在曲面上的激光印刷

本发明涉及一种在含有曲面部分(curved surface section)的基底上印刷的方法，所述由此印刷的基底和所用的印刷装置(printing apparatus)。

经常需要在物体的曲面上，特别是在汽车曲面上涂漆或印刷。

在没有特殊印刷机的情况下，其中遮蔽基底的简单喷涂可能提供足够的结果。为此，使用用于喷漆的遮蔽胶带。在需要遮蔽弯曲边缘和三维表面的情况下，可使用具有极高的共形水平的特殊细线胶带。

但是，通常难以提供这样的遮蔽胶带——其一方面在相关基底上提供良好的附着力，另一方面可随后移除而不留下任何胶粘剂残留物。此外，基底的遮蔽，例如在汽车部件上提供字母的框架，是耗时的并且不能被认为是时间有效的。这种方法的另一个缺点是施加效率并非最佳程度，以致被称为过喷(overspray)的部分喷漆没有落在要涂装的基底部分上，而是落在遮蔽材料上。

因此，通常使用复杂的印刷装置在物体的曲面上进行喷墨印刷，以提高效率。这样的装置通常包含具有多个喷嘴的喷墨印刷头，并且这些还可操作以实现喷嘴和基底的相对运动。

US 201102626和US 10150304提出用于为车辆部件涂漆的这种机器类型。所述机器类型包含施加涂布剂的施加装置，其中该施加装置包括印刷头，其从包括在印刷头上的多个涂布剂喷嘴排出涂布剂。

但是，这种复杂的机器在使用灵活性和效率方面并非最佳，因为需要涂布喷嘴。涂布喷嘴的使用通常意味着对所用漆的流变性和成分的限制。通常，经由喷嘴难以印刷高粘度的漆或含有较大粒子的漆。此外，墨水喷嘴容易堵塞，并在更换墨水的情况下，必须清洁喷嘴。这进一步限制了这种机器的普遍和实际应用。

本发明解决的问题因此在于提供一种在物体的曲面上选择性印刷的方法。一方面，印刷结果应该具有高质量，另一方面，印刷方法应该是高效的。

对这一问题的解决方案是一种使用具有可移动印刷头的墨水印刷组装件(inkprinting assembly)印刷含有曲面部分的基底的方法，所述可移动印刷头包含具有墨层的墨水载体，

对所述墨层进行区域性照射(irradiated regionally)以在墨层中形成热隆起(heat bulge)，这导致墨滴分离(splitting)以使所述墨水印刷组装件充当用于从墨层射出墨滴的无喷嘴液滴喷射器，其中

通过提供具有三种平移自由度(freedom in translation)以使得能够水平(Tx)、垂直(Tg)和深度(Tz)平移的印刷头，使印刷头相对于基底移动以调节印刷头与基底的曲面部分之间的距离。

无喷嘴液滴喷射意味着根据相关印刷机制没有使用任何墨水喷嘴。

具有三种平移自由度(通过能够沿水平、垂直和深度轴进行平移运动而用于定位印刷组装件)使得甚至在强曲面基底上也能够以清晰边缘(sharp edges)进行印刷。

根据本发明的印刷方法能够在物体的曲面上，特别是在汽车曲面上以清晰边缘涂漆或印刷。不必在印刷前遮蔽相关基底，从而提高效率。

由于根据本发明的印刷方法避免使用印刷喷嘴，产生额外的优点。无喷嘴工作意味着提高了印刷方法的灵活性和通用性，因为例如也有可能印刷高粘度的漆或含有较大粒子的漆。相关的无喷嘴印刷也使得更容易改变印刷墨水的颜色。

另外，应该说，可以避免在转移的墨滴周围形成卫星物(satellites)。

应该指出，根据本发明的印刷方法在曲面基底上也能够以清晰边缘进行印刷。

由于该新型涂布方法没有喷嘴，没有由喷嘴造成的分辨率(resolution)限制。利用根据本发明的这种技术，可以以高印刷分辨率印刷具有高粘度和大粒子的墨水而没有任何问题。

