EP3752365B1 - Print head and printing method - Google Patents

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EP3752365B1
EP3752365B1 EP19706369.6A EP19706369A EP3752365B1 EP 3752365 B1 EP3752365 B1 EP 3752365B1 EP 19706369 A EP19706369 A EP 19706369A EP 3752365 B1 EP3752365 B1 EP 3752365B1
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EP
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capillary
print head
actuator
aerosol
head according
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EP19706369.6A
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Martin Ungerer
Andreas Hofmann
Rudolf Scharnowell
Ulrich Gengenbach
Ingo SIEBER
Achim Wenka
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Publication date
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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
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    • B41J2202/01Embodiments of or processes related to ink-jet heads
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Definitions

  • the invention relates to a print head according to the first claim and a printing method according to the ninth claim.
  • Jet printheads are a central component in printing technology. With them, liquids (inks) are removed from a reservoir, for example a cartridge, and accelerated in the direction of a surface to be printed for the printing process. The printing is dosed, i.e. the liquids are only transported in individual drops onto the surface to be printed. Various actuator and dosing concepts are used for this, such as piezoelectric, electrostatic or thermally based.
  • the so-called drop-on-demand technique is preferably used, in which one or more drops are released only when a control signal is present.
  • a quasi-continuous printing process, the so-called continuous drop method takes place by repetitions of the control signal, preferably with repetition frequencies of more than 1 kHz.
  • various printing technologies are known, which differ in particular by the function of the print head used, in particular the non-contact piezo inkjet technology, the electrohydrodynamic inkjet technology, the aerosol jet technology, but also the ultrasonic dosing method, in which the printing liquid comes into direct contact with the substrate to be printed via a meniscus.
  • the print head mentioned at the outset is used in particular and preferably in the field of non-contact digital jet printing methods for functional printing, ie printing of functional structures (eg conductor tracks, resistors, capacitors, biological substances, etc.).
  • functional structures eg conductor tracks, resistors, capacitors, biological substances, etc.
  • the piezo inkjet technique is the most widespread method.
  • a piezo element acts on a volume of ink in the printing nozzle, with a pressure or pressure pulse being exerted on the printing ink, which causes at least one drop of ink to be ejected from the printing nozzle and sprayed onto the object to be printed.
  • Inks in a preferred viscosity range of between 5 and 40 mPa ⁇ s are used for printing.
  • a further viscosity range is covered in particular by aerosol jet technology and electrohydrodynamic inkjet technology, with aerosol jet technology having the additional advantage of producing structures in the single-digit mm range, despite major topology jumps on the surface to be printed, without vertical Tracking the print nozzle to be able to print.
  • the aerosol jet printing method disclosed includes in particular generation of an aerosol from ink, concentration of the aerosol, transport of the aerosol with gas to the print nozzle arrangement, concentration of the aerosol, for example in the aforementioned chamber, and hydrodynamic focusing of the aerosol jet in the print nozzle.
  • the aerosol is generated either pneumatically or by ultrasound in the separate chamber of the printhead.
  • the generated aerosol is conveyed with the help of a transport gas via line systems to the pressure nozzle and bundled there by means of a focusing gas (also an enveloping flow).
  • the operating mode of the system is immutable.
  • the aerosol jet Before the actual printing process, the aerosol jet is adapted to the respective conditions by setting various parameters (in particular volume flow of the transport gas, volume flow of the focusing gas, choice of nozzle and atomizer, etc.). As soon as the aerosol jet is stable, printing can begin. The aerosol volume flow remains constant throughout the printing process, the jet intensity is not regulated and not varied. The dosing quantity per time is therefore constant. In order to be able to create interruptions in the printed image, the aerosol jet must be interrupted after the nozzle. This is done using a mechanical ink catcher that is positioned between the nozzle and the substrate.
  • the disadvantage of the aforementioned method is that the print head must always be aligned with the earth’s gravitational field and therefore cannot be aligned with the surface to be printed at will without additional measures such as mechanical decoupling of the chamber for aerosol generation and the nozzle.
  • This local separation into several subsystems requires a line system to convey the aerosol flow to the pressure nozzle. This increases the dead volume.
  • long lines can influence the aerosol (e.g. change in droplet size due to agglomeration and merging of small droplets, deposits of droplets on the walls).
  • the line systems are then contaminated with a substance and must be cleaned or replaced if another fluid is to be printed without contamination.
  • a further limitation results from the design of the print head due to the system.
  • a complete cleaning or intermediate cleaning (e.g. when changing the liquids to be printed) is achieved in particular by separating the equipment of aerosol generation and printing nozzle is more difficult and is therefore more complex than, for example, a comparable inkjet printing system.
  • the need for separate subsystems for conveying the fluid to be printed is also limiting for the aforementioned ultrasonic dosing method.
  • Printing three-dimensional structures on the surface of a substrate poses a particular challenge when using the aforementioned technologies.
  • one- or multi-axis relative movements between the print head and substrate must be enabled, for example by means of an electromechanical positioning system.
  • axis acceleration and deceleration occur, which are recorded by the print head.
  • the printing process occurs simultaneously with one of the aforementioned axis accelerations and decelerations, e.g. with a constant volumetric aerosol flow rate, the amount of ink deposited on the substrate will inevitably vary with each applied change.
  • the properties of the printed structure e.g. resistance of a printed electrode
  • depend on its geometry e.g. changes in direction, radii, lengths, topography, etc.
  • one object of the invention is to improve the aforementioned jet print head in such a way that the aforementioned limitations and disadvantages and their effects are avoided or reduced.
  • one object is to propose a jet print head which is also suitable for printing on three-dimensional structures of the type mentioned at the outset.
  • Another object is to propose a jet print head that is suitable for a faster changeover compared to conventional systems while avoiding cross-contamination and/or liquid carryover of the liquids to be printed in the printing system.
  • a further object is to propose a corresponding printing method, in particular for printing structures, preferably functional structures, on a surface using the jet print head.
  • the invention is based on a print head comprising a capillary for a liquid as the printing fluid with a nozzle opening which opens into an antechamber.
  • the capillary adjoins an actuator directly or indirectly via other components such as an elastic element and/or fastening means for the capillary (e.g. clamping means), i.e. it is in solid contact with it.
  • the piezoelectric actuator is preferably firmly connected to the capillary.
  • said antechamber has an outlet opening aligned with the nozzle opening of the capillary, i.e. the axes of symmetry of the capillary and outlet opening preferably coincide.
  • inlet openings opening into the antechamber are provided for a guide gas which, together with the pressure fluid, leaves the antechamber via the outlet opening in the direction of a surface to be printed.
  • the actuator is preferably a piezo actuator.
  • electromechanical actuators are also suitable, or in particular in the case of very small designs, electrostatic actuators are also suitable as actuators.
  • the actuator consists of a plurality of components, including also actuator-passive components.
  • Actuator-passive components include, for example, at least one elastic element, at least one elastic cup spring element and/or at least one elastic bending element or bending strip as a connecting component between the capillary and the print head housing. They serve, in particular, to guide the capillary and preferably allow only unidirectional axial mobility of the capillary in the print head housing, which is flexible about a basic position. Actuator-passive components preferably also include a lever mechanism between an actuator-active component of the actuator, for example a piezoelectric transducer (piezoelectric actuator), which is preferably in contact with the actuator-passive components, more preferably can be mechanically excited by them.
  • piezoelectric transducer piezoelectric actuator
  • the liquid from the capillary is first atomized directly at the nozzle opening with an axial oscillating movement of a capillary and forms an aerosol with the guide gas.
  • the aerosol is thus not conducted into the antechamber in a preconditioned manner, but rather forms in an advantageous manner at as late a point in time as possible just shortly before the printing process in the antechamber.
  • the capillary preferably a glass capillary, is connected to at least one reservoir, preferably at least one cartridge for the liquid (pressure fluid).
  • the capillary thus has non-continuous or preferably continuously conveying feeding means for the pressure fluid into the capillary, preferably at the end of the capillary (proximal end of the capillary) opposite the nozzle opening (distal end of the capillary). This is preferably done without contact by means of a supply line either to the capillary, for example through a line into the named proximal end of the capillaries protruding outlet opening of the supply line, or by means of an elastic hose connection preferably between the proximal end of the capillary and said outlet opening of the supply line.
  • the supply line represents a connection between at least one reservoir of the fluid to be printed and the capillary.
  • the fluid is preferably conveyed capillary, ie fluid losses in the capillary via the nozzle opening during the printing process are compensated by capillary suction of fluid components.
  • the feed line to be provided with its own active fluid feed means (feed pump).
  • a further optional configuration comprises at least one mixing chamber for mixing or homogenizing fluid components, for example from different reservoirs and brought together in the mixing chamber. It is within the scope of the invention to locate said mixing chamber functionally in the capillary and to provide a separate supply line directly into the capillary for each reservoir involved.
  • the capillary is preferably connected to the supply line via a preferably flexible hose to improve the mobility of the print head and to reduce the movable masses required for a positioning movement of the print head.
  • the liquid is transported via the hose through the capillary and the nozzle opening into the antechamber.
  • the transport preferably takes place, i.e. not necessarily without a feed pump.
  • the at least one inlet opening for the guide gas is preferably arranged at the side of the capillary.
  • the alignment of the at least one inlet opening and thus the inlet opening is also preferably aligned at an acute angle to the axis of symmetry of the capillary towards the outlet opening, ie the alignment consists vectorially of a orthogonal and a vector aligned parallel to the axis of symmetry, the parallel partial vector pointing in the direction of the outlet opening as viewed from the nozzle opening.
  • said alignment crosses the axis of symmetry of the capillary within the antechamber. If the fluid to be printed from the capillary is a liquid or a suspension and emerges from the nozzle opening as a sprayed jet, this jet crosses the flow of the guide gas. When they meet, an aerosol is formed.
  • a key feature relates to the arrangement of the actuator in the print head, its arrangement in relation to the capillary and the design of the actuator movement.
  • the actuator is preferably fixed in the antechamber of the print head, more preferably opposite to the outlet opening.
  • the actuator movement serves to move the capillary relative to the antechamber and includes forward and backward movements, preferably only axially to the axis of symmetry of the capillary and outlet opening.
  • the fixed points i.e. the attachment points of the actuator in the print head on the one hand and by the arrangement of the receptacle for the capillary on, in or above the actuator away from the fixed points on the other.
  • the attachment for fixing the piezoelectric actuator in the antechamber takes place by means of gluing, clamping or screwing.
  • the actuator preferably a piezo actuator
  • the actuator preferably a piezo actuator
  • it preferably comprises a plate, disc, ring, cross or bar-shaped flexural oscillating actuator, at least one preferably ring-shaped translational actuator or one or more shearing oscillating actuators with a preferably centered on the actuator for the capillary.
  • the oscillating bending actuator and the aforementioned attachment points (fixed points) to the antechamber extend symmetrically, preferably rotationally symmetrically, around the receptacle and thus around the axis of symmetry of the capillary and the outlet opening.
  • a preferred embodiment provides for the attachment points to be designed as fixed supports for the oscillating actuators in order to achieve the highest possible oscillating amplitudes.
  • a piezo bending vibration actuator which is preferably fixed elastically at both ends, preferably reaches the maximum amplitude in its middle. They are preferably formed by at least two individual points or, in particular in the case of a plate-shaped or disc-shaped oscillating bending actuator, by support lines. If an actuator is preferably firmly clamped on one side only, the maximum amplitude occurs at the other end.
  • An alternative configuration of the piezo actuator includes a stack of layers of disk-shaped individual piezo actuators, the deflections of which add up to form an overall deflection.
  • so-called D31 converters or shear actuators can also be used, the actuator movement of which can be tapped transversely to the applied electrical field and is used for the axial movement of the capillary.
  • these configurations are significantly stiffer and are particularly suitable for non-resonant guided actuator movements, for example for square-wave or sawtooth-shaped oscillations or individual impact movements.
  • the capillary is moved back and forth axially by the piezoelectric actuator, preferably in an oscillating manner, either in resonance or following a predeterminable, preferably cyclic curve (oscillation, eg sawtooth, rectangular, etc.).
  • the capillary and thus also its nozzle opening is moved back and forth with each movement cycle, with each change of direction, deceleration or jerk, an acceleration acts on the capillary and nozzle opening and thus also on the pressure fluid located in the nozzle opening. If the nozzle opening is accelerated during retraction, i.e. by a distal change of direction, i.e.
  • the mass inertia of the pressure fluid alone causes fluid components to be pressed out of the nozzle opening and drops or other fluid components to be detached, particularly on the nozzle outlet surface of the capillary wall.
  • drops of the pressure fluid are thus detached from the nozzle opening and are absorbed by the guide gas.
  • the components of the guide gas and the detached components of the printing fluid form an aerosol that is conducted from the antechamber via the outlet opening to the surface to be printed. Printing takes place immediately after aerosol formation, which advantageously reduces the risk of segregation.
  • the aligned arrangement of nozzle opening and outlet opening is particularly advantageous for the aforementioned process, since the detaching droplets not only form an aerosol due to their speed and mass inertia during detachment, but also an impulse on the aerosol flow in the direction of the outlet opening and thus the exercise surface to be printed.
  • the aerosol flow speed is already high at the nozzle exit.
  • the guide gas flow which is initially formed around the aerosol flow preferably as a sheath flow and is also at least partially mixed in the antechamber towards the outlet opening, the aerosol flow is focused in the direction of the center of the jet. It is advantageous here that the droplets contribute significantly to the total momentum of the aerosol due to a density that is significantly higher than that of the guide gas.
  • the guide gas flow preferably only part of the guide gas flow is transferred into the aerosol, i.e. it absorbs the droplets that are released.
  • the remaining portion of the guiding gas flow leaves the antechamber together with the aerosol flow formed via the outlet opening. Since the aerosol flow is concentrated around the axis of symmetry of the capillary and thus around the outlet opening due to the aforementioned momentum consideration, the remaining portion of the sheath gas flow is displaced into the edge areas of the outlet opening and thus forms a sheath flow around the aerosol flow.
  • This bypass flow reduces contact of the aerosol with the inner wall of the outlet opening, thereby reducing accumulation of aerosol components and advantageously also clogging of the outlet opening with the pressurized fluid.
  • the mass flow of the aerosol can be regulated, preferably by changing the process parameters of fluid pressure in the capillary, by changing the voltage amplitude and frequency when driving the actuator and by changing the control signal, e.g. from a sine function to another periodic function (e.g. sawtooth shape, rectangular shape) or by a Superposition with a phase-shifted periodic signal.
  • a sine function e.g. sawtooth shape, rectangular shape
  • a Superposition with a phase-shifted periodic signal e.g. sawtooth shape, rectangular shape
  • the volume flow of detached drops and thus also the speed of the ongoing separation and atomization of the liquid, i.e. the pressure fluid at the nozzle opening, can be adjusted and regulated.
  • the frequency remaining the same the amount of flow in particular, but also the droplet size of detached droplets and thus also the aerosol properties, can be adjusted with the amplitude height.
  • the size of the detached droplets an essential feature of a developing aerosol, can be adjusted by the frequency of the axial reciprocating movement.
  • the frequency is preferably between 50 kHz to 2 MHz. through on
  • the scattering area of the detached droplets which extends conically around the axis of symmetry, can be increased by the lateral harmonic frequencies impressed on the fundamental oscillation.
  • the aforesaid scattering area of the detached droplets which extends conically around the axis of symmetry, can also be preset by designing the nozzle opening, in particular its diameter, a sharp-edged capillary edge produced by a breaking edge of the capillary. Likewise, a capillary edge that does not extend orthogonally to the capillary axis enables a preferred direction of deflection of the detached drops.
  • the behavior of the aerosol generation can be controlled by the process parameters mentioned. In the final installation state, these parameters are reduced to the following main influencing factors: frequency, mode of vibration, amplitude, fluid pressure. If the excitation of the piezo element is switched off, the generation of aerosol is interrupted. No more liquid is ejected from the nozzle (neither in aerosol form nor in any other form). This binary behavior is used to switch off the aerosol jet if there is an interruption in the printed image, without the need for a mechanical ink catcher.
  • a change in the individual parameters frequency, mode of oscillation, amplitude and fluid pressure or a combination of these parameters leads to a change in the mass flow of the aerosol (liquid) leaving the nozzle opening and thus the outlet opening, which means that acceleration of the axes of the pressure system has an influence on the homogeneity of the Print image (homogeneity of the printed structures) can be compensated.
  • the capillary preferably borders on a piezo actuator, i.e. it is in solid contact with it.
  • the piezoelectric actuator has a receptacle for the capillary.
  • the receptacle connects to the capillary and also performs the same axially oscillating or oscillating movements that are preferably imposed by the piezoelectric actuator. They form a common vibration system.
  • the receptacle serves as part of the oscillating mass on the oscillating actuator.
  • one embodiment of the receptacle provides for the piezo actuator of the print head to be configured preferably with clamping means in which the capillary is clamped in a non-positive manner.
  • clamping means preferably consist of a bore in the actuator or a preferably elastic component that is mounted or inserted on the actuator and that preferably has a transition fit with the piezo actuator, preferably with a sliding fit (according to: Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer Verlag, 14th edition (1981 ) p. 339) .
  • the capillary can still be replaced manually from the print head without additional pressing or striking tools and without the risk of damaging the glass capillary.
  • An alternative embodiment provides a clamping means designed with an elastic clamping element such as a spring element, which presses the capillary on the piezoelectric actuator onto a counter surface that determines the capillary alignment, preferably with a guide groove or a stop for the capillary, and fixes it axially in a non-positive and/or frictional manner.
  • an optional tube jacket encasing the capillary and firmly attached e.g. glued on or pressed
  • it is advantageous in the aforementioned configurations, which in its length is further preferably limited to the clamping area of the acting clamping means, which is significantly shorter than the length of the capillary.
  • a non-positive connection between two surfaces is characterized by the fact that the surfaces are pressed against one another with a force, e.g. by clamping means, and static friction is generated solely by the surface pressure, which fixes the two surfaces to one another.
  • An adhesive material transition as occurs in the case of material connections, for example when two surfaces are welded, glued or soldered, does not exist in the case of a non-positive connection.
  • the aforementioned clamping means simplify interchangeability in the print head.
  • a change in the liquid to be printed, but also in the scattering range of the detached drops, which is decisively determined by the design of the nozzle opening can be implemented by exchanging the capillary.
  • a further advantage of such a change of the pressure medium and/or the scattering area is ensured by the fact that the aerosol is only generated when required (aerosol-on-demand) and only when the paste or the liquid leaves the nozzle opening in the antechamber.
  • the in the antechamber via the inlet openings introduced jacket gas not only as an optional component of the forming aerosol, but in particular as a jacket flow around the aerosol, namely in the antechamber as well as in the subsequent outlet opening.
  • a further configuration of the receptacle of the capillary provides for an additional design acting in an axially positive manner with respect to the axis of symmetry to be provided between the capillary of the receptacle and the piezoelectric actuator and/or an elastic element.
  • This includes, for example, steps or webs firmly connected to the capillary or formed onto it, which positively engages in a design of the capillary receptacle or the clamping means provided with this in mating fit as a stop oriented on one side or both sides. It is advisable to provide the aforementioned enveloping pipe jacket with circumferential grooves or collars or to use the end areas of the pipe jacket for a form-fitting axial fixation.
  • the particular advantage of this preferably additional configuration is that, on the one hand, possible slipping processes between the receptacle and the capillary that have a dampening effect on an axial movement are prevented or reduced, and on the other hand, positioning of the capillary in the antechamber when replacing or installing a capillary is simplified due to the form-fitting stop becomes reproducible.
  • the paste or liquid passed through the capillary is the material to be printed. It is present in one phase or, for example as a suspension, in multiple phases. It is within the scope of the invention to also provide multiphase components that react with one another, which are preferably taken from two or more separate reservoirs and brought together between the reservoir and the nozzle opening and are preferably also mixed or suspended there.
  • multi-component epoxy resins are mentioned here, the components of which, like in other multi-component systems, are preferably mixed in the capillary, fed as a mixture through the nozzle opening into the antechamber, from there through the outlet opening onto the surface to be printed and only harden on the surface.
  • a further embodiment of the print head provides means for generating an electrostatic field orthogonal to the axis of symmetry at the outlet opening. This gives the opportunity to further manipulate the aerosol stream after an optional ionization, in particular to deflect it, to focus it or to further atomize it.
  • the means for this purpose preferably comprise electrodes in or around the outlet opening.
  • a further configuration of the print head provides for providing means for generating an electrostatic field parallel or concentric to the axis of symmetry at the outlet opening. While one electrode is arranged orthogonally to the axis of symmetry around the outlet opening, the second electrode is covered by an electrically conductive substrate to be printed as a whole or part of it or, in the case of an electrically non-conductive substrate (e.g. polymer films), by electrically conductive additional elements such as an intermediate plate or layer in or under the substrate educated. Such an electrode arrangement is preferably used for focusing on the substrate.
  • the solution to the stated object also includes a printing method for printing a structure, preferably a raised structure, on a surface when using an aforementioned print head.
  • a liquid or a paste is conducted via the capillary via the nozzle opening into the antechamber, the nozzle opening being moved back and forth via a piezoelectric actuator, the liquid or the paste being continuously separated as fluid droplets and atomized at the nozzle opening.
  • a guide gas is introduced into the antechamber around the capillary via the at least one inlet opening, with the guide gas being composed of a first portion in the antechamber with the fluid droplets to form an aerosol flow and a second portion between the nozzle opening and the outlet opening forming a sheath flow around the aerosol flow .
  • the second proportion preferably predominates over the first proportion, with the first proportion not being present or being almost zero (second proportion over 95%) in a particularly preferred embodiment.
  • the aerosol stream which is surrounded and focused by the sheath stream, is then directed via the exit opening from the antechamber onto a surface of a substrate, where the fluid droplets are applied to the surface.
  • An oscillating system is preferably formed from the oscillating actuator, capillary with the liquid or paste contained therein and the receptacle for the capillary and possibly other oscillating components (e.g. fluid connection), which is more preferably excited in a resonance oscillation.
  • Fig.1a and b schematically represent a print head in two configurations of the print head.
  • the central components of the print head are the print head housing 1 with an outlet opening 2 and the capillary 4 with a nozzle opening 5 , which is suspended concentrically about an axis of symmetry 3 or, in the case of a flat nozzle , a plane of symmetry 6 so that it can move axially Antechamber 8 arranged.
  • the capillary 4 is suspended in the housing via at least one elastic element 7 and guided axially along the axis of symmetry or plane of symmetry.
  • the capillary 4 is fixed in a separate receptacle 9, preferably provided with clamping means.
  • the elastic compliance of the suspension formed in this way The capillary is significantly higher in the axial direction than orthogonally to the aforementioned axis of symmetry or plane of symmetry.
  • At least one of the elastic elements is also equipped with an actuator 10 ( Fig.1a ) connected or forms a constructive unit with it.
  • the elastic element is formed by the actuator ( Fig.1b ).
  • the print head housing 1 has at least one inlet opening 11 for a guide gas and a feed means 12 for the liquid to be printed.
  • the flow paths for the guide gas 13 and for the liquid 14 to be printed are shown in Fig.1a and b indicated.
  • the inlet openings are preferably arranged laterally around the capillary 4 and proximal to the nozzle opening 5 in order to form a sheath flow in the antechamber.
  • the suspension of the capillary in the print head comprising the aforementioned elastic elements and the actuator, must, if they are arranged distally to the inlet openings 11 , allow flow to flow axially around or through them, ie possibly be provided with cutouts through which flow can flow axially.
  • inlet openings 11 shown lead laterally into the print head housing.
  • the connections of the inlet openings are thus arranged laterally, with the result that a larger proximal cover area 15 located above the inlet openings is available for configurations in favor of better interchangeability of the capillary including the feed means 12 .
  • Any dead volumes 16 through which the guide gas does not flow can be minimized in general and in particular in the mentioned cover area by a corresponding design of the print head housing 1 or by components that are not shown (eg a cover closure system).
  • the print head housing 1 is basically a non-illustrated embodiment, for example, for a Replacing the capillary can be dismantled or opened.
  • the cover area 15 can preferably be removed from the rest of the print head housing, while the print head housing is held, for example, via its lateral surfaces.
  • FIG. 12 shows an embodiment in which the inlet openings 11 are arranged in the proximal cover area 15 in the immediate vicinity of the feed means 12.
  • FIG. 12 shows an embodiment in which the intake openings are no longer as in Fig.1a shown arranged on the lateral surface of the print head housing, whereby the lateral surface is advantageously available for handling the print head housing in a printing device, ie it can also be universally clamped and exchanged.
  • this arrangement supports a slimmer design of the print head housing, which, for example, accommodates a closer arrangement of a plurality of print head housings and also storage of the same.
  • the print head housing as such can also be moved and aligned better in a printing device or by means of a manipulator if the connections are bundled, i.e. combined in a connection line, the realization of which is achieved by the aforementioned close arrangement of the inlet openings 11 in the proximal cover area 15 in the immediate vicinity of the feed means is favored.
  • This arrangement is also advantageous if the connections of the inlet openings and the feed means have to be changed together, for example when changing capillaries, for example if the guide gas and the liquid to be printed have to be matched to one another, for example chemically.
  • the connections can be made more compact, so that the print head housing 1 is easier to grasp, which in turn is very beneficial for the integration of the print head as a whole in a manipulator or robot system.
  • Said suspension for the capillary in the print head housing comprises at least one elastic element, at least one actuator, preferably also a separate receptacle for the capillary.
  • the receptacle further preferably comprises clamping means for a non-positive fixation of the capillary.
  • the capillary has at least one three-dimensional surface structure on the outer surface of the jacket, which can be held in a form-fitting manner by the receptacle by means of a negative structure that at least partially corresponds to this surface structure.
  • Fig.2a to e show examples in detail of various configurations of the suspension of the capillary in the print head housing with translation actuators (a) to (c), bending actuators (d) and shear actuators (e), in which the function of the actuator and the elastic element are combined.
  • Fig.2a shows an embodiment with a one-sided translation actuator, for example a piezoelectric actuator of type d31 (transversal actuator) or type d33 (longitudinal actuator, in single-layer or multi-layer construction), which is attached to a projection 17 on the inner wall of the print head housing and acts against a capillary receiving element 18 .
  • the one-sided arrangement of the actuator shown is only suitable for guided actuator movements in the non-resonant frequency range.
  • one embodiment provides for two or more of the aforementioned translation actuators to be arranged on both sides of a capillary or at a regular distance from one another circumferentially around a capillary that is rotationally symmetrical in this case and to be operated synchronously, which creates axial symmetry around the capillary and thus also makes resonance operation possible is.
  • Fig.2b and c show configurations with an annular translation actuator 19 running around the capillary, designed, for example, as a piezoelectric d31 actuator 21 (see FIG Fig.2b ) or d33 actuator 22 (see Fig.2c ), which is well suited for resonant oscillating movements due to its symmetry around the capillary.
  • the basic structure is similar to that in Fig.2a
  • the capillary receiving element has an additional ring-shaped oscillating mass 20 which influences the resonance frequency and is arranged around the capillary.
  • the oscillating mass can be designed in two parts, with the capillary being clamped between the two parts in principle in a non-positive or positive manner.
  • Fig.2d shows a suspension with oscillating bending actuators, preferably multi-layer piezoelectric d31 actuators with opposite polarity or a d31 actuator applied to a bending element, which are preferably clamped to the inner wall of the print head housing and act on the surface of the capillary at the other end.
  • Fig.2d shows an example of an embodiment with two strip-shaped oscillating bending actuators arranged in mirror image on a plane to the capillaries. For a more stable arrangement, which only allows axial movements of the capillary, it is advantageous to provide this arrangement on the capillary a second time in parallel on another.
  • Fig.2e shows an example of an embodiment in which the actuator is configured as a shear-vibration actuator 23, for example a piezoelectric d15 converter. It is fixed (eg glued) to the side of the capillary 4 or, as shown, to the separate receptacle 9 for the capillary 4 . On the other side, it is fixed on a projection 17 on the print head housing side. Shown is an embodiment with a single Scherschwingaktor, with further configurations with two or more such actuators are conceivable more preferably uniformly, ie arranged at a uniform angle to one another around the capillary.
  • the capillary is suspended in the print head housing, for example, with coupling gear arrangements with solid-state or conventional joints in such a way that a translation is primarily generated in the capillary direction and the parasitic translation perpendicular to the capillary direction is suppressed or compensated for as far as possible and the capillary also oscillates moments free as possible .
  • Figure 3a to e disclose exemplary configurations of the suspension of the capillary in the print head housing with separate elastic elements 28 and separate actuators 10.
  • the suspensions are always designed in such a way that the capillaries 4 used in the elastic elements 28 can always be moved axially, i.e. in the direction of the axis of symmetry 3 and the movement can be caused by the actuators 10 .
  • the actuators 10 act—as shown in the illustrated embodiments—preferably directly on the elastic elements 28 , deforming them and thus causing the aforementioned axial displacement of the capillary 4 .
  • the elastic elements preferably extend around the capillary in a rotationally symmetrical manner or in the same way and at equal angular distances from one another.
  • the elastic elements 28 in turn have elastic solid-state joints 29 or elastic bending strips 31 .
  • a refinement group is Figure 3a to c represented. It provides at least two elastic elements 28 of the same design and oriented towards the capillary 4 , which are preferably designed as a truss, the truss elements being connected to one another and preferably pivotable about an axis in relation to one another with joints, preferably the aforementioned elastic solid-state joints 29 .
  • the actuators 10 are preferably piezoelectric ring actuators (eg ring-shaped translation actuator 19) or individual actuators, which are each arranged with the elastic elements around the capillary.
  • Figure 3a 12 shows an embodiment with an actuator which acts axially to the capillary and is arranged on a projection 17 around the capillary, preferably an annular d31 actuator.
  • This preferably acts axially on a first flexure joint of the elastic elements designed as a parallelogram guide with four truss elements each, which are firmly inserted into the print head housing 1 via a truss element with two elastic flexure joints 29 on one side and via another truss element arranged opposite the first with two other elastic solid joints 29 are connected to the axially movable capillary in the print head housing.
  • Fig.3b shows a further embodiment of a suspension of the capillary with elastic elements, each of which comprises a series connection of a parallelogram guide and a further quadrangular truss with four truss elements.
  • Fig.3c shows an embodiment of an elastic element with five elastic flexure joints, with two of these flexure joints being arranged in an axial sequence on the capillary or in a radial sequence on a projection on the inner wall of the print head housing, and the fifth flexure joint in turn being controllable radially to the capillary via the actuator and is movable.
  • the ring-shaped translation actuator 19 is firmly inserted into the print head housing 1 and is oriented radially to the capillary in its stroke alignment.
  • Fig.3b and c thus represent exemplary configurations in which radial adjustment movements are deflected by an actuator into axial capillary movements.
  • Fig.3d represents an exemplary embodiment in which the capillary 4 in the print head housing is inserted and guided in an axially movable manner by two preferably rotationally symmetrical and/or prestressed plate spring elements 30, which form the elastic elements.
  • One of these plate spring elements is preloaded and deflected axially to the capillary by a ring actuator, preferably a ring-shaped d31 actuator, with the arrangement of the ring actuator on a projection 17 around the capillary as in FIG Figure 3a described.
  • Figure 3e shows a further exemplary embodiment in which the capillary 4 in the print head housing is inserted and guided axially by three elastic flexible strips 31 (alternatively flexible sheet metal elements), which form the elastic elements, and are axially movable.
  • two of the bending strips are preferably used only for guiding the capillary in parallel, while at least a third bending strip is preferably designed as an actuator or can be controlled by an actuator to stimulate a capillary movement.
  • At least one of these bending strips is preferably coated with a piezoelectric material and forms a bimorph bending actuator with it, via which the capillary can be moved axially.
  • the receptacles 9 illustrated to e preferably comprise clamping means for the capillary 4, which enable the capillary to be pulled out axially in the proximal direction, ie away from the outlet opening.
  • the clamping means are preferably designed as a slotted tubular element prestressed around the capillary, alternatively by resilient inserts in the tube, two clamping elements for the capillary that act against one another, or by an elastic element with a bore dimensioned as a press fit for the capillary.
  • Fig.4 shows an exemplary arrangement of a capillary 4 in a receptacle 9, the capillary shown having a collar 24 (preferably an elevation on the capillary or a ring fixed on the capillary) as a stop for precise adjustability.
  • a collar 24 preferably an elevation on the capillary or a ring fixed on the capillary
  • This enables the capillary to be inserted into a reproducible position in the receptacle.
  • One embodiment provides for a tube casing that is additionally fixed to the capillary and protects it mechanically, with or without the aforementioned collar, on which the receptacle acts.
  • Fig.5a to d show a basic sectional view of a possible arrangement of a capillary 4 in a receptacle 9 equipped with clamping means
  • Fig.5a and b each show an embodiment with four or three contact lines 25,
  • Fig.5c an embodiment with a contact line 25 and a contact surface 26
  • Figure 5d an embodiment with only one contact surface 26.
  • the prestressing takes place, as shown, via elastic tie rods 27, such as adjustable via elastic expansion screws.
  • elastic tie rods 27 such as adjustable via elastic expansion screws.
  • Further combinations, such as configurations with two opposing contact surfaces or with elastic intermediate elements (eg made of elastomers) are also expressly mentioned. Clamping via contact surfaces is gentler than clamping via contact lines, especially for capillaries made of brittle materials such as glass, but requires a more precise and therefore more complex adjustment of the contact surfaces to avoid stress singularities in the capillary.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf gemäß dem ersten und ein Druckverfahren gemäß dem neunten Patentanspruch.The invention relates to a print head according to the first claim and a printing method according to the ninth claim.

