PL226753B1 - Głowica drukujaca - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest głowica drukująca.

Druk za pomocą technologii „ink jet” polega na tym, że treść nadruku odtwarzana jest na różnego rodzaju podłożach, w tym przykładowo na papierze, tworzywach sztucznych itp., za pomocą kropli tuszu natryskiwanych na podłoże.

Urządzenia technologii „ink jet” dzielą się na dwie grupy: drukarki pracy ciągłej - tzw. CIJ od angielskiego zwrotu Continuous Ink Jet - oraz drukarki pracy start-stop - tzw. DOD od angielskiego zwrotu Drop On Demand.

W technologii CIJ ciekły roztwór tuszu i szybko schnącego rozpuszczalnika, z pomocą ciśnienia wytwarzanego przez pompę, tłoczony jest ze zbiornika do działa zakończonego bardzo małą dyszą. Wylatujący z dyszy strumień dzielony jest na krople za pomocą wibracji akustycznych kryształu piezoelektrycznego. Proces ten wspomagany jest przez zjawisko znane jako niestabilność Plateau-Rayleigh'a. Krople przechodzą następnie przez zmienne pole elektromagnetyczne wytwarzane w tzw. elektrodzie ładującej, co umożliwia nadawanie niektórym z nich różnej wartości ładunków elektrycznych. Natężenie pola elektromagnetycznego zmienia się zależnie od żądanego odchylenia kropli w następnej fazie jej lotu, co umożliwia formowanie nadruku na produkcie. A zatem skutkiem działania pola elektromagnetycznego jest możliwość nadania niektórym kroplom ściśle określonego ładunku. Krople naładowane oddzielone są zwykle od siebie kroplami bez ładunku elektrycznego, co zapobiega wzajemnemu oddziaływaniu na siebie naładowanych kropli podczas lotu. W następnej fazie lotu strumień kropli przechodzi przez kolejne pole elektromagnetyczne, tym razem wytwarzane przez tzw. elektrody odchylające. Na tym odcinku krople naładowane zmieniają swój kierunek lotu - w dokładnej zależności od otrzymanego uprzednio ładunku - i zostają skierowane na produkt. Znaczna większość kropli - czyli wszystkie te, które nie otrzymały ładunku z elektrody ładującej - utrzymuje ten sam kierunek lotu (na wprost z dyszy) i trafia do otworu tzw. „ścieku” (ang. „gutter), wracając w ten sposób do zbiornika z tuszem. System tuszowy w drukarkach z rodziny CIJ wymaga stosowania systemu ciągłej kontroli gęstości i lepkości tuszu, gdyż szybkoschnący rozpuszczalnik ulatnia się z roztworu w trakcie pracy urządzenia, co powoduje konieczność jego bieżącego uzupełniania w celu utrzymania optymalnych dla prawidłowej pracy drukarki właściwości roztworu.

Drukarki z rodziny „DOD” dzielą się na drukarki niskiej rozdzielczości pracujące w oparciu o dysze o stosunkowo dużej średnicy (od kilkudziesięciu mikronów wzwyż), gdzie wyrzucanie kropli tuszu dostarczanego pod ciśnieniem odbywa się w wyniku pracy elektrozaworów, oraz drukarki wysokiej rozdzielczości, gdzie w celu wyrzucania niewielkich kropli tuszu z dysz o małej średnicy (od kilku mikronów wzwyż) stosuje się elementy termiczne lub piezoelektryczne.

W drukarkach termicznych wyrzut kropli z dyszy generowany jest poprzez gwałtowne, punktowe rozgrzanie tuszu w taki sposób, że tusz parując gwałtownie w tym miejscu wytwarza bąbelek gazu wypychający kroplę z końcówki dyszy w kierunku znakowanego produktu. Napięcie powierzchniowe tuszu oraz właściwości jego kondensacji są tak dobrane, aby w bardzo krótkim czasie po wylocie kropli z dyszy bąbel gazu wchłonął się w wyniku kondensacji, co powoduje uzupełnienie ilości tuszu w dyszy ze zbiornika z tuszem. Tusze w tej technologii są zwykle tworzone na bazie wody z dodatkiem czynników nadających kolor, muszą jednak zawierać pewne ilości substancji lotnych, co ułatwia szybkie i skuteczne tworzenie się bąbelka gazu w wyniku gwałtownego odparowania - w przeciwnym razie wyrzut kropli z dyszy nie byłby możliwy.

Na drodze tuszu do końcówki dyszy w drukarkach DOD wysokiej rozdzielczości pracujących w oparciu o technologię piezoelektryczną zamiast elementu termicznego występuję piezoelektryk. Element ten, w wyniku pobudzenia za pomocą prądu elektrycznego, gwałtownie zmienia swój kształt powodując chwilowy, punktowy wzrost ciśnienia tuszu w niewielkiej odległości od dyszy, co prowadzi do wyrzutu kropli z końcówki dyszy. Po powrocie elementu piezoelektrycznego do pierwotnego kształtu, przestrzeń utworzona przez wycofanie fragmentu piezoelektryku ze zbiornika lub przewodu z tuszem wypełniana jest natychmiast przez tusz ze zbiornika. W tego typu procesie DOD, z dyszy może być wyrzucanych od zera do ośmiu kropli tuszu w celu formowania jednej kropki (dot) nadruku na produkcie.