根据本发明的这种无喷嘴数字印刷技术(nozzleless digital printingtechnology)实现了印刷点尺寸<500μm或<200μm或<100μm的印刷分辨率以及高涂层厚度。湿涂层厚度>10μm，更好地>20μm。通过重量分析测定“湿涂层厚度”。“干涂层厚度”更难精确测量(例如通过光学显微镜进行长度测量)。(最终产品的)干涂层厚度和(直接在印刷后的)湿涂层厚度之间的差异取决于墨层在其干燥(除去溶剂)过程中的收缩率。在实践中，干涂层厚度通常为相应湿涂层厚度的大约5–50％。

相关的高印刷质量的特征还在于低“卫星生成率(satellite generating rate)”(印刷图像外的飞溅点(splash))：卫星生成率通过显微镜卫星计数(计数飞溅点的数量)测定。相关卫星生成率小于5个飞溅点/mm

因此，本发明提供一种通过如上所述的方法印刷的含有曲面部分的基底，其中实现小于5个飞溅点/mm

根据本发明的方法的印刷机制：

通常，借助透过墨水载体(ink carrier)区域性加热墨层，优选逐行加热墨层的激光器加热墨层，因此特别通过蒸发成分加热墨水并形成隆起(bulge)。

所用激光器可以特别是开关式激光器(switched laser)。根据一个实施方案，激光器生成形成印刷图像的点的网格(grid)。根据另一实施方案，激光器成行行进(runs inlines)。点和线的组合同样是可能的。

总之，通常借助激光器，更特别借助开关式激光器照射墨层。

墨层被加热，以分离出(split off)形成的墨水粒子并朝基底的方向抛出。

墨水分离(ink splitting)是一种墨水转移过程，特别在其中墨滴转移到基底上，在此永久附着并形成印刷点或印刷线。

附着优选主要，更优选完全通过基底与形成的墨滴之间的粘附力发生。

但是，也可能想到，至少在辅助功能中，利用磁力或静电力，以使隆起附着在基底上并因此形成转移到基底上的液滴。

通常，墨水载体和墨层彼此平行地移动(通常墨层位于循环墨带上)。

通常，基底和墨水载体以通常相当于印刷速度的大约一半的速度相对于彼此移动。

印刷速度应该被定义为每秒扫描的印刷线数乘以印刷线宽。

这能够实现干净的印刷图像和高分辨率。

可能另外借助提供两种旋转自由度的特殊联接支持印刷组装件的定位。然后，印刷头通常具备两种旋转自由度，其通过使其能够沿两个垂直轴旋转(Rx，Ry)而支持和确保印刷头的取向。

所用的开关式激光器通常被设计为以单个光波长工作但提供光强度和开关频率(switching frequency)的可变性的激光器。

墨层可通过用墨水涂布墨带形成。这特别可配置为循环带，为了制造墨层，将其导过上墨单元，更特别是咬合上墨单元(nip inking unit)。

可以以可变厚度(无级)生成与墨水载体接触的所述墨层，以致喷射墨水的当前量(the current amount of the ejected ink)可调节。(墨带上的)墨层厚度通常应该>30μm。

通常，喷射墨水的当前量可通过照射强度的变化，更特别通过激光功率的变化(无级)调节。

采用本发明的方法，有可能将厚度为1至100μm，优选10至50μm的墨层施加到基底上。

在一个优选实施方案中，墨层包含吸收粒子和重均(Mw)分子量大于250 000g/mol的可溶性聚合物，其中根据DIN 55672-2:2016-3测定可溶性聚合物的重均(Mw)分子量。

根据本发明的优选实施方案，将分子量Mw大于250 000g/mol的可溶性聚合物作为添加剂添加到用于墨层的墨水的溶剂中。

根据DIN 55672-2:2016-3测定所述重均(Mw)分子量：使用N,N-二甲基乙酰胺作为洗脱溶剂。

附加的实用测量细节：尤其使用PSS-SDV凝胶(大孔苯乙烯-二乙烯基苯共聚物网络)柱。(更)尤其使用四个PSS-SDV凝胶(大孔苯乙烯-二乙烯基苯共聚物网络)柱的组合；尺寸：每个柱300mm*8mm ID；粒度:5或10μm；孔径:

已经表明，通过加入可溶于溶剂的聚合物，有可能显著降低形成卫星物(飞溅点)的风险。

不受制于理论，但这很可能归因于就由此改性的墨水而言更高的弹性等因素。

可溶性聚合物的比例根据本发明的一个实施方案为总墨水混合物的0.05-2重量％。可溶性聚合物的比例优选为总墨水混合物的大于0.05和/或小于1重量％，通常大于0.1和/或小于0.8重量％。

