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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf mit einem Vorratstank
für eine
Drucksubstanz, die durch Erwärmung
verflüssigt
und nach dem Aufbringen auf ein Trägermaterial dort abgekühlt und
dabei wieder fest wird, und mit mindestens einer Düse, durch
welche die verflüssigte
Drucksubstanz in Richtung zum Trägermaterial
abgegeben wird. Außerdem
betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Druckkopfes
in einem Braille-Zeichen-Drucker und in einer Vorrichtung zur Durchführung von
Rapid-Prototyping-Verfahren.
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Die
Verwendung von Flüssigkeiten
oder zumindest zeitweise verflüssigten
Substanzen zum Drucken von Grafiken oder Texten ist beispielsweise von
den sogenannten Tintenstrahldruckern bekannt. Diese arbeiten nach
dem sogenannten „drop
on demand" Prinzip,
bei welchem mikroskopisch kleine Tröpfchen in einer Druckkammer
erzeugt werden und zur Erzeugung des Druckbildes gezielt auf das
Trägermaterial,
beispielsweise Papier, geschleudert werden. Zur Erzeugung der Tröpfchen werden
entweder piezoelektrische Pumpelemente eingesetzt oder das „bubble-jet" Prinzip wird genutzt,
bei welchem es durch schockartige Erhitzung der Drucksubstanz zu
einer begrenzten Verdampfung kommt, die eine ein Tintentröpfchen herausschleudernde
Druckwelle verursacht.
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Die
JP 56 113 472 A beschreibt
einen Druckkopf für
heißschmelzende
Tinten. Die Tinte wird hier im Druckkopf geschmolzen und verfestigt.
Die Düsen des
Druckkopfes sind durch Peltier-Elemente einzeln steuerbar. Die im
Druckprozess verflüssigte
Tinte wird durch Oszillation aus den Düsen herausgeschleudert.
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Diese
bekannten Prinzipien können
jedoch nicht erfolgreich eingesetzt werden, wenn Substanzen mit
einem Schmelzpunkt zwischen etwa 80° Celsius und 140° Celsius,
insbesondere Wachse gedruckt werden sollen. Ein erheblicher Bedarf
zum Drucken mit solchen Drucksubstanzen besteht, wenn auf dem Trägermaterial
erhabene Druckbilder erzeugt werden sollen.
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Ein
konkretes Anwendungsgebiet für
solche Druckbilder, die sich merklich vom Trägermaterial abheben, ist beim
Druck von Braille-Zeichen gegeben, um für Blinde lesbare Texte drucken
zu können.
Es sind aber auch andere Anwendungsgebiete denkbar, beispielsweise
wenn grafischen Oberflächen
auch spezielle haptische Eigenschaften gegeben werden sollen.
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Um
Wachs als Drucksubstanz in einem Tintenstrahldrucker zu verwenden,
müsste
das Wachs bis oberhalb seines Schmelzpunktes erwärmt werden. Die dabei auftretenden
Temperaturen lassen den Einsatz piezoelektrischer Pumpelemente nicht mehr
zu, da die Piezoelemente sehr schnell überhitzen könnten. Wenn andererseits das „bubble-jet" Prinzip eingesetzt
werden soll, wäre
eine kurzzeitige erhebliche Erhitzung des Wachses erforderlich,
um die benötigte
Druckwelle zu erzeugen. Bei derart hohen Temperaturen wird die Oberflächenspannung der
verflüssigten
Drucksubstanz jedoch so stark reduziert, dass im Wesentlichen kugelförmige Tröpfchen kaum
noch geformt werden können.
Dies führt dann
zu einer schlechten Druckqualität.
Außerdem entstehen
weitere Probleme auf Grund der hohen Betriebstemperaturen, die bei
Anwendung des „bubble-jet" Prinzips und Wachs
als Drucksubstanz erforderlich wären.
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Braille-Drucker
wurden auf Grund dieser bestehenden Probleme bislang üblicherweise
unter Anwendung mechanischer Techniken zur Ausprägung von Braille-Zeichen realisiert.
Ein Beispiel für
einen derartigen Drucker ist in der
EP 0 956 199 B1 gezeigt.
