufgetragen, die durch eine zweite Maske mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird, wobei diese zweite Maske eine andere Absorberstruktur trägt als die erste Maske. Nach dem Entwickeln der zweiten Resist-Schicht wird in der auf der Grundplatte befindlichen Mikrostruktur aus Kunststoff (Resist) ein Metall galvanisch abgeschieden, wobei sämtliche Hohlräume der Mikrostruktur vollständig mit Metall gefüllt werden. Anschließend wird weiteres Metall abgeschieden, wodurch die ganze Mikrostruktur überdeckt wird.
Die Mikrostruktur aus Metall wird von der auf der Grundplatte befindlichen Mikrostruktur aus Kunststoff getrennt, wobei der mikrostrukturierte Formeinsatz aus Metall erhalten wird, der sämtliche Funktionsbereiche der Düsenplatte in komplementärer Struktur enthält.
Mittels des Formeinsatzes wird die mikrostrukturierte Düsenplatte aus Kunststoff mit sämtlichen Funktionsbereichen als einstückiger Mikrostrukturkörper z. B. durch Spritzgießen hergestellt.
Werden im Spritzgußwerkzeug zwei unterschiedlich strukturierte Formeinsätze eingesetzt, kann eine einstückige Düsenplatte erzeugt werden, die Funktionselemente auf beiden Seiten enthält. Die Düsen sind jeweils an einer parallel zu ihrer Achse verlaufenden Seite zunächst offen. Diese Seite der Düsen wird geschlossen, sobald die Düsenplatte mit einer eine Dünnschichtstruktur tragenden Platte zusammengefügt wird. In Figur 4 ist eine mittels dieses Verfahrens herstellbare Düsenplatte dargestellt, die durch Strukturierung von Düsenkanälen auf zwei Seiten der Platte eine Verdoppelung der Druckdichte und/oder den Einsatz von zwei verschiedenen Farben erlaubt.
Zum Herstellen des Formeinsatzes können neben der Lithographie auch Verfahren der Laserbearbeitung, der Feinwerktechnik und der Ätztechnik sowie Kombinationen dieser Verfahren angewendet werden. Damit kann auch die Querschnittsform der Düsen verändert werden; z. B. können Düsen mit in Strömungsrichtung allmählich abnehmendem Querschnitt hergestellt werden. Dieses kann beispielsweise erreicht werden durch
  • das Bestrahlen der Resistschichten unter einem Winkel gegen die Oberflächennormale, oder durch
  • die vielfache Anwendung des lithographischen Verfahrens in mehreren Ebenen übereinander mit jeweils veränderter Maskengeometrie, oder durch
  • eine geeignete Variation von Belichtungs- und Entwicklungsparametern.
Das Herstellen des Formeinsatzes erfordert zwar eine hohe Präzision und kann recht komplex werden, da hierbei die Anordnung der Funktionsbereiche zueinander justiert wird. Dieser Aufwand lohnt sich jedoch, da er nur beim Herstellen des Formeinsatzes erforderlich ist. Die Düsenplatten selbst werden in großer Stückzahl kostengünstig repliziert und haben ohne zusätzlichen Aufwand praktisch dieselbe Präzision wie der Formeinsatz.
Die Düsenplatte aus Kunststoff kann durch Spritzgießen, Reaktionsgießen oder Prägen mittels eines metallenen Formeinsatzes hergestellt werden. Diese Verfahren ermöglichen die kostengünstige Massenherstellung von Düsenplatten. Ebenso kann die Düsenplatte aus Metall durch die kostengünstige Herstellung einer Negativform aus Kunststoff, wie oben beschrieben, erzeugt werden. Dazu wird die Negativform in einem galvanoformischen Prozeß - analog zum Prozeß, der bei der Herstellung des Formeinsatzes beschrieben wurde - in eine Metallstruktur mit den gewünschten Düsenlöchern und Funktionselementen überführt.
Als Kunststoffe sind z. B. Polysulfon, Polyethersulfon, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyethyletherketon sowie Flüssigkristallpolymere geeignet.
Zum Herstellen einer Düsenplatte aus Metall sind z. B. Nickel oder Nickel-Kobalt-Legierungen oder Kupfer-Zinn-Zink-Legierungen geeignet; solche Platten werden entweder direkt oder mit einer Beschichtung eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung hat folgende Vorteile:
  • Die Düsenplatte mit mehreren Funktionsbereichen erleichtert das Herstellen des Druckkopfes, insbesondere deshalb, weil weniger Einzelteile montiert werden müssen.