Drukarki wysokiej rozdzielczości znajdują zastosowanie nie tylko w zastosowaniach biurowych - czyli do druku na arkuszach papieru - ale także w niektórych zastosowaniach przemysłowych. Drukarki termiczne pracują zwykle w oparciu o kartridże i są najczęściej stosowane do wykonywania niewielkich nadruków, przykładowo w przemyśle farmaceutycznym. Głowice piezoelektryczne takich firm

PL 226 753 B1 jak Spectra albo Xaar od lat stosuje się w drukarkach przemysłowych do oznaczania kartonów zbiorczych.

Wszystkie drukarki z rodziny DOD - czyli pracy start-stopowej - mają do dziś jedną wspólną cechę. Jest nią czas schnięcia kropli tuszu, który jest znacznie dłuższy niż w wypadku technologii CIJ, szczególnie podczas druku na powierzchniach uniemożliwiających wsiąkanie.

Powodem takiego stanu rzeczy jest możliwość stosowania dużych ilości szybko schnącego rozpuszczalnika w drukarkach pracy ciągłej (typu CIJ), które z tą myślą zostały zaprojektowane, oraz konieczność ograniczania ilości rozpuszczalnika w roztworze tuszu w drukarkach pracy start-stopowej (DOD), a szczególnie w drukarkach wysokiej rozdzielczości. Dzieje się tak dlatego, że stosowanie zbyt szybko zasychającego roztworu w wielodyszowych drukarkach DOD mogłoby prowadzić do zasychania tuszu w okolicy końcówek dysz i ich blokowania.

W większości znanych przykładów zastosowań nadruk z drukarek DOD nanoszony na powierzchnie uniemożliwiające wsiąkanie ma co najmniej dwa razy dłuższy - a zwykle ponad trzy razy dłuższy - czas schnięcia nadruku w porównaniu do nadruku z drukarek CIJ. Cecha ta pozostaje wadą drukarek DOD, gdyż z wielu wypadkach znakowanie przemysłowe wymaga krótkiego czasu schnięcia, względnie utrwalenia nadruku. Istnieje na przykład wiele linii produkcyjnych, na których przed upływem kilku sekund potrzebnych na utrwalenie się nadruku nanoszonego w technologii DOD wchodzi on w kontakt z innymi przedmiotami, co powoduje jego uszkodzenie.

Inną wadą technologii DOD, szczególnie w zakresie drukarek wysokiej rozdzielczości, jest ograniczona energia wyrzutu kropli tuszu z głowicy. Powoduje to konieczność prowadzenia znakowanego produktu równo i bardzo blisko głowicy drukującej, najlepiej w odległości nie przekraczającej 3 mm. Jest to przeszkodą w wielu zastosowaniach przemysłowych, przykładowo wszędzie tam, gdzie znakowana powierzchnia nie jest płaska.

Technologia CIJ również ma pewne ograniczenia wynikające z jej charakteru. Po pierwsze, nie stosuje się jej do druku wysokiej rozdzielczości, gdyż optymalne działanie wymaga pewnego minimalnego rozmiaru kropli i dyszy. Po drugie, jak powszechnie wiadomo, stosowanie tej technologii wiąże się ze stosunkowo dużym zużyciem szybkoschnących rozpuszczalników: obecnie od ok. 2,5 do ok. 10 ml na godzinę pracy urządzenia. Wiąże się to nie tylko z kosztami, ale także z ryzykiem dla obsługi i środowiska, gdyż najskuteczniejsze rozpuszczalniki - przykładowo najczęściej stosowane na bazie MEK (ang. Methyl Ethyl Ketone) - są trujące i toksyczne.

Poniżej prezentowane dokumenty przedstawiają niektóre z prób usprawnienia technologii ink jet w jej obecnej formie.

Artykuł: „Double-shot ink jet printing of donor-acceptor-type organic charge-transfer complexes: Wet/nonwet definition and its use for contact engineering” (T. Hasegawa et al (Thin Solid Films 518 (2010) pp. 3988-3991) prezentuje system drukowania ink jet charakteryzujący się podwójnym wyrzutem kropli - tzw. DS-IJP (Double Shot Ink Jet Printing). W systemie tym dwie male krople o objętości rzędu pikolitrów, z których jedna zawiera cząstki agenta (przykładowo tetrathiafulvalene, TTF), a druga reagenta (przykładowo tetracyanoquinodimethane, TCNQ), są indywidualnie nanoszone w dokładnie to samo miejsce na podłożu, gdzie łączą się formując nierozpuszczalną powłokę TTF-TCNQ zawierającą metale. Technologia ta obejmuje także różne zakresy zwilżania drukowanego podłoża w celu ograniczenia penetracji nanoszonych kropli agenta i reagenta poza wyznaczony obszar przed ich utrwaleniem się i przejściem w ciało stałe. W efekcie, drukowany z dużą dokładnością (skala pikolitrów) na podłożu określony wzór tworzący docelowo ciało stałe.

Innym przykład próby udoskonalenia technologii ink jet przedstawiono w amerykańskim opisie patentowym US7429100. Prezentuje on metodę i urządzenie do zwiększenia ilości kropli w strumieniu drukarki typu CIJ. Wyposażona jest ona w co najmniej dwie dysze, z których każda wyrzuca strumień kropli. Obydwa strumienie łączy się w jeden strumień kropli, o liczbie kropli równej sumie liczby kropli poszczególnych strumieni. Krople z poszczególnych strumieni nie kolidują ze sobą i nie łączą się ze sobą, lecz pozostają oddzielnymi kroplami w połączonym strumieniu.

