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Die Erfindung betrifft kontinuierliche
Tintenstrahldrucker und insbesondere ein verbessertes Verfahren
zum Herstellen von Tintenstrahldruckern und Bauteilen dafür.
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Es sind Tintenstrahldrucksysteme
bekannt, bei denen mit einem Druckkopf eine oder mehrere Reihen
von Öffnungen
gegeben sind, die über
einen Verteiler für
unter Druck stehende Flüssigkeit
eine elektrisch leitfähige
Aufzeichnungsflüssigkeit
erhalten, beispielsweise eine Druckfarbe auf Wasserbasis, und diese
in Reihen paralleler Strahlen ausstoßen. Mit derartigen Druckköpfen ausgestattete
Drucker erzeugen die graphische Wiedergabe durch selektives Aufladen
und Ablenken der Tropfen der einzelnen Strahlen und Absetzen zumindest
einiger dieser Tropfen auf einem Druckbildträger, während die anderen Tropfen auf
einer Tropfenfängereinrichtung auftreffen.
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Während
des Betriebs von Tintenstrahldruckern wird ein Fluid durch kleine Öffnungen
gepumpt, die einen Durchmesser von etwa 25 Mikron haben. Diese Maschinen
reagieren deshalb empfindlich auf in der Tinte enthaltene Teilchen.
Um Teilchen aus der Tinte zu entfernen, werden im Fluidsystem stets
Filter verwendet. Normalerweise hat das Fluidsystem zwei Filter,
nämlich
einen Hauptfilter, um Verunreinigungen zu entfernen, die über die
Leitung der Auffangeinrichtung oder durch Abnutzung in Pumpen und Ventilen
in das Fluid gelangt sind, und einen Zusatzfilter unmittelbar vor
dem Druckkopf, um in den Fluidleitungen entstandene Verunreinigungen
zu entfernen.
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Trotz dieser Filtermaßnahmen
müssen
die Druckkopfteile bei der Montage gründlich gereinigt werden, um
einen zuverlässigen
Betrieb zu gewährleisten.
Die Reinigung umfasst normalerweise eine gründliche Ultraschallreinigung
und das Durchspülen.
Trotz dieser gründlichen
Reinigung kommt es sowohl während
des Fertigungsprozesses als auch während des Betriebs der Druckköpfe zu zahlreichen Ausfällen durch
Teilchen.
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Die US-Schrift A-5,574,486 offenbart
einen Tintenstrahldruckkopf mit Tintenausstoßteil, das eine Öffnungsplatte
mit elektrolytisch polierten Oberflächen aufweist.
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Es ist erkennbar, dass Bedarf an
einem verbesserten Verfahren zur Beseitigung von Teilchen aus den
Druckkopfkomponenten besteht, um die Ausfallraten während der
Herstellung und des Betriebs der Druckköpfe zu verringern.
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Dieser Bedarf wird befriedigt durch
das. erfindungsgemäße teilchenfreie
Tintenstrahldrucker-Reinigungskonzept, nach dem verschiedene Polierkonzepte
vorgesehen sind.
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Die Erfindung stellt ein Verfahren
zum Erzeugen eines Tintenstrahlbauteiles zur Verfügung, welches
eine Fluidquelle in einem Fluidhohlraum eines Tintenstrahlkopfes
enthält,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
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- a) Bearbeiten des Bauteils unter Anwendung
bekannter Bearbeitungstechniken und
- b) Behandeln aller bearbeiteten Oberflächen unter Anwendung von nichtabrasiven,
selbstnivellierenden Poliervorgängen
bzw. eigenleitenden Ausgleichspoliervorgängen, um Partikelquellen zu
beseitigen, wobei die bearbeiteten Oberflächen die innenliegenden Fluidzuführobertlächen in
dem Fluidhohlraum umfassen.
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Die herkömmliche Bearbeitung kann nach
einer beliebigen bekannten Technik erfolgen, beispielsweise durch
funkenerosives Abtragen. Das Polieren kann unter anderem elektrochemisch,
beispielsweise durch Elektropolieren, durch elektrochemisches Entgraten
und durch elektrochemisches Schleifen erfolgen. Außerdem kann
das Polieren durch Dampfpolieren und durch Laserbehandlung zum Aufschmelzen der
bearbeiteten Oberfläche
erfolgen.
