Eine neue Generation des Digitaldrucks

Die Firma Radex AG stellt industrielle Druckmaschinen für den Etiketten- und Textildruck her. Das Grenchner Start-up hat sich auf das sogenannte «Drop-on-Demand»-Druckverfahren spezialisiert. Dabei wird nur dann ein Tintentropfen erzeugt, wenn dieser auch für den Druck benötigt wird. Vorteil sind die einfache Technik, die niedrigeren Wartungskosten und die Möglichkeit, die Intensität des Druckes einstellen zu können. Besonders empfindliche, und unebene Oberflächen wie Textilien können mit «Drop-on-Demand» sauber und schnell beschriftet werden.

Ein neues Druckmodul als Ziel

Eine Herausforderung des Drop-on-Demand-Drucks ist die Wartezeit vom Auftrag bis zum Start des Druckvorgangs. Bilddaten müssen für jeden Druckkopf aufbereitet werden. Diese Verarbeitung kann bei grossen Bilddaten mehrere Stunden dauern. Zu lange, befand Peter Brandenberger, einer der vier Gründer von Radex. Er absolvierte den Weiterbildungs-Lehrgang MAS Mikroelektronik an der Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW und komplettierte sein Know-how im Chip-Design, bei der Signalverarbeitung und bei Embedded Systems. Im Rahmen der Weiterbildung kam die Idee auf, ein neues Druckmodul für einen schnelleren, industriellen Tintenstrahldrucker zu entwickeln. Mit der finanziellen Unterstützung der Kommission für Technologie und Innovation KTI entstand die Forschungskooperation zwischen Radex und der Hochschule für Technik FHNW. Dabei wurden in vielen kleinen Projekten verschiedene Herausforderungen des Digitaldrucks angegangen.

Schnelle Ansteuerung dank FPGA

Als erstes betrachteten die Experten der FHNW die Datenverarbeitung: «Bei der Drop-on-Demand-Technologie wird jede Düse einzeln angesteuert», erklärt Michael Pichler, stellvertretender Leiter des Instituts für Mikroelektronik FHNW, «das sind 2048 Düsen pro Druckkopf». Damit die Druckdaten in Echtzeit verarbeitet werden können, benutzen die Mikroelektronik-Spezialisten ein «Altera Arria V»-FPGA (Field Programmable Gate Array). Die Rohdaten kommen via zwei Gigabit-Ethernet Schnittstellen in den FPGA, werden in einem DDR-Memory zwischengespeichert und dann mit einem komplexen Sortierverfahren für die einzelnen Druckdüsen aufbereitet.

Konstantes Signal für einen sauberen Druck

In jeder Druckdüse befindet sich ein Piezoelement. Das ist ein Kristall, der sich durch eine bestimmte elektrische Spannung («Firepulse») verbiegen kann. Dadurch entsteht ein hoher Druck auf die Tinte und die Tropfen werden aus der Düse auf das Druckmedium gespritzt. Für die Qualität des Druckbildes ist es wichtig, dass dieser «Firepulse» immer die gleiche Spannung aufweist. Denn die Grösse des Impulses beeinflusst direkt die Grösse des austretenden Tintentropfens. Um das Verhalten der Tintentropfen in Bezug auf den «Firepulse» zu testen, entwickelte das Institut für Thermo- und Fluidengineering FHNW einen «Dropwatcher». Mit dieser Slow-Motion-Kamera kann man die Bildung von Tropfen bis rund 10 µm im Durchmesser beobachten. Im Vergleich: Ein Haar hat typischerweise eine Dicke von 60 µm. Durch die zahlreichen Tests mit dem «Dropwatcher» konnte das elektrische Signal präzisiert werden.

Die Tropfenqualität unterschiedet sich je nach elektrischem Signal.

Der austretende Tropfen hat nun dank einem konstanten «Firepulse» die korrekte Grösse. Trotzdem kann es zu einem unsauberen Druckresultat kommen: Ist im Tintentropfen Sauerstoff eingeschlossen, kommt es ähnlich wie beim Öffnen einer Cola-Dose zu einer sofortigen Entgasung des Tropfens beim Verlassen des Druckkopfs. Das kann den Tropfen zerreissen und zu einem unsauberen Druckresultat führen. Die Spezialisten des Instituts für Thermo- und Fluidengineering FHNW benutzen darum spezielle Membranen, um die Tinte bereits vor dem Eintreten in den Druckkopf zu entgasen. Die Membrane besteht aus einem gasdurchlässigen Kunststoff. Fliesst die Tinte über die Membrane, wird der Sauerstoff vom Vakuum, das hinter der Membrane vorliegt, aus der Flüssigkeit entrissen. Die unterstützende Wirkung der Membrane kann unter anderem durch den Dropwatcher bestätigt werden.

Die schnelle Trocknung ist der nächste Schritt

Radex konnte bereits die ersten Prototypen mit der neuen Technologie an ihre Kunden liefern. Die Forschungskooperation mit der FHNW dauert aber an. So untersuchen die Experten der FHNW gegenwärtig das Trocknungsverhalten des Substrats. Wenn der Druckvorgang immer schneller wird, muss die Trocknung des Mediums ebenfalls effizienter werden, ansonsten könnte die feuchte Tinte das Druckgut verschmieren. Im hauseigenen Wind-Tunnel führen die FHNW-Spezialisten Messungen durch und vergleichen diese mit ihrer Simulation.

Besonders das Trocknungsverhalten von Tinte auf Textilien ist noch weitgehend unbekannt. Im Sommer 2017 gründete Radex das Joint Venture Mouvent mit BOBST, dem führenden Lieferanten von Anlagen für Verpackungs- und Etikettenhersteller. Bobst ist ebenfalls sehr erfahren beim Bau von Trocknern. Die innovative Drucktechnologie von Radex steht bei den rund 80 Mitarbeitenden von Mouvent im Mittelpunkt. «Für die Entwicklung des Mouvent^TM clusters war die Zusammenarbeit mit der FHNW ein wichtiger Baustein», erklärt Piero Pierantozzi, Verwaltungsratsmitglied und Co-Gründer von Mouvent SA.