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Patent Searching and Data


Title:
PRINT HEAD AND PRINTING METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/154558
Kind Code:
A1
Abstract:
Print head, comprising a capillary (4) which adjoins at least one elastic element (7) around an axis of symmetry (3) for a liquid to be printed with a nozzle opening (5) which opens into a pre-chamber (8), wherein the pre-chamber has an outlet opening (2), which is aligned with respect to the nozzle opening of the capillary in its axial orientation of the axis of symmetry (3), and at least one inlet opening (11) for a guiding gas (13), the at least one elastic element forms a guide for the capillary only in its axial orientation, and feeding means (12) for the liquid to be printed into the capillary are provided. The problem consists in proposing a print head which is particularly suitable for printing even three-dimensional structures. The problem is solved by way of a print head, wherein a mechanical vibration system is provided comprising the at least one elastic element (7) and the capillary (4) with the liquid which is contained therein, and an actuator (10) with a mechanical or magnetic interaction of force with the vibration system is provided.

Inventors:
UNGERER MARTIN (DE)
HOFMANN ANDREAS (DE)
SCHARNOWELL RUDOLF (DE)
GENGENBACH ULRICH (DE)
SIEBER INGO (DE)
WENKA ACHIM (DE)
Application Number:
EP2019/000036
Publication Date:
August 15, 2019
Filing Date:
February 08, 2019
Export Citation:
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Assignee:
KARLSRUHER INST TECHNOLOGIE (DE)
International Classes:
B41J2/02; B01L3/02; B05B1/08; B05B7/04; B05B7/24; B05B17/04; B41J2/025; B41J2/14; B41J3/407; G01N35/10
Foreign References:
JPS5734971A1982-02-25
US20150321468A12015-11-12
EP0107467A21984-05-02
DE4128590A11993-03-04
US3596275A1971-07-27
US6460980B12002-10-08
US5828388A1998-10-27
JPH01108053A1989-04-25
JPS56133173A1981-10-19
US4240081A1980-12-16
EP0417285A11991-03-20
US20130321533A12013-12-05
US20140009523A12014-01-09
US3878519A1975-04-15
JPS5625465A1981-03-11
US7270844B22007-09-18
EP1830927B12016-03-09
US9114409B22015-08-25
US7467751B22008-12-23
US7095018B22006-08-22
Other References:
DUBBEL: "Taschenbuch für den Maschinenbau", 1981, SPRINGER VERLAG, pages: 339
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Claims:
Patentansprüche

1. Druckkopf, umfassend eine an mindestens ein elastisches Element (7, 28) angrenzende Kapillare (4) um eine Sym metrieachse (3) für eine zu druckende Flüssigkeit mit einer Düsenöffnung (5), die in eine Vorkammer (8) mündet, wobei

a) die Vorkammer eine zur Düsenöffnung der Kapillare in ihrer axialen Ausrichtung der Symmetrieachse (3) fluch tende Austrittsöffnung (2) und mindestens eine Einlass öffnung (11) für ein Führungsgas (13) aufweist, 0 b) das mindestens eine elastische Element eine Führung .für die Kapillare nur in ihrer axialen Ausrichtung bildet sowie

c) Einspeisemittel (12) für die zu druckende Flüssigkeit in die Kapillare vorgesehen sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

d) ein mechanisches Schwingungssystem, umfassend das min destens eine elastische Element (7, 28) und die Kapil lare (4) mit der darin enthaltenen Flüssigkeit, vorge sehen ist sowie

e) ein Aktor (10, 19) mit einer mechanischen oder magneti schen Kraftwechselwirkung zum Schwingungssystem vorge sehen ist.

2. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elastische Element (7, 28) durch mindestens eine Koppelgetriebeanordnung mit Festkörper oder konventionellen Gelenken gebildet wird.

3. Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elastische Elemente vorgesehen sind, die gleichartig gestaltet und um die und zur Kapillare (4) orientiert sind.

4. Druckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elastische Ele ment (7, 28) als Fachwerk mit mehreren Fachwerkelementen gestaltet ist, wobei die Fachwerkelemente untereinander und vorzugsweise um eine Achse gegeneinander schwenkbar gestaltet mit Gelenken, vorzugsweise den vorgenannten elastischen Festkörpergelenken (29) verbunden sind.

5. Druckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines des mindestens ei nen elastischen Elements (7, 28) durch ein tellerförmiges oder balkenförmiges elastisches Element gebildet wird.

6. Druckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines des mindestens einen elastischen Elements (7, 28) durch den Aktor (10, 19) gebildet wird.

7. Druckkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (7, 28) durch einen tellerförmigen oder balken förmigen Biegeaktor gebildet ist und eine Aufnahme für die Kapillare mittig im Biegeaktor angeordnet ist.

8. Druckkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme mindestens ein Klemmmittel zur Aufnahme der Kapillare (4) umfasst.

9. Druckkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Klemmmittel Teil einer oszillierbaren Masse auf dem mindestens einen elastischen Element ist.

10. Druckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (2), die Vor kammer (8) und/oder das mindestens eine elastische Ele ment (7) eine rotationssymmetrische Erstreckung um die Symmetrieachse der Kapillare (4) aufweisen.

11. Druckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (2) Mittel zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes orthogonal zu der Symmetrieachse (3) aufweist.

12. Druckkopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel Elektroden in oder um die Austrittsöffnung (2) und/oder als elektrisch leitfähige Bereiche im oder unter dem Substrat umfassen.

13. Druckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ringelektrode und / oder mindestens eine pneumatische Linse um die Austritts öffnung angeordnet ist und/oder die Austrittsöffnung als Ringelektrode gestaltet ist.

14. Druckverfahren für das Bedrucken einer Struktur auf eine Oberfläche bei Verwendung eines Druckkopfes nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei

a) über die Kapillare (4) eine Flüssigkeit über die Dü senöffnung (5) in die Vorkammer (8) geleitet wird, wo bei die Düsenöffnung über das mechanische Schwingungs system in Achsrichtung der Kapillare hin- und herbe wegt wird, wobei die Flüssigkeit an der Düsenöffnung laufend als Fluidtröpfchen abgetrennt und zerstäubt wird,

b) über die mindestens eine Einlassöffnung (11) ein Füh rungsgas (13) in die Vorkammer (8) um die Kapillare eingeleitet wird, wobei sich das Führungsgas zu einem ersten Anteil in der Vorkammer mit den Fluidtröpfchen zu einem Aerosolstrom zusammensetzt und zu einem zwei ten Anteil zwischen Düsenöffnung und Austrittsöffnung einen Mantelstrom üm den Aerosolstrom bildet, c) der vom Mantelstrom umgebene Aerosolstrom über die Austrittsöffnung aus der Vorkammer auf eine Oberfläche eines Substrats geleitet wird sowie

d) die Fluidtröpfchen auf die Oberfläche aufgetragen wer den .

15. Druckverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aerosolstrom in der Vorkammer (8) oder aus der Vorkammer heraus fokussiert wird.

16. Druckverfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn zeichnet, dass das Schwingungssystem vom Aktor (10, 19) in einer Resonanzschwingung angeregt wird.

17. Druckverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, da

durch gekennzeichnet, dass der Aerosolstrom bei Durch tritt durch die Austrittsöffnung elektrostatisch abge lenkt, fokussiert oder weiter zerstäubt wird.

18. Druckverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da

durch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der lau fenden Abtrennung und Zerstäubung der Flüssigkeit an der Düsenöffnung über die Amplitude, Frequenz und/oder der Signalform der Schwingung regelbar ist.

Description:
Druckkopf und Druckverfahren

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf gemäß dem ersten und ein Druckverfahren gemäß dem neunten Patentanspruch.

Jet Druckköpfe stellen eine zentrale Komponente in der Druck e technik dar. Durch diese werden Flüssigkeiten (Tinten) aus einem Reservoir, beispielsweise einer Patrone, entnommen und für den Druckvorgang in Richtung einer zu bedruckenden Ober fläche beschleunigt. Der Druck erfolgt dosiert, d.h. es wer den die Flüssigkeiten nur in einzelnen Tropfen auf die zu be druckende Oberfläche transportiert. Hierzu kommen verschiede ne Aktor- und Dosierkonzepte zum Einsatz, wie z.B. auf piezo elektrischer, elektrostatischer oder thermisch .wirkender Ba sis. Vorzugsweise kommt die sog. Drop-on-Demand-Techni k zum Einsatz, bei dem nur bei Anliegen eines Steuersignals ein oder mehrere Tropfen abgegeben werden. Durch Wiederholungen des Steuersignals, vorzugsweise mit Wiederholungsfrequenzen von über 1 kHz erfolgt ein quasikontinuierlicher Druckpro zess, dem sog. Continuous-Drop-Verfahren . Entsprechend sind verschiedene Drucktechnologien bekannt, die sich insbesondere durch die Funktion des eingesetzten Druckkopfes unterschei den, insbesondere die berührungslosen Piezo-Inkjet-Technik, die elektrohydrodynamische Inkjet-Technik, die Aerosol-Jet- Technik, aber auch das Ultraschall-Dosierverfahren, bei dem die zu druckende Flüssigkeit über einen Meniskus einen direk ten Kontakt mit dem zu bedruckenden Substrat eingeht.