Jet Druckköpfe stellen eine zentrale Komponente in der Drucktechnik dar. Durch diese werden Flüssigkeiten (Tinten) aus einem Reservoir, beispielsweise einer Patrone, entnommen und für den Druckvorgang in Richtung einer zu bedruckenden Oberfläche beschleunigt. Der Druck erfolgt dosiert, d.h. es werden die Flüssigkeiten nur in einzelnen Tropfen auf die zu bedruckende Oberfläche transportiert. Hierzu kommen verschiedene Aktor- und Dosierkonzepte zum Einsatz, wie z.B. auf piezoelektrischer, elektrostatischer oder thermisch wirkender Basis. Vorzugsweise kommt die sog. Drop-on-Demand-Technik zum Einsatz, bei dem nur bei Anliegen eines Steuersignals ein oder mehrere Tropfen abgegeben werden. Durch Wiederholungen des Steuersignals, vorzugsweise mit Wiederholungsfrequenzen von über 1 kHz erfolgt ein quasikontinuierlicher Druckprozess, dem sog. Continuous-Drop-Verfahren. Entsprechend sind verschiedene Drucktechnologien bekannt, die sich insbesondere durch die Funktion des eingesetzten Druckkopfes unterscheiden, insbesondere die berührungslosen Piezo-Inkjet-Technik, die elektrohydrodynamische Inkjet-Technik, die Aerosol-Jet-Technik, aber auch das Ultraschall-Dosierverfahren, bei dem die zu druckende Flüssigkeit über einen Meniskus einen direkten Kontakt mit dem zu bedruckenden Substrat eingeht.Jet printheads are a central component in printing technology. With them, liquids (inks) are removed from a reservoir, for example a cartridge, and accelerated in the direction of a surface to be printed for the printing process. The printing is dosed, i.e. the liquids are only transported in individual drops onto the surface to be printed. Various actuator and dosing concepts are used for this, such as piezoelectric, electrostatic or thermally based. The so-called drop-on-demand technique is preferably used, in which one or more drops are released only when a control signal is present. A quasi-continuous printing process, the so-called continuous drop method, takes place by repetitions of the control signal, preferably with repetition frequencies of more than 1 kHz. Accordingly, various printing technologies are known, which differ in particular by the function of the print head used, in particular the non-contact piezo inkjet technology, the electrohydrodynamic inkjet technology, the aerosol jet technology, but also the ultrasonic dosing method, in which the printing liquid comes into direct contact with the substrate to be printed via a meniscus.

