Tinten(strahl)drucker

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Tinten(strahl)drucker

• von Florian Weidner

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Inhaltsübersicht

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

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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)
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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 110-12 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
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1985 Veröffentlichung eines Piezoplanardruckers
von Epson (SQ-2000) 12
Piezoplanaraktoren (Piezoscheiben) anstatt
Piezoröhrchen
1985 Veröffentlichung erster Bubble-Jets
Hewlett Packard - ThinkJet Canon
- BJ-80
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Druckverfahren
Tintenstrahldrucker Continuous Flow
Tintendrucker Drop on Demand
Bubble Jet
Piezo Jet
Rohr
Scher-wandler
Scheibe
Lamelle
Side-shooter
Edge-shooter
Back-shooter
Side-shooter
Edge-shooter
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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
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DoD -gt 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)
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DoD -gt Piezo Jet
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DoD -gt Piezo Jet -gt 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.
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DoD -gt Piezo Jet -gt 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
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DoD -gt Piezo -gt Scheiben -gt 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 Hoch
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DoD -gt Piezo -gt Scheiben -gt 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 Hoch
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DoD -gt Piezo Jet -gt 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.
Düse
Membrane
Düsenplatte
Tintenzufluss
Piezolamelle
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 Hoch
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DoD -gt Piezo Jet -gt 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
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DoD -gt Piezo Jet -gt Scherwandler
Geklebter Deckel
Elektroden
Polarisationsrichtung
Gesägtes Piezosubstrat
Düsen
Düsenfolie
Technische Daten
Spritzfrequenz 5 kHz Systemlänge 5 mm
Spannung 50 V Aktorlänge 5 mm
Energie pro Tropfen Keine Angabe Düsenabstand 169 mikrometer
Herstellungskosten Mittel Auflösung 150 dpi
Lebensdauer Sehr Hoch
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DoD -gt 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.
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DoD -gt 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
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DoD -gt 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
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DoD -gt Bubble Jet - Backshooter
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DoD -gt Bubble Jet -gt 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.
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Vergleich der Druckverfahren
Druck-verfahren Spritz-frequenz in kHz Auf-lösung in dpi System-länge in mm Aktor-länge in mm 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 Hoch Hoch
Piezoplanar Sideshoot. 20 360 2 1,0 282 80 5 Hoch Hoch
Piezo Lamelle 6 300 30 15 169 25 5 Hoch Hoch
Piezo Scherwandl 5 150 5 5 169 50 k.A. Mittel Hoch
Bubble-Jet Edgeshoot. 5 400 0,5 0,15 64 30 30 Niedrig Mittel
Bubble Jet Sideshoot. 4 300 0,5 0,1 169 30 30 Niedrig Niedrig
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Größenvergleich
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Reinigung von Druckköpfen
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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.
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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) Verschleißt
eil / -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.
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Quellen
www.druckerchannel.de www.mm.hs-heilbronn.de www.i
nksystems.de www.hp.com www.canon.de www.epson.de