DE102023136504A1 - Printhead arrangement, printing device and method for operating a printhead arrangement - Google Patents
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Abstract
Druckkopfanordnung (3), insbesondere zum 3D-Druck, aufweisend
- eine Düse (5) zur Ausgabe eines zu druckenden Materials, insbesondere einer hochviskosen Tinte, wobei die Düse (5) einen Düsenkörper (16) mit einer Austrittsöffnung (15) aufweist, und
- einen Sensor (8) zur Detektion von außen um die Austrittsöffnung (15) auftretenden Materialansammlungen (28) des zu druckenden Materials, wobei der Sensor (8) zwei gegeneinander elektrisch isolierte, um die Austrittsöffnung (15) angeordnete Leiterstrukturen (17, 18) und eine mit den Leiterstrukturen (17, 18) verbundene Auswertungseinrichtung (14), die ein Messmittel (24) zur Messung des Widerstands und/oder der Kapazität zwischen den Leiterstrukturen (17, 18) aufweist und zur Detektion der Materialansammlungen (28) aufgrund von Veränderungen des Widerstands und/oder der Kapazität zwischen den Leiterstrukturen (17, 18) ausgebildet ist, aufweist.
Print head arrangement (3), in particular for 3D printing, comprising
- a nozzle (5) for dispensing a material to be printed, in particular a high-viscosity ink, wherein the nozzle (5) has a nozzle body (16) with an outlet opening (15), and
- a sensor (8) for detecting accumulations of material (28) of the material to be printed occurring outside the outlet opening (15), wherein the sensor (8) has two conductor structures (17, 18) arranged around the outlet opening (15) which are electrically insulated from one another and an evaluation device (14) connected to the conductor structures (17, 18), which has a measuring means (24) for measuring the resistance and/or the capacitance between the conductor structures (17, 18) and is designed to detect the accumulations of material (28) on the basis of changes in the resistance and/or the capacitance between the conductor structures (17, 18).
Description
Die Erfindung betrifft eine Druckkopfanordnung, insbesondere zum 3D-Druck, aufweisend:
- - eine Düse zur Ausgabe eines zu druckenden Materials, wobei die Düse einen Düsenkörper mit einer Austrittsöffnung aufweist, und
- - einen Sensor zur Detektion von außen um die Austrittsöffnung auftretenden Materialansammlungen des zu druckenden Materials.
- - a nozzle for dispensing a material to be printed, the nozzle having a nozzle body with an outlet opening, and
- - a sensor for detecting accumulations of material to be printed that occur outside the outlet opening.
Daneben betrifft die Erfindung eine Druckeinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Druckkopfanordnung.In addition, the invention relates to a printing device and a method for operating a print head arrangement.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, in denen ein Material, beispielsweise eine Tinte, zum Druck verwendet wird. Beispiele umfassen Material-Jetting, Piezo-Jetting, Valve-Jetting, Binder-Jetting und herkömmliches Ink-Jetting. Generell umfassen Druckköpfe für solche Druckvarianten eine Düse, durch die das Material mittels einer geeigneten Aktorik ausgegeben werden soll, insbesondere tropfenweise ausgestoßen oder kontinuierlich ausgegeben. Während die Aktorik insbesondere bei niedrigviskosen Tinten als zu druckendes Material beispielsweise Piezoaktoren umfassen kann, sind insbesondere bei Materialien größerer Viskosität eine Vielzahl von mechanischen, pneumatischen und sonstigen Aktorikvarianten bekannt. Beispielsweise können für Materialien hoher Viskosität das Material ausstoßende Kolben eingesetzt werden.Various methods are known in the prior art in which a material, for example an ink, is used for printing. Examples include material jetting, piezo jetting, valve jetting, binder jetting and conventional ink jetting. Generally, print heads for such printing variants comprise a nozzle through which the material is to be dispensed by means of a suitable actuator, in particular ejected dropwise or continuously. While the actuators can comprise piezo actuators, for example, particularly for low-viscosity inks as the material to be printed, a multitude of mechanical, pneumatic and other actuator variants are known, particularly for materials of higher viscosity. For example, pistons that eject the material can be used for materials of high viscosity.
Derartige Druckverfahren werden nicht nur im zweidimensionalen Druck, sondern auch im dreidimensionalen Druck eingesetzt. Ein wichtiges Anwendungsgebiet des 3D-Drucks sind gedruckte elektronische Bauteile. Dabei können durch Druckköpfe insbesondere auch Leiterbahnen auf einen, insbesondere ebenso gedruckten, Grundkörper aufgebracht werden, wofür spezielle, beispielsweise leitfähige Partikel umfassende Tinten als zu druckendes Material eingesetzt werden können.Such printing processes are used not only in two-dimensional printing, but also in three-dimensional printing. An important application area of 3D printing is printed electronic components. In this case, print heads can be used to apply conductive paths to a base body, especially one that has been printed on its own. For this purpose, special inks, for example, containing conductive particles, can be used as the printing material.
Die Druckqualität ist in diesen Verfahren stark von der erzielten Genauigkeit abhängig. Ein Problem diesbezüglich kann dann auftreten, wenn sich zu druckendes Material am Düsenkörper ansammelt, insbesondere im Bereich der Austrittsöffnung (sogenanntes „Wetting“). Dies ist zu unterscheiden von einer innerhalb der Düse, insbesondere in einem Düsenkanal, auftretenden Verstopfung der Düse, Ab einer bestimmten Größe einer Materialansammlung um die Austrittsöffnung kann die genaue Abgabe des zu druckenden Materials, beispielsweise als Tropfen, beeinträchtigt werden. Daher wurde vorgeschlagen, Reinigungseinrichtungen einzusetzen, die in regelmäßigen Abständen derartige Materialansammlungen entfernen, insbesondere abtreifen. Hierzu muss allerdings der Druckprozess angehalten werden.The print quality in these processes is heavily dependent on the accuracy achieved. A problem in this regard can arise when material to be printed accumulates on the nozzle body, particularly in the area of the outlet opening (so-called "wetting"). This must be distinguished from a blockage of the nozzle that occurs within the nozzle, particularly in a nozzle channel. If the accumulation of material around the outlet opening exceeds a certain size, the precise dispensing of the material to be printed, for example as droplets, can be impaired. It has therefore been suggested that cleaning devices be used to remove, or in particular wipe off, such accumulations of material at regular intervals. For this to happen, however, the printing process must be stopped.
Problematisch ist, dass die Zeitabstände, in denen derartige Materialansammlungen auftreten, stark streuen. Beispielsweise können Zeitabstände zwischen 10 Sekunden und 10 Minuten auftreten. Um die notwendigen Reinigungszeiten zu reduzieren und zu häufige Reinigungszyklen zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, Sensorik einzusetzen, um Materialansammlungen zu detektieren und Reinigungsvorgänge dann durchzuführen, wenn sie tatsächlich notwendig sind. Im Gegensatz zur Detektion von Verstopfungen der Düsen wurden im Stand der Technik bislang nur wenige Lösungen zur Detektion von Materialansammlungen außen am Düsenkörper vorgeschlagen.The problem is that the time intervals at which such material accumulations occur vary considerably. For example, time intervals can range from 10 seconds to 10 minutes. To reduce the necessary cleaning times and avoid excessively frequent cleaning cycles, it has been proposed to use sensors to detect material accumulations and perform cleaning processes when they are actually necessary. In contrast to the detection of nozzle blockages, only a few solutions have been proposed in the prior art to detect material accumulations on the outside of the nozzle body.
In einem Artikel von
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere einfach und platzsparend umsetzbare, verlässliche Möglichkeit zur Detektion von Materialansammlungen außen an einer Düse anzugeben.The invention is therefore based on the object of providing a particularly simple and space-saving, reliable possibility for detecting material accumulations on the outside of a nozzle.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Druckkopfanordnung, eine Druckeinrichtung und ein, insbesondere computerimplementiertes, Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.This object is achieved according to the invention by a print head arrangement, a printing device, and a method, in particular a computer-implemented method, according to the independent patent claims. Advantageous further developments emerge from the dependent patent claims.