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Der erfindungsgemäße teilchenfreie Tintenstrahldrucker
bietet eine Reihe von Vorteilen. Zum einen haben die Tintenstrahldruckerkomponenten
partikelfreie Oberflächen.
Dadurch werden mehrere unerwünschte
Druckprobleme verringert oder ausgeschaltet, darunter gekrümmte Tintenstrahlen
und das Verstopfen der Öffnungen
mit Verunreinigungen oder Teilchen. Durch die Verringerung gekrümmter Strahlen
verbessern sich die Fertigungsausbeute und die Druckkopfstandzeiten.
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Weitere Aufgaben und Vorteile der
Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen
und den anliegenden Ansprüchen
hervor.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen
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1 einen
Teil eines Druckkopfs mit Resonator zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Technik;
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2A und 2B Oberflächenbilder des Resonators nach
Bearbeitung, in denen die bei einer typischen Bearbeitung entstehenden
gratartigen Kanten und Späne
zu sehen sind;
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3 ein
Oberflächenbild
des Resonators nach erfindungsgemäßem Elektropolieren, welches das
Verschwinden von gratartigen Kanten und Partikelquellen zeigt, und
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4 ein
Ablaufdiagramm der Schritte zur Verbesserung der Endbearbeitung
der Oberfläche des
Resonators von 1.
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Im folgenden wird auf die Zeichnungen
Bezug genommen. 1 zeigt
einen Teil eines Druckkopfes 10 eines Tintenstrahldrucksystems.
Der Druckkopf 10 besteht aus einem Resonator 12,
der typischerweise aus Edelstahl in Form eines rechteckigen Festkörpers mit
festgelegten Maßen
gebildet wird, und ein Tropfenauswählmittel 14. Der Druckkopf 10 zeigt Öffnungen
auf einer Öffnungsplatte 16 des
Resonators 12, die aus einer in einem Fluidhohlraum 18 enthaltenen,
unter Druck stehenden Fluidquelle ein elektrisch leitfähiges Aufzeichnungsfluid, beispielsweise
eine Druckfarbe auf Wasserbasis erhalten. Das Fluid wird vom Resonator
durch die Öffnung
19 in Reihen paralleler Strahlen 20 als Tintentröpfchen ausgestoßen. Der
Fluidhohlraum wird normalerweise durch funkenerosives Abtragen geschaffen.
Ein Tropfenauffangmittel 24 und eine Aufladeplatte 26 bilden
das Tropfenauswählmittel 14 zum
selektiven Aufladen und Ablenken der Tropfen 22 der einzelnen
Strahlen und Absetzen zumindest einiger dieser Tropfen 22 auf
einem Druckbildträger.
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Es versteht sich, dass der Druckkopf 10 und der
Resonator 12 mit anderen bekannten Komponenten, wie sie
für Tintenstrahldrucker
verwendet werden, zusammenwirken. Der Druckkopf 10 und
der Resonator 12 haben die Aufgabe, die gewünschten Strahlen gleich
großer
und gleich beabstandeter Tropfen weitgehend synchron zu erzeugen.
Andere Komponenten des Tintenstrahldruckers, beispielsweise die
Auflade- und Ablenkelektroden, die Tropfenauffangvorrichtung, das
Medienzuführsystem
sowie die Elektronik für
die Dateneinspeisung und die Maschinensteuerung (nicht eingezeichnet)
wirken mit den vom Druckkopf 10 erzeugten Tropfenstrahlen zusammen,
um das Druckbild mit kontinuierlichen Tintenstrahlen zu erzeugen.
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Die Herstellung der verschiedenen
Druckkopfkomponenten ist mit unvermeidlich schmutzbehafteten Bearbeitungsvorgängen verbunden.
Werkzeugmaschinen erzeugen an Metall- wie an Kunststoffteilen zahllose
Grate, Späne
und Abriebteilchen. Bei sorgfältiger
Untersuchung mit leistungsfähigen Mikroskopen
oder unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigen sich wenige Mikron
kleine Grate und Materialspäne,
die bei der Bearbeitung auf der Drehbank, beim Fräsen und
beim Bohren entstanden sind. Mit der Zeit lösen sich diese Grate und Späne von der
Oberfläche
und führen
zu einer Betriebsstörung.
