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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Druckkopf den beschriebenen Unterdruck im Druckkopf zu erzeugen.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei der Tintenversorgung für Druckköpfe beim Digitaldruck gleichmäßige Drücke am und im Druckkopf zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
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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.
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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 kann. 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.
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Ebenfalls ist es möglich, dass Vorlauftank und Rücklauftank als getrennte Kammern eines großen gemeinsamen Tanks ausgebildet sind.
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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 Druckkopf 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Druckkopf entfernt werden.
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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.
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Soll beispielsweise ein Druckkopf gewechselt werden, so kann in einem ersten Schritt das Absperrventil im Vorlauf geschlossen werden, wodurch der Druckkopf 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.
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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.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können sämtliche Teile in einem einzigen Gehäuse untergebracht sein. Damit wird insbesondere ein Austausch der Tintenversorgungseinrichtung erleichtert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beide Tanks können folglich klein gehalten werden um die Ansprechzeit der Regelung kurz zu halten. Bevorzugt wird ein Volumen zwischen 50 und 350 ml je Tank verwendet.
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Die verschiedenen Regelvorgänge im System sind gut voneinander entkoppelt und können daher einfach beherrscht werden.
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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 Druckkopfes 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.
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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.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
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Es zeigen:
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1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Tintenversorgung,
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2 schematisch einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Tintenversorgung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im normalen Betrieb sind die Absperrventile 22, 23 geöffnet und das Bypassventil 25 ist geschlossen.
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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.
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Wird das Absperrventil 22 geschlossen und verbleibt Absperrventil 23 offen, sinkt der Meniskusdruck im Druckkopf 1 auf den Druck am Ausgang des Druckkopfes 1 ab. Dies führt dazu, dass der Druckkopf 1 leergesaugt und Luft von der Umgebung durch die Düsen angesaugt wird.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0352978 A2 [0003]
- US 5124716 A [0004]
- US 4638337 A [0006]
- US 5818485 A [0007]