W amerykańskim zgłoszeniu patentowym US20050174407 przedstawiono z kolei metodę nanoszenia materiałów na podłoże w taki sposób, że krople wyrzucane z co najmniej dwóch różnych dysz lub głowic łączą się ze sobą w locie przed osiągnięciem podłoża, przy czym połączenie następuje poza głowicą drukującą.

W amerykańskim opisie patentowym US8092003 przedstawiono system i metodę cyfrowego nanoszenia nadruków na podłoże z użyciem tuszu i katalizatora (reagentów), które inicjują lub przyśpieszają utrwalanie się nadruku na podłożu. Oba składniki tuszu są od siebie oddzielone gdy znajdują się

PL 226 753 B1 w obrębie głowicy drukującej i łączą się dopiero po jej opuszczeniu, to znaczy poza głowicą. Może to prowadzić do problemów z przebiegiem procesu koalescencji kropli trafiających na siebie podczas lotu w powietrzu. Może też powodować problemy w kontroli nad torem lotu połączonych kropli, co z kolei może osłabić jakość druku.

Znane są różne rozwiązania do zmieniania prędkości kropli opuszczającej głowicę drukującą przy użyciu elektrod do wpływania na naładowane krople, jak opisano przykładowo w dokumentach patentowych US3657599, US20110193908 lub US20080074477.

Amerykańskie zgłoszenie patentowe US20080074477 ujawnia system do sterowania objętością kropli w drukarce pracy ciągłej, gdzie kolejne krople wypuszczone z pojedynczej dyszy są prowadzone po wzdłużnej trajektorii na docelowe podłoże. Z tych kolejnych kropli wybierana jest grupa kropli, i łączona jest ona w jedną kroplę poprzez elektrostatyczne przyspieszanie kropel w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu i/lub spowalnianie kropel w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu.

Problem czasu schnięcia lub utrwalania się nadruku nanoszonego na podłoże za pomocą technologii ink jet - szczególnie w jej wersji DOD - pozostaje wciąż aktualny. Istnieje zatem potrzeba wprowadzenia innowacji do technologii DOD ink jet prowadzącej do skrócenia czasu schnięcia lub utrwalania się nadruku na podłożu. Ponadto byłoby korzystnie uzyskać taki rezultat w połączeniu ze zwiększeniem energii wyrzucanej z głowicy kropli, a co za tym idzie zwiększeniem precyzji drukowania w większym zakresie odległości pomiędzy głowicą drukującą, a drukowanym podłożem.

Istnieje zatem potrzeba wprowadzenia usprawnień do technologii ink jet, które umożliwiłyby skrócenie czasu schnięcia bądź utrwalania nadruku oraz zwiększenie energii kropli wyrzucanej z głowicy. Prezentowany wynalazek zapewnia wyraźny postęp na obu tych polach, umożliwiając zbliżenie czasu utrwalania się nadruku - w drukarkach DOD - oraz energii początkowej kropli - szczególnie w drukarkach DOD wysokiej rozdzielczości - do wartości osiągalnych dotąd jedynie za pomocą technologii CIJ. Prezentowany wynalazek umożliwia także znaczną redukcję wad technologii CU dzięki co najmniej 10-krotnemu zmniejszeniu zużycia rozpuszczalników oraz dzięki możliwości zastosowania kropli o znacznie mniejszych rozmiarach, niż jest to możliwe w obecnej technologii CIJ, ale o zwiększonej prędkości początkowej lotu kropli. Wszystko to osiągnięto przy zachowaniu bardzo krótkiego czasu utrwalania się nadruku na wielu różnych podłożach oraz przy zachowaniu bardzo dobrej adhezji do podłoża.

Przedmiotem wynalazku jest głowica drukująca typu ink jet start-stop (ang. Drop-on-Demand, DOD) zawierająca zespół dyszowy zawierający co najmniej dwie dysze; przy czym każda z dysz jest połączona kanałem z odrębnym zbiornikiem cieczy i zawiera element generujący krople i nadający im energię kinetyczną do formowania na żądanie kropli pierwotnych cieczy przy końcówce dyszy; przy czym pierwsza dysza jest przystosowana do wystrzeliwania pierwszej kropli pierwotnej wzdłuż pierwszej ścieżki, a druga dysza jest przystosowana do wystrzeliwania drugiej kropli pierwotnej wzdłuż drugiej ścieżki, która nie jest ustawiona w linii z pierwszą ścieżką. Głowica charakteryzuje się tym, że zawiera ponadto zestaw elektrod do zmiany toru lotu drugiej kropli pierwotnej na tor będący w linii z torem lotu pierwszej kropli pierwotnej przed miejscem połączenia lub w miejscu połączenia, w którym dochodzi do połączenia pierwszej kropli pierwotnej z drugą kroplą pierwotną w kroplę połączoną, przy czym każda z pierwszych kropli pierwotnych i drugich kropli pierwotnych jest kierowana na powierzchnię do zadrukowania.

Korzystnie, druga kropla podstawowa jest kroplą naładowaną posiadającą niezerowy ładunek elektryczny.

Korzystnie, ciecz w drugim zbiorniku połączonym z drugą dyszą jest naładowana.

