EP3169523A1 - Inkjet printing method, and assembly for carrying out the method - Google Patents

Inkjet printing method, and assembly for carrying out the method

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Publication number
EP3169523A1
EP3169523A1 EP15733333.7A EP15733333A EP3169523A1 EP 3169523 A1 EP3169523 A1 EP 3169523A1 EP 15733333 A EP15733333 A EP 15733333A EP 3169523 A1 EP3169523 A1 EP 3169523A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ink
printhead
substrate
plates
zone
Prior art date
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Granted
Application number
EP15733333.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP3169523B1 (en
Inventor
Alexey YAKUSHENKO
Bernd Bachmann
Bernhard Wolfrum
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP3169523A1 publication Critical patent/EP3169523A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3169523B1 publication Critical patent/EP3169523B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters 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
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201Structure of print heads with piezoelectric elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
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    • B41J2/005Typewriters 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
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14427Structure of ink jet print heads with thermal bend detached actuators
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B41J2/14427Structure of ink jet print heads with thermal bend detached actuators
    • B41J2002/14443Nozzle guard
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2202/00Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
    • B41J2202/01Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/08Embodiments of or processes related to ink-jet heads dealing with thermal variations, e.g. cooling

Definitions

  • the invention relates to an ink jet printing method and to an arrangement for carrying out the method.
  • Figure 1a shows the related art.
  • the drops are produced either by a thermal process with an air bubble (thermal ink-jet) or by means of a pressure pulse generated by either a piezo-crystal (piezo ink-jet) or electrostatically (super-fine ink-jet®).
  • CIJ printers Continuous Ink Jet
  • DOD printers Drop on Demand
  • the droplets thus formed are now more or less electrostatically charged.
  • the 10 to 40 m / s fast drops then fly through a larger deflection electrode, where they - depending on their specific electrical charge - are deflected laterally.
  • the charged or uncharged drops reach the substrate. Unnecessary drops are collected again at the print head and returned to the ink circuit.
  • the DoD process unlike Cl J printers, only the ink drop leaves the nozzle that is actually needed.
  • the devices are additionally distinguished by the technique with which the ink droplets are ejected.
  • A) Bubble jet printers produce tiny drops of ink by means of a heating element which heats the water or solvent in the ink.
  • Piezo printers use the piezoelectric effect for pressing the printing ink through a fine nozzle, wherein ceramic elements deform under electrical tension. The ink forms drops whose volume can be controlled by the magnitude of the applied electrical pulse.
  • individual valves are attached to the nozzles, which open when a drop is to leave the nozzle. In either case, the drop comes out of the nozzle, is jetted, and lands on a substrate. Several jetted drops that land on the substrate form the printed structure.
  • the resolution of the printed structure is defined by the size of individual drops and the distance between individual drops. In general, the smaller a single drop, the greater the resolution when printing. Therefore, an effort is to produce smaller drops.
  • the size of the drop in the formation in the nozzle is influenced. If, for example, nozzles with a small diameter are used in the print head, smaller drops are produced than when printing with larger nozzles in the print head.
  • the applied voltage shape and the time, or the temperature of the printhead and the ink itself play a major role. By modifying the voltage shape and the temperature, the size of the droplet can be significantly reduced, as described in Meier et al., (Phys., Status Solidi A (2009) Inkjet printed, conductive, 25 ⁇ m wide silver tracks on unstructured polyimides. 206, 1626-1630).
  • the interaction between the drop and the substrate is of great importance.
  • the hydrophilic modification of the substrate can result in a significant reduction in drop size on the substrate. This allows a denser placement of the drops, combined with a greater resolution.
  • Perelaer et al. Macromolecular Chemistry and Physics (2009), Droplet tailoring using evaporative inkjet printing, Vol. 210, 387-393
  • a greater distance between the printhead (s) and the substrate causes partial evaporation of the ink solvent takes place, whereby the drops are correspondingly smaller.
  • the method also takes into account the composition of the ink.
  • a disadvantage of the larger distance is a scattering of individual drops generated, whereby errors in the placement of individual drops occur. This reduces the resolution of the printed structure.
  • Publication WO 2013/166219 A1 discloses a device which permits in-flight drying of ink droplets. For this purpose, an environment of different tempered zones is generated between the printhead and the substrate to be printed.
  • Apparatus comprises a plurality of structures, such as spacers, which form a heat shield of Separate printhead, additional spacers that separate the heat shield from a condensation shield and energy sources on the condensation shield.
  • the temperature at the printhead should be low and high between the heat shield and condensation shield, as well as the condensation shield and substrate so that vapors rising from the substrate do not reach the printhead.
  • the condensation shield is heated to a temperature above the condensation temperature of the carrier liquid of the ink to prevent condensation of the vapors. This arrangement is disadvantageously complex.
  • Publication WO 2010/134072 A1 discloses a printhead for an ink jet printer which is provided with a heat shield in the direction of the substrate in order to avoid the transfer of heat between a heated substrate and the printhead. This arrangement also serves to provide corrosion protection of the printhead by keeping ascending vapors and heat away from it.
  • the object of the invention is to provide or provide a method and an arrangement with which a significant reduction of the drop volume and thus a higher resolution in the case of ink jet printing can be achieved.
  • a print head of an ink jet printer is oriented toward a substrate to be printed.
  • Ink drops are generated in the printhead of the inkjet printer.
  • the droplets after exiting the nozzle of the printhead, are directed into a zone of locally elevated temperature so that the volume of the droplets during the flight phase to the substrate is actively reduced.
  • the inventive method and arrangement allow the reduction of individual drops in the inkjet printing process 'in flight'. The reduction is followed by the local rapid heating of the drop and the resulting increased evaporation rate, which causes a significant drop volume reduction in a short time.
  • the heating is realized by the local supply of energy to the drop.
  • the energy supply can be effected for example by the interaction of the drop with light or with at least one heating wire.
  • the light as well as the or the heating wires produce according to the invention in the beam path of an ink jet printer a zone with locally elevated temperature.
  • the droplets pass according to the invention after their exit from the nozzle of the printhead first a first cold zone, then the zone with locally elevated temperature and then a second cold zone before they impact the substrate.
  • the printhead and the substrate are not influenced by the locally elevated temperature zone. Therefore, according to the invention, with the method as well as with the arrangement and the zone with locally increased temperature generated there is a locally limited energy supply to the drop. This leads to an active volume reduction of the drop and thus to an improvement of the resolution in the printing process.
  • An ink drop can z. B. by a small conductive grid with at least one or more heating wires, is passed through the stream and thereby a local temperature increase is generated, are passed.
  • one or more heating wires can be used, which generate the zone with locally elevated temperature.
  • the heating wires are not touched by the passing drops.
  • light of a suitable wavelength may also be irradiated onto the drop after the drop has been jetted out of the nozzle of the printhead.
  • the liquid within the droplet is heated and partially or largely evaporated. The evaporation is thereby actively increased. This leads to the desired reduction of the drop volume compared to the volume of the drop at the exit from the printhead nozzle.
  • Other properties of the droplet such as its shape, its speed, the viscosity, the surface tension and / or the density, can also be changed in a targeted manner by active evaporation.
  • the goal of the energy supply is the reduction in volume and, as a result, a smaller drop of ink than printing (pixels) on the substrate. This allows the desired higher resolution of the structures produced by the inkjet printing process of the invention.
  • the ink jet printing method according to the invention is advantageously a significant
  • a drop of, for example, 1 pL volume then has at most a volume of about 900 fl_ after passing through the zone of locally elevated temperature.
  • the volume of the drop by at least 20%, more preferably by at least 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30%, more preferably by at least 31, 32 , 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57 , 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81, 82 , 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89 or even 99% or any intermediate value.
  • the ink jet printing method proposed advantageously increases the resolution by at least 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or even at least 10%, particularly preferably at least 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30%, further preferably at least 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 , 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63 , 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88 , 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 99.1, 99.2, 99.3, 99.4, 99.5, 99.6,
  • a light source with a specific wavelength, beam properties such as diameter, shape, power, pulsed or continuous is used.
  • the light source is placed such that the light beam radiates locally between the printhead (thermal, piezo-based printhead, or super-fine inkjet® and Aerosol-Jet® printhead) of an inkjet printer and the substrate.
  • the printhead thermal, piezo-based printhead, or super-fine inkjet® and Aerosol-Jet® printhead
  • the light source directly next to the print head or the light with a beam guide, z. B. an optical fiber, or via deflecting mirror to the print head.
  • These printheads can of course also be used with the grid according to the invention with heating wire or heating wires as an attachment.
  • the light source can produce only one or more beams, e.g. B. by splitting the beam of a light source in several with optical see fibers or by using two or more light sources with the same or different optical properties. This has the advantageous effect that drops from several nozzles at the same time or the drops from a nozzle with different colors are to be irradiated.
  • a light source as a first alternative is to generate a sufficiently large beam so that the droplet emerging from the nozzle has a sufficient contact surface with the light beam and thereby has sufficient contact time with the light beam.
  • the jet has no contact with the print head and the substrate, so that the printing properties of the ink are not affected before the flight phase, or no interaction with the printed structures. It is particularly advantageous to use collimated light from a coherent light source.
  • the diameter of the light beam can be kept constant over longer distances and not diverged.
  • a diverging light source may be used which illuminates a larger area and thereby increases the time the drop is in the illuminated area. This advantageously causes a further reduction in the volume of the drop.
  • Blocking of the jet passed through the drop can e.g. B. by attaching a beam trap at the light source outlet existing opposite side of the print head can be realized.
  • the light source may be a laser that is pulsed or continuous. An LED or other light-producing system may also be used.
  • the light source or multiple light sources should be selected so that their wavelength is well absorbed by the solvent or solvents of the printing ink, or the content dissolved in the solvent.
  • the interaction time between the drop and the light or heating wire (s) becomes very short because the velocity of the drop is usually quite high. Normally, the velocity of the drop is in the range between 100 m / s and 0.01 m / s.
  • the flight times of the drop through the light beam or past the heating wires are between 1 ns to 10 ms, and are dependent on the droplet size and the beam width or the temperature. Therefore, the light source and heater wire (s) should have enough power to actively evaporate enough solvent of the ink in the short interaction times of 1 ns to 10 ms, but on the other hand not be too high, and in particular not the temperature of the printhead or the substrate.
  • the light source and heating wires may or may not interact with the functional material of the ink.
  • the light source as well as the heater wire (s) may effect "in-line sintering" of metal nanoparticles, or "in-flight cross-linking" of a polymer in the ink.
  • the locally elevated temperature zone is created between the substrate and the printhead.
  • the ink drops pass through this zone after they leave the nozzle of the printhead and before they land on the substrate.
  • the droplet is heated locally by means of a light beam and / or by heating wire or heating wires, and the solvents within the droplet are actively evaporated in this way, at least partially or completely evaporated. As a result, this always leads to a reduction in the drop volume, or else to a change in other drop properties, such as its shape, speed, viscosity, surface tension, density. The resulting, smaller drop is printed on the substrate.
  • the method advantageously also permits a denser positioning of individual drops relative to one another, and correspondingly a higher resolution and smaller minimum structures.
  • a light beam as the first alternative to produce a zone with locally elevated temperature should advantageously have an adjustable power, so that the evaporation rate and thus the resulting drop size can be regulated. If one or more heating wires are used as an alternative, they should be supplied with current from an adjustable current or voltage source.
  • a light source should also have a switch so that light can be turned on and off as needed.
  • the light beam according to the invention should also have a mechanism that can adjust the position of the beam in the X, Y and Z directions. This may be necessary to better hit the jet with the drops.
  • a conductive grid preferably made of metal or other conductive material.
  • the grid has openings large enough to allow individual drops to pass through the spaces between the heating wires.
  • a grid can only include one heating wire. Then the drop happens in the immediate vicinity of the heating wire and the zone generated by this locally elevated temperature.
  • the conductive grid preferably comprises two electrically conductive plates z. B. of an electrically conductive metal, which are both electrically isolated from each other and are arranged on a substrate. The substrate serves as a heat shield. Between the two plates of at least one heating wire is stretched and connects the two plates together.
  • the electrical resistance in the heating wire or in the heating wires is thus at least an order of magnitude 10 times, preferably 20 times, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 or 100 times or even up to 1000 times or preferably even up to 10000 times or any intermediate value thereof higher than in the feeding plates.
  • the heating wire (s) are heated and thereby generate a local temperature increase in the immediate vicinity of his or her heating wires.
  • the drops fly along the heater wire (s) without touching them, they will pass through heated there existing elevated temperature and in this way actively increases the evaporation rate, preferably the solvent of the ink. As a result of this active evaporation, the drop volume becomes smaller.
  • the temperature of the droplet during the passage of the zones with locally elevated temperature should not exceed the boiling point of the droplet or its constituents.
  • the temperature of the heater wire (s) must be high enough to vaporize enough solvent of the ink in these short interaction times of only 1 ns to 10 ms. On the other hand, however, it must not be too high and must not influence the temperature of the print head and the substrate.
  • the arrangement may in this sense have an attachment with at least one or more heating wires for a thermal evaporation of preferably the solvent of the ink.
  • the drops from the printhead are heated by the local temperature gradient and evaporated.
  • the local temperature gradient is generated by the heating of a grid or by heating, for example, two parallel heating wires or alternatively or in combination with one or more light sources.
  • the arrangement may in this sense also have an attachment with at least one or more light sources for a thermal evaporation of preferably the solvent of the ink.
  • the drops from the print head are heated up by the local temperature gradient and evaporated.
  • the local temperature gradient is generated by the heating of the ink in the light beam of a light source or alternatively or in combination with one or more heating wires.
  • the attachment for the generation of the local temperature gradient can be in two parts.
  • a first part is fixed and attached to or on the printhead or printhead holder.
  • the other part is fixed rigidly or reversibly on the first part, e.g. B. by gluing or by a magnetic mechanism.
  • An inventive attachment for a printhead of an inkjet printer preferably comprises: a heat shield to be aligned with the substrate with an opening for the ink,
  • the electrical leads conduct electricity through the plates in the at least one heating wire to produce a zone with locally elevated temperature.
  • the electrical resistance in the heating wire or in the heating wires can thereby in operation by at least an order of magnitude 10 times, preferably 20 times, 30 times, 40 times, 50 times, 60 times, 70 times, 80 times Be 90 times or 100 times or even up to 1000 times or preferably even up to 10000 times or any intermediate value thereof higher than in the feeding plates. This has the advantageous effect that the zone with locally elevated temperature is generated only on the heating wire but not on the plates.
  • the attachment according to the invention for a printhead holder thus comprises in particular a heat shield.
  • the heat shield is made of an electrically and thermally insulating material, such. B. anodized aluminum.
  • the heat shield has a small opening for the ink drops. The heat shield protects the printhead advantageous from elevated temperature.
  • two thin electrically conductive plates are arranged on the heat shield.
  • the plates are electrical conductors, z.
  • the two plates may be glued to the heat shield or otherwise arranged directly on the heat shield.
  • the two plates on the heat shield are individually insulated from each other electrically. That is, the two plates have a space between them so that they have no physical contact with each other. This space is located directly opposite the opening in the heat shield, so that the drops emerging from the nozzle pass through the attachment in the direction of the substrate without contact with the heat shield, the plates or the heating wires spanned therebetween.
  • other materials for the heat shield and / or the plates can be used.
  • the opening in the heat shield can z. B. be 0.5 mm wide.
  • ITO indium titanium oxide
  • glass with an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield. Then directly 0.5 mm thick steel plates are glued on. The heating wire is glued as described with conductive silver glue between the steel plates and baked.
  • glass with an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield. This is immediately z. B. 0.1 mm thick carbon plates glued. The heating wire is glued to the carbon plates with conductive carbon paste.
  • a ceramic with an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield. This is immediately z. B. 0.1 mm thick copper plates glued. The heating wire is glued to the carbon plates with conductive silver glue.
  • Glass or quartz can also be processed by optical lithography.
  • the glass or quartz is used as a heat shield and has an opening of 0.5 mm.
  • Two ITO (indium tin oxide) plates are deposited thereon 1 pm thick and patterned with optical lithography. Between the plates, the heating wire or a grid of tungsten 10 pm wide on the glass or quartz and between the ITO plates deposited and patterned with optical lithography, so that the two ITO plates are bridged with the tungsten wires.
  • a person skilled in the art can use further deposition methods from optical lithography in order to produce an article according to the invention.
  • At least one thin heating wire is arranged as a connection between the two plates.
  • the attachment then includes the heat shield, the plates disposed thereon and the heating wire therebetween, and electrical leads to the two conductive plates so that they can be connected to a power source or source of voltage that heats the heating wire.
  • the attachment of heat shield and plates is therefore advantageous very thin and can be readily arranged space between a nozzle of a printhead and the substrate.
  • the arrangement of heat shield and electrically conductive plates with heating wires is total preferably between 0.5 to 5 mm thick.
  • the attachment of the attachment to the print head also consumes no further space in the beam direction of the ink. This also ensures that the assembly can be arranged or affixed without problems between a printhead and the substrate.
  • the attachment of the attachment according to the invention on the print head z As by sticking, clamping devices or inserted slots in the printhead, in which the arrangement of heat shield and plates can be pushed.
  • the type of attachment which is within the expertise of a person skilled in the art, can also be done in other ways, for. B. by one or more retractable in the material of the printhead magnets, if the article comprises magnetic material such. B. the steel plates mentioned.
  • the attachment can also be screwed or otherwise attached to the printhead.
  • the type of attachment should not affect the thickness of the attachment. After attachment, the heating wires are placed very close to the substrate.
  • a second attachment according to the invention for a print head of an ink jet printer thus comprises:
  • a heat shield to be aligned with the substrate with an opening for the ink; at least one light source radiating into the jet path below the opening of the heat shield and creating a zone of locally elevated temperature for the ink droplets.
  • An inventive article should be attached to the print head so that a fine adjustment can be made.
  • the adjustment takes place in the plane so that the drops jet or fly along on the or the heating wires and must pass through the zone with locally elevated temperature.
  • any printheads especially those of industrial printers.
  • Such an inventive article can be arranged in an inventive arrangement of printhead with nozzle, z. B. by small retractable magnets arranged on the printhead, which attract and hold the metallic plates of the article according to the invention through the heat shield.
  • Other types of attachment are possible.
  • the space available in the beam is usually limited.
  • the fasteners have to be adapted thereto, that is, they should not take up any space in the direction of the ink jet.
  • the type of attachment is such that the attachment according to the invention after its attachment to the print head are advantageously also aligned in the plane, so that the drops are jetted directly along the heating wires or through the substrate without touching them, or through the Light beam fly. Adjustment screws can be used to align the attachment.
  • the attachment of the attachment is such that the thickness of the attachment is advantageously not increased by the fastening means, because the space between the substrate and a print head is usually very limited.
  • the attachment may also consist of a heat shield and arranged thereon light sources that radiate in the space between the print head and substrate and generate the zone with locally elevated temperature.
  • a drop from the nozzle of a print head must fly through the attachment in the direction of the substrate. To this end, after leaving the nozzle, he will first pass through the opening in the heat shield and immediately thereafter fly past the heating wire or the heating wires or pass the light beam without having to pass an intermediate space between the heat shield and the two plates.
  • This article of heat shield and preferably metallic plates with heating wire or heating wires or light source is very thin overall, z. B. only 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 or 1 mm, or 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 mm or an intermediate value assuming thin.
  • the beam path in the print head then consists of the printhead with nozzle, the attachment according to the invention for the printhead and the substrate to be printed.
  • the article has the heat shield in the printing direction or direction to protect the printhead and the nozzle and the ink. Below the heat shield are in an alternative, the two plates, preferably metal plates that carry the heating wires or the and / or alternatively arranged the means for generating the light.
  • the plates of the essay openings are arranged congruent to the passage of the flying drops on the substrate.
  • the two metal plates are therefore together by one or more thin, that is in diameter z.
  • the applied current flows through the wire (s).
