EP2734371B1 - Druckkopf für einen tintenstrahldrucker - Google Patents

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EP2734371B1
EP2734371B1 EP12735287.0A EP12735287A EP2734371B1 EP 2734371 B1 EP2734371 B1 EP 2734371B1 EP 12735287 A EP12735287 A EP 12735287A EP 2734371 B1 EP2734371 B1 EP 2734371B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
ink
ram
supply channel
ink supply
Prior art date
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Active
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EP12735287.0A
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English (en)
French (fr)
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EP2734371A1 (de
EP2734371B3 (de
Inventor
Franz Obertegger
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Durst Phototechnik AG
Original Assignee
Durst Phototechnik AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
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Publication of EP2734371B3 publication Critical patent/EP2734371B3/de
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    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/17—Ink jet characterised by ink handling
    • B41J2/175—Ink supply systems ; Circuit parts therefor
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    • B41J2202/00—Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
    • B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/05—Heads having a valve

Definitions

  • a printhead for an ink jet printer of the invention comprises an ink supply channel and at least one nozzle, wherein the nozzle is associated with a movable plunger for effecting ink ejection from the ink supply channel.
  • the term "rest position” is to be understood to mean that a closure body assumes a printing-dependent position in the ink supply channel of a printhead that results in no ink being ejected from the ink fountain Print head exits corresponding to the printing of a substrate does not take place.
  • the term "working position” is to be understood in the context that a closure body occupies a printing-dependent position in the ink supply channel, which allows the printing of a substrate with ink.
  • the term “means” is to be understood in the context that contextually both the singular and the plural of the term may be meant.
  • the term “pigments” is to be understood in the context that they are particles in the ink having solid properties that are not soluble.
  • the term “ink channel” is to be understood as synonymous with the term “ink supply channel” in the context.
  • the inkjet printing technique is a widely used printing technique for printing on substrates.
  • the printheads of inkjet printing devices typically include at least one ink supply channel and at least one nozzle for ejecting the ink from the ink supply channel.
  • At least one piezoelectric element is deformed by application of an electrical voltage such that the deformation creates a pressure wave in the ink chamber or channel which causes ejection of an ink drop through the nozzle.
  • a printhead of the type mentioned is for example from the WO2008 / 044069 A known.
  • nozzles formed in the form of narrow strips with a passage for ink are vibrated to cause drop ejection from the nozzle.
  • Conventional printheads which include an ink supply channel and at least one nozzle, wherein each nozzle is associated with a closure body, comprise means which open a nozzle during the printing process. In the rest position, the nozzle is sealingly closed by the closure body, so that leakage of the pressurized ink from the ink supply channel is prevented. In a working position The plunger is lifted from the nozzle so that ink can flow into the nozzle and be expelled from the ink supply channel.
  • Such a printhead is in the document EP0445137B1 disclosed.
  • the document describes a print head for an ink jet printer with an ink chamber connected to an ink pressure source, in which a plurality, each closing a nozzle closure body are arranged, which are each connected to a pull rod and the closure body with a drive means in the ink chamber are moved up and down.
  • In the rest position of the closure body completely closes the ink jet. If the closure body is moved from the rest position to a working position, it is lifted or withdrawn by the nozzle.
  • the ink is permanently pressurized in the ink chamber, so that only upon retraction of the closure body, the ink can be ejected from the ink supply channel through the nozzle. Once the closure body has taken the rest position, the ink jet nozzle is closed.
  • the document describes a closure body, which is formed from a piston with an axially associated closure pin T-shaped.
  • the closure body is located within a cylindrical chamber, wherein the outer diameter of the cylindrical piston corresponds approximately to the inner diameter of the chamber, so that the piston is sealingly moved up and down along the chamber wall.
  • the piston separates the chamber into two regions, with a region at the bottom having a faceplate containing a downhole nozzle for ejecting ink droplets. This area comprises the ink and forms the ink chamber which is connected to an ink pressure source.
  • In the other chamber is a spring which presses against the closure body.
  • the locking pin in the rest position, the locking pin extends into the borehole of the nozzle and closes it, whereby an ink film is present between the front plate and the piston.
  • the pressure causes the piston, and thus the locking pin, to be withdrawn from the borehole from the rest position to a working position against the return force of a spring, whereupon the pressurized ink flows into the borehole and out of the nozzle can be ejected. If the overpressure is reduced, the lock pin is brought back into the rest position and moves back into the Borehole, whereby the remaining ink in the nozzle is displaced and the wellbore is closed.
  • the conventional printheads for performing printing processes with a closure body are designed by their functional and characteristic structure for carrying out printing processes with relatively low printing frequencies, which is reflected in the relatively slow printing processes.
  • the closure body In carrying out a printing step, the closure body is brought from the rest position to a working position, wherein the pressurized ink from the ink channel exits through the nozzle.
  • the ink flow is stopped by the closure body impinges on the nozzle, on the nozzle or on the inner wall of the ink chamber and the inlet opening of the nozzle sealingly closes.
  • the closure body In order to be able to cleanly separate an ink droplet from the remaining ink, the closure body must close the inflow opening of the nozzle completely or sealingly, wherein a collision of the closure body with the nozzle and / or the inner wall of the ink chamber is unavoidable. If the inflow opening of the nozzle is not completely closed with the closure body in a rest position, ink can continuously emerge from the ink channel through the nozzle in the form of an ink jet.
  • a hard collision of a T-shaped closure body with the nozzle and / or inner wall of the ink chamber can be at least partially avoided because an ink film separates at least a portion of the closure body from the nozzle.
  • the closure pin of the closure body extends into the channel of the nozzle in the rest position and closes it, but the ink or ink film, which is no longer displaceable in the ink chamber, owing to design and process reasons can not escape in a side opposite the end face of the closure body piston portion radially outward beyond the closure body-piston outer edge, since the closure body piston sealingly on the chamber wall is moved up and down, so still a collision of the closure body with the Ink film is done.
  • a collision with the ink film is somewhat gentler than collision with a solid, since, as known, a liquid has a greater compressibility than a solid, so that the life can be at least partially increased.
  • a material failure can not be ruled out, but only delayed in time.
  • the document WO 98/56585 A1 describes a nozzle assembly for an inkjet printer.
  • individual ink drops are ejected through an outlet opening of the nozzle in the direction of a pressure medium in which a piston, which can move in an ink supply channel in the axial direction, is pushed with its end face against the inlet opening of the nozzle.
  • a piston which can move in an ink supply channel in the axial direction
  • the piston is biased by a coil spring in the direction of the inlet opening of the nozzle, so that the end face of the piston at the inlet opening of the nozzle - this tightly closing - is brought to the plant.
  • the piston To actuate the piston, it is lifted electromagnetically, so that its end face lifts off from the inflow opening of the nozzle and as a result the ink can flow from the ink supply channel into the nozzle. If the magnetic field is then switched off again, an acceleration of the piston takes place in the direction of the nozzle again under the action of the resetting spring and thus an ejection of a further ink drop.
  • This object is achieved with a printing device of the type mentioned in the present invention in that the first means limit the movement of a plunger end to move between the reversal points and second means are provided for applying the ink in the ink supply channel with a negative pressure relative to the ambient air pressure.
  • the ink supply channel is acted upon at least in the region of the inlet opening of the nozzle with a negative pressure relative to the ambient pressure.
  • the negative pressure prevents ink from inadvertently leaking from the ink channel.
  • a plunger provided in the ink channel is used, the end face of which is moved toward the nozzle channel, thereby forcing ink through and out of the nozzle channel, preferably maintaining a plunger / nozzle spacing throughout the printing process, i.e. a tappet end face at a turning point has a distance from the inlet opening of greater than zero and the inflow opening of the nozzle remains permanently open during the entire printing process.
  • the plunger according to the invention therefore does not assume the function of a closure body.
  • inks which are in a wide viscosity range and / or include the pigments.
  • the plunger does not have to function as a closure body and the ink and / or pigments which slide between the plunger end side and the inlet opening of the nozzle channel do not interfere.
  • structural pressure is meant in this case the application of three-dimensional shapes, lines, structures etc. on at least one surface with smooth and / or rough areas, e.g. a wood structure on an MDF / HDF board or tray, Braille writing, or simulation of a lettering etc.
  • the nozzle is fixedly disposed on a side wall of the ink supply passage, and a plunger reciprocated in the ink supply passage between two reverse points opposite to the nozzle is provided.
  • the inventive functional and characteristic structure and printing method of the printing device is characterized in particular by the fact that means, preferably external Means are provided which generate a negative pressure in the ink supply channel, so that a nozzle can remain open during the entire printing process without unintentional leakage of ink can take place.
  • a plunger is moved back and forth between two reversal points (U1) and (U2) opposite the nozzle, wherein the plunger / nozzle distance is greater than zero, so that at no time during the printing process, ie before and / or during and / or after the ejection of ink periodically occurring collisions of the plunger with the nozzle. This ensures that you can print with the inventive printhead with higher print frequencies than in conventional printing process.
  • the plunger is, in a preferred embodiment, non-sealingly disposed in the ink supply channel on an ink channel wall, i. it does not form a closure body at any time, with an end face of the tappet being moved towards the inlet opening from a starting point for discharging the ink.
  • An end face of the plunger is moved toward the inflow opening only up to a first reversal point (U1), this first reversal point (U1) being at a distance from the inflow opening, so that even at the first reversal point (U1) there is no closure of the ink supply channel.
  • ram face and "face” in the context are synonymous to understand.
  • a tappet end face in the invention is not necessarily meant a contiguous surface, but it may also be two or more surfaces meant.
  • the inventive printing method has shown that the life of the printhead is increased because the plunger collisions with the located under the plunger front liquid or liquid film and / or the nozzle and / or the inner wall of the ink supply channel are avoided.
  • the invention achieves greater process stability over a conventional printhead incorporating a plunger, since the probability of material failure of the plunger and / or die is greatly reduced due to design and process limitations.
  • the inventive printhead for an ink jet printer includes at least one ink supply channel and at least one nozzle and inlet nozzle, wherein ink may be forced out of and ejected from the ink supply channel into the nozzle channel through the inlet port, the nozzle being stationary on a sidewall of the ink supply channel and said printhead includes first means for moving a plunger face in the ink supply channel between a minimum reversal point (U1) and a minimum distance from the nozzle inlet from the inflow opening of the nozzle maximally spaced reversal point (U2), wherein the first means limit the movement of a plunger face to a movement between the reversal points (U1, U2) and second means are provided for applying the ink in the ink supply channel with a negative pressure relative to the ambient air pressure.
  • Third means for pumping the ink through the ink supply channel may be provided to prevent sedimentation of the ink in the ink supply channel.
  • the means for moving a plunger comprise in a preferred embodiment at least one actuator, wherein the at least one actuator can move the plunger between two reversal points.
  • the means for moving a plunger may comprise at least one actuator and at least one spring.
  • other conventional means for moving the plunger can also be used.
  • the preferred external means for charging the ink in the ink supply channel with a negative pressure relative to the ambient air pressure may be, for example, conventional vacuum pumps with which it is possible to generate a corresponding back pressure to the ambient air pressure and the geodetic pressure of the ink in the nozzle channel to prevent the ink from leaking out of the ink To prevent ink supply channel.
  • the ink pressure in combination with the capillary pressure must be set so that no air is sucked through the nozzle channel into the ink supply channel and that no ink emerges from the nozzle channel unintentionally.
  • the ink pressure is by definition the sum of the circulation pressure and the meniscus negative pressure.
  • the external means may be conventional pumps, e.g. be a circulation pump or a circulation pump. With the means, the ink is pumped through the ink supply channel, preferably permanently.
  • the distance between a tappet end face and the inflow opening is greater than zero at the minimally spaced reversal point (U1).