Korzystnie, druga dysza zawiera elektrody ładujące umieszczone wzdłuż kanału dyszy do ładowania cieczy przepływającej przez kanał dyszy.

Korzystnie, druga dysza zawiera elektrody ładujące umieszczone przy końcówce dyszy do ładowania drugiej kropli pierwotnej uformowanej przy końcówce dyszy.

Korzystnie, głowica zawiera ponadto elektrody ładujące do ładowania drugiej kropli pierwotnej i umieszczone wzdłuż ścieżki lotu drugiej kropli pierwotnej przed zestawem elektrod do zmiany toru lotu drugiej kropli pierwotnej.

Korzystnie, druga kropla pierwotna ma rozmiar większy niż pierwsza kropla pierwotna.

Korzystnie, dysze mają swoje osie ustawione równoległe względem siebie.

Korzystnie, dysze mają swoje osie nachylone względem siebie.

Korzystnie, dysze mają swoje osie nachylone względem siebie pod kątem α od 3 do 60 stopni, korzystnie od 5 do 25 stopni.

PL 226 753 B1

Korzystnie, zestaw elektrod jest połączony ze sterowalnym źródłem napięcia DC.

Korzystnie, głowica zawiera ponadto inny zestaw elektrod do zmiany toru lotu pierwszej kropli pierwotnej.

Korzystnie, głowica zawiera ponadto zestaw elektrod przyspieszających połączonych ze sterowalnym źródłem napięcia AC i zlokalizowanym dalej w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu w odniesieniu do punktu połączenia.

Korzystnie, głowica zawiera ponadto zestaw elektrod do wykrywania i/lub poprawiania toru lotu kropli połączony ze sterowalnym źródłem napięcia DC i zlokalizowany dalej w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu w odniesieniu do punktu połączenia.

Korzystnie, głowica zawiera wiele zespołów dyszowych rozmieszczonych równolegle do siebie.

Korzystnie, końcówki dysz są podgrzewane.

Korzystnie, głowica zawiera ponadto obudowę obejmującą końcówki dysz i punkt łączenia.

Korzystnie, obudowa zawiera element grzejny do ogrzewania przestrzeni wewnątrz obudowy.

Korzystnie, głowica zawiera ponadto źródło strumienia powietrza płynącego w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu w obrębie osłony.

Korzystnie, głowica zawiera ponadto źródło światła UV w obrębie osłony.

Głowica drukująca według wynalazku może być używana w zastosowaniach zarówno domowych jak i przemysłowych, do drukowania na różnych podłożach, w szczególności podłożach nieporowatych.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schematycznie głowicę drukującą;

Fig. 2A, 2B przedstawiają schematycznie zespół dyszy;

Fig. 3A-3E przedstawiają schematycznie proces łączenia kropel pierwotnych w krople połączone;

Fig. 4 przedstawia schematycznie zestaw elektrod do odchylania lub poprawiania ścieżki ukierunkowania kropel na wyjściu głowicy drukującej;

Fig. 5, 6, 7 przedstawia różne typy urządzeń do generowania kropel i nadawania im energii kinetycznej.

Głowica drukująca bezdotykowo (typu ink-jet) 100 według wynalazku została przedstawiona na schematycznym rysunku poglądowym na Fig. 1 i w szczegółowym przekroju na Fig. 2A i 2B, które pokazują ten sam przekrój, lecz dla przejrzystości rysunku różne elementy zostały oznaczone na różnych rysunkach.

Głowica drukująca 100 może zawierać jeden lub więcej zespołów dyszowych 110, przy czym każdy z nich jest przystosowany do wytwarzania połączonej kropli 122 uformowanej z dwóch kropli pierwotnych 121A, 121B wypuszczonych z pary dysz 111A, 111B. Głowica drukująca jest głowicą typu start-stop (DOD - drop-on-demand).

Figura 1 przedstawia głowicę z wieloma zespołami dyszowymi 110 umieszczonymi równolegle do wielopunktowego nadruku 191 na podłożu 190. Warto jest odnotować, że głowica drukująca w alternatywnych przykładach wykonania może zawierać tylko pojedynczy zespół dyszowy 110 lub więcej zespołów dyszowych, nawet w ilości równej 256 zespołów dyszowych lub więcej, dla druku o wysokiej rozdzielczości.

Każda dysza 111A, 111B pary dysz w zespole dyszowym 110 ma kanał 112A, 112B do przewodzenia czynnika płynnego ze zbiornika 116A, 116B. Na końcówce dyszy 113A, 113B czynnik płynny jest formowany w pierwotne krople 121A, 121B i wystrzeliwany w wyniku działania elementów generujących krople i nadających im energię kinetyczną 161A, 161B przedstawionych bardziej szczegółowo na Fig. 5, 6, 7. I tak, elementem generującym kroplę i nadającym jej energię kinetyczną może być element termiczny (Fig. 5), element piezoelektryczny (Fig. 6) jak też i zawór (Fig. 7). W tym ostatnim wypadku czynnik płynny powinien być dostarczany pod ciśnieniem.