  • Auch sehr aufwendige Strukturen der Düsenplatte lassen sich über das Abformen des Formeinsatzes in großer Stückzahl und großer Präzision kostengünstig herstellen.
  • Das Verfahren hat eine hohe Strukturauflösung und erlaubt eine große Packungsdichte der Funktionsbereiche. Man kann Strukturen mit hohem Aspektverhältnis und annähernd beliebiger Form erzeugen.
  • Die Düsenplatte erlaubt eine hohe Druckgeschwindigkeit und ist besonders für Druckköpfe mit mehreren Farben geeignet.
  • Das aufwendige Justieren der Funktionsbereiche zueinander ist nur beim Herstellen des Formeinsatzes erforderlich.
  • Die Anzahl der Fertigungsschritte und die Teilevielfalt werden vermindert, wodurch die Ausbeute steigt und gleichzeitig der Aufwand für die Qualitätskontrolle vermindert wird.
  • Durch die Verwendung von nicht-runden oder nicht-quadratischen Düsenaustrittsöffnungen ist ein kontrolliertes Abreißen des Tropfens und eine Stabilisierung der FLugrichtung erzielbar.
  • Das Verfahren ist sehr flexibel und erlaubt das Herstellen sehr unterschiedlich strukturierter Düsenplatten aus verschiedenen Materialien.
  • Die Funktionsbereiche einer Düsenplatte können kompakt angeordnet werden.
  • Die Düsenabstände können weniger als 1/10 der Plattendicke betragen.
Die Erfindung wird an Hand der Figuren weiter erläutert.
  • Figur 1 zeigt die wesentlichen Schritte zum Herstellen eines Formeinsatzes durch Lithographie und Galvanoformung. Auf der metallenen Grundplatte (1) befindet sich die erste Resist-Schicht (2), die durch die erste Maske (3) hindurch mit parallelem Licht bestrahlt wird. Die Dicke dieser Schicht entspricht der Dicke der zu erzeugenden Struktur. Die erste Maske trägt die Absorberstruktur (4), die die darunter liegenden Bereiche (5) der ersten Resist-Schicht abschattet. Nach dem Auflösen der unbestrahlten Bereiche der ersten Schicht (2) wird die zweite Resist-Schicht (6) aufgebracht, die durch die zweite Maske (7) hindurch bestrahlt wird. Die zweite Maske trägt die Absorberstruktur (8), die die darunter liegenden Bereiche (9) beider Resist-Schichten abschattet. Nach dem Auflösen der unbestrahlten Bereiche (9) der zweiten Schicht (6) und des Materials, das gegebenenfalls in die bereits aus der ersten Resist-Schicht herausgelösten Bereiche eingedrungen ist, erhält man eine Struktur, die der Struktur der Düsenplatte entspricht. Die aus den Resist-Schichten herausgelösten Bereiche werden durch galvanisches Abscheiden von Metall, z. B. Ni, NiCo, Cu gefüllt, und der gesamte Bereiche wird mit einer Metallschicht (10) überdeckt. Nach dem Trennen der Metallschicht von der Grundplatte und dem verbliebenen Resist-Material erhält man den metallenen Formeinsatz (11), dessen Struktur zur Struktur der Düsenplatte komplementär ist. Durch Abformen des Formeinsatzes (11) entsteht die Düsenplatte (12) aus Kunststoff, die die Düsen (13) sowie weitere Funktionsbereiche (14) enthält.
  • Figur 2 zeigt als Beispiel eine Düsenplatte (12) mit Düse (13), Fluidwanne (15), Fluidkammer (16) und einer Aussparung (17) als Justierhilfe für die Befestigung an der gegenüberliegenden Platte (18). Diese Platte besteht z. B. aus Silizium und trägt als Dünnschichtstruktur ein Heizelement (19), das jeder Düse gegenüber liegt, und mit dem die Fluidtropfen ausgestoßen werden. Die Platte (18) hat einen Fluid-Einlaß (20) und einen Zapfen (21), der in die Aussparung (17) paßt.