Der eingangs genannte Druckkopf wird insbesondere und bevor zugt im Bereich berührungsloser digitaler Jet-Druckverfahren für ein funktionales Drucken, d.h. Drucken von funktionalen Strukturen (z.B. Leiterbahnen, Widerstände, Kondensatoren, biologischer Substanzen etc.) eingesetzt. Die Piezo-Inkjet-Technik ist dabei das am weitesten verbrei tete Verfahren. Dabei wirkt ein Piezo-Element auf ein Tinten volumen in der Druckdüse, wobei ein Druck oder Druckimpuls auf die Drucktinte ausgeübt wird, der dazu führt, dass minde stens ein Tintentropfen aus der Druckdüse ausgestoßen und auf das zu bedruckende Objekt gespritzt wird. Zum Drucken kommen Tinten in einem bevorzugten Viskositätsbereich zwischen 5 bis 40 mPa · s zum Einsatz. Einen weiteren Viskositätsbereich decken insbesondere die Aerosol-Jet-Techni k und die elektro- hydrodynamische Inkjet-Technik ab, wobei die Aerosol-Jet- Technik den zusätzlichen Vorteil aufweist, Strukturen trotz größerer Topologie-Sprünge der zu bedruckenden Oberfläche bis in den einstelligen m -Bereich ohne vertikales Nachführen der Druckdüse drucken zu können.

Ein Aerosol-Jet-Drucksystem und -Druckverfahren für funktio- nales Drucken ist von der Firma Optomec Inc. (Albuquerque ,

New Mexico, USA) in der US 7.270.844 B2 offenbart worden. Beispielhafte Abscheidungs köpfanordnungen hierfür sind in EP 1 830 927 Bl und US 9.114.409 B2 beschrieben. In diesem wird ein Aerosol in einem Hüllgasstrom über einen Kanal in eine separate Kammer und von da über eine Druckdüsenanordnung in Richtung eines zu bedruckenden Objekts geleitet.

Das offenbarte Aerosol-Jet-Druckverfahren umfasst insbesonde re eine Erzeugung eines Aerosols aus Tinte, eine Konzentrie rung des Aerosols , einen Transport des Aerosols mit Gas zur Druckdüsenanordnung, eine Konzentrierung des Aerosols z.B. in vorgenannter Kammer sowie eine hydrodynamische Fokussierung des Aerosolstrahls in der Druckdüse. Die ' Aerosolerzeugung er folgt dabei entweder pneumatisch oder durch Ultraschall in der separaten Kammer des Druckkopfes. Das erzeugte Aerosol wird mit Hilfe eines Transportgases über Leitungssysteme zur Druckdüse gefördert und dort mittels eines Fokussierungsgases (ebenfalls ein Hüllstrom) gebündelt. Der Betriebsmodus des Systems ist unveränderbar. Vor dem eigentlichen Druckprozess wird der Aerosolstrahl durch Einstellen verschiedener Parame ter ( insbesondere Volumenstrom des Transportgases, Volumen strom des Fokussierungsgases, Wahl der Düse und des Zerstäu bers etc.) an die jeweiligen Bedingungen angepasst. Sobald der Aerosolstrahl stabil ist, kann gedruckt werden. Der Aero sol-Volumenstrom bleibt während des gesamten Druckvorganges konstant, die Strahlintensität wird nicht geregelt und nicht variiert. Die , Dosiermenge pro Zeit ist folglich konstant. Um Unterbrechungen im Druckbild realisieren zu können, muss der Aerosolstrahl nach der Düse unterbrochen werden. Dies ge schieht durch eine mechanische Tintenauffangvorrichtung, die zwischen Düse und Substrat positioniert wird.

Nachteilig beim vorgenannten Verfahren ist, dass der Druck kopf grundsätzlich zum Erdgravitationsfeld ausgerichtet wer den muss und damit ohne zusätzliche Maßnahmen wie z.B. eine mechanische Entkopplung der Kammer zur Aerosolerzeugung und der Düse nicht beliebig zu der zu bedruckenden Oberfläche ausrichtbar ist. Diese örtliche Trennung in mehrere Teilsy steme bedarf eines Leitungssystems zur Förderung des Aerosol stroms zur Druckdüse. -Dadurch erhöht sich das Totvolumen.. Außerdem können lange Leitungen das Aerosol beeinflussen (z.B. Tropfengrößenänderung durch Agglomeration und Vereini gung von kleinen Tropfen, Abscheidungen von Tropfen an den Wänden) . Die Leitungssysteme sind dann mit einem Stoff konta miniert und müssen gereinigt oder getauscht werden, wenn ein anderes Fluid ohne Kontaminationen verdruckt werden soll.

Eine weitere Einschränkung ergibt sich systembedingt aus dem Aufbau des Druckkopfes. Eine vollständige Reinigung oder Zwi- schenreinigung (z.B. bei einem Wechsel der zu druckenden Flüssigkeiten) wird insbesondere durch eine apparative Tren- nung von Aerosolerzeugung und Druckdüse erschwert und ist da mit aufwendiger als z.B. ein vergleichbares Inkjet-Drucksy stem.

Stellvertretend für ein Ultraschall-Dosierverfahren wird in US 7.467.751 B2 und US 7,095,018 B2 ein Ultraschall-Plot-Sy^ stem und -Druckverfahren von der Firma Sonoplot Inc. (Middle- tön, Wisconsin, USA) offenbart.

Wie für das vorgenannte Aerosol-Jet-Drucksystem ist auch für das vorgenannte Ultraschall Dosierverfahren der Bedarf von separaten Teilsystemen zur Förderung des zu druckenden Fluids einschränkend .

Eine besondere Herausforderung bei einer Anwendung der zuvor zitierten Technologien stellt die Bedruckung von dreidimen sionalen Strukturen auf der Oberfläche eines Substrats dar. Für einen derartigen Druck müssen ein- oder mehrachsige Rela- tivbewegungen zwischen Druckkopf und Substrat ermöglicht wer den, beispielsweise mittels eines elektromechanischen Posi tioniersystems. Dabei treten bei jedem Richtungswechsel Achs- beschleunigungen und -Verzögerungen auf, die vom Druckkopf aufgenommen werden. Erfolgt der Druckvorgang zeitgleich mit einer der vorgenannten Achsbeschleunigungen und -Verzögerun gen wie z.B. mit einem konstanten Aerosolvolumenstrom, vari iert die auf das Substrat aufgebrachte Tintenmenge zwangsläu fig mit jeder aufgeprägten Änderung. Die Eigenschaften der gedruckten Struktur (z.B. Widerstand einer gedruckten Elek trode) sind beispielweise beim zitierten Aerosol-Jet-Drucksy stem abhängig von ihrer Geometrie (z.B. Richtungswechseln, Radien, Längen, Topographie etc.).

Das zuvor zitierte Aerosol-Jet-Drucksystem und -Druckverfah ren für funktionales Drucken offenbart keine Lösung der vor genannten Problematik, da der Prozess der Aerosol-Erzeugung auf einen gleichbleibenden Aerosol-Massenstrom ausgelegt ist und weder wiederholte Unterbrechungen während des Druckpro ¬ zesses noch eine Regelung des Aerosol-Massenstroms vorgesehen sind. Ein einfacher Wechsel zwischen unterschiedlichen Flui ¬ den in einem Druckkopf ist ebenfalls nicht vorgesehen.

Der zitierte Stand der Technik bezüglich des Ultraschall-Do ¬ sierverfahrens zeigt keine Möglichkeit auf, die vorgenannten Strukturen berührungslos zu drucken. Das dort beschrieben Verfahren benötigt eine präzise Abstandsregelung zwischen Dü ¬ se und Substrat und ist nur für ebene Substrate wie z.B. Si ¬ lizium-Wafer geeignet.

Davon ausgehend liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, den vorgenannten Jet-Druckkopf so zu verbessern, dass die vorge ¬ nannten Einschränkungen und Nachteile sowie deren Wirkungen vermieden bzw. reduziert werden.

Insbesondere liegt eine Aufgabe darin, einen Jet-Druckkopf vorzuschlagen, der sich für eine Bedruckung auch von dreidimensionalen Strukturen der eingangs genannten Art eignet.

Eine weitere Aufgabe liegt darin, einen Jet-Druckkopf vorzu ¬ schlagen, der sich für einen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen schnelleren Wechsel bei Vermeidung von Kreuzkontaminationen und/oder Flüssigkeitsverschleppung der zu druckenden Flüssigkeiten im Drucksystem eignet.

Eine weitere Aufgabe liegt darin, ein entsprechendes Druck ¬ verfahren insbesondere zum Drucken von Strukturen, bevorzugt funktionalen Strukturen auf einer Oberfläche unter Nutzung des Jet-Druckkopfes vorzuschlagen.

Es versteht sich von selbst, dass die genannten Aufgaben sich auch grundsätzlich über entsprechende Verwendungen des Jet- Druckkopfes sowie des Druckverfahrens für die Lösung der ge nannten Aufgaben erstrecken.

