Tintenstrahldruckköpfe strahlen Flüssigkeiten präzise aus und verarbeiten verschiedene Tintentypen und Viskositäten. Die wichtigsten Technologien sind der piezoelektrische (unter Verwendung von PZT-Material) und der thermische Tintenstrahl (Erhitzung der Tinte in Dampf). Außerdem gibt es den kontinuierlichen Tintenstrahl für hohe Geschwindigkeiten und den Ventilstrahl für große Tropfen. In der Branche gibt es mehr Forschung und Entwicklung, angetrieben durch neue industrielle und 3D-Druck-Anwendungen.
Tintenstrahldruckköpfe sind das Herzstück der digitalen Revolution und jedes Tintenstrahldruckers, daher ist es immer nützlich zu verstehen, wie diese Geräte funktionieren. Der Zweck eines Druckkopfes besteht einfach darin, kleine Tropfen einer bestimmten Flüssigkeit nach Bedarf auf ein Substrat aufzutragen. Dabei kann es sich um eine Tinte für grafische Anwendungen oder um eine funktionelle Flüssigkeit, wie z.B. eine Beschichtung, für den industriellen Einsatz handeln, wobei die meisten Druckköpfe für viele verschiedene Anwendungen ausgelegt sind. Das Hauptmerkmal ist die Genauigkeit, mit der die Tröpfchen genau dort platziert werden, wo sie benötigt werden, was bei höheren Druckgeschwindigkeiten eine größere Herausforderung darstellt.
Der Druckkopf muss in der Lage sein, die Eigenschaften einer Reihe verschiedener Flüssigkeiten oder Tinten zu verarbeiten. Viele der heute gebräuchlichen Druckköpfe sind für die Verarbeitung von UV-härtenden Tinten ausgelegt, aber andere Flüssigkeiten können auf Lösungsmittel, Wasser oder Öl basieren. Das stetige Wachstum des Textildrucks und des Single-Pass-Akzidenzdrucks hat zu einer erhöhten Nachfrage nach Druckköpfen geführt, die wasserbasierte Tinten verarbeiten können. Der Kopf und alle dazugehörigen Flüssigkeitsmanagementsysteme müssen gehärtet sein, um den Chemikalien in diesen Flüssigkeiten zu widerstehen, wie z. B. Lösungsmitteln, die das Material des Kopfes angreifen, oder Wasser, das einen Kurzschluss in der internen Elektrik verursachen könnte.
Die OEMs wollen zunehmend die Funktionalität ihrer Flüssigkeiten erhöhen, womit die Hersteller von Druckköpfen Schritt halten müssen. In vielen grafischen Märkten gibt es einen klaren Trend zu Tinten mit höherem Pigmentgehalt, was zu einem geringeren Tintenverbrauch führen sollte. Solche Tinten haben in der Regel eine höhere Viskosität, die das Ausstoßen der Tinte erschwert. Es gibt jedoch viele Möglichkeiten, dieses Problem zu umgehen, z.B. durch Erhitzen der Tinte, um ihre Viskosität zu verringern. Die meisten Druckköpfe sind jedoch auf eine Viskosität von 10 oder 20 cP beschränkt, obwohl einige Xaar-Druckköpfe Flüssigkeiten mit einer Viskosität von bis zu 100 cP verarbeiten können.
Einige Druckköpfe können die Tinte innerhalb des Kopfes umwälzen, um zu verhindern, dass sich Partikel in der Tinte absetzen und um Verstopfungen im Bereich der Düsen zu beseitigen. Dies ist bei bestimmten Tinten nützlich, z.B. bei weißer Tinte, die große Partikel enthält, sowie bei industriellen Anwendungen, bei denen viel Staub und Schmutz in der Atmosphäre vorhanden sein kann. Die Umwälzung kann auch dazu beitragen, die Temperatur der Tinte aufrechtzuerhalten, da sie an einer Heizung vorbei zirkuliert.
Die große Mehrheit der Großformatdrucker verwendet piezoelektrische Drop-on-Demand-Druckköpfe. Diese beruhen auf einem natürlich vorkommenden Phänomen, bei dem eine elektrische Ladung die Form einiger Materialien verändern kann. Die meisten dieser Druckköpfe sind mit Aktuatoren aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) ausgestattet, das aufgrund seiner piezoelektrischen Eigenschaften sehr effizient seine Form verändert, um die Tinte aus den Tintenkammern durch die Düsen zu drücken.
Diese piezoelektrischen Druckköpfe können weiter in zwei Klassen unterteilt werden. Der vielleicht häufigste Typ ist der Bulk-Piezo, der einen Block aus piezoelektrischem Material verwendet. Ein gutes Beispiel hierfür ist der von Kyocera entwickelte monolithische Blockantrieb. Der Name Kyocera leitet sich von Kyoto Ceramics ab. Das Unternehmen hat sein Fachwissen im Bereich der Keramik genutzt, um einen dichten polykristallinen Keramikaktuator mit dünnen piezoelektrischen Keramiksubstraten zu entwickeln. Das Ergebnis ist eine sehr dünne piezoelektrische Aktuatorplatte mit einer Länge von 116 mm und einer Breite von 34 mm und einer Tiefe von nur 0,04 mm, die sich über den Tintenkammern im Kopf befindet. Durch die präzise Steuerung der an diesen Aktuator angelegten Spannung über die Wellenform und die Ansteuerelektronik ist Kyocera in der Lage, die Form dieses Aktuators subtil zu steuern, um die Tinte aus jeder der Tintenkammern auszustoßen. Viele andere Druckköpfe basieren ebenfalls auf ihren eigenen Varianten des Bulk-Piezo-Ansatzes, darunter der Ricoh MH5320 Gen6, der Fujifilm Dimatix Starfire und die meisten Druckköpfe von Xaar.