  • the current may have a current of 1_ ⁇ , 1 mA to 150 A, or any intermediate value as long as it produces only the temperature gradient.
  • the current produces Joul heating of the heater wire (s).
  • the electrical resistance of the or Wires are large compared to the two (metal) plates, which heats the wires by the current much more strongly than the (metal) plates themselves. In this way, the local generation of the temperature profile is generated and also the printhead and the substrate Advantageously protected from the temperature. Therefore, only at and between the wires or by the light source is a temperature gradient relative to the remaining space around the printhead generated. The temperature gradient between two wires depends on the distance of the wires from each other.
  • the spacing of the wires is preferably established so that the gradient is strongest and that the drops can fly through the wires without touching the wires.
  • the distance is z. B. between 10 .mu.m and 1 mm and best between 50 ⁇ set up to 100 ⁇ .
  • the temperature gradient or a high temperature field is used for the passage of generated drops. The jetted out of the nozzle of the printhead drops are thereby accelerated by the wires on the way to the substrate. During the passage, the drops are heated and the solvents of the ink are partially or completely evaporated. By this evaporation the size of the drops after the passage in the
  • the trigger thus serves only to remove evaporated solvent from the pressure range and thus the subsequent drops, or their physical properties are not affected.
  • the print can either be integrated into an existing printhead, or it can be considered as to be used on a part of the design for a new printhead. Alternatively, the entire printer may be in a protected or extracted atmosphere.
  • a person skilled in the art will, depending on the constituents and in particular the solvents of the ink used increase the temperature in the zone with locally increased temperature by means of heating wire and / or light source that produces the desired printed image and at the same time the resolution, compared to a standard ink jet printing process without a active reduction of the volume by increasing the temperature of the ink drops, is significantly increased.
  • an ink whose solvent absorbs light or temperature particularly strong and thus the evaporation and reduction of the drop in flight with low energy proceeds in a shorter time.
  • any or all of the solvents of the ink should then have a strong absorption at the wavelength of light used.
  • the heating mechanism used itself must not heat the print head, nor should it change the physical properties of the ink and affect the jetting behavior of the ink from the nozzles.
  • a heat shield is arranged between the print head and the zone with locally elevated temperature.
  • the printhead should be advantageously protected by a heat shield from the locally elevated temperature zone. This has the particularly advantageous effect that the physical properties of the ink are not already changed by increased temperature entry before exiting the nozzle. Furthermore, thereby clogging of the nozzle of the print head is particularly suitably prevented.
  • the arrangement according to the invention has an inkjet printhead with a nozzle.
  • the arrangement furthermore has at least one heating wire or a metallic grid to be acted upon by an electric current or, alternatively or in combination, one A light source for generating a jet between the nozzle of the ink jet printhead and a substrate to be printed on.
  • the heating wires or the light source are used to generate a zone with locally elevated temperature or local heating of the ink emerging from the printhead nozzle, whereby actively reduces the volume of the drop that passes through the zone on the way to the substrate.
  • the two ends of a heating wire to two metallic conductors z. B. attached as a metallic grid.
  • Printhead-aligned heat shield arranged. That is, there are no spacers between the metal plates and the heat shield.
  • the attachment according to the invention or the arrangement according to the invention with heating wire or light source generates the zone with locally elevated temperature.
  • a temperature profile is generated such that over a path length of about 1 mm a temperature difference of at least 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 ° C, further preferably at least 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89 or even 90 ° C, also preferably at least 91, 92, 93, 94, 95, 96
  • the temperature gradient generated by the arrangement or attachment according to the invention in the zone with locally elevated temperature has regions of different temperature. These are between about 25 ° C in the edge region of the zone and 225 ° C directly on the heating wires or in the spot of the light source.
  • the temperature profile generated during the process of the invention is particularly advantageous due to a heat shield of asymmetric nature, which means that the printhead is in cooling while the droplet is passing through the hot zone before falling onto the cool substrate.
  • the following ink can be z. But not exclusively during the ink jet printing process of the invention.
  • the ink may preferably consist of at least two solvents having different boiling points and vapor pressures, and optionally also different viscosities and surface tensions.
  • Ink may preferably comprise at least one active material, that is, it should then comprise a polymer, metal nanoparticles, carbon nanoparticles, or the like.
  • the ink may or may not contain additional ingredients such as surfactants, adhesives, defoamers.
  • the surface tension should not be higher than 40-50 mN / m in order to avoid the re-accumulation of the drops on the substrate and lubrication of the printed structures.
  • concentration of active material such as polymer, metal nanoparticles, carbon nanoparticles or other materials may, in comparison to an ink jet printing Procedures are kept low in the prior art. Evaporation of solvent in flight will increase the weight fraction of the active material in the drop.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a method according to the invention
  • FIG. 2 Schematic representation of a method according to the invention
  • the ink has thiol-stabilized gold nanoparticles of 2 to 10 nm in diameter.
  • the gold particles have 2 wt% by weight of the ink;
  • the ink has 90% v / v toluene, that is 90% by volume.
  • 10% v / v is a-terpineol (10% volume fraction). Due to the high density, one can neglect the volume of gold nanoparticles in the drop. A volume of 1 pL of the drop of this ink will therefore consist volumetric almost exclusively of solvent.
  • the weight of the drop is 98% solvent and only 2% gold nanoparticles.
  • Such an ink may be generated by heating in flight after exiting from Nozzle and pass the zone with locally elevated temperature to lose up to 90% of the solvent. This means that the drop volume can be reduced from 1 pL to 100 fL.
  • the diameter of the drop drops if one assumes a spherical teardrop shape, by evaporating from about 90% of the solvent from 6.2 ⁇ (1 pL drops) to 2.9 ⁇ (100 fL drops).
  • the reduced droplet will also flow less and thus print much smaller on the substrate, ultimately achieving the greater resolution in the print.
  • an increase in the resolution of more than a factor of 2 is achieved in the present case.
  • the designated in the figures deduction or the steam trap for the extraction of the resulting solvent vapors is z. B. made of aluminum and arranged as a part of the total essay to the printhead.
  • the trigger or vapor trap is fabricated as a slot on two or all four sides along the printhead in the aluminum housing. This slot is connected to a hollow channel in the attachment and discharged to the outside through a hose.
  • a fan or a small vacuum pump can be arranged, which generates the negative pressure and thereby causes the flow of solvent vapor, which forms below the print head, to the outside. This river is not too high, so as not to distract the jetted drops from a straight trajectory.
  • the trigger is optional at a low pressure frequency, that is, when the volume of solvent vapors is very small overall, it is not absolutely necessary because the droplets pass passively outward through a diffusion and convection in the air and away from the print head. However, it is partly mentioned for the present embodiments.
  • printheads of Dimatix TM are used, for.
  • the printheads are mounted in an ink jet printer OJ300 from UniJet.
  • the material used for the attachment, for the jet trap and for the steam trap is anodized aluminum.
  • a first embodiment relates to a pulsed infrared laser with a wavelength of 780-5000 nm, with a pulse duration of 1 s-1 fs and with a power of 1 mW to 10 W. This is mounted on the printhead as described and generates the zone as a light source with locally elevated temperature.
  • a second embodiment relates to another attachment equipped with two heating wires for thermal evaporation of the solvents of the ink.
  • the drops from the print head are heated by a local temperature gradient and evaporated.
  • the local temperature gradient is generated by heating from a grid or by heating two parallel heating wires.
  • the attachment for the generation of the local temperature gradient is in two parts. One part is fixed and attached to the printhead or printhead holder. The other part is attached to the first part, but can also be removed.
  • the second part consists of two large metal plates that are electrically isolated from each other. The two metal plates are interconnected by thin, that is in diameter z. B. 1 ⁇ , 12.5 ⁇ , 25 ⁇ , 50 ⁇ to 200 ⁇ thick or intermediate value wires from z.
  • the current flows through these two wires.
  • the current may have a current of 1 ⁇ , 1 mA to 100 A.
  • the current generates Joul heating of the heating wires. Because the wires have a much higher resistance compared to the two metal plates, they are much more heated than the metal plates themselves. In this way, the local generation of the temperature profile is generated. Therefore, a temperature gradient is created between the wires relative to the remaining space around the printhead.
  • the temperature gradient between two wires depends on the distance between the two wires. The spacing of the wires is set so that the gradient is strongest and that the drops can fly through the wires without touching the wires.
  • the distance is between 10 ⁇ and 1 mm, preferably between 50 ⁇ or 100 ⁇ set up.
  • the temperature gradient or a high temperature field is used for the passage of generated drops.
  • the jetted out of the nozzle of the printhead drops are thereby accelerated by the wires on the way to the substrate.
  • the drops are heated and the solvents of the ink are partially or completely evaporated. This evaporation drastically reduces the size of the drops after the flight compared to the size before the flight. This allows the placement of smaller drops on the substrate and thereby achieving higher resolution in the ink jet printing process.
  • the drops of the ink in the printhead are generated by a piezo element and reach the substrate barrier-free after a flight phase.
  • An "in-flight" vaporization device of drops of light energy is mounted on the printhead and comprises the light source that irradiates the generated drops with a thin beam from the light source after exiting the nozzle Heating, the solvent of the drop is partially evaporated. After interacting with the beam, the smaller drop lands on the substrate.
  • a beam trap is positioned opposite the light source for the light in the attachment.
  • the jet trap blocks the light and suppresses unwanted scattering.
  • the jet trap consists of anodized aluminum.
  • the article also has a steam trap for the extraction of solvent vapors.
  • the generated drops are irradiated by a thin beam from the light source. Local heating in the jet partially vaporizes the solvent of the droplet.
  • the solvent vapors are extracted in the steam trap by means of a slight negative pressure. After interacting with the beam, the smaller drop lands on the substrate.
  • FIG. 1 shows a schematic description of an inkjet printhead on which heating wires according to the invention are arranged to produce a zone with a locally elevated temperature.
  • the drops 7 are generated from the ink in the print head 5 by a piezoelectric element and, after leaving the nozzle 1, reach the substrate 4 in a barrier-free manner after a flight phase. This process is shown as prior art in FIG. 1A.
  • Figure 1B shows the side view of the inkjet print head 5 with the attachment 8 for "evaporating" drops 7 by heating the drops by means of heating wires
  • the generated drops 7 emerge from the nozzle 1, fly between the wires between 1) From one metal plate to the other, a current is passed through the two thin wires The current produces the required Joule heating in the wires, but not in the metal plates 3, because their area is much The heating creates a temperature gradient between the environment around the wires and the remaining space around the printhead.
  • the metal plates are located on the heat shield (not shown) which is aligned with the printhead.
  • the drops 7 pass through the heating wires and evaporate.
  • the steam 7 ' is sucked off via the steam trap (not shown) in the attachment 8.
  • FIG. 1C shows schematically the bottom view of such an ink jet print head 5 with the top 8 for active" on-the-fly "evaporation of drops by heating by local evaporation a heating wire 6.
  • the metal plates are arranged on the heat shield and like these components of the attachment 8 for the print head, which is not shown because of the view from below.
  • the metal plates are of course provided with means for applying a current (not shown). Therefore, a direct current or an alternating current can be applied to the plates.
  • This heats a thin wire 6 which is located below the nozzle 1.
  • Two horizontal slots 9 are provided in the attachment as a vapor trap for the vaporized solvent 7 '. At the steam trap 8 is a slight negative pressure, which sucks the vapor 7 'from the critical zone between the print head and substrate.
  • Figure 1D is a side view rotated 90 ° in comparison to Figure 1B.
  • the attachment 8 is arranged.
  • the steam trap 9 is realized as a circumferential groove, which is arranged in the edge region of the attachment 8. The solvent vapors are sucked into the steam trap by a small vacuum. After interaction with the wires, the volume smaller drop 7 "lands on the substrate 4.
  • Figure 1E schematically shows a bottom view of the second part of the attachment 8 for "evaporating" drops with localized heating by heating alternatively with two wires 6a, 6b.
  • the second part of the attachment comprises the two metal plates 3a and 3b.
  • Each of two silver dots 7a and 7c, and 7b and 7d are respectively provided for the heater wires for attachment to the metal plates, and the metal plates have a space therebetween so as to be free from each other the heating wires are electrically isolated from each other.
  • Reference numeral 9 denotes the opening between the metal plates in which the heating wires are clamped.
  • Figure 2 shows in its upper part A in cross-section an inventive arrangement or attachment for performing the method. The assembly is cut at the location of the nozzle 21 of the printhead 25 and shows its orientation above the openings in the heat shield 22 and the metal plates 23a, 23b.
  • the attachment according to the invention comprises the heat shield and the two metallic plates 23a, 23b.
  • the heat shield 22 is made on the surface of non-conductive anodized aluminum and has the dimensions B x H x T of 100 x 0.5 x 20 mm.
  • Two metal plates arranged thereunder are electrically insulated from one another (see FIG. 2B) and have the reference numerals 23a and 23b.
  • the metal plates 23a and 23b are made of steel. They each have a dimension of 45 x 0.5 x 20 mm (W x H x D).
  • the entire height of heat shield 22 and metal plates 23 is advantageously only about 1 mm.
  • the two plates 23a and 23b are provided with leads for applying an electric current. This is shown in the figure B in the lower part of Figure 2.
  • the two heating wires 26a, 26b have a diameter of in each case 25 to 80 ⁇ m and a length of approximately 5 mm, since the opening has corresponding dimensions.
  • the wires are attached to the metallic plates 23a and 23b with two silver glue drops 27a, 27b, respectively. Only the silver glue drops on the left metal plate are provided with reference numerals, otherwise the arrangement corresponds to that in FIG. 1 E.
  • This article of the invention heat shield 22 and metallic plates 23 together with heating wire or heating wires and electrical leads is baked for rigid attachment of the heating wires at about 150 ° C for about one ⁇ hour.
  • the two wires 26a, 26b then have a distance between 50 to 200 microns, depending on their positioning to each other.
  • the attachment is preferably inserted into an existing printhead system having one or more nozzles via magnets buried in the printhead.
  • the metallic steel plates th are aligned to attach the essay on the print head 25 to the substrate and the heat shield according to the printhead.
  • the attachment is arranged in a particularly simple manner by the magnets sunk in the material of the print head (not shown). These attach the attachment to the printhead so that it can still be adjusted.
  • FIG. 3 shows a temperature profile generated according to the invention, which was simulated with the program Comsol (Comsol Inc., USA).
  • the temperature gradient shown in FIG. 3 therefore has, for example, regions of different temperature. These are between about 25 ° C at the edge region and about 105 ° C directly to the heating wires and are generated by the two heating wires used for the simulation at a current of 150 mA.
  • the temperature gradient is given on a free path of about 3 mm. On the free path of the y-axis of 0 mm (positioning of the heating wires) up to about 0.5 mm in the present case, temperature differences of about 68 - 105 ° C achieved, resulting in a temperature difference of almost 40 ° C. On the Y-axis path between 0 mm and 1 mm, temperature differences of even about 80 ° C are achieved.
  • the temperature profile is, due to a heat shield 32, asymmetric type, what means that the printhead is in cooling while the drop passes through the hot zone and falls onto the cold substrate.
  • Embodiments 5 to 9 For example, glass having an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield. Then immediately two 0.5 mm thick steel plates are glued on. The heating wire is glued to the steel plates as described with conductive silver glue and baked.
  • glass with an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield.
  • a heat shield Immediately two 0.1 mm thick carbon plates are glued to it.
  • the heating wire is glued to the carbon plates with conductive carbon paste.
  • a ceramic with an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield. This is immediately z. B. 0.1 mm thick copper plates glued. The heating wire is glued to the copper plates with conductive silver glue.
  • glass or quartz can be processed as a heat shield with the methods of optical lithography.
  • the glass or quartz is used as a heat shield and have an opening of 0.5 mm.
  • Two ITO (indium tin oxide) plates are deposited thereon 1 m thick and patterned with optical lithography. Between the plates are the Filament or grid of tungsten 10 pm wide deposited on the glass or quartz and between the ITO plates and patterned with optical lithography, so that the two ITO plates are bridged with the tungsten wires.
  • a person skilled in the art can use further deposition methods from optical lithography in order to produce an article according to the invention.

Abstract

The invention relates to an inkjet printing method, wherein a printhead of an inkjet printer is directed in the direction of a substrate to be printed, and wherein ink drops are generated in the printhead of the inkjet printer, which ink drops, after being discharged from the nozzle of the printhead, are directed into a zone with locally increased temperature, such that the volume of the drops is actively reduced during the flight phase to the substrate. The invention also relates to an assembly for carrying out the method.

Description

B e s c h r e i b u n g Tintenstrahldruckverfahren sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens  Ink jet printing method and arrangement for carrying out the method
Die Erfindung bezieht sich auf ein Tintenstrahldruckverfahren sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to an ink jet printing method and to an arrangement for carrying out the method.
Stand der Technik State of the art
Während des Tintenstrahldruckens (ink-jet) werden üblicherweise einzelne Tropfen Tinte in einer Düse des Druckkopfes erzeugt. Figur 1a zeigt den diesbezüglichen Stand der Technik.  During ink-jet printing, ink drops are typically produced in a nozzle of the printhead. Figure 1a shows the related art.
Die Tropfen werden entweder durch einen thermischen Prozess mit einer Luftblase erzeugt (Thermal Ink-Jet) oder mittels eines Druckpulses, der durch entweder einen Piezo-Kristall (Piezo Ink-Jet) oder elektrostatisch erzeugt wird (Super-Fine Ink-jet®). The drops are produced either by a thermal process with an air bubble (thermal ink-jet) or by means of a pressure pulse generated by either a piezo-crystal (piezo ink-jet) or electrostatically (super-fine ink-jet®).
Man unterscheidet CIJ-Drucker (engl. Continuous Ink Jet) von DOD-Druckern (engl. Drop on Demand). Beim CIJ-Druck tritt der Tintenstrahl über eine Düse aus dem Druckkopf aus. Dieser Strahl wird über einen piezoelektrischen Wandler, der sich hinter der Düse befindet, moduliert, so dass ein gleichmäßiger Zerfall in einzelne Tropfen erreicht wird. Über eineA distinction is made between CIJ printers (Continuous Ink Jet) and DOD printers (Drop on Demand). In CIJ printing, the ink jet exits through a nozzle from the print head. This beam is modulated by a piezoelectric transducer located behind the nozzle, so that a uniform decay into individual drops is achieved. Over a
Ladeelektrode werden die so gebildeten Tropfen nun mehr oder weniger stark elektrostatisch aufgeladen. Die 10 bis 40 m/s schnellen Tropfen durchfliegen anschließend eine größere Ablenkelektrode, wo sie - abhängig von ihrer spezifischen elektrischen Ladung - seitlich abgelenkt werden. Je nach Gerätetyp gelangen die geladenen oder die ungeladenen Trop- fen auf das Substrat. Nicht benötigte Tropfen werden bereits am Druckkopf wieder aufgefangen und erneut dem Tintenkreislauf zugeführt. Im DoD-Verfahren verlässt im Gegensatz zu Cl J-Druckern nur der Tintentropfen die Düse, der tatsächlich gebraucht wird. Die Geräte werden zusätzlich danach unterschieden, mit welcher Technik die Tintentropfen ausgestoßen werden, a) Bubble-Jet-Drucker erzeugen winzige Tintentropfen mit Hilfe eines Heizele- ments, welches das Wasser oder Lösungsmittel in der Tinte erhitzt. Dabei bildet sich explosionsartig eine winzige Dampfblase, die durch ihren Druck einen Tintentropfen aus der Düse presst. b) Piezo-Drucker nutzen den Piezoelektrischen Effekt zum Pressen der Drucktinte durch eine feine Düse, wobei sich Keramikelemente unter elektrischer Spannung verformen. Die Tinte bildet Tropfen, deren Volumen sich über die Größe des angelegten elektrischen Impulses steuern lässt. c) Bei Druckventil-Druckern sind einzelne Ventile an den Düsen angebracht, die sich öffnen, wenn ein Tropfen die Düse verlassen soll. In jedem Fall tritt der Tropfen aus der Düse, wird gejettet, und landet auf einem Substrat. Mehrere ausgejettete Tropfen, die auf dem Substrat landen, formen die gedruckte Struktur. Charging electrode, the droplets thus formed are now more or less electrostatically charged. The 10 to 40 m / s fast drops then fly through a larger deflection electrode, where they - depending on their specific electrical charge - are deflected laterally. Depending on the device type, the charged or uncharged drops reach the substrate. Unnecessary drops are collected again at the print head and returned to the ink circuit. In the DoD process, unlike Cl J printers, only the ink drop leaves the nozzle that is actually needed. The devices are additionally distinguished by the technique with which the ink droplets are ejected. A) Bubble jet printers produce tiny drops of ink by means of a heating element which heats the water or solvent in the ink. In the process, a tiny vapor bubble explosively forms, which presses an ink drop out of the nozzle due to its pressure. b) Piezo printers use the piezoelectric effect for pressing the printing ink through a fine nozzle, wherein ceramic elements deform under electrical tension. The ink forms drops whose volume can be controlled by the magnitude of the applied electrical pulse. c) In the case of pressure valve printers, individual valves are attached to the nozzles, which open when a drop is to leave the nozzle. In either case, the drop comes out of the nozzle, is jetted, and lands on a substrate. Several jetted drops that land on the substrate form the printed structure.
