Технология струйной печати изначально была изобретена для нанесения водных чернил на бумагу в «избирательных» положениях, основанных только на свойствах чернил. Сопла и чернила для струйной печати были разработаны вместе, и производительность струйной печати основывалась на конструкции. Она использовалась в качестве регистратора данных в начале 1950-х годов [1] , позднее в 1950-х годах чернила на основе сорастворителя в издательской промышленности были замечены для текста и изображений, затем чернила на основе растворителя появились в промышленной маркировке на специализированных поверхностях, а в 1990-х годах чернила с изменением фазы или термоплавкие чернила [1] стали популярными в области изображений и цифрового изготовления [2] электронных и механических устройств, особенно ювелирных изделий. [2] Хотя термины «струйная печать», «технология струйной печати» и «струйная печать» обычно используются взаимозаменяемо, струйная печать обычно относится к издательской промышленности, используемой для печати графического контента, в то время как промышленная струйная печать обычно относится к изготовлению общего назначения путем осаждения частиц материала.
Многие компании работали со струйной печатью на протяжении многих лет. Было выдано множество патентов, и эта технология использовалась в ряде продуктов. Основной формой струйной печати было одно сопло с жидкостью, проталкиваемой под давлением, вытягиваемой из него электрическим потенциалом или выталкиваемой с помощью пьезоэлектрического преобразователя. В этом введении сначала будут рассмотрены односопловые струйные принтеры. Технология струйной печати была впервые разработана Teletype Corporation [3] в 1960-х годах, которая представила «электронную тягу», извлечение высокого падения напряжения из сопла, Inktronic Teleprinter в 1965 году, печатающий со скоростью 120 символов в секунду (cps) из ряда из 40 струйных принтеров, используя патент Чарльза Р. Уинстона, Метод и устройство для переноса чернил, 1962, US3,060,429. Teletype экспериментировал с «горячеплавкими» восковыми чернилами, как описано в патенте Teletype Йоханнеса Ф. Готвальда, Liquid Metal Recorder, 1971, US 3,596,285, который выводит изготовленный металлический символ (биржевые символы и котировки), который можно снять с конвейерного носителя, а сплав висмута использовать повторно при желании. Использование горячеплавких чернил с новой технологией струйной печати Drop-On-Demand (изобретенной Золтаном в 1972 году) с этими чернилами не будет снова видно до 1984 года в Howtek и Exxon. [3]
Howtek была основана как RH Research в 1982 году Робертом Говардом после успешного развития Centronics [ 3] [4] — первой компании по производству матричных принтеров с соленоидным приводом и ленточным приводом в 1968 году. Говард подсчитал, что его матричный принтер с соленоидным приводом [3] был в 10–20 раз быстрее, чем Teletype . Говард тестировал создание точек на бумаге с помощью ультразвукового звука в конце 1960-х годов, но не развивал эту идею до тех пор, пока примерно 20 лет спустя в 1984 году в Howtek он не нанял 6 ключевых сотрудников из Exxon для разработки своей идеи цветного струйного принтера с термоплавким чернилом.
Компания Exxon Office Systems (EOS), Брукфилд, Коннектикут, окунулась в бизнес безударных принтеров в конце 1970-х годов и инвестировала до 2 миллиардов долларов. [3] Патентные записи показывают длинный список сотрудников, занимающихся печатью в EOS, Exxon Enterprises, Danbury Systems Division, начиная с 1978 года, включая Кена Бауэра, который был нанят Exxon для основания инженерного отдела в Exxon Enterprises. Первой работой Кена после колледжа в 1963 году была работа в AT&T's Teletype, Division в Скоки, Иллинойс, где его работа заключалась в переводе электромеханического биржевого тикера (струйного принтера) в производство. В свой первый рабочий день он почувствовал запах воска, и ему показали 42-струйный принтер с нагреваемыми печатающими головками, который находился в стадии разработки. Кен продолжил работать в UARCO business forms и наладил связи с разработчиками струйных принтеров по требованию, включая Стива Золтана в Gould and Silonics под руководством Эда Кайсера и Стивена Сирса. Стив Золтан использовал цилиндрическую пьезоэлектрическую трубку с цилиндрическим сжатием, а Эд Кейзер использовал плоскую пьезоэлектрическую диафрагму, которая разбрызгивала чернила, как масленка.