Bei einer Druckkopfanordnung der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sensor zwei gegeneinander elektrisch isolierte Leiterstrukturen von denen wenigstens eine um die Austrittsöffnung angeordnet ist, und eine mit den Leiterstrukturen verbundene Auswertungseinrichtung, die ein Messmittel zur Messung des Widerstands und/oder der Kapazität zwischen den Leiterstrukturen aufweist und zur Detektion der Materialansammlungen aufgrund von Veränderungen des Widerstands und/oder der Kapazität zwischen den Leiterstrukturen ausgebildet ist, aufweist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind beide Leiterstrukturen um die Austrittsöffnung angeordnet.In a print head arrangement of the type mentioned at the outset, the invention provides that the sensor has two conductor structures which are electrically insulated from one another, at least one of which is arranged around the outlet opening, and an evaluation device connected to the conductor structures Device comprising a measuring means for measuring the resistance and/or capacitance between the conductor structures and configured to detect material accumulations due to changes in the resistance and/or capacitance between the conductor structures. In preferred embodiments, both conductor structures are arranged around the outlet opening.
Dabei ist der Begriff einer Druckkopfanordnung im Rahmen der vorliegenden Erfindung breit zu verstehen als alle Materialausstoßanordnungen zum gezielten, strukturierten Ausstoß eines Materials an Sollpositionen eines Objekts. Während die Druckkopfanordnung bevorzugt eine Inkjet-Druckkopfanordnung und/oder eine Druckkopfanordnung eines 3D-Druckers ist, sind mithin auch Materialausstoßanordnungen für Einrichtungen zum Aufbringen von Lotpasten oder sonstigen pastösen Materialien umfasst. Insbesondere kann es sich um eine Druckkopfanordnung für den 3D-Druck handeln und/oder die Druckkopfanordnung kann genau eine Düse pro zu druckendes Objekt bzw. Objektträger aufweisen. In the context of the present invention, the term "print head assembly" is to be broadly understood as all material ejection assemblies for the targeted, structured ejection of a material at desired positions on an object. While the print head assembly is preferably an inkjet print head assembly and/or a print head assembly of a 3D printer, it also encompasses material ejection assemblies for devices for applying solder pastes or other pasty materials. In particular, it can be a print head assembly for 3D printing, and/or the print head assembly can have exactly one nozzle per object or slide to be printed.
Es wird vorgeschlagen, wenigstens eine Leiterstruktur, insbesondere zwei Leiterstrukturen an der Außenseite des Düsenkörpers, benachbart der Austrittsöffnung, vorzusehen, wobei das Verhältnis der Leiterstrukturen zueinander durch Materialansammlungen auf messbare Weise beeinflusst wird. Dabei wird es bevorzugt, eine resistive Messung durchzuführen, bei der durch die Materialansammlung der elektrische Widerstand einer Abstandsstrecke zwischen den beiden Leiterstrukturen verändert wird, insbesondere erniedrigt wird, so dass ein Stromfluss, insbesondere durch das zu druckende Material, erlaubt wird. In diesem Zusammenhang wurde in Versuchen festgestellt, dass selbst schlecht oder allgemein als nicht leitfähig klassifizierte, zu druckende Materialien eine hinreichende Erniedrigung des Widerstands zwischen den Leiterstrukturen und somit einen messbaren Stromfluss bewirken, so dass eine Messung erlaubt wird. Beispielsweise wurden Versuche mit Isopropanol/Aceton (häufig verwendetes Lösungsmittel in Tinten) durchgeführt, die eine Realisierbarkeit zeigten. Alternativ ist auch eine kapazitive Messung denkbar, da das, insbesondere dielektrische, zu druckende Material die Kapazität eines durch die Leiterstrukturen gebildeten Kondensators beeinflusst.It is proposed to provide at least one conductor structure, in particular two conductor structures, on the outside of the nozzle body, adjacent to the outlet opening, wherein the relationship between the conductor structures is measurably influenced by material accumulations. It is preferred to perform a resistive measurement, in which the electrical resistance of a distance between the two conductor structures is changed, in particular reduced, by the material accumulation, so that a current flow is permitted, in particular through the material to be printed. In this context, experiments have shown that even poorly or generally non-conductive materials to be printed cause a sufficient reduction in the resistance between the conductor structures and thus a measurable current flow, so that a measurement is permitted. For example, experiments were conducted with isopropanol/acetone (a frequently used solvent in inks), which demonstrated feasibility. Alternatively, a capacitive measurement is also conceivable, since the material to be printed, in particular dielectric, influences the capacitance of a capacitor formed by the conductor structures.
Dabei ist die Anordnung wenigstens einer der Leiterstrukturen um die Austrittsöffnung so zu verstehen, dass diese außen an dem Düsenkörper angeordnet und/oder als Teil des Düsenkörpers ausgebildet ist. Allgemein kann der Düsenkörper auch mehrteilig ausgebildet sein, beispielsweise einen nichtleitenden, insbesondere keramischen, die Austrittsöffnung bereitstellenden Aufsatz aufweisen, auf dem wenigstens eine der Leiterstrukturen vorgesehen sein kann.The arrangement of at least one of the conductor structures around the outlet opening is to be understood as being arranged on the outside of the nozzle body and/or formed as part of the nozzle body. In general, the nozzle body can also be formed in multiple parts, for example, by having a non-conductive, particularly ceramic, attachment providing the outlet opening, on which at least one of the conductor structures can be provided.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Leiterstrukturen Leiterbahnen und/oder Leiterflächen umfasst und/oder aus Kupfer und/oder Silber ausgebildet sind. Dabei ist das Kupfer insbesondere mit Gold beschichtet, um Oxidation zu verhindern. Weitere denkbare Materialien für die Leiterstrukturen umfassen Nickel und/oder Platin.In particular, it can be provided that at least one of the conductor structures comprises conductor tracks and/or conductor surfaces and/or is formed from copper and/or silver. The copper is in particular coated with gold to prevent oxidation. Other conceivable materials for the conductor structures include nickel and/or platinum.
Während sich Leiterflächen insbesondere für eine kapazitive Messung eignen, sind im Fall einer bevorzugten resistiven Messung Leiterbahnen bevorzugt. Diese können, nachdem, wie noch genauer diskutiert werden wird, das zu druckende Material meist den begrenzenden Faktor hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit darstellt, fein ausgebildet sein. So kann vorgesehen sein, dass die Leiterstrukturen, insbesondere die Leiterbahnen, eine Breite von 0,1 bis 1,5 mm aufweisen. Insbesondere ist das hier beschriebene Sensorkonzept auch für kleinere Düsen anwendbar. Hierbei können auch Breiten kleiner als 0,1 mm denkbar sein.While conductive surfaces are particularly suitable for capacitive measurement, conductive tracks are preferred for resistive measurement. These can be finely formed, since, as will be discussed in more detail below, the material to be printed usually represents the limiting factor with regard to electrical conductivity. Thus, the conductive structures, in particular the conductive tracks, can have a width of 0.1 to 1.5 mm. In particular, the sensor concept described here is also applicable to smaller nozzles. Widths of less than 0.1 mm are also conceivable.
Insbesondere bei der resistiven Messung ist es dabei bevorzugt, die wenigstens eine Leiterstruktur, konkret die Abstandsstrecke, über die bei einer Materialansammlung ein Stromfluss durch das zu druckende Material stattfinden soll, zwar möglichst nah an der Austrittsöffnung vorzusehen, jedoch nicht so nah, dass sie in einen Bereich zu liegen kommt, in dem beim üblichen, ungestörten Druckvorgang ohne das Vorliegen einer zu detektierenden Materialansammlung auch zu druckendes Material vorhanden sein kann. Anders ausgedrückt kann vorgesehen sein, dass bei einer resistiven Messung eine durch die Ablagerung des zu druckenden Materials zu überbrückende Abstandsstrecke zwischen den Leiterstrukturen wenigstens teilweise um einen Toleranzbereich, in dem zu druckendes Material auch ohne Materialansammlung vorliegen kann, von der Austrittsöffnung beabstandet angeordnet ist. Beispielsweise kann der Toleranzbereich bei einer Düse für das Drucken von Leiterbahnen, deren Austrittsöffnung einen Durchmesser von beispielsweise 50 µm haben kann, 0,1 bis 2,5 mm betragen.Particularly in the case of resistive measurement, it is preferred to provide the at least one conductor structure, specifically the spacing distance over which a current flow through the material to be printed is to take place in the event of a material accumulation, as close as possible to the outlet opening, but not so close that it lies in a region in which material to be printed can also be present during a normal, undisturbed printing process without the presence of a material accumulation to be detected. In other words, it can be provided that, in a resistive measurement, a spacing distance between the conductor structures to be bridged by the deposition of the material to be printed is arranged at a distance from the outlet opening at least partially by a tolerance range in which material to be printed can be present even without material accumulation. For example, the tolerance range for a nozzle for printing conductor tracks, the outlet opening of which can have a diameter of, for example, 50 µm.
