Inkjetprinters sneller, kleiner en preciezer

Inkjetprinters sneller, kleiner en preciezer

Afdrukken maken met behulp van inkjet-printers is inmiddels een ingeburgerde technologie, maar een veel hogere afdruksnelheid en nòg kleinere druppeltjes om de afdrukkwaliteit naar een weer hoger plan te trekken, vereisen nog veel wetenschappelijk onderzoek. Printerfabrikant Océ uit Venlo werkt op dit gebied al zo’n tien jaar samen met de afdeling Fysica van Vloeistoffen van de Universiteit Twente. Met deze opstelling wordt de vorming van individuele druppels in een inkjet-printkop bestudeerd.

Onderzoekers van de Universiteit Twente werken samen met printerfabrikant Océ aan het begrijpen van de vorming van inkjetdruppels. Aan de ene kant onderzoeken ze hoe kleine luchtbelletjes in het inktkanaal de druppelvorming kunnen verstoren en aan de andere kant hoe inkjetdruppels worden afgesnoerd aan de nozzle’s van de printerkoppen. Océ bouwt onder meer industriële printers, zoals de

Met diverse optische en akoestische technieken brengen ze zowel het

Colorwave 600, één van hun paradepaardjes. Dit apparaat heeft een afdrukcapaciteit van twee A0-vellen per minuut.

gedrag van luchtbellen als de druppelvorming in beeld. De resultaten

Dit vereist bijna een miljoen gericht gestuurde druppeltjes van gelijke grootte. Dergelijke grootformaat apparaten

vergelijken ze met theoretische en numerieke stromingsmodellen.

worden typisch toegepast in de wereld van de reclame, de architectuur, de constructie, voor posters etc.

door Bennie Mols Micro

Megazine

3

In plaats van inkt op waterbasis ontwikkelde Océ voor de ColorWace 600 zogenoemde TonerPearls. Deze bolletjes worden bij een temperatuur van 130 °C in de printkop gesmolten en verspoten. Zodra de druppeltjes het papier raken, zijn ze binnen enkele milliseconden gefixeerd.

Console met de acht printkoppen van de ColorWave 600, waarbij er per kleur twee koppen met elk een resolutie van 150 DPI worden gebruikt. Door het slim positioneren van de koppen wordt een resolutie behaald van 300 DPI per kleur.

Enkele printkop van de ColorWave 600. Aan de rechterkant zit de toevoerbuis voor de TonerPearls.

Reservoir Elke printkop is opgebouwd uit 256-kanalen, die elk individueel worden

Het Nederlandse bedrijf Océ is een van de wereldleiders op het terrein van de grootformaatprinters voor de professionele markt. Groot formaat wordt gebruikt voor het afdrukken van technische tekeningen, bijvoorbeeld voor productie, architectuur, constructie en woningbouw, maar ook voor diverse andersoortige grafische weergaven zoals landkaarten, reclameposters en kunst. Een van Océ’s paradepaardjes voor het printen op groot formaat is de volledig in eigen beheer ontwikkelde ColorWave 600 inkjetprinter. Zoals elke inkjetprinter, schiet ook de ColorWave 600 kleine vloeibare inktdruppeltjes op het papier. De inkt wordt als vaste bolletjes, de zogenoemde TonerPearls, in cassettes in de printer geschoven. De TonerPearls, een door Océ ontwikkeld concept, worden uitgevoerd in vier kleuren: cyaan, magenta, geel en zwart. Met combinaties van deze vier kan de printer in elke gewenste kleur afdrukken, een methode die in vele drukprocessen wordt toegepast. Er zitten acht printkoppen in de ColorWave 600, twee koppen per kleur. Wanneer de inktbolletjes in de printkop worden verhit, ontstaat er een gel-achtige inkt die het reservoir van de printkop vult. Met hoge snelheid worden de koppen over het papier gestuurd en de inkt op het papier gespoten. De TonerPearl-bolletjes zijn zo gemaakt, dat de inktdruppeltjes compact blijven en razendsnel fixeren. Daardoor gaat de inkt niet uitvloeien en blijft de printkwaliteit op elke papiersoort scherp.

aangestuurd door een piëzo-element. in het kanaal dat aan de bovenkant is

10 mm

Piezo

Het element veroorzaakt een drukgolf

Kanaalblok

aangesloten op een reservoir en aan de onderkant uitmondt in een spuitmond (nozzle). Eén kanaal kan zo’n 20.000 druppeltjes van 30 picoliter per seconde

Nozzleplaat

genereren.

