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Fachgebiet Mikrosystemtechnik
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Wehl
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Tintendruck: Strahlt er oder strahlt er nicht, das ist hier die Frage!
(Erschienen unter dem Titel "Nur nicht kleckern" in der CHIP 8/94 S. 104 - 112)
Jetzt sitzen Sie schön in der Tinte! Da hat man Ihnen unlängst einen teueren Tintenstrahldrucker verkauft und
jetzt behaupte ich, dass in Ihrem Drucker - im Gegensatz zum Laser(strahl)drucker - nichts strahlt und Sie für Ihr Geld "nur" einen Tintendrucker bekommen
haben. Bevor Sie sich nun jedoch aufregen und das schöne Stück Ihrem Händler zurücktragen wollen, kann ich Sie beruhigen: Hätte
man Ihnen tatsächlich einen "Tintenstrahler" verkauft, hätten Sie ein vielfaches dafür bezahlen müssen und könnten ihn
nicht einmal sinnvoll am PC betreiben.
Dem Verfasser dieses Beitrages, selbst seit vierzehn Jahren in der Grundlagenentwicklung des Tintendrucks tätig, fallen zwar in fast
jedem Bericht über sein "Lieblingsspielzeug" Fehler auf; Absolution sei indes bereitwillig erteilt, zumal, wie später noch gezeigt wird,
selbst in einem deutschen Produktprospekt eines japanischen Systemerfinders haarsträubender Unsinn steht. Vorzuwerfen ist manchem Redakteur allein,
diesen offensichtlichen Unfug gedankenlos abzuschreiben...
Tintendruckköpfe sind heute, wie integrierte Schaltungen, Produkte modernster Fertigungstechniken. Da diese nur wenige beherrschen (und bezahlen
können), sind, angeführt von Hewlett-Packard und Canon, nur noch eine Handvoll Hersteller übriggeblieben. Die letzte in Deutschland
überlebende Firma, die aus dem ehemaligen Siemens Fernschreiberwerk hervorgegangene, 100%ige Kodak-Tochter Inkjet Systems in Berlin und München
wurde aufgrund der Finanzkrise der Konzernmutter Ende 1993 geschlossen.
Was unterscheidet nun einen Tintendrucker von einem Tintenstrahldrucker? Warum sind die Tintenstrahldrucker soviel teurer und kaum für den
Betrieb am PC zu gebrauchen? Welche Funktionsprinzipien gibt es bisher beim Tintendruck? Wo liegen die Vor- und Nachteile der Varianten? Wie geht
es in den nächsten Jahren mit dem Tintendruck weiter? Wie sind seine Marktchancen? Diese und weitere Fragen sollen auf den nächsten Seiten
ausführlich mit vielen Grafiken, Bildern und Tabellen beantwortet werden.
Den Tintendruckern, die ja unter anderem mit Nadel- und Laserdruckern konkurrieren, haftete viele Jahre der Ruf an, etwas schmuddelig und unzuverlässig
zu sein. Zu lesen war oft von eingetrockneten Düsen und der Schwierigkeit, geeignetes Papier für das eigene Modell zu finden. Modernen Tintendruckern
sind diese Probleme weitestgehend unbekannt, insbesondere dann, wenn sich die Kunden an die Empfehlungen in der Bedienungsanleitung halten.
Der Weg bis zu den heutigen modernen Tintendruckern war allerdings lang und oft beschwerlich. Er führte über eine ganze Reihe von
Zwischenstationen, und sicher ist nur, dass die Endstation noch lange nicht erreicht ist. Kein anderes Druckverfahren hat bisher so viele Varianten
hervorgebracht wie der Tintendruck.
Der erste "Tintenstrahler"
Obwohl sich schon der Physiker und Nobelpreisträger Lord Rayleigh im vergangenen Jahrhundert sehr gründlich mit dem Zerfall von Flüssigkeitsstrahlen
und der Tropfenformung auseinandergesetzt hat [13], kann man doch 1948 als Geburtsjahr des Tintenstrahldrucks bezeichnen. Damals wurde von Siemens
Elema in Schweden eine Vorrichtung zum Patent [2] angemeldet, die wie ein Galvanometer arbeitet, aber statt eines Messzeigers eine Düse besitzt
(
Bild 1). Bei diesem Messschreiber presst eine Pumpe kontinuierlich einen haarfeinen Tintenstrahl aus der Düse, die dabei
zugleich von einem Elektromagneten proportional zur angelegten Spannung ausgelenkt wird. Wird ein Papierstreifen gleichmäßig an der
Düse vorbeigezogen, entsteht auf dem Papier eine Kurve, die den Spannungsverlauf am Elektromagneten als Funktion der Zeit darstellt.
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| Bild 1: Oszillomink von Siemens-Elema, der erste Tintenstrahler, heute vor allem noch in EKG-Geräten genutzt |
Heute, fast ein halbes Jahrhundert später wird dieses Drucksystem, genial einfach wie es ist, noch häufig eingesetzt: Hat man bei Ihnen
schon einmal ein EKG (Elektrokardiogramm) machen lassen? Wenn ja, dann sehr wahrscheinlich mit einem Nachfolger des ersten Tintenstrahlers (Bild
2). In Fachkreisen wurde dieser Flüssigkeitsoszillograph unter dem Namen Oszillomink bekannt. Die Kombination aus geringer bewegter Düsenmasse
und minimalen Reibungskräften erlaubt es, Signale bis zu einer maximalen Frequenz von einigen Kilohertz korrekt aufzuzeichnen.
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| Bild 2: Mit kontinuierlichen Tintenstrahl geschrieben: Ein Elektrokardigramm (EKG) |
Mit einem Flüssigkeitsoszillographen kann man Kurven, jedoch keine Texte und Grafiken drucken. Das gelang erst mit der Weiterentwicklung zu
den ersten Tintenstrahldruckern, auch Continuous-Jet- oder Hochdruckverfahren genannt.
Tintenstrahlverfahren
Continuous-Jet, Hochdruckverfahren
Zwei Probleme hatten die Entwickler zu lösen: Zum einen musste der Tintenstrahl in ganz definierte Mikrotröpfchen zerfallen
und zum anderen durfte der größte Teil der Tropfen das Papier gar nicht erst erreichen (So liegt z. B. bei Textdruck der Anteil bedruckter
Fläche bei nur zwei bis fünf Prozent). Zugute kam den Entwicklern die von dem schon erwähnten Lord Rayleigh festgestellte Neigung eines
Flüssigkeitsstrahls, in Einzeltropfen zu zerfallen. Man musste dem zufälligen Zerfall des Strahls nur etwas nachhelfen, indem man dem
unter hohen Druck (bis 30 bar) austretenden Tintenstrahl mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers hochfrequente Druckwellen überlagerte
Bild 3 [5,12].
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| Bild 3: Nur Hochdrucksyteme spritzen Tinte im kontinuierlichen Strahl aus und verdienen den Namen 'Tintenstrahldrucker' zu Recht |
Auf diese Weise lassen sich bis zu einer Million (!) Tropfen pro Sekunde ausstoßen. Je nach Düsengeometrie sind sie nur wenige Mikrometer
groß und fliegen mit bis zu 40 m/s. Es handelt sich, wie auch zeigt, hier um "echte Tintenstrahler"; die Fachwelt bezeichnet sie als Continuous-Jet-
oder Hochdrucksysteme. Besonders verdient gemacht um die Entwicklung der Hochdruckverfahren hat sich im übrigen Prof. Hertz in Schweden [5],
ein enger Verwandter des Namenspatrons für die Einheit der Schwingungen (Hz).
