Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung von Toner auf einem Träger bzw.
einem Bedruckstoff, insbesondere einem blattförmigen oder einem bandförmigen
Bedruckstoff, vorzugsweise für eine digitale Druckmaschine.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Erwärmung von Bedruckstoff
und/oder Toner, insbesondere zur Fixierung von Toner auf einem Träger bzw.
einem Bedruckstoff, insbesondere einem blattförmigen oder einem bandförmigen
Bedruckstoff, vorzugsweise für eine digitale Druckmaschine, vorzugsweise zur
Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
Beim digitalen, insbesondere elektrostatischen oder elektrophotografischen Drucken
wird ein latentes elektrostatisches Bild erzeugt, das mittels geladener Tonerpartikel
entwickelt wird, die ihrerseits auf einen das Bild aufnehmenden Bedruckstoff,
z.B. Papier, übertragen werden. Das auf den Bedruckstoff übertragene Bild
wird dort durch Erhitzen und Erweichen des Toners und/oder Erhitzen des Bedruckstoffes
fixiert. Durch und während dieses Prozesses verbinden sich Tonerpartikel
mit dem Bedruckstoff und ggf. auch miteinander.
Für das Fixieren des Toners auf dem Bedruckstoff ist die Nutzung von Mikrowellen
prinzipiell bekannt. Da die Absorption von Mikrowellenenergie im Toner üblicherweise
um mindestens eine Größenordnung kleiner ist als im Bedruckstoff, wird bevorzugt
der Bedruckstoff durch die Mikrowellen aufgeheizt und der Bedruckstoff
erhitzt seinerseits den auf ihm befindlichen Toner, und zwar bis auf eine Temperatur,
bei der sich der Toner mit dem Bedruckstoff verbindet. Bekanntermaßen
sind bei der Nutzung von Mikrowellen für die Fixierung des Toners charakteristische
Werte des verwendeten Bedruckstoffes, wie zum Beispiel Gewicht, Feuchte
und Zusammensetzung, kritisch und zu berücksichtigen.
So ist beispielsweise aus der US-A- 4 511 778 eine Bildfixierungseinrichtung bekannt,
die ein Bild aus Toner unter Nutzung von Hochfrequenzwellen, insbesondere
Mikrowellen, auf einem Bedruckstoff, insbesondere einem Blatt Papier, fixiert.
Ein Aspekt der bekannten Einrichtung ist dabei die Möglichkeit, die Mikrowellen in
Abhängigkeit von der Größe des Bedruckstoffes abzugeben, um unter Berücksichtigung
dieser Größe als charakteristischen Wert des Bedruckstoffes eine sachgerechte
Aufschmelzung und Fixierung des Toners zu gewährleisten.
Dies ist eine Vorgehensweise, die recht pauschal ist und nur eine unmittelbar offensichtliche
Größe des Bedruckstoffes berücksichtigt und vor der Fixierung für
den Betrieb der Einrichtung vorgibt, etwa gemäß einer Überlegung, daß ein größeres
zu erwärmendes Stück aufgrund seiner größeren Wärmekapazität insgesamt
mehr Energie benötigt als ein kleineres zu erwärmendes Stück.
Durch diese pauschale Vorgabe bleiben aber weitere kritische Aspekte bei der
Nutzung von Mikrowellen für die Fixierung von Toner unberücksichtigt. So ist zum
Beispiel die zitierte Vorgehensweise nur beim Schwarz-Weiß-Druck mit Papiergewichten
von einer geringen Variationsbreite verwendbar, während das eventuell
unterschiedliche Verhalten unterschiedlich farbiger Toner und unterschiedlicher
Papiergewichte mit eventuell auch noch unterschiedlichem Wassergehalt in dieser
pauschalen, auf die Größe des Bedruckstoffes abgestimmten Weise nicht berücksichtigbar
ist. Bei einem Farbdruck kann das Tonerbild beispielsweise vier verschiedene
Tonerschichten aufweisen. Dabei beträgt die maximale Dichte jeder
Tonerschicht auf dem Bildträgersubstrat bzw. Bedruckstoff 100%, wobei sich eine
maximale Gesamtdichte der Tonerschichten im Tonerbild von 400% ergibt. Üblicherweise
liegt die Dichte eines einfarbigen Tonerbildes im Bereich von 0% bis
100% Dichte, eines farbigen Tonerbildes im Bereich von 0% bis 290%.