Die Aufgabe wird mit einem Jet-Druckkopf und einem Druckver fahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. 14 gelöst. Auf diesen bezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestal tungen wieder.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen und Ausführungen weisen je weils Merkmale auf, die im Rahmen der Erfindung auch jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination grundsätzlich mit je der Ausführung zusammensetzbar sind.

Die Erfindung basiert auf einem Druckkopf, umfassend eine Ka pillare für eine Flüssigkeit als Druckfluid mit einer Düsen öffnung, die in eine Vorkammer mündet. Die Kapillare grenzt unmittelbar oder mittelbar über weitere Komponenten wie z.B. ein elastisches Element und/oder Befestigungsmittel für die Kapillare (z.B. Klemmmittel) an einen Aktor, d.h. sie steht mit diesem in einem Fest körper kontakt . Vorzugsweise ist der Piezoaktor mit der Kapillare fest verbunden. Ferner weist die genannte Vorkammer eine zur Düsenöffnung der Kapillare fluch tende Austrittsöffnung auf, d.h. die Symmetrieachsen von Ka pillare und Austrittsöff ung fallen vorzugsweise aufeinander. Weiterhin sind in die Vorkammer ausmündende Eintrittsöffnun gen für ein Führungsgas vorgesehen, das gemeinsam mit dem Druckfluid die Vorkammer über die Austrittsöffnung in Rich tung einer zu bedruckenden Oberfläche verlässt.

Der Aktor ist vorzugsweise ein Piezoaktor. Alternativ eignen insbesondere bei größeren Druckkopfausführungen auch elektromechanische Aktoren oder insbesondere bei sehr kleinen Bau- formen auch elektrostatische Aktoren als Aktor.

Der Aktor setzt sich in weiteren Ausgestaltungen aus mehreren Komponenten, umfassend auch aktorisch passive Komponenten. Aktorisch passive Komponenten umfassen z.B. mindestens ein elastisches Element, mindestens ein elastisches Tellerfeder element und/oder mindestens ein elastisches Biegeelement oder Biegestreifen als verbindende Komponente zwischen der Kapil lare und dem Druckkopfgehäuse . Sie dienen insbesondere der Führung der Kapillare und lassen vorzugsweise nur eine ela stisch um eine Grundstellung nachgiebige unidirektionale axi ale Bewegbarkeit der Kapillare im Druckkopfgehäuse zu. Akto risch passive Komponenten umfassen vorzugsweise auch einen Hebelmechanismus zwischen einer aktorisch aktiven Komponente des Aktors, beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler (Piezoaktor) , die vorzugsweise auf der aktorisch passiven Komponenten in Kontakt ist, weiter bevorzugt durch diese me chanisch anregbar sind.

Als eine Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, dass die Flüssigkeit aus der Kapillare direkt an der Düsenöffnung erst mit einer axialen Schwingbewegung einer Kapillare zerstäubt wird und mit dem Führungsgas ein Aerosol bildet. Das Aerosol wird also nicht vorkonditioniert in die Vorkammer geleitet, sondern bildet sich in vorteilhafter Weise zu einem möglichst späten Zeitpunkt erst kurz vor dem Druckvorgang in der Vor kammer .

Die Kapillare, vorzugsweise eine Glas kapillare , ist an minde stens ein Reservoir, vorzugsweise mindestens eine Patrone für die Flüssigkeit (Druckfluid) angeschlossen. Die Kapillare weist somit nicht kontinuierliche oder bevorzugt kontinuier lich fördernde Einspeisemittel für das Druckfluid in die Ka pillare auf, vorzugsweise an dem der Düsenöffnung (distale Ende der Kapillare) entgegengesetzten Ende der Kapillare (proximale Ende der Kapillare) . Vorzugsweise erfolgt dies mittels einer Zufuhrleitung entweder zur Kapillare berüh rungslos, beispielsweise durch eine in das genannte proximale Ende der Kapillaren einragende Austrittsöffnung der Zufuhr leitung, oder mittels einer elastischen Schlauchverbindung vorzugsweise zwischen dem proximalen Ende der Kapillare und der genannten Austrittsöffnung der Zufuhrleitung . Die Zufuhr leitung stellt dabei eine Verbindung zwischen mindestens ei nem Reservoir des zu druckenden Fluids und der Kapillare dar. Die Förderung des Fluids erfolgt vorzugsweise kapillar, d.h. Fluidverluste in der Kapillare über die Düsenöffnung während des Druckvorgangs werden durch kapillares Ansaugen von Fluid bestandteilen ausgeglichen. Eine Ausgestaltung sieht jedoch vor, die Zufuhrleitung mit eigenen aktiven Fluidfördermittel (Förderpumpe) vorzusehen. Eine weitere optionale Ausgestal tung umfasst mindestens eine Mischkammer zum Mischen oder Ho mogenisieren von Fluidbestandteilen z.B. aus unterschiedli chen Reservoirs und in der Mischkammer zusammengeführt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die genannte Mischkammer funk tionell in der Kapillare zu verorten und für jedes beteiligte Reservoir eine separate Zufuhrleitung direkt in die Kapillare vorzusehen .

Vorzugsweise ist die Kapillare für eine bessere Beweglichkeit des Druckkopfes sowie zur Reduzierung der bei einer Positio nierbewegung des Druckkopfes erforderlichen bewegbaren Massen über einen vorzugsweise biegeschlaffen Schlauch mit der Zu fuhrleitung verbunden. Über den Schlauch wird die Flüssigkeit durch die Kapillare und die Düsenöffnung in die Vorkammer transportiert. Der Transport (Förderung) erfolgt vorzugswei se, d.h. nicht zwingend ohne eine Förderpumpe.

Die mindestens eine Einlassöffnung für das Führungsgas ist vorzugsweise seitlich der Kapillare angeordnet. Die Ausrich tung der mindestens einen Einlassöffnung und damit die Ein lassöffnung ist zudem bevorzugt in spitzem Winkel zur Symme trieachse der Kapillare zu der Austrittsöffnung hin ausge richtet, d.h. die Ausrichtung setzt sich vektoriell aus einem orthogonal und einem parallel zu der Symmetrieachse ausge richteten Vektor zusammen, wobei der parallele Teilvektor von der Düsenöffnung aus gesehen in Richtung der Austrittsöffnung weist .

In einer bevorzugten Ausgestaltung kreuzt die genannte Aus richtung die Symmetrieachse der Kapillare innerhalb der Vor kammer. Ist das zu druckenden Fluid aus der Kapillare eine Flüssigkeit oder eine Suspension, und tritt als gespritzter Strahl aus der Düsenöffnung, kreuzt dieser Strahl die Strö mung des Führungsgases. Es kommt beim Zusammentreffen zu ei ner Aerosolbildung.

Ein wesentliches Merkmal betrifft die Anordnung des Aktors im Druckkopf, dessen Anordnung zur Kapillare sowie die Ausge staltung der Aktorbewegung. Der Aktor ist vorzugsweise fest in der Vorkammer des Druckkopfes eingesetzt, weiter bevorzugt gegenüberliegend zur Austrittsöffnung. Die Aktorbewegung dient der Bewegung der Kapillare relativ zur Vorkammer und umfasst Vor- und Zurückbewegungen vorzugsweise nur axial zur Symmetrieachse der Kapillare und Austrittsöffnung. Sie wird neben der Ausgestaltung und Wirkungsrichtung des Aktors auch durch die Fixpunkte, d.h. die Befestigungspunkte des Aktors im Druckkopf einerseits und die durch die Anordnung der Auf nahme für die Kapillare auf, im oder über dem Aktor abseits der Fixpunkte andererseits bestimmt. Vorzugsweise erfolgt die Befestigung zur Fixierung des Piezoaktors in der Vorkammer mittels Klebung, Klemmung oder Verschraubung.

Ist der Aktor, vorzugsweise ein Piezoaktor als Schwingaktor, vorzugsweise einen in Resonanz betreibbaren Schwingaktor aus gestaltet, umfasst er vorzugsweise einen teller-, scheiben-, ring-, kreuz- oder balkenförmigen Biegeschwingaktor, minde stens einen vorzugsweise ringförmigen Translationsaktor oder einen oder mehrere Scherschwingaktoren mit einer vorzugsweise mittig auf dem Aktor angeordneten Aufnähme für die Kapillare. Um die Aufnahme und damit um die Symmetrieachse der Kapillare und der Austrittsöffnung erstrecken sich symmetrisch, vor zugsweise rotationssymmetrisch der Biegeschwingaktor und die vorgenannten Befestigungspunkte (Fixpunkte) zu der Vorkammer. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, die Befestigungs punkte zur Erzielung möglichst hoher Schwingamplituden als feste Auflager für die Schwingaktoren zu gestalten. Ein Pie- zo-Biegeschwingaktor, der an beiden Enden vorzugsweise ela stisch fixiert ist, erreicht vorzugsweise in seiner Mitte die maximale Amplitude. Sie werden vorzugsweise durch mindestens zwei Einzelpunkte oder insbesondere im Falle eines teller- oder scheibenförmigen Biegeschwingaktors durch Auflagelinien gebildet. Ist ein Aktor nur an einer Seite vorzugsweise fest eingespannt, entsteht die maximale Amplitude am jeweils ande ¬ ren Ende.