Sogar beim Schleifen und Honen können ähnliche
Partikelquellen entstehen. Außerdem
können von
dieser Bearbeitung Schleifmittel zurückbleiben. Es ist bekannt,
dass bei funkenerosivem Abtragen eine Schicht von umgeschmolzenem
Material entsteht, das abblättern
und zum Ausfall des Druckkopfs führen
kann.
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Die Oberflächenbilder von 2A und 2B zeigen
zahlreiche gratartige Kanten und Späne, die leicht abbrechen und
vor Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts
nach Bearbeitung auf der Drehbank zurückgeblieben sind. Wie 2A und 2B zeigen, haben sich auf Oberflächen von
Tintenstrahldruckerteilen gratartige Kanten 28, Späne 30 und
andere Verunreinigungen gebildet. Da Späne wie die in 2B gezeigten noch mit der Oberfläche verbunden
sind, werden sie bei Reinigungsschritten wie dem Abspülen oder
der Ultraschallreinigung nicht unbedingt entfernt. Während des
Druckkopfbetriebs können
diese Späne
durch Erschütterungen
oder durch Ermüdung
abbrechen. Außerdem
können
die rauen Oberflächen
in der Umgebung entstehende Teilchen vorübergehend festhalten. Derartige
Teilchen können
während
der Reinigungsschritte haften bleiben und sich erst während des
Druckkopfbetriebs ablösen.
Es muss also festgestellt werden, dass die bearbeiteten Oberflächen eine
Quelle von Partikeln sein können,
die zu krummen Tintenstrahlen führen und
die Öffnungen
der Öffnungsplatte 16 verstopfen können. Eine
bekannte Technik, mit der solche Teilchen vermieden werden sollen,
ist das chemische Polieren. Das chemische Polieren ist kein selbstnivellierender
Vorgang, d.h. die Metallabtragsrate ist in etwa gleichmäßig über die
Oberfläche verteilt
und erfolgt nicht vorzugsweise an überstehenden Kanten. Durch
chemisches Polieren können
daher Bratartige Kanten, Späne
oder umgeschmolzenes Material nicht wirksam entfernt werden. Manchmal
bleiben die Späne
usw. auf der Oberfläche,
jedoch kann das Metall, das den Span an der Oberfläche hält, durch
das chemische Polieren geschwächt
werden. Die Späne brechen
dann während
des Druckkopfbetriebs durch Erschütterungen oder Materialermüdung eher
ab, als sie es vor dem chemischen Polieren getan hätten.
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Mit der vorliegenden Erfindung werden
diese bei der Herstellung der verschiedenen Druckkopfkomponenten
verursachten unerwünschten
Druckprobleme beseitigt. Wie in 3 gezeigt,
wird bei der Erfindung der Einsatz elektrochemischer Mittel wie das
Elektropolieren, das elektrochemische Entgraten oder das elektrochemische
Schleifen zum Glätten der
Oberfläche
der Druckerkomponenten vorgeschlagen.
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Wenn die Druckkopfkomponenten Metallteile enthalten,
können
feine Grate und Späne
erfindungsgemäß durch
den Einsatz elektrochemischer Mittel beseitigt werden. Die Teile
werden in geeignete Lösungen
gegeben, die in der Elektropolier- und in der elektrochemischen
Entgratungstechnik bekannt sind. Dann wird an das Teil und eine
zweite Elektrode oder Kathode Spannung angelegt. Unter diesen Bedingungen
geht Metall am Teil in Lösung.
Bedingt durch die Art der dabei auftretenden elektrischen Felder
ist die Metallabtragungsrate an vorstehenden Kanten am höchsten.
Daher werden Grate, Späne
und Reste oder Umschmelzteilchen von der funkenerosiven Bearbeitung
gut abgetragen. Es ergibt sich eine Oberfläche, die keine Partikelquelle
mehr darstellt.