Diffiziler ist es bei Hochdrucksystemen, die unerwünschten Tropfen gezielt wieder abzufangen. Die Lösung fand man im Oszillograph: Wie
dort den Elektronenstrahl lenkt man beim Tintenstrahlverfahren die einzelnen Tröpfchen elektrostatisch ab. Nach dem Zerfall des Tintenstrahls durchfliegt
die Tinte eine Ringelektrode, die sie elektrisch auflädt. Gesteuert durch die Druckerelektronik lenkt ein elektrisches Feld zwischen den nachfolgenden
Elektroden die überschüssigen Tröpfchen so ab, dass sie genau in die Fangvorrichtung fliegen. Von dort fließt die Tinte durch
einen Filter zurück in den Vorratsbehälter, so dass keine Tinte verlorengeht.
Die ersten Continuous-Jet-Drucker waren Anfang der siebziger Jahre serienreif. Es gibt inzwischen ebenfalls Varianten des Hochdruckprinzips,
bei denen die gerade fliegenden Tropfen eingefangen werden, die also mit den abgelenkten drucken. In gewissem Umfang lässt sich damit gleich
durch gezieltes Ablenken der Tropfen nicht nur eine Linie, sondern ein schmaler Streifen in einem Durchgang bedrucken.
Anwendungen
Obwohl, wie schon erwähnt, die wenigsten von uns je einen Tintenstrahldrucker zu sehen bekommen haben, gehen wir doch täglich
mit Dingen um, die von Hochdrucksystemen beschriftet wurden. Ideal eignen sich diese Drucker nämlich dazu, fast beliebige Oberflächen und
Gegenstände zu markieren und zu kodieren. Mit ihnen lässt sich so ungefähr alles verspritzen was flüssig ist, seien es Tinten,
Lacke, Öle oder gar Klebstoffe und Harze.
Wegen der hohen Fluggeschwindigkeit der Tropfen darf die Oberfläche überdies stark uneben und dazu, je nach geforderter Druckqualität,
ein paar Zentimeter entfernt sein. Suchen Sie doch einmal selbst Tintenstrahlmarkierungen, wie beispielsweise Haltbarkeitsdaten auf Kartons, Flaschen, Dosen, Eiern,
Kabeln usw. (
Bild 4)! Man erkennt den Druck meist schnell an dem etwas ungleichmäßig oder ausfransend gedruckten
Punkten. Auch die Deutsche Bundespost kodiert in ihren automatischen Verteilanlagen Briefe und Postkarten mit Continuous-Jet-Druckern. Zu erkennen ist das
an den hellorangen Punktstrichen unter oder neben dem Anschriftenfeld.
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| Bild 4: Mindesthaltbarkeitdatum, gedruckt mit Tintenstrahl � Gehen Sie doch einmal selbst auf die Suche! |
Ein ganz anderes Einsatzgebiet haben sich die Tintenstrahler unter anderem bei den Geographen und Designern erschlossen, wo sie z. B. als Color-Proof-Drucker
zur möglichst exakten Vorhersage des späteren Massendruckergebnisses benutzt werden. Wie Bild 5 beweist, lassen sich mit diesen Geräten,
hier von IRIS, hervorragend brillante und hochauflösende Halbtondrucke, auch in großen Formaten, in Fotoqualität drucken.
Es liegt auf der Hand, dass der beträchtliche apparative Aufwand der Tintenstrahlsysteme zu großen, kostspieligen Maschinen führt
- unter zehntausend Mark geht gar nichts und für einen Farbdrucker für Drucke à la Bild 5 sind mindestens
30.000 Mark anzulegen. Aus diesen Gründen werden sich die Continuous-Jet-Verfahren wohl nie bei den Bürodruckern durchsetzen.
| Bild fehlt |
| Bild 5: Auch das ist Tintenstrahldruck: Perfekte Farbbilder in Fotoqualität (fehlt, hat die Redaktion von Chip verschlampt) |
Tintendruckverfahren (Drop-on-Demand-Systeme)
Schon während der Entwicklung der Continuous-Jet-Systeme war abzusehen, dass mit den Tintenstrahlverfahren den damals dominierenden,
und schon recht kompakten Typenrad- und Nadeldruckern keine Konkurrenz zu machen war. Die hohen Kosten und Nachteile für den alltäglichen
Betrieb im Büro waren zu gravierend: Die Tintenstrahler benötigen viel Platz, die Tinte muss zirkulieren und dabei immer wieder gereinigt
werden. Tintenstrahler für normalen Druckeinsatz haben nur eine Düse, bzw. bei Farbe vier, weshalb sich trotz sehr hoher Tropfenfrequenz keine
hohe Druckgeschwindigkeit erzielen lässt. Außerdem ist es wegen des kontinuierlich austretenden Tintenstrahls und der geringen Düsenzahl
nicht praktikabel, das Papier zeilenweise und bidirektional zu bedrucken. Statt dessen muss das Papier auf eine schnell rotierende Trommel gespannt werden.
Anfang der siebziger Jahre setzte deshalb eine rege Forschungstätigkeit ein, um Systeme ohne die Nachteile der Hochdrucksysteme zu entwickeln.
Die erste Lösung fand man in Tintendruckköpfen mit piezoelektrischen Wandlern, die auf Abruf einzelne Tintentröpfchen ausstoßen.
Die Idee des Drop-on-Demand-Tintendrucks war geboren...
Druckwerke mit piezoelektrischen Aktoren1
Die ersten Pionierpatente über Tintendrucksysteme mit piezoelektrischen Aktoren wurden in den Jahren 1970 und 1971 angemeldet [10,16,20]. Nach
einigen Jahren der Grundlagenforschung bei verschiedenen Firmen und Instituten gelang es zuerst dem Hause Siemens mit einer Gruppe um Prof. Heinzl (heute
Technische Universität München), das Prinzip marktreif fertigzuentwickeln [6]. Der erste Drop-on-Demand-Tintendrucker, der PT 80i wurde 1977 vorgestellt.
Selbst für Insider war er eine Revolution, schaffte er es doch mit seinen zwölf Düsen, immerhin 270 Zeichen/s (bei 10 Zeichen/ Zoll) nahezu geräuschlos zu drucken.
Piezoröhrchen
Siemens benutzte als elektromechanische Wandler Piezoröhrchen, die in einem durch Gießharz geformten Kanal eingebettet sind
(Bild
6 und
7). Auf der Vorderseite schließt eine Düsenplatte alle Kanäle ab. Besonders vorteilhaft für die
Funktion ist die Querschnittserweiterung am Kanalende. Der Energie- und Stofftransport beruht ausschließlich auf Druckwellen, die sich nach
akustischen Gesetzen im Kanal ausbreiten. Druckwellen, die das Kanalende erreichen, werden dort mit Phasenumkehr reflektiert. Auf diese Weise wird
an dieser Stelle aus einer Überdruckwelle eine Unterdruckwelle und umgekehrt. Da sich die Tintenflasche ein paar Zentimeter tiefer als die
Düsenöffnungen befindet, herrscht in den Düsen ein geringer statischer Unterdruck. Die Kanäle laufen trotzdem nicht leer, da starke
Kapillarkräfte die Tinte in den engen Düsen festhalten [5,6,14].
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Bild 6: Filigran, und doch für heutige Verhältnisse doch noch recht voluminös, ein Querschliff durch den PT88S-Druckkopf
von Siemens mit neun Piezoröhrchen (a).
