DE2163136A1

DE2163136A1 - Verfahren und einrichtung zum fixieren von thermoplastischem material auf einem traeger

Info

Publication number: DE2163136A1
Application number: DE19712163136
Authority: DE
Inventors: Wolfram Saupe
Original assignee: Kalle GmbH and Co KG
Current assignee: Kalle GmbH and Co KG
Priority date: 1971-12-20
Filing date: 1971-12-20
Publication date: 1973-07-05
Also published as: GB1420084A; DE2163136B2; JPS4871241A; FR2164753A1; FR2164753B1; NL7202556A; JPS5429104B2

Description

K 2O8l/Gbm 529¹ FP-Dr.Gr.-ih 7. Dezember 1971

Beschreibung zur
Anmeldung der

KALLE AKTIENGESELLSCHAFT Wiesbaden-Biebrich

für ein Patent auf

Verfahren und Einrichtung zum Fixieren von thermoplastischem Material auf einem Träger

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fixieren von wärmefixierbarem Material auf einem dünnen Träger durch Erwärmen von der Rückseite des Trägers her.

Insbesondere bei der Herstellung wischfester Kopien in einer elektrophotographischen Maschine besteht das allgemeine Problem, wärmefixierbares Material auf einem Träger durch Wärmezufuhr zu fixieren. Auch auf anderen

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technischen Gebieten (Papierkaschierung und dergleichen) ergibt sich jedoch das Problem, beispielsweise thermoplastisches Material auf einem anderen Träger mittels Wärme zu befestigen. Im folgenden soll jedoch die Wärmefixierung speziell in Bezug auf elektrophotographische Verfahren behandelt werden.

Tonerbilder werden bei bekannten elektrophotographischen Verfahren dadurch an den Kopienträger fixiert, daß das Tonermaterial über den Schmelzpunkt der thermoplastischen Bestandteile erhitzt wird. Die Tonerteilchen werden auf diese Weise auf den Träger aufgeschmolzen und fixiert.

Zur Durchführung dieser Fixierung sind bereits eine Reihe verschiedener Verfahren bekannt geworden. Bei einer Methode wird die Wärme durch Konvektion auf die Tonerteilehen übertragen, indem beispielsweise erhitzte Luft über das zu fixierende Tonerbild bewegt wird (ÜS-PS 3 219 799). Diese Methode der Wärmeübertragung hat den großen Nachteil, daß der Wärmeübergang schlecht ist und daher lange Behandlungszeiten erforderlich sind. Außerdem erfordert die

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Fixiereinrichtung ein großes Bauvolumen. Dadurch wiederum werden die WärmeVerluste groß und insbesondere die Anheizzeit wird erheblich verlängert. Besonders für rasch arbeitende elektrophotographische Maschinen ist eine lange Anheizzeit indessen außerordentlich unerwünscht.

Ein weiteres Verfahren zum Fixieren der Tonerteilchen besteht darin, daß man das Tonerbild bestrahlt (GB-PS 1 185 687). Die Bestrahlungsverfahren haben allgemein den Nachteila daß wegen der geringen Wärmemengenabgabe der Strahler selbst meist weit über dem Flammpunkt des Trägermaterials betrieben werden muß. Dadurch ist bei Störungen im Trägermaterialtransport eine erhebliche Brandgefahr gegeben. Diese Brandgefahr kann durch aufwendige Sicherheitseinrichtungen nur zum Teil eingedämmt werden. Bei Infrarot-Strahlern kommt eine unerwünschte lange Anzeizzeit hinzu. Wenn man diese Strahler zwischen den Fixiervorgängen auf einer Temperatur nahe der Betriebstemperatur halten will, so ist hierfür ein erheblicher Energieaufwand erforderlich.

Es wurden auch schon verschiedene Fixierverfahren vorgeschlagen, bei denen die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung

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erfolgt. So wurde in der GB-PS 1 192 444 vorgeschlagen, das Trägermaterial mit dem Tonerbild durch ein Metallbad zu führen. Zur Massenerwärmung ist bei diesem Verfahren indessen ein unerwünscht hoher Energieverbrauch gegeben, die Anheizzeit ist lang und die Geräte sind außerordentlich störanfällig.

Schließlich wurden auch bereits Fixierverfahren vorgeschlagen, bei denen das Trägermaterial über beheizte Flächen oder zwischen beheizten Walzen hindurchgeführt wurde (vgl. beispielsweise DOS 1 956 160 und 1 937 O39). Bei diesen Verfahren muß die zur Fixierung erforderliche Energie den Fixierwalzen oder Fixierfläehen durch Wärmestrahlung, Wärmeströmung, Wärmeleitung oder eine entsprechende Kombination solcher Methoden zugeführt werden. Deshalb haben diese Verfahren stets die Nachteile langer Anheizzeiten, hohen Energiebedarfs zur Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft, großen Bauvolumens, erheblicher Wärmespeicherkapazitäten und großer Maschinenanschlußwerte für die elektrische Energie.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fixierverfahren der oben genannten Art zu schaffen, das die genannten Nachteile

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des Standes der Technik weitgehend vermeidet und sich insbesondere durch geringen Platzbedarf, geringe Störanfälligkeit und rasche Betriebsbereitschaft der
nach dem Verfahren arbeitenden elektrophotographischen Maschine auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der oben genannten Art gelöst, welches sich dadurch auszeichnet, daß der Träger auf der von zu fixierendem
Material freien Seite relativ zu einem Reibungselement unter -Erzeugung der zur Fixierung erforderlichen Wärme durch Reibung bewegt wird.