优选的可溶性聚合物通常一方面具有高分子量，另一方面可溶于所用溶剂。

根据本发明的一个优选实施方案使用的可溶性聚合物包括纤维素酯、硝酸纤维素、纤维素醚，更特别是羟丙基纤维素、聚氨酯或乙烯基聚合物。特别地，羟丙基纤维素(换言之，其中一些羟基作为含羟丙基的醚连接的纤维素醚)似乎特别适用于提供本发明的效果。但是，也可能使用其它类型的可溶性聚合物，如聚醚(例如聚乙二醇)、聚丙烯酸酯(例如聚丙烯酸)或甚至还有天然聚合物(例如基于藻酸盐)。应该考虑到，必须选择相关聚合物在其中可溶的适当溶剂或溶剂混合物。通常，可能使用(极性)有机溶剂(其也可基于单体，如可聚合的乙烯基单体)。但是，水可能是对特定应用有利的溶剂。

已经发现，在大约Mw:250 000g/mol至大约1 500 000g/mol的平均分子量范围内的可溶性聚合物的低量掺入对墨水的印刷行为具有正面影响。

这些掺合剂(admixtures)改变墨水的所谓弹性。在更低Mw范围(Mw:10 000g/mol至大约100 000g/mol)附近的可溶性聚合物的掺合剂只有增稠效果和仅轻微的防飞溅性质。相反，具有更高Mw值(>1 500 000g/mol)的聚合物没有带来防飞溅性质的进一步改进，而是仅进一步阻碍可溶性。因此优选使用具有低于2 500 000g/mol，更优选低于1 500000g/mol的分子量(Mw)的聚合物。

总之，可溶性聚合物通常具有250 000g/mol至2 500 000g/mol的重均(Mw)分子量，且可溶性聚合物的比例优选为总墨水混合物的0.05至2重量％。

根据一个优选实施方案，吸收粒子(absorbing particle)含有炭黑或由炭黑组成。

但是代替这样的纯吸收粒子或除了这样的纯吸收粒子外，也可能使用反射粒子(reflective particle)。这样的反射粒子还应该具有对激光束的吸收性质，尤其是在所用激光的波长范围内，更特别是在300至3000nm的范围内。但是，不同于吸收粒子如炭黑粒子，反射粒子也具有对可见光波长谱的反射性质。

可以使用对所用激光的波长，更特别是300至3000nm具有高反射的粒子。

不同于现有技术中已知的吸收粒子，例如炭黑，反射粒子可能对墨层传达的着色印象是基本中性的。

可用的粒子首先是例如金属粒子或金属涂覆的载体材料的粒子。这些粒子基于镜面产生反射。特别有可能使用所谓的效果颜料，优选光泽颜料。

反射粒子可以特别地以大于1和/或小于10重量％的量添加到用于墨层的墨水中。

此外，可以使用利用全反射产生镜面效应的透明粒子。也可使用具有光学干涉涂层的粒子。

粒度可以通过激光衍射测量法测定。这可以使用测量仪器，例如

以这种方式，可以实现特别有效的吸收。

为了实现高反射效应，可以使用在L*a*b*颜色空间中的L*值大于50，优选大于70，更优选大于80的粒子。

此外，粒子的颜色可以是中性的。在一个实施方案中，该粒子在L*a*b*颜色空间中具有+/-30的a*和/或b*值。更特别可以使用在L*a*b*颜色空间中的a*和/或b*值小于+/-5，优选+/-3的粒子。

反射粒子通常具有>50的纵横比和通常平均粒子厚度P

反射粒子通常具有>25的纵横比和P

通过使用Helos/BR Multirange(Sympatec)装置根据制造商的指示和根据ISO13320-1的激光散射粒度测定法测量粒度分布。在测量粒度分布前将粒子在搅拌下溶解在异丙醇中。在夫琅禾费近似(Fraunhofer-approximation)中作为等效球体的体积加权累积频率分布计算粒度函数。中值d50是指测量粒子的50％低于这一值(在体积平均分布中)。取d50值作为平均粒度。使用反射式电子显微镜(REM)测定粒径。将常规用于电子显微术的树脂，例如TEMPFIX(Gerhard Neubauer Chemikalien,D-48031Munster,Germany)施加到样品板上并在热板上加热到软化。随后，从热板上取下样品板并将要测量的样品散布到软化树脂上。在厚度的测量中，相对于垂直于表面的平面估算颜料的方位角α并在根据公式H

