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Dokumentenidentifikation DE69207173T2 15.05.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0566612
Titel REDUZIERTE DÜSENVISKOSEIMPEDANZ
Anmelder Xaar Ltd., Cambridge, GB
Erfinder PATON, Anthony David, Longstanton St. Michael, Cambridge, GB;
KRUSE, Jurgen M., Tucson, AZ 85736, US
Vertreter Schwabe, Sandmair, Marx, 81677 München
DE-Aktenzeichen 69207173
Vertragsstaaten AT, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 10.01.1992
EP-Aktenzeichen 929022267
WO-Anmeldetag 10.01.1992
PCT-Aktenzeichen GB9200054
WO-Veröffentlichungsnummer 9212014
WO-Veröffentlichungsdatum 23.07.1992
EP-Offenlegungsdatum 27.10.1993
EP date of grant 27.12.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse B41J 2/195
IPC-Nebenklasse B41J 2/045   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum pulsweisen Abscheiden von Tröpfchen und insbesondere ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung, die eine Kammer für die Tröpfchenflüssigkeit, eine mit der Kammer in Verbindung stehende Düse zum Ausschleudern von flüssigen Tröpfchen durch die Düse hindurch, eine mit der Kammer verbundene Vorrichtung zum Auffüllen der Tröpfchenflüssigkeit sowie eine Vorrichtung zum pulsförmigen Aufschlagen von Energie auf die Tröpfchenflüssigkeit in der Kammer, um das Ausstoßen von Tröpfchen aus der Düse zu bewirken, aufweist. Eine bekannte Art von Vorrichtungen dieser Art ist der "drop-on-demand" Tintenstrahldrucker, der normalerweise in Form einer Anordnung paralleler Tintenkanäle mit damit in Verbindung stehenden Düsen sowie einer Tintenauffüllvorrichtung, die die jeweiligen Kanäle mit einer gemeinsamen Tintenquelle verbindet, vorliegt.

Solche sogenannten "drop-on-demand" Drucker, die auf piezoelektrisch oder elektrothermisch induzierte Energiepulse hin asynchron Tröpfchen flüssiger Tinte ausstoßen, sind bekannt. Die Tinten für diese Drucker sind so gewählt, daß sie einen gedruckten Punkt mit hoher optischer Dichte und kontrollierten Ausbreitungseigenschaften auf der Druckoberfläche bilden, bei der es sich typischerweise uin unbeschichtetes oder glattes Papier handelt.

Die Tinten, die diese Druckanforderungen erfüllen, bestehen typischerweise aus einem Lösungsmittel und Tintenfeststoffen einschließlich Färbemitteln wie Farbstoffe und Pigmente sowie möglicherweise anderen Additiven. Die Tintenfeststoffe können bis zu 10 bis 15 Gew.-% der Tintenzusammensetzung ausmachen und verursachen eine Erhöhung der Viskosität auf einen Wert, der weit über dem des Tintenlösungsmittels allein liegt.

Wenn die Viskosität der Tinte zunimmt, steigt auch die Viskoseimpedanz auf den Fluß der Tinte in der Düse während des pulsweisen Ausstoßes, so daß ein stärkerer Energiepuls erforderlich ist, um den Ausstoß der Tröpfchen zu bewirken. Dementsprechend ist es wünschenswert, die Viskosität der Tinte zu beschränken, um die Betriebsenergie- bzw. Spannung niedrig zu halten. Dies ist deshalb wünschenswert, weil eine höhere Spannung einen kostspieligeren Antriebskreis oder Chip erfordert, wodurch nicht nur die Herstellungs- und Betriebskosten steigen, sondern auch die Verläßlichkeit des Druckers verringert wird.

Die Erfindung besteht aus einem Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zum pulsweisen Abscheiden von Tröpfchen, wie bereits ausgeführt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Pulse auf eine Tröpfchenflüssigkeit in der Kammer aufgebracht werden, die bei hohen Schergeschwindigkeiten eine relativ geringe Viskosität und bei niedrigen Schergeschwindigkeiten eine relativ hohe Viskosität aufweist, wobei die Flüssigkeit eine Relaxationszeitkonstante in der gleichen Größenordnung oder länger als die Periode der auf sie beaufschlagten Pulse und eine charakteristische Verweilzeit in der Düse in derselben Größenordnung oder kürzer als die Pulsperiode aufweist.