Nozzle (Ø 30 µm) Druppel Verloop van drukgolven in het inktkanaal

pulse

Reservoir

1 time 3

Grafische weergave van het verloop van de drukgolven in de printkop als gevolg van het samentrekken van het piëzo-ele-

Nozzle

5 1

2

3

4

5

6

ment (links) en het verloop van de elektrische puls die

het piëzo element aanstuurt (rechts). De piëzo trekt eerst samen (1), waardoor er een drukgolf ontstaat in de richting van de nozzle en in de richting het reservoir (2). Het reservoir kan beschouwd worden als een open uiteinde, waardoor de reflectie een positieve amplitude krijgt. De nozzle kan als gesloten uiteinde worden beschouwd, waardoor de amplitude van de reflectie niet omkeert (3). Zodra de teruglopende golven (4) in het midden van het kanaal aankomen, maakt het piëzoelement een tegengestelde beweging (5), waardoor er nòg een positieve drukgolf ontstaat. De som van de lopende golven is een positieve drukgolf richting de nozzle (6). De looptijd van de golven hangt af van de effectieve geluidssnelheid in het kanaal. Door een precieze timing van de flanken van de piëzopuls ontstaat er een efficiënte akoestiek waarbij de druppels kunnen worden gevormd.

4

Micro

Megazine

Geluidsgolven In elk van de acht printerkoppen van de ColorWave 600 zitten 256 kleine kanaaltjes die de inkt naar evenzoveel nozzle’s leiden. Voor het spuiten van de inkt op het papier is elk kanaaltje voorzien van een langwerpig piëzo-elektrisch element dat tegen het inktkanaal (8 millimeter lang) is aangedrukt. Aangestuurd door een elektrische puls trilt het piëzo-element razendsnel op en neer, waarbij het kanaal periodiek indeukt of juist opbolt. Deze snelle vormverandering drukt niet tegen de inkt, zoals je een tube tandpasta uitknijpt, maar wekt een patroon van geluidsgolven op in het inktkanaal. De geluidsgolven zorgen ervoor dat de inkt gaat stromen en dat er uit een kanaaltje zo’n twintigduizend inktdruppeltjes van dertig picoliter per seconde op het papier worden gespoten. De ColorWave 600 kan twee A0-vellen per minuut printen (een A0 vel meet ongeveer 1,2 bij 0,8 meter). In tegenstelling tot een laserprinter, stoot hij geen ozon uit en veroorzaakt geen hinderlijke geur of vervuiling van de printer door poedertoner. Ook onderscheidt hij zich van de thermische inkjetprinters, die waterige inkt via een klein verwarmingselement in de nozzle zo snel opwarmt dat een kookbelletje ontstaat waarmee druppeltjes worden weggeschoten. Het voordeel van piëzo-inkjetprinters ten opzichte van thermische inkjetprinters is dat de inkt niet op waterbasis hoeft te zijn. De TonerPearl-inkt bevat geen water of oplosmiddelen en kan daarom ook in de nozzle’s niet uitdrogen, wat bij andere inkjetprinters wèl kan gebeuren. Op het papier vindt een door temperatuur gestuurd geleer- en stollingsproces plaats.

Een gordijn van druppels geproduceerd door 10 naast elkaar liggende nozzles van een ColorWave 600 printkop. Alle 256 kanalen kunnen met een hoge frequentie exact dezelfde druppels reproduceren. De snelheid die de individuele druppels bereiken is bijna 7 m/s.

