Die
Erfindung betrifft einen Druck – oder Dosierkopf 1 nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zum Drucken, Dosieren oder Dispensieren
von flüssigen Stoffen auf Flächen oder 3-dimensionalen
Gebilden, im Folgenden kurz als Dosieren bezeichnet. Insbesondere
betrifft sie das Dosieren mit einem Dosierkopf, Druckkopf, Dispensierer
oder anderen gattungsgleichen Vorrichtungen, im Folgenden durchgehend
als Dosierkopf 1 bezeichnet, mit einer Vielzahl von Fluidaustrittsöffnungen 6,
die in geometrisch regelmäßiger Anordnung, vorzugsweise
in Reihen, angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin das Drucken
oder Dosieren von Fluidmengen in der Größenordnung
vom Nanoliterbereich bis zum Milliliterbereich pro Schuß,
von Fluiden mit mittlerer Viskosität (Größenordnung
bis 1 Pas), welche auch Partikel (Größenordnung:
bis zu 0,3 mm Partikelgröße) in Konzentrationen
bis zu 90% enthalten können, mit einer Abgabefrequenz bis
in den kHz Bereich und ein Pitch bis weit unter einem Millimeter.
Die Erfindung betrifft insbesondere auch das Drucken mit einem mobilen
Gerät, welches leicht sein soll und unter einwirkenden
Beschleunigungen Leckage-sicher arbeiten soll.The invention relates to a pressure or dosing head 1 according to the preamble of claim 1, for printing, dosing or dispensing of liquid substances on surfaces or 3-dimensional structures, hereinafter referred to as dosing. In particular, it relates to dosing with a dosing head, printhead, dispenser or other generic devices, hereinafter continuously as dosing 1 designated, with a plurality of fluid outlet openings 6 , which are arranged in a geometrically regular arrangement, preferably in rows. The invention further relates to the printing or metering of fluid quantities on the order of nanoliter range to milliliter per shot, medium viscosity fluids (up to 1 Pas), which also contain particles (of the order of up to 0.3 mm particle size) in concentrations up to can contain up to 90%, with a delivery frequency up to the kHz range and a pitch well below one millimeter. The invention also relates, in particular, to printing with a mobile device, which should be lightweight and should work leak-proof under acting accelerations.
Heutige
Inkjet-Druckköpfe sind bzgl. der Abgabefrequenz geeignet
und arbeiten überwiegend nach dem Verdrängungsprinzip.
Ihr Einsatz beschränkt sich auf Fluide mit einer Viskosität
unter 25 mPas. Dispensiergeräte für Flüssigkeiten
höherer Viskosität, die auch nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten,
können durch Verwendung kraftvoller Piezo-Stapelaktuatoren
realisiert werden. Jedoch kann ein vielkanaliger Dosierkopf mit
einem Pitch unter 4 mm, mit geringem Gewicht, für die Verarbeitung
von Fluiden mittlerer Viskosität mit Tropfenfrequenzen
im Killohertzbereich nicht realisiert werden.today
Inkjet printheads are suitable for the delivery frequency
and work predominantly according to the displacement principle.
Their use is limited to fluids with a viscosity
below 25 mPas. Dispensers for liquids
higher viscosity, which also work according to the displacement principle,
can be achieved by using powerful piezo stack actuators
will be realized. However, a multi-channel dosing with
a pitch below 4 mm, low weight, for processing
of medium viscosity fluids at drop frequencies
can not be realized in the kilohertz range.
Auf
Ventiltechnik basierende Druckköpfe wie in US 5,119,110 oder in US 5,356,034 sind bzgl. der Arbeitsfrequenz
ebenfalls geeignet, haben gegenüber Druckköpfen
nach dem Verdrängungsprinzip jedoch den Vorteil, dass die
für den Ausstoß viskoser Fluide benötigten
hohen Energien durch eine Druckquelle bereitgestellt werden. Jedoch
sind auch für das Schalten des Fluidstroms durch Ventile
aufgrund der höheren Viskositäten höhere
Schaltenergien erforderlich, als bekannte elektromagnetisch ( US 5,356,034 ) oder piezoelektrisch
( US 2009/0115816 ) betriebene
Dosierköpfe in Ventiltechnik zur Erfüllung der
erfindungsgemäßen Anforderungen bzgl. Fluideigenschaften,
Pitch, Tröpfchenfrequenz und Gewicht aufbringen können.Valve-based printheads such as US 5,119,110 or in US 5,356,034 are also suitable with regard to the operating frequency, but have the advantage over printheads according to the displacement principle that the high energies required for the discharge of viscous fluids are provided by a pressure source. However, higher switching energies are also required for switching the fluid flow through valves due to the higher viscosities than known electromagnetic ( US 5,356,034 ) or piezoelectric ( US 2009/0115816 ) operated in valve technology to meet the requirements of the invention with respect. Fluid properties, pitch, droplet frequency and weight can muster.
Die
Erfindung löst die o. g. erfinderische Aufgabe mithilfe
eines Dosierkopfes zum Drucken, Dosieren oder Dispensieren von Fluiden
mit n getrennt ansteuerbaren Kanälen, gekennzeichnet durch
ein Array aus mikro-elektropneumatischen Schaltkreisen 2 zur
Erzeugung von n Steuerdrücken pc aus
n elektrischen Steuersignalen und ein Array aus Fluid-Ejektoren 4,
welche durch die Steuerdrücke über Membranen aktuiert
werden.The invention solves the above-mentioned inventive task by means of a dosing head for printing, dosing or dispensing fluids with n separately controllable channels, characterized by an array of micro-electro-pneumatic circuits 2 for generating n control pressures p c from n electrical control signals and an array of fluid ejectors 4 , which are actuated by the control pressures via membranes.
Ferner
offenbart die Erfindung ein Verfahren zum Drucken, Dosieren oder
Dispensieren von Fluiden mit einem Dosierkopf 1 mit mehreren
elektrisch addressierbaren Kanälen, nach welchem je Kanal
ein elektrisches Steuersignal durch einen mikro-elektropneumatischen
Schaltkreis in ein pneumatisches Steuersignal pc größerer
Energie umgesetzt wird und mittels des Steuersignals die Membrane
eines Fluidejektors aktuiert wird, sodass durch eine daraus resultierende
Fluidverdrängung oder eine daraus resultierende Freigabe
einer Ventilöffnung einen Fluidaustritt bewirkt wird.Furthermore, the invention discloses a method for printing, dosing or dispensing fluids with a dosing head 1 with a plurality of electrically addressable channels, according to which each channel an electrical control signal is converted by a micro-electro-pneumatic circuit in a pneumatic control signal p c greater energy and actuated by the control signal, the membrane of a fluid ejector, so by a resulting fluid displacement or a resulting Release of a valve opening a fluid outlet is effected.
Die
Erfindung offenbart Vorrichtungen und Verfahren zum Drucken, Dispensieren
oder Dosieren von ein-oder mehrphasigen Fluiden, Emulsionen oder
Dispersionen, mit oder ohne Feststoffanteil, mit einer Viskosität
bis in Bereich von 1 Pas, mittels eines Dosierkopfes 1 mit
geringer Größe und geringem Gewicht, mit einem
Abstand zwischen den Fluidauslässen in der Größenordnung
von Zehntel Millimetern bis Millimetern, mit einer Abgabefrequenz
bis in den kHz-Bereich, mit variablen Abgabemengen vom Pikoliter-
bis in den Mikroliterbereich.The invention discloses devices and methods for printing, dispensing or dosing single- or multi-phase fluids, emulsions or dispersions, with or without solids, with a viscosity up to 1 Pas, by means of a dosing head 1 small size and light weight, with a distance between the fluid outlets on the order of tenths of millimeters to millimeters, with a delivery frequency down to the kHz range, with variable delivery rates from the picoliter to the microliter range.
Die
Erfindung offenbart Vorrichtungen und Verfahren zum Drucken, Dispensieren
oder Dosieren mittels eines Dosierkopfes mit einer Vielzahl von
Kanälen, welche einen mikro-elektropneumatischen Schaltkreis
enthalten, welcher zur Steuerung eines oder mehrerer pneumatisch
aktuierter Fluid-Ejektoren dient.The
The invention discloses devices and methods for printing, dispensing
or dosing by means of a dosing with a plurality of
Channels containing a micro-electro-pneumatic circuit
which is used to control one or more pneumatic
actuated fluid ejectors is used.
Die
Erfindung offenbart Vorrichtungen und Verfahren zum Drucken, Dispensieren
oder Dosieren mittels eines Dosierkopfes 1 mit einer Vielzahl
von Kanälen, welche einen mikro-elektropneumatischen Schaltkreis
enthalten, welcher Mittel zur Umsetzung eines elektrischen Steuersignals
geringer Energie in ein pneumatisches Steuersignal höherer
Energie enthält.The invention discloses devices and methods for printing, dispensing or dosing by means of a dosing head 1 a plurality of channels including a microelectropneumatic circuit including means for translating a low power electrical control signal into a higher energy pneumatic control signal.
Die
Erfindung offenbart ferner Vorrichtungen und Verfahren zur Umsetzung
eines elektrischen Steuersignals in ein pneumatisches Steuersignal
unter Verwendung von elektropneumatischen Wandlern, bevorzugt unter
Verwendung von magnetisch oder piezoelektrisch gesteuerten Pneumatikventilen, besonders
bevorzugt Mikroventilen 18, und unter Verwendung von weiteren
pneumatischen Elementen mit Drosselwirkung.The invention further discloses apparatus and methods for converting an electrical control signal into a pneumatic control signal using electro-pneumatic transducers, preferably using magnetically or piezoelectrically controlled pneumatic valves, more preferably microvalves 18 , and using other pneumatic elements with throttle effect.
Die
Erfindung offenbart ferner Vorrichtungen und Verfahren zum Drucken,
Dispensieren oder Dosieren mittels eines Dosierkopfes 1 mit
einer Vielzahl von Kanälen, welche einen Fluid-Ejektor 4 enthalten, der
nach dem Verdrängungsprinzip oder nach dem Ventilprinzip
arbeitet.The invention further discloses apparatus and methods for printing, dispensing or doing sieren by means of a dosing 1 with a variety of channels, which is a fluid ejector 4 contained, which works according to the displacement principle or according to the valve principle.
Die
Erfindung offenbart ferner Vorrichtungen und Verfahren zum Drucken,
Dispensieren oder Dosieren mittels eines Dosierkopfes 1,
der Strukturen enthält, die gleichartige Teile der Ejektoren
mehrerer Kanäle enthalten.The invention further discloses apparatus and methods for printing, dispensing or dosing by means of a dosing head 1 containing structures containing similar parts of the ejectors of several channels.
Die
Erfindung offenbart ferner Vorrichtungen und Verfahren zum Drucken,
Dispensieren oder Dosieren mittels eines Dosierkopfes 1,
der Strukturen enthält, die Teile der elektropneumatischen
Schaltkreise mehrerer Kanäle enthalten.The invention further discloses apparatus and methods for printing, dispensing or dosing by means of a dosing head 1 containing structures containing parts of the electropneumatic circuits of multiple channels.
Die
Erfindung offenbart ferner Vorrichtungen und Verfahren zum Drucken,
Dispensieren oder Dosieren mittels eines Dosierkopfes 1 mit
einer Membrane 8, welche sich über ein oder mehrere
Kanäle erstreckt, welche pneumatische Energie auf die korrespondierenden
Ejektoren überträgt, dabei sich auswölbt
und auf eine Öffnung zur Verhinderung des Fluiddurchgangs
durch diese drückt oder dabei Fluidvolumen verdrängt,
in der Folge Fluid durch eine oder mehrere korrespondierende Auslassöffnungen
ausstößt, oder, dabei Fluidvolumen verdrängt,
in der Folge Fluid durch eine Auslassöffnung ausstößt
bis zum Kontakt der Membrane 8 mit der mit dem Auslass verbundenen Öffnung,
diese dabei verschließt und damit das Ausströmen
des Fluid abrupt unterbricht und ausgetretenes Fluid zum Abriss
bringt.The invention further discloses apparatus and methods for printing, dispensing or dosing by means of a dosing head 1 with a membrane 8th which extends over one or more channels which transmit pneumatic energy to the corresponding ejectors, thereby bulging and pushing on an opening to prevent fluid passage therethrough or thereby displacing fluid volume, thereby expelling fluid through one or more corresponding outlet ports, or, thereby displacing fluid volume, as a result expels fluid through an outlet opening until contact of the membrane 8th with the opening connected to the outlet, this closes thereby and thus the outflow of the fluid stops abruptly and causes leaked fluid to demolition.
Die
Erfindung offenbart ferner Vorrichtungen und Verfahren zum schnellen
Wechsel eines fluidführenden Teils gegen ein neues oder
anders konfiguriertes.The
The invention further discloses apparatus and methods for rapid
Change of a fluid-carrying part against a new or
differently configured.
Die
Erfindung offenbart ferner Vorrichtungen und Verfahren zur Integration
der Steuerelektronik für die Ansteuerung der elektropneumatischen
Wandler, insbesondere so, dass die Steuerelektronik mit Luft beströmt
wird und auf diese Weise Wärme von der Steuerelektronik
abführt.The
The invention further discloses devices and methods for integration
the control electronics for controlling the electropneumatic
Transducer, in particular so that the control electronics flows with air
becomes and in this way heat from the control electronics
dissipates.
Mit
dem erfindungsgemäßen Dosierkopf kann eine Vielzahl
von Fluiden in einer Vielzahl von Awendungsbereichen dosiert oder
gedruckt werden. Unter einem Fluid, welches im Rahmen dieser Erfindung
durch den Dosierkopf 1 verarbeitet werden kann, wird eine
frei oder unter Druck fließende Flüssigkeit verstanden,
welche ein- oder mehrphasig zusammengesetzt ist und ein Viskositätsprofil
hat, welches zumindest in Bereichen der Viskositäts-Scherspannungs-Kennline
Werte von unter 1 Pas aufweist. Insbesondere sind Fluide mit thixotropen
oder strukturviskosen Eigenschaften verarbeitbar. Ein mehrphasiges
Fluid kann eine Flüssigkeit mit eingelagerten, in der Flüssigkeit
nicht löslichen Partikeln, Fluidtropfen oder Luftblasen
sein. Die fogende Liste soll lediglich Beispiele für verarbeitbare
Fluide und Verwendungen aufzeigen: Drucken von wässrigen
Lösungen, Tinten, Farben (Drucken von Wandfarbe, Dispersionsfarben,
Mineralfarben, Künstlerfarben), Lacken, Putzen (Druck von
Feinputz, Stuck), Flüssigpolymeren, UV-härtbaren
Flüssigpolymeren (Beispiel: Rapid Prototyping), Wachsen,
Klebstoffen und Harzen, gefüllt oder ungefüllt,
Fetten, Ölen, prinzipiell von allen im Bereich der Drucktechnik
verwendete Flüssigkeiten, wie Drucktinten, und -farben,
teilvernetzte flüssige Stoffe, höherviskose Stoffe
oder Körperflüssigkeiten (Blut, Sputum), Flüssigkeiten
für die Lebensmittel-Produktion, sonstige Reagenzien oder Analyten
aus dem medizinischen, biomedizinischen oder biologischen Bereich,
schließlich Flüssigkeiten, die vor, während
oder nach der Applikation Schäume bilden. Unter einem Fluid
kann auch ein Gas verstanden werden, welches sich mit den erfindungsgemäßen
Vorrichtungen und Verfahren in hohen Mengen und mit hoher Frequenz
dosieren läßt.With the dosing head according to the invention, a multiplicity of fluids can be metered or printed in a large number of areas of application. Under a fluid, which in the context of this invention by the dosing 1 can be processed, is understood a free or under pressure fluid flowing, which is composed of one or more phases and has a viscosity profile, which has values of less than 1 Pas, at least in areas of the viscosity-shear stress characteristic. In particular, fluids having thixotropic or pseudoplastic properties can be processed. A multiphase fluid may be a liquid with embedded, liquid-insoluble particles, fluid drops or air bubbles. The following list is only intended to show examples of workable fluids and uses: printing of aqueous solutions, inks, paints (printing of wall paint, emulsion paints, mineral paints, artist paints), paints, plasters (printing of fine plaster, stucco), liquid polymers, UV-curable liquid polymers (Example: rapid prototyping), waxes, adhesives and resins, filled or unfilled, greases, oils, in principle of all fluids used in the field of printing technology, such as printing inks and inks, partially crosslinked liquids, higher-viscosity substances or body fluids (blood, sputum ), Liquids for food production, other reagents or analytes from the medical, biomedical or biological field, and finally liquids which form foams before, during or after the application. A fluid can also be understood to mean a gas which can be metered in high quantities and at high frequency with the devices and methods according to the invention.