  • nozzles may be present in the ink supply channel, each nozzle being associated with a plunger.
  • the ink is subjected to a negative pressure relative to the ambient air pressure at least in the region of the inlet opening of the nozzle, at least during the time intervals in which the ink supply channel is not intended to be pressed an outflow of the ink from the nozzle channel is prevented even without closure body and that for ejecting the ink, an end face of the plunger is moved from a starting point to the inlet opening.
  • the inventive printing method for carrying out printing processes comprises a plurality of steps, wherein in a first step, a print head with ink supply channel, plunger and nozzle with nozzle channel and inlet opening, the connection of the nozzle channel is provided to the ink supply channel, is provided and filled in a second step, the ink supply channel with ink, wherein the ink is at least during the time intervals in which not to be printed in the ink supply channel at least in the region of the inflow opening of the nozzle is subjected to a negative pressure, whereby an outflow of Ink is prevented from the nozzle channel without closure body and wherein for ejecting the ink, an end face of the plunger is moved from a starting point to the inlet opening.
  • an end face of the plunger is moved toward the inflow opening only up to a first reversal point (U1), this first reversal point (U1) being spaced from the inflow opening, so that it does not reach the first reversal point (U1) a closure of the ink supply channel comes.
  • the position of the starting point and the subsequent turning point (U1) is selected so that the ram stroke ejects a predetermined amount of ink and thus drop size.
  • the ink in the printing process, in the operation in which the plunger face is moved toward the inlet opening for discharging the ink from a starting point, the ink is ejected from a stagnation area between the end face of the plunger and the area of the sidewall having the nozzle opposite to the plunger face the inlet of the nozzle, wherein at the same time ink within the ink supply channel can flow outward, ie beyond the plunger outer edge, wherein in this preferred printing method, the distance from the plunger outer edge to a side wall of the ink supply channel in a direction vertical to the nozzle axis must be greater than zero.
  • the ink is pumped through the ink supply channel in the process according to the invention, preferably permanently.
  • a stagnation region is that region between the tappet end face and the region of the side wall with nozzle which lies opposite the tappet end face.
  • the ink experiences the highest pressure, so that the ink is pressed from this stagnation area in the direction of the inlet opening of the nozzle, at the same ink within the ink supply channel to the outside, ie can flow beyond the ram outer edge.
  • the plunger is cylindrical and the nozzle also, the stagnation region is referred to in an ideal case for simplicity as stagnation radius.
  • the nozzle remains open during the entire printing process, so that the plunger does not close the inlet opening of the nozzle and does not touch the nozzle and / or the inner wall of the ink supply channel.
  • a step (a) the plunger front side is moved by means of a reversal point (U2) opposite the inlet opening of the nozzle in a stroke movement in the direction of the inlet opening of the nozzle to a reversal point (U1) opposite the nozzle, wherein a volume and pressure change occurs in the nozzle near area, which causes ejection of ink from the nozzle.
  • a step (b) the plunger end is moved by means of a reversal point (U1) in a stroke movement in the opposite direction of the inflow opening of the nozzle to a reversal point (U2), wherein the steps (a) and (b) take place successively and Reversal point (U2) forms the starting point for the subsequent printing cycle, during the entire printing process, the plunger / nozzle distance is greater than zero.
  • the reversal point (U1) always has a smaller nozzle / plunger distance than the reversal point (U2).
  • the printing process with the printing device is a drop on demand (DOD) printing technique in which ink drops are ejected from a nozzle only when actually needed.
  • DOD drop on demand
  • the inventive printhead is provided with external means for pumping the ink through the ink channel which pumps the ink through the ink supply channel, preferably permanently.
  • the inventive printing method for carrying out printing processes with the print head is characterized in a preferred embodiment in that the plunger in the ink supply channel between two inflow of the nozzle opposite reversal points, a reversal point (U1) and a reversal point (U2), preferably at any time during printing, that is, before and / or during and / or after the ejection of ink, the plunger neither touches nor closes the nozzle and / or a side wall of the ink supply channel.
  • the solution according to the invention enables in a simple manner a mechanically very stable arrangement of the nozzles and a very efficient prevention of sedimentation of the ink even when using inks with large pigments.
  • stationary in the present context should be understood to mean that the position of the nozzle does not change during operation relative to the ink channel.
  • the nozzle may be removed from the ink channel, such as the nozzle may be threaded into the ink channel, for example.
  • the arrangement of a valve which is opened after the generation of an overpressure in the ink channel can be dispensed with.
  • Sedimentation at the nozzles can also be prevented very well by virtue of the fact that an end face of the nozzle having the inflow opening is formed flush with an inner surface of the side wall of the ink supply channel in contact with the ink.
  • Ink ejection and self-cleaning of the nozzle are facilitated by having a longitudinal center axis of the at least one nozzle normal to the surface of the ink supply channel.
  • a particularly preferred embodiment of the invention is that the inflow opening of the nozzle is arranged in a region of the side wall opposite the plunger, which is delimited by a cylindrical boundary surface forming in the ink when the plunger moves.
  • This embodiment of the invention is characterized in that a pumping chamber, that is to say that region in which a volume change occurs when the ink is ejected or aspirated, can be realized, in which only the two cover surfaces (end face of the plunger and the end face of the nozzle) are formed as a solid and the lateral surfaces are formed by the ink liquid.
  • a portion of the plunger opposite the end face is fixedly connected to a movable push rod, which is acted upon by a restoring force acting in the direction of the nozzle.
  • a movement of the plunger in the direction of the nozzle can be triggered in a simple manner for ejecting ink.
  • the restoring force may, for example, be caused by a coil spring which is compressed by the nozzle when the plunger is retracted.
  • the force required to retract the plunger can be generated by means such as an actuator, for example an electromechanical actuator, in particular an electromagnet, a pneumatic or other suitable actuator.
  • the push rod may be connected to the actuator, which generates a force acting against the restoring force.
  • the actuator When using an electromechanical actuator can be moved in a de-energized state of the actuator, the plunger by the spring against the nozzle.
  • spring and actuator are reversed in the embodiment just described.
  • the use of a second actuator instead of the spring would be possible.
  • the push rod at least in sections in a hollow shaft parallel to a longitudinal center line the hollow shaft is movably guided, wherein between the guide rod and the hollow shaft, a radially encircling seal can be provided.
  • the flow resistance in the ink channel can be substantially reduced, since the hollow shaft, which is also referred to below as the guide shaft, can be designed to be very slim, without impairing the guide function for the push rod.
  • the seal between the push rod and the guide shaft prevents ink from entering the guide shaft.
  • the inflow opening of the nozzle is conical, in the form of a funnel tapering in the direction of an outlet opening.
  • the outlet opening of the nozzle is cylindrical.
  • the nozzle may have a length in the flow direction which is a multiple, but at least twice, a maximum diameter of the nozzle is.
  • the life of the nozzle and the plunger can be increased by the fact that the nozzle made of ceramic, carbide or obei lakeed steel and / or the end face of the plunger is at least partially formed of ceramic, hard metal or surface-treated steel.
  • Fig. 1 and Fig. 2 has an ink jet printer printhead 1 according to the invention, at least one ink supply channel 2, and at least one nozzle 3 for ejecting the ink from the ink supply channel 2.
  • a plurality of ink channels arranged parallel to one another and extended in length may be provided, in which, as shown in FIG Fig. 1 can be seen at regular intervals nozzles 3 and movable plunger 6 are arranged.
  • the ink channels, nozzles 3 and plunger 6 are in this case formed or arranged like the ink channel 2, nozzle 3 and plunger 6 described below.
  • the ink channel 2 serves to supply ink to the nozzle 3.
  • the ink can continuously flow through the ink channel 2 to avoid sedimentation of the ink.
  • the pressure drop in the ink channel 2 is favorably very low, which can be achieved by the largest possible cross section of the ink channel.
  • the nozzle 3 is fixedly disposed on a side wall 4 of the ink supply passage 2, and in the ink supply passage 2, a reversing point (U1) and a turning point (U2) reciprocating pusher 6 are provided between two inflow ports opposite to the inflow port of the nozzle.
  • the nozzle 3 may be arranged interchangeably on the side wall 4, for example, the nozzle 3 in the side wall 4 of the ink supply channel 2 screwed.
  • the nozzle 3 can be made of ceramic, hard metal, glass, etc.
  • An end face 7 of the nozzle 3 having the inflow opening 5 can be formed flush with an inner surface 8 of the side wall 4 of the ink supply channel 2 in contact with the ink. Due to the flush design of the nozzles 3 at their inner end faces 7 with the inner wall of the ink channel 2, the flow of ink is disturbed as little as possible and avoid sedimentation.
  • a longitudinal central axis a of the nozzle 3 can in this case run normal to the surface 8 of the ink supply channel 2.
  • a front side 9 of the plunger 6 opposite portion of the plunger 6 can be firmly connected to a force acting in the direction of the nozzle 3 restoring force, movable push rod 10 connected.
  • the plunger 6 can be withdrawn from the nozzle by means of an actuator.
  • an actuator for actuating the plunger an electromechanical actuator, for example in the form of an associated with the push rod 10 armature 11, which cooperates with a coil 12 which may be wound around a core 13, may be provided.
  • the plunger 6 can be pulled upwards by the armature 11 of the tension magnet. This is an in Fig. 1 with the reference numeral 14 provided spring tensioned, which pushes the plunger 6 back down in a de-energized state of the actuator.
  • the push rod 10 may be at least partially movable in a hollow shaft 15 parallel to a longitudinal center line of the guide shaft or hollow shaft 15, wherein between the guide rod 10 and the hollow shaft 15, a radially encircling seal 16 may be provided.
  • the guide shaft 15 protrude from the nozzle 3 opposite boundary wall 17 of the ink channel 2 in the ink channel 2.
  • the guide shaft 15 may be made slender so as to cause as little as possible flow resistance in the ink channel. It is particularly favorable in this case if the guide shaft or hollow shaft 15 has a smooth and / or rounded surface.
  • the guide shaft or hollow shaft 15 may, for example, have a circular, elliptical or similar cross-section.
  • a ceramic part or a part of a different material than those of the plunger material may be inserted in order to obtain a longer life of the end face 9 in the presence of abrasive pigments.
  • the inflow opening 5 of the nozzle 3 may be conical, in the form of a funnel tapering in the direction of an outlet opening 18.
  • the outlet opening 18 of the nozzle 3 can be cylindrical in this case.
  • the nozzle 3 may have a length L which is a multiple, but at least twice, of a maximum diameter d of the nozzle 3.
  • the inflow opening 5 of the nozzle 3 is arranged in a region of the side wall 4 opposite the plunger 6, which lies within a pumping chamber 19 and delimits it in one direction.
  • each inkjet printhead which is illustrated by an imaginary pumping chamber 19 and can be formed from a cylindrical space portion defined by the diameter d1 of the plunger end face 9 and the distance a1 plunger end face to inner nozzle face or is limited to the front side of the inflow opening 5.
  • this area does not necessarily have to be cylindrical.
  • the pumping chamber 19 is the space in which a volume change takes place.
  • the pumping chamber 19 has, as in the only illustrative of the principle of action of a Serving pumping chamber Fig. 4 shown, always two openings 20 and 21, one for the inlet and one for the outlet.
  • the plunger 6 moves upward and ink flows into the space of the pumping chamber 19 through the inlet 20 and the outlet opening 21.
  • the plunger 6 moves down and ink flows through the inlet 20 and outlet opening 21 from the space of the pumping chamber 19th
  • FIG. 4 is graphically illustrated, wherein the moving direction of the plunger 6 and the flow directions of the ink when sucking in or expelling the ink from the pumping chamber 19 in Fig. 4 are indicated by arrows. By different thickness arrows, the different amounts of incoming or outflowing ink to be indicated.
