PL226793B1 - 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, np. 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, np. w przemyśle farmaceutycznym. Głowice piezoelektryczne takich firm, jak

PL 226 793 B1

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 szybkoschnącego 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, np. 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 - np. najczęściej stosowane na bazie MEK (ang. Methyl Ethyl Ketone) - są trujące i toksyczne.

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

Artykuł: „Double-shot inkjet 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 małe krople o objętości rzędu pikolitrów, z których jedna zawiera cząstki agenta (np. tetrathiafulvalene, TTF), a druga reagenta (np. 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.

Inny 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

PL 226 793 B1 się 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.

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 CIJ 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 zawierająca zespół dyszowy zawierający parę dysz; przy czym każda z dysz jest połączona kanałem z odrębnym zbiornikiem cieczy do formowania kropli pierwotnych cieczy przy końcówce dyszy skierowanej pod kątem (βΑ, βΒ) względem osi wzdłużnej głowicy i przystosowana do wystrzeliwania kropli pierwotnych w kierunku przepływu celem połączenia się kropli pierwotnych w kroplę połączoną w punkcie łączenia; charakte ryzująca się tym, że zespół dyszowy zawiera: obudowę podstawową otaczającą końcówki dysz i punkt łączenia, rozciągającą się w kierunku przepływu i posiadającą pierwszą sekcję o średnicy (D1) większej od średnicy (dC) kropli połączonej i drugą sekcję znajdującą się pomiędzy pierwszą sekcją a końcówkami dysz, której szerokość rozszerza się w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu; oraz źródło strumienia gazu wprowadzanego zgodnie z kierunkiem przepływu do wewnątrz obudowy podstawowej.

Korzystnie, dysze są nachylone względem osi wzdłużnej głowicy pod kątem (βΑ, βΒ) od 5 do 75 stopni, korzystnie od 15 do 45 stopni.

Korzystnie, obydwie dysze są nachylone względem osi wzdłużnej głowicy pod tym samym kątem (βΑ, βΒ).

Korzystnie, dysze są nachylone względem osi wzdłużnej głowicy pod różnymi kątami (βΑ, βΒ).

Korzystnie, obudowa podstawowa zawiera ponadto trzecią sekcję przebiegającą w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu równolegle do zewnętrznych ścianek dysz.

Korzystnie, długość (L1) pierwszej sekcji obudowy podstawowej jest nie mniejsza niż średnica (dC) połączonej kropli.

Korzystnie, głowica zawiera ponadto zestaw elektrod przy wyjściu obudowy podstawowej.

Korzystnie, głowica zawiera ponadto obudowę dodatkową otaczającą obudowę podstawową i połączoną ze źródłem strumienia gazu, zawierającą pierwszą sekcję przebiegającą z kierunkiem przepływu od wylotu pierwszej sekcji obudowy podstawowej i mającą średnicę zmniejszającą się wraz z kierunkiem przepływu do średnicy (D2) większej niż średnica (dC) połączonej kropli.

Korzystnie, głowica zawiera ponadto zestaw elektrod przy wyjściu obudowy dodatkowej.

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.

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

Fig. 1, 2A, 2B, 3 i 4 ilustrują schematycznie pierwszy przykład wykonania wynalazku;

Fig. 5 ilustruje schematycznie drugi przykład wykonania wynalazku;

Fig. 6 ilustruje schematycznie trzeci przykład wykonania wynalazku;

Fig. 7, 8 i 9 ilustrują schematycznie przykłady urządzeń do nadawania energii początkowej kropli wystrzeliwanej z dyszy.

PL 226 793 B1

Pierwszy przykład wykonania omawianego wynalazku ilustruje głowica drukująca 100 przedstawiona na fig. 1, oraz 2A i 2B, które pokazują ten sam przekrój z uwypukleniem różnych szczegółów technicznych, a także na fig. 3 pokazującej kolejny przekrój wzdłużny z perspektywy różnej o 90 stopni w stosunku do fig. 2A i 2B oraz na fig. 4 ilustrującej pewne przekroje poprzeczne.