Двое сотрудников, нанятых в Exxon (EOS) без опыта в печати, были Джеймс Макмахон и Кэти Олсон. Макмахон был нанят для установки первого односоплового струйного принтера типа Zoltan, кодовое название «Alpha Jet», на факс-принтер, а Олсон был нанят для сборки струй «Alpha» для производства факс-принтеров. Макмахон и Олсон (в браке Макмахон) были двумя из шести сотрудников [4], нанятых Робертом Говардом для проектирования и сборки струйных принтеров по требованию для цветного принтера Pixelmaster. В течение 6 месяцев после прихода в RH Research (название было изменено на Howtek) образцы струйной печати Alpha с термоплавкими чернилами были представлены на выставке COMDEX в Лас-Вегасе [4] . Дж. Макмахону приписывают улучшенную систему струйной печати с использованием технологии Zoltan в EOS, а К. Макмахону приписывают технологии изготовления сопел в Howtek. J. McMahon продолжил работать в компании Sanders Prototype (Solidscape) — производителе 3D-принтеров, а сейчас работает в Layer Grown Model Technology, где поддерживает струйные принтеры On-demand с одним соплом. Он утверждает, что является крестным отцом технологии 3D Inkjet с одним соплом, работая в этой области с 1978 года со Стивом Золтаном и Кеном Бауэром в Exxon. Печать 3D Inkjet с одним соплом напрямую связана с термоплавкими чернилами Teletype (сплав воска и металла) и технологией струйной печати с одним соплом Стива Золтана, которая никогда не разрабатывалась в Exxon со стеклянными соплами, но стала реальностью в Howtek с формованными соплами из тефлона и нагреваемыми печатающими головками в 1984 году. Бывшему сотруднику Howtek Ричарду Хелински приписывают патент на использование двух материалов для производства изделий с осаждением частиц в 3D с использованием струйных принтеров Howtek и термопластичных чернил. Эти же струйные принтеры и материалы Howtek использовались в Ballistic Particle Manufacturing, Personal Modeler и Visual Impact Corporation, в 3D-принтерах Sculptor, которые с тех пор закрылись. Эти принтеры и оригинальные струйные принтеры и материалы в стиле Howtek можно увидеть в 3D Inkjet Collection в Нью-Гемпшире, единственной исторической коллекции струйных принтеров и 3D-принтеров в стиле Zoltan. Односопловые струйные принтеры до сих пор используются в 3D-принтерах Solidscape и считаются создающими очень высококачественные модели.
Некоторые чернила должны обладать высокой проводимостью, высокой стойкостью к окислению и низкой температурой спекания, в то время как другие предназначены для других областей применения.
Существуют различные технологии формирования капель, которые можно разделить на два основных типа: непрерывная струйная печать (CIJ) и капля по требованию (DOD). [1] [16]
В то время как CIJ имеет простое создание капель и сложную манипуляцию траекторией капель, DOD имеет сложное создание капель и 'некоторую' манипуляцию траекторией, и возможны альтернативные конструкции сопел. Эта технология струйной печати с одним соплом все еще находится на ранних стадиях для тех, кто хочет исследовать. [ необходима цитата ]
Сопло струйной печати Howtek использует трубчатый тонкостенный пьезоэлемент, который создает звуковую волну в жидкостной камере, отражающуюся от обоих концов сопла. Передний фронт сигнала прямоугольной волны запускает его, а запаздывающий фронт сигнала прямоугольной волны в совпадении с волной давления выталкивает каплю. Эта одиночная струя DOD является акустической. Сопло 120C Tefzel не является жестким и не сжимается. Формирование капли контролируется свойствами жидкости и геометрией сопла. Амплитуда и синхронизация импульса привода играют важную роль в объеме и формировании капли. Как правило, технология DOD может быть очень сложной для понимания и использования.