Auf die Chip-Bilder b) und c) wird in der Veröffentlichung "Tintendrucktechnologie:
Paradigma und Motor der Mikrosystemtechnik" näher eingegangen. |
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| Bild 7: Wegbereiter des Tintendrucks: Das Drop-on-Demand-System mit Piezoröhrchen von Siemens |
In einem "akustischen" Finite-Elemente-Programm konnte der gesamte komplexe Vorgang der Tropfenbildung entschlüsselt werden
[18]. Stark vereinfacht lässt sich der Prozess wie folgt beschreiben (Bild 8): Die erste Flanke des Spannungsimpulses erweitert (!) den inneren
Querschnitt des Piezoröhrchens um Bruchteile eines Mikrometers. Dadurch entsteht in der Tinte innerhalb des Röhrchens ein Unterdruck (t=10
µs), der als Welle zur Düse läuft und dort "zum Schwungholen" die Tinte etwas zurückzieht (t=40 µs).
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| Bild 8: Tropfenerzeugung durch "akustische" Druckwellen |
Gleichzeitig wird die nach hinten laufende Druckwelle negativ reflektiert - wird hierdurch zur Überdruckwelle - und überlagert
sich mit der Überdruckwelle, die durch die abfallende Flanke des Spannungsimpulses entsteht (t = 30 µs). Diese starke Welle stößt
nach 50 bis 70 µs einen Tropfen aus. Durch die wiederum negativ reflektierte Druckwelle der abfallenden Impulsflanke entsteht an der Düse nach
60 µs ein Unterdruck, der den Tropfen definiert abtrennt und gleichzeitig das System schnell zur Ruhe kommen lässt. Bis zu zehntausend Tropfen
lassen sich so in der Sekunde auf Abruf ausstoßen. Der PT 90 von Siemens nutzte davon gerade 4800 und erreichte bei 240 dpi Auflösung
hiermit 200 Zeichen/s.
Nur 9 µJ (Mikrojoule!) beträgt die elektrische Energie des Spannungsimpulses. Das sind weniger als 2� der Energie, die auch ein moderner
Nadeldrucker noch benötigt, eine Nadel anzutreiben. In den fliegenden Tropfen gelangt wiederum kaum ein tausendstel der elektrischen Energie.
Um diese winzige Energiemenge zu veranschaulichen: Mit der Bewegungsenergie von zehntausend Tropfen könnte man ein 2,0 Gramm schweres Pfennigstück
gerade einmal um einen Millimeter anheben.
Siemens hat seit 1977 etwa eine Million Tintendrucker mit den drei Piezoröhrchen-Druckwerken aus Tabelle 1 hergestellt.
| Type |
Jahr |
Düsen |
Auflösung* |
| PT 80i |
1977 |
12 |
96 dpi |
| PT 88/89S |
1984 |
9 |
72 dpi |
| PT 90 |
1985 |
32 |
240 dpi |
Tabelle 1: Tintendruckwerke von Siemens mit Piezoröhrchen
* Die hier angegebene Auflösung lässt sich
in einem Druckdurchlauf erzielen |
Nach anfänglichen Schwierigkeiten mit Düsenverunreinigungen
und Instabilitäten bei der piezoelektrischen Energieumwandlung konnte
der Aufbau Anfang der achtziger Jahre so verbessert werden, dass keinerlei
Lebensdauerprobleme mehr auftraten. Im übrigen gilt auch für
Drop-on-Demand-Tintendrucker das Sprichwort: "Wer rastet, der rostet!"
Piezoscheiben
Anfang 1985 stellte Epson mit dem SQ-2000 den ersten seiner "Piezoplanar-Tintendrucker"
vor; der heute aktuelle SQ-870/1170 ist ein Nachfolger mit gleicher Technik
(Tabelle 2). Statt der Piezoröhrchen wie bei Siemens werden auf den
Epson-Druckköpfen, die aus strukturierten Glasplatten hergestellt
werden, kleine Piezoplättchen befestigt (
Bild
9). Legt man eine elektrische Spannung an diese Plättchen, so
ändert sich ihr Durchmesser minimal. Das reicht jedoch aus, um sich
zusammen mit der passiven Glasunterlage im Schichtverbund, ähnlich
wie ein Bi-Metallstreifen, zu verbiegen. Hierdurch entstehen im Tintenkanal
Druckwellen, die in gleicher Weise wie bei den zuvor beschriebenen Piezoröhrchen-Druckköpfen
Tropfen ausstoßen (
Bild 10).
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| Bild 9: Der aus Glas geätzte Tintendruckkopf des SQ-2550
von Epson mit planaren Piezoaktoren |
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| Bild 10: Auf und ab schwingen die Piezoplättchen und
stoßen so einzelne Tintentropfen aus (=>
Animation) |
| Type |
Düsen |
Auflösung1 |
| SQ-870/1170 |
48 |
360 dpi |
| Stylus�8002 |
48 |
360 dpi |
| EPJ-200 |
64 |
300 dpi |
Tabelle 2: Tintendruckwerke von Epson
1 Die hier angegebene Auflösung lässt
sich in einem Druckdurchlauf erzielen
2 Siehe Beschreibung bei Piezolamellenwandlern
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Vornehmlich aus zwei Gründen erreichten die Piezoplanar-Druckköpfe
von Epson nicht die hohe maximale Spritzfrequenz der Piezoröhrchensysteme.
Zum einen sind die Tintenkanäle recht lang, was die Resonanzfrequenzen
der Systeme vermindert und zum anderen hat das kanalformende Glasmaterial
schlechtere Dämpfungseigenschaften als das bei den Piezoröhrchenköpfen
verarbeitete Gießharz.
Piezoplanar-Tintendruckköpfe gibt es in zwei Varianten als Edge-
und als Sideshooter (Bild 11), zwei Begriffe, die auch bei den Bubble-Jet-Köpfen
später wieder auftauchen und dort näher erklärt werden.
Wegen der kurzen Kanäle der Piezosideshooters erreichen diese Systeme
sehr hohe Spritzfrequenzen: Die Prototypen die vor Jahren, unabhängig
voneinander, Siemens und Philips mit diesem Prinzip entwickelten, konnten
auf Abruf mühelos 20000 (!) Tropfen in der Sekunde verspritzen. Dennoch
gab Siemens diese Technik aus Kostengründen und mangelnder Perspektive
für hohe Auflösungen und Farbtintendruck wenig später wieder
auf.
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| Bild 11: Side- und Edgeshooter, die zwei prinzipiellen Anordnungen
aller Tintendrucksysteme |
Der EPJ-200, ein weiterer Piezoscheiben-Edgeshooter von
Epson nimmt eine Sonderstellung ein, da er sich nach außen wie ein
Seitendrucker verhält. Mit der Physik des Tintendrucks hat dies jedoch
nichts zu tun: Wie alle anderen Tinten- und Nadeldrucker arbeitet das Druckwerk
seriell, d. h. jedes Dokument muss Zeile für Zeile zu Papier gebracht
werden. Neben Epson stellt gegenwärtig (mit geringer Marktbedeutung)
nur noch Sharp Piezoplanar-(Farb)tintendrucker her.
Piezolamellen
1987 stellte Dataproducts ein weiteres Piezoprinzip für Tintendrucker
vor: Den Piezolamellenwandler. Dieses Prinzip machte in den vergangenen
Jahren weniger ob seiner Wandleranordnung von sich Reden, als vielmehr
wegen der Flüssigwachstinte5 (Hot-Melt-Ink), die bis auf den neuen
Stylus 800 von Epson alle Piezolamellen-Tintendruckköpfe verspritzen.