Głowica drukująca 100 może zawierać jeden lub więcej zespołów dyszowych 110, z których każdy wytwarza połączoną kroplę 122 uformowaną z dwóch kropli pierwotnych 121A i 121B wystrzeliwanych z dwóch dysz 111A, 111B. Fig. 1 ilustruje przykład głowicy zawierającej wiele zespołów 110 ustawionych w rzędzie w taki sposób, aby całość mogła nanosić wielopunktowy nadruk 191 na podłoże 190. Należy przy tym zaznaczyć, że głowica drukująca tego typu może składać się zarówno z jednego zespołu, jak i z wielu zespołów dyszowych: może zawierać nawet 156 lub więcej zespołów.

W każdej dyszy 111A, 111B z zespołu dyszowego 110 znajduje się kanał 112A, 112B doprowadzający czynnik płynny ze zbiornika 116A, 116B. Na końcówkach dysz 113A i 113B płyn ten, w wyniku działania elementów wyrzucających krople pokazanych na fig. 7, 8 i 9, formuje krople pierwotne 121A i 121B. Krople pierwotne 121A i 121B po opuszczeniu końcówek dysz 113A i 113B przemieszczają się do punktu łączenia 132, gdzie następuje ich połączenie i uformowanie kropli 122, która następnie przemieszcza się w kierunku drukowanego podłoża.

Krople pierwotne 121A, 121B prowadzone są z pomocą strumieni 171A, 171B oraz 174A, 174B składających się z gazu (np. powietrza, azotu) doprowadzonego pod ciśnieniem korzystnie 5 Bar z kanału 119 do wnętrza obudowy podstawowej 141. Kształt obudowy 141 w jej górnej części wspomaga przepływ gazu równolegle do dysz 111A i 111B, co z kolei wspomaga oderwanie się kropli pierwotnych 121A i 121B od końcówek dysz 113A i 113B oraz ich prowadzenie do punktu łączenia 132, gdzie formują kroplę połączoną 122.

Dysze 112A i 112B wyposażone są w elementy generujące pojedyncze krople i nadające im energię kinetyczną. Elementy te, oznaczone jako 161A i 161B, dla zachowania jasności całego obrazu zaznaczono tu jedynie schematycznie, a ich przykładowe warianty zilustrowano na fig. 7-9. I tak elementem generującym kroplę i nadającym jej energię kinetyczną może być element termiczny (fig. 7), element piezoelektryczny (fig. 8), jak też zawór (fig. 9). W tym ostatnim wypadku czynnik płynny powinien być dostarczany pod ciśnieniem.

Obudowa podstawowa 141 charakteryzuje się kształtem przekroju zmiennym wraz z długością, a co za tym idzie zawiera odcinki o różnych kształtach przekroju. Odcinek dolny, tzn. położony najdalej zgodnie z kierunkiem przepływu (powietrza lub przelotu kropli) oznaczony jako 143 ma kształt przekroju na całej swojej długości ten sam - okrągły o średnicy D1 większej od średnicy dC połączonej kropli 122, korzystnie co najmniej dwukrotnie większej. W ten sposób obudowa podstawowa 141 kończy się dyszą 143, przez którą połączona kropla 122 przelatuje dzięki posiadanej już energii kinetycznej wspomaganej przepływem strumieni gazu 171A, 171B. Dysza 143 korzystnie stabilizuje kierunek lotu połączonej kropli 122, co z kolei korzystnie wpływa na dokładność nanoszenia kropli, czyli jakość nadruku.

Sekcja oznaczona jako 144 stanowi odcinek podstawowej obudowy 141 od początku dyszy 143 (od punktu, w którym dysza 143 - do tego miejsca o kształcie walca - zaczyna się rozszerzać) do punktu, w którym kończą się końcówki dysz 113A i 113B. Kształt obudowy podstawowej 141 zmienia się na odcinku 144 w taki sposób, że rozszerza się w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu, z tym, że szerokość przekroju zwiększa się bardziej, niż jego głębokość, przybierając kształt eliptyczny. Ilustruje to przekrój E-E na fig. 4.