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Aus
der
JP 09 039 370 A ist
ein Druckkopf für Blindenschrift
bekannt. Als Drucksubstanz wird Carnouba-Wachs verwendet. Exakt
geformte Braille-Punkte sollen dadurch erreicht werden, dass eine
Hohlnadel zunächst
auf der gewünschten Druckstelle
aufgesetzt wird und anschließend
das im Vorratstank in fester Form vorliegende Wachs durch Einschalten
eines Heizelementes verflüssigt
wird und dadurch durch die Hohlnadel auf die zu bedruckende Oberfläche fließt. Ein
Härtemittel
kann nachträglich auf
die so gedruckten Braille-Zeichen aufgesprüht werden. Der Druckprozess
ist aufgrund des gesamten im Druckkopf vorhanden zu schmelzenden Wachses
langsam und energieintensiv. Verstopfungen der Hohlnadel aufgrund
unterschiedlich starker Erwärmung
des Wachses sind zu erwarten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen neuartigen
Druckkopf bereit zu stellen, welcher Drucksubstanzen mit einem Schmelzpunkt
zwischen 80°C
und 200°C
verarbeiten kann, unter gleichzeitiger Vermeidung der oben genannten
Probleme der bisher bekannten Tintenstrahldrucktechniken. Weiterhin
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, unter Verwendung
eines solchen Druckkopfes einen verbesserten Drucker zum Drucken
von Braille-Zeichen zu schaffen sowie eine Vorrichtung zur Ausführung von
Rapid-Prototyping
mit einem solchen Druckkopf bereit zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Druckkopf mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Bevorzugte Anwendungsfälle
sind in den Ansprüchen
12 und 13 genannt.
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Erfindungsgemäß wird die
Drucksubstanz im Vorratstank des Druckkopfes mit einem Überdruck beaufschlagt,
wobei der Vorratstank an eine Düsenplatte
angeschlossen ist, in welcher die Düse angeordnet ist. Diese Düsenplatte
wird während
des Betriebs zumindest im Bereich der Düse auf einem Temperaturniveau
deutlich unterhalb des Schmelzpunktes der Drucksubstanz gehalten.
Die Drucksubstanz wird demzufolge in der Düse fest, so dass die „eingefrorene" Substanz die Düse verschließt. Weiterhin zeichnet
sich der erfindungsgemäße Druckkopf
dadurch aus, dass auf der nicht zum Vorratstank gerichteten Seite
der Düsenplatte
zumindest im Bereich der Düse
wenigstens ein Heizelement angeordnet ist, mit welchem in kurzer
Zeit ausreichende Wärmeenergie an
die Düse
abgegeben werden kann, um die darin verfestigte Drucksubstanz zu
verflüssigen
und deren Austreten aus der Düse
zu ermöglichen.
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Ein
wesentlicher Vorteil dieses Druckkopfes besteht darin, dass die
verwendete Drucksubstanz, beispielsweise Wachs, während des
gesamten Druckvorgangs nur wenig über ihren Schmelzpunkt erwärmt werden
muss. Außerdem
werden keine empfindlichen Pumpelemente im Düsenbereich benötigt, so
dass die Betriebssicherheit gewährleistet ist.
Durch die Düsenplatte,
deren Temperaturniveau unterhalb des Schmelzpunktes liegt, wird
sichergestellt, dass die Drucksubstanz in den Düsen „einfriert" und diese automatisch verschließt. Durch
kurzzeitiges Einbringen zusätzlicher
Wärmeenergie
im Düsenbereich
wird die Drucksubstanz verflüssigt,
so dass sie im flüssigen
Zustand auf das Trägermaterial aufgebracht
werden kann.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn die Düsenplatte aus einem thermisch
gut leitenden Material besteht, welches gleichzeitig gut mikrostrukturierbar
ist. Insbesondere eignet sich einkristallines Silizium als Ausgangsmaterial
für die
Düsen platte.
Durch Mikrostrukturierungsvorgänge
können
zahlreiche Düsen
in der Düsenplatte
eingebracht werden. Außerdem
bereitet es keine Schwierigkeiten, elektrische Heizelemente im Düsenbereich
anzuordnen.