Zudem kann bei der Verwendung von blattförmigem Bedruckstoff das Problem
auftreten, daß in dem mit Mikrowellen bestrahlten Bereich der Randbereich des
Blattes energetisch anders bearbeitet wird als der mittlere Blattbereich, so daß es
zu einem ungleichmäßig erstellten Druckprodukt kommen kann.
Hinzu kommt, daß bei dem Fixieren von herkömmlichem Toner nur unter Verwendung
von Mikrowellen unter Umständen nur eine unvollständige Verschmelzung
des Toners, je nach dessen Lagendicke, erzielt wird oder es zu Aufheizungen mit
Blasenbildung in Bereichen des Toners kommt. Auch die Anhaftung des Toners
auf dem Bedruckstoff ist unter Umständen unzureichend, weil bspw. die Verbindung
mit dem Bedruckstoff durch die zu hohe Viskosität des geschmolzenen Toners
nicht hinreichend erzeugt wird. Probleme können vor allem dann auftreten,
wenn ein Bedruckstoff in zwei nacheinander ausgeführten Druckvorgängen beidseitig
bedruckt wird.
Wegen dieser geschilderten möglichen Probleme wird herkömmlicherweise und
üblicherweise nicht auf den Einsatz einer Mikrowellenbestrahlung beim Fixieren
vertraut, sondern es wird der Toner in der Praxis ohne Mikrowellenbestrahlung erhitzt
und mit einem geheizten Walzenpaar unter Druckbeaufschlagung mit dem
Bedruckstoff verbunden.
Eine berührungslose Fixierung ist prinzipiell aber zur Schonung des Druckbildes
wünschenswert. Weitere Vorteile der berührungslosen Fixierung sind die Vermeidung
von adhesivem Verschleiß und die dadurch erhöhte Standzeit der verwendeten
Einrichtung, sowie eine bessere Verläßlichkeit der Einrichtung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine adäquate Fixierung von Toner
auf einem Bedruckstoff oder deren Vorbereitung mittels Mikrowellennutzung,
vorzugsweise auch für einen mehrfarbigen Druck auf blattförmigem Bedruckstoff
und bevorzugt unter Abstimmung auf die herrschenden besonderen Verhältnisse,
zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird in Verfahrenshinsicht erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der Toner aufweisende Bedruckstoff mit Mikrowellen aus wenigstens einem Mikrowellensender
bestrahlt und für das Schmelzen des Toners erhitzt wird und daß
ein Toner verwendet wird, der einen scharfen Übergang von seinem festen zu seinem
flüssigen Zustand beim Erhitzen zeigt.
Auf diese erfindungsgemäße Weise kann zum Beispiel ein Trockentoner verwendet
werden, der bei einer mittleren Temperatur von etwa 50°C bis 70°C noch recht
hart ist, so daß er über konventionelle Verfahren zu einer gewünschten mittleren
Tonergröße von z. B. 8 - 4 Mikrometer gemahlen werden kann und auch bei Entwicklungstemperaturen
noch nicht klebrig wird oder schmilzt, aber bei höherer
Temperatur von z.B. etwa 90°C schon sehr dünnflüssig mit niedriger Viskosität ist,
so daß er ggfls. unter Ausnutzung von Kapillaritäten sich auch ohne äußeren
Druck und berührungslos auf und in dem Bedruckstoff absetzt und haftet und bei
einem Erkalten dann sehr schnell wieder hart wird und fixiert ist, und zwar mit einem
guten, dem Bedruckstoff angepaßten Oberflächenglanz, insbesondere mangels
ausgebildeter Korngrenzen. Letzteres spielt gerade auch bei farbigem Toner
für die Farbsättigung eine bedeutsame Rolle.
Dabei kann im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Toner das Verhältnis
des Wertes des elastischen Moduls G' bei dem Referenztemperaturwert, errechnet
aus der Anfangstemperatur beim Beginn des Glasübergangs des Toners plus
50°C, zu dem Wert des elastischen Moduls bei der Anfangstemperatur selbst
< 1E-5, vorzugsweise sogar < 1E-7 sein, wobei E für Exponent auf Basis 10 stehen
soll.
Die Anfangstemperatur des Beginns des Glasübergangs des Toners wird bevorzugt
bestimmt als derjenige Temperaturwert, bei dem sich die Tangenten an den
Funktionsverlauf des elastischen Moduls G' als Funktion der Temperatur vor und
nach dem Glasübergang schneiden.
