专利名称：多通路打印头或计量头的制作方法
技术领域：
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及打印或打印头，用于在表面或三维结构上的打印、分配液体，在下文中简称打印。具体地，本发明涉及使用打印头、分配器或其它类似装置的打印，这些装置在下文中称为打印头，其具有多个流体出口 6，这些流体出口 6呈几何上规则的模式排列，优选按行排列。本发明还涉及流体的打印或分配，其中流体的体积范围为每次注射(per shot)纳升级至毫升级，流体具有中等粘度(高达lPas)，所述流体还可包括浓度高达90%的颗粒(粒径尺寸0. 3mm)，速率高达kHz，节距低至毫米。本发明具体涉及使用移动装置进行打印，所述移动装置应该是比较轻的，在加速情况下将安全工作，而不泄露。
背景技术：
当今的喷墨打印头相对于排放频率而言是合适的，其主要根据流体位移原理 (fluid displacement principle)工作。其使用限于粘度低于25mPas的流体。根据流体位移原理工作、用于较高粘度的流体的打印头也可通过使用强大的压电堆式驱动器(piezo stack actuators)实现。然而，不能实现节距小于4mm、轻质、适于处理液滴速率为kHz范围的中等粘度的流体的多通路打印头。如US5，119，110和US5，356，034中的阀技术基础的打印头相对于操作频率而言也是合适的。与根据流体位移原理工作的打印头相比，它们具有通过压力源提供用于粘性流体的排放所需的较高能量的优点。然而，因为较高的流体粘度，也需要较高的转换能量用于转换所述流体流，如已知的阀技术类型的电磁(US5，356，034)或压电(US2009/0115816)打印头所提供的，从而满足本发明关于流体性能、节距、液滴频率和液滴重量的要求。本发明利用权利要求1的打印头解决上述发明问题。此外，本发明公开了使用具有多个电可寻址通路的打印头1进行打印、计量或分配流体的方法，每个通路使用微电气动回路(micro-electro-pneumatic-circuit)将电控制信号转化为具有更大能量的气动控制压力P。，该控制压力驱动流体喷射器的隔膜，从而实现最终的流体位移或阀开口处的流体排放。本发明公开了通过打印头1进行打印、分配或计量一相或多相流体、乳剂或分散体的装置和方法，所述流体、乳剂或分散体具有或不具有固体内容，粘度范围高至lPas，所述打印头1具有小尺寸和低重量，流体喷嘴间距约为十分之一毫米级至毫米级，液滴速率高达kHz范围，可变的液滴尺寸从皮升级至微升级。本发明公开了通过多通路打印头进行打印、分配或计量的装置和方法，所述打印头包括微电气动回路，用于控制一个或多个气动流体喷射器。本发明公开了通过具有多个通路的打印头1打印、分配或计量的装置和方法，其包括微电气动回路，含有将低能量的电控制信号转换为较高能量的气动控制信号的装置。本发明还公开了将电控制信号转换为气动控制信号的装置和方法，该装置和方法使用电/气换能器，优选使用磁性或压电气动阀，进一步优选使用微型阀18，并使用其它气动元件提供流体限制。本发明还公开了使用具有多个通路的打印头1打印、分配或计量的装置和方法， 所述装置和方法包括流体喷射器4，该喷射器4根据位移原理或阀原理(valve principle) 运行。本发明还公开了使用打印头1打印、分配或计量的装置和方法，所述装置和方法包括含有与多通路喷射器相同类型的特征的结构。本发明还公开了使用打印头1打印、分配或计量的装置和方法，所述装置和方法包括含有多通路电气回路的特征的结构。本发明还公开了使用具有隔膜8的打印头1打印、分配或计量的装置和方法，所述隔膜延伸至一个或多个通路，将所述气动能量传递至相应的喷射器，塞满或压紧开口，从而防止流体通过所述开口，或者排出流体，从而通过一个或多个相应的流体出口喷射流体， 或者排放流体，通过流体出口喷射流体，直至所述隔膜8与相关的流体出口接触，关闭该出口，从而突然打断流体的流动，分隔开已经排放的流体。本发明还公开了依靠新的或不同的配置，迅速改变流体输送部件的装置和方法。本发明还公开了用于集成所述控制电子器件的装置和方法，所述控制电子器件特别用于气动电/气换能器，用空气清洗所述控制电子器件，从而从所述控制电子器件中排除热量。工业实用性
使用本发明的打印头可剂量或打印多种应用中的多种流体。在本发明的范围内，流体称为液体，该液体可自由流动或在压力下流动，含有一相或多相，并具有粘度分布，在其粘度-剪切应力特征曲线中至少部分包括低于IPas的值。具体的，可处理具有触变性或切力变稀性能的流体。多相流体可以是具有不可溶颗粒、流体液滴或嵌入流体内的气泡的流体。 下面列举仅指定了可处理的流体的例子和用途水溶液、墨汁、颜料(墙面漆、乳胶漆、矿物颜料、艺术颜料的打印)、清漆、灰浆(灰浆、灰泥的打印)、液体聚合物、紫外线可固化的液体聚合物(例如快速原型法)、蜡状物、粘合剂和树脂、填充的或未填充的、油脂、石油的打印， 原则上各种流体的打印都可用于打印技术领域，例如墨汁、颜料、部分交联的液体、高粘度物质或体液(血液、唾液)、食品制作的流体、医学或生物医学或生物领域的试剂或组分、包括在应用前、应用中或应用后产生泡沫的液体的打印。也可以将流体理解为气体，可以通过本发明的装置或方法在高容量和高频率下计量。根据权利要求1的本发明打印头的优选用途为作为打印颗粒负载液体的打印头， 所述颗粒具有的粒径高达十分之一毫米的范围。优选地，本发明的打印头可通过打印墙面漆或乳化漆在墙面上涂漆或在墙面上绘图，特别优选地，使用轻型、功能强大的打印头的手持打印机。或者用厚的膜技术上打印浆料(例如传导性、绝缘性或电阻性浆料)、或浆(玻璃浆料或其它)、或食品。本发明打印头的另一个优选用途为制作三维结构，例如用于快速成型法中或用于打印盲文字符。
