Digitale Drucktechnologie

8.2 Inkjet

Gliederung der Vorlesung - Aktualisierung  1. Einführung  2. Terminologie der digitalen Druckverfahren  3. Übersicht über Digitale Druckverfahren  4. Wertschöpfungskette und Workflow  5. Grundlagen der Bildübertragung 6. Rasteralgorithmen

14.01.2012 (Prof. Dörsam)

 7. Elektrofotografie 8. Inkjet

 9. Thermografie 10.E-Books und E-Book-Reader 11.Digitaldruckverfahren im Funktionalen Drucken

Digitale Drucktechnologie | 8.1 Inkjet | 2

Achtung! Vorlesung am 17.12.2012 fällt aus

Rückblick - InkJet Funktionsprinzip

Verfahrensübersicht

Elektronische Daten (aus Vorstufe)

Inkjet Verfahren

Drop-onDemand

Continuous

Druckkopf (Bebilderung, Bildträger, Farbwerk)

Tropfen

Multiple Deflection

Thermisch

Binary Deflection

Squeeze Tube (Hollow Tube)

Edge bzw. Side Shooter

Hertz Mist

Bend-Mode (Bending Plate)

Roof bzw. Top Shooter

Magnetic Deflection

Push-Mode (Extending Member)

Back Shooter

Bedruckstoff

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Piezoelektrisch

Shear Mode

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Sonderformen

Elektrostatisch

Akustisch

Indirekter InkJet

Düsenloser InkJet

Gliederung

1. Inkjet Arrays   

Stationäre Arrays Bewegliche Arrays Entwicklung

2. Druckprozess   

Farben und Druckfluide Tropfenbildung Trocknungsvorgang

3. Inkjet Drucksysteme 4. Inkjet Markt

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Inkjet Arrays: Bewegliche Arrays Bewegliche Arrays  Werden in einem Winkel zur Laufrichtung aufgebaut, dadurch kann die Auflösung gegenüber des nicht gedrehten Druckkopfes erhöht werden  Die Auflösung des Arrays A hängt von der Auflösung des Druckkopfes A* und von dem Drehwinkel β:

A

1 1 A*   a a * sin  sin 

 z.B.: A* = 100 dpi; β = 9,6° => A = 600 dpi  Die Schreibbreite B wird entsprechend reduziert Vorteile:  Es können sehr hohe Auflösungen erreicht werden  Die Tinte kann sowohl nachgefüllt, als auch aus einem externen Behälter zugefügt werden Digitale Drucktechnologie | 8.2 Inkjet

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Bild: Handbuch der Printmedien, Kipphan, 2000

Inkjet Arrays: Stationäre Arrays Stationäre Arrays  Diese Systeme können unbeweglich (Breite des Kopfes entspricht der Breite des Bedruckstoffes) oder beweglich sein  Bestehen aus mehreren Druckköpfen, in denen mehrere Düsen positioniert sind, um die Auflösung des Arrays gegenüber den einzelnen Druckköpfen zu erhöhen  Die Auflösung des Arrays A hängt von der Anzahl der Druckkopfreihen n und von der Auflösung des Druckkopfes A*:

A  n  A*  z.B.: A* = 100 dpi; n = 6 => A = 600 dpi Vorteile  Es werden keine Tintenpatronen ausgewechselt, Tinte wird nachgefüllt  Können sehr präzise positioniert werden, dadurch wird Druckqualität erhöht

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Bild: Handbuch der Printmedien, Kipphan, 2000

Inkjet Arrays: Entwicklung

 Zum Aufbau von Ink Jet-Drucksystemen höherer Produktivität werden Bebilderungssysteme mit Düsen-Arrays eingesetzt  Es gibt seitenbreite stationäre Arrays oder Bebilderungssysteme, bei denen sich der Druckkopf quer zur Transportrichtung des Bedruckstoffes bewegt  Diese Prinzipien zum Aufbau von Bebilderungs-Arrays für hohe Auflösungen sind auf andere Bebilderungssysteme übertragbar: z.B. Magnetografie, Ionografie u.a.

