Tinten(strahl)drucker von Florian Weidner

Inhaltsübersicht Geschichte Druckverfahren Aufbau und Funktionsweise Bild- und Textoptimierung Reinigung Ausblick Quellen

Geschichte 1890 Grundsteinlegung durch den Physiker und Nobelpreisträger John William Strutt (besser bekannt als Lord Rayleigh oder Baron Rayleigh) 1948 Patentanmeldung eines „Messschreibers“ von Siemens Elema (Schweden)

70/71 erste Patentanmeldungen verschiedener Institute und Firmen für Piezoelektrische Aktoren 1977 Veröffentlichung des Piezo-Jet Druckers PT80i von Siemens 12 Piezoröhrchen / Düsen 96 dpi Auflösung pro Druckdurchlauf 270 Zeichen pro Sekunde (bei einer Größe von 10 Zeichen pro Zoll) 180 pl „große“ Tintentropfen (1pl = 1 billionstel Liter = 1*10^-12 Liter) 1977 erste Patentanmeldungen verschiedener Japanischer Firmen für Bubble-Jet Druckelemente 1984 Veröffentlichung des PT 88/89S von Siemens 9 Piezoröhrchen / Düsen 72 dpi Auflösung pro Druckdurchlauf 1985 Veröffentlichung des PT 90 von Siemens 32 Piezoröhrchen / Düsen 240 dpi Auflösung pro Druckdurchlauf

1985 Veröffentlichung eines Piezoplanardruckers von Epson (SQ-2000): 12 Piezoplanaraktoren (Piezoscheiben) anstatt Piezoröhrchen 1985 Veröffentlichung erster Bubble-Jets: Hewlett Packard - ThinkJet Canon - BJ-80

Druckverfahren Tintendrucker Drop on Demand Tintenstrahldrucker Continuous Flow Bubble Jet Piezo Jet Rohr Scheibe Lamelle Scher-wandler Side-shooter Edge-shooter Back-shooter Side-shooter Edge-shooter

Continuous Flow 1. Pumpe versorgt das Piezoelement mit Tinte (30 bar Tintendruck) 2. Piezoelektrischer Schwinger überlagert den Tintenfluss mit hochfrequenten Schwingungen 3. Tintenstrahl wird elektro-magnetisch aufgeladen 4. Magnetisierter Tintenstrahl wird in horizontaler und vertikaler Richtung abgelenkt 5.1 Benötigte Tintentropfen treffen auf dem Blatt auf 5.2 Überflüssige Tropfen werden in den Tropfenfänger geleitet und fließen durch den Filter zurück in den Behälter

DoD -> Piezo Jet 1. Ruhezustand 2. Piezoelement verformt sich nach oben (positive Spannung liegt an) und Tinte wird angesaugt 3. Piezoelement verformt sich nach unten (negative Spannung liegt an) und Tinte wird durch die Düse „hinausbefördert“ 4. Tintentropfen reißt ab und Tinte fließt nach 5. Piezoelement geht zurück in den Ruhezustand (negative Spannung liegt an)

DoD -> Piezo Jet

DoD -> Piezo Jet -> Piezoröhrchen Funktionsweise: Wird am Piezoröhrchen Spannung angelegt vergrößert sich der Innenraum der Tintenkammer, es entsteht ein Unterdruck und Tinte wird angesaugt. Anschließend wird die Spannung umgepolt und das Piezoröhrchen zieht sich zusammen und der Innenraum verkleinert sich. Da durch eine Pumpe zwischen dem Tintenbehälter und den Piezoröhrchen ständig Tinte nach fließt, kann die unter Druck stehende Tinte nur durch die Düse das Röhrchen verlassen. Nach entfernen der Spannung verformt sich das Piezoröhrchen wieder in die Ausgangsgröße, Tinte fließt nach, der Tintentropfen an der Düsenöffnung reißt ab und fliegt in Richtung Papier.