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Erfindungsgemäß wird zwischen
dem Vorratstank, welcher die erwärmte
und verflüssigte Drucksubstanz
enthält,
und der Düsenplatte
eine thermisch trennende Isolationsschicht angeordnet. Der Wärmeeintrag
von der verflüssigten
Drucksubstanz in die Düsenplatte
wird auf diese Weise stark reduziert, so dass das niedrigere Temperaturniveau der
Düsenplatte
aufrecht erhalten werden kann.
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Wenn
beispielsweise auf Grund geringer Baugrößen eine ausreichende thermische
Entkopplung zwischen Vorratstank und Düsenplatte nicht möglich ist
und/oder eine passive Kühlung
der Düsenplatte
zur Aufrechterhaltung des niedrigen Temperaturniveaus nicht ausreicht,
wird die Düsenplatte vorzugsweise
mit einem Kühlelement
ausgerüstet, welches
der Düsenplatte
Wärmeenergie
entzieht. Das Kühlelement
kann beispielsweise als mikrostrukturiertes Kanalsystem aufgebaut
sein, welches unmittelbar in die Düsenplatte integriert ist. In
dem Kanalsystem wird ein Wärmeträgermedium
zur Abfuhr der Wärme
geführt.
Bei abgewandelten Ausführungsformen
können
Peltierelemente oder auch passive Kühlkörper zur Wärmeabfuhr eingesetzt werden.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die in der Düsenplatte angeordneten Düsen durch
einfache Öffnungen
gebildet sind. Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn Durchgangslöcher mit
elliptischem Querschnitt zum Einsatz kommen, da auf diese Weise
die Zeit bis zu einer vollständigen
Verfestigung der Drucksubstanz im Querschnitt der Düse reduziert
werden kann.
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Unter
Anwendung des erfindungsgemäßen Druckkopfes
kann ein Drucker zum Drucken von Braille-Zeichen ohne Weiteres aufgebaut
werden. Die Braille-Zeichen werden durch Wachspunkte gebildet, die
jeweils aus einer Vielzahl von aus dem Druckkopf geschleuderten
Wachströpfchen
zusammengesetzt werden.
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Weiterhin
kann der beschriebene Druckkopf vorteilhaft beim so genannten Rapid-Prototyping
eingesetzt werden. Dabei werden dreidimensionale Formen erzeugt,
indem einzelne Schichten aus Polymeren oder anderen geeigneten Materialien
nacheinander aufgebracht werden, wodurch die Form schichtweise „wächst". Mit dem erfindungsgemäßen Druckkopf
kann man solche Schichten drucken.
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Weitere
Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen,
unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Druckkopfes
in einer seitlichen Schnittansicht;
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2 eine
Detaildarstellung einer zweiten Ausführungsform des Druckkopfes
in einer prinzipiellen seitlichen Schnittansicht;
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3 eine
Detaildarstellung einer abgewandelten Düsenplatte des Druckkopfes in
einer Längsschnittansicht;
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4 zwei
mögliche
Querschnittsformen von Düsen
mit darin eingezeichnetem Verfestigungszustand einer Drucksubstanz
nach unterschiedlichen Kühlzeiten.
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In 1 ist
eine prinzipielle Darstellung eines erfindungsgemäßen Druckkopfes
in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt. Neben den üblichen
Bestandteilen eines Druckkopfes, wie mechanischen und elektrischen
Anschlusselementen, Gehäuse usw.
umfasst der erfindungsgemäße Druckkopf
einen Vorratstank 1, in welchem eine Drucksubstanz 2 aufbewahrt
wird. Mit geeigneten Heizmitteln (nicht dargestellt) wird die Drucksubstanz 2 im
Vorratstank soweit erwärmt,
dass sie in den flüssigen
Aggregatzustand übergeht.
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Vorzugsweise
wird Wachs oder dergleichen als Drucksubstanz verwendet. Es können aber
auch andere geeignete Materialien, wie z.B. Polymere eingesetzt
werden, welche sich durch Erwärmung
verflüssigen
lassen und bei Umgebungstemperatur schnell wieder abkühlen und
verhärten.
