EP2758243B1

EP2758243B1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung homogener tinte für inkjet-geräte

Info

Publication number: EP2758243B1
Application number: EP12768760.6A
Authority: EP
Inventors: Bernhard Heuft
Original assignee: Simaco GmbH
Current assignee: Simaco GmbH
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2032-09-19
Also published as: MX2014003247A; WO2013041589A1; KR101616654B1; DE102011113664A1; CN103813905B; CA2846688A1; CN103813905A; DK2758243T3; BR112014006404A2; KR20140078645A; JP2015501228A; JP6204360B2; CA2846688C; RU2580092C2; BR112014006404B1; US20140225965A1; ES2713567T3; MX348140B; RU2014115697A; US9067429B2

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung homogener Tinte für Inkjet-Geräte, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Tintenstrahls, mit einer Düsenanordnung, umfassend einen Ultraschallschwinger und eine Düse, zur Auftrennung des Tintenstrahls in einzelne gleich große Tintentröpfchen, mit einem Ladetunnel, mit dem wenigstens ein Teil der Tintentröpfchen mit einer elektrischen Ladung versehen wird, mit einer Ablenkeinrichtung, mit der die einzelnen elektrisch geladenen Tintentröpfchen abgelenkt werden und mit einem Homogenisierungstropfenfänger.

Stand der Technik

Bei Continuous-Ink-Jet-Druckern (CIJ-Drucker) tritt ein Tintenstrahl 12 (siehe Figur 1) mit Druck über eine Düse aus dem Druckkopf 10 aus. Dieser Strahl 12 wird über einen piezoelektrischen Wandler, der sich hinter der Düse befindet, moduliert, so dass ein gleichmäßiger Zerfall in einzelne Tropfen 16 erreicht wird (Rayleigh'scher Tropfenzerfall). Über einen Ladetunnel 18 werden die sich ablösenden Tropfen 16 mehr oder weniger stark elektrostatisch aufgeladen. Die 10 bis 40 m/s schnellen Tropfen 16 durchfliegen anschließend eine größere Ablenkelektrode 20, wo sie durch unterschiedliche, spezifische elektrische Ladungszustände seitlich oder in der Höhe abgelenkt werden. Je nach Gerätetyp gelangen nun die geladenen bzw. die ungeladenen Tropfen 16 auf die zu bedruckende Oberfläche 21. Nicht benötigte Tropfen 16 werden bereits am Druckkopf in einen üblichen Tropfenfänger 22 abgelenkt, aufgefangen und erneut dem Tintenkreislauf zugeführt. Es ist aus EP 0 362 101 bekannt, zur Erzielung einer hohen Druckqualität die Geschwindigkeit der Tröpfchen, die Qualität der Tinte und die Bildung und Aufladung der Tröpfchen zu prüfen und zu steuern.
Im Drucker von US4268836 wird der Strahltropfenstrom abgelenkt, wenn er durch ein statisches elektrisches Ablenkfeld hindurchtritt. Der Fänger ist direkt gegenüber der Ablenkelektrode positioniert und nimmt Tropfen in den Fangbahnen auf, während er den Tropfen in den Druckbahnen erlaubt, auf das Druckmedium zu treffen. Aus DE-OS 23 31 803 ist ein Tintenstrahlmatrixdrucker (CIJ-Drucker) mit zwei Tintenauf-fangblenden bekannt. Die erste Tintenauffangblende erzeugt Steuersignale für die Synchronisation der Tropfenbildung und der Aufladung der Tropfen. Die zweite Tintenauf-fangblende fängt in Prüfintervallen nicht benutzte Tropfen auf, die eine gegenüber den für den Druck verwendeten Tropfen sehr hohe Aufladung aufweisen, wodurch Systemfehler, wie Fehler der Ablenkspannung oder der Zeichenhöhe, feststellbar sind.
In dem Abstract von JP 56113463 A wird ein zweiteiliger Tropfenfänger für einen CIJ-Drucker beschrieben, der nicht abgelenkte Tropfen und Tropfen auffängt, die entgegengesetzt zu den Tropfen geladen sind, die zum Schreiben verwendet werden. Diese entgegengesetzt geladenen Tropfen werden zur Bestimmung der Tintenviskosität verwendet.
Bei CIJ-Druckern werden spezielle Tinten eingesetzt. Diese Tinten setzen sich aus Farbstof-fen, Bindemitteln und Lösemitteln zusammen. Je nach Bedarf können zusätzliche Salze, quartäre Ammoniumverbindungen oder andere Mittel enthalten sein, um die Leitfähigkeit der Tinte zu erhöhen. Außerdem können Haftvermittler, sowie Mittel zur Erhöhung oder Erniedrigung der Oberflächenspannung enthalten sein. Neben Farbstoffen können auch Pigmente zur Färbung der Tinte eingesetzt werden. Während Farbstoff-Tinten im Vergleich brillantere Farben erzeugen, zeigen Pigment-Tinten den Vorteil, dass sie auf der zu bedruckenden Oberfläche weniger verlaufen und höhere Echtheit und höheren Kontrast zeigen.
Bei dem CIJ-Druckverfahren ist es besonders wichtig, dass die Tinte möglichst homogen ist, damit sich möglichst gleichförmige Tintentröpfchen bilden. Die Tintentröpfchen sollen eine konsistente Tropfen-Reißlänge, Tropfengeschwindigkeit, Masse und elektrische Ladbarkeit aufweisen. Die Homogenität der Tinte ist eine Voraussetzung dafür, dass der Tintenstrahl in kleine Tröpfchen mit konstanten chemischen und physikalischen Eigenschaften aufgetrennt werden kann. Insbesondere ist hierbei die Ladefähigkeit im Verhältnis zum Gewicht entscheidend, denn nur wenn die Tröpfchen ein bestimmtes Ladungs/Masse-Verhältnis aufweisen, können sie auf ihren vorgesehenen Platz in der Schreibmatrix gelenkt werden. Eine ungleichförmige Tröpfchenbildung führt daher zu schlecht kontrollierbaren oder vagabundierenden Tintentröpfchen, die eine Verschlechterung des Schriftbildes des Druckkopfes zur Folge haben.
Um Tinten mit einem möglichst hohen Homogenisierungsgrad herzustellen, wird herkömm-licherweise darauf geachtet, dass die einzelnen Komponenten der Tinte eine möglichst hohe Löslichkeit und Dispergierbarkeit aufweisen, und es werden verfahrenstechnische Wege gewählt, die eine möglichst hohe Homogenität der Tinte zum Ergebnis haben. Insbesondere wird die Tinte bei der Herstellung mehrfach gefiltert. Außerdem wird bisher die Tinte jeweils genau auf das Gerät abgestimmt, in dem die Tinte zum Einsatz kommen soll ( EP 0 438 427 ).
Je schlechter die Qualität der verwendeten Tinte ist, desto schwieriger gestaltet sich die Justierung des Druckkopfes. Tinte mit mangelhafter Qualität führt nur bei einem exakt eingestellten Druckkopf zu einem akzeptablen Druckergebnis. Dies kann dazu führen, dass sich das Druckergebnis schon bei einer leichten Veränderung der Tintenkonsistenz oder einer Variation der Umgebungsbedingungen dramatisch verschlechtert. Tinte mit optimaler Qualität ist dagegen in einem weiten Einstellungsbereich anwendbar, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung des Druckbildes kommt.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe ein saubereres Schriftbild beim CIJ-Drucken erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung homogener Tinte für Inkjet-Geräte gelöst, wobei