Bild 12 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Düse eines
Lamellenwandler-Druckkopfes. Der Piezowandler, eine lange, flache Lamelle,
liegt hier hinter einer kleinen Tintenkammer. Angeregt durch Spannungsimpulse
ändert sich die Länge der Lamelle geringfügig und erzeugt
in der Tintenkammer die notwendigen Druckstöße, um mit ihnen
die Tropfen aus der Düse zu treiben. Die Piezolamellenwandler vereinigen
in sich die Vorteile von Planar- und Röhrchensystemen: Hohe Spritzfrequenz
bei kompakter Bauweise! Heute setzen Dataproducts, Tektronix und Epson
auf Tintendruckköpfe mit Piezolamellen.
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| Bild 12: Der Piezolamellenwandler ist ein Sideshooter mit
anderem Wandlerprinzip. |
Zu Beginn dieses Jahres stellte Epson die Piezo-MACH-Technologie
(Multilayer-Actuator-Head) im Stylus 800 vor. Gleichwohl arbeiten auch
die Piezo-MACH-Druckköpfe mit Piezolamellen. Epson6 ist es jedoch
gelungen, die Piezolamellen einer Düsenreihe in einem Block (Multilayer)
herzustellen. So ließen sich der Druckkopf weiter verkleinern, die
Wandler, Kanäle und Düsen in einem Abstand von nur 140 µm
(180 dpi) plazieren und dabei die Herstellkosten senken. Dennoch bleibt
abzuwarten, ob Epson mit dieser Technik die vom Markt geforderten hochauflösenden
und vieldüsigen Farbtintendrucker anbieten kann.
Druckwerke mit thermischen Aktoren (Bubble-Jet)
Furore machte 1985 der ThinkJet von Hewlett-Packard, der erste Tintendrucker
mit einem Bubble-Jet-Druckwerk. Hatte anfangs noch mancher Piezodruckwerkentwickler
geschmunzelt, als ihm die ersten Bubble-Jet-Patente der Konkurrenz auf
den Tisch flatterten [1,3,4,17], sollte ihnen jetzt das Lachen vergehen,
denn das Bubble-Jet-Verfahren eroberte in wenigen Jahren die Verkaufshitparaden.
Warum aber war dieses Verfahren so genial und revolutionär? Nun, wie
eigentlich immer in solchen Fällen, lag es vor allem an den Herstellkosten...
Mussten die Piezodruckwerke mehr oder wenig mühsam aus vielen Einzelteilen
zusammengebaut werden, so werden die Bubble-Jet-Tintendruckköpfe als
Chips auf Siliziumwafern (Ausnahme: ThinkJet auf Glas) zu hunderten in
Dünnschichttechnik hergestellt [8,9].
Herstellung
In der Dünnschichttechnik [7] setzt man weitgehend die gleichen Herstellprozesse
ein, wie sie zur Produktion von Integrierten Schaltungen erforderlich sind.
Die Tintenkanäle, Düsen, Aktoren und elektrischen Verbindungen
entstehen, indem man wechselweise auf den Wafern Schichten aufbringt (z.
B. durch Sputtern, chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD = Chemical
Vapour Deposition) oder aus Lösungen, galvanischen Prozessen oder
durch Laminieren) und diese Schichten anschließend strukturiert.
Dazu wird zunächst auf die Wafer ein lichtempfindlicher Lack aufgeschleudert
und über eine Maske örtlich belichtet. An den belichteten Stellen
lässt sich der Lack partiell entfernen. Durch den Lack nicht mehr
geschützt, lassen sich dort danach neue Schichten aufbauen oder die
darunterliegende(n) Schicht(en) wegätzen.
Auf diese Weise entstehen nach insgesamt weit mehr als hundert solchen
Fertigungsschritten auf einem Wafer sehr viele Bubble-Jet-Chips (
Bild
13 und
14). Alle Strukturen müssen auf den
tausendstel Millimeter in sich und relativ zueinander genau sein. Außerdem
führt jede kleinste Verunreinigung bei der Herstellung zum Ausfall,
weshalb man Bubble-Jet-Chips in den gleichen Reinräumen und mit den
gleichen Maschinen herstellen muss, wie sie in der Halbleiterfertigung
üblich sind.
Es liegt auf der Hand, dass sich durch die gleichzeitige Bearbeitung
vieler miniaturisierter Chips auf einem Wafer die Herstellkosten trotz
hoher Investitions- und Entwicklungskosten7 für Reinräume und
Maschinen drastisch reduzieren lassen. Nur noch die Chipfläche und
die Zahl und Art der Prozesse, hingegen nicht die Düsenzahl und Druckauflösung
des Bubble-Jet-Chips, bestimmen seine Kosten. Ein 400 dpi Druckkopf mit
64 Düsen muss deshalb nicht teuerer sein als einer mit lediglich 180
dpi und 24 Düsen.
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| Bild 13: Silizium und Dünnfilmtechnik sind die Schlüsselworte
bei der Herstellung der Bubble-Jet-Druckköpfe |
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| Bild 14: Kaum größer als ein Streichholz-kopf,
der 50 düsige Bubble-Jet-Chip im Kodak Diconix 701 von Inkjet Systems |
Da Bubble-Jet-Druckköpfe, wie beschrieben, in vielen
Schritten auf die gleiche Weise wie Integrierte Schaltungen hergestellt
werden, ist es naheliegend, diese gleich mit in den Chip zu integrieren.
Canon ging hier mit einer integrierten Transistormatrix in den Druckköpfen
des BJ-10e und CLC-10 den ersten Schritt, Xerox folgte 1993 mit einem komplett
integrierten Serien-Parallelwandler in ihrem 128ig düsigen Bubble-Jet-Druckkopf8
und auch die anderen Hersteller werden sicher bald folgen. Es ist anders
auch kaum vorstellbar, wie die 128 Düsen des Xerox-Druckkopfes alle
einzeln elektrisch angeschlossen werden sollen.
Funktion
Die Funktion eines Bubble-Jet-Druckkopfes las sich in der (Computer-)presse
und -werbung bisher etwa so: "Ein winziges Heizelement in jeder Düse
produziert Luftblasen, die sich ausdehnen und eine bestimmte Menge Tinte
aus der Düse herausdrücken. Wenn sich anschließend das
Heizelement abkühlt und zusammenzieht, wird durch das entstehende
Vakuum Tinte angesaugt." Verursacher dieses haarsträubenden Unsinns
war ausgerechnet ein Prospekt des Bubble-Jet-Prinziperfinders Canon, bei
dem die genialen japanischen Erfinder das Korrekturlesen versäumt
hatten. Natürlich entstehen in der Düse keine Luftblasen und
kein Vakuum und das Heizelement kann sich genausowenig zusammenziehen -
doch, wer meckert, muss es erst besser erklären...
Die
Bildsequenz 15 zeigt schematisch den "wahren"
Vorgang in einer Bubble-Jet-Düse. Zunächst wird ein starker Spannungsimpuls
von etwa 3 bis 7 Mikrosekunden auf das tatsächlich winzige Heizelement9
geschaltet, wodurch es sich sofort auf etwa 500 °C erhitzt. An der
Grenzfläche zur Tinte werden dabei immerhin noch über 300 °C
erreicht. Die Flächenheizleistung übertrifft die der Sonne um
das zwanzigfache, weshalb ein nur wenige Mikrosekunden zu langer Impuls
das Heizelement sofort zerstören würde.