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Wenn die zu entfernenden Teilchen
sich auf innenliegenden Oberflächen
der Tintenstrahldruckerkomponenten befinden, können im Fluidhohlraum liegende
Elektroden zum Polieren verwendet werden. Alternativ dazu und wenn
der Fluidhohlraum keine für die
Einführung
von Elektroden geeignete Öffnung hat,
kann zum tieferen Polieren im Bauteil eine Impulstechnik angewendet
werden.
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Da die erfindungsgemäßen Poliervorgänge sehr
glatte Oberflächen
ohne scharfe Kanten ergeben, ist es auch weniger wahrscheinlich,
dass aus äußeren Quellen
stammende Teilchen an diesen Oberflächen anhaften. Das hat den
Vorteil, dass diese Oberflächen
leichter zu reinigen sind als normale Oberflächen.
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Das Elektropolieren und das elektrochemische
Entgraten liefern hinsichtlich der Oberflächengüte vergleichbare Ergebnisse;
sie unterscheiden sich hauptsächlich
in der Art der verwendeten Lösungen.
Die beim Elektropolieren verwendeten Lösungen halten das abgetragene
Metall in Form löslicher Salze
in Lösung,
bis sie sich an der anderen Elektrode abscheiden. Beim elektrochemischen
Entgraten bildet das Metall nichtlösliche Metallsalze. Diese Salze
bilden einen Niederschlag, der sich entweder auf die Teile legt
oder herausgefiltert wird. Auf den Teilen verbliebener Niederschlag
kann mit verschiedenen Säuren
entfernt werden.
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Entsprechend der Erfindung haben
sich diese Verfahren zur Beseitigung scharfer Grate und Kanten,
die bei den verschiedenen Bearbeitungsvorgängen entstanden sind, als wesentlich
effektiver erwiesen als das chemische Polieren. Sie sind nämlich selbstnivellierend,
weil der Metallabtrag an den Kanten am größten ist. Dünne Grate werden daher entweder
wegpoliert oder stark gerundet, so dass sie während des Druckkopfbetriebs
viel weniger leicht abbrechen. Beim chemischen Polieren dagegen
wird das Material ziemlich gleichmäßig von den Oberflächen abgetragen,
so. dass dünne
Grate noch dünner werden
und die Wahrscheinlichkeit steigt, dass sie während des Druckkopfbetriebs
abbrechen.
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Größere Grate, wie sie an Bohrungsschnittstellen
entstehen oder wenn Gewindebohrungen in eine Seitenwand ausbrechen,
lassen sich auch durch thermisches Entgraten wirksam von den Metallteilen entfernen.
Bei diesem Verfahren werden die Bauteile in eine abgedichtete Kammer
mit einem explosiven Gasgemisch gegeben. Durch Explosion des Gases entsteht
ein kräftiger
Hitzeimpuls. Dabei können
Grate mit einem großen
Oberfläche/Masse-Verhältnis verdampfen
oder einschmelzen. Zum Entfernen der dünnen Oxidschicht kann ein Feinätzgang erforderlich
sein. Weil bei dieser Behandlung feine Grate nicht so wirksam beseitigt
werden wie bei den oben beschriebenen elektrochemischen Verfahren,
sollte nach dem thermischen Entgraten eines der oben beschriebenen
elektrochemischen Polierverfahren angewendet werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung kann die Oberfläche
auch mit Laser bearbeitet werden. Es wird ein Laser verwendet, der
stark genug ist, das Material zu schmelzen, aber nicht ausreichend
stark, das Material zu schneiden. Durch Bestreichen der Oberfläche mit
dem Laser kann eine dünne
Oberflächenschicht,
einschließlich
der Grate und der Rückstände von
der funkenerosiven Bearbeitung, geschmolzen werden. Nach dem Laserdurchgang
wird die Oberfläche
wieder fest und bleibt dabei glatter, frei von Graten, Rückständen von
der funkenerosiven Bearbeitung oder sonstigen Partikelquellen.
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Auch bei Kunststoffteilen sollten
alle Grate und Späne
entfernt werden. Bei Materialien wie Ultem und PVC ist das Tieftemperaturentgraten
zur Beseitigung größerer Grate
zweckmäßig. Bei
diesem Verfahren werden die Kunststoffteile mit flüssigem Stickstoff
oder einem anderen geeigneten Kältemittel tiefgefroren.