Источник: [1]
В этом методе капли чернил выпускаются индивидуально, по требованию, с помощью сигнала напряжения. Выпущенные капли либо падают вертикально без какой-либо манипуляции траекторией, либо требуют специального времени срабатывания при горизонтальном проецировании из вращающейся печатающей головки, вращающейся со скоростью 121 об/мин, для формирования символов (цветной принтер Howtek, 1986). Коммерческие печатающие головки могут иметь одно сопло (Solidscape) или тысячи сопел (HP) и множество других вариаций между ними. Массивный струйный аппарат (патент Джона Г. Мартнера 4468680, 1984 Exxon Research and Engineering Co) был изобретен после испытания Piezo DOD, закрепленного эпоксидной смолой на конце рояльной струны длиной 30 дюймов и вставленного в камеру с чернильной жидкостью, ведущую к соплу. Крошечный пьезоэлектрик либо втягивал провод в жидкостную камеру и вытаскивал его, либо передавал звуковую волну по проводу, чтобы передать акустическую энергию жидкости для выстрела каплей. Целью изобретения было создание печатающей головки, которая бы уменьшала перекрестные помехи (звук или любая энергия, попадающая в близко расположенные сопла при печати текста).
Две ведущие технологии для выдавливания чернил из сопла по требованию — это термический DOD и пьезоэлектрический DOD. Обратите внимание, что DOD может использовать «Заполнение перед выстрелом капли» или «Срабатывание перед заполнением», а термический DOD просто «срабатывает перед заполнением». Капли должны точно контролироваться с помощью Piezo DOD или Thermal DOD. Стандартный Piezo DOD может выстреливать капли со скоростью 9 футов в секунду. Позиционирование цели капли Piezo DOD очень точное, каждая капля выстреливается горизонтально или вертикально.
Дополнительные технологии включают электрораспыление, [18] [19] акустический разряд, [20] электростатическую мембрану [21] и термический биморф. [22]
Источник: [1]
Пьезоэлектрический метод Drop-On-Demand (DOD) был изобретен в 1970-х годах. [23] [24] Одним из недостатков метода пьезоэлектрического DOD является то, что струйные чернила должны иметь вязкость и поверхностное натяжение в относительно строгом диапазоне, чтобы выталкивать более мелкие капли без распыления или спутниковых капель. Одним из больших преимуществ является то, что пьезоэлектрические струи DOD могут быть спроектированы для работы с высокотемпературными термопластиками и другими термоплавкими чернилами в диапазоне температур 100-130 °C. Это позволяет печатать трехмерные капли на подложках и делает возможным литье по выплавляемым моделям и 3D-моделирование. Патент Ричарда Хелински на 3D US5136515A открыл новую эру в струйной печати. Опыт Хелински в Howtek, Inc с 1984 по 1989 год и его многочисленные другие патенты, включая субтрактивный цвет (наложение цветных капель) с предложениями коллеги-изобретателя/сотрудника Алана Хока о литье по выплавляемым моделям, послужили стимулом для этого патента. Патент ориентирован на печать сложных твердых 3D-объектов, напечатанных с использованием чистого горючего материала при помещении в процесс литья по выплавляемым моделям, в первую очередь в ювелирной промышленности, но также предпочитаемый в электронной, автомобильной и медицинской промышленности в начале 1990-х годов. Струйные принтеры Howtek и термопластичные материалы были созданы для печати документов и изображений, а позднее и символов Брайля.
Существует множество патентов и методов выталкивания капель с помощью пьезоэлектрических устройств. Пьезоэлемент меняет форму при подаче напряжения. Величина изменения размеров чрезвычайно мала. Пьезоэлемент также может быть изготовлен во многих различных размерах. Чем меньше пьезоэлемент, тем меньше смещение формы. Использование пьезоэлемента DOD для печати текстового символа (размера этих букв) требует, чтобы пьезоэлементы были размещены рядом в корпусе. Капли должны быть меньше 0,005 дюйма и размещаться точно по линиям, чтобы сформировать буквы. Пьезоэлементы, размещенные рядом на частотах, достаточно высоких для печати полного листа бумаги, громко вибрируют и воздействуют на капли поблизости. Печатающие головки Drop-On-Demand (DOD) имеют производственные ограничения с одинарными соплами. По этой причине многоструйная печать DOD наиболее распространена в струйных принтерах.