Bevorzugt soll der Übergang des Toners von seinem festen in seinen flüssigen
Zustand in einem Temperaturintervall bzw. Temperaturfenster von etwa 30° bis
50°K Größe stattfinden. Dieser Bereich soll oberhalb von 60°C, vorzugsweise etwa
zwischen 70°C bis 130°C, ganz bevorzugt zwischen 75°C und 125°C liegen.
Eine nächste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, für die auch
selbständiger Schutz beansprucht wird, zeichnet sich zur Anpassung an besondere
Verhältnisse dadurch aus, daß wenigstens ein physikalischer Verfahrensparameter
in Abhängigkeit von einem mit dem Energieeintrag in den Toner aufweisenden
Bedruckstoff korrelierenden Parameter gesteuert und/oder geregelt wird.
Erfindungsgemäß ist also nicht eine einfache pauschale Vorgabe vorgesehen,
sondern mit Vorteil eine auf die tatsächlichen, vorzugsweise gemessenen Verhältnisse
abgestimmte Regelung.
Dabei kann der genannte Energieeintrag im wesentlichen einer vom Gesamtsystem
aus Bedruckstoff und Toner aufgenommenen Mikrowellenleistung entsprechen,
so daß erfindungsgemäß, den tatsächlichen Verhältnissen entsprechend,
die abgegebene Leistung mit der aufgenommenen Leistung verglichen und abgestimmt
wird. Dies entspricht wiederum im wesentlichen einer Wirkungsgradkontrolle
und/oder -einstellung. Dabei kommt insbesondere allgemein in Betracht, eine
Regelung auf Seiten des Senders im weitesten Sinne, der auch als Mikrowellenquelle
angesprochen werden kann, und/oder auf Seiten des empfangenden
Toner-Bedruckstoff-Systems bzw. dessen Handhabung vorzunehmen.
Dazu schlägt die Erfindung im einzelnen bevorzugt vor, die Leistung des Mikrowellensenders
zu regeln und/oder die Geschwindigkeit der Bewegung des Bedruckstoffes
zu regeln und/oder die Frequenz der Mikrowellen abzustimmen, letztere
Maßnahme vorzugsweise auch, um eine höhere Energieabsorption unmittelbar
im Toner selbst zu erreichen, und dadurch einen präziseren Einfluß auf dessen
Verschmelzung zu nehmen als mittelbar und problematischer über den Bedruckstoff.
Als meßbare Parameter für die abhängige Regelung schlägt die Erfindung bevorzugt
die Temperatur des Bedruckstoffes oder die vom Toner-Bedruckstoff-System
reflektierte und also nicht absorbierte Mikrowellenenergie vor. Weitere meßbare
Parameter können - ohne Begrenzung darauf - das Gewicht/ die Dicke oder der
Wassergehalt des Bedruckstoffes oder Dichte und Glanz der Tonerschicht sein.
Prinzipiell können alle Frequenzen des Mikrowellenbereiches von 100 MHz bis 100
GHz verwendet werden. Üblicherweise werden die zur industriellen, wissenschaftlichen
oder medizinischen Nutzung freigegebenen ISM-Frequenzen, vorzugsweise
2,45 GHz, genutzt. Eine Verwendung anderer Frequenzen in dem genannten weiten
Frequenzbereich kann aber mit Vorteil dazu führen, daß ein größerer Anteil der
Strahlungsenergie als üblich vom Toner und nicht nur vom Bedruckstoff absorbiert
wird.
Für eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung, die sich in selbständiger
Lösung der gestellten Aufgabe dadurch auszeichnet, daß zur Bestrahlung und Erhitzung
des einen scharfen Übergang von seinem festen zu seinem flüssigen Zustand
bei seinem Erhitzen zeigenden Toners wenigstens ein Mikrowellen abgebender
Sender vorgesehen ist, wird unabhängiger Schutz beansprucht.
Bevorzugt wird zudem ein oder mehrere Betriebsparameter regelbar vorgesehen.
Die sich erfindungsgemäß ergebenden Vorteile sind sinngemäß bereits im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschildert worden, wobei
der dortige Verfahrensparameter dem Betriebsparameter der Einrichtung entspricht.
Eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Einrichtung, für die auch unabhängiger
Schutz beansprucht wird, zeichnet sich aus durch wenigstens einen Mikrowellenleiter
mit einem mäander- oder serpentinenförmigen Verlauf.
Die erfindungsgemäße Struktur des Mikrowellenleiters hat den Vorteil, daß zur Applikation
der Mikrowellenenergie eine relativ große Mikrowellenleiterlänge als
Wechselwirkungslänge mit dem Bedruckstoff für das fortlaufende Wellenfeld zur
Verfügung gestellt wird. Dazu wird der Mikrowellenleiter vorzugsweise mehrfach
hin und her quer zur Transportrichtung über den Transportweg für den Bedruckstoff
geführt. Dadurch wird eine gleichmäßige und homogene Erwärmung des Bedruckstoffes
bei hohem Wirkungsgrad erreicht.
Die Mäanderform kann relativ kompakt dadurch bereitgestellt werden, daß die Mäanderteilabschnitte
dicht aneinander gerückt werden. Zusätzlich kann die Mikrowellenleiterbreite
für eine entsprechende Erhöhung der Feldstärke verkleinert werden.
Eine kompakte Bauform ist insbesondere bei einer Bedruckung des Bedruckstoffes
im Schön- und Widerdruck und den dazu erforderlichen Fixierungen des
jeweiligen Tonerbildes wünschenswert.
Abhängig von der eingespeisten Mikrowellenenergie sollte die Feldstärke maximal
3kV/mm, vorzugsweise etwa 0,2 kV/mm bis etwa 1,0 kV/mm, betragen.
Mit jedem Durchlauf durch ein Mäanderteilstück nimmt die elektrische Feldstärke E
aufgrund der Absorption durch den Bedruckstoff bzw. das Tonerbild ab. Da die Absorption
nicht linear abhängig (~ E2) von der elektrischen Feldstärke ist, kann die
abnehmende Feldstärke durch eine geeignete sukzessive Verringerung der Breite
der aufeinanderfolgenden Mäanderteilstücke teilweise kompensiert werden. Eine
Kompensation kann vorzugsweise zusätzlich oder statt dessen durch einen geeigneten
konvergenten bzw. konischen Verlauf der Breite des Mikrowellenleiters erfolgen.
Ziel ist in jedem Falle eine weitgehend konstante elektrische Feldstärke über
die Länge des Mikrowellenleiters und insbesondere auch innerhalb eines Mäanderteilstückes,
was ebenfalls durch den genannten konvergenten Verlauf erreicht
werden kann. Außerdem verringern diese Maßnahmen die Baugröße des
Mäanders in Transport- bzw. Prozeßrichtung.
Zusätzlich läßt sich durch den konvergenten Verlauf der Abfall der Absorption innerhalb
eines Mäanderteilstückes teilweise kompensieren. Dazu wird die konvergente
Geometrie so ausgelegt, daß am Anfang eines Mäanderteilstückes eine geringere
elektrische Feldstärke vorherrscht als am Ende des Mäanderteilstückes.
Da die Absorption nicht linear abhängig ( ~ E2) von der elektrischen Feldstärke E
und linear abhängig von der jeweiligen Breite des Mikrowellenleiters ist, läßt sich
ein geeignetes Verhältnis von Mikrowellenleiterbreite und elektrischer Feldstärke
mit weitgehend konstanter Absorption über die Länge des Mäanderteilstückes finden.
Die Transportrichtung des Bedruckstoffes kann in beide Richtungen senkrecht zur
Erstreckung der Mäanderteilstücke erfolgen, jedoch muß beim Einlaufen und
Auslaufen des Bedruckstoffes die Mikrowellenleistung in geeigneter Weise berücksichtigt
und geregelt werden.
Die Anzahl der Mäanderteilstücke ist abhängig von der notwendigen absorbierten
Leistung bzw. von der Temperatur des Bedruckstoffes und der Homogenität seiner
Erwärmung bzw. Trocknung.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist nicht nur selbst als Fixiereinrichtung bzw.
Fuser geeignet, sondern sie könnte auch als Vorwärmeinrichtung für eine nachfolgende
Fixiereinrichtung mit Vorteil verwendet werden. Sie wäre auch als Konditioniereinrichtung
zum Konditionieren von Bedruckstoff, insbesondere von Papier,
geeignet. Eine Veränderung des Bedruckstoffes kann durch Wärmebeaufschlagung
dann bereits vor Beginn des Druckprozesses erfolgen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist bevorzugt für eine digitale Mehrfarbendruckmaschine
vorgesehen, so daß auch für eine derart ausgerüstete Druckmaschine
Schutz im Rahmen der Erfindung beansprucht wird.