Ingehapte lucht Het inkjetproces is een van de betrouwbaarste druppelvormingtechnieken die er bestaan, maar toch zijn er omstandigheden waarbij het verstoord kan raken. Één van de mogelijke problemen is het inhappen van lucht aan de nozzlekant. De ingehapte lucht kan vervolgens in de vorm van kleine luchtbelletjes in het inktkanaal terecht komen. Dit verstoort de druppelvorming en leidt in het ergste geval zelfs tot tijdelijke nozzle-uitval. Afhankelijk van de toepassing is dat hinderlijk tot compleet onaanvaardbaar. Dat laatste is het geval bij nieuwe toepassingen van inkjettechnologie die meer en meer buiten het traditioneel printen op papier liggen, zoals het printen van elektronische circuits en DNA-micro-arrays. Eén verkeerd geprinte druppel is hier al onaanvaardbaar.

Bij de vakgroep Physics of Fluids van de Universiteit Twente zijn verschillende opstellingen gebouwd om de druppelvorming tot in extreme detail te kunnen bestuderen. Promovendus ir. Arjan van der Bos maakt daarbij gebruik van een optische microscoop en hoge snelheidscamera’s. Zijn doel is te onderzoeken hoe

Om zowel de vorming van inkjetdruppels als ook de soms optredende verstoringen beter te begrijpen, werkt Océ al ruim tien jaar samen met de vakgroep Physics of Fluids van de Universiteit Twente (UT), een groep van een veertigtal onderzoekers geleid door prof. dr. Detlef Lohse. Van de kant van Océ leidt onderzoeker Hans Reinten de samenwerking. “Onze gemeenschappelijke interesse voor luchtbellen vormde de basis voor deze samenwerking. De kennis die we hiermee hebben opgedaan over het gedrag van luchtbellen is van groot belang geweest voor het verhogen van de betrouwbaarheid waarmee de Colorwave 600 zijn druppels print. Deze kennis hebben we ook gebruikt voor het ontwikkelen van PAINt, een ingebouwd en uniek nozzle-bewakingssysteem dat zowel de hard- als de software omvat en waarmee elke seconde alle nozzle’s worden gecontroleerd op de aanwezigheid van luchtbellen in het kanaal.” Hiervoor worden de piëzo-elementen ook als sensoren gebruikt, die elke verstoring van de kanaal-akoestiek kunnen waarnemen. Wanneer het element een klein luchtbelletje in een kanaal detecteert, wordt automatisch actie ondernomen. Het kanaal wordt bijvoorbeeld tijdelijk niet geactueerd waardoor de luchtbel snel oplost. Maar de ontwikkelingen gaan door. Het beter begrijpen en beheersen van de druppelvorming moet uiteindelijk leiden tot nog betrouwbaarder, snellere en preciezere inkjetprinters”, zegt Reinten. “De trend is om kleinere druppels te maken en die met een nòg hogere frequentie af te vuren. Met kleinere druppels kun je met een hogere resolutie en dus met meer detail printen. En door de frequentie op te voeren, versnel je het printproces. We zoeken de grens op. Maar met het verhogen van de frequentie neemt helaas ook de kans op het inhappen van luchtbelletjes toe, zo hebben we in de praktijk ervaren.” Hoe wordt lucht precies ingehapt? Hoe beïnvloeden lucht­bellen de kanaal-akoestiek? Hoe ontwerp je een printkop zodanig dat je het inhappen van lucht voorkomt? Hoe voorkom je dat een toch ingehapte luchtbel een probleem wordt? En: hoe vormen inktdruppels zich bij het verlaten van de nozzle? Dat zijn >

de vorming van kleinere en snellere druppels kan worden verbeterd. Detail van de kijkopstelling bij de vakgroep Physics of Fluids. De microscoop wordt toegepast in combinatie met een krachtige flitsbron of een hogesnelheidscamera om gedetailleerde opnamen te maken van de druppelvorming. Wanneer de printkop tijdens proeven inkt vernevelt, worden de ultrafijne druppeltjes via de grijze afzuiger afgevangen. De Brandaris 128-camera kan tot 25 beelden p/s filmen. Die hoge snelheid is nodig omdat het hele druppelvormingsproces slechts 20 microseconden duurt.

De evolutie van een druppel van links naar rechts. Hier is te zien hoe een druppel uit de nozzle komt en een lange staart vormt. Nadat de staart van de meniscus is afgebroken, wordt deze bij de hoofddruppel getrokken. Eén van de parameters die bij Océ en op de Universiteit Twente wordt onderzocht, is hoe lang de staart mag worden voordat hij op verschillende plekken insnoert.