Jedna dysza 111A jest umieszczona korzystnie równolegle do osi głównej AA głowicy drukującej z tego powodu, będzie ona nazywana w skrócie jako „dysza osi równoległej”. Druga dysza 111B jest umieszczona pod kątem a do pierwszej dyszy 111A - z tego powodu, będzie ona nazywana w skrócie jako „dysza osi skośnej”. Końcówki dysz 113A, 113B są oddalone od siebie o odległość równą co najmniej rozmiarowi większej z kropel pierwotnych generowanych na końcówkach 113A, 113B, tak że krople pierwotne 121A, 121B nie stykają się wzajemnie gdy znajdują się przy końcówkach dysz 113A, 113B. Zapobiega to formowaniu się połączonej kropli na końcówkach dyszy 113A, 113B oraz zatykaniu się końcówek 113A, 113B. Korzystnie, kąt a jest kątem ostrym, korzystnie od 3 do 60 stopni,

PL 226 753 B1 a korzystniej od 5 do 25 stopni. Końcówka 113A dyszy osi równoległej 111A jest oddalona od końcówki głowicy drukującej o odległość większą o „x” od końcówki 113B dyszy osi skośnej 111B.

Czynnik płynny w dwóch zbiornikach 116A i 116B to korzystnie tusz i utrwalacz inicjujący w wyniku kontaktu z tuszem proces jego utrwalania się w ciało stałe. Umożliwia to rozpoczęcie procesu utrwalania tuszu od chwili połączenia kropli pierwotnych w jedną połączoną kroplę i zanim osiągnie ona drukowane podłoże, dzięki czemu można uzyskać lepszą adhezję kropli tuszu do podłoża lub skrócić czas utrwalania się nadruku na podłożu.

Dla przykładu: tusz może składać się z estrów kwasu akrylowego (50-80 jednostek wagi) kwasu akrylowego (5-15 jednostek wagi), barwnika (3-40 jednostek wagi) surfaktantu - czynnika powierzchniowo czynnego - (0-5 jednostek wagi), gliceryny (0-5 jednostek wagi) oraz modyfikatora lepkości (0-5 jednostek wagi). Utrwalacz mógłby się składać z czynnika na bazie azarydyny (30-50 jednostek wagi), barwnika (3-40 jednostek wagi), surfaktantu (0-5 jednostek wagi), gliceryny (0-5 jednostek wagi), modyfikatora lepkości (0-5 jednostek wagi) i rozpuszczalnika (0-30 jednostek wagi). Płyny te mogą mieć lepkość w granicach 1-30 mPas i napięcie powierzchniowe w granicach 20-50 mN/m. Inne tusze i utrwalacze znane z dotychczasowego stanu techniki mogą być również stosowane. Zawartość rozpuszczalnika w połączonej kropli powinna stanowić nie więcej niż 10%, a korzystnie nie więcej niż 5% wagowej zawartości połączonej kropli. To pozwala na znaczne obniżenie zużycia rozpuszczalnika w procesie drukowania w porównaniu z technologią CIJ, gdzie wagowy udział rozpuszczalników w nanoszonym na podłoże roztworze zwykle przekracza 50%. Dzięki tak dużej korzystnej różnicy w zużyciu rozpuszczalnika pomiędzy powszechnie stosowaną technologią CIJ, a zużyciem możliwym do osiągnięcia przy nanoszeniu nadruków za pomocą technologii będącej przedmiotem niniejszego wynalazku, należy uznać tę innowację za proekologiczną.

Zazwyczaj kropla tuszu będzie większa niż kropla utrwalacza. W przypadku, gdy krople mają różne rozmiary, mniejsza kropla 121A jest korzystnie wystrzeliwana z dyszy osi równoległej 111A, podczas gdy większa kropla 121B jest korzystnie wystrzeliwana z dyszy osi skośnej 111B, ponieważ może ona zgromadzić większy ładunek elektryczny i dzięki temu można nią łatwiej sterować. Korzystnie, mniejsza kropla 121A jest wystrzeliwana z większą prędkością niż większa kropla 121B.

Krople pierwotne są korzystnie łączone w obrębie głowicy 100, tj. zanim kropla opuści wylot 185 głowicy. Proces tworzenia kropli pierwotnych 121A, 121B jest sterowany (poprzez sterowanie ich parametrami, takimi jak czas wystrzelenia, siła, temperatura itd.) tak że ich kierunek można przewidzieć i tak ustalić, że krople pierwotne połączą się aby utworzyć połączoną kroplę w punkcie połączenia 132.

W jednym przykładzie wykonania, głowica może być tak zaprojektowana, aby obydwie krople 121A, 121B były wystrzeliwane z końcówek dysz 113A, 113B w tym samym momencie, tj. elementy generujące krople i nadające im energię kinetyczną 161A, 161B są uruchamiane tym samym sygnałem.

W celu poprawienia sterowania procesem koalescencji dwóch pierwotnych kropli tak, aby zintegrowały się one w jedną połączoną kroplę w przewidywalny i powtarzalny sposób oraz tak, aby osiągnąć przewidywalny kierunek przepływu połączonej kropli 122, ścieżki przepływu pierwotnych kropel 121A, 121B są tak ustalone, aby były w tej samej linii przed punktem połączenia lub w punkcie połączenia 132. Krople pierwotne są tak sterowane, że mają różne prędkości przed punktem połączenia 132, tak że mogą się ze sobą zderzyć w punkcie połączenia 132. Gdy dwie krople pierwotne poruszające się z różnymi prędkościami wzdłuż tej samej osi zderzą się ze sobą, ich koalescencja jest wysoce przewidywalna, a połączona kropla będzie poruszała się dalej wzdłuż tej samej osi AC.

