Brevet FR2602462A1 — publié le 19880212

PROCEDE ET DISPOSITIF D'IMPRESSION PAR JET D'ENCRE. L'invention concerne un procédé d'impression par jet d'encre. Elle concerne également tout dispositif mettant en oeuvre un tel procédé. Une des techniques d'impression par jet d'encre consiste à réaliser un jet continu de gouttes calibrées fourni par un système de modulation relié à un dispositif d'alimentation en encre. Au niveau de la brisure du jet sortant de la buse d'éjection, les gouttes sont chargées électrostatiquement au moyen d'électrodes de charge. Des plaques de déflexion créant un champ électrique les dévient de leur trajectoire. L'ensemble de ces moyens de modulation, d'éjection, de charge et de déflexion constitue la tête d impression. Si le support sur lequel on désire écrire et la tête d'impression sont en mouvement relatif, on obtient la formation d'une matrice d'impression. Il s'agit là d'une technique d'impressiQn extrêmement souple qui rencontre actuellement un grand développement compte tenu de ses performances et des perspectives de développement. Cependant, un certain nombre de problèmes n'ont pas encore trouvé de solutions. Parmi les limites actuelles de cette technique, on peut notamment signaler: - l'impossibilité de réaliser des impressions polychromes autrement qu'en utilisant plusieurs têtes d'écriture distinctes alimentées par des circuits d'encre distincts; - l'impossibilité de réaliser des impressions en deçà d'une certaine résolution, en relation directe avec la dimension de la buse d'émission; - la difficulté à obtenir des temps de séchage courts sur des supports non poreux sans passer par l'utilisation d'encres à solvants très volatiles, ce qui n'est pas toujours évident à mettre en oeuvre. La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes. Elle concerne un procédé de chauffage des gouttes en vol et/ou après leur impact sur le support d'impression, chauffage qui peut être utilisé pour de multiples fonctions dont les principales sont énoncées ci-dessous: - agir sur l'instabilité thermique de certains constituants de l'encre pour obtenir avec une seule buse de la polychromie; - obtenir une stabilité dimensionnelle des gouttes en limitant les solvants volatiles; - diminuer le volume des gouttes pour régler la dimension de leur impact sur le support et/ou obtenir une impression avec un liquide de viscosité élevée; - profiter de l'effet de séchage dû à l'augmentation de température pour améliorer l'impression sur des supports non poreux; - débloquer des réactions de polymérisation dans le cas d'encres bi-composants. L'invention concerne donc un procédé de chauffage s'adaptant à l'architecture d'une imprimante à jet d'encre et capable de coopérer avec la nature de l'encre utilisée. Elle concerne plus précisément un procédé d'impression par jet d'encre mettant en oeuvre une tête d'impression comportant des moyens d'alimentation en encre (80), des moyens de modulation et de fractionnement des gouttes (8,81), des moyens de charge (7) et des moyens de déflexion (16,17), procédé caractérisé en ce qu'il comporte une étape de chauffage des gouttes capable de modifier les caractéristiques de l'encre qui la compose. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles: - la figure 1 illustre schématiquement les moyens mis en oeuvre d'un procédé d'impression par jet d'encre de l'art connu; - les figures 2, 3, 4 et 5 illustrent respectivement quatre variantes de mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention; - la figure 6 explicite plus particulièrement la variante de la figure 3. Pour plus de clarté, les mêmes éléments portent les mêmes références sur toutes les figures. Comme le montre la figure 1 et comme cela a été dit précédemment, une imprimante à jet d'encre est essentiellement constituée d'une tête d'impression (T) avec laquelle coopère un circuit d'alimentation en encre (80). La tête d'impression (T) comporte un système de modulation (8), une buse d'éjection (81) d'où sort le jet d'encre qui se brise en gouttelettes au niveau de l'électrode de charge (7). Des plaques de déflexion (16) et (17) créent un champ électrique capable de dévier ces gouttes de leur trajectoire. Si le support (S) destiné à recevoir les gouttes déviées et la tête (T) sont en mouvement relatif, on obtient une matrice d'impression. Dans l'exemple décrit, il s'agit d'un (M). Toutes les gouttes non utilisées sont récupérées dans une gouttière (1) avant d'être renvoyées dans le système d'alimentation en encre (80) et d'être recyclées. Selon une caractéristique importante de l'invention, sur le trajet des gouttes, on dispose des moyens de chauffage disposés selon l'application considérée soit en amont des plaques de déflexion (figure 2), soit à leur niveau (figure 3), soit en aval de ces dernières (figure 4), soit enfin au niveau du support