Eine alternative Ausgestaltung des Piezoaktors umfasst einen SchichtStapel von scheibenförmigen Einzelpiezoaktoren , deren Ausschläge sich zu einem Gesamtausschlag addieren. Alternativ lassen sich auch sog. D31-Wandler oder Scheraktoren einset- zen, deren Aktorbewegung quer zum anliegenden elektrischen Feld abgreifbar ist und für die axiale Bewegung' der Kapillare herangezogen wird. Gegenüber einem Biegeschwingaktor sind diese Ausgestaltungen wesentlich steifer und eignen sich ins besondere für nichtresonante geführte Aktorbewegungen, bei spielsweise für Rechteckschwingungen- oder säge zahnförmige Schwingungen öder einzelne Stoßbewegungen.

Durch den Piezoaktor wird die Kapillare axial vorzugsweise schwingend hin- und her bewegt, und zwar entweder in Resonanz oder einem vorgebbaren bevorzugt zyklischen Kurvenverlauf (Schwingungsverlauf, z.B. Sägezahn, Rechteckverlauf etc.) folgend geführt. Die Kapillare und damit auch deren Düsenöff ¬ nung wird so bei jedem Bewegungszyklus vor und zurückbewegt, wobei bei jedem Richtungswechsel, Abbremsung oder Ruck eine Beschleunigung auf die Kapillare und Düsenöffnung und damit auch auf das in der Düsenöffnung befindliche Druckfluid ein wirkt. Wird die Düsenöffnung beim Zurückziehen, d.h. um einen distalen, d.h. zur Austrittsöffnung hin gerichteten Rich tungswechsel beschleunigt, bewirkt allein die Massenträgheit des Druckfluids ein Herausdrücken von Fluidbestandteilen aus der Düsenöffnung und ein Ablösen von Tropfen oder anderen Fluidbestandteilen insbesondere an der Düsenaustrittsfläche der Kapillaren-Wandung . Mit jedem Schwingungszyklus lösen sich somit Tropfen des Druckfluids von der Düsenöffnung ab und werden vom Führungsgas aufgenommen. Die Anteile des Füh rungsgases und die abgelösten Bestandteile des Druckfluid bilden ein Aerosol, das von der Vorkammer über die Austritts öffnung zu der zu bedruckenden Oberfläche geleitet wird. Der Druck erfolgt unmittelbar nach Aerosolbildung, womit sich die Gefahr einer Entmischung vorteilhaft reduziert.

Speziell für den vorgenannten Prozess ist die fluchtende An ordnung von Düsenöffnung und Austrittsöffnung besonders vor teilhaft, da die sich ablösenden Tropfen aufgrund deren bei der Ablösung vorhandenen Geschwindigkeit und Massenträgheit nicht nur ein Aerosol bilden, sondern auch einen Impuls auf den Aerosolstrom in Richtung der Austrittöffnung und damit der zu druckenden Oberfläche ausüben. Die Aerosolstromge schwindigkeit ist bereits schon am Düsenaustritt hoch. Mit dem Führungsgasstrom, der sich zunächst um den Aerosolstrom vorzugsweise als Mantelstrom ausbildet und in der Vorkammer zur Austrittsöffnung hin zumindest teilweise auch vermischt, erfolgt eine Fokussierung des Aerosolstroms in Richtung

Strahlmitte. Dabei ist es von Vorteil, dass die Tropfen auf grund einer gegenüber dem Führungs'gas wesentlich höheren Dichte wesentlich zu dem Gesamtimpuls des Aerosols beitragen. Bei der vorgenannten Aerosolbildung wird vorzugsweise nur ein Teil des Führungsgasstroms in das Aerosol überführt, d.h. es nimmt die ablösenden Tropfen auf. Der verbleibende Anteil des Führungsgasstroms verlässt aber gemeinsam mit dem gebildeten Aerosolstrom über die Austrittsöffnung die Vorkammer. Da sich der Aerosolstrom aufgrund der vorgenannten Impulsbetrachtung um die Symmetrieachse der Kapillare und damit der Austritts öffnung konzentriert, wird der verbleibende Anteil des Man telgasstroms in die Randbereiche der Austrittsöffnung ver drängt und bildet somit einen Mantelstrom um den Aerosol strom. Dieser Mantelstrom reduziert einen Kontakt von Aerosol zur Innenwandung der Austrittsöffnung, damit ein Anlagern von Aerosolbestandteilen und in vorteilhafter Weise auch ein Zu setzen der Austrittsöffnung mit dem Druckfluid.

Der Massenstrpm des Aerosols ist regelbar, vorzugsweise durch Änderung der Prozessparameter Fluiddruck in der Kapilläre, durch die Spannungsamplitude und Frequenz bei der Ansteuerung des Aktors sowie durch Änderung des Ansteuerungssignals z.B. von einer Sinusfunktion zu einer anderen periodischen Funk tion (z.B. Sägezahnform, Rechteckform) oder durch eine Über lagerung mit einem phasenverschobenen periodischen Signal.

Durch die Amplitude der axialen Hin- und Herbewegung ist der Mengenstrom an abgelösten Tropfen und damit auch die Ge schwindigkeit der laufenden Abtrennung und Zerstäubung der der/ Flüssigkeit, d.h. des Druckfluids an der Düsenöffnung einstellbar und regelbar. Bei gleichbleibender Frequenz sind mit der Amplitudenhöhe insbesondere der Mengenstrom, aber auch die Tropfengröße an abgelösten Tropfen und damit auch die Aerosoleigenschaften einstellbar.

Durch die Frequenz der axialen Hin- und Herbewegung ist ins besondere die Größe der abgelösten Tropfen, ein wesentliches Merkmal für ein sich bildendes Aerosol, einstellbar. Die Fre quenz liegt vorzugsweise zwischen 50 kHz bis 2 MHz. Durch auf die Grundschwingung aufgeprägte laterale Oberfrequenzen lässt sich zudem der sich um die Symmetrieachse kegelförmig er streckende Streubereich der abgelösten Tropfen vergrößern.

Auch durch eine Gestaltung der Düsenöffnung, insbesondere de ren Durchmesser, eines durch eine Bruchkante erzeugte scharf kantigen Kapillarenrands, der Kapillare lässt sich der vorge nannte, sich um die Symmetrieachse kegelförmig erstreckende Streubereich der abgelösten Tropfen voreinsteilen . Ebenso ist einen Kapillarenrand, der sich auf einer nicht orthogonal zur Kapillarenachse erstreckt ermöglicht eine Vorzugsrichtung der Ablenkung der abgelösten Tropfen.

Das Verhalten der Aerosolerzeugung ist kontrollierbar durch die genannten Prozessparameter. Im endgültigen Einbauzustand reduzieren sich diese Parameter auf folgende Haupteinfluss faktoren: Frequenz, Schwingungsform, Amplitude, Fluiddruck. Wird die Anregung des Piezoelements abgeschaltet, so wird die Aerosol-Erzeugung unterbrochen. Aus der Düse wird keine wei tere Flüssigkeit mehr ausgestoßen (weder in Aerosolform noch in einer anderen Form) . Dieses binäre Verhalten wird dazu ge nutzt, bei Bedarf einer Unterbrechung im Druckbild, den Aero solstrahl abzuschalten ohne dass ein mechanischer Tintenfän ger benötigt wird.

Eine Änderung der einzelnen Parameter Frequenz, Schwingungs form, Amplitude und Fluiddruck oder einer Kombination dieser Parameter, führt zu einer Änderung des Massenstroms des die Düsenöffnung und damit die Austrittsöffnung verlassenden Aerosols (Flüssigkeit), wodurch ein Einfluss von Beschleuni gungen der Achsen des Drucksystems auf die Homogenität des Druckbildes (Homogenität der gedruckten Strukturen) ausgegli chen werden können. Die Kapillare grenzt vorzugsweise an einen Piezoaktor, d.h. sie steht mit diesem in einem Festkörperkontakt. Der Piezor aktor weist bei einer solchen Ausgestaltung eine Aufnahme der Kapillare auf. Die Aufnahme verbindet sich mit der Kapillare und führt auch die gleichen vorzugsweise durch den Piezoaktor aufgeprägten axial oszillierenden oder schwingenden Bewegun gen durch. Sie bilden ein gemeinsames Schwingungssystem. Im Falle einer in Resonanz schwingenden Kapillare dient die Auf nahme als Teil der oszillierenden Masse auf dem Schwingaktor.

