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Tintendruckverfahren (Drop-on-Demand-Systeme)

Schon während der Entwicklung der Continuous-Jet-Systeme war abzusehen, dass mit den Tintenstrahlverfahren den damals dominierenden, und schon recht kompakten Typenrad- und Nadeldruckern keine Konkurrenz zu machen war. Die hohen Kosten und Nachteile für den alltäglichen Betrieb im Büro waren zu gravierend: Die Tintenstrahler benötigen viel Platz, die Tinte muss zirkulieren und dabei immer wieder gereinigt werden. Tintenstrahler für normalen Druckeinsatz haben nur eine Düse, bzw. bei Farbe vier, weshalb sich trotz sehr hoher Tropfenfrequenz keine hohe Druckgeschwindigkeit erzielen lässt. Außerdem ist es wegen des kontinuierlich austretenden Tintenstrahls und der geringen Düsenzahl nicht praktikabel, das Papier zeilenweise und bidirektional zu bedrucken. Statt dessen muss das Papier auf eine schnell rotierende Trommel gespannt werden.
Anfang der siebziger Jahre setzte deshalb eine rege Forschungstätigkeit ein, um Systeme ohne die Nachteile der Hochdrucksysteme zu entwickeln. Die erste Lösung fand man in Tintendruckköpfen mit piezoelektrischen Wandlern, die auf Abruf einzelne Tintentröpfchen ausstoßen. Die Idee des Drop-on-Demand-Tintendrucks war geboren...

Druckwerke mit piezoelektrischen Aktoren1

Die ersten Pionierpatente über Tintendrucksysteme mit piezoelektrischen Aktoren wurden in den Jahren 1970 und 1971 angemeldet [10,16,20]. Nach einigen Jahren der Grundlagenforschung bei verschiedenen Firmen und Instituten gelang es zuerst dem Hause Siemens mit einer Gruppe um Prof. Heinzl (heute Technische Universität München), das Prinzip marktreif fertigzuentwickeln [6]. Der erste Drop-on-Demand-Tintendrucker, der PT 80i wurde 1977 vorgestellt. Selbst für Insider war er eine Revolution, schaffte er es doch mit seinen zwölf Düsen, immerhin 270 Zeichen/s (bei 10 Zeichen/ Zoll)nahezu geräuschlos zu drucken.

Piezoröhrchen

Siemens benutzte als elektromechanische Wandler Piezoröhrchen, die in einem durch Gießharz geformten Kanal eingebettet sind (Bild 6 und 7). Auf der Vorderseite schließt eine Düsenplatte alle Kanäle ab. Besonders vorteilhaft für die Funktion ist die Querschnittserweiterung am Kanalende. Der Energie- und Stofftransport beruht ausschließlich auf Druckwellen, die sich nach akustischen Gesetzen im Kanal ausbreiten. Druckwellen, die das Kanalende erreichen, werden dort mit Phasenumkehr reflektiert. Auf diese Weise wird an dieser Stelle aus einer Überdruckwelle eine Unterdruckwelle und umgekehrt. Da sich die Tintenflasche ein paar Zentimeter tiefer als die Düsenöffnungen befindet, herrscht in den Düsen ein geringer statischer Unterdruck. Die Kanäle laufen trotzdem nicht leer, da starke Kapillarkräfte die Tinte in den engen Düsen festhalten [5,6,14].

Bild 6: Filigran, und doch für heutige Verhältnisse doch noch recht voluminös, ein Querschliff durch den PT88S-Druckkopf von Siemens mit neun Piezoröhrchen (a). Auf die Chip-Bilder b) und c) wird in der Veröffentlichung "Tintendrucktechnologie: Paradigma und Motor der Mikrosystemtechnik" näher eingegangen.

Bild 7: Wegbereiter des Tintendrucks: Das Drop-on-Demand-System mit Piezoröhrchen von Siemens

In einem "akustischen" Finite-Elemente-Programm konnte der gesamte komplexe Vorgang der Tropfenbildung entschlüsselt werden [18]. Stark vereinfacht lässt sich der Prozess wie folgt beschreiben (Bild 8): Die erste Flanke des Spannungsimpulses erweitert (!) den inneren Querschnitt des Piezoröhrchens um Bruchteile eines Mikrometers. Dadurch entsteht in der Tinte innerhalb des Röhrchens ein Unterdruck (t=10 µs), der als Welle zur Düse läuft und dort "zum Schwungholen" die Tinte etwas zurückzieht (t=40 µs).

Bild 8: Tropfenerzeugung durch "akustische" Druckwellen

Gleichzeitig wird die nach hinten laufende Druckwelle negativ reflektiert - wird hierdurch zur Überdruckwelle - und überlagert sich mit der Überdruckwelle, die durch die abfallende Flanke des Spannungsimpulses entsteht (t = 30 µs). Diese starke Welle stößt nach 50 bis 70 µs einen Tropfen aus. Durch die wiederum negativ reflektierte Druckwelle der abfallenden Impulsflanke entsteht an der Düse nach 60 µs ein Unterdruck, der den Tropfen definiert abtrennt und gleichzeitig das System schnell zur Ruhe kommen lässt. Bis zu zehntausend Tropfen lassen sich so in der Sekunde auf Abruf ausstoßen. Der PT 90 von Siemens nutzte davon gerade 4800 und erreichte bei 240 dpi Auflösung hiermit 200 Zeichen/s.
Nur 9 µJ (Mikrojoule!) beträgt die elektrische Energie des Spannungsimpulses. Das sind weniger als 2‰ der Energie, die auch ein moderner Nadeldrucker noch benötigt, eine Nadel anzutreiben. In den fliegenden Tropfen gelangt wiederum kaum ein tausendstel der elektrischen Energie. Um diese winzige Energiemenge zu veranschaulichen: Mit der Bewegungsenergie von zehntausend Tropfen könnte man ein 2,0 Gramm schweres Pfennigstück gerade einmal um einen Millimeter anheben.
Siemens hat seit 1977 etwa eine Million Tintendrucker mit den drei Piezoröhrchen-Druckwerken aus Tabelle 1 hergestellt.

Nach anfänglichen Schwierigkeiten mit Düsenverunreinigungen und Instabilitäten bei der piezoelektrischen Energieumwandlung konnte der Aufbau Anfang der achtziger Jahre so verbessert werden, dass keinerlei Lebensdauerprobleme mehr auftraten. Im übrigen gilt auch für Drop-on-Demand-Tintendrucker das Sprichwort: "Wer rastet, der rostet!"