lui-même avant ou après l'impact des gouttes (figure 5). Une combinaison de plusieurs de ces moyens à des niveaux différents peut d'ailleurs être également mise en place. Un moyen de chauffage plus particulièrement adapté et capable d'agir au niveau des gouttes et/ou du support fait appel, conformément à l'invention, à la mise en oeuvre d'une énergie micro-onde. Celle-ci est, dans toutes les figures, symbolisée par une flèche (F) affectée d'un indice (a,b,c,d) selon sa localisation dans la tête d'impression et/ou au niveau du support (S). La technique elle-même de réchauffems ent par micro-onde, utilisée dans le procédé conforme à l'invention, appartient à l'art connu et n'est donc pas représentée sur toutes les figures. On sait qu'elle met en oeuvre un générateur d'ondes électromagnétiques de haute fréquence, un guide d'ondes comportant une cavité à travers laquelle transite lsobjet (obstacle) à réchauffer, ainsi que des adaptateurs d'impédance. On a représenté l'ensemble de ces moyens sur la figure 6 dans la variante où le chauffage par micro-onde se fait au niveau des plaques de déflexion (16) et (17). Dans tous les cas, la trajectoire des gouttes d'encre traverse la cavité du guide d'ondes de telle sorte que le rayonnement électromagnétique haute fréquence se trouve absorbé par les gouttes et réchauffe donc celles-ci. La perte diélectrique dans l'échauffement étant proportionnelle à la tangente du rapport de la conductivité du matériau à sa permittivité, le choix de l'encre est donc fondamental. Selon une caractéristique importante de l'invention, on utilise de préférence une encre dans laquelle la présence d'eau et la structure microémulsion conduisent respectivement à une permittivité relative élevée et une structure stable malgré la présence de solvants légers et offrant une possibilité de dilution importante. La formulation d'une telle encre fait l'objet du brevet français 8103623 publié sous le numéro 2.500.466 et déposé le 24/02/81. Le liquide d'impression qui y est décrit est constitué d'au moins un solvant organique, d'au moins un colorant, d'une solution électrolytique aqueuse et d'un liant assurant une répartition satisfaisante du colorant sur le support. Ce liquide comprend en outre un agent antidimixion miscible à l'eau, destiné à prévenir la séparation de phase de mélange d'eau et du ou des solvants non miscibles à l'eau. On a ainsi une encre dite de type microémulsion. La présence de l'eau est un facteur important car le Er de l'eau est élevé (environ 80 par rapport à0 du vide). Avec une telle encre, le fait que, conformément à l'invention, on chauffe les gouttes ou les trains de gouttes de manière sélective, permet de réaliser une imprimante polychrome et ceci, à partir d'un jet unique. Les colorants sont choisis dans la gamme des colorants présentant une instabilité en température, colorants qui sont, il faut le noter, habituellement rejetés à cause précisément de cette instabilité considérée jusqu a maintenant comme un défaut et qui devient, dans le cadre de la présente invention, une qualité mise à profit. La sélectivité du chauffage entre les gouttes ainsi que la variété au niveau des températures susceptibles d'être obtenues grâce au chauffage par micro-onde conduit à l'obtention de points d'impact dont la couleur dépendante de ces paramètres peut donc être choisie à la demande. La polychromie est ainsi obtenue avec une seule encre et une seule buse. De plus, l'association dans la micro-émulsion de solvants très volatiles et d'eau conduit à la possibilité, grâce à ltélévation de température de la goutte obtenue par le chauffage micro-onde, d'accélérer considérablement le processus d'élimination du solvant de la goutte et donc de diminuer le volume de celle-ci et d'obtenir une impression avec un liquide rendu visqueux. Dans certains cas, l'application des ondes électromagnétiques haute fréquence (micro-ondes) aux gouttes étalées sur le support permet d'accélérer le temps de séchage. C'est le cas en particulier dans les systèmes de marquage utilisant des grosses gouttes et devant être appliqués sur des supports peu ou non poreux. La qualité de viscosité est ici encore très importante.. Les dispositions constructives, c'est-à-dire l'adaptation des moyens de chauffage en amont ou en aval des moyens de déflexion des gouttes, sont déterminées en fonction d'un certain nombre de paramètres qui sont illustrés ci-dessous au moyen de calculs donnés ici à titre d'exemple nullement limitatif. La puissance active mise en jeu a pour expression: P=E2 V 27r E tg & où (E) est le champ électrique, (Vo) est le volume diélectrique, () la permittivité, et (tg) la tangente de perte, c'est-à-dire la tangente du rapport de la conductivité du matériau à sa permittivité. Ce paramètre montre bien que tous les efforts faits pour améliorer la conductivité