ein Tintenstrahl in einzelne gleich große Tintentröpfchen aufgetrennt wird,
wenigstens ein Teil der Tintentröpfchen mit einer elektrischen Ladung versehen wird,
die Tintentröpfchen durch eine Ablenkeinrichtung geleitet werden,
die Tintentröpfchen, die um ein vorgegebenes Ausmaß abgelenkt werden, von einem Homogenisierungstropfenfänger aufgefangen werden und
die von dem Homogenisierungstropfenfänger aufgefangenen Tinten-tröpfchen zum Drucken verwendet werden.

Vorzugsweise wird jedes Tintentröpfchen mit derselben elektrischen Ladung versehen. Mit "jedes Tintentröpfchen" sind dabei nur die Tintentröpfchen gemeint, die zur Gewinnung der homogenen Tinte für Inkjet-Geräte verwendet werden. Die für das Phasing notwendigen Tintentröpfchen werden auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur geringfügig geladen und sind damit nicht gemeint. Wie nachfolgend noch erläutert wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren außerdem in der Weise mit einem CIJ-Druckverfahren kombiniert werden, dass Tintentröpfchen, die nicht zum Drucken und Phasing benötigt werden, zur Gewinnung homogener Tinte eingesetzt werden. "Jedes Tintentröpfchen" bezieht sich daher nur auf diese zuletzt genannten Tintentröpfchen.
Vorzugsweise ist die Fluglänge der Tintentröpfchen, die zur Gewinnung der homogenen Tinte eingesetzt werden, größer als die beim CIJ-Drucken. Die Fluglänge beträgt vorzugsweise mehr als 50 mm, insbesondere mehr als 70 mm. Je länger der Flugweg der Tintentröpfchen und je größer die Ablenkung sind, desto enger ist die Partikelgrößenfraktion der vom Homogenisierungstropfenfänger aufgefangenen Tintentröpfchen und desto homogener ist die gewonnene Tinte.
Vorzugsweise werden die Tintentröpfchen, die von dem Homogenisierungstropfenfänger aufgefangen werden, in einem Zwischenbehälter gespeichert.
Vorzugsweise werden die Tintentröpfchen stärker abgelenkt als beim CIJ-Drucken, damit sich Inhomogenitäten der Tintentröpfchen besonders deutlich auswirken.
Diese Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung mit folgenden Merkmalen gelöst,

eine Einrichtung zur Erzeugung eines Tintenstrahls,
eine Düsenanordnung, umfassend einen Ultraschallschwinger und eine Düse, zur Auftrennung des Tintenstrahls in einzelne gleich große Tintentröpfchen,
ein Ladetunnel, mit dem wenigstens ein Teil der Tintentröpfchen mit elektrischer Ladung versehen wird,

eine Ablenkeinrichtung, mit der die einzelnen elektrisch geladenen Tintentröpfchen abgelenkt werden, und
ein Homogenisierungstropfenfänger, der im Abstand von der nicht abgelenkten Flugbahn der Tintentröpfchen angeordnet ist.