Wie bereits erwähnt, wurde bei Versuchen festgestellt, dass bereits für nominell nicht elektrisch leitfähige, zu druckende Materialien, insbesondere Tinten, sogar resistiv in einem einfachen Aufbau Materialansammlungen robust und verlässlich detektiert werden konnten. Dabei sei allerdings angemerkt, dass selbst nominell leitfähige Tinten, insbesondere in einer Anwendung zum Leiterbahndruck, im flüssigen Zustand über die Abstandsstrecke Widerstände im Megaohm-Bereich aufweisen. Im Zusammenhang mit solchen, niedrige Leitfähigkeit aufweisenden, zu druckenden Materialien kann eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung vorsehen, dass die Auswertungseinrichtung, insbesondere bei einer Widerstandsmessung, einen Verstärker umfasst. Ein solcher Verstärker kann beispielsweise eine Darlington-Schaltung umfassen. Allgemein gesprochen stellt seine Verwendung sicher, dass auch bei hohen Widerständen, also geringen Leitfähigkeiten, des zu druckenden Materials ein hinreichendes, robust messbares Signal entsteht.As already mentioned, experiments have shown that even for nominally non-electrically conductive printing materials, especially inks, material accumulations can be detected robustly and reliably even in a simple resistive setup. However, it should be noted that even nominally conductive inks, especially in an application for printed circuit boards, exhibit resistances in the megaohm range across the distance in the liquid state. In connection with such low conductivity For materials to be printed that have a high resistance, a useful development of the invention can provide for the evaluation device to include an amplifier, particularly for resistance measurements. Such an amplifier can, for example, comprise a Darlington circuit. Generally speaking, its use ensures that a sufficient, robustly measurable signal is generated even with high resistances, i.e., low conductivities, of the material to be printed.
Aufgrund unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit und/oder aufgrund von unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften zu druckender Materialien kann dann, wenn unterschiedliche zu druckende Materialien mit der Druckkopfanordnung verwendet werden, vorgesehen sein, dass die Auswertungseinrichtung auf unterschiedliche zu druckende Materialien, insbesondere Tinten, konfigurierbar und/oder kalibrierbar ist. Wird beispielsweise eine Materialansammlung aufgrund eines Schwellwerts detektiert, insbesondere anhand eines aufgrund des Stromflusses bzw. anhand einer anfallenden Spannung messbaren Widerstandsschwellwerts, kann der Schwellwert durch Kalibrierung, oder, wenn geeignete Schwellwerte schon bekannt sind, simple Konfiguration durch Auswahl des zu druckenden Materials und/oder Schwellwerts direkt geeignet eingestellt werden, um eine robuste, verlässliche Detektion zu erlauben. Hierzu können, beispielsweise zu druckenden Materialien zugeordnet, Schwellwerte in einem Speichermittel der Auswertungseinrichtung und/oder einer mit der Auswertungseinrichtung verbundenen Steuereinrichtung abgelegt sein.Due to different electrical conductivity and/or different dielectric properties of materials to be printed, when different materials to be printed are used with the print head arrangement, it can be provided that the evaluation device is configurable and/or calibrated for different materials to be printed, in particular inks. If, for example, a material accumulation is detected based on a threshold value, in particular based on a resistance threshold value measurable due to the current flow or an occurring voltage, the threshold value can be adjusted directly by calibration or, if suitable threshold values are already known, simple configuration by selecting the material to be printed and/or threshold value in order to allow robust, reliable detection. For this purpose, threshold values can be stored, for example assigned to materials to be printed, in a memory means of the evaluation device and/or a control device connected to the evaluation device.
Zusammenfassend wird also ein neuartiges Sensorkonzept zur resistiven bzw. kapazitiven Erkennung von Materialablagerungen außen an Düsen von Druckkopfanordnungen vorgeschlagen. Dabei ist ein Einsatz bei Tintenstrahl-Drucksystemen (Inkjet-Druckkopfanordnungen) und/oder bei Drucksystemen für mittels Tintenstrahldruckverfahren bzw. allgemein 3D-Drucken herzustellende gedruckte Elektronik (Printed Electronics), wie beispielsweise den Druck von Leiterbahnen, besonders vorteilhaft. Die Erfindung kann jedoch auch für ähnliche Ejektionsverfahren, beispielsweise Lotpastenaufträge in der Leiterplattenfertigung oder sonstige Aufträge aus druckbaren Tinten und druckbaren pastösen Materialien eingesetzt werden.In summary, a novel sensor concept is proposed for the resistive or capacitive detection of material deposits on the outside of the nozzles of printhead assemblies. Its use is particularly advantageous in inkjet printing systems (inkjet printhead assemblies) and/or in printing systems for printed electronics produced using inkjet printing processes or 3D printing in general, such as the printing of printed circuit boards. However, the invention can also be used for similar ejection processes, such as solder paste applications in printed circuit board production or other applications using printable inks and printable pasty materials.
Gerade im Hinblick auf den Leiterbahndruck und sonstige 3D-Druckanwendungen werden häufig zähflüssige, also hochviskose, zu druckende Materialen verwendet. Auch werden oft Druckeinrichtungen mit nur einer Düse eingesetzt, die zum Drucken nahe an das Druckziel gebracht werden muss. Gerade in diesem Kontext, aber auch bei anderen Drucksystemen, bietet die Erfindung den Vorteil einer kompakten, integrativen Umsetzung des Sensors, sodass größere, mehr Platz benötigende Sensorik vermieden werden kann. Die vorzunehmenden Änderungen an der Düse selbst sind bei dem hier vorgeschlagenen Konzept minimal und führen nicht zu einer nennenswerten Größenänderung an der Düse selbst. Die Erfindung ist also aufwandsarm und bei geringem Bauraum umsetzbar.Particularly with regard to circuit board printing and other 3D printing applications, viscous, i.e., highly viscous, materials are often used for printing. Printing systems with only one nozzle are also often used, which must be brought close to the print target for printing. Especially in this context, but also with other printing systems, the invention offers the advantage of a compact, integrated implementation of the sensor, thus avoiding larger, space-consuming sensors. The changes to the nozzle itself are minimal with the concept proposed here and do not result in any significant change in the size of the nozzle itself. The invention is therefore low-cost and can be implemented in a small installation space.
Dennoch wird eine robuste Detektion von Materialansammlungen ermöglicht, was wiederum die Möglichkeit schafft, Materialansammlungen im laufenden Druckprozess zu erkennen und dementsprechend den Druckprozess nur dann zu unterbrechen, wenn durch die Sensorik Tintenrückstände an der Düse detektiert wurden. Dann kann ein entsprechender Reinigungsvorgang erfolgen. Durch die Anordnung außen an der Düse werden zum einen nur tatsächliche Materialansammlungen außen an der Düse detektiert, zum anderen auch unabhängig vom Ausstoßprozess.Nevertheless, robust detection of material buildup is enabled, which in turn makes it possible to detect material buildup during the ongoing printing process and, accordingly, to interrupt the printing process only when the sensors detect ink residue on the nozzle. Then, an appropriate cleaning process can be initiated. Due to the external placement of the sensor on the nozzle, only actual material buildup on the outside of the nozzle is detected, and this is independent of the ejection process.
Wie bereits erwähnt, lässt sich die vorliegende Erfindung auch dann anwenden, wenn eine hohe Viskosität vorliegt. Beispielsweise kann das zu druckende Material eine Viskosität von mehr als 20 mPa*s, insbesondere mehr als 50 mPa*s, insbesondere mehr als 1000 mPa*s, aufweisen. Ein Ausstoßmechanismus, also die Aktorik zum Ausstoßen des Materials, kann, insbesondere für solche hochviskose Materialien, einen Kolben aufweisen. Dieser kann beispielsweise mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden, um das zu druckende Material, insbesondere tröpfchenweise, auszustoßen.As already mentioned, the present invention can also be applied when a high viscosity is present. For example, the material to be printed can have a viscosity of more than 20 mPa*s, in particular more than 50 mPa*s, in particular more than 1000 mPa*s. An ejection mechanism, i.e., the actuator for ejecting the material, can comprise a piston, particularly for such highly viscous materials. This piston can, for example, be moved at high speed to eject the material to be printed, in particular dropwise.
