WO2007003667A1 - Procedimiento y dispositivo para impresión por micro-gotas de espuma - Google Patents
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Definitions
- the present invention describes a method and a device for printing using micro-drops of an ink foam produced before the emission of the drop by the injection system, also object of the present invention, or during the flight of the micro-drop from its emission to its impact on the surface to be printed.
- Inkjet printing (either by continuous jet, continuous ink jet -CIJ-, or drop by drop, drop on demand -DOD-) is the most common way of contactless printing.
- the ink jet or drops may be directed to the point where it is desired to deposit the ink by movement of the emission head, by electric fields, or by movement of the substrate on which it wishes to be printed.
- Figure 1 (a) Direct ejection of the micro-drops from a container containing the previously formed micro-foam; (b) Production of the micro-foam drop by ejection from a capillary of an orderly flow of successive plungers of liquid and gas injected from two inlets, which can be electronically controlled; (c) Production of the micro-foam drop in the discharge mouth of two capillaries through which the liquid and gas circulate separately; (d) Production of the micro-foam droplet by boiling the ink or precipitation of a gas or vapor dissolved in it as said drop being ejected from a container or capillary where the liquid is stored at a higher pressure than the environment.
- Figure 2 Ejection of the micro-foam drop from a capillary by the application of a sufficient impulse exerted on the micro-foam column.
- Figure 4. Ejection of the micro-foam drops by electrostatic forces applied to the end of a capillary conduit through which the micro-foam circulates; (a) The difference in electrostatic potential occurs between the mouth of the capillary duct of the micro-foam and the printing surface; (b) The difference in electrostatic potential occurs between the mouth of the capillary duct of the micro-foam and a perforated electrode through which the micro-foam drops pass.
- the object of the invention is a process for printing characterized by the use of foam micro-drops, said micro-drops being integrated by a two-phase fluid, which is stable during the time that elapses from the production of the drop to its impact on the printing substrate, composed of a printing liquid or ink that has a dense distribution of gas micro-bubbles suspended, so that the proportion of gas volume in the microbubbles over the total volume of the drop is greater than 40% and less than 99%, preferably between 70% and 80%, and said drops being propelled towards the printing surface by mechanical, aerodynamic, electrostatic, electromagnetic or a combination thereof.
- Another variant of the invention is a process for printing as described above, characterized in that said micro-drops are successively extracted from a storage container of the foam as required by the printing process (Fig. 1 a).
- a process for printing is also disclosed as described above, characterized in that said micro-drops are emitted by the end of a capillary tube through which an ordered two-phase flow of ink and gas circulates.
- micro-drops for printing are generated by boiling the ink or precipitation of some gas or vapor dissolved in the ink (Fig 1 d), either at the time the ink drop is ejected or prior to its expulsion, along the expulsion channels.
- the drop is ejected from a container or capillary where the liquid is stored at a higher pressure than the environment.
- the present invention describes a new way of producing the ink deposit on the substrate, by means of foamy micro-drops.
- bubble foam identical to those produced by certain microfluidic systems can be considered.
- the technology known as "Flow Focusing” produces homogeneous sized micro-bubbles (Ga ⁇ án-Calvo and Gordillo 2001, Phys Rev Lett 87, 274501) that can be collected to form monodisperse micro-foams (uniform size).
- the inertia of the foam drop is many times less than that of a solid drop of equal size. Its impact on the substrate greatly reduces the footprint and sliding, allowing a much easier three-dimensional printing (in the case of rapid prototyping or rapid prototyping) with more varied formulation inks.
- the foam drop retains the ink by capillarity, which therefore does not have such a tendency to diffuse by capillarity in the substrate matrix. This allows a much greater variety of substrates to be used on which it can be printed.
- the foam drop results in a huge saving of ink.
- a drop of ink foam can be produced in several ways:
- the ejected foam is provided with sufficient speed to form a drop whose inertia starts from the surface and directs towards the substrate.
- the surfaces at the outlet of the injector can be treated so that they are sufficiently hydrophobic and facilitate the release of the ink drop (see Figure 2).
- a gas stream (eg air) is produced around the point of injection or exit of the foam, so that the size of the drop produced and carried by said stream is a function of the gas velocity and the local geometry of the point output of the foam (see Figure 3).