Micro

Megazine

5

enkele concrete vragen die de onderzoekers van Océ en de Universiteit Twente samen willen beantwoorden. Een ander deel van het onderzoek van Arjan van den Bos betreft de stabiliteit in de inktkanalen. Door exotische druppels te produceren, kan gecontroleerd een luchtbel worden ingevangen. In deze serie is te zien hoe een luchtbel net is ingevangen in de nozzle. Bij 1 en 2 is te zien hoe de staart van de gegenereerde druppel losbreekt en de meniscus mee naar buiten komt. Bij de beelden 3 en 4 lijkt zich op de meniscus een nieuwe kleine druppel te vormen die niet los komt. Wanneer de meniscus verder naar buiten komt (5 en 6), valt op dat er een luchtbel in het midden van de meniscus is gevangen (7) die met de meniscus mee naar binnen wordt getrokken (8).

Om de gevolgen van een ingehapt luchtbelletje beter kunnen bestuderen, is er tussen het inktkanaal en de nozzleplaat een glazen kanaal geplaatst. Het kanaal heeft een zandlopervorm met een diameter van ongeveer 300 μm. Door transparante inkt te gebruiken is de ingehapte luchtbel, van ongeveer 120 picoliter, rechtsonder goed te zien. Aan weerszijde van het kanaal zijn de rand van de buurkanalen nog net te zien.

Piezo

U

1

Rp

Ua Het piëzo-element kan niet

2

A

If

de kanaalwand in trilling te drukgolf op te bouwen, maar met een kleine uitbreiding van de elektro-

nica ook het ook worden toegepast om de druk op het piëzo-element (en dus het kanaal) uit te lezen. Door tijdens het printen het piëzo-element afwis-

Actueren (signaal uitsturen)

Piezo signaal [mA]

selend in te zetten als puls­ generator en als microfoon, kan de akoestiek in het kanaal worden Luisteren

De Jong had voor het eerst laten zien dat het inhappen van luchtbellen twee mogelijke oorzaken heeft. Ten eerste kunnen kleine vuildeeltjes, zoals een stofdeeltje of een huidschilfer, via de omgevingslucht de nozzle bereiken en de druppelvorming verstoren en het inhappen van lucht een handje te helpen. Ten tweede blijkt ook de dunne inktlaag die zich onder de nozzleplaat kan vormen, aanleiding te kunnen zijn voor het inhappen van lucht. Beide mechanismen kwam de promovendus op het spoor door de luchtbel op een indirecte manier te bestuderen. Hij gebruikte het piëzo-element niet alleen als aandrijfmechanisme voor het spuiten van de inkt, maar ook als een sensor (microfoon) die de akoestiek in het inktkanaal detecteert. Die akoestiek vervormt op zijn beurt namelijk de piëzo en die vervorming kun je meten als een elektrisch signaal. Door het signaal mèt en zonder luchtbelletjes te vergelijken, kun je als het ware de handtekening vinden van de aanwezigheid van lucht in het inktkanaal.

alleen worden gebruikt om brengen en zodoende een

Luisteren

Vuildeeltjes UT-promovendus Arjan van der Bos begon in 2006 met zijn promotie-onderzoek naar de stabiliteit en de druppelvorming van inkjetkoppen. Een belangrijk deel van het onderzoek valt onder het MicroNed-programma. “Toen ik begon, waren twee andere promovendi in het eindstadium van hun onderzoek”, vertelt Van der Bos. “Jos de Jong bestudeerde het inhappen van lucht experimenteel, en Roger Jeurissen deed hetzelfde met analytische en numerieke modellen. Op hun werk kon ik voortbouwen.”

