EP3436278B1 - Vorrichtung und verfahren zur tintenversorgung beim digitaldruck - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur tintenversorgung beim digitaldruck Download PDF

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EP3436278B1
EP3436278B1 EP17712766.9A EP17712766A EP3436278B1 EP 3436278 B1 EP3436278 B1 EP 3436278B1 EP 17712766 A EP17712766 A EP 17712766A EP 3436278 B1 EP3436278 B1 EP 3436278B1
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EP
European Patent Office
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tank
ink
supply
pressure
print head
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EP17712766.9A
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EP3436278A1 (de
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Frank Cholewik
Thomas SCHNITGER
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Dekron GmbH
Original Assignee
Dekron GmbH
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    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/17—Ink jet characterised by ink handling
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
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    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/17—Ink jet characterised by ink handling
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
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    • B41J2/17—Ink jet characterised by ink handling
    • B41J2/195—Ink jet characterised by ink handling for monitoring ink quality

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for supplying ink to a print head in digital printing with at least one print head, a supply tank for an ink medium, the supply tank being connected to the inlet of the at least one print head via a supply line, and a return tank for the ink medium, the The return tank is connected to the output of the at least one print head via a return line.
  • Digital inkjet printing using so-called drop-on-demand print heads is now a frequently used application in industry.
  • a wide variety of inkjet printers for desktop and office printers have been known for many years.
  • the print heads used in industry are, however, designed differently than those for desk and office printers and, due to the large areas to be printed, typically also consume significantly more ink. For example, when printing bottles, an annual consumption of several tons can occur.
  • a suitable ink supply is therefore an essential component of such printing systems and has a decisive influence on the quality of the printing result and the profitability.
  • Drop-on-demand printheads have a small ink chamber behind each nozzle that is filled with the ink medium.
  • the ink medium is ejected through the nozzles of the printhead by briefly generating an increased pressure in this ink chamber using various methods.
  • the one from the EP 0 352 978 A2 known methods a minimal part of the ink medium is heated by a heater in the ink chamber, so that part of the ink medium evaporates. The resulting expansion generates a pressure pulse.
  • the print heads which usually have around a thousand nozzles, require a negative pressure inside the ink chamber in front of the nozzles, since otherwise the low-viscosity inks would leak out of the nozzles despite the small, only micrometer-sized nozzle openings.
  • This negative pressure is of the order of about -10 mbar.
  • the second option is what is known as the pumping over process, as it is, for example, from the U.S. 5,818,485 A is known.
  • the ink is always pumped through the printhead again so that there is a steady flow of ink through the printhead.
  • the air possibly sucked in through the nozzles can be removed from the ink chamber again.
  • the vertical arrangement requires a completely different level of precision in the ink supply.
  • the print heads themselves typically have a printing length over the nozzles, that is to say a distance from the lowest to the uppermost nozzle, of approximately 70 mm. Therefore, the pressure difference within the nozzles of a vertically arranged head due to gravity, assuming a density of 1000 kg / m ⁇ 3 alone, is 7 mbar.
  • the lowest nozzle thus has an ink supply pressure 7 mbar higher than the uppermost nozzle. At a nominal pressure of -10 mbar, there is no longer any leeway for a tolerance. Every pressure fluctuation can therefore determine whether the quality is sufficient for a good print.
  • Known pumping systems have a first tank from which the ink is fed to the head with positive pressure by means of a pump, and a return pump that generates a negative pressure at the ink outlet of the printhead that is high enough to achieve the described negative pressure due to the flow resistance in the printhead Generate printhead.
  • Pumps refer to machines for conveying essentially incompressible liquids, such as an ink medium. Pumps are to be distinguished from compressors and compressors, which are machines for compressing and conveying gases and gaseous media.
  • meniscus pressure The pressure prevailing inside the printhead in front of the nozzles is called meniscus pressure, which corresponds to the nominal pressure in the printhead and which, as described, should be a slight negative pressure.
  • Another important factor for the function of the print head is the pressure difference between the flow and return, which is responsible for the delivery rate, i.e. the flow of the ink through the print head.
  • the known ink supplies work with pumps for the ink and pulsation dampers. These systems have a very complex structure and complex control. Despite the smoothing by the pulsation damper, pressure peaks can occur, which severely impair the print quality.
  • Ink flows from an upstream sub-tank through a print head to a downstream sub-tank.
  • An ink pressure at the printing nozzle is set in the secondary tank and in the secondary tank on the basis of the auxiliary variables "energy per volume". This variable takes into account the potential energy of the ink in the respective secondary tank due to its height position and, on the other hand, a pressure in the respective secondary tank.
  • Temperature sensors are arranged on an upstream channel between the sub-tank and the print head and on a downstream channel between the print head and the sub-tank and are connected to a CPU. Furthermore, an air pressure source is provided on the sub-tank and an air pressure source is provided on the sub-tank and each connected to the CPU.
  • the CPU controls at least one of the auxiliary variables “energy per volume” in the secondary tanks by controlling the air pressure sources as a function of the ink temperatures measured by means of the temperature sensors. This makes it possible to compensate for a temperature dependency of the flow resistance of the ink and to maintain a nozzle pressure.
  • US 2007/0252860 A1 discloses an apparatus similar to that of US 2012/0062639 A1 is similar.
  • the auxiliary variable “energy per volume” is controlled in a first tank and in a second tank by means of air pressure sources.
  • a connection of the pressure head serving as an outlet is connected via a line with a pressure reducer to a multi-way valve, via which the line can optionally be connected to a second auxiliary tank.
  • the pressures in the auxiliary tanks are set exactly so that the pressure in the first auxiliary tank is slightly greater than in the second auxiliary tank.
  • the pressure in the first auxiliary tank can be, for example, slightly less than an atmospheric pressure.
  • a pressure regulator according to U.S. 5,555,005 A. comprises a collection chamber for the ink to be discharged to a printhead. Ink pressure is given by a volume of gas above the ink in the collection chamber. A pressure sensor is arranged at an inlet of the collection chamber. Ink flowing back from the printhead passes through a conduit to a return reservoir.
  • the object of the present invention is to ensure uniform pressures on and in the print head when supplying ink for print heads in digital printing.
  • the device according to the invention for supplying ink in digital printing has at least one print head which is to be supplied with an ink medium.
  • This print head can be a drop-on-demand print head, which has an inlet and an outlet for the ink supply, so that the ink medium can flow through it continuously.
  • the device also has a supply tank, which is connected to the inlet of the print head via a supply line, in order to supply the ink medium to it.
  • the ink supply has a separate return tank, which is connected to the output of the printhead via a return line in order to discharge the unused, that is, unejected, ink medium.
  • the flow and return can be designed as a pipeline, hose or the like.
  • the ink medium can be any ink or other liquid that is ejected from the printhead in place of the ink. Functional materials that, for example, produce an electrically conductive structure or have other preferred properties are also conceivable.
  • a gas volume is formed in the supply tank and / or in the return tank.
  • the tanks cannot be completely filled with the ink medium, so that a volume filled with gas is arranged above the ink medium, that is to say above the ink liquid level.
  • This volume can be filled, for example, with air, nitrogen or another gas, for example an inert gas.
  • An inert gas can prevent hardening, changing and / or contamination of the ink medium.
  • the gas in the volumes in the supply tank and return tank is under pressure. This can be an overpressure or a negative pressure relative to the external pressure.
  • the supply tank and / or return tank can have a separate tank for the gas volume, which according to the invention can be regarded as a component of the supply tank or the return tank.
  • supply tank and return tank can be designed as separate chambers of a large common tank.
  • the gas pressures in the supply tank and return tank create a pressure difference between the inlet and outlet of the print head for conveying the ink medium. This causes an ink flow from the supply tank through the pressure head into the return tank.
  • the flow of ink is therefore not driven by fluid pumps in direct contact with the ink medium, but is effected by the gas pressures.
  • the compressibility of the gas means that there are no strong pressure fluctuations in the ink medium. Using the gas volume as a buffer, pressure surges are filtered out naturally.
  • the device has a pressure control device in the supply tank and / or the return tank.