Vorzugsweise erzeugt die Ablenkeinrichtung ein elektrostatisches oder ein magnetostatisches Feld zur Ablenkung der Tintentröpfchen.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen Zwischenbehälter zum Speichern der von dem Homogenisierungstropfenfänger aufgefangenen Tintentröpfchen auf.
Die Vorrichtung kann sowohl zur Gewinnung homogener Tinte als auch zum Bedrucken einer Oberfläche mit der homogenen Tinte verwendbar sein. Sie weist dazu eine Einrichtung zum Halten und Führen eines Substrats mit einer zu bedruckenden Oberfläche und einen Tropfenfänger auf, der so angeordnet ist, dass er die nicht abgelenkten und nicht zum Drucken benötigten Tintentröpfchen auffängt.
Die Einrichtung zum Halten und Führen des Substrats mit der zu bedruckenden Oberfläche und der Homogenisierungstropfenfänger sind vorzugsweise auf entgegengesetzten Seiten des Tropfenfängers für die nicht abgelenkten Tintentröpfchen angeordnet. Insbesondere kann die Einrichtung zum Halten und Führen des Substrats mit der zu bedruckenden Oberfläche über dem Tropfenfänger für die nicht abgelenkten Tintentröpfchen angeordnet sein und der Homogenisierungstropfenfänger unter dem Tropfenfänger für die nicht abgelenkten Tintentröpfchen angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Homogenisierungsvorrichtung hat im Wesentlichen denselben Aufbau wie ein herkömmlicher Inkjet-Druckkopf, wobei lediglich ein Homogenisierungs-tropfenfänger außerhalb der nicht abgelenkten Flugbahn vorgesehen ist, so dass nur solche Tintentröpfchen aufgefangen werden, die um ein entsprechendes Maß abgelenkt wurden. Bei dem Inkjet-Druckkopf kann es sich dabei um einen für das Multi-Deflection-CIJ-Drucken oder um einen für das Binary-CIJ-Drucken handeln. Beim Multi-Deflection-CIJ-Drucken wird mittels eines Druckkopfes mit einer einzigen Düsenöffnung eine Serie einzelner Tintentröpfchen erzeugt und wird die Stelle, an der ein Tintentröpfchen auf der zu bedruckenden Oberfläche auftrifft, durch das Ausmaß der Ablenkung gesteuert, das wiederum über die Aufladung des Tröpfchens gesteuert wird. Beim Binary-CIJ-Drucken wird mittels eines Druckkopfes mit einer Vielzahl, z.B. 192 oder 256, von Düsenöffnungen eine entsprechende Vielzahl von Tintenstrahlen, d.h. von Serien von Tintentröpfchen, erzeugt und wird die Stelle, an der ein Tintentröpfchen auf der zu bedruckenden Oberfläche auftrifft, durch die Position der entsprechenden Düsenöffnung an dem Druckkopf bestimmt, wobei alle Tintentröpfchen entweder keine oder die gleiche elektrische Ladung erhalten, je nachdem, ob ein Zeichen oder ein Leerzeichen gedruckt werden soll.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zweckmäßig zunächst eine Roh-Tinte vorbereitet, die in etwa die geforderten Eigenschaften hinsichtlich Viskosität und Leitfähigkeit aufweist. Aus dieser Tinte wird ein Tintenstrahl erzeugt, der mittels eines Ultra-schallschwingers und einer Düse in einzelne gleich große Tröpfchen aufgeteilt wird. Über eine Ladeeinrichtung wird der Tintenstrahl mit einer Ladung versehen, so dass jedes Tröpfchen, das sich von dem Tintenstrahl löst, eine Ladung besitzt. Eine Ablenk-einrichtung lenkt die geladenen Tröpfchen von ihrer ursprünglichen Flugbahn ab und führt die Tinten-tröpfchen dem Homogenisierungstropfenfänger zu. Nur die Tropfen, deren Ablenkung der Position des Homogenisierungstropfenfängers entspricht, werden von dem Homogeni-sierungstropfenfänger aufgenommen und an einen Zwischenbehälter weiter-geleitet. Tropfen, die aufgrund von Inhomogenitäten oder Verunreinigungen der Tinte eine von dem vorbe-stimmten Wert abweichende Ablenkung erfahren, treffen nicht auf den Homogeni-sierungs-tropfenfänger auf, und werden nicht in den Zwischenbehälter weitergeleitet, sodass damit eine effektive Trennung zwischen homogenen und inhomogenen Bestand-teilen der Tinte herbeigeführt werden kann. In dem Zwischenbehälter sammeln sich nur Tropfen an, die optimal gebildet sind und nahezu keine Inhomogenitäten oder Verunreini-gungen mehr aufweisen. Man erhält also eine Tinte, die in Tropfen zerlegt eine hohe Linearität und Wiederholgenauigkeit aufweist und damit ein sehr sauberes Schriftbild zeigt.
Tintentröpfchen, die nicht vom Homogenisierungstropfenfänger aufgenommen werden, treffen auf eine Prallplatte, von der sie abtropfen und in einem separaten Sammelbehälter aufgefangen werden können. Die Prallplatte ist vorzugsweise in Flugrichtung der Tröpfchen hinter dem Homogenisierungstropfenfänger angeordnet. Die in dem Sammelbehälter aufgefangene Tinte kann wiederverwertet und erneut der Homogenisierungseinrichtung zugeführt werden.