Die Flüssigkeitsviskosität, die die Viskoseimpedanz in der Düse steuert, ist die Viskosität bei der in der Düse erhaltenen Schergeschwindigkeit, die im Fall von Tintenstrahldruckertinte typischerweise im Bereich von 10&sup5; - 10&sup7; sec&supmin;¹ liegt. Wir haben herausgefunden, daß erfindungsgemäß eine Tinte, bevorzugt eine viskoelastische Tinte mit der Eigenschaft einer Stufenviskosität, die hoch bei einer niedrigen Schergeschwindigkeit und niedrig bei einer hohen Schergeschwindigkeit ist, verwendet werden kann, so daß sie während des Zeitraums des abgegebenen Energiepulses eine verhältnismäßig niedrige Viskosität aufweist, die gegen dessen Ende ansteigt. Die Viskoseimpedanz auf den Fluß in der Düse wird somit verringert, so daß die Tintenmenge, die für eine vorgegebene Größe des Druckpulses abgegeben wird, zunimmt.

Bevorzugt umf aßt die Vorrichtung zum Aufschlagen des Energiepulses eine elektrisch betriebene Vorrichtung, die mindestens einen Teil einer Seitenwand der Kammer versetzt. Eine solche elektrisch betriebene Vorrichtung umfaßt eine piezoelektrisch in Gang gesetzte Kammerseitenwand. Die Verwendung einer versetzbaren Kammerseitenwand ist einem elektrothermischen Pulserzeuger vorzuziehen, der eine Dampfblase in der Tröpfchenflüssigkeit erzeugt, weil die Energieübertragung auf die Flüssigkeit effizienter ist und die Inhaltsstoffe und Eigenschaften der verwendeten Tröpfchenflüssigkeit weniger Einschränkungen unterliegen.

Alternativ wird das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet, einen Drucker zu betreiben, der entweder über eine Vielzahl oder eine Anordnung von Tintenkanälen verfügt, die jeweils damit in Verbindung stehende Düsen sowie eine Vorrichtung zum Auffüllen aufweisen, welche die jeweiligen Kanäle mit einer gemeinsamen Tintenquelle verbindet.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen "drop-on-demand" Druckkopf, in dem ein Tintentropfen auf einen elektrischen Energiepuls hin ausgeschleudert wird.

Fig. 2 zeigt die Viskositäts-/Schergeschwindigkeits-Eigenschaften verschiedener Tinten mit viskoelastischen Stufenviskositätseigenschaften.

Fig. 3 zeigt die Eigenschaft der Fließgeschwindigkeit/Verweilzeit einer Newton-Tinte durch eine Düse auf einen Druckpuls hin.

Fig. 4 vergleicht die Eigenschaften von Fließgeschwindigkeit/Zeit von zwei Newton-Tinten mit verschiedenen Viskositäten durch eine Düse auf einen Druckpuls hin.

Fig. 5 veranschaulicht die Eigenschaften von Viskosität/Schergeschwindigkeit von Scherverdünnungsflüssigkeiten mit einer Oldroyd-Eigenschaft. Die charakteristischen Viskositäten dieser Flüssigkeiten sind Stufenviskositäten mit einer geringen Schergeschwindigkeitsviskosität u&sub1;, einer hohen Schergeschwindigkeitsviskosität u&sub2; und verschiedenen Relaxationszeitkonstanten λ&sub1;,λ&sub2; und λ&sub3;.

Fig. 6 veranschaulicht die Fließ-/Zeit-Eigenschaften durch eine Düse, die der von Fig. 4 ähnlich ist, auf einen Druckpuls hin, wobei die Flüssigkeiten von Fig. 5 verwendet werden.

Fig. 7 bis 9 veranschaulichen die Eigenschaften für Viskosität/Schergeschwindigkeit von drei spezifischen Tinten, die sich für die Verwendung in der Erfindung eignen.

Die Zeichnung in Fig. 1 zeigt einen "drop-on-demand" Druckkopf 10 mit einem einzigen Kanal, der auf elektrische Pulse hin Tintentröpfchen 12 ausstößt. Die Tröpfchen werden auf die Druckoberfläche 14 aufgebracht, um ein gedrucktes Bild zu bilden.