  • In Figur 3 ist eine Düsenplatte (12) vor dem Zusammenbau mit der Silizium-Platte (18) in der Ansicht von oben dargestellt. Die Silizium-Platte trägt mehrere Heizer (19) mit den Zuführungen für elektrische Energie sowie den Fluid-Einlaß (20). Auf der Oberseite der Düsenplatte (12) sind die in zwei Reihen angeordneten Düsen (13) dargestellt. Ferner ist ein vergrößerter Ausschnitt der Unterseite der Düsenplatte (12) dargestellt. Daran erkennt man mehrere Düsen (13), die Fluidwanne (15) und die zu jeder Düse gehörende Fluidkammer (16), sowie mehrere Fluidkanäle (22), die die Fluidwanne mit jeweils einer Fluidkammer verbinden. Die Düsenplatte (12) wird mit der Siliziumplatte (18) durch Kleben, Bonden oder auf andere Weise verbunden.
  • Figur 4 zeigt eine einstückige Düsenplatte (23) vor dem Zusammenbau mit den beiden (nicht dargestellten) Siliziumplatten; letztere tragen ein Heizelement für jede Düse sowie dessen elektrische Anschlüsse. Vor jeder Düsenöffnung (24) liegt eine runde Fluidkammer (25), die über den Düsenkanal (26) mit der Fluidwanne (27) verbunden ist. Die Düsenplatte enthält eine Reihe Düsen auf jeder Seite; die beiden Düsenreihen sind gegeneinander versetzt. Diese für einen zweifarbigen Druckkopf vorgesehene Düsenplatte hat eine Fluidwanne auf jeder Plattenseite, wobei beide Fluidwannen miteinander nicht in Verbindung stehen. Außerdem trägt diese Düsenplatte auf jeder Seite Justierzapfen (28) für den präzisen Zusammenbau mit den beiden Siliziumplatten.
    • Beispiel 1: Verfahren zum Herstellen eines Formeinsatzes für eine Düsenplatte mit achsialem Fluidstrahl
    Zum Herstellen des Formeinsatzes wird auf eine Grundplatte aus Kupfer (10 mm dick, etwa 100 mm breit und etwa 100 mm lang) eine 100 µm dicke Resistschicht aus Polymethylmethacrylat (PMMA) aufgebracht. Diese Schicht wird durch eine erste Röntgenmaske hindurch mit Synchrotron-Strahlung bestrahlt. Die erste Maske ist in einer zur Struktur der Düsenplatte passenden Form strukturiert. Durch die Röntgenstrahlung werden die bestrahlten Bereiche der ersten Resist-Schicht löslich. Die durch die erste Maske bestrahlten Bereiche werden mit einer Lösung aus GG-Entwickler herausgelöst.
    Anschließend werden die aus der ersten Resist-Schicht herausgelösten Bereiche mit Nickel ausgefüllt, und die ganze Platte wird mit einer 50 µm dicken Resist-Schicht aus PMMA überdeckt. Diese Schicht wird durch eine zweite Röntgenmaske hindurch mit Synchrotron-Strahlung bestrahlt. Die zweite Maske ist in einer zur Struktur der Kanalplatte und zur Struktur der ersten Maske passenden Form strukturiert. Durch die Röntgenstrahlung werden die bestrahlten Bereiche der zweiten Resist-Schicht bis in eine Tiefe von etwa 65 µm durch gezielte Dosisablagerung löslich. Die durch die zweite Maske bestrahlten Bereiche der zweiten Resist-Schicht werden mit einer Lösung aus GG-Entwickler herausgelöst.
    In den herausgelösten Bereichen wird Nickel galvanisch abgeschieden, und die gesamte Platte wird mit einer etwa 8 mm dicken Nickelschicht überdeckt, wobei die Nickelstruktur der ersten Ebene als elektrischer Kontakt dient.
    Die Grundplatte aus Kupfer wird abgefräst, und die stehengebliebenen Teile beider Resist-Schichten werden mit Polyethylenglykol aufgelöst. Damit erhält man den Formeinsatz, dessen Struktur zur Struktur der Düsen- und Kanalplatte komplementär ist.
    Beispiel 2: Düsenplatte für einen Druckkopf mit achsial austretendem Fluidstrahl
    Die mittels eines Formeinsatzes nach Beispiel 1 hergestellte Düsenplatte enthält in 2 Reihen 108 Düsen mit einem Durchmesser von 50 µm und einer Düsenlänge von 100 µm Die Fluidkammer ist 50 µm tief und unterhalb der Düsen 70 µm breit. Die Fluidwanne ist ebenfalls 50 µm tief. Die engste Stelle der FLuidkanäle ist etwa 30 µm breit.