Термальная печать DOD была представлена в 1980-х годах компаниями Canon [25] и Hewlett-Packard . [26] При термопечати не используются высокотемпературные чернила.
Одним из недостатков этого метода является то, что ассортимент чернил, совместимых с TIJ, существенно ограничен, поскольку этот метод совместим с чернилами, имеющими высокое давление паров , низкую температуру кипения и высокую стабильность когации. [27] [28] Поскольку вода является таким растворителем, популярность этого метода ограничивается только непромышленной фотопечатью, где используются чернила на водной основе.
Источник: [1]
В этом методе поток чернил непрерывно выпускается из сопла. Струя садового шланга является хорошим примером непрерывного потока из сопла, за исключением того, что сопла CIJ очень маленькие (менее 0,005 дюйма или около 1/10 миллиметра). Струя чернил естественным образом распадается на отдельные капли из-за нестабильности потока Плато-Рэлея . Потоки жидкости могут быть разбиты на капли разного размера с помощью вибрации пьезоэлектрического устройства. Использование пьезоэлектрического устройства не следует путать с технологией Drop-On-Demand Inkjet, которая использует пьезоэлектрик для генерации звуковых волн в соплах или расширения размера жидкостной камеры для выталкивания отдельных капель из сопла. Сформированные CIJ капли чернил либо отклоняются электрическим полем в нужное место на подложке, либо собираются для повторного использования. Печатающие головки CIJ могут иметь либо одну струю (сопло), либо несколько струй. CIJ популярен в промышленности и издательском деле, но обычно не встречается в розничных принтерах для домашнего использования.
Одним из недостатков метода CIJ является необходимость контроля растворителя. Поскольку для фактической печати используется лишь малая часть чернил, растворитель необходимо постоянно добавлять в переработанные чернила, чтобы компенсировать испарение, которое происходит во время полета переработанных капель. [27]
Другим недостатком является необходимость в добавках к чернилам. Поскольку этот метод основан на электростатическом отклонении, добавки к чернилам, такие как тиоцианат калия , могут ухудшить работу печатных устройств. [27]
CIJ можно направлять через магнитное поле с помощью чернил из низкотемпературного металлического сплава, как описано в патенте US3596285A на Liquid Metal Recorder Иоганна Ф. Готвальда, выданном 27 июля 1971 года. Стеклянное сопло с апертурой 0,003 дюйма печатало символы биржевых котировок на движущейся металлической ленте-подложке и сбрасывало их на стол для использования в качестве вывесок или повторного использования в регистраторе для печати других символов. Это, возможно, был самый ранний пример печати «сделанных объектов» с помощью струйного принтера.
Печатающая головка должна иметь возможность нагрева для печати любого материала, на который влияют изменения вязкости. Чернила на масляной основе чувствительны к температуре. Воски и термоплавкие материалы являются твердыми при комнатной температуре. Чернила на водной основе могут не нуждаться в нагреве. Также возможна печать металлическими сплавами, такими как свинец, олово, индий, цинк и алюминий. Процесс печати легкоплавкими металлами называется «прямой печатью расплавом» и был представлен в 1971 году патентом Иоганнеса Ф. Готвальда, US3596285, «Запись жидких металлов» с помощью непрерывной струйной печати (CIJ), задолго до того, как была рассмотрена какая-либо форма 3D-печати. Термопластичные струйные принтеры DOD печатают при температуре пьезоэлектрического Кюри или выше и должны быть постоянно полюсными для работы. Смещение пьезоэлектрика D33 должно было быть оптимизировано для снижения напряжения привода. См. раздел Силовая микроскопия пьезоотклика для соответствующей теории. Предшествующие исследования Джеймса Макмахона в 1980 году о шести физических состояниях пьезополяризации и тесты для максимизации пьезорезонансных и антирезонансных частот ускорили время разработки. Howtek изготовила эти современные струйные принтеры в 1985 году, до изобретения 3D-печати с помощью струйных принтеров 04.08.1992.