Der Kanal endet an einem Ende in einer Düse 18 zum Ausstoß von Tintentröpfchen und am anderen in einer Tintenquelle 20 zum Wiederauffüllen mit Tinte und ist mit Tinte 16 gefüllt. Die Tinte wird dadurch ausgestoßen, daß ein akustischer Druckpuls in der Tinte erzeugt und für einen kurzen Zeitraurn von typischerweise 2 bis 20 usec an der Düse 18 aufgeschlagen wird. Die Größe der Druckpulse reicht aus, um die Viskose- und Inertimpedanzen der Tinte 16 in der Düse 18 zu überwinden und so ein Tintentröpfchen durch die Düse auszustoßen. Am Ende des Pulses kehrt sich der Fluß um und verursacht ein Abbrechen der Tröpfchen.

In der Technik sind verschiedene Formen von Antrieben für "drop-on-demand" Druckköpfe bekannt, die auf einen beaufschlagten elektrischen Puls hin einen geeigneten Druckpuls entwickeln. Eine bereits erwähnte Form umfaßt einen piezoelektrischen Antrieb in einem Teil einer Wand des Kanals, der auf den Spannungspuls hin nach innen oder außen versetzt wird. Wie bereits erwähnt, kann der Druckpuls auch durch eine Dampfblase induziert werden, die durch ein Heizelement in der Kanalwand im Tintenkanal auf einen elektrischen Impuls hin erzeugt wird.

Der piezoelektrische Antrieb wird für die Durchführung dieser Erfindung bevorzugt, weil er die Inhaltsstoffe und Eigenschaften der Tinte weniger einschränkt. Dementsprechend kann die Tinte so entworfen werden, daß sie wünschenswerte rheometrische Eigenschaften in der Düse aufweist oder die Punktbildung und Ausbreitung auf der Druckoberfläche gesteuert werden können. Die piezoelektrische Antrieb wird auch deshalb bevorzugt, weil er eine Übertragungsmethode mit effizienterem Energieeinsatz ermöglicht: von der aufgebrachten Energie können etwa 50 bis 60 % als in der Tinte und im Antrieb entwickelte Druckenergie entwickelt werden; damit stehen wiederum etwa 50 bis 60 % der Druckenergie als auftreffende akustische Druckwelle für den Tröpfchenausstoß an der Düse zur Verfügung. Somit beträgt die Energie, die bei Verwendung eines piezoelektrischen Antriebs für den Tröpfchenausstoß eingesetzt werden kann, 25 bis 35 % der angewendeten Energie. Die entsprechende Effizienz bei Verwendung eines elektrochemischen Pulsgenerators, der eine Dampfblase erzeugt, beträgt dagegen im allgemeinen 1 bis 2 % oder weniger.

Ein kleiner Teil der auf die Düse aufgebrachten akustischen Druckenergie wird effektiv dazu verwendet, kinetische Energie für das Aufbringen der Tröpfchen aufs Papier zu entwickeln. Der verbleibende Teil wird dazu verwendet, Verluste auszugleichen, darunter die Kondensation der akustischen Welle und der Inert-, Viskoseund Oberflächenspannungsimpedanzen in der Düse. Im allgemeinen stellt die Viskoseiinpedanz die stärkste Impedanz dar. Es ist wünschenswert, diese Düsenimpedanzen zu verringern, so daß des Verhältnis der kinetischen Energie der Tropfen zur beaufschlagten elektrischen Energie maximiert wird.

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Tinten in einem "drop-on-demand" Druckkopf, die die Viskoseimpedanz des aus der Düse ausgestoßenen Tintenflusses auf geeignete Weise verringern. Die auf den Druckkopf beauf schlagte elektrische Energie kann dann proportional zur Viskoseimpedanz sichtbar verringert werden, so daß Tinten, die eine Verringerung der Viskoseimpedanz ermöglichen, den Betrieb des Druckkopfes bei geringerem Energie- oder Spannungsaufwand gestatten. Eine geringere Betriebsspannung bedeutet auch preiswertere elektronische Antriebschips sowie eine höhere Betriebsverläßlichkeit.