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| Bild 15: Im Vergleich zu Piezosystemen ist die Volumenänderung
durch Dampfblasen ungleich größer und außerdem selbstregelnd
(=> Animation). |
Schlagartig beginnt die Tinte über dem Heizelement
in einem feinen Film zu sieden, woraus sich nach 15 µs eine geschlossene
Dampfblase bildet. Dadurch, dass mit der Blasenbildung der Wärmestrom
vom Heizelement zur Tinte fast vollständig unterbrochen wird, hat
das System selbstregelnde Eigenschaften - ein wichtiger Vorteil der Bubble-Jet-Systeme.
Die Dampfblase treibt mit hohem Druck (bis 10 bar) einen Tintentropfen
aus der Düse, wobei Fluggeschwindigkeiten von 10 m/s und darüber
die Regel sind (
Bild 16). Nach maximal 40 µs
ist die Blase wieder in sich zusammengefallen (kollabiert), doch dauert
es etwa 200 µs, bis neue Tinte durch Kapillarkräfte nachgesaugt
worden ist.
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| Bild 16: 10 m/s und mehr Fluggeschwindigkeit erreichen die
Bubble-Jet-Tropfen in wenigen Mikrosekunden |
Edge- und Sideshooter
Bubble-Jet-Druckköpfe gab es von Beginn an in zwei Varianten am
Markt. Der Systemerfinder Canon bevorzugt wie wir bei Inkjet Systems den
Edgeshooter (
Bild 17). Fast zeitgleich
entwickelte Hewlett-Packard den Sideshooter [8,9,17], den baugleich derzeitig
auch Olivetti herstellt. Die nachfolgende Tabelle 3 führt die wichtigsten
Bubble-Jet-Druckköpfe dieser vier bislang einzigen Hersteller auf:
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| Bild 17: Die zwei bekannten Varianten des Bubble-Jet-Prinzips:
Links der Edgeshooter (heute nur noch von Canon hergestellt) und rechts
der Sideshooter (hergestellt von Hewlett Packard, Lexmark, Olivetti und
Xerox) |
Der Edgeshooter spritzt seine Tropen, wie der Name schon ausdrückt,
um die Ecke, also senkrecht zur Entstehungsrichtung der Blasen aus. Beim
Sideshooter, bei dem sich über den Heizelementen und Tintenkanälen
ein Düsenplatte befindet, bewegen sich Blase und Tropfen gleichgerichtet.
Zunächst ist es beim Sideshooter viel einfacher, homogene Benetzungsverhältnisse
auf der Druckkopfoberfläche und definierte Düsenlöcher herzustellen
als beim Edgeshooter, dessen Düsenränder aus den unterschiedlichsten
Materialien bestehen.
| Hersteller / Typen1 |
Düsen |
Auflösung2 |
| Edgeshooter |
| Canon: BJ-300/330 |
64 |
360 dpi |
| Canon: BJ-10ex/20/200 |
64 |
360 dpi |
| Canon: BJ-800 |
64 |
360 dpi |
| Canon: CLC-10 |
128 |
400 dpi |
| Canon: BJ-A1 |
256 |
400 dpi |
| Inkjet Systems: Diconix 701 |
50 |
300 dpi |
| Xerox: z.B. SpeedJet 300 |
128 |
300 dpi |
| Sideshooter |
| Hewlett-Packard: ThinkJet3 |
12 |
96 dpi |
| HP: DeskJet /plus/500 |
50 |
300 dpi |
| HP: DeskJet 550 C |
48 |
300 dpi |
| HP: PaintJet 300 XL |
50 |
300 dpi |
| Olivetti: JP-350 |
50 |
300 dpi |
Tabelle 3: Bubble-Jet-Tintendruckwerke
1 Fast alle hier aufgeführten Druckwerke,
bzw. Drucker tauchen überdies unter anderer Bezeichnung als Fremdprodukte
bei anderen Herstellern auf.
2 Die hier angegebene Auflösung lässt
sich in einem Druckdurchlauf erzielen
3 Der ThinkJet-Druckkopf wird nur noch
in diversen Druckern von Diconix (Kodak) eingesetzt. |
Auf der anderen Seite benötigt der Sideshooter mehr
Düsenfläche, was insbesondere bei zukünftigen Vieldüsensystemen
mit höheren Auflösungen zu Problemen führen kann. Außerdem
prallt die Tinte nach dem Kollabieren der Dampfblase mit voller Wucht auf
die Oberfläche des Heizelements, weshalb sich dort früher oder
später Schäden durch Kavitation zeigen. Dies ist auch die wahrscheinlichste
Erklärung dafür, warum das Sideshooter-Prinzip, im Gegensatz
zum Edgeshooter-, bisher nur in austauschbaren Tintendruckköpfen mit
kürzerer Lebensdauer benutzt wurde.
Für alle Bubble-Jet-Systeme gleichermaßen gelten sehr hohe
Anforderungen an die Tinten - viel höhere als bei Piezosystemen. Wegen
der hohen Temperaturen und des Funktionsprinzips werden bisher nur auf
Wasserbasis gemischte Lösemitteltinten eingesetzt.
Andere Tintendruckverfahren
Außer den bisher genannten Tintendruckverfahren konnte sich bis heute
kein anderes am Markt behaupten. Dennoch sollen hier noch einige andere
Techniken, Tinte aufs Papier zu bringen, gezeigt werden.
Scherwandler
Zumindest in der Presse und auf internationalen Kongressen machen die Scherwandler
schon von sich reden [11]. Wie Bild 18 zeigt, besteht bei diesem Prinzip
der Druckkopf im Wesentlichen aus einer piezokeramischen Platte, in die
viele Tintenkanäle eingesägt wurden. Das Gebilde wird mit einem
Deckel nach oben und mit einer Düsenplatte nach vorn abgeschlossen.
Die seitlichen Kanalwände werden mit Elektroden versehen. Durch Anlegen
einer Spannung quer zur Polarisationsrichtung der Piezokeramik scheren
die Wände zur Seite aus. Das verdrängte Volumen wird dann zum
Teil als Tropfen ausgestoßen.
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| Bild 18: Tintendruckkopf, der mit dem Scherwandlerprinzip
arbeitet (Xaar, MIT) |
Direkt benachbarte Düsen können nicht gleichzeitig
spritzen, da ja jeder Aktor als bewegte Kanalwand gleichzeitig auf zwei
Düsen wirkt. Erzeugt ein Spannungspuls Überdruck in einer Düse,
so hat das Unterdruck in den zwei benachbarten zur Folge. Ob aus dem Scherwandlerprinzip
jemals ein erfolgreiches Produkt hervorgehen wird, scheint fraglich, denn
sowohl die Herstellung als auch die beschriebene Betriebsart ist mit vielen
Problemen verbunden.