In der Praxis ergibt sich das Problem, dass direkt aufeinander folgende Tintentröpfchen aufgrund von elektrostatischen Kräften und insbesondere aufgrund von Windschatteneffekten gegenseitig ihre Flugbahn beeinflussen. Allein der Windschatten eines vorangehenden Tintentröpfchens kann, selbst wenn die Tröpfchen ein identisches Ladungs/Masse-Verhältnis haben, zu einer stärkeren Auslenkung des Folgetröpfchens führen. Es ist sogar möglich, dass das Folgetröpfchen aufgrund des Windschattens eine höhere Geschwindigkeit erreicht und das vorhergehende Tröpfchen überholt. Diese Effekte wirken sich insbesondere zu Beginn des Homogenisierungsverfahrens störend aus. Mit der Zeit stellt sich dann ein Gleichgewicht ein, bei dem dann alle Tintentröpfchen, die ein identisches Ladungs/Masse-Verhältnis haben, auf identische Bahnen abgelenkt werden. Das erfindungsgemäße Homogenisierungsverfahren wird ebenso wie das CIJ-Druckverfahren in kurzen Abständen von wenigen Sekunden justiert, um Temperaturschwankungen, Druckänderungen und Änderungen ähnlicher Betriebsparameter auszugleichen und ein Phasing durchzuführen. Nach jeder Justierung wird das Homogenisierungsverfahren wieder aufgenommen, und man muss abwarten, bis sich das Gleichgewicht wieder eingestellt hat. Aufgrund der häufigen Unterbrechungen wirkt sich insbesondere der bei der Wiederaufnahme des Homogenisierungsverfahrens auftretende Windschatteneffekt störend aus.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die gegenseitige Beeinflussung der Tintentröpfchen zu kompensieren. Die technisch einfachste Lösung besteht darin, den Homogenisierungstropfenfänger in der stabilisierten Flugbahn der Tintentröpfchen zu positionieren, also dort, wo die Tintentröpfchen auftreffen, nachdem die anfänglichen Störungen durch Ladungs- und Windschatteneffekte abgeklungen sind. Nachteilig bei dieser Lösung ist die etwas reduzierte Ausbeute, da in jedem Fall die ersten etwa 5 bis 8 Tropfen unabhängig von ihrer Konsistenz nicht auf den Homogenisierungstropfenfänger auftreffen und damit zunächst mehr Tinte als nötig verworfen wird. In diesem Fall ist es daher sinnvoll, die zunächst verworfenen Tintentröpfchen aufzufangen und erneut der Homogenisierungsvorrichtung zuzuführen.
Alternativ kann die Ladung der einzelnen Tintentröpfchen auch empirisch ermittelt werden und dabei in Abhängigkeit von der Anzahl der vorausfliegenden Tintentröpfchen gesteuert werden. Die Ladung der Tintentröpfchen wird dabei sukzessive reduziert, bis sich die Flugbahn der Tintentröpfchen stabilisiert hat. Auf diese Weise gehen zwar keine Tintentröpfchen verloren, es wird aber eine zusätzliche nicht-lineare Steuerung benötigt, wodurch sowohl Betrieb als auch Wartung der Vorrichtung aufwendiger werden.
Eine weitere Alternative besteht darin, dass abwechselnd sehr hoch geladene und nicht oder nur geringfügig geladene Tintentröpfchen erzeugt werden. Der Abstand zwischen den einzelnen sehr hoch geladenen Tintentröpfchen ist dann so groß, dass sie sich nicht mehr gegenseitig beeinflussen. Um den Abstand zwischen den sehr hoch geladenen Tintentröpfchen zu erhöhen, kann auch nur jedes dritte, vierte, usw. Tintentröpfchen sehr hoch geladen werden. Bei dieser Methode ist zwar die Ausbeute ebenfalls stark verringert, es kann jedoch die höchste und stabilste Trennschärfe erreicht werden. Die nur geringfügig geladenen Tröpfchen können zum Phasing eingesetzt werden.
Es ist auch möglich, die Tintentröpfchen abwechselnd mit Ladung unterschiedlicher Polarisation zu beaufschlagen. Die Tintentröpfchen werden dann abwechselnd nach oben und nach unten (in der Geometrie der Figuren) abgelenkt, so dass wiederum keine gegenseitige Beeinflussung der Flugbahnen aufeinanderfolgender Tintentröpfchen auftritt. Allerdings muss dann ein weiterer Homogenisierungstropfenfänger vorgesehen werden, der die umgekehrt polarisierten Tintentröpfchen aufnimmt.
Die einzelnen Methoden zur Vermeidung der gegenseitigen Beeinflussung der Flugbahnen der Tintentröpfchen können zur Optimierung auch miteinander kombiniert werden.
Der Grad der Ablenkung der geladenen Tintentröpfchen hängt von deren Ladungs/Masse-Verhältnis ab. Die Auswahl des Ladungs/Masse-Verhältnisses kann über die Position des Homogenisierungstropfenfängers, den Tintendruck, die Ladespannung, Ablenkungsspannung, sowie über den Abstand des Homogenisierungstropfenfängers vom Ladetunnel eingestellt werden. Die Trennschärfe der Homogenisierungseinrichtung kann über den Abstand zwischen dem Ladetunnel und dem Homogenisierungstropfenfänger, sowie über die Stärke des Ablenkfeldes bestimmt werden.
Die tatsächlich auf ein Tintentröpfchen aufgebrachte Ladung hängt von der Leitfähigkeit der Tinte zwischen der Austrittsdüse und dem Abrisspunkt ab. Änderungen der Leitfähigkeit der Tinte in diesem Bereich führen zu unterschiedlicher Ladung der Tintentröpfchen. Die Lage des Abrisspunktes hängt dabei von der Geschwindigkeit bzw. dem Druck der Tinte, sowie der Treiberspannung der Düse ab. Lokal auftretende Änderungen der Viskosität oder der Oberflächenspannung, verursacht durch Inhomogenitäten der Tinte, führen zu Änderungen der Abrisslänge und damit zu einer Änderung der Ladung der betroffenen Tintentröpfchen.
Das Ablenkfeld kann ein elektrostatisches Feld sein, das von einer oder mehreren Hochspannungselektroden erzeugt wird. Die Ablenkung der Tintentröpfchen kann aber auch über ein Magnetfeld realisiert werden.
In Abhängigkeit von der Langzeitstabilität der Tinte kann der Homogenisierungsvorgang beim Hersteller der Tinte oder unmittelbar vor dem Drucken durchgeführt werden. Besitzt die Tinte eine hohe Langzeitstabilität, so ist es vorteilhaft, die Homogenisierung bereits bei der Tintenherstellung durchzuführen und das fertige Tintenprodukt dem Anwender zur Verfügung zu stellen.