  • This can be designed as a pressure build-up and / or pressure relief device.
  • a pressure build-up device and a pressure relief device can be provided in each of the two tanks, with which the pressure can be generated and kept constant.
  • the pressure build-up device of the supply tank can be suitable for generating an overpressure in the supply tank, such as a compressor, for example.
  • Another possibility is the regulated connection to a compressed air connection or a suitable reservoir.
  • a compressor operating in the opposite direction or a vacuum pump, which sucks gas from the return tank can be provided in order to generate a negative pressure.
  • Rotary vane pumps, diaphragm pumps and scroll pumps, among others, are particularly suitable.
  • the latter two are oil-free pumps, which means that contamination of the ink medium can be avoided particularly efficiently.
  • a regulated connection to an existing vacuum suction line or a vacuum reservoir is also possible.
  • the pressure relief devices can be further active devices or passive devices such as ventilation valves and / or vent valves.
  • the device has a controller which is set up to regulate the pressures in the gas volumes in the supply tank and / or return tank so that the pressure difference between the inlet and outlet of the printhead and / or the meniscus pressure of the printhead correspond to a predetermined setpoint .
  • the meniscus pressure is the pressure inside the printhead in front of the outlet nozzles of the printhead.
  • the gas pressures can be regulated by controlling the pressure build-up and pressure relief devices of the supply tank and return tank.
  • the setpoint values can be permanently specified in the control system or they can be dependent on further operating parameters or manual inputs. The control enables the pressures to be kept at the desired values, even if gases dissolved in the ink medium can degas and thus change the pressure, or if the ink medium has absorbed air bubbles which have thus entered the circuit.
  • a pump is arranged as a circulation pump between the supply tank and the return tank, which pump can pump ink medium from the return tank into the supply tank.
  • the ink circuit can be closed by such a pump so that the discharged ink medium in the supply tank can be replaced by ink medium from the return tank.
  • the circulation pump can be regulated with a separate or a common control, which is also responsible for regulating the gas pressures.
  • the pressure range of the circulation pump is not critical; it can, for example, only depend on the fill level of the supply tank.
  • the device also has a level sensor in the supply tank and / or the return tank.
  • the measured values of the sensors can be recorded by a controller and used to regulate the actuators, such as pumps, compressors and valves.
  • the return tank has a refill pump. This can be in connection with an ink reservoir from which the pump can refill ink medium into the return tank. This means that the used ink medium, i.e. the ink medium ejected at the printhead, can be replaced.
  • shut-off valve is arranged in the flow line and / or in the return line. These shut-off valves are open during normal operation to allow flow of the ink to and from the printhead.
  • the meniscus pressure drops to the value of the pressure at the output of the print head. Due to the negative pressure in the printhead, air is sucked in through all nozzle openings of the printhead. In this way, possible impurities in the print head, which are too large to be flushed out through the nozzle openings, can be removed from the print head.
  • a bypass line is arranged as a bypass around the print head. This allows the ink to flow past the print head from the supply tank into the return tank. At least one shut-off valve is provided in this bypass line in order to prevent the flow through the bypass line. This shut-off valve is closed during normal operation.
  • the bypass line can be attached in such a way that the connection to the flow in the flow direction is upstream of a possible shut-off valve in the flow. In the return, the connection in the direction of flow can be in the return after a possible shut-off valve. This allows the ink to flow unhindered through the bypass when the shut-off valves are closed in the flow and return and when the shut-off valve in the bypass is open.
  • the shut-off valve in the flow can be closed in a first step, whereby the print head is sucked empty by the return flow.
  • the shut-off valve in the return can then be closed and the shut-off valve in the bypass line opened. This means that the printhead can be removed and, if necessary, replaced by a new printhead without interrupting the flow of ink for a long time.
  • a heating device is provided in or on the supply tank and / or return tank. This makes it easy to keep the ink medium at the temperature suitable for printing. Due to the direct heating of the tanks with their large surfaces, a heat exchanger arranged in the ink circuit can be dispensed with and the system in the circuit including all lines can still be heated.
  • all parts can be accommodated in a single housing. In particular, this makes it easier to replace the ink supply device.
  • the invention also relates to a method for supplying ink.
  • an ink medium is conveyed from a supply tank to a print head and from the print head to a return tank.
  • the conveyance of the ink is brought about by a pressure in a gas volume of the supply tank and / or a pressure in a gas volume of the return tank.
  • the ink medium can flow from the supply tank through the print head to the return tank through a floor drain or a drain mounted close to the floor.
  • the ink medium can then be pumped from the return tank back into the supply tank to close the ink circuit. Because the movement of the ink medium is not effected by a direct drive of the ink medium by means of a pump, but rather by the gas pressures, pressure peaks can be successfully avoided.
  • the circulating amounts are very small and very uniform at around 150 ml / h per print head. There is therefore only a very slight fluctuation in the fill level in the supply tank.
  • the pressure in the gas volume of the supply tank and / or return tank is set in such a way that the delivery rate, i.e. the flow through the print head, results from the differential pressure and a meniscus pressure is maintained in the print head.
  • the setting of the pressures can be taken over by a control, which for this purpose can fall back on measured values from one or more sensors.
  • the gas pressures in the supply tank and return tank or the pressures of the ink medium at the inlet and outlet of the print head can be measured.
  • the meniscus pressure can be determined from these values or also directly in the print head be measured.
  • the meniscus pressure should typically be kept at a low negative pressure of around -10 mbar.
  • the level in the supply tank that is to say the height of the ink liquid level in the supply tank, is preferably kept approximately constant during the supply of ink.
  • measured values of a sensor can be compared with setpoint values and, if necessary, ink medium can be tracked from the return tank by the circulation pump. Due to the constant level of the ink liquid level, the gas pressure in the supply tank rarely needs to be readjusted.
  • the level in the return tank that is to say the height of the ink liquid level, is preferably also kept in a predetermined range. Since the exact level in the return tank is not critical, refilling can only be initiated if the fill level falls below a minimum. For this purpose, measured values from a sensor can be compared with setpoint values and, if necessary, the ink medium can be replaced by refilling the return tank. This is necessary because the amount of ink returned to the return tank is less than the amount of ink medium used than the ink medium discharged from the return tank into the supply tank.
  • the control can record all consumption values and report them to a higher-level control.
  • Both tanks can therefore be kept small in order to keep the response time of the control short.
  • a volume between 50 and 350 ml per tank is used.
  • At least one of the gas pressures can preferably be regulated as a function of the installation height of the print head.
  • the difference in height between the ink liquid level in the supply tank and the print head can have an influence on the actual pressure at the input of the print head.
  • the higher the print head is arranged above the supply tank the greater the gas pressure in the supply tank must be selected in order to achieve the necessary pressure at the input of the print head.
  • the difference in height between the return tank and the print head can have an influence on the actual pressure at the output of the print head.
  • the higher the print head is arranged above the return tank the greater the gas pressure in the return tank must be selected in order to achieve the necessary pressure at the outlet of the pressure head.
  • the absolute height above sea level must also be taken into account, as the external pressure already 100 m above sea level is 12 mbar lower than at sea level.
  • the meniscus pressure must therefore be adapted in such a way that there is a slight negative pressure of -10 mbar with respect to the external pressure in order to prevent the ink medium from leaking through the nozzles.
  • At least one of the gas pressures is preferably adapted dynamically to different operating states or operating parameters.
  • operating parameters include, for example, the rotational speed of the printing machine, the position of the print head on the printing machine and / or the alignment of the print head with respect to the axis of rotation and / or the direction of gravity in question.
  • the dynamic adaptation of the gas pressures to these operating parameters allows new dynamic machine systems. Previous systems are static, stationary or move with uniform movement and thus with uniform forces on the ink medium in the system. However, there are new embodiments of digital printing machines that operate dynamically, in which, for example, the print heads rotate in a carousel.
  • the ink medium in the print heads is subject to centrifugal force, depending on the distance to the rotation point and the speed.
  • such machines have been operated at a constant speed, since their ink supply has not permitted the ink pressure to be regulated.
