HSG-IMIT: Tintendrucker bald mit neuer Mikrotechnik und Jumbo-Leistung

Ein Quantensprung im Tintenstrahldruck macht den Alltag künftig noch bunter und die Arbeit in vielen Unternehmen erheblich schneller. Dafür will ein internationales Entwicklerteam unter der Leitung des Olivetti-Konzerns sorgen. Zwei deutsche Forschungsinstitute liefern Know how für neue Druckköpfe mit wesentlich besserer Leistung in kleinsten Dimensionen.

Tintendrucker bald mit neuer Mikrotechnik und Jumbo-Leistung

HSG-IMIT und IMTEK entwickeln gemeinsam mit Olivetti und STEAG microParts 1-Zoll-Druckköpfe / 4,8-Millionen-Projekt mit staatlicher Förderung

Villingen-Schwenningen, Freiburg, September 2002
Ein Quantensprung im Tintenstrahldruck macht den Alltag künftig noch bunter und die Arbeit in vielen Unternehmen erheblich schneller. Dafür will ein internationales Entwicklerteam unter der Leitung des Olivetti-Konzerns sorgen. Zwei deutsche Forschungsinstitute liefern Know how für neue Druckköpfe mit wesentlich besserer Leistung in kleinsten Dimensionen.

Das Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft (HSG-IMIT) in Villingen-Schwenningen und das Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg sind neben der Firma STEAG microParts GmbH, Dortmund, die deutschen Olivetti-Partner. Sie bringen Erfahrung in der Mikrofluidik – der Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen – ins Projekt ein. Die Konzerntochter Olivetti I-Jet S.p.A. in Arnad (Provinz Aosta, Italien) koordiniert die Arbeiten.

Im Rahmen des kürzlich gestarteten Forschungsvorhabens wollen die Partner zusammen 4,8 Millionen Euro investieren. Fördermittel geben das Bundesforschungsministerium (BMBF) in Berlin und die italienische Regierung. Das Projekt trägt den Namen IDEAL 42 und läuft über drei Jahre.

Ziel ist, einen 300-dpi-Tintendrucker mit acht bis zehn Druckköpfen zu entwickeln, dessen Düsensysteme dreimal größer sind als diejenigen heutiger Produkte. Der Jumbo-Drucker wird mit Verfahren aus der Mikrosystemtechnik realisiert, soll Farbausdrucke bis zu 30 Prozent schneller erzeugen und sich selbst justieren können.

Tintenstrahldruck – im Großformat quälend langsam

Herkömmliche Büro- und Farbdrucker erreichen heute bereits akzeptable Geschwindigkeiten. Sie können in der Regel aber nur bis zu einer Papiergröße von Din A 4 oder Din A 3 eingesetzt werden. Künftig sollten auch großformatige Farbfotos und Kopien, Plakate und Werbematerial, Textilien, Zeichnungen, Planen und Infotafeln in Minutenschnelle in höchster Brillanz gedruckt werden können. So der Wunsch vieler Unternehmen und das Ziel des Forschungsprojekts IDEAL 42.

Bisher brauchen Tintendrucker quälend lange Stunden, um ein quadratmetergroßes Farbfoto auf Papier oder Folie zu bringen. Formate für professionelle gewerbliche und industrielle Anwendungen lassen sich auf diese Weise oft nicht schnell genug herstellen. Zeit- und Kostendruck und der Trend zu kurzfristigen Entscheidungen erfordern eine schnellere Technologie. Andererseits hat der Tintenstrahldruck gewichtige Vorteile. Er ermöglicht präzise Schärfe und Farbwiedergabe. Kleinste Auflagenzahlen können direkt vom Computer aus gedruckt werden.

Marktwirtschaftliche Motive für die Innovation

Aus Sicht der Hersteller hat IDEAL 42 mehrere marktwirtschaftliche Motive. Die Nachfrage nach herkömmlichen Tintenstrahldruckern erreicht bald ihren Gipfel. Dann müssen verbesserte Technologien angeboten werden, um neue bzw. hochwertigere Anwendungsgebiete und Kundenkreise zu erschließen.