  • this pressure curve has its maximum or minimum arises according to Fig. 3 a cylindrical boundary surface 22 with the so-called stagnation radius rs.
  • the ink flows into or out of the ink channel, within this limiting surface 22, the ink flows out of the nozzle or into the nozzle, depending on the direction of movement of the plunger 6.
  • the stagnation radius rs depends on the direction of movement and speed of the plunger 6, from the distance a1 of the plunger 6 to the nozzle and the pressure at the radius r and the radius ri from. This results in the ink volumes flowing in both directions during the up and down movement of the plunger 6.
  • the inflow opening 5 of the nozzle 3 can be arranged directly on the outlet opening 21 of the pumping chamber 19.
  • the inflow opening 5 of the nozzle 3 is disposed in a region of the side wall 4 opposite the plunger 6, which is at Movement of the plunger 6 by the associated pressure curve in the ink within the ink forming boundary surface 22 is limited.
  • Fig. 5 shows a theoretically calculated radius-dependent pressure curve under the plunger 6.
  • the stagnation radius rs is where the pressure has the maximum value.
  • the length L in the flow direction is usually designed so that the ink volume in the nozzle approximately corresponds to the drop volume. Since the nozzle diameter of a printhead for structure printers must be greater than commercial inkjet printheads to achieve the required drop volume of the capillary pressure is much smaller and it is sucked during the refill cycle more ink through the nozzle 3 in the pumping chamber 19 back. For this reason, the length of the nozzle L may be substantially increased, so that the nozzle during the refill cycle can not be completely emptied and air enters the pumping chamber 19.
  • the length L of the nozzle consists of the lengths for the cylindrical part 12 and for the conical part 11.
  • these or their components partly un-scale and / or enlarged and / or reduced in size.
  • a plurality of ink supply channels 2 in a printhead are aligned parallel to one another in length, in each of which a plurality of nozzles 3 with nozzle channel and inflow opening 5 are preferably arranged at equal intervals on the ink supply channel wall.
  • First means 23, such as at least one actuator or at least one actuator and at least one spring are provided for the movement of a plunger end face 9 or the plunger 6, which limit the plunger end face 9 to a movement between the reversal points (U1, U2).
  • Second external means like for example, a vacuum pump disposed in an intermediate ink tank connected to the print head via at least one ink supply pipe, and which pump is disposed in the air space above a liquid level, is provided for pressurizing the ink in the ink supply passage 2 with a negative pressure relative to the ambient air pressure.
  • Third external means such as a recirculation pump, are provided, for example, in an intermediate ink tank which preferably pumps the ink permanently through the at least one ink supply line and ink supply channels of the printhead.
  • the ink in the ink supply channel 2 is subjected to a negative pressure in the range of greater than zero to preferably 5 mbar relative to the ambient pressure with a nozzle inner diameter at the outlet opening of the nozzle of 300 microns.
  • a negative pressure in the range greater than zero to preferably 5 mbar relative to the ambient air pressure a pressure is meant which is smaller in the range of greater than zero to 5 mbar than the ambient air pressure.
  • the ink delivery rate per unit time "X" pumped by the ink supply channel in one preferred embodiment, is greater than the sum of the amount of ink that can be maximally expelled through the nozzles during the printing operation, whatever the rule in that the ink pressure in combination with the capillary pressure must be adjusted so that no air is sucked through the nozzle channel into the ink supply channel and that no ink emerges from the nozzle channel unintentionally.
  • the plunger 6 is arranged non-sealingly in the ink supply channel 2 on an ink channel wall, wherein a distance from the plunger outer edge to a side wall of the ink supply channel in a direction vertical to the nozzle axis is preferably greater than 1mm and more preferably greater than 3 mm.
  • the plunger 6 has an outer diameter preferably between 3.0 to 5.0 mm.
  • the nozzle 3 in this case has an inner diameter preferably between 200 to 350 microns.
  • the change of direction at the reversal point (U1) has a frequency preferably up to 1.1 kHz and more preferably up to 1.0 kHz. If the ram outer diameter is chosen smaller, you can print at much higher frequencies.
  • multiple printheads may be mounted in a staggered or any other arrangement and arranged such that in the printing process at least one nozzle of a printhead overlaps at least one nozzle of another printhead in at least one direction and / or that the nozzles are one Nozzle row of a printhead with respect to the nozzles of a row of nozzles of another printhead are shifted by a certain nozzle spacing from each other.
  • the nozzle rows of the printheads can be set parallel to each other and obliquely at an angle with respect to a subscanning direction Y, so that the nozzle spacing between the individual nozzles of a printhead in a main printing direction X has a nozzle pitch Y, so that it is possible to print in the main scanning direction X at a higher resolution than the native resolution of a printhead.

Landscapes

  • Ink Jet (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker, wobei der Druckkopf zumindest einen Tintenversorgungskanal und zumindest eine Düse mit Düsenkanal und Einströmöffnung aufweist, wobei durch die Einströmöffnung Tinte aus dem Tintenversorgungskanal in den Düsenkanal gepresst und aus diesem ausgestoßen werden kann, wobei die Düse ortsfest an einer Seitenwand des Tintenversorgungskanals angeordnet ist und der zumindest einen Düse ein Stößel mit im Tintenversorgungskanal liegender Stößelstirnseite, die der Einströmöffnung beabstandet gegenüber liegt, zugeordnet ist, wobei der Druckkopf erste Mittel umfasst zum Bewegen der Stößelstirnseite in dem Tintenversorgungskanal zwischen einem von der Einströmöffnung der Düse minimal beabstandeten Umkehrpunkt und einem von der Einströmöffnung der Düse maximal beabstandeten Umkehrpunkt Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung von Druckprozessen mit folgenden Schritten:
    • Bereitstellen eines Druckkopfes mit Tintenversorgungskanal, Stößel und Düse mit Düsenkanal und Einströmöffnung die die Verbindung des Düsenkanals zum Tintenversorgungskanal bildet,
    • Füllen des Tintenversorgungskanals mit Tinte
  • Ein Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker, wie er Gegenstand der Erfindung ist, umfasst einen Tintenversorgungskanal und zumindest eine Düse, wobei der Düse ein bewegbarer Stößel zur Bewirkung des Tintenausstoßes aus dem Tintenversorgungskanal zugeordnet ist.
  • An dieser Stelle sollen vorab einige in diesem Dokument verwendeten Begriffe definiert werden: Der Begriff "Ruhestellung" ist im vorliegenden Kontext so zu verstehen, dass ein Verschlusskörper eine vom Druckverfahren abhängige Position im Tintenversorgungskanal eines Druckkopfes einnimmt, die dazu führt, dass keine Tinte aus dem Druckkopf austritt entsprechend das Bedrucken eines Substrats nicht stattfindet.
    Der Begriff "Arbeitsstellung" ist im Kontext so zu verstehen, dass ein Verschlusskörper eine vom Druckverfahren abhängige Position im Tintenversorgungskanal einnimmt, die das Bedrucken eines Substrats mit Tinte ermöglicht.
    Der Begriff "Mittel" ist im Kontext so zu verstehen, dass kontextbezogen sowohl der Singular als auch der Plural des Begriffs gemeint sein kann.
    Der Begriff "Pigmente" ist im Kontext so zu verstehen, dass es sich um Partikel in der Tinte mit Festkörpereigenschaften handelt, die nicht löslich sind.
    Der Begriff "Tintenkanal" ist als Synonym für den Begriff "Tintenversorgungskanal" im Kontext zu verstehen.
  • Die Tintenstrahldrucktechnik ist eine weit verbreitete Drucktechnik zum Bedrucken von Substraten. Die Druckköpfe von Tintenstrahldruckvorrichtungen umfassen in der Regel zumindest einen Tintenversorgungskanal und zumindest eine Düse zum Ausstoßen der Tinte aus dem Tintenversorgungskanal.
  • Bei Piezo-Tintenstrahldruckern wird zumindest ein Piezo-Element durch Anlegen einer elektrischen Spannung dermaßen verformt, dass durch die Verformung eine Druckwelle in der Tintenkammer bzw. dem Tintenkanal erzeugt wird, die ein Ausstoßen eines Tintentropfens durch die Düse bewirkt.
  • Ein Druckkopf der genannten Art ist beispielsweise aus der WO2008/044069 A bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung werden Düsen, welche in Form von schmalen Streifen mit einem Durchtrittloch für Tinte ausgebildet sind, bewegt bzw. in Schwingungen versetzt, um einen Tropfenausstoß aus der Düse zu bewirken.
  • Bei anderen bekannten Druckköpfen, die das Verdrucken von Tinte mit einer hohen Viskosität erlauben, wird zum Tropfenausstoß oftmals die Tinte mit Überdruck beaufschlagt und ein Ventil kurzzeitig geöffnet, um einen Tropfen durch zu lassen. Derartige Systeme haben aber den Nachteil, dass sich bei der Verwendung von Tinten mit großen Pigmentgrößen Probleme mit der Dichtheit der Ventile ergeben können und eine Verhinderung von Sedimentationen im Bereich des Ventilsitzes nur sehr schwierig zu realisieren ist.
  • Herkömmliche Druckköpfe, die einen Tintenversorgungskanal und zumindest eine Düse beinhalten, wobei jeder Düse ein Verschlusskörper zugeordnet ist, umfassen Mittel, welche während des Druckvorgangs eine Düse öffnen. In der Ruhestellung wird die Düse vom Verschlusskörper dichtend verschlossen, sodass ein Herausrinnen der mit Überdruck beaufschlagten Tinte aus dem Tintenversorgungskanal verhindert wird. In einer Arbeitsstellung wird der Stößel von der Düse angehoben, sodass Tinte in die Düse fließen kann und aus dem Tintenversorgungskanal ausgestoßen werden kann.
  • Ein solcher Druckkopf ist in der Druckschrift EP0445137B1 offengelegt. Die Druckschrift beschreibt einen Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker mit einer an eine Tintendruckquelle verbundene Tintenkammer, in der mehrere, jeweils eine Düse verschließende Verschlusskörper angeordnet sind, die jeweils mit einer Zugstange verbunden sind und die Verschlusskörper mit einer Antriebseinrichtung in der Tintenkammer auf und ab bewegt werden. In der Ruhestellung verschließt der Verschlusskörper die Tintenspritzdüse vollständig. Wird der Verschlusskörper von der Ruhestellung in eine Arbeitsstellung bewegt, wird dieser von der Düse angehoben bzw. zurückgezogen. Die Tinte wird in der Tintenkammer permanent mit Überdruck beaufschlagt, sodass erst beim Zurückziehen des Verschlusskörpers die Tinte aus dem Tintenversorgungskanal durch die Düse ausgestoßen werden kann. Sobald der Verschlusskörper wieder die Ruhestellung eingenommen hat, ist die Tintenspritzdüse verschlossen.