In konkreter Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine der Leiterstrukturen durch einen elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Anteil des Düsenkörpers ausgebildet ist und/oder dass wenigstens eine der Leiterstrukturen auf eine nichtleitende Oberfläche des Düsenkörpers aufgebracht ist. Besteht der Düsenkörper selbst wenigstens teilweise aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus einem Metall, kann er selbst eine der Leiterstrukturen bilden. Dann ist nur eine zusätzliche Leiterstruktur erforderlich, welche beispielsweise auf einem nichtleitenden Anteil, wie einem keramischen Aufsatz, vorgesehen sein kann oder durch eine Beschichtung vom restlichen Düsenkörper elektrisch isoliert sein kann.In a specific embodiment of the invention, it can be provided that one of the conductor structures is formed by an electrically conductive, in particular metallic, portion of the nozzle body and/or that at least one of the conductor structures is applied to a non-conductive surface of the nozzle body. If the nozzle body itself consists at least partially of electrically conductive material, for example, a metal, it can itself form one of the conductor structures. Then, only one additional conductor structure is required, which can, for example, be provided on a non-conductive portion, such as a ceramic attachment, or can be electrically insulated from the rest of the nozzle body by a coating.
Auch allgemein, also insbesondere auch bei zwei zusätzlich aufgebrachten Leiterstrukturen, kann vorgesehen sein, dass die nichtleitende Oberfläche durch einen die Austrittsöffnung umgebenden Keramikanteil des Düsenkörpers und/oder eine elektrisch isolierende Beschichtung des Düsenkörpers, insbesondere einen Lack, gebildet wird. Es werden also in jedem Fall ohnehin vorhandene Oberflächen und/oder elektrisch leitfähige Anteile des Düsenkörpers genutzt, auf denen bzw. durch die die Leiterstrukturen aufwandsarm umgesetzt werden können.In general, and in particular when two additional conductor structures are applied, it can be provided that the non-conductive surface is formed by a ceramic portion of the nozzle body surrounding the outlet opening and/or an electrically insulating coating of the nozzle body, in particular a lacquer. Thus, in any case, existing surfaces and/or electrically conductive portions of the nozzle body are used. used on which or through which the conductor structures can be implemented with little effort.
Es ist auch eine Ausgestaltung der Erfindung denkbar, in denen eine der Leiterstrukturen, beispielsweise gebildet durch einen elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Anteil des Düsenkörpers, innerhalb der Düse und/oder sogar der Zuführung für das zu druckende Material angeordnet ist. Beispielsweise kann, neben einem metallischen Anteil des Düsenkörpers, diese Leiterstruktur dann durch eine Metallwand der Zuführung und/oder ein Leiterelement in der Zuführung und/oder der Düse realisiert sein. Das zu druckende Material setzt diese zweite Leiterstruktur dann zur Austrittsöffnung hin bis zu dem verbleibenden, ohne Materialansammlung nicht überbrückten Teil der Abstandsstrecke außen am Düsenkörper fort. Anders gesagt kann das zu druckende Material als eine „Fortsetzung“ der Leiterstruktur bis zur eigentlichen Messstrecke verstanden werden. Bei einer Materialansammlung wird dann dieser letzte Anteil der Abstandsstrecke noch geschlossen. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass nur eine Leiterstruktur außen auf dem Düsenkörper vorzusehen ist, und ist besonders günstig dann umzusetzen, wenn das zu druckende Material eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat.An embodiment of the invention is also conceivable in which one of the conductor structures, for example formed by an electrically conductive, in particular metallic, portion of the nozzle body, is arranged within the nozzle and/or even the feed for the material to be printed. For example, in addition to a metallic portion of the nozzle body, this conductor structure can then be realized by a metal wall of the feed and/or a conductor element in the feed and/or the nozzle. The material to be printed then continues this second conductor structure towards the outlet opening up to the remaining part of the spacing section on the outside of the nozzle body that is not bridged without material accumulation. In other words, the material to be printed can be understood as a "continuation" of the conductor structure up to the actual measuring section. If material accumulates, this last part of the spacing section is then closed. Such an embodiment has the advantage that only one conductor structure needs to be provided on the outside of the nozzle body and is particularly advantageous when the material to be printed has high electrical conductivity.
Vorzugsweise kann wenigstens eine der Leiterstrukturen durch Druck oder durch Laserstrukturierung aufgebracht sein. Zudem sind Vakuumprozesse wie Gasphasenabscheidung, insbesondere PVD (Physical Vapor Deposition) und/oder CVD (Chemical Vapor Deposition), denkbar, wie diese für besonders feine Strukturen aus der Halbleiterherstellung bekannt sind. Es können mithin bekannte und gängige Verfahren, Leiterstrukturen auf ein Substrat aufzubringen, auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, um diese mit geringer Komplexität zu realisieren. Zum Erhalt gedruckter Leiterbahnen als Leiterstrukturen kann vorgesehen sein, diese zunächst breiter drucken und dann mittels Laserablation die gewünschte Breite herzustellen. Dabei sind vorzugsweise, insbesondere bei einer Druckkopfanordnung für den Leiterbahndruck, das zu druckende Material und das zum Druck, insbesondere 3D-Druck, der Leiterbahnen verwendete Material unterschiedlich. Auf diese Weise wird vermieden, dass Lösungsmittel und/oder sonstige Komponenten des zu druckenden Materials die wenigstens eine Leiterstruktur angreifen. In diesem Zusammenhang kann es unabhängig davon, insbesondere bei Verwendung desselben Materials für die Leiterstrukturen und als zu druckendes Material, auch zweckmäßig sein, wenn die wenigstens eine Leiterstruktur in die darunter liegende Oberfläche eingebrannt und/oder ausgehärtet ist. Beispielsweise kann eine besonders lange Zeit zum Sintern vorgesehen sein, um einen langen Bestand der Leiterstrukturen zu sichern. Das Material der wenigstens einen Leiterstruktur ist durch den durchgeführten Sinterprozess im Idealfall mechanisch robust in dem Düsenkörper verankert und löst sich deutlich schwerer als die „frisches“ zu druckendes Material, insbesondere Tinte.Preferably, at least one of the conductor structures can be applied by printing or by laser structuring. Vacuum processes such as vapor deposition, in particular PVD (Physical Vapor Deposition) and/or CVD (Chemical Vapor Deposition), are also conceivable, as are known for particularly fine structures in semiconductor manufacturing. Known and common methods for applying conductor structures to a substrate can therefore also be used within the scope of the present invention in order to realize them with low complexity. To obtain printed conductor tracks as conductor structures, it can be provided that they are first printed wider and then the desired width is produced by laser ablation. Preferably, in particular in a print head arrangement for conductor track printing, the material to be printed and the material used for printing, in particular 3D printing, the conductor tracks are different. This prevents solvents and/or other components of the material to be printed from attacking the at least one conductor structure. In this context, regardless of this, particularly when using the same material for the conductor structures and as the material to be printed, it may also be expedient for the at least one conductor structure to be burned and/or cured into the underlying surface. For example, a particularly long sintering time may be provided to ensure the longevity of the conductor structures. The material of the at least one conductor structure is ideally anchored in the nozzle body in a mechanically robust manner by the sintering process and is significantly more difficult to remove than the "fresh" material to be printed, particularly ink.
Insbesondere beim Druck auf Keramikoberflächen des Düsenkörpers kann es zweckmäßig sein, die wenigstens eine der Leiterstrukturen durch LDS (Laserdirektstrukturierung) direkt auf die, insbesondere schwarze bzw. geschwärzte, Oberfläche der Keramik aufzubringen. Auf diese Weise werden besonders lang haltbare, resistente Leiterstrukturen geschaffen, die eine hohe Lebenszeit des Sensors ermöglichen.Particularly when printing on ceramic surfaces of the nozzle body, it may be advantageous to apply at least one of the conductor structures directly to the ceramic surface, particularly a black or blackened one, using LDS (laser direct structuring). This creates particularly durable, resistant conductor structures that enable a long sensor lifespan.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es vorteilhaft sein, die wenigstens eine Leiterstruktur direkt an dem Düsenkörper vorzusehen. Denkbar ist es im Rahmen der Erfindung jedoch auch, dass wenigstens eine der Leiterstrukturen auf einer über den Düsenkörper gespannten, elektrisch isolierenden Folie ausgebildet ist, wobei die Folie eine mit der Austrittsöffnung korrespondierende Durchgangsöffnung aufweist. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die wenigstens eine Leiterstruktur, bevorzugt beide Leiterstrukturen, des Sensors als ein kostengünstig und einfach herstellbares Zusatzteil bereitgestellt werden, welches beispielsweise über den Düsenkörper gespannt werden kann, um die zusätzliche Funktionalität zur Detektion von Materialansammlungen bei Bedarf einfach bereitzustellen. Die Folie mit der wenigstens einen Leiterstruktur ist zudem einfach austauschbar. Um eine vereinfachte Positionierbarkeit zu erlauben, kann die Durchgangsöffnung, zumindest leicht, größer als die Austrittsöffnung sein. Beispielsweise ist eine 1,5- bis 5-fache Größe denkbar.Within the scope of the present invention, it may be advantageous to provide the at least one conductor structure directly on the nozzle body. However, it is also conceivable within the scope of the invention for at least one of the conductor structures to be formed on an electrically insulating film stretched over the nozzle body, wherein the film has a through-opening corresponding to the outlet opening. Such a configuration has the advantage that the at least one conductor structure, preferably both conductor structures, of the sensor are provided as a cost-effective and easy-to-manufacture additional part, which can, for example, be stretched over the nozzle body in order to easily provide the additional functionality for detecting material accumulations as needed. The film with the at least one conductor structure is also easily replaceable. To allow simplified positioning, the through-opening can be at least slightly larger than the outlet opening. For example, a size of 1.5 to 5 times is conceivable.