Оригинальные печатающие головки DOD для струйной печати были изготовлены из стекла в 1972 году Стивом Золтаном. Эти ранние печатающие головки для струйной печати с одним соплом печатали чернилами на водной основе. Позже потребовался корпус, чтобы окружить струйку стабильной тепловой массой. Стеклянные сопла для струйной печати было трудно скопировать, и Howtek, Inc. представила формованные сопла. Стеклянные сопла Howtek приходилось изготавливать с помощью нагрева горелкой и вытянутых стеклянных трубок, затем обрезать по размеру и полировать для получения плоской поверхности отверстия сопла. Технология стеклянных сопел была лучше понята одним изобретателем, Ласло Халашем, в 1980-х годах, и он мог формировать различные формы сопел, используя нагретое масло для плавления стеклянных капилляров. Howtek представила однотрубчатые формованные сопла Tefzel с использованием стержня из нержавеющей стали — слепого формования, а затем нарезанного бритвой, чтобы обнажить отверстие идеальной формы. Howtek выпустила свой собственный полноцветный термопластичный чернильный материал для печати фирменных бланков на принтере Pixelmaster с вращающейся головкой в 1986 году с 32 отдельными соплами (по восемь на каждый основной цвет). Материал сопла Tefzel, работающий при 125 °C, позволял только энергии импульса напряжения вызывать акустическую волну давления в жидкости без сопряжения высокочастотных колебаний от пьезоэлемента, которые вызывают распыление и вибрацию жидкости при выбросе капель. Идеи для конструкции были взяты из книги, обнаруженной Джимом Макмахоном в 1972 году, « Музыка, физика и инженерия» Гарри Ф. Олсона . [29] Более ранние конструкции струйных принтеров со стеклянными соплами также были источниками резонанса и при заполнении материалом, гасящим вибрации, никогда не могли устранить распыление. Целью конструкции было получение чистых капель без распыления, выбрасываемых в диапазоне частот длины сопла. Сопла Howtek прекрасно работают от 1 до 16 000 Гц. Ни одна другая компания до сих пор не производила печатающие головки с такой конструкцией. [ когда? ] Сопло Tefzel с длинной конической передней жидкостной камерой поглощало нежелательные гармоники и позволяло только гидравлическому всплеску жидкости от отдельного импульса пьезопривода выбрасывать каплю. Один импульс привода равнялся одной капле на всех частотах вплоть до резонанса жидкости для длины трубки. Передний фронт импульса прямоугольной волны вызывал звуковую волну в жидкости, которая отражалась от хвостового конца трубки сопла и усиливалась, когда запаздывающий фронт импульса привода проходил под центром пьезоэлемента, чтобы достаточно повысить давление жидкости для выбрасывания одной капли. Скорость звука для каждой из двух чернил (воск и термопластик) отличается, что приводит к двум максимальным резонансным частотам для одной и той же структуры сопла струйной печати. Таким образом, одна конструкция печатающей головки Howtek работает для двух разных чернил. Сопло струйной печати Howtek уникально во многих отношениях. Конструкция требует строгой последовательности сборки и производственного процесса.