Der eingangs genannte Druckkopf wird insbesondere und bevorzugt im Bereich berührungsloser digitaler Jet-Druckverfahren für ein funktionales Drucken, d.h. Drucken von funktionalen Strukturen (z.B. Leiterbahnen, Widerstände, Kondensatoren, biologischer Substanzen etc.) eingesetzt.The print head mentioned at the outset is used in particular and preferably in the field of non-contact digital jet printing methods for functional printing, ie printing of functional structures (eg conductor tracks, resistors, capacitors, biological substances, etc.).

Die Piezo-Inkjet-Technik ist dabei das am weitesten verbreitete Verfahren. Dabei wirkt ein Piezo-Element auf ein Tintenvolumen in der Druckdüse, wobei ein Druck oder Druckimpuls auf die Drucktinte ausgeübt wird, der dazu führt, dass mindestens ein Tintentropfen aus der Druckdüse ausgestoßen und auf das zu bedruckende Objekt gespritzt wird. Zum Drucken kommen Tinten in einem bevorzugten Viskositätsbereich zwischen 5 bis 40 mPa·s zum Einsatz. Einen weiteren Viskositätsbereich decken insbesondere die Aerosol-Jet-Technik und die elektrohydrodynamische Inkjet-Technik ab, wobei die Aerosol-Jet-Technik den zusätzlichen Vorteil aufweist, Strukturen trotz größerer Topologie-Sprünge der zu bedruckenden Oberfläche bis in den einstelligen mm-Bereich ohne vertikales Nachführen der Druckdüse drucken zu können.The piezo inkjet technique is the most widespread method. A piezo element acts on a volume of ink in the printing nozzle, with a pressure or pressure pulse being exerted on the printing ink, which causes at least one drop of ink to be ejected from the printing nozzle and sprayed onto the object to be printed. Inks in a preferred viscosity range of between 5 and 40 mPa·s are used for printing. A further viscosity range is covered in particular by aerosol jet technology and electrohydrodynamic inkjet technology, with aerosol jet technology having the additional advantage of producing structures in the single-digit mm range, despite major topology jumps on the surface to be printed, without vertical Tracking the print nozzle to be able to print.

Ein Aerosol-Jet-Drucksystem und -Druckverfahren für funktionales Drucken ist von der Firma Optomec Inc. (Albuquerque, New Mexico, USA) in der US 7.270.844 B2 offenbart worden. Beispielhafte Abscheidungskopfanordnungen hierfür sind in JP S57 34971 A , EP 1 830 927 B1 und US 9.114.409 B2 beschrieben. In diesem wird ein Aerosol in einem Hüllgasstrom über einen Kanal in eine separate Kammer und von da über eine Druckdüsenanordnung in Richtung eines zu bedruckenden Objekts geleitet.An aerosol jet printing system and printing method for functional printing is available from Optomec Inc. (Albuquerque, New Mexico, USA) in US Pat U.S. 7,270,844 B2 been revealed. Exemplary deposition head arrangements are given in JP S57 34971 A , EP 1 830 927 B1 and U.S. 9,114,409 B2 described. In this, an aerosol is guided in an enveloping gas flow via a channel into a separate chamber and from there via a pressure nozzle arrangement in the direction of an object to be printed.

Das offenbarte Aerosol-Jet-Druckverfahren umfasst insbesondere eine Erzeugung eines Aerosols aus Tinte, eine Konzentrierung des Aerosols, einen Transport des Aerosols mit Gas zur Druckdüsenanordnung, eine Konzentrierung des Aerosols z.B. in vorgenannter Kammer sowie eine hydrodynamische Fokussierung des Aerosolstrahls in der Druckdüse. Die Aerosolerzeugung erfolgt dabei entweder pneumatisch oder durch Ultraschall in der separaten Kammer des Druckkopfes. Das erzeugte Aerosol wird mit Hilfe eines Transportgases über Leitungssysteme zur Druckdüse gefördert und dort mittels eines Fokussierungsgases (ebenfalls ein Hüllstrom) gebündelt. Der Betriebsmodus des Systems ist unveränderbar. Vor dem eigentlichen Druckprozess wird der Aerosolstrahl durch Einstellen verschiedener Parameter (insbesondere Volumenstrom des Transportgases, Volumenstrom des Fokussierungsgases, Wahl der Düse und des Zerstäubers etc.) an die jeweiligen Bedingungen angepasst. Sobald der Aerosolstrahl stabil ist, kann gedruckt werden. Der Aerosol-Volumenstrom bleibt während des gesamten Druckvorganges konstant, die Strahlintensität wird nicht geregelt und nicht variiert. Die,Dosiermenge pro Zeit ist folglich konstant. Um Unterbrechungen im Druckbild realisieren zu können, muss der Aerosolstrahl nach der Düse unterbrochen werden. Dies geschieht durch eine mechanische Tintenauffangvorrichtung, die zwischen Düse und Substrat positioniert wird.The aerosol jet printing method disclosed includes in particular generation of an aerosol from ink, concentration of the aerosol, transport of the aerosol with gas to the print nozzle arrangement, concentration of the aerosol, for example in the aforementioned chamber, and hydrodynamic focusing of the aerosol jet in the print nozzle. The aerosol is generated either pneumatically or by ultrasound in the separate chamber of the printhead. The generated aerosol is conveyed with the help of a transport gas via line systems to the pressure nozzle and bundled there by means of a focusing gas (also an enveloping flow). The operating mode of the system is immutable. Before the actual printing process, the aerosol jet is adapted to the respective conditions by setting various parameters (in particular volume flow of the transport gas, volume flow of the focusing gas, choice of nozzle and atomizer, etc.). As soon as the aerosol jet is stable, printing can begin. The aerosol volume flow remains constant throughout the printing process, the jet intensity is not regulated and not varied. The dosing quantity per time is therefore constant. In order to be able to create interruptions in the printed image, the aerosol jet must be interrupted after the nozzle. This is done using a mechanical ink catcher that is positioned between the nozzle and the substrate.

Nachteilig beim vorgenannten Verfahren ist, dass der Drucckopf grundsätzlich zum Erdgravitationsfeld ausgerichtet werden muss und damit ohne zusätzliche Maßnahmen wie z.B. eine mechanische Entkopplung der Kammer zur Aerosolerzeugung und der Düse nicht beliebig zu der zu bedruckenden Oberfläche ausrichtbar ist. Diese örtliche Trennung in mehrere Teilsysteme bedarf eines Leitungssystems zur Förderung des Aerosolstroms zur Druckdüse.-Dadurch erhöht sich das Totvolumen., Außerdem können lange Leitungen das Aerosol beeinflussen (z.B. Tropfengrößenänderung durch Agglomeration und Vereinigung von kleinen Tropfen, Abscheidungen von Tropfen an den Wänden). Die Leitungssysteme sind dann mit einem Stoff kontaminiert und müssen gereinigt oder getauscht werden, wenn ein anderes Fluid ohne Kontaminationen verdruckt werden soll.The disadvantage of the aforementioned method is that the print head must always be aligned with the earth’s gravitational field and therefore cannot be aligned with the surface to be printed at will without additional measures such as mechanical decoupling of the chamber for aerosol generation and the nozzle. This local separation into several subsystems requires a line system to convey the aerosol flow to the pressure nozzle. This increases the dead volume. In addition, long lines can influence the aerosol (e.g. change in droplet size due to agglomeration and merging of small droplets, deposits of droplets on the walls). The line systems are then contaminated with a substance and must be cleaned or replaced if another fluid is to be printed without contamination.

Eine weitere Einschränkung ergibt sich systembedingt aus dem Aufbau des Druckkopfes. Eine vollständige Reinigung oder Zwischenreinigung (z.B. bei einem Wechsel der zu druckenden Flüssigkeiten) wird insbesondere durch eine apparative Trennung von Aerosolerzeugung und Druckdüse erschwert und ist damit aufwendiger als z.B. ein vergleichbares Inkjet-Drucksystem.A further limitation results from the design of the print head due to the system. A complete cleaning or intermediate cleaning (e.g. when changing the liquids to be printed) is achieved in particular by separating the equipment of aerosol generation and printing nozzle is more difficult and is therefore more complex than, for example, a comparable inkjet printing system.

Stellvertretend für ein Ultraschall-Dosierverfahren wird in US 7.467.751 B2 und US 7,095,018 B2 ein Ultraschall-Plot-System und -Druckverfahren von der Firma Sonoplot Inc. (Middletön, Wisconsin, USA) offenbart.Representing an ultrasonic dosing process, in U.S. 7,467,751 B2 and U.S. 7,095,018 B2 discloses an ultrasonic plotting system and printing method by Sonoplot Inc. (Middleton, Wisconsin, USA).

Wie für das vorgenannte Aerosol-Jet-Drucksystem ist auch für das vorgenannte Ultraschall Dosierverfahren der Bedarf von separaten Teilsystemen zur Förderung des zu druckenden Fluids einschränkend.As for the aforementioned aerosol jet printing system, the need for separate subsystems for conveying the fluid to be printed is also limiting for the aforementioned ultrasonic dosing method.

Eine besondere Herausforderung bei einer Anwendung der zuvor zitierten Technologien stellt die Bedruckung von dreidimensionalen Strukturen auf der Oberfläche eines Substrats dar. Für einen derartigen Druck müssen ein- oder mehrachsige Relativbewegungen zwischen Druckkopf und Substrat ermöglicht werden, beispielsweise mittels eines elektromechanischen Positioniersystems. Dabei treten bei jedem Richtungswechsel Achsbeschleunigungen und -verzögerungen auf, die vom Druckkopf aufgenommen werden. Erfolgt der Druckvorgang zeitgleich mit einer der vorgenannten Achsbeschleunigungen und -verzögerungen wie z.B. mit einem konstanten Aerosolvolumenstrom, variiert die auf das Substrat aufgebrachte Tintenmenge zwangsläufig mit jeder aufgeprägten Änderung. Die Eigenschaften der gedruckten Struktur (z.B. Widerstand einer gedruckten Elektrode) sind beispielweise beim zitierten Aerosol-Jet-Drucksystem abhängig von ihrer Geometrie (z.B. Richtungswechseln, Radien, Längen, Topographie etc.).Printing three-dimensional structures on the surface of a substrate poses a particular challenge when using the aforementioned technologies. For such printing, one- or multi-axis relative movements between the print head and substrate must be enabled, for example by means of an electromechanical positioning system. With each change of direction, axis acceleration and deceleration occur, which are recorded by the print head. If the printing process occurs simultaneously with one of the aforementioned axis accelerations and decelerations, e.g. with a constant volumetric aerosol flow rate, the amount of ink deposited on the substrate will inevitably vary with each applied change. The properties of the printed structure (e.g. resistance of a printed electrode) depend on its geometry (e.g. changes in direction, radii, lengths, topography, etc.) in the cited aerosol jet printing system, for example.

Das zuvor zitierte Aerosol-Jet-Drucksystem und -Druckverfahren für funktionales Drucken offenbart keine Lösung der vorgenannten Problematik, da der Prozess der Aerosol-Erzeugung auf einen gleichbleibenden Aerosol-Massenstrom ausgelegt ist und weder wiederholte Unterbrechungen während des Druckprozesses noch eine Regelung des Aerosol-Massenstroms vorgesehen sind. Ein einfacher Wechsel zwischen unterschiedlichen Fluiden in einem Druckkopf ist ebenfalls nicht vorgesehen.The previously cited aerosol jet printing system and printing method for functional printing does not disclose a solution to the aforementioned problem, since the process of aerosol generation is designed for a constant aerosol mass flow and neither repeated interruptions during the printing process nor regulation of the aerosol mass flow are provided. A simple change between different fluids in a print head is also not provided.

Der zitierte Stand der Technik bezüglich des Ultraschall-Dosierverfahrens zeigt keine Möglichkeit auf, die vorgenannten Strukturen berührungslos zu drucken. Das dort beschrieben Verfahren benötigt eine präzise Abstandsregelung zwischen Düse und Substrat und ist nur für ebene Substrate wie z.B. Silizium-Wafer geeignet.The state of the art cited with regard to the ultrasonic dosing method does not show any possibility of contactless printing of the aforementioned structures. The process described there requires precise distance control between the nozzle and the substrate and is only suitable for flat substrates such as silicon wafers.

Davon ausgehend liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, den vorgenannten Jet-Druckkopf so zu verbessern, dass die vorgenannten Einschränkungen und Nachteile sowie deren Wirkungen vermieden bzw. reduziert werden.Proceeding from this, one object of the invention is to improve the aforementioned jet print head in such a way that the aforementioned limitations and disadvantages and their effects are avoided or reduced.

Insbesondere liegt eine Aufgabe darin, einen Jet-Druckkopf vorzuschlagen, der sich für eine Bedruckung auch von dreidimensionalen Strukturen der eingangs genannten Art eignet.In particular, one object is to propose a jet print head which is also suitable for printing on three-dimensional structures of the type mentioned at the outset.

Eine weitere Aufgabe liegt darin, einen Jet-Druckkopf vorzuschlagen, der sich für einen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen schnelleren Wechsel bei Vermeidung von Kreuzkontaminationen und/oder Flüssigkeitsverschleppung der zu druckenden Flüssigkeiten im Drucksystem eignet.Another object is to propose a jet print head that is suitable for a faster changeover compared to conventional systems while avoiding cross-contamination and/or liquid carryover of the liquids to be printed in the printing system.

Eine weitere Aufgabe liegt darin, ein entsprechendes Druckverfahren insbesondere zum Drucken von Strukturen, bevorzugt funktionalen Strukturen auf einer Oberfläche unter Nutzung des Jet-Druckkopfes vorzuschlagen.A further object is to propose a corresponding printing method, in particular for printing structures, preferably functional structures, on a surface using the jet print head.

Es versteht sich von selbst, dass die genannten Aufgaben sich auch grundsätzlich über entsprechende Verwendungen des Jet-Druckkopfes sowie des Druckverfahrens für die Lösung der genannten Aufgaben erstrecken.It goes without saying that the tasks mentioned also apply in principle to the corresponding uses of the jet print head as well as the printing process for solving the tasks mentioned.

Die Aufgabe wird mit einem Jet-Druckkopf und einem Druckverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. 14 gelöst. Auf diesen bezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.The object is achieved with a jet print head and a printing method having the features of claims 1 and 14, respectively. Subclaims related to this state advantageous configurations.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen und Ausführungen weisen jeweils Merkmale auf, die im Rahmen der Erfindung auch jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination grundsätzlich mit jeder Ausführung zusammensetzbar sind.The advantageous configurations and versions each have features which, within the scope of the invention, can also be combined with any version individually or in any combination.

Die Erfindung basiert auf einem Druckkopf, umfassend eine Kapillare für eine Flüssigkeit als Druckfluid mit einer Düsenöffnung, die in eine Vorkammer mündet. Die Kapillare grenzt unmittelbar oder mittelbar über weitere Komponenten wie z.B. ein elastisches Element und/oder Befestigungsmittel für die Kapillare (z.B. Klemmmittel) an einen Aktor, d.h. sie steht mit diesem in einem Festkörperkontakt. Vorzugsweise ist der Piezoaktor mit der Kapillare fest verbunden. Ferner weist die genannte Vorkammer eine zur Düsenöffnung der Kapillare fluchtende Austrittsöffnung auf, d.h. die Symmetrieachsen von Kapillare und Austrittsöffnung fallen vorzugsweise aufeinander. Weiterhin sind in die Vorkammer ausmündende Eintrittsöffnungen für ein Führungsgas vorgesehen, das gemeinsam mit dem Druckfluid die Vorkammer über die Austrittsöffnung in Richtung einer zu bedruckenden Oberfläche verlässt.The invention is based on a print head comprising a capillary for a liquid as the printing fluid with a nozzle opening which opens into an antechamber. The capillary adjoins an actuator directly or indirectly via other components such as an elastic element and/or fastening means for the capillary (e.g. clamping means), i.e. it is in solid contact with it. The piezoelectric actuator is preferably firmly connected to the capillary. Furthermore, said antechamber has an outlet opening aligned with the nozzle opening of the capillary, i.e. the axes of symmetry of the capillary and outlet opening preferably coincide. Furthermore, inlet openings opening into the antechamber are provided for a guide gas which, together with the pressure fluid, leaves the antechamber via the outlet opening in the direction of a surface to be printed.

Der Aktor ist vorzugsweise ein Piezoaktor. Alternativ eignen insbesondere bei größeren Druckkopfausführungen auch elektromechanische Aktoren oder insbesondere bei sehr kleinen Bauformen auch elektrostatische Aktoren als Aktor.The actuator is preferably a piezo actuator. Alternatively, especially in the case of larger print head designs, electromechanical actuators are also suitable, or in particular in the case of very small designs, electrostatic actuators are also suitable as actuators.