Die Auflösung der gedruckten Struktur wird durch die Größe einzelner Tropfen und dem Abstand zwischen einzelnen Tropfen definiert. Generell gilt, je kleiner ein einzelner Tropfen ist, desto größer ist die Auflösung beim Druck. Daher ist ein Bestreben kleinere Tropfen zu erzeugen. The resolution of the printed structure is defined by the size of individual drops and the distance between individual drops. In general, the smaller a single drop, the greater the resolution when printing. Therefore, an effort is to produce smaller drops.
In der Regel wird die Größe des Tropfens bei der Formation in der Düse beeinflusst. Verwendet man im Druckkopf beispielweise Düsen mit einem kleinen Durchmesser, so werden kleinere Tropfen erzeugt, als beim Druck mit größeren Düsen im Druckkopf. Bei einem Pie- zo-Druckkopf spielen die applizierte Spannungsform und die Zeit, bzw. die Temperatur des Druckkopfs und die Tinte selbst eine große Rolle. Durch die Modifizierung der Spannungsform und der Temperatur kann die Größe des Tropfens signifikant reduziert werden, wie aus Meier et al., (Phys. Status Solidi A (2009). Inkjet printed, conductive, 25 μπι wide silver tracks on unstructured polyimide. Vol. 206, 1626-1630) bekannt ist. Zusätzlich ist die Interaktion zwischen dem Tropfen und dem Substrat von großer Bedeutung. Wird beispielweise eine hydrophobe Tinte gedruckt, kann die hydrophile Modifizierung des Substrates zu einer signifikanten Reduktion in der Tropfengröße auf dem Substrat führen. Das erlaubt eine dichtere Platzierung der Tropfen, verbunden mit einer größeren Auflösung. Aus der Veröffentlichung von Perelaer et al. (Macromolecular Chemistry and Physics (2009). Droplet tailoring using evaporative inkjet printing. Vol. 210, 387-393) ist bekannt, dass durch einen größeren Abstand zwischen dem Druckkopf (bzw. den Düsen) und dem Substrat, eine teilweise Verdampfung des Tintenlösungsmittels erfolgt, wodurch die Tropfen entsprechend kleiner werden. Das Verfahren berücksichtigt dabei neben dem Abstand auch die Zusam- mensetzung der Tinte. Nachteilig wird durch den größeren Abstand eine Streuung von einzelnen Tropfen erzeugt, wodurch Fehler bei der Platzierung einzelner Tropfen auftreten. Dies verringert die Auflösung der gedruckten Struktur. In general, the size of the drop in the formation in the nozzle is influenced. If, for example, nozzles with a small diameter are used in the print head, smaller drops are produced than when printing with larger nozzles in the print head. With a piezo print head, the applied voltage shape and the time, or the temperature of the printhead and the ink itself play a major role. By modifying the voltage shape and the temperature, the size of the droplet can be significantly reduced, as described in Meier et al., (Phys., Status Solidi A (2009) Inkjet printed, conductive, 25 μm wide silver tracks on unstructured polyimides. 206, 1626-1630). In addition, the interaction between the drop and the substrate is of great importance. For example, if a hydrophobic ink is printed, the hydrophilic modification of the substrate can result in a significant reduction in drop size on the substrate. This allows a denser placement of the drops, combined with a greater resolution. From the publication by Perelaer et al. (Macromolecular Chemistry and Physics (2009), Droplet tailoring using evaporative inkjet printing, Vol. 210, 387-393), it is known that a greater distance between the printhead (s) and the substrate causes partial evaporation of the ink solvent takes place, whereby the drops are correspondingly smaller. In addition to the distance, the method also takes into account the composition of the ink. A disadvantage of the larger distance is a scattering of individual drops generated, whereby errors in the placement of individual drops occur. This reduces the resolution of the printed structure.
Aus der Veröffentlichungsschrift WO 2013/166219 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die ein Im-Flug-Trocknen von Tintentropfen erlaubt. Hierfür wird zwischen dem Druckkopf und dem zu bedruckenden Substrat eine Umgebung verschieden temperierter Zonen erzeugt. DiePublication WO 2013/166219 A1 discloses a device which permits in-flight drying of ink droplets. For this purpose, an environment of different tempered zones is generated between the printhead and the substrate to be printed. The
Vorrichtung umfasst eine Vielzahl an Strukturen, wie Abstandhalter, die ein Hitzeschild vom Druckkopf trennen, weitere Abstandhalter, die den Hitzeschild von einem Kondensationsschild trennen sowie Energiequellen am Kondensationsschild. Die Temperatur am Druckkopf soll niedrig und zwischen Hitzeschild und Kondensationsschild sowie Kondensationsschild und Substrat hoch sein, damit vom Substrat aufsteigende Dämpfe nicht an den Druckkopf gelangen. Während des Vorgangs wird das Kondensationsschild auf eine Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der Trägerflüssigkeit der Tinte erhitzt um die Kondensation der Dämpfe zu verhindern. Diese Anordnung ist nachteilig komplex aufgebaut. Apparatus comprises a plurality of structures, such as spacers, which form a heat shield of Separate printhead, additional spacers that separate the heat shield from a condensation shield and energy sources on the condensation shield. The temperature at the printhead should be low and high between the heat shield and condensation shield, as well as the condensation shield and substrate so that vapors rising from the substrate do not reach the printhead. During the process, the condensation shield is heated to a temperature above the condensation temperature of the carrier liquid of the ink to prevent condensation of the vapors. This arrangement is disadvantageously complex.
Aus der Veröffentlichungsschrift WO 2010/134072 A1 ist ein Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker bekannt, der in Richtung des Substrats mit einem Hitzeschild versehen wird, um den Transfer von Hitze zwischen einem aufgeheiztem Substrat und dem Druckkopf zu vermeiden. Auch diese Anordnung dient dazu einen Korrosionsschutz des Druckkopfs herbei zu führen, indem aufsteigende Dämpfe und Hitze von diesem ferngehalten werden. Publication WO 2010/134072 A1 discloses a printhead for an ink jet printer which is provided with a heat shield in the direction of the substrate in order to avoid the transfer of heat between a heated substrate and the printhead. This arrangement also serves to provide corrosion protection of the printhead by keeping ascending vapors and heat away from it.
Nachteilig ist es nicht möglich, mit irgendeinem der Verfahren oder bezeichneten Vorrichtungen zu einer signifikanten Verringerung des Tropfenvolumens zu gelangen. Aufgabe der Erfindung Unfortunately, it is not possible to achieve a significant reduction in the drop volume with any of the methods or devices referred to. Object of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben bzw. bereit zu stellen, mit der eine signifikante Verkleinerung des Tropfenvolumens und damit eine höhere Auflösung beim Tintenstrahldruck erzielt werden kann. The object of the invention is to provide or provide a method and an arrangement with which a significant reduction of the drop volume and thus a higher resolution in the case of ink jet printing can be achieved.
Lösung der Aufgabe Die Aufgabe wird gelöst nach dem Verfahren und der Anordnung nach Patentanspruch 1 bzw. Anordnungen nach den Nebenansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu ergeben sich jeweils aus den hierauf rückbezogenen Patentansprüchen. The object is achieved by the method and the arrangement according to claim 1 or arrangements according to the independent claims. Advantageous embodiments of this result in each case from the back-related claims.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Bei dem erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckverfahren ist ein Druckkopf eines Tinten- Strahldruckers in Richtung eines zu bedruckenden Substrats ausgerichtet. Tintentropfen werden im Druckkopf des Tintenstrahldruckers erzeugt. Die Tropfen werden nach ihrem Austritt aus der Düse des Druckkopfs in eine Zone mit lokal erhöhter Temperatur geleitet, so dass das Volumen der Tropfen während der Flugphase zum Substrat aktiv verringert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung erlauben die Verkleinerung von einzelnen Tropfen beim Tintenstrahldruckverfahren 'im Flug'. Die Verkleinerung folgt über das lokale schnelle Erhitzen des Tropfens und die damit erhöhte Evaporationsrate, welche in kurzer Zeit eine signifikante Tropfenvolumenverkleinerung verursacht. Die Erwärmung wird durch die lokale Zufuhr von Energie zu dem Tropfen realisiert. Die Energiezufuhr kann z.B. durch die Interaktion des Tropfens mit Licht oder mit mindestens einem Heizdraht erfolgen. In the ink jet printing method of the present invention, a print head of an ink jet printer is oriented toward a substrate to be printed. Ink drops are generated in the printhead of the inkjet printer. The droplets, after exiting the nozzle of the printhead, are directed into a zone of locally elevated temperature so that the volume of the droplets during the flight phase to the substrate is actively reduced. The inventive method and arrangement allow the reduction of individual drops in the inkjet printing process 'in flight'. The reduction is followed by the local rapid heating of the drop and the resulting increased evaporation rate, which causes a significant drop volume reduction in a short time. The heating is realized by the local supply of energy to the drop. The energy supply can be effected for example by the interaction of the drop with light or with at least one heating wire.
Das Licht wie auch der oder die Heizdrähte erzeugen erfindungsgemäß im Strahlgang eines Tintenstrahldruckers eine Zone mit lokal erhöhter Temperatur. Die Tropfen passieren erfindungsgemäß nach ihrem Austritt aus der Düse des Druckkopfs zunächst eine erste kalte Zone, sodann die Zone mit lokal erhöhter Temperatur und anschließend eine zweite kalte Zone, bevor sie auf das Substrat aufprallen. Der Druckkopf und das Substrat sind erfindungsgemäß nicht im Einfluss der Zone mit lokal erhöhter Temperatur. Daher erfolgt erfindungsgemäß mit dem Verfahren wie auch mit der Anordnung und der damit erzeugten Zone mit lokal erhöhter Temperatur eine lokal begrenzte Energiezufuhr zum Tropfen. Diese führt zu einer aktiven Volumenverkleinerung des Tropfens und damit zu einer Verbesserung der Auflösung im Druckverfahren. The light as well as the or the heating wires produce according to the invention in the beam path of an ink jet printer, a zone with locally elevated temperature. The droplets pass according to the invention after their exit from the nozzle of the printhead first a first cold zone, then the zone with locally elevated temperature and then a second cold zone before they impact the substrate. According to the invention, the printhead and the substrate are not influenced by the locally elevated temperature zone. Therefore, according to the invention, with the method as well as with the arrangement and the zone with locally increased temperature generated there is a locally limited energy supply to the drop. This leads to an active volume reduction of the drop and thus to an improvement of the resolution in the printing process.
Ein Tintentropfen kann z. B. durch ein kleines leitendes Gitter mit mindestens einem oder mehreren Heizdrähten, durch das Strom geleitet wird und dadurch eine lokale Temperaturerhöhung erzeugt wird, hindurchgeleitet werden. Es können also ein oder mehrere Heiz- drähte verwendet werden, die die Zone mit lokal erhöhter Temperatur erzeugen. Der oder die Heizdrähte werden von den hindurchtretenden Tropfen selbstverständlich nicht berührt. An ink drop can z. B. by a small conductive grid with at least one or more heating wires, is passed through the stream and thereby a local temperature increase is generated, are passed. Thus, one or more heating wires can be used, which generate the zone with locally elevated temperature. Of course, the heating wires are not touched by the passing drops.
Alternativ dazu oder in Kombination mit dem Gitter kann auch Licht mit einer geeigneten Wellenlänge auf den Tropfen gestrahlt werden, nachdem der Tropfen aus der Düse des Druckkopfs hinaus gejettet worden ist. Durch die Absorption der optischen oder der thermi- sehen Energie durch die Tintenbestandteile des Tropfens, wird die Flüssigkeit innerhalb des Tropfens erhitzt und teilweise oder größtenteils verdampft. Die Evaporation ist dadurch aktiv erhöht. Dies führt zu der gewünschten Verkleinerung des Tropfenvolumens im Vergleich zu dem Volumen des Tropfens beim Ausgang aus der Druckkopfdüse. Auch andere Eigenschaften des Tropfens wie seine Form, seine Geschwindigkeit, die Viskosität, die Oberflä- chenspannung und / oder die Dichte können gezielt durch das aktive Verdampfen verändert werden. Ziel der Energiezufuhr, wie z.B. durch optische oder thermische Verfahren realisiert, ist die Volumenverkleinerung und damit im Resultat ein kleinerer Tintentropfen als Druck (Pixel) auf dem Substrat. Dies erlaubt die gewünschte höhere Auflösung der durch das erfindungsgemäße Tintenstrahldruckverfahren erzeugten Strukturen. Durch das erfindungsgemäße Tintenstrahldruckverfahren wird vorteilhaft eine signifikanteAlternatively, or in combination with the grid, light of a suitable wavelength may also be irradiated onto the drop after the drop has been jetted out of the nozzle of the printhead. By absorbing the optical or thermal energy through the ink constituents of the droplet, the liquid within the droplet is heated and partially or largely evaporated. The evaporation is thereby actively increased. This leads to the desired reduction of the drop volume compared to the volume of the drop at the exit from the printhead nozzle. Other properties of the droplet, such as its shape, its speed, the viscosity, the surface tension and / or the density, can also be changed in a targeted manner by active evaporation. The goal of the energy supply, as realized eg by optical or thermal methods, is the reduction in volume and, as a result, a smaller drop of ink than printing (pixels) on the substrate. This allows the desired higher resolution of the structures produced by the inkjet printing process of the invention. By the ink jet printing method according to the invention is advantageously a significant
Verringerung des Tropfenvolumens um mindestens 10%, 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, bzw. 19 % bewirkt. Ein Tropfen mit beispielweise 1 pL Volumen hat nach dem Durchgang durch die Zone mit lokal erhöhter Temperatur dann höchstens noch ein Volumen von etwa 900 fl_. Reduction of the drop volume by at least 10%, 1 1, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, and 19% causes. A drop of, for example, 1 pL volume then has at most a volume of about 900 fl_ after passing through the zone of locally elevated temperature.
Mit dem erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckverfahren wird besonders vorteilhaft eine Verringerung des Volumens des Tropfens um mindestens 20%, besonders bevorzugt um mindestens 21 , 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30%, weiterhin bevorzugt um mindestens 31 , 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51 , 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 , 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 , 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81 , 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89 oder sogar 99% oder eines beliebigen Zwischenwertes bewirkt. With the ink-jet printing method according to the invention, it is particularly advantageous to reduce the volume of the drop by at least 20%, more preferably by at least 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30%, more preferably by at least 31, 32 , 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57 , 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81, 82 , 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89 or even 99% or any intermediate value.
Dadurch wird mit dem vorgestellten Tintenstrahldruckverfahren vorteilhaft eine Erhöhung der Auflösung um mindestens 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder sogar mindestens 10%, besonders bevorzugt um mindestens 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 , 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30%, weiterhin bevorzugt um mindestens 31 , 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51 , 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 , 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 , 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81 , 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91 , 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 99,1 , 99,2, 99,3, 99,4, 99,5, 99,6, 99,7, 99,8, 99,9 oder sogar 99,99%, oder aber eines beliebigen Zwischenwertes hiervon, bewirkt. As a result, the ink jet printing method proposed advantageously increases the resolution by at least 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or even at least 10%, particularly preferably at least 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30%, further preferably at least 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 , 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63 , 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88 , 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 99.1, 99.2, 99.3, 99.4, 99.5, 99.6, 99.7 , 99.8, 99.9 or even 99.99%, or any intermediate value thereof.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Lichtquelle mit bestimmter Wellenlänge, Strahleigenschaften wie Durchmesser, Form, Leistung, gepulst oder kontinuierlich, verwendet. Die Lichtquelle wird derartig platziert, dass der Lichtstrahl lokal zwischen dem Druckkopf (thermische, Piezo-basierte Druckkopf, bzw., super-fine inkjet® und Aerosol-Jet® Druckkopf) eines Tintenstrahldruckers und dem Substrat strahlt. Dazu kann man die Lichtquelle vorteilhaft direkt neben dem Druckkopf platzieren oder das Licht mit einem Strahlleiter, z. B. einer optischen Faser, bzw. über Umlenkspiegel zum Druckkopf führen. Diese Druckköpfe können selbstverständlich auch mit dem erfindungsgemäßen Gitter mit Heizdraht oder Heizdrähten als Aufsatz verwendet werden. Alternativ kann man einen Druckkopf einrichten, bei dem die Lichtquelle und / oder der Lichtleiter in dem Druckkopf integriert sind, so dass das Licht in den Raum zwischen dem Druckkopf und dem Substrat lokal strahlt. Die Lichtquelle kann nur einen Strahl oder mehrere Strahlen erzeugen, z. B. durch Splitten des Strahles einer Lichtquelle in mehrere mit opti- sehen Fasern oder durch Benutzung von zwei oder mehreren Lichtquellen mit gleichen oder unterschiedlichen optischen Eigenschaften. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass Tropfen aus mehreren Düsen gleichzeitig oder die Tropfen aus einer Düse mit verschiedenen Farben zu bestrahlen sind. In one embodiment of the invention, a light source with a specific wavelength, beam properties such as diameter, shape, power, pulsed or continuous, is used. The light source is placed such that the light beam radiates locally between the printhead (thermal, piezo-based printhead, or super-fine inkjet® and Aerosol-Jet® printhead) of an inkjet printer and the substrate. For this purpose, one can advantageously place the light source directly next to the print head or the light with a beam guide, z. B. an optical fiber, or via deflecting mirror to the print head. These printheads can of course also be used with the grid according to the invention with heating wire or heating wires as an attachment. Alternatively, one may set up a printhead in which the light source and / or the light pipe are integrated in the printhead so that the light will radiate locally into the space between the printhead and the substrate. The light source can produce only one or more beams, e.g. B. by splitting the beam of a light source in several with optical see fibers or by using two or more light sources with the same or different optical properties. This has the advantageous effect that drops from several nozzles at the same time or the drops from a nozzle with different colors are to be irradiated.