Sonstiges
Neben den beschriebenen Tintendrucksystemen gab es eine Reihe von weiteren
Varianten, die primär wegen mangelnder Zuverlässigkeit schnell
wieder vom Markt verschwanden. Zu nennen wäre hier u. a. ein elektrostatisches
Verfahren von Siemens in den siebziger Jahren und das "Dry-Ink-Verfahren"
von Olivetti, bei dem durch Funkenentladung graphithaltige Feststofftinte
aufs Papier geschleudert wurde (Bild 19) [12].
 |
| Bild 19: Unzuverlässig: Dry-Ink-Verfahren von Olivetti |
Vergleichende Bewertung
Selbst wenn man nur eine einfache Klasseneinteilung der
einigermaßen erfolgreichen Tintendruckverfahren vornimmt, lassen
sich fünf unterschiedliche Systeme mit piezoelektrischen Wandlern
und zwei mit thermischen Wandlern aufzählen. Ihre wesentlichen Kennzeichen
sind in
Tabelle 4 zusammengefasst:
| Verfahren |
Spritz-
frequenz (1)
kHz |
Auf-
lösung
dpi |
System-
länge (2)
mm |
Aktor-
länge
mm |
Düsen-
abstand
µm |
Span-
nung
V |
Energie /
Tropfen
mJ |
Herstell-
kosten |
Lebens-
dauer |
| Piezoröhrchen |
10 |
240 |
30 |
13 |
353 |
120 |
9 |
sehr hoch |
++ |
| Piezoplanar Edgeshooter |
4 |
360 |
40 |
2,8 |
282 |
150 |
12 |
hoch |
++ |
| Piezoplanar Sideshooter |
20 |
360 |
2 |
1,0 |
282 |
80 |
5 |
hoch |
++ |
Piezolamellen-
wandler |
6 |
300 |
30 |
ca. 5 |
169 |
25 |
5 |
hoch |
++ |
| Piezoscherwandler |
5 |
150 |
5 |
5 |
169 |
50 |
? |
mittel |
++ |
| Bubble-Jet Edgeshooter |
5 |
400 |
0,5 |
0,15 |
64 |
30 |
30 |
niedrig |
+ |
| Bubble-Jet Sideshooter |
4 |
300 |
0,5 |
0,1 |
169 |
30 |
30 |
niedrig |
o |
Tabelle 4: Vergleich der Tintendruckprinzipien (1) teilweise
Laborwerte (2) Gesamtlänge aus Düse, Kanal und Aktor |
Die Werte in den Spalten Aktorgröße und Düsenabstand
machen deutlich, dass es nur beim Bubble-Jet-Design gelingt, Wandler und
Düsen in gleicher Größenordnung herzustellen.
Bild
20 veranschaulicht auf andere Weise eindrucksvoll, welche Welten zwischen
den Wandlerabmessungen von Piezo- und Bubble-Jet-Prinzipien liegen.
 |
| Bild 20: Noch zum Anfassen geeignet, die Piezowandler - mikroskopisch
klein dagegen und etwa genausogroß wie die Punkte am Papier - die
Bubble-Jet-Heizelemente |
Integrierte Reinigungseinrichtungen
Im Grunde weiß es jeder Zweitklässler wie man
einen "Tintenschreiber", nämlich seinen Füllfederhalter, pflegt
und betriebsbereit hält: Mit der Kappe schützt man ihn vor dem
Eintrocknen und mit etwas Löschpapier wird Tinte abgesaugt und die
Feder gereinigt. Genau diese Funktionen findet man auch in modernen Tintendruckern.
Dort fährt der Druckkopf in Druckpausen zur sogenannten Reinigungs-
und Dichtstation (neudeutsch: Homestation) (
Bild 21).
 |
| Bild 21: Eine kleine verfahrentechnische Anlage: Die Reinigungs-
und Dichtstation eines modernen Tintendruckers (Quelle Epson). |
Hier werden die Düsen von einer Kappe abgedeckt, hinter
der sich alsbald ein Mikroklima mit gesättigter Luftfeuchtigkeit bildet,
wodurch ein weiteres Eintrocknen der Tinte in den Düsen verhindert
wird. Die Dichtkappe ist über einen Schlauch mit einer Pumpe verbunden,
die der Bediener (im eventuellen Fehlerfall) über eine Taste am Drucker
(Prime, Clean) in Gang setzen kann. Die Pumpe saugt die Luft aus dem Tintendruckkopf
und füllt die Düsen wieder vollständig mit Tinte. Neben
der Dichtkappe befindet sich eine bewegliche Wischlippe an der Reinigungsstation
mit der sich, gleich einem Autoscheibenwischer, Staub, Papierfasern und
Tintenreste von der Düsenfläche wischen lassen.
Tinte, Papier und Folien
Die ersten Tintendrucker hatten noch keine besonders ausgeklügelten
Reinigungs- und Dichtstationen, weshalb damals nur Tinten eingesetzt werden
konnten, die an Luft praktisch nicht trockneten. Die schnelle Wischfestigkeit
wurde erreicht, weil die im Wesentlichen aus Glykolen bestehende Tinte
schnell in die Fasern des Papiers eindrang (stark penetrierende Tinte,
Bild
22a). Aus diesem Grund musste damals gut saugfähiges oder speziell
beschichtetes Papier benutzt werden; auf büroüblichen Papier
war die Druckqualität dagegen meist nur mäßig.
 |
 |
| Bild 22a und b: Dasselbe Papier, und doch ein
gewaltiger Unterschied in der Druckqualität durch unterschiedlich
stark penetrierende Tinten: links schwach und rechts stark penetrierende
Tinte. |
Heute werden neben dem weiter unten beschriebenen Flüssigwachs
vor allem Tinten eingesetzt, deren Hauptbestandteil Wasser ist. Diese Tinten
dringen kaum noch in das Papier ein und ergeben scharf begrenzte Punkte
(
Bild 22b). Andererseits dauert es jetzt einige Sekunden
bis die Tinte am Papier wischfest wird. Deshalb enthalten manche moderne
Tintendrucker spezielle Trocknungsvorrichtungen oder Zwischenablagen. All
das nützt allein noch nichts für hochwertige Ausdrucke auf Transparentfolien.
Hier hilft nur eine saugfähige Beschichtung auf den Spezialfolien,
die alle Hersteller für ihre Tintendrucker anbieten.
Es ist den Entwicklern bislang noch nicht gelungen, Pigmente so stabil
in eine Trägerflüssigkeit für Tinten zu mischen, dass es
zu keinen Ablagerungen und Verstopfungen kommt. Deshalb muss man nach wie
vor Farbstoffe wählen, die vollständig löslich sind. Diese
Lösemitteltinten sind jedoch leider nicht ganz so wasserfest, licht-
und dokumentenecht, wie Pigmenttinten, die man in der kommerziellen Drucktechnik
benutzt. Um dennoch zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen, lässt
man die Tinten chemisch mit dem Papier reagieren. Da indes aus Gründen
des Umweltschutzes und der besseren Archivierbarkeit vornehmlich europäische
Hersteller zur Zeit ihre Papiere von saurer auf alkalische Leimung umstellen,
hat sich bei manchen Papieren trotz fortschrittlicher Tinten die Druckqualität
verschlechtert.
Noch schwieriger wird die Sache beim Farbtintendruck. Solange die Tintentropfen
noch wie Perlen auf der Oberfläche des Papiers liegen, neigen sie
dazu, wie das Wasser auf einem ungepflegten Autolack, zusammenzulaufen
(man nennt das Koaleszenz). Bei einfarbigem Druck fällt das nicht
weiter auf, doch wenn verschiedene Farben direkt aneinander angrenzen,
beginnen die Farbflächen ineinander zu "bluten" (
Bild
23). Man kann dieses Problem allerdings vermeiden, wenn man nicht "nass
in nass" druckt.
| fehlt noch |
| Bild 23: Koaleszens: Das Fachwort für in-einander laufende
Farben, wenn Druckmo-dus, Tinten und Papier nicht aufeinander abgestimmt
sind. |
Dies gelingt auf einfache Weise indem man saugfähig
beschichtetes Papier benutzt. Man kann indes mit gleicher Auswirkung auf
die Farbdruckqualität die verschiedenen Farbtinten um ein paar Sekunden
zeitversetzt drucken, so dass die zuerst gedruckte Tinte bereits antrocknen
kann. Beim Druck von Farbfolien gibt es zu dieser Methode gar keine Alternative.