Eine Ausgestaltung der Aufnahme sieht hierzu vor, den Piezo aktor des Druckkopfes vorzugsweise mit Klemmmittel auszuge stalten, in denen die Kapillare kraftschlüssig eingeklemmt wird. Vorzugsweise bestehen diese Mittel aus einer Bohrung im Aktor oder einer auf dem Aktor auf- oder eingesetzten vor zugsweise elastischen Komponente, die mit dem Piezoaktor vor zugsweise eine Übergangspassung vorzugsweise mit Schiebesitz (gern. Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer Verlag, 14. Auflage (1981) S. 339), bilden. Gegenüber fester sitzenden Übergangspassungen oder Presspassungen ist ein ma nueller Austausch der Kapillare aus dem Druckkopf ohne zu sätzliche pressende oder schlagende Werkzeuge und ohne Be schädigungsgefahr der Glaskapillare noch möglich. Eine alter native Ausgestaltung sieht ein mit einem elastischen Klemm element wie einem Federelement ausgestaltetes Klemmmittel vor, wobei jenes die Kapillare auf dem Piezoaktor auf eine die Kapillarenausrichtung bestimmende Gegenfläche vorzugswei se mit einer Führungsnut oder einem Anschlag für die Kapilla re drückt und axial kraft- und/'oder reibschlüssig fixiert. Seitens der Kapillare, insbesondere einer Glaskapillare ist bei den vorgenannten Ausgestaltungen zudem ein optionaler die Kapillare umhüllender und über diese fest aufgesetzter (z.B. aufgeklebter oder gepresster) Rohrmantel vorteilhaft, der in seiner Länge weiter bevorzugt auf den Klemmbereich der an greifenden Klemmmittel, der deutlich kürzer als die Kapilla renlänge ist, begrenzt.

Man unterscheidet insbesondere im Rahmen der Anmeldung grund sätzlich drei grundlegende mechanische Verbindungsarten, eine kraftschlüssige, eine Stoffschlüssige und eine formschlüssige Verbindung, wobei oftmals auch Mischformen zum Einsatz kom men. Eine kraftschlüssige Verbindung zwischen zwei Flächen kennzeichnet sich dadurch, dass die Flächen mit einer Kraft z.B. durch Klemmmittel gegeneinandergedrückt werden und al lein durch die Flächenpressung eine Haftreibung erzeugt wird, die die beiden Flächen zueinander fixieren. Ein adhäsiver stofflicher Übergang, wie er bei Stoffschlüssigen Verbindun gen, beispielsweise bei einer Verschweißung, Verklebung oder Verlötung von zwei Flächen vorkommt, liegt bei einer kraft schlüssigen Verbindung nicht vor. Davon unterscheiden sich formschlüssige Verbindungen, bei welchen Topographien oder Zusatzelemente zwischen den beiden Flächen ineinandergrei fen und die Flächen dadurch Zusammenhalten. Beispiele hierfür sind Nietverbindungen zwischen zwei Blechen, eine Feder-Nut- Verbindung oder auch gegen eine Gegenpassung wirkende Elemen te wie Stufen, Nuten, Bünde oder Stege.

Die vorgenannten Klemmmittel vereinfachen eine Austauschbar keit im Druckkopf. Insbesondere ein Wechsel der zu druckenden Flüssigkeit, aber auch des durch die Ausgestaltung der Düsen öffnung maßgeblich bestimmenden Streubereichs der abgelösten Tropfen ist durch einen Austausch der Kapillare realisierbar. Ein weiterer Vorteil bei einem derartigen Wechsel des Druck mediums und/oder des Streubereichs ist dadurch gewährleistet, dass die Aerosolerzeugung erst bei Bedarf (Aerosol-on-Demand) und erst mit Verlassen der Paste oder der Flüssigkeit der Dü senöffnung in der Vorkammer stattfindet. Dabei dient das in die Vorkammer über die Eintrittsöffnungen eingeleitete Man telgas nicht nur als eine optionale Komponente des sich bil denden Aerosols, sondern insbesondere als Mantelstrom um das Aerosol herum, und zwar in der Vorkammer wie auch in der nachfolgenden Austrittsöffnung. Dies reduziert den Kontakt des Druckmediums (Paste oder Flüssigkeit) und des dieses ent haltende Aerosols mit den inneren Wandungen der Vorkammer und der Austrittsöffnung und verhindert signifikant deren Konta mination. Jenes erleichtert im Rahmen eines Druckvorgangs wiederum einen Wechsel der zu druckenden Flüssigkeit, da aus ser einer Auswechselüng der Kapillare sowie der vorgesehenen Einspeisemittel für die zu druckenden Flüssigkeit keine wei teren Reinigungsvorgänge erforderlich sind.

Eine weitere Ausgestaltung der Aufnahme der Kapillare sieht vor, zwischen Kapillare der Aufnahme und Piezoaktor und/oder einem elastischen Element zusätzlich eine in axialer zur Symmetrieachse formschlüssig wirkende Gestaltung vorzusehen. Diese umfasst beispielsweise fest mit der Kapillare verbunde ne oder an diese angeformte Stufen oder Stege, die in eine mit dieser in Gegenpassung vorgesehene Gestaltung der Ka pillarenaufnahme oder der Klemmmittel axial als einseitig oder beidseitig orientierter Anschlag formschlüssig ein- greift. Es bietet sich an, den vorgenannten umhüllenden Rohr mantel entsprechend mit umlaufenden Nuten oder Bünden zu ver sehen oder die Endbereiche des Rohrmantels für eine form schlüssige axiale Fixierung zu nutzen. Der besondere Vorteil dieser vorzugsweise zusätzlichen Ausgestaltung ist, dass ei nerseits mögliche auf eine axiale Bewegung dämpfend wirkende Rutschvorgänge zwischen Aufnahme und Kapillare unterbunden oder reduziert werden, andererseits eine Positionierung der Kapillare in die Vorkammer bei einem Austausch oder Montage einer Kapillare aufgrund des formschlüssigen Anschlags in vereinfachter Weise reproduzierbar wird. Die durch die Kapillare geleitete Paste oder Flüssigkeit ist das zu druckende Material. Es liegt einphasig oder, bei spielsweise als Suspension, mehrphasig vor. Es liegt im Rah men der Erfindung, dabei auch mehrphasige, miteinander rea gierende Komponenten vorzusehen, die vorzugsweise aus zwei oder mehreren separaten Reservoirs entnommen werden und zwi schen Reservoir und Düsenöffnung zusammengeführt und da vor zugsweise auch vermischt oder suspendiert werden. Beispiel haft werden hier Mehrkomponentenepoxidharze genannt, deren Komponenten wie bei anderen MehrstoffSystemen vorzugsweise in der Kapillare vermischt, als Mischung über die Düsenöffnung in die Vorkammer, von dort über die Austrittsöffnung auf die zu bedruckende Oberfläche geleitet werden und erst auf der Oberfläche aushärten.

Eine weitere Ausgestaltung des Druckkopfes sieht vor, Mittel zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes orthogonal zu der Symmetrieachse an der Austrittsöffnung vorzusehen. Damit wird die Möglichkeit gegeben den Aerosolstrom nach einer op tionalen Ionisierung weiter zu manipulieren, insbesondere ab zulenken, zu fokussieren oder weiter zu zerstäuben. Vorzugs weise umfassen die Mittel hierzu Elektroden in oder um die Austrittsöffnung .

Eine weitere Ausgestaltung des Druckkopfes sieht vor, Mittel zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes parallel oder konzentrisch zu der Sym etrieachse an der Austrittsöffnung vorzusehen. Während die eine Elektrode orthogonal zur Sym metrieachse um die Austrittsöffnung angeordnet ist, wird die zweite Elektrode durch ein elektrisch leitfähiges zu bedruk- kende Substrat als Ganzes oder einen Teil davon oder im Falle eines elektrisch nicht leitfähigen Substrats (z.B. Polymer- -folien) durch elektrisch leitfähige Zusatzelemente wie z.B. eine Zwischenplatte oder -Schicht im oder unter dem Substrat gebildet. Eine solche Elektrodenanordnung dient vorzugsweise der Fokussierung auf das Substrat.

Die Lösung der genannten Aufgabe umfasst ferner auch ein

Druckverfahren für das Drucken einer Struktur, vorzugsweise einer erhabenen Struktur auf eine Oberfläche bei Verwendung eines vorgenannten Druckkopfes. Dabei wird über die Kapillare eine Flüssigkeit oder eine Paste über die Düsenöffnung in die Vorkammer geleitet, wobei die Düsenöffnung über einen Piezo- aktor hin- und herbewegt wird, wobei die Flüssigkeit oder die Paste an der Düsenöffnung laufend als Fluidtröpfchen abge trennt und zerstäubt wird. Über die mindestens eine Einlass öffnung wird ein Führungsgas in die Vorkammer um die Kapilla re eingeleitet wird, wobei sich das Führungsgas zu einem er sten Anteil in der Vorkammer mit den Fluidtröpfchen zu einem Aerosolstrom zusammensetzt und zu einem zweiten Anteil zwi schen Düsenöffnung und Austrittsöffnung einen Mantelstrom um den Aerosolstrom bildet. Vorzugsweise überwiegt dabei der zweite Anteil den ersten Anteil, wobei in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erste Anteil nicht vorhanden ist oder nahezu Null ist (zweiter Anteil über 95%) . Der vom Mantelstrom umgebene und fokussierte Aerosolstrom wird da raufhin über die Austrittsöffnung aus der Vorkammer auf eine Oberfläche eines Substrats geleitet, wo die Fluidtröpfchen auf die Oberfläche aufgetragen werden.