Die alternative piezoelektrische Methode ist der Ansatz der mikroelektromechanischen Systeme (MEMs), bei dem die Halbleitertechnologie für die Konstruktion des Aktors verwendet wird. Theoretisch ermöglicht dies eine höhere Komplexität und Präzision. Es gibt zwei Hauptansätze für das Hinzufügen von PZT zu den Aktuatoren. Fujifilm Dimatix bevorzugt gesputtertes PZT und Ricoh und andere verwenden Sol-Gel, aber beide führen zu einem sehr dünnen PZT-Film. Das Silizium wird Schicht für Schicht aufgebaut, wobei mit Hilfe der Fotolithografie Muster innerhalb dieser Schichten erzeugt werden, um die Kanäle für die elektronischen Schaltungen und das Fluidikmanagement zu schaffen. Typische Beispiele sind die Fujifilm Dimatix Samba, Epson PrecisionCore und Ricoh TH5241.
Ein weiterer gängiger Druckkopftyp ist der thermische Tintenstrahldruck (TIJ), bei dem die Tinte erhitzt wird, bis sie eine Dampfblase bildet, die den Tropfen aus der Düse drückt. Dies funktioniert nur mit Tinten auf Wasserbasis, wie Latex- oder Harztinte, und wird hauptsächlich von HP und Memjet in Großformatanwendungen eingesetzt. HP verkauft auch Thermodruckköpfe an andere Erstausrüster, die vor allem für Codierungs- und Markierungsanwendungen sowie für einige grafische Verpackungsdrucke verwendet werden. Thermodruckköpfe haben im Allgemeinen eine relativ kurze Lebensdauer und werden als Verbrauchsmaterial betrachtet. Allerdings ist es sowohl HP als auch Memjet in den letzten Jahren gelungen, die Lebensdauer ihrer Thermoköpfe zu verlängern. Canon verfügt ebenfalls über die TIJ-Technologie, hat sich aber hauptsächlich auf Desktop-Drucker konzentriert. Canon hat jedoch kürzlich TIJ-Druckköpfe für eine kommerzielle Produktionsdruckmaschine entwickelt und steht kurz vor der Einführung einer industriellen Etikettendruckmaschine mit Thermodruckköpfen.
Dann gibt es noch den Continuous Inkjet oder CIJ. Dieses Verfahren ist für den Großformatdruck nicht relevant, wird aber häufig für Codierungs- und Markierungsanwendungen eingesetzt. Es ist auch die Grundlage für die UltraStream-Druckköpfe von Kodak, die für die Hochgeschwindigkeits-Akzidenzdruckmaschine Ultra 520 verwendet werden, sowie für die Erweiterung von Rollenoffsetdruckmaschinen um digitale Funktionen. Das Prinzip besteht darin, dass die Tintentropfen in einem kontinuierlichen Strom abgefeuert werden, der eine sehr hohe Strahlgeschwindigkeit ermöglicht. Die meisten Tintentropfen werden zur Wiederverwendung abgelenkt, so dass nur die benötigten Tropfen tatsächlich auf dem Substrat landen.
Schließlich ist es auch erwähnenswert, dass es auf dem Grafikmarkt einige Anwendungen für ValveJet-Druckköpfe gibt. Ricoh hat beispielsweise auf der Fespa Global in Berlin eine Anwendung für den personalisierten Reifendruck gezeigt, bei der für jede Farbe eine einzelne Düse verwendet wird. Das Prinzip hinter dem ValveJet-Ansatz ist recht einfach. An einem Ende der Flüssigkeitskammer befindet sich eine Öffnung, die durch ein Ventil verschlossen wird. Ricoh verwendet zum Öffnen und Schließen dieses Ventils einen Piezoantrieb. Die Flüssigkeit wird aus einem Drucktank zugeführt, so dass beim Öffnen der Düse der Luftdruck ausreicht, um den Tropfen herauszudrücken. Der Vorteil ist, dass große Tintentropfen für eine hohe Deckkraft ausgestoßen werden können. Dies ermöglicht funktionellere Tinten mit größeren Partikeln und einer hohen Viskosität oberhalb des 100cP-Bereichs.
Mit Blick auf die Zukunft gibt es ein wachsendes Interesse an der Nutzung des Tintenstrahldrucks für industrielle Anwendungen, darunter auch der 3D-Druck. Das bedeutet ein größeres Marktpotenzial für die Hersteller von Druckköpfen. Das rechtfertigt mehr Forschung und Entwicklung, die letztlich zu einer größeren Auswahl an Druckköpfen führen wird, mit denen Drucker-OEMs arbeiten können.