- a conical-shaped micro-foam meniscus can also be generated (similar to that produced in a single-phase liquid -electrtrospray- when it is slowly expelled through an electrified capillary tube), from whose apex a small stream that breaks into drops of drops can emanate foam [ Figures 4 (a) and (b)].
- An ordered two-phase flow of liquid and air is circulated through a silica capillary (Polymicro Inc.) of 365 microns of outer diameter and 40 microns of inner diameter, and 30 mm in length.
- the liquid is an ink (Parker Quink black) with 15% glycerin and 0.1% Tween 80.
- the ordered two-phase flow is produced by facing the inlet end of the capillary tube to another capillary equal to the previous one, which is driven the gas, so that the distance between the inlet of the first and the discharge of the second is approximately 35 microns, and the axes of both tubes are aligned.
- said inlet and discharge mouths of the two mentioned capillaries be contained in sufficiently flat planes or surfaces perpendicular to the axis of said tubes.
- the liquid is propelled through the space between the mouths of the aforementioned tubes.
- the flow rate of the ink is 3 milliliters per hour, and that of 7 milliliters per hour measured in standard pressure and temperature conditions.
- the exit of the capillary tube through which the biphasic flow circulates is concentrically surrounded by a conduit of 2 millimeters of inner diameter, so that the exit of the capillary tube is 2 millimeters behind with respect to the outlet of the concentric outer conduit, and is circulated a gas stream through said conduit, at speeds between 10 and 200 meters per second.
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Abstract
La presente invención describe un procedimiento y un dispositivo para la impresión utilizando micro-gotas de una espuma de tinta producida antes de la emisión de la gota por parte del sistema de inyección, también objeto de la presente invención, o bien durante el vuelo de la micro-gota desde su emisión hasta su impacto sobre la superficie a imprimir.
Description
Título
Procedimiento y dispositivo para impresión por micro-gotas de espuma
Objeto de Ia invención La presente invención describe un procedimiento y un dispositivo para Ia impresión utilizando micro-gotas de una espuma de tinta producida antes de Ia emisión de Ia gota por parte del sistema de inyección, también objeto de Ia presente invención, o bien durante el vuelo de Ia micro-gota desde su emisión hasta su impacto sobre Ia superficie a imprimir.
Estado de Ia técnica
La impresión por chorro de tinta (bien por chorro continuo, continuous ink jet -CIJ-, o por gota a gota, drop on demand -DOD-) es Ia vía más común de impresión sin contacto {non-contad printing). El chorro o las gotas de tinta pueden dirigirse al punto donde se desea depositar Ia tinta mediante movimiento de Ia cabeza de emisión, mediante campos eléctricos, o por movimiento del sustrato sobre el que desea imprimirse.
Hasta ahora, todas las técnicas de impresión por chorro de tinta, bien CIJ o DOD, emplean tinta líquida de una sola fase o, en su caso, emulsiones y suspensiones; es general Ia ausencia de burbujas de aire u otro gas. De hecho, Ia presencia de burbujas en el sistema de impresión es considerada muy indeseable, pues lleva consigo deficiencias de funcionamiento del sistema y falta de calidad de Ia impresión. La tinta líquida debe tener una formulación muy cuidadosa porque no debe secarse o solidificarse demasiado pronto, Io que obstruiría los inyectores, ni demasiado tarde, Io que implicaría una alta probabilidad de difusión en Ia matriz del sustrato, dispersión o corrimiento superficial, etc. Además, Ia velocidad de impresión demandada por los usuarios, cada vez mayor, implica una velocidad de impacto de las microgotas con el sustrato también creciente. Ello determina una alta probabilidad de salpicaduras {splashing) que deterioran Ia calidad de impresión. Por otro lado, las formulaciones de las tintas llegan a ser costosas, y Ia duración de los recambios de tinta escasa.
Descripción de las figuras
Figura 1.- (a) Eyección directa de las micro-gotas desde un recipiente en el que se contiene Ia micro-espuma previamente formada; (b) Producción de Ia gota de micro-espuma por eyección desde un capilar de un flujo ordenado de émbolos sucesivos de líquido y gas inyectados desde dos entradas, que pueden estar controladas electrónicamente; (c) Producción de Ia gota de micro-espuma en Ia boca de descarga de dos capilares por los que circula el líquido y el gas separadamente; (d) Producción de Ia gota de micro-espuma por ebullición de Ia tinta o precipitación de un gas o vapor disuelto en ella al ser dicha gota eyectada desde un recipiente o capilar donde se halla almacenado el líquido a mayor presión que Ia ambiente.