Eine
bevozugte Verwendung des erfindungsgemäßen Dosierkopfes
nach Anspruch 1 ist die Verwendung des Dosierkopfes zum Drucken
von partikelgefüllten Flüssigkeiten, mit einer
Partikelgröße bis in den Bereich von Zehntel Millimetern.
Bevorzugt kann der erfindungsgemäße Dosierkopf
zum Drucken von Wandfarben oder Dispersionsfarben verwendet werden,
um eine Farbschicht oder Grafik zu erzeugen, besonders bevorzugt
mittels eines handgeführten Druckers, welcher einen leichten
aber leistungsstarken Druckkopf benötigt. Oder zum Druck von
Pasten (z. B. Leiter-, Widerstands- oder Isolatorpasten) in der
Dickschichttechnik oder von Slurries (Glas-, oder sonstige), oder
von Lebensmitteln.A
preferred use of the dosing head according to the invention
according to claim 1, the use of the dosing head for printing
of particle filled liquids, with one
Particle size down to the tenth of a millimeter.
Preferably, the dosing head according to the invention
used for printing wall paints or emulsion paints,
to produce a color layer or graphic, particularly preferred
by means of a hand-held printer, which is a light
but powerful printhead needed. Or for printing
Pastes (eg conductor, resistor or insulator pastes) in the
Thick-film technology or slurries (glass or other), or
of food.
Eine
weitere bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen
Dosierkopfes ist dessen Verwendung für die Erzeugung von
3-dimensionalen Strukturen, z. B. im Rapid Prototyping oder dem
Drucken von Braille-Schrift.A
further preferred use of the invention
Dosing head is its use for the production of
3-dimensional structures, eg. B. in rapid prototyping or
Printing Braille.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Verschiedene
exemplarische Ausführungsformen der Vorrichtungen und Verfahren
dieser Erfindung werden im Folgenden detailliert beschrieben, mit
Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Various
exemplary embodiments of the devices and methods
of this invention will be described in detail below, with
Reference to the accompanying drawings.
1 zeigt
erfindungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren zum
Drucken, Dispensieren oder Dosieren mittels eines Dosierkopfes 1. 1 shows inventive devices and methods for printing, dispensing or dosing by means of a dosing 1 ,
2 zeigt
erfindungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren zum
Drucken, Dispensieren oder Dosieren mittels eines Dosierkopfes 1 in
detaillierterer Form. 2 shows inventive devices and methods for printing, dispensing or dosing by means of a dosing 1 in more detail.
3 zeigt
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
eines mikropneumatischen Schaltkreises. 3 shows embodiment of the invention Examples of a micro-pneumatic circuit.
4 zeigt
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
eines nach dem Ventilprinzip arbeitenden Ejektors. 4 shows embodiments of an operating according to the valve principle ejector.
5 zeigt
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
eines nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Ejektors. 5 shows embodiments according to the invention of an ejector operating according to the displacement principle.
6 zeigt
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
eines nach dem Ventilprizip arbeitenden Ejektors. 6 shows exemplary embodiments of an ejector operating according to the valve principle.
7 zeigt
bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen
Dosierkopfes 1. 7 shows preferred embodiments of a dosing head according to the invention 1 ,
8 zeigt
bevorzugte Ausführungsformen eines aus strukturierten Platten
aufgebauten erfindungsgemäßen Dosierkopfes, welche
jeweils gleichartige Strukturen der Kanäle des Dosierkopfes
enthalten. 8th shows preferred embodiments of a constructed from structured plates inventive dosing, each containing similar structures of the channels of the dosing.
9 zeigt
bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Verhinderung des Entrocknens der Fluidauslässe. 9 shows preferred embodiments of a device according to the invention for preventing the drying of the fluid outlets.
10 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform eines aus strukturierten
Platten aufgebauten erfindungsgemäßen Dosierkopfes. 10 shows a preferred embodiment of a constructed from structured plates inventive dosing.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung:Detailed description of the invention:
1 zeigt
ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
und Verfahren für einen Kanal des Dosierkopfes 1.
Die Bezeichnung Dosierkopf soll hier stellvertretend stehen für
Druckkopf, Dosierkopf oder Dispensierkopf, ohne auf diese explizit
beschränkt zu sein. Im Falle eines Druckkopfes soll „Dosierkopf” allgemein
eine Vorrichtung sein, mit deren Hilfe Fluid auf Oberflächen
beliebiger Art kontinuierlich oder diskontinuierlich frei strahlend
aufgetragen wird, mittels regelmäßig angeordneten,
elektronisch individuell steuerbaren Kanälen. Entsprechend
der hier verwendeten Nomenklatur handelt es sich bei einem Kanal
um die kleinste elektronisch addressierbare Einheit des Dosierkopfes 1.
Dieser kann aber dennoch eine Vielzahl von Fluidauslässen besitzen.
Die Bezeichnung „Dosierkopf” beinhaltet über
die Bezeichnung „Druckkopf” hinaus Applikationen,
bei denen keine Freistrahl-Applizierung stattfindet, wie beispielsweise
Kontakt-Applizierungen („Dispensierkopf”) oder
allgemeine Dosieraufgaben oder Fluid-Steueraufgaben, die nicht mit
einer unmittelbaren Fluidabgabe in Verbindung stehen. 1 shows a block diagram of the inventive apparatus and methods for a channel of the dosing 1 , The term dosing head should here represent the printhead, dosing head or dispensing head, without being explicitly limited to this. In the case of a printhead "dosing" is generally a device by means of which fluid on surfaces of any kind continuously or discontinuously is applied freely radiating, by means of regularly arranged, electronically individually controllable channels. According to the nomenclature used here, a channel is the smallest electronically addressable unit of the dosing head 1 , This can still have a variety of fluid outlets. The term "dosing head" includes beyond the designation "printhead" applications in which no free-jet application takes place, such as contact applications ("dispensing head") or general dosing tasks or fluid control tasks, which are not associated with an immediate fluid delivery ,
Erfindungsgemäße
Vorrichtungen und Verfahren wandeln je Kanal ein elektrisches Steuersignal
kleiner Energie mittels eines mikro-elektropneumatischen Schaltkreises
in ein pneumatisches Steuersignal pc größerer
Energie um (1). Die zusätzliche
Energie wird dabei von ein oder mehreren Druckquellen p1,
p2, ... geliefert, welche im Folgenden als
Druckniveaus bezeichnet werden sollen. Ein mikro-elektropneumatischer
Schaltkreis 2 wird als ein Netzwerk aus mikro-elektropneumatischen
Elementen verstanden. Diese können beispielsweise elektropneumatische
Wandler, pneumatisch-mechanische Wandler, pneumatische Drosseln,
Totvolumina, Verbindungsleitungen und Kavitäten sein.Devices and methods according to the invention convert per channel an electrical control signal of low energy by means of a micro-electro-pneumatic circuit into a pneumatic control signal p c of greater energy ( 1 ). The additional energy is supplied by one or more pressure sources p 1 , p 2 , ..., which are to be referred to below as pressure levels. A micro-electropneumatic circuit 2 is understood as a network of microelectropneumatic elements. These can be, for example, electropneumatic converters, pneumatic-mechanical converters, pneumatic throttles, dead volumes, connecting lines and cavities.
Das
pneumatische Steuersignal pc jedes Kanals
dient zur Aktuation mindestens eines pneumatisch gesteuerten Fluid-Ejektors.
Unter einem pneumatich gesteuerten Fluid-Ejektor 4 wird
eine Vorrichtung verstanden, die infolge des Einwirkens eines pneumatischen
Steuerdrucks auf eine Membrane Fluid aus ein oder mehreren Fluidauslässen
ausstößt. Eine Membrane soll hier stellvertretend
stehen für weitere prinzipiell geeignete pneumatische Aktuatoren
wie beispielsweise eine biegsame Platte, eine durch eine Sicke geführte
Membrane oder Platte, ein beweglicher Kolben, ein Balg oder aufblasbares
Teil, ein Schlauch oder eine Fluidleitung anderer Querschnittsform
(Rechteck, Oval..).The pneumatic control signal p c of each channel is used to actuate at least one pneumatically controlled fluid ejector. Under a pneumatically controlled fluid ejector 4 is meant a device which ejects fluid from one or more fluid outlets as a result of the action of a pneumatic control pressure on a diaphragm. A membrane is intended here represent representative of other suitable in principle pneumatic actuators such as a flexible plate, guided by a bead membrane or plate, a movable piston, a bellows or inflatable member, a hose or a fluid line other cross-sectional shape (rectangle, oval .. ).
2 detailliert
die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren
hinsichtlich des mikro-elektropneumatischen Schaltkreises und eines
pneumatisch gesteuerten Fluid-Ejektors eines elektronisch addressierbaren
Kanals n. 2 in detail the devices and methods according to the invention with regard to the microelectropneumatic circuit and a pneumatically controlled fluid ejector of an electronically addressable channel n.
Ein
mikro-elektropneumatischer Schaltkreis 2 enthält
zwischen einem ersten Drucknieveau p1 und
einem zweiten Drucknivean p2 eine Reihenschaltung
aus einem ersten pneumatischen Element in Form eines Mikroventils 18 und
einem zweiten pneumatischen Element in Form einer Drossel 23,
an deren gemeinsamem pneumatischen Knoten 5 sich ein pneumatisches
Steuersignal oder kurz ein Steuerdruck pc einstellt
mit welchem die Membrane 8 mindestens eines Fluid-Ejektors
pneumatisch verbunden ist.A micro-electropneumatic circuit 2 contains between a first pressure level p 1 and a second pressure level p 2 a series connection of a first pneumatic element in the form of a microvalve 18 and a second pneumatic element in the form of a throttle 23 , at their common pneumatic node 5 a pneumatic control signal or briefly a control pressure p c sets with which the diaphragm 8th at least one fluid ejector is pneumatically connected.
Bezüglich
der Verwendung des Begriffes „pneumatisch” sei
angemerkt, dass statt Luft als Druckmittel auch ein beliebiges Gas
oder prinzipiell auch eine Hydraulikflüssgkeit zur Anwendung
kommen kann. Die Eigenschaft „mikro-pneumatisch” soll im
Rahmen der Erfindung keine Beschränkung auf das Druckmittel „Luft” darstellen.In terms of
the use of the term "pneumatic" was
noted that instead of air as a pressure medium and any gas
or in principle also a hydraulic fluid for use
can come. The property "micro-pneumatic" should in
Under the invention no limitation to the pressure medium "air" represent.
Der
erfindungsgemäße Fluidejektor ist der Teil des
Dosierkopfes 1, der den Fluidausstoß generiert.
Er hat mindestens einen Fluideinlaß und mindestens einen
Fluidauslass. Ein pneumatisch gesteuerter Fluidejektor ist ein Fluidejektor,
der über eine Membrane mit Hilfe von pneumatischer Stellenergie
betrieben wird, hier mittels des Steuerdruckes pc.The fluid ejector according to the invention is the part of the dosing head 1 that generates the fluid output. It has at least one fluid inlet and at least one fluid outlet. A pneumatically controlled fluid ejector is a fluid ejector, which is operated via a diaphragm with the aid of pneumatic point energy, here by means of the control pressure p c .
Ein
erfinungsgemäßer Dosierkopf kann zum einen nach
dem Verdrängerprinzip arbeiten, d. h. die Ejektoren 4 sind
mittels des Steuerdruckes pc aktuierte Fluid-Verdränger.
Beim Verdrängungsprinzip wird die mechanische Verformung
oder Bewegung einer Membrane auf das Fluid in einer Kavität übertragen, indem
sich das Volumen einer fluidgefüllten Kavität verringert
und damit zum Fluidausstoß durch den Fluidauslass 6 führt.
Ein erfindungsgemäßer Dosierkopf kann zum anderen
nach dem Ventilprinzip arbeiten, d. h. die Ejektoren arbeiten nach
dem Ventilprinzip und die Membranen 8 fungieren als Ventilmembrane.A erfinungsgemäßer dosing can work on the one hand according to the displacement principle, ie the ejectors 4 are actuated by the control pressure p c actuated fluid displacer. In the displacement principle, the mechanical deformation or movement of a diaphragm is transferred to the fluid in a cavity by reducing the volume of a fluid-filled cavity and thus to expelling fluid through the fluid outlet 6 leads. On the other hand, an inventive dosing head can operate according to the valve principle, ie the ejectors operate according to the valve principle and the membranes 8th act as valve diaphragm.
In 3 sind
Ausführungsbeispiele von elektro-mikropneumatischen Schaltkreisen
für jeweils einen Kanal skizziert. Diese besitzen in der
Darstellung jeweils am unteren Ende den pneumatischn Steuerausgang,
an welchem der Steuerdruck pc anliegt, welcher
zur Aktuation des Fluid-Elektors dient.In 3 Embodiments of electro-micro-pneumatic circuits for each channel are outlined. These have in the representation in each case at the lower end of the pneumatischn control output to which the control pressure p c is applied, which serves for the actuation of the fluid-Elektors.
Der
mikro-elektropneumatische Schaltkreis enthält zwischen
zwei Druckniveaus p1 und p2 eine Serienschaltung
aus einem pneumatischen Element Z1 und einem
pneumatischen Element Z2, an deren gemeinsamen
pneumatischen Knoten 5 ein transienter Steuerdruck pc mit zumindest zwei Zuständen in einer
Kavität generiert wird, der zur Betätigung des Fluidejektors
dient. Druckquellen können praktisch ausgeführt
sein als Pumpen, Kompressoren oder Vakuumpumpen (pabs < 1 bar). Auch ist
eine Öffnung zur Umgebung im Rahmen der Erfindung als Druckquelle
mit Umgebungsdruck (p = pU) zu interpretieren.The micro-electro-pneumatic circuit contains between two pressure levels p 1 and p 2 a series circuit of a pneumatic element Z 1 and a pneumatic element Z 2 , at their common pneumatic node 5 a transient control pressure p c is generated with at least two states in a cavity which serves to actuate the fluid ejector. Pressure sources can be practically designed as pumps, compressors or vacuum pumps (p abs <1 bar). Also, an opening to the environment in the context of the invention as a pressure source with ambient pressure (p = p U ) to interpret.
Erfindungsgemäß ist
in wenigstens einem der beiden pneumatischen Elemente Z1 oder
Z2 ein elektro-pneumatischer Wandler enthalten,
beispielsweise ein elektrisch gesteuertes Pneumatikventil. Dieses
kann nach einem beliebigen Wandler-Prinzip arbeiten, beispielsweise
piezoelektrisch, elektromagnetisch, elektropneumatisch, elektrostatisch
oder elektrostriktiv und weist eine kurze Ansprechzeit T << 1 ms und ein kleines Totvolumen auf.