参考附图，下文中将详细描述本发明的装置和方法的不同典型的实施例。
图1展示了本发明使用打印头1进行打印、分配或计量的装置和方法。图2更详细地展示了本发明使用打印头1进行打印、分配或计量的装置和方法。图3展示了本发明的微气动回路的实施例。图4展示了根据阀原理运行的本发明的喷射器的实施例。图5展示了根据流体位移运行的本发明的喷射器的实施例。图6展示了根据阀原理运行的本发明的喷射器的实施例。图7展示了本发明的打印头1的优选实施例。图8展示了由网纹板组成的打印头的优选实施例，每个网纹板包含相似的打印头通路的结构。图9展示了本发明用于防止流体出口干涸的装置的优选实施例。图10展示了本发明由网纹板组成的打印头的优选实施例。
具体实施例方式图1展示了用于打印头的一个通路的本发明的装置和方法的方框图。术语打印头应该代表打印头，打印头没有明确的限于这些。打印头通常应该理解为一种装置，用于通过通路不接触地在任何种类的表面连续地或间歇地涂敷流体，所述通路有规律地间隔开、且是电子独立控制的。根据这里所用的术语，通路是电子打印头1的最小的可寻址单元。通路还可具有多个流体出口。打印头还可包括非接触式的流体应用，例如与直接的流体释放无关的通常的计量和流体控制应用。本发明的装置和方法通过微电气动回路将每个通路的低能量的电控制信号转变为较高能量的气动控制信号(如图1)。额外的能量来源于一个或多个压力源Pl、P2···，在下文中称为压力水平。微电气动回路2理解为微电气动元件的网络。这些可以是，例如电/ 气换能器、气/机械换能器、气动节流阀、死容积、管子和腔。每个通路的所述气动控制信号P。用于驱动至少一个气动流体喷射器。气动流体喷射器4理解为一种装置，对施加至隔膜上的气动控制压力做出响应，从一个或多个流体出口喷射流体。隔膜也可代表其它合适的气动驱动器，比如柔性板、带有悬架的薄膜或板、 可动活塞、波形管或可充气部件、软管或其它横截面形状的流体线(矩形的、椭圆形的…)。图2详细地展示了本发明的装置和方法的所述微电气动回路和电子可寻址通路η 的气动流体喷射器。微电气动回路2包括由处于第一压力水平P1和第二压力水平P2之间的第一气动元件和第二气动元件组成的串联回路，所述第一气动元件为微型阀18，第二气动元件为节流阀23，凭此在共同的气动节点5出产生气动控制信号或简单的控制压力ρ。，该控制压力气动连接至至少一个流体喷射器的隔膜。关于词语“气动的”的使用应该注意，可使用任何气体，甚至是液压液代替空气作为压力试剂。本发明中的名称“微气动”不应视为使用空气作为压力试剂的限制。本发明的流体喷射器为打印头1的一部分，该流体喷射器基于按需供滴原理排出流体。该流体喷射器包括至少一个流体入口和至少一个流体出口。气动流体喷射器为在气动能量，此处为在控制压力P。帮助下通过隔膜运行的流体喷射器。本发明的打印头可根据流体位移原理工作，例如所述喷射器4为由控制压力ρ。驱动的流体位移装置。根据位移原理，通过减小流体填充的腔的体积，隔膜的机械变形或运动转移到腔内的流体，从而使流体通过所述流体出口 6排出。本发明的打印头还可根据阀原理工作，例如所述喷射器根据阀原理工作，隔膜8充当阀隔膜。图3中描述了用于单个通路的微电气动回路的实施例。每个微电气动回路包括位于底部的气动控制压力端口，提供用于驱动所述流体喷射器的控制压力P。。所述微电气动回路包括位于两个压力水平P1和P2之间的气动元件和气动元件 4的串联回路，在腔内，其共同的气动节点5处，产生至少包括两种状态的临时控制压力Ρ。， 从而操作所述流体喷射器。压力源实际上可设计为泵、压缩机或真空泵(Pabs < 1 bar)。 在本发明的文中，通往环境的开口解释为具有环境压力的压力源(P = Pu)。根据本发明，两个气动元件4或4中的至少一个包括电/气换能器，例如电控制的气动阀。该气动阀可根据任何换能器原理运行，例如压电原理、电磁原理、电动气动式原理、静电原理或电致伸缩原理，并具有短的响应时间T 1 ms和小的死容积。优选根据压电原理起作用的阀，由于微电气动回路的电气放大，该阀的尺寸可以特别小。所以在下文中， 通常使用术语“微型阀” 18。根据本发明，所述气动元件Z1或中的至少一个包括微型阀V1，另一个为微型气动阀V2或气动节流阀23。在后一种情况，所述微型阀Vl是每个通路中唯一的阀。气动节流阀的特征在于它们的损耗效应及线性或非线性流动阻力，这样在流体流动时使压力降低。 气动节流阀的例子为毛细管23、孔、流体改方向改变或横截面的改变。还应注意，气动元件 Z1或&可以不仅仅是单个的气动节流阀或微型阀18，还可包括这些的组合，甚至包括气动回路。根据本发明，所述喷射器4气动地连接至\和\之间的节点5，在该节点5处，根据所述微型阀18的阀位置，按需要设定控制压力P。以控制所述流体喷射器。气动节点5包括管道和腔，所述管道和腔延伸至所述气动元件\和\的有效区域以及所述流体喷射器的气动端，从而具有容积Vk。喷射器的工作容积一容积Ve也加入上述容积中。由于空气的可压缩性，所述容积Vk + Ve具有气动适应性。这限制了所述控制压力的状态改变的速度。得知容积Vk + Ve的尺寸，可计算转换操作的时间常数，其与所述微电气动回路及所述流体喷射器的结构相关(如下)