Figura 2.- Eyección de Ia gota de micro-espuma desde un capilar por Ia aplicación de un impulso suficiente ejercido sobre Ia columna de micro-espuma.
Figura 3.- Eyección de Ia gota de micro-espuma por el arrastre aerodinámico producido por Ia corriente confluente de un gas.
Figura 4.- Eyección de las gotas de micro-espuma por fuerzas electrostáticas aplicadas al extremo de un conducto capilar por el que circula Ia micro-espuma; (a) La diferencia de potencial electrostático se produce entre Ia boca del conducto capilar de Ia micro-espuma y Ia superficie de impresión; (b) La diferencia de potencial electrostático se produce entre Ia boca del conducto capilar de Ia micro- espuma y un electrodo perforado por el que pasan las gotas de micro-espuma.
Breve descripción de Ia invención
Es objeto de Ia invención un procedimiento para impresión caracterizado por el uso de micro-gotas de espuma, estando dichas micro-gotas integradas por un fluido bifásico, que es estable durante el tiempo que transcurre desde Ia producción de Ia gota hasta su impacto sobre el sustrato de impresión, compuesto por un líquido de impresión o tinta que lleva suspendida una densa distribución de micro-burbujas de gas, de manera que Ia proporción de volumen de gas en las microburbujas sobre el volumen total de Ia gota es superior a un 40% e inferior a
un 99%, estando preferentemente entre el 70% y el 80%, e impulsándose dichas gotas hacia Ia superficie de impresión por medios mecánicos, aerodinámicos, electrostáticos, electromagnéticos o una combinación de éstos. Otra variante de Ia invención es un procedimiento para impresión según descrito anteriormente, caracterizado por que dichas micro-gotas son extraídas sucesivamente de un recipiente de almacenamiento de Ia espuma conforme Io demande el proceso de impresión (Fig. 1 a).
Asimismo se da a conocer un procedimiento para impresión según se ha descrito arriba, caracterizado por que dichas micro-gotas son emitidas por el extremo de un tubo capilar por el que circula un flujo bifásico ordenado de tinta y gas.
Formas más específicas de Ia invención conducen a procedimientos según Io anterior, en los que dicho flujo bifásico en el tubo capilar consta de sucesivos paquetes columnares de tinta y de gas regularmente distribuidos (Fig. 1 b), de tal forma que dicho flujo bifásico en el tubo capilar se obtiene mediante Ia inyección simultánea de gas y tinta a través de dos entradas que confluyen en dicho capilar, que puede ser producido mediante un sistema de control electrónico. En otra variante, se describe un procedimiento para impresión según Ia reivindicación 1 , caracterizado por que dichas micro-gotas se producen en una boca de emisión en la que confluyen dos corrientes separadas de tinta y gas (Fig. 1 c), que pueden circular en disposición concéntrica, excéntrica, o tangencial previamente a su mezclado en Ia boca de emisión.
Una modalidad adicional se basa en que dichas micro-gotas para Ia impresión son generadas por ebullición de Ia tinta o precipitación de algún gas o vapor disuelto en Ia tinta (Fig 1 d), bien en el momento de ser expulsada Ia gota de tinta o previamente a su expulsión, a Io largo de los canales de expulsión. La gota es eyectada desde un recipiente o capilar donde se halla almacenado el líquido a mayor presión que Ia ambiente.