Die in einem "drop-on-demand" Drucker verwendeten Tinten werden üblicherweise so gewählt, daß sie einen gedruckten Punkt mit hoher optischer Dichte und kontrollierten Ausbreitungseigenschaften auf die Druckoberfläche (bei der es sich typischerweise um unbeschichtetes oder glattes Papier handelt) drucken. Wie bereits erwähnt, bestehen solche Tinten typischerweise aus einem Lösungsmittel und Tintenfeststoffen einschließlich Färbemitteln und Harzen, die 10 bis 15 Gew.-% der Tintenzusammensetzung ausmachen. Die Menge an Tintenfeststoffen erhöht im allgemeinen die Viskosität der Tinte, die erheblich über der Viskosität des Tintenlösungsmittels allein liegt. Bevorzugt erhält man die Tinteneigenschaften, die die Qualität des gedruckten Punktes steuern, ohne erhebliche Steigerung der Betriebsspannung.

Die in Fig. 2 gezeigten Tinten sind nicht vom Newton- Typ und können auch viskoelastische Tinten sein, deren Viskosität bei einer niedrigeren Schergeschwindigkeit im Bereich von 10 - 10³ sec&supmin;¹ wegen der Gegenwart von Tintenfeststoffen das Drei- bis Dreißigfache der Viskosität des Lösungsmittel beträgt und bei einer relativ hohen Schergeschwindigkeit von 10&sup4; - 10&sup7; sec&supmin;¹ entsprechend dem Fließzustand in der Düse auf einen niedrigeren Wert im Bereich des Ein- bis Dreifachen der Viskosität des Lösungsmittels sinkt. Der Verlauf der Viskosität/Schergeschwindigkeit typischer Tinten ist in Fig. 2 gezeigt.

Wir haben herausgefunden, daß Tinten mit der beschriebenen Eigenschaft der Stufenviskosität trotz ihrer relativ hohen Viskosität und Stabilität bei niedriger Schergeschwindigkeit aufgrund ihres Feststoffgehalts auf den Antriebsdruckimpuls hin auf eine Weise aus der Düse ausgestoßen werden können, die charakteristisch für die bei hoher Schergeschwindigkeit erhaltene niedrige Viskosität ist. Soinit ist die Viskoseimpedanz für Tinten mit der Eigenschaft einer Scherverdünnungsstufe verringert.

Das Verhalten dieser Tinten wird in den folgenden Absatzen erläutert. Dabei wird zuerst das Verhalten der Newton-Tinten (das sind Tinten mit einer konstanten Viskositäts-/Schergeschwindigkeitseigenschaft im Betriebsbereich) in einer Düse auf einen Druckimpuls hin betrachtet. Zweitens wird das Verhalten einer Oldroyd- Flüssigkeit (das ist eine Flüssigkeit mit einer mathematisch vereinfachten Scherverdünnung in Form einer Stufenviskosität/Schergeschwindigkeit) in einer Düse auf einen Druckpuls hin dargestellt.

Fig. 3 zeigt die Fließgeschwindigkeit Q durch eine Düse mit dem Radius R und der viskosen Länge 1v, wenn eine Flüssigkeit auf einen Druckimpuls P, der für den Zeitraum t wirkt, durch die Düse fließt. Die Flüssigkeit hat die Dichte und eine Viskosität u (die vom Newton- Typ ist, und zwar derart, daß die Viskosität konstant und unabhängig von der Schergeschwindigkeit ist).

Die Fließgeschwindigkeit in Fig. 3 ist anfänglich Null und steigt dann auf einen Stufendruckimpuls mit einer Geschwindigkeit an, die durch die Trägheit eines Flüssigkeitspfropfens in der Düse beschränkt wird. Im Verlauf der Zeit entwickelt sich von den Wänden eine viskose Scherung, so daß sich das Strömungsprofil fortschreitend von einer Pfropfenströmung zu einem von parabolischer Viskosität gesteuertem Strömungsprofil entwickelt, das anschließend gleichmäßig bleibt, bis der Druckimpuls aufhört oder umgekehrt wird.

Der Einfachheit halber wird die fortschreitende Strömungsentwicklung in Fig. 3 nicht dimensional dargestellt. Somit hat nach dem nicht dimensionalen, zeitbezogenen Parameter

der nicht dimensionale, strömungsbezogene Parameter

einen stabilen Einheitszustand erreicht. Dieses Ergebnis und die Familie von Strömungsprofilen, die zu den Zeiten τ gelten, sind seit beinahe sechzig Jahren in der Literatur bekannt.

