Digitaldrucksysteme: InkJet: Piezo & Bubble-Jet

19. September 2013 | Von | Kategorie: Digitaldruck

Piezoscheiben

Anfang 1985 stellte Epson mit dem SQ-2000 den ersten seiner „Piezoplanar-Tintendrucker“ vor; der heute aktuelle SQ-870/1170 ist ein Nachfolger mit gleicher Technik (Tabelle 2). Statt der Piezoröhrchen wie bei Siemens werden auf den Epson-Druckköpfen, die aus strukturierten Glasplatten hergestellt werden, kleine Piezoplättchen befestigt (Bild 9). Legt man eine elektrische Spannung an diese Plättchen, so ändert sich ihr Durchmesser minimal. Das reicht jedoch aus, um sich zusammen mit der passiven Glasunterlage im Schichtverbund, ähnlich wie ein Bi-Metallstreifen, zu verbiegen. Hierdurch entstehen im Tintenkanal Druckwellen, die in gleicher Weise wie bei den zuvor beschriebenen Piezoröhrchen-Druckköpfen Tropfen ausstoßen (Bild 10).

 

 

Bild 9: Der aus Glas geätzte Tintendruckkopf des SQ-2550 von Epson mit planaren Piezoaktoren
Bild 10: Auf und ab schwingen die Piezoplättchen und stoßen so einzelne Tintentropfen aus.

 

Type Düsen Auflösung1
SQ-870/1170 48 360 dpi
Stylus™8002 48 360 dpi
EPJ-200 64 300 dpi

 

 

Tabelle 2: Tintendruckwerke von Epson
1 Die hier angegebene Auflösung lässt sich in einem Druckdurchlauf erzielen
2 Siehe Beschreibung bei Piezolamellenwandlern

Vornehmlich aus zwei Gründen erreichten die Piezoplanar-Druckköpfe von Epson nicht die hohe maximale Spritzfrequenz der Piezoröhrchensysteme. Zum einen sind die Tintenkanäle recht lang, was die Resonanzfrequenzen der Systeme vermindert und zum anderen hat das kanalformende Glasmaterial schlechtere Dämpfungseigenschaften als das bei den Piezoröhrchenköpfen verarbeitete Gießharz.
Piezoplanar-Tintendruckköpfe gibt es in zwei Varianten als Edge- und als Sideshooter (Bild 11), zwei Begriffe, die auch bei den Bubble-Jet-Köpfen später wieder auftauchen und dort näher erklärt werden. Wegen der kurzen Kanäle der Piezosideshooters erreichen diese Systeme sehr hohe Spritzfrequenzen: Die Prototypen die vor Jahren, unabhängig voneinander, Siemens und Philips mit diesem Prinzip entwickelten, konnten auf Abruf mühelos 20000 (!) Tropfen in der Sekunde verspritzen. Dennoch gab Siemens diese Technik aus Kostengründen und mangelnder Perspektive für hohe Auflösungen und Farbtintendruck wenig später wieder auf.

 

Bild 11: Side- und Edgeshooter, die zwei prinzipiellen Anordnungen aller Tintendrucksysteme

Der EPJ-200, ein weiterer Piezoscheiben-Edgeshooter von Epson nimmt eine Sonderstellung ein, da er sich nach außen wie ein Seitendrucker verhält. Mit der Physik des Tintendrucks hat dies jedoch nichts zu tun: Wie alle anderen Tinten- und Nadeldrucker arbeitet das Druckwerk seriell, d. h. jedes Dokument muss Zeile für Zeile zu Papier gebracht werden. Neben Epson stellt gegenwärtig (mit geringer Marktbedeutung) nur noch Sharp Piezoplanar-(Farb)tintendrucker her.