Eine Lichtquelle als erste Alternative soll einen genügend großen Strahl erzeugen, so dass der Tropfen, der aus der Düse austritt, eine ausreichende Kontaktfläche mit dem Lichtstrahl und dadurch eine ausreichende Kontaktzeit mit dem Lichtstrahl hat. Der Strahl weist keinen Kontakt mit dem Druckkopf und dem Substrat auf, damit die Druckeigenschaften der Tinte nicht vor der Flugphase beeinflusst werden, bzw. auch keine Interaktion mit den gedruckten Strukturen entsteht. Besonders vorteilhaft wird kollimiertes Licht einer kohärenten Lichtquelle verwendet. A light source as a first alternative is to generate a sufficiently large beam so that the droplet emerging from the nozzle has a sufficient contact surface with the light beam and thereby has sufficient contact time with the light beam. The jet has no contact with the print head and the substrate, so that the printing properties of the ink are not affected before the flight phase, or no interaction with the printed structures. It is particularly advantageous to use collimated light from a coherent light source.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Durchmesser des Lichtstrahls konstant über längere Abstände gehalten werden kann und nicht divergiert. Wenn längere Interaktionszeiten zwischen dem Tropfen und dem Strahl erwünscht sind, kann alternativ eine divergierende Lichtquelle benutzt werden, die eine größere Fläche beleuchtet und dadurch die Zeit, in der der Tropfen sich in dem beleuchteten Bereich befindet, erhöht. Dadurch wird vorteilhaft eine weitere Volumenverkleinerung des Tropfens bewirkt.  This has the advantageous effect that the diameter of the light beam can be kept constant over longer distances and not diverged. Alternatively, if longer interaction times between the drop and the beam are desired, a diverging light source may be used which illuminates a larger area and thereby increases the time the drop is in the illuminated area. This advantageously causes a further reduction in the volume of the drop.
Eine Blockierung des durch den Tropfen hindurchgeleiteten Strahles kann z. B. durch Befestigung einer Strahlfalle an der der Lichtquelleaustritt vorhandenen Gegenseite des Druckkopfs realisiert werden. Die Lichtquelle kann ein Laser sein, der gepulst oder kontinuierlich arbeitet. Eine LED oder ein anderes Licht erzeugendes System kann ebenfalls verwendet werden. Die Lichtquelle oder mehrere Lichtquellen sollen so ausgewählt werden, dass deren Wellenlänge durch das Lösungsmittel oder mehrere Lösungsmittel der Drucktinte, oder den im Lösungsmittel gelösten Inhalt gut absorbiert werden. Die Interaktionszeit zwischen dem Tropfen und dem Licht oder dem oder den Heizdrähten werden sehr kurz, weil die Geschwindigkeit des Tropfens in der Regel ziemlich hoch ist. Normalerweise liegt die Geschwindigkeit des Tropfens im Bereich zwischen 100 m/s und 0,01 m/s. Das bedeutet, dass die Durchflugzeiten des Tropfens durch den Lichtstrahl bzw. an den Heizdrähten vorbei, d. h. die Interaktionszeiten, zwischen 1 ns bis 10 ms liegen, und dabei abhängig von der Tropfengröße und der Strahlbreite bzw. der Temperatur sind. Des- wegen sollte die Lichtquelle und der oder die Heizdrähte eine genügende Leistung haben, um in den kurzen Interaktionszeiten von 1 ns bis 10 ms genug Lösungsmittel der Tinte aktiv zu evaporieren, aber andererseits auch nicht zu hoch sein, und insbesondere nicht die Temperatur des Druckkopfs oder des Substrats beeinflussen. Blocking of the jet passed through the drop can e.g. B. by attaching a beam trap at the light source outlet existing opposite side of the print head can be realized. The light source may be a laser that is pulsed or continuous. An LED or other light-producing system may also be used. The light source or multiple light sources should be selected so that their wavelength is well absorbed by the solvent or solvents of the printing ink, or the content dissolved in the solvent. The interaction time between the drop and the light or heating wire (s) becomes very short because the velocity of the drop is usually quite high. Normally, the velocity of the drop is in the range between 100 m / s and 0.01 m / s. This means that the flight times of the drop through the light beam or past the heating wires, ie the interaction times, are between 1 ns to 10 ms, and are dependent on the droplet size and the beam width or the temperature. Therefore, the light source and heater wire (s) should have enough power to actively evaporate enough solvent of the ink in the short interaction times of 1 ns to 10 ms, but on the other hand not be too high, and in particular not the temperature of the printhead or the substrate.
Die Lichtquelle und die Heizdrähte können, müssen aber nicht mit dem funktionalen Material der Tinte interagieren. Die Lichtquelle wie auch der oder die Heizdrähte können ein„im Flug- Sintern" von Metallnanopartikeln, oder ein„im Flug Cross-Linking" von einem Polymer in der Tinte bewirken. The light source and heating wires may or may not interact with the functional material of the ink. The light source as well as the heater wire (s) may effect "in-line sintering" of metal nanoparticles, or "in-flight cross-linking" of a polymer in the ink.
Für unterschiedliche Tinten können unterschiedliche Systeme zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur benutzt werden. Für wasserbasierte Tinten sind z. B. nahe dem Infrarot strahlende Lichtquellen besonders geeignet, da Wasser in diesem Wellenlängenbereich besonders gut absorbiert. For different inks, different systems can be used to create a locally elevated temperature zone. For water-based inks are z. B. near the infrared emitting light sources particularly suitable because water absorbs particularly well in this wavelength range.
Die Zone mit lokal erhöhter Temperatur wird zwischen dem Substrat und dem Druckkopf erzeugt. Die Tintentropfen durchlaufen diese Zone, nachdem sie die Düse des Druckkopfs verlassen haben und bevor sie auf dem Substrat landen. Der Tropfen wird mittels eines Lichtstrahls und / oder durch Heizdraht oder Heizdrähte lokal erhitzt, und die Lösungsmittel innerhalb des Tropfens werden auf diese Weise aktiv zumindest teilweise oder aber vollständig verdampft bzw. evaporiert. Dies führt im Resultat immer zu einer Verkleinerung des Tropfenvolumens, oder auch zu einer Änderung anderer Tropfeneigenschaften, wie seiner Form, der Geschwindigkeit, der Viskosität, der Oberflächenspannung, der Dichte. Der resul- tierende, kleinere Tropfen wird auf das Substrat gedruckt. The locally elevated temperature zone is created between the substrate and the printhead. The ink drops pass through this zone after they leave the nozzle of the printhead and before they land on the substrate. The droplet is heated locally by means of a light beam and / or by heating wire or heating wires, and the solvents within the droplet are actively evaporated in this way, at least partially or completely evaporated. As a result, this always leads to a reduction in the drop volume, or else to a change in other drop properties, such as its shape, speed, viscosity, surface tension, density. The resulting, smaller drop is printed on the substrate.
Das Verfahren erlaubt erfindungsgemäß vorteilhaft auch eine dichtere Positionierung einzelner Tropfen zueinander, und entsprechend damit eine höhere Auflösung und kleinere minimale Strukturen. According to the invention, the method advantageously also permits a denser positioning of individual drops relative to one another, and correspondingly a higher resolution and smaller minimum structures.
Ein Lichtstrahl als erste Alternative zur Erzeuguhg einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur sollte vorteilhaft eine justierbare Leistung haben, damit die Evaporationsrate und damit die resultierende Tropfengröße reguliert werden kann. Wird alternativ ein oder mehrere Heizdrähte verwendet, so sollten diese mit Strom aus einer regulierbaren Strom- oder Spannungsquelle beaufschlagt werden. A light beam as the first alternative to produce a zone with locally elevated temperature should advantageously have an adjustable power, so that the evaporation rate and thus the resulting drop size can be regulated. If one or more heating wires are used as an alternative, they should be supplied with current from an adjustable current or voltage source.
Eine Lichtquelle sollte auch einen Schalter haben, damit nach Bedarf Licht ein- und ausge- schaltet werden kann. Der Lichtstrahl sollte erfindungsgemäß auch einen Mechanismus haben, der die Position des Strahles in X-, Y- und in der Z-Richtung justieren kann. Das kann erforderlich werden, um den Strahl mit den Tropfen besser treffen zu können. A light source should also have a switch so that light can be turned on and off as needed. The light beam according to the invention should also have a mechanism that can adjust the position of the beam in the X, Y and Z directions. This may be necessary to better hit the jet with the drops.
Als Alternative zu oder in Kombination mit einer oder mehrerer Lichtquellen für die lokale Erhitzung der Tropfen wird besonders vorteilhaft ein leitendes Gitter vorzugsweise aus Metall oder aus anderem leitenden Material benutzt. Das Gitter hat Öffnungen, die groß genug sind, um einzelne Tropfen durch die Zwischenräume zwischen den Heizdrähten passieren zu lassen. Ein Gitter kann auch nur einen Heizdraht umfassen. Dann passiert der Tropfen in unmittelbarer Nähe den Heizdraht und die durch diesen erzeugte Zone mit lokal erhöhter Temperatur. Das leitende Gitter umfasst vorzugsweise zwei elektrisch leitende Platten z. B. aus einem elektrisch leitenden Metall, die beide elektrisch voneinander isoliert sind und auf einem Substrat angeordnet sind. Das Substrat dient als Hitzeschild. Zwischen den beiden Platten ist der mindestens eine Heizdraht aufgespannt und verbindet die beiden Platten miteinander. Der elektrische Widerstand im Heizdraht oder in den Heizdrähten ist dabei um mindestens eine Größenordnung also 10-fach, vorzugsweise 20-fach, 30-, 40-, 50-, 60-, 70-, 80-, 90- oder 100-fach oder sogar bis zu 1000-fach oder vorzugsweise sogar bis zu 10000-fach oder irgendeines beliebigen Zwischenwertes hiervon höher als in den zuleitenden Platten. As an alternative to or in combination with one or more light sources for the local heating of the droplets, it is particularly advantageous to use a conductive grid preferably made of metal or other conductive material. The grid has openings large enough to allow individual drops to pass through the spaces between the heating wires. A grid can only include one heating wire. Then the drop happens in the immediate vicinity of the heating wire and the zone generated by this locally elevated temperature. The conductive grid preferably comprises two electrically conductive plates z. B. of an electrically conductive metal, which are both electrically isolated from each other and are arranged on a substrate. The substrate serves as a heat shield. Between the two plates of at least one heating wire is stretched and connects the two plates together. The electrical resistance in the heating wire or in the heating wires is thus at least an order of magnitude 10 times, preferably 20 times, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 or 100 times or even up to 1000 times or preferably even up to 10000 times or any intermediate value thereof higher than in the feeding plates.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass mit der Energiezufuhr nur der oder die Heizdrähte, nicht aber die Platten selbst erhitzt werden. Hierdurch wird die Zone mit lokal erhöhter Tem- peratur in unmittelbarer Umgebung des oder der Heizdrähte nicht aber in den Platten erzeugt. Je höher das Widerstandsverhältnis zwischen dem oder den Heizdrähten und den Platten ist, desto besser. Das Verhältnis wird maßgeblich beeinflusst durch die Materialien und die Geometrie der Platten und dem oder den Heizdrähten. This has the advantageous effect that with the energy supply only the one or more heating wires, but not the plates themselves are heated. As a result, the zone with locally elevated temperature in the immediate vicinity of the heating wires or not but produced in the plates. The higher the resistance ratio between the heater wire (s) and the plates, the better. The ratio is significantly influenced by the materials and the geometry of the plates and the heating wire (s).
Wenn ein adäquater Strom durch dieses Gitter bzw. seine Heizdrähte geleitet wird, so wer- den der oder die Heizdrähte erwärmt und erzeugen dadurch eine lokale Temperaturerhöhung in der unmittelbaren Umgebung seines oder seiner Heizdrähte. Wenn die Tropfen entlang des oder der Heizdrähte fliegen ohne diese(n) zu berühren, werden sie durch die dort vorhandene erhöhte Temperatur erhitzt und auf diese Weise aktiv die Evaporationsrate vorzugsweise des Lösungsmittels der Tinte erhöht. Durch diese aktive Verdampfung wird im Resultat das Tropfenvolumen kleiner. If an adequate current is passed through this grid or its heating wires, then the heating wire (s) are heated and thereby generate a local temperature increase in the immediate vicinity of his or her heating wires. As the drops fly along the heater wire (s) without touching them, they will pass through heated there existing elevated temperature and in this way actively increases the evaporation rate, preferably the solvent of the ink. As a result of this active evaporation, the drop volume becomes smaller.
Es wird so viel Energie zugeführt, dass die Temperatur des Tropfens beim Durchlauf der Zonen mit lokal erhöhter Temperatur die Siedetemperatur des Tropfens bzw. seiner Bestandteile nicht überschreiten soll. Die Temperatur des oder der Heizdrähte bzw. im Lichtstrahl muss hoch genug sein, um in diesen kurzen Interaktions- bzw. Durchflugzeiten von nur 1 ns bis 10 ms genug Lösungsmittel der Tinte zu verdampfen. Sie darf andererseits aber nicht zu hoch sein und darf auch die Temperatur des Druckkopfs und des Substrats nicht beeinflussen. So much energy is supplied that the temperature of the droplet during the passage of the zones with locally elevated temperature should not exceed the boiling point of the droplet or its constituents. The temperature of the heater wire (s) must be high enough to vaporize enough solvent of the ink in these short interaction times of only 1 ns to 10 ms. On the other hand, however, it must not be too high and must not influence the temperature of the print head and the substrate.
Die Anordnung kann in diesem Sinne einen Aufsatz mit mindestens einem oder mehreren Heizdrähten für ein thermisches Verdampfen von vorzugsweise der Lösungsmittel der Tinte aufweisen. Die Tropfen aus dem Druckkopf werden durch den lokalen Temperaturgradienten aufgeheizt und verdampft. Der lokale Temperaturgradient wird durch die Erwärmung eines Gitters oder durch Erwärmung beispielweise zwei parallel zueinander laufender Heizdrähte oder alternativ oder in Kombination mit einer oder mehrerer Lichtquellen erzeugt. The arrangement may in this sense have an attachment with at least one or more heating wires for a thermal evaporation of preferably the solvent of the ink. The drops from the printhead are heated by the local temperature gradient and evaporated. The local temperature gradient is generated by the heating of a grid or by heating, for example, two parallel heating wires or alternatively or in combination with one or more light sources.
Die Anordnung kann in diesem Sinne auch einen Aufsatz mit mindestens einer oder mehreren Lichtquellen für ein thermisches Verdampfen von vorzugsweise der Lösungsmittel der Tinte aufweisen. Die Tropfen aus dem Druckkopf werden durch den lokalen Temperaturgra- dienten aufgeheizt und verdampft. Der lokale Temperaturgradient wird durch die Erwärmung der Tinte im Lichtstrahl einer Lichtquelle oder alternativ oder in Kombination mit einem oder mehreren Heizdrähten erzeugt. The arrangement may in this sense also have an attachment with at least one or more light sources for a thermal evaporation of preferably the solvent of the ink. The drops from the print head are heated up by the local temperature gradient and evaporated. The local temperature gradient is generated by the heating of the ink in the light beam of a light source or alternatively or in combination with one or more heating wires.
Ein erfindungsgemäßer Aufsatz für ein bestehendes Druckkopfsystem wird hierzu bereitgestellt. Der Aufsatz für die Erzeugung des lokalen Temperaturgradienten kann zweiteilig sein. Ein erster Teil ist fest und wird an oder auf dem Druckkopf bzw. dem Druckkopfhalter befestigt. Das andere Teil wird auf dem ersten Teil starr oder reversibel befestigt, z. B. durch Kleben oder durch einen magnetischen Mechanismus. An inventive attachment for an existing printhead system is provided for this purpose. The attachment for the generation of the local temperature gradient can be in two parts. A first part is fixed and attached to or on the printhead or printhead holder. The other part is fixed rigidly or reversibly on the first part, e.g. B. by gluing or by a magnetic mechanism.
Ein erfindungsgemäßer Aufsatz für einen Druckkopf eines Tintenstrahldruckers, umfasst vorzugsweise: - ein zum Substrat auszurichtendes Hitzeschild mit einer Öffnung für die Tinte, An inventive attachment for a printhead of an inkjet printer preferably comprises: a heat shield to be aligned with the substrate with an opening for the ink,
- zwei unmittelbar am Hitzeschild angeordnete, zum Substrat auszurichtende, und mit elektrischen Zuleitungen versehene elektrisch leitende Platten, die für sich betrachtet voneinander elektrisch durch einen Zwischenraum getrennt sind, two electrically conductive plates arranged directly on the heat shield, to be aligned with the substrate, and provided with electrical leads, which are individually separated from one another by a gap,
- wobei der Zwischenraum zwischen den Platten unterhalb der Öffnung des Hitzeschildes angeordnet ist, und - Wherein the space between the plates is arranged below the opening of the heat shield, and
- mindestens einem Heizdraht, der die beiden Platten miteinander verbindet, at least one heating wire connecting the two plates,
- wobei die elektrischen Zuleitungen Strom über die Platten in den mindestens einen Heizdraht zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur leiten. - The electrical leads conduct electricity through the plates in the at least one heating wire to produce a zone with locally elevated temperature.
Der elektrische Widerstand im Heizdraht oder in den Heizdrähten kann dabei im Betrieb um mindestens eine Größenordnung also 10-fach, vorzugsweise 20-fach, 30-fach, 40-fach, 50- fach, 60-fach, 70-fach, 80-fach, 90-fach oder 100-fach oder sogar bis zu 1000-fach oder vorzugsweise sogar bis zu 10000-fach oder irgendeines beliebigen Zwischenwertes hiervon höher als in den zuleitenden Platten sein. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass die Zone mit lokal erhöhter Temperatur nur an dem Heizdraht nicht aber an den Platten erzeugt wird.  The electrical resistance in the heating wire or in the heating wires can thereby in operation by at least an order of magnitude 10 times, preferably 20 times, 30 times, 40 times, 50 times, 60 times, 70 times, 80 times Be 90 times or 100 times or even up to 1000 times or preferably even up to 10000 times or any intermediate value thereof higher than in the feeding plates. This has the advantageous effect that the zone with locally elevated temperature is generated only on the heating wire but not on the plates.
Der erfindungsgemäße Aufsatz für einen Druckkopfhalter umfasst somit insbesondere ein Hitzeschild. Der Hitzeschild ist aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, wie z. B. aus eloxiertem Aluminium. Der Hitzeschild weist eine kleine Öffnung für die Tintentropfen auf. Der Hitzeschild schützt den Druckkopf vorteilhaft vor erhöhter Temperatur. The attachment according to the invention for a printhead holder thus comprises in particular a heat shield. The heat shield is made of an electrically and thermally insulating material, such. B. anodized aluminum. The heat shield has a small opening for the ink drops. The heat shield protects the printhead advantageous from elevated temperature.
Unmittelbar auf dem Hitzeschild, das heißt ohne weitere Abstandhalter zum Hitzeschild, sind zwei dünne elektrisch leitende Platten am Hitzeschild angeordnet. Die Platten sind elektrische Leiter, z. B. dünne metallische Platten oder Folien aus Stahl. Die beiden Platten können auf dem Hitzeschild aufgeklebt sein oder anders unmittelbar auf dem Hitzeschild angeordnet sein. Die beiden Platten auf dem Hitzeschild sind für sich betrachtet voneinander elektrisch isoliert. Das heißt, dass die beiden Platten einen Zwischenraum zwischen sich aufweisen, so dass sie keinen physischen Kontakt zueinander haben. Dieser Raum ist direkt gegenüber der Öffnung im Hitzeschild angeordnet, so dass die aus der Düse austretenden Tropfen den Aufsatz in Richtung des Substrats ohne eine Berührung mit dem Hitzeschild, den Platten oder den dazwischen aufgespannten Heizdrähten durchtreten. Selbstverständlich können andere Materialien für das Hitzeschild und / oder die Platten verwendet werden. Als Material für den Hitzeschild kommen z. B. aber nicht ausschließlich Glas, Quarz und Keramiken in Betracht. Diese Materialien sind vorteilhaft gut prozessierbar und preiswert. Die Öffnung im Hitzeschild kann z. B. 0,5 mm breit sein. Als Material für die Platten kommen neben dem erwähnten Stahl z. B. aber nicht ausschließlich auch Karbon und Kupfer sowie z. B. Indium Titan Oxid (ITO) in Betracht. Immediately on the heat shield, ie without further spacers to the heat shield, two thin electrically conductive plates are arranged on the heat shield. The plates are electrical conductors, z. As thin metallic plates or sheets of steel. The two plates may be glued to the heat shield or otherwise arranged directly on the heat shield. The two plates on the heat shield are individually insulated from each other electrically. That is, the two plates have a space between them so that they have no physical contact with each other. This space is located directly opposite the opening in the heat shield, so that the drops emerging from the nozzle pass through the attachment in the direction of the substrate without contact with the heat shield, the plates or the heating wires spanned therebetween. Of course, other materials for the heat shield and / or the plates can be used. As a material for the heat shield z. But not exclusively glass, quartz and ceramics into consideration. These materials are advantageously well processable and inexpensive. The opening in the heat shield can z. B. be 0.5 mm wide. As a material for the plates in addition to the steel mentioned z. B. but not exclusively carbon and copper and z. As indium titanium oxide (ITO) into consideration.