Alternativ kann die Tinte auch durch eine Homogenisierungseinrichtung unmittelbar im Druckgerät des Anwenders hergestellt werden, wobei die Tinte aus dem Homogenisierungstropfenfänger in einen Zwischenbehälter weitergeleitet wird, aus dem dann der Druckkopf die Tinte zum Drucken bezieht. Da die Tinte in dieser Konstellation "on demand" hergestellt wird, also erst dann, wenn der Druckkopf Tinte benötigt, ist eine gewisse Vorlaufzeit vorzusehen, während der die Homogenisierungseinrichtung die benötigte Tinte produziert.
Es ist auch möglich, dass der Druckkopf selbst sowohl als Druckeinrichtung, als auch als Homogenisierungseinrichtung eingesetzt wird. Zu diesem Zweck benötigt der Druckkopf neben dem üblichen Tropfenfänger noch einen Homogenisierungstropfenfänger zur Durchführung des Homogenisierungsverfahrens. In Stillstandszeiten kann der Druckkopf dann die Roh-Tinte aus einem ersten Vorratsbehälter beziehen, eine Homogenisierung dieser Tinte durchführen, und die gefilterte Tinte in einen Zwischenbehälter leiten. Zum Drucken bezieht der Druckkopf dann die gefilterte bzw. homogenisierte Tinte aus dem Zwischenbehälter. Ein Vorteil dieser kombinierten Ausführungsform liegt darin, dass exakt derselbe Druckkopf sowohl zum Drucken als auch zur Homogenisierung der Tinte verwendet wird. Tinte, die im Homogenisierungsverfahren bereits bewiesen hat, dass sie sich von diesem Druckkopf zu Tintentröpfchen mit gewünschtem Ladungs/Masse-Verhältnis formen lässt, wird sich mit hoher Wahrscheinlichkeit auch bei einem anschließenden Druckvorgang wieder in gleichförmige Tintentröpfchen zerlegen lassen. Bei dieser Ausführungsform kann die oben erwähnte Möglichkeit der abwechselnd entgegengesetzten Ladung der Tröpfchen in der Weise eingesetzt werden, dass die negativ geladenen Tröpfchen zum Drucken eingesetzt werden und gegebenenfalls auf den üblichen Tropfenfänger treffen, während die positiv geladenen Tröpfchen zum Homogenisieren eingesetzt werden und auf den Homogenisierungstropfenfänger oder die Prallplatte treffen.
Allgemein sollte die Düsenanordnung der Homogenisierungseinrichtung von gleicher Bauart sein, wie die des Schreibkopfes des Inkjet-Gerätes. Der Durchmesser der Düse der Homogenisierungsvorrichtung sollte gleich oder kleiner sein als der Durchmesser der im Schreibkopf verwendeten Düse, und die Betriebsfrequenz der Homogenisierungsvorrichtung sollte gleich groß oder größer sein als die Betriebsfrequenz des Schreibkopfes. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die homogenisierte Tinte auch im Schreibkopf des Inkjet-Geräts homogene Tintentröpfchen bildet und ein sauberes Schriftbild ergibt.
Ein mit der Erfindung erzielbarer Vorteil liegt darin, dass aufgrund der gesteigerten Homogenität der verwendeten Tinte ein qualitativ hochwertiges Schriftbild erzielbar ist. Zudem kann die Tinte über einen weiten Einstellungsbereich ohne Probleme verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass selbst mit Pigment-Tinten, die üblicherweise eine geringere Homogenität aufweisen als Dye-Tinten, stabile Tintenzusammensetzungen erzielt werden können, die sich optimal für das CIJ-Drucken eignen. Für Pigment-Tinten können beliebige Pigmente eingesetzt werden. Vorzugsweise werden TiO₂-Pigmente eingesetzt. Die Pigmente haben für CIJ-Anwendungen typischerweise einen Durchmesser von 0,5 bis 2 µm. Die Tintentröpfchen haben üblicherweise eine Größe von 50 bis 120 µm. Eine typische ungefilterte Pigment-Tinte entspricht daher einer Gauss-verteilten Flüssigkeit, d.h. die Größenverteilung der in der Tinte gelösten Pigmente entspricht in etwa einer Gauss-Verteilung. Da die Größe der Pigmente die chemischen und physikalischen Eigenschaften des jeweiligen Tintentröpfchens beeinflusst, ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Homogenisierungseinrichtung aus der Gauss-verteilten Pigment-Tinte eine Auswahl zu treffen, deren Ladungs/Gewichtsverhältnis sowie deren Bandbreite exakt vorherbestimmt sind.
Die in den Tinten suspendierten Teilchen neigen zu Agglomeration. Derartige Agglomerate behindern die Tröpfchenbildung und beeinträchtigen ebenfalls das Schriftbild. Dadurch dass die Tinte direkt vor dem Druckvorgang das erfindungsgemäße Homogenisierungsverfahren durchläuft, ist sichergestellt, dass die Tinte, die zum Drucken verwendet wird, eine gleichmäßige Tropfenbildung erlaubt und dass aufgrund der kurzen Zeitdauer zwischen Homogenisierung und Druckvorgang keine störende Agglomeration in der Tinte stattfindet.
Vorzugsweise ist die Homogenisierungsvorrichtung, abgesehen von der Position des Homogenisierungstropfenfängers und der Ansteuerung des Ladetunnels, im Wesentlichen baugleich zu dem Druckkopf, in dem die Tinte verwendet werden soll. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Tinte eine optimale Tröpfchenbildung unter den beim Druckvorgang herrschenden Umgebungsbedingungen erlaubt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Funktionsskizze eines herkömmlichen CIJ-Geräts nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Homogenisierung von Tinte für CIJ-Geräte,
Fig. 3 eine kombinierte Vorrichtung, die sowohl zum Drucken als auch zur Homogenisierung von Tinte für CIJ-Geräte geeignet ist.