Różne prędkości można uzyskać poprzez wystrzeliwanie kropel pierwotnych z końcówek dyszy z różnymi prędkościami. Jednakże, w pewnych przykładach wykonania, możliwe jest wystrzelenie kropel pierwotnych z zasadniczo tą samą prędkością z obydwu końcówek dysz. Fakt, iż dysze są rozmieszczone pod kątem zapewnia, że składowa równoległa prędkości skośnej kropli będzie mniejsza niż prędkość kropli równoległej, podczas gdy prędkości te zmienią się podczas przepływu pomiędzy końcówką dyszy a punktem połączenia, przykładowo z powodu oporu przepływu (przykładowo powiązanego z wielkością kropli) lub pola elektrycznego czy innych czynników.

Kropla pierwotna 121B wypuszczona z końcówki dyszy osi skośnej 113B ma niezerowy ładunek elektryczny i z tego powodu będzie zwana dalej „naładowaną kroplą pierwotną” 121B. Kropla 121B może zostać naładowana na różne sposoby. Przykładowo, wstępnie naładowany może zostać czynnik płynny w zbiorniku 116B. Alternatywnie, czynnik płynny może zostać naładowany poprzez elektrody ładujące zlokalizowane wzdłuż kanału dyszy 112B lub końcówki dyszy 113B. Co więcej, kropla pierwotna 121B może zostać naładowana po jej uformowaniu i/lub wystrzeleniu, wzdłuż osi jej ruchu, poprzez elektrody ładujące zlokalizowane w torze ruchu przed elektrodami odchylającymi 141, 142.

PL 226 753 B1

Zestaw elektrod odchylających 141, 142 tworzących kondensator jest rozmieszczony wzdłuż osi przepływu naładowanej kropli pierwotnej 121B celem zmiany toru lotu naładowanej kropli pierwotnej 121B, tak aby ustawić ją w linii z torem lotu kropli pierwotnej 121A wypuszczonej z drugiej końcówki dyszy 113A przed lub w punkcie połączenia 132. Elektrody 141, 142 są podłączone do sterowalnych źródeł napięcia stałego DC i sterowalne według znanych sposobów. W związku z tym, na tor lotu naładowanej kropli pierwotnej 121B jest wywierany wpływ na dystansie d1 zakresu działania elektrod. Odległość dx pomiędzy elektrodami jest tak zaprojektowana, aby uniknąć jakiegokolwiek fizycznego kontaktu pomiędzy lecącą kroplą a elektrodą, przy jednoczesnym umożliwieniu wygenerowania pola elektrycznego wystarczająco silnego, aby zmienić ukierunkowanie naładowanej kropli pierwotnej 121B ze ścieżki skośnej na ścieżkę równoległą.

W kolejnym przykładzie wykonania, elektrody 141 i 142 mogą być częścią jednej cylindrycznej elektrody o takim samym znaku ładunku co naładowana kropla pierwotna 121B. Odległość dx nie będzie zależna od napięcia przebicia kondensatora, jak w poprzednim przykładzie wykonania. Taki przykład wykonania pozwoli na wyższe tolerancje punktu umieszczenia dyszy, jak również umożliwi równoległe ułożenie dyszy. Choć jest to mniej korzystne z punktu widzenia stabilności operacji, wymagałoby to mniejszej dokładności wykonania.

Możliwe jest również ułożenie dysz 111A, 111B równolegle do siebie i użycie pierwszego zestawu elektrod do zmiany toru naładowanej kropli 121B z równoległego do skośnego i drugiego zestawu elektrod do ułożenia w linii naładowanej kropli 121B z równoległą kroplą przed punktem połączenia 132.

Możliwe jest również połączenie obydwu poprzednich przykładów wykonania: aby użyć pierwszy stopień elektrod odchylających (do ułożenia kropel równolegle do siebie) 141, 142 jak pokazano na Fig. 2A, a następnie elektrody podobnie do zestawu elektrod 171 pokazanych na Fig. 2A i 4 w celu bardziej precyzyjnego prowadzenia kropli naładowanej (lub kropli naładowanych), co pozwoliłoby na zwiększenie dokładności i stabilności ukierunkowania kropli przed punktem połączenia 132 w celu dalszego polepszania warunków koalescencji.

Kropla pierwotna osi równoległej 121A ma korzystnie zerowy ładunek elektryczny, tj. nie jest naładowana.

Jednakże, możliwe są inne przykłady wykonania, w których kropla pierwotna 121A również jest naładowana i wystrzelona w osi skośnej względem pożądanej osi AC przepływu połączonej kropli 122, a głowica drukująca zawiera ponadto kolejny zespół elektrod odchylających do ułożenia jej w linii osi przepływu z osią AC przed punktem połączenia 132.

W kolejnym przykładzie wykonania, mogą być generowane więcej niż dwie krople pierwotne, tj. połączona kropla 122 może być uformowane przez koalescencję (jednoczesną lub sekwencyjną) więcej niż dwóch kropel, przykładowo trzech kropel wystrzelonych z trzech dysz, z których co najmniej dwie mają swoje osie skośnie względem pożądanej osi przepływu AC połączonej kropli 122.

Oś przepływu AC połączonej kropli 122 jest korzystnie osią główną głowicy drukującej, jednak może również inną osią.

Głowica drukująca może zawierać dodatkowe elementy do polepszania sterowania miejscem umieszczenia kropli.