Piezolamellen

1987 stellte Dataproducts ein weiteres Piezoprinzip für Tintendrucker vor: Den Piezolamellenwandler. Dieses Prinzip machte in den vergangenen Jahren weniger ob seiner Wandleranordnung von sich Reden, als vielmehr wegen der Flüssigwachstinte5 (Hot-Melt-Ink), die bis auf den neuen Stylus 800 von Epson alle Piezolamellen-Tintendruckköpfe verspritzen.
Bild 12 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Düse eines Lamellenwandler-Druckkopfes. Der Piezowandler, eine lange, flache Lamelle, liegt hier hinter einer kleinen Tintenkammer. Angeregt durch Spannungsimpulse ändert sich die Länge der Lamelle geringfügig und erzeugt in der Tintenkammer die notwendigen Druckstöße, um mit ihnen die Tropfen aus der Düse zu treiben. Die Piezolamellenwandler vereinigen in sich die Vorteile von Planar- und Röhrchensystemen: Hohe Spritzfrequenz bei kompakter Bauweise! Heute setzen Dataproducts, Tektronix und Epson auf Tintendruckköpfe mit Piezolamellen.

 

Bild 12: Der Piezolamellenwandler ist ein Sideshooter mit anderem Wandlerprinzip.

 

Zu Beginn dieses Jahres stellte Epson die Piezo-MACH-Technologie (Multilayer-Actuator-Head) im Stylus 800 vor. Gleichwohl arbeiten auch die Piezo-MACH-Druckköpfe mit Piezolamellen. Epson6 ist es jedoch gelungen, die Piezolamellen einer Düsenreihe in einem Block (Multilayer) herzustellen. So ließen sich der Druckkopf weiter verkleinern, die Wandler, Kanäle und Düsen in einem Abstand von nur 140 µm (180 dpi) plazieren und dabei die Herstellkosten senken. Dennoch bleibt abzuwarten, ob Epson mit dieser Technik die vom Markt geforderten hochauflösenden und vieldüsigen Farbtintendrucker anbieten kann.

Druckwerke mit thermischen Aktoren (Bubble-Jet)

Furore machte 1985 der ThinkJet von Hewlett-Packard, der erste Tintendrucker mit einem Bubble-Jet-Druckwerk. Hatte anfangs noch mancher Piezodruckwerkentwickler geschmunzelt, als ihm die ersten Bubble-Jet-Patente der Konkurrenz auf den Tisch flatterten [1,3,4,17], sollte ihnen jetzt das Lachen vergehen, denn das Bubble-Jet-Verfahren eroberte in wenigen Jahren die Verkaufshitparaden. Warum aber war dieses Verfahren so genial und revolutionär? Nun, wie eigentlich immer in solchen Fällen, lag es vor allem an den Herstellkosten… Mussten die Piezodruckwerke mehr oder wenig mühsam aus vielen Einzelteilen zusammengebaut werden, so werden die Bubble-Jet-Tintendruckköpfe als Chips auf Siliziumwafern (Ausnahme: ThinkJet auf Glas) zu hunderten in Dünnschichttechnik hergestellt [8,9].

Herstellung

In der Dünnschichttechnik [7] setzt man weitgehend die gleichen Herstellprozesse ein, wie sie zur Produktion von Integrierten Schaltungen erforderlich sind. Die Tintenkanäle, Düsen, Aktoren und elektrischen Verbindungen entstehen, indem man wechselweise auf den Wafern Schichten aufbringt (z. B. durch Sputtern, chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD = Chemical Vapour Deposition) oder aus Lösungen, galvanischen Prozessen oder durch Laminieren) und diese Schichten anschließend strukturiert. Dazu wird zunächst auf die Wafer ein lichtempfindlicher Lack aufgeschleudert und über eine Maske örtlich belichtet. An den belichteten Stellen lässt sich der Lack partiell entfernen. Durch den Lack nicht mehr geschützt, lassen sich dort danach neue Schichten aufbauen oder die darunterliegende(n) Schicht(en) wegätzen.
Auf diese Weise entstehen nach insgesamt weit mehr als hundert solchen Fertigungsschritten auf einem Wafer sehr viele Bubble-Jet-Chips (Bild 13 und 14). Alle Strukturen müssen auf den tausendstel Millimeter in sich und relativ zueinander genau sein. Außerdem führt jede kleinste Verunreinigung bei der Herstellung zum Ausfall, weshalb man Bubble-Jet-Chips in den gleichen Reinräumen und mit den gleichen Maschinen herstellen muss, wie sie in der Halbleiterfertigung üblich sind.
Es liegt auf der Hand, dass sich durch die gleichzeitige Bearbeitung vieler miniaturisierter Chips auf einem Wafer die Herstellkosten trotz hoher Investitions- und Entwicklungskosten7 für Reinräume und Maschinen drastisch reduzieren lassen. Nur noch die Chipfläche und die Zahl und Art der Prozesse, hingegen nicht die Düsenzahl und Druckauflösung des Bubble-Jet-Chips, bestimmen seine Kosten. Ein 400 dpi Druckkopf mit 64 Düsen muss deshalb nicht teuerer sein als einer mit lediglich 180 dpi und 24 Düsen.