Die Drucksubstanz sollte eine Schmelztemperatur im Bereich zwischen
80°C und
200°C besitzen,
vorzugsweise nicht oberhalb von 140°C. Die erforderlichen Heizmittel
sind unter Berücksichtigung
der ausgewählten Drucksubstanz
und des Volumens des Vorratstanks 1 zu dimensionieren.
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Der
Druckkopf umfasst weiterhin eine Düsenplatte 3, welche
den Vorratstank zur Druckseite hin abschließt bzw. in einer Weise an diesen
angekoppelt ist, dass die verflüssigte
Drucksubstanz zur Düsenplatte
geleitet werden kann. In der Düsenplatte 3 sind
mehrere Düsen 4 angeordnet, über welche verflüssigte Drucksubstanz
austreten kann. In an sich bekannter Weise müssen die Düsen 4 in der Nähe eines
Trägermaterials
(nicht gezeigt) positioniert werden, um die Drucksubstanz auf die
gewünschten
Stellen des Trägermaterials
aufzubringen. Da die Positionierungsmechanik und die erforderliche
Steuerung dem Fachmann bekannt sind, wird an dieser Stelle auf eine
detaillierte Beschreibung verzichtet.
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Die
Düsenplatte 3 muss
zur Realisierung der vorliegenden Erfindung auf geeignete Weise
auf einem Temperaturniveau gehalten werden, welches zumindest im
Bereich der einzelnen Düsen 4 unterhalb
der Schmelztemperatur der Drucksubstanz liegt. Die Drucksubstanz,
die vom Vorratstank 1 in die Düsen 4 eindringt, wird
dadurch innerhalb der Düse
abgekühlt
und verfestigt sich beginnend von der Düsenwand bis die verfestigte
Drucksubstanz die Düse 4 vollständig verschließt. Dies
ist natürlich
nur möglich, wenn
der Querschnitt der Düsen 4 und
die Dicke der Düsenplatte 3 so
aufeinander abgestimmt sind, dass der in die Düsen eintretenden flüssigen Drucksubstanz
ausreichend Wärme
entzogen werden kann, um zumindest am Düsenausgang einen vollständigen Verschluss
der Düse
durch verfestigte Drucksubstanz zu erzielen. Abweichend von herkömmlichen Flüssigkeitsdruckern
wird also eine bewusste „Verstopfung" der einzelnen Druckdüsen angestrebt.
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Um
zu einem gewünschten
Zeitpunkt eine vorbestimmte Menge an flüssiger Drucksubstanz aus der
Düse 4 austreten
zu lassen, sind an der Düsenplatte
in unmittelbarer Nähe
der einzelnen Düsen 4 Heizelemente 5 angeordnet,
bei deren Aktivierung Wärmeenergie
in die Düse
bzw. in die darin verfestigte Drucksubstanz eingeleitet wird. Die
Heizelemente 5 können
auf der Oberfläche
der dem Vorratstank abgewandten Seite der Düsenplatte 3 angeordnet
sein oder gegebenenfalls in die entsprechenden Oberflächenschichten
integriert werden. Es eignen sich insbesondere elektrische Heizelemente,
beispielsweise Dünnschichtwiderstände, die
auf der Oberfläche
der Düsenplatte 3 ausgebildet
sind. Um die von den Heizelementen 5 bereitgestellte Wärmeenergie
mit einer möglichst
geringen Zeitverzögerung
an die in der jeweiligen Düse 4 enthaltene
Drucksubstanz weiterzuleiten, muss die Düsenplatte 3 aus einem
gut wärmeleitenden
Material bestehen. Da die Abstände
zwischen den einzelnen Düsen 4 normalerweise
sehr klein gehalten werden müssen,
bieten sich zur Herstellung der Düsenplatte 3 wiederum
Mikrostrukturierungsverfahren an. Das Material der Düsenplatte sollte
somit auch gut mikrostrukturierbar sein. Diese beiden erforderlichen
Eigenschaften werden beispielsweise von einkristallinem Silizium
bereitgestellt.