  • the gas pressures according to the invention can now be varied dynamically. This can be carried out in a particularly simple manner, since the system has a certain inertia due to the gas volumes. Due to the compressible gas buffer in the gas volumes, there can be no strong fluctuations in the pressure regulation. This avoids that the negative pressure becomes too great and so the printheads suck in air or that the overpressure becomes too high and ink leaks out of the printhead.
  • the control speed can therefore easily be adapted to a speed control of carousel machines. This allows the machine to be integrated into a bottle filling system, for example, and to operate it in accordance with the number of available bottles in such a way that a "stop-and-go" operation is avoided.
  • Fig. 1 shows an inventive device for supplying ink in digital printing.
  • This consists of a preferably vertically arranged print head 1, which is connected at its inlet via a flow line 5 to a flow tank 2 and at its outlet is connected to a return tank 3 via a return line 6.
  • a circulating pump 4 is arranged between the return tank 3 and the supply tank 2 and can convey ink from the return tank 3 into the supply tank 2.
  • the return tank 3 is connected to a refill pump 10, which can pump ink from an ink reservoir 11 into the return tank 3.
  • a heating element 7 for heating the ink medium is arranged in both the supply tank 2 and the return tank 3.
  • Flow tank 2 and return tank 3 are not completely filled with ink, but have a volume 20, 21 filled with gas above the ink liquid level 18, 19. This gas can be sucked off in the return tank 3 by a suction device 12, whereby the gas volume 20 of the return tank 3 a negative pressure is generated.
  • a membrane pump can be provided as the suction device.
  • the return tank 3 has a ventilation valve 13.
  • the supply tank 2 has a compressor 14, with which gas can be conveyed into the gas volume 21 of the supply tank 2, creating an overpressure in it becomes.
  • the supply tank 2 has a vent valve 15.
  • the pressures can be measured by an overpressure sensor 16 in the flow and a negative pressure sensor 17 in the return directly at the input or output of the print head 1.
  • a controller 22 measures the pressures of the overpressure sensor 16 and of the underpressure sensor 17 and compares them with setpoint values.
  • the setpoint values for the absolute pressures at the inlet and outlet of the print head 1 can result from setpoint values for the pressure difference and the meniscus pressure. If the inlet pressure is too low, the gas pressure in the flow must be increased. For this purpose, the compressor 14 is activated by the controller 22 and gas is thus conveyed into the supply tank 2. If, on the other hand, the pressure at the inlet of the print head 1 is too high, the control 22 opens the ventilation valve 15 so that gas is released from the supply tank 2. In the same way, the pressure at the output of the print head 1 is regulated by the pressure regulating devices 12, 13 in the return tank 3.
  • the suction device is switched on by the controller 22 and gas is pumped out of the return tank 3 in this way. If, on the other hand, the pressure is too low, the controller 22 can open the ventilation valve 13 and thus let gas into the return tank 3. Instead of switching the compressor and the suction device on and off, it can be operated with adapted power as required. The controller 22 then regulates the power up or down as required.
  • the overpressure in the supply tank 2 transports the ink through the supply line 5 to the inlet of the print head 1.
  • the controller 22 also measures the ink liquid level 19 in the supply tank by the level sensor 9 and keeps it by regulating the circulation pump 4 between return tank 3 and supply tank 2 at an almost constant level.
  • the ink medium Due to the pressure difference between the inlet and outlet of the printhead 1, the ink medium is conveyed through the printhead 1.
  • the part of the ink which was not ejected by the print head 1 is transported back to the return tank 3 through the return line 6. Since less ink is returned to the return tank 3 as a result of the consumption of the ink than is pumped into the supply tank 2 by the circulation pump 4, the ink liquid level 18 in the return tank 3 drops, whereby the pressure of the gas volume 20 is also reduced. This is therefore readjusted by the ventilation valve 13 and the compressor 12.
  • the controller 22 also determines the height of the ink fluid clearance 18 through the fill level sensor 8 and, if necessary, regulates the refill pump 10 in order to refill ink from the ink reservoir 11 into the return tank 3 in order to prevent the return tank 3 from emptying.
  • Fig. 2 shows a detail from an embodiment of a device according to the invention for supplying ink, in which a multi-way valve system is installed around the print head 1. This consists of a shut-off valve 22 in the flow line 5, a shut-off valve 23 in the return line 6 and a bypass line 24 with a bypass valve 25.
  • shut-off valves 22, 23 are open and the bypass valve 25 is closed.
  • shut-off valve 23 If the shut-off valve 23 is closed, the meniscus pressure in the printhead 1 rises, whereby an ink flow from all nozzle openings of the printhead 1 arises. This increased flow of ink loosens blockages in the nozzles and removes impurities from the print head 1.
  • shut-off valve 22 If the shut-off valve 22 is closed and the shut-off valve 23 remains open, the meniscus pressure in the print head 1 drops to the pressure at the outlet of the print head 1. This leads to the printhead 1 being sucked empty and air from the environment being sucked in through the nozzles.
  • the print head 1 can be removed for a print head change, for example, without interrupting the flow of ink from the supply tank 2 to the return tank 3.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Ink Jet (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Tintenversorgung eines Druckkopfes beim Digitaldruck mit mindestens einem Druckkopf, einem Vorlauftank für ein Tintenmedium, wobei der Vorlauftank über eine Vorlaufleitung mit dem Eingang des mindestens einen Druckkopfes verbunden ist, und einem Rücklauftank für das Tintenmedium, wobei der Rücklauftank über eine Rücklaufleitung mit dem Ausgang des mindestens einen Druckkopfes verbunden ist.
  • Digitaler Tintenstrahldruck mittels sogenannter drop-on-demand Druckköpfen ist mittlerweile in der Industrie eine häufig genutzte Anwendung. Seit vielen Jahren sind verschiedenste Varianten von Tintenstrahldruckern für Tisch- und Bürodrucker bekannt. Die in der Industrie eingesetzten Druckköpfe sind allerdings anders aufgebaut als solche für Tisch- und Bürodrucker und verbrauchen aufgrund der großen zu bedruckenden Flächen typischerweise auch wesentlich mehr Tinte. Beispielsweise kann bei der Bedruckung von Flaschen ein Jahresverbrauch von mehreren Tonnen auftreten. Eine geeignete Tintenversorgung ist daher ein essentieller Bestandteil solcher Bedruckungssysteme und hat entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Druckergebnisses und die Wirtschaftlichkeit.
  • Drop-on-demand Druckköpfe weisen hinter jeder Düse eine kleine Tintenkammer auf, die mit dem Tintenmedium gefüllt ist. Das Ausstoßen des Tintenmediums durch die Düsen des Druckkopfes erfolgt dadurch, dass durch verschiedene Verfahren kurzzeitig ein erhöhter Druck in dieser Tintenkammer erzeugt wird. Bei dem aus der EP 0 352 978 A2 bekannten Verfahren wird durch eine Heizung in der Tintenkammer ein minimaler Teil des Tintenmediums erhitzt, sodass ein Teil des Tintenmediums verdampft. Durch die resultierende Ausdehnung wird ein Druckimpuls erzeugt.
  • Bei der in der US 5,124,716 A beschriebenen Methode wird über einen Piezokristall ein Druckimpuls in der Tintenkammer des Druckkopfes zu erzeugt. Durch diesen Druckimpuls wird ein Tropfen des Tintenmediums durch die Düse gepresst und daher ausgestoßen.
  • Die Druckköpfe, die in der Regel etwa tausend Düsen aufweisen, benötigen im Inneren der Tintenkammer vor den Düsen einen Unterdruck, da ansonsten die niedrigviskosen Tinten trotz der kleinen, nur mikrometergroßen Düsenöffnungen aus den Düsen auslaufen würden. Dieser Unterdruck liegt in der Größenordnung von etwa -10 mbar.