 Eine schnelle Entwicklung des Inkjet ist der schnellen Entwicklung in der Mikrosystemtechnik zu verdanken  Jede 18 Monaten wird die Leistung der Inkjet-Drucker verdoppelt

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Quelle: Digitaldruck – Geschichte und Gegenwart, R.Schlözer

Inkjet Arrays: Entwicklung Direct Addressing

Multiplexed Addressing

ThinkJet (1985)

PaintJet (1987)

DeskJet (1987)

DeskJet 1200C (1993)

DeskJet 850C (1995)

DeskJet 850C (1995)

HP 2000C (1998)

DesignJet 1000 (1999)

DeskJet 8250C CMYmyK (2005)

DesignJet (2006)

12 Düsen 1,2 kHz 92 dpi 180 pl

30 Düsen 3,5 kHz 180 dpi

50 Düsen 5 kHz 300 dpi 85 pl

104 Düsen 8 kHz 300 dpi 77 pl

64x3 Düsen 6 KHz 300 dpi 30 pl

300 Düsen 8 kHz 600 dpi 35 pl

304 Düsen 12 kHz 600 dpi 8 pl

512 Düsen 12 kHz 600 dpi 12 pl

3600 Düsen 48 kHz 1200 dpi 2 pl

10.000 Düsen 36 kHz 1200 dpi 2 pl

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Quelle: Hewlett Packard

Inkjet Arrays: Entwicklung

Drucker

Anzahl Farben

Druckbreite

Anzahl Druckköpfe

Anzahl Düsen

Druckgeschwindigkeit

Auflösung

Spectra Galaxy PH 256/50 AAA Druckkopf

1

64,8 mm

4

256

-

600 dpi

Xaar 1001Druckkopf

1

70,5 mm

10

1.000

-

1080 dpi

«Anapurna XL2» Agfa Graphics

6

2,50 m

1

48.896

29 m²/St

1440 dpi

«Onset» Inca

6

1,5 m

576

74.000

500 m²/St

600 dpi

«FastJet» Inca

4+Lack

1,04 m

465

60.000

6.000 m²/St

300 dpi

«JetStream» Océ

4

0,52 m

-

12.300

6.240 m²/St

600 dpi

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Quelle: Deutscher Drucker, Large Format, R. Schlözer

Inkjet Arrays: Spectra Galaxy PH 256/50 AAA

 Düsen auf Basis der Piezo-Thechnologie  4 Druckköpfe mit insgesamt 256 Düsen  Auflösung beträgt 600 dpi

 Druckbreite beträgt 64,8 mm  Mittlere Tropfengröße beträgt 50 Pikoliter  Abweichung des Tropfendurchmessers von dem Mittelwert liegt unter 5 %  Tropfengeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse beträgt 8 m/s  Die Tropfen können mit der Spritzfrequenz bis 20 kHz erzeugt werden

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Bild: www.dimatix.com

Inkjet Arrays: Xaar 1001  Düsen auf Basis der Piezo-Technologie  Es sind 7 verschiedene Tropfengrößen möglich  Variation der Tropfengröße zwischen 6 und 42 Pikoliter  1000 Düsen sind in 2 Reihen von je 500 Düsen angeordnet  Mögliche Auflösung beträgt 1080 x 600 dpi  Druckbreite beträgt 70,5 mm  Tropfengeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse ist 6 m/s  Die Tropfen können mit der Frequenz bis 50 kHz erzeugt werden

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Bilder: www.xaar.co.uk

KBA RotaJET 76

 Düsen auf Basis der Piezo-Technologie (DoD)  Tropfengrößen variabel  112 Druckköpfe für 4 Farben  1000 Düsen sind in 2 Reihen von je 500 Düsen angeordnet  Native Auflösung beträgt 600 dpi  Druckbreite beträgt 781 mm  Maximale Bahngeschwindigkeit beträgt 150 m/min (ca. 3.000 Seiten DIN A4/min)

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Quelle: KBA

Gliederung

1. Inkjet Arrays   

Stationäre Arrays Bewegliche Arrays Entwicklung

2. Druckprozess   

Farben und Druckfluide Tropfenbildung Trocknungsvorgang

3. Inkjet Drucksysteme 4. Inkjet Markt

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Druckprozess: Einführung: Zusammenspiel der Komponenten    

Substratgeschwindigkeit Tropfengeschwindigkeit Tropfengröße Temperatur

Substrat

      

  

Oberflächenstruktur Saugfähigkeit Oberflächenspannung Viskosität Farbe / Funktion Trocknung Tropfenaufprall

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Druckkopf

Tinte  

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Funktionsprinzip Positioniergenauigkeit Rheologische Eigenschaften (Oberflächenspannung, Viskosität) Partikel (-stabilität) Physikal. & chem. Eigenschaften