 

Bild 13: Silizium und Dünnfilmtechnik sind die Schlüsselworte bei der Herstellung der Bubble-Jet-Druckköpfe
Bild 14: Kaum größer als ein Streichholz-kopf, der 50 düsige Bubble-Jet-Chip im Kodak Diconix 701 von Inkjet Systems

 

Da Bubble-Jet-Druckköpfe, wie beschrieben, in vielen Schritten auf die gleiche Weise wie Integrierte Schaltungen hergestellt werden, ist es naheliegend, diese gleich mit in den Chip zu integrieren. Canon ging hier mit einer integrierten Transistormatrix in den Druckköpfen des BJ-10e und CLC-10 den ersten Schritt, Xerox folgte 1993 mit einem komplett integrierten Serien-Parallelwandler in ihrem 128ig düsigen Bubble-Jet-Druckkopf8 und auch die anderen Hersteller werden sicher bald folgen. Es ist anders auch kaum vorstellbar, wie die 128 Düsen des Xerox-Druckkopfes alle einzeln elektrisch angeschlossen werden sollen.
Funktion
Die Funktion eines Bubble-Jet-Druckkopfes las sich in der (Computer-)presse und -werbung bisher etwa so: „Ein winziges Heizelement in jeder Düse produziert Luftblasen, die sich ausdehnen und eine bestimmte Menge Tinte aus der Düse herausdrücken. Wenn sich anschließend das Heizelement abkühlt und zusammenzieht, wird durch das entstehende Vakuum Tinte angesaugt.“ Verursacher dieses haarsträubenden Unsinns war ausgerechnet ein Prospekt des Bubble-Jet-Prinziperfinders Canon, bei dem die genialen japanischen Erfinder das Korrekturlesen versäumt hatten. Natürlich entstehen in der Düse keine Luftblasen und kein Vakuum und das Heizelement kann sich genausowenig zusammenziehen – doch, wer meckert, muss es erst besser erklären…
Die Bildsequenz 15 zeigt schematisch den „wahren“ Vorgang in einer Bubble-Jet-Düse. Zunächst wird ein starker Spannungsimpuls von etwa 3 bis 7 Mikrosekunden auf das tatsächlich winzige Heizelement9 geschaltet, wodurch es sich sofort auf etwa 500 °C erhitzt. An der Grenzfläche zur Tinte werden dabei immerhin noch über 300 °C erreicht. Die Flächenheizleistung übertrifft die der Sonne um das zwanzigfache, weshalb ein nur wenige Mikrosekunden zu langer Impuls das Heizelement sofort zerstören würde.

 

Bild 15: Im Vergleich zu Piezosystemen ist die Volumenänderung durch Dampfblasen ungleich größer und außerdem selbstregelnd  (=> Animation).

 

Schlagartig beginnt die Tinte über dem Heizelement in einem feinen Film zu sieden, woraus sich nach 15 µs eine geschlossene Dampfblase bildet. Dadurch, dass mit der Blasenbildung der Wärmestrom vom Heizelement zur Tinte fast vollständig unterbrochen wird, hat das System selbstregelnde Eigenschaften – ein wichtiger Vorteil der Bubble-Jet-Systeme. Die Dampfblase treibt mit hohem Druck (bis 10 bar) einen Tintentropfen aus der Düse, wobei Fluggeschwindigkeiten von 10 m/s und darüber die Regel sind (Bild 16). Nach maximal 40 µs ist die Blase wieder in sich zusammengefallen (kollabiert), doch dauert es etwa 200 µs, bis neue Tinte durch Kapillarkräfte nachgesaugt worden ist.