In einer konkreten Ausgestaltung dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Folie einen tiefgezogenen, mit der Form des Düsenkörpers um die Austrittsöffnung übereinstimmenden Anteil aufweist. Auf diese Weise wird das durch die Folie mit der wenigstens einen Leiterstruktur gebildete Zusatzteil auf einfache Weise korrekt positioniert und ist auch anderweitig einfach anzubringen und wieder zu entfernen. Durch die insbesondere mit der mechanischen Spannung kombinierte Passform wird das Eintreten von zu druckendem Material zwischen Folie und Düsenkörper verbessert vermieden.In a specific embodiment of this design, the film can have a deep-drawn portion that matches the shape of the nozzle body around the outlet opening. In this way, the additional part formed by the film with the at least one conductor structure is easily positioned correctly and is also otherwise easy to attach and remove. The fit, particularly combined with the mechanical tension, effectively prevents the material to be printed from entering between the film and the nozzle body.
Ferner kann in zweckmäßiger Weiterbildung dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Folie lösbar mittels wenigstens zwei Befestigungsmitteln, insbesondere Schrauben, an einem Grundkörper der Druckkopfanordnung befestigt ist. Die Befestigungsmittel können hierbei die mechanische Spannung bereitstellen. Es lässt sich eine einfache Montierbarkeit, Demontierbarkeit und somit Austauschbarkeit erreichen. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die elektrisch leitenden Befestigungsmittel zur elektrischen Verbindung der wenigstens einen Leiterstruktur der Folie mit der Auswertungseinrichtung angeordnet sind. Die Befestigungsmittel, insbesondere die Schrauben, dienen dann also einer Doppelfunktion, zum einen dem Befestigen und Bereitstellen der Spannung der Folie über den Düsenkörper, zum anderen der Weiterleitung der zu messenden elektrischen Signale an die Auswertungseinrichtung. Die Befestigungsmittel können, allgemein gesprochen, mit einem Adapter des Druckkopfes zusammenwirken, insbesondere dann, wenn eine nicht tiefgezogene Folie verwendet wird, die über den Düsenkörper an der Austrittsöffnung zu spannen ist.Furthermore, in an expedient development of this embodiment, it can be provided that the film is detachably fastened to a base body of the print head assembly by means of at least two fastening means, in particular screws. The fastening means can provide the mechanical tension. This allows for easy assembly, disassembly, and thus interchangeability. In this context, it is particularly advantageous if the electrically conductive fastening means are arranged to electrically connect the at least one conductor structure of the film to the evaluation device. The fastening means, in particular the screws, then serve a dual function: firstly, to fasten and provide the tension of the film via the nozzle body, and secondly, to transmit the electrical signals to be measured to the evaluation device. Generally speaking, the fastening means can interact with an adapter of the print head, particularly when a non-deep-drawn film is used, which is to be tensioned over the nozzle body at the outlet opening.
Für die Folie ist eine Vielzahl von Materialien denkbar. Vorzugsweise kann die Folie aus Polyimid bestehen. Es können jedoch auch andere, insbesondere wenigstens teilweise flexible, jedoch nur gering dehnbare, Materialien verwendet werden. Insbesondere dann, wenn ein Tiefziehen erfolgen soll, kann als Folienmaterial Polycarbonat oder Polyethylenterephthalat vorteilhaft sein.A variety of materials are conceivable for the film. The film is preferably made of polyimide. However, other materials, particularly those that are at least partially flexible but only slightly stretchable, can also be used. Polycarbonate or polyethylene terephthalate can be advantageous as film materials, particularly if deep-drawing is to be performed.
In einem ersten konkreten Ausführungsbeispiel dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Zweifolienstruktur verwendet wird, wobei die Zuleitungen der beiden Leiterstrukturen auf unterschiedlichen Folien angeordnet sind, oder eine einzige Folie verwendet wird, bei der die Zuleitungen der beiden Leiterstrukturen auf unterschiedlichen, gegenüberliegenden Oberflächen der Folie vorgesehen sind. Beispielsweise können die Leiterstrukturen ein Sternmuster aus radial bezogen auf die Austrittsöffnung verlaufenden Leiterbahnen bilden, bei dem immer abwechselnd eine Leiterbahn des Sternmusters mit einem Verbindungsleiter der von dem Düsenkörper abgewandten Folie oder Oberfläche zur Bildung der ersten Leiterstruktur und eine Leiterbahn des Sternmusters auf die andere, dem Düsenkörper zugewandte Folie oder Oberfläche durchkontaktiert und mit einem Verbindungsleiter zur Bildung der zweiten Leiterstruktur verbunden wird. Bei einer einzigen Folie werden Durchkontaktierungen (Vias) verwendet. Dies kann auch bei anderen Ausgestaltungen der Leiterstrukturen zweckmäßig sein, um beispielsweise eine Struktur einer Oberfläche ohne Kreuzung zu überbrücken. Kurzschlüsse mit metallischen Komponenten bei Verwendung einer einzigen Folie können durch Lötstopplack, der beispielsweise überall außerhalb der sensorrelevanten Leiterflächen und der Kontaktierungsstellen vorgesehen sein kann, verhindert werden.In a first specific exemplary embodiment of this embodiment, it can be provided that a two-foil structure is used, wherein the supply lines of the two conductor structures are arranged on different foils, or that a single foil is used, in which the supply lines of the two conductor structures are provided on different, opposite surfaces of the foil. For example, the conductor structures can form a star pattern of conductor tracks running radially relative to the outlet opening, in which a conductor track of the star pattern is alternately plated through to a connecting conductor of the foil or surface facing away from the nozzle body to form the first conductor structure, and a conductor track of the star pattern is alternately plated through to the other foil or surface facing the nozzle body and connected to a connecting conductor to form the second conductor structure. With a single foil, through-contacts (vias) are used. This can also be expedient with other configurations of the conductor structures, for example to bridge a structure of a surface without crossing. Short circuits with metallic components when using a single foil can be prevented by solder mask, which can be provided, for example, anywhere outside the sensor-relevant conductor surfaces and the contact points.
In einem zweiten konkreten Ausführungsbeispiel dieser Ausführungsform wird eine einzige Folie mit einer der Leiterstrukturen gebildet, während ein elektrisch leitender Anteil des Düsenkörpers die andere Leiterstruktur bereitstellt und/oder diese innerhalb der Düse und/oder der Zuführung für das zu druckende Material angeordnet ist. In diesem Fall kann mithin eine einfachere Ausgestaltung durch Nutzung der elektrisch leitfähigen Düse selbst als Leiterstruktur und/oder durch Fortsetzung einer innerhalb der Düse und/oder der Zuführung angeordneten Leiterstruktur mittels des zu druckenden Materials erreicht werden. Insbesondere kann die elektrisch isolierende Folie die elektrische Isolation bereitstellen, soweit nötig.In a second specific embodiment of this embodiment, a single film is formed with one of the conductor structures, while an electrically conductive portion of the nozzle body provides the other conductor structure and/or this is arranged within the nozzle and/or the feed for the material to be printed. In this case, a simpler design can be achieved by using the electrically conductive nozzle itself as a conductor structure and/or by continuing a conductor structure arranged within the nozzle and/or the feed by means of the material to be printed. In particular, the electrically insulating film can provide the electrical insulation, if necessary.