Bei solch aufwendigen Druckmodi, bei denen eine Zeile in mehreren Wagendurchläufen
mit Wartepausen erzeugt wird, sind die Herstellerangaben zur Druckgeschwindigkeit
freilich völlig unbrauchbar. Aus zwei Seiten Normtext pro Minute im
Datenblatt des Druckeranbieters wird dann schnell eine Viertelstunde pro
Farbgrafikseite...
Neben den erwünschten Eigenschaften auf Papier oder Folie müssen
gute Tinten eine ganze Reihe von zusätzlichen Anforderungen erfüllen
[15]:
Verträglichkeit mit den Materialien des Druckwerks
Homogenität: Keine Ablagerungen in den Kanälen und Düsen,
keine Entmischung
Reinheit: Keine Partikel oder Verunreinigungen
Lagerfähigkeit zwischen -25 und +70 °C.
definierte Werte für Dichte, Viskosität und Oberflächenspannung
im Temperaturbereich von 10 bis 40 °C
kein Bakterien- oder Algenwachstum
ungiftig, nicht krebsauslösend und nicht brennbar
Zusätzliche Forderungen für Bubble-Jet-Tinten:
definierte Dampfblasenbildung ohne Ablagerungen
kurzzeitige Hitzebeständigkeit bis 350 °C
Flüssigwachstinte
Was hat es nun jedoch mit dieser Flüssigwachstinte auf sich, die fast
alle Piezolamellendrucker verspritzen? Während die anderen Hersteller
Tinten mit gelösten Farbstoffen verwenden, füttert man die Piezolamellen-Druckköpfe
mit festen Wachsstiften. Zum Drucken erwärmt eine Heizung im Druckkopf
das Wachs auf weit über 100 °C, wodurch es dünnflüssig
wird ("Hot-Melt") und sich wie Lösemitteltinte verspritzen lässt.
Da die Tinte unmittelbar nach dem Auftreffen auf dem Papier wieder
"gefriert", erzielt man mit Flüssigwachsdruckern auf allen Papieren
und Folien eine ausgezeichnete Druckqualität. Die "gefrorenen" Wachstropfen
(
Bild 24) führen jedoch zu einer fühlbar
rauhen Oberfläche, die als Foliendruck auf dem Overheadprojektor das
Licht stark streuen würden. Tektronix, das mit dem Phaser III PXi
bereits einen luxuriösen A3-Flüssigwachsdrucker (> DM 30.000)
anbietet, denkt aus diesem Grunde darüber nach, die Wachskügelchen
hinter dem Druckbereich platt zu walzen.
 |
| Bild 24: Wie Perlen auf der Schnur: Die �gefrorenen� Wachstropfen
eines Flüssigwachsdruckers (Hot melt inkjet) |
Es kostet nicht nur viel Energie, die Tinte heiß
zu halten, obendrein dauert es auch lange, bis ein Flüssigwachs-Drucker
nach dem Einschalten betriebsbereit wird; ein Grund neben den hohen Anschaffungskosten,
weshalb die Flüssigwachsdrucker wohl immer Nischenprodukte bleiben
werden.
Warum ist Tintendruck das umweltfreundlichste Verfahren, Papier zu
bedrucken?
Als erste werden es die lärmgeplagten Ehefrauen, Ehemänner,
Eltern oder Arbeitskollegen festgestellt haben: Der neue Tintendrucker
ist kaum noch zu hören! Kein nerviges "Sägen" der Nadeln am Papier
und Dauersummen eines Lüfters mehr - was bleibt ist lediglich das
Rascheln des Papiers und ein paar mechanische Schaltgeräusche der
Getriebe. Nun, wer keinen Lärm macht, kein Ozon und so kaum Wärme
produziert, verbraucht zugleich weniger Energie - ein Grund warum schon
heute alle modernen netzunabhängigen Kleindrucker mit Tinte arbeiten.
Die Tinte selbst enthält keinerlei umweltbelastende Zusätze
und es entstehen ferner beim Verbrennen von bedrucktem Papier keine Dioxine,
wie z. B. aus dem Tonerpulver der Laserdrucker und Kopierer. Und selbst
das Argument, bei vielen Bubble-Jet-Druckern müsse regelmäßig
der ganze Druckkopf ausgetauscht werden, sticht nicht mehr: Besteht doch
der Chip zu 98% aus Silizium oder Glas - und das gibt es schließlich
eh' schon "wie Sand am Meer". Da andererseits mit dem Gehäuse auch
Kunststoffe zu entsorgen sind, müssen sich alle Hersteller, unabhängig
von ihrer Tintendrucktechnik, bald darüber Gedanken machen, wie sie
die Abermillionen von produzierten Druckköpfen oder Tintenbehälter
recyceln können.
Wie geht es weiter?
Diese thematische Frage muss natürlich zunächst der Kunde beantworten;
er regelt über sein Kaufverhalten die Schwerpunkte der Neuentwicklungen.
Und hier geht der Trend eindeutig zur Farbe [19]! Als Basis bei den Monodruckern
hat sich seit Jahren die Auflösung mit 300 dpi und die PCL-Emulation
des DeskJet von Hewlett-Packard bewährt. Sie ist quasi der de facto
Standard der Tintendrucker, sichert sie doch die weitgehende Kompatibilität
zu den Laserdruckern.
300 dpi reichen zwar bei Text und Grafik für einwandfreie Ergebnisse,
für den Druck von Halbtönen, Rastern und Bildern in der sprichwörtlichen
Fotoqualität genügt das jedoch bei weitem nicht. Diese Qualität
lässt sich nur erzielen, wenn man entweder die Auflösung noch
wesentlich höher treibt oder eine Möglichkeit findet, die ausgespritzte
Farbstoffmenge gezielt zu variieren. Für beides gibt es schon Vorbilder
bei anderen Druckverfahren: So arbeitet man auf der einen Seite in der
kommerziellen Druckindustrie mit Auflösungen von 2540 dpi (!) und
mehr. Auf der anderen Seite gelingt es den Diffusionsdruckern (Dye Diffusion),
einer Weiterentwicklung der Thermotransferdrucker, auf beschichtetem Spezialpapier
jeden Rasterpunkt in der gewünschten Farbintensität zu drucken
[19].
Die Ansprüche an die Druckqualität werden weiterhin steigen
und die Option Farbdruck wird künftig eher Standard als Ausnahme sein.
Infolgedessen wird die Zahl der Düsen immer mehr zunehmen. Zusammen
mit dem durch Überkapazitäten am Druckermarkt verursachten Kostendruck
besteht deshalb auch künftig für die Hersteller der Zwang zu
weiterer Miniaturisierung und Integration neuer Funktionen.
Heute noch kaum aus den Forschungslabors herausgekommen, sagt man dabei
der Mikrosystemtechnik eine große Zukunft voraus [7]. Bei dieser
Technik geht es darum, vornehmlich auf Basis des Grundwerkstoffes Silizium
Tintendruckköpfe komplett mit Kanälen, Düsen, Aktoren und
der ansteuernden Treiberschaltung in nur einem einzigen Chip von wenigen
Quadratmillimetern zu integrieren. Der ganze Druckkopfchip wird, in Millionen
produziert, dann zum Pfennigartikel. Xerox brachte 1993 das erste Bubble-Jet-Mikrosystem
auf den Markt, doch gerade das leider jetzt geschlossene Inkjet Systems
in Berlin war bis zuletzt in der Bubble-Jet-Mikrosystemtechnik technologisch
ganz vorne dabei.