gemeten. Door zo te luis-

Luisteren

Glazen kanaal Daarnaast monteerde De Jong een klein glazen verbindingskanaal direct voor de nozzle, richtte er een hogesnelheidscamera op en filmde de groei van de ingevangen luchtbel tegelijkertijd met de vorming van inktdruppels. Zo kon hij voor het eerst de bel en de absolute grootte ervan zichtbaar maken. Promovendus Roger Jeurissen modelleerde het gedrag van een luchtbel in het kanaal. Hij identificeerde onder andere de dominante fysische effecten bij dit proces: de samendrukbaarheid van de luchtbel, de massatraagheid van de inkt en de viskeuze wrijving van de inkt in de nozzle. Daarbij hield hij er rekening mee dat de bel beweegt en in grootte oscilleert onder invloed van de akoestische golven in het kanaal. Het oscilleren van de bel beïnvloedt op zijn beurt weer de kanaalakoestiek en dus ook de beweging van de inkt in de nozzle.

teren kan Océ precies afwijkingen detecteren, zoals vuil of luchtbellen, en 0

25

50

75

Tijd [µs]

6

Micro

Megazine

100

125

150

te weten komen wanneer een kanaal niet goed print.

Gecontroleerd lucht inhappen Van der Bos ging verder met het experimentele werk waar Jos de Jong gebleven was. “In eerste instantie keek ik alleen naar het inhappen van lucht”, vertelt de promovendus, “maar sinds 2008 ben ik ook gaan

MEMS-technologie voor piëzo-inkjetprintkoppen

Door silicium heen kijken Het observeren van de luchtbel door de glazen doorvoer heeft een nadeel. De doorvoer is namelijk ingebouwd tussen de nozzle en het kanaal. En hoewel de doorvoer maar viertiende millimeter dik is, levert dat dus een iets langer kanaal dan het oorspronkelijke kanaal in de inkjetkop. Is het niet mogelijk om door de nozzleplaat heen te kijken naar het gedrag van de luchtbel? Probleem is dat deze plaat van nikkel of van silicium is en daar kijk je niet zomaar doorheen. “Toch leek ons dat dit voor nozzleplaten van silicium in principe moet kunnen”, vertelt Van der Bos, “maar dan moet je geen zichtbaar licht gebruiken, maar infraroodlicht. Dat heeft een wat langere golflengte dan zichtbaar licht. Om uit te zoeken wat deze aanpak oplevert, heeft afstudeerder Tim Segers tijdens >

0.1

Het akoestisch signaal van een kanaal uit de

Piezo signaal [mA]

0.05

printkop met het glazen kanalenblok. verandert

0

door de aanwezigheid van verstoringen. De

−0.05

meting (weergegeven met een blauwe lijn)

−0.1

laat zien hoe de akoestiek van een ongestoord 0

50

100

Tijd [µs]

150

200

kanaal er tijdens het printen uitziet. De rode

lijn toont het akoestisch signaal wanneer er in datzelfde kanaal een luchtbel zit. Het signaal verandert dan in amplitude en frequentie. Hoe de luchtbel precies de akoestiek beïnvloedt is bij de vakgroep Physics of Fluids gemodelleerd en later met optische en akoestische metingen geverifieerd. 12 10 8 Hoogte [µm]

kijken naar de vorming van de inkjetdruppels.” Waar zijn voorganger nog geen relatie had gelegd tussen het met de piëzo gemeten akoestische signaal en de cameraopnamen door de glazen doorvoer, ging Van der Bos dat wel doen. Dan blijkt het gedrag van een ingevangen luchtbelletje eigenlijk heel voorspelbaar te zijn. “Na het inhappen van een luchtbelletje, kiest het belletje een voorkeurspositie, waarna het begint te groeien. Wanneer het belletje groot genoeg is, beweegt het bij voorkeur naar een hoek in het kanaal, waar het zoveel mogelijk omgeven is door wanden. De plaats en het volume van het belletje hebben een directe relatie met een bepaalde verstoring van de akoestiek.” Van der Bos kon zo ook aantonen dat zelfs hele kleine luchtbelletjes al een meetbare verstoring van de akoestiek veroorzaken. “Door de experimentele resultaten direct te koppelen aan de numerieke berekeningen hebben we laten zien hoe het akoestisch signaal van de piëzo kan worden gebruikt om kleine belletjes te detecteren, lang voordat ze zó groot geworden zijn, dat ze de druppelvorming gaan verstoren.” Het blijkt ook mogelijk om de printkop met een speciale puls aan te sturen die altijd tot het inhappen van luchtbellen leidt. Juist door het gecontroleerd inhappen van lucht kan het inhapproces tot in detail bestudeerd worden. Van der Bos laat een filmpje zien waarop een ingehapte luchtbel precies in het midden van de nozzle een tijdje op en neer beweegt. De opname is haarscherp. “We kregen controle over het inhappen door precies de juiste piëzopuls te genereren. Iets wat we, zoals zo vaak in de wetenschap, op een toevallige manier hebben gevonden.” Slotconclusies over het inhappen van luchtbellen wil Van der Bos pas trekken nadat hij ook nog de benodigde numerieke simulaties heeft gedaan waarmee hij dan zijn experimentele resultaten kan vergelijken. “Maar”, zegt de promovendus, “het zal erop neer komen dat, op het moment dat de staart van de druppel bijna de nozzle verlaat, een bepaalde verstoring van de mensicusbeweging zorgt voor het inhappen van lucht. Deze verstoring kan voortkomen uit toevallig langs waaiende stofdeeltjes.”

