Tinten(strahl)drucker

1. Tinten(strahl)drucker von Florian Weidner

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

3. 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)

4. 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

5. 1985 Veröffentlichung eines Piezoplanardruckers von Epson (SQ-2000): 12 Piezoplanaraktoren (Piezoscheiben) anstatt Piezoröhrchen 1985 Veröffentlichung erster Bubble-Jets: Hewlett Packard - ThinkJet Canon - BJ-80

6. 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

7. 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

8. 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)

9. DoD -> Piezo Jet

10. 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.

11. DoD -> Piezo Jet -> Piezoröhrchen Technische Daten:

12. 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:

13. 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:

14. 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:

15. 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

16. DoD -> Piezo Jet -> Scherwandler Geklebter Deckel Elektroden Polarisationsrichtung Gesägtes Piezosubstrat Düsen Düsenfolie Technische Daten:

17. 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.

18. 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:

19. 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:

20. DoD -> Bubble Jet - Backshooter

21. 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.

22. Vergleich der Druckverfahren

23. Größenvergleich

24. Reinigung von Druckköpfen

25. 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.

26. 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.

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