Nachstehend wird Bezug auf die "charakteristische Zeit" des im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Strömungsprofils genommen. Dies ist der Wert in der vorstehenden Gleichung von t wenn gilt: τ = 1 und wird dargestellt durch

t = R²/u

Dies ist die Zeit, die es dauert, bis eine konstante Fließgeschwindigkeit erreicht wird.

Angenommen, zwei Probetinten haben jeweils eine höhere Viskosität u&sub1; und eine niedrigere Viskosität u&sub2;, wobei beide Tinten vom Newton-Typ sind. Fig. 4 zeigt einen Vergleich der Strömungsgeschwindigkeiten dieser beiden Tinten für den gleichen Druckpuls und in der gleichen Düse. Die beiden Tinten haben die gleiche Inertimpedanz, so daß die Strömungsgeschwindigkeit für beide mit der gleichen Geschwindigkeit zu steigen beginnt. Eine Scherspannung geht im Fall der viskoseren Tinte eher von der Wand aus, so daß nach

tA = R²/u

die Tinte eine konstante Fließgeschwindigkeit

erreicht hat und das Strömungsprofil in der Düse mit dieser Tinte dann gleichmäßig ist. Die durch die weniger viskose Tinte nach der Zeit ta erreichte Strömungsgeschwindigkeit ist jedoch bereits größer. Zu dieser Zeit beschleunigt der Flüssigkeitspfropfen immer noch und die Wirkung der Tintenviskosität ist gering.

Jedoch hat die Tinte mit der geringeren Viskosität nach der Zeit

eine gleichmäßige Geschwindigkeit erreicht, wenn ihr Strömungsprofil ebenfalls parabolisch ist.

Wenn der Zeitraum des Druckpulses von der Größe tA oder kürzer ist, ist die durch den Puls ausgelöste Gesamtströmung (die man durch Integration unter den Kurven für u&sub1; und u&sub2; bis zur Grenze des Pulszeitraums erhält) offensichtlich ungefähr gleich. Wenn jedoch der Pulszeitraum von einer ungefähr tb entsprechenden Größe ist, wird im Vergleich mit dem Volumen der Tinte mit der höheren Viskosität u&sub1; ein wesentlich größeres Volumen der Tinte mit der niedrigeren Viskosität abgegeben.

Die Eigenschaften einer Familie von drei Oldroyd-Flüssigkeiten sind in Fig. 5 dargestellt. Eine Oldroyd- Flüssigkeit ist eine mathematisch idealisierte, die Scherung verdünnende Flüssigkeit mit einer Stufenviskosität, die durch folgendes Verhältnis charakterisiert ist:

Darin ist die Schergeschwindigkeit

λ die Relaxationszeitkonstante der Tinte

Wie ersichtlich, gilt bei niedrigen Schergeschwindigkeiten (t T 0) u = u&sub1; und bei höheren Schergeschwindigkeiten (t T ∞) u = u&sub2; Kurven für die verschiedenen Werte der Relaxationszeitkonstante λ&sub1;, λ&sub2; und λ&sub3; werden dargestellt. Die Oldroyd-Flüssigkeit weist eine mathematisch vereinfachte Stufenviskositätseigenschaft auf, und zwar derart, daß die Strömungsgeschwindigkeit auf einen Stufendruckpuls hin berechnet werden kann.

Die Ergebnisse dieser Berechnung werden allgemein in Fig. 6 veranschaulicht. Jede für den Zweck der Berechnung gewählten Oldroyd-Flüssigkeiten hat eine Viskosität bei niedriger Schergeschwindigkeit von u&sub1;, die der höheren, in bezug auf Fig. 4 erörterten Viskosität entspricht und eine Viskosität bei hoher Schergeschwindigkeit, die der auf ähnliche Weise erörterten Tinte mit niedrigerer Viskosität entspricht.

Die drei Flüssigkeiten unterscheiden sich in bezug auf ihre Relaxationsgeschwindigkeit. Die benannte Flüssigkeit durchläuft z.B. bei einer relativ hohen Schergeschwindigkeit eine Verringerung der Viskosität, so daß sie in anderen Worten eine relativ kurze Relaxationszeitkonstante hat. Die λ&sub1; benannte Kurve hat andererseits eine relativ lange Relaxationszeitkonstante, so daß ihre Viskosität von u&sub1; zu u&sub2; schwankt, wenn die Schergeschwindigkeit bei einer niedrigeren Schergeschwindigkeit steigt. λ&sub2; hat eine dazwischenliegende Eigenschaft.

Wenn wir jetzt Fig. 6 betrachten, sehen wir, daß die Flüssigkeit λ&sub3; (mit einer kurzen Zeitkonstante) sich in kurzen Zeiträumen wie eine Flüssigkeit mit der charakteristischen Viskosität u&sub2; verhält, sich jedoch rasch zur charakteristischen Viskosität u&sub1; entspannt. Nach der Zeit tA kann sie als eine Newton-Flüssigkeit der Viskosität u&sub1; angesehen werden.

Eine Oldroyd-Flüssigkeit λ&sub1; hat jedoch eine längere Relaxationszeitkonstante. Sie verhält sich für einen längeren Zeitraum wie eine Flüssigkeit der charakteristischen Viskosität u&sub2; und dann nach dem Zeitraum tB als wäre ihre charakteristische Viskosität

Wenn daher der Pulszeitraum tB ist, ermöglicht die Flüssigkeit mit der Zeitkonstante λ&sub1; den Fluß eines größeren Flüssigkeitsvolumens (erhalten durch Integration unter den Kurven u&sub2;, λ&sub3;) als die Flüssigkeiten λ&sub2; oder λ&sub3;.

Somit ist offensichtlich, daß dann, wenn die Tinte eine Scherverdünnungsflüssigkeit mit einer Stufenviskositätseigenschaft einschließlich einer höheren Viskosität bei niedriger Schergeschwindigkeit und einer niedrigeren Viskosität u&sub2; bei hoher Schergeschwindigkeit ist sowie eine Relaxationszeitkonstante aufweist, die der Stufe λ entspricht:

1. wenn die Relaxationszeitkonstante in der gleichen Größenordnung oder länger als der Zeitraum des auf die Düse beaufschlagten Druckpulses ist, und

2. wenn die charakteristische Zeit R²/u&sub2; in der gleichen Größenordnung oder kürzer als der Zeitraum des Druckpulses ist,

dann ist das Volumen der auf den Druckpuls hin aus der Düse ausgestoßenen Tinte größer, als bei einer Tinte mit einer Viskosität, die der Viskosität u&sub1; bei niedrigerer Schergeschwindigkeit entspricht.

Obwohl dies bereits anhand der mathematisch vereinfachten Oldroyd-Form der Scherverdünnung beschrieben wurde, ist ersichtlich, daß man eine vergleichbare Verringerung der Viskoseimpedanz erhält, wenn man geeignet ausgewählte Düsen und Antriebsdruckpulse mit Tinten verwendet, deren Eigenschaften in Fig. 2 dargestellt sind.

Diese Verringerung in der Viskoseimpedanz ist wahrscheinlich auf Eigenschaften der Flüssigkeit zurückzuführen, wobei die Flüssigkeit anfänglich auf den Druckpuls in der Pfropfenströmung anspricht, so daß sie die Entwicklung einer Scherkraft durch die an die Düsenwände angrenzende Grenzschicht hemmt, d.h. sie hemmt die Entwicklung einer viskosen Strömung für ungefähr die Relaxationszeit der Flüssigkeit. Daraus kann man also schließen, daß diese Eigenschaften in einen "drop-on- demand" Drucker übernommen werden können, um die Viskoseimpedanz der Strömung in der Düse während des Tröpfchenausstoßes zu senken und somit die Antriebsspannung zu verringern. Solche Tinten verringern dementsprechend auch die Betriebsspannung und damit die Kosten der elektronischen Antriebschips und verbessern die Verläßlichkeit der Drucker beim Betrieb.

Ferner kann man daraus schließen, daß Tinten mit einem erhöhten Feststoffgehalt, der den gedruckten Punkten eine höhere optische Dichte verleiht und Ausbreitungssteuerungseigenschaften beinhaltet, trotz der verbesserten Viskosität bei niedriger Schergeschwindigkeit für die Verwendung in "drop-on-demand" Druckern angepaßt werden kann, ohne den Nachteil erhöhter Antriebsspannung oder -energie in Kauf nehmen zu müssen. Dies erreicht man durch die Formulierung einer Tinte mit einer Stufenviskositätseigenschaft, die die beschriebenen Relaxationszeitkonstanten und charakteristischen Zeitkriterien erfüllt. Die Verwendung von viskoelastischen Tinten ist vorzuziehen, weil in solchen Tinten das Dispergiermittel, wenn es wie üblich von höherer Dichte als das Lösungsmittel ist, gegen Absetzen beständig ist und die Tinte deshalb eine geeignete Stabilität aufweist.