Der Fachmann kann diese Materialien frei kombinieren um den erfindungsgemäßen Aufsatz für den Druckkopf herzustellen. The person skilled in the art can freely combine these materials in order to produce the attachment for the printhead according to the invention.
Beispielweise kann Glas mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar 0,5 mm dicke Stahlplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird wie beschrieben mit leitendem Silberkleber zwischen an den Stahlplatten geklebt und gebacken. For example, glass with an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield. Then directly 0.5 mm thick steel plates are glued on. The heating wire is glued as described with conductive silver glue between the steel plates and baked.
Beispielweise kann Glas mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar z. B. 0,1 mm dicke Karbonplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird mit leitender Karbonpaste an den Karbonplatten geklebt. Beispielweise kann eine Keramik mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar z. B. 0,1 mm dicke Kupferplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird mit leitendem Silberkleber an den Karbonplatten geklebt. For example, glass with an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield. This is immediately z. B. 0.1 mm thick carbon plates glued. The heating wire is glued to the carbon plates with conductive carbon paste. For example, a ceramic with an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield. This is immediately z. B. 0.1 mm thick copper plates glued. The heating wire is glued to the carbon plates with conductive silver glue.
Es kann auch Glas oder Quarz mit den Verfahren der optischen Lithographie prozessiert werden. Das Glas bzw. der Quarz werden als Hitzeschild verwendet und weisen eine öff- nung von 0,5 mm auf. Zwei ITO-Platten (Indium Tin Oxide) werden 1 pm dick hierauf abgeschieden und mit optischer Lithographie strukturiert. Zwischen den Platten werden der Heizdraht bzw. ein Gitter aus Wolfram 10 pm breit auf das Glas bzw. Quarz und zwischen die ITO-Platten abgeschieden und mit optischer Lithographie strukturiert, so dass die beiden ITO-Platen mit den Wolframdrähten überbrückt werden. Ein Fachmann kann weitere Abscheidungsverfahren aus der optischen Lithographie anwenden, um einen erfindungsgemäßen Aufsatz herzustellen. Glass or quartz can also be processed by optical lithography. The glass or quartz is used as a heat shield and has an opening of 0.5 mm. Two ITO (indium tin oxide) plates are deposited thereon 1 pm thick and patterned with optical lithography. Between the plates, the heating wire or a grid of tungsten 10 pm wide on the glass or quartz and between the ITO plates deposited and patterned with optical lithography, so that the two ITO plates are bridged with the tungsten wires. A person skilled in the art can use further deposition methods from optical lithography in order to produce an article according to the invention.
Zwischen den beiden Platten ist als Verbindung entsprechend mindestens ein dünner Heizdraht angeordnet. Der Aufsatz umfasst dann den Hitzeschild, die darauf angeordneten Platten sowie den dazwischen angeordneten Heizdraht sowie elektrische Zuleitungen an den beiden leitenden Platten, so dass diese an eine Stromquelle bzw. eine Spannungsquelle angeschlossen werden können, der den Heizdraht erhitzt. Es liegt kein zusätzlicher Abstand zwischen dem Hitzeschild und den leitenden Platten vor. Der Aufsatz aus Hitzeschild und Platten ist vorteilhaft also sehr dünn und kann ohne Weiteres platztechnisch zwischen einer Düse eines Druckkopfs und dem Substrat angeordnet werden. Die Anordnung aus Hitzeschild und elektrisch leitenden Platten mit Heizdrähten ist insgesamt vorzugsweise zwischen 0,5 bis 5 mm dick. Die Befestigung des Aufsatzes am Druckkopf verbraucht ebenfalls keinen weiteren Platz in Strahlrichtung der Tinte. Dies gewährleistet ebenfalls, dass die Anordnung ohne Probleme zwischen einem Druckkopf und dem Substrat angeordnet bzw. befestigt werden kann. At least one thin heating wire is arranged as a connection between the two plates. The attachment then includes the heat shield, the plates disposed thereon and the heating wire therebetween, and electrical leads to the two conductive plates so that they can be connected to a power source or source of voltage that heats the heating wire. There is no additional space between the heat shield and the conductive plates. The attachment of heat shield and plates is therefore advantageous very thin and can be readily arranged space between a nozzle of a printhead and the substrate. The arrangement of heat shield and electrically conductive plates with heating wires is total preferably between 0.5 to 5 mm thick. The attachment of the attachment to the print head also consumes no further space in the beam direction of the ink. This also ensures that the assembly can be arranged or affixed without problems between a printhead and the substrate.
Die Befestigung des erfindungsgemäßen Aufsatzes am Druckkopf erfolgt z. B. durch Ankleben, Klemmvorrichtungen oder eingefügten Schlitzen in dem Druckkopf, in die die Anord- nung aus Hitzeschild und Platten hineingeschoben werden kann. Selbstverständlich soll die Art der Befestigung, die im Rahmen des Fachwissens eines Fachmanns liegt, auch auf andere Art erfolgen können, z. B. durch einen oder mehrere im Material des Druckkopfs versenkbare Magnete, sofern der Aufsatz magnetisches Material umfasst wie z. B. die erwähnten Stahlplatten. Der Aufsatz kann auch angeschraubt oder anders am Druckkopf befestigt vorliegen. Die Art der Befestigung soll keinen Einfluss auf die Dicke des Aufsatzes haben. Nach der Befestigung sind die Heizdrähte sehr nahe am Substrat angeordnet. The attachment of the attachment according to the invention on the print head z. As by sticking, clamping devices or inserted slots in the printhead, in which the arrangement of heat shield and plates can be pushed. Of course, the type of attachment, which is within the expertise of a person skilled in the art, can also be done in other ways, for. B. by one or more retractable in the material of the printhead magnets, if the article comprises magnetic material such. B. the steel plates mentioned. The attachment can also be screwed or otherwise attached to the printhead. The type of attachment should not affect the thickness of the attachment. After attachment, the heating wires are placed very close to the substrate.
Ein erfindungsgemäßer zweiter Aufsatz für einen Druckkopf eines Tintenstrahldruckers, umfasst somit: A second attachment according to the invention for a print head of an ink jet printer thus comprises:
- ein zum Substrat auszurichtendes Hitzeschild mit einer Öffnung für die Tinte, - mindestens eine Lichtquelle, die in den Strahlgang unterhalb der Öffnung des Hitzeschilds strahlt, und eine Zone mit lokal erhöhter Temperatur für die Tintentropfen erzeugen. a heat shield to be aligned with the substrate with an opening for the ink; at least one light source radiating into the jet path below the opening of the heat shield and creating a zone of locally elevated temperature for the ink droplets.
Auch dieser Aufsatz ist entsprechend sehr dünn.  This essay is also very thin.
Ein erfindungsgemäßer Aufsatz sollte am Druckkopf so befestigt werden, dass eine Feinjustierung erfolgen kann. Die Justierung erfolgt in der Ebene, so dass die Tropfen den Licht- strahl passieren bzw. an dem oder den Heizdrähten entlangfliegen und die Zone mit lokal erhöhter Temperatur durchtreten müssen. An inventive article should be attached to the print head so that a fine adjustment can be made. The adjustment takes place in the plane so that the drops jet or fly along on the or the heating wires and must pass through the zone with locally elevated temperature.
Es können mit den erfindungsgemäßen Aufsätzen beliebige Druckköpfe, insbesondere solche von Industriedruckern modifiziert werden. Ein derartiger erfindungsgemäßer Aufsatz kann in einer erfindungsgemäßen Anordnung aus Druckkopf mit Düse angeordnet werden, z. B. indem an dem Druckkopf kleine versenkbare Magnete angeordnet vorliegen, die die metallischen Platten des erfindungsgemäßen Aufsatzes durch den Hitzeschild hindurch anziehen und festhalten. Auch andere Arten der Befestigung sind möglich. Zu beachten ist dabei, dass das Platzangebot im Strahlgang in der Regel begrenzt ist. Die Befestigungsmittel haben hieran angepasst zu werden, das heißt sie sollten in der Richtung des Tintenstrahls keinen weiteren Platz beanspruchen. It can be modified with the articles of the invention any printheads, especially those of industrial printers. Such an inventive article can be arranged in an inventive arrangement of printhead with nozzle, z. B. by small retractable magnets arranged on the printhead, which attract and hold the metallic plates of the article according to the invention through the heat shield. Other types of attachment are possible. It should be noted that the space available in the beam is usually limited. The fasteners have to be adapted thereto, that is, they should not take up any space in the direction of the ink jet.
Die Art der Befestigung ist derartig, dass der erfindungsgemäße Aufsatz nach seiner Befestigung am Druckkopf vorteilhaft auch noch in der Ebene ausgerichtet werden, so dass die Tropfen unmittelbar entlang des oder der Heizdrähte hindurch auf das Substrat gejettet werden ohne diese zu berühren, bzw. durch den Lichtstrahl fliegen. Zur Ausrichtung des Aufsatzes können Justierschrauben benutzt werden. The type of attachment is such that the attachment according to the invention after its attachment to the print head are advantageously also aligned in the plane, so that the drops are jetted directly along the heating wires or through the substrate without touching them, or through the Light beam fly. Adjustment screws can be used to align the attachment.
Die Befestigung des Aufsatzes erfolgt derartig, dass die Dicke des Aufsatzes durch die Befestigungsmittel vorteilhaft nicht erhöht wird, denn das Platzangebot zwischen dem Substrat und einem Druckkopf ist in der Regel sehr begrenzt. Der Aufsatz kann entsprechend auch aus einem Hitzeschild und hieran angeordneten Lichtquellen bestehen, die in den Raum zwischen Druckkopf und Substrat strahlen und die Zone mit lokal erhöhter Temperatur erzeugen. The attachment of the attachment is such that the thickness of the attachment is advantageously not increased by the fastening means, because the space between the substrate and a print head is usually very limited. The attachment may also consist of a heat shield and arranged thereon light sources that radiate in the space between the print head and substrate and generate the zone with locally elevated temperature.
Ein Tropfen aus der Düse eines Druckkopfs muss den Aufsatz in Richtung des Substrats durchfliegen. Hierzu wird er nach seinem Austritt aus der Düse zunächst die Öffnung im Hitzeschild passieren und unmittelbar danach an dem Heizdraht oder den Heizdrähten vorbeifliegen oder den Lichtstrahl passieren, ohne dass er hierzu noch einen Zwischenraum zwischen dem Hitzeschild und den beiden Platten passieren muss. A drop from the nozzle of a print head must fly through the attachment in the direction of the substrate. To this end, after leaving the nozzle, he will first pass through the opening in the heat shield and immediately thereafter fly past the heating wire or the heating wires or pass the light beam without having to pass an intermediate space between the heat shield and the two plates.
Vorteilhaft ist dieser Aufsatz aus Hitzeschild und vorzugsweise metallischen Platten mit Heizdraht oder Heizdrähten bzw. Lichtquelle insgesamt sehr dünn, z. B. nur 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 oder 1 mm, oder 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 mm oder einen Zwischenwert annehmenden Wert dünn. Dies bewirkt vorteilhaft die Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur zwischen Druckkopf und Substrat, so dass im Strahlgang des Druckers eine kalte Zone am Druckkopf, sodann die Zone mit lokal erhöhter Temperatur und eine zweite kalte Zone am Substrat erzeugt werden. This article of heat shield and preferably metallic plates with heating wire or heating wires or light source is very thin overall, z. B. only 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 or 1 mm, or 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 mm or an intermediate value assuming thin. This advantageously produces a zone of locally increased temperature between the printhead and the substrate so that a cold zone on the printhead, then the locally elevated temperature zone and a second cold zone on the substrate are produced in the blast path of the printer.
Der Strahlgang im Druckkopf besteht dann aus dem Druckkopf mit Düse, dem erfindungsgemäßen Aufsatz für den Druckkopf und dem zu bedruckenden Substrat. Der Aufsatz weist in Druckrichtung bzw. Flugrichtung den Hitzeschild zum Schutz des Druckkopfs und der Düse sowie der Tinte auf. Unterhalb des Hitzeschilds sind in einer Alternative die beiden Platten, vorzugsweise Metallplatten, die den oder die Heizdrähte tragen und / oder alternativ die Mittel zur Erzeugung des Lichts angeordnet. The beam path in the print head then consists of the printhead with nozzle, the attachment according to the invention for the printhead and the substrate to be printed. The article has the heat shield in the printing direction or direction to protect the printhead and the nozzle and the ink. Below the heat shield are in an alternative, the two plates, preferably metal plates that carry the heating wires or the and / or alternatively arranged the means for generating the light.
In dem Hitzeschild und gegebenenfalls den Platten des Aufsatzes sind deckungsgleich Öffnungen zur Passage der hindurchfliegenden Tropfen auf das Substrat angeordnet. In the heat shield and optionally the plates of the essay openings are arranged congruent to the passage of the flying drops on the substrate.
In der Alternative mit lediglich einem oder mehreren Heizdrähten, weist der Strahlengang des Druckers den Druckkopf mit der Düse, sowie vorzugsweise ein Hitzeschild mit Öffnung, sowie hieran in Richtung Substrats angeordnet die Platten mit dem oder den beheizbaren Heizdrähten, die die Zone mit lokal erhöhter Temperatur erzeugen, auf. In the alternative with only one or more heating wires, the beam path of the printer, the printhead with the nozzle, and preferably a heat shield with an opening, as well as arranged in the direction of substrate, the plates with the heated heating wires or the heating zone, which locally increased temperature generate, on.
Die beiden Metallplatten sind demnach miteinander durch einen oder mehrere dünne, das heißt im Durchmesser z. B. 1 μηι, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 , 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 , 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51 , 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 , 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 , 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81 , 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91 , 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101... , 398, 399 oder 400 μηη Dicke oder einen beliebigen Zwischenwert annehmende Drähte aus metallischen Leitern wie z. B. Gold, Wolfram, Kupfer, Aluminium, Karbon, Konstanten, Manganin, Chrom, Titan, oder andere metallische Verbindungen elektrisch miteinander verbunden. Die Platten sind ohne den oder die Heizdrähte elektrisch voneinander isoliert. The two metal plates are therefore together by one or more thin, that is in diameter z. B. 1 μηι, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101 ..., 398, 399 or 400 μηη thickness or any intermediate value assuming wires of metallic conductors such. As gold, tungsten, copper, aluminum, carbon, constants, manganin, chromium, titanium, or other metallic compounds electrically connected. The panels are electrically isolated from each other without the heater wire (s).
Durch den oder die Drähte fließt der angelegte Strom. Beispielweise kann der Strom eine Stromstärke von 1_μΑ, 1 mA bis 150 A oder irgendeinen beliebigen Zwischenwert aufweisen, solange er nur den Temperaturgradienten erzeugt. Der Strom erzeugt die Joul-Erwärmung des oder der Heizdrähte. Erfindungsgemäß ist der elektrische Widerstand des oder der Drähte im Vergleich zu den beiden (Metall-)platten groß, wodurch die Drähte durch den Strom viel stärker erhitzt werden, als die (Metall-)platten selbst. Auf diese Weise wird die lokale Erzeugung des Temperaturprofils erzeugt und zudem der Druckkopf und das Substrat vorteilhaft vor der Temperatur geschont. Daher wird lediglich an und zwischen den Drähten bzw. durch die Lichtquelle ein Temperaturgradient im Bezug zu dem restlichen Raum rund um den Druckkopf erzeugt. Der Temperaturgradient zwischen zwei Drähten hängt von dem Abstand der Drähte zueinander ab. Der Abstand der Drähte wird vorzugsweise so eingerichtet, dass der Gradient am stärksten ist, und dass die Tropfen durch die Drähte fliegen können, ohne die Drähte zu berühren. Der Abstand wird z. B. zwischen 10 pm und 1 mm und am besten zwischen 50 μιη bis 100 μιη eingerichtet. Der Temperaturgradient oder ein hohes Temperaturfeld wird für den Durchflug von erzeugten Tropfen genutzt. Die aus der Düse des Druckkopfs ausgejetteten Tropfen werden dabei durch die Drähte auf dem Weg zum Substrat beschleunigt. Bei dem Durchflug werden die Tropfen erhitzt und die Lösungsmittel der Tinte werden teilweise bis vollständig verdampft. Durch dieses Verdampfen wird die Größe der Tropfen nach dem Durchflug imThe applied current flows through the wire (s). For example, the current may have a current of 1_μΑ, 1 mA to 150 A, or any intermediate value as long as it produces only the temperature gradient. The current produces Joul heating of the heater wire (s). According to the invention, the electrical resistance of the or Wires are large compared to the two (metal) plates, which heats the wires by the current much more strongly than the (metal) plates themselves. In this way, the local generation of the temperature profile is generated and also the printhead and the substrate Advantageously protected from the temperature. Therefore, only at and between the wires or by the light source is a temperature gradient relative to the remaining space around the printhead generated. The temperature gradient between two wires depends on the distance of the wires from each other. The spacing of the wires is preferably established so that the gradient is strongest and that the drops can fly through the wires without touching the wires. The distance is z. B. between 10 .mu.m and 1 mm and best between 50 μιη set up to 100 μιη. The temperature gradient or a high temperature field is used for the passage of generated drops. The jetted out of the nozzle of the printhead drops are thereby accelerated by the wires on the way to the substrate. During the passage, the drops are heated and the solvents of the ink are partially or completely evaporated. By this evaporation the size of the drops after the passage in the
Vergleich zu der Größe vor dem Durchflug drastisch verkleinert. Dies erlaubt die Platzierung von kleineren Tropfen auf dem Substrat und dadurch die Erreichung einer höheren Auflösung bei dem Tintenstrahldruckverfahren. Compared to the size before the flight drastically reduced. This allows the placement of smaller drops on the substrate and thereby achieving higher resolution in the ink jet printing process.
In beiden vorgestellten Alternativen, das heißt Verwendung einer oder mehrerer Lichtquellen bzw. einer oder mehrerer Heizdrähte kann besonders vorteilhaft ein Abzug um den Druckkopf für die Abführung von Lösungsmitteldämpfen vorgesehen sein bzw. verwendet werden. Dieser Abzug kann z. B. als ein Aufsatz für den Druckkopf realisiert vorliegen und verwendet werden. Dazu werden entlang des Druckkopfs von beiden Seiten Abzugsröhrchen aus Metall, oder aus Kunststoff oder einem anderen für Tintenlösungsmittel inertem Material aufge- baut. Das ausgewählte Material kann auf diese Weise einen guten Korrosionsschutz für den Aufsatz gegen das Lösungsmittel erzielen. Diese Röhrchen werden mittels Schläuchen mit einer Pumpe, einem Abzug oder einem anderen Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks verbunden. Der durch den Unterdruck entstehende Luftstrom soll stark genug sein, um das verdampfte Lösungsmittel aus dem Druckbereich zu entfernen, allerdings nicht so stark sein, dass der Flugweg des gejetteten Tropfens beeinflusst würde. Der Abzug dient somit nur zur Entfernung von ausgedampftem Lösungsmittel aus dem Druckbereich und damit die nachfolgenden Tropfen, bzw. deren physikalische Eigenschaften nicht beeinflusst werden. Der Abzug kann entweder in einem existierenden Druckkopf integriert werden, oder er kann als an ein Teil des Designs für einen neuen Druckkopf verwendet werden. Alternativ kann sich der gesamte Drucker in einer geschützten bzw. abgesaugten Atmosphäre befinden. In both presented alternatives, that is to say use of one or more light sources or one or more heating wires, it is particularly advantageous to provide or use a trigger around the print head for the removal of solvent vapors. This deduction can z. B. be realized as an essay for the printhead and used. For this purpose, extraction tubes made of metal or of plastic or another material inert for ink solvent are built up along the printhead from both sides. The selected material can thus achieve a good corrosion protection for the attachment against the solvent. These tubes are connected by means of hoses to a pump, a trigger or other means for generating a negative pressure. The airflow created by the vacuum should be strong enough to remove the vaporized solvent from the pressure area, but not so strong as to affect the flight path of the jetted drop. The trigger thus serves only to remove evaporated solvent from the pressure range and thus the subsequent drops, or their physical properties are not affected. The print can either be integrated into an existing printhead, or it can be considered as to be used on a part of the design for a new printhead. Alternatively, the entire printer may be in a protected or extracted atmosphere.