Vorzugsweise bildet sich aus Schwingaktor, Kapillare mit der darin enthaltenen Flüssigkeit oder Paste und der Aufnahme für die Kapillare sowie ggf. weiteren mitschwingenden Komponenten (z.B. Fluidanschluss) ein Schwingungssystem; das weiter be vorzugt in einer Resonanzschwingung angeregt wird.

Der beschriebene Druckkopf und das Druckverfahren weisen die weiteren folgenden Vorteile auf: Das bauartbedingte geringe Volumen und damit auch das ge ringe ungenutzte Totvolumen (Volumina, in denen sich aber insbesondere Flüssigkeitsbestandteile anreichern und im ungünstigen Fall auch für längere Zeit festsetzen können) der fluidführenden Bauteile ermöglicht geringe Flüssig- keitsverluste beim Drucken wie auch eine bessere Dosier barkeit und Mischeinstellungen auch geringerer Flüssig- keitsmengen .

Durch die kurzen Wege und Zeiten zwischen der Aerosolbil dung und dem Aufdrucken ist eine Eliminierung von größeren Tropfen oder Agglomeraten der Flüssigkeit oder Homogeni sierung des Aerosols nicht erforderlich.

Damit sind auch komplexe Führungen des Druckkopfes während des Druckvorgangs ohne mechanische Entkopplung der Aero solerzeugung möglich, insbesondere auch ein Überkopf-Druck .

Eine Reduzierung der Aerosol führenden Komponenten und die Aerosolführung im Druckköpf ermöglichen eine reduzierte Kontaminierung dieser mit Aerosol, was wiederum einen Wechsel des zu druckenden Druckmediums während des Druck vorgangs signifikant vereinfacht und beschleunigt.

Es wird kein zusätzlicher Tintenfänger oder Shutter an der Austrittsöffnung benötigt, um Unterbrechungen im Druckbild erzielen zu können. Dies beruht auf dem binären Verhalten der neuen Einrichtung zur Aerosolerzeugung (Aerosol-on- Demand) .

Es wird kein Aerosol-Konzentrator mehr benötigt.

Die Reinigung des Druckkopfes bzw. der Wechsel desselben nach Wechsel der zu druckenden Flüssigkeit ist nicht mehr notwendig. Es genügt, die Kapillare aus dem Druckkopf aus zutauschen (sowie den Fluidanschluss mit Tintenkartusche außerhalb des Druckkopfes) . Dabei handelt es sich um ko stengünstige Standard-Einwegkomponenten. Dies beruht auf der Klemmvorrichtung für Glaskapillaren der neuen Einrich tung zur Aerosolerzeugung. 8. Die vorgenannten Ausgestaltungen mit kurzen Wegen zwischen Düsenöffnung und Austrittsöffnung sowie der Mantelstrom reduzieren die Einflüsse der Gravitationskräfte während des Druckvorgangs. Durch Anpassung der Prozessparameter kann somit auch über Kopf gedruckt werden, ohne dass eine mechanische Trennung von Aerosol-Erzeugung und Druckdüse notwendig ist. Dies begünstigt wiederum ein kompakteres Design des Druckkopfes.

Dank einer bevorzugten Klem -Verbindung zwischen Kapillare und Piezo-Element , ist ein Austausch aller Fluid führenden Bauteile vorzugsweise als Einweg-Komponenten gegenüber dem vorgenannten Stand der Technik einfacher und damit schneller und/oder wirtschaftlicher zu gestalten. Die sonst oft lang wierige Reinigung reduziert sich aufgrund der späten Aerosol bildung, der geringen grundsätzlich kurzen Wege und damit entsprechend kleinen mit Aerosol kontaminierbaren Oberflä chen- und Volumenbereiche (einschließlich der vorgenannten Totvolumina) zwischen Düsenaustritt und Austrittsöffnung sowie der vorgenannten durch das Führungsfluid insbesondere als Mantelstrom um das Aerosol bewirkenden Reduzierung einer Kontaminierungsgefahr in diesen Oberflächenbereichen auf ein Minimum. Dies ist ebenso vorteilhaft für einen schnellen und wirtschaftlichen Wechsel des Druckmediums (Flüssigkeit oder Paste aus der Kapillare) durch einen Kapillarenaustausch wäh rend eines Druckvorgangs als auch für eine signifikante Redu zierung der Ausfallwahrscheinlichkeit durch laufende Ablage rungen von Druckmedium in der Ausgangsöffnung und der Vorkam mer bis hin zu einer vollständigen Verstopfung. Da das Aero sol direkt nach Austritt aus der Kapillare durch den Füh rungsgasstrom und/oder durch elektrische Felder vorzugsweise fokussiert wird, findet keine Kontaminierung weiterer Teile des Druckkopfes, insbesondere der Fokussierdüse, statt. Da durch ergibt sich die Möglichkeit, ein und denselben Druck kopf für unterschiedliche Druckmedien (Pasten, Flüssigkeiten, z.B. Fluide, Tinten) verwenden zu können ohne

Querkontaminationen zwischen diesen Druckmedien riskieren zu müssen. Dies -ist besonders interessant für eine bevorzugte Verwendung des Druckkopfes und/oder des Druckverfahrens für die Erstellung von gedruckter Elektronik (Leiterbahnen, Bau ¬ teile etc.) oder für biologische oder chemisch aktive

Beschichtungen .

Die Erfindung wurde in verschiedenen Ausgestaltungen erprobt. Sowohl Klemm- als auch Klebeverbindungen zwischen einem Pie- zo-Element und einer Glaskapillare wurden bereits erfolgreich getestet. Dabei kamen die drei folgenden Modi der Aerosoler ¬ zeugung zum Einsatz:

- Stabiler sehr starker und sehr dünner Aerosolstrahl· aus der : Glaskapillare. Die Strahlrichtung scheint durch Unebenhei ¬ ten von Funktionsmustern der Glaskapillaren vorgegeben zu sein. Die Tropfengröße ist kleiner 1 gm.

- Breiter glockenartiger Aerosolnebel am Austritt der Glaska pillare. Die Tropfengröße ist größer als beim vorhergehend beschrieben Aerosolstrahl.

- Stabile sehr starke und sehr dünne Aerosolstrahlen die un ¬ ter 90° zur Kapillar-Achse aus deren Spitze austreten. Die Strahlrichtung scheint durch Unebenheiten von Funktionsmus ¬ tern der Glaskapillaren vorgegeben zu sein. Die Tropfen ¬ größe ist kleiner 1 pm.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, den fol genden Figuren und Beschreibungen näher erläutert. Die darge ¬ stellten Merkmale und deren Kombinationen sind nicht nur auf diese Ausführungsbeispiele und deren Ausgestaltungen be ¬ grenzt. Vielmehr sind diese stellvertretend für weitere mög ¬ liche, aber nicht explizit als Ausführungsbeispiele darge stellte weitere Ausgestaltungen kombinierbar. Es zeigen Fig.la und b je eine schematische Schnittdarstellung eines Druckkopfes,

Fig.2a bis e in schematischer Detaildarstellung verschiedene Ausgestaltungen der Aufhängung der Kapillare im Druckkopf , ge häuse mit Translationsaktoren (a) bis (c) , Biegeaktoren (d) sowie Scheraktoren (e) , die die Funktion des Aktors sowie des elastischen Elements vereinen, Fig.3a bis e schematische Darstellungen verschiedener Ausge staltungen der Aufhängung der Kapillare im Druckkopfgehäuse mit separaten elastischen Elementen und separaten Aktoren,

Fig.4 eine schematische Anordnung einer Kapillare mit Bund in einer Aufnahme sowie

Fig.5a bis d in prinzipieller Schnittdarstellung mögliche Anordnung einer Kapillare in einer mit Klemmmitteln ausgestal teter Aufnahme.

Fig.la und b geben schematisch einen Druckkopf in zwei Ausge staltungen des Druckkopfes wieder. Zentrale Komponenten des Druckkopfes sind das Druckkopfgehäuse 1 mit einer Austritts öffnung 2 sowie die in dieser konzentrisch um eine Symmetrie- achse 3 oder im Falle einer Flachdüse einer Symmetrieebene 6 axial beweglich aufgehängten Kapillare 4 mit einer Düsenöff nung 5. Zwischen Düsenöffnung 5 und Austrittsöffnung 2 ist im Druckkopfgehäuse 1 eine Vorkammer 8 angeordnet. Die Kapillare 4 ist im Gehäuse über mindestens ein elastisches Element 7 aufgehängt und entlang der Symmetrieachse bzw. Symmetrieebene " axial geführt. Die Kapillare 4 wird in der dargestellten Aus gestaltung in einer separaten Aufnahme 9, vorzugsweise mit Klemmmitteln versehen, fixiert. Dreh- und Kippbewegungen der Kapillare sind nicht oder nur mit hohen Kräften möglich. Die elastische Nachgiebigkeit der so gebildeten Aufhängung der Kapillare ist in axialer Richtung wesentlich höher als ortho gonal zu vorgenannter Symmetrieachse oder Symmetrieebene. Zu mindest eines der elastischen Elemente ist zudem mit einem Aktor 10 (Fig.la) verbunden oder bildet mit diesem eine kon struktive Einheit. Beispielsweise wird hierzu das elastische Element wird durch den Aktor gebildet (Fig.lb) .