Descripción detallada de Ia invención La presente invención describe un nuevo modo de producir el depósito de tinta sobre el sustrato, mediante microgotas espumosas. En particular, se puede considerar el caso de una espuma de burbujas idénticas a las producidas por ciertos sistemas microfluídicos. La tecnología conocida como "Flow Focusing" produce micro-burbujas de tamaño homogéneo (Gañán-Calvo y Gordillo 2001 ,
Phys Rev Lett 87, 274501) que pueden ser recogidas para formar micro-espumas monodispersas (de tamaño uniforme). Otras técnicas microfluídicas de producción de burbujas son descritas en Gordillo, Cheng, Gañán-Calvo, Márquez y Weitz, "A new device for the generation of microbubbles", Physics of Fluids, 16(8):2828- 2834, 2004 o en Takeuchi, Garstecki, Weibel y Whitesides, "An axisymmetric flow- focusing microfluidic device", Advanced Materials, vol. 17, no. 8, pp. 1067-1072, 2005. Véanse fundamentos de Ia producción de espumas en Durian, DJ. y Weitz, D.A., "Foams", en Kirk-Othmer Enciclopedia of Chemical Technology, 4th edition, VoI. 11 , 783-805 (1994). Las espumas caracterizadas por una relación de volumen de gas a volumen total igual 0.74 (relación de máximo empaquetamiento de esferas idénticas) determinan ventajas adicionales en cuanto a Ia plasticidad de Ia microespuma, rápida tendencia a Ia ordenación micro-cristalina dentro de Ia gota, etc.
Las ventajas para Ia impresión que ofrece una microgota de espuma con respecto a una micro-gota maciza son inmediatas y perfectamente comprensibles:
La inercia de Ia gota de espuma es muchas veces inferior a Ia de una gota maciza de igual tamaño. Su impacto sobre el sustrato reduce enormemente Ia huella y el corrimiento, permitiendo una mucho más fácil impresión tridimensional (en el caso de prototipaje rápido o rapid prototyping) con tintas de formulación más variada.
- La gota de espuma retiene por capilaridad Ia tinta, que por tanto no tiene tanta tendencia a difundirse por capilaridad en Ia matriz del sustrato. Esto permite utilizar una mucho mayor variedad de sustratos sobre los que se puede imprimir.
La gota de espuma da lugar a un enorme ahorro de tinta.
Éstas son las tres ventajas fundamentales del sistema propuesto en Ia presente invención.
Una gota de espuma de tinta puede producirse de diversos modos:
- Por expulsión de una pequeña cantidad de espuma desde un recipiente donde previamente se contiene, o se produce, Ia espuma de tinta.
Por expulsión desde un pequeño capilar donde se produce un flujo bifásico tinta-gas, que puede ser altamente ordenado (émbolos de tinta y de gas regularmente distribuidos a Io largo del micro-canal) e incluso controlado electrónicamente, por inyección simultánea de gas y tinta a través de dos entradas que confluyen en dicho capilar.
Por expulsión simultánea (de forma concéntrica, excéntrica o tangencial) de Ia tinta y el gas.
- Por ebullición de Ia tinta o precipitación de algún gas o vapor que contenga disuelto Ia tinta, bien en el momento de ser expulsada Ia gota de tinta o previamente a su expulsión, a Io largo de los canales de expulsión.
Una vez que Ia gota de tinta es producida en Ia salida del inyector, debido a su menor inercia y a Ia importancia acrecentada de Ia tensión superficial, debe cuidarse especialmente el modo de lanzarla contra el sustrato. Pueden emplearse varias técnicas:
- Se dota a Ia espuma expulsada de velocidad suficiente como para que se forme una gota cuya inercia Ia arranca de Ia superficie y Ia dirige hacia el sustrato. Las superficies a Ia salida del inyector se pueden tratar de manera que sean suficientemente hidrófobas y faciliten Ia liberación de Ia gota de tinta (ver Figura 2).
Se produce una corriente de gas (e.g. aire) alrededor del punto de inyección o de salida de Ia espuma, de manera que el tamaño de Ia gota producida y arrastrada por dicha corriente es función de Ia velocidad del gas y de Ia geometría local del punto de salida de Ia espuma (ver Figura 3). - Se produce una diferencia de potencial eléctrico entre Ia salida de Ia espuma y el sustrato, o bien entre Ia salida de Ia espuma y un electrodo dotado de una abertura para que pase Ia gota. Puede incluso engendrarse un menisco de microespuma con forma cónica (similar al que se produce en un líquido monofásico -electrospray- cuando es expulsado lentamente a través de un tubo capilar electrificado), de cuyo vértice puede emanar un pequeño chorro que se rompe en gotas de espuma [Figuras 4 (a) y (b)].