de l'encre, donc sa capacité à être défléchie, sont aussi favorables à l'obtention d'un échauffement par micro-onde efficace. Si l'on prend comme exemple une goutte ayant un rayon (r) égal à 75 micromètres, une vitesse (V) égale à 15 mètres par seconde, une trajectoire exposée (L) égale à 0,030 mètre, la capacité calorifique de l'encre étant (Cp) = 4180 joules par degré et par kilogramme, on peut donc calculer le volume des gouttes, leur masse, la quantité de chaleur pour élever la température d'une goutte d'un degré, la durée de chauffage de la goutte et en déduire la puissance (Pg). Pour une élévation de 500 C, la valeur de cette puissance est de 0,166 Watt environ, ce qui conduit à des dimensions de cavité tout à fait compatibles avec le reste de l'architecture de la tête d'impression. En amont ou en aval des plaques de déflexion (16,17), y compris au niveau du support (S) à condition que celui-ci soit conducteur ou au moins polarisable, l'interposition de moyens de chauffage par micro-onde, à condition d'être bien adaptée, ne pose pas de problèmes. En revanche, au niveau des plaques de déflexion (16,17), la présence d'un champ électrique continu ou pseudo-continu entre ces plaques fait qu'il n'est pas possible de relier le second côté du guide d'ondes à l'autre plaque. La figure (6) illustre une variante de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention adapté à ce cas de figure. Après passage dans l'électrode de charge (7) (non représenté sur la figure 6), les gouttes pénètrent entre deux plaques électriques respectivement (16) et (17) alimentées par un générateur électrique de déflexion. Ce générateur délivre à ses bornes une tension continue dont la valeur dépend d'un signal (s) de modulation introduit à son entrée. Il en résulte la création d'un champ électrique constant, ou pseudo-constant (modulé par le signal s), qui influe sur la trajectoire des gouttes. Pour appliquer le rayonnement électromagnétique (Fc) micro-ondes, on réalise un guide d'ondes (22) (figure 6) alimenté à une extrémité (23) par un signal hyperfréquence (24), et débouchant à une autre extrémité (25) sur la trajectoire des gouttes. De manière à assurer un échauffement de celles-ci le plus efficace possible, l'orientation de la direction de propagation du guide d'ondes est sensiblement perpendiculaire à cette trajectoire. Au moyen d'adaptateurs d'impédance tels que (26), on peut s'arranger pour qu'a l'endroit de la trajectoire des gouttes, le champ électrique développé par l'onde guidée soit à son maximum. Dans un exemple, le guide d'ondes (22) est rectangulaire et un de ses grands côtés (27) est couplé électriquement avec une des plaques, par exemple la plaque (16).Comme cela vient d'être dit, du fait de la présence du champ électrique continu ou pseudo-continu entre les plaques (16) et (17), il n'est pas possible de relier l'autre grand côté (28) du guide à l'autre plaque (17). La plaque (17) est donc séparée de l'autre grand côté (28) du guide par un espace (29) d'isolement électrique. Cet espace rompt cependant la continuité électrique du guide au regard de l'onde électromagnétique. Pour éviter cet inconvénient, il est possible de relier le grand côté (28) à la plaque (17) au moyen d'un filtre passe-haut (30) découplant la tension de polarisation des plaques (16) et (17) du guide (28). Ce filtre constitue néanmoins un court-circuit vis à vis de l'onde électromagnétique hyperfréquence. On peut encore adjoindre à la plaque (17) une plaque rabattante (31) fermant le guide. La plaque (31), si elle est conductrice, est séparée également de la plaque (16) par un espace d'isolement (33). La plaque (31) contribue également à l'adaptation de l'impédance du guide. Sachant que la trajectoire de l'encre (2) doit se trouver à un endroit où le champ électrique doit être maximum, il est envisageable de calculer une fréquence de l'onde électromagnétique hyperfréquence telle que sa longueur d'onde (H) soit égale au double de la distance qui sépare l'espace (29). de l'espace (31), cette dernière étant donc égale à (ex/2). Dans ces conditions, les deux espaces d'isolement peuvent n'avoir que peu d'influence: ils peuvent se situer dans des régions où le champ électrique est nul. Par contre, le lieu de la trajectoire (tj) des gouttes est de préférence à mi-chemin (j4) de ces espaces d'isolement: là où le champ électrique est le plus fort. Si on retient comme fréquence d'excitation de l'excitateur piézoélectrique du système de modulation (8) la valeur courante de 64 kilo-hertz, on peut en déduire que la distance qui sépare les gouttes les unes des autres est de l'ordre de 234 micromètres, et que tout le long de la trajectoire, le nombre de gouttes exposées au champ est de l'ordre de 128. Dans ces conditions, la puissance absorbée par toutes ces gouttes, si on veut toutes les