  • In der Industrie werden grundsätzlich zwei verschiedene Arten von Druckköpfen eingesetzt. Die einen arbeiten als "dead-end shooter", bei denen das Tintenmedium einfach am Druckkopf angelegt wird und die Versorgung über die geodätische Höhe erfolgt (vgl. US 4,638,337 A ). Dies bedeutet, dass das Tintenmedium zum Druckkopf transportiert wird und dieser mit seinen Tintenkammern für das Tintenmedium eine Sackgasse bildet bis die Tinte durch die Düsen ausgestoßen wird. Der Druck im Inneren der Tintenkammern des Druckkopfes entspricht dabei im Wesentlichen dem Druck am Eingang des Druckkopfes. Durch den Unterdruck im Druckkopf kann es vorkommen, dass durch die Düsen Luft in den Druckkopf angesaugt wird. Die dadurch entstehenden Luftblasen in der Tintenkammer führen dazu, dass das Volumen in der Tintenkammer kompressibel wird, wodurch ein Druckaufbau zum Aussenden eines Tropfens nicht reproduzierbar möglich ist.
  • Die zweite Möglichkeit bietet das sogenannte Umpumpverfahren, wie es beispielsweise aus der US 5,818,485 A bekannt ist. Hierbei wird die Tinte immer wieder durch den Druckkopf gepumpt, so dass ein stetiger Tintenfluss durch den Druckkopf stattfindet. Dadurch kann die gegebenenfalls durch die Düsen angesaugte Luft wieder aus der Tintenkammer entfernt werden.
  • Ursprünglich konzipiert waren diese Druckköpfe für den Flachdruck, bei dem die zu bedruckende Oberfläche in einer horizontalen Ebene liegt und die Tinte von oben nach unten aufgebracht wird, wie das bei typischen Bürodruckern der Fall ist. Mittlerweile werden die Druckköpfe jedoch auch in einer senkrechten Anordnung verwendet. Dies hat den Vorteil, dass bei der Bedruckung von dreidimensionalen Objekten auch die Seitenflächen bedruckt werden können, ohne die zu bedruckende Seite in eine horizontale Lage zu versetzen. Beispielsweise müssten bei der Bedruckung von Flaschen diese sonst in sehr kurzer Zeit (etwa 1/10 Sekunde) umgelegt und wieder aufgerichtet werden.
  • Die senkrechte Anordnung verlangt aber eine völlig andere Präzision in der Tintenversorgung. Die Druckköpfe selbst weisen typischerweise eine Drucklänge über die Düsen, also einen Abstand der untersten zur obersten Düse, von etwa 70 mm auf. Daher beträgt der Druckunterschied innerhalb der Düsen eines senkrecht angeordneten Kopfes durch die Gravitation unter Annahme einer Dichte von 1000 kg/m^3 allein 7 mbar. Die unterste Düse hat also einen um 7 mbar höheren Tintenversorgungsdruck als die oberste Düse. Bei einem Nenndruck von -10 mbar ist keinerlei Spielraum mehr für eine Toleranz vorhanden. Jede Druckschwankung kann daher entscheidend sein, ob die Qualität für einen guten Druck ausreicht.
  • Bekannte Umpumpsysteme haben einen ersten Tank, aus dem heraus die Tinte mittels einer Pumpe dem Kopf mit positivem Druck zugeführt wird, und eine Rückförderpumpe, die einen Unterdruck am Tintenauslass des Druckkopfes erzeugt, der hoch genug ist um aufgrund des Strömungswiderstandes im Drucckopf den beschriebenen Unterdruck im Druckkopf zu erzeugen.
  • Dabei bezeichnen Pumpen Maschinen zum Fördern von im Wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeiten, wie beispielsweise einem Tintenmedium. Pumpen sind zu unterscheiden von Verdichtern und Kompressoren, welche Maschinen zum Komprimieren und Fördern von Gasen und gasförmigen Medien darstellen.
  • Der im Inneren des Druckkopfes vor den Düsen herrschende Druck wird als Meniskusdruck bezeichnet, welcher dem Nenndruck im Druckkopf entspricht und der wie beschrieben ein leichter Unterdruck sein sollte. Außerdem wichtig für die Funktion des Druckkopfes ist die Druckdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf, die für die Fördermenge, also den Durchfluss der Tinte durch den Druckkopf verantwortlich ist.
  • Um einen gleichförmigen Druck zu erhalten, arbeiten die bekannten Tintenversorgungen mit Pumpen für die Tinte und Pulsationsdämpfern. Diese Systeme haben einen sehr komplexen Aufbau und eine aufwändige Regelung. Dabei kann es trotz der Glättung durch die Pulsationsdämpfer zu Druckspitzen kommen, welche die Druckqualität stark beeinträchtigen.
  • In einer Tintenstrahlvorrichtung gemäß US 2012/0062639 A1 strömt Tinte von einem stromaufwärtigen Nebentank durch einen Druckkopf zu einem stromabwärtigen Nebentank. Ein Tintendruck an der Druckdüse wird anhand der Hilfsgrößen "Energie pro Volumen" in dem Nebentank und in dem Nebentank eingestellt. Diese Größe berücksichtigt jeweils die potentielle Energie der Tinte in dem jeweiligen Nebentank aufgrund dessen Höhenposition und andererseits einen Druck in dem jeweiligen Nebentank. An einem stromaufwärtigen Kanal zwischen dem Nebentank und dem Druckkopf und an einem stromabwärtigen Kanal zwischen dem Druckkopf und dem Nebentank sind jeweils Temperatursensoren angeordnet und mit einer CPU verbunden. Ferner sind eine Luftdruckquelle an den Nebentank und eine Luftdruckquelle an dem Nebentank vorgesehen und jeweils mit der CPU verbunden. Die CPU steuert zumindest eine der Hilfsgrößen "Energie pro Volumen" in den Nebentanks, indem sie die Luftdruckquellen in Abhängigkeit von den mittels der Temperatursensoren gemessenen Tintentemperaturen steuert. Dies ermöglicht es, eine Temperaturabhängigkeit des Fließwiderstands der Tinte auszugleichen und einen Düsendruck aufrechtzuerhalten.
  • US 2007/0252860 A1 offenbart eine Vorrichtung, die derjenigen aus US 2012/0062639 A1 ähnlich ist. Auch hier erfolgt eine Steuerung der Hilfsgröße "Energie pro Volumen" in einem ersten Tank und in einem zweiten Tank mittels Luftdruckquellen.
  • Ein komplexes Drucksystem gemäß WO 2010/130397 A1 umfasst einen ersten Hilfstank, der über eine Leitung an einen als Einlass dienenden Anschluss eines Druckkopfs angeschlossen ist. Ein als Auslass dienender Anschluss des Drucckopfes ist über eine Leitung mit einem Druckminderer an ein Mehrwegeventil angeschlossen, über welches wahlweise eine Verbindung der Leitung mit einem zweiten Hilfstank möglich ist. Die Drücke in den Hilfstanks werden exakt so eingestellt, dass der Druck in dem ersten Hilfstank etwas größer ist als in dem zweiten Hilfstank. Der Druck in dem ersten Hilfstank kann beispielsweise geringfügig kleiner sein als ein Atmosphärendruck.
  • Ein Druckregler gemäß US 5,555,005 A umfasst eine Sammelkammer für die an einen Druckkopf abzugebende Tinte. Ein Tintendruck ist durch ein Gasvolumen oberhalb der Tinte in der Sammelkammer gegeben. An einem Einlass der Sammelkammer ist ein Drucksensor angeordnet. Von dem Druckkopf zurückfließende Tinte gelangt durch eine Leitung zu einem Rücklaufbehälter.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei der Tintenversorgung für Druccköpfe beim Digitaldruck gleichmäßige Drücke am und im Druckkopf zu gewährleisten.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Tintenversorgung beim Digitaldruck weist dabei mindestens einen Druckkopf auf, welcher mit einem Tintenmedium versorgt werden soll. Dieser Druckkopf kann ein drop-on-demand Druckkopf sein, welcher einen Eingang und einen Ausgang für die Tintenversorgung besitzt, sodass er kontinuierlich vom Tintenmedium durchflossen werden kann. Die Vorrichtung weist außerdem einen Vorlauftank auf, welcher über eine Vorlaufleitung mit dem Eingang des Druckkopfes verbunden ist, um diesem das Tintenmedium zuzuführen. Des Weiteren besitzt die Tintenversorgung einen separaten Rücklauftank, welcher über eine Rücklaufleitung mit dem Ausgang des Druckkopfes verbunden ist, um das nicht verbrauchte, das heißt nicht ausgestoßene Tintenmedium abzuführen. Vorlauf und Rücklauf können dabei als Rohrleitung, Schlauch oder ähnliches ausgebildet sein. Sämtliche Leitungsanschlüsse können mit selbstschließenden Steckkupplungen ausgestattet sein. Das Tintenmedium kann eine beliebige Tinte oder eine andere Flüssigkeit sein, welche anstelle der Tinte vom Druckkopf ausgebracht wird. Denkbar sind dabei auch funktionelle Materialien, die beispielsweise eine elektrisch leitfähige Struktur erzeugen oder andere bevorzugte Eigenschaften aufweisen.