Darüber hinaus gilt es, Marktlücken zu nutzen. Die Initiatoren von IDEAL 42 sehen große Chancen am sogenannten Point-of-Sale. Schnelle, hochauflösende Tintenstrahldrucker mit bester Farbqualität könnten hier eingesetzt werden, um die Werbung von Einkaufsmärkten am Ort des Geschehens in kürzerer Zeit herzustellen und zu verbreiten.

Auch ungewöhnliche Anwendungsbeispiele für neue Tintenstrahldrucker haben die Projektpartner im Sinn: zum Beispiel die Dekoration von Kuchen. Mit Lebensmittelfarben ließen sich die schönsten Bilder auf Zuckerglasuren zaubern. Frankiermaschinen mit neuer Drucktechnologie könnten Briefumschläge kreativer verzieren. Faxgeräte könnten vierfarbige Vorlagen empfangen und schneller drucken.

Aus Sicht der staatlichen Förderung geht es bei dem Projekt auch darum, Kooperationen zwischen europäischen Unternehmen und damit ihre Wettbewerbsfähigkeit zu stärken. Olivetti zielt darauf ab, seine Position als einziger europäischer Massenhersteller von Tintendruckköpfen auszubauen und in andere Gebiete der Mikrosystemtechnik zu diversifizieren. Die Nachfrage nach Mikrosystemtechnik, die in Autos ebenso eingesetzt wird wie in Büromaschinen oder in der Pharma- und Biotech-Industrie, wächst jährlich um rund 20 Prozent. Tintendruckköpfe sind nach einhelliger Ansicht vieler Marktforscher das Mikrosystem mit dem größten Wachstumspotenzial.

Mehr Tempo durch mehr Düsen

„Die Geschwindigkeit von Tintenstrahldruckern hängt stark von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Tintendüsen ab“, erläutert Dr. Peter Koltay, der das IDEAL 42-Projekt am IMTEK betreut. Um mehr Düsen unterzubringen, die mehr Tinte gleichzeitig auftragen, müssen die Druckköpfe bzw. Düsenplatten breiter werden. Olivetti hat als Zielgröße 1 Zoll (2,54 cm) vorgegeben. Die Druckköpfe der auf dem Markt erhältlichen Bürodrucker haben eine Breite von 1/6 bis 2/6 Zoll.

„Technologisch bedingt müssen für die Herstellung so großer Druckköpfe neue Prozesse und Verfahren entwickelt werden“, sagt Dr. Peter Koltay. Dies betrifft sowohl den Chip mit den Kanälen, durch die die Tinte strömt, als auch die Form der Kanäle und Düsen selbst sowie der Oberfläche an der Düsenplatte und ihre Integration in das gesamte Bauteil.

In den Labors von HSG-IMIT und IMTEK werden hierzu umfangreiche Studien durchgeführt. Die Institute unterstützen die Industriepartner mit Beratung, Messungen und Optimierungsvorschlägen. Das Ziel ist eine hochintegrierte Düsenplatte. Ein kompakter und verschleißfester Kunststoffchip soll alle Elemente vom Anschluss an den Tintentank bis zur Düse enthalten. STEAG microParts übernimmt die Herstellung der Düsenplatte.

Höchste Präzision

Eine zentrale Aufgabe der Entwickler ist es, ein Produktionsverfahren für die neue Generation der Druckkopf und Düsensysteme vorzubereiten. Maße und Oberflächen der Mikrokanäle müssen sehr genau reproduziert werden können, um eine immer gleiche Dosiergenauigkeit zu erzielen. Der 1-Zoll Druckkopf soll mit 300 Düsen ausgestattet sein, die pikoliter-große Tintentropfen erzeugen. Die Druckfrequenz soll um 20 bis 30 Prozent gegenüber herkömmlichen Druckern gesteigert werden. Auf kleinstem Raum muss also höchste Präzision herrschen, damit der Jumbo-Drucker später nicht kleckst.