Voor toekomstige generaties piëzo-inkjetkoppen wordt MEMStechnologie steeds belangrijker. Hierbij worden uit de chipindustrie afkomstige technieken gebruikt voor het op waferschaal vormgeven en bewerken van silicium. Deze technologie leent zich veel beter voor miniaturisatie dan conventionele bewerkingsmethoden, omdat de productiekosten zijn gerelateerd aan het siliciumoppervlak dat wordt gebruikt. Gebruikmakend van bestaande en uitontwikkelde standaardprocessen en gereedschappen worden kleinere afmetingen en kleinere druppels dan goedkoper. Voor thermische printerkoppen is MEMS-technologie al lang gemeengoed. Voor piëzo-inkjetkoppen zit de crux in de integratie van piëzo-materiaal op siliciumwafers, maar daarvoor gaan de ontwikkelingen de laatste jaren steeds sneller. Bij de ColorWave 600-printkop bestaat het centrale deel uit apart gefabriceerde onderdelen: een kanalenblok uit grafiet, twee folies, twee actuatorplaten met piëzo-elementen en een nozzleplaat. Dit centrale deel meet ongeveer 10×10×40 mm. Ter vergelijking laat Océ-onderzoeker Hans Reinten een silicium chip zien van zo’n 25×5 mm. “Deze chip bevat dezelfde functionaliteit als het hartje van de grafieten printkop. Alleen moeten hiervoor zes aparte onderdelen in elkaar gelijmd worden om één printkop te maken en komen er honderd van deze chips uit een enkele wafer”, vertelt Reinten.

Tijdens zijn promotie-

6

onderzoek heeft Roger Jeurissen het gedrag van een

4

luchtbel in het inktkanaal gemodelleerd. De figuur

2

toont de stabiele en onsta0

biele evenwichtspunten 0

50 Straal [µm]

van een luchtbel (rood) in

100

het kanaal. In veel gevallen

verdwijnt de luchtbel naar buiten samen met de inkt, maar de bel kan ook in de hoek van het kanaal terechtkomen waar hij het printproces verstoort.

Micro

Megazine

7

Wafer met de nieuwe generatie printkoppen die bij Océ zijn ontwikkeld. Macro-opname van de nieuwe MEMS-printkoppen. De koperkleurige vierkante vlakjes zijn de piëzo-elementen, want ook deze nieuwe koppen gebruiken piëzo voor het actueren. Elk element komt overeen met één kanaal. Met slimme ontwerpstrategiën wordt een zo hoog mogelijke nozzledichtheid nagestreefd.

De nozzle-kant van nieuwe

zijn stage drie maanden onderzoek gedaan bij Océ.” Segers deed zijn onderzoek aan een inkjetkop volledig gemaakt van silicium. Hoewel de huidige koppen in bijvoorbeeld de ColorWave 600 van grafiet zijn gemaakt (en de nozzleplaat van nikkel), wordt er binnen de R&D van Océ gewerkt aan een nieuwe generatie inkjetkoppen van silicium op basis van MEMS-technologie (zie kader). Met MEMS-technologie kunnen de kanaaltjes veel kleiner en dichter op elkaar gemaakt worden. Hierdoor worden de koppen nòg compacter en goedkoper en kunnen ze met hogere frequentie kleinere druppels jetten dan de huidige grafietkoppen. “Het probleem bij het observeren met infrarood is echter dat silicium een erg hoge brekingsindex heeft”, vertelt Segers. “Dat betekent dat relatief veel licht intern wordt gereflecteerd en niet naar buiten treedt, zodat je slecht kunt zien wat er gebeurt. Alleen wanneer de camera recht van onder tegen de nozzle en het siliciumplaatje aan kijkt, heb je daar geen last van. Zo is het inderdaad gelukt om met infraroodlicht naar een luchtbel in het inktkanaal van een werkende, niet-omgebouwde printerkop te kijken.”