  • Ein weiterer Druckkopf ist in der Druckschrift EP0787587B1 offengelegt. Die Druckschrift beschreibt einen Verschlusskörper, der aus einem Kolben mit einem axial zugeordneten Verschlussstift T-förmig ausgebildet ist. Der Verschlusskörper befindet sich innerhalb einer zylinderförmigen Kammer, wobei der Außendurchmesser des zylindrischen Kolbens in etwa dem Innendurchmesser der Kammer entspricht, sodass der Kolben dichtend entlang der Kammerwand auf und ab bewegt wird. Der Kolben trennt die Kammer in zwei Bereiche, wobei ein Bereich am Boden eine Frontplatte aufweist, die eine als Bohrloch ausgeführte Düse für das Ausstoßen von Tintentropfen beinhaltet. Dieser Bereich umfasst die Tinte und bildet die Tintenkammer, die mit einer Tintendruckquelle verbunden ist. In der anderen Kammer befindet sich eine Feder, die gegen den Verschlusskörper drückt. Konstruktionsbedingt reicht in der Ruhestellung der Verschlussstift in das Bohrloch der Düse hinein und verschließt dabei diese, wobei zwischen Frontplatte und Kolben ein Tintenfilm vorhanden ist. Wird ein Überdruck in der Tintenkammer aufgebaut, bewirkt der Druck, dass gegen die Rückstellkraft einer Feder der Kolben und somit der Verschlussstift aus dem Bohrloch von der Ruhestellung in eine Arbeitsstellung zurückgezogen wird, woraufhin die mit Überdruck beaufschlagte Tinte in das Bohrloch fließt und aus der Düse ausgestoßen werden kann. Wird der Überdruck abgebaut, wird der Verschlussstift wieder in die Ruhestellung gebracht und verfährt wieder in das Bohrloch, wobei die in der Düse befindliche Resttinte verdrängt wird und das Bohrloch verschlossen wird.
  • Die herkömmlichen Druckköpfe zur Durchführung von Druckprozessen mit einem Verschlusskörper sind durch ihren funktionalen und charakteristischen Aufbau zur Ausführung von Druckprozessen mit relativ niedrigen Druckfrequenzen ausgelegt, was sich in die relativ langsamen Druckprozesse widerspiegelt.
  • Bei der Durchführung eines Druckschrittes wird der Verschlusskörper aus der Ruhestellung in eine Arbeitsstellung gebracht, wobei die mit Überdruck beaufschlagte Tinte aus dem Tintenkanal durch die Düse austritt. Der Tintenfluss wird gestoppt indem der Verschlusskörper in die Düse, auf die Düse bzw. auf die Innenwand der Tintenkammer auftrifft und die Einströmöffnung der Düse dichtend verschließt.
  • Um einen Tintentropfen sauber von der Resttinte abtrennen zu können, muss der Verschlusskörper die Einströmöffnung der Düse vollständig bzw. dichtend verschließen, wobei eine Kollision des Verschlusskörpers mit der Düse und/oder der Innenwand der Tintenkammer unvermeidlich ist. Wird die Einströmöffnung der Düse in einer Ruhestellung nicht vollständig mit dem Verschlusskörper verschlossen, kann Tinte kontinuierlich in Form eines Tintenstrahls aus dem Tintenkanal durch die Düse heraustreten.
  • Je mehr Tropfen pro Zeiteinheit für die Erzeugung eines gewünschten Motivs bzw. Strukturdruck-Motivs benötigt werden, desto höher ist die entsprechende Druckfrequenz der durchzuführenden Druckschritte.
  • Es versteht sich von selbst, dass die Ausführbarkeit von Druckschritten mit einer relativ hohen Druckfrequenz durch periodisch eintretende Kollisionen des Verschlusskörpers mit der Düse und/oder der Innenwand der Tintenkammer beschränkt ist, da die Kollisionen in kürzester Zeit ein Materialversagen des Verschlusskörpers und/oder der Düse verursachen können, was mit einer kurzen Lebensdauer des Druckkopfes einhergeht.
  • Die Stabilität des Druckprozesses verringert sich bei herkömmlichen Druckköpfen zunehmend je höher die Druckfrequenz gewählt wird, da die Wahrscheinlichkeit eines Materialversagens beim Verschlusskörper und/oder bei der Düse entsprechend zunimmt.
  • Bei anderen herkömmlichen Druckköpfen, wie z.B. in der Druckschrift EP0787587B1 , kann eine harte Kollision eines T-förmig ausgebildeten Verschlusskörpers mit der Düse und/oder Innenwand der Tintenkammer zumindest teilweise vermieden werden, da ein Tintenfilm zumindest ein Abschnitt bzw. Teil des Verschlusskörpers von der Düse trennt. Wird der Verschlusskörper von einer Arbeitsstellung in die Ruhestellung verfahren, reicht in der Ruhestellung der Verschlussstift des Verschlusskörpers in den Kanal der Düse hinein und verschließt diese, wobei aber konstruktions- und verfahrens-bedingt die in der Tintenkammer nicht mehr verdrängbare\n Tinte bzw. Tintenfilm in einem der Stirnseite des Verschlusskörper-Kolben gegenüberliegenden Abschnitt radial nach Außen über den Verschlusskörper-Kolben-Außenrand hinaus nicht entweichen kann, da der Verschlusskörper-Kolben dichtend an der Kammerwand auf und ab bewegt wird, sodass nach wie vor eine Kollision des Verschlusskörpers mit dem Tintenfilm erfolgt. Eine Kollision mit dem Tintenfilm ist etwas sanfter als die Kollision mit einem Festkörper, da wie bekannt eine Flüssigkeit eine größere Kompressibilität als ein Festkörper aufweist, sodass die Lebensdauer zumindest teilweise erhöht werden kann. Ein Materialversagen kann aber nicht ausgeschlossen sondern zeitlich nur hinausgezögert werden. Auch bei der genannten Ausführungsform des Druckkopfes gilt folgendes, und zwar, je höher die Druckfrequenz und somit die Kollisionsfrequenz, desto höher besteht die Wahrscheinlichkeit eines Materialversagens. Sind in der Tinte Pigmente enthalten, kann ein Materialversagen noch wahrscheinlicher auftreten.
  • Das Dokument WO 98/56585 A1 beschreibt eine Düsenanordnung für einen Tintenstrahldrucker. Dabei werden einzelne Tintentropfen durch eine Auslassöffnung der Düse in Richtung auf ein Druckmedium hin ausgestoßen, in dem ein Kolben, der sich in einem Tintenversorgungskanal in axialer Richtung bewegen kann, mit seiner Stirnfläche gegen die Einströmöffnung der Düse gestoßen wird. Dabei wird eine kleine Menge, der sich in dem Tintenversorgungskanal befindlichen Tinte in die Auslassöffnung der Düse gedrückt und erfährt dabei eine derart hohe Beschleunigung, dass schließlich ein Tintentropfen ausgestoßen wird. Der Kolben ist durch eine Spiralfeder in Richtung auf die Einströmöffnung der Düse hin vorgespannt, so dass die Stirnfläche des Kolbens an der Einströmöffnung der Düse - diese dicht verschließend - zur Anlage gebracht wird. Zur Betätigung des Kolbens wird dieser elektromagnetisch angehoben, so dass seine Stirnfläche von der Einströmöffnung der Düse abhebt und dadurch die Tinte aus dem Tintenversorgungskanal in die Düse nachströmen kann. Wird daraufhin das Magnetfeld wieder abgeschaltet, erfolgt unter Wirkung der sich rückstellenden Feder neuerlich eine Beschleunigung des Kolbens in Richtung auf die Düse hin und somit ein Ausstoß eines weiteren Tintentropfens.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Druckverfahren und eine Druckvorrichtung bereitzustellen, welche die Ausführbarkeit von Druckschritten mit einer höheren Frequenz als bei herkömmlichen Druckverfahren ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Druckvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die ersten Mittel die Bewegung einer Stößelstirnseite auf eine Bewegung zwischen den Umkehrpunkten begrenzen und zweite Mittel zum Beaufschlagen der Tinte im Tintenversorgungskanal mit einem Unterdruck relativ zum Umgebungsluftdruck vorgesehen sind.
  • Während des Druckverfahrens, d.h. zumindest während den Zeitintervallen in denen nicht gedruckt werden soll bzw. keine Tinte aus dem Tintenkanal ausgestoßen werden soll, wird der Tintenversorgungskanal zumindest im Bereich der Einströmöffnung der Düse mit einem Unterdruck relativ zum Umgebungsdruck beaufschlagt. Durch den Unterdruck wird verhindert, dass Tinte unbeabsichtigt aus dem Tintenkanal leckt. Auf diese Weise kann auf einen Verschlusskörper verzichtet werden. Zum Ausstoßen der Tinte kommt ein im Tintenkanal vorgesehener Stößel zum Einsatz, dessen Stirnseite auf den Düsenkanal zubewegt wird, wodurch Tinte durch den Düsenkanal und aus diesem heraus gepresst wird, wobei vorzugsweise während des gesamten Druckprozesses ein Stößel/Düsen-Abstand eingehalten wird, d.h. eine Stößelstirnfläche an einem Umkehrpunkt einen Abstand von der Einströmöffnung von größer als Null aufweist und die Einströmöffnung der Düse während des gesamten Druckprozesses permanent offen bleibt. Der erfindungsgemäße Stößel übernimmt also gerade nicht die Funktion eines Verschlusskörpers.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Druckkopf ist es möglich Tinten zu verwenden, die in einem weiten Viskositätsbereich liegen und/oder die Pigmente beinhalten.
  • Dies insbesondere, weil der Stößel nicht als Verschlusskörper funktionieren muss und die sich zwischen Stößelstirnseite und Einlassöffnung des Düsenkanals schiebende Tinte und/oder Pigmente nicht stören.
  • Die genannten Tinten können mit dem erfinderischen Druckkopf für den Strukturdruck verwendet werden. Unter dem Begriff Strukturdruck wird hierbei das Aufbringen von dreidimensionalen Formen, Linien, Strukturen etc. auf zumindest einer Oberfläche mit glatten und/oder rauen Bereichen verstanden, z.B. eine Holzstruktur auf einer MDF/HDF Platte oder Fließe, Braille Schrift, oder Simulation einer Prägeschrift etc.
  • Vorzugsweise wird die Düse ortsfest an einer Seitenwand des Tintenversorgungskanals angeordnet und es wird ein Stößel, der im Tintenversorgungskanal zwischen zwei der Düse gegenüberliegenden Umkehrpunkten hin und her bewegt wird, vorgesehen.
  • Der erfindungsgemäße funktionale und charakteristische Aufbau und Druckverfahren der Druckvorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass Mittel, vorzugsweise externe Mittel vorgesehen sind, die einen Unterdrucks im Tintenversorgungskanal erzeugen, sodass eine Düse während des ganzen Druckprozesses offen bleiben kann ohne dass unbeabsichtigtes Auslaufen von Tinte stattfinden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Stößel zwischen zwei der Düse gegenüberliegenden Umkehrpunkten, (U1) und (U2), hin und her verfahren, wobei der Stößel/Düsen-Abstand größer als Null ist, sodass zu keinem Zeitpunkt während des Druckprozesses, also vor und/oder während und/oder nach dem Ausstoßen von Tinte periodisch eintretende Kollisionen des Stößel mit der Düse erfolgen. Damit wird erreicht, dass man mit dem erfinderischen Druckkopf mit höheren Druckfrequenzen als bei herkömmlichen Druckverfahren drucken kann.
  • Der Stößel ist in einer bevorzugten Ausführungsform nicht dichtend im Tintenversorgungskanal an einer Tintenkanalwand angeordnet, d.h. es bildet zu keinem Zeitpunkt einen Verschlusskörper, wobei zum Ausstoßen der Tinte eine Stirnseite des Stößels von einem Ausgangspunkt auf die Einströmöffnung zubewegt wird. Eine Stirnseite des Stößels wird lediglich bis zu einem ersten Umkehrpunkt (U1) auf die Einströmöffnung zubewegt, wobei dieser erste Umkehrpunkt (U1) von der Einströmöffnung beabstandet ist, so dass es selbst am ersten Umkehrpunkt (U1) nicht zu einem Verschluss des Tintenversorgungskanals kommt. Wird die Stößelstirnseite zum Ausstoßen der Tinte von einem Ausgangspunkt auf die Einströmöffnung zubewegt, so wird die Tinte ausgehend von einem Stagnationsbereich zwischen der Stirnseite des Stößels und dem der Stößelstirnseite gegenüberliegende Bereich der Seitenwand mit Düse in Richtung der Einströmöffnung der Düse gepresst, wobei gleichzeitig Tinte innerhalb des Tintenversorgungskanal nach Außen, d.h. über den Stößel-Außen-Rand hinausfließen kann.