Tr =Κ·ρ0/(\'κ + νΕ) (1)
其中R依赖于所考虑到的转换操作，等于在4或4中打开的微型阀18的流体阻力或等于所述气动节流阀23的流动阻力。为了在喷射器4上实现完全的流体脱离(clean fluid tear-off)，所述控制压力的压力变化应该是高度动态的。根据本发明，微电气动回路的所述回路元件以一定的方式限定尺寸，从而所述气动控制信号P。的状态改变的时间常数优选在1微秒至1毫秒的范围内，尤其优选在1微秒至100微秒的范围内。高操作频率、低重量和小尺寸的要求需要使用微型阀18，另一方面，微型阀18仅包括约0.05mm的阀程。结果， 所述打开的微型阀18的流动阻力具有相关的级数，因此根据公式(1)，仅当将容积Ve 微型化时，才可得到足够小的时间常数。为了有效地驱动气动流体喷射器，一个目的是使控制压力的最终压力水平的高度不同。另一个目的是保持通过所述打开的微型气动阀18和所述气动节流阀空气消耗量小。两个目的都表明要选择气动节流阀23的流动阻力Rd明显高于所述打开的微型阀的流动阻力Rv，例如10倍。然而这种尺寸限定具有缺点，即在关闭所述微型阀18后，由于通过所述气动节流阀23的控制压力的下降，公式(1)中的时间常数变大，这又(依赖于所述喷射器的结构，如下)不利于流体完全的排放或流体脱离。根据公式(1)，仍然是仅仅当容积Vk和Ve 减小时，实现短的响应时间。根据本发明，所述微型气动回路的元件为微型化元件和/或结构，尤其是当所述容积Vk和Ve微型化时。但是微型化被以下事实所限制，即气动管道的流动阻力与例如气动节流阀的流动阻力相比在尺寸相上不可再忽略不计。此时，应该改变不连续路径，以有利于连续模式，在不连续路径中，例如气动节流阀被作为不连续气动元件 Z2。因此，根据本发明，气动元件\和\不限于不连续气动元件，而且应该看做具有气动功能的装置的一部分，例如气动节流阀在几何学的第一点和第二点之间起作用，如果是气动元件乙，则位于设定控制压力的点和施加压力P2的点之间起作用。如图3所示的实施例，所述电驱动的微型阀18优选为具有压电弯曲换能器的压电阀。这些实施例的每个都包括单配置的压电弯曲换能器，例如，为屯操作模式的层压压电换能器，其基底由非压电、伸长形状的材料制成，当用电压为所述压电元件充电时，可自由移动的末端偏向垂直于所述底物侧的方向，所述压电元件位于所述底物上。合适的单型换能器具有，例如总厚度小于0. 5mm,自由长度为5-10mm，远低于Imm的宽度。所述压电驱动器的自由端盖住阀开口 9，围绕该阀开口设置有封接面，此处称为阀座。图3，A和图3，B中的结构包括所描述的单型压电微型阀18形式的第一气动阻抗\和毛细管形式的第二阻抗 Z2。下面详细的考虑假设所述具有？1> 2的两个压力源供应所述微电气动回路。因此， 所述控制压力P。仅能在P1和P2之间取值。所述压电微型阀18位于腔内，该腔依赖于由压力P1或P2供应的所述微电气动回路的操作模式。所述毛细管23在一侧与所述微型阀18 以及所述控制压力端口相连，另一侧与剩余的压力源P2或P1相连。图3，A展示了本发明的微电气动驱动器的两种操作模式，其中压电阀配置为正常闭合的，例如在非压电驱动条件下，所述阀为闭合的。在图3，A的操作模式1中，较高的压
施加到微型阀18上。该微型阀18闭合，并产生完全的压力下降？1_ 2。所以控制输出等于P。= P20当电驱动所述阀打开并产生穿过所述毛细管23的、上述的压力下降时，p。= A * (P1 - p2)。所以所述微型电气回路没有转向行为，即电控制电压产生所述控制压力的增加。图3，A中的操作模式1优选与根据流体位移原理工作的流体喷射器4 一起使用。在图3，A的操作模式2中，所述压力源颠倒，进一步的以某种方式预加载所述压电阀，即用力F将其自由端压在阀座上，从而仅仅当大于由此界定的压力Pg时，所述阀才会打开。在电驱动所述阀时，微型阀18与所述压力Pg共同作用抵抗预加载的力F，以打开所述阀。所以在非驱动状态下，控制压力等于P。= pg，在驱动状态下压力降至接近p2。因此，所述微电气动回路表现出转向行为。图3，A中的操作模式2优选与根据阀原理工作的流体喷射器4 一起使用，因为在电的非驱动状态下，例如所述流体阀的阀隔膜8被压力pg-pF1压向所述流体孔。图3，B展示了本发明的微电气动驱动器的两种操作模式，其中压电阀配置为正常打开的。通过图3，A中相似的考虑，我们得到下列结论