    Diese einstückige Düsenplatte wird mit einer Siliziumplatte, die ein Heizelement für jede Düse, deren elektrische Anschlüsse sowie den Fluideinlaß enthält, verklebt. Als Kleber dient Polyurethankleber.
    Beispiel 3: Düsenplatte für einen Druckkopf mit in der Plattenebene austretendem Fluidstrahl
    Die mittels zweier Formeinsätze nach Beispiel 1 hergestellte einstückige Düsenplatte enthält auf beiden Seiten zusammen 216 Düsen. Die Düsen auf jeder Seite haben einen Abstand von 84 µm Beide Düsenreihen sind gegeneinander um 42 µm versetzt. Die Abmessungen des Düsenkanals betragen an der engsten Stelle 40 µm in der Breite und 40 µm in der Tiefe. Der Durchmesser der vor der Düse liegenden Fluidkammer beträgt 60 µm, die Wanddicke zwischen den Fluidkammern 24 µm Der engste Teil des Fluidkanals ist 20 µm breit.
    Diese einstückige Düsenplatte wird auf beiden Seiten mit einer Siliziumplatte, die ein Heizelement für jede Düse sowie dessen elektrische Anschlüsse enthält, verklebt. Als Kleber dient ein Polyurethankleber.
    Für einen einfarbigen Druckkopf ist ein Fluideinlaß in der Siliziumplatte nur auf einer Seite vorhanden und in der Fluidwanne der Düsenplatte ein Fluiddurchlaß.
    Für einen zweifarbigen Druckkopf läßt sich eine Anordnung mit je einer Fluidzuführung in jeder der beiden Siliziumplatten realisieren, der Durchbruch in der Fluidwanne der Düsenplatte entfällt in diesem Falle.

    Claims (9)

    1. Verfahren zum Herstellen einer Düsenplatte (12,23) aus Kunststoff für einen Fluidstrahl-Druckkopf, welche Düsen (13) oder Fluidkanäle (24) als Düsenvorformen, Fluidkammern (16,25) sowie Verbindungskanäle (22,26) zwischen den Fluidkammern und einem Vorratsbehälter (15,27) für das Fluid enthält,gekennzeichnet durch
      Herstellen eines einstückigen Formeinsatzes aus Metall, der sämtliche Funktionsbereiche der Düsenplatte (12,23) in komplementärer Struktur enthält,
      Abformen der mikrostrukturierten einstückigen Düsenplatte (12,23) aus Kunststoff durch Kunststoff-Abformtechnik mittels des metallenen Formeinsatzes mit sämtlichen Funktionsbereichen als einstückiger multifunktionaler Mikrostrukturkörper in einem einzigen Abformschritt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Herstellen einer Düsenplatte (12,23) aus Kunststoff für einen Fluidstrahl-Druckkopf, welche zusätzlich integrierte Justierelemente, Filter und fluidische Strukturen enthält, die innerhalb von Funktionsbereichen angeordnet sind, gekennzeichnet durch
      Herstellen eines einstückigen Formeinsatzes aus Metall, der zusätzlich integrierte Justierelemente, Filter und fluidische Strukturen in komplementärer Struktur enthält,
      Abformen der mikrostrukturierten einstückigen Düsenplatte (12,23) aus Kunststoff durch Kunststoff-Abformtechnik mittels des metallenen Formeinsatzes mit sämtlichen Funktionsbereichen und zusätzlichen integrierten Justierelementen, Filtern und fluidischen Strukturen als einstückiger multifunktionaler Mikrostrukturkörper in einem einzigen Abformschritt.
    3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 zum Herstellen einer Düsenplatte (12) aus Kunststoff mit mehreren Funktionsbereichen auf einer Seite, mit Düsen (13), deren Achse senkrecht zur Düsenplatte verläuft, oder mit Fluidkanälen (24), deren Achse parallel zur Düsenplatte verläuft, gekennzeichnet durch
      Herstellen eines einstückigen Formeinsatzes aus Metall, der sämtliche Funktionsbereiche der Düsenplatte auf seiner einen Seite in komplementärer Struktur enthält,
      Abformen der auf einer Seite mikrostrukturierten einstückigen Düsenplatte aus Kunststoff durch Kunststoff-Abformtechnik mittels des metallenen Formeinsatzes mit sämtlichen Funktionsbereichen als einstückiger multifunktionaler Mikrostrukturkörper in einen einzigen Abformschritt.