In der Zone mit lokal erhöhter Temperatur wird eine Temperatur im Tropfen erzeugt, die unterhalb der Siedetemperatur der Lösungsmittel oder der Lösungsmittelmischung der Tinte liegt. Andererseits würde das Druckbild auf dem Substrat nicht mehr zu kontrollieren sein, da die Tropfen sonst zerplatzen würden. In the zone of locally elevated temperature, a temperature is produced in the drop, which is below the boiling point of the solvent or the solvent mixture of the ink. On the other hand, the print image on the substrate would be unmanageable, otherwise the drops would burst.
Ein Fachmann wird in Abhängigkeit von den Bestandteilen und insbesondere der Lösungsmittel der verwendeten Tinte die Temperatur in der Zone mit lokal erhöhter Temperatur so mittels Heizdraht und / oder Lichtquelle erhöhen, dass das gewünschte Druckbild erzeugt und gleichzeitig die Auflösung, im Vergleich zu einem Standardtintenstrahldruckverfahren ohne eine aktive Verkleinerung des Volumens durch Temperaturerhöhung der Tintentropfen, signifikant erhöht wird. A person skilled in the art will, depending on the constituents and in particular the solvents of the ink used increase the temperature in the zone with locally increased temperature by means of heating wire and / or light source that produces the desired printed image and at the same time the resolution, compared to a standard ink jet printing process without a active reduction of the volume by increasing the temperature of the ink drops, is significantly increased.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft eine Tinte verwendet werden, dessen Lösungsmittel Licht oder Temperatur besonders stark absorbiert und dadurch die Evaporati- on und Verkleinerung vom Tropfen im Flug mit geringer Energie in kürzerer Zeit verläuft.For the method according to the invention can advantageously be used an ink whose solvent absorbs light or temperature particularly strong and thus the evaporation and reduction of the drop in flight with low energy proceeds in a shorter time.
Eine oder alle Lösungsmittel der Tinte sollen dann eine starke Absorption bei der verwendeten Wellenlänge des Lichts haben. Any or all of the solvents of the ink should then have a strong absorption at the wavelength of light used.
Der verwendete Heizmechanismus selbst darf nicht den Druckkopf erhitzen, und soll auch nicht die physikalischen Eigenschaften der Tinte ändern und das Jetting-verhalten der Tinte aus den Düsen beeinflussen. Hierzu kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass zwischen dem Druckkopf und der Zone mit lokal erhöhter Temperatur ein Hitzeschild angeordnet ist. The heating mechanism used itself must not heat the print head, nor should it change the physical properties of the ink and affect the jetting behavior of the ink from the nozzles. For this purpose, it can be advantageously provided that a heat shield is arranged between the print head and the zone with locally elevated temperature.
Für das erfindungsgemäße Tintenstrahldruckverfahren sollte der Druckkopf vorteilhaft durch ein Hitzeschild von der Zone lokal erhöhter Temperatur geschützt werden. Dadurch wird besonders vorteilhaft bewirkt, dass die physikalischen Eigenschaften der Tinte sich nicht durch erhöhten Temperatureintrag vor Austritt aus der Düse bereits verändern. Ferner wird dadurch auch ein Verstopfen der Düse des Druckkopfs in besonders geeigneter weise verhindert. For the ink-jet printing method of the invention, the printhead should be advantageously protected by a heat shield from the locally elevated temperature zone. This has the particularly advantageous effect that the physical properties of the ink are not already changed by increased temperature entry before exiting the nozzle. Furthermore, thereby clogging of the nozzle of the print head is particularly suitably prevented.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist einen Tintenstrahldruckkopf mit einer Düse auf. Die Anordnung weist zudem mindestens einen mit einem elektrischen Strom zu beaufschlagen- den Heizdraht bzw. ein metallisches Gitter oder alternativ oder in Kombination hierzu eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Strahls zwischen der Düse des Tintenstrahldruckkopfes und einem zu bedruckendem Substrat auf. The arrangement according to the invention has an inkjet printhead with a nozzle. The arrangement furthermore has at least one heating wire or a metallic grid to be acted upon by an electric current or, alternatively or in combination, one A light source for generating a jet between the nozzle of the ink jet printhead and a substrate to be printed on.
Der oder die Heizdrähte bzw. die Lichtquelle werden zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur bzw. lokalen Erhitzung der aus der Druckkopfdüse austretenden Tinte genutzt, wodurch sich das Volumen des Tropfens, der die Zone auf dem Weg zum Substrat passiert, aktiv verkleinert. The heating wires or the light source are used to generate a zone with locally elevated temperature or local heating of the ink emerging from the printhead nozzle, whereby actively reduces the volume of the drop that passes through the zone on the way to the substrate.
Für diese Variante können die beiden Enden eines Heizdrahts an zwei metallischen Leitern z. B. als metallisches Gitter befestigt vorliegen. For this variant, the two ends of a heating wire to two metallic conductors z. B. attached as a metallic grid.
Besonders vorteilhaft werden die beiden elektrischen Leiter z. B. die metallischen Platten, mit denen elektrischer Strom in die Heizdrähte geleitet wird, unmittelbar an einem zumParticularly advantageous are the two electrical conductors z. B. the metallic plates, with which electrical current is conducted into the heating wires, directly to a to
Druckkopf ausgerichteten Hitzeschild angeordnet. Das heißt es liegen zwischen den Metallplatten und dem Hitzeschild keine Abstandhalter vor. Printhead-aligned heat shield arranged. That is, there are no spacers between the metal plates and the heat shield.
Unabhängig von der Art der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. Aufsatz, das heißt mit mindestens einem oder mehreren Heizdrähten oder mit mindestens einer Lichtquelle, wird besonders vorteilhaft zwischen dem Druckkopf und dem Substrat eine Zone erhöhter Temperatur mit einem Temperaturprofil erzeugt.  Regardless of the type of arrangement or attachment according to the invention, that is to say with at least one or more heating wires or with at least one light source, it is particularly advantageous to produce a zone of elevated temperature with a temperature profile between the print head and the substrate.
Der erfindungsgemäße Aufsatz bzw. die erfindungsgemäße Anordnung mit Heizdraht oder Lichtquelle erzeugt die Zone mit lokal erhöhter Temperatur. In der Zone wird ein Temperaturprofil erzeugt, dass auf einer Weglänge von etwa 1 mm einen Temperaturunterschied von mindestens 10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 , 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 °C, weiterhin bevorzugt um mindestens 31 , 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51 , 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 , 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 , 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81 , 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89 oder sogar 90°C, ebenfalls bevorzugt mindestens 91 , 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101 , 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111 , 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121 , 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131 , 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141 , 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150, 151 , 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179, 180, 181 , 182, 183, 184, 185, 186, 187, 188, 189, 190, 191 , 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198, 199, oder 200 °C oder eines beliebigen Zwischenwertes aufweist. The attachment according to the invention or the arrangement according to the invention with heating wire or light source generates the zone with locally elevated temperature. In the zone, a temperature profile is generated such that over a path length of about 1 mm a temperature difference of at least 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 ° C, further preferably at least 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 49, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89 or even 90 ° C, also preferably at least 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179, 180, 181, 182 , 183, 184, 185, 186, 187, 188, 189, 190, 191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198, 199, or 200 ° C, or any intermediate value.
Der durch die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Aufsatz erzeugte Temperaturgradient in der Zone mit lokal erhöhter Temperatur weist Bereiche unterschiedlicher Temperatur auf. Diese liegen zwischen etwa 25 °C im Randbereich der Zone und 225 °C unmittelbar an dem oder den Heizdrähten bzw. im Spot der Lichtquelle. The temperature gradient generated by the arrangement or attachment according to the invention in the zone with locally elevated temperature has regions of different temperature. These are between about 25 ° C in the edge region of the zone and 225 ° C directly on the heating wires or in the spot of the light source.
Auf einer freien Weglänge entlang der y-Achse des Druckstrahls, das heißt im Strahlgang des Druckers, von 0 mm, an der der oder die Heizdrähte oder der Lichtstrahl positioniert sind bis zu etwa 0,5 mm werden Temperaturunterschiede von bis zu 150 °C erzeugt. Auf einer Weglänge entlang der y-Achse zwischen 0 mm und 1 mm werden Temperaturunterschiede von gegebenenfalls bis zu etwa 200 °C erzeugt. At a free path along the y-axis of the print jet, ie, in the beam path of the printer, from 0 mm at which the heater wire (s) or the light beam are positioned up to about 0.5 mm, temperature differences of up to 150 ° C are produced , On a path length along the y-axis between 0 mm and 1 mm temperature differences of optionally up to about 200 ° C are generated.
Das während des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Temperaturprofil ist besonders vorteilhaft durch einen Hitzeschild asymmetrischer Art, was bedeutet, dass der Druckkopf im Kühlen liegt während der Tropfen die heiße Zone durchläuft bevor er auf das kühle Substrat fällt. The temperature profile generated during the process of the invention is particularly advantageous due to a heat shield of asymmetric nature, which means that the printhead is in cooling while the droplet is passing through the hot zone before falling onto the cool substrate.
Folgende Tinte kann z. B. aber nicht ausschließlich während des erfindungsgemäßen Tin- tenstrahldruckverfahrens zur Anwendung gelangen. Die Tinte kann vorzugsweise aus mindestens zwei Lösungsmitteln bestehen, die unterschiedliche Siedepunkte und Dampfdrücke und optional auch unterschiedliche Viskositäten und Oberflächenspannungen haben. DieThe following ink can be z. But not exclusively during the ink jet printing process of the invention. The ink may preferably consist of at least two solvents having different boiling points and vapor pressures, and optionally also different viscosities and surface tensions. The
Tinte kann vorzugsweise aus mindestens einem aktiven Material, das heißt sie soll dann ein Polymer, Metallnanopartikel, Karbonnanopartikel oder dergleichen aufweisen. Die Tinte kann, muss aber nicht zusätzliche Bestandteile enthalten wie beispielweise Tenside, Adhäsionsmittel, Entschäumer. Durch die Erwärmung im Flug wird ein erstes Lösungsmittel mit niedrigerem Siedepunkt und Dampfdruck viel stärker verdampft als ein weiteres. Auf diese Weise wird bewirkt, dass beim Druck auf dem Substrat der Tropfen im Wesentlichen aus dem Lösungsmittel mit höherem Siedepunkt und niedrigerem Dampfdruck besteht. Wenn das verbleibende Lösungsmittel eine höhere Viskosität hat, dann ist die Gesamtviskosität des Tropfens höher als zuvor. Das führt dazu, dass der Tropen auf dem Substrat weniger zerfließen wird und kleiner bleibt, als bei einem Tropfen mit niedrigerer Viskosität. Wenn das im Tropfen verbleibende Lösungsmittel eine höhere Oberflächenspannung hat, dann ist die Gesamtoberflächenspannung des Tropfens höher. Dies führt dazu, dass der Tropfen mit dem Substrat einen großen Kontaktwinkel formt und insgesamt einen kleineren Spot auf dem Substrat benetzt, als ein Tropfen mit niedrigerer Oberflächenspannung. Allerdings soll erfin- dungsgemäß die Oberflächenspannung nicht höher als 40-50 mN/m sein, um die Wiederansammlung der Tropfen auf dem Substrat und eine Schmierung der gedruckten Strukturen zu vermeiden. Die Konzentration von aktivem Material wie z. B. Polymer, Metallnanopartikel, Karbonnanopartikel oder anderen Materialien, darf im Vergleich zu einem Tintenstrahldruck- verfahren nach dem Stand der Technik niedrig gehalten werden. Durch das Verdampfen von Lösungsmittel im Flug wird der Gewichtsanteil von dem aktiven Material in dem Tropfen steigen. Dies erlaubt die Beigabe eines geringeren Anteils von aktivem Material bei der Tintenherstellung. Zusätzlich ermöglicht eine kleinere Konzentration von dem aktiven Materi- al eine geringere Dicke der gedruckten Strukturen und Schichten auf dem Substrat im Vergleich zu den Tinten mit höherer Konzentration an aktivem Material. Durch eine größere Konzentration von dem aktiven Material in dem Tropfen wird der sogenannte Coffee-Ring bzw. Coffee-Stain Effekt reduziert. Falls die Viskosität des Lösungsmittels mit der höheren Siedetemperatur auch höher ist, so wird dies noch weiter die Reduktion des Coffee-Ring bzw. Coffee-Stain Effekt fördern. Ink may preferably comprise at least one active material, that is, it should then comprise a polymer, metal nanoparticles, carbon nanoparticles, or the like. The ink may or may not contain additional ingredients such as surfactants, adhesives, defoamers. By heating in flight, a first solvent with lower boiling point and vapor pressure is much more evaporated than another. In this way, the pressure on the substrate causes the droplet to consist essentially of the solvent with higher boiling point and lower vapor pressure. If the remaining solvent has a higher viscosity, then the total viscosity of the drop is higher than before. As a result, the tropics on the substrate will flow less and remain smaller than a lower viscosity drop. If the solvent remaining in the drop has a higher surface tension, then the total surface tension of the drop is higher. As a result, the droplet forms a large contact angle with the substrate and, on the whole, wets a smaller spot on the substrate than a droplet with a lower surface tension. However, according to the invention, the surface tension should not be higher than 40-50 mN / m in order to avoid the re-accumulation of the drops on the substrate and lubrication of the printed structures. The concentration of active material such. As polymer, metal nanoparticles, carbon nanoparticles or other materials may, in comparison to an ink jet printing Procedures are kept low in the prior art. Evaporation of solvent in flight will increase the weight fraction of the active material in the drop. This allows for the incorporation of a lower level of active material in ink production. In addition, a smaller concentration of the active material allows for a smaller thickness of the printed structures and layers on the substrate as compared to the higher active material inks. By a greater concentration of the active material in the droplet, the so-called coffee-ring or coffee-stain effect is reduced. If the viscosity of the solvent with the higher boiling temperature is also higher, this will further promote the reduction of the coffee-ring or coffee-stain effect.
Ausführungsbeispiele embodiments
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von einigen Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne dass es hierdurch zu einer Beschränkung der Erfindung kommen soll. Vielmehr soll der Fachmann bei verständiger Würdigung der Ausführungsbei- spiele diese auch miteinander kombinieren dürfen, um dadurch zu Gegenständen zu gelangen, die zweifellos ebenfalls von der Erfindung umfasst sind. In addition, the invention will be explained in more detail with reference to some embodiments and the accompanying figures, without this being intended to limit the invention. On the contrary, the skilled person should, with due appreciation of the exemplary embodiments, be allowed to combine these with one another in order to arrive at objects which are undoubtedly also included in the invention.
Sofern nicht anders angegeben bezeichnen identische Bezugszeichen in den Figuren baugleiche Gegenstände. Unless otherwise indicated, identical reference numerals in the figures denote identical objects.
Es zeigen: Figur 1 Schematische Wiedergabe eines erfindungsgemäßen Verfahrens und der FIG. 1 shows a schematic representation of a method according to the invention and FIG
Anordnung (B-E) sowie des Stand der Technik (A).  Arrangement (B-E) and the prior art (A).
Figur 2 Schematische Wiedergabe eines erfindungsgemäßen Verfahrens und der Figure 2 Schematic representation of a method according to the invention and the
Anordnung.  Arrangement.
Figur 3 Zone mit lokal erhöhter Temperatur und Temperaturprofil. Folgende Zusammensetzung der Tinte kann verwendet werden. Die Tinte weist Thiol- stabilisierte Goldnanopartikel mit 2 bis 10 nm im Durchmesser auf. Die Goldpartikel haben 2 wt% Gewichtanteil an der Tinte; Die Tinte weist 90% v/v Toluol, das heißt einen 90%-igen Volumenanteil. 10% v/v ist a-Terpineol (10% Volumenanteil). Auf Grund der hohen Dichte kann man das Volumen der Goldnanopartikel in dem Tropfen vernachlässigen. Ein Volumen von 1 pL des Tropfens von dieser Tinte wird daher volumenanteilig nahezu nur aus Lösungsmittel bestehen. Das Gewicht des Tropfens besteht zu 98% aus dem Lösungsmittel und nur zu 2% aus Goldnanopartikeln. VTOIUOI = 0,90 pL; Va-Terpineoi = 0,10 pL; m-roiuene = VTOIUOI *pToiuoi = 0,90 pL* 870 g/L = 783 pg Figure 3 zone with locally elevated temperature and temperature profile. The following composition of the ink can be used. The ink has thiol-stabilized gold nanoparticles of 2 to 10 nm in diameter. The gold particles have 2 wt% by weight of the ink; The ink has 90% v / v toluene, that is 90% by volume. 10% v / v is a-terpineol (10% volume fraction). Due to the high density, one can neglect the volume of gold nanoparticles in the drop. A volume of 1 pL of the drop of this ink will therefore consist volumetric almost exclusively of solvent. The weight of the drop is 98% solvent and only 2% gold nanoparticles. VTOIUOI = 0.90 pL; V a -Terpineoi = 0.10 pL; m-roiuene = V TO I UO I * pToiuoi = 0.90 pL * 870 g / L = 783 pg
Tla-Terpineol = a.Terpineol *P a-Terpineol = 0,10 pL* 930 g/L = 93 pg ^Goldnanopartikel = 18 pg m-rropfen = 783 + 93 + 18 = 894 pg Eine derartige Tinte kann durch die Erwärmung im Flug nach Austritt aus der Düse und passieren der Zone mit lokal erhöhter Temperatur bis zu 90% des Lösungsmittels verlieren. Das heißt, dass das Tropfenvolumen von 1 pL auf 100 fL gesenkt werden kann. Auf Grund des Unterschieds im Siedepunkt zwischen Toluol (Siedepunkt = 111 °C) und a-Terpineol (Siedepunkt = 218°C) und auf Grund des höheren Dampfdrucks wird hauptsächlich das Toluol verdampft. Das heißt, dass die Masse des gedruckten Tropfens nur noch aus der Masse des a-Terpineols und der Goldnanopartikel bestehen wird. m'-rropfen = 93 + 18 = 111 pg Tla-terpineol = a . Te rpineol * P a -terpineol = 0.10 pL * 930 g / L = 93 pg ^ gold nanoparticles = 18 pg m-drop = 783 + 93 + 18 = 894 pg Such an ink may be generated by heating in flight after exiting from Nozzle and pass the zone with locally elevated temperature to lose up to 90% of the solvent. This means that the drop volume can be reduced from 1 pL to 100 fL. Due to the difference in boiling point between toluene (boiling point = 111 ° C) and a-terpineol (boiling point = 218 ° C) and due to the higher vapor pressure, mainly the toluene is evaporated. This means that the mass of the printed drop will only consist of the mass of the a-terpineol and the gold nanoparticles. m'drop = 93 + 18 = 111 pg
Die erzeugte neue Konzentration der Goldnanopartikel in dem Tropfen beträgt dann The generated new concentration of the gold nanoparticles in the drop is then
Ceoldnanopartikel = 18/111*100% = 16,2 Wt%. Der Durchmesser des Tropfens sinkt, sofern man eine sphärische Tropfenform annimmt, durch das Verdampfen von etwa 90% des Lösungsmittels von 6,2 μιτι (1 pL Tropfen) auf 2,9 μιτι (100 fL Tropfen). Ceopan nanoparticles = 18/111 * 100% = 16.2 wt%. The diameter of the drop drops, if one assumes a spherical teardrop shape, by evaporating from about 90% of the solvent from 6.2 μιτι (1 pL drops) to 2.9 μιτι (100 fL drops).