Bevorzugt sind Ventile nach dem piezoelektrischen Funktionsprinzip geeignet,
welche aufgrund der elektropneumatischen Verstärkung des
mikro-elektropneumatischen Schaltkreises von besonders kleiner Bauart
sein können. Daher wird im Folgenden stets die Bezeichnung
Mikroventil 18 verwendet.According to the invention, at least one of the two pneumatic elements Z 1 or Z 2 contains an electro-pneumatic converter, for example an electrically controlled pneumatic valve. This can work according to any transducer principle, for example piezoelectric, electromagnetic, electropneumatic, electrostatic or electrostrictive and has a short response time T << 1 ms and a small dead volume. Preferably, valves are suitable according to the piezoelectric operating principle, which may be due to the electropneumatic amplification of the micro-electro-pneumatic circuit of particularly small design. Therefore, in the following always the term microvalve 18 used.
Erfindungsgemäß enthält
mindestens eines der pneumatischen Elemente Z1 oder
Z2 ein Mikroventil V1 und
das andere pneumatische Element entweder ein Mikroventil V2 oder eine pneumatische Drossel 23.
Im letzteren Fall ist das Mikroventil V1 einziges
Ventil pro Kanal. Pneumatische Drosseln zeichnen sich durch ihre
dissipative Wirkung aus und besitzen einen linearen oder nichtlinearen
Strömungswiderstand, welcher bei Durchströmung
einen Druckabfall generiert. Beispiele hierfür sind eine
Kapillarstrecke 23, eine Blende, eine Fluidumlenkung oder
Querschnittsverändeurng. Ergänzend sei angemerkt,
dass ein pneumatisches Element Z1 oder Z2 nicht ausschließlich nur ein einziges
pneumatisches Drosselelement oder Mikroventil 18, sondern
auch Kombination aus diesen enthalten kann, somit selbst einen pneumatischen
Schaltkreis enthalten kann.According to the invention, at least one of the pneumatic elements Z 1 or Z 2 contains a microvalve V 1 and the other pneumatic element either a microvalve V 2 or a pneumatic throttle 23 , In the latter case, the microvalve V 1 is the only valve per channel. Pneumatic throttles are characterized by their dissipative effect and have a linear or non-linear flow resistance, which generates a pressure drop when flowing through. Examples of this are a capillary path 23 , an aperture, a fluid deflection or Querschnittsverändeurng. In addition, it should be noted that a pneumatic element Z 1 or Z 2 not exclusively only a single pneumatic throttle element or microvalve 18 but may also contain a combination of these, thus may itself contain a pneumatic circuit.
Erfindungsgemäß ist
der Ejektor 4 mit dem Verbindungsknoten 5 zwischen
Z1 und Z2 pneumatisch
verbunden, an dem sich in Abhängig der Ventilstellung des
Primärventils der zur Steuerung des Fluidejektors erforderliche
pneumatische Steuerdruck pc einstellt. Der
Verbindungsknoten 5 weist Leitungen und Kavitäten
zu den wirksamen Bereichen der pneumatischen Elemente Z1 und
Z2 und der Pneumatik-Seite des Ejektors
auf und besitzt daher ein Volumen VK. Diesem
Volumen ist noch ein Volumen VE hinzuzurechnen,
dem Verschiebevolumen des Ejektors. Aufgrund der Kompressibilität
der Luft stellt das Volumen VK + VE pneumatisch eine Nachgiebigkeit dar. Diese
begrenzt die Geschwindigkeit einer Zustandsänderung des
Steuerdruckes. Zur Dimensinierung des Bereiches mit dem Volumen
VK + VE kann je nach
Konfiguration (s. u.) des Mikro-pneumatischen Schaltkreises und
des Ejektors die Zeitkonstante für einen Schaltvorgang
näherungsweise angegeben werden zu T1 = R·p0/(VK + VE), (1)wobei
R je nach dem betrachteten Schaltvorgang entweder dem Fluidwiderstand
eines geöffneten Mikroventils 18 in Z1 oder
Z2 entspricht oder dem Strömungswiderstand
der Drossel 23. Damit am Ejektor 4 ein sauberer
Fluidausstoß und Fluidabriss möglich wird, muß die
Druckänderung des Steuerdruckes hochdynamisch erfolgen.
Erfindungsgemäß sind die Elemente eines mikroelektropneumatischen
Schaltkreises so dimensiniert, dass die Zeitkonstanten für eine Änderung
eines Zustandes des pneumatischen Steuersignals pc bevozugt
im Bereich von 1 Mikrosekunde bis 1 ms, besonders bevorzugt im Bereich
zwischen 1 Mikrosekunde und 100 Mikrosekunden liegen. Die Forderungen
nach einer hohen Arbeitsfrequenz, geringem Gewicht und geringer
Größe erfordern den Einsatz von Mikroventilen 18,
welche jedoch nur einen Ventilhub in der Größenordnung
von rund 0,05 mm liefern. Als Konsequenz ist der Strömungswiderstand
des geöffneten Mikroventils 18 relevant, sodass
nach Gleichung (1) eine genügend kleine Zeitkonstante nur
erreicht werden kann, wenn eine Miniaturisierung der Volumina VK und VE vorgenommen
wird.According to the invention, the ejector 4 with the connection node 5 pneumatically connected between Z 1 and Z 2 , at which, depending on the valve position of the primary valve, the pneumatic control pressure p c required for controlling the fluid ejector is set. The connection node 5 has lines and cavities to the effective areas of the pneumatic elements Z 1 and Z 2 and the pneumatic side of the ejector and therefore has a volume V K. To this volume is added a volume V E , the displacement volume of the ejector. Due to the compressibility of the air, the volume V K + V E pneumatically represents a compliance. This limits the speed of a change in state of the control pressure. Depending on the configuration (see below) of the micro-pneumatic circuit and the ejector, the time constant for a switching operation can be approximately specified for the dimensioning of the area with the volume V K + V E T 1 = Rp 0 / (V K + V e ), (1) where R, depending on the considered switching operation, either the fluid resistance of an open microvalve 18 in Z 1 or Z 2 corresponds to or the flow resistance of the throttle 23 , So on the ejector 4 a clean fluid discharge and fluid separation is possible, the pressure change of the control pressure must be highly dynamic. According to the invention, the elements of a microelectropneumatic circuit are dimensioned such that the time constants for a change in a state of the pneumatic control signal p c are preferably in the range from 1 microsecond to 1 ms, particularly preferably in the range between 1 microsecond and 100 microseconds. The demands for a high operating frequency, low weight and small size require the use of microvalves 18 However, which only deliver a valve lift in the order of about 0.05 mm. As a consequence, the flow resistance of the opened microvalve 18 relevant, so that according to equation (1) a sufficiently small time constant can only be achieved if a miniaturization of the volumes V K and V E is made.
Um
eine wirkungsvolle Aktuation des pneumatischen Ejektors zu erhalten,
wird eine hohe Differenz zwischen den resultierenden Steuerdruck-Druckniveaus
angestrebt. Ebenso wird angestrebt, bei geöffnetem Mikroventil 18 den
Luftverbrauch durch Mikroventil 18 und pneumatischem Drosselelement
klein zu halten. Beide Bestrebungen legen nahe, den Strömungswiderstand
der Drossel 23 RD erheblich, beispielsweise
10-fach höher als den Strömungswiderstand des
geöffneten Mikroventils 18 RV zu
wählen. Diese Auslegung hat jedoch zum Nachteil, dass die
Zeitkonstante gem. Gleichung (1) für den Steuerdruck-Abfall über
der Drossel 23 nach dem Schließen des Mikroventils 18 groß wird, was
aber wiederum für einen sauberen Fluidausstoß oder
Fluidabriß (Je nach Konfiguration des Ejektors, siehe unten)
nachteilig ist. Nach Gleichung (1) bleibt somit einzig die Verringerung
der Volumina VK und VE,
um kurze Ansprechzeiten realisieren zu können. Erfindungsgemäß handelt
es sich bei den Elementen des mikro-pneumatischen Schaltkreises
um miniaturisierte Elemente und/oder Strukturen, insbesondere nach
einer Miniaturisierung der Volumina VK und
VE. Dabei sind jedoch einer Miniaturisierung
dadurch Grenzen gesetzt, dass damit einhergehend die Strömungswiderstände
von pneumatischen Leitungen im Vergleich zu denen beispielsweise
einer pneumatischen Drossel 23 nicht mehr in der Dimensionierung zu
vernachlässigen sind. An diesem Punkt ist von einer diskreten
Betrachtung, in der pneumatische Drosseln beispielsweise als ein
diskretes pneumatisches Element Z2 behandelt
werden, zugunsten einer kontinuierlichen Modellbetrachtung abzuweichen.
Die pneumatischen Elemente Z1 und Z2 sind daher erfindungsgemäß nicht
auf diskret ausgeführte pneumatische Komponenten beschränkt,
sondern vielmehr als Teil einer Vorrichtung zu vertehen, die eine
pneumatische Wirkung, etwa pneumatische Drosselwirkung zwischen
einem ersten Punkt und einem zweiten Punkt in der Geometrie erzeugt,
am Beispiel des pneumatischen Elementes Z2 zwischen dem
Punkt, an dem der Steuerdruck anliegt und dem Punkt, an dem der
Druck p2 anliegt.In order to obtain an effective actuation of the pneumatic ejector, a high difference between the resulting control pressure pressure levels is sought. It is also desired, with open microvalve 18 the airver Needed by micro valve 18 and pneumatic throttle element to keep small. Both efforts suggest the flow resistance of the throttle 23 R D considerably, for example 10 times higher than the flow resistance of the opened microvalve 18 R V to choose. However, this design has the disadvantage that the time constant gem. Equation (1) for the control pressure drop across the throttle 23 after closing the microvalve 18 which, however, is detrimental to clean fluid ejection or fluid separation (depending on the configuration of the ejector, see below). Thus, according to equation (1), only the reduction of the volumes V K and V E remains in order to be able to realize short response times. According to the invention, the elements of the micro-pneumatic circuit are miniaturized elements and / or structures, in particular after a miniaturization of the volumes V K and V E. In this case, however, a miniaturization are limited by the fact that concomitantly the flow resistance of pneumatic lines compared to those, for example, a pneumatic throttle 23 no longer negligible in sizing. At this point, a discrete consideration, in which pneumatic throttles are treated, for example, as a discrete pneumatic element Z 2 , should be departed from in favor of a continuous model consideration. The pneumatic elements Z 1 and Z 2 are, therefore, the present invention is not limited to discrete executed pneumatic components, but rather to vertehen as part of a device which generates a pneumatic effect, for example pneumatic throttle effect between a first point and a second point in the geometry, on Example of the pneumatic element Z 2 between the point at which the control pressure is applied and the point at which the pressure p 2 is applied.
Wie
in den Ausführungsbeispielen in 3 verdeutlicht,
ist das elektrisch betätigte Mikroventil 18 bevorzugt
als Piezoventil mit piezoelektrischem Biegewandler ausgeführt.
Die Ausführungsbeispiele enthalten jeweils einen piezoelektrischen
Biegewandler in monomorph-Konfiguration, welcher beispielsweise ausgeführt
ist als Laminat aus einem piezoelektrischen Wandler in d31-Betrieb und einem Substrat aus einem nicht-piezoelektrischen
Material in insgesamt länglicher Form, dessen frei bewegliches
Ende sich nach dem Aufladen des piezoelektrischen Elements mitttels
einer elektrischen Spannung senkrecht in Richtung der Seite des
Substrates, auf der sich das piezoelektrische Element befindet,
auslenkt. Ein geeigneter monomorpher Wandler besitzt beispielsweise
eine Gesamtdicke von weniger als 0,5 mm, eine freie Länge
von 5 bis 10 mm bei einer Breite bis weit unter einem Millimeter.
Das freie Ende des Piezo-Aktuators bedeckt die Ventilöffnung 9,
um die herum die Dichtfläche angeordnet ist, hier als Ventilsitz
bezeichnet. Die Konfigurationen in 3, A und 3,
B enthalten eine erste pneumatische Impedanz Z1 in Form
des beschriebenen monomorph Piezo-Mikroventils 18 und eine
zweite pneumatische Impedanz in Form einer Kapillarstrecke Z2.As in the embodiments in 3 clarifies is the electrically operated microvalve 18 preferably designed as a piezoelectric valve with piezoelectric bending transducer. The embodiments each include a piezoelectric bending transducer in monomorphic configuration, which is embodied for example as a laminate of a piezoelectric transducer in d 31 operation and a substrate made of a non-piezoelectric material in a generally elongated shape, the freely movable end of which after charging the piezoelectric element by means of an electrical voltage perpendicular to the side of the substrate on which the piezoelectric element is located, deflects. For example, a suitable monomorphic transducer has a total thickness of less than 0.5 mm, a free length of 5 to 10 mm, and a width well below one millimeter. The free end of the piezo actuator covers the valve opening 9 around which the sealing surface is arranged, here referred to as valve seat. The configurations in 3 , A and 3 , B contain a first pneumatic impedance Z 1 in the form of the described monomorphic piezo microvalve 18 and a second pneumatic impedance in the form of a capillary Z 2 .
Für
die folgenden detailierten Betrachtungen wird angenommen, dass der
mikro-elektropneumatische Schaltkeis von zwei Druckquellen gespeist
wird und stets p1 > p2 ist. Demnach
kann der Steuerdruck pc ausschließlich
Werte zwischen p1 und p2 annehmen.
Das Piezo-Mikroventil 18 befindet sich innerhalb einer
Kavität, welche je nach der Betriebsweise des mikro-elektropneumatischen
Schaltkreises mit einem Druck p1 oder p2 beaufschlagt ist. Die Kapillarstrecke 23 ist
einerseits mit dem Mikroventil 18 und dem Anschluß für
den Steuerdruck verbunden, andererseits mit der verbleibenden Druckquelle
p2 oder p1.For the following detailed considerations, it is assumed that the micro-electro-pneumatic shift key is fed by two pressure sources and is always p 1 > p 2 . Accordingly, the control pressure p c can only assume values between p 1 and p 2 . The piezo microvalve 18 is located within a cavity, which is acted upon by a pressure p 1 or p 2 depending on the operation of the micro-electro-pneumatic circuit. The capillary route 23 on the one hand with the microvalve 18 and the connection for the control pressure, on the other hand with the remaining pressure source p 2 or p 1 .
3,
A zeigt die zwei Betriebsweisen eines erfindungsgemäßen
mikro-elektropneumatischen Aktuators, in dem ein Piezoventil als
normally-closed Ventil konfiguriert ist, d. h., im nicht elektrisch
aktuierten Zustand ist das Ventil geschlossen. In Betriebsweise 1 der 3,
A liegt der höhere Druck p1 am
Mikroventil 18 an. Dieses ist geschlossen ist und generiert
den vollen Druckabfall p1 – p2. Damit nimmt der Steuerausgang den Wert
pc = p2 an. Bei
elektrischer Ansteuerung öffnet das Ventil und erzeugt
den bereits oben beschriebenen Druckabfall über die Kapillarstrecke 23,
somit ist pc = A·(p1 – p2). Der mikro-elektropneumatische Schaltkreis
hat somit nicht-invertierendes Verhalten, d. h. eine elektrische Steuerspannung
resultiert in einen Anstieg des Steuerdruckes. Betriebsweise 1 der 3,
A ist beispielsweise in Verbindung mit einem Fluid-Ejektor 4 nach dem
Verdrängungsprinzip bevorzugt zu verwenden. 3 , A shows the two modes of operation of a micro-electropneumatic actuator according to the invention, in which a piezo valve is configured as a normally-closed valve, ie, in the non-electrically actuated state, the valve is closed. In operation 1 of the 3 , A is the higher pressure p 1 on the microvalve 18 at. This is closed and generates the full pressure drop p 1 - p 2 . Thus, the control output assumes the value p c = p 2 . When electrically actuated, the valve opens and generates the already described above pressure drop across the capillary 23 , thus pc = A * (p 1 -p 2 ). The micro-electro-pneumatic circuit thus has non-inverting behavior, ie an electrical control voltage results in an increase of the control pressure. operation 1 of the 3 For example, A is in conjunction with a fluid ejector 4 preferred to use according to the displacement principle.