MEMS-printkoppen. De spuitmondjes zijn nog net te zien.

Student Tim Segers van de Universiteit Twente heeft tijdens zijn stage

A

1

Piezo actuator Inktstroom 2

bij Océ gekeken of luchtbellen ook in de MEMS printkoppen een probleem kunnen worden. Hij gebruikte een

3

infrarood camera en infrarood lichtbron, omdat daarmee door silicium kan worden gekeken. Zijaanzicht (A) en onderaanzicht (B)

4 Nozzle wafer

5

B

van een MEMS-inktkanaal. De inkt

Segers belichtte de luchtbel met stroboscopisch infraroodlicht en kon zo het gedrag van de luchtbel in het silicium inktkanaal filmen. Doordat de silicium MEMS-printkop zoveel kleiner is dan de huidige inkjetkop van grafiet, gebeurt de belangrijkste fysica nu op kortere lengte- en tijdschalen. De frequenties zijn hoger, de bellen zijn kleiner en lossen daardoor sneller op. Tegelijk met de infraroodopnamen registreerde Segers ook het akoestische signaal via het piëzo-element. “Door dit signaal te vergelijken met wat we zien in de stroboscopische opnamen met de infraroodcamera, kunnen we de bel en het effect op de kanaal-akoestiek precies beschrijven. Het belangrijke verschil met het kijken door een kunstmatige glazen doorvoer is dat de geometrie niet is veranderd ten opzichte van de werkelijke situatie. We zijn nu bezig om het akoestische signaal te vergelijken met de gegevens van numerieke modellen.”

stroomt van bovenaf het kanaal in (1) en komt via de actuatiekamer (2)

2

3 4

5

in de doorvoer (3). Aan het einde van de doorvoer bevindt zich een trechter (4) en de nozzle (5).

Segers vond dat door de hoge brekingsindex van silicium (n ≈ 3.4) de kritische hoek tussen lucht en Si ongeveer 17° is. Hierdoor werken bijna alle schuine vlakken als een spiegel voor het infrarode licht. In de figuur is te zien hoe een printkop werd aangepast om met infrarood licht toch in de trechter te kunnen kijken.

8

Micro

Megazine

Nozzleplaat 54.7˚ Infrarood camera

Druppelvorming Na het onderzoeken van het inhappen van luchtbellen, begon Van der Bos in 2008 ook de vorming van de inktdruppels onderaan de nozzle te bestuderen. Na een korte terugtrekking van de meniscus komt de inkt met een pieksnelheid van zo’n vijftien tot twintig meter per seconde uit de nozzle. Die hoge snelheid duurt maar heel kort. Enkele microseconden later is de inktsnelheid in de nozzle al weer naar binnen gericht. Er ontstaat een langgerekte inktstaart met aan de voorkant een ronde kop. Die staart begint in te snoeren en breekt op een gegeven moment af. Als het goed is, haalt de staart de ronde kop vervolgens in, waarna ze samensmelten tot één enkele, perfect bolvormige inktdruppel. Bij het afsnoeren van de druppels is de oppervlaktespanning de drijvende kracht. Maar deze wordt tegengewerkt door de traagheid en de viscositeit van de inkt.