Der Aktor setzt sich in weiteren Ausgestaltungen aus mehreren Komponenten, umfassend auch aktorisch passive Komponenten.In further configurations, the actuator consists of a plurality of components, including also actuator-passive components.

Aktorisch passive Komponenten umfassen z.B. mindestens ein elastisches Element, mindestens ein elastisches Tellerfederelement und/oder mindestens ein elastisches Biegeelement oder Biegestreifen als verbindende Komponente zwischen der Kapillare und dem Druckkopfgehäuse. Sie dienen insbesondere der Führung der Kapillare und lassen vorzugsweise nur eine elastisch um eine Grundstellung nachgiebige unidirektionale axiale Bewegbarkeit der Kapillare im Druckkopfgehäuse zu. Aktorisch passive Komponenten umfassen vorzugsweise auch einen Hebelmechanismus zwischen einer aktorisch aktiven Komponente des Aktors, beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler (Piezoaktor), die vorzugsweise auf der aktorisch passiven Komponenten in Kontakt ist, weiter bevorzugt durch diese mechanisch anregbar sind.Actuator-passive components include, for example, at least one elastic element, at least one elastic cup spring element and/or at least one elastic bending element or bending strip as a connecting component between the capillary and the print head housing. They serve, in particular, to guide the capillary and preferably allow only unidirectional axial mobility of the capillary in the print head housing, which is flexible about a basic position. Actuator-passive components preferably also include a lever mechanism between an actuator-active component of the actuator, for example a piezoelectric transducer (piezoelectric actuator), which is preferably in contact with the actuator-passive components, more preferably can be mechanically excited by them.

Als eine Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, dass die Flüssigkeit aus der Kapillare direkt an der Düsenöffnung erst mit einer axialen Schwingbewegung einer Kapillare zerstäubt wird und mit dem Führungsgas ein Aerosol bildet. Das Aerosol wird also nicht vorkonditioniert in die Vorkammer geleitet, sondern bildet sich in vorteilhafter Weise zu einem möglichst späten Zeitpunkt erst kurz vor dem Druckvorgang in der Vorkammer.As a solution to the problem, it is proposed that the liquid from the capillary is first atomized directly at the nozzle opening with an axial oscillating movement of a capillary and forms an aerosol with the guide gas. The aerosol is thus not conducted into the antechamber in a preconditioned manner, but rather forms in an advantageous manner at as late a point in time as possible just shortly before the printing process in the antechamber.

Die Kapillare, vorzugsweise eine Glaskapillare, ist an mindestens ein Reservoir, vorzugsweise mindestens eine Patrone für die Flüssigkeit (Druckfluid) angeschlossen. Die Kapillare weist somit nicht kontinuierliche oder bevorzugt kontinuierlich fördernde Einspeisemittel für das Druckfluid in die Kapillare auf, vorzugsweise an dem der Düsenöffnung (distale Ende der Kapillare) entgegengesetzten Ende der Kapillare (proximale Ende der Kapillare). Vorzugsweise erfolgt dies mittels einer Zufuhrleitung entweder zur Kapillare berührungslos, beispielsweise durch eine in das genannte proximale Ende der Kapillaren einragende Austrittsöffnung der Zufuhrleitung, oder mittels einer elastischen Schlauchverbindung vorzugsweise zwischen dem proximalen Ende der Kapillare und der genannten Austrittsöffnung der Zufuhrleitung. Die Zufuhrleitung stellt dabei eine Verbindung zwischen mindestens einem Reservoir des zu druckenden Fluids und der Kapillare dar. Die Förderung des Fluids erfolgt vorzugsweise kapillar, d.h. Fluidverluste in der Kapillare über die Düsenöffnung während des Druckvorgangs werden durch kapillares Ansaugen von Fluidbestandteilen ausgeglichen. Eine Ausgestaltung sieht jedoch vor, die Zufuhrleitung mit eigenen aktiven Fluidfördermittel (Förderpumpe) vorzusehen. Eine weitere optionale Ausgestaltung umfasst mindestens eine Mischkammer zum Mischen oder Homogenisieren von Fluidbestandteilen z.B. aus unterschiedlichen Reservoirs und in der Mischkammer zusammengeführt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die genannte Mischkammer funktionell in der Kapillare zu verorten und für jedes beteiligte Reservoir eine separate Zufuhrleitung direkt in die Kapillare vorzusehen.The capillary, preferably a glass capillary, is connected to at least one reservoir, preferably at least one cartridge for the liquid (pressure fluid). The capillary thus has non-continuous or preferably continuously conveying feeding means for the pressure fluid into the capillary, preferably at the end of the capillary (proximal end of the capillary) opposite the nozzle opening (distal end of the capillary). This is preferably done without contact by means of a supply line either to the capillary, for example through a line into the named proximal end of the capillaries protruding outlet opening of the supply line, or by means of an elastic hose connection preferably between the proximal end of the capillary and said outlet opening of the supply line. The supply line represents a connection between at least one reservoir of the fluid to be printed and the capillary. The fluid is preferably conveyed capillary, ie fluid losses in the capillary via the nozzle opening during the printing process are compensated by capillary suction of fluid components. However, one embodiment provides for the feed line to be provided with its own active fluid feed means (feed pump). A further optional configuration comprises at least one mixing chamber for mixing or homogenizing fluid components, for example from different reservoirs and brought together in the mixing chamber. It is within the scope of the invention to locate said mixing chamber functionally in the capillary and to provide a separate supply line directly into the capillary for each reservoir involved.

Vorzugsweise ist die Kapillare für eine bessere Beweglichkeit des Druckkopfes sowie zur Reduzierung der bei einer Positionierbewegung des Druckkopfes erforderlichen bewegbaren Massen über einen vorzugsweise biegeschlaffen Schlauch mit der Zufuhrleitung verbunden. Über den Schlauch wird die Flüssigkeit durch die Kapillare und die Düsenöffnung in die Vorkammer transportiert. Der Transport (Förderung) erfolgt vorzugsweise, d.h. nicht zwingend ohne eine Förderpumpe.The capillary is preferably connected to the supply line via a preferably flexible hose to improve the mobility of the print head and to reduce the movable masses required for a positioning movement of the print head. The liquid is transported via the hose through the capillary and the nozzle opening into the antechamber. The transport (conveyance) preferably takes place, i.e. not necessarily without a feed pump.

Die mindestens eine Einlassöffnung für das Führungsgas ist vorzugsweise seitlich der Kapillare angeordnet. Die Ausrichtung der mindestens einen Einlassöffnung und damit die Einlassöffnung ist zudem bevorzugt in spitzem Winkel zur Symmetrieachse der Kapillare zu der Austrittsöffnung hin ausgerichtet, d.h. die Ausrichtung setzt sich vektoriell aus einem orthogonal und einem parallel zu der Symmetrieachse ausgerichteten Vektor zusammen, wobei der parallele Teilvektor von der Düsenöffnung aus gesehen in Richtung der Austrittsöffnung weist.The at least one inlet opening for the guide gas is preferably arranged at the side of the capillary. The alignment of the at least one inlet opening and thus the inlet opening is also preferably aligned at an acute angle to the axis of symmetry of the capillary towards the outlet opening, ie the alignment consists vectorially of a orthogonal and a vector aligned parallel to the axis of symmetry, the parallel partial vector pointing in the direction of the outlet opening as viewed from the nozzle opening.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kreuzt die genannte Ausrichtung die Symmetrieachse der Kapillare innerhalb der Vorkammer. Ist das zu druckenden Fluid aus der Kapillare eine Flüssigkeit oder eine Suspension, und tritt als gespritzter Strahl aus der Düsenöffnung, kreuzt dieser Strahl die Strömung des Führungsgases. Es kommt beim Zusammentreffen zu einer Aerosolbildung.In a preferred embodiment, said alignment crosses the axis of symmetry of the capillary within the antechamber. If the fluid to be printed from the capillary is a liquid or a suspension and emerges from the nozzle opening as a sprayed jet, this jet crosses the flow of the guide gas. When they meet, an aerosol is formed.

Ein wesentliches Merkmal betrifft die Anordnung des Aktors im Druckkopf, dessen Anordnung zur Kapillare sowie die Ausgestaltung der Aktorbewegung. Der Aktor ist vorzugsweise fest in der Vorkammer des Druckkopfes eingesetzt, weiter bevorzugt gegenüberliegend zur Austrittsöffnung. Die Aktorbewegung dient der Bewegung der Kapillare relativ zur Vorkammer und umfasst Vor- und Zurückbewegungen vorzugsweisenur axial zur Symmetrieachse der Kapillare und Austrittsöffnung. Sie wird neben der Ausgestaltung und Wirkungsrichtung des Aktors auch durch die Fixpunkte, d.h. die Befestigungspunkte des Aktors im Druckkopf einerseits und die durch die Anordnung der Aufnahme für die Kapillare auf, im oder über dem Aktor abseits der Fixpunkte andererseits bestimmt. Vorzugsweise erfolgt die Befestigung zur Fixierung des Piezoaktors in der Vorkammer mittels Klebung, Klemmung oder Verschraubung.A key feature relates to the arrangement of the actuator in the print head, its arrangement in relation to the capillary and the design of the actuator movement. The actuator is preferably fixed in the antechamber of the print head, more preferably opposite to the outlet opening. The actuator movement serves to move the capillary relative to the antechamber and includes forward and backward movements, preferably only axially to the axis of symmetry of the capillary and outlet opening. In addition to the design and direction of action of the actuator, it is also determined by the fixed points, i.e. the attachment points of the actuator in the print head on the one hand and by the arrangement of the receptacle for the capillary on, in or above the actuator away from the fixed points on the other. Preferably, the attachment for fixing the piezoelectric actuator in the antechamber takes place by means of gluing, clamping or screwing.

Ist der Aktor, vorzugsweise ein Piezoaktor als Schwingaktor, vorzugsweise einen in Resonanz betreibbaren Schwingaktor ausgestaltet, umfasst er vorzugsweise einen teller-, scheiben-, ring-, kreuz- oder balkenförmigen Biegeschwingaktor, mindestens einen vorzugsweise ringförmigen Translationsaktor oder einen oder mehrere Scherschwingaktoren mit einer vorzugsweise mittig auf dem Aktor angeordnetenAufnahme für die Kapillare. Um die Aufnahme und damit um die Symmetrieachse der Kapillare und der Austrittsöffnung erstrecken sich symmetrisch, vorzugsweise rotationssymmetrisch der Biegeschwingaktor und die vorgenannten Befestigungspunkte (Fixpunkte) zu der Vorkammer. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, die Befestigungspunkte zur Erzielung möglichst hoher Schwingamplituden als feste Auflager für die Schwingaktoren zu gestalten. Ein Piezo-Biegeschwingaktor, der an beiden Enden vorzugsweise elastisch fixiert ist, erreicht vorzugsweise in seiner Mitte die maximale Amplitude. Sie werden vorzugsweise durch mindestens zwei Einzelpunkte oder insbesondere im Falle eines teller- oder scheibenförmigen Biegeschwingaktors durch Auflagelinien gebildet. Ist ein Aktor nur an einer Seite vorzugsweise fest eingespannt, entsteht die maximale Amplitude am jeweils anderen Ende.If the actuator, preferably a piezo actuator, is designed as an oscillating actuator, preferably an oscillating actuator that can be operated in resonance, it preferably comprises a plate, disc, ring, cross or bar-shaped flexural oscillating actuator, at least one preferably ring-shaped translational actuator or one or more shearing oscillating actuators with a preferably centered on the actuator for the capillary. The oscillating bending actuator and the aforementioned attachment points (fixed points) to the antechamber extend symmetrically, preferably rotationally symmetrically, around the receptacle and thus around the axis of symmetry of the capillary and the outlet opening. A preferred embodiment provides for the attachment points to be designed as fixed supports for the oscillating actuators in order to achieve the highest possible oscillating amplitudes. A piezo bending vibration actuator, which is preferably fixed elastically at both ends, preferably reaches the maximum amplitude in its middle. They are preferably formed by at least two individual points or, in particular in the case of a plate-shaped or disc-shaped oscillating bending actuator, by support lines. If an actuator is preferably firmly clamped on one side only, the maximum amplitude occurs at the other end.

Eine alternative Ausgestaltung des Piezoaktors umfasst einen Schichtstapel von scheibenförmigen Einzelpiezoaktoren, deren Ausschläge sich zu einem Gesamtausschlag addieren. Alternativ lassen sich auch sog. D31-Wandler oder Scheraktoren einsetzen, deren Aktorbewegung quer zum anliegenden elektrischen Feld abgreifbar ist und für die axiale Bewegung der Kapillare herangezogen wird. Gegenüber einem Biegeschwingaktor sind diese Ausgestaltungen wesentlich steifer und eignen sich insbesondere für nichtresonante geführte Aktorbewegungen, beispielsweise für Rechteckschwingungen- oder sägezahnförmige Schwingungen oder einzelne Stoßbewegungen.An alternative configuration of the piezo actuator includes a stack of layers of disk-shaped individual piezo actuators, the deflections of which add up to form an overall deflection. Alternatively, so-called D31 converters or shear actuators can also be used, the actuator movement of which can be tapped transversely to the applied electrical field and is used for the axial movement of the capillary. Compared to a oscillating bending actuator, these configurations are significantly stiffer and are particularly suitable for non-resonant guided actuator movements, for example for square-wave or sawtooth-shaped oscillations or individual impact movements.

Durch den Piezoaktor wird die Kapillare axial vorzugsweise schwingend hin- und her bewegt, und zwar entweder in Resonanz oder einem vorgebbaren bevorzugt zyklischen Kurvenverlauf (Schwingungsverlauf, z.B. Sägezahn, Rechteckverlauf etc.) folgend geführt. Die Kapillare und damit auch deren Düsenöffnung wird so bei jedem Bewegungszyklus vor und zurückbewegt, wobei bei jedem Richtungswechsel, Abbremsung oder Ruck eine Beschleunigung auf die Kapillare und Düsenöffnung und damit auch auf das in der Düsenöffnung befindliche Druckfluid einwirkt. Wird die Düsenöffnung beim Zurückziehen, d.h. um einen distalen, d.h. zur Austrittsöffnung hin gerichteten Richtungswechsel beschleunigt, bewirkt allein die Massenträgheit des Druckfluids ein Herausdrücken von Fluidbestandteilen aus der Düsenöffnung und ein Ablösen von Tropfen oder anderen Fluidbestandteilen insbesondere an der Düsenaustrittsfläche der Kapillaren-Wandung. Mit jedem Schwingungszyklus lösen sich somit Tropfen des Druckfluids von der Düsenöffnung ab und werden vom Führungsgas aufgenommen. Die Anteile des Führungsgases und die abgelösten Bestandteile des Druckfluid bilden ein Aerosol, das von der Vorkammer über die Austrittsöffnung zu der zu bedruckenden Oberfläche geleitet wird. Der Druck erfolgt unmittelbar nach Aerosolbildung, womit sich die Gefahr einer Entmischung vorteilhaft reduziert.The capillary is moved back and forth axially by the piezoelectric actuator, preferably in an oscillating manner, either in resonance or following a predeterminable, preferably cyclic curve (oscillation, eg sawtooth, rectangular, etc.). The capillary and thus also its nozzle opening is moved back and forth with each movement cycle, with each change of direction, deceleration or jerk, an acceleration acts on the capillary and nozzle opening and thus also on the pressure fluid located in the nozzle opening. If the nozzle opening is accelerated during retraction, i.e. by a distal change of direction, i.e. towards the outlet opening, the mass inertia of the pressure fluid alone causes fluid components to be pressed out of the nozzle opening and drops or other fluid components to be detached, particularly on the nozzle outlet surface of the capillary wall. With each oscillation cycle, drops of the pressure fluid are thus detached from the nozzle opening and are absorbed by the guide gas. The components of the guide gas and the detached components of the printing fluid form an aerosol that is conducted from the antechamber via the outlet opening to the surface to be printed. Printing takes place immediately after aerosol formation, which advantageously reduces the risk of segregation.

Speziell für den vorgenannten Prozess ist die fluchtende Anordnung von Düsenöffnung und Austrittsöffnung besonders vorteilhaft, da die sich ablösenden Tropfen aufgrund deren bei der Ablösung vorhandenen Geschwindigkeit und Massenträgheit nicht nur ein Aerosol bilden, sondern auch einen Impuls auf den Aerosolstrom in Richtung der Austrittöffnung und damit der zu druckenden Oberfläche ausüben. Die Aerosolstromgeschwindigkeit ist bereits schon am Düsenaustritt hoch. Mit dem Führungsgasstrom, der sich zunächst um den Aerosolstrom vorzugsweise als Mantelstrom ausbildet und in der Vorkammer zur Austrittsöffnung hin zumindest teilweise auch vermischt, erfolgt eine Fokussierung des Aerosolstroms in Richtung Strahlmitte. Dabei ist es von Vorteil, dass die Tropfen aufgrund einer gegenüber dem Führungsgas wesentlich höheren Dichte wesentlich zu dem Gesamtimpuls des Aerosols beitragen.The aligned arrangement of nozzle opening and outlet opening is particularly advantageous for the aforementioned process, since the detaching droplets not only form an aerosol due to their speed and mass inertia during detachment, but also an impulse on the aerosol flow in the direction of the outlet opening and thus the exercise surface to be printed. The aerosol flow speed is already high at the nozzle exit. With the guide gas flow, which is initially formed around the aerosol flow preferably as a sheath flow and is also at least partially mixed in the antechamber towards the outlet opening, the aerosol flow is focused in the direction of the center of the jet. It is advantageous here that the droplets contribute significantly to the total momentum of the aerosol due to a density that is significantly higher than that of the guide gas.