由H

使用DTM

通常，将印刷后的墨水干燥或热固化和/或两个或更多个墨层彼此叠加地施加。

本发明还涉及一种含有曲面部分的基底，其通过如上所述的方法印刷。

所述基底可能由汽车部件提供。但是，基底可能基于任何其它主体类型，尤其是机器(例如飞机或船舶)或机器部件。对基底主体的相关材料没有限制，其可以是例如金属、人造材料、石头、纸或木材。

本发明还涉及一种印刷装置，其含有无喷嘴液滴喷射器、可移动印刷头和用于移动所述印刷头以提供三种平移自由度以使得能够水平(Tx)、垂直(Tg)和深度(Tz)平移的装置，其配置为执行如上所述的方法。

通常，所述用于移动印刷头的装置作为具有与印刷头连接的臂的机器人(robot)提供。

根据一个具体实施方案，用于移动印刷头的装置另外提供两种旋转自由度，其通过使其能够沿两个垂直轴旋转(Rx，Ry)而支持和确保印刷头的取向。

在WO 2019/145300中描述了提供不同喷墨机制的印刷装置。尽管该印刷头的一般原理相似，但其只能用于在平坦表面上印刷。为了显示在实践中与所述印刷装置的对比，下面通过附图说明根据本发明的印刷装置如何工作。

附图显示了

图1经过印刷头的示意性横截面，

图2空间控制的印刷头的示意图和

图3在曲面上印刷的示意图。

在根据附图的印刷系统中，以下组件通常是相关的：

墨带(Ink ribbon)、墨水、能量束投影仪(energy beam projector)、能量束、上墨单元(inking unit)、写入线(writing line)、3D表面、印刷头和印刷墨水。

通过专门设计的上墨单元(5)用待印刷的墨水(2)完全地和无缝地涂布圆柱形式的墨水载体(1)。位于墨水载体(1)中的能量束系统(3)以能量束(4)能够寻址(address)闭合线(6)的方式寻址能量束(4)。以与待印刷的信息同时接通或断开(switched on or off)能量束(4)的方式印刷信息，同时使能量束寻址在写入线上。一个或多个能量束(4)可用于该用途。能量束(4)可以连续移动(扫描)经过写入线(6)，或者通过使用阵列，写入线(6)也可以在一个步骤中被完全寻址并通过能量束(4)写入。

上墨单元(5)由此能够更换墨水载体(1)上的用过的墨水(2)。

在三维表面上的印刷方法：

印刷头(8)以使得写入线(6)与3d表面(7)之间的总距离尽可能小但在印刷头(8)与3d表面(7)之间没有接触的方式在三维表面(7)上方移动。印刷头(8)然后在3d表面(7)上方沿轴线移动。由于总体条件在一个轴上移动的过程中总是会改变，必须始终通过在所有三个空间轴X,Y,Z上的可能运动以及可能通过在空间轴X,Y,Z上的旋转来追踪印刷头(8)。

尽管如此，印刷头(8)以这种方式只能近似于变形的3d表面(7)进行最优调节。因此，根据3d表面(7)的曲率半径，用于转移均匀彩色膜的条件总是在变化。为了补偿这一点，印刷头(8)另外能够通过沿写入线(6)改变能量束(4)的强度来转移不同量的墨水。不同量的墨水的转移也可通过直接将墨水载体(1)上墨到不同程度实现，以便在墨水载体(1)的表面上创建墨水膜梯度。

另外通过以下印刷实施例例示本发明：

根据本发明用于印刷的典型配制剂如下：

大约0.25％高分子乙基纤维素

大约3％聚乙烯醇缩丁醛(PVB)

大约6％炭黑

大约4％分散添加剂(例如DisperBYK 102)

大约87％溶剂(例如甲氧基丙醇)

这种混合物然后用于以30-40μm厚的膜涂布印刷头。印刷头然后在不同距离下相对于基底移动，且激光印刷墨水。在此重要的是，通过加入例如减少飞溅数。

关于卫星物生成的结果(湿涂层厚度为大约30μm)