Kształt obudowy podstawowej 141 na odcinku 144 zwęża się stopniowo wraz z kierunkiem przepływu. Dzięki temu, strumienie gazu 171A i 171B napływające głównie w okolicy wewnętrznych ścianek obudowy podstawowej 141 będą następnie wspomagać kierowanie się kropli pierwotnych 121A i 121B, a następnie kropli połączonych 122, w kierunku środka przekroju/przepływu.

Obudowa podstawowa 141 obejmuje także odcinek 145, znajdujący się powyżej odcinka 144 w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu, zaczynający w miejscu końcówek dysz 113A i 113B.

Przekrój B-B na fig. 4 ilustruje sposób, w jaki obudowa podstawowa 141 obejmuje dysze 111A i 111B. Odbywa się to tak, aby strumienie gazu 171A i 171B obejmowały dysze 111A i 111B od strony obudowy podstawowej 141, a strumienie gazu 174A i 174B przepływały w przestrzeni znajdującej się pomiędzy dyszami 111A i 111B a elementem blokującym 133, który kierunkuje strumienie 174A, 174B równolegle do osi dysz 111A, 111B.

Strumienie gazu 171A i 171B są prowadzone w tej sekcji równolegle do kanałów - dysz 111A i 111B doprowadzających czynniki płynne (tusz i utrwalacz) do końcówek 113A i 113B oraz równolegle

PL 226 793 B1 do kierunku wyrzutu kropli pierwotnych 121A, 121B. Równoległy przepływ gazu ustabilizowany zanim wejdzie w kontakt z kroplami pierwotnymi 121A i 121B wspomaga kontrolę prawidłowego kierunku przelotu kropli pierwotnych od momentu, kiedy opuszczają końcówki dysz 113A i 113B. Dokładnie od tej chwili zarówno kierunek, jak i energia kinetyczna lotu kropli są wspomagane przez przepływający wokół gaz. Należy przy tym podkreślić, że kształt obudowy podstawowej 141 powinien być ukształtowany w taki sposób, aby wspomagać właściwe prędkości przepływu gazu przez wymienione odcinki 145, 144 oraz 143. Prędkość przepływającego gazu powinna być korzystnie większa tuż przed osiągnięciem rejonu końcówek dysz, a zatem w odcinku 145, a szczególnie jego końcowej fazie, następnie prędkość przepływu gazu może spowolnić, ale w centrum odcinka 144 powinna pozostać korzystnie co najmniej nie mniejsza, niż prędkość lotu połączonej kropli 122 na tym samym odcinku, następnie prędkość przepływu gazu powinna korzystnie znacznie przyśpieszyć na odcinku 143, gdzie nastąpi wymuszone przyśpieszenie przepływu w związku ze zmniejszeniem powierzchni przekroju. Znaczne spowolnienie przepływu spowodowane stosunkowo największą powierzchnią przekroju na odcinku 144 stwarza warunki do skompensowania za pomocą niewielkich różnic ciśnienia gazu w - bardzo krótkim - momencie, kiedy na odcinku 143 przepływ gazu zostanie spowolniony kroplą 122 przelatującą z prędkością wolniejszą. Spowoduje to chwilowy wzrost ciśnienia gazu na odcinku 144, co korzystnie wpłynie na energię kinetyczną kropli 122 w momencie opuszczania przez nią dyszy 143.

W każdym wypadku na odcinku 144 obudowy podstawowej 141 przepływ gazu 171A, 171B oraz 174A, 174B jest tak zaprojektowany, aby korzystnie zachował prędkość przepływu nie mniejszą, niż prędkość kropli pierwotnych 121A i 121B podczas ich wyrzutu z końcówek dysz 111A i 111B. Temperatura przepływającego gazu może zostać korzystnie podwyższo na w celu poprawy warunków łączenia się i koalescencji kropli pierwotnych 121A i 121B dzięki obniżaniu się wraz ze wzrostem temperatury napięcia powierzchniowego i lepkości cieczy tworzących tusz i utrwalacz.