图3，B的操作模式1中，所述微电气动回路具有转向行为，在图3，B操作模式2中，微电气动回路没有转向行为。因此，与不同喷射器组合的几种可能性也是相似的。图3，A和B所示的微电回路的特征在于，在微型阀18的打开状态位置，产生固定的空气消耗量，其主要由所述毛细管23的流动阻力确定。当通过合适地尺寸限定时，特别通过所述毛细管23的微型化，可调节(节流)低的空气消耗量。然而这意味着所述毛细管23 上的压力P。(取决于结构)的建立或下降的相应时间常数将变大，以及所述微型阀18的密封性的要求提高。所述微电气动回路进一步的共同点为，通常所述微型阀18含有阀开口的一侧，即具有较小的死容积的一侧连接至节点5 (其连接&和&，且在此设定控制压力P。) 连接。图3，C展示了微电气动回路2，其没有表现出固定的空气消耗量，包括代替所述气动节流阀作为Z 2的第二微型阀18。如果两个微型阀18配置相似(正常的打开或正常的闭合，此处未示出)，那么所述微电气动回路以两个微型阀彼此相反的方式操作。在操作模式中使用两个微型阀18代替一个微型阀有以下优点首先，所述控制压力水平直接等于压力水平P1和P2，仅有很小的偏差。第二，用于两个转换过程的气动转换时间是最小的。缺点是较高的制造成本和空间要求。在图3，C中，一个阀配置为正常打开的阀，另一个配置为正常闭合的阀。这样可避免一个压电阀必须永久保持驱动状态，例如压缩状态。图4展示了根据阀原理工作的流体喷射器4。应该注意的是，本发明不限于所说明的实施例，这些实施例仅构成可能的实施例的例子，因为所述喷射器4，尤其是喷射器的操作元件的类型在本发明中是非必要的，只要其整个结构设计表现出所需的气动控制阀效果，具有足够小的响应时间和足够高的流体吞吐量就可以。所述阀原理从根本上说是连续工作原理，其可用于产生固定的流体喷射。通过使用非常短的阀打开时间(约微秒至毫秒)可进行按需喷射的打印操作，同时通过使用可变的阀打开时间可获得可变的分配容积。图4，A展示了隔膜阀作为流体喷射器4的一个实施例。隔膜8形式的驱动元件， 控制压力ρ。加压与其一侧，使其与封接面10接触，当控制压力P。超过流体压力Pfi时，阀开口 9闭合，该开口连接至所述流体出口 6 (图4，A，左边)。相反，如果控制压力P。小于流体压力，流体压力将把所述隔膜8从所述封接面10抬起，流体通过所述阀开口 9流入，并从喷射器4排出。隔膜阀提供高的密封性(由于所述隔膜的弹性)、高速度的操作(由于所述隔膜非常小的块)和易于制造的优点。在本发明中，术语“隔膜”的使用将不限于用于材料强度科学中使用的侠义的定义，隔膜仅能传递拉力。相反，在本文中，该术语也可延伸至“板”的情况，其能够传递弯曲力矩，即隔膜可由更硬的材料制成或具有厚度，这通常符合“板”的定义。关于所述隔膜的材料在本发明中也没有限制，合适的材料例如，金属、薄玻璃、硅、SiN, 热塑性塑料(例如 PTFE、E/TFE、PFA、PVC, ABS、SAN、PP、PA、POM、PPO、PSU、ΡΕΒΑ、PEEK、PEI， 根据ISO 1043. 1的名称)、热塑性弹性体(TPE)、弹性体(例如NBR、HNBR、CR、XNBR、ACM、AEM、 MQ、VMQ, PVMQ, PMQ、FVMQ, FKM、FFKM、AU、EU、ECO、CSM、NR、IR、BR、SBR、EPDM、EPM、IIR、CIIR、 BIIR、TPE，根据ISO 1629的描述)、聚酰亚胺、橡胶和硫化橡胶、天然/合成橡胶、热固性材料(例如UP、PF、UF、UP-GF，根据ISO 1043. 1的描述)、所有的聚合物、包括填充或纤维增强的聚合物。本发明的打印头的一个变更例是，所述喷射器4是双隔膜阀，由控制压力P。驱动。 图4，B展示了双隔膜阀，作为流体喷射器4的另一个实施例。取代使用如图4，A所示的单个隔膜8，其结合阀驱动和密封的功能，此处分别实现这些功能。具有面积Al的第一隔膜8 受到静压力的作用，该静压力通过耦合元件12传递至密封所述阀的密封元件。流体与第二隔膜8接触，所述第二隔膜8具有面积A2，并连接至耦合元件和密封元件11。所述耦合元件可认为是插入物，例如插入的球或圆柱体，或者可认为是与所述第一隔膜8和/或第二隔膜8在一起的化合物。第一隔膜、耦合元件、第二隔膜8和密封元件可以是单个相干结构， 例如由弹性体材料制成。A2<A1，通过控制压力^如^可得到足够的轴向力和表面压力，用于密封所述阀开口。如实施例中描述的，所述双隔膜阀具有两个用于控制压力的端口，以保持两个控制压力Pca和p。2中的一个恒定，并通过所述微电气动回路驱动另一个，这两个端口可被不同的组合供应，从而双隔膜阀具有意义。例如由静压力Pst= pF1供应Pel，而所述微电气动回路的控制压力连接至p。2。当Pc2 增加时，由于有效的流体压力Pfi在压力Pc2之前到达流体的压力水平Pfi，所述流体阀打开。 相反，也可由所述微电气动回路提供的控制压力供应Ρ。1;例如当P。2在大气压力下保持不变时。图4，C展示了单个的隔膜阀，其包括机械耦合和密封装置，作为隔膜驱动的流体喷射器4的另一个实施例。