DoD -> Piezo Jet -> Piezoröhrchen Technische Daten: Spritzfrequenz 10 kHz Systemlänge 30 mm Spannung 120 V Aktorlänge 13 mm Energie pro Tropfen 9 mJ Düsenabstand 353 mikrometer Herstellungskosten Sehr hoch Auflösung 240 dpi Lebensdauer Hoch

DoD -> Piezo -> Scheiben -> Sideshooter Funktionsweise: Beim Anlegen der Spannung wölbt sich das Piezoelement nach links und „saugt“ Tinte an. Danach wird die Spannung umgepolt und das Piezoelement wölbt sich in die entgegen gesetzte Richtung. Dadurch entsteht ein Druck in der Tintenkammer worauf die Tinte durch die gegenüberliegende Düse entweicht. Anschließend liegt keine Spannung mehr an, das Piezoelement geht in die Ausgangsstellung zurück, der Tintentropfen reißt ab und die Menge, wie durch die Düse abgegebene Tinte, fließt aus dem Vorratsbehälter nach. Piezo-scheibe Düse Membran Düsen-platte Tinten-zufluss Technische Daten: Spritzfrequenz 20 kHz Systemlänge 2 mm Spannung 80 V Aktorlänge 1 mm Energie pro Tropfen 5 mJ Düsenabstand 282 mikrometer Herstellungskosten Hoch Auflösung 360 dpi Lebensdauer

DoD -> Piezo -> Scheiben -> Edgeshooter Funktionsweise: Eine Pumpe pumpt ständig Tinte aus dem Vorrats-behälter in die Tintenkammern. Durch die Drossel wird der Druck vermindert. Beim Anlegen der Spg. wölbt sich das Piezoelement nach oben und „saugt“ zusätzlich Tinte in die Tintenkammer. Jetzt wird die Spannung umgepolt, das Piezoelement wölbt sich nach unten und die Tinte wird auf Grund des Drucks der Tintenpumpe in Richtung der Düse gepresst, danach liegt keine Spannung am Piezoelement an und es bewegt sich zurück in die Ausgangsstellung! Die so ausgestoßene Tinte fließt sofort wieder nach. Piezoscheibe Düse Tinten-zufluss Drossel Technische Daten: Spritzfrequenz 4 kHz Systemlänge 40 mm Spannung 150 V Aktorlänge 2,8 mm Energie pro Tropfen 12 mJ Düsenabstand 282 mikrometer Herstellungskosten Hoch Auflösung 360 dpi Lebensdauer

DoD -> Piezo Jet -> Piezolamellen Funktionsweise: Eine Pumpe versorgt die Tintenkammer ständig mit neuer Tinte und eine Drossel vor der Kammer mindert den Druck. Wird Spannung an die Lamelle angelegt, verkürzt sie sich und zieht somit zusätzliche Tinte in die Tintenkammer. Wird die Spannung umgepolt, verlängert sich die Lamelle, durch den entstehenden Druck wird die verdichtete Tinte aus der gegenüberliegenden Düsenöffnung gepresst, anschließend wird die Spannung von der Lamelle genommen, der Tintentropfen reißt ab und Tinte fließt wieder in die Tintenkammer nach. Membrane Düse Piezolamelle Tintenzufluss Düsenplatte Technische Daten: Spritzfrequenz 6 kHz Systemlänge 30 mm Spannung 25 V Aktorlänge 15mm Energie pro Tropfen 5 mJ Düsenabstand 169 mikrometer Herstellungskosten Hoch Auflösung 300 dpi Lebensdauer