In
der Betriebsweise 2 der 3, A sind
die Druckquellen vertauscht und zusätzlich ist das Piezoventil
mit einer Vorspannung versehen, sodass dessen freies Ende mit einer
Kraft F auf den Ventilsitz gepresst wird und somit erst ab einem
dadurch definierten Gegendruck pg öffnet.
Bei elektrischer Ventil-Betätigung arbeitet das Mikroventil 18 zusammen
mit pg gegen die Vorspannkraft F, um das
Ventil zu öffnen. Damit wird im unbetätigten Zustand
der Steuerdruck pc = pg,
im betätigten Zustand sinkt der Druck in Richtung p2 ab. Der mikro-elektropneumatische Schaltkreis
hat somit invertierendes Verhalten. Betriebsweise 2 der 3,
A ist beispielsweise in Verbindung mit einem Fluid-Ejektor 4 nach
dem Ventilprinzip bevorzugt einzusetzen, da bei nicht-anliegendem
elektrischen Steuersignal beispielsweise die Ventilmembrane 8 des
Fluidventils mit dem Druck pg – PFI auf die Fluidöffnung gepresst
wird.In operation 2 of the 3 A, the pressure sources are reversed and in addition the piezo valve is provided with a bias, so that its free end is pressed with a force F on the valve seat and thus opens only from a defined back pressure p g . When the valve is actuated electrically, the microvalve operates 18 together with p g against the biasing force F to open the valve. Thus, in the unactuated state, the control pressure p c = p g , in the actuated state, the pressure decreases in the direction p 2 from. The micro-electro-pneumatic circuit thus has inverting behavior. operation 2 of the 3 For example, A is in conjunction with a fluid ejector 4 to use preferably according to the valve principle, since in non-adjoining electrical control signal, for example, the valve diaphragm 8th of the fluid valve with the pressure p g - P FI is pressed onto the fluid port.
3,
B zeigt die zwei Betriebsweisen eines erfindungsgemäßen
mikro-elektropneumatischen Aktuators, in dem ein Piezoventil als
normally-open Ventil konfiguriert ist. Werden die Betrachtungen
analog zu den Fällen in 3, A durchgeführt,
so ergibt sich folgendes Ergebnis:
In der Betriebsweise 1 der 3,
B hat der mikro-elektropneumatische Schaltkreis invertierendes Verhalten,
in der Betriebsweise 2 der 3, B hat
der mikro-elektropneumatische Schaltkreis nicht-invertierendes Verhalten.
Daraus ergeben sich ebenfalls analog die Kombinationsmöglichkeiten
mit den unterschiedlichen Ejektoren. 3 , B shows the two modes of operation of a micro-electropneumatic actuator according to the invention, in which a piezo valve is configured as a normally-open valve. Are the considerations ana log to the cases in 3 , A results in the following result:
In operation 1 of the 3 , B has the micro-electro-pneumatic circuit inverting behavior, in the operation 2 of the 3 , B, the micro-electro-pneumatic circuit has non-inverting behavior. This also results analogous to the possible combinations with the different ejectors.
Die
in 3, A und 3, B dargestellten mikro-elektropneumatischen
Schaltkreise besitzen die Eigenschaft, dass sich bei geöffnetem
Mikroventil 18 ein stationärer Luftverbrauch einstellt,
der überwiegend durch den Strömungswiderstand
der Kapillarstrecke 23 bestimmt ist. Durch geeignete Dimensionierung,
insbesondere Miniaturisierung der Kapillarstrecke 23 kann
beispielsweise ein geringer Luftverbrauch eingestellt werden (Drosselung).
Dies hat jedoch zur Folge, dass die entsprechende Zeitkonstante
zum Aufbau bzw. Abbau des Druckes pc (je
nach Konfiguration) über die Kapillarstrecke 23 groß wird und
dass die Anforderungen an die Dichtigkeit des Mikroventils 18 wachsen.
Die mikro-elektropneumatischen Schaltkreise haben weiterhin gemeinsam, dass
stets die Seite des Mikroventils 18 mit dem Schaltungsknoten 5,
welcher Z1 und Z2 verbindet
und welcher den Steuerdruck pc aufweist,
verbunden ist, welche die Ventilbohrung enthält, oder welche,
in anderen Worten, das kleinere Totvolumen aufweist.In the 3 , A and 3 , B shown micro-electro-pneumatic circuits have the property that when the microvalve is open 18 a stationary air consumption sets, mainly by the flow resistance of the capillary 23 is determined. By suitable dimensioning, in particular miniaturization of the capillary 23 For example, a low air consumption can be set (throttling). However, this has the consequence that the corresponding time constant for the construction or reduction of the pressure p c (depending on the configuration) via the capillary 23 becomes large and that the requirements for the tightness of the microvalve 18 to grow. The micro-electro-pneumatic circuits continue to have in common that always the side of the microvalve 18 with the circuit node 5 which connects Z 1 and Z 2 and which has the control pressure p c , which contains the valve bore, or which, in other words, has the smaller dead volume.
In 3,
C ist ein mikro-elektropneumatischer Schaltkreis 2 dargestellt,
welcher keinen stationären Luftverbraucht aufweist, indem
er in Z2 anstelle der pneumatischen Drosselstrecke über
ein zweites Mikroventil 18 verfügt. Sind beide
Mikroventile 18 gleichartig konfiguriert (normally-open
oder normally-closed, hier nicht dargestellt), so wird der mikro-elektropneumatische
Schaltkreis betrieben, indem diese zueinander invers angesteuert
werden. Die Betriebsart mit zwei Mikroventilen 18 anstelle
eines einzigen hat indes Vorteile: Der Steuerdruck nimmt zum einen
die Druck-Zustände p1 und p2 unmittelbar und mit nur geringer Abweichung
an. Zum anderen sind die pneumatischen Schaltzeiten für
beide Schaltvorgänge minimal. Nachteilig ist ein höherer
Herstellungsaufwand und Platzbedarf. In 3, C ist
ein Ventil als normally-open Ventil und ein Ventil als normally-closed
Ventil konfiguriert. Dadurch wird vermieden, dass ein Piezoventil
dauerhaft im aktuierten und somit verspannten Zustand gehalten werden
muß.In 3 , C is a micro-electro-pneumatic circuit 2 shown, which has no stationary air consumption, by Z 2 in place of the pneumatic throttle section via a second microvalve 18 features. Are both micro valves 18 similarly configured (normally-open or normally-closed, not shown here), so the micro-electro-pneumatic circuit is operated by these are controlled inversely to each other. The operating mode with two micro valves 18 instead of a single one has advantages: the control pressure on the one hand assumes the pressure conditions p 1 and p 2 directly and with only a slight deviation. On the other hand, the pneumatic switching times for both switching operations are minimal. The disadvantage is a higher production cost and space requirements. In 3 , C is a valve configured as a normally-open valve and a valve as a normally-closed valve. This avoids that a piezo valve must be kept permanently in aktuierten and thus strained state.
In 4 sind
Ausführungsformen für einen Fluid-Ejektor 4 nach
dem Ventilprinzip aufgezeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass die
Erfindung nicht auf die dargestellten Ausfühungsformen
beschränkt ist, sondern diese nur Beispiele von möglichen
Ausführungsformen darstellen, da es für die Erfindung
unwesentlich ist, in welcher Art der Ejektor 4 und insbesondere
das Betätigungselement des Ejektors ausgeführt
wird, solange der Ejektor 4 in seiner gesamten konstruktiven
Auslegung die geforderte pneumatisch gesteuerte Ventilwirkung mit
genügend kleiner Ansprechzeit und genügend hohem
Fluiddurchsatz bietet.In 4 are embodiments for a fluid ejector 4 shown according to the valve principle. It should be noted that the invention is not limited to the illustrated embodiments, but these represent only examples of possible embodiments, since it is immaterial to the invention, in which type of ejector 4 and in particular, the actuator of the ejector is carried out as long as the ejector 4 in its entire constructive design offers the required pneumatically controlled valve action with sufficiently small response time and sufficiently high fluid flow rate.
Das
Ventilprinzip ist dem Grunde nach ein kontinuierliches Arbeitsprinzip,
mit dem sich stationäre Fluidstrahlen erzeugen lassen.
Einen Drop an Demand Druck erreicht man durch Verwendung sehr kurzer
Ventil-Öffnungszeiten (Größenordnung
Mikrosekunden bis Millisekunden), wobei durch variable Öffnungszeiten
variable Dosiervolumina erzielt werden.The
Valve principle is basically a continuous working principle,
with which stationary fluid jets can be generated.
A drop in demand pressure can be achieved by using very short
Valve opening hours (magnitude
Microseconds to milliseconds), with variable hours
variable dosing volumes can be achieved.
4,
A zeigt ein Membranventil als Ausführungsbeispiel für
einen Fluid-Ejektor 4. Ein Betätigungselement
in Form einer Membrane 8, die einseitig mit dem Steuerdruck
pc beaufschlagt wird, legt sich bei Überdruck
des Steuerdrucks pc gegenüber dem
Fluiddruck pFI an eine Dichtfläche 10 an
und verschließt eine Ventilbohrung 9, welche zum
Fluidauslass 6? führt (4, A, links).
Umgekehrt, wenn der Steuerdruck pc kleiner
als der Fluiddruck ist, hebt der Fluiddruck die Membrane 8 von
der Dichtfläche 10 ab und Fluid strömt über
durch die Ventilbohrung 9 und tritt aus dem Ejektor 4 aus.
Ein Membranventil bietet hohe Dichtigkeit aufgrund der Flexibilität
der Membrane, hohe Schnelligkeit aufgrund der sehr kleinen Masse
der Membrane und den Vorteil einer einfachen Herstellung. Innerhalb
dieser Erfindung sei die Verwendung der Bezeichnung „Membrane” nicht
auf die einschränkenden Definitionen im festigkeitstheoretischen
Sinne beschränkt, nach denen eine Membrane 8 nur
Zugkräfte zu übertragen imstande ist. Vielmehr
soll hier dieser Begriff auch auf den Fall der „Platte” ausgedehnt
werden, bei der auch Biegemomente übertragen werden können,
was bedeutet, dass die Membrane 8 auch aus festerem Material
bestehen kann oder Stärken aufweisen kann, die üblicherweise
unter die Definition einer „Platte” fallen. Hinsichtlich
des Mambranmaterials bestehen im Rahmen der Erfindung ebenfalls
keine Einschränkungen, in Frage kommen besispielsweise
Metalle, dünne Gläser, Silizium, SiN, Thermoplaste
(z. B. PTFE, E/TFE, PFA, PVC, ABS, SAN, PP, PA, POM, PPO, PSU, PEBA,
PEEK, PEI, Bezeichnungen nach ISO 1043.1 ), thermoplastische
Elastomere (TPE), Elastomere (z. B. 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, Bezeichnungen nach ISO 1629 ),
Polyimide, Gummi und Vulkanisat, Natur-/Synthesekautschuk, Duroplaste
(z. B. UP, PF, UF, UP-GF, Bezeichnungen nach ISO 1043.1 ),
alle Polymere auch gefüllt oder Faser-verstärkt. 4 A shows a diaphragm valve as an exemplary embodiment of a fluid ejector 4 , An actuator in the form of a membrane 8th , which is acted upon on one side with the control pressure p c , sets at overpressure of the control pressure p c against the fluid pressure p FI to a sealing surface 10 on and closes a valve bore 9 leading to the fluid outlet 6 ? leads ( 4 , A, left). Conversely, when the control pressure p c is less than the fluid pressure, the fluid pressure lifts the diaphragm 8th from the sealing surface 10 and fluid flows over through the valve bore 9 and exits the ejector 4 out. A diaphragm valve offers high tightness due to the flexibility of the diaphragm, high speed due to the very small mass of the diaphragm and the advantage of ease of manufacture. Within this invention, the use of the term "membrane" is not limited to the limiting definitions in the strength theory sense, according to which a membrane 8th only tensile forces is able to transmit. Rather, this term should be extended to the case of the "plate", in which bending moments can be transmitted, which means that the membrane 8th may also be made of stronger material or may have thicknesses that are usually covered by the definition of a "slab". With regard to the Mambran material, there are likewise no restrictions within the scope of the invention, examples being metals, thin glasses, silicon, SiN, thermoplastics (eg PTFE, E / TFE, PFA, PVC, ABS, SAN, PP, PA, POM , PPO, PSU, PEBA, PEEK, PEI, names after ISO 1043.1 ), thermoplastic elastomers (TPE), elastomers (eg 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, names after ISO 1629 ), Polyimides, rubber and vulcanizate, natural / synthetic rubber, thermosets (eg UP, PF, UF, UP-GF, designations according to ISO 1043.1 ), all polymers also filled or fiber reinforced.
In
einer Variante des erfindungsgemäßen Dosierkopf
sind die Ejektoren 4 mittels des Steuerdruckes pc aktuierte Doppel-Membranventile. 4, B
zeigt ein Doppel-Membranventil als weiteres Ausführungsbeispiel
für einen Fluid-Ejektor 4. Anstelle der Verwendung
einer einfachen Membrane 8 wie in 4, A, welche
Aktuation und Ventilfunktion in sich vereint, sind diese Funktionen
hier getrennt realisiert. Eine erste Membrane 8 mit einer
Fläche A1 wird mit einem statischen
Druck beaufschlagt, welcher über ein Koppelelement 12 auf
ein Dichtelement übertragen wird und das Ventil verschließt.
Das Fluid grenzt an einer zweiten Membrane 8 mit einer
Fläche A2, welche mit dem Koppelelement
und Dichtelement 11 verbunden ist. Das Koppelelement kann
lose als Einlegeteil, beispielsweise in Form einer eingelegten Kugel
oder eines Zylinders, oder mit erster Membrane 8 und/oder
zweiter Membrane 8 im zusammenhängenden Verbund
realisiert sein. Auch können erste Mambrane, Koppelelement,
zweite Membrane 8 und Dichtelement eine einzige zusammenhängende
Struktur sein, beispielsweise aus einem Elastomer-Material. Mit
A2 < A1 lässt sich bereits mit Steuerdrücken
pc1 < pFI eine ausreichende Axialkraft und damit
Flächenpressung zur Verschließung des Ventilloches
erzielen. Das beispielhaft dargestellte Doppel-Membranventil enthält
zwei Steuer-Anschlüsse für Steuerdrücke,
welche in verschiedenen Kombinationen angesteuert werden können,
wobei es jedoch sinnvoll ist, einen der beiden Steuerdrücke
pc1 oder pc2 konstant zu
halten und den jeweils anderen mittels des mikro-elektropneumatischen
Schaltkreises zu steuern.In a variant of the dosing head according to the invention are the ejectors 4 by means of the control pressure p c actuated double diaphragm valves. 4 . B shows a double diaphragm valve as a further embodiment of a fluid ejector 4 , Instead of using a simple membrane 8th as in 4 , A, which combines actuation and valve function in itself, these functions are realized separately here. A first membrane 8th with a surface A 1 is subjected to a static pressure, which via a coupling element 12 is transferred to a sealing element and closes the valve. The fluid is adjacent to a second membrane 8th with an area A 2 , which with the coupling element and sealing element 11 connected is. The coupling element can be loose as an insert, for example in the form of an inserted ball or a cylinder, or with the first membrane 8th and / or second membrane 8th be realized in a coherent network. Also, first Mambrane, coupling element, second diaphragm 8th and sealing element be a single continuous structure, for example of an elastomeric material. With A 2 <A 1 , a sufficient axial force and thus surface pressure for closing the valve hole can already be achieved with control pressures p c1 <p FI . The exemplified double diaphragm valve includes two control ports for control pressures, which can be controlled in various combinations, but it makes sense to keep one of the two control pressures p c1 or p c2 constant and the other by means of the micro-electropneumatic circuit to control.
Beispielsweise
wird pc1 mit einem statischen Druck pst = PFI beaufschlagt,
während pc2 mit dem Steuerdruck
des mikro-elektropneumatischen Schaltkreises verbunden ist. Erhöht
sich nun pc2, so öffnet das Fluidventil
infolge des wirksamen Fluiddrucks pFI noch,
bevor pc2 das Druckniveau von pFI erreicht.
Anders herum kann aber auch pc1 mit dem Steuerdruck
des mikropneumatischen Schaltkreises beaufschlagt werden, während
pc2 beispielsweise auf Umgebungsdruck konstant
gehalten wird.For example, p c1 is subjected to a static pressure p st = P FI , while p c2 is connected to the control pressure of the micro-electro-pneumatic circuit. If now p c2 increases , the fluid valve opens due to the effective fluid pressure p FI before p c2 reaches the pressure level of p FI . On the other hand, the control pressure of the micro-pneumatic circuit can also be applied to p c1 , while p c2, for example, is kept constant at ambient pressure.
4,
C zeigt ein Einfach-Membranventil mit mechanischer Koppel- und Dichtvorrichtung
als weiteres Ausführungsbeispiel für einen Membran-aktuierten
Fluid-Ejektor 4. Eine über eine Radaldichtung
abgedichtete Stange 12 überträgt die
Membranbewegung auf eine Ventildichtung 11. Die Ansteuerung
erfolgt über die Anschlüsse pc1 und
pc2 in einer geeigneten Kombination aus
einem statischen Druck und einem Steuerdruck. 4 Figure C shows a single diaphragm valve with mechanical coupling and sealing device as a further embodiment of a membrane actuated fluid ejector 4 , A rod sealed by a wheel seal 12 transfers the diaphragm movement to a valve seal 11 , The control takes place via the connections p c1 and p c2 in a suitable combination of a static pressure and a control pressure.
Weitere,
hier nicht dargestellte Ausführungsformen für
ein pneumatisch aktuiertes Fluidventil können alle Arten
und Formen von mechanischen Betätigungselementen, Dichtelementen
oder Übersetzungen wie z. B. Kipp- und Hebelelemete, pneumatisch
verformbare Bälge, Schläuche oder Ballons, oder
pneumatisch aktuierte Kolben enthalten, um das öffnen und
Schließen einer Ventilöffnung 9 zu bewirken.Further, not shown embodiments for a pneumatically actuated fluid valve, all types and forms of mechanical actuators, sealing elements or translations such. As tilting and Hebelelemete, pneumatically deformable bellows, hoses or balloons, or include pneumatically actuated piston to open and close a valve opening 9 to effect.
Zur
Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
und Verfahren sind in 5 unterschiedliche exemplarische
Ausführungsformen von pneumatisch aktuierten Fluid-Ejektoren
nach dem Verdrängungsprinzip veranschaulicht. Diese finden bevorzugt
in Freistrahl-Dosierern Anwendung. Die Ausführungsbeispiele
sind jeweils illustriert für die das Verdrängungsprinzip
charakterisierenden Zustände des Ansaugens und des Ausstoßens.To explain the devices and methods of the invention are in 5 illustrates different exemplary embodiments of pneumatically actuated fluid ejectors according to the displacement principle. These are preferably used in free jet dispensers. The exemplary embodiments are illustrated in each case for the states of the suction and the discharge which characterize the displacement principle.
5,
A veranschaulicht das grundlegende Arbeitsprinzip des pneumatisch
aktuierten Verdrängers zur Erzeugung eines Fluidausstoßes.
Das Fluid steht an der Fluidzufuhr 7 mit einem Druck pFI in der Größenordnung
des Umgebungsdruckes pu an. In der Ansaugphase
ist der Steuerdruck pc kleiner als der Flüssigkeitsdruck
pFI. Im Falle einer ideal nachgiebigen Membrane 8 überträgt
sich der Steuerdruck verlustlos auf das Fluid in der Ejektorkammer 17,
so dass das als Ansaugventil beispielhaft verwendete Kugelventil 13,
dessen Kugel durch eine Ventilfeder 14 in Position gehalten
wird, öffnet und Fluid in die Ejektorkammer 17 einlässt.
Durch Umschalten des Steuerdrucks auf pc > pFI geht
das Einlaßventil 15 in den geschlossenen Zustand über,
während das Auslassventil 16 öffnet und
Fluid ausgestoßen wird. Für einen sauberen Fluidausstoß und
eine saubere Fluidablösung ist ein schneller Umschlag des
Steuerdruckes zwischen seinen zwei Zuständen erforderlich, was
erfindungsgemäß durch einen mikro-elektropneumatischen
Schaltkreis gelöst wird. 5 A illustrates the basic operating principle of the pneumatically actuated displacer for generating a fluid output. The fluid is at the fluid supply 7 with a pressure p FI on the order of the ambient pressure p u . In the suction phase, the control pressure pc is smaller than the liquid pressure pFI. In the case of an ideal compliant membrane 8th the control pressure transfers lossless to the fluid in the ejector chamber 17 such that the ball valve exemplarily used as the intake valve 13 , whose ball by a valve spring 14 is held in position, opens and fluid in the ejector chamber 17 gets involved. By switching the control pressure to p c > p FI the inlet valve goes 15 in the closed state over, while the exhaust valve 16 opens and fluid is ejected. For a clean fluid ejection and a clean fluid separation, a rapid change of the control pressure between its two states is required, which is achieved according to the invention by a micro-electro-pneumatic circuit.
Das
Ausstoßen von Fluid (5, B) erfolgt erfindungsgemäß durch
einen hoch transienten Druckpuls des Steuerdrucks pc.
Dieser überträgt sich über die Membrane 8 auf
das Fluid in der Ejektorkammer 17. Der überhöhte
Fluiddurck baut sich sodann durch einen Ausstoß von Fluid
aus der Austrittsöffnung 6 und durch einen Rückfluß von
Fluid in die Fluidzuführung 7 ab. Dem Druckpuls
des Steuerdrucks folgt ein schnelles Abfallen des Steuerdrucks auf
sein unteres Druckniveau, das im günstigen Fall unter dem
Fluiddruck pFI liegt (Ausführungsbeispiel
in 5, B). Mit dem Abfallen des Druckes in der Ejektorkammer 17 unter
pFI wird wieder Fluid durch die Einlaßöffnung
in die Ejektorkammer 17 hineingefördert. Der Unterdurck
in der Ejektorkammer 17 wirkt gleichzeitig auf die Fluid-Austrittsöffnung.
Nur die Kapillarkräfte des Fluid-Meniskus in der Fluid-Austrittsöffnung 6 ermöglichen
den Aufbau eines Unterdruckes in der Ejektor-Kammer und verhindern,
dass in der Ansaugphase Luft durch die Austrittsöffnung
eingesaugt wird. Kapillarkräfte in Rohren sind um so größer,
je kleiner der Durchmesser ist und werden mit größer
werdenendem Durchmesser quadratisch kleiner, sodass das Inkjet-Prinzip
nur im hochaufgelösten Digitaldruck und in Nischen angewendet
wird, in denen zum Druck dünnflüssiger Medien
kleinste Fluidauslässe 6 (Düsen) zum
Einsatz kommen.The ejection of fluid ( 5 , B) according to the invention by a highly transient pressure pulse of the control pressure p c . This transmits over the membrane 8th to the fluid in the ejector chamber 17 , The excessive Fluiddurck then builds up by an ejection of fluid from the outlet opening 6 and by a backflow of fluid into the fluid supply 7 from. The pressure pulse of the control pressure is followed by a rapid drop in the control pressure to its lower pressure level, which in the favorable case is below the fluid pressure p FI (exemplary embodiment in FIG 5 , B). With the drop in pressure in the ejector chamber 17 under p FI fluid is again through the inlet opening into the ejector cavity 17 into promoted. The underdurc in the ejector chamber 17 acts simultaneously on the fluid outlet opening. Only the capillary forces of the fluid meniscus in the fluid exit port 6 allow the build-up of a negative pressure in the ejector chamber and prevent air from being sucked in through the outlet in the suction phase. Capillary forces in pipes are the larger, the smaller the diameter is and become smaller quadratically smaller as the diameter increases, so that the inkjet principle is only used in high-resolution digital printing and in niches where small fluid outlets are used to print thin media 6 (Nozzles) are used.
In 4,
C ist beispielhaft der Fall skizziert, dass eine steifere Membrane 8 verwendet
wird, welche eine höhere Rückstellkraft als im
Fall der 5, B besitzt. In diesem Fall
wird überwiegend die Rückstellkraft der Membrane 8 ausgenutzt,
um im Ansaugzyklus Fluid in die Ejektorkammer 17 zu förden. Das
untere Steuerdruckniveau muß somit nicht wie im Beispiel
von 5, B ein Unterdruck sein.In 4 , C is an example of the case outlined that a stiffer membrane 8th is used, which has a higher restoring force than in the case of 5 , B owns. In this case, predominantly the restoring force of the membrane 8th exploited to in the suction cycle fluid into the ejector chamber 17 to promote. The lower control pressure level must therefore not as in the example of 5 , B be a negative pressure.
Erfindungsgemäße
Ejektoren nach dem Verdrängungsprinzip lassen sich vorteilhaft
mit einer Konfiguration des mikro-elektrodynamischen Schaltkreises
nach 3, A in der Betriebsweise 1 aktuieren.
In dieser Konfiguration können durch das schnelle Öffnen
des normally-closed Piezoventils infolge der elektrischen Ansteuerung
mit einem Spannungs- oder Ladungsimpuls schnelle Druckanstiege des Steuerdrucks
bis in den Mikrosekunden-Bereich realisiert werden, was einen Fluidausstoß begünstigt.
In der Ansaugphase ist ein langsamer Druckabfall in der Ejektorkammer 17 wünschenswert,
um zu verhindern, dass der in der der Fluid-Austrittsöffnung
herschende Kapillardruck unterschritten wird und Luft durch die
Fluid-Austrittsöffnung 6 in die Ejektorkammer 17 statt
Fluid durch die Fluidzufuhr 7 hineingefördert
wird. Ein langsames Abfallen des Druckes in der Ejektor-Kammer wird
dadurch erreicht, dass der mikro-elektropneumatische Schaltkreis
so dimensioniert wird, dass die Zeitkontante für den Abfall
des Steuerdruckes größer ist als die Zeitkonstante
für den Anstieg des Steuerdruckes. Dies kann in der Auslegung des
mikro-elektropneumatischen Schaltkreises 3, A in
der Betriebsweise 1 durch die Auslegung der Kapillarstrecke 23 mit
RK > RV erfolgen.Inventive ejectors according to the displacement principle can be advantageous with a configuration of the micro-electrodynamic circuit after 3 , A in operation 1 aktuieren. In this configuration, by rapidly opening the normally-closed piezo valve as a result of electrical activation with a voltage or charge pulse, rapid pressure increases in the control pressure can be realized down to the microsecond range, which promotes fluid ejection. In the suction phase is a slow pressure drop in the ejector chamber 17 desirable to prevent that in the fluid outlet opening of the prevailing capillary pressure is exceeded and air through the fluid outlet opening 6 into the ejector chamber 17 instead of fluid through the fluid supply 7 is conveyed in. A slow drop in the pressure in the ejector chamber is achieved by dimensioning the microelectropneumatic circuit so that the time constant for the fall in the control pressure is greater than the time constant for the increase in the control pressure. This may be in the design of the micro-electro-pneumatic circuit 3 , A in operation 1 through the design of the capillary route 23 with R K > R V.
In 5,
D sind zwei vorteilhafte Weiterentwicklungen von 5,
B skizziert, welche auch einzeln realisiert werden können.
Zum einen besitzt die Membrane 8 zwei formschlüssige
Anschläge, sodass das ausgestoßene Fluidvolumen
durch die Geometire der Ejektorkammer 17 genau vorgegeben
ist. Zum zweiten bewirkt das Anschlagen der Membrane 8 an die
untere Fläche, dass die Austritts-Öffnung durch die
Membrane 8 veschlossen wird und damit ein abrupterer Fluid-Abriss
am Auslass erzwungen wird.In 5 , D are two advantageous developments of 5 , B outlined, which can also be realized individually. First, the membrane has 8th two positive stops, so that the ejected fluid volume through the Geometire the ejector chamber 17 is exactly predetermined. The second effect is the striking of the membrane 8th to the lower surface that the outlet opening through the membrane 8th is closed and thus enforced a more abrupt fluid demolition at the outlet.
Wie
in 6 skizziert, kann mit einem Steuerdruck pc eines Kanals grundsätzlich auch
mehr als ein Ejektor 4 aktuiert werden, somit kann jeder
Kanal mehr als einen Ejektor 4 enthalten (6,
A). Im Fall von beispielsweise zwei Ejektoren können beide Ejektoren
dasselbe Fluid verarbeiten oder unterschiedliche Fluide verarbeiten
oder jeweils ein Fluid und ein Gas verarbeiten, diese in jedem dieser
Fälle separat oder intern oder extern gemischt ausstoßen.As in 6 sketched, with a control pressure p c of a channel basically also more than one ejector 4 Thus, each channel can have more than one ejector 4 contain ( 6 , A). For example, in the case of two ejectors, both ejectors can process the same fluid or process different fluids, or each process a fluid and a gas, ejecting them separately in each of these cases, or mixed internally or externally.
Auch
können mehrere elektrisch unabhängg ansteuerbare
Kanäle jeweils einen Ejektor steuern und die Ausgänge
dieser geeignet zusamengeführt werden zur Herstellung eines
Gemisches.Also
can control several electrically independent
Channels each control an ejector and the outputs
these are suitably taken together to produce a
Mixture.
Ein
erfindungsgemäßer Druck – oder Dosierkopf
enthält beispielsweise einen ersten Ejektor, der Fluid
steuert, einen zweiten Ejektor, der Zerstäubungsluft steuert,
wobei diese durch den Steuerdruck eines Kanales gemeinsam oder durch
die Steuerdrücke von zwei Kanälen getrennt aktuiert
werden, und eine Zusammenführung der Auslässe
des ersten und zweiten Ejektors derart, dass das Fluid durch Luft zerstäubt
wird. Die Auslässe können innerhalb des Dosierkopfes
zusammengeführt werden (hier nicht dargestellt) oder so,
dass eine Zerstäubung des Fluids außerhalb des
Dosierkopfes erfolgt, wie in 6, B als
Ausführungsbeispiel skizziert.For example, a pressure or metering head according to the invention includes a first ejector that controls fluid, a second ejector that controls atomizing air, which are actuated separately by the control pressure of one channel, or separately by the control pressures of two channels, and a junction of the outlets of the first and the second ejector such that the fluid is atomized by air. The outlets may be merged within the dosing head (not shown here) or so that atomization of the fluid occurs outside the dosing head, as in FIG 6 , B outlined as an exemplary embodiment.
In
einer Kammer oberhalb einer Membranschicht wird am Beispiel links
in 6, B der Steuerdruck eines einzigen Kanales zugeführt.
Im elektrisch angesteuerten Zustand (pc niedrig)
wird das Zerstäubungsluft- und Fluidventil geöffnet,
sodass Zerstäubungsluft und Fluid durch ihre jeweiligen
Auslässe austreten. Der Auslass 6 für
die Zerstäubungsluft ist hier beispielsweise als Ringdüse 6 konzentrisch
um den Fluidauslass 6 für das Fluid angeordnet,
so, dass eine Zerstäubung des Fluids außerhalb
des Dosier-, bzw. Druckkopfes stattfindet. Im einfachsten Fall kann
eine Zerstäubung auch durch außerhalb des Dosierkopfes
kreuzende Fluid- bzw. Luftstrahlen erfolgen. Grundsätzlich
erfordert die Zerstäubung des Fluids Leitungen für
Zerstäubungsluft, die so ausgebildet sind, dass eine interne
oder externe Zerstäubung des Fluids mittels der Zerstäubungsluft
erfolgt. In einer einfachen Variante wird Zerstäubungsluft kontinuierlich
oder diskontinuierlich extern gesteuert.In a chamber above a membrane layer is the example in left 6 , B supplied the control pressure of a single channel. In the electrically controlled state (p c low), the atomizing air and fluid valves are opened so that atomizing air and fluid exit through their respective outlets. The outlet 6 for the atomizing air is here, for example, as an annular nozzle 6 concentric around the fluid outlet 6 arranged for the fluid, so that a sputtering of the fluid takes place outside of the metering, or printhead. In the simplest case, atomization can also be effected by fluid or air jets crossing outside the dosing head. Basically, the atomization of the fluid requires atomizing air conduits designed to cause internal or external atomization of the fluid by means of the atomizing air. In a simple variant, atomizing air is controlled continuously or discontinuously externally.
Im
Falle der Nutzung eines einzigen Kanales kann durch Wahl des Einspeisepunktes
für den Steuerdruck pc und durch
Ausnutzung von Laufzeiten eine zeitlich versetzte, insbesondere
sich zeitlich überlappende Steurung erreicht werden, wie
in 6, B skizziert. Bei Verwendung eines mikro-elektropneumatischen
Schaltkreises nach 3, B, Betriebswese 1,
bewirkt die Konfiguration, dass die Zerstäubungsluft stets
kurzzeitig vor und nach dem Fluidaustritt ausströmt, somit
ein Fluidaustritt ohne Zerstäubung vermieden wird.In the case of the use of a single channel can be achieved by selecting the feed point for the control pressure p c and by exploiting terms a time-staggered, in particular temporally overlapping Steurung, as in 6 , B outlined. When using a micro-electro-pneumatic circuit according to 3 , B, Betriebswese 1 , causes the configuration that the atomizing air always flows out briefly before and after the fluid outlet, thus avoiding fluid leakage without atomization.
Ein
Fluidejektor kann weiterhin mehr als einen Fluidaustritt haben (6,
C und D). Dies bedeuted, dass je digital addressierbarem Kanal mehr als
eine Düse (Fluidauslass 6) vorhanden ist, wodurch
eine gleichmäßigere Fluidverteilung oder Schichtdicke
auf einer Oberfläche erzielt oder eine weitere Funktion
ausgeführt werden kann. Es können beispielsweise
mehrere Fluidauslässe 6 nebeneinander oder hintereinander,
in schräg versetzten Reihen, in einem Array, in beliebiger,
regelmäßiger Weise angeordnet sein. Vorteilhaft
sind Anordnungen, in denen mindestens zwei Reihen von Fluidauslässen 6 zueinander
versetzt angebracht sind. Dabei sind jeweils, wie in 6,
D skizziert, eine Anzahl von i, i > 1
Fluidauslässen 6 einem digital addressierbaren
Kanal n zugeordnet.A fluid ejector may also have more than one fluid exit ( 6 , C and D). This means that each digitally addressable channel has more than one nozzle (fluid outlet 6 ), whereby a more uniform fluid distribution or layer thickness can be achieved on a surface or a further function can be carried out. For example, there may be multiple fluid outlets 6 be arranged side by side or in succession, in obliquely offset rows, in an array, in any, regular manner. Arrangements are advantageous in which at least two rows of fluid outlets 6 mounted offset to each other. In each case, as in 6 , D outlines a number of i, i> 1 fluid outlets 6 assigned to a digitally addressable channel n.
7,
A zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Dosierkopfes, bei dem das Mikroventil 18 als normally-open
Mikroventil 18 konfiguriert ist und mit dem höheren
der beiden Druckniveaus p1 oder p2 verbunden ist, und bei dem der
Fluid-Ejektor ein pneumatsch aktuiertes Membranventil ist. Kombiniert
wude hierbei ein mikro- elektropneumatischer Schaltkreis 2 nach 3,
B in der Betriebsweise 1 mit einem Fluidejektor 4 nach 4, A.
In einer vorteilhaften Dimensionierung wird das Druckniveau p1 beispielsweise auf 2 bis 5 bar eingestellt,
das Druckniveau p2 am Ausgang der pneumatischen
Drossel 23 auf Umgebungsdruck gelegt und das Druckniveau
des Fluids wird beispilesweise auf 0,8 × p1 gehalten.
Mit der Wahl dieser Konfiguration und Druckeinstellungen ist gewährleistet,
dass der Fluiddruck stets niedriger ist als p1,
wodurch selbst im Fall einer Membran-Leckage kein Fluid in den elektrisch
sensiblen Bereich der pneumatischen Ventilkammer eindringen kann. 7 A shows a preferred embodiment of a dosing head according to the invention, in which the microvalve 18 as a normally-open microvalve 18 is configured and connected to the higher of the two pressure levels p1 or p2, and wherein the fluid ejector is a pneumatically actuated diaphragm valve. In this case, a microelectro-pneumatic circuit would be combined 2 to 3 , B in operation 1 with a fluid ejector 4 to 4 , A. In an advantageous dimensioning the pressure level p 1 is set, for example, to 2 to 5 bar, the pressure level p 2 at the output of the pneumatic throttle 23 For example, the pressure level of the fluid is maintained at 0.8 × p 1 . By choosing this configuration and pressure settings, it is ensured that the fluid pressure is always lower than p 1 , whereby even in the case of a membrane leakage no fluid can penetrate into the electrically sensitive area of the pneumatic valve chamber.
In
diesem Ausführungsbeispiel ermöglichen die erfindungsgemäßen
Vorrichtungen und Verfahren durch Verwendung des erfindungsgemäßen
mikro-elektropnumatischen Schaltkreises 2 die Verstärkung
des Ventilhubes eines Piezoventils von rund 0,05 mm auf einen Membranhub
im Fluid-Ejektor 4 von 0,2 mm bis 0,5 mm, hier am Beispiel
der Verwendung einer Elastomermembrane 8 der Stärke
0,05 mm. Durch die Verwendung der Elastomemembrane sind auch stark
Partikel-führende Fluide verarbeitbar mit Partikelgrößen
im Bereich von Zehntel Millimetern. Zum einen erlaubt die Auslenkung
der Elastomermebrane von mehreren Zehntel Millimetern den Durchlass
der Partikel im geöffneten Zustand, zum anderen ermöglicht
die hohe Nachgiebigkeit der Membrane im geschlossenen Zustand des
Ventils auch eine wirkungsvolle Abdichtung, indem Partikel von der
elastischen Membrane eingeschlossen werden. Durch die hohe Elastizität
einer Elastomermembran resultieren beim Kontakt der Membrane mit
abrasiven Partikeln nur geringe innere Spannungen, die diese schädigen
können, die Membrane „weicht aus”, sodass
Elastomermembranen insbesondere im Kontakt mit abrasiven Partikeln
anderen Membranen vorzuziehen ist.In this embodiment, the devices and methods according to the invention by using the micro-electropnumatic circuit according to the invention enable 2 the amplification of the valve stroke of a piezo valve from about 0.05 mm to a diaphragm stroke in the fluid ejector 4 from 0.2 mm to 0.5 mm, here using the example of an elastomeric membrane 8th the thickness 0.05 mm. The use of the elastomer membrane also makes it possible to process particle-conducting fluids with particle sizes in the region of tenths of a millimeter. On the one hand, the deflection of the elastomeric membranes of several tenths of a millimeter allows the passage of the particles in the open state, on the other hand allows the high compliance of the membrane in the closed state of the valve also an effective seal by particles from the elastic membrane are included. Due to the high elasticity of an elastomeric membrane, when the membrane comes into contact with abrasive particles, only slight internal stresses that can damage them result in the membrane "dodging", so that elastomeric membranes are preferable to other membranes, especially in contact with abrasive particles.
Mit
der beschriebenen Konfiguration beträgt die Zeit zum Öffnen
des Ventils zwischen 0,05 ms und 0,2 ms und die 0,2 ms und die Zeit
zum Schließen des Fluidventils < 0,05 ms. Diese kleinen Zeiten werden
nur durch die miniaturisierte Ausführung des mikro-elektropneumatischen
Schaltkreises erreicht und gewährleisten einen sauberen
Fluidausstoß auch von höhenviskosen und/oder Partikel-gefüllten Fluiden
mit einer Frequenz im kHz-Bereich.With
the configuration described is the time to open
of the valve between 0.05 ms and 0.2 ms and the 0.2 ms and the time
for closing the fluid valve <0.05 ms. These little times will be
only by the miniaturized version of the micro-electropneumatic
Circuit achieved and ensure a clean
Fluid discharge also of high-viscosity and / or particle-filled fluids
with a frequency in the kHz range.
7,
B zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Dosierkopfes, welcher speziell für die Freistrahl-Dosierung
von Fluiden geeignet ist. Der Dosierkopf enthält ein Mikroventil 18,
konfiguriert als normally-closed Mikroventil 18, welches
mit dem höheren der beiden Druckniveaus p1 oder p2 verbunden
ist. Der Ejektor 4 ist ein Membran-Fluid-Verdränger.
Kombiniert wurde hierbei ein mikro-elektropneumatischer Schaltkreis 2 nach 3,
A in der Betriebsweise 1 mit einem Fluidejektor nach 5,
C, welcher mit einer steiferen Membrane 8, etwa aus PEEK
in der Stärke 0,1 mm, ausgestattet ist. Der Dosierkopf 1 läßt
sich mit derselben Dimensionierung der Elemente des mikro-elektropneumatischen Schaltkreises
wie in 7, A betreiben. Da der pneumatische Widerstand
der pneumatischen Drossel 23 hoch ist im Vergleich zu dem
des geöffneten Mikroventils 18, ist die Zeitkontante
für den Druckabbau des Steuerdruckes nach dem Fluidausstoss
ebenfalls hoch, was bedeuted, dass der Steurdruck stets langsam
abfällt. Dieses Verhalten ist erwünscht für die
Fluid-Ansaugphase. Andererseits ist der Strömungswiderstand
des geöffneten Mikroventils 18 und ebenfalls das
Volumen des pneumatischen Knotens 5 an der Stelle des Steuerdrucks
klein, sodass ein schlagartiger Druckanstieg nach dem elektrischen Betätigen
des Mikroventils 18 auch einen wirkungsvollen Fluidausstoß ermöglicht. 7 B shows an embodiment of a dosing head according to the invention, which is especially suitable for free-jet dosing of fluids. The dosing head contains a microvalve 18 , configured as normally-closed microvalve 18 , which is connected to the higher of the two pressure levels p1 or p2. The ejector 4 is a membrane fluid displacer. A microelectropneumatic circuit was combined 2 to 3 , A in operation 1 with a fluid ejector 5 , C, which with a stiffer membrane 8th , made of PEEK 0.1 mm thick. The dosing head 1 can be with the same dimensions of the elements of the micro-electro-pneumatic circuit as in 7 , A operate. Because the pneumatic resistance of the pneumatic throttle 23 is high compared to the open microvalve 18 , the Zeitkontante for the pressure reduction of the control pressure after the fluid ejection is also high, which means that the Steurdruck always drops slowly. This behavior is desirable for the fluid aspiration phase. On the other hand, the flow resistance of the opened microvalve 18 and also the volume of the pneumatic knot 5 at the point of control pressure small, so that a sudden increase in pressure after the electrical actuation of the microvalve 18 also enables effective fluid ejection.
Der
Nachteil dieser Konfiguration ist jedoch, dass mit größer
werdendem Durchmesser der Fluidauslässe und damit sinkender
Kapillarkraft in den Auslaskanälen immer höhere
Befüllzeiten und somit geringere Arbeitsfrequenzen in Kauf
genommen werden müssen, um in der Befüllphase
einen Lufteintritt zu verhindern.Of the
Disadvantage of this configuration, however, is that with larger
expect the diameter of the fluid outlets and thus sinking
Capillary force in the discharge channels ever higher
Filling times and thus lower operating frequencies in purchase
have to be taken to in the filling phase
to prevent air from entering.
In 7,
C ist ein prinzipiell baugleiches Ausführungsbeispiel wie
in 7, A skizziert, welches sich jedoch in der Betriebsweise
unterscheidet, indem es die Funktionprinzipien eines Fluid-Ejektors nach
dem Ventilprinzip und eines Fluid-Ejektors nach dem Verdrängungsprinzip
in vorteilhafter Weise kombiniert. Anders als in 7,
A ist p2 < pu und pFI~pu, das Fluid wird also nicht unter Druck
zugeführt. Durch das invertierende Verhalten des mikro-elektropneumatischen
Schaltkreises wird im nicht-aktuierten Zustand das Betätigungselement 5 Membrane 8 auf
das Ventilloch des Fluid-Ejektors gepresst, sodass das Fluidventil
dauerhaft geschlossen ist und kein Fluid austreten kann. Die Konfiguration
nach 7, C ist insbesondere für ein genaues
Dosieren höherviskoser Fluide geeignet. Ein Dosierzyklus
beginnt in einem ersten Schritt bei t0 mit
der elektrischen Ansteuerung des Pneumatik-Mikroventils 18 für
eine definierte Zeit Δt. Innerhalb dieser Zeit schließt
das Pneumatik-Mikroventil 18 des mikro-elektropneumatischen
Schaltkreises, sodass sich der Druck pc vom anfänglichen
Wert p1 entsprechend der durch VK und RKapillare gebildeten
Zeitkonstante abbaut. Mit pc < pu beginnt
die Membrane 8 sich vom Ventilsitz abzuheben und saugt
dabei in Abhängigkeit der Auslenkung ein Fluidvolumen an.
In diesem Zustand ist das Fluidventil geöffnet und ein
für die Ansaugung von Fluid erforderlicher Unterdruck in
der Ejektorkammer 17 kann sich in Höhe des Kapillardruckes
in der Fluid-Austrittsöffnung ausbilden. Je nach der Ansteuer-Zeitdauer,
der Nachgiebigkeit der Membrane 8 und der Höhe
des Unterdrucks p2 < pu hebt die
Membrane 8 vom Ventilsitz ab und saugt ein dadurch bestimmtes
Flüssigkeitsvolumen an. Wird die Dosierung eines stets
konstanten Fluidvolumens pro Schuß angestrebt, so ist es
vorteilhaft, wenn das Ansaugvolumen stets einen konstant reproduzierbaren Wert
besitzt. Dies kann erfindungsgemäß durch einen
auf der Pneumatik-Seite der Membrane 8 befindlichen formschlüssigen
Anschlag erreicht werden, an den sich die Membrane 8 am
Ende einer jeden Ansaugphase anlegt.In 7 , C is a basically identical embodiment as in 7 A outlines, however, which differs in the mode of operation by combining the functional principles of a fluid ejector according to the valve principle and a fluid ejector according to the displacement principle in an advantageous manner. Unlike in 7 , A is p 2 <p u and p FI ~ p u , so the fluid is not supplied under pressure. Due to the inverting behavior of the micro-electro-pneumatic circuit, the actuator is in the non-actuated state 5 membrane 8th pressed on the valve hole of the fluid ejector, so that the fluid valve is permanently closed and no fluid can escape. The configuration after 7 , C is particularly suitable for accurate metering of higher viscosity fluids. A dosing cycle begins in a first step at t 0 with the electrical control of the pneumatic microvalve 18 for a defined time Δt. Within this time closes the pneumatic microvalve 18 of the micro-electro-pneumatic circuit, so that the pressure p c from the initial value p 1 degrades according to the time constant formed by V K and R capillary . With p c <p u the membrane begins 8th stand out from the valve seat and sucks in response to the deflection of a fluid volume. In this state, the fluid valve is open and a negative pressure required in the ejector chamber for the suction of fluid 17 can form in the amount of capillary pressure in the fluid outlet opening. Depending on the driving time duration, the compliance of the membrane 8th and the level of the negative pressure p 2 <p u raises the membrane 8th from the valve seat and sucks in a certain volume of liquid. If the dosage of an always constant volume of fluid per shot is desired, then it is advantageous if the suction volume always has a constant reproducible value. This can according to the invention by a on the pneumatic side of the membrane 8th located positive stop to be reached, to which the membrane 8th at the end of each intake phase.
Im
zweiten Schritt des Dosierzyklus bei t > t0 + Δt
gehrt das Pneumatik-Mikroventil 18 wieder in seinen Normal-offenen
Zustand über. Aufgrund des im Vergleich zur Kapillare kleinen
Strömungsiderstandes des geöffneten Mikroventils 18 findet
ein Anstieg des Steuerdrucks pc innerhlab von Mikrosekunden auf
einen Wert pc ~ p1 > pu statt.
Entsprechend dem Verdrängungsprinzip wird schlagartig das
angesaugte Fluid verdrängt, welches teils durch die Austrittsöffnung 6 und
teils durch die Ansaugöffnung 7, in stets konstantem
Verhältnis, tritt. Die Membrane 8 erreicht schnell
den Ventilsitz und verschließt die Fluid-Austrittsöffnung
abrupt, sodass aufgrund der Fluid-Trägheit ein schneller
Tropfenabriss erfolgt.In the second step of the dosing cycle at t> t 0 + Δt, the pneumatic microvalve is included 18 back to its normal-open state over. Due to the small flow resistance of the opened microvalve compared to the capillary 18 For example, there is an increase in the control pressure pc within a microsecond to a value p c ~ p 1 > p u . According to the displacement principle, the sucked fluid is suddenly displaced, which partly through the outlet opening 6 and partly through the intake 7 , always in constant proportion. The membrane 8th quickly reaches the valve seat and closes the fluid outlet opening abruptly, so that due to the fluid inertia, a quick drop break occurs.
8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für ein Dosierkopf-Design
mit mehreren strukturierten Platten in Schnitt-Darstellung quer
durch einen Dosierkopf-Kanal. Zugrunde liegt eine Konfiguration
entsprechend 3, B und 4, A. Mehrere
zehn oder hundert gleichartige Kanäle sind in einer Reihe senkrecht
zur Skizzenebene angeordnet. 8th shows an embodiment of a dosing head design with multiple structured plates in cross-sectional view across a Dosierkopf channel. Underlying is a configuration accordingly 3 , Federation 4 , A. Several tens or hundreds of similar channels are arranged in a row perpendicular to the sketch plane.
Erfindungsgemäß können
die strukturierten Platten aus Metallen, organischen oder anorganischen
Materialien separat hergestellt werden. Dabei ist es von Vorteil,
den konstruktiven Aufbau so zu gestalten, dass funktionell gleichartige
Elemente mehrerer oder aller Kanäle jeweils Teil einer
gemeinsamen Struktur sind. So befinden sich beispielsweise die Ventilsitze
und Ventilöffnungen der Pneumatik-Mikroventile 18 mehrerer
oder aller Kanäle des Dosierkopfes 1 in einer
strukturierten Platte PP2, siehe 8, und/oder
die Kapillaren bzw. Drosselelemente 23 des mikro-elektromechanischen
Schaltkreises mehrerer oder aller Kanäle des Dosierkopfes 1 in
einer strukturierten Platte PP3, und/oder Teile der monomorph-Piezoaktoren 21 der
Mikroventile 18 mehrerer oder aller Kanäle des
Dosierkopfes 1 in einer strukturierten Platte, und/oder
Ventilsitze und/oder gleichartige Teile der Fuidzuführung
mehrerer oder aller Kanäle des Dosierkopfes 1 in
einer gemeinsamen strukturierten Platte PF1 und/oder die Fluidaustrittöffnungen
und/oder Fluidauslässe 6 mehrerer oder aller Kanäle
des Dosierkopfes 1 in einer strukturierten Platte PF2.
Auch können Membranen 8 mehrerer oder aller Kanäle
Teil eines zusammenhängenden Membranteils 8 sein.According to the invention, the structured plates of metals, organic or inorganic materials can be produced separately. It is advantageous to design the structural design so that functionally similar elements of several or all channels are each part of a common structure. For example, the valve seats and valve openings of the pneumatic microvalves are located 18 several or all channels of the dosing head 1 in a structured plate PP2, see 8th , and / or the capillaries or throttle elements 23 the micro-electro-mechanical circuit of several or all channels of the dosing 1 in a structured plate PP3, and / or parts of the monomorph piezoactuators 21 the microvalves 18 several or all channels of the dosing head 1 in a structured plate, and / or valve seats and / or similar parts of the Fuidzuführung several or all channels of the dosing 1 in a common structured plate PF1 and / or the fluid outlet openings and / or fluid outlets 6 several or all channels of the dosing head 1 in a structured plate PF2. Also, membranes can 8th several or all channels part of a contiguous membrane part 8th be.
Da
an die Dimensionsgenauigkeit der Elemente des mikrpneumatischen
Schaltkreises, beispielsweise der Kapillaren oder Ventilbohrungen
des Mikroventils, aber auch an die Strukturen der Fluidejektoren
wie beispielsweise Fluidauslassdüsen, Ventilsitze oder ventilöffnungen
hohe Anforderungen gestellt werden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass
mindestens eine struktuierte Platte mikrostrukturiert ist. Dabei
werden unter Mikrostrukturierungsverfahren Herstellungsverfahren
verstanden, welche der Mikrostrukturtechnik, bzw. Mikrosystemtechnik (MEMS)
entstammen. Beispielsweise können pneumatische Kapillaren,
Fluidkanäle, Fluidöffnugen und Ventilsitze in
der Oberfläche einer einer einseitig oder doppelseitig
mikrostrukturierten Platte mit einer Kombination aus einem lithgraphischen
Verfahren und Ätztechnik hergestellt werden (subtraktives
Verfahren) oder im Auftrageerfahren durch Hinzufügung von
Schichten, wekche ebenfalls Ithographisch strukturiert werden (additives
Verfahren). Weiterhin fallen unter den Mikrostrukturiertungs-Techniken
auch die Verfahren des Mikro-Spritzgusses oder andere Vervielfältigungsverfahren.There
to the dimensional accuracy of the elements of the micro-pneumatic
Circuit, for example, the capillaries or valve holes
of the microvalve, but also to the structures of the fluid ejectors
such as fluid outlet nozzles, valve seats or valve openings
high demands are made, the invention proposes that
at least one structured plate is microstructured. there
be under microstructuring process manufacturing process
understood which of the microstructure technology or microsystem technology (MEMS)
come. For example, pneumatic capillaries,
Fluid channels, fluid openings and valve seats in
the surface of a one-sided or double-sided
microstructured plate with a combination of a lithographic
Process and etching technique are produced (subtractive
Method) or on order by adding
Layers, which are likewise structured Ithographically (additives
Method). Furthermore fall under the microstructuring techniques
also the methods of micro-injection molding or other duplication methods.
Erfindungsgemäß werden
die strukturierten oder mikrostrukturierten Platten mit Hilfe von
Fügetechniken wie beispielsweise Kleben, Schweißen, Heißsiegeln
oder Laminieren miteinander verbunden.According to the invention
the structured or microstructured plates with the help of
Joining techniques such as gluing, welding, heat sealing
or lamination connected together.
Als
besonders kostengünstige Fertigungstechnologie wird vorgeschlagen,
den Dosierkopf oder Teile davon in Multilayertechnik herzustellen.
Dies ist eine Technik, wie sie ursprünglich zur Fertigung
von Multilager-Schaltunsträgeern verwendet wird. Einige der
in der Elektronik verwendeten Schichten, wie beispielsweise Bondplys,
werden hierbei beispielsweise durch ätztchnisch hergestellte
dünne Metallbleche (0,05 mm ... 0.5 mm Dike) ersetzt, welche
den oben beschriebenen strukturierten oder mikrostrukturierten Platten
entsprechen. Das Fügen der Platten erfolgt somit wie in
der Leiterplattenherstellung durch Laminierprozesse unter Verwendung
von zuvor zurechtgeschnittenen Klebstoff-Folien (Sheet-Adhesive),
beispielsweise auf der Basis von vovernetzten Epoxiden oder Acrylaten.When
particularly low-cost production technology is proposed
make the dosing head or parts thereof in multilayer technology.
This is a technique originally used to manufacture
used by multilayer Schaltunsträgeern. Some of the
layers used in electronics, such as bondplys,
are in this case, for example, by etching technology produced
thin metal sheets (0.05 mm ... 0.5 mm Dike) replaced which
the structured or microstructured plates described above
correspond. The joining of the plates thus takes place as in
PCB manufacturing by lamination processes using
previously cut adhesive sheets (sheet-adhesives),
for example, based on cross-linked epoxides or acrylates.
Es
ist für Betrieb, Reinigung und Service vorteilhaft, wenn
bestimmte Gruppen von strukturierten Platten miteinander durch Fügetechniken
zu jeweils zusammenhängenden Teilen zusammengefasst werden.
Erfindungsgemäß werden beispielsweise die strukturierten
Platten, welche Elemente der mikro-elektropneumatischen Schaltkreise
mehrerer oder aller Kanäle enthalten, zu einer Baueinheit
zusammengefasst. Diese soll als Pneumatikteil 24 bezeichnet
werden. Am Ausführungsbeispiel in 8 besteht
das Pneumatikteil somit aus den Platten PP1, PP2, PP3 und PP4. Das
Pneumatikteil 24 enthält in vorteilhafter Weise
Komponenten und Strukturen, welche nur geringem oder gar keinem
Verschleiß unterworfen sind und/oder deren Herstellung
kostenintensiv ist.It is advantageous for operation, cleaning and service when certain groups of structured plates are combined with each other by joining techniques to each related parts the. According to the invention, for example, the structured plates, which contain elements of the microelectropneumatic circuits of several or all channels, are combined to form a structural unit. This is intended as a pneumatic part 24 be designated. In the embodiment in 8th Thus, the pneumatic part consists of the plates PP1, PP2, PP3 and PP4. The pneumatic part 24 contains advantageously components and structures that are subject to little or no wear and / or their production is costly.
Erfindungsgemäß ist
es vorteilhaft, dass fluidführende Teile des Dosierkopfes
zu einem Fluidteil 25 zusammengefasst sind, das aus strukturierten Platten
aufgebaut ist, in 8 die Platten PF1 und PF2 und
optional die Membrane 8. Die Platten, Komponenten und Strukturen
des Fluidteils sind dem Verschleiß und der Verschmutzung
durch das Fluid ausgesetzt. Daher ist es sinnvoll, das Fluidteil 25 kostengünstig
zu fertigen und austauschbar zu konfigurieren. Erfindungsgemäß ist
es daher vorteilhaft, dass fluidführende Teile des Dosierkopfes
zu einem Fluidteil 25 zusammengefasst sind, welches unter
Verwendung einer lösbaren Verbindung austauschbar ist.
Durch die verwendeten Materialien und die konstruktive Auslegung
des Fluidteils kann in weiten Grenzen auf die Anforderungen eines
Fluids oder einer Druck- oder Dosieraufgabe Einfluß genommen werden.
Für das Drucken hochviskoser, chemisch aggressiver Fluide
können beispielsweise Flourpolymer-Materialien eingesetzt
werden und die Fluidauslassdurchmesser an die geforderten Tröpfchengrößen
angepasst werden. Sollen abrasive Fluide wie beispielsweise Farben
mit Pigmenten und Füllstoffen dosiert werden, so wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
den Fluidteil 25 als Wegwerfteil zu konzeptinieren, beispielsweise
die Komponenten des Fludteils im Kunststof-Spritzguß zu
fertigen und diese durch Klebetechniken oder Laminiertechniken zu verbinden
oder durch thermische Fügeverfahren, insbesondere Ultraschallschweißen,
Laserschweißen, Wärmepulsschweißen, Heißsiegeln
zu verschweißen.According to the invention it is advantageous that fluid-carrying parts of the dosing head to a fluid part 25 are summarized, which is composed of structured plates, in 8th the plates PF1 and PF2 and optionally the membrane 8th , The plates, components and structures of the fluid part are subject to wear and contamination by the fluid. Therefore, it makes sense the fluid part 25 inexpensive to manufacture and to configure interchangeable. According to the invention it is therefore advantageous that fluid-carrying parts of the dosing head to a fluid part 25 which is interchangeable using a releasable connection. By the materials used and the structural design of the fluid part can be influenced within wide limits to the requirements of a fluid or a pressure or Dosieraufgabe. For example, fluoropolymer materials can be used for printing highly viscous, chemically aggressive fluids and the fluid outlet diameters can be adapted to the required droplet sizes. If abrasive fluids, such as, for example, paints with pigments and fillers, are metered in, the fluid part is proposed according to the invention 25 conceptualize as a disposable part, for example, to manufacture the components of the Fludteils in plastic injection molding and to connect them by gluing techniques or laminating techniques or by thermal joining methods, in particular ultrasonic welding, laser welding, heat pulse welding, heat sealing to weld.
In 8.
A ist ein Pneumatikteil 24 skizziert, in dessen Deckel
PP1 ein elektronischer Schaltungsträger mit der Ansteuer-Elektronik 26 für
die Ansteuerung der Piezo-Aktoren der Mikroventile für
mehrere oder alle Kanäle integriert ist. Die Kontaktierung
der piezoelektrischen Elemente erfolgt dabei durch Federkontakte 27 vom
Schaltungsträger direkt auf die Piezoelemente 19.In 8th , A is a pneumatic part 24 outlined in its lid PP1 an electronic circuit board with the control electronics 26 is integrated for controlling the piezo actuators of the microvalves for several or all channels. The contacting of the piezoelectric elements is effected by spring contacts 27 from the circuit carrier directly to the piezo elements 19 ,
In 8,
B1 ist als Ausführungsbeispiel für ein Fluidteil 25 ein
aus den Platten PF1 und PF2 aufgebautes zweiteilig zusammengesetztes
Fluidteil 25 mit einem Ejektor 4 je Kanal, der
nach dem Ventilprinzip arbeitet in der Konfiguration mit mehreren
Fluidauslässen 6 pro Ejektor 4 dargestellt.