Generell kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Leiterstrukturen eine sich kreisförmig um die insbesondere kreisförmige Austrittsöffnung erstreckende Leiterbahn oder Leiterfläche aufweist. Auf diese Weise können besonders einfach vollständige 360° um die Austrittsöffnung als Detektionsbereich abgedeckt werden, sowohl für die resistive als auch für die kapazitive Messung.Generally, at least one of the conductor structures can have a conductor track or conductor surface extending in a circle around the particularly circular exit opening. This makes it particularly easy to cover a complete 360° around the exit opening as a detection area, both for resistive and capacitive measurements.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass beide Leiterstrukturen sich konzentrisch, insbesondere mit einem Abstand von 0,25 bis 2,5 mm, kreisförmig um die Austrittsöffnung erstrecken, wobei insbesondere eine innere der Leiterstrukturen unmittelbar an die Austrittsöffnung anschließt. Dabei ist es sowohl denkbar, dass die innere der Leiterstrukturen durch einen elektrisch leitfähigen Anteil des Düsenkörpers gebildet wird, als auch, dass sich zwei aufgebrachte, beispielsweise aufgedruckte, Leiterbahnen konzentrisch um die Austrittsöffnung erstrecken. Bei einer resistiven Messung sind kleinere Abstände, also eine kürzere Abstandsstrecke, bevorzugt, solange ein Teil der Abstandsstrecke außerhalb des Toleranzbereichs, wie diskutiert, liegt. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den konzentrischen, ringförmigen Leiterstrukturen kleiner als 2 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,1 oder sogar 0,05 mm, sein.In a specific embodiment, it can be provided that both conductor structures extend concentrically, in particular with a distance of 0.25 to 2.5 mm, in a circle around the outlet opening, with in particular an inner one of the conductor structures directly adjoining the outlet opening. It is conceivable that the inner one of the conductor structures is formed by an electrically conductive portion of the nozzle body, or that two applied, for example printed, conductor tracks extend concentrically around the outlet opening. In the case of a resistive measurement, smaller distances, i.e. a shorter distance, are preferred as long as part of the distance lies outside the tolerance range, as discussed. For example, the distance between the concentric, annular conductor structures can be less than 2 mm, preferably less than 1 mm, particularly preferably less than 0.1 or even 0.05 mm.
Alternativ hierzu kann, wie bezüglich der Ausgestaltung mit einer Folie schon erläutert, vorgesehen sein, dass die Leiterstrukturen bezogen auf die, insbesondere kreisförmige, Austrittsöffnung sternförmig verlaufende, radiale Leiterbahnen umfassen, wobei in Umfangsrichtung die Leiterbahnen alternierend den Leiterstrukturen zugeordnet sind. Auf diese Weise wird ebenso eine hervorragende Winkelabdeckung erreicht, wobei zudem durch die radiale Länge der Strukturen auch bei nur einen Winkelbereich betreffender Materialansammlung dennoch eine robuste Detektion ermöglicht wird. Konkret kann vorgesehen sein, dass 10 bis 20, insbesondere 16, radiale Leiterbahnen vorgesehen sind und/oder dass die Leiterbahnen in einem Abstand von 0,25 bis 1 mm von der Austrittsöffnung beginnen. Insbesondere in einer derartigen Ausgestaltung ist die sternförmige Anordnung bevorzugt, da Versuche frühzeitigere Detektion der Materialansammlung als bei konzentrischen Kreisen gezeigt haben.Alternatively, as already explained with regard to the design with a film, it can be provided that the conductor structures comprise radial conductor tracks running in a star shape with respect to the, in particular circular, outlet opening, wherein the conductor tracks are alternately assigned to the conductor structures in the circumferential direction. In this way, excellent angular coverage is also achieved, wherein, in addition, the radial length of the structures still enables robust detection even when the material accumulation only affects one angular range. Specifically, it can be provided that 10 to 20, in particular 16, radial conductor tracks are provided and/or that the conductor tracks begin at a distance of 0.25 to 1 mm from the outlet opening. In particular, in such a design The star-shaped arrangement is preferred because tests have shown earlier detection of material accumulation than with concentric circles.
Allgemein kann gesagt werden, dass die Auswertungseinrichtung auf einer in einem Gehäuse aufgenommenen Leiterplatte realisiert werden kann. Dabei kann die Leiterplatte bzw. der die Auswertungseinrichtung realisierende Leiterplattenabschnitt klein gehalten sein, beispielsweise mit einer Fläche von etwa 1 cm2. Das bedeutet, auch die Auswertungseinrichtung kann platzsparend als eigenes Bauteil, oder aber in Kombination mit einem anderen Bauteil der Druckkopfanordnung realisiert sein.In general, it can be said that the evaluation device can be implemented on a printed circuit board housed in a housing. The printed circuit board or the section of the printed circuit board that implements the evaluation device can be kept small, for example, with an area of approximately 1 cm² . This means that the evaluation device can also be implemented as a separate component, or in combination with another component of the print head assembly, in a space-saving manner.
Bei einer resistiven Messung sieht eine bevorzugte Ausgestaltung vor, dass die Auswertungseinrichtung eine Signalerzeugungseinheit umfasst, die bei einem einen Schwellwert überschreitenden Strom durch einen die Leiterstrukturen verbindenden Stromkreis ein das Vorliegen einer Ansammlung anzeigendes Signal ausgibt. Beispielsweise kann der Sensor durch die Leiterstrukturen, die Abstandsstrecke und die Signalerzeugungseinheit, insbesondere gemeinsam mit einem Verstärker, einen Spannungsteiler als Messmittel bilden. An dem Spannungsteiler liegt eine Spannung an, von der bei sinkendem Widerstand über der Abstandsstrecke, insbesondere nach Verstärkung, ein größerer Anteil über der Signalerzeugungseinheit abfällt, so dass dort diese Erniedrigung des Widerstands gemessen werden kann und das Signal erzeugt werden kann. Das Signal kann dabei rein optisch sein, beispielsweise bei einer LED als Signalerzeugungseinheit, die durch den resultierenden Stromfluss als Hinweis zu leuchten beginnt. Bevorzugt ist allerdings die Erzeugung eines elektrischen, digitalen oder analogen Signals, das weiterverarbeitet werden kann.In a resistive measurement, a preferred embodiment provides that the evaluation device comprises a signal generating unit which, when the current through a circuit connecting the conductor structures exceeds a threshold value, outputs a signal indicating the presence of a buildup. For example, the sensor can form a voltage divider as a measuring means through the conductor structures, the spacing section, and the signal generating unit, in particular together with an amplifier. A voltage is applied to the voltage divider, a larger portion of which drops across the signal generating unit as the resistance across the spacing section decreases, in particular after amplification, so that this reduction in resistance can be measured there and the signal can be generated. The signal can be purely optical, for example, with an LED as the signal generating unit, which begins to glow as a signal due to the resulting current flow. However, the generation of an electrical, digital, or analog signal that can be further processed is preferred.
So kann in einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Druckkopfanordnung eine Reinigungseinrichtung zum Reinigen der Düse umfasst, wobei die Auswertungseinrichtung oder eine mit der Auswertungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Reinigungseinrichtung zur Reinigung der Düse bei einer detektierten Materialansammlung, insbesondere bei Vorliegen des Signals, ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine Reinigung bevorzugt immer dann (und nur dann) durchgeführt, wenn sie notwendig ist, also auch eine Materialansammlung vorliegt, die das Druckergebnis beeinträchtigen könnte. Beispielsweise kann die Signalerzeugungseinheit zur Ansteuerung der Reinigungseinrichtung direkt mit dieser verbunden sein; bevorzugt erfolgt die Ansteuerung jedoch über eine Steuereinrichtung, an die die Signalerzeugungseinheit das Signal, das die detektierte Materialansammlung anzeigt, weitergibt. Die Steuereinrichtung kann dann, solange die Reinigung läuft, einen Druckvorgang unterbrechen.Thus, in a particularly preferred development of the invention, the print head arrangement can comprise a cleaning device for cleaning the nozzle, wherein the evaluation device or a control device connected to the evaluation device is designed to control the cleaning device for cleaning the nozzle when a material accumulation is detected, in particular when the signal is present. In this way, cleaning is preferably always carried out (and only when) it is necessary, i.e. when there is a material accumulation that could impair the print result. For example, the signal generation unit for controlling the cleaning device can be directly connected to the latter; however, control is preferably via a control device to which the signal generation unit forwards the signal indicating the detected material accumulation. The control device can then interrupt a printing process while the cleaning is in progress.