  • Der Begriff "Stößelstirnseite" und "Stirnseite" sind im Kontext gleichbedeutend zu verstehen. Als Stößelstirnseite ist in der Erfindung nicht unbedingt eine zusammenhängende Fläche gemeint, sondern es können auch zwei oder mehrere Flächen gemeint sein.
  • Das erfinderische Druckverfahren hat gezeigt, dass die Lebensdauer des Druckkopfes erhöht wird, da der Stößel Kollisionen mit der unter der Stößelstirnseite befindlichen Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitsfilm und/oder der Düse und/oder der Innenwand des Tintenversorgungskanals vermieden werden.
  • Durch die Erfindung wird gegenüber einem herkömmlichen Druckkopf, der einen Stößel beinhaltet, eine höhere Prozessstabilität erreicht, da konstruktions- und verfahrens-bedingt die Wahrscheinlichkeit eines Materialversagens des Stößels und/oder der Düse stark reduziert wird.
  • Der erfinderische Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker umfasst zumindest einen Tintenversorgungskanal und zumindest eine Düse mit Düsenkanal und Einströmöffnung, wobei durch die Einströmöffnung Tinte aus dem Tintenversorgungskanal in den Düsenkanal gepresst und aus diesem ausgestoßen werden kann, wobei die Düse ortsfest an einer Seitenwand des Tintenversorgungskanals angeordnet ist und der zumindest einen Düse ein Stößel mit im Tintenversorgungskanal liegender Stößelstirnseite, die der Einströmöffnung beabstandet gegenüber liegt, zugeordnet ist, wobei der Druckkopf erste Mittel umfasst zum Bewegen einer Stößelstirnseite in dem Tintenversorgungskanal zwischen einem von der Einströmöffnung der Düse minimal beabstandeten Umkehrpunkt (U1) und einem von der Einströmöffnung der Düse maximal beabstandeten Umkehrpunkt (U2), wobei die ersten Mittel die Bewegung einer Stößelstirnseite auf eine Bewegung zwischen den Umkehrpunkten (U1,U2) begrenzen und zweite Mittel zum Beaufschlagen der Tinte im Tintenversorgungskanal mit einem Unterdruck relativ zum Umgebungsluftdruck vorgesehen sind. Dritte Mittel zum Pumpen der Tinte durch den Tintenversorgungskanal können vorgesehen sein, um Sedimentation der Tinte im Tintenversorgungskanal zu verhindern.
  • Die Mittel zum Bewegen eines Stößels umfassen in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest einen Aktor, wobei der zumindest eine Aktor den Stößel zwischen zwei Umkehrpunkten verfahren kann. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die Mittel zum Bewegen eines Stößels zumindest einen Aktor und zumindest eine Feder umfassen. Es können aber auch andere konventionelle Mittel zum Bewegen des Stößels zum Einsatz kommen.
  • Die bevorzugt externen Mittel zum Beaufschlagen der Tinte im Tintenversorgungskanal mit einem Unterdruck relativ zum Umgebungsluftdruck können z.B. konventionelle Vakuumpumpen sein, mit denen es möglich ist einen entsprechenden Gegendruck zum Umgebungsluftdruck und dem geodätischen Druck der Tinte im Düsenkanal zu erzeugen, um ein Auslaufen der Tinte aus dem Tintenversorgungskanal zu unterbinden.
  • Der Tintendruck muss in Kombination mit dem Kapillardruck so eingestellt werden, dass keine Luft durch den Düsenkanal in den Tintenversorgungskanal eingesaugt wird und dass keine Tinte aus dem Düsenkanal ungewollt austritt. Der Tintendruck ist definitionsgemäß die Summe des Zirkulationsdrucks und des Meniskusunterdrucks.
  • Die externen Mittel können konventionelle Pumpen wie z.B. eine Umwälzpumpe bzw. eine Zirkulationspumpe sein. Mit den Mitteln wird die Tinte durch den Tintenversorgungskanal gepumpt, vorzugsweise permanent.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist am minimal beabstandeten Umkehrpunkt (U1) der Abstand zwischen einer Stößelstirnseite und der Einströmöffnung grösser Null.
  • Um eine optimale Produktivität eines erfindungsgemäßen Druckkopfes zu gewährleisten können im Tintenversorgungskanal mehrere Düsen vorliegen, wobei jeder Düse ein Stößel zugeordnet ist.
  • In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest im Falle der zumindest einen Düse keine Seitenwand zusammen mit der Düse einstückig ausgeführt und eine die Einströmöffnung umgebende Stirnseite der zumindest einen Düse flächenbündig mit einer inneren, mit der Tinte in Berührung stehenden Oberfläche einer Seitenwand des Tintenversorgungskanals ausgebildet.
    Die oben genannte Aufgabe lässt sich auch mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch lösen, dass die Tinte zumindest während den Zeitintervallen in denen nicht gedruckt werden soll der Tintenversorgungskanal zumindest im Bereich der Einströmöffnung der Düse mit einem Unterdruck relativ zum Umgebungsluftdruck beaufschlagt wird, wodurch ein Ausströmen der Tinte aus dem Düsenkanal auch ohne Verschlusskörper verhindert wird und dass zum Ausstoßen der Tinte eine Stirnseite des Stößels ausgehend von einem Ausgangspunkt auf die Einströmöffnung zubewegt wird.
  • Das erfinderische Druckverfahren zur Durchführung von Druckprozessen beinhaltet mehrere Schritte, wobei in einem ersten Schritt ein Druckkopf mit Tintenversorgungskanal, Stößel und Düse mit Düsenkanal und Einströmöffnung, die die Verbindung des Düsenkanals zum Tintenversorgungskanal bildet, bereitgestellt wird und in einem zweiten Schritt der Tintenversorgungskanal mit Tinte gefüllt wird, wobei die Tinte zumindest während den Zeitintervallen in denen nicht gedruckt werden soll im Tintenversorgungskanal zumindest im Bereich der Einströmöffnung der Düse mit einem Unterdruck beaufschlagt wird, wodurch ein Ausströmen der Tinte aus dem Düsenkanal auch ohne Verschlusskörper verhindert wird und wobei zum Ausstoßen der Tinte eine Stirnseite des Stößels ausgehend von einem Ausgangspunkt auf die Einströmöffnung zubewegt wird.
  • Im Druckverfahren wird in einer bevorzugten Ausführungsform eine Stirnseite des Stößels lediglich bis zu einem ersten Umkehrpunkt (U1) auf die Einströmöffnung zubewegt, wobei dieser erste Umkehrpunkt (U1) von der Einströmöffnung beabstandet ist, so dass es selbst am ersten Umkehrpunkt (U1) nicht zu einem Verschluss des Tintenversorgungskanals kommt.
  • Nach Erreichen des Umkehrpunktes (U1) wird die Stirnseite des Stößels von der Einströmöffnung zu einem zweiten Umkehrpunkt (U2) wegbewegt, welcher den Ausgangspunkt für den darauffolgenden Druckzyklus bildet.
  • Die Position des Ausgangspunktes und des darauffolgenden Umkehrpunktes (U1) wird so gewählt, dass der Stößelhub eine vorbestimmte Tintenmenge und damit Tropfengröße ausstößt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird im Druckverfahren im Arbeitsschritt, in dem die Stößelstirnseite zum Ausstoßen der Tinte von einem Ausgangspunkt auf die Einströmöffnung zubewegt wird, die Tinte ausgehend von einem Stagnationsbereich zwischen der Stirnseite des Stößels und dem der Stößelstirnseite gegenüberliegende Bereich der Seitenwand mit Düse in Richtung der Einströmöffnung der Düse gepresst, wobei gleichzeitig Tinte innerhalb des Tintenversorgungskanal nach Außen, d.h. über den Stößel-Außen-Rand hinausfließen kann, wobei in diesem bevorzugten Druckverfahren der Abstand vom Stößel-Außen-Rand zu einer Seitenwand des Tintenversorgungskanals in einer zur Düsenachse vertikalen Richtung grösser Null sein muss. Durch die Bewegung des Stößels herrscht permanent eine relativ starke Strömung der Tinte im Bereich der Einströmöffnung der Düse, sodass sehr effizient in diesem Bereich Sedimentation der Tinte verhindert werden kann.
  • Wird die Stirnseite des Stößels ausgehend von einem Ausgangspunkt auf die Einströmöffnung zubewegt, erfolgt eine Volumens- und Druckänderung im Düsen nahen Bereich, die einen Ausstoß von Tinte aus Tintenversorgungskanal bewirkt.
  • Die Tinte wird im erfindungsgemäßen Verfahren durch den Tintenversorgungskanal gepumpt, vorzugsweise permanent.
  • Ein Stagnationsbereich ist jener Bereich zwischen der Stößelstirnseite und dem der Stößelstirnseite gegenüberliegende Bereich der Seitenwand mit Düse. In jenem Stagnationsbereich erfährt in Folge der Bewegung des Stößel, der ausgehend von einem Ausgangspunkt auf die Einströmöffnung der Düse zubewegt wird, die Tinte den höchsten Druck, sodass die Tinte ausgehend von diesem Stagnationsbereich in Richtung der Einströmöffnung der Düse gepresst wird, wobei gleichzeitig Tinte innerhalb des Tintenversorgungskanals nach Außen, d.h. über den Stößel-Außen-Rand hinausfließen kann. Ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Stößel zylinderförmig ausgebildet und die Düse ebenfalls, wird der Stagnationsbereich in einem Idealfall einfachheitshalber als Stagnationsradius bezeichnet.
  • Im erfindungsgemäßen Druckverfahren bleibt die Düse während des gesamten Druckprozesses offen, sodass der Stößel die Einlassöffnung der Düse nicht verschließt und die Düse und/oder die Innenwand des Tintenversorgungskanals nicht berührt.
  • Im Druckverfahren wird in einem Schritt (a) die Stößelstirnseite mit Mittel von einem der Einströmöffnung der Düse gegenüberliegenden Umkehrpunkt (U2) in einer Hub-Bewegung in Richtung der Einströmöffnung der Düse zu einem der Düse gegenüberliegenden Umkehrpunkt (U1) bewegt, wobei eine Volumens- und Druckänderung im Düsen nahen Bereich auftritt, die einen Ausstoß von Tinte aus der Düse bewirkt. In einem Schritt (b) wird die Stößelstirnseite mit Mittel von einem Umkehrpunkt (U1) in einer Hub-Bewegung in Gegenrichtung der Einströmöffnung der Düse zu einem Umkehrpunkt (U2) bewegt, wobei die Schritte (a) und (b) nacheinander erfolgen und der Umkehrpunkt (U2) den Ausgangspunkt für den darauffolgenden Druckzyklus bildet, wobei während des gesamten Druckverfahrens der Stößel/Düsen-Abstand grösser Null beträgt. Der Umkehrpunkt (U1) hat immer einen kleineren Düsen/Stößel Abstand als der Umkehrpunkt (U2).
  • Insbesondere ist hervorzuheben, dass es beim Druckverfahren mit der Druckvorrichtung um eine DOD-Drucktechnik ("Drop on Demand") handelt, bei der Tintentropfen nur aus einer Düse ausgestoßen werden, wenn diese auch tatsächlich gebraucht werden.
  • Eine Sedimentation von Tinte im Tintenkanal und an den Düsen wird verhindert, da der erfinderische Druckkopf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform externe Mittel zum Pumpen der Tinte durch den Tintenkanal vorgesehen sind, die die Tinte durch den Tintenversorgungskanal pumpen, vorzugsweise permanent.