通过径向密封件密封的杆12将所述隔膜的运动传递至阀密封件11。通过施加静压力和控制压力的合适的组合，利用端口 Pca和p。2完成驱动。未在此处展示出的气动流体阀的其它实施例，可包括所有类型和形式的机械驱动元件、密封元件或转换结构，例如倾斜-杠杆元件(tipping- and leveraging elements)、 气动可变形的波形管、软管或气球、或气动活塞，以闭合或打开阀开口 9。为了解释本发明的装置和方法，图5中展示了气动流体喷射器的不同的典型实施例，这些喷射器根据流体位移原理工作。这些实施例优选用于自由喷射分配应用中。这些实施例中的每个展示了吸入和喷射状态，这些状态是流体位移原理的特征状态。图5，A展示了用于产生流体喷射的气动流体排出器的基本工作原理。在压力为pF1 的所述流体入口 7可得到流体，该压力为环境压力Pu级别。在吸入阶段，控制压力P。小于流体的压力Pfl。在理想弹性隔膜8的情况下，控制压力无损耗地传递至位于喷射器腔17 内的流体中，从而例如球阀13打开，使流体进入所述喷射器腔，球阀13的球被阀弹簧14保持在适当的位置。通过将控制压力转换至p。>pFI，所述入口阀15转变为闭合状态，而所述流体出口阀打开，排出流体。为了获得完全的流体输出和完全的流体脱离，在两种状态之间的控制压力的快速摆动是必要的，这在本发明中通过使用微电气动回路实现。根据本发明通过控制压力ρ。高度短暂的压力脉冲实现流体的排放(图5，B)。该压力通过所述隔膜8传递，以对在所述喷射器腔17内的流体施加压力。然后通过流体经所述流体出口 6的喷射以及进入所述流体供给7的流体回流来释放流体压力。在控制压力的压力脉冲之后，控制压力迅速下降至其较低的压力水平，最好的情况是该较低压力水平低于流体压力Pfi (图5，B中的实施例)。随着喷射器腔内的压力降至低于pFI，流体通过所述入口开口进入喷射器腔17。喷射器腔17内的低压同时作用于所述流体出口。在所述流体出口的孔内的流体弯液面产生的毛细管力使所述喷射器腔内建立真空，并防止在此阶段通过所述流体出口吸入空气。在软管中毛细管直径越小毛细管力越大。它们随直径的增大， 呈二次方减小，因此墨汁喷射原理仅用于高分辨率的数码印刷中，在用于低粘度流体的打印的壁龛中，使用最小的流体出口 6 (喷嘴)。
图4，C展示了一个实施例，使用了较硬的隔膜8，该隔膜比图5，B中所用的隔膜具有更高的恢复力。在这种情况下，所述隔膜8的恢复力主要用于在吸入阶段，吸收在所述喷射器腔17内的流体。因此较低的控制压力水平不需要是图5，B内实施例中的低压。本发明的喷射器根据流体位移原理工作，可由图3，A中的微电气动回路结构的操作模式1有利地驱动。使用这种结构，由于正常闭合的压电阀的快速打开，作为电控制信号的结果，可实现在微秒范围控制压力的快速改变，这有利于流体排放。在吸入阶段，希望所述喷射器腔17内的压力缓慢降低，从而保证压力不会下降的比流体出口的毛细管压力低， 结果，空气经所述流体出口 6被吸入所述喷射器腔代替了流体经所述流体供给7吸入喷射器腔。通过将所述微电气动回路设计成用于降低控制压力的时间常数大于用于提高控制压力的时间常数，可实现所述喷射器腔内压力的缓慢降低。这可通过选择&>RV设计所述毛细管23从而设计图3模式1中的微电气动回路实现。图5，D概述了图5，B的两个进一步有利的改进，可分别实现。首先，所述隔膜8具有两个正配合止动件(positive-fitting stops)，从而通过几何学精确的限定从所述喷射器腔排出的流体的体积。第二，当所述隔膜8与接近所述流体出口 6的下表面开始接触时， 会迫使在所述流体出口的流体突然脱离。如图6所示，一个以上的喷射器4可主要由具有单个通路的控制压力P。驱动，因此，每个通路可包括一个以上的喷射器(图6，A)。如果包括两个喷射器，则这两个喷射器可都处理相同的流体或不同的流体或流体和气体，分别排放或内部混合或外部混合。而且，几个电独立控制的通路可各自控制一个喷射器，这些喷射器的输出可结合为一体，用于产生混合。本发明的打印头例如可包括控制流体的第一喷射器，控制雾化空气的第二喷射器，所述喷射器由单个通路的控制压力共同驱动，或者通过两个通路的控制压力分别驱动， 所述第一和第二喷射器的流体出口结合为一体，从而通过空气将所述流体雾化。所述流体出口可在打印头(未示出)内部结合为一体，或者在打印头的外部进行所述流体的雾化，如图6，B所示的实施例。单个通路的控制压力供入在所述隔膜层上部的腔内，如图6，B的左侧所示的例子。在电驱动状态(低P。)，所述流体阀和雾化空气阀打开，从而雾化空气和流体通过其相应的流体出口排出。用于雾化空气的所述流体出口 6可安装为例如同心围绕所述流体出口 6的环形喷嘴6，从而在所述打印头外部的产生流体雾化。在最简单的情况下，也可通过在所述打印头外部的流体和空气的交叉喷射实现雾化。原则上，流体雾化需要用于雾化空气的管道，将这些管道设计为通过雾化空气使流体的内部或外部雾化成为可能。在简单的变更例中，从外部连续或间歇地控制雾化空气。当仅使用单个通路时，通过具体选择所述控制压力P。的进入点，以及有效利用好时间延迟，可获得时间转换，特别是重叠时间控制，如图6，B所描述的。当使用图3，B，操作模式1所示的微电气动回路时，该结构使雾化空气在流体排放前或排放后一直简单流动， 从而避免了没有雾化的流体喷射。流体喷射器还可包括一个以上的流体出口(图6，C和D)。这意味着有一个以上的喷嘴(流体出口 6)用于每个数字可寻址通路，这样可获得更加均勻的流体分配或表面的层厚度，或者完成进一步的任务。例如，几个流体出口 6可相互相邻或相互前后、对角或任意规则的排列在交错行内。至少两个流体出口 6的交错行是有利的排列。如图6，D所描述的，数目为i，i> 1的流体出口 6分配给一个数字可寻址的通路η。图7，A展示了打印头的优选实施例，其中所述微型阀18配置为正常打开的，并连接至两个压力水平P1和P2中较高的那个，其中所述流体喷射器为气动隔膜阀。该实施例是图3，B，操作模式1所示的微电气动回路2和图4，A所示的流体喷射器4的组合。在有利的尺寸时，压力水平P1，例如设定为24bar，气动节流阀23的第二端口的压力水平P2设定为环境压力，流体的压力水平保持在0. 80x p10上述结构和压力设定保证所述流体压力总是低于P1，这样即使隔膜泄露，也不会有流体渗透入到所述气动阀室的电敏感区。在该实施例中，本发明的所述装置和方法通过使用本发明的微电气动回路2使阀冲程为约0. 05mm的压电阀扩大至位于流体喷射器4内的冲程为0. 2mm至0. 5mm的隔膜阀， 例如如果使用厚度为0. 05mm的弹性体隔膜阀8。通过使用弹性体隔膜，也可处理高的颗粒负载流体，粒径范围为十分之一毫米。一方面，所述弹性体隔膜零点几毫米的偏斜允许在打开状态下颗粒的通过，另一方面，在所述阀的闭合状态，所述隔膜的高度的弹性也产生有效的密封，因为颗粒被所述弹性隔膜困住了。由于所述弹性体隔膜的高度的弹性，所述隔膜与磨料颗粒的接触仅产生低的内应力，其不会损坏所述隔膜。所述隔膜“屈服”，从而弹性体隔膜在其它隔膜中是优选的，特别是当存在磨料颗粒时。使用上述结构，打开所述阀的时间为0. 05ms至0. 2ms,闭合所述流体阀的时间<0. 05ms。只有通过所述微电气动回路的微型化模式才能获得这些短的转换时间，并保证排放频率为kHz范围的完全的流体喷射，所述流体为具有高粘度和/或颗粒填充的流体。图7，B展示了打印头的实施例，其特别适用于流体的自由喷射打印。所述打印头包括微型阀18，配置为正常闭合的微型阀，该微型阀连接至两个压力水平？1和？2中较高的。 所述流体喷射器4是隔膜流体位移类型的。所述实施例结合了图3，A操作模式1的微电气动回路2与图5，C所示的流体喷射器，所述流体喷射器配置有较硬的隔膜8，例如用PEEK制成的厚度为0. 1mm。可使用与如图7，A的微电气动回路中的相同尺寸的元件操作所述打印头。由于所述气动节流阀23的气动阻力比打开的微型阀18的气动阻力大，所以在流体喷射后，所述控制压力的压力释放的时间常数同样大，即，控制压力常常缓慢减小。在流体吸入阶段希望发生这种行为。另一方面，打开的微型阀18的流动阻力和所述气动节点5的容积很小，在微型阀18的电驱动之后，由于快速的压力脉冲会产生有效的流体喷射。作为该结构的缺点，由于所述流体出口直径的增加以及随之所述流体出口的毛细管力的减小，需要考虑到较长的填充时间和较低的操作频率以防止将空气吸入所述喷射器腔。图8展示了由几个网纹板制成的打印头的实施例穿过计量通路的剖视图。它基于图3，B和图4，A所示的结构。数十或数百个类似的通路垂直于草图平面排成一排。根据本发明，所述网纹板可分别由金属、有机材料或无机材料制成。因此将所述机械结构设计为使几个或全部通路的功能相似的元件为共同结构的一部分是有利的。从而， 例如所述打印头1的一些或所有通路的气动微型阀18的阀座和阀开口包含于网纹板PP2 内，见图8，和/或所述打印头1的几个或全部通路的微电气动回路中的毛细管和/或气动节流阀2包含于网纹板PP3内，和/或所述打印头1的几个或全部通路中的微型阀18的单型压电驱动器21的部件包含于网纹板内，和/或阀座和/或所述打印头的几个或全部通路的流体供给的类似部件包含于共同的网纹板PFl内，和/或所述流体出口和/或所述打印头的几个或全部通路的流体出口包含于网纹板PF2内。几个或全部通路的隔膜也可以是完整的隔膜部件的一部分。由于所述微电气动回路的元件的尺寸精度的高要求，例如毛细管或所述微型阀的阀开口，以及所述流体喷射器元件的尺寸精度的高要求，例如所述流体出口、阀座和阀开口，本发明建议使用微机械技术制造所述网纹板中的至少一个。从微系统技术(MEMS)和微结构工程得知微机械技术包括全部的制造技术和工艺。例如可利用光刻技术和蚀刻技术 (精制过程)，或通过增加也是光刻网纹的层(附加过程)在单面或双面的微型网纹板上实现气动毛细管、流体通路、流体出口和阀座。此外，微机械技术包括微注射成型或其它复制方法。根据本发明，这些网纹板或微型网纹板通过粘合、焊接、熔焊或层压法结合在一起。作为廉价的制造技术，建议使用多层技术制造所述打印头或其部件。多层技术是最初用于生产多层印刷电路板(PCB)的技术。一些层用于电子器件，例如bondplys，被蚀刻的金属板(0. 05mm-0. 5mm厚)代替，其相当于例如上述网纹板或微型网纹板。因此，使用层压法将这些板结合，就像在电路板制作中使用预先切割的预浸渍的粘接板(板粘接，预浸处理)，例如基于环氧树脂或丙烯酸酯的粘接板。为了操作、清洁和维修，通过将某些组的网纹板粘合成连接部件而使其结合是有利的。根据本发明，例如，所述网纹板结合成一个单元，所述网纹板包括几个或全部通路的微电气动回路的元件。这可以称为气动部件对。在如图8所示的实施例中，所述气动部件包括板PPl和PP2、PP3和PP4。所述气动部件M有利地包括仅承受很小的磨损或不磨损， 和/或其制造昂贵的元件和结构。根据本发明，所述打印头的流体输送部件组合成射流部件25是有利的，所述射流部件25由网纹板(在图8中为板PFl和PF2)和可选择的隔膜8组成。所述射流部件的板、 元件和结构受到流体的磨损和污染。因此，便宜地制造所述射流部件并使其可更换是有意义的。根据本发明，所述打印头的流体输送部件组合成射流部件25是进一步有利的，通过可拆卸的连接射流部件可更换。由于使用的材料和所述射流部件的结构设计，可以适合宽范围的流体或打印任务或分配任务的要求。为了打印高粘度、化学腐蚀性流体，例如可使用含氟聚合物材料。所述流体出口的直径可用于获得所需的液滴尺寸。如果打印磨料流体例如具有粉状颜料和填料的涂料时，本发明建议将所述射流部件25设计为一次性部件，通过塑料注射成型制造其元件，并通过层压法、粘合或热连接工艺，特别是超声焊、激光焊、熔焊或脉冲焊将所述元件结合起来。实施本发明的最佳实施例
在图8，A中展示了气动部件M，其盖子PPl包括电子电路板，该电子电路板具有控制电子器件沈，用于驱动几个或全部通路的微型阀的压电驱动器。通过与所述电路板接触的弹簧直接与所述微电元件19接触，实现与所述压电元件的接触。所述弹簧的接触还提供力 F，以将所述阀驱动器压至所述阀座上，从而使微型阀8保持在正常闭合的位置。图8，Bl展示了射流部件25的实施例，所述射流部件25包括板PFl和PF2，每个通路具有一个流体喷射器4，所述流体喷射器4利用阀原理，每个流体喷射器4具有多个流体出口 6。所述第一流体板包括流体供给结构7的部件、以及圆形孔部件、阀座10和相应的流体阀的阀开口 9。所述第二流体板包括所述流体供给结构7的与每个通路互补的部分，以及在底部的流体出口。如果希望在每个可寻址像素处获得更厚的分配，使用所示的每个喷射器4具有一个以上的流体出口 6的结构，较大的通路间距，从而较低的打印分辨率是有利的。图8，Bl的所述射流部件25适合与单独的、跨越所有通路的隔膜层8以及所述气动部件对通过定位销(未示出)结合在一起，然后一起被压入夹持装置的钳夹之间。图8，B2展示了侧边喷射结构的射流部件25。所述隔膜层经焊接固定至所述射流部件25，从而避免了更换所述部件时的流体泄露和污染。或者，隔膜8，或其它隔膜8可固定至所述气动部件，以避免灰尘或液体渗透入所述气动部件对。本发明建议通过压紧装置将所述射流部件25压在包括η个所述控制压力端口的所述气动部件M的网纹板上，从而所述气动部件的η个控制压力开口与所述每个相应喷射器的驱动器隔膜8气动连接。气动部件Μ、部件25和流体隔膜8可通过螺丝配件、压配件形式的压紧装置，紧固装置或夹钳压紧在一起。常用的隔膜8，由于其弹性性能的优点，还可进一步用于流体和气动部件对、部件25之间的密封，特别用于表面密封。根据本发明，隔膜层可连接至所述射流部件，例如将所述隔膜8焊接至所述射流部件25，如图8，C所示(侧边喷射的例子)，所述射流部件25包括几个通路的隔膜。因此， 所述打印头仅包括两部件结构，与三部件结构相比，两部件结构具有更快速的处理所述射流部件的更换以及射流部件25和隔膜8之间的内部密封性的优点。然而，同样的，所述隔膜层8或第二隔膜层可牢固地与所述气动部件连接。根据本发明，例如所述气动部件M可通过螺丝配件固定至打印或计量装置。所述打印或计量装置可包括可插入隔膜8和射流部件25的夹钳或快速锁紧配件，当完全对齐， 将其压向所述气动部件M的底部。当更换不同的流体时，当更换不同的配置、有缺陷或磨损的隔膜时，当更换其它配置、脏的或污染的射流部件25时，这样的模块设计提供最大的灵活性。关于多色打印(例如，4色、5色、6色)，本发明建议了一种装置，其中打印头包括多个阵列排列的平板模块34，每个平板模块制成薄的、网纹式的、平行板，每个平板包括流体喷射器和微电气动回路的特征，见图9，所述微型网纹板优选为使用蚀刻技术制成的金属板。为了将所述金属板结合在一起，本发明建议使用网纹板粘合剂和层压工艺。模块34包括横向布置的所述微电气动回路和配置为例如侧边喷射的所述流体喷射器，以及一种或多种颜料。根据本发明，垂直于贯穿所述打印头的整个宽度的所述板供给用于不同颜色的颜料供给线以及气动供给线。为了能够简便的更换单独的模块，模块堆(module-stack)优选以可拆卸的方式压在两个所述边缘板35之间。如图9所建议的，每个模块可包括单独的电子控制，在4色打印头的情况下，4通路微芯片是很合适的。每种颜色通路的流体出口可平行排列，彼此间隔一定距离，它们也可在内部共同引导至共同的流体出口，从而实现内部混合。最终，如图6，B所示，另外还可将排放的颜料雾化。可通过连续雾化的空气实现雾化，或也可通过控制所述雾化空气的额外的通路不连续地实现雾化。