    4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 zum Herstellen einer Düsenplatte (23) aus Kunststoff mit Fluidkanälen (24), deren Achse parallel zur Düsenplatte verläuft, wobei die Düsenplatte auf beiden Seiten Funktionsbereiche enthält, gekennzeichnet durch
      Herstellen zweier jeweils einstückiger Formeinsätze aus Metall, von denen jeder sämtliche auf jeweils einer Seite der Düsenplatte angeordnete Funktionsbereiche in komplementärer Struktur enthält
      Abformen der auf beiden Seiten mikrostrukturierten einstückigen Düsenplatte aus Kunststoff durch Kunststoff-Abformtechnik unter gleichzeitiger Benutzung der beiden einstückigen metallenen Formeinsätze, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, wobei sich die strukturierten Seiten der Formeinsätze gegenüberstehen, mit sämtlichen Funktionsbereichen als einstückiger multifunktionaler Mikrostrukturkörper in einem einzigen Abformschritt.
    5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 zum Herstellen einer Düsenplatte (12,23) aus Kunststoff, wobei als Kunststoff Polysulfon, Polyethersulfon, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyethyletherketon oder Flüssigkristallpolymer verwendet wird.
    6. Verfahren zum Herstellen einer Düsenplatte (12,23) aus Metall für einen Fluidstrahl-Druckkopf, welche Düsen (13), Fluidkammern (16,25) sowie Verbindungskanäle (22,26) zwischen den Fluidkammern und einem Vorratsbehälter (15,27) für das Fluid enthält, gekennzeichnet durch
      Herstellen eines einstückigen Formeinsatzes aus Kunststoff, der sämtliche Funktionsbereiche der Düsenplatte (12,23) in komplementärer Struktur enthält,
      Galvanoformung der mikrostrukturierten einstückigen Düsenplatte (12,23) aus Metall mit sämtlichen Funktionsbereichen mittels des Formeinsatzes aus Kunststoff als einstückiger multifunktionaler Mikrostrukturkörper in einem einzigen Abformschritt.
    7. Verfahren nach Anspruch 6 zum Herstellen einer Düsenplatte (12,23) aus Metall mit mehreren Funktionsbereichen für einen Fluidstrahl-Druckkopf, welche zusätzlich integrierte Justierelemente, Filter und fluidische Strukturen enthält, die innerhalb von Funktionsbereichen angeordnet sind, gekennzeichnet durch
      Herstellen eines einstückigen Formeinsatzes aus Kunststoff, der zusätzlich integrierte Justierelemente, Filter und fluidische Strukturen in komplementärer Struktur enthält,
      Galvanoformung der mikrostrukturierten einstückigen Düsenplatte (12, 23) aus Metall mittels des Formeinsatzes aus Kunststoff, der sämtliche Funktionsbereiche und zusätzlich integrierte Justierelemente, Filter und fluidische Strukturen enthält, als einstückiger multifunktionaler Mikrostrukturkörper in einem einzigen Abformschritt.
    8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7 zum Herstellen einer Düsenplatte (12) aus Metall mit Düsen (13), deren Achse senkrecht zur Düsenplatte verläuft, und Funktionsbereichen, die auf einer Seite der Düsenplatte (12) angeordnet sind, gekennzeichnet durch
      Herstellen eines einstückigen Formeinsatzes aus Kunststoff, der auf einer Seite sämtliche Funktionsbereiche der Düsenplatte in komplementärer Struktur enthält,
      Galvanoformung der mikrostrukturierten einstückigen Düsenplatte (12) aus Metall mit sämtlichen Funktionsbereichen mittels des Formeinsatzes aus Kunststoff als einstückiger multifunktionaler Mikrostrukturkörper in einem einzigen Abformschritt.
    9. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 8 zum Herstellen einer Düsenplatte (12,23) aus Metall, wobei als Metall Nickel, Kupfer, Nickel-Kobalt- oder Kupfer-Zinn-Zink-Legierung verwendet wird.
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