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Damit
die verflüssigte
Drucksubstanz bei aktiviertem Heizelement aus der Düse austreten
kann, wird im Vorratstank ein Überdruck
erzeugt. Dies lässt sich
durch geeignete Erhitzung der Drucksubstanz im Vorratstank oder
durch den zusätzlichen
Einsatz von Überdruckerzeugern
realisieren. Beispielsweise kann Druckluft in den Vorratstank eingepresst
werden, um die Drucksubstanz mit ausreichendem Druck zu beaufschlagen.
Ebenso ist es denkbar, auf mechanische Weise den gewünschten
Druck auszuüben,
z.B. durch eine belastete Druckplatte, die das für die Drucksubstanz zur Verfügung stehende
Volumen permanent minimiert.
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Sobald
ein aktiviertes Heizelement 5 wieder abgeschaltet wird,
kühlt die
zugeordnete Düse
und die darin enthaltene Drucksubstanz wieder ab, so dass die Düse durch
die sich verfestigende Drucksubstanz wieder verschlossen wird. Wenn
weitere Drucksubstanz aus der selben Düse abgegeben werden soll, muss
das Heizelement erneut aktiviert werden.
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2 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
des Druckkopfes in einer seitlichen Schnittansicht. Die wesentliche Änderung
gegenüber
der zuvor beschriebenen Ausführungsform
besteht darin, dass zwischen dem Vorratstank 1 und der
Düsenplatte 3 eine
Wärmeisolationsschicht 6 angeordnet
ist. Die Düsenplatte 3 wird
auf diese Weise weitgehend vom Vorratstank und der darin enthaltenen,
erwärmten
Drucksubstanz thermisch entkoppelt. Die von der erwärmten Drucksubstanz
an die Düsenplatte
abgegebene Wärme
kann dadurch klein gehalten werden, so dass sich die Düsenplatte
nicht zu stark erwärmt und
das Temperaturniveau auch über
einen langen Zeitraum deutlich unterhalb des Schmelzpunktes der Drucksubstanz
gehalten werden kann.
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3 zeigt
eine weitere Abwandlung der Düsenplatte 3 in
einer vereinfachten seitlichen Schnittansicht. Diese Ausführungsform
ist zweckmäßig, wenn
beispielsweise auf Grund der angestrebten kleinen Bauform keine
ausreichende thermische Trennung zwischen dem Vorratstank und der
Düsenplatte
möglich
ist. Zur verbesserten Wärmeabfuhr aus
der Düsenplatte 3 ist
ein Kühlkanalsystem 7 in die
Düsenplatte
integriert, in welchem ein Wärmeträgermedium
geführt
wird. Das Kühlkanalsystem 7 kann
die gesamte Düsenplatte 3 im
Wesentlichen gleichmäßig durchdringen
oder auf die Bereiche in unmittelbarer Nachbarschaft der einzelnen
Düsen 4 konzentriert
werden. Bei besonders hohen Anforderungen ist es auch denkbar, dass
jeder Düse
ein eigenständig
ansteuerbares Kühlsystem
zugeordnet wird, auf welches die Kühlleistung konzentriert wird, sobald
das jeweilige Heizelement 5 deaktiviert wurde und ein schneller
Verschluss der Düse
gewünscht
ist. Natürlich
kommen bei abgewandelten Ausführungsformen
auch andere Kühlelemente
in Frage, beispielsweise Peltierelemente oder Kühlkörper, die mit der Düsenplatte 3 verbunden
werden.
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Das
in 3 beispielhaft gezeigte Kühlkanalsystem 7 kann
bei der Verwendung von Silizium wiederum durch Mikrostrukturierungsschritte
erzeugt werden.
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Um
einerseits die erforderlichen Strukturen in die Düsenplatte
einzubringen und andererseits keine zu großen Wärmekapazitäten zu erhalten, welche eine
unerwünschte
Trägheit
bei der Ansteuerung der einzelnen Düsen zur Folge hätte, soll
die Düsenplatte vorzugsweise
eine Dicke zwischen 100 μm
und 600 μm
aufweisen. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der
Düsenplatte
ist einerseits sichergestellt, dass die von den Heizelementen 5 bereitgestellte
Wärme zu einem
schnellen Aufschmelzen der Substanz in der ausgewählten Düse führt. Andererseits
wird die Wärme
allseits gleichmäßig abgeleitet,
so dass nicht die Gefahr besteht, dass benachbarte Düsen ebenfalls aufschmelzen.