  • Das erfinderische Druckverfahren zur Durchführung von Druckprozessen mit dem Druckkopf zeichnet sich in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch aus, dass der Stößel im Tintenversorgungskanal zwischen zwei der Einströmöffnung der Düse gegenüberliegenden Umkehrpunkten, einem Umkehrpunkt (U1) und einem Umkehrpunkt (U2), verfahren wird, wobei vorzugsweise zu keinem Zeitpunkt während des Druckens, also vor und/oder während und/oder nach dem Ausstoßen von Tinte, der Stößel die Düse und/oder eine Seitenwand des Tintenversorgungskanals weder berührt noch verschließt.
  • Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auf einfache Weise eine mechanisch sehr stabile Anordnung der Düsen und eine sehr effiziente Verhinderung von Sedimentation der Tinte auch bei der Verwendung von Tinten mit großen Pigmenten. An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Begriff ortsfest in dem vorliegenden Zusammenhang so zu verstehen ist, dass sich die Lage der Düse während des Betriebes relativ zum Tintenkanal nicht ändert. Zu Zwecken der Wartung und des Austauschs kann die Düse jedoch aus dem Tintenkanal entfernt werden, so kann die Düse beispielsweise in den Tintenkanal eingeschraubt sein. Darüber hinaus kann durch die Verwendung eines mit der Düse zusammenwirkenden Stößels auf die Anordnung eines Ventils, welches nach Erzeugung eines Überdrucks in dem Tintenkanal geöffnet wird, verzichtet werden.
  • Eine Sedimentation an den Düsen lässt sich sehr gut auch dadurch verhindern, dass eine die Einströmöffnung aufweisende Stirnseite der Düse flächenbündig mit einer inneren, mit der Tinte in Berührung stehenden Oberfläche der Seitenwand des Tintenversorgungskanals ausgebildet ist.
  • Der Tintenausstoß sowie eine Selbstreinigung der Düse werden dadurch begünstigt, dass eine Längsmittelachse der zumindest einen Düse normal zu der Oberfläche des Tintenversorgungskanals verläuft.
  • Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Einströmöffnung der Düse in einem dem Stößel gegenüberliegenden Bereich der Seitenwand angeordnet ist, der durch eine sich bei Bewegung des Stößels in der Tinte ausbildende zylindrische Begrenzungsfläche begrenzt ist. Diese Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Pumpkammer, also jener Bereich, in welchem bei einem Ausstoßen oder Ansaugen der Tinte eine Volumenänderung stattfindet, realisiert werden kann, bei der nur die beiden Deckflächen (Stirnfläche des Stößels und die Stirnseite der Düse) als Festkörper ausgebildet sind und die Mantelflächen durch die Tintenflüssigkeit gebildet werden. Dadurch lassen sich die Sedimentation und Agglomeration der Tinte in der Pumpkammer sowie der Wartungsaufwand wesentlich reduzieren.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass ein der Stirnseite gegenüberliegender Abschnitt des Stößels fest mit einer bewegbaren Stößelstange verbunden ist, welche mit einer in Richtung der Düse wirkenden Rückstellkraft beaufschlagt ist. Durch diese Ausbildungsform der Erfindung kann auf einfache Weise zum Ausstoßen von Tinte eine Bewegung des Stößels in Richtung der Düse ausgelöst werden. Die Rückstellkraft kann beispielsweise durch eine Schraubenfeder hervorgerufen sein, welche bei einem Zurückziehen des Stößels von der Düse komprimiert wird. Die zum Zurückziehen des Stößels erforderliche Kraft kann von Mitteln wie einem Aktor, beispielsweise einem elektromechanischen Aktor, insbesondere einem Elektromagneten, einem pneumatischen oder einem anderen geeigneten Aktor erzeugt werden. Zu diesem Zweck kann die Stößelstange mit dem Aktor verbunden sein, welcher eine gegen die Rückstellkraft wirkende Kraft erzeugt. Bei Verwendung eines elektromechanischen Aktors kann In einem stromlosen Zustand des Aktors der Stößel durch die Feder gegen die Düse bewegt werden. Natürlich ist es auch denkbar, dass Feder und Aktor in der soeben beschriebenen Ausführungsform vertauscht sind. Auch wäre die Verwendung eines zweiten Aktors anstelle der Feder möglich.
  • Entsprechend einer Variante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Stößelstange zumindest abschnittsweise in einem Hohlschaft parallel zu einer Längsmittelgeraden des Hohlschaftes bewegbar geführt ist, wobei zwischen der Führungsstange und dem Hohlschaft eine radial umlaufende Abdichtung vorgesehen sein kann. Durch diese Ausführungsform der Erfindung lässt sich der Strömungswiderstand im Tintenkanal wesentlich verringern, da der Hohlschaft der im Folgenden auch als Führungsschaft bezeichnet wird sehr schlank ausgeführt werden kann, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung der Führungsfunktion für die Stößelstange kommt. Durch die Abdichtung zwischen Stößelstange und Führungsschaft kann ein Eindringen von Tinte in den Führungsschaft verhindert werden.
  • Um den Strömungswiderstand in der Düse zu verringern und den Wirkungsgrad zu erhöhen, kann es vorgesehen sein, dass die Einströmöffnung der Düse konisch, in Form eines sich in Richtung einer Auslassöffnung verjüngenden Trichters ausgebildet ist. Eine besonders günstige Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Auslassöffnung der Düse zylindrisch ausgebildet ist.
  • Um ein komplettes Entleeren der Düse während eines durch eine Hubbewegung des Stößels verursachten Ansaugens von Tinte ein Eindringen von Luft in die Pumpkammer zu verhindern, kann die Düse eine Länge in Strömungsrichtung aufweisen, die ein Vielfaches, mindestens jedoch das Zweifache, eines maximalen Durchmessers der Düse beträgt.
  • Die Lebensdauer der Düse und des Stößels lassen sich dadurch erhöhen, dass die Düse aus Keramik, Hartmetall oder obeiflächenbehandeltem Stahl hergestellt sind und/oder die Stirnseite des Stößels zumindest abschnittsweise aus Keramik, Hartmetall oder oberflächenbehandeltem Stahl gebildet ist.
  • Die Erfindung samt weiteren Vorteilen wird anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsbeispiele näher erläutert, welche in den Zeichnungen dargestellt sind.
  • In diesen zeigen jeweils in stark schematisch vereinfachter Darstellung:
    • Fig. 1 einen teilweisen Schnitt durch einen Druckkopf;
    • Fig. 2 einen Teil des Druckkopfs aus Fig. 1 im näheren Detail;
    • Fig. 3 eine zwischen einer Stirnseite eines Stößels und einer Düse gebildete Pumpkammer;
    • Fig. 4 ein Funktionsprinzip einer imaginären Pumpkammer und
    • Fig. 5 eine theoretisch berechnete Druckverteilung unter der Stirnseite eines Stößels.
  • Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
  • Die Figuren werden im Folgenden übergreifend beschrieben.
  • Gemäß Fig. 1 und Fig. 2 weist ein erfindungsgemäßer Druckkopf 1 für einen Tintenstrahldrucker, mindestens einen Tintenversorgungskanal 2 und mindestens eine Düse 3 zum Ausstoßen der Tinte aus dem Tintenversorgungskanal 2 auf.
  • In dem Druckkopf 1 können mehrere, parallel zueinander angeordnete und in der Länge ausgedehnten Tintenkanäle vorgesehen sein, in welchen, wie aus Fig. 1 ersichtlich, in regelmäßigen Abständen Düsen 3 und bewegliche Stößel 6 angeordnet sind. Die Tintenkanäle, Düsen 3 und Stößel 6 sind hierbei wie der im Folgenden beschriebene Tintenkanal 2, Düse 3 und Stößel 6 ausgebildet bzw. angeordnet. Der Tintenkanal 2 dient der Tintenversorgung der Düse 3.
  • Die Tinte kann kontinuierlich durch den Tintenkanal 2 strömen, um Sedimentationen der Tinte zu vermeiden. Der Druckabfall in dem Tintenkanal 2 ist günstiger Weise sehr gering, was sich durch einen möglichst großen Querschnitt des Tintenkanals erreichen lässt.
  • Die Düse 3 ist ortsfest an einer Seitenwand 4 des Tintenversorgungskanals 2 angeordnet und in dem Tintenversorgungskanal 2 ist ein zwischen zwei der Einströmöffnung der Düse gegenüberliegenden Umkehrpunkten, einem Umkehrpunkt (U1) und einem Umkehrpunkt (U2) hin und her beweglicher Stößel 6 vorgesehen. Die Düse 3 kann austauschbar an der Seitenwand 4 angeordnet sein, beispielsweise kann die Düse 3 in die Seitenwand 4 des Tintenversorgungskanals 2 eingeschraubt sein. Um abrasiven Pigmenten der Tinte widerstehen zu können, kann die Düse 3 aus Keramik, Hartmetall, Glas etc. hergestellt sein.
  • Eine die Einströmöffnung 5 aufweisende Stirnseite 7 der Düse 3 kann flächenbündig mit einer inneren, mit der Tinte in Berührung stehenden Oberfläche 8 der Seitenwand 4 des Tintenversorgungskanals 2 ausgebildet sein. Durch die bündige Ausführung der Düsen 3 an ihren inneren Stirnseiten 7 mit der Innenwand des Tintenkanals 2 wird die Tintenströmung möglichst wenig gestört und eine Sedimentation vermieden. Eine Längsmittelachse a der Düse 3 kann hierbei normal zu der Oberfläche 8 des Tintenversorgungskanals 2 verlaufen.
  • Ein einer Stirnseite 9 des Stößels 6 gegenüberliegender Abschnitt des Stößels 6 kann fest mit einer in Richtung der Düse 3 wirkenden Rückstellkraft beaufschlagten, bewegbaren Stößelstange 10 verbunden sein. Der Stößel 6 kann mittels eines Aktors von der Düse zurückgezogen werden. Als Aktor zur Betätigung des Stößels kann ein elektromechanischer Aktor, beispielsweise in Form eines mit der Stößelstange 10 verbundenen Magnetankers 11, der mit einer Spule 12, die um einen Kern 13 gewickelt sein kann, zusammenwirkt, vorgesehen sein. Der Stößel 6 kann von dem Anker 11 des Zugmagneten nach oben gezogen werden. Dabei wird eine in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 14 versehene Feder gespannt, welche in einem stromlosen Zustand des Aktors den Stößel 6 wieder nach unten drückt. Wenn sich der Stößel 6 der Düse 3 nähert bzw. wenn sich der Magnetanker 11 dem Kern 13 nähert, tritt eine starke Dämpfung, hervorgerufen durch radiale Filmströmung, auf und verhindert das harte Aufschlagen des Stößels 6 bzw. des Magnetankers 11 auf den zwischen dem Stößel und der Düse bzw. der Innenwand des Tintenversorgungskanals vorliegende\n Tinte bzw. Tintenfilm und erhöht damit die Lebensdauer des Stößels 6 und des Aktors. An Stelle des Zugmagneten sind auch andere Antriebsarten für den Stößel vorstellbar, beispielsweise in Form eines Druckluft- oder Piezo-Aktors.
  • Die Stößelstange 10 kann zumindest abschnittsweise in einem Hohlschaft 15 parallel zu einer Längsmittelgeraden des Führungs-Schaftes bzw. Hohlschaftes 15 bewegbar geführt sein, wobei zwischen der Führungsstange 10 und dem Hohlschaft 15 eine radial umlaufende Abdichtung 16 vorgesehen sein kann.