abstract

Research into inkjet printheads for a faster, smaller and more accurate production of droplets Hoge snelheid vs hoge resolutie Van der Bos gebruikte drie optische technieken om deze druppelvorming te onderzoeken: hogesnelheidsopnamen, stroboscopische opnamen met een lagesnelheidscamera en ten slotte single-flash-opnamen. Met een hoge snelheidscamera kun je volgen hoe een enkele druppel zich ontwikkelt. Hoewel deze camera de druppelbeweging goed bevriest in het beeld, is het nadeel dat de cameraresolutie minder is dan die van een lagesnelheidscamera waardoor je niet zulke precieze details ziet. Voor processen die experimenteel perfect herhaalbaar zijn, is het in sommige situaties beter om een lagesnelheidscamera te gebruiken. Zo kan je één nozzle duizend druppels laten maken en die met een stroboscoop belichten. Door de stroboscoop met precies dezelfde frequentie te laten flitsen als de druppelfrequentie, kan je allemaal bijna-gelijke beelden van de druppel maken. Al die beelden kun je vervolgens combineren tot een hoogcontrastplaatje dat de optelsom is van duizenden druppels. Maar omdat die druppels zich vrijwel precies hetzelfde gedragen, staat het resultaat model voor een hoogcontrastopname van de beweging van één enkele druppel.

In the race for an ever faster inkjet printer with an even higher resolution, scientists at printer manufacturer Océ and the Twente University in the Netherlands, have a joint research programme. Océ is one of the world’s leading manufacturers of professional high speed and large format printers as used in the field of engineering, architecture and advertising. Their ColorWave 600 can print up to two sheets of A0-format a minute in with a resolution of 300 DPI! For almost ten years now scientists have been looking at very close range at minute droplets. Using acoustical and optical equipment (such as the unique Brandaris 128 high speed camera) they succeeded in visualising how extremely small air bubbles manage to get into the ink channel. By alternating the use of the piezo element between actuator and microphone, combined with the smart use of IR-equipment to look through silicon, they managed to get a live recording of the behaviour of an air bubble trapped inside a printhead. For further information, please contact: Hans Reinten (Océ), e-mail [email protected], or Arjan van der Bos (UTwente), e-mail [email protected]

Zes nanoseconde laserflits Ten slotte gebruikte Van der Bos ook nog de zogeheten singleflash-technologie. Hierbij wordt de druppelbeweging belicht met zo’n sterke en korte lichtflits dat je een perfect stilstaand beeld krijgt. Van der Bos gebruikt hiervoor laserlicht met een belichtingstijd van zes nanoseconde. Van der Bos: “Door deze drie verschillende technieken te gebruiken, proberen we op elk punt in de druppel de snelheid te bepalen. Door dit op verschillende momenten na elkaar te doen krijg je een gedetailleerd beeld van de druppelvorming en het insnoerproces. Een van de fenomenen die we hiermee beter willen begrijpen, is het opbreken van de staart in meerdere satellietdruppeltjes. Dat is een ongewenst proces dat in de praktijk kan optreden wanneer je naar steeds hogere druppelfrequenties en naar steeds kleinere druppels streeft.” De langdurige samenwerking tussen Océ en de Universiteit Twente heeft veel nieuwe inzichten opgeleverd, vindt Océonderzoeker Hans Reinten. “Vooral het kwantificeren van parametergebieden, anders gezegd welke combinaties van parameters bij welke verschijnselen optreden, is heel nuttig bij het ontwerpen van nieuwe inkjetkoppen. Het onderzoek dat wij zelf doen, is toch altijd wat meer fenomenologisch en pragmatisch van aard. De Universiteit Twente kan daar een fundamentelere onderzoekscomponent aan toe voegen. We weten nu veel beter dan tien jaar geleden welke mechanismen een rol spelen bij het inhappen van lucht, het gedrag van luchtbellen in de printkop en de druppelvorming zelf”

Infrarood opname van Segers met de microscoop loodrecht op de nozzleplaat richting piëzo-element. Het toont de nozzle van 2 naburige kanalen, de trechter en het daarachter gelegen doorvoerkanaal. In de achtergrond van het plaatje is ook nog de piëzo waar te nemen. Om de doorvoer heen is een lijmrand te zien.

Kijkend met een infraroodcamera in een actief printkanaal kon een luchtbel waar worden genomen. De opname laat zien hoe de luchtbel in het doorvoerkanaal tegen de lijmrand wordt

De promotie van Van der Bos staat gepland voor eind 2010.

gedrukt.

Micro

Megazine

9