Weg(e) zur Ausführung der Erfindung

In Figur 1 ist der Aufbau eines herkömmlichen CIJ-Druckkopfes 10 dargestellt. Ein Tintenstrahl 12 wird über eine Hochdruckleitung 13 an den Druckkopf 10 geführt und mittels einer Düsenanordnung 14, die einen Ultraschallschwinger und eine Düse umfasst, in einzelne gleich große Tintentröpfchen 16 aufgeteilt. Ein Ladetunnel 18 dient dazu, den Tintenstrahl 12 elektrostatisch aufzuladen. Ein Tintentröpfchen 16, das sich von dem geladenen Tintenstrahl 12 abtrennt, trägt einen Teil der Ladung mit sich. Die geladenen Tintentröpfchen 16 werden anschließend durch eine Ablenkeinrichtung 20 geführt, in der die Tintentröpfchen 16 entsprechend ihrem Ladungs/Masse-Verhältnis von ihrer ursprünglichen Flugbahn abgelenkt werden. Durch aufeinander abgestimmte vertikale Ablenkung der Tintentröpfchen 16 und eine entsprechende horizontale Bewegung des Druckkopfes 10 oder der zu bedruckenden Oberfläche 21 wird die Oberfläche bedruckt. Nicht benötigte oder ungeladene Tintentröpfchen 16 werden auf ihrer ursprünglichen Flugbahn belassen, von einem Tropfenfänger 22 aufgenommen und in den Vorratsbehälter 24 zurückgeleitet.
In Figur 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Homogenisierungseinrichtung 30 abgebildet. Der Aufbau der Homogenisierungseinrichtung 30 entspricht weitgehend dem Aufbau eines herkömmlichen CIJ-Druckkopfes 10. Ein Tintenstrahl 12 wird wiederum in gleich große Tintentröpfchen 16 zerlegt, wobei der Ladetunnel 18 so konfiguriert ist, dass die einzelnen Tintentröpfchen 16 jeweils mit einer identischen Ladungsmenge versehen werden. Anschließend werden die geladenen Tintentröpfchen 16 in dem elektrostatischen Feld der Ablenkelektrode 20 von ihrer ursprünglichen Flugbahn abgelenkt. Die Ablenkung der Tintentröpfchen 16 hängt dabei sowohl von der Stärke des elektrostatischen Feldes der Ablenkelektrode 20, als auch vom Ladungs/Masse-Verhältnis der Tintentröpfchen 16 ab. Die Homogenisierungseinrichtung 30 wird dabei so eingestellt, dass diejenigen, und zwar nur diejenigen Tintentröpfchen 32, die ein vorher festgelegtes Ladungs/Masse-Verhältnis aufweisen, auf einen Homogenisierungstropfenfänger 34 treffen und von diesem in einen Zwischenbehälter 36 weitergeleitet werden. Während der Tropfenfänger 22 von Fig. 1 auf der Bahn der nicht abgelenkten Tintentröpfchen 16 angeordnet ist, ist der Homogenisierungstropfenfänger 34 so angeordnet, dass nur die homogenen Tröpfchen 32 auf ihn treffen. Der vorbestimmte Wert des Ladungs/Masse-Verhältnisses hängt individuell von der jeweiligen Tinte ab und kann durch entsprechende Auswahl der Position des Homogenisierungstropfenfängers 34, den Druck des Tintenstrahls 12, die Ladespannung im Ladetunnel 18, die Spannung der Ablenkungselektrode 20, sowie über den Abstand des Homogenisierungstropfenfängers 34 vom Ladetunnel 18 eingestellt werden. Nach einer Justierung des Homogenisierungsverfahrens oder einem Phasing kommt es aufgrund von elektrostatischen Wechselwirkungen und Windschatteneffekten zu einer gegenseitigen Beeinflussung der Flugbahnen aufeinanderfolgender Tintentröpfchen. Im Laufe des Verfahrens stabilisiert sich diese Flugbahn jedoch, so dass dann Tintentröpfchen mit einem gleichen Ladungs/Masse-Verhältnis auch eine identische Flugbahn aufweisen. Der Homogenisierungstropfenfänger ist daher in der Ausführungsform von Fig. 2 so positioniert, dass er die Tintentröpfchen mit stabilisierter Flugbahn auffängt.
Die Tintentröpfchen 38, deren Ablenkung nicht dem durch die Position des Homogeni-sierungstropfenfängers 34 festgelegten Wert entspricht, werden dagegen auf eine unterschiedliche Flugbahn abgelenkt und treffen daher nicht auf den Homogenisierungs-tropfen-fänger 34. Diese inhomogenen Tintentröpfchen 38 werden damit in effektiver Weise von den homogenen Tintentröpfchen 32 getrennt. Alle Tintentröpfchen, die nicht in den Homogenisierungstropfenfänger treffen, also die inhomogenen Tintentröpfchen und die homogenen Tintentröpfchen, die zu Beginn des Homogenisierungsverfahrens noch eine zu geringe Ablenkung erfahren, treffen dagegen auf eine Prallplatte 39 auf und werden in den Vorratsbehälter 24 zurückgefördert.
Die Tinte, die im Zwischenbehälter 36 gesammelt wird, besteht ausschließlich aus Tintentröpfchen 32, die das gewünschte Ladungs/Masse-Verhältnis aufgewiesen haben. Die aus diesen Tintentröpfchen 32 gebildete Tinte besitzt eine hohe Wiederholgenauigkeit, d.h. diese Tinte kann in einem anschließenden Druckvorgang wieder in Tintentröpfchen 32 mit gleichbleibendem Ladungs/Masse-Verhältnis zerlegt werden, so dass ein sehr sauberes Schriftbild erreicht werden kann.
In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Homogenisierungsvorrichtung 40 abgebildet. Bei dieser Ausführungsform kann sowohl die Homogenisierung der Tinte als auch das Bedrucken einer Oberfläche 21 mit demselben Druckkopf 10 durchgeführt werden. Diese Ausführungsform umfasst zusätzlich zu der Homogenisierungsvorrichtung 30 von Fig. 2 eine nicht näher dargestellte Einrichtung zum Halten und Führen eines Substrats mit der zu bedruckenden Oberfläche 21 und einen üblichen Tropfenfänger 22. Über ein 3-Wege-Ventil 42 ist auswählbar, ob der Druckkopf 10 mit Roh-Tinte aus dem Vorratsbehälter 24 oder mit homogenisierter Tinte aus dem Zwischenbehälter 36 versorgt wird.
Der übliche Tropfenfänger 22 liegt auf der Höhe der Düsenanordnung 14, während die Einrichtung zum Halten und Führen des Substrats mit der zu bedruckenden Oberfläche 21 über diesem Tropfenfänger 22 und der Homogenisierungstropfenfänger 34 unter dem üblichen Tropfenfänger 22 angeordnet ist, oder umgekehrt. Der ganze Aufbau kann auch gegenüber der Horizontalen gekippt sein. Wesentlich ist, dass die Tintentröpfchen 16 zum Drucken eine elektrische Ladung erhalten, die entgegengesetzt zu der Ladung der Tintentröpfchen 32, 38 ist, die zur Gewinnung der homogenen Tinte dienen.
Zum Drucken wird homogenisierte Tinte aus dem Zwischenbehälter 36 in den Druckkopf 10 geleitet. Das Druckverfahren wird, wie vorstehend beschrieben, durchgeführt. Die Tintentröpfchen 16 werden geladen und über die Ablenkelektrode 20 an ihre zugedachte Schreibmatrixposition der Oberfläche 21 geführt. Nicht benötigte Tintentröpfchen 16 werden im Tropfenfänger 22 aufgefangen und in den Zwischenbehälter 36 zurückgeführt, um die Tinte in einem späteren Druckprozess wieder zu verwenden. In Stillstandszeiten oder wenn der Tintenfüllstand im Zwischenbehälter 36 zu gering wird, kann mit dem Druckkopf 10 das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung homogener Tinte durchgeführt werden. Dazu wird das 3-Wege-Ventil 42 so gesteuert, dass der Druckkopf 10 Roh-Tinte aus dem Vorratsbehälter 24 bezieht. Wie im Zusammenhang mit Figur 2 erläutert, wird der Roh-Tintenstrahl 12 in gleichförmige und gleichgeladene Tintentröpfchen 16 zerlegt. Diejenigen Tintentröpfchen 32, die ein vorbestimmtes Ladungs/Masse-Verhältnis besitzen, werden durch die Ablenkelektrode 20 in den Homogenisierungstropfenfänger 34 gelenkt und von dort aus in den Zwischenbehälter 36 weitergeleitet. Inhomogene Tintentröpfchen 38, die nicht das voreingestellte Ladungs/Masse-Verhältnis aufweisen, werden dagegen verworfen. Tintentröpfchen 16, die während des Homogenisierungsverfahrens von dem üblichen Tropfenfänger 22 aufgenommen werden (z.B. während einer Justierung der Vorrichtung), dürfen nicht in den Zwischenbehälter 36 gelangen, sondern müssen in den Vorratsbehälter 24 zurückgeleitet werden. Aus diesem Grund ist ein weiteres 3-Wege-Ventil 44 vorgesehen, mit dem auswählbar ist, in welchen Behälter die Tinte aus dem üblichen Tropfenfänger 22 geleitet wird.