  • Im Vorlauftank und/oder im Rücklauftank ist ein Gasvolumen ausgebildet. Dazu können im einfachsten Fall die Tanks nicht vollständig mit dem Tintenmedium gefüllt sein, so dass über dem Tintenmedium, also oberhalb des Tintenflüssigkeitsspiegels, ein mit Gas gefülltes Volumen angeordnet ist. Dieses Volumen kann beispielsweise mit Luft, Stickstoff oder einem anderen, beispielsweise einem inerten Gas gefüllt sein.
  • Ein inertes Gas kann dabei ein Aushärten, Verändern und/oder Verunreinigen des Tintenmediums verhindern. Das Gas in den Volumina in Vorlauftank und Rücklauftank steht jeweils unter Druck. Es kann sich dabei um einen Überdruck oder einen Unterdruck relativ zum Außendruck handeln. Als weitere Möglichkeit können Vorlauf- und/oder Rücklauftank einen separaten Tank für das Gasvolumen besitzen, der erfindungsgemäß als Bestandteil des Vorlauftanks bzw. des Rücklauftanks aufgefasst werden kann.
  • Ebenfalls ist es möglich, dass Vorlauftank und Rücklauftank als getrennte Kammern eines großen gemeinsamen Tanks ausgebildet sind.
  • Durch die Gasdrücke in Vorlauftank und Rücklauftank entsteht zwischen Eingang und Ausgang des Druckkopfs eine Druckdifferenz zum Fördern des Tintenmediums. Diese bewirkt einen Tintenfluss von Vorlauftank durch den Drucckopf in den Rücklauftank. Der Tintenfluss wird daher nicht durch Fluidpumpen in direktem Kontakt mit dem Tintenmedium angetrieben, sondern durch die Gasdrücke bewirkt. Durch die Kompressibilität des Gases ergibt sich, dass keine starken Druckschwankungen im Tintenmedium auftreten. Durch das Gasvolumen als Puffer werden Druckstöße auf natürliche Weise herausgefiltert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung in Vorlauftank und/oder Rücklauftank eine Druckregeleinrichtung auf. Diese kann als Druckaufbau- und/oder Druckentlastungseinrichtung ausgeführt sein. Beispielsweise kann in beiden Tanks je eine Druckaufbau- und eine Druckentlastungseinrichtung vorgesehen sein mit welcher der Druck erzeugt und konstant gehalten werden kann. Dabei kann die Druckaufbaueinrichtung des Vorlauftanks zur Erzeugung eines Überdrucks im Vorlauftank geeignet sein, wie beispielsweise ein Kompressor. Eine weitere Möglichkeit ist die geregelte Verbindung an einen Druckluftanschluss oder ein geeignetes Reservoir. Im Rücklauftank kann zum Erzeugen eines Unterdrucks beispielsweise ein in umgekehrter Richtung arbeitender Verdichter oder eine Vakuumpumpe vorgesehen sein, welche Gas aus dem Rücklauftank absaugt. Besonders geeignet sind unter anderem Drehschieberpumpen, Membranpumpen und Scrollpumpen. Bei den beiden Letzteren handelt es sich um ölfreie Pumpen, wodurch besonders effizient eine Verunreinigung des Tintenmediums vermieden werden kann. Auch ein geregelter Anschluss an eine vorhandene Unterdrucksaugleitung oder ein Unterdruckreservoir ist möglich. Die Druckentlastungseinrichtungen können weitere aktive Einrichtungen oder passive Einrichtungen wie Belüftungsventile und/oder Entlüftungsventile sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Steuerung auf, welche dazu eingerichtet ist, die Drücke in den Gasvolumina in Vorlauftank und/oder Rücklauftank zu regeln, sodass die Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Druckkopfes und/oder der Meniskusdruck des Druckkopfes einem vorgegebenen Sollwert entsprechen. Als Meniskusdruck wird der Druck innerhalb des Druckkopfes vor den Austrittsdüsen des Druckkopfes bezeichnet. Die Regelung der Gasdrücke kann durch Steuerung der Druckaufbau- und Druckentlastungseinrichtungen von Vorlauftank und Rücklauftank erfolgen. Die Sollwerte können dabei fest in der Steuerung vorgegeben oder von weiteren Betriebsparametern oder manuellen Eingaben abhängig sein. Die Steuerung ermöglicht dabei, die Drücke auf den gewünschten Werten zu halten, auch wenn im Tintenmedium gelöste Gase entgasen und so den Druck verändern können, oder wenn das Tintenmedium Luftblasen aufgenommen hat, welche so in den Kreislauf gelangt sind.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Pumpe als Umwälzpumpe zwischen Vorlauftank und Rücklauftank angeordnet, welche Tintenmedium vom Rücklauftank in den Vorlauftank pumpen kann. Durch eine solche Pumpe kann der Tintenkreislauf geschlossen werden, sodass das abgeführte Tintenmedium im Vorlauftank durch Tintenmedium aus dem Rücklauftank ersetzt werden kann. Die Regelung der Umwälzpumpe kann mit einer separaten oder einer gemeinsamen Steuerung erfolgen, welche auch für die Regelung der Gasdrücke verantwortlich ist. Der Druckbereich der Umwälzpumpe ist dabei unkritisch, sie kann beispielsweise lediglich vom Füllstand des Vorlauftanks abhängig sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung außerdem in Vorlauftank und/oder Rücklauftank einen Füllstandssensor auf. Die Messwerte der Sensoren können dabei von einer Steuerung erfasst werden und zur Regelung der Aktoren, wie Pumpen, Verdichter und Ventile, genutzt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Rücklauftank eine Nachfüllpumpe auf. Diese kann in Verbindung mit einem Tintenreservoir stehen, aus dem die Pumpe Tintenmedium in den Rücklauftank nachfüllen kann. Damit kann das verbrauchte, also das am Druckkopf ausgestoßene Tintenmedium ersetzt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Vorlaufleitung und/oder in der Rücklaufleitung ein Absperrventil angeordnet. Diese Absperrventile sind im normalen Betrieb geöffnet, um einen Fluss der Tinte zu und von dem Druckkopf zu erlauben.
  • Durch Absperren der Verbindung zum Rücklauftank steigt der Meniskusdruck bis auf den Wert des Druckes am Eingang des Druckkopfes an. Durch diesen Überdruck im Druckkopf wird Tinte durch alle Düsenöffnungen des Druckkopfes ausgestoßen. Damit können gegebenenfalls verstopfte Düsenöffnungen freigespült werden und so ein Ausbau oder Wechsel des Druckkopfes überflüssig werden.