Beispielhafte Erläuterungen der Erfindung erfolgen nachfolgend im Zusammenhang
mit 5 Abbildungen, aus denen sich weitere erfinderische Maßnahmen ergeben,
ohne daß die Erfindung auf die erläuterten Beispiele oder Abbildungen beschränkt
ist.
Es zeigen:
- Abb. 1
- den Funktionalverlauf des elastischen Moduls G' eines Toners als Funktion
der
Temperatur zur Definition der Anfangstemperatur des Glasübergangs des
Toners,
- Abb. 2
- die gemessenen Funktionalverläufe gemäß Abb. 1 eines erfindungsgemäßen
Toners und zweier Toner nach dem Stand der Technik zum
Vergleich, - Abb. 3
- eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Mikrowellenleiter,
- Abb. 4
- eine Seitenansicht des Mikrowellenleiters gemäß Abb. 3 und
- Abb. 5
- einen zweiten mäanderförmigen Mikrowellenleiter in der Draufsicht mit einer
besonders kompakten Bauform.
Das G'- Verhältnis ist das Verhältnis des elastischen Moduls G' bei der Anfangstemperatur
des Glasüberganges plus 50°C zu G' bei der Anfangstemperatur des
Glasübergangs. Die Anfangstemperatur des Glasübergangs wird gemäß Abb. 1
aus dem Schnittpunkt der Tangenten an G' vor und nach dem Glasübergang bestimmt
und liegt im dargestellten Beispiel bei knapp 70°C.
In Abb. 2 ist der gemessene Funktionalverlauf von G' gemäß Abb. 1 für drei beispielhafte
Toner dargestellt. Die Funktionalwerte von G' wurden durch eine rheologische
Messung mit einem Bolin-Rheometer, ausgerüstet mit parallelen Platten
von 40 mm Durchmesser bestimmt. Es wurde eine kontinuierliche Temperaturänderung
bei einer Frequenz von 1 rad/s entsprechend 0,16 Hz zwischen 50°C und
200 °C durchgeführt. Die Spannung (strain) der Messung wurde so gewählt, daß
die Probe keine Schubverdünnung zeigt (Newton'sches Verhalten).
Nur der erfindungsgemäße Toner zeigt einen scharfen Übergang von festem zu
flüssigem Zustand mit einem End-G'-Wert von etwa 1.00E-02. Daraus resultiert
ein G'-Verhältnis von 5.0E-08.
Abb. 3 zeigt schematisch in der Draufsicht einen mäander- bzw. serpentinenförmig
verlaufenden Mikrowellenleiter 1, der mit seinem einen Ende an ein System 2 zur
Erzeugung von Mikrowellen und mit seinem anderen Ende an einem System 3
zum Abschluß des Mikrowellenleiters angeschlossen ist und durch den in Richtung
der Pfeile 4 Mikrowellen fortschreiten. Die Mänderform weist zueinander parallele
Mäanderteilstücke 11 bis 15 auf, die sich quer zu einer Transportrichtung 5 für einen
Bedruckstoff erstrecken. In der Abb. 3 weisen die Mäanderteilstücke jeweils
dieselbe Breite auf. Von aufeinanderfolgenden Mäanderteilstücken 11 bis 15 kann
in Transportrichtung 5 jedoch jeweils das nachfolgende Mäanderteilstück gegenüber
dem vorhergehenden eine geringere Breite aufweisen und/oder es kann sich
jedes Mäanderteilstück in seinem Verlauf konvergent bzw. konisch verschmälern,
um etwa eine konstante elektrische Feldstärke über die ganze Länge des Mikrowellenleiters
1 und/oder der Mäanderteilstücke trotz Mikrowellenabsorption durch
den nicht näher dargestellten Bedruckstoff zu gewährleisten.
Abb. 4 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung gemäß Abb. 3. Gleiche Bauelemente
sind, wie auch in der nachfolgenden Abb. 5, mit den gleichen Bezugszahlen
bezeichnet wie in Abb. 3.
In der Abb. 4 ist ein Durchtrittsschlitz 6 für den Bedruckstoff im Mikrowellenleiter 1
erkennbar.
Abb. 5 zeigt einen Mikrowellenleiter 1 entsprechend dem Mikrowellenleiter 1 in
Abb. 3, jedoch in einer besonders kompakten Bauform mit unmittelbar aneinander
gerückten Mäanderteilstücken 11 bis 15.