Weil die Grate dabei recht spröde
werden, lassen sie sich dann mit einem Trommelentgrater oder durch
Sandstrahlen mit feinen Kunststoffkügelchen, zwei dem Fachmann
bekannte Verfahren, leicht entfernen. Manche Kunststoffteile können auch durch
das oben im Zusammenhang mit Metallteilen beschriebene thermische
Entgraten wirksam entgratet werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
der Erifindung kann die Oberfläche
selbst nach Entfernung der normalen Grate noch mit feinen Graten
und Spänen
bedeckt sein, wie sie beispielsweise auf Metalloberflächen unter
dem Mikroskop zu sehen sind. Sie lassen sich durch Dampfpolieren
wirksam entfernen. Bei dem dem Fachmann bekannten Dampfpolieren werden
die Teile den Dämpfen
eines chemischen Lösungsmittels
ausgesetzt. Für
Kunststoffe wie PVC oder Ultem ist Methylenchlorid ein geeignetes
Lösungsmittel.
Die Dämpfe
greifen die Oberfläche
lokal an und lösen
sie auf. Wenn die Dämpfe
beseitigt sind, wird die Oberfläche
wieder fest. Das Ergebnis ist eine jungfräuliche, von Graten, Spänen oder
Haarrissen freie Oberfläche.
Damit wird eine teilchenfreie Oberfläche erzielt.
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Im folgenden wird auf 4 Bezug genommen. Das Ablaufdiagramm 34 zeigt
die zur Herstellung der teilchenfreien Oberfläche von Tintenstrahldruckerkomponenten
ausgeführten
Schritte. Zunächst
werden die Tintenstrahldruckerkomponenten nach den typischen Bearbeitungsverfahren
(38) hergestellt (36). Dann kommt ein Entgratungsverfahren zum
Einsatz (40). Handelt es sich um ein Metallteil, ist das
Entgratungsvertahren vorzugsweise ein thermisches Entgratungsverfahren,
das vor dem elektrochemischen Polieren (42) zum Einsatz
kommt, bei dem unerwünschte
Teilchen entfernt werden. Handelt es sich um ein Kunststoffteil,
ist das Entgratungsverfahren vorzugsweise ein Tieftemperaturentgratungsverfahren,
das vor dem Dampfpolieren (44) zum Einsatz kommt, bei dem
etwaige restliche winzige Grate und Späne entfernt werden.
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Mit der Erfindung wird ein Verfahren
zur Verbesserung des Betriebs von Tintenstrahlkomponenten zur Verfügung gestellt,
bei dem die Komponenten nach bekannten, herkömmlichen Verfahren bearbeitet
werden und alle bearbeiteten Oberflächen anschließend nichtabrasiven,
selbstnivellierenden Polierverfahren unterworfen werden, um Partikelquellen zu
beseitigen. Die herkömmliche
Bearbeitungstechnik kann eine beliebige bekannte Technik, beispielsweise
die funkenerosive Bearbeitung, sein. Als Polierverfahren kommen
unter anderem elektrochemische Verfahren wie das Elektropolieren;
das elektrochemische Entgraten und das elektrochemische Schleifen
in Frage. Weitere Polierverfahren können das Dampfpolieren und
die Laserbehandlung zum Aufschmelzen der bearbeiteten Oberfläche sein.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit und Vorteile
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Die erfindungsgemäße partikelfreie Tintenstrahldruckeranordnung
ist von Vorteil für
den kontinuierlichen Tintenstrahldruck. Bei den normalen Herstellungsverfahren
für Tintenstrahldruckerteile
entstehen unerwünschte
Teilchenquellen und Abrieb auf den Teilen. Bei der Erfindung werden
elektrochemische Mittel und das Dampfpolieren eingesetzt, um bei
den Tintenstrahldruckerteilen partikelfreie Oberflächen zu
erzielen.
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Nachdem die Erfindung ausführlich unter
Bezugnahme auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben
worden ist, liegt es auf der Hand, dass im Rahmen des in den anliegenden
Ansprüchen
definierten Schutzumfanges der Erfindung Abwandlungsmöglichkeiten
gegeben sind.