Ferner weist das Druckkopfgehäuse 1 mindestens eine Einlass öffnung 11 für ein Führungsgas sowie eine Einspeisemittel 12 für die zu druckende Flüssigkeit auf. Die Strömungsverläufe für das Führungsgas 13 und für die zu druckenden Flüssigkeit 14 sind in Fig.la und b angegeben. Die Einlassöffnungen sind wie beispielhaft dargestellt, vorzugsweise seitlich um die Kapillare 4 und zur Ausbildung einer Mantelströmung in der Vorkammer proximal zu der Düsenöffnung 5 angeordnet. Die Auf hängung der Kapillare im Druckkopf, umfassend die vorgenann ten elastischen Elementen und den Aktor, müssen, sofern sie distal zu den Einlassöffnungen 11 angeordnet sind, axial um- oder durchströmbar , d.h. ggf. mit axial durchströmbaren Aus sparungen versehen sein.

Die in Fig.la dargestellten Einlassöffnungen 11 führen seit lich in das Druckkopfgehäuse . Die Anschlüsse der Einlassöff nungen sind damit seitlich angeordnet, womit ein größerer proximaler Deckelbereich 15 oberhalb der Einlassöffnungen ge legen für Ausgestaltungen zugunsten einer besseren Austausch barkeit der Kapillare einschließlich der Einspeisemittel 12 zur Verfügung steht. Eventuelle nicht vom Führungsgas durch strömte Totvolumina 16 lassen sich allgemein und insbesondere im genannten Deckelbereich konstruktiv durch eine entspre chende Gestaltung des Druckkopfgehäuses 1 oder durch nicht- dargestellte Komponenten (z.B. einen Deckelverschlusssystem) minimieren. Das Druckkopfgehäuse 1 ist grundsätzlich durch eine nicht weiter dargestellte Ausgestaltung z.B. für einen Austausch der Kapillare zerlegbar oder öffnungsfähig. Vor zugsweise ist der Deckelbereich 15 von dem restlichen Druck kopfgehäuse entfernbar, während das Druckkopfgehäuse beis pielsweise über seine Mantelflächen gehalten wird.

Fig.lb zeigt dagegen ein Ausgestaltungsbeispiel, bei dem die Einlassöffnungen 11 im proximalen Deckelbereich 15 in unmit telbarer Nähe zum Einspeisemittel 12 angeordnet sind. Damit sind die Einlassöffnungen nicht mehr wie in Fig.la darge stellt an der Mantelfläche des Druckkopfgehäuses angeordnet, womit die Mantelfläche in vorteilhafter Weise für die Handha bung des Druckkopfgehäuses in einer Druckvorrichtung zur Ver fügung steht, d.h. auch universeller einspannbar und auswech selbar ist. Ferner unterstützt diese Anordnung eine schlan kere Bauform des Druckkopfgehäuses , was z.B. einer engeren Anordnung mehrerer Druckkopfgehäuse und auch einer Magazinie rung derselben entgegenkommt. Auch ist r das Druckkopfgehäuse als solches besser in einer Druckvorrichtung oder mittels ei nes Manipulators bewegbar und ausrichtbar, wenn die Anschlüs se gebündelt sind, d.h. in einen Anschlussstrang zusammenge fasst werden, dessen Realisierung durch die vorgenannte nahe Anordnung der Einlassöffnungen 11 im proximalen Deckelbereich 15 in unmittelbarer Nähe zum Einspeisemittel begünstigt wird. Auch ist diese Anordnung von Vorteil, wenn die Anschlüsse der Einlassöffnungen und der Einspeisemittel z.B. bei einem Ka pillarenwechsel gemeinsam gewechselt werden müssen, z.B. wenn das Führungsgas und die zu druckenden Flüssigkeit z.B. reak tionschemisch aufeinander abgestimmt werden müssen. Außerdem sind die Anschlüsse kompakter gestaltbar, das Druckkopfgehäu se 1 damit besser greifbar, was wiederum der Integration des Druckkopfes als Ganzes in ein Manipulator- oder Robotersystem sehr zugute kommt . Die genannte Aufhängung für die Kapillare in dem Druckkopf gehäuse umfasst mindestens ein elastisches Element, minde stens einen Aktor, vorzugsweise auch eine separate Aufnahme für die Kapillare. Die Aufnahme umfasst weiter bevorzugt Klemmmittel für eine kraftschlüssige Fixierung der Kapillare. Optional weist die Kapillare an der Mantelaußenfläche minde stens eine dreidimensionale Oberflächenstruktur auf, die von der Aufnahme mittels einer dieser Oberflächenstruktur zumin dest teilweise entsprechenden Negativstruktur formschlüssig haltbar ist.

Fig.2a bis e zeigen beispielhaft im Detail verschiedene Aus gestaltungen der Aufhängung der Kapillare im Druckkopfgehäuse mit Translationsaktoren (a) bis (c) , Biegeaktoren (d) sowie Scheraktoren (e) , bei denen die Funktion des Aktors sowie des elastischen Elements vereint sind.

Fig.2a zeigt eine Ausgestaltung mit einem einseitigen Trans lationsaktor, beispielsweise einen piezoelektrischen Aktor vom Typ d31 (Transversalaktor) oder vom Typ d33 (Longitudi nalaktor, in Einschicht- oder Mehrschichtbauweise), der auf einen Vorsprung 17 an der Innenwandung des Druckkopfgehäuses angesetzt ist und gegen ein Kapillarenaufnahmeelement 18 wirkt. Die dargestellte einseitige Anordnung des Aktors eig- net sich nur für geführte Aktorbewegungen im nicht resonanten Frequenzbereich. Eine Ausgestaltung sieht jedoch vor, zwei oder mehrere gleichartige dieser vorgenannten Translationsak toren beidseitig zu einer Kapillare bzw. im regelmäßigen Ab stand zueinander umlaufend zu einer in diesem Fall rotations- symmetrischen Kapillare anzuordnen und synchron zu betreiben, womit eine Achsensymmetrie um die Kapillare hergestellt und damit auch ein Resonanzbetrieb möglich ist. Fig.2b und c zeigen Ausgestaltungen mit einem um die Kapil lare umlaufenden ringförmigen Translationsaktor 19, ausge staltet z.B. als piezoelektrischen d31-Aktor 21 (siehe

Fig.2b) oder d33-Aktor 22 (siehe Fig.2c), der sich auf Grund seiner Symmetrie um die Kapillare für resonante Schwingbewe gungen gut eignet. Der prinzipielle Aufbau ähnelt dem in

Fig.2a gezeigten, das Kapillarenaufnahmeelement weist hierzu eine zusätzliche die Resonanzfrequenz beeinflussende ringför mig um die Kapillare angeordnete Schwingungsmasse 20 auf. Wie in Fig.2c angedeutet, lässt sich die Schwingungsmasse zwei teilig gestalten, wobei die Kapillare zwischen den beiden Teilen grundsätzlich kraft- oder formschlüssig einklemmbar ist.

Fig.2d zeigt eine Aufhängung mit Biegeschwingaktoren, vor zugsweise mehrschichtige gegenläufig gepolte piezoelektrische d31-Aktoren oder ein auf ein Biegeelement aufgebrachter d31- Aktor, die vorzugsweise an der Innenwandung des Druckkopfge häuses eingespannt sind und am anderen Ende auf der Oberflä che der Kapillare angreifen. Fig.2d zeigt beispielhaft eine Ausgestaltung mit zwei spiegelbildlich auf einer Ebene zur Kapillaren angeordnete streifenförmige Biegeschwingaktoren. Für eine stabilere Anordnung, die nur axiale Bewegungen der Kapillare zulassen, ist es vorteilhaft, diese Anordnung an der Kapillare ein zweites Mal parallel an anderer vorzusehen.

Fig.2e zeigt beispielhaft eine Ausführung, bei der der Aktor als Scherschwingaktor 23, beispielsweise ein piezoelektri scher dl5-Wandler ausgestaltet ist. Er wird seitlich an der Kapillaren 4 oder wie dargestellt an der separate Aufnahme 9 für die Kapilläre 4 fixiert (z.B. geklebt). Auf der anderen Seite ist er seitens des Druckkopfgehäuses auf einem Vor sprung 17 fixiert. Dargestellt ist eine Ausgestaltung mit ei nem einzigen Scherschwingaktor, wobei weitere Ausgestaltungen mit zwei oder mehreren derartigen Aktoren denkbar sind, die weiter bevorzugt gleichmäßig, d.h. in einem einheitlichen Winkel zueinander um die Kapillare angeordnet sind.