  • Wie aus Fig. 1 und 2 erkennbar ist kann der Führungs-Schaft 15 aus der der Düse 3 gegenüber liegenden Begrenzungswand 17 des Tintenkanals 2 in den Tintenkanal 2 ragen. Durch die Abdichtung des Übergangs zwischen dem Führungs-Schaft 15 und dem Stößel 6 kann verhindert werden, dass die Tinte in den Führungs-Schaft 15 eindringen kann. Der Führungs-Schaft 15 kann schlank gestaltet sein, um möglichst wenig Strömungswiderstand im Tintenkanal zu verursachen. Besonders günstig ist es hierbei, wenn der Führungs-Schaft bzw. Hohlschaft 15 eine glatte und/oder abgerundete Oberfläche aufweist. Der Führungs-Schaft bzw. Hohlschaft 15 kann beispielswiese einen kreisförmigen, elliptischen oder ähnlichen Querschnitt aufweisen.
  • In die Stößelstirnfläche 9 kann ein Keramikteil oder ein Teil aus einem anderen Material als jenen des Stößel Materials eingelegt sein, um bei Vorhandensein abrasiver Pigmente eine längere Lebensdauer der Stirnfläche 9 zu erhalten.
  • Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann die Einströmöffnung 5 der Düse 3 konisch, in Form eines sich in Richtung einer Auslassöffnung 18 verjüngenden Trichters ausgebildet sein. Die Auslassöffnung 18 der Düse 3 kann hierbei zylindrisch ausgebildet sein. Darüber hinaus kann die Düse 3 eine Länge L aufweisen, die ein Vielfaches, mindestens jedoch das Zweifache, eines maximalen Durchmessers d der Düse 3 beträgt.
  • Bevorzugter Weise ist die Einströmöffnung 5 der Düse 3 in einem dem Stößel 6 gegenüberliegenden Bereich der Seitenwand 4 angeordnet, welcher innerhalb einer Pumpkammer 19 liegt und diese in einer Richtung begrenzt.
  • Die in jedem Tintenstrahl - Druckkopf vorhandene und notwendige Pumpwirkung, welche durch eine imaginäre Pumpkammer 19 veranschaulicht wird und aus einem zylindrischen Raumbereich gebildet werden kann, welcher durch den Durchmesser d1 der StößelStirnfläche 9 und dem Abstand a1 Stößel-Stirnfläche zu innerer Düsen-Stirnfläche bzw. zur Stirnseite der Einströmöffnung 5 begrenzt wird. Dieser Raumbereich muss jedoch nicht zwingend zylindrisch sein.
  • Die Pumpkammer 19 ist jener Raum in welchem eine Volumenänderung stattfindet. Die Pumpkammer 19 hat, wie in der nur zur Veranschaulichung des Wirkungsprinzips einer Pumpkammer dienenden Fig. 4 dargestellt, immer zwei Öffnungen 20 und 21, eine für den Zulauf und eine für den Auslauf. Während dem Nachfüll- Zyklus bewegt sich der Stößel 6 nach oben und Tinte strömt durch die Zulauf 20 und Auslauf-Öffnung 21 in den Raum der Pumpkammer 19. Während dem Ausstoß-Zyklus bewegt sich der Stößel 6 nach unten und Tinte strömt durch die Zulauf 20 und Auslauf-Öffnung 21 aus dem Raum der Pumpkammer 19.
  • Damit der Druckkopf 1 einen Tropfen ausstoßen kann, muss durch die Auslauföffnung 21 der Pumpkammer mehr Tinte hinaus strömen als durch die Einlassöffnung der Pumpkammer 19 in den Tintenkanal 2 zurückströmt. Für das Ansaugen von Tinte in die Pumpkammer 19 gilt die umgekehrte Bedingung. In Fig. 4 ist dies graphisch veranschaulicht, wobei Bewegungsrichtung des Stößels 6 und die Flussrichtungen der Tinte beim Einsaugen in oder Ausstoßen der Tinte aus der Pumpkammer 19 in Fig. 4 durch Pfeile angedeutet sind. Durch unterschiedlich Dicke Pfeile soll die unterschiedlichen Mengen an ein- bzw. ausströmender Tinte angedeutet werden.
  • Wenn sich der Stößel 6 bewegt, wird Tinte aus der Pumpkammer 19 verdrängt oder eingesaugt. Die Stößelbewegung verursacht gleichzeitig eine Volumen- und Druck-Änderung in der Pumpkammer 19. Dabei bildet sich, wie aus Fig. 5 ersichtlich, entlang des Stößelradius r ein Druckverlauf aus.
  • Dort wo dieser Druckverlauf sein Maximum oder Minimum hat, entsteht gemäß Fig. 3 eine zylinderförmige Begrenzungs-Fläche 22 mit dem sogenannten Stagnationsradius rs. Außerhalb dieser Begrenzungs-Fläche 22 fließt die Tinte in oder aus dem Tintenkanal, innerhalb dieser Begrenzungs-Fläche 22 fließt die Tinte aus der Düse oder in die Düse, je nach Bewegungsrichtung des Stößels 6. Der Stagnationsradius rs hängt von der Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des Stößels 6, vom Abstand a1 des Stößels 6 zur Düse und vom Druck am Radius r und am Radius ri ab. Daraus ergeben sich die in beide Richtungen strömenden Tintenvolumina bei der Auf- und Ab- Bewegung des Stößels 6.
  • Die Einströmöffnung 5 der Düse 3 kann direkt an der Auslassöffnung 21 der Pumpkammer 19 angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform ist die Einströmöffnung 5 der Düse 3 in einem dem Stößel 6 gegenüberliegenden Bereich der Seitenwand 4 angeordnet ist, der bei Bewegung des Stößels 6 durch sich den damit verbundenen Druckverlauf in der Tinte innerhalb der Tinte ausbildenden Begrenzungsfläche 22 begrenzt ist.
  • Fig. 5 zeigt einen theoretisch berechneten radiusabhängigen Druckverlauf unter dem Stößel 6. Der Stagnationsradius rs befindet sich dort wo der der Druck den Maximalwert hat.
  • Bei handelsüblichen Tintenstrahl - Druckköpfen ist die Länge L in Strömungsrichtung üblicherweise so ausgelegt, dass das Tintenvolumen in der Düse in etwa dem Tropfenvolumen entspricht. Da der Düsendurchmesser bei einem Druckkopf für Strukturdrucker größer als bei handelsüblichen Tintenstrahl-Druckköpfen sein muss um das geforderte Tropfenvolumen zu erreichen ist der Kapillardruck wesentlich kleiner und es wird während dem Nachfüll-Zyklus mehr Tinte durch die Düse 3 in die Pumpkammer 19 zurück gesaugt. Aus diesem Grund kann die Länge der Düse L wesentlich vergrößert sein, damit die Düse während des Nachfüll- Zyklus nicht komplett entleert werden kann und Luft in die Pumpkammer 19 gelangt.
  • Die Länge L der Düse besteht aus den Längen für den zylindrischen Teil 12 und für den konischen Teil 11. Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
  • Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind mehrere Tintenversorgungskanale 2 in einem Druckkopf parallel zueinander der Länge nach ausgerichtet, in denen jeweils mehrere Düsen 3 mit Düsenkanal und Einströmöffnung 5 vorzugsweise in gleichen Abständen an der Tintenversorgungskanalwand angeordnet. Erste Mittel 23, wie zumindest ein Aktor oder zumindest ein Aktor und zumindest eine Feder sind für die Bewegung einer Stößelstirnseite 9 bzw. des Stößels 6 vorgesehen, die die Stößelstirnseite 9 auf eine Bewegung zwischen den Umkehrpunkten (U1, U2) begrenzen. Zweite externe Mittel, wie eine Vakuumpumpe, die z.B. in einem Tinten-Zwischentank, der über mindestens eine Tintenzufuhrleitung mit dem Druckkopf verbunden ist, und welche Pumpe im Luftraum über einen Flüssigkeitsspiegel angeordnet ist, ist zum Beaufschlagen der Tinte im Tintenversorgungskanal 2 mit einem Unterdruck relativ zum Umgebungsluftdruck vorgesehen. Dritte externe Mittel, wie eine Umwälzpumpe ist z.B. in einem Tinten-Zwischentank vorgesehen, welche die Tinte vorzugsweise permanent durch die mindestens eine Tintenzufuhrleitung und Tintenversorgungskanäle des Druckkopfes pumpt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Druckverfahrens wird die Tinte im Tintenversorgungskanal 2 mit einem Unterdruck im Bereich grösser Null bis vorzugsweise 5 mbar relativ zum Umgebungsdruck bei einem Düsen-Innen-Durchmesser an der Auslassöffnung der Düse von 300 µm beaufschlagt. Es können beispielsweise aber auch andere Unterdrücke zum Einsatz kommen, wobei der Tintendruck betragsmäßig nicht kleiner als der Kapillardruck gewählt werden darf, damit sichergestellt ist, dass keine Luft durch die Düse in den Tintenversorgungskanal gesaugt wird. Verständnishalber sei unter "Unterdruck im Bereich grösser Null bis vorzugsweise 5 mbar relativ zum Umgebungsluftdruck" ein Druck gemeint, welcher im Bereich grösser Null bis 5 mbar kleiner ist als der Umgebungsluftdruck.
  • Die durch den Tintenversorgungskanal gepumpte Tinten-Fördermenge pro Zeiteinheit "X" ist in einer bevorzugten Ausführungsform um einen an das System angepassten bestimmten Faktor größer als die Summe der Tintenmenge, die während des Druckbetriebs maximal durch alle Düsen ausgestoßen werden kann, wobei immer die Regel gilt, dass der Tintendruck in Kombination mit dem Kapillardruck so eingestellt werden muss, dass keine Luft durch den Düsenkanal in den Tintenversorgungskanal eingesaugt wird und dass keine Tinte aus dem Düsenkanal ungewollt austritt.
  • Der Stößel 6 ist nicht dichtend im Tintenversorgungskanal 2 an einer Tintenkanalwand angeordnet , wobei ein Abstand vom Stößel-Außen-Rand zu einer Seitenwand des Tintenversorgungskanals in einer zur Düsenachse vertikalen Richtung bevorzugt grösser 1mm und bevorzugter grösser 3 mm beträgt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Druckkopfvorrichtung weist der Stößel 6 einen Außen-Durchmesser bevorzugt zwischen 3,0 bis 5,0 mm auf. Die Düse 3 weist dabei einen Innen-Durchmesser bevorzugt zwischen 200 bis 350 µm auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Druckverfahrens weist der Richtungswechsel am Umkehrpunkt (U1) eine Frequenz bevorzugt bis 1,1 kHz und bevorzugter bis 1,0 kHz auf. Wird der Stößel Außen-Durchmesser kleiner gewählt, kann man mit weit höheren Frequenzen drucken.
  • Im Druckverfahren wird der Stößel/Düsen-Abstand am Umkehrpunkt (U1) größer Null und vorzugsweise bis 100 µm eingehalten und der Stößel/Düsen-Abstand am Umkehrpunkts (U2) größer 250 µm und vorzugsweise bis 400 µm eingehalten.
  • Anwendung findet das Verfahren im Drucken von Tinten unterschiedlicher Viskosität, wobei bevorzugt gilt, dass die Tinte eine Viskosität η von η= 50 - 100 mPa·sec aufweist und/oder die Tinte zum Drucken Pigmente mit einer Pigmentgröße von bis zu 10 µm aufweist, wobei die Tinte eine Pigmentgröße bevorzugt bis zu 5 µm beinhaltet. Tinten mit einer niedrigen oder höheren Viskosität als die genannte Viskosität η von η = 50 - 100 mPa·sec und/oder mit größeren Pigmentgrößen als 10 µm können grundsätzlich ebenfalls zum Einsatz kommen, solange eine optimale Druckstabilität gewährleistet werden kann.