权利要求
1.打印头，特别适用于粘性或颗粒填充流体，该打印头具有多通路，一个通路的特征在于包括微电气动回路(2)，包括由处于第一压力水平和第二压力水平之间的微型阀(18)和气动节流阀(23)组成的串联回路，所述微电气动回路用于在微型阀(18)和气动节流阀(23) 的共同的气动节点(5)处产生控制压力p。，按需供滴的流体喷射器(4)，其具有由所述控制压力P。驱动的隔膜(8)，所述流体喷射器(4)控制通过流体出口(6)的流体排放。
2.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，用于所述控制压力P。状态改变的时间常数优选小于1毫秒，更优选小于100微秒。
3.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，所述按需供滴的流体喷射器(4)通过利用隔膜(8)、根据阀原理工作，所述隔膜(8)的第一面由控制压力P。驱动，而其第二面与阀座(10)和阀开口(9)共同作为流体阀，该流体阀控制通过流体出口(6)的流体输出。
4.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，所述按需供滴的流体喷射器(4)根据位移原理工作，当控制压力P。使隔膜(8)偏斜时，隔膜(8)使喷射器腔(17)内的流体排出，从而通过流体出口(6)喷射流体。
5.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，隔膜(8)包括弹性体。
6.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，微型阀(18)为压电阀，优选具有压电弯曲换能器。
7.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，包括气动部件(24)，该气动部件包括多个通路的微电气动回路(2)。
8.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，包括射流部件(25)，该射流部件包括多个通路的流体控制部件。
9.根据权利要求7或8所述打印头，其特征在于，所述气动部件(24)和所述射流部件 (25)之间为可拆卸的连接。
10.根据权利要求1或3所述的打印头，其特征在于，所述微型阀(18)配置为正常闭合的，并连接至所述两个压力水平中较低的那个，所述气动节流阀(23)连接至所述两个压力水平中较高的那个。
11.根据权利要求1或3所述的打印头，其特征在于，所述微型阀(18)配置为正常打开的，并连接至所述两个压力水平中较高的那个，所述气动节流阀(23)连接至所述两个压力水平中较低的那个。
12.根据权利要求1或4所述的打印头，其特征在于，所述微型阀配置为正常闭合的，并连接至所述两个压力水平中较高的那个，所述气动节流阀(23)连接至所述两个压力水平中较低的那个。
13.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，包括第一喷射器(4)和第二喷射器 (4)，所述第一喷射器排放液体，所述第二喷射器控制加压的雾化空气，所述第一和第二喷射器的流体出口 6被设置为使所述液体被所述空气雾化。
14.用具有多通路的打印头打印流体的方法，其中在一个通路中通过微电气动回路(2)将电控制信号转化成微型阀(18)和气动节流阀(23)的共同的气动节点(5)上的气动控制压力p。，所述微电气动回路包括由位于第一和第二压力水平之间的微型阀(18 )和气动节流阀(23 )组成的串联回路，所述控制电压P。用于驱动按需供滴的流体喷射器(4)的隔膜(8)，所述隔膜(8)控制通过流体出口(6)的流体排放。
15.权利要求1所述的具有多通路的打印头的制造方法，其特征在于，通过微系统技术领域的制造方法、用普通板制得多通路的微型阀(18)的阀座(20)和阀开口。
16.权利要求1所述的具有多通路的打印头的制造方法，其特征在于，通过微系统技术领域的制造方法、用普通板制得多通路的气动节流阀(23)。
全文摘要
一种打印头，特别适用于粘性或颗粒填充流体，所述打印头具有多通路。所述打印头的一个通路的特征在于包括微电气动回路(2)，该微电气动回路包括由位于第一和第二压力水平之间微型阀(18)和气动节流阀(23)组成的串联回路，用于在微型阀(18)和气动节流阀(23)的共同的气动节点(5)处产生控制压力pc，进一步包括按需供滴的流体喷射器(4)，该流体喷射器具有由所述控制压力pc驱动的隔膜(8)，所述流体喷射器(4)控制通过流体出口(6)的流体排放。
文档编号B41J2/04GK102574395SQ201080036422
公开日2012年7月11日 申请日期2010年6月21日 优先权日2009年6月19日
发明者苏荷·乔戈斯, 贝克哈德·巴斯特金斯 申请人:贝克哈德·巴斯特金斯