DoD -> Piezo Jet -> Scherwandler Funktionsweise: Auch hier versorgt eine Pumpe die Tintenkammern mit Tinte. Es wird an Elektroden entgegen der Polarisationsrichtung eine Spannung angelegt, dadurch „scheren“ die Trennwände einseitig zur Seite aus und es entsteht ein Druck in den Tintenkammern, jedoch kann nur immer jede zweite Düse verwendet werden! Wenn die Trennwände einer Tintenkammer zur Seite ausscheren Geklebter Deckel Elektroden Polarisationsrichtung Gesägtes Piezosubstrat Düsen Düsenfolie entsteht in der danebenliegenden Tintenkammer ein Unterdruck und somit kann mit dieser Düse nicht gedruckt werden. Wenn die Spannung weg genommen wird, wölbt sich die Trennwand wieder in ihre Ausgangsstellung zurück, dies muss langsamer passieren, da sonst aus der gegenüberliegenden Düse ebenfalls ein Tintentropfen ausgestoßen wird! Deshalb wird die Spannung nicht schlagartig entfernt sondern „langsam“ runtergeregelt. Während diesem Vorgangs füllt sich die Tintenkammer, aus der die Tinte ausgestoßen wurde wieder mit neuer Tinte aus dem Vorratsbehälter

DoD -> Piezo Jet -> Scherwandler Geklebter Deckel Elektroden Polarisationsrichtung Gesägtes Piezosubstrat Düsen Düsenfolie Technische Daten: Spritzfrequenz 5 kHz Systemlänge 5 mm Spannung 50 V Aktorlänge Energie pro Tropfen Keine Angabe Düsenabstand 169 mikrometer Herstellungskosten Mittel Auflösung 150 dpi Lebensdauer Sehr Hoch

DoD -> Bubble Jet Funktionsweise: Wird an das Heizelement kurzzeitig Spannung angelegt, erhitzt es sich und die Tinte beginnt zu sieden. Im Bereich des Heizelements beginnen sich kleine Blasen zu entwickeln, dies nennt man „Filmsieden“. Im laufe der Zeit verbinden sich viele kleine Gasblasen zu einer großen Blase, durch das ständige „wachsen“ der Gasblase hat die Tinte keinen Kontakt mehr zum Heizelement und die Blase „wächst“ langsamer, was als selbst regulierender Effekt dient. Gleichzeitig wird die innen verdrängte Tinte an der Düse mit bis zu 10 bar nach außen gedrückt. Wenn ein Großteil der Wärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt ist, kollabiert die Gasblase und der Tintentropfen reißt ab. Nun wird durch den entstandenen Unterdruck und durch die Kapillarkräfte wieder Tinte nachgesaugt. Dieser Ansaugvorgang dauert jedoch ziemlich lange, was nicht so hohe Spritzfrequenzen zu lässt. Ein weiteres Problem sind die Kavitationskräfte die auf das Heizelement beim Kollabieren der Dampfblase wirken und dies dadurch beschädigt werden kann.

DoD -> Bubble Jet - Sideshooter Funktionsweise: Es wird kurzzeitig ein Spannungsimpuls an das Heizelement angelegt, die erhitzt sich und lässt eine Dampfblase in der Tintenkammer entstehen, durch den entstehenden Druck wird Tinte aus der gegenüberliegenden Düse gepresst. Nach dem kollabieren der Dampfblase reißt der Tintentropfen ab und fliegt in Richtung Blatt. Die ausgestoßene Tinte wird durch die Kapillarkräfte nachgesaugt. Technische Daten: Spritzfrequenz 4 kHz Systemlänge 0,5 mm Spannung 30 V Aktorlänge 0,1 mm Energie pro Tropfen 30 mJ Düsenabstand 169 mikrometer Herstellungskosten Niedrig Auflösung 300 dpi Lebensdauer Gering

DoD -> Bubble Jet - Edgeshooter Funktionsweise: Durch kurzzeitiges Anlegen eines Spannungsimpulses am Heizelement beginnt die Tinte am Heizelement zu sieden. Durch die Dampfblase entsteht ein Druck in der Tintenkammer und da der Druck in Richtung Düse geringer ist als in Richtung Tintenbehälter / -zufluss wird die Tinte ums „Eck“ zur Düse und dann aus der Düse gepresst. Nach dem Kollabieren der Blase wird durch die Kapillarkräfte Tinte nachgesaugt. Technische Daten: Spritzfrequenz 5 kHz Systemlänge 0,5 mm Spannung 30 V Aktorlänge 0,15 mm Energie pro Tropfen 30 mJ Düsenabstand 64 mikrometer Herstellungskosten Niedrig Auflösung 360dpi Lebensdauer Mittel