Die erste Fluidplatte enthält dabei je Kanal einen Teil
der Strukturen für die Fluidzuführung 7,
sowie die Teile Ringspalt, Ventilsitz 10 und Ventilöffnung 9 des
jeweiligen Fluidventils. Die zweite Fluidplatte enthält
je Kanal den komplementären Teil der Strukturen für
die Fluidzuführung, sowie an der Unterseite angeordnete
Fluidauslässe 6, an denen Fluid austritt. Mit
der skizzierten Konfiguration von mehr als einem Fluidauslass 6 je
Ejektor 4 kann bei größerem Kanalabstand,
also geringerer Druckauflösung, innerhalb eines addressierbaren
Druckpixels eine gleichmäßigere Schichtdickenverteilung
erreicht werden. Das Fluidteil 25 nach 8,
B1 wird mit einer separaten, alle Kanäle überspannenden
Membranschicht 8 und dem Pneumatikteil 24 mittels
Passstiften (nicht dargestellt) justiert und zwischen Backen einer
Klemmvorrichtung verpresst.In 8th B1 is an exemplary embodiment of a fluid part 25 a composed of the plates PF1 and PF2 two-piece composite fluid part 25 with an ejector 4 each channel operating on the valve principle in the configuration with multiple fluid outlets 6 per ejector 4 shown. The first fluid plate contains per channel part of the structures for the fluid supply 7 , as well as the parts annular gap, valve seat 10 and valve opening 9 of the respective fluid valve. The second fluid plate contains per channel the complementary part of the structures for the fluid supply, as well as arranged on the bottom fluid outlets 6 , where fluid escapes. With the outlined configuration of more than one fluid outlet 6 per ejector 4 With a larger channel spacing, that is, a lower print resolution, a more uniform layer thickness distribution can be achieved within an addressable print pixel. The fluid part 25 to 8th B1 is provided with a separate membrane layer spanning all channels 8th and the pneumatic part 24 adjusted by means of dowel pins (not shown) and pressed between jaws of a clamping device.
In 8,
B2 ist ein Fluidteil 25 in Side-Shooter Konfiguration dargestellt.
Hier ist die Membranschicht fest mit dem Fluidteil 25 verschweißt,
sodass Fluid-Undichtigkeiten und eine Verschmutzung beim Wechsel
des Fluidteils ausgeschlossen sind. Alternativ kann die Membrane 8 oder
eine weitere Membrane 8 auch mit dem Luftteil fest verbunden
sein, um etwa das Eindringen von Schmutz oder Flüssigkeit
in den Pneumatikteil 24 zu verhindern.In 8th B2 is a fluid part 25 Shown in side shooter configuration. Here the membrane layer is fixed to the fluid part 25 welded, so that fluid leaks and contamination when changing the fluid part are excluded. Alternatively, the membrane 8th or another membrane 8th Also be firmly connected to the air part, such as the ingress of dirt or liquid in the pneumatic part 24 to prevent.
Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, dass das Fluidteil 25 mittels einer Andrückvorrichtung
gegen eine strukturierte Platte des Pneumatikteils 24, welche
die n Steuerdruck-Öffnungen des Pneumatikteils 24 enthält,
so gepresst wird, dass die n Steuerdruck-Öffnungen des
Pneumatikteils pneumatisch mit den Aktuator-Membranen 8 der
jeweils korrespondierenden Ejektoren verbunden sind. Pneumatikteil 24,
Fluidteil 25 und Membrane 8 können durch eine
Andrückvorrichtung in Form einer Schraub-, Press-, Verspann-
oder Einklemmvorrichtungen miteinander verpresst werden. Die gemeinsame
Membrane 8 dient unter Ausnutzung ihrer elastischen Eigenschaft
gleichzeitig als Dichtung zwischen Pneumatikteil 24 und
Fluidteil 25, insbesondere als Flächendichtung.According to the invention, it is proposed that the fluid part 25 by means of a pressing device against a structured plate of the pneumatic part 24 , which are the n control pressure openings of the pneumatic part 24 contains, is pressed so that the n control pressure openings of the pneumatic part pneumatically with the actuator diaphragms 8th each of the corresponding ejectors are connected. pneumatic part 24 , Fluid part 25 and membrane 8th can be pressed together by a pressing device in the form of a screw, pressing, bracing or Einklemmvorrichtungen. The common membrane 8th Utilizing its elastic property serves as a seal between the pneumatic part 24 and fluid part 25 , in particular as a surface seal.
Erfindungsgemäß kann
eine Membranschicht mit dem Fluidteil verbunden sein, beispielsweise
durch Verschweißen der Membrane 8 mit dem Fluidteil 25,
siehe 8, C (Beispiel eines Side-Shooters), die die Membranen
mehrerer Kanäle enthält. Damit weist der Dosierkopf
einen nur zweiteiligen Aufbau auf, welcher gegenüber einem
3-teiligen Aufbau den Vorteil einer schnelleren Handhabung beim
Wechsel und einer immanenten Dichtigkeit zwischen Fluidteil 25 und
Membrane 8 bietet. Ebenso kann aber die Membranschicht 8 oder
eine zweite Membranschicht auch mit dem Pneumatikteil fest verbunden
sein.According to the invention, a membrane layer can be connected to the fluid part, for example by welding the membrane 8th with the fluid part 25 , please refer 8th , C (Example of a side shooter) containing the membranes of multiple channels. Thus, the dosing on a two-part construction, which compared to a 3-part structure has the advantage of faster handling when changing and an inherent tightness between the fluid part 25 and membrane 8th offers. Likewise, however, the membrane layer 8th or a second membrane layer also be firmly connected to the pneumatic part.
Erfindungsgemäß kann
beispielsweise der Pneumatikteil 24 in einen Druck- oder
Dosierapparat mittels einer Schraubverbindung eingesetzt sein. Der Druck-
oder Dosierapperat verfügt dann weiterhin über
eine Klemm- oder Schnellspannvorrichtung, in die sich Membrane 8 und
Fluidteil 25 einlegen und positionsgenau gegen die Unterseite
des Pneumatikteils 24 pressen lassen.According to the invention, for example, the pneumatic part 24 be used in a pressure or dosing by means of a screw. The pressure or Dosierapperat then still has a clamping or quick release device, in the diaphragm 8th and fluid part 25 Insert and position precisely against the underside of the pneumatic part 24 let squeeze.
Ein
solch modularer Aufbau bietet maximale Flexibilität beim
Wechsel auf unterschiedliche Fluide, beim Austausch einer anders
konfigurierten, defekten oder verschlissenen Membran oder eines
anders konfigurierten, verschmutzten oder kontaminierten Fluidteils 25.
- (1) Wie in 9 skizziert,
wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Verhinderung
des Eintrocknens von Fluid in den Fluidauslässen 6 eines
erfindungsgemäßen Freistrahl-Dosiererokpfes oder Druckkopfes
vorgeschlgen, wobei mit dem Fluidteil 25 eine Vorrichtung
mit einem Schieber 32 verbunden ist, welcher eine elastische
Dichtung enthält welche in einer ersten Schieberstellung ein
oder mehrere Fluidauslässe 6 gegenüber
der Umgebungsluft abdichtet. Ein Eintrocknen ist insbesondere bei
Verwendung von Fluiden eklatant, welche bei einer Trocknung eine
chemische Abbindungsreaktion durchlaufen, deren Endprodukt nicht
mehr durch das flüssige Fluid selbst lösbar ist.
Häufigste Beispiele hierfür sind wasserbasierte
(Dispersions-)Farben und Lacke. Die Vorrichtung enthält
eine Führung 33, welche beispielsweise mit der
Fluidplatte PF2 verbunden ist. In die Führung eingelassen
ist eine verschiebliche Vorrichtung 32, die in einer bevorzugten
Variante eine elastische Dichtung 28 enthält und
mittels eines hier nicht dargestellten, geeigneten Mechanismus bewegt
wird zwischen einer ersten Stellung, in der die Fluidauslässe
geschlossen sind und einer zweiten, geöffneten Stellung.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, den Schieber ausschließlich
während des aktiven Druckens in die geöffnete
Stellung, siehe 9, C zu bringen. Die elastische
Dichtung hat im einfachsten Fall eine plane Dichtfläche
(hier nicht dargestellt) und verschließt in geschlossener
Schieber-Stellung die Fluidauslässe 6 des Dosierkopfes
luftdicht.
Such a modular design provides maximum flexibility in changing to different fluids, replacing a differently configured, defective or worn diaphragm, or a differently configured, contaminated or contaminated fluid portion 25 , - (1) As in 9 sketched, according to the invention is a device for preventing the drying of fluid in the fluid outlets 6 proposed a free-jet Dosierokpfes or printhead according to the invention, with the fluid part 25 a device with a slider 32 is connected, which contains an elastic seal which in a first slide position one or more fluid outlets 6 seals against the ambient air. Drying is particularly blatant when using fluids which undergo a chemical bonding reaction during drying, the end product of which is no longer soluble in the liquid itself. The most common examples are water-based (dispersion) paints and varnishes. The device contains a guide 33 which is connected, for example, to the fluid plate PF2. Inserted into the guide is a sliding device 32 in a preferred variant, an elastic seal 28 contains and is moved by means of a suitable mechanism, not shown here, between a first position in which the fluid outlets are closed and a second, open position. In the context of the invention it is proposed, the slider only during the active printing in the open position, see 9 To bring C The elastic seal in the simplest case has a flat sealing surface (not shown here) and closes the fluid outlets in the closed slide position 6 the dosing head airtight.
Erfindungsgemäß wird
weiter vorgeschlagen, dass mit dem Fluidteil 25 eine verschiebliche Vorrichtung
mit darin enthaltenem Spülkanal 31 verbunden ist,
welcher ganz oder teilweise mit Spülflüssigkeit
gefüllt ist und in der geschlossenen Position der verschieblichen
Vorrichtung 32 die Fluidauslässe abdeckt. Auf
dese Weise wird ein Eintrocknen der Fluidauslässe durch
aktives Spülen mit einer Spülflüssigkeit
verhindert. Der Schieber enthält hierfür einen
Spülkanal 31 mit einem Zulauf 29 und
einem Ablauf 30, welcher in der geschlossenen Position
des Schiebers 32, der Spülposition, siehe 9,
B, die Fluidauslässe bedeckt und neben der Befeuchtung auch
bereits angetrocknete Fluidreste abzutransportieren imstande ist.According to the invention it is further proposed that with the fluid part 25 a displaceable device with flushing channel contained therein 31 is connected, which is completely or partially filled with flushing liquid and in the closed position of the displaceable device 32 covering the fluid outlets. In a way, drying of the fluid outlets is prevented by actively rinsing with a rinsing liquid. The slide contains a flushing channel for this purpose 31 with a feed 29 and a process 30 which is in the closed position of the slider 32 , the rinse position, see 9 , B, the fluid outlets covered and in addition to the moistening also already dried off fluid residues is able to transport.
Anstelle
einer Umlaufspülung wird erfindungsgemäß weiter
vorgeschlagen, dass mit dem Fluidteil 25 eine Vorrichtung
mit einem Schieber 32 verbunden ist, welche in einem Spalt
zwischen Schieber und Fluidteil eine Flüssigkeit enthält,
welche in einer ersten Schieberstellung ein oder mehrere Fluidauslässe 6 gegenüber
der Umgebungsluft abdichtet. Die Flüssigkeit kann aus einem
kleinen Flüssigkeitsspeicher durch Verwendung eines flüssigkeitsabsondernden,
-transportierenden oder porösen Dichtungsmaterials nachgeliefert
werden. Als Flüssigkeiten werden neben Wasser oder Lösungsmittel insbesondere
langsamtrocknenede Flüssigkeiten wie beispielsweise Glycole
oder mit Fluid nicht-mischbare Flüssigkeiten wie beispielsweise
Fette oder Öle vorgeschlagen.Instead of a circulation purge is inventively further proposed that with the fluid part 25 a device with a slider 32 is connected, which contains a liquid in a gap between the slide and the fluid part, which in a first slide position one or more fluid outlets 6 seals against the ambient air. The liquid may be replenished from a small liquid reservoir by use of a liquid-secreting, transporting or porous sealing material. In addition to water or solvents, particularly liquids which are slow-drying, such as, for example, glycols or liquids immiscible with fluid, such as, for example, fats or oils, are proposed as liquids.
Mit
Blick auf den mehrfarbigen Druck (beispielsweise 4-, 5-, 6-farbig),
wird erfindungsgemäß ein Aufbau vorgeschlagen,
bei welchem ein Dosierkopf 1 aneinandergereiht eine Vielzahl
von flachen Modulen 34 enthält, die aus dünnen,
senkrecht zur Aneinanderreihung ausgerichteten strukturierten Platten
gefertigt sind und die jeweils die Strukturen für die Fluidejektoren
und mikro-elekropneumatischen Schaltkreise enthalten, siehe 10,
Die mikro-strukturierten Platten sind bevorzugt mittels Ätztechnik
strukturierte dünne Metallplatten. Für die Verklebung
der Metallplatten wird die Verwendung strukturierbarer Klebefolie
(sheet adhesive) und ein Laminierprozeß vorgeschlagen.
Ein Modul 34 enthält seitlich zueinander arrangiert
die Strukturen der mikro-elektropneumatischen Schaltkreise und der
als Side-Shooter konfigurierten Fluidejektoren einer oder mehrerer
Farben. Erfindungsgemäß verlaufen die Farbzuführungen
für die einzelnen Farben und die pneumatischen Versorgungsleitungen
senkrecht zu den Platten durch die gesamte Breite des Dosierkopfes
hindurch. Um einzelne Module leicht austauschen zu können,
wird der Modul-Stack vorzugsweise zwischen zwei Randplatten 35 lösbar
zusammengepresst. Wie in 10 vorgeschlagen,
kann jedes Modul eine eigene elektronische Ansteuerung enthalten,
im Falle eines 4-farbigen Dosierkopfes bieten sich hierfür
handelsübliche 4-Kanal Mikrochips an. Die Fluidauslässe
der einzelnen Farbkanäle können parallel und mit
einigem Abstand zueinander verlaufen, sie können aber auch
intern zusammenlaufen und in eine gemeinsame Austrittöffnung
münden, sodass eine innere Mischung stattfindet. Schließlich kann, ähnlich
wie in 6, B, eine Zerstäubung austretender Farbe
vorgenommen werden. Dabei kann die Zerstäubung mittels
kontinuierlicher Zerstäubungsluft oder diskontinuierlich
mittels eines weiteren Kanals, welcher die Zerstäubungsluft
steuert erfolgen.With regard to the multicolor printing (for example, 4-, 5-, 6-color), a construction is proposed according to the invention, in which a dosing 1 strung together a variety of flat modules 34 , which are made of thin, perpendicular to the aligned structured plates and each containing the structures for the fluid ejectors and micro-electro-pneumatic circuits, see 10 The microstructured plates are preferably thin metal plates structured by means of etching technology. For the bonding of metal plates, the use of patternable adhesive sheet (sheet adhesive) and a laminating process is proposed. A module 34 contains side by side arranged the structures of the micro-electropneumatic circuits and configured as a side shooter fluid ejectors one or more colors. According to the invention, the ink feeds for the individual colors and the pneumatic supply lines extend perpendicular to the plates through the entire width of the dosing head. In order to exchange individual modules easily, the module stack is preferably between two edge plates 35 releasably compressed. As in 10 Proposed, each module may contain its own electronic control, in the case of a 4-color dosing offered for this purpose commercially available 4-channel microchip. The fluid outlets of the individual color channels can run parallel to each other and at some distance from each other, but they can also converge internally and open into a common outlet opening, so that an internal mixture takes place. Finally, similar to in 6 , B, an atomization of leaking paint are made. In this case, the atomization by means of continuous atomizing air or discontinuously by means of another channel, which controls the atomizing air done.
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- US 5356034 [0003, 0003] - US 5356034 [0003, 0003]
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- US 2009/0115816 [0003] US 2009/0115816 [0003]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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