Dank der höheren Viskosität und Oberflächenspannung von a-Terpineol wird der verkleinerte Tropfen auch weniger zerfließen und dadurch viel kleiner auf das Substrat gedruckt, was im Endeffekt die größere Auflösung bei dem Druck erzielt. Dadurch wird vorliegend eine Erhöhung der Auflösung um mehr als den Faktor 2 erzielt. Diese oder andere Tinten können ohne Weiteres während des Tintenstrahldruckverfahrens verwendet werden. Thanks to the higher viscosity and surface tension of a-terpineol, the reduced droplet will also flow less and thus print much smaller on the substrate, ultimately achieving the greater resolution in the print. As a result, an increase in the resolution of more than a factor of 2 is achieved in the present case. These or other inks can be readily used during the ink-jet printing process.
Der in den Figuren bezeichnete Abzug bzw. die Dampffalle für die Absaugung der entstehenden Lösungsmitteldämpfe wird z. B. aus Aluminium gefertigt und als ein Teil des Ge- samtaufsatzes um den Druckkopf angeordnet. Hierzu können einfache magnetische pads verwendet werden. Grundsätzlich wird der Abzug bzw. die Dampffalle als ein Schlitz an zwei oder an allen vier Seiten entlang des Druckkopfs in dem Aluminiumgehäuse gefertigt. Dieser Schlitz wird mit einem hohlen Kanal in dem Aufsatz verbunden und nach außen durch einen Schlauch abgeführt. Am Ende des Schlauchs kann ein Ventilator oder eine kleine Vakuum- pumpe angeordnet sein, die den Unterdruck erzeugt und dadurch den Fluss von Lösungsmitteldampf, der sich unterhalb des Druckkopfs bildet, nach außen bewirkt. Dieser Fluss ist nicht zu hoch, um die gejetteten Tropfen nicht von einer geraden Flugbahn abzulenken. Er soll aber stark genug sein, um die Lösungsmitteldämpfe nach außen abzusaugen. Der Abzug ist optional bei geringer Druckfrequenz, das heißt bei insgesamt sehr kleinen Volumen an Lösungsmitteldämpfen nicht zwingend notwendig, da die Tropfen passiv durch eine Diffusion und eine Konvektion in der Luft nach außen und damit weg von dem Druckkopf geführt werden. Für die vorliegenden Ausführungsbeispiele ist er allerdings teilweise genannt. The designated in the figures deduction or the steam trap for the extraction of the resulting solvent vapors is z. B. made of aluminum and arranged as a part of the total essay to the printhead. For this simple magnetic pads can be used. Basically, the trigger or vapor trap is fabricated as a slot on two or all four sides along the printhead in the aluminum housing. This slot is connected to a hollow channel in the attachment and discharged to the outside through a hose. At the end of the tube, a fan or a small vacuum pump can be arranged, which generates the negative pressure and thereby causes the flow of solvent vapor, which forms below the print head, to the outside. This river is not too high, so as not to distract the jetted drops from a straight trajectory. But he should be strong enough to suck the solvent vapors to the outside. The trigger is optional at a low pressure frequency, that is, when the volume of solvent vapors is very small overall, it is not absolutely necessary because the droplets pass passively outward through a diffusion and convection in the air and away from the print head. However, it is partly mentioned for the present embodiments.
Als Druckkopf werden für die Ausführungsbeispiele Druckköpfe von Dimatix™ (Fujifilm) benutzt, z. B. ein DMC und ein DMCLCP 1 und 10 pL. Die Druckköpfe werden in einem Tintenstrahldrucker OJ300 von der Firma UniJet montiert. Als Material für den Aufsatz, für die Strahlfalle und für die Dampffalle wird eloxiertes Aluminium verwendet. As printhead for the embodiments printheads of Dimatix ™ (Fujifilm) are used, for. A DMC and a DMCLCP 1 and 10 pL. The printheads are mounted in an ink jet printer OJ300 from UniJet. The material used for the attachment, for the jet trap and for the steam trap is anodized aluminum.
Erstes Ausführunqsbeispiel: First embodiment:
Ein erstes Ausführungsbeispiel betrifft einen gepulsten Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 780 - 5000 nm, bei einer Pulsdauer von 1 s - 1 fs sowie mit einer Leistung von 1 mW bis 10 W. Dieser wird an dem Druckkopf wie beschrieben montiert und erzeugt als Lichtquelle die Zone mit lokal erhöhter Temperatur. A first embodiment relates to a pulsed infrared laser with a wavelength of 780-5000 nm, with a pulse duration of 1 s-1 fs and with a power of 1 mW to 10 W. This is mounted on the printhead as described and generates the zone as a light source with locally elevated temperature.
Zweites Ausführungsbeispiel: Second embodiment:
Ein zweites Ausführungsbeispiel betrifft einen weiteren Aufsatz, der mit zwei Heizdrähten für ein thermisches Verdampfen der Lösungsmittel der Tinte ausgestattet ist. Die Tropfen aus dem Druckkopf werden durch einen lokalen Temperaturgradienten aufgeheizt und ver- dampft. Der lokale Temperaturgradient wird durch Erwärmung von einem Gitter oder durch Erwärmung von zwei parallel zueinander laufenden Heizdrähten erzeugt. Der Aufsatz für die Erzeugung des lokalen Temperaturgradienten ist zweiteilig. Ein Teil ist fest und wird auf dem Druckkopf bzw. dem Druckkopfhalter befestigt. Das andere Teil wird auf dem ersten Teil befestigt, kann aber auch entfernt werden. Der zweite Teil besteht aus zwei großflächigen Metalplatten, die elektrisch voneinander isoliert sind. Die beiden Metallplatten sind miteinander durch dünne, das heißt im Durchmesser z. B. 1 μιη, 12,5 μιτι, 25 μηι, 50 μηι bis 200 μιτι dicke oder einen Zwischenwert annehmende Drähte aus z. B. Gold, Wolfram, Kupfer, Aluminium, Karbon, Konstantan, Manganin, Chrom, Titan, oder andere metallische Verbindungen elektrisch verbunden. Durch diese zwei Drähte fließt der Strom. Beispielweise kann der Strom eine Stromstärke von 1 μΑ, 1 mA bis 100 A aufweisen. Der Strom erzeugt die Joul- Erwärmung der Heizdrähte. Weil die Drähte im Vergleich zu den beiden Metalplatten einen viel höheren Widerstand aufweisen, werden sie viel stärker erhitzt als die Metalplatten selbst. Auf diese Weise wird die lokale Erzeugung des Temperaturprofils erzeugt. Deswegen wird zwischen den Drähten ein Temperaturgradient im Bezug zu dem restlichen Raum rund um den Druckkopf erzeugt. Der Temperaturgradient zwischen zwei Drähten hängt von dem Abstand der zwei Drähte zueinander ab. Der Abstand der Drähte wird so eingerichtet, dass der Gradient am stärksten ist, und dass die Tropfen durch die Drähte fliegen können ohne die Drähte zu berühren. Der Abstand wird zwischen 10 μπι und 1 mm, am besten zwischen 50 μιτι oder 100 μηι eingerichtet. Der Temperaturgradient oder ein hohes Temperaturfeld wird für den Durchflug von erzeugten Tropfen genutzt. Die aus der Düse des Druckkopfs ausgejetteten Tropfen werden dabei durch die Drähte auf dem Weg zum Substrat beschleunigt. Bei dem Durchflug werden die Tropfen erhitzt und die Lösungsmittel der Tinte werden teilweise bis vollständig verdampft. Durch dieses Verdampfen wird die Größe der Tropfen nach dem Durchflug im Vergleich zu der Größe vor dem Durchflug drastisch verkleinert. Dies erlaubt die Platzierung von kleineren Tropfen auf dem Substrat und dadurch die Erreichung einer höheren Auflösung bei dem Tintenstrahldruckverfahren. A second embodiment relates to another attachment equipped with two heating wires for thermal evaporation of the solvents of the ink. The drops from the print head are heated by a local temperature gradient and evaporated. The local temperature gradient is generated by heating from a grid or by heating two parallel heating wires. The attachment for the generation of the local temperature gradient is in two parts. One part is fixed and attached to the printhead or printhead holder. The other part is attached to the first part, but can also be removed. The second part consists of two large metal plates that are electrically isolated from each other. The two metal plates are interconnected by thin, that is in diameter z. B. 1 μιη, 12.5 μιτι, 25 μηι, 50 μηι to 200 μιτι thick or intermediate value wires from z. As gold, tungsten, copper, aluminum, carbon, constantan, manganin, chromium, titanium, or other metallic compounds electrically connected. The current flows through these two wires. For example, the current may have a current of 1 μΑ, 1 mA to 100 A. The current generates Joul heating of the heating wires. Because the wires have a much higher resistance compared to the two metal plates, they are much more heated than the metal plates themselves. In this way, the local generation of the temperature profile is generated. Therefore, a temperature gradient is created between the wires relative to the remaining space around the printhead. The temperature gradient between two wires depends on the distance between the two wires. The spacing of the wires is set so that the gradient is strongest and that the drops can fly through the wires without touching the wires. The distance is between 10 μπι and 1 mm, preferably between 50 μιτι or 100 μηι set up. The temperature gradient or a high temperature field is used for the passage of generated drops. The jetted out of the nozzle of the printhead drops are thereby accelerated by the wires on the way to the substrate. During the passage, the drops are heated and the solvents of the ink are partially or completely evaporated. This evaporation drastically reduces the size of the drops after the flight compared to the size before the flight. This allows the placement of smaller drops on the substrate and thereby achieving higher resolution in the ink jet printing process.
Drittes Ausführungsbeispiel Third embodiment
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel werden die Tropfen aus der Tinte in dem Druckkopf durch ein Piezo-Element erzeugt und erreichen barrierefrei das Substrat nach einer Flugphase. Ein Aufsatz für das„im Flug"-Verdampfen von Tropfen mit Lichtenergie wird am Druckkopf montiert. Er umfasst die Lichtquelle, die die erzeugten Tropfen nach ihrem Austritt aus der Düse mittels eines dünnen Strahls aus der Lichtquelle bestrahlt. Durch die lokale Erwärmung wird das Lösungsmittel des Tropfens teilweise verdampft. Nach der Interaktion mit dem Strahl landet der kleinere Tropfen auf dem Substrat. According to the third embodiment, the drops of the ink in the printhead are generated by a piezo element and reach the substrate barrier-free after a flight phase. An "in-flight" vaporization device of drops of light energy is mounted on the printhead and comprises the light source that irradiates the generated drops with a thin beam from the light source after exiting the nozzle Heating, the solvent of the drop is partially evaporated. After interacting with the beam, the smaller drop lands on the substrate.
Eine Strahlfalle ist gegenüber der Lichtquelle für das Licht im Aufsatz angeordnet. Die Strahlfalle blockiert das Licht und unterdrückt ungewünschte Streuung. Die Strahlfalle besteht hierbei aus eloxiertem Aluminium. A beam trap is positioned opposite the light source for the light in the attachment. The jet trap blocks the light and suppresses unwanted scattering. The jet trap consists of anodized aluminum.
Ferner weist der Aufsatz auch eine Dampffalle für die Absaugung von Lösungsmitteldämpfen auf. Die erzeugten Tropfen werden durch einen dünnen Strahl aus der Lichtquelle bestrahlt. Durch die lokale Erwärmung in dem Strahl wird das Lösungsmittel des Tropfens teilweise verdampft. Die Lösungsmitteldämpfe werden in der Dampffalle mittels eines geringen Unter- drucks abgesaugt. Nach der Interaktion mit dem Strahl landet der kleinere Tropfen auf dem Substrat. Furthermore, the article also has a steam trap for the extraction of solvent vapors. The generated drops are irradiated by a thin beam from the light source. Local heating in the jet partially vaporizes the solvent of the droplet. The solvent vapors are extracted in the steam trap by means of a slight negative pressure. After interacting with the beam, the smaller drop lands on the substrate.
Viertes Ausführunqsbeispiel Fourth Embodiment
Figur 1 zeigt eine schematische Beschreibung von einem Tintenstrahldruckkopf an dem erfindungsgemäß Heizdrähte zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur ange- ordnet sind. FIG. 1 shows a schematic description of an inkjet printhead on which heating wires according to the invention are arranged to produce a zone with a locally elevated temperature.
Die Tropfen 7 werden aus der Tinte in dem Druckkopf 5 durch ein Piezoelement erzeugt und erreichen nach Austritt aus der Düse 1 barrierefrei das Substrat 4 nach einer Flugphase. Dieser Vorgang ist als Stand der Technik in der Figur 1 A gezeigt. The drops 7 are generated from the ink in the print head 5 by a piezoelectric element and, after leaving the nozzle 1, reach the substrate 4 in a barrier-free manner after a flight phase. This process is shown as prior art in FIG. 1A.
Figur 1 B zeigt die Seitenansicht von dem Tintenstrahldruckkopf 5 mit dem Aufsatz 8 für ein „im Flug" Verdampfen von Tropfen 7 durch Erwärmung der Tropfen mittels Heizdrähten. Die erzeugten Tropfen 7 treten aus der Düse 1 aus, fliegen zwischen den Drähten hindurch, die zwischen zwei Metallplatten befestigt sind (nicht dargestellt in Figur 1). Von einer Metallplatte zur anderen wird durch die zwei dünnen Drähte ein Strom geleitet. Der Strom erzeugt die erforderliche Joul-Erwärmung in den Drähten, aber nicht in den Metallplatten 3, weil deren Fläche viel größer und ihr elektrischer Widerstand geringer ist. Die Erwärmung erzeugt einen Temperaturgradienten zwischen der Umgebung um die Drähte herum und den restlichen Raum um den Druckkopf. Die Metallplatten sind am Hitzeschild (nicht dargestellt) angeordnet, der zum Druckkopf ausgerichtet ist. Die Tropfen 7 passieren den oder die Heizdrähte und verdampfen. Der Dampf 7' wird über die Dampffalle (nicht dargestellt) im Aufsatz 8 abgesaugt. Figure 1B shows the side view of the inkjet print head 5 with the attachment 8 for "evaporating" drops 7 by heating the drops by means of heating wires The generated drops 7 emerge from the nozzle 1, fly between the wires between 1) From one metal plate to the other, a current is passed through the two thin wires The current produces the required Joule heating in the wires, but not in the metal plates 3, because their area is much The heating creates a temperature gradient between the environment around the wires and the remaining space around the printhead The metal plates are located on the heat shield (not shown) which is aligned with the printhead. The drops 7 pass through the heating wires and evaporate. The steam 7 'is sucked off via the steam trap (not shown) in the attachment 8.
Im Ergebnis wird dadurch das Volumen des Tropfens verkleinert und Tropfen 7" auf das Substrat gedruckt. Figur 1C zeigt schematisch die Ansicht von unten eines derartigen Tintenstrahldruckkopfs 5 mit dem Aufsatz 8 für ein aktives„im Flug" Verdampfen von Tropfen durch Erwärmung durch lokales Verdampfen mit einem Heizdraht 6. Dargestellt sind die beiden Metallplatten 3a, 3b. Die Metallplatten sind am Hitzeschild angeordnet und wie dieser Bestandteile des Aufsatzes 8 für den Druckkopf, der wegen der Ansicht von unten nicht dargestellt ist. Die Metallplatten sind selbstredend mit Mitteln zum Anlegen eines Stroms versehen (nicht dargestellt). Es kann daher ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom an den Platten angelegt werden. Dieser erhitzt einen dünnen Draht 6 der sich unterhalb der Düse 1 befindet. Zwei horizontale Schlitze 9 sind im Aufsatz als Dampffalle für das verdampfte Lösungsmittel 7' vorgesehen. An der Dampffalle 8 liegt ein geringer Unterdruck an, der den Dampf 7' aus der kritischen Zone zwischen Druckkopf und Substrat absaugt. As a result, this reduces the volume of the drop and prints drops 7 "onto the substrate Figure 1C shows schematically the bottom view of such an ink jet print head 5 with the top 8 for active" on-the-fly "evaporation of drops by heating by local evaporation a heating wire 6. Shown are the two metal plates 3a, 3b. The metal plates are arranged on the heat shield and like these components of the attachment 8 for the print head, which is not shown because of the view from below. The metal plates are of course provided with means for applying a current (not shown). Therefore, a direct current or an alternating current can be applied to the plates. This heats a thin wire 6 which is located below the nozzle 1. Two horizontal slots 9 are provided in the attachment as a vapor trap for the vaporized solvent 7 '. At the steam trap 8 is a slight negative pressure, which sucks the vapor 7 'from the critical zone between the print head and substrate.
Figur 1 D ist eine Seitenansicht, die um 90° gedreht ist im Vergleich zu der Figur 1B. An dem Druckkopf 5 ist der Aufsatz 8 angeordnet. Die Dampffalle 9 ist als umlaufende Rinne realisiert, die im Randbereich des Aufsatzes 8 angeordnet ist. Die Lösungsmitteldämpfe werden in die Dampffalle durch einen kleinen Unterdruck abgesaugt. Nach der Interaktion mit den Drähten landet der Volumenkleinere Tropfen 7" auf dem Substrat 4. Figure 1D is a side view rotated 90 ° in comparison to Figure 1B. At the print head 5, the attachment 8 is arranged. The steam trap 9 is realized as a circumferential groove, which is arranged in the edge region of the attachment 8. The solvent vapors are sucked into the steam trap by a small vacuum. After interaction with the wires, the volume smaller drop 7 "lands on the substrate 4.
Figur 1 E zeigt schematisch eine Ansicht von unten des zweiten Teil des Aufsatzes 8 für ein „im Flug" Verdampfen von Tropfen mit Erwärmung durch lokales Verdampfen mit alternativ zwei Drähten 6a, 6b. Der zweite Teil des Aufsatzes umfasst die zwei Metallplatten 3a und 3b, die durch die zwei dünnen Drähte 6a und 6b elektrisch miteinander verbunden sind. Jeweils zwei Silberpunkte 7a und 7c bzw. 7b und 7d sind hierbei für die Heizdrähte zur Befestigung an den Metallplatten vorgesehen. Die Metallplatten weisen einen Zwischenraum zwischen sich auf, so dass sie ohne die Heizdrähte elektrisch voneinander isoliert sind. Figure 1E schematically shows a bottom view of the second part of the attachment 8 for "evaporating" drops with localized heating by heating alternatively with two wires 6a, 6b. The second part of the attachment comprises the two metal plates 3a and 3b. Each of two silver dots 7a and 7c, and 7b and 7d are respectively provided for the heater wires for attachment to the metal plates, and the metal plates have a space therebetween so as to be free from each other the heating wires are electrically isolated from each other.
Durch die zwei Drähte 6a und 6b fließt ein Strom und erzeugt die Erwärmung der Drähte 6a und 6b und dadurch den erwünschten Temperaturgradienten unterhalb des zum Substrat ausgerichteten Druckkopfes und zum Rest der Druckkopf Umgebung. Die erzeugten Tropfen fliegen aus der Druckkopfdüse 1 zwischen den Heizdrähten 6a und 6b hindurch und werden dabei durch den Temperaturgradienten teilweise verdampft. Nach der Interaktion mit den Drähten landet der kleinere Tropfen auf dem Substrat 4. Current flows through the two wires 6a and 6b and generates the heating of the wires 6a and 6b and thereby the desired temperature gradient below the printhead aligned with the substrate and the remainder of the printhead environment. The generated drops fly out of the printhead nozzle 1 between the heating wires 6a and 6b and become thereby partially evaporated by the temperature gradient. After interacting with the wires, the smaller drop lands on the substrate 4.