Die bereits beschriebene oldroyd-Flüssigkeit und die vorstehende Verhaltensgleichung ist eine mathematisch idealisierte Flüssigkeitsviskositätseigenschaft, die eine einzige charakteristische Zeit λ aufweist. Dies bedeutet, daß die Teilchen oder Polymere, die sie umfaßt, homogen sind. Wirkliche Flüssigkeiten haben eine spektrale Verteilung der Zeitkonstanten. Ein verbreitet verwendetes empirisches Verhältnis für Scherverdünnungsflüssigkeiten ist die Kreuzgleichung

die wie folgt umgeschrieben werden kann

und der Oldroyd-Gleichung sehr ähnlich ist. Daraus geht hervor, daß die Schergeschwindigkeit λ derart ist, daß

K = 1/ m, die Viskosität u = u&sub2; + u&sub1;/2 und K1/m eine effektive Zeitkonstante ist.

Eine schwarze, zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren zusammen mit einer Düse mit einem Radius im Bereich von 2 bis 50 um und einer Pulsdauer im Bereich von 2 bis 20 Mikrosekunden bei einer Betriebstemperatur von 50ºC geeignete Tinte wurde durch Auflösen unter Rühren von 4 g Acryloid DM-55 in 20 ml warmem (50 bis 60ºC) wasserfreiem Tripropylenglykolmonomethylether (TPM) und anschließender Zugabe unter Rühren von 2 g N330 Rußschwarz (Witco) bei Aufrechterhaltung der Temperatur hergestellt. Der so gebildeten Mischung gab man eine warme (60 bis 80ºC) Lösung von 1,75 g Elvax W in 10 ml TPM zu und rührte sie weitere 72 Stunden. Dann ließ man sie abkühlen und verdünnte mit mehr TPM auf 50 ml.

Rote und blaue Tinten, die ebenfalls mit Düsen mit einem Radius im gleichen Bereich von 5 bis 20 um und einer Pulsdauer im gleichen Bereich von 2 bis 20 Mikrosekunden bei einer Betriebstemperatur von 50ºC geeignet sind, wurden ebenfalls hergestellt. Die rote Tinte wurde nach dem gleichen Verfahren wie die schwarze hergestellt, doch diesmal verwendete man 2 g Acryloid DM- 55, 2 g Elvax W und als Färbemittel 1, 8 g Irgalite Rot 2BS RBS (Ciba Geigy). Die blaue Tinte wurde nach dem gleichen Verfahren unter Verwendung der gleichen Mengen wie für die rote Tinte hergestellt, doch diesmal verwendete man 2 g Heliogen Blau L6700 (BASF) als Färbemittel.

Acryloid DM-55 ist ein Dispergiermittel aus einem Acrylcopolymerharz, das von Rohm & Haas vertrieben wird. Elvax W ist ein Ethylen/Vinylacetat-Copolymer, das 40 Gew.-% Vinylacetat enthält und von DuPont vertrieben wird.

Kurven, die die Eigenschaften der Viskosität/Schergeschwindigkeit jeder dieser Tinten zeigen, sind in Fig. 7 bis 9 gezeigt.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zum pulsweisen Abscheiden von Tröpfchen, die eine Kammer für die Tröpfchenflüssigkeit, eine mit der Kammer in Verbindung stehende Düse (18) zum Ausschleudem von flüssigen Tröpfchen (12) aus der Kammer durch die Düse hindurch, eine mit der Kammer verbundene Vorrichtung (20) zum Auffüllen der Tröpfchenflüssigkeit sowie eine Vorrichtung zum pulsförmigen Aufschlagen von Energie auf die Tröpfchenflüssigkeit (16) in der Kammer aufweist, um das Ausstoßen von Tröpfchen aus der Düse zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse auf eine Tröpfchenflüssigkeit (16) in der Kammer aufgebracht werden, die bei hohen Schergeschwindigkeiten eine relativ geringe Viskosität und bei niedrigen Schergeschwindigkeiten eine relativ hohe Viskosität aufweist, wobei jene Flüssigkeit (16) eine Relaxationszeitkonstante in derselben Größenordnung oder länger als die Periode der auf sie beaufschlagten Pulse und eine charakteristische Verweilzeit in der Düse (18) in derselben Größenordnung oder kürzer als die Pulsperiode aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum pulsförmigen Beaufschlagen von Energie verwendet wird, wobei die elektrisch betriebene Vorrichtung dadurch betriebsfähig ist, daß sie mindestens einen Teil einer Kammerseitenwand ersetzt und dadurch einen Druckpuls auf die Tröpfchenflüssigkeit in der Kammer ausübt.

3. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zum pulsweisen Abscheiden von Tröpfchen, die eine Anordnung paralleler Tröpfchenflüssigkeitskanäle, mit dem jeweiligen Kanal in Verbindung stehende Düsen (18) zum Ausschleudern von flüssigen Tröpfchen (12) aus der Kammer durch die Düse hindurch, eine mit den Kanälen verbundene Vorrichtung (20) zum Auffüllen der Tröpfchenflüssigkeit sowie eine Vorrichtung zum pulsförmigen Beaufschlagen von Energie zur selektiven Aufgabe von Energiepulsen auf die Tröpfchenflüssigkeit (16) in den Kanälen aufweist, um das Ausstoßen von Tröpfchen aus den Düsen zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse auf eine Tröpfchenflüssigkeit (16) in den Kanälen beaufschlagt werden, die bei hohen Schergeschwindigkeiten eine relaüv geringe Viskosität und bei niedrigen Schergeschwindigkeiten eine relativ hohe Viskosität aufweist, wobei jene Flüssigkeit (16) eine Relaxationszeitkonstante in derselben Größenordnung oder länger als die Periode der auf sie beaufschlagten Pulse und eine charakeristische Verweilzeit in der Düse (18) in derselben Größenordnung oder kürzer als die Pulsperiode aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum pulsförmigen Beaufschlagen von Energie verwendet wird, wobei die elektrisch betriebene Vorrichtung dadurch betriebsfähig ist, daß sie mindestens einen Teil der jeweiligen Kanalseitenwände ersetzt und dadurch einen Druckpuls auf die Tröpfchenflüssigkeit in der Kammer ausübt.

5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine viskoelastische Tröpfchenflüssigkeit verwendet wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man schwarze Tinte verwendet, die durch Auflösen unter Rühren bei 50 - 60ºC von 4 g Acryloid DM-55 in 20 ml warmem, wasserfreiem Tripropylenglycolmonomethylether (TPM), Konstanthalten der Temperatur und, unter weiterem Rühren, Zufiigen von 2 g N330 Ruß, Zufügen einer warmen Lösung aus 1,75 g Elvax W in 10 ml TPM bei 60 - 80 ºC, anschließendem Rühren über 72 Std., Abkühlen und Verdünnen auf 50 ml mit zusätzlichem TPM hergestellt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man rote Tinte verwendet, die durch Auflösen von 2 g Acryloid DM-55 in 20 ml warmem, wasserfreiem Tripropylenglycolmonomethylether (TPM) bei 50 - 60ºC, Konstanthalten der Temperatur und, unter weiterem Rühren, Zufügen von 1,8 g Irgalite-Rot 2BS RBS (Ciba Geigy), Zufügen einer warmen Lösung aus 2 g Elvax W in 10 ml TPM bei 60 - 80 ºC, anschließendem Rühren über 72 Std., Abkühlen und Verdünnen auf 50 ml mit zusätzlichem TPM hergestellt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man blaue Tinte verwendet, die durch Auflösen von 2 g Acryloid DM-55 in 20 ml warmem, wasserfreiem Tripropylenglycolmonomethylether (TPM) bei 50 - 60 ºC, Konstanthalten der Temperatur und, unter weiterem Rühren, Zufügen von 2 g Heliogen-Blau L6700 (BASF), Zufügen einer warmen Lösung aus 2 g Elvax W in 10 ml TPM bei 60 - 80 ºC, anschließendem Rühren über 72 Std., Abkühlen und Verdünnen auf 50 ml mit zusätzlichem TPM hergestellt wird.







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