Ausführungsbeispiel:

Ein CIJ-Drucksystem der Firma Videojet, Deutschland, Typ EXCEL 2000 opaque wurde wie folgt modifiziert:
Es wurde der Druckkopf ersetzt durch einen Druckkopf, inklusive der 53 µm-Düse, des Quarzes für 80 kHz und der Software eines CIJ-Druckers der Firma Videojet Typ EXCEL 170i Ultra High Speed.
Der Schlauch des Tropfenfängers wurde in eine Vakuumflasche geführt, um sicherzustellen, dass nur Frischtinte zugeführt wird.
Durch Einbau von zwei Platinen und vier Potentiometern wurde die Excel-Elektronik so modifiziert, dass man mehr Tropfen, als zum Schreiben benötigt, laden kann, sowie die Ladungsspannung und Schwellwerte weit über das normale Maß erhöht werden kann. Somit wird bei allen geladenen Tropfen die gleiche Ladung und höchste Ablenkung erzwungen. Da alle Tropfen die gleiche Ladung besitzen, wird kein Schriftbild erzeugt, sondern alle Tropfen werden maximal abgelenkt. Hierdurch wird die Effizienz des Tropfensammelns drastisch erhöht.
Parallel zu den Umbauten des Druckers wurde ein höhen- und seitlich verstellbarer Homogenisierungstropfenfänger auf einer Grundplatte montiert. Der Homogenisierungs-tropfenfänger ist ein Metallröhrchen, dessen Ende horizontal umgebogen ist und eine Öffnung mit einem lichten Durchmesser von 1 mm hat. Diese Falle für die homogenisierten Tintentropfen mündet in eine Flasche, die mit Unterdruck beaufschlagbar ist.
Diese Konstruktion ist beweglich, und somit ist eine stufenlose Verstellung des Abstands zum Druckkopf bzw. Flugweg des Tintentropfens durch Positionierung des Druckkopfes möglich.
In Kombination mit der Elektronikmodifikation und der damit verbundenen Möglichkeit, eine Großzahl der Tropfen zu laden und die generierten Tropfen höher abzulenken, eröffnet dieser Aufbau eine Möglichkeit, Tintentropfen zu homogenisieren, wobei wir durch Verlängerung des Flugweges und Variierung der Ladespannung die Eigenschaften der Tropfen, Größe bzw. Masse in einem großen Bereich steuern können.
Der Abstand des Homogenisierungstropfenfängers vom Druckkopf betrug bei den meisten Versuchen 50 mm. Einige Versuche wurden auch mit 70 mm Abstand gefahren.
Je länger der Flugweg und je höher die Ablenkung, desto enger ist die Partikelgrößenfraktion der homogenisierten Tropfen.
Die Tintentropfen werden generiert und geladen. Die Ladespannung beim CIJ-Drucken betrug zwischen 70 und 275 Volt. Das ist die normale Spannung einer Vollmatrix 16 x 24 Tintentropfen (h x b). Die Phasingtropfen haben 10 Volt. Für die Gewinnung homogener Tinte wurde mittels der modifizierten Elektronik die Ladespannung für alle Tintentropfen auf 210 Volt angehoben. Bei dieser Ladespannung sind noch keine Wechselwirkungen der Tintentropfen bemerkbar. Alle Tintentropfen, die keine Ladung erhalten haben, werden über den Standard-Tropfenfänger zurückgeführt. Der Schwellwert beträgt 50 Volt, um die Phasingtropfen, die mit 10 Volt geladen sind, durchzulassen und nicht auf ein höheres Niveau zu bringen.
Die geladenen Tropfen werden an der Hochspannungsplatte abgelenkt und, wenn es sich um qualifizierte, d.h. homogenisierte Tintentropfen handelt, über den Homogenisierungstropfenfänger gesammelt.
Tintentropfen, die nicht gemäß der Spezifikation abgelenkt werden - aufgrund kleinerer oder größerer Masse oder Ladung - werden an der Prallplatte oder in der Peripherie aufgefangen - diese Tintentropfen werden gesammelt und verworfen.
Diese Konstruktion liefert innerhalb von 3,5 h ca. 250 ml homogenisierte Tinte, die eine sehr gute Performance in unterschiedlichen Drucksystemen zeigte. Die so gewonnene Druckertinte wurde zum CIJ-Drucken verwendet. Dazu wurde zunächst die Viskosität der Druckertinte eingestellt, um die Verdampfungsverluste zu kompensieren, die bei der Gewinnung der homogenen Tinte entstehen. Während bei Druckversuchen mit der nicht homogenisierten Roh-Tinte 5 bis 10% Fehlladungen auftraten, betrugen die Fehlladungen bei Verwendung der homogenisierten Tinte unter 1%.