DoD -> Bubble Jet - Backshooter

DoD -> Bubble Jet -> Tropfengröße Steuerung der Tropfengröße bei Bubble Jet Druckköpfen: In den Druckköpfen werden pro Düse zwei einzelne Heizelemente verbaut. Dadurch wird eine bessere Kontrolle über die Bildung der einzelnen Tintentropfen erreicht. Für kleinere Tintentropfen wird nur an ein einziges Heizelement ein kurzer Spannungsimpuls gelegt. Für größere Tintentropfen werden an beide Heizelemente gleichzeitig ein kurzer Spannungsimpuls gelegt.

Vergleich der Druckverfahren Spritz-frequenz in kHz Auf-lösung in dpi System-länge in mm Aktor-länge Düsen-abstand in µm Spannung in Volt Energie / Tropfen in mJ Her-stellungs-kosten Lebens-dauer Piezo Röhrchen 10 240 30 13 353 120 9 Sehr hoch Hoch Piezoplanar Edgeshoot. 4 360 40 2,8 282 150 12 Sideshoot. 20 2 1,0 80 5 Lamelle 6 300 15 169 25 Scherwandl 50 k.A. Mittel Bubble-Jet 400 0,5 0,15 64 Niedrig Bubble Jet 0,1

Größenvergleich

Reinigung von Druckköpfen

Bild- und Textoptimierung Am Beispiel von Hewlett Packards REt bzw. PhotoREt REt: Resolution Enhancement Technology REt wurde ursprünglich entwickelt um eine Konturenglättung an Buchstaben und Grafiken bei Laserdruckern durchzuführen. PhotoREt wurde aus REt weiterentwickelt um die Farben bei photorealistischen Ausdrucken zu verbessern und zu optimieren. Tintendrucker können nur in ihren 4 Grundfarben (Cyan, Gelb, Magenta, Schwarz) und in den direkten Mischfarben (Rot = Magenta + Gelb, Grün = Cyan + Gelb, Blau = Cyan + Magenta) drucken. Alle anderen Farbtöne und Helligkeitsabstufungen ergeben sich durch nah zusammen gesetzte Druckpunkte die unser Auge als den gewünschten Zwischenfarbton wahrnimmt. Dieser Effekt wird als „Optische Farbmischung“ (vergleichbar mit „Metamerer Farbgleichheit“) Das Bild wird von der Treibersoftware „gerastert“, d.h. in kleine Bereiche unterteilt. Aus diesen einzelnen Rasterpunkten errechnet nun die Treibersoftware die farbliche Zusammensetzung, die gedruckt werden soll. Bei der aktuellen Version von PhotoREt IV können bis zu 32 Farbschichten übereinander platziert werden (d.h. pro Farbe 289 verschiedene Schattierungen und insgesamt 1,2 Millionen Farben) PhotoREt ist nicht so rechenintensiv wie wenn man z.B. das Bild interpolieren (hinzurechnen von Pixeln um zu große Farbabstufungen zu vermeiden) würde. Dies ist ein großer Vorteil für die Druckzeiten großer Bilder.

Ausblick Tintendrucker sind in Unternehmen schon längst vom Laserdrucker abgelöst worden. Grund hierfür waren einfach die weitaus günstigeren Druckkosten pro Blatt. In vereinzelten Bereichen der Industrie werden derzeit noch Tintendrucker genutzt, werden aber vermutlich durch eine andere / neue Technologie abgelöst. (Anwendungen: Mindesthaltbarkeitsdaten auf Blechdosen, Blechdeckeln von Lebensmittelgläsern) Verschleißteil / -mittel sind eben nun mal die Tinten und da Tinten die wahrscheinlich teuerste Flüssigkeit (cirka 3000 Euro pro Liter) der Welt sind, ist dies ein erheblicher Grund für das langsam aber sichere „Aussterben“ der Tintendrucker.

Quellen www.druckerchannel.de www.mm.hs-heilbronn.de www.inksystems.de www.hp.com www.canon.de www.epson.de