Modo de realización de Ia invención
Ejemplo 1
Se hace circular un flujo bifásico ordenado de líquido y aire por un capilar de silica (Polymicro Inc.) de 365 mieras de diámetro exterior y 40 mieras de diámetro interior, y 30 mm de longitud. El líquido es una tinta (Parker Quink negra) con un 15% de glicerina y un 0.1 % de Tween 80. El flujo bifásico ordenado se produce enfrentando el extremo de entrada del tubo capilar a otro capilar igual al anterior, por el que se impulsa el gas, de manera que Ia distancia entre Ia boca de entrada del primero y Ia de descarga del segundo es aproximadamente 35 mieras, y estando alineados los ejes de ambos tubos. Es condición fundamental en este ejemplo que dichas bocas de entrada y descarga de los dos capilares mencionados estén contenidas en planos o superficies suficientemente planas perpendiculares al eje de dichos tubos. El líquido se impulsa a través del espacio que queda entre las bocas de los tubos anteriormente mencionados. El caudal de Ia tinta es de 3 mililitros por hora, y el de gas de 7 mililitros por hora medidos en condiciones de presión y temperatura estándar. La salida del tubo capilar por el que circula el flujo bifásico se rodea concéntricamente por un conducto de 2 milímetros de diámetro interior, de manera que Ia salida del tubo capilar queda 2 milímetros atrasada respecto de Ia salida del conducto exterior concéntrico, y se hace circular una corriente de gas por dicho conducto, a velocidades entre 10 y 200 metros por segundo. En las condiciones anteriormente descritas, se observa cómo se produce Ia eyección continua de micro-gotas de micro-espuma cuyo tamaño y frecuencia de producción vienen controlados por Ia velocidad del gas en el conducto concéntrico.
Claims
1. Procedimiento para impresión caracterizado por el uso de micro-gotas de espuma, estando dichas micro-gotas integradas por un fluido bifásico compuesto por un líquido de impresión o tinta que lleva suspendida una densa distribución de micro-burbujas de gas, de manera que el volumen de gas en las microburbujas es superior a un 40% e inferior a un 99% del volumen total de Ia gota, estando preferentemente entre el 70% y el 80%, e impulsándose dichas gotas hacia Ia superficie de impresión por medios mecánicos, aerodinámicos, electrostáticos, electromagnéticos o una combinación de éstos.
2. Procedimiento para impresión según las reivindicación 1 , caracterizado por que dichas micro-gotas son extraídas sucesivamente de un recipiente de almacenamiento de Ia espuma con arreglo a Io demandado por el proceso de impresión.
3. Procedimiento para impresión según Ia reivindicación 1 , caracterizado por que dichas micro-gotas son emitidas por el extremo de un tubo capilar por el que circula un flujo bifásico ordenado de tinta y gas.
4. Procedimiento para impresión según Ia reivindicación 3, caracterizado por que dicho flujo bifásico en el tubo capilar consta de sucesivas columnas de tinta y de gas regularmente distribuidas.
5. Procedimiento para impresión según Ia reivindicación 3 o 4, caracterizado por que dicho flujo bifásico en el tubo capilar se obtiene mediante Ia inyección simultánea de gas y tinta a través de dos entradas que confluyen en dicho capilar.
6. Procedimiento para impresión según Ia reivindicación 3, 4 o 5, caracterizado por que dicho flujo bifásico ordenado es producido mediante un sistema de control electrónico.
7. Procedimiento para impresión según Ia reivindicación 1 , caracterizado por que dichas micro-gotas se producen en una boca de emisión en Ia que confluyen dos corrientes separadas de tinta y gas.
8. Procedimiento para impresión según Ia reivindicación 7, caracterizado por que dichas corrientes separadas de tinta y gas circulan en disposición concéntrica previamente a su mezclado en Ia boca de emisión.
9. Procedimiento para impresión según Ia reivindicación 7, caracterizado por que dichas corrientes separadas de tinta y gas circulan en disposición excéntrica previamente a su mezclado en Ia boca de emisión.
10. Procedimiento para impresión según Ia reivindicación 7, caracterizado por que dichas corrientes separadas de tinta y gas circulan en disposición tangencial previamente a su mezclado en Ia boca de emisión.
11. Procedimiento para impresión según Ia reivindicación 1 , caracterizado por que dichas micro-gotas son generadas por ebullición de Ia tinta o precipitación de algún gas o vapor disuelto en Ia tinta, bien en el momento de ser expulsada Ia gota de tinta o previamente a su expulsión, a Io largo de los canales de expulsión.
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| ES2272168B1 (es) | 2008-04-16 |
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