Die Steuereinrichtung kann, wie grundsätzlich bei Druckeinrichtungen bekannt, eine CNC-Einrichtung (Computerized Numerical Control-Einrichtung) der Druckeinrichtung, zu der die Druckkopfanordnung gehört, sein oder umfassen. Sie kann den Betrieb der Druckkopfanordnung bzw. der Druckeinrichtung insgesamt steuern, beispielsweise zum Erreichen eines Druckziels. Während eines Druckvorgangs, der durch ein entsprechendes Druckprogramm gesteuert sein kann, kann mittels des Sensors überwacht werden, ob eine Materialansammlung vorliegt, und bei deren Vorliegen der Druckvorgang unterbrochen und Reinigungseinrichtung zur Reinigung angesteuert werden kann.The control device can, as is generally known for printing devices, be or include a CNC (Computerized Numerical Control) device of the printing device, to which the print head assembly belongs. It can control the operation of the print head assembly or the printing device as a whole, for example, to achieve a print target. During a printing process, which can be controlled by a corresponding printing program, the sensor can be used to monitor whether a material buildup is present. If this is present, the printing process can be interrupted and the cleaning device can be activated for cleaning.
Die Reinigungseinrichtung kann beispielsweise ein die Materialansammlung abstreifendes, insbesondere saugfähiges und/oder mit einem Lösungsmittel versehenes, Papier aufweisen, welches an der Austrittsöffnung abstreifend vorbeibewegt wird. Auch andere Varianten der Reinigungseinrichtung, beispielsweise mit Bürsten, Schwämmen oder Abspritzmitteln, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Prinzipiell können alle, grundsätzlich im Stand der Technik bekannten, Ausgestaltungen für Reinigungseinrichtungen auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.The cleaning device can, for example, comprise a paper strip, particularly one that is absorbent and/or contains a solvent, that wipes off the accumulated material and is moved past the outlet opening in a wiping action. Other variants of the cleaning device, for example, with brushes, sponges, or spraying agents, are also conceivable within the scope of the present invention. In principle, all designs for cleaning devices known in the prior art can also be used within the scope of the present invention.
Zweckmäßigerweise kann die Auswertungseinrichtung ein das Vorliegen einer Materialansammlung anzeigendes Leuchtmittel, insbesondere eine LED, aufweisen, das insbesondere bei einer resistiven Messung durch einen Strom durch einen die Leiterstrukturen verbindenden Messabschnitt betrieben wird. Mithin kann das Leuchtmittel die oder auch bevorzugt eine der Signalerzeugungseinheiten sein. Denkbar ist es selbstverständlich auch, dass bei Vorliegen des das Vorliegen einer Materialansammlung anzeigenden, elektrischen Signals die Auswertungseinrichtung und/oder die Steuereinrichtung das Leuchtmittel aktiviert. Damit ist auch eine visuelle Anzeige und somit verbesserte Information eines den Betrieb der Druckanordnung überwachenden Benutzers möglich. Falls keine automatische Ansteuerung der Reinigungseinrichtung erfolgt, kann der Benutzer sie entsprechend aktivieren. Es sei angemerkt, dass auch ein akustischer Hinweis alternativ oder zusätzlich ausgegeben werden kann. Zusätzlich oder alternativ ist zudem eine Protokollierung, beispielsweise in einem Fehlerspeicher, möglich.The evaluation device can expediently have a light source, in particular an LED, which indicates the presence of a material accumulation and which is operated, particularly in the case of a resistive measurement, by a current through a measuring section connecting the conductor structures. The light source can therefore be the signal generating unit, or preferably one of the signal generating units. It is of course also conceivable that, when the electrical signal indicating the presence of a material accumulation is present, the evaluation device and/or the control device activates the light source. This also enables a visual display and thus improved information for a user monitoring the operation of the printing arrangement. If the cleaning device is not automatically activated, the user can activate it accordingly. It should be noted that an acoustic indication can also be issued alternatively or additionally. Additionally or alternatively, logging is also possible, for example in an error memory.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Auswertungseinrichtung zumindest teilweise in einer Steuereinheit zur Ansteuerung eines den Materialausstoß durch die Düse bewirkenden Aktors integriert ist. Auf diese Weise werden mehrere Funktionalitäten in der Steuereinheit vereint und es ist eine integrative, bauraumsparende Lösung geschaffen. Insbesondere kann die Auswertungseinrichtung auf einer Leiterplatte der Steuereinheit, die auch entsprechende Steuermittel trägt, realisiert sein und/oder eine Verbindungsschnittstelle der Steuereinheit zu einer bzw. der Steuereinrichtung mitnutzen.In an expedient further development, it can be provided that the evaluation device is at least partially integrated in a control unit for controlling a material output by the The actuator that causes the nozzle is integrated. In this way, several functionalities are combined in the control unit, creating an integrated, space-saving solution. In particular, the evaluation device can be implemented on a circuit board of the control unit, which also carries the corresponding control means, and/or can use a connection interface of the control unit to a control device.
Neben der Druckkopfanordnung betrifft die Erfindung auch eine Druckeinrichtung, insbesondere einen 3D-Drucker, aufweisend eine Druckkopfanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche. Sämtliche Ausführungen zur erfindungsgemäßen Druckkopfanordnung lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Druckeinrichtung übertragen, so dass mit dieser ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können. Insbesondere kann die Druckeinrichtung, beispielsweise als 3D-Drucker und/oder Druckeinrichtung für elektrische Leiterbahnen, genau eine Druckanordnung pro zu druckendes Objekt, insbesondere pro Objektträger, aufweisen, die genau eine Düse aufweist.In addition to the print head assembly, the invention also relates to a printing device, in particular a 3D printer, comprising a print head assembly according to one of the preceding claims. All embodiments of the print head assembly according to the invention can be applied analogously to the printing device according to the invention, so that the aforementioned advantages can also be achieved with it. In particular, the printing device, for example as a 3D printer and/or printing device for electrical conductor tracks, can have exactly one printing assembly per object to be printed, in particular per object slide, which printing assembly has exactly one nozzle.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein automatisches Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Druckkopfanordnung, bei dem mittels des Sensors der Widerstand und/oder die Kapazität zwischen den Leiterstrukturen gemessen wird und außen um die Austrittsöffnung auftretende Materialansammlungen des zu druckenden Materials aufgrund von Veränderungen des Widerstands und/oder der Kapazität zwischen den Leiterstrukturen detektiert werden. Auch auf das Verfahren können sämtliche Ausführungen zur Druckkopfanordnung und zur Druckeinrichtung entsprechend übertragen werden. Insbesondere kann das Verfahren zum 3D-Druck, beispielsweise zum Leiterbahndruck, verwendet werden. Bei Detektion einer Materialansammlung kann, wie oben beschrieben, ein Druckvorgang unterbrochen und eine Reinigungseinrichtung zur Reinigung der Düse angesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ausgabe eines Hinweises an einen Benutzer erfolgen, insbesondere durch Ansteuerung/Betrieb eines Leuchtmittels.Finally, the invention also relates to an automatic method for operating a print head arrangement according to the invention, in which the resistance and/or capacitance between the conductor structures is measured by means of the sensor and accumulations of material of the material to be printed occurring outside the outlet opening are detected due to changes in the resistance and/or capacitance between the conductor structures. All statements regarding the print head arrangement and the printing device can also be applied accordingly to the method. In particular, the method can be used for 3D printing, for example for printed circuit board printing. Upon detection of an accumulation of material, a printing process can be interrupted, as described above, and a cleaning device for cleaning the nozzle can be activated. Alternatively or additionally, a message can be output to a user, in particular by controlling/operating a lighting device.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
-
1 schematisch eine erfindungsgemäße Druckeinrichtung, -
2 eine Prinzipskizze eines Druckkopfs der Druckeinrichtung der1 , -
3 eine Aufsicht auf den Düsenkörper des Druckkopfes, -
4 eine alternative, zweite Ausgestaltung von Leiterstrukturen, -
5 ein Ausführungsbeispiel eines Schaltplans eines Sensors der Druckeinrichtung, -
6 eine Materialansammlung auf einem Düsenkörper, -
7 eine Prinzipskizze zur Erläuterung eines kapazitiven Messprinzips, -
8 eine alternative, dritte Ausgestaltung von Leiterstrukturen für eine kapazitive Messung, -
9 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Druckkopfes bei Verwendung einer Folie, -
10 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Druckkopfes bei Verwendung einer Folie, -
11 eine alternative, vierte Ausgestaltung von Leiterstrukturen, -
12 schematisch eine Realisierung der Leiterstruktur der11 in einer Zweifolienstruktur, -
13 schematisch eine Realisierung der Leiterstruktur der11 mit einer einzigen Folie, und -
14 eine alternative, fünfte Ausgestaltung von Leiterstrukturen.