Geometria odcinka 143 w stosunku do odcinka 144, a szczególnie znacznie mniejsza powierzchnia przekroju odcinka 143 w stosunku do 144, jest zaplanowana w taki sposób, aby przepływ gazu znacznie zwiększał swoją prędkość na odcinku 143, korzystnie od 5 do 10 razy. Przyśpieszenie przepływu gazu na odcinku 143 korzystnie wpłynie na wzrost energii kinetycznej połączonej kropli 122 oraz na utrzymanie przez nią właściwego kierunku w jej dalszych fazach lotu.

Alternatywnie, element blokujący 133 może być nieobecny, wówczas strumienie 174A, 174B nie będą kierunkowane równolegle do osi dysz 111A, 111B, lecz ze względu na ukierunkowanie strumieni 171A, 171B, możliwa będzie wciąż kontrola nad kierunkowaniem kropli pierwotnych 121A, 121B.

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.

W tym przykładzie wykonania kropla tuszu łączy się z kroplą utrwalacza wewnątrz głowicy drukującej 100, tzn. zanim połączona kropla 122 opuści wnętrze obudowy podstawowej 141. Konstrukcja głowicy zakłada, że końcówki dysz 113A i 113B są oddzielone od siebie za strumieniami gazu 174A, 174B. Tusz i utrwalacz nie wejdą zatem w kontakt między sobą na etapie, gdy wciąż pozostają w kontakcie

PL 226 793 B1 z końcówkami dysz 113A i 113B, co zapobiega zablokowaniu tych końcówek przez niepożądane (zbyt wczesne) rozpoczęcie procesu utrwalania.

Krople pierwotne 121A i 121B są prowadzone bezpośrednio po opuszczeniu końcówek dysz w sposób umożliwiający kontrolę ich przemieszczania się w sposób uporządkowany do momentu ich wzajemnego spotkania się w punkcie łączenia. Umożliwia to znacznie lepszą kontrolę nad procesem koalescencji kropli oraz nad kierunkiem lotu kropli połączonej. Ułatwia to z kolei kontrolę nad precyzyjnym umieszczaniem kropli nadruku w żądanym miejscu na drukowanym podłożu.

Nawet jeśli, z powodu różnic w rozmiarze, gęstości lub energii kinetycznej kropli pierwotnych 121A i 121B, kropla połączona 122 nie kierowałaby się w kierunku dokładnie prostopadłym do głowicy, ale pod pewnym kątem, kąt ten byłby taki sam dla wszystkich kolejnych kropli, a zatem przewidywalny i możliwy do uwzględnienia w konfiguracji urządzenia dla procesu drukowania.

Tak więc, obudowa podstawowa 141 służy jako element prowadzący krople pierwotne 121A, 121B wewnątrz głowicy 100 od końcówek dysz 113A, 113B do punktu łączenia 132. Dysze 112A i 112B w prezentowanym na fig. 3 przykładzie są symetryczne, tzn. ich kąty nachylenia βΑ, βΒ w stosunku do osi głowicy 100 są takie same.

W innych przykładach zastosowań jednak kąty βΑ, βB mogą być różne, zależnie od parametrów czynników płynnych dostarczanych z końcówek dysz 113A i 113B.

Kąt βA, βB nachylenia dysz do osi głowicy powinien mieścić się w granicach od 5 do 75 stopni, korzystnie od 15 do 45 stopni.

Końcówki dysz 113A, 113B mogą być podgrzewane do temperatury wyższej od temperatury otoczenia. Czynniki płynne w zbiornikach 116A, 116B mogą także być korzystnie podgrzewane. W połączeniu z podwyższona temperaturą końcówek dysz zapewni to podwyższoną temperaturę kropli, co z kolei korzystnie wpłynie na proces koalescencji kropli pierwotnych oraz poprawi lepkość i skróci czas utrwalania połączonej kropli 122 w chwili jej kontaktu z drukowanym podłożem.

Obudowa podstawowa 141 może być elementem wymiennym, co ułatwiłoby dostosowanie jej parametrów do właściwości stosowanych czynników płynnych (tuszu i utrwalacza). Na przykład, można stosować obudowy 141 o różnych średnicach D1 odcinka 143 zależnie od aktualnych cech i wielkości połączonej kropli 122 oraz jej oczekiwanej prędkości wylotowej (czyli w momencie opuszczania odcinka 143). Kąty βA, βB nachylenia dysz 111A i 111B mogą też podlegać zmianie lub regulacji zależnie od właściwości aktualnie stosowanych czynników płynnych podawanych ze zbiorników 116A, 116B.