Druckprozess: Druckfluide: Tinten (Trägermedium)  Wasserbasierende Tinte (Schichtdicke ca. 0,5 µm)  Trägermedium: hauptsächlich Wasser  Substrat: üblicherweise Papier  Anwendung: SOHO und Großformatdrucker  Lösemittelbasierende Tinte (Schichtdicke ca. 0,5 µm)  Trägermedium: hauptsächlich Lösemittel  Substrat: sehr glatte Oberflächen (Glas, Folie)  Anwendung: Industrie  Öl-basierende Tinte  Trägermedium: Bindemittel (Öl)  Substrat: poröse Substrate (Papier gestrichen/ungestrichen, Karton)  Anwendung: Industrie (Markieren, Kodieren, selten: grafische Anwendung)  UV Tinten (Schichtdicke: 1-15 µm)  Trägermedium: Monomere, Oligomere  Substrat: nicht-poröse Substrate  Anwendung: Industrie (Deko, Display-Druck)  Hotmelt Tinten (Schichtdicke: 10-15 µm)  Trägermedium: Harze  Substrat: wenig Einschränkungen  Anwendung: Industrie (Markieren, Kodieren, selten: grafische Anwendung)  Spezialtinten für funktionales Drucken (Schichtdicke: 50 mPas) und mittelviskoser (>20 mPas) Flüssigkeiten sind sehr stark aneinander gebunden und es soll mehr Energie aufgebracht werden, um die Flüssigkeit aus der Düse zu befordern

 Außerdem bestimmen die Viskosität η und die Oberflächenspannung σ die Größe und die Anzahl der gebildeten Satellitentropfen  Liegt das Verhältnis σρr/η2 zwischen 1 und 100, so werden nur wenige Satellitentropfen gebildet, die anschließend mit dem Haupttropfen vereint werden  Ein weiterer Effekt ist, dass hoch- und mittelviskose Flüssigkeiten nach der Bildung eines Tropfen nicht in die Düse zurückgehen, sondern einen Film um der Düsenöffnung bilden. Dies führt zur Eintrocknung der Düse und die Reinigung kann sehr aufwendig sein. Dieser Effekt wird durch spezielle Unterdruckdüsen vermieden. ρ – Dichte der Flüssigkeit

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r – Radius des Tropfens

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Bild: Integrierte Systeme II, W.Lang

Druckprozess: Trocknungsvorgang  Trifft ein Tröpfchen auf eine feste Oberfläche, so hält sein weiteres Verhalten von seiner Oberflächenspannung σTR und der Oberflächenspannung des Feststoffes σFS ab  Man definiert einen Kontaktwinkel θ



 FS   FS TR  TR

wobei σFS-TR die Oberflächenenergie an der Grenzfläche zwischen der Tropfenflüssigkeit und dem Festkörper ist  Durch den Kontaktwinkel wird die Benetzbarkeit des Bedruckstoffs definiert:  θ90° - Schlechte Benetzbarkeit

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Bild: www.wikipedia.org

Druckprozess: Trocknungsvorgang

Trocknungsmechanismus:  Wasser- und Lösemittelbasierende Tinten: Absorption, Wegschlagen  UV-Härtende Tinten: Polymerisation  Hot-Melt Farben: Phasenübergang

Anforderung für gute visuelle Druckergebnisse:  Größe der trockenen Tropfen < 50 µm  Variation der Tropfengröße < 2 %  Platzierung mit Genauigkeit > 20 µm

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Bild: Handbuch der Printmedien, Kipphan, 2000

Druckprozess: Kennzahlen Weberzahl

Reynoldszahl

Ohnesorge-Zahl

Dimensionslose Kennzahl für das Verhältnis von Trägheit und Oberflächenkräften

Dimensionslose Kennzahl für das Verhältnis von Trägheit und Zähigkeit

Kennzahl mit Berücksichtigung von Viskosität, Oberflächenspannung und Dimension

𝑊𝑒 =

𝜌∙𝑣 2 ∙𝐿 𝜎

-> 𝑊𝑒𝐼𝐽 =

𝜌∙𝑣 2 ∙𝑑 6𝜎

Tropfenform & -abriss, Tropfenverhalten auf dem Substrat

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𝑅𝑒 =

𝜌∙𝑣∙𝐿 𝜂

=

𝑣 ∙𝐿 𝜈

Fließverhalten im Druckkopf & auf dem Substrat

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𝑂ℎ =

𝑊𝑒 = 𝑅𝑒

𝜂 𝜌 ∙𝐿∙𝜎

Gliederung

1. Inkjet Arrays   

Stationäre Arrays Bewegliche Arrays Entwicklung

2. Druckprozess   

Farben und Druckfluide Tropfenbildung Trocknungsvorgang

3. Inkjet Drucksysteme 4. Inkjet Markt

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Inkjet Drucksysteme: Einführung Inkjet Drucksysteme

SOHO