Die Verbundpartner werden von den durch IDEAL 42 verbesserten Herstellungsverfahren für mikrofluidische Systeme auch längerfristig profitieren. Dr. Koltay: „Für die Massenproduktion unserer in der Biotechnologie und Pharmazie eingesetzten Entwicklungen – das parallele Dispensiersystem DWP, das Biochip-Produktionssystem TopSpot und andere Freistrahldosiersysteme – sind sehr ähnliche Fertigungstechniken erforderlich, wie sie für die integrierte Düsenplatte geplant sind.“

Selbst justierende Druckköpfe

Ein Nachteil von Tintendruckern: Beim Austausch der Farbpatronen oder auch beim Druckprozess kann sich die Position der Druckköpfe verstellen. Das Justieren – sei es manuell oder mit Hilfe von Software – kostet Zeit, Tinte und Probeausdrucke.

Im Rahmen des Forschungsprojekts IDEAL 42 wird dieses Problem ebenfalls angepackt. Ziel ist, die Druckköpfe mit Hilfe optischer Positionssensoren so „intelligent“ zu machen, dass sie sich selbst justieren können. Die acht bis zehn Druckköpfe, die der künftige Großformat-Drucker haben wird, sollen sich pixelgenau an einem Punkt ausrichten können. Eine kleine Lichtquelle bietet dem Sensor Orientierungshilfe.

Um nachhaltigen Nutzen aus dem IDEAL 42-Projekt zu ziehen, wird von den Partnern ein komplexes Simulationsprogramm erstellt. Damit lässt sich das Verhalten von Flüssigkeiten und Tropfen im Druckkopf und in den Düsen nachbilden. Verschiedene Situationen und Testbedingungen können vorab am Rechner durchgespielt werden. Das IMTEK wird das Simulationsprogramm testen, optimieren und auch in anderen Feldern einsetzen.

Zusammenfassung

Eine neue Generation von Tintendruckköpfen ist das Ziel eines europäischen Forschungsprojekts unter der Führung der italienischen Olivetti I-Jet S.p.A. Unterstützung leisten das Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn Schickard-Gesellschaft (HSG-IMIT) in Villingen-Schwenningen und das Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg. Wesentliche Entwicklungsleistungen kommen von der Firma STEAG microParts GmbH, Dortmund. Ziel des Projekts IDEAL 42 ist die Realisierung von sehr schnellen Tintenstrahldruckern, die qualitativ hochwertige Großformat-Farbausdrucke für anspruchsvolle industrielle und gewerbliche Anwendungen ermöglichen.

Die technischen Herausforderungen bestehen in der

• Größe der Düsenplatte (1 Zoll statt bisher 2/6 Zoll)
• Integration von fluidischen Kanälen in die Düsenplatte
• automatischen Justierung der Druckköpfe
• Gesamtkonzeption und Konstruktion des Serienprodukts
• Fertigung, Optimierung und Charakterisierung des Werkstücks mit neu zu entwickelnden Methoden
• Integration der Düsenplatte in den Tintenstrahldruckkopf mit neu zu entwickelnder Aufbau- und Verbindungstechnik
• Validierung einer Simulationsprogramms zur Druckkopfauslegung anhand von Messergebnissen

Kontakt
Peter Josef Jeuk, Leiter Marketing/Vertrieb HSG-IMIT
Telefon + 49 (0) 77 21 / 9 43 – 2 54
Telefax + 49 (0) 77 21 / 9 43 – 2 10
E-Mail peter.jeuk@hsg-imit.de
Internet www.hsg-imit.de, www.mikrofluidik.de

Prof. Dr.-Ing. Roland Zengerle, Leiter Lehrstuhl Anwendungsentwicklung
Dr. Peter Koltay, Projektleiter IDEAL 42
Telefon + 49 (0) 7 61 / 2 03 – 73 27
Telefax + 49 (0) 7 61 / 2 03 – 73 22
E-Mail zengerle@imtek.de, koltay@imtek.de
Internet www.imtek.de/anwendungen