Odcinek 143 obudowy podstawowej 141 ma długość L1 korzystnie nie mniejszą, niż średnica Dc połączonej kropli 122, korzystnie nie mniejszą niż wielokrotność średnicy dC połączonej kropli 122, co pozwoli na skuteczne ustabilizowanie kierunku lotu połączonej kropli 122, a zatem lepszą precyzję jej ostatecznego położenia na drukowanym podłożu.

Powierzchnie wewnętrzne obudowy podstawowej 143 powinny charakteryzować się zmniejszonym współczynnikiem tarcia lub lepkości zapobiegając w ten sposób możliwości przylegania ewentualnych odprysków połączonej kropli 122 do powierzchni we wnętrzu obudowy podstawowej 143 oraz ułatwiając ich usuwanie na zewnątrz przez strumienie gazu 171A i 171B. Przepływ gazu przez obudowę podstawową 143 w kierunku do zewnątrz korzystnie zapobiega także dostawaniu się do jej wnętrza zanieczyszczeń z otoczenia.

Głowica drukująca może obejmować także obudowę dodatkową 151, która otacza obudowę podstawową 141 oraz ma kształt z nią korespondujący, jednak rozszerzony - inaczej mówiąc, przekrój poprzeczny obudowy dodatkowej 151 w stosunku do przekroju poprzecznego obudowy podstawowej 141 tworzy przestrzeń, która umożliwia skierowanie tam strumienia gazu 172. Gaz dostarczany jest pod ciśnieniem z kanału 119, a przepływając wokół odcinka 143 obudowy podstawowej 141 umożliwia dalsze prowadzenie połączonej kropli 122 po tym, gdy podczas lotu na zewnątrz opuści ona odcinek 143 obudowy podstawowej 141. Strumień gazu 172 może dodatkowo przyśpieszać w okolicy dodatkowej końcówki 153 z powodu zmniejszającej się powierzchni przekroju przepływu, co z kolei może spowodować dalsze przyśpieszenie połączonej kropli 122 po opuszczeniu przez nią odcinka 143 obudowy podstawowej 141. Powierzchnia przekroju przepływu gazu 172 - odpowiadająca różnicy powierzchni pomiędzy przekrojem obudowy podstawowej 141 i obudowy dodatkowej 151 - zmniejsza się w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu gazu, dzięki czemu prędkość przepływu gazu w pobliżu końca odcinka 143 obudowy podstawowej 141 - czyli miejsca, w którym połączona kropla 122 opuszcza ten odcinek - będzie nie niższa, niż prędkość przelotu tej kropli, a korzystnie wyższa. W celu dalszego zwiększenia prędkości kropli 122, powierzchnia przekroju odcinka 153 obudowy dodatkowej 151 zmniejsza się korzystnie wraz z kierunkiem przepływu strumienia gazu 172, koncentrując

PL 226 793 B1 w ten sposób ich przepływ wokół osi wzdłużnej oraz wpływając na jego ponowne przyśpieszenie. Odcinek 152 obudowy dodatkowej 151, będący najbliżej jej zakończenia, ma korzystnie przekrój okrągły o średnicy D2 korzystnie większej w stosunku do średnicy D1 odcinka 143. Dzięki temu połączona kropla 122, prowadzona w odcinku 152 przez połączone strumienie gazu 171A, 171B, 172, które wypełniają przestrzeń pomiędzy kroplą 122 a powierzchnią wewnętrzną odcinka 152, uniknie kontaktu z powierzchnią wewnętrzną obudowy dodatkowej 151.

Średnica D2 jest korzystnie co najmniej dwukrotnie większa od średnicy dC kropli 122. Długość odcinka L2 odcinka 152 może wynosić od zera do wielokrotności średnicy dC, korzystnie do 10, 100, a nawet 1000 razy więcej, niż wynosi średnica dC, co wspomaga kontrolę nad pożądanym kierunkiem lotu kropli 122 oraz zwiększa jej energię kinetyczną w dalszych fazach lotu.