Bezugszeichen 9 bezeichnet die Öffnung zwischen den Metallplatten, in denen die Heizdrähte aufgespannt sind. In Erweiterung der Figur 1 zeigt die Figur 2 in ihrem oberen Teil A im Querschnitt eine erfindungsgemäße Anordnung bzw. Aufsatz zur Durchführung des Verfahrens. Die Anordnung ist an der Stelle der Düse 21 des Druckkopfs 25 geschnitten und zeigt deren Ausrichtung oberhalb der Öffnungen im Hitzeschild 22 und der Metallplatten 23a, 23b. Reference numeral 9 denotes the opening between the metal plates in which the heating wires are clamped. In an extension of Figure 1, Figure 2 shows in its upper part A in cross-section an inventive arrangement or attachment for performing the method. The assembly is cut at the location of the nozzle 21 of the printhead 25 and shows its orientation above the openings in the heat shield 22 and the metal plates 23a, 23b.
Der erfindungsgemäße Aufsatz umfasst dabei das Hitzeschild und die beiden metallischen Platten 23a, 23b. The attachment according to the invention comprises the heat shield and the two metallic plates 23a, 23b.
Der Hitzeschild 22 besteht an der Oberfläche aus nicht leitendem eloxiertem Aluminium und weist die Abmessungen B x H x T von 100 x 0,5 x 20 mm auf. Zwei darunter angeordnete Metallplatten sind elektrisch voneinander isoliert (siehe Figur 2B) und weisen die Bezugszeichen 23a und 23b auf. Die Metallplatten 23a und 23b bestehen aus Stahl. Sie weisen jeweils eine Abmessung von 45 x 0,5 x 20 mm (B x H x T) auf. Die gesamte Höhe aus Hitzeschild 22 und Metallplatten 23 beträgt entsprechend vorteilhaft nur etwa 1 mm. Die beiden Platten 23a und 23b sind mit Zuleitungen zur Anlegung eines elektrischen Stroms versehen. Dies ist in der Figur B im unteren Teil von Figur 2 dargestellt. Die beiden Heizdrähte 26a, 26b haben einen Durchmesser von jeweils 25 bis 80 μιτι und eine Länge von etwa 5 mm, da die öff- nung entsprechende Maße hat. Die Drähte sind mit jeweils zwei Silberklebertropfen 27a, 27b an den metallischen Platten 23a und 23b befestigt. Nur die Silberklebertropfen auf der linken Metallplatte sind mit Bezugszeichen versehen, im Übrigen entspricht die Anordnung aber der in der Figur 1 E. The heat shield 22 is made on the surface of non-conductive anodized aluminum and has the dimensions B x H x T of 100 x 0.5 x 20 mm. Two metal plates arranged thereunder are electrically insulated from one another (see FIG. 2B) and have the reference numerals 23a and 23b. The metal plates 23a and 23b are made of steel. They each have a dimension of 45 x 0.5 x 20 mm (W x H x D). The entire height of heat shield 22 and metal plates 23 is advantageously only about 1 mm. The two plates 23a and 23b are provided with leads for applying an electric current. This is shown in the figure B in the lower part of Figure 2. The two heating wires 26a, 26b have a diameter of in each case 25 to 80 μm and a length of approximately 5 mm, since the opening has corresponding dimensions. The wires are attached to the metallic plates 23a and 23b with two silver glue drops 27a, 27b, respectively. Only the silver glue drops on the left metal plate are provided with reference numerals, otherwise the arrangement corresponds to that in FIG. 1 E.
Dieser erfindungsgemäße Aufsatz aus Hitzeschild 22 und metallischen Platten 23 nebst Heizdraht oder Heizdrähte und elektrischen Zuleitungen wird zur starren Befestigung der Heizdrähte bei etwa 150 °C für etwa eine Λ Stunde gebacken. Die beiden Drähte 26a, 26b weisen danach einen Abstand zwischen 50 bis 200 Mikrometer auf, je nach ihrer Positionierung zueinander. This article of the invention heat shield 22 and metallic plates 23 together with heating wire or heating wires and electrical leads is baked for rigid attachment of the heating wires at about 150 ° C for about one Λ hour. The two wires 26a, 26b then have a distance between 50 to 200 microns, depending on their positioning to each other.
Der Aufsatz wird vorzugsweise in ein bestehendes Druckkopfsystem mit einem oder mehre- ren Düsen über in dem Druckkopf versenkte Magnete eingefügt. Die metallischen Stahlplat- ten werden zur Befestigung des Aufsatzes am Druckkopf 25 zum Substrat ausgerichtet und der Hitzeschild entsprechend zum Druckkopf. Der Aufsatz wird durch die im Material des Druckkopfs versenkten Magnete (nicht dargestellt) in besonders einfacher Weise angeordnet. Diese befestigen den Aufsatz am Druckkopf, so dass dieser noch justiert werden kann. Die Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäß erzeugtes Temperaturprofil, welches mit dem Programm Comsol (Comsol Inc., USA) simuliert wurde. The attachment is preferably inserted into an existing printhead system having one or more nozzles via magnets buried in the printhead. The metallic steel plates th are aligned to attach the essay on the print head 25 to the substrate and the heat shield according to the printhead. The attachment is arranged in a particularly simple manner by the magnets sunk in the material of the print head (not shown). These attach the attachment to the printhead so that it can still be adjusted. FIG. 3 shows a temperature profile generated according to the invention, which was simulated with the program Comsol (Comsol Inc., USA).
In der 2D Simulation (Querschnitt) sind zwei Kupferdrähte mit einem Durchmesser von 25 pm nebeneinander mit dem Abstand von 100 pm angeordnet. 500 pm von den Drähten entfernt ist ein Hitzeschild 32 aus Aluminium mit einer Öffnung unterhalb der Düse angeord- net. Die Öffnung hat eine Länge von 500 pm. Der Hitzeschild hat eine Dicke von ebenfalls etwa 500 pm. Durch die Drähte wird Strom mit der Stärke von 150 mA geleitet um die Joul- Erwärmung der Heizdrähte zu erzeugen. Die Raumtemperatur wird bei 20 °C festgesetzt und der durch die Joul-Erwärmung erzeugte Temperaturgradient wird mit unterschiedlichen Schwarz-Weiß Auffüllungen auf der Figur 3 als 2D-Temperaturprofil aufgezeichnet. Gezeigt sind schematisch das Hitzeschild 32 und die Düse 31. Diese wie auch das Substrat 34 sind von der lokalen Temperaturerhöhung ausgespart, wie die Simulation zeigt. In the 2D simulation (cross section), two copper wires with a diameter of 25 μm are arranged side by side with a spacing of 100 μm. 500 pm away from the wires, an aluminum heat shield 32 is disposed with an opening below the nozzle. The opening has a length of 500 pm. The heat shield also has a thickness of about 500 pm. Through the wires, current of 150 mA is conducted to produce Joul heating of the heating wires. The room temperature is set at 20 ° C and the temperature gradient generated by Joule heating is recorded with different black and white fillings in Figure 3 as a 2D temperature profile. Shown schematically are the heat shield 32 and the nozzle 31. These as well as the substrate 34 are recessed from the local temperature increase, as the simulation shows.
Es wird deutlich, dass mittels der erfindungsgemäßen Anordnung aus Druckkopf und Hitzeschild, wie angegeben, das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt und die Zone mit lokal erhöhter Temperatur in verschiedene Temperaturbereiche erzeugt und untergliedert werden kann. It is clear that by means of the inventive arrangement of printhead and heat shield, as indicated, carried out the inventive method and the zone with locally elevated temperature in different temperature ranges can be generated and broken down.
Der in der Figur 3 gezeigte Temperaturgradient weist beispielhaft daher Bereiche unterschiedlicher Temperatur auf. Diese liegen zwischen etwa 25 °C am Randbereich und etwa 105 °C unmittelbar an den Heizdrähten und werden durch die beiden für die Simulation verwendeten Heizdrähte bei einer Stromstärke von 150 mA erzeugt. Der Temperaturgradient wird dabei auf einer freien Weglänge von etwa 3 mm angegeben. Auf der freien Weglänge der y-Achse von 0 mm (Positionierung der Heizdrähte) bis zu etwa 0,5 mm werden im vorliegenden Fall Temperaturunterschiede von etwa 68 - 105 °C erzielt, was einen Temperaturunterschied von fast 40 °C ergibt. Auf der Weglänge der Y-Achse zwischen 0 mm und 1 mm werden Temperaturunterschiede von sogar etwa 80°C erzielt. Das Temperaturprofil ist dabei, bedingt durch einen Hitzeschild 32, asymmetrischer Art, was bedeutet, dass der Druckkopf im Kühlen liegt, während der Tropfen die heiße Zone durchläuft und auf das kalte Substrat fällt. The temperature gradient shown in FIG. 3 therefore has, for example, regions of different temperature. These are between about 25 ° C at the edge region and about 105 ° C directly to the heating wires and are generated by the two heating wires used for the simulation at a current of 150 mA. The temperature gradient is given on a free path of about 3 mm. On the free path of the y-axis of 0 mm (positioning of the heating wires) up to about 0.5 mm in the present case, temperature differences of about 68 - 105 ° C achieved, resulting in a temperature difference of almost 40 ° C. On the Y-axis path between 0 mm and 1 mm, temperature differences of even about 80 ° C are achieved. The temperature profile is, due to a heat shield 32, asymmetric type, what means that the printhead is in cooling while the drop passes through the hot zone and falls onto the cold substrate.
Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Anordnung bzw. dem erfindungsgemäßen Aufsatz, wie in den Figuren 1 B - 1 E sowie der Figur 2 dargestellt, ist es entsprechend möglich, einen durch die Öffnungen der Hitzeschilde und Platten hindurch geleiteten Tintentropfen lokal zu erhitzen und zu einer Volumenreduktion des Tropfens zu gelangen, die mindestens 10 % des ursprünglichen Volumens umfasst. With such an arrangement according to the invention or the attachment according to the invention, as shown in FIGS. 1B-1E and FIG. 2, it is correspondingly possible to locally heat an ink drop conducted through the openings of the heat shields and plates and to reduce the volume of the ink To reach at least 10% of the original volume.
Es versteht sich, dass diese Simulation beispielhaft ist. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich andere Temperaturgradienten zu erzeugen. Hierzu wird ein Fachmann das Material der Heizdrähte, der Platten, und des Hitzeschilds an die Gegebenheiten am Druckkopf anpassen und die gewünschte Volumenverkleinerung des Tropfens erreichen. It is understood that this simulation is exemplary. It is possible within the scope of the invention to produce other temperature gradients. For this purpose, a person skilled in the art will adapt the material of the heating wires, the plates, and the heat shield to the conditions on the print head and achieve the desired volume reduction of the drop.
Es versteht sich ferner, dass ein Fachmann die Materialien frei wählen und miteinander kombinieren kann. So ist es möglich die Materialien wie folgt zu kombinieren. It is further understood that a person skilled in the art can freely choose the materials and combine them. So it is possible to combine the materials as follows.
Ausführungsbeispiele 5 bis 9 Beispielsweise kann Glas mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar zwei 0,5 mm dicke Stahlplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird wie beschrieben mit leitendem Silberkleber an die Stahlplatten geklebt und gebacken. Embodiments 5 to 9 For example, glass having an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield. Then immediately two 0.5 mm thick steel plates are glued on. The heating wire is glued to the steel plates as described with conductive silver glue and baked.
Beispielweise kann Glas mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar zwei 0,1 mm dicke Karbonplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird mit leitender Karbonpaste an die Karbonplatten geklebt. For example, glass with an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield. Immediately two 0.1 mm thick carbon plates are glued to it. The heating wire is glued to the carbon plates with conductive carbon paste.
Beispielweise kann eine Keramik mit einer Öffnung von 0,5 mm als Hitzeschild verwendet werden. Hierauf sind unmittelbar z. B. 0,1 mm dicke Kupferplatten aufgeklebt. Der Heizdraht wird mit leitendem Silberkleber an die Kupferplatten geklebt. For example, a ceramic with an opening of 0.5 mm can be used as a heat shield. This is immediately z. B. 0.1 mm thick copper plates glued. The heating wire is glued to the copper plates with conductive silver glue.
Ein Fachmann kann lithographische Verfahren nutzen, um den Aufsatz zu prozessieren. So kann auch Glas oder Quarz als Hitzeschild mit den Verfahren der optischen Lithographie prozessiert werden. Das Glas bzw. der Quarz werden als Hitzeschild verwendet und weisen eine Öffnung von 0,5 mm auf. Zwei ITO-Platten (Indium Tin Oxide) werden 1 m dick hierauf abgeschieden und mit optischer Lithographie strukturiert. Zwischen den Platten werden der Heizdraht bzw. ein Gitter aus Wolfram 10 pm breit auf das Glass bzw. Quarz und zwischen die ITO-Platten abgeschieden und mit optischer Lithographie strukturiert, so dass die beiden ITO-Platen mit den Wolframdrähten überbrückt werden. One skilled in the art can use lithographic techniques to process the article. Thus, glass or quartz can be processed as a heat shield with the methods of optical lithography. The glass or quartz is used as a heat shield and have an opening of 0.5 mm. Two ITO (indium tin oxide) plates are deposited thereon 1 m thick and patterned with optical lithography. Between the plates are the Filament or grid of tungsten 10 pm wide deposited on the glass or quartz and between the ITO plates and patterned with optical lithography, so that the two ITO plates are bridged with the tungsten wires.
Ein Fachmann kann weitere Abscheidungsverfahren aus der optischen Lithographie anwen- den, um einen erfindungsgemäßen Aufsatz herzustellen. A person skilled in the art can use further deposition methods from optical lithography in order to produce an article according to the invention.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Tintenstrahldruckverfahren, bei dem ein Druckkopf (5) eines Tintenstrahldruckers in Richtung eines zu bedruckenden Substrats (4) ausgerichtet ist und bei dem Tintentropfen (7) im Druckkopf des Tintenstrahldruckers erzeugt werden, welche nach dem Austritt aus der Düse (1) des Druckkopfs in eine Zone mit lokal erhöhter Temperatur geleitet werden, so dass das Volumen der Tropfen während der Flugphase zum Substrat aktiv verringert wird. An ink jet printing method in which a print head (5) of an inkjet printer is oriented toward a substrate (4) to be printed, and wherein ink drops (7) are produced in the print head of the inkjet printer after exiting the nozzle (1) of the print head be directed into a zone of locally elevated temperature, so that the volume of the drops is actively reduced during the flight phase to the substrate.
2. Tintenstrahldruckverfahren nach vorherigem Anspruch, 2. Ink-jet printing method according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
eine signifikante Verringerung des Tropfenvolumens um mindestens 10% erfolgt.  a significant reduction of the drop volume by at least 10%.
3. Tintenstrahldruckverfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 3. Ink-jet printing method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
eine Verringerung des Tropfenvolumens um mindestens um mindestens 20%, weiterhin bevorzugt um mindestens 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% oder bis zu 99,99% oder eines beliebigen Zwischenwertes hiervon erfolgt.  a reduction in the drop volume by at least 20%, more preferably at least 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% or up to 99.99%, or any intermediate value thereof.
4. Tintenstrahldruckverfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. An ink-jet printing method according to one of the preceding claims,
bei der die Zone lokal erhöhter Temperatur durch mindestens einen Heizdraht oder durch mindestens eine Lichtquelle erzeugt wird.  in which the zone of locally elevated temperature is generated by at least one heating wire or by at least one light source.
5. Tintenstrahldruckverfahren nach vorherigem Anspruch, 5. Ink-jet printing method according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Zone lokal erhöhter Temperatur durch eine Anordnung aus mindestens zwei Heizdrähten erzeugt wird, zwischen denen die Tropfen geleitet werden.  the zone of locally elevated temperature is generated by an arrangement of at least two heating wires, between which the drops are conducted.
6. Tintenstrahldruckverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. An ink-jet printing method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Tropfen (7) durch eine Zone lokal erhöhter Temperatur geleitet werden, die auf 1 mm Weglänge einen Temperaturunterschied von mindestens 10°C vorzugsweise mindestens 200°C aufweist. the drops (7) are passed through a zone of locally elevated temperature, which has a temperature difference of at least 10 ° C., preferably at least 200 ° C., over 1 mm path length.
7. Tintenstrahldruckverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, An ink-jet printing method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Druckkopf (5) durch ein passiv oder aktiv gekühltes Hitzeschild (2) von der Zone lokal erhöhter Temperatur geschützt wird.  the printhead (5) is protected by a passively or actively cooled heat shield (2) from the zone of locally elevated temperature.
8. Anordnung aus einem Tintenstrahldruckkopf (5, 25) mit einer Düse (1 , 21) und mindestens einem mit elektrischem Strom zu beaufschlagenden Heizdraht (26a, 26b) oder einer Lichtquelle zwischen der Düse des Tintenstrahldruckkopfes und einem zu bedruckendem Substrat (4, 24) zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur und Erhitzung der aus der Druckkopfdüse austretenden Tinte (7). 8. Arrangement comprising an inkjet printhead (5, 25) having a nozzle (1, 21) and at least one heating wire (26a, 26b) to be acted upon by electric current or a light source between the nozzle of the inkjet printhead and a substrate (4, 24) to be printed ) for generating a zone of locally elevated temperature and heating the ink emerging from the printhead nozzle (7).
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. Arrangement according to one of the preceding claims,
gekennzeichnet durch  marked by
mindestens zwei Heizdrähte, zwischen denen die Tinte in Richtung eines Substrats geleitet wird.  at least two heating wires, between which the ink is directed towards a substrate.
10. Anordnung nach vorherigem Anspruch, 10. Arrangement according to the preceding claim,
gekennzeichnet dadurch, dass  characterized in that
die Enden (7a, 7c) des Heizdrahts an zwei elektrisch voneinander isolierten Platten (3a, 3b; 23a, 23b) befestigt sind.  the ends (7a, 7c) of the heating wire are fixed to two plates (3a, 3b; 23a, 23b) which are electrically insulated from one another.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 11. Arrangement according to one of the preceding claims,
bei der  in the
die beiden Platten (3a, 3b; 23a, 23b) unmittelbar an einem zum Druckkopf (25) ausgerichteten passiv oder aktiv gekühlten Hitzeschild (22) angeordnet sind.  the two plates (3a, 3b, 23a, 23b) are arranged directly on a passively or actively cooled heat shield (22) aligned with the print head (25).
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 12. Arrangement according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der oder die Heizdrähte oder die Lichtquelle zwischen dem Druckkopf und dem Substrat eine Zone erhöhter Temperatur mit einem Temperaturprofil erzeugen können, welches auf einer Weglänge von 1 mm einen Temperaturunterschied von mindestens 10°C aufweist.  the heating wire or the light source between the printhead and the substrate can produce an elevated temperature zone with a temperature profile having a temperature difference of at least 10 ° C over a path length of 1 mm.
13. Aufsatz für einen Druckkopf eines Tintenstrahldruckers, umfassend 13. An attachment for a printhead of an ink jet printer, comprising
- ein Hitzeschild mit einer Öffnung, - zwei unmittelbar am Hitzeschild angeordnete, zum Substrat auszurichtende, und mit elektrischen Zuleitungen versehene leitende Platten, die voneinander durch einen Zwischenraum getrennt sind, a heat shield with an opening, two conducting plates arranged directly on the heat shield, to be aligned with the substrate and provided with electrical leads, which are separated from one another by a gap,
- wobei der Zwischenraum zwischen den Platten unterhalb der Öffnung des Hitzeschildes angeordnet ist, und - Wherein the space between the plates is arranged below the opening of the heat shield, and
- mindestens einem Heizdraht, der die beiden Platten miteinander verbindet, at least one heating wire connecting the two plates,
- wobei die Zuleitungen Strom über die Platten in den mindestens einen Heizdraht zur Erzeugung einer Zone mit lokal erhöhter Temperatur leiten. - The leads conduct electricity through the plates in the at least one heating wire to produce a zone with locally elevated temperature.
Druckkopf mit Mitteln zur Befestigung eines Aufsatzes nach vorherigem Anspruch. Printhead with means for attaching an attachment according to the preceding claim.
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