Bezugszeichenliste:

10 Druckkopf
12 Tintenstrahl
13 Hochdruckleitung
14 Düsenanordnung
16 Tintentröpfchen
18 Ladetunnel
20 Ablenkelektrode
21 zu bedruckende Oberfläche
22 Tropfenfänger zum Drucken
24 Vorratsbehälter
30 Homogenisierungsvorrichtung
32 homogene Tintentröpfchen
34 Homogenisierungstropfenfänger
36 Zwischenbehälter
38 inhomogene Tintentröpfchen
39 Prallplatte
40 kombinierte Homogenisierungs-/Druckvorrichtung
42 3-Wege-Ventil
44 weiteres 3-Wege-Ventil

Claims

Verfahren zur Gewinnung homogener Tinte für Inkjet-Geräte, wobei
- ein Tintenstrahl (12) in einzelne gleich große Tintentröpfchen (16) aufgetrennt wird;

- wenigstens ein Teil der Tintentröpfchen (16) mit einer elektrischen Ladung versehen wird; und

- die Tintentröpfchen (16) durch eine Ablenkeinrichtung (20) geleitet werden;
dadurch gekennzeichnet, dass

- die Tintentröpfchen (32), die um ein vorgegebenes Ausmaß abgelenkt werden, von einem Homogenisierungstropfenfänger (34) aufgefangen werden, wobei der Homogenisierungstropfenfänger in einem vorbestimmten Abstand von der Flugbahn der nicht-abgelenkten Tintentröpfchen angeordnet ist, und nur solche Tintentröpfchen mit einem vorbestimmten Masse-/Ladungsverhältnis von diesem aufgefangen werden und

- dass die von dem Homogenisierungstropfenfänger (34) aufgefangenen Tintentröpfchen (32) zum Drucken verwendet werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei jedes Tintentröpfchen (16) mit derselben elektrischen Ladung versehen wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fluglänge der Tintentröpfchen (16) mehr als 50 mm, insbesondere mehr als 70 mm, beträgt.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tintentröpfchen (32), die von dem Homogenisierungstropfenfänger (34) aufgefangen werden, in einem Zwischenbehälter (36) gespeichert werden.
Vorrichtung zur Gewinnung homogener Tinte für Inkjet-Geräte, mit
- einer Einrichtung zur Erzeugung eines Tintenstrahls (12),

- einer Düsenanordnung (14), umfassend einen Ultraschallschwinger und eine Düse, zur Auftrennung des Tintenstrahls (12) in einzelne gleich große Tintentröpfchen (16);

- einem Ladetunnel (18), mit dem jedes Tintentröpfchen (16) mit elektrischer Ladung versehen wird;

- einer Ablenkeinrichtung (20), mit der die einzelnen elektrisch geladenen Tintentröpfchen (16) abgelenkt werden; und

- einem Homogenisierungstropfenfänger (34);
dadurch gekennzeichnet, dass

- der Homogenisierungstropfenfänger (34) im Abstand von der nicht abgelenkten Flugbahn der Tintentröpfchen (16) angeordnet ist, wobei der Abstand des Homogenisierungstropfenfänger so gewählt ist, dass nur solche Tintentröpfchen mit einem vorbestimmten Masse-/Ladungsverhältnis von diesem aufgefangen werden.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Ablenkeinrichtung (20) ein elektrostatisches oder ein magnetostatisches Feld zur Ablenkung der Tintentröpfchen (16) erzeugt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, mit einem Zwischenbehälter (36) zum Speichern der von dem Homogenisierungstropfenfänger aufgefangenen Tintentröpfchen (34).
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, die sowohl zur Gewinnung homogener Tinte als auch zum Bedrucken einer Oberfläche (21) mit der homogenen Tinte verwendbar ist, mit einer Einrichtung zum Halten und Führen eines Substrats mit einer zu bedruckenden Oberfläche (21) und mit einem Tropfenfänger (22), der so angeordnet ist, dass er die nicht abgelenkten und nicht zum Drucken benötigten Tintentröpfchen (16) auffängt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zum Halten und Führen des Substrats mit der zu bedruckenden Oberfläche (21) und der Homogenisierungstropfenfänger (34) auf entgegengesetzten Seiten des Tropfenfängers (22) für die nicht abgelenkten Tintentröpfchen (16) angeordnet sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zum Halten und Führen des Substrats mit der zu bedruckenden Oberfläche (21) über dem Tropfenfänger (22) für die nicht abgelenkten Tintentröpfchen (16) angeordnet ist und der Homogenisierungstropfenfänger (34) unter dem Tropfenfänger (22) für die nicht abgelenkten Tintentröpfchen (16) angeordnet ist.