  • Durch Absperren der Verbindung zum Vorlauftank fällt der Meniskusdruck bis auf den Wert des Druckes am Ausgang des Druckkopfes ab. Durch den Unterdruck im Druckkopf wird Luft durch alle Düsenöffnungen des Druckkopfes angesaugt. Dadurch können mögliche Verunreinigungen im Druckkopf, welche zu groß sind um durch die Düsenöffnungen ausgespült zu werden, aus dem Drucckopf entfernt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist um den Druckkopf eine Umgehungsleitung als Bypass angeordnet. Damit kann die Tinte am Druckkopf vorbei vom Vorlauftank in den Rücklauftank fließen. In dieser Umgehungsleitung ist mindestens ein Absperrventil vorgesehen, um den Fluss durch die Umgehungsleitung zu unterbinden. Im normalen Betrieb ist dieses Absperrventil geschlossen. Die Umgehungsleitung kann derart angebracht sein, dass die Verbindung zum Vorlauf in Flussrichtung vor einem möglichen Absperrventil im Vorlauf liegt. Im Rücklauf kann die Verbindung in Flussrichtung nach einem möglichen Absperrventil im Rücklauf liegen. Dadurch kann bei geschlossenen Absperrventilen in Vorlauf und Rücklauf und bei geöffnetem Absperrventil im Bypass die Tinte ungehindert durch den Bypass fließen.
  • Soll beispielsweise ein Druckkopf gewechselt werden, so kann in einem ersten Schritt das Absperrventil im Vorlauf geschlossen werden, wodurch der Drucckopf durch den Rücklauf leergesaugt wird. Daraufhin kann auch das Absperrventil im Rücklauf geschlossen und das Absperrventil in der Umgehungsleitung geöffnet werden. Damit kann der Druckkopf abmontiert und gegebenenfalls durch einen neuen Druckkopf ersetzt werden, ohne den Tintenfluss längere Zeit zu unterbrechen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im oder am Vorlauftank und/oder Rücklauftank eine Heizeinrichtung vorgesehen. Damit kann das Tintenmedium einfach auf der für den Druck geeigneten Temperatur gehalten werden. Durch die direkte Beheizung der Tanks mit ihren großen Oberflächen kann auf einen im Tintenkreislauf angeordneten Wärmetauscher verzichtet werden und dennoch das System im Kreislauf einschließlich aller Leitungen aufgeheizt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können sämtliche Teile in einem einzigen Gehäuse untergebracht sein. Damit wird insbesondere ein Austausch der Tintenversorgungseinrichtung erleichtert.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Tintenversorgung. Dabei wird ein Tintenmedium von einem Vorlauftank zu einem Druckkopf und von dem Druckkopf zu einem Rücklauftank gefördert. Das Fördern der Tinte wird dabei durch einen Druck in einem Gasvolumen des Vorlauftanks und/oder einen Druck in einem Gasvolumen des Rücklauftanks bewirkt. Das Tintenmedium kann beispielsweise durch einen Bodenablauf oder einen nahe am Boden angebrachten Ablauf vom Vorlauftank durch den Druckkopf zum Rücklauftank fließen.
  • Das Tintenmedium kann dann vom Rücklauftank zurück in den Vorlauftank gepumpt werden, um den Tintenkreislauf zu schließen. Dadurch, dass die Bewegung des Tintenmediums nicht durch einen direkten Antrieb des Tintenmediums mittels einer Pumpe, sondern durch die Gasdrücke erfolgt, können Druckspitzen erfolgreich vermieden werden. Die Umpumpmengen sind mit ungefähr 150 ml/h pro Druckkopf sehr klein und sehr gleichförmig. Es ergibt sich daher nur ein sehr geringes Schwanken des Füllstands im Vorlauftank.
  • Besonders bevorzugt wird der Druck im Gasvolumen des Vorlauftanks und/oder Rücklauftanks derart eingestellt, dass sich die Förderleistung, also der Fluss durch den Druckkopf, durch den Differenzdruck ergibt und ein Meniskusdruck im Druckkopf aufrechterhalten wird. Die Einstellung der Drücke kann von einer Steuerung übernommen werden, welche dazu auf Messwerte von einem oder mehreren Sensoren zurückgreifen kann. Dabei können beispielsweise die Gasdrücke in Vorlauftank und Rücklauftank oder direkt die Drücke des Tintenmediums am Eingang und Ausgang des Druckkopfes gemessen werden. Der Meniskusdruck kann aus diesen Werte bestimmt oder ebenfalls direkt im Druckkopf gemessen werden. Der Meniskusdruck soll typischerweise auf einem geringen Unterdruck von etwa -10 mbar gehalten werden.
  • Bevorzugt wird während der Tintenversorgung das Niveau im Vorlauftank, also die Höhe des Tintenflüssigkeitsspiegels im Vorlauftank, in etwa konstant gehalten. Dazu können Messwerte eines Sensors mit Sollwerten verglichen werden und bei Bedarf durch die Umwälzpumpe Tintenmedium vom Rücklauftank nachgeführt werden. Durch das konstante Niveau des Tintenflüssigkeitsspiegels muss der Gasdruck im Vorlauftank nur selten nachgeregelt werden.
  • Bevorzugt wird auch das Niveau im Rücklauftank, also die Höhe des Tintenflüssigkeitsspiegels in einem vorgegebenen Bereich gehalten. Da das genaue Niveau im Rücklauftank unkritisch ist, kann ein Nachfüllen gegebenenfalls erst angestoßen werden, wenn ein minimaler Füllstand unterschritten wird. Dazu können Messwerte eines Sensors mit Sollwerten verglichen werden und bei Bedarf Tintenmedium durch Nachfüllen in den Rücklauftank ersetzt werden. Dies ist nötig, da die in den Rücklauftank zurückgeführte Tintenmenge um das verbrauchte Tintenmedium geringer ist, als das vom Rücklauftank in den Vorlauftank abgeführte Tintenmedium. Die Steuerung kann sämtliche Verbrauchswerte erfassen und an eine übergeordnete Steuerung melden.
  • Beim Nachfüllen der Tinte würde der Gasdruck im Rücklauftank ansteigen und so den Druckvorgang beeinflussen. Deshalb wird gleichzeitig Gas im Gasvolumen des Rücklauftanks abgepumpt, um den Druck in etwa konstant zu halten. Da der Tintenverbrauch eines Druckkopfs mit wenigen ml/h jedoch sehr gering ist, erfordert die Nachfüllmenge auch nur eine geringe Nachregelung des Gasdrucks.
  • Beide Tanks können folglich klein gehalten werden um die Ansprechzeit der Regelung kurz zu halten. Es wird ein Volumen zwischen 50 und 350 ml je Tank verwendet.
  • Die verschiedenen Regelvorgänge im System sind gut voneinander entkoppelt und können daher einfach beherrscht werden.
  • Bevorzugt kann mindestens einer der Gasdrücke in Abhängigkeit der Installationshöhe des Druckkopfes geregelt werden. Dabei kann der Höhenunterschied zwischen Tintenflüssigkeitsspiegel im Vorlauftank und dem Druckkopf einen Einfluss auf den tatsächlichen Druck am Eingang des Druckkopfes haben. Je höher der Druckkopf über dem Vorlauftank angeordnet ist, desto größer muss der Gasdruck im Vorlauftank gewählt werden, um den nötigen Druck am Eingang des Druckkopfes zu erreichen. In gleicher Weise kann der Höhenunterschied zwischen Rücklauftank und dem Druckkopf einen Einfluss auf den tatsächlichen Druck am Ausgang des Druckkopfes haben. Je höher der Druckkopf über dem Rücklauftank angeordnet ist, desto größer muss der Gasdruck im Rücklauftank gewählt werden, um den nötigen Druck am Ausgang des Drucckopfes zu erreichen. Auch die absolute Höhe über dem Meeresspiegel muss in Betracht gezogen werden, da bereits 100 m über Normal Null ein um 12 mbar geringerer Außendruck herrscht als auf Meereshöhe. Der Meniskusdruck muss daher derart angepasst werden, dass bezüglich des Außendrucks ein geringer Unterdruck von -10 mbar besteht, um ein Auslaufen des Tintenmediums durch die Düsen zu verhindern.