Przykładowo, głowica drukująca może zawierać zestaw elektrod w formie grzebienia 151, 152 połączonych ze sterowalnymi źródłami napięcia stałego DC lub zmiennego AC, przystosowanymi do zwiększania prędkości przepływu naładowanej kropli połączonej 122 zanim opuści ona końcówkę głowicy drukującej 185. Prędkość można zwiększać w kontrolowalny sposób za pomocą sterowania źródłami napięcia AC połączonymi z elektrodami 151, 152, w celu osiągnięcia pożądanej prędkości wyjściowej połączonej kropli 122, aby przykładowo sterować dystansem drukowania, co może być szczególnie użyteczne przy drukowaniu na nierównych podłożach. Zestaw elektrod przyspieszających 151, 152 powinien być umieszczony w odległości d3 od elektrod odchylających 141, 142, która jest wystarczająco duża, aby pola elektryczne wygenerowane przez elektrody nie wpływały na ich pracę w niepożądany sposób. Odległość d₂ i liczba par elektrod przyspieszających w obrębie których łączona kropla 122 pozostaje pod wpływem siły przyspieszającej zależy od rozmiaru połączonej kropli 122 i pożądanego wzrostu jej prędkości. Dla niektórych przemysłowych zastosowań drukowania może być wymagany cały zestaw kondensatorów AC do korzystnie podwojenia lub potrojenia prędkości połączonej kropli, przykładowo z prędkości 3 m/s do 9 m/s mierzonej przy końcówce 185 głowicy. Możliwe jest również zamontowanie elektrod DC jako jednostki przyspieszającej. Dla zastosowań w zakresie drukarek biurowych przyspieszenie może nie być konieczne.

PL 226 753 B1

Użycie elektrod przyspieszających pozwala na wystrzelenie kropel pierwotnych z końcówki dyszy ze stosunkowo małymi prędkościami, co pomaga w koalescencji (która wówczas może następować przy pewnych optymalnych parametrach kolizji zależnych od: prędkości względnej kropel, ich napięcia powierzchniowego, rozmiaru, temperatury itd.), a następnie przyspieszenie połączonej kropli w celu osiągnięcia pożądanych warunków drukowania.

Co więcej, głowica drukująca może zawierać zestaw elektrod 171 do odchylania lub korygowania (ukierunkowania kropli) połączony ze sterowalnym źródłem napięcia stałego DC, pokazanym w przekroju wzdłuż linii B-B z Fig. 2A na Fig. 4, które może sterowalnie odchylać kierunek przepływu naładowanej połączonej kropli 122 w pożądanym kierunku celem sterownia miejscem umieszczenia kropli w sposób ekwiwalentny do tego znanego z technologii CIJ lub - w przypadku elektrod korygujących - polepszenia wyrównania ścieżki poruszania się połączonej kropli 122 równolegle do osi głowicy w celu polepszenia dokładności miejsca umieszczenia kropli.

Co więcej, głowica drukująca może zawierać elementy do utrwalania połączonej kropli 122 zanim opuści ona głowicę drukującą, przykładowo źródło światła UV (nie ukazano na rysunku) celem wpłynięcia na wrażliwy na promienie UV czynnik utrwalający w połączonej kropli 122.

W związku z tym, proces generowania kropli jest przeprowadzany jak pokazano szczegółowo na Fig. 3A-3E. W pierwszej kolejności, krople pierwotne 121A, 121B są wystrzeliwane z końcówek dysz 113A, 113B jako pokazano na Fig. 3A. Tor przepływu kropli skośnej osi 121B jest modyfikowany celem doprowadzenia do stanu gdzie jest on w linii z torem przepływu kropli osi równoległej 121A, jak pokazano na Fig. 3B. Gdy krople pierwotne 121A, 121B są torach leżących na wspólnej linii, poruszają się one z różnymi prędkościami jak pokazano na Fig. 3C i w końcu kolidują ze sobą w punkcie połączenia 132 celem uformowania połączonej kropli 122, jak pokazano na Fig. 3D. Połączona kropla może następnie zostać dalej przyspieszona i/lub odchylona poprzez dodatkowe elementy do sterowania kroplą i ostatecznie wystrzelona jak pokazano na Fig. 3E.

Czynniki płynne w zbiornikach 116A, 116B mogą także być korzystnie podgrzewane. Zwiększona temperatura czynników płynnych (tj. tuszu i katalizatora) może korzystnie wpłynąć na proces koalescencji kropli pierwotnych oraz poprawi lepkość i skróci czas utrwalania połączonej kropli 122 w chwili jej kontaktu z drukowanym podłożem.

Głowica drukująca może również zawierać obudowę 181, która chroni wrażliwe elementy konstrukcji głowicy, a szczególnie końcówki dysz 113A, 113B przed wpływem otoczenia, np. zapobiegając przed kontaktem fizycznym z użytkownikiem lub znakowanymi produktami.

Ponadto, obudowa 181 może zawierać elementy grzejne (nie przedstawione na rysunku), których celem jest podniesienie temperatury wewnątrz obudowy głowicy drukującej, a szczególnie bezpośredniego otoczenia końcówek dysz 113A, 113B do żądanego poziomu, korzystnie w granicach od 40 do 80 st. Celsjusza (inne zakresy temperatur mogą okazać się korzystne dla niektórych czynników i kropli). Podgrzewanie wnętrza głowicy drukującej pozwoli zapewnić stabilne warunki łączenia się i koalescencji kropli. Wewnątrz obudowy 181 może zostać umieszczony czujnik temperatury 183, umożliwiający pomiar temperatury wewnątrz głowicy drukującej.