Die Aufhängung der Kapillare im Druckkopfgehäuse erfolgt bei spielsweise mit Koppelgetriebeanordnungen mit Festkörper oder konventionellen Gelenken in der Weise, dass eine primär eine Translation in Kapillarrichtung erzeugt und die parasi täre Translation senkrecht zur Kapillarrichtung möglichst weitgehend unterdrückt bzw. kompensiert wird und die Kapilla re möglichst auch Momenten frei schwingt. Fig.3a bis e offen baren beispielhafte Ausgestaltungen der Aufhängung der Kapil lare im Druckkopfgehäuse mit separaten elastischen Elementen 28 und separaten Aktoren 10. Die Aufhängungen sind dabei stets so gestaltet, dass die in den elastischen Elementen 28 eingesetzte Kapillaren 4 stets axial, d.h. in Richtung der Symmetrieachse 3 bewegbar sind und die Bewegung durch die Ak toren 10 hervorrufbar sind. Die Aktoren 10 wirken - wie in den dargestellten Ausgestaltungen dargestellt - vorzugsweise direkt auf die elastischen Elemente 28, verformen diese und rufen damit die vorgenannte axiale Verschiebung der Kapillare 4 hervor. Vorzugsweise erstrecken sich die elastischen Ele mente rotationssymmetrisch oder gleichartig und in gleichen Winkelabständen zueinander um die Kapillare herum. Die ela stischen Elemente 28 weisen wiederum elastische Festkörperge lenke 29 oder elastische Biegestreifen 31 auf.

Eine Ausgestaltungsgruppe wird durch Fig.3a bis c repräsen tiert. Sie sieht jeweils mindestens zwei gleichartig gestal tete und zur Kapillare 4 orientierte elastische Elemente 28 vor, die vorzugsweise als Fachwerk gestaltet sind, wobei die Fachwerkelemente untereinander und vorzugsweise um eine Achse gegeneinander schwenkbar gestaltet mit Gelenken, vorzugsweise den vorgenannten elastischen Festkörpergelenken 29 verbunden sind. Die Aktoren 10 sind vorzugweise piezoelektrische Ring- aktoren (z.B. ringförmiger Translationsaktor 19) oder Einzel aktoren, die jeweils mit den elastischen Elementen um die Ka pillare angeordnet sind.

Fig.3a zeigt eine Ausgestaltung mit einem axial zur Kapillare wirkenden und auf einem Vorsprung 17 um die Kapillare ange ordneten Aktor, vorzugsweise einen ringförmigen d31-Aktor. Dieser wirkt vorzugsweise axial auf jeweils ein erstes Fest körpergelenk der als Parallellogrammführung mit jeweils vier Fachwerkelementen gestalteten elastischen Elemente, die über ein Fachwerkelement mit jeweils zwei elastischen Festkörper gelenken 29 auf einer Seite fest in das Druckkopfgehäuse 1 eingesetzt sind und über ein anderes, dem ersten gegenüber angeordneten Fachwerkelement mit zwei anderen elastischen Festkörpergelenken 29 an die im Druckkopfgehäuse axial beweg bare Kapillare angebunden sind.

Fig.3b zeigt eine Weitere Ausgestaltung einer Aufhängung der Kapillare mit elastischen Elementen, die jeweils eine Reihen schaltung einer Parallellogrammführung und einem weiteren viereckigen Fachwerk mit vier Fachwerkelementen umfassen. Fig.3c zeigt eine Ausführung eines elastischen Elements mit fünf elastischen Festkörpergelenken, wobei jeweils zwei die ser Festkörpergelenke in axialer Reihenfolge an der Kapillare bzw. in radialer Reihenfolge an einem Vorsprung an der Innen wandung des Druckkopfgehäuses angeordnet sind und das fünfte Festkörpergelenk wiederum über den Aktor radial zu der Kapil lare ansteuerbar und bewegbar ist. Bei beiden vorgenannten Ausgestaltungen ist der ringförmige Translationsaktor 19 fest in das Druckkopfgehäuse 1 eingesetzt und in seiner Hubaus richtung radial zur Kapillare orientiert. Fig.3b und c reprä sentieren damit beispielhafte Ausgestaltungen, bei denen ra diale Stellbewegungen durch einen Aktor in axiale Kapillaren bewegungen umgelenkt werden. Fig.3d repräsentiert eine beispielhafte Ausgestaltung, bei der die Kapillare 4 im Druckkopfgehäuse axial durch zwei vor zugsweise rotationssymmetrische und/oder vorgespannte Teller- federelemente 30, die die elastischen Elemente bilden, axial bewegbar eingesetzt und geführt wird. Eines dieser Tellerfe derelemente wird axial zur Kapillare durch einen Ringaktor, vorzugsweise einen ringförmigen d31-Aktor, vorgespannt und ausgelenkt, wobei die Anordnung des Ringaktors auf einem Vor sprung 17 um die Kapillare wie in Fig.3a beschrieben erfolgt.

Fig.3e zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung, bei der die Kapillare 4 im Druckkopfgehäuse axial durch drei ela stische Biegestreifen 31 (alternativ Biegeblechelemente), die die elastischen Elemente bilden, und axial bewegbar einge setzt und geführt wird. Dabei dienen im Beispiel zwei der Biegestreifen vorzugsweise nur der Parallelführung der Kapil lare, während mindestens ein dritter Biegestreifen vorzugs weise als Aktor ausgestaltet ist oder von einem Aktor zur Anregung einer Kapillarbewegung ansteuerbar ist. Vorzugsweise ist mindestens einer dieser Biegestreifen mit einem piezoe lektrischen Material beschichtet und bildet mit diesem einen bimorphen Biegeaktor, über den die Kapillare axial bewegbar ist .

Die vorgenannten Ausgestaltungen, insbesondere die in Fig.la und b sowie Fig.2a bis e dargestellten Aufnahmen 9 umfassen vorzugsweise Klemmmittel für die Kapillare 4, die ein axiales Herausziehen der Kapillare in proximaler Richtung, d.h. von der Austrittsöffnung weg ermöglichen. Die Klemmmittel sind vorzugsweise durch ein geschlitztes um die Kapillare vorge spanntes Rohrelement, alternativ durch federnde Einsätze im Rohr, zwei gegeneinander wirkende Einspannelemente für die Kapillare oder durch ein elastisches Element mit einer als Presssitz dimensionierten Bohrung für die Kapillare ausge staltet. Fig .4 zeigt eine beispielhafte Anordnung einer Kapillare 4 in einer Aufnahme 9, wobei für eine exakte Justierbarkeit die dargestellte Kapillare einen Bund 24 (vorzugsweise Erhebung auf der Kapillare oder auf der Kapillare fixierter Ring) als Anschlag aufweist. Damit wird ein Einsetzen der Kapillare in eine reproduzierbare Position in der Aufnahme erzielbar. Eine Ausgestaltung sieht eine zusätzlich an die Kapillare fixierte und diese mechanisch schützende Rohrummantelung mit oder ohne dem vorgenannten Bund vor, an der die Aufnahme , angreift.

Fig.5a bis d zeigen in prinzipieller Schnittdarstellung mög liche Anordnung einer Kapillare 4 in einer mit Klemmmitteln ausgestalteten Aufnahme 9, Fig.5a und b zeigen jeweils eine Ausgestaltung mit vier bzw. drei Kontaktlinien 25, Fig.5c ei ne Ausgestaltung mit einer Kontaktlinie 25 und einer Kontakt fläche 26 sowie Fig.5d eine Ausgestaltung nur mit einer Kon taktfläche 26. Die Vorspannung erfolgt wie dargestellt über elastische Zuganker 27, wie z.B. einstellbar über elastische Dehnungsschrauben. Weitere Kombinationen, wie z.B. Ausgestal tungen mit zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen oder mit elastischen Zwischenelementen (z.B. aus Elastomeren) werden ausdrücklich auch genannt. Eine Klemmung über Kontaktflächen ist insbesondere für Kapillaren aus spröden Materialien wie z.B. Glas schonender als eine Klemmung über Kontaktlinien, erfordert aber zur Vermeidung von Spannungssingularitäten in der Kapillare eine exaktere und damit auch aufwendigere

Anpassung der Kontaktflächen . Bezugszeichenliste :

1 Druckkopfgehäuse

2 Austrittsöffnung

3 Symmetrieachse

4 Kapillare

5 Düsenöffnung

6 Symmetrieebene

7 elastische Element

8 Vorkammer

9 separaten Aufnahme

10 Aktor

11 Einlassöffnung

12 Einspeisemittel

13 Führungsgas

14 zu druckenden Flüssigkeit

15 proximaler Deckelbereich

16 Totvolumen

17 Vorsprung

18 Kapillarenaufnahmeelement

19 ringförmiger Translationsaktor

20 Schwingungsmasse

21 d31-Aktor

22 d33-Aktor

23 Schwerschwingaktor

24 Bund

25 Kontaktlinie

26 Kontaktfläche

27 Elastischer Zuganker

28 Elastisches Element

29 Elastisches Festkörpergelenk

30 Tellerfederelement

31 Elastische Biegestreifen