Bei der vorgenannten Aerosolbildung wird vorzugsweise nur ein Teil des Führungsgasstroms in das Aerosol überführt, d.h. es nimmt die ablösenden Tropfen auf. Der verbleibende Anteil des Führungsgasstroms verlässt aber gemeinsam mit dem gebildeten Aerosolstrom über die Austrittsöffnung die Vorkammer. Da sich der Aerosolstrom aufgrund der vorgenannten Impulsbetrachtung um die Symmetrieachse der Kapillare und damit der Austrittsöffnung konzentriert, wird der verbleibende Anteil des Mantelgasstroms in die Randbereiche der Austrittsöffnung verdrängt und bildet somit einen Mantelstrom um den Aerosolstrom. Dieser Mantelstrom reduziert einen Kontakt von Aerosol zur Innenwandung der Austrittsöffnung, damit ein Anlagern von Aerosolbestandteilen und in vorteilhafter Weise auch ein Zusetzen der Austrittsöffnung mit dem Druckfluid.In the aforementioned aerosol formation, preferably only part of the guide gas flow is transferred into the aerosol, i.e. it absorbs the droplets that are released. However, the remaining portion of the guiding gas flow leaves the antechamber together with the aerosol flow formed via the outlet opening. Since the aerosol flow is concentrated around the axis of symmetry of the capillary and thus around the outlet opening due to the aforementioned momentum consideration, the remaining portion of the sheath gas flow is displaced into the edge areas of the outlet opening and thus forms a sheath flow around the aerosol flow. This bypass flow reduces contact of the aerosol with the inner wall of the outlet opening, thereby reducing accumulation of aerosol components and advantageously also clogging of the outlet opening with the pressurized fluid.

Der Massenstrom des Aerosols ist regelbar, vorzugsweise durch Änderung der Prozessparameter Fluiddruck in der Kapillare, durch die Spannungsamplitude und Frequenz bei der Ansteuerung des Aktors sowie durch Änderung des Ansteuerungssignals z.B. von einer Sinusfunktion zu einer anderen periodischen Funktion (z.B. Sägezahnform, Rechteckform) oder durch eine Überlagerung mit einem phasenverschobenen periodischen Signal.The mass flow of the aerosol can be regulated, preferably by changing the process parameters of fluid pressure in the capillary, by changing the voltage amplitude and frequency when driving the actuator and by changing the control signal, e.g. from a sine function to another periodic function (e.g. sawtooth shape, rectangular shape) or by a Superposition with a phase-shifted periodic signal.

Durch die Amplitude der axialen Hin- und Herbewegung ist der Mengenstrom an abgelösten Tropfen und damit auch die Geschwindigkeit der laufenden Abtrennung und Zerstäubung der der Flüssigkeit, d.h. des Druckfluids an der Düsenöffnung einstellbar und regelbar. Bei gleichbleibender Frequenz sind mit der Amplitudenhöhe insbesondere der Mengenstrom, aber auch die Tropfengröße an abgelösten Tropfen und damit auch die Aerosoleigen,schaften einstellbar.Due to the amplitude of the axial reciprocating movement, the volume flow of detached drops and thus also the speed of the ongoing separation and atomization of the liquid, i.e. the pressure fluid at the nozzle opening, can be adjusted and regulated. With the frequency remaining the same, the amount of flow in particular, but also the droplet size of detached droplets and thus also the aerosol properties, can be adjusted with the amplitude height.

Durch die Frequenz der axialen Hin- und Herbewegung ist insbesondere die Größe der abgelösten Tropfen, ein wesentliches Merkmal für ein sich bildendes Aerosol, einstellbar. Die Frequenz liegt vorzugsweise zwischen 50 kHz bis 2 MHz. Durch auf die Grundschwingung aufgeprägte laterale Oberfrequenzen lässt sich zudem der sich um die Symmetrieachse kegelförmig erstreckende Streubereich der abgelösten Tropfen vergrößern.In particular, the size of the detached droplets, an essential feature of a developing aerosol, can be adjusted by the frequency of the axial reciprocating movement. The frequency is preferably between 50 kHz to 2 MHz. through on In addition, the scattering area of the detached droplets, which extends conically around the axis of symmetry, can be increased by the lateral harmonic frequencies impressed on the fundamental oscillation.

Auch durch eine Gestaltung der Düsenöffnung, insbesondere deren Durchmesser, eines durch eine Bruchkante erzeugte scharfkantigen Kapillarenrands, der Kapillare lässt sich der vorgenannte, sich um die Symmetrieachse kegelförmig erstreckende Streubereich der abgelösten Tropfen voreinstellen. Ebenso ist einen Kapillarenrand, der sich auf einer nicht orthogonal zur Kapillarenachse erstreckt ermöglicht eine Vorzugsrichtung der Ablenkung der abgelösten Tropfen.The aforesaid scattering area of the detached droplets, which extends conically around the axis of symmetry, can also be preset by designing the nozzle opening, in particular its diameter, a sharp-edged capillary edge produced by a breaking edge of the capillary. Likewise, a capillary edge that does not extend orthogonally to the capillary axis enables a preferred direction of deflection of the detached drops.

Das Verhalten der Aerosolerzeugung ist kontrollierbar durch die genannten Prozessparameter. Im endgültigen Einbauzustand reduzieren sich diese Parameter auf folgende Haupteinflussfaktoren: Frequenz, Schwingungsform, Amplitude, Fluiddruck. Wird die Anregung des Piezoelements abgeschaltet, so wird die Aerosol-Erzeugung unterbrochen. Aus der Düse wird keine weitere Flüssigkeit mehr ausgestoßen (weder in Aerosolform noch in einer anderen Form). Dieses binäre Verhalten wird dazu genutzt, bei Bedarf einer Unterbrechung im Druckbild, den Aerosolstrahl abzuschalten ohne dass ein mechanischer Tintenfänger benötigt wird.The behavior of the aerosol generation can be controlled by the process parameters mentioned. In the final installation state, these parameters are reduced to the following main influencing factors: frequency, mode of vibration, amplitude, fluid pressure. If the excitation of the piezo element is switched off, the generation of aerosol is interrupted. No more liquid is ejected from the nozzle (neither in aerosol form nor in any other form). This binary behavior is used to switch off the aerosol jet if there is an interruption in the printed image, without the need for a mechanical ink catcher.

Eine Änderung der einzelnen Parameter Frequenz, Schwingungsform, Amplitude und Fluiddruck oder einer Kombination dieser Parameter, führt zu einer Änderung des Massenstroms des die Düsenöffnung und damit die Austrittsöffnung verlassenden Aerosols (Flüssigkeit), wodurch ein Einfluss von Beschleunigungen der Achsen des Drucksystems auf die Homogenität des Druckbildes (Homogenität der gedruckten Strukturen) ausgeglichen werden können.A change in the individual parameters frequency, mode of oscillation, amplitude and fluid pressure or a combination of these parameters leads to a change in the mass flow of the aerosol (liquid) leaving the nozzle opening and thus the outlet opening, which means that acceleration of the axes of the pressure system has an influence on the homogeneity of the Print image (homogeneity of the printed structures) can be compensated.

Die Kapillare grenzt vorzugsweise an einen Piezoaktor, d.h. sie steht mit diesem in einem Festkörperkontakt. Der Piezoaktor weist bei einer solchen Ausgestaltung eine Aufnahme der Kapillare auf. Die Aufnahme verbindet sich mit der Kapillare und führt auch die gleichen vorzugsweise durch den Piezoaktor aufgeprägten axial oszillierenden oder schwingenden Bewegungen durch. Sie bilden ein gemeinsames Schwingungssystem. Im Falle einer in Resonanz schwingenden Kapillare dient die Aufnahme als Teil der oszillierenden Masse auf dem Schwingaktor.The capillary preferably borders on a piezo actuator, i.e. it is in solid contact with it. In such a configuration, the piezoelectric actuator has a receptacle for the capillary. The receptacle connects to the capillary and also performs the same axially oscillating or oscillating movements that are preferably imposed by the piezoelectric actuator. They form a common vibration system. In the case of a capillary oscillating in resonance, the receptacle serves as part of the oscillating mass on the oscillating actuator.

Eine Ausgestaltung der Aufnahme sieht hierzu vor, den Piezoaktor des Druckkopfes vorzugsweise mit Klemmmittel auszugestalten, in denen die Kapillare kraftschlüssig eingeklemmt wird. Vorzugsweise bestehen diese Mittel aus einer Bohrung im Aktor oder einer auf dem Aktor auf- oder eingesetzten vorzugsweise elastischen Komponente, die mit dem Piezoaktor vorzugsweise eine Übergangspassung vorzugsweise mit Schiebesitz (gem: Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer Verlag, 14. Auflage (1981) S. 339), bilden. Gegenüber fester sitzenden Übergangspassungen oder Presspassungen ist ein manueller Austausch der Kapillare aus dem Druckkopf ohne zusätzliche pressende oder schlagende Werkzeuge und ohne Beschädigungsgefahr der Glaskapillare noch möglich. Eine alternative Ausgestaltung sieht ein mit einem elastischen Klemmelement wie einem Federelement ausgestaltetes Klemmmittel vor, wobei jenes die Kapillare auf dem Piezoaktor auf eine die Kapillarenausrichtung bestimmende Gegenfläche vorzugsweise mit einer Führungsnut oder einem Anschlag für die Kapillare drückt und axial kraft- und/oder reibschlüssig fixiert. Seitens der Kapillare, insbesondere einer Glaskapillare ist bei den vorgenannten Ausgestaltungen zudem ein optionaler die Kapillare umhüllender und über diese fest aufgesetzter (z.B. aufgeklebter oder gepresster) Rohrmantel vorteilhaft, der in seiner Länge weiter bevorzugt auf den Klemmbereich der angreifenden Klemmmittel, der deutlich kürzer als die Kapillarenlänge ist, begrenzt.For this purpose, one embodiment of the receptacle provides for the piezo actuator of the print head to be configured preferably with clamping means in which the capillary is clamped in a non-positive manner. These means preferably consist of a bore in the actuator or a preferably elastic component that is mounted or inserted on the actuator and that preferably has a transition fit with the piezo actuator, preferably with a sliding fit (according to: Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer Verlag, 14th edition (1981 ) p. 339) . Compared to tighter transition fits or press fits, the capillary can still be replaced manually from the print head without additional pressing or striking tools and without the risk of damaging the glass capillary. An alternative embodiment provides a clamping means designed with an elastic clamping element such as a spring element, which presses the capillary on the piezoelectric actuator onto a counter surface that determines the capillary alignment, preferably with a guide groove or a stop for the capillary, and fixes it axially in a non-positive and/or frictional manner. On the part of the capillary, in particular a glass capillary, an optional tube jacket encasing the capillary and firmly attached (e.g. glued on or pressed) over it is advantageous in the aforementioned configurations, which in its length is further preferably limited to the clamping area of the acting clamping means, which is significantly shorter than the length of the capillary.

Man unterscheidet insbesondere im Rahmen der Anmeldung grundsätzlich drei grundlegende mechanische Verbindungsarten, eine kraftschlüssige, eine stoffschlüssige und eine formschlüssige Verbindung, wobei oftmals auch Mischformen zum Einsatz kommen. Eine kraftschlüssige Verbindung zwischen zwei Flächen kennzeichnet sich dadurch, dass die Flächen mit einer Kraft z.B. durch Klemmmittel gegeneinandergedrückt werden und allein durch die Flächenpressung eine Haftreibung erzeugt wird, die die beiden Flächen zueinander fixieren. Ein adhäsiver stofflicher Übergang, wie er bei stoffschlüssigen Verbindungen, beispielsweise bei einer Verschweißung, Verklebung oder Verlötung von zwei Flächen vorkommt, liegt bei einer kraftschlüssigen Verbindung nicht vor. Davon unterscheiden sich formschlüssige Verbindungen, bei welchen Topographien oder Zusatzelemente zwischen den beiden Flächen ineinandergreifen und die Flächen dadurch zusammenhalten. Beispiele hierfür sind Nietverbindungen zwischen zwei Blechen, eine Feder-NutVerbindung oder auch gegen eine Gegenpassung wirkende Elemente wie Stufen, Nuten, Bünde oder Stege.A distinction is made, particularly within the scope of the application, in principle between three basic types of mechanical connection, a non-positive connection, a material connection and a form-fit connection, with mixed forms often also being used. A non-positive connection between two surfaces is characterized by the fact that the surfaces are pressed against one another with a force, e.g. by clamping means, and static friction is generated solely by the surface pressure, which fixes the two surfaces to one another. An adhesive material transition, as occurs in the case of material connections, for example when two surfaces are welded, glued or soldered, does not exist in the case of a non-positive connection. This differs from form-fitting connections, in which topographies or additional elements interlock between the two surfaces and thus hold the surfaces together. Examples of this are riveted connections between two sheets of metal, a tongue and groove connection or elements that act against a mating fit, such as steps, grooves, collars or webs.

Die vorgenannten Klemmmittel vereinfachen eine Austauschbarkeit im Druckkopf. Insbesondere ein Wechsel der zu druckenden Flüssigkeit, aber auch des durch die Ausgestaltung der Düsenöffnung maßgeblich bestimmenden Streubereichs der abgelösten Tropfen ist durch einen Austausch der Kapillare realisierbar. Ein weiterer Vorteil bei einem derartigen Wechsel des Druckmediums und/oder des Streubereichs ist dadurch gewährleistet, dass die Aerosolerzeugung erst bei Bedarf (Aerosol-on-Demand) und erst mit Verlassen der Paste oder der Flüssigkeit der Düsenöffnung in der Vorkammer stattfindet. Dabei dient das in die Vorkammer über die Eintrittsöffnungen eingeleitete Mantelgas nicht nur als eine optionale Komponente des sich bildenden Aerosols, sondern insbesondere als Mantelstrom um das Aerosol herum, und zwar in der Vorkammer wie auch in der nachfolgenden Austrittsöffnung. Dies reduziert den Kontakt des Druckmediums (Paste oder Flüssigkeit) und des dieses enthaltende Aerosols mit den inneren Wandungen der Vorkammer und der Austrittsöffnung und verhindert signifikant deren Kontamination. Jenes erleichtert im Rahmen eines Druckvorgangs wiederum einen Wechsel der zu druckenden Flüssigkeit, da ausser einer Auswechselung der Kapillare sowie der vorgesehenen Einspeisemittel für die zu druckenden Flüssigkeit keine weiteren Reinigungsvorgänge erforderlich sind.The aforementioned clamping means simplify interchangeability in the print head. In particular, a change in the liquid to be printed, but also in the scattering range of the detached drops, which is decisively determined by the design of the nozzle opening, can be implemented by exchanging the capillary. A further advantage of such a change of the pressure medium and/or the scattering area is ensured by the fact that the aerosol is only generated when required (aerosol-on-demand) and only when the paste or the liquid leaves the nozzle opening in the antechamber. The in the antechamber via the inlet openings introduced jacket gas not only as an optional component of the forming aerosol, but in particular as a jacket flow around the aerosol, namely in the antechamber as well as in the subsequent outlet opening. This reduces the contact of the pressure medium (paste or liquid) and the aerosol containing it with the inner walls of the antechamber and the outlet opening and significantly prevents their contamination. This in turn makes it easier to change the liquid to be printed during a printing process, since no further cleaning processes are required apart from replacing the capillary and the feed means provided for the liquid to be printed.

Eine weitere Ausgestaltung der Aufnahme der Kapillare sieht vor, zwischen Kapillare der Aufnahme und Piezoaktor und/oder einem elastischen Element zusätzlich eine in axialer zur Symmetrieachse formschlüssig wirkende Gestaltung vorzusehen. Diese umfasst beispielsweise fest mit der Kapillare verbundene oder an diese angeformte Stufen oder Stege, die in eine mit dieser in Gegenpassung vorgesehene Gestaltung der Kapillarenaufnahme oder der Klemmmittel axial als einseitig oder beidseitig orientierter Anschlag formschlüssig eingreift. Es bietet sich an, den vorgenannten umhüllenden Rohrmantel entsprechend mit umlaufenden Nuten oder Bünden zu versehen oder die Endbereiche des Rohrmantels für eine formschlüssige axiale Fixierung zu nutzen. Der besondere Vorteil dieser vorzugsweise zusätzlichen Ausgestaltung ist, dass einerseits mögliche auf eine axiale Bewegung dämpfend wirkende Rutschvorgänge zwischen Aufnahme und Kapillare unterbunden oder reduziert werden, andererseits eine Positionierung der Kapillare in die Vorkammer bei einem Austausch oder Montage einer Kapillare aufgrund des formschlüssigen Anschlags in vereinfachter Weise reproduzierbar wird.A further configuration of the receptacle of the capillary provides for an additional design acting in an axially positive manner with respect to the axis of symmetry to be provided between the capillary of the receptacle and the piezoelectric actuator and/or an elastic element. This includes, for example, steps or webs firmly connected to the capillary or formed onto it, which positively engages in a design of the capillary receptacle or the clamping means provided with this in mating fit as a stop oriented on one side or both sides. It is advisable to provide the aforementioned enveloping pipe jacket with circumferential grooves or collars or to use the end areas of the pipe jacket for a form-fitting axial fixation. The particular advantage of this preferably additional configuration is that, on the one hand, possible slipping processes between the receptacle and the capillary that have a dampening effect on an axial movement are prevented or reduced, and on the other hand, positioning of the capillary in the antechamber when replacing or installing a capillary is simplified due to the form-fitting stop becomes reproducible.