 

Bild 16: 10 m/s und mehr Fluggeschwindigkeit erreichen die Bubble-Jet-Tropfen in wenigen Mikrosekunden

 

Edge- und Sideshooter
Bubble-Jet-Druckköpfe gab es von Beginn an in zwei Varianten am Markt. Der Systemerfinder Canon bevorzugt wie wir bei Inkjet Systems den Edgeshooter (Bild 17). Fast zeitgleich entwickelte Hewlett-Packard den Sideshooter [8,9,17], den baugleich derzeitig auch Olivetti herstellt. Die nachfolgende Tabelle 3 führt die wichtigsten Bubble-Jet-Druckköpfe dieser vier bislang einzigen Hersteller auf:

 

Bild 17: Die zwei bekannten Varianten des Bubble-Jet-Prinzips: Links der Edgeshooter (heute nur noch von Canon hergestellt) und rechts der Sideshooter (hergestellt von Hewlett Packard, Lexmark, Olivetti und Xerox)

Der Edgeshooter spritzt seine Tropen, wie der Name schon ausdrückt, um die Ecke, also senkrecht zur Entstehungsrichtung der Blasen aus. Beim Sideshooter, bei dem sich über den Heizelementen und Tintenkanälen ein Düsenplatte befindet, bewegen sich Blase und Tropfen gleichgerichtet. Zunächst ist es beim Sideshooter viel einfacher, homogene Benetzungsverhältnisse auf der Druckkopfoberfläche und definierte Düsenlöcher herzustellen als beim Edgeshooter, dessen Düsenränder aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen.

 

Hersteller / Typen1 Düsen Auflösung2
Edgeshooter
Canon: BJ-300/330 64 360 dpi
Canon: BJ-10ex/20/200 64 360 dpi
Canon: BJ-800 64 360 dpi
Canon: CLC-10 128 400 dpi
Canon: BJ-A1 256 400 dpi
Inkjet Systems: Diconix 701 50 300 dpi
Xerox: z.B. SpeedJet 300 128 300 dpi
Sideshooter
Hewlett-Packard: ThinkJet3 12 96 dpi
HP: DeskJet /plus/500 50 300 dpi
HP: DeskJet 550 C 48 300 dpi
HP: PaintJet 300 XL 50 300 dpi
Olivetti: JP-350 50 300 dpi

 

 

Tabelle 3: Bubble-Jet-Tintendruckwerke
1 Fast alle hier aufgeführten Druckwerke, bzw. Drucker tauchen überdies unter anderer Bezeichnung als Fremdprodukte bei anderen Herstellern auf.
2 Die hier angegebene Auflösung lässt sich in einem Druckdurchlauf erzielen
3 Der ThinkJet-Druckkopf wird nur noch in diversen Druckern von Diconix (Kodak) eingesetzt.

 

Auf der anderen Seite benötigt der Sideshooter mehr Düsenfläche, was insbesondere bei zukünftigen Vieldüsensystemen mit höheren Auflösungen zu Problemen führen kann. Außerdem prallt die Tinte nach dem Kollabieren der Dampfblase mit voller Wucht auf die Oberfläche des Heizelements, weshalb sich dort früher oder später Schäden durch Kavitation zeigen. Dies ist auch die wahrscheinlichste Erklärung dafür, warum das Sideshooter-Prinzip, im Gegensatz zum Edgeshooter-, bisher nur in austauschbaren Tintendruckköpfen mit kürzerer Lebensdauer benutzt wurde.
Für alle Bubble-Jet-Systeme gleichermaßen gelten sehr hohe Anforderungen an die Tinten – viel höhere als bei Piezosystemen. Wegen der hohen Temperaturen und des Funktionsprinzips werden bisher nur auf Wasserbasis gemischte Lösemitteltinten eingesetzt.

Quelle: http://www.mm.hs-heilbronn.de/wehl/
Autor: Wolfgang Wehl

 

Quelle: http://www.concodeq.de/tintendruck2.php

1 Kommentar zu “Digitaldrucksysteme: InkJet: Piezo & Bubble-Jet”

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