Lepsza kontrola nad kierunkiem lotu i większa energia kinetyczna kropli 122 korzystnie wpłynie na zwiększenie skutecznego dystansu pracy - tzn. odległości pozwalającej na zachowanie jakości nadruku - pomiędzy głowicą drukującą a drukowanym podłożem. Umożliwia to między innymi nanoszenie nadruków na powierzchnie o kształtach zmiennych, innych niż płaskie. Ponadto ułatwia to zachowanie jakości nadruku w sytuacjach, gdy tor lotu kropli znajduje się pod kątem do wektora grawitacji. Ponadto, wydłużenie odcinka L2 umożliwia postęp procesu utrwalania się kropli w locie, co może korzystnie wpłynąć na jej przyczepność do drukowanego podłoża 190.

W trakcie przelotu przez odcinek 153 obudowy dodatkowej 151 gaz zwiększa swoją prędkość zmniejszając jednocześnie ciśnienie i temperaturę. Może to doprowadzić do zwiększenia prędkości lotu oraz spadku temperatury połączonej kropli 122, która pozostaje w tym czasie w strumieniu gazu. Obniżenie temperatury kropli może spowodować wzrost jej lepkości i przyczepności, co jest korzystne w momencie kontaktu z drukowanym podłożem, zapobiegając niepożądanej penetracji lub rozlewaniu się kropli na boki.

Głowica może ponadto zawierać obudowę 181 do ochrony komponentów głowicy, w szczególności końcówek dysz 113A, 113B przed otoczeniem, na przykład przed dotykiem przez użytkownika.

W drugim przykładzie wykonania, przedstawionym schematycznie na fig. 5, jeden lub obydwa czynniki płynne przechowywane w zbiornikach 116A, 116B mogą być wstępnie naładowane określonym ładunkiem elektrostatycznym, tak aby jedna lub obydwie krople opuszczające końcówki dysz były naładowane, co może ułatwić łączenie kropli pierwotnych 121A, 122B w kroplę połączoną 122. Jak przedstawiono na fig. 5, wylot obudowy podstawowej 141 może zawierać zestaw elektrod 164, które wytwarzają pole elektryczne, które wymusza położenie naładowanej kropli połączonej 122 w osi wzdłużnej głowicy. Ponadto, wylot obudowy dodatkowej 151 może zawierać zestaw elektrod 165, które generują pole elektryczne, które wymusza położenie naładowanej kropli połączonej 122 w osi wzdłużnej głowicy. Zastosowany może być jeden lub obydwa zestawy elektrod 164, 165. Korzystnie, każdy z zestawów 164, 165 zawiera co najmniej 3 elektrody, a korzystnie 4 elektrody, które są rozmieszczone równomiernie na obwodzie koła, tak aby wymuszać ułożenie kropli 122 w centralnej osi. Tak więc, zestawy elektrod 164, 165 pomagają w pozycjonowaniu kropli. Pozostałe elementy są analogiczne jak dla pierwszego przykładu wykonania.

W trzecim przykładzie wykonania, przedstawionym schematycznie na fig. 6, obecna jest tylko obudowa podstawowa 141, bez obudowy dodatkowej 151. Obudowa podstawowa 141 ma dłuższą, w porównaniu do pierwszego przykładu wykonania, pierwszą sekcję 143, co ułatwia kontrolę nad pozycjonowaniem kropli i może umożliwić zwiększenie energii wyjściowej kropli połączonej. Pozostałe elementy są analogiczne jak dla pierwszego przykładu wykonania.

Należy podkreślić, że rysunki wykonano w celu ilustracji zasady działania wynalazku lub jego części - rysunki te przedstawiają jedynie schematycznie przykłady wykonania i nie są skalowane.

Prezentowany wynalazek może okazać się szczególnie przydatny do zastosowań w drukarkach ink jet DOD wysokiej rozdzielczości. Może też jednak znaleźć zastosowanie w drukarkach ink jet niskiej rozdzielczości pracujących w oparciu o zawory i tusz doprowadzany pod ciśnieniem.