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In 4 sind
zwei mögliche
Querschnittsformen der Düse 4 gezeigt.
Einerseits ist eine kreisrunde Düse
möglich
(linke Darstellung). Besondere Vorteile ergeben sich aber bei der
Verwendung einer Düse
mit elliptischem Querschnitt (rechte Darstellung). In beiden Darstellungen
sind durch gestrichelte Linien zwei aufeinanderfolgende Verfestigungszustände der
in der Düse
liegenden Drucksubstanz angegeben, welche den verfestigten Querschnitt
der Drucksubstanz nach Ablauf unter schiedlicher Zeiten t1 und t2 verdeutlichen.
Bei einer gezielten Erwärmung
der Düse 4 durch
das ihr zugeordnete Heizelement wird die Drucksubstanz im gesamten
Düsenquerschnitt
verflüssigt.
Nach Deaktivierung des Heizelements soll die Düse möglichst schnell wieder durch
verfestigte Drucksubstanz verschlossen werden. Nach Ablauf einer
vorbestimmten Abkühlzeit
t1 ist ein vom Düsenrand beginnender Bereich
verfestigt, der sich bis zur ersten Verfestigungszustandslinie 8 erstreckt.
Bei einem kreisrunden Düsenquerschnitt
erfolgt die Verfestigung im Wesentlichen konzentrisch. Bei der dargestellten
elliptischen Querschnittsform liegt allerdings ein geringerer Abstand zwischen
Längsachse
und Düsenwand
vor, gegenüber
dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt und der Düsenwand bei der kreisrunden
Düse. Dies
führt bei weiterer
Abkühlung
dazu, dass nach dem Ablauf der Kühlzeit
t2 bei der kreisrunden Düse ein zweiter Verfestigungszustand 9 erreicht
ist, der die Düse
noch nicht vollständig
verschließt.
Demgegenüber
führt nach
der selben Zeit t2 der zweite Verfestigungszustand 9 bereits
zu einem vollständigen
Verschluss der Düse
mit elliptischen Querschnitt.
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Prinzipiell
können
die Düsenformen
an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Es hat sich gezeigt,
dass ein Düsenquerschnitt
im Bereich von 2 × 10–9 bis
1 × 10–8 m2 zu guten Resultaten führt. Der Öffnungsdurchmesser der Düsen kann
im Bereich zwischen 30 μm
und 60 μm
liegen.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass der beschriebene Druckkopf besonders
vorteilhaft in einem Drucker für
die Erzeugung von Braille-Zeichen eingesetzt werden kann. Außerdem ist
es denkbar, dass mit diesem Druckkopf neuartige Drucker ausgerüstet werden,
die gezielt Darstellungen mit wechselnden Topografien erzeugen können. Auf
diese Weise können
grafischen Darstel lungen beispielsweise zusätzliche haptische Eigenschaften
hinzugefügt
werden.
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Der
Druckkopf kann bei einer abgewandelten Ausführungsform. auch mehrere unabhängig voneinander
zu betreibende Vorratstanks aufweisen, in denen beispielsweise farblich
unterschiedliche Drucksubstanzen bevorratet werden. Für den Fachmann
ist es auch ohne Weiteres ersichtlich, dass die Anordnung mehrerer
Düsen in
der Düsenplatte
an den jeweiligen Einsatzfall angepasst werden kann. Die Düsen können linear
aneinander gereiht sein oder matrixförmig positioniert werden, um
beispielsweise gleichzeitig mehrere Punkte eines Braille-Zeichens
zu erzeugen.
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- 1
- Vorratstank
- 2
- Drucksubstanz
- 3
- Düsenplatte
- 4
- Düse
- 5
- Heizelement
- 6
- Wärmeisolationsschicht
- 7
- Kühlkanalsystem
- 8
- erster
Verfestigungszustand
- 9
- zweiter
Verfestigungszustand