Marktchancen
Inzwischen pfeifen es die Spatzen von den Dächern: Nadeldruck ist
out, Laserdrucker sind vor allem Energieverschwender und nur bei großem
Druckbedarf zu vertreten; wer etwas auf sich hält, kauft heutzutage
einen Tintendrucker, entweder klein, schnuckelig und portabel oder aber
gleich einen Farbtintendrucker. Wenn man den Marktforschern von Dataquest
oder BIS glauben darf, werden bald mehr Tinten- als Nadeldrucker verkauft.
Dies gilt um so mehr für Farbdrucker, da bei Farbe alle mit dem Tintendruck
konkurrierenden Verfahren prinzipbedingte Schwächen aufweisen oder
Drucker und Verbrauchsmaterialien erheblich mehr kosten [19].
Auch wenn zukünftig noch der eine oder andere Tintendrucker mit
Piezowandlern in zunehmenden Stückzahlen verkauft wird, werden die
Piezodrucker bei weitem nicht mit den Zuwachsraten der Bubble-Jet-Systeme
mithalten können. Unterdessen geht bei letzteren der Trend zunehmend
zu Druckern, bei denen die Tintendruckköpfe keine Lebensdauerteile
sondern Verbrauchsmaterialien sind und in regelmäßigen Abständen
komplett ausgetauscht werden. Dies garantiert dem Kunden stets die bestmögliche
Druckqualität.
Zusammenfassung
Mit seinen knapp fünfzig Jahren auf dem Buckel ist der Tintendruck
eine vergleichsweise junge Drucktechnik. Begonnen hat es mit den Tintenstrahlern
(
Tabelle 5), heute fristen sie ein Nischendasein. Trotzdem
werden sie sich dort auch langfristig behaupten. Den Massenmarkt fürs
Büro und Zuhause beherrschen jedoch die Tintendrucker. Zur Zeit verdrängt
die Tinte vor allem den Nadeldruck, doch schon bald wird Farbdruck Standard
sein und dann werden auch die Laserdrucker um ihre Marktanteile kämpfen
müssen.
Der Kunde kann sich freuen, denn größere Märkte beflügeln
die Tintendruckentwickler, zumal sich ihnen mit der Mikrosystemtechnik
eine einzigartige Spielwiese auftut. Schlussendlich führt das zu sinkenden
Preisen und neuen Leistungsmerkmalen, an die man vor kurzem noch nicht
einmal zu denken gewagt hätte. Andererseits führt dieser Preiskampf
schon jetzt zu einem ruinösen Verdrängungswettbewerb, so dass
Inkjet Systems in Berlin und München sicher nicht der letzte Hersteller
sein wird, der auf der Strecke bleibt.
|
Tintenstrahldruck |
Tintendruck |
| Prinzipien, Synonyme |
Continuous-Jet-, Hochdruckverfahren |
Drop-on-Demand-, Unterdruck-Verfahren |
| Varianten |
� |
Piezo-Jet und Bubble-Jet |
| Merkmale |
meist nur eine Düse, bis einer Million Tropfen pro Sekunde, elektrostatische
Ablenkung |
bis zu 256 Düsen, bis 20.000 Einzeltropfen/s |
| Einsatzgebiete |
Markieren und Kodieren, Color-Proof-Drucker |
Büro-, Laptop-, Kassendrucker, Faxgeräte, Plotter |
Tabelle 2: Klassifizierung von Tintenstrahldruck und
Tintendruck
|
Ach ja, da wäre noch die eingangs gestellte Themafrage!
Souverän werden Sie wie Radio Eriwan künftig antworten: "Im Prinzip
ja!". Sie wissen freilich, dass dieses Ja einzig für die Hochdrucksysteme
gilt. In ihrem PC-Tintendrucker arbeitet dagegen ein Drop-on-Demand-Druckkopf
und da strahlen allenfalls Sie selbst angesichts des kaum hörbaren
Druckens und der ausgezeichneten Druckqualität.
Literatur
-
Ayata, N; Shirato, Y.; Takatori, Y.; Seki, M.: Verfahren und Einrichtung
zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen. Deutsches Patent DE
30 12 698, April 1980 (Priorität Japan April 1979)
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Sept. 49 (Priorität: Schweden Okt. 1948)
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zur Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnung. Deutsches Patent DE 28 43 064,
Okt. 1978 (Priorität Japan Okt. 1977)
-
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(Priorität Japan Nov. 1978)
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Heuberger, A.: Mikromechanik. Springer Verlag, Berlin 1991
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Lock, J.: Inkjet-Technik auf andere Art. Die Microjet-Drucktechnologie.
Der Polygraph 45 (1992) 5, S.47-48
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Proebster, W. E.; Louis, H. P.; Eißfeldt, E.: Datendrucker. Oldenbourg
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Rosenstock, G.: Erzeugung schnell fliegender Tropfen für Tintendrucker
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(1982)
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Rump, G. C.: Wie Druck gemacht wird. Drucken ohne Anschlag. DOS International.
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Stemme, N. G. E.: Arrangement of writing mechanisms for writing on paper
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Schweden Jan. 1971)
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Vaught, J. L.; Cloutier, F. L.; Donald, D.K.; Meyer, J. D.; Tacklind, C.
A.; Taub, H. H.: Verfahren zum Austreiben eines Flüssigkeitströpfchens
aus einer Öffnung eines Kapillarkörpers. Deutsches Patent DE
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Wehl, W.: Akustik und Fluidmechanik in Kanälen und Düsen von
Tintenschreibwerken. Dissertation Technische Universität München
(1984) (Download als PDF-Datei
1,1 MB)
-
Wehl, W.: Farbe macht das Drucken schön. DOS International. 1991,
3, S.120-127
-
Zoltan, S. I.: Pulsed droplet ejecting system. US Patent 3,683,212, Aug.
1972 (Angemeldet Sept. 1970)
-
Aktor = Elektromechanischer Wandler
-
Die hier angegebene Auflösung lässt sich in einem Druckdurchlauf
erzielen.
-
Die hier angegebene Auflösung lässt sich in einem Druckdurchlauf
erzielen.
-
Siehe Beschreibung bei Piezolamellenwandlern
-
Siehe Kapitel Tinte, Papier und Folien
-
Unbestätigten Meldungen zufolge soll der Piezodruckkopf des Stylus
von Phillips entwickelt und gefertigt werden!
-
Olivetti z. B. wirbt für seine Bubble-Jet-Drucker damit, umgerechnet
80 Millionen Mark in ihre Entwicklung investiert zu haben.
-
Der Druckkopf arbeitet in einem Drucker des japanischen Herstellers TEC
und wird u. a. als SpeedJet 300 von Seikosha verkauft.
-
Zum Vergleich: Bei der Größe von 150 35 µm, hätten
auf einem Hundertmarkschein etwa zwei Millionen Heizelemente Platz - weit
mehr als es Einwohner in Hamburg gibt.
-
Fast alle hier aufgeführten Druckwerke, bzw. Drucker tauchen überdies
unter anderer Bezeichnung als Fremdprodukte bei anderen Herstellern auf.
-
Die hier angegebene Auflösung lässt sich in einem Druckdurchlauf
erzielen.
-
HP = Hewlett-Packard
-
Der ThinkJet-Druckkopf wird neu nur noch in diversen Druckern von Diconix
(Kodak) eingesetzt.
Interessante Tintendruck-Links












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- Letzte Änderung: November 2008