Dieses Verfahren bringt den erheblichen Vorteil mit sich, daß die Fixierwärme unmittelbar an der Trägeroberfläche erzeugt wird. Dadurch wird der Wärmeverlust auf ein

Minimum reduziert, der Energiebedarf wird minimal, die Brandgefahr beseitigt und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann in einfacher Weise gebaut werden.

Die erfindungsgemäß bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich durch eine Reibwalze aus,

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die vom Träger teilweise umschlungen wird und über eine Antriebsvorrichtung relativ zum Träger in Rotation versetzt werden kann. Wenn die Reibwalze aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise legiertem-.■--:—.. Stahl, Keramik, Glas oder ähnlichem Material besteht, und als Hohlkörper mit dünner Wandstärke ausgeführt wird, dessen Innenraum wärmeisolierend ausgebildet wird, so wird die erzeugte Reibungswärme zum größten Teil durch das Trägermaterial zu dem aufzuschmelzenden Toner befördert,

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Wärme ersichtlicherweise nur an der Stelle und nur dann erzeugt, wenn sich das Trägermaterial in Kontakt mit dem Reibelement befindet. Je nach Beschaffenheit des Trägermaterials, insbesondere was dessen Zugfestigkeit anbetrifft, kann die Walze bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Richtungen gedreht werden. Die Drehzahl der Reibwalze ist ein Maß für die erzeugte und auf den Toner übertragene Wärmemenge. Daher kann die erfindungsgemäße Vorrichtung über einen Wärmefühler, der die Drehzahl der Reibwalze steuert, ohne Schwierigkeiten automatisch geregelt werden.

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Die Verluste durch Wärmekonvektion in die umgebende Atmosphäre können durch ein Isoliergehäuse, das die Reibwalze umgibt und Schlitze für die Durchführung des Trägermaterials aufweist, sehr gering gehalten werden.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie die zur Durchführung dieses Verfahrens angegebene Vorrichtung erzielten Vorteile sind insbesondere folgende: Die Wärme wird unmittelbar an der Stelle des Wärmebedarfs erzeugt und es bestehen deshalb praktisch keinerlei Probleme der Wärmeübertragung zum Verbraucher. Es wird auch nur diejenige Wärmemenge erzeugt, die zum Fixieren des thermoplastischen Materials erforderlich ist. Die WärmeVerluste sind außerordentlich gering und die Anheizzeiten sehr kurz. Der Maschinenanschlußwert wird erheblich gesenkt. Das Bauvolumen der Vorrichtung ist sehr gering und die Wärmekapazität gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen klein.

Die Erfindung wird im folgenden noch näher anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert,

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Es zeigen:

Pig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem größeren Umschlingungswinkel.

Das Trägermaterial 1 wird beispielsweise zwischen Zugwalzenpaaren 2 und Bremswalzenpaaren 3 durch die Fixierstation 4 hindurchgeführt. Das Trägermaterial I₉ beispielsweise Papier, wird durch die Einrichtung 5 mit zu fixierendem thermoplastischem Material, beispielsweise Toner, versorgt. Die Station 5 kann eine Kaskaden- oder Magnetbürstenentwickelstation eines elektrophotographischen Prozesses sein. Insbesondere kann es sich bei der Station 5 jedoch auch um eine Übertragungsstation handeln, in der ein Tonerbild vom Photoleiter auf das Trägermaterial übertragen wird. Das mit dem Tonerbild versehene Trägermaterial 1 a gelangt durch einen Schlitz 6 in das Innere eines Isoliergehäuses 7 und umschlingt eine Reibwalze 8. Der Umschlingungswinkel liegt zweckmäßigerweise in einem Bereich von etwa 45° - 180° und beträgt im dargestellten Beispiel 120°. Diese Reibwalze 8 weist einen Mantel 9

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aus beispielsweise Keramikmaterial, Glas oder einer Metallegierung mit schlechter Wärmeleitfähigkeit auf. Im Inneren des Mantels kann eine Wärmeisolierung 10 angebracht sein. Durch einen Schlitz 11 tritt das Trägermaterial mit dem fixierten thermoplastischen Material wieder aus der Fixierstation 4 heraus. Im Inneren der Isolierung ist eine radial bewegliche Reibfläche 12 angeordnet. Der Fixiervorgang läuft folgendermaßen ab:

Zunächst befindet sich das Trägermaterial in Ruhestellung in einem gewissen Abstand von der Reibwalze 8. Damit die Fixierung gleich zu Beginn der Bewegung des Trägers 1 in Richtung der Zeile 13 erfolgen kann, wird die Walze auf die Betriebsdrehzahl gebracht und die Reibfläche wird gegen die Walze gedrückt. Dadurch erhitzt sich die Walzenoberfläche rasch auf die Betriebstemperatur. Nunmehr kann das Trägermaterial 1 durch Einschalten der Zugwalzen und der Bremswalzen 3 aus der in Fig. 1 dargestellten Stellung heraus in intensiven Kontakt mit der rasch rotierenden Reibwalze gebracht werden. Die zwischen der Reibwalze und dem Trägermaterial 1 a erzeugte Reibungswärme ist so groß, daß der auf dem Trägermaterial 1 a befindliche Toner

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auf dieses aufgeschmolzen wird.

Eine in Pig. I dargestellte Vorrichtung wurde mit einem Trägermaterial 1 aus Papier von 80 g/m Stärke betrieben. Der Durchmesser der Reibwalze 8 betrug bei zwei verschiedenen Versuchen einmal 3 cm und einmal 20 cm, die entsprechenden Drehgeschwindigkeiten in Richtung des Pfeils 14 10 000 bzw. 2000 Upm. Die Lineargeschwindigkeit des Papiers in Richtung des Pfeils 13 betrug etwa 10 bzw. 25 cm/sek. Dabei betrug der Umschlingungswinkel im ersten Falle 60 - 90° und im zweiten Falle 180°. In der Station 5 wurde übliches Tonermaterial auf die Papierbahn aufgegeben. Das Tonermaterial war auf dem Papier ausgezeichnet fixiert und konnte nicht mehr abgewischt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Das mit dem zu fixierenden Material versehene Trägermaterial 1 a umschlingt hier die Reibwalze 8 etwa 270 . Dieser größere Umschlingungswinkel hat den Vorteil, daß der Weg, längs dessen die Fixierung erfolgen muß, sehr viel größer ist als bei dem

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kleineren Umschlingungswinkel. Ein solcher größerer Umsehlingungswinkel ist insbesondere für dickere und thermisch stärker isolierende Trägermaterialien sowie für schnell laufende Geräte von Vorteil.

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Claims

Patentansprüche

(l/ Verfahren zur Fixierung von wärmefixierbarem Material auf einem Träger durch Erwärmen von der Rückseite des Trägers her, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme durch .eine Relativbewegung zwischen dem Träger und einem -„ Reibelement auf der von Wärme fixierbarem Material freien Seite des Trägers erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger in einer Richtung und das Reibungselement in der anderen Richtung bewegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß das Reibungselement in derselben Richtung wie der Träger, jedoch erheblich schneller als dieser bewegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß das Reibungselement quer zur Richtung der Relativbewegung verschiebbar angeordnet ist.

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5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibungselement auf die Dauerbetriebstemperatur vorerwärmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Vorerwärmung durch Reibung vorgenommen wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Walze (8) aufweist, die vom Träger (la) teilweise umschlungen wird und daß eine Antriebsvorrichtung für diese Walze vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Reibwalze (8) aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibwalze als Hohlzylinder (9) mit geringer Wandstärke ausgebildet ist und der Innenraum des Hohlzylinders mit Isoliermaterial (10) ausgefüllt ist.

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9_S dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Reibwalze (8) etwas größer ist als die Breite des Trägermaterials (1 a).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltvorrichtung für die Drehrichtung des Walzenantriebs vorgesehen ist.
ψ 12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein umlaufendes Reibband aufweist, welches längs eines bestimmten Bereichs mit dem Träger in Kontakt bringbar ist und daß sie eine Antriebsvorrichtung sowie Führungselemente für dieses Reibband aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler für die

| Temperatur des Trägermaterials in oder unmittelbar nach dem Kontakt mit der Reibwalze oder für die Temperatur

der Reibwalzenoberfläche und durch eine von dem Temperatur-

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fühler her geregelte Steuereinrichtung für die Drehzahl bzw. Uralaufgeschwindigkeit des Reibungselements.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13_S dadurch gekennzeichnet, daß sich der Temperaturfühler ortsfest in der Nähe der Reibwalzenoberfläche oder in der Nähe des Wärme aufnehmenden Trägers kurz hinter der Reibstrecke befindet.
.15· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorwärmeinrichtung zur Erwärmung des Reibelements auf die Betriebstemperatur vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß das Vorwärmelement ein Reibglied (12) ist, welches mit dem umlaufenden Reibelement (8) in Berührung gebracht werden kann.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet , daß das Vorwärmelement (12) in einem auch beim Fixiervorgang selbst nicht vom Träger (1 a) berührten Bereich der Umlaufbahn des Reibelements diesem Reibelement

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- 16 gegenüber angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis .17, dadurch gekennzeichnet, daß um das umlaufende Reibelement eine Wärmeisolierung (7) vorgesehen ist,- die Schlitze (6, 11) zum Durchtritt des Trägermaterials (1 a) aufweist.

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