Die durch die Kapillare geleitete Paste oder Flüssigkeit ist das zu druckende Material. Es liegt einphasig oder, beispielsweise als Suspension, mehrphasig vor. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dabei auch mehrphasige, miteinander reagierende Komponenten vorzusehen, die vorzugsweise aus zwei oder mehreren separaten Reservoirs entnommen werden und zwischen Reservoir und Düsenöffnung zusammengeführt und da vorzugsweise auch vermischt oder suspendiert werden. Beispielhaft werden hier Mehrkomponentenepoxidharze genannt, deren Komponenten wie bei anderen Mehrstoffsystemen vorzugsweise in der Kapillare vermischt, als Mischung über die Düsenöffnung in die Vorkammer, von dort über die Austrittsöffnung auf die zu bedruckende Oberfläche geleitet werden und erst auf der Oberfläche aushärten.The paste or liquid passed through the capillary is the material to be printed. It is present in one phase or, for example as a suspension, in multiple phases. It is within the scope of the invention to also provide multiphase components that react with one another, which are preferably taken from two or more separate reservoirs and brought together between the reservoir and the nozzle opening and are preferably also mixed or suspended there. As an example, multi-component epoxy resins are mentioned here, the components of which, like in other multi-component systems, are preferably mixed in the capillary, fed as a mixture through the nozzle opening into the antechamber, from there through the outlet opening onto the surface to be printed and only harden on the surface.

Eine weitere Ausgestaltung des Druckkopfes sieht vor, Mittel zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes orthogonal zu der Symmetrieachse an der Austrittsöffnung vorzusehen. Damit wird die Möglichkeit gegeben den Aerosolstrom nach einer optionalen Ionisierung weiter zu manipulieren, insbesondere abzulenken, zu fokussieren oder weiter zu zerstäuben. Vorzugsweise umfassen die Mittel hierzu Elektroden in oder um die Austrittsöffnung.A further embodiment of the print head provides means for generating an electrostatic field orthogonal to the axis of symmetry at the outlet opening. This gives the opportunity to further manipulate the aerosol stream after an optional ionization, in particular to deflect it, to focus it or to further atomize it. The means for this purpose preferably comprise electrodes in or around the outlet opening.

Eine weitere Ausgestaltung des Druckkopfes sieht vor, Mittel zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes parallel oder konzentrisch zu der Symmetrieachse an der Austrittsöffnung vorzusehen. Während die eine Elektrode orthogonal zur Symmetrieachse um die Austrittsöffnung angeordnet ist, wird die zweite Elektrode durch ein elektrisch leitfähiges zu bedruckende Substrat als Ganzes oder einen Teil davon oder im Falle eines elektrisch nicht leitfähigen Substrats (z.B. Polymerfolien) durch elektrisch leitfähige Zusatzelemente wie z.B. eine Zwischenplatte oder -schicht im oder unter dem Substrat gebildet. Eine solche Elektrodenanordnung dient vorzugsweise der Fokussierung auf das Substrat.A further configuration of the print head provides for providing means for generating an electrostatic field parallel or concentric to the axis of symmetry at the outlet opening. While one electrode is arranged orthogonally to the axis of symmetry around the outlet opening, the second electrode is covered by an electrically conductive substrate to be printed as a whole or part of it or, in the case of an electrically non-conductive substrate (e.g. polymer films), by electrically conductive additional elements such as an intermediate plate or layer in or under the substrate educated. Such an electrode arrangement is preferably used for focusing on the substrate.

Die Lösung der genannten Aufgabe umfasst ferner auch ein Druckverfahren für das Drucken einer Struktur, vorzugsweise einer erhabenen Struktur auf eine Oberfläche bei Verwendung eines vorgenannten Druckkopfes. Dabei wird über die Kapillare eine Flüssigkeit oder eine Paste über die Düsenöffnung in die Vorkammer geleitet, wobei die Düsenöffnung über einen Piezoaktor hin- und herbewegt wird, wobei die Flüssigkeit oder die Paste an der Düsenöffnung laufend als Fluidtröpfchen abgetrennt und zerstäubt wird. Über die mindestens eine Einlassöffnung wird ein Führungsgas in die Vorkammer um die Kapillare eingeleitet wird, wobei sich das Führungsgas zu einem ersten Anteil in der Vorkammer mit den Fluidtröpfchen zu einem Aerosolstrom zusammensetzt und zu einem zweiten Anteil zwischen Düsenöffnung und Austrittsöffnung einen Mantelstrom um den Aerosolstrom bildet. Vorzugsweise überwiegt dabei der zweite Anteil den ersten Anteil, wobei in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erste Anteil nicht vorhanden ist oder nahezu Null ist (zweiter Anteil über 95%). Der vom Mantelstrom umgebene und fokussierte Aerosolstrom wird daraufhin über die Austrittsöffnung aus der Vorkammer auf eine Oberfläche eines Substrats geleitet, wo die Fluidtröpfchen auf die Oberfläche aufgetragen werden.The solution to the stated object also includes a printing method for printing a structure, preferably a raised structure, on a surface when using an aforementioned print head. A liquid or a paste is conducted via the capillary via the nozzle opening into the antechamber, the nozzle opening being moved back and forth via a piezoelectric actuator, the liquid or the paste being continuously separated as fluid droplets and atomized at the nozzle opening. A guide gas is introduced into the antechamber around the capillary via the at least one inlet opening, with the guide gas being composed of a first portion in the antechamber with the fluid droplets to form an aerosol flow and a second portion between the nozzle opening and the outlet opening forming a sheath flow around the aerosol flow . The second proportion preferably predominates over the first proportion, with the first proportion not being present or being almost zero (second proportion over 95%) in a particularly preferred embodiment. The aerosol stream, which is surrounded and focused by the sheath stream, is then directed via the exit opening from the antechamber onto a surface of a substrate, where the fluid droplets are applied to the surface.

Vorzugsweise bildet sich aus Schwingaktor, Kapillare mit der darin enthaltenen Flüssigkeit oder Paste und der Aufnahme für die Kapillare sowie ggf. weiteren mitschwingenden Komponenten (z.B. Fluidanschluss) ein Schwingungssystem, das weiter bevorzugt in einer Resonanzschwingung angeregt wird.An oscillating system is preferably formed from the oscillating actuator, capillary with the liquid or paste contained therein and the receptacle for the capillary and possibly other oscillating components (e.g. fluid connection), which is more preferably excited in a resonance oscillation.

Der beschriebene Druckkopf und das Druckverfahren weisen die weiteren folgenden Vorteile auf:

  1. 1. Das bauartbedingte geringe Volumen und damit auch das geringe ungenutzte Totvolumen (Volumina, in denen sich aber insbesondere Flüssigkeitsbestandteile anreichern und im ungünstigen Fall auch für längere Zeit festsetzen können) der fluidführenden Bauteile ermöglicht geringe Flüssigkeitsverluste beim Drucken wie auch eine bessere Dosierbarkeit und Mischeinstellungen auch geringerer Flüssigkeitsmengen.
  2. 2. Durch die kurzen Wege und Zeiten zwischen der Aerosolbildung und dem Aufdrucken ist eine Eliminierung von größeren Tropfen oder Agglomeraten der Flüssigkeit oder Homogenisierung des Aerosols nicht erforderlich.
  3. 3. Damit sind auch komplexe Führungen des Druckkopfes während des Druckvorgangs ohne mechanische Entkopplung der Aerosolerzeugung möglich, insbesondere auch ein Überkopf-Druck.
  4. 4. Eine Reduzierung der Aerosol führenden Komponenten und die Aerosolführung im Druckkopf ermöglichen eine reduzierte Kontaminierung dieser mit Aerosol, was wiederum einen Wechsel des zu druckenden Druckmediums während des Druckvorgangs signifikant vereinfacht und beschleunigt.
  5. 5. Es wird kein zusätzlicher Tintenfänger oder Shutter an der Austrittsöffnung benötigt, um Unterbrechungen im Druckbild erzielen zu können. Dies beruht auf dem binären Verhalten der neuen Einrichtung zur Aerosolerzeugung (Aerosol-on-Demand).
  6. 6. Es wird kein Aerosol-Konzentrator mehr benötigt.
  7. 7. Die Reinigung des Druckkopfes bzw. der Wechsel desselben nach Wechsel der zu druckenden Flüssigkeit ist nicht mehr notwendig. Es genügt, die Kapillare aus dem Druckkopf auszutauschen (sowie den Fluidanschluss mit Tintenkartusche außerhalb des Druckkopfes). Dabei handelt es sich um kostengünstige Standard-Einwegkomponenten. Dies beruht auf der Klemmvorrichtung für Glaskapillaren der neuen Einrichtung zur Aerosolerzeugung.
  8. 8. Die vorgenannten Ausgestaltungen mit kurzen Wegen zwischen Düsenöffnung und Austrittsöffnung sowie der Mantelstrom reduzieren die Einflüsse der Gravitationskräfte während des Druckvorgangs. Durch Anpassung der Prozessparameter kann somit auch über Kopf gedruckt werden, ohne dass eine mechanische Trennung von Aerosol-Erzeugung und Druckdüse notwendig ist. Dies begünstigt wiederum ein kompakteres Design des Druckkopfes.
The printhead and the printing process described have the following additional advantages:
  1. 1. The design-related low volume and thus also the low unused dead volume (volumes in which liquid components in particular accumulate and, in the worst case, can also settle for a longer period of time) of the fluid-carrying components enables low liquid losses during printing as well as better dosing and mixing settings lower amounts of liquid.
  2. 2. Due to the short distances and times between aerosol formation and printing, it is not necessary to eliminate larger droplets or agglomerates of the liquid or to homogenize the aerosol.
  3. 3. Complex guidance of the print head during the printing process is thus also possible without mechanical decoupling of the aerosol generation, in particular overhead printing.
  4. 4. A reduction in the aerosol-carrying components and the aerosol routing in the print head enable reduced contamination of these with aerosol, which in turn significantly simplifies and accelerates changing the print medium to be printed during the printing process.
  5. 5. No additional ink catcher or shutter is required at the exit opening in order to be able to achieve interruptions in the printed image. This is based on the binary behavior of the new device for aerosol generation (aerosol-on-demand).
  6. 6. No more aerosol concentrator needed.
  7. 7. It is no longer necessary to clean the print head or change it after changing the liquid to be printed. It is sufficient to replace the capillary from the printhead (and the fluid connection with the ink cartridge outside the printhead). These are inexpensive, standard, single-use components. This is due to the glass capillary clamping device of the new aerosol generation facility.
  8. 8. The aforementioned configurations with short distances between the nozzle opening and the outlet opening as well as the bypass flow reduce the influence of the gravitational forces during the printing process. By adjusting the process parameters, it is also possible to print overhead without the need for a mechanical separation of the aerosol generation and the print nozzle. This in turn favors a more compact design of the print head.

Dank einer bevorzugten Klemm-Verbindung zwischen Kapillare und Piezo-Element, ist ein Austausch aller Fluid führenden Bauteile vorzugsweise als Einweg-Komponenten gegenüber dem vorgenannten Stand der Technik einfacher und damit schneller und/oder wirtschaftlicher zu gestalten. Die sonst oft langwierige Reinigung reduziert sich aufgrund der späten Aerosolbildung, der geringen grundsätzlich kurzen Wege und damit entsprechend kleinen mit Aerosol kontaminierbaren Oberflächen- und Volumenbereiche (einschließlich der vorgenannten Totvolumina) zwischen Düsenaustritt und Austrittsöffnung sowie der vorgenannten durch das Führungsfluid insbesondere als Mantelstrom um das Aerosol bewirkenden Reduzierung einer Kontaminierungsgefahr in diesen Oberflächenbereichen auf ein Minimum. Dies ist ebenso vorteilhaft für einen schnellen und wirtschaftlichen Wechsel des Druckmediums (Flüssigkeit oder Paste aus der Kapillare) durch einen Kapillarenaustausch während eines Druckvorgangs als auch für eine signifikante Reduzierung der Ausfallwahrscheinlichkeit durch laufende Ablagerungen von Druckmedium in der Ausgangsöffnung und der Vorkammer bis hin zu einer vollständigen Verstopfung. Da das Aerosol direkt nach Austritt aus der Kapillare durch den Führungsgasstrom und/oder durch elektrische Felder vorzugsweise fokussiert wird, findet keine Kontaminierung weiterer Teile des Druckkopfes, insbesondere der Fokussierdüse, statt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, ein und denselben Drucckopf für unterschiedliche Druckmedien (Pasten, Flüssigkeiten, z.B. Fluide, Tinten) verwenden zu können ohne Querkontaminationen zwischen diesen Druckmedien riskieren zu müssen. Dies -ist besonders interessant für eine bevorzugte Verwendung des Druckkopfes und/oder des Druckverfahrens für die Erstellung von gedruckter Elektronik (Leiterbahnen, Bauteile etc.) oder für biologische oder chemisch aktive Beschichtungen.Thanks to a preferred clamping connection between the capillary and the piezo element, replacing all the fluid-carrying components, preferably as disposable components, is simpler and therefore quicker and/or more economical than the prior art mentioned above. The otherwise often tedious cleaning is reduced due to the late aerosol formation, the small, fundamentally short paths and thus correspondingly small surface and volume areas that can be contaminated with aerosol (including the aforementioned dead volumes) between the nozzle outlet and the outlet opening, as well as the aforementioned through the guiding fluid, in particular as a sheath flow around the aerosol effecting reduction of a risk of contamination in these surface areas to a minimum. This is just as advantageous for a quick and economical change of the pressure medium (liquid or paste from the capillary) by replacing the capillary during a printing process, as well as for a significant reduction in the probability of failure due to ongoing deposits of pressure medium in the outlet opening and the antechamber, up to a complete one Constipation. Since the aerosol is preferably focused directly after exiting the capillary by the guide gas flow and/or by electric fields, no contamination of other parts of the print head, in particular the focusing nozzle, takes place. This makes it possible to use one and the same print head for different print media (pastes, liquids, eg fluids, inks) without having to risk cross-contamination between these print media. This is of particular interest for a preferred use of the print head and/or the printing process for the production of printed electronics (conductor tracks, components, etc.) or for biologically or chemically active coatings.

Die Erfindung wurde in verschiedenen Ausgestaltungen erprobt. Sowohl Klemm- als auch Klebeverbindungen zwischen einem Piezo-Element und einer Glaskapillare wurden bereits erfolgreich getestet. Dabei kamen die drei folgenden Modi der Aerosolerzeugung zum Einsatz:

  • Stabiler sehr starker und sehr dünner Aerosolstrahl aus der Glaskapillare. Die Strahlrichtung scheint durch Unebenheiten von Funktionsmustern der Glaskapillaren vorgegeben zu sein. Die Tropfengröße ist kleiner 1 um.
  • Breiter glockenartiger Aerosolnebel am Austritt der Glaskapillare. Die Tropfengröße ist größer als beim vorhergehend beschrieben Aerosolstrahl.
  • Stabile sehr starke und sehr dünne Aerosolstrahlen die unter 90° zur Kapillar-Achse aus deren Spitze austreten. Die Strahlrichtung scheint durch Unebenheiten von Funktionsmustern der Glaskapillaren vorgegeben zu sein. Die Tropfengröße ist kleiner 1 um.
The invention was tested in various configurations. Both clamp and adhesive connections between a piezo element and a glass capillary have already been successfully tested. The following three modes of aerosol generation were used:
  • Stable, very strong and very thin aerosol jet from the glass capillary. The direction of the beam seems to be determined by the unevenness of the functional patterns of the glass capillaries. The droplet size is less than 1 µm.
  • Broad, bell-like aerosol mist at the exit of the glass capillary. The droplet size is larger than in the aerosol jet described above.
  • Stable, very strong and very thin aerosol jets that emerge from the tip at 90° to the capillary axis. The direction of the beam seems to be determined by the unevenness of the functional patterns of the glass capillaries. The droplet size is less than 1 µm.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, den folgenden Figuren und Beschreibungen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale und deren Kombinationen sind nicht nur auf diese Ausführungsbeispiele und deren Ausgestaltungen begrenzt. Vielmehr sind diese stellvertretend für weitere mögliche, aber nicht explizit als Ausführungsbeispiele dargestellte weitere Ausgestaltungen kombinierbar. Es zeigen

  • Fig.1a und b je eine schematische Schnittdarstellung eines Druckkopfes,
  • Fig.2a bis e in schematischer Detaildarstellung verschiedene Ausgestaltungen der Aufhängung der Kapillare im Druckkopfgehäuse mit Translationsaktoren (a) bis (c), Biegeaktoren (d) sowie Scheraktoren (e), die die Funktion des Aktors sowie des elastischen Elements vereinen,
  • Fig.3a bis e schematische Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen der Aufhängung der Kapillare im Druckkopfgehäuse mit separaten elastischen Elementen und separaten Aktoren,
  • Fig.4 eine schematische Anordnung einer Kapillare mit Bund in einer Aufnahme sowie
  • Fig.5a bis d in prinzipieller Schnittdarstellung mögliche Anordnung einer Kapillare in einer mit Klemmmitteln ausgestalteter Aufnahme.
The invention is explained in more detail using exemplary embodiments, the following figures and descriptions. The features shown and their combinations are not only limited to these exemplary embodiments and their configurations. Rather, these can be combined to represent other possible configurations that are not explicitly shown as exemplary embodiments. Show it
  • Fig.1a and b each a schematic sectional view of a print head,
  • Fig.2a to e in a schematic detailed representation of various configurations of the suspension of the capillary in the print head housing with translation actuators (a) to (c), bending actuators (d) and shear actuators (e), which combine the function of the actuator and the elastic element,
  • Figure 3a to e schematic representations of different configurations of the suspension of the capillary in the print head housing with separate elastic elements and separate actuators,
  • Fig.4 a schematic arrangement of a capillary with collar in a recording and
  • Fig.5a to d in a basic sectional representation of a possible arrangement of a capillary in a receptacle equipped with clamping means.