-
1 schematically shows a printing device according to the invention, -
2 a schematic diagram of a print head of the printing device of the1 , -
3 a top view of the nozzle body of the print head, -
4 an alternative, second design of conductor structures, -
5 an embodiment of a circuit diagram of a sensor of the printing device, -
6 a material accumulation on a nozzle body, -
7 a schematic diagram to explain a capacitive measuring principle, -
8 an alternative, third design of conductor structures for capacitive measurement, -
9 a first embodiment of a print head using a foil, -
10 a second embodiment of a print head using a foil, -
11 an alternative, fourth design of ladder structures, -
12 schematic representation of the conductor structure of the11 in a two-foil structure, -
13 schematic representation of the conductor structure of the11 with a single foil, and -
14 an alternative, fifth design of ladder structures.
Die Druckeinrichtung 1 ist ausgebildet, auch hochviskoses zu druckendes Material, insbesondere hochviskose Tinten, zu verwenden. Beispielsweise können leitfähige Tinten als zu druckendes Material verwendet werden, um Leiterbahnen zu drucken.The printing device 1 is designed to also use highly viscous printing materials, in particular highly viscous inks. For example, conductive inks can be used as the printing material to print circuit tracks.
Bei einem Druckvorgang kann es geschehen, dass sich zu druckendes Material außen am Düsenkörper neben der Austrittsöffnung der Düse ansammelt (sogenanntes „Wetting“). Derartige Materialansammlungen können den Druckvorgang negativ beeinflussen. Daher weist die Druckkopfanordnung 3 einen Sensor 8, um Materialansammlungen außen an der Düse 5 zu detektieren, und eine Reinigungseinrichtung 9 zum Entfernen solcher Materialansammlungen auf. Detektiert der Sensor 8 eine Materialansammlung außen auf der Düse 5, also „Wetting“, informiert er die Steuereinrichtung 7, welche einen aktuellen Druckvorgang unterbricht und die Reinigungseinrichtung 9 entsprechend zur Reinigung der Düse 5 ansteuert. Die Reinigungseinrichtung 9 weist vorliegend ein die Materialansammlung abstreifendes, insbesondere saugfähiges und/oder mit einem Lösungsmittel versehenes, Papier auf, welches an der Austrittsöffnung abstreifend vorbeibewegt wird. Es wird zudem ein Leuchtmittel 10, hier eine LED 11, angesteuert, um einem Benutzer zu informieren.During a printing process, it can happen that material to be printed accumulates on the outside of the nozzle body next to the nozzle outlet opening (so-called "wetting"). Such material accumulations can negatively influence the printing process. Therefore, the
Die Auswertungseinrichtung 14 weist ein Messmittel zur Messung des Widerstands und/oder der Kapazität zwischen zwei gegeneinander elektrisch isolierten, außen um die Austrittsöffnung 15 angeordneten Leiterstrukturen auf. Basierend auf Veränderungen des Widerstands und/oder der Kapazität zwischen den Leiterstrukturen ist die Auswertungseinrichtung 14 zur Detektion der Materialansammlungen ausgebildet.The
Die Leiterbahnen 19, 20, 21, 22 können beispielsweise durch Druck oder durch Laserdirektstrukturierung (LDS) aufgebracht sein. Zum Erhalt gedruckter Leiterbahnen 19, 20, 21, 22 als Leiterstrukturen 17, 18 kann vorgesehen sein, diese zunächst breiter drucken und dann mittels Laserablation die gewünschte Breite herzustellen. Die Leiterbahnen 19, 20, 21, 22 können in die darunter liegende Oberfläche eingebrannt und/oder ausgehärtet sein. Insbesondere beim Druck auf Keramikoberflächen des Düsenkörpers 16 kann es zweckmäßig sein, die Leiterbahnen 17, 18, 19, 20 durch LDS direkt auf die, insbesondere schwarze bzw. geschwärzte, Oberfläche der Keramik aufzubringen. Ist der Düsenkörper 16 insgesamt um die Austrittsöffnung 15 elektrisch leitend ausgebildet, kann eine elektrisch isolierende Beschichtung vorgesehen werden, auf die die Leiterbahnen 17, 18, 19, 20 aufgebracht sind.The conductor tracks 19, 20, 21, 22 can be applied, for example, by printing or by laser direct structuring (LDS). To obtain printed conductor tracks 19, 20, 21, 22 as
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass statt der inneren Leiterbahn 19 die Leiterstruktur 17 auch durch einen elektrisch leitenden Anteil des Düsenkörpers 16 gebildet werden kann. Dann ist auch der Verbindungsleiter 21 nicht zwangsläufig nötig, da der Anschluss anderweitig erfolgen kann.It should be noted at this point that instead of the
Bei der vorliegend vorgesehenen resistiven Messung ist eine Abstandsstrecke 23 zwischen den Leiterstrukturen 17, 18 vorgesehen. Bei Überdeckung der Abstandsstrecke 23 für zumindest einen Winkelbereich wird dort eine elektrisch leitfähigere, also einen geringeren Widerstand aufweisende Verbindung zwischen den Leiterstrukturen 17, 18 gebildet. Dieser Effekt ist messbar. Hierzu weist die Auswertungseinrichtung 14 ein Messmittel 24 auf, von dem eine beispielhafte Ausgestaltung
Das Messmittel 24 ist vorliegend im Wesentlichen als ein Spannungsteiler ausgebildet, der allerdings auch einen Verstärker 25 umfasst, um über die Abstandsstrecke 23 zwischen den hier nur angedeuteten Leiterstrukturen 17, 18 fließenden Strom zu verstärken. Der Verstärker 25 umfasst vorliegend eine Darlington-Schaltung mit zwei bipolaren NPN-Transistoren T1, T2 bzw. 26, kann aber auch anderweitig realisiert sein, beispielsweise über einen entsprechenden Operationsverstärker.In this case, the measuring
Aufgrund des Verstärkers 25 liegt auch bei schlecht (oder nominell sogar nicht) leitfähigen, zu druckenden Materialien bei Stromfluss durch diese auch ein messbarer Effekt in einem Messzweig 27 vor, der eine Signalerzeugungseinheit 28 umfasst. Eine Spannungsquelle 30 stellt eine Betriebsspannung, beispielsweise im Bereich von 5 bis 24 V, bereit. Sinkt der Widerstand über die Abstandsstrecke 23 zwischen den Leiterstrukturen 17, 18, insbesondere unter einen Schwellwert, steht genügend Spannung für einen Stromfluss in dem Messzweig 27 bereit, so dass die Signalerzeugungseinheit 28 ein Signal ausgibt, das das Vorliegen einer Materialansammlung außen an dem Düsenkörper 16 anzeigt. Dieses wird vorliegend an die Steuereinrichtung 7 übermittelt, so dass diese den Druckvorgang unterbrechen und die Reinigungseinrichtung 9 zum Reinigen der Düse 5 ansteuern kann. Nach dem Reinigungsvorgang wird der Druckvorgang fortgesetzt.Due to the
Eine Situation mit einer Materialansammlung 29 bezüglich kreisförmiger Leiterbahnen 19, 20, die detektiert werden kann, ist in
Allgemein gesprochen kann die Auswertungseinrichtung 14 auch konfigurierbar bzw. kalibrierbar sein, wenn unterschiedliche zu druckende Materialien verwendet werden. Beispielsweise können im rein illustrativen Beispiel der
Neben einer resistiven Messung ist auch eine kapazitive Messung denkbar, bei der die Kapazität zwischen den Leiterstrukturen 17, 18 durch das, insbesondere dielektrische, zu druckende Material verändert wird.
Die Leiterstrukturen 17, 18 sind, insbesondere wiederum als Leiterbahnen 19, 20, 21, 22 auf die (nicht elektrisch leitende) Folie 33 aufgebracht. Die Leiterstrukturen 17, 18 und die Folie bilden ein leicht austauschbares, kostengünstiges Zusatzteil.The
Die Ausführungsform mit einer Folie 33 lässt sich sowohl für eine resistiven Messung als auch für eine kapazitive Messung verwenden.The embodiment with a
Gemäß
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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EP 3 369 575 A1 [0007]
EP 3 369 575 A1 [0007] - EP 1 092 543 A2 [0007]EP 1 092 543 A2 [0007]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Kye-Si Kwon et al, „Inkjet jet failures and their detection using piezo self-sensing“, Sensors and Actuators A: Physical 201 (2013), Seiten 335 [0007]Kye-Si Kwon et al, “Inkjet jet failures and their detection using piezo self-sensing”, Sensors and Actuators A: Physical 201 (2013), pages 335 [0007]
Claims (15)
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| R081 | Change of applicant/patentee |
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