Ponadto, prezentowany wynalazek stanowi unikalne dotąd połączenie dwóch znanych i szeroko stosowanych technologii ink jet dzięki możliwości generowania kropli tuszu za pomocą technologii DOD - w tym DOD wysokiej rozdzielczości - z możliwością kontrolowanego odchylania toru kropli oraz czasem schnięcia lub utrwalania się nadruku charakterystycznych dla technologii CIJ.

Rozszerza to znacznie możliwości cyfrowego nanoszenia wysokiej jakości nadruków zmiennych na różnego rodzaju podłoża, szczególnie w zastosowaniach przemysłowych .

Claims (12)

1. Głowica drukująca typu ink jet zawierająca zespół dyszowy zawierający parę dysz; przy czym każda z dysz jest połączona kanałem z odrębnym zbiornikiem cieczy do formowania kropli pierwotnych cieczy przy końcówce dyszy skierowanej pod kątem (eA, βΒ) względem osi wzdłużnej głowicy i przystosowana wystrzeliwania kropli pierwotnych w kierunku przepływu celem połączenia się kropli pierwotnych w kroplę połączoną w punkcie łączenia, znamienna tym, że zespół dyszowy zawiera:

- obudowę podstawową (141) otaczającą końcówki dysz (113A, 113B) i punkt łączenia (132), rozciągającą się w kierunku przepływu i posiadającą pierwszą sekcję (143) o średnicy (D1) większej od średnicy (dC) kropli połączonej (122) i drugą sekcję (144) znajdującą się pomiędzy pierwszą sekcją (143) a końcówkami dysz (113A, 113B), której szerokość rozszerza się w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu; oraz

- źródło (119) strumienia gazu wprowadzanego zgodnie z kierunkiem przepływu do wewnątrz obudowy podstawowej (141).

2. Głowica drukująca według zastrz. 1, znamienna tym, że dysze (112A, 112B) są nachylone względem osi wzdłużnej głowicy pod kątem (eA, eB) od 5 do 75 stopni, korzystnie od 15 do 45 stopni.

3. Głowica drukująca według dowolnego z zastrz. 1-2, znamienna tym, że obydwie dysze (112A, 112B) są nachylone względem osi wzdłużnej głowicy pod tym samym kątem (eA, eB).

4. Głowica drukująca według dowolnego z zastrz. 1-2, znamienna tym, że dysze (112A, 112B) są nachylone względem osi wzdłużnej głowicy pod różnymi kątami (eA, eB).

5. Głowica drukująca według dowolnego z wcześniejszych zastrz., znamienna tym, że obudowa podstawowa zawiera ponadto trzecią sekcję (145) przebiegającą w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu równolegle do zewnętrznych ścianek dysz (112A, 112B).

6. Głowica drukująca według dowolnego z wcześniejszych zastrz., znamienna tym, że długość (L1) pierwszej sekcji (143) obudowy podstawowej (141) jest nie mniejsza niż średnica (dC) połączonej kropli (122).

7. Głowica drukująca według dowolnego z wcześniejszych zastrz., znamienna tym, że zawiera ponadto zestaw elektrod (164) przy wyjściu obudowy podstawowej (141).

8. Głowica drukująca według dowolnego z wcześniejszych zastrz., znamienna tym, że zawiera ponadto obudowę dodatkową (151) otaczającą obudowę podstawową (141) i połączoną ze źródłem strumienia gazu (119), zawierającą pierwszą sekcję (152) przebiegającą z kierunkiem przepływu od wylotu pierwszej sekcji (143) obudowy podstawowej (141) i mającą średnicę zmniejszającą się wraz z kierunkiem przepływu do średnicy (D2) większej niż średnica (dC) połączonej kropli (122).

9. Głowica drukująca według zastrz. 8, znamienna tym, że zawiera ponadto zestaw elektrod (165) przy wyjściu obudowy dodatkowej (151).

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

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

12. Głowica drukująca według dowolnego z wcześniejszych zastrz., znamienna tym, że zawiera ponadto obudowę (181) obejmującą końcówki dysz (113A, 113B) i punkt łączenia (132).