Ponadto głowica drukująca 110 może zawierać kanały (nie przedstawione na rysunku) doprowadzające pod ciśnieniem gaz - np. powietrze albo azot - korzystnie podgrzany, wzdłuż osi Aa, Ab i/lub AC, w celu skrócenia czasu utrwalania, wzmocnienia dynamiki kropli oraz w celu usuwania ewentualnych zanieczyszczeń z końcówek dysz 113A, 113B i innych elementów zespołu dyszowego.

Claims (20)

1. Głowica drukująca typu ink jet start-stop (ang. Drop-on-Demand, DOD) zawierająca zespól dyszowy zawierający co najmniej dwie dysze; przy czym każda z dysz jest połączona kanałem z odrębnym zbiornikiem cieczy i zawiera element generujący krople i nadający im energię kinetyczną do formowania na żądanie kropli pierwotnych cieczy przy końcówce dyszy; przy czym pierwsza dysza jest przystosowana do wystrzeliwania pierwszej kropli pierwotnej wzdłuż pierwszej ścieżki (AA), a druga dysza jest przystosowana do wystrzeliwania drugiej kropli pierwotnej wzdłuż drugiej ścieżki (AB), która nie jest ustawiona w linii z pierwszą ścieżką (AA), znamienna tym, że zawiera ponadto zestaw elektrod (141, 142) do zmiany toru lotu (AB) drugiej kropli pierwotnej (121B) na tor będący w linii z torem lotu (AA) pierwszej kropli pierwotnej (121A) przed miejscem połączenia lub w miejscu połączenia (132), w którym doPL 226 753 B1 chodzi do połączenia pierwszej kropli pierwotnej (121A) z drugą kroplą pierwotną (121B) w kroplę połączoną (122), przy czym każda z pierwszych kropli pierwotnych (121A) i drugich kropli pierwotnych (121B) jest kierowana na powierzchnię do zadrukowania.

2. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że druga kropla podstawowa (121B) jest kroplą naładowaną (121B) posiadającą niezerowy ładunek elektryczny.

3. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że ciecz w drugim zbiorniku (116B) połączonym z drugą dyszą (111B) jest naładowana.

4. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że druga dysza (111B) zawiera elektrody ładujące umieszczone wzdłuż kanału dyszy (112B) do ładowania cieczy przepływającej przez kanał dyszy (112B).

5. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że druga dysza (111B) zawiera elektrody ładujące umieszczone przy końcówce dyszy (113B) do ładowania drugiej kropli pierwotnej (111B) uformowanej przy końcówce dyszy (113B).

6. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że zawiera ponadto elektrody ładujące do ładowania drugiej kropli pierwotnej (121B) i umieszczone wzdłuż ścieżki lotu drugiej kropli pierwotnej (121B) przed zestawem elektrod (141, 142) do zmiany toru lotu drugiej kropli pierwotnej (121B).

7. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że druga kropla pierwotna (121B) ma rozmiar większy niż pierwsza kropla pierwotna (121A).

8. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że dysze (111A, 111B) mają swoje osie (AA, AB) ustawione równoległe względem siebie.

9. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że dysze (111A, 111B) mają swoje osie (AA, AB) nachylone względem siebie.

10. Głowica drukująca według zastrz. 9, znamienna tym, że dysze (111A, 111B) mają swoje osie nachylone względem siebie pod kątem α od 3 do 60 stopni, korzystnie od 5 do 25 stopni.

11. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że zestaw elektrod (141, 142) jest połączony ze sterowalnym źródłem napięcia DC.

12. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że zawiera ponadto inny zestaw elektrod do zmiany toru (AA) lotu pierwszej kropli pierwotnej (121A).

13. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że zawiera ponadto zestaw elektrod przyspieszających (151, 152) połączonych ze sterowalnym źródłem napięcia AC i zlokalizowanym dalej w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu w odniesieniu do punktu połączenia (132).

14. Głowica drukująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że zawiera ponadto zestaw elektrod (171) do wykrywania i/lub poprawiania toru lotu kropli połączony ze sterowalnym źródłem napięcia DC i zlokalizowany dalej w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu w odniesieniu do punktu połączenia (132).

15. Głowica drukująca według dowolnego z wcześniejszych zastrzeżeń, znamienna tym, że zawiera wiele zespołów dyszowych (110) rozmieszczonych równolegle do siebie.

16. Głowica drukująca według dowolnego z wcześniejszych zastrzeżeń, znamienna tym, że końcówki dysz (113A, 113B) są podgrzewane.

17. Głowica drukująca według dowolnego z wcześniejszych zastrzeżeń, znamienna tym, że zawiera ponadto obudowę (181) obejmującą końcówki dysz i punkt łączenia.

18. Głowica drukująca według zastrz. 17, znamienna tym, że obudowa (181) zawiera element grzejny do ogrzewania przestrzeni wewnątrz obudowy (181).

19. Głowica drukującą według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że zawiera ponadto źródło strumienia powietrza płynącego w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu w obrębie osłony (181).

20. Głowica drukującą według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że zawiera ponadto źródło światła UV w obrębie osłony (181).