échauffer de 500, vaut environ 21 watts. Compte-tenu de l'expression de la puissance électrique à mettre en oeuvre donnée plus haut, et du choix d'une fréquence de travail égale à 2450 méga-hertz, fréquence couramment utilisée en chauffage par micro-ondes domestiques et correspondant à des normes légales, on est conduit à retenir un champ électrique micro-onde de l'ordre de 100 kilo-volts/mètre.Il est possible de moduler en amplitude le signal hyperfréquence (24). On module alors la valeur de l'échauffement: les gouttes peuvent changer de couleur, diminuer de volume ou tout simplement s'échauffer différemment. La fréquence de cette modulation peut être aussi élevée qu'on le veut et modifier ainsi les caractéristiques de l'encre. A une fréquence de travail de cet ordre de grandeur, la longueur d'onde micro-onde vaut environ 0,1 mètre. L'injection de l'onde électromagnétique hyperfréquence dans le guide (22) peut se faire au moyen d'un câble coaxial (32) dont la tresse est électriquement raccordée à une paroi du guide et dont l'âme (34) qui pénètre dans le guide par un trou ménagé à cet effet, se dresse perpendiculairement à cette paroi. Avec ce choix de fréquence, on s'arrange alors pour que la distance qui sépare l'électrode (34) du lieu de la trajectoire des gouttes soit la plus faible possible: le champ électrique décroit en effet sinusoidalement quand on s'éloigne de l'électrode (34). Comme cela a déjà été dit précédemment, une tête d'impression, dans laquelle on associe aux moyens de projection des gouttes vers le support à imprimer, des moyens de chauffage des gouttes par micro-onde, en combinaison avec l'utilisation d'une encre plus particulièrement adaptée (à micro-émulsion) contenant de l'eau, on obtient un certain nombre de résultats intéressants. Les principaux portent sur la résolution de l'impression, le séchage des gouttes sur des supports non poreux, la constance du volume des gouttes et l'obtention d'une impression avec un liquide de viscosité élevée. Enfin, si l'on fait appel à des colorants sensibles à la température, on peut obtenir, avec une seule tête, une impression polychrome. L'invention trouve son application dans tous les domaines concernant l'impression par jet d'encre où se posent des problèmes de couleur, de support non poreux, de régularité de grosseurs de gouttes, de séchage... REVENDICATIONS 1) Procédé d'impression par jet d'encre mettant en oeuvre une tête d'impression comportant des moyens d'alimentation en encre (80), des moyens de modulation et de fractionnement des gouttes (8,81), des moyens de charge (7) et des moyens de déflexion (16,17), procédé caractérisé en ce qu'il comporte une étape de chauffage des gouttes capable de modifier les caractéristiques de l'encre qui la compose. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce chauffage des gouttes est réalisé en amont de la phase de déflexion des gouttes. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce chauffage des gouttes est réalisé au niveau de leur passage à travers les plaques de déflexion. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce chauffage est réalisé en aval des plaques de déflexion. 5) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé au niveau du support recevant les gouttes déviées. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échauffement est obtenu par absorption par les gouttes d'encre d'une onde électromagnétique de haute fréquence dite micro-onde. 7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'encre utilisée est constituée d'au moins un solvant organique, d'au moins un colorant d'une solution électrolytique aqueuse et d'un liant. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ce colorant présente une instabilité thermique qui le fait changer de couleur sous l'effet de la température. 9) Procédé selon l'une des revendications 6, 7 et 8, caractérisé en ce que l'encre utilisée contient un solvant très volatile, ce qui permet l'obtention d'un séchage de l'encre rapide, sous l'effet du chauffage des gouttes, et ceci même sur un support non poreux. 10) Procédé selon l'une des revendications 6, 7, 8 et 9, caractérisé en ce que l'impression est obtenue avec une encre de viscosité élevée. 11) Dispositif d'impression à jet d'encre mettant en oouvre un procédé selon l'une des revendications précédentes. 12) Dispositif d'impression selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte coopérant avec la tête d'impression des moyens de chauffage par micro-onde constitué d'au mpins un générateur d'onde électromagnétique haute fréquence, d'un guide d'onde, et d'une cavité traversée par le jet des gouttes avant, durant ou après leur déflexion. 13) Dispositif d'impression selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que les plaques de déflexion (16) et (17) constituent les parois de la dite cavité.