  • Bevorzugt wird mindestens einer der Gasdrücke dynamisch an verschiedene Betriebszustände bzw. Betriebsparameter angepasst. Als Betriebsparameter kommen bei rotierenden Digitaldruckmaschinen beispielsweise die Drehgeschwindigkeit der Druckmaschine, die Position des Druckkopfes auf der Druckmaschine und/oder die Ausrichtung des Druckkopfes hinsichtlich der Rotationsachse und/oder der Gravitationsrichtung in Frage. Die dynamische Anpassung der Gasdrücke an diese Betriebsparameter erlaubt neue dynamische Maschinensysteme. Bisherige Systeme sind statisch, ortsfest oder bewegen sich mit gleichförmiger Bewegung und damit mit gleichförmigen Kräften auf das Tintenmedium im System. Es gibt jedoch neue Ausführungsformen von Digitaldruckmaschinen, die dynamisch arbeiten, bei denen beispielsweise die Druckköpfe in einem Karussell rotieren. Das Tintenmedium in den Druckköpfen unterliegt bei solchen rotierenden Systemen der Fliehkraft und zwar abhängig vom Abstand zur Rotationsache und der Drehzahl. Bisher wurden solche Maschinen mit konstanter Drehzahl betrieben, da deren Tintenversorgung eine Regelung des Tintendrucks nicht zugelassen hat. Durch die erfindungsgemäße Anpassung der Gasdrücke an die Drehzahl oder andere Betriebszustände können diese nun dynamisch variiert werden. Dies kann besonders einfach durchgeführt werden, da durch die Gasvolumina bedingt das System eine gewisse Trägheit aufweist. Durch den Puffer des kompressiblen Gases in den Gasvolumina können sich keine starken Ausschläge in der Druckregelung ergeben. Dies vermeidet, dass der Unterdruck zu groß wird und so die Druckköpfe Luft ansaugen oder dass der Überdruck zu hoch wird und Tinte aus dem Druckkopf ausläuft. Die Regelgeschwindigkeit ist daher leicht einer Drehzahlregelung von Karussellmaschinen anzupassen. Das erlaubt, die Maschine z.B. in eine Flaschenabfüllanlage zu integrieren und diese entsprechend der Menge der verfügbaren Flaschen so zu betreiben, dass ein "stop-and-go" - Betrieb vermieden wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Tintenversorgung,
    • Fig. 2 schematisch einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Tintenversorgung.
  • Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Tintenversorgung beim Digitaldruck. Diese besteht aus einem vorzugsweise senkrecht angeordneten Druckkopf 1, welcher an seinem Eingang über eine Vorlaufleitung 5 mit einem Vorlauftank 2 verbunden ist und an seinem Ausgang über eine Rücklaufleitung 6 mit einem Rücklauftank 3 verbunden ist. Zwischen Rücklauftank 3 und Vorlauftank 2 ist eine Umwälzpumpe 4 angeordnet, welche Tinte vom Rücklauftank 3 in den Vorlauftank 2 befördern kann. Der Rücklauftank 3 steht mit einer Nachfüllpumpe 10 in Verbindung, welche Tinte von einem Tintenreservoir 11 in den Rücklauftank 3 pumpen kann. Sowohl in Vorlauftank 2 als auch Rücklauftank 3 ist ein Heizelement 7 zum Beheizen des Tintenmediums angeordnet.
  • Vorlauftank 2 und Rücklauftank 3 sind nicht vollständig mit Tinte gefüllt, sondern besitzen über dem Tintenflüssigkeitsspiegel 18, 19 noch ein mit Gas gefülltes Volumen 20, 21. Dieses Gas kann im Rücklauftank 3 durch eine Absaugeinrichtung 12 abgesaugt werden, wodurch im Gasvolumen 20 des Rücklauftanks 3 ein Unterdruck erzeugt wird. Als Absaugvorrichtung kann eine Membranpumpe vorgesehen sein. Zur Verringerung des Unterdrucks, also der Annäherung des Drucks an den Außendruck, besitzt der Rücklauftank 3 ein Belüftungsventil 13. Der Vorlauftank 2 besitzt einen Kompressor 14, mit dem Gas in das Gasvolumen 21 des Vorlauftanks 2 gefördert werden kann, wodurch in diesem ein Überdruck erzeugt wird. Zur Verringerung des Überdrucks besitzt der Vorlauftank 2 ein Entlüftungsventil 15. Durch die Gasdrücke 20, 21 ergibt sich zusammen mit anderen physikalischen Einflüssen, wie der Höhe des Tintenflüssigkeitsspiegels, der Installationshöhe des Druckkopfes und des Strömungswiderstands, ein Überdruck am Eingang des Druckkopfes 1 und ein Unterdruck am Ausgang des Druckkopfes 1. Die Drücke können durch einen Überdrucksensor 16 im Vorlauf und einem Unterdrucksensor 17 im Rücklauf direkt am Eingang bzw. Ausgang des Druckkopfes 1 gemessen werden. Zur Bestimmung des Füllstandes von Vorlauftank 2 und Rücklauftank 3 besitzen diese je einen Füllstandsensor 8, 9.
  • Eine Steuerung 22 misst die Drücke des Überdrucksensors 16 und des Unterdrucksensors 17 und vergleicht sie mit Sollwerten. Die Sollwerte für die absoluten Drücke an Eingang und Ausgang des Druckkopfes 1 können sich aus Sollwerten für die Druckdifferenz und den Meniskusdruck ergeben. Ist der Eingangsdruck zu gering, so muss der Gasdruck im Vorlauf erhöht werden. Dazu wird durch die Steuerung 22 der Kompressor 14 aktiviert und so Gas in den Vorlauftank 2 gefördert. Ist der Druck am Eingang des Druckkopfes 1 hingegen zu hoch, wird durch die Steuerung 22 das Belüftungsventil 15 geöffnet, sodass Gas aus dem Vorlauftank 2 abgelassen wird. In gleicher Weise wird der Druck am Ausgang des Druckkopfes 1 durch die Druckregeleinrichtungen 12, 13 im Rücklauftank 3 geregelt. Bei einem zu hohen Druck am Ausgang des Druckkopfes 1, also am Unterdrucksensor 17 muss der Druck im Rücklauftank 3 reduziert werden. Dazu wird durch die Steuerung 22 die Absaugeinrichtung angeschaltet und so Gas aus dem Rücklauftank 3 abgepumpt. Ist der Druck hingegen zu niedrig, kann die Steuerung 22 das Belüftungsventil 13 öffnen und so Gas in den Rücklauftank 3 einlassen. Anstelle des An- und Ausschaltens des Kompressors und der Absaugeinrichtung kann diese bedarfsgerecht mit angepasster Leistung betrieben werden. Die Steuerung 22 regelt dann je nach Bedarf die Leistungen hoch bzw. herunter.
  • Sind die Drücke durch die Steuerung 22 korrekt eingestellt, wird durch den Überdruck im Vorlauftank 2 die Tinte durch die Vorlaufleitung 5 zum Eingang des Druckkopfes 1 transportiert. Die Steuerung 22 misst außerdem den Tintenflüssigkeitsspiegel 19 im Vorlauftank durch den Füllstandsensor 9 und hält diesen durch Regelung der Umwälzpumpe 4 zwischen Rücklauftank 3 und Vorlauftank 2 auf nahezu konstantem Niveau.
  • Durch die Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Druckkopfes 1 wird das Tintenmedium durch den Druckkopf 1 befördert. Der Teil der Tinte, welcher nicht durch den Druckkopf 1 ausgestoßen wurde, wird durch die Rücklaufleitung 6 zum Rücklauftank 3 zurücktransportiert. Da durch den Verbrauch der Tinte weniger Tinte in den Rücklauftank 3 zurückgeführt wird als durch die Umwälzpumpe 4 in den Vorlauftank 2 gefördert wird, sinkt der Tintenflüssigkeitsspiegel 18 im Rücklauftank 3, wodurch auch der Druck des Gasvolumens 20 verringert wird. Dieser wird daher durch das Belüftungsventil 13 und den Kompressor 12 nachgeregelt. Die Steuerung 22 bestimmt außerdem durch den Füllstandsensor 8 die Höhe des Tintenflüssigkeitsspiels 18 und regelt bei Bedarf die Nachfüllpumpe 10, um Tinte aus dem Tintenreservoir 11 in den Rücklauftank 3 nachzufüllen, um ein Leerlaufen des Rücklauftanks 3 zu vermeiden.
  • Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Tintenversorgung, bei der um den Druckkopf 1 ein Mehrwegeventilsystem eingebaut ist. Dieses besteht aus einem Absperrventil 22 in der Vorlaufleitung 5, einem Absperrventil 23 in der Rücklaufleitung 6 und einer Umgehungsleitung 24 mit Bypassventil 25.
  • Im normalen Betrieb sind die Absperrventile 22, 23 geöffnet und das Bypassventil 25 ist geschlossen.
  • Wird das Absperrventil 23 geschlossen, steigt der Meniskusdruck im Druckkopf 1 an, wodurch ein Tintenfluss aus allen Düsenöffnungen des Druckkopfes 1 entsteht. Durch diesen verstärkten Tintenfluss werden Verstopfungen der Düsen gelöst und Verunreinigungen aus dem Druckkopf 1 entfernt.
  • Wird das Absperrventil 22 geschlossen und verbleibt Absperrventil 23 offen, sinkt der Meniskusdruck im Druckkopf 1 auf den Druck am Ausgang des Drucckopfes 1 ab. Dies führt dazu, dass der Druckkopf 1 leergesaugt und Luft von der Umgebung durch die Düsen angesaugt wird.
  • Wird das Bypassventil 25 geöffnet, so fließt die Tinte am Druckkopf 1 vorbei durch die Umgehungsleitung 24. Bei geschlossenen Absperrventile 22, 23 kann der Druckkopf 1 beispielsweise für einen Druckkopfwechsel entfernt werden, ohne den Tintenfluss von Vorlauftank 2 zu Rücklauftank 3 zu unterbrechen.
    • Bezugszeichentabelle
    • 1
    Druckkopf
    2
    Vorlauftank
    3
    Rücklauftank
    4
    Umwälzpumpe
    5
    Vorlaufleitung
    6
    Rücklaufleitung
    7
    Heizung
    8
    Füllstandsensor Rücklauftank
    9
    Füllstandsensor Vorlauftank
    10
    Nachfüllpumpe
    11
    Tintenreservoir
    12
    Absaugeinrichtung
    13
    Belüftungsventil
    14
    Kompressor
    15
    Entlüftungsventil
    16
    Überdrucksensor
    17
    Unterdrucksensor
    18
    Tintenflüssigkeitsspiegel Rücklauftank
    19
    Tintenflüssigkeitsspiegel Vorlauftank
    20
    Gasraum Rücklauftank
    21
    Gasraum Vorlauftank
    22
    Absperrventil Vorlauf
    23
    Absperrventil Rücklauf
    24
    Umgehungsleitung
    25
    Absperrventil Umgehungsleitung
    26
    Steuerung

Claims (15)

  1. Vorrichtung für die Tintenversorgung beim Digitaldruck mit mindestens einem Druckkopf (1), einem Vorlauftank (2) für ein Tintenmedium, wobei der Vorlauftank (2) über eine Vorlaufleitung (5) mit dem Eingang des mindestens einen Druckkopfes (1) verbunden ist, und einem Rücklauftank (3) für das Tintenmedium, wobei der Rücklauftank (3) über eine Rücklaufleitung (6) mit dem Ausgang des mindestens einen Druckkopfes (1) verbunden ist, wobei im Vorlauftank (2) und/oder im Rücklauftank (3) ein Gasvolumen (20, 21) ausgebildet ist und dass das Tintenmedium durch den Druck des Gasvolumens (20, 21) im Vorlauftank (2) und/oder im Rücklauftank (3) durch den Druckkopf (1) förderbar ist
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen des Vorlauftanks (2) und ein Volumen des Rücklauftanks (3) jeweils zwischen 50 ml und 350 ml betragen, dass in der Vorlaufleitung (5) ein Überdrucksensor (16) zur Messung eines Überdrucks an dem Eingang des Druckkopfes (1) vorgesehen ist, und
    dass in der Rücklaufleitung (6) ein Unterdrucksensor (17) zur Messung eines Unterdrucks an dem Ausgang des Druckkopfes (1) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung für die Tintenversorgung beim Digitaldruck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauftank (2) und/oder der Rücklauftank (3) eine Druckregeleinrichtung (12, 13, 14, 15) aufweist, mit dem der Gasdruck im Vorlauftank (2) und/oder Rücklauftank (3) regelbar ist.
  3. Vorrichtung für die Tintenversorgung beim Digitaldruck nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Steuerung (22), die dazu eingerichtet ist, den Druck im Gasvolumen (20, 21) des Vorlauftanks (2) und/oder Rücklauftanks (3) derart zu regeln, dass die Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Druckkopfes (1) und/oder der Meniskusdruck des Druckkopfes (1) einem Sollwert entsprechen.
  4. Vorrichtung für die Tintenversorgung beim Digitaldruck nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vorlauftank (2) und Rücklauftank (3) eine Pumpe (4) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung für die Tintenversorgung beim Digitaldruck nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Vorlauftank (2) und/oder Rücklauftank (3) einen Füllstandssensor (8, 9) aufweisen.
  6. Vorrichtung für die Tintenversorgung beim Digitaldruck nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauftank (3) mit einer Nachfüllpumpe (10) verbunden ist.
  7. Vorrichtung für die Tintenversorgung beim Digitaldruck nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorlaufleitung (5) und/oder der Rücklaufleitung (6) ein Absperrventil (22, 23) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung für die Tintenversorgung beim Digitaldruck nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um den Druckkopf (1) eine Umgehungsleitung (24) mit einem Absperrventil (25) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung für die Tintenversorgung beim Digitaldruck nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauftank (2) und/oder der Rücklauftank (3) eine Heizeinrichtung (7) aufweisen.
  10. Verfahren zur Tintenversorgung beim Digitaldruck, bei dem ein Tintenmedium von einem Vorlauftank (2) zu einem Druckkopf (1) und wenigstens teilweise von dem Druckkopf (1) zu einem Rücklauftank (3) gefördert wird, wobei der Vorlauftank (2) über eine Vorlaufleitung (5) mit einem Eingang des Druckkopfes (1) verbunden ist und der Rücklauftank (3) über eine Rücklaufleitung (6) mit einem Ausgang des Druckkopfes (1) verbunden ist, wobei das Fördern des Tintenmediums durch einen Druck in einem Gasvolumen (21) des Vorlauftanks (2) und/oder einen Druck in einem Gasvolumen (20) des Rücklauftanks (3) bewirkt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen des Vorlauftanks (2) und ein Volumen des Rücklauftanks (3) jeweils zwischen 50 ml und 350 ml betragen,
    dass mittels eines Überdrucksensors (16) in einer Vorlaufleitung (5) ein Überdruck an dem Eingang des Druckkopfes (1) gemessen wird, und
    dass mittels einer Unterdrucksensors (17) in der Rücklaufleitung (6) ein Unterdruck an dem Ausgang des Druckkopfes (1) gemessen wird.
  11. Verfahren zur Tintenversorgung beim Digitaldruck nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Gasvolumen (20, 21) des Vorlauftanks (2) und/oder Rücklauftanks (3) derart eingestellt wird, dass sich eine Förderleistung durch den Differenzdruck zwischen Eingang und Ausgang des Druckkopfes (1) ergibt und/oder ein Meniskusdruck im Druckkopf (1) aufrechterhalten wird.
  12. Verfahren zur Tintenversorgung beim Digitaldruck nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Niveau (19) des Tintenmediums im Vorlauftank (2) durch einen Sensor (9) erfasst und geregelt wird.
  13. Verfahren zur Tintenversorgung beim Digitaldruck nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das ausgestoßene Tintenmedium durch Nachfüllen in den Rücklauftank (3) ersetzt wird.
  14. Verfahren zur Tintenversorgung beim Digitaldruck nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Gasvolumen (20, 21) des Vorlauftanks (2) und/oder des Rücklauftanks (3) in Abhängigkeit von der Installationshöhe des Druckkopfes (3) geregelt wird.
  15. Verfahren zur Tintenversorgung beim Digitaldruck nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Gasvolumen (20, 21) des Vorlauftanks (2) und/oder des Rücklauftanks (3) in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter geregelt wird.
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