Один из 3D-принтеров, используемых в 2021 году (Solidscape), все еще имеет сопло в стиле Howtek, поскольку он был изготовлен в 1986 году. Первоначально он имел шестигранную металлическую конструкцию сопла со смещенным отверстием сопла, что позволяло направлять капли струи на цель для правильного выравнивания для наилучшего качества печати, когда он был ранее установлен в Howtek Pixelmaster. Более 1500 струйных принтеров в стиле Howtek были приобретены ранней компанией Sanders Prototype, Inc, когда производство Modelmaker 6 Pro было впервые запущено в 1994 году. Modelmaker 6 pro использует два струйных принтера на машину. Струйные принтеры установлены в специальной печатающей головке, направляющей капли прямо вниз для 3D-печати. Первоначальный прототип 3D-принтера Sculptor от Visual Impact Corporation, использовавший сопла Howtek, печатал горизонтально в 1989 году. Pixelmaster также проецировал капли горизонтально из вращающейся печатающей головки со скоростью 121 об/мин для печати 2D-символов или изображений на бумаге. Принтер для печати символов Брайля был представлен Howtek и продал всего несколько машин в 1990–1991 годах с рельефным шрифтом, напечатанным на обычной бумаге с использованием струйных принтеров Howtek. Для этого требовалось четыре слоя капель, чтобы наложить друг на друга для каждого символа Брайля. Это был ранний пример того, как началась трехмерная (чернильная) печать на материалах (не называвшаяся 3D-печатью в 1984 году), и в настоящее время аддитивное производство (AM) не ссылается на историческую струйную печать свойств термоплавкого материала, используемого в 3D-печати. 3D-печать (печать с рельефными чернилами) была струйной печатью в 1960–1980-х годах с использованием воска, жидкого металла и термопластичных термоплавких жидкостей. [ требуется ссылка ]
Печатный материал редко является только одним шагом в процессе, который может включать прямое осаждение материала с последующим механическим валиком или контролируемым этапом фрезерования поверхности. Это может быть осаждение прекурсора с последующим катализатором , спеканием , фотонным отверждением , химическим осаждением и т. д., чтобы получить конечный результат. См. Ballistic Particle Manufacturing (BPM), который использует одно сопло Solid Ink , нагретое до 125 °C, и технологию печати по 5 осям, которая не требует никаких других процессов для изготовления.
Чернила должны быть жидкими, но также могут содержать небольшие твердые частицы, если они не вызывают засорение. Твердые частицы должны быть меньше 1/10 диаметра сопла, чтобы избежать засорения, и меньше 2 микрон, чтобы уменьшить разбрызгивание капель спутника. Для струйной печати с мелкими деталями материал фильтруется фильтрами на 1 микрон, чтобы предотвратить разбрызгивание, а линии подачи жидкости защищены фильтрами на 15 микрон, чтобы предотвратить засорение.
Формирование капель регулируется двумя основными физическими свойствами: поверхностным натяжением и вязкостью . Поверхностное натяжение формирует выброшенные капли в сферы в соответствии с неустойчивостью Плато-Рэлея . Вязкость можно оптимизировать во время струи, используя соответствующую температуру печатающей головки. Объем капель контролируется шириной импульса привода и амплитудой напряжения привода. Каждый узел струйной печати будет иметь небольшое изменение размера капли, и для оптимальной производительности необходимо поддерживать все параметры материала и струи. Формирование и объем капель меняются в зависимости от частоты капель и положения мениска отверстия струи. Жидкость располагается в отверстии сопла под действием силы тяжести (резервуар для хранения жидкости должен быть немного ниже по высоте относительно сопла). Поверхностное натяжение жидкости также удерживает жидкость на краю отверстия сопла (отверстия). Действие выталкивания капли изменяет это естественное состояние устойчивого положения жидкости. Это состояние обычно называют мениском жидкости. Мениск действует как барьер и должен быть преодолен, чтобы обеспечить выброс капли. Мениск также оказывает большие силы при растяжении. Чем ниже высота резервуара для хранения, тем больше сила, необходимая для выталкивания капли. Время действия менисковой пружины изменяет размер капли, скорость капли и напряжение привода при формировании капель. Более частый выброс капель означает, что характеристики капли постоянно меняются из-за положения мениска. Каждый струйный материал имеет разные физические свойства и требует разных параметров принтера и настроек высоты резервуара. Материалы нельзя просто так переключать. Температура струйного принтера должна контролироваться более тщательно для поддержания поверхностного натяжения и вязкости в системе DOD, чем в системе CIJ.
Как правило, более низкая вязкость обеспечивает лучшее формирование капель [30] , и на практике можно печатать только жидкостями с вязкостью 2-50 мПа·с. [17] Точнее, жидкости, число Онезорге которых больше 0,1 и меньше 1, пригодны для струйной печати. [31] [32] [33]
{{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )