Date post: | 05-Apr-2015 |
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Tinten(strahl)druckerTinten(strahl)drucker
von Florian Weidnervon Florian Weidner
InhaltsübersichtInhaltsübersicht
GeschichteGeschichte DruckverfahrenDruckverfahren Aufbau und FunktionsweiseAufbau und Funktionsweise Bild- und TextoptimierungBild- und Textoptimierung ReinigungReinigung AusblickAusblick QuellenQuellen
GeschichteGeschichte
1948 Patentanmeldung eines „Messschreibers“ von Siemens Elema (Schweden)
1890 Grundsteinlegung durch den Physiker und Nobelpreisträger John William Strutt
(besser bekannt als Lord Rayleigh oder Baron Rayleigh)
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)
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
1977 erste Patentanmeldungen verschiedener Japanischer Firmen für Bubble-Jet
Druckelemente
1985 Veröffentlichung eines Piezoplanardruckers
von Epson (SQ-2000):
12 Piezoplanaraktoren (Piezoscheiben) anstatt Piezoröhrchen
1985 Veröffentlichung erster Bubble-Jets:
Hewlett Packard - ThinkJet
Canon - BJ-80
DruckverfahrenDruckverfahren
Tintenstrahldrucker
Continuous Flow
Tintendrucker
Drop on Demand
Bubble Jet Piezo Jet
Side-shooter
Edge-shooter
Back-shooter
Rohr Scher-wandler
Scheibe Lamelle
Side-shooter
Edge-shooter
Continuous FlowContinuous Flow
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
1. Pumpe versorgt das Piezoelement mit Tinte (30 bar Tintendruck)
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 JetDoD -> 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 JetDoD -> Piezo Jet
DoD -> Piezo Jet -> PiezoröhrchenDoD -> 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 -> PiezoröhrchenDoD -> Piezo Jet -> Piezoröhrchen
Technische Daten:
SpritzfrequenzSpritzfrequenz 10 kHz10 kHz SystemlängeSystemlänge 30 mm30 mm
SpannungSpannung 120 V120 V AktorlängeAktorlänge 13 mm13 mm
Energie pro TropfenEnergie pro Tropfen 9 mJ9 mJ DüsenabstandDüsenabstand 353 mikrometer353 mikrometer
HerstellungskostenHerstellungskosten Sehr hochSehr hoch AuflösungAuflösung 240 dpi240 dpi
LebensdauerLebensdauer HochHoch
DoD -> Piezo -> Scheiben -> SideshooterDoD -> Piezo -> Scheiben -> Sideshooter
Piezo-scheibe
Membran
Tinten-zufluss
Düse
Düsen-platte
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.
Technische Daten:
SpritzfrequenzSpritzfrequenz 20 kHz20 kHz SystemlängeSystemlänge 2 mm2 mm
SpannungSpannung 80 V80 V AktorlängeAktorlänge 1 mm1 mm
Energie pro TropfenEnergie pro Tropfen 5 mJ5 mJ DüsenabstandDüsenabstand 282 mikrometer282 mikrometer
HerstellungskostenHerstellungskosten HochHoch AuflösungAuflösung 360 dpi360 dpi
LebensdauerLebensdauer HochHoch
DoD -> Piezo -> Scheiben -> EdgeshooterDoD -> Piezo -> Scheiben -> EdgeshooterPiezoscheibe Düse
Tinten-zufluss
Drossel
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.
Technische Daten:
SpritzfrequenzSpritzfrequenz 4 kHz4 kHz SystemlängeSystemlänge 40 mm40 mm
SpannungSpannung 150 V150 V AktorlängeAktorlänge 2,8 mm2,8 mm
Energie pro TropfenEnergie pro Tropfen 12 mJ12 mJ DüsenabstandDüsenabstand 282 mikrometer282 mikrometer
HerstellungskostenHerstellungskosten HochHoch AuflösungAuflösung 360 dpi360 dpi
LebensdauerLebensdauer HochHoch
DoD -> Piezo Jet -> PiezolamellenDoD -> Piezo Jet -> Piezolamellen
Düse
Düsenplatte
Membrane
TintenzuflussPiezolamelle
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.
Technische Daten:
SpritzfrequenzSpritzfrequenz 6 kHz6 kHz SystemlängeSystemlänge 30 mm30 mm
SpannungSpannung 25 V25 V AktorlängeAktorlänge 15mm15mm
Energie pro TropfenEnergie pro Tropfen 5 mJ5 mJ DüsenabstandDüsenabstand 169 mikrometer169 mikrometer
HerstellungskostenHerstellungskosten HochHoch AuflösungAuflösung 300 dpi300 dpi
LebensdauerLebensdauer HochHoch
DoD -> Piezo Jet -> ScherwandlerDoD -> Piezo Jet -> Scherwandler
Düsen Düsenfolie
Gesägtes Piezosubstrat
Polarisationsrichtung
Elektroden
Geklebter Deckel
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
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 -> ScherwandlerDoD -> Piezo Jet -> Scherwandler
Düsen Düsenfolie
Gesägtes Piezosubstrat
Polarisationsrichtung
Elektroden
Geklebter Deckel
Technische Daten:
SpritzfrequenzSpritzfrequenz 5 kHz5 kHz SystemlängeSystemlänge 5 mm5 mm
SpannungSpannung 50 V50 V AktorlängeAktorlänge 5 mm5 mm
Energie pro TropfenEnergie pro Tropfen Keine AngabeKeine Angabe DüsenabstandDüsenabstand 169 mikrometer169 mikrometer
HerstellungskostenHerstellungskosten MittelMittel AuflösungAuflösung 150 dpi150 dpi
LebensdauerLebensdauer Sehr HochSehr Hoch
DoD -> Bubble JetDoD -> Bubble JetFunktionsweise:
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 - SideshooterDoD -> Bubble Jet - SideshooterFunktionsweise:
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:
SpritzfrequenzSpritzfrequenz 4 kHz4 kHz SystemlängeSystemlänge 0,5 mm0,5 mm
SpannungSpannung 30 V30 V AktorlängeAktorlänge 0,1 mm0,1 mm
Energie pro TropfenEnergie pro Tropfen 30 mJ30 mJ DüsenabstandDüsenabstand 169 mikrometer169 mikrometer
HerstellungskostenHerstellungskosten NiedrigNiedrig AuflösungAuflösung 300 dpi300 dpi
LebensdauerLebensdauer GeringGering
DoD -> Bubble Jet - EdgeshooterDoD -> Bubble Jet - EdgeshooterFunktionsweise:
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:
SpritzfrequenzSpritzfrequenz 5 kHz5 kHz SystemlängeSystemlänge 0,5 mm0,5 mm
SpannungSpannung 30 V30 V AktorlängeAktorlänge 0,15 mm0,15 mm
Energie pro TropfenEnergie pro Tropfen 30 mJ30 mJ DüsenabstandDüsenabstand 64 mikrometer64 mikrometer
HerstellungskostenHerstellungskosten NiedrigNiedrig AuflösungAuflösung 360dpi360dpi
LebensdauerLebensdauer MittelMittel
DoD -> Bubble Jet - BackshooterDoD -> Bubble Jet - Backshooter
DoD -> Bubble Jet -> TropfengrößeDoD -> 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 DruckverfahrenVergleich der DruckverfahrenDruck-Druck-verfahrenverfahren
Spritz-Spritz-frequenzfrequenz
in kHzin kHz
Auf-Auf-lösunglösung
in dpiin dpi
System-System-längelänge
in mmin mm
Aktor-Aktor-längelänge
in mmin mm
Düsen-Düsen-abstandabstand
in in µmµm
Spannung Spannung in Voltin Volt
Energie / Energie / TropfenTropfen
in mJin mJ
Her-Her-stellungs-stellungs-kostenkosten
Lebens-Lebens-dauerdauer
PiezoPiezo
RöhrchenRöhrchen 1010 240240 3030 1313 353353 120120 99Sehr Sehr hochhoch HochHoch
PiezoplanarPiezoplanar
Edgeshoot.Edgeshoot. 44 360360 4040 2,82,8 282282 150150 1212 HochHoch HochHoch
PiezoplanarPiezoplanar
Sideshoot.Sideshoot. 2020 360360 22 1,01,0 282282 8080 55 HochHoch HochHoch
PiezoPiezo
LamelleLamelle 66 300300 3030 1515 169169 2525 55 HochHoch HochHoch
PiezoPiezo
ScherwandlScherwandl 55 150150 55 55 169169 5050 k.A.k.A. MittelMittel HochHoch
Bubble-JetBubble-Jet
Edgeshoot.Edgeshoot. 55 400400 0,50,5 0,150,15 6464 3030 3030 NiedrigNiedrig MittelMittel
Bubble JetBubble Jet
Sideshoot.Sideshoot. 44 300300 0,50,5 0,10,1 169169 3030 3030 NiedrigNiedrig NiedrigNiedrig
GrößenvergleichGrößenvergleich
Reinigung von DruckköpfenReinigung von Druckköpfen
Bild- und TextoptimierungBild- und TextoptimierungAm 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.
AusblickAusblickTintendrucker 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.
QuellenQuellenwww.druckerchannel.de
www.mm.hs-heilbronn.de
www.inksystems.de
www.hp.com
www.canon.de
www.epson.de