  • Werden bei einem Druckprozess Tinten mit Pigmenten verwendet, welche eine Partikelgröße "g" aufweisen, versteht es sich von selbst, dass man zumindest einen Stößel/DüsenAbstand an einem Umkehrpunkt mindestens Größer als die entsprechende Partikelgröße "g" wählen sollte, um Kollisionen des Stößels mit den an der Düsenoberfläche möglicherweise vorliegenden Pigmenten zu vermeiden.
  • Wird die Stößelstirnseite 9 ausgehend von einem Ausgangspunkt auf die Einströmöffnung zubewegt, tritt eine Volumens- und Druckänderung in einem Bereich der Einströmöffnung der Düse auf und eine bestimmte Tintenmenge und damit Tropfengröße wird aus der Düse ausgestoßen. Ein Haupttropfen wird aus der Düse ausgestoßen, aber je nach Druckverfahren werden mit dem Haupttropfen zusätzlich mehr oder weniger unerwünschte kleine Tröpfchen, sogenannte Satelliten, mit dem Haupttropfen ausgestoßen.
  • In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können mehrere Druckköpfe in einer gestaffelten oder irgendeiner anderen Anordnung montiert und dabei derart angeordnet werden, dass im Druckprozess mindestens eine Düse eines Druckkopfes mit mindestens einer Düse eines anderen Druckkopfes in mindestens einer Richtung überlappen und/oder dass die Düsen einer Düsenreihe eines Druckkopfes gegenüber den Düsen einer Düsenreihe eines anderen Druckkopfes um einen bestimmten Düsenabstand gegeneinander verschoben sind.
  • Werden die Düsen gegeneinander verschoben, können höhere Tropfendichten und somit höhere Bildauflösungen erreicht werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in denen die Druckköpfe in eine Nebenscannrichtung Y und Hauptdruckrichtung X im Druckprozess bewegt werden, können die Düsenreihen der Druckköpfe parallel zueinander und schräg in einem Winkel bezüglich einer Nebenscannrichtung Y eingestellt werden, damit der Düsenabstand zwischen den einzelnen Düsen eines Druckkopfes in einer Hauptdruckrichtung X einen Düsenabstand Y aufweist, sodass man in der Hauptscannrichtung X mit einer höheren Auflösung als mit der nativen Auflösung eines Druckkopfes drucken kann.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen der Druckkopfvorrichtung im Beispiel und den Zeichnungen beschränkt zu verstehen.
    • Bezugszeichenaufstellung
    • 1
    Druckkopf
    2
    Tintenversorgungskanal
    3
    Düse
    4
    Seitenwand
    5
    Einströmöffnung
    6
    Stößel
    7
    Stirnseite der Düse
    8
    Oberfläche
    9
    Stößelstirnseite bzw. Stirnseite
    10
    Stößelstange
    11
    Magnetanker
    12
    Spule
    13
    Kern
    14
    Feder
    15
    Hohlschaft
    16
    Abdichtung
    17
    Begrenzungswand
    18
    Auslassöffnung der Düse
    19
    Pumpkammer
    20
    Zulauföffnung
    21
    Auslauföffnung
    22
    Begrenzungsfläche

Claims (26)

  1. Druckkopf (1) für einen Tintenstrahldrucker, wobei der Druckkopf (1) zumindest einen Tintenversorgungskanal (2) und zumindest eine Düse (3) mit Düsenkanal und Einströmöffnung (5) aufweist, wobei durch die Einströmöffnung (5) Tinte aus dem Tintenversorgungskanal (2) in den Düsenkanal gepresst und aus diesem ausgestoßen werden kann, wobei die Düse (3) ortsfest an einer Seitenwand (4) des Tintenversorgungskanals (2) angeordnet ist und der zumindest einen Düse (3) ein Stößel (6) mit im Tintenversorgungskanal (2) liegender Stößelstirnseite (9), die der Einströmöffnung (5) beabstandet gegenüber liegt, zugeordnet ist, wobei der Druckkopf (1) erste Mittel umfasst zum Bewegen der Stößelstirnseite (9) in dem Tintenversorgungskanal (2) zwischen einem von der Einströmöffnung (5) der Düse (3) minimal beabstandeten Umkehrpunkt (U1) und einem von der Einströmöffnung (5) der Düse (3) maximal beabstandeten Umkehrpunkt (U2) dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel die Bewegung einer Stößelstirnseite (9) auf eine Bewegung zwischen den Umkehrpunkten (U1,U2) begrenzen und zweite Mittel zum Beaufschlagen der Tinte im Tintenversorgungskanal (2) mit einem Unterdruck relativ zum Umgebungsluftdruck vorgesehen sind.
  2. Druckkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass am minimal beabstandeten Umkehrpunkt (U1) der Abstand zwischen einer Stößelstirnseite (9) und der Einströmöffnung (5) grösser Null ist.
  3. Druckkopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stößel-Außen-Rand zu einer Seitenwand (4) des Tintenversorgungskanals (2) in einer zur Düsenachse vertikalen Richtung grösser Null, bevorzugter grösser 1mm und bevorzugter grösser 3 mm beträgt.
  4. Druckkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsen (3) vorliegen und jeder Düse (3) ein Stößel (6) zugeordnet ist.
  5. Druckkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Falle der zumindest einen Düse (3) keine Seitenwand (4) zusammen mit der Düse (3) einstückig ausgeführt ist und eine die Einströmöffnung (5) umgebende Stirnseite (7) der zumindest einen Düse (3) flächenbündig mit einer inneren, mit der Tinte in Berührung stehenden Oberfläche (8) einer Seitenwand (4) des Tintenversorgungskanals (2) ausgebildet ist.
  6. Druckkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsmittelachse (a) der zumindest einen Düse (3) normal zu der Oberfläche (8) des Tintenversorgungskanals (2) verläuft.
  7. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnung (5) der Düse in einem dem Stößel (6) gegenüberliegenden Bereich der Seitenwand (4) angeordnet ist, der durch eine sich bei Bewegung des Stößels in der Tinte ausbildende zylindrische Begrenzungsfläche begrenzt ist.
  8. Druckkopf nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein einer Stirnseite (9) des Stößels (6) gegenüberliegender Abschnitt des Stößels (6) fest mit einer mit einer in Richtung der Düse (3) wirkenden Rückstellkraft beaufschlagten, bewegbaren Stößelstange (10) verbunden ist.
  9. Druckkopf nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Stößelstange (10) zumindest abschnittsweise in einem Hohlschaft (15) parallel zu einer Längsmittelgeraden des Hohlschaftes (15) bewegbar geführt ist, wobei zwischen der Führungsstange (10) und dem Hohlschaft (15) eine radial umlaufende Abdichtung (16) vorgesehen ist.
  10. Druckkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass, die Einströmöffnung (5) der Düse (3) konisch, in Form eines sich in Richtung einer Auslassöffnung (18) verjüngenden Trichters ausgebildet ist.
  11. Druckkopf nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (18) der Düse (3) zylindrisch ausgebildet ist.
  12. Druckkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) eine Länge (L) aufweist die ein Vielfaches, mindestens jedoch das Zweifache, eines maximalen Durchmessers (d) der Düse beträgt.
  13. Druckkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) aus Keramik, Hartmetall oder oberflächenbehandeltem Stahl hergestellt sind und/oder die Stirnseite des Stößels zumindest abschnittsweise aus Keramik, Hartmetall oder oberflächenbehandeltem Stahl gebildet ist.
  14. Druckkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (6) einen Außen-Durchmesser bevorzugt zwischen 3,0 bis 5,0 mm aufweist.
  15. Druckkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Düsen einen Innen-Durchmesser bevorzugt zwischen 200 bis 350 µm aufweist.
  16. Verfahren zur Durchführung von Druckprozessen mit folgenden Schritten:
    - Bereitstellen eines Druckkopfes mit Tintenversorgungskanal (2), Stößel (6) und Düse (3) mit Düsenkanal und Einströmöffnung (5) die die Verbindung des Düsenkanals zum Tintenversorgungskanal (2) bildet,
    - Füllen des Tintenversorgungskanals (2) mit Tinte dadurch gekennzeichnet, dass die Tinte zumindest während den Zeitintervallen in denen nicht gedruckt werden soll der Tintenversorgungskanal (2) zumindest im Bereich der Einströmöffnung (5) der Düse (3) mit einem Unterdruck relativ zum Umgebungsluftdruck beaufschlagt wird, wodurch ein Ausströmen der Tinte aus dem Düsenkanal auch ohne Verschlusskörper verhindert wird und dass zum Ausstoßen der Tinte eine Stirnseite (9) des Stößels (6) ausgehend von einem Ausgangspunkt auf die Einströmöffnung (5) zubewegt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite (9) des Stößels (6) lediglich bis zu einem ersten Umkehrpunkt (U1) auf die Einströmöffnung (5) zubewegt wird, wobei dieser erste Umkehrpunkt (U1) von der Einströmöffnung (5) beabstandet ist, so dass es selbst am ersten Umkehrpunkt (U1) nicht zu einem Verschluss des Tintenversorgungskanals (2) kommt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen des Umkehrpunktes (U1) eine Stirnseite (9) des Stößels (6) von der Einströmöffnung (5) zu einem zweiten Umkehrpunkt (U2) wegbewegt wird, welcher den Ausgangspunkt für den darauffolgenden Druckzyklus bildet.
  19. Verfahren nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Ausgangspunktes und des darauffolgenden Umkehrpunktes (U1) so gewählt wird, dass der Stößelhub eine vorbestimmte Tintenmenge und damit Tropfengröße ausstößt.
  20. Verfahren nach Anspruch 16 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass im Arbeitsschritt, in dem die Stößelstirnseite (9) zum Ausstoßen der Tinte von einem Ausgangspunkt auf die Einströmöffnung (5) zubewegt wird, die Tinte ausgehend von einem Stagnationsbereich zwischen der Stirnseite (9) des Stößels (6) und dem der Stößelstirnseite (9) gegenüberliegende Bereich der Seitenwand (4) mit Düse (3), in Richtung der Einströmöffnung (5) der Düse (3) gepresst wird, wobei gleichzeitig Tinte innerhalb des Tintenversorgungskanal (2) nach Außen, d.h. über den Stößel-Außen-Rand hinausfließen kann.
  21. Verfahren nach Anspruch 16 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass die Tinte durch den Tintenversorgungskanal (2) gepumpt wird, vorzugsweise permanent.
  22. Verfahren nach Anspruch 17 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass ein Richtungswechsel des Stößels (6) am Umkehrpunkt (U1) eine Frequenz bevorzugt bis 1,1 kHz und bevorzugter bis 1,0 kHz aufweist.
  23. Verfahren nach Anspruch 17 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel/Düsen-Abstand am Umkehrpunkt (U1) größer Null und vorzugsweise bis 100 µm eingehalten wird.
  24. Druckverfahren nach Anspruch 17 bis 23 dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel/Düsen-Abstand am Umkehrpunkts (U2) größer 250 und vorzugsweise bis 400 beträgt.
  25. Anwendung eines Verfahren nach Anspruch 16 bis 24 zum Drucken mit Tinten unterschiedlicher Viskosität wobei bevorzugt gilt, dass die Viskosität η von η= 50 - 100 mPa·sec aufweist und/oder zum Drucken mit Tinten, die Pigmente mit einer Pigmentgröße von bis zu 10 µm aufweisen, wobei die Pigmentgröße bevorzugt auf bis zu 5 µm beinhalten.
  26. Verfahren nach Anspruch 16 bis 25 dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Druckkopf dreidimensionale Formen, Linien, Strukturen auf zumindest einer Oberfläche mit glatten und/oder rauen Bereichen aufgebracht werden.
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