Fig.1a und b geben schematisch einen Druckkopf in zwei Ausgestaltungen des Druckkopfes wieder. Zentrale Komponenten des Druckkopfes sind das Druckkopfgehäuse 1 mit einer Austrittsöffnung 2 sowie die in dieser konzentrisch um eine Symmetrieachse 3 oder im Falle einer Flachdüse einer Symmetrieebene 6 axial beweglich aufgehängten Kapillare 4 mit einer Düsenöffnung 5. Zwischen Düsenöffnung 5 und Austrittsöffnung 2 ist im Druckkopfgehäuse 1 eine Vorkammer 8 angeordnet. Die Kapillare 4 ist im Gehäuse über mindestens ein elastisches Element 7 aufgehängt und entlang der Symmetrieachse bzw. Symmetrieebene axial geführt. Die Kapillare 4 wird in der dargestellten Ausgestaltung in einer separaten Aufnahme 9, vorzugsweise mit Klemmmitteln versehen, fixiert. Dreh- und Kippbewegungen der Kapillare sind nicht oder nur mit hohen Kräften möglich. Die elastische Nachgiebigkeit der so gebildeten Aufhängung der Kapillare ist in axialer Richtung wesentlich höher als orthogonal zu vorgenannter Symmetrieachse oder Symmetrieebene. Zumindest eines der elastischen Elemente ist zudem mit einem Aktor 10 ( Fig.1a ) verbunden oder bildet mit diesem eine konstruktive Einheit. Beispielsweise wird hierzu das elastische Element wird durch den Aktor gebildet ( Fig.1b ). Fig.1a and b schematically represent a print head in two configurations of the print head. The central components of the print head are the print head housing 1 with an outlet opening 2 and the capillary 4 with a nozzle opening 5 , which is suspended concentrically about an axis of symmetry 3 or, in the case of a flat nozzle , a plane of symmetry 6 so that it can move axially Antechamber 8 arranged. The capillary 4 is suspended in the housing via at least one elastic element 7 and guided axially along the axis of symmetry or plane of symmetry. In the embodiment shown, the capillary 4 is fixed in a separate receptacle 9, preferably provided with clamping means. Rotating and tilting movements of the capillary are not possible or only possible with high forces. The elastic compliance of the suspension formed in this way The capillary is significantly higher in the axial direction than orthogonally to the aforementioned axis of symmetry or plane of symmetry. At least one of the elastic elements is also equipped with an actuator 10 ( Fig.1a ) connected or forms a constructive unit with it. For example, the elastic element is formed by the actuator ( Fig.1b ).

Ferner weist das Druckkopfgehäuse 1 mindestens eine Einlassöffnung 11 für ein Führungsgas sowie eine Einspeisemittel 12 für die zu druckende Flüssigkeit auf. Die Strömungsverläufe für das Führungsgas 13 und für die zu druckenden Flüssigkeit 14 sind in Fig.1a und b angegeben. Die Einlassöffnungen sind wie beispielhaft dargestellt, vorzugsweise seitlich um die Kapillare 4 und zur Ausbildung einer Mantelströmung in der Vorkammer proximal zu der Düsenöffnung 5 angeordnet. Die Auf-' hängung der Kapillare im Druckkopf, umfassend die vorgenannten elastischen Elementen und den Aktor, müssen, sofern sie distal zu den Einlassöffnungen 11 angeordnet sind, axial um- oder durchströmbar, d.h. ggf. mit axial durchströmbaren Aussparungen versehen sein.Furthermore, the print head housing 1 has at least one inlet opening 11 for a guide gas and a feed means 12 for the liquid to be printed. The flow paths for the guide gas 13 and for the liquid 14 to be printed are shown in Fig.1a and b indicated. As shown by way of example, the inlet openings are preferably arranged laterally around the capillary 4 and proximal to the nozzle opening 5 in order to form a sheath flow in the antechamber. The suspension of the capillary in the print head, comprising the aforementioned elastic elements and the actuator, must, if they are arranged distally to the inlet openings 11 , allow flow to flow axially around or through them, ie possibly be provided with cutouts through which flow can flow axially.

Die in Fig.1a dargestellten Einlassöffnungen 11 führen seitlich in das Druckkopfgehäuse. Die Anschlüsse der Einlassöffnungen sind damit seitlich angeordnet, womit ein größerer proximaler Deckelbereich 15 oberhalb der Einlassöffnungen gelegen für Ausgestaltungen zugunsten einer besseren Austauschbarkeit der Kapillare einschließlich der Einspeisemittel 12 zur Verfügung Steht. Eventuelle nicht vom Führungsgas durchströmte Totvolumina 16 lassen sich allgemein und insbesondere im genannten Deckelbereich konstruktiv durch eine entsprechende Gestaltung des Druckkopfgehäuses 1 oder durch nichtdargestellte Komponenten (z.B. einen Deckelverschlusssystem) minimieren. Das Druckkopfgehäuse 1 ist grundsätzlich durch eine nicht weiter dargestellte Ausgestaltung z.B. für einen Austausch der Kapillare zerlegbar oder öffnungsfähig. Vorzugsweise ist der Deckelbereich 15 von dem restlichen Drucckopfgehäuse entfernbar, während das Druckkopfgehäuse beispielsweise über seine Mantelflächen gehalten wird.In the Fig.1a inlet openings 11 shown lead laterally into the print head housing. The connections of the inlet openings are thus arranged laterally, with the result that a larger proximal cover area 15 located above the inlet openings is available for configurations in favor of better interchangeability of the capillary including the feed means 12 . Any dead volumes 16 through which the guide gas does not flow can be minimized in general and in particular in the mentioned cover area by a corresponding design of the print head housing 1 or by components that are not shown (eg a cover closure system). The print head housing 1 is basically a non-illustrated embodiment, for example, for a Replacing the capillary can be dismantled or opened. The cover area 15 can preferably be removed from the rest of the print head housing, while the print head housing is held, for example, via its lateral surfaces.

Fig.1b zeigt dagegen ein Ausgestaltungsbeispiel, bei dem die Einlassöffnungen 11 im proximalen Deckelbereich 15 in unmittelbarer Nähe zum Einspeisemittel 12 angeordnet sind. Damit sind die Einlassöffnungen nicht mehr wie in Fig.1a dargestellt an der Mantelfläche des Druckkopfgehäuses angeordnet, womit die Mantelfläche in vorteilhafter Weise für die Handhabung des Druckkopfgehäuses in einer Druckvorrichtung zur Verfügung steht, d.h. auch universeller einspannbar und auswechselbar ist. Ferner unterstützt diese Anordnung eine schlankere Bauform des Druckkopfgehäuses, was z.B. einer engeren Anordnung mehrerer Druckkopfgehäuse und auch einer Magazinierung derselben entgegenkommt. Auch ist das Druckkopfgehäuse als solches besser in einer Druckvorrichtung oder mittels eines Manipulators bewegbar und ausrichtbar, wenn die Anschlüsse gebündelt sind, d.h. in einen Anschlussstrang zusammengefasst werden, dessen Realisierung durch die vorgenannte nahe Anordnung der Einlassöffnungen 11 im proximalen Deckelbereich 15 in unmittelbarer Nähe zum Einspeisemittel begünstigt wird. Auch ist diese Anordnung von Vorteil, wenn die Anschlüsse der Einlassöffnungen und der Einspeisemittel z.B. bei einem Kapillarenwechsel gemeinsam gewechselt werden müssen, z.B. wenn das Führungsgas und die zu druckenden Flüssigkeit z.B. reaktionschemisch aufeinander abgestimmt werden müssen. Außerdem sind die Anschlüsse kompakter gestaltbar, das Druckkopfgehäuse 1 damit besser greifbar, was wiederum der Integration des Druckkopfes als Ganzes in ein Manipulator- oder Robotersystem sehr zugute kommt. Fig.1b FIG. 12, on the other hand, shows an embodiment in which the inlet openings 11 are arranged in the proximal cover area 15 in the immediate vicinity of the feed means 12. FIG . This means that the intake openings are no longer as in Fig.1a shown arranged on the lateral surface of the print head housing, whereby the lateral surface is advantageously available for handling the print head housing in a printing device, ie it can also be universally clamped and exchanged. Furthermore, this arrangement supports a slimmer design of the print head housing, which, for example, accommodates a closer arrangement of a plurality of print head housings and also storage of the same. The print head housing as such can also be moved and aligned better in a printing device or by means of a manipulator if the connections are bundled, i.e. combined in a connection line, the realization of which is achieved by the aforementioned close arrangement of the inlet openings 11 in the proximal cover area 15 in the immediate vicinity of the feed means is favored. This arrangement is also advantageous if the connections of the inlet openings and the feed means have to be changed together, for example when changing capillaries, for example if the guide gas and the liquid to be printed have to be matched to one another, for example chemically. In addition, the connections can be made more compact, so that the print head housing 1 is easier to grasp, which in turn is very beneficial for the integration of the print head as a whole in a manipulator or robot system.

Die genannte Aufhängung für die Kapillare in dem Druckkopfgehäuse umfasst mindestens ein elastisches Element, mindestens einen Aktor, vorzugsweise auch eine separate Aufnahme für die Kapillare. Die Aufnahme umfasst weiter bevorzugt Klemmmittel für eine kraftschlüssige Fixierung der Kapillare. Optional weist die Kapillare an der Mantelaußenfläche mindestens eine dreidimensionale Oberflächenstruktur auf, die von der Aufnahme mittels einer dieser Oberflächenstruktur zumindest teilweise entsprechenden Negativstruktur formschlüssig haltbar ist.Said suspension for the capillary in the print head housing comprises at least one elastic element, at least one actuator, preferably also a separate receptacle for the capillary. The receptacle further preferably comprises clamping means for a non-positive fixation of the capillary. Optionally, the capillary has at least one three-dimensional surface structure on the outer surface of the jacket, which can be held in a form-fitting manner by the receptacle by means of a negative structure that at least partially corresponds to this surface structure.

Fig.2a bis e zeigen beispielhaft im Detail verschiedene Ausgestaltungen der Aufhängung der Kapillare im Druckkopfgehäuse mit Translationsaktoren (a) bis (c), Biegeaktoren (d) sowie Scheraktoren (e), bei denen die Funktion des Aktors sowie des elastischen Elements vereint sind. Fig.2a to e show examples in detail of various configurations of the suspension of the capillary in the print head housing with translation actuators (a) to (c), bending actuators (d) and shear actuators (e), in which the function of the actuator and the elastic element are combined.

Fig.2a zeigt eine Ausgestaltung mit einem einseitigen Translationsaktor, beispielsweise einen piezoelektrischen Aktor vom Typ d31 (Transversalaktor) oder vom Typ d33 (Longitudinalaktor, in Einschicht- oder Mehrschichtbauweise), der auf einen Vorsprung 17 an der Innenwandung des Druckkopfgehäuses angesetzt ist und gegen ein Kapillarenaufnahmeelement 18 wirkt. Die dargestellte einseitige Anordnung des Aktors eignet sich nur für geführte Aktorbewegungen im nicht resonanten Frequenzbereich. Eine Ausgestaltung sieht jedoch vor, zwei oder mehrere gleichartige dieser vorgenannten Translationsaktoren beidseitig zu einer Kapillare bzw. im regelmäßigen Abstand zueinander umlaufend zu einer in diesem Fall rotationssymmetrischen Kapillare anzuordnen und synchron zu betreiben, womit eine Achsensymmetrie um die Kapillare hergestellt und damit auch ein Resonanzbetrieb möglich ist. Fig.2a shows an embodiment with a one-sided translation actuator, for example a piezoelectric actuator of type d31 (transversal actuator) or type d33 (longitudinal actuator, in single-layer or multi-layer construction), which is attached to a projection 17 on the inner wall of the print head housing and acts against a capillary receiving element 18 . The one-sided arrangement of the actuator shown is only suitable for guided actuator movements in the non-resonant frequency range. However, one embodiment provides for two or more of the aforementioned translation actuators to be arranged on both sides of a capillary or at a regular distance from one another circumferentially around a capillary that is rotationally symmetrical in this case and to be operated synchronously, which creates axial symmetry around the capillary and thus also makes resonance operation possible is.

Fig.2b und c zeigen Ausgestaltungen mit einem um die Kapillare umlaufenden ringförmigen Translationsaktor 19, ausgestaltet z.B. als piezoelektrischen d31-Aktor 21 (siehe Fig.2b ) oder d33-Aktor 22 (siehe Fig.2c ), der sich auf Grund seiner Symmetrie um die Kapillare für resonante Schwingbewegungen gut eignet. Der prinzipielle Aufbau ähnelt dem in Fig.2a gezeigten, das Kapillarenaufnahmeelement weist hierzu eine zusätzliche die Resonanzfrequenz beeinflussende ringförmig um die Kapillare angeordnete Schwingungsmasse 20 auf. Wie in Fig.2c angedeutet, lässt sich die Schwingungsmasse zweiteilig gestalten, wobei die Kapillare zwischen den beiden Teilen grundsätzlich kraft- oder formschlüssig einklemmbar ist. Fig.2b and c show configurations with an annular translation actuator 19 running around the capillary, designed, for example, as a piezoelectric d31 actuator 21 (see FIG Fig.2b ) or d33 actuator 22 (see Fig.2c ), which is well suited for resonant oscillating movements due to its symmetry around the capillary. The basic structure is similar to that in Fig.2a For this purpose, the capillary receiving element has an additional ring-shaped oscillating mass 20 which influences the resonance frequency and is arranged around the capillary. As in Fig.2c indicated, the oscillating mass can be designed in two parts, with the capillary being clamped between the two parts in principle in a non-positive or positive manner.

Fig.2d zeigt eine Aufhängung mit Biegeschwingaktoren, vorzugsweise mehrschichtige gegenläufig gepolte piezoelektrische d31-Aktoren oder ein auf ein Biegeelement aufgebrachter d31-Aktor, die vorzugsweise an der Innenwandung des Druckkopfgehäuses eingespannt sind und am anderen Ende auf der Oberfläche der Kapillare angreifen. Fig.2d zeigt beispielhaft eine Ausgestaltung mit zwei spiegelbildlich auf einer Ebene zur Kapillaren angeordnete streifenförmige Biegeschwingaktoren. Für eine stabilere Anordnung, die nur axiale Bewegungen der Kapillare zulassen, ist es vorteilhaft, diese Anordnung an der Kapillare ein zweites Mal parallel an anderer vorzusehen. Fig.2d shows a suspension with oscillating bending actuators, preferably multi-layer piezoelectric d31 actuators with opposite polarity or a d31 actuator applied to a bending element, which are preferably clamped to the inner wall of the print head housing and act on the surface of the capillary at the other end. Fig.2d shows an example of an embodiment with two strip-shaped oscillating bending actuators arranged in mirror image on a plane to the capillaries. For a more stable arrangement, which only allows axial movements of the capillary, it is advantageous to provide this arrangement on the capillary a second time in parallel on another.

Fig.2e zeigt beispielhaft eine Ausführung, bei der der Aktor als Scherschwingaktor 23, beispielsweise ein piezoelektrischer d15-Wandler ausgestaltet ist. Er wird seitlich an der Kapillaren 4 oder wie dargestellt an der separate Aufnahme 9 für die Kapillare 4 fixiert (z.B. geklebt). Auf der anderen Seite ist er seitens des Druckkopfgehäuses auf einem Vorsprung 17 fixiert. Dargestellt ist eine Ausgestaltung mit einem einzigen Scherschwingaktor, wobei weitere Ausgestaltungen mit zwei oder mehreren derartigen Aktoren denkbar sind, die weiter bevorzugt gleichmäßig, d.h. in einem einheitlichen Winkel zueinander um die Kapillare angeordnet sind. Fig.2e shows an example of an embodiment in which the actuator is configured as a shear-vibration actuator 23, for example a piezoelectric d15 converter. It is fixed (eg glued) to the side of the capillary 4 or, as shown, to the separate receptacle 9 for the capillary 4 . On the other side, it is fixed on a projection 17 on the print head housing side. Shown is an embodiment with a single Scherschwingaktor, with further configurations with two or more such actuators are conceivable more preferably uniformly, ie arranged at a uniform angle to one another around the capillary.

Die Aufhängung der Kapillare im Druckkopfgehäuse erfolgt beispielsweise mit Koppelgetriebeanordnungen mit Festkörper- oder konventionellen Gelenken in der Weise, dass eine primär eine Translation in Kapillarrichtung erzeugt und die parasitäre Translation senkrecht zur Kapillarrichtung möglichst weitgehend unterdrückt bzw. kompensiert wird und die Kapillare möglichst auch Momenten frei schwingt. Fig.3a bis e offenbaren beispielhafte Ausgestaltungen der Aufhängung der Kapillare im Druckkopfgehäuse mit separaten elastischen Elementen 28 und separaten Aktoren 10. Die Aufhängungen sind dabei stets so gestaltet, dass die in den elastischen Elementen 28 eingesetzte Kapillaren 4 stets axial, d.h. in Richtung der Symmetrieachse 3 bewegbar sind und die Bewegung durch die Aktoren 10 hervorrufbar sind. Die Aktoren 10 wirken - wie in den dargestellten Ausgestaltungen dargestellt - vorzugsweise direkt auf die elastischen Elemente 28, verformen diese und rufen damit die vorgenannte axiale Verschiebung der Kapillare 4 hervor. Vorzugsweise erstrecken sich die elastischen Elemente rotationssymmetrisch oder gleichartig und in gleichen Winkelabständen zueinander um die Kapillare herum. Die elastischen Elemente 28 weisen wiederum elastische Festkörpergelenke 29 oder elastische Biegestreifen 31 auf.The capillary is suspended in the print head housing, for example, with coupling gear arrangements with solid-state or conventional joints in such a way that a translation is primarily generated in the capillary direction and the parasitic translation perpendicular to the capillary direction is suppressed or compensated for as far as possible and the capillary also oscillates moments free as possible . Figure 3a to e disclose exemplary configurations of the suspension of the capillary in the print head housing with separate elastic elements 28 and separate actuators 10. The suspensions are always designed in such a way that the capillaries 4 used in the elastic elements 28 can always be moved axially, i.e. in the direction of the axis of symmetry 3 and the movement can be caused by the actuators 10 . The actuators 10 act—as shown in the illustrated embodiments—preferably directly on the elastic elements 28 , deforming them and thus causing the aforementioned axial displacement of the capillary 4 . The elastic elements preferably extend around the capillary in a rotationally symmetrical manner or in the same way and at equal angular distances from one another. The elastic elements 28 in turn have elastic solid-state joints 29 or elastic bending strips 31 .

Eine Ausgestaltungsgruppe wird durch Fig.3a bis c repräsentiert. Sie sieht jeweils mindestens zwei gleichartig gestaltete und zur Kapillare 4 orientierte elastische Elemente 28 vor, die vorzugsweise als Fachwerk gestaltet sind, wobei die Fachwerkelemente untereinander und vorzugsweise um eine Achse gegeneinander schwenkbar gestaltet mit Gelenken, vorzugsweise den vorgenannten elastischen Festkörpergelenken 29 verbunden sind. Die Aktoren 10 sind vorzugweise piezoelektrische Ringaktoren (z.B. ringförmiger Translationsaktor 19) oder Einzelaktoren, die jeweils mit den elastischen Elementen um die Kapillare angeordnet sind.A refinement group is Figure 3a to c represented. It provides at least two elastic elements 28 of the same design and oriented towards the capillary 4 , which are preferably designed as a truss, the truss elements being connected to one another and preferably pivotable about an axis in relation to one another with joints, preferably the aforementioned elastic solid-state joints 29 . The actuators 10 are preferably piezoelectric ring actuators (eg ring-shaped translation actuator 19) or individual actuators, which are each arranged with the elastic elements around the capillary.

Fig.3a zeigt eine Ausgestaltung mit einem axial zur Kapillare wirkenden und auf einem Vorsprung 17 um die Kapillare angeordneten Aktor, vorzugsweise einen ringförmigen d31-Aktor. Dieser wirkt vorzugsweise axial auf jeweils ein erstes Festkörpergelenk der als Parallellogrammführung mit jeweils vier Fachwerkelementen gestalteten elastischen Elemente, die über ein Fachwerkelement mit jeweils zwei elastischen Festkörpergelenken 29 auf einer Seite fest in das Druckkopfgehäuse 1 eingesetzt sind und über ein anderes, dem ersten gegenüber angeordneten Fachwerkelement mit zwei anderen elastischen Festkörpergelenken 29 an die im Druckkopfgehäuse axial bewegbare Kapillare angebunden sind. Figure 3a 12 shows an embodiment with an actuator which acts axially to the capillary and is arranged on a projection 17 around the capillary, preferably an annular d31 actuator. This preferably acts axially on a first flexure joint of the elastic elements designed as a parallelogram guide with four truss elements each, which are firmly inserted into the print head housing 1 via a truss element with two elastic flexure joints 29 on one side and via another truss element arranged opposite the first with two other elastic solid joints 29 are connected to the axially movable capillary in the print head housing.

Fig.3b zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Aufhängung der Kapillare mit elastischen Elementen, die jeweils eine Reihenschaltung einer Parallellogrammführung und einem weiteren viereckigen Fachwerk mit vier Fachwerkelementen umfassen. Fig.3c zeigt eine Ausführung eines elastischen Elements mit fünf elastischen Festkörpergelenken, wobei jeweils zwei dieser Festkörpergelenke in axialer Reihenfolge an der Kapillare bzw. in radialer Reihenfolge an einem Vorsprung an der Innenwandung des Druckkopfgehäuses angeordnet sind und das fünfte Festkörpergelenk wiederum über den Aktor radial zu der Kapillare ansteuerbar und bewegbar ist. Bei beiden vorgenannten Ausgestaltungen ist der ringförmige Translationsaktor 19 fest in das Druckkopfgehäuse 1 eingesetzt und in seiner Hubausrichtung radial zur Kapillare orientiert. Fig.3b und c repräsentieren damit beispielhafte Ausgestaltungen, bei denen radiale Stellbewegungen durch einen Aktor in axiale Kapillarenbewegungen umgelenkt werden. Fig.3b shows a further embodiment of a suspension of the capillary with elastic elements, each of which comprises a series connection of a parallelogram guide and a further quadrangular truss with four truss elements. Fig.3c shows an embodiment of an elastic element with five elastic flexure joints, with two of these flexure joints being arranged in an axial sequence on the capillary or in a radial sequence on a projection on the inner wall of the print head housing, and the fifth flexure joint in turn being controllable radially to the capillary via the actuator and is movable. In both of the aforementioned configurations, the ring-shaped translation actuator 19 is firmly inserted into the print head housing 1 and is oriented radially to the capillary in its stroke alignment. Fig.3b and c thus represent exemplary configurations in which radial adjustment movements are deflected by an actuator into axial capillary movements.

Fig.3d repräsentiert eine beispielhafte Ausgestaltung, bei der die Kapillare 4 im Druckkopfgehäuse axial durch zwei vorzugsweise rotationssymmetrische und/oder vorgespannte Tellerfederelemente 30, die die elastischen Elemente bilden, axial bewegbar eingesetzt und geführt wird. Eines dieser Tellerfederelemente wird axial zur Kapillare durch einen Ringaktor, vorzugsweise einen ringförmigen d31-Aktor, vorgespannt und ausgelenkt, wobei die Anordnung des Ringaktors auf einem Vorsprung 17 um die Kapillare wie in Fig.3a beschrieben erfolgt. Fig.3d represents an exemplary embodiment in which the capillary 4 in the print head housing is inserted and guided in an axially movable manner by two preferably rotationally symmetrical and/or prestressed plate spring elements 30, which form the elastic elements. One of these plate spring elements is preloaded and deflected axially to the capillary by a ring actuator, preferably a ring-shaped d31 actuator, with the arrangement of the ring actuator on a projection 17 around the capillary as in FIG Figure 3a described.

Fig.3e zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung, bei der die Kapillare 4 im Druckkopfgehäuse axial durch drei elastische Biegestreifen 31 (alternativ Biegeblechelemente), die die elastischen Elemente bilden, und axial bewegbar eingesetzt und geführt wird. Dabei dienen im Beispiel zwei der Biegestreifen vorzugsweise nur der Parallelführung der Kapillare, während mindestens ein dritter Biegestreifen vorzugsweise als Aktor ausgestaltet ist oder von einem Aktor zur Anregung einer Kapillarbewegung ansteuerbar ist. Vorzugsweise ist mindestens einer dieser Biegestreifen mit einem piezoelektrischen Material beschichtet und bildet mit diesem einen bimorphen Biegeaktor, über den die Kapillare axial bewegbar ist. Figure 3e shows a further exemplary embodiment in which the capillary 4 in the print head housing is inserted and guided axially by three elastic flexible strips 31 (alternatively flexible sheet metal elements), which form the elastic elements, and are axially movable. In the example, two of the bending strips are preferably used only for guiding the capillary in parallel, while at least a third bending strip is preferably designed as an actuator or can be controlled by an actuator to stimulate a capillary movement. At least one of these bending strips is preferably coated with a piezoelectric material and forms a bimorph bending actuator with it, via which the capillary can be moved axially.

Die vorgenannten Ausgestaltungen, insbesondere die in Fig.1a und b sowie Fig.2a bis e dargestellten Aufnahmen 9 umfassen vorzugsweise Klemmmittel für die Kapillare 4, die ein axiales Herausziehen der Kapillare in proximaler Richtung, d.h. von der Austrittsöffnung weg ermöglichen. Die Klemmmittel sind' vorzugsweise durch ein geschlitztes um die Kapillare vorgespanntes Rohrelement, alternativ durch federnde Einsätze im Rohr, zwei gegeneinander wirkende Einspannelemente für die Kapillare oder durch ein elastisches Element mit einer als Presssitz dimensionierten Bohrung für die Kapillare ausgestaltet.The aforementioned configurations, in particular those in Fig.1a and b as well Fig.2a The receptacles 9 illustrated to e preferably comprise clamping means for the capillary 4, which enable the capillary to be pulled out axially in the proximal direction, ie away from the outlet opening. The clamping means are preferably designed as a slotted tubular element prestressed around the capillary, alternatively by resilient inserts in the tube, two clamping elements for the capillary that act against one another, or by an elastic element with a bore dimensioned as a press fit for the capillary.

Fig.4 zeigt eine beispielhafte Anordnung einer Kapillare 4 in einer Aufnahme 9, wobei für eine exakte Justierbarkeit die dargestellte Kapillare einen Bund 24 (vorzugsweise Erhebung auf der Kapillare oder auf der Kapillare fixierter Ring) als Anschlag aufweist. Damit wird ein Einsetzen der Kapillare in eine reproduzierbare Position in der Aufnahme erzielbar. Eine Ausgestaltung sieht eine zusätzlich an die Kapillare fixierte und diese mechanisch schützende Rohrummantelung mit oder ohne dem vorgenannten Bund vor, an der die Aufnahme, angreift. Fig.4 shows an exemplary arrangement of a capillary 4 in a receptacle 9, the capillary shown having a collar 24 (preferably an elevation on the capillary or a ring fixed on the capillary) as a stop for precise adjustability. This enables the capillary to be inserted into a reproducible position in the receptacle. One embodiment provides for a tube casing that is additionally fixed to the capillary and protects it mechanically, with or without the aforementioned collar, on which the receptacle acts.

Fig.5a bis d zeigen in prinzipieller Schnittdarstellung mögliche Anordnung einer Kapillare 4 in einer mit Klemmmitteln ausgestalteten Aufnahme 9, Fig.5a und b zeigen jeweils eine Ausgestaltung mit vier bzw. drei Kontaktlinien 25, Fig.5c eine Ausgestaltung mit einer Kontaktlinie 25 und einer Kontaktfläche 26 sowie Fig.5d eine Ausgestaltung nur mit einer Kontaktfläche 26. Die Vorspannung erfolgt wie dargestellt über elastische Zuganker 27, wie z.B. einstellbar über elastische Dehnungsschrauben. Weitere Kombinationen, wie z.B. Ausgestaltungen mit zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen oder mit elastischen Zwischenelementen (z.B. aus Elastomeren) werden ausdrücklich auch genannt. Eine Klemmung über Kontaktflächen ist insbesondere für Kapillaren aus spröden Materialien wie z.B. Glas schonender als eine Klemmung über Kontaktlinien, erfordert aber zur Vermeidung von Spannungssingularitäten in der Kapillare eine exaktere und damit auch aufwendigere Anpassung der Kontaktflächen. Fig.5a to d show a basic sectional view of a possible arrangement of a capillary 4 in a receptacle 9 equipped with clamping means, Fig.5a and b each show an embodiment with four or three contact lines 25, Fig.5c an embodiment with a contact line 25 and a contact surface 26 and Figure 5d an embodiment with only one contact surface 26. The prestressing takes place, as shown, via elastic tie rods 27, such as adjustable via elastic expansion screws. Further combinations, such as configurations with two opposing contact surfaces or with elastic intermediate elements (eg made of elastomers) are also expressly mentioned. Clamping via contact surfaces is gentler than clamping via contact lines, especially for capillaries made of brittle materials such as glass, but requires a more precise and therefore more complex adjustment of the contact surfaces to avoid stress singularities in the capillary.

Bezugszeichenliste:Reference list:

11
Druckkopfgehäuseprinthead housing
22
Austrittsöffnungexit port
33
Symmetrieachseaxis of symmetry
44
Kapillarecapillary
55
Düsenöffnungnozzle opening
66
Symmetrieebeneplane of symmetry
77
elastische Elementelastic element
88th
Vorkammerantechamber
99
separaten Aufnahmeseparate recording
1010
Aktoractuator
1111
Einlassöffnungintake port
1212
Einspeisemittelfeed means
1313
Führungsgasguide gas
1414
zu druckenden Flüssigkeitliquid to be printed
1515
proximaler Deckelbereichproximal flap area
1616
Totvolumendead volume
1717
Vorsprunghead Start
1818
Kapillarenaufnahmeelementcapillary receiving element
1919
ringförmiger Translationsaktorannular translational actuator
2020
Schwingungsmassevibration mass
2121
d31-Aktord31 actuator
2222
d33-Aktord33 actuator
2323
Schwerschwingaktorheavy-duty actuator
2424
BundFederation
2525
Kontaktliniecontact line
2626
Kontaktflächecontact surface
2727
Elastischer ZugankerElastic tie rod
2828
Elastisches Elementelastic element
2929
Elastisches FestkörpergelenkElastic solid joint
3030
Tellerfederelementdisc spring element
3131
Elastische BiegestreifenElastic bending strips

Claims (18)

  1. Print head, comprising a capillary (4) that adjoins at least one elastic element (7, 28) around an axis of symmetry (3) for a fluid to be printed onto a substrate with a nozzle opening (5), which opens into a pre-chamber (8), wherein
    a) the pre-chamber has an outlet opening (2), which is flush with the nozzle opening of the capillary in its axial alignment to the axis of symmetry (3), and at least one inlet opening (11) for a guiding gas (13),
    b) the at least one elastic element forms a guide for the capillary only in its axial orientation,
    and
    c) feeding means (12) provided for the fluid that is to be printed into the capillary,
    characterised in that
    d) a mechanical vibration system comprising the at least one elastic element (7, 28) and the capillary (4) with the fluid contained in it, and
    e) a piezo actuator (10, 19) with a mechanical interaction of force with the vibration system.
  2. Print head according to claim 1, characterised in that the at least one elastic element (7, 28) is formed by at least one linkage arrangement with solid body or conventional links.
  3. Print head according to claim 1 or 2, characterised in that a plurality of elastic elements, which are configured as the same type and are oriented about and towards the capillary (4), are provided.
  4. Print head according to any one of the preceding claims, characterised in that the at least one elastic element (7, 28) is configured as a bracing piece with several bracing elements, wherein the bracing elements are connected to one another, and are preferably configured such that they can pivot in relation to one another about an axis with links, preferably the aforementioned elastic solid body links (29).
  5. Print head according to any one of the preceding claims, characterised in that at least one of the at least one elastic elements (7, 28) is formed by a dish-shaped or bar-shaped elastic element.
  6. Print head according to any one of the preceding claims, characterised in that at least one of the at least one elastic elements (7, 28) is formed by the actuator (10, 19).
  7. Print head according to claim 6, characterised in that the actuator (7, 28) is formed by a dish-shaped or bar-shaped bending actuator, and a receiver for the capillary is arranged in the middle in the bending actuator.
  8. Print head according to claim 7, characterised in that the receiver comprises at least one clamping means for receiving the capillary (4).
  9. Print head according to claim 8, characterised in that the at least one clamping means is a part of a vibrateable mass on the at least one elastic element.
  10. Print head according to any one of the preceding claims, characterised in that outlet opening (2), the pre-chamber (8), or the at least one elastic element (7) comprises a rotationally-symmetrical extension about the axis of symmetry of the capillary (4).
  11. Print head according to any one of the preceding claims, characterised in that outlet opening (2) comprises means for producing an electrostatic field orthogonally to the axis of symmetry (3).
  12. Print head according to claim 11, characterised in that the means comprise electrodes in or around the outlet opening (2) and/or are configured as electrically conductive areas in or beneath the substrate.
  13. Print head according to any one of the preceding claims, characterised in that at least one ring electrode or at least one pneumatic lens is arranged about the outlet opening, or the outlet opening is configured as a ring electrode.
  14. Printing method for printing a structure onto a surface with the use of a print head according to any one of the preceding claims, wherein
    a) by means of the capillary (4), a fluid is guided via the nozzle opening (5) into the pre-chamber (8), wherein the nozzle opening is moved by the mechanical vibrating system backwards and forwards in the axial direction of the capillary, wherein the fluid is constantly separated and nebulised as fluid droplets at the nozzle opening,
    b) by means of the at least one inlet opening (11), a guiding gas (13) is introduced into the pre-chamber (8) about the capillary, wherein the guiding gas is merged in a first portion in the pre-chamber with the fluid droplets forming an aerosol flow, and, in a second portion forms a surrounding casing flow around the aerosol flow between the nozzle opening and the outlet opening,
    c) the aerosol flow surrounded by the casing flow is guided via the outlet opening out of the pre-chamber onto a surface of a substrate, and
    d) the fluid droplets are applied onto the surface.
  15. Printing method according to claim 14, characterised in that the aerosol flow is focussed in the pre-chamber (8) or out of the pre-chamber.
  16. Printing method according to claim 14 or 15, characterised in that the vibrating system is excited by the actuator (10, 19) in a resonance vibration.
  17. Printing method according to any one of claims 14 to 16, characterised in that the aerosol flow, when passing through the outlet opening, is electrostatically directed, focussed, or further nebulised.
  18. Printing method according to any one of claims 14 to 17, characterised in that the speed of the running separation and nebulisation of the fluid at the nozzle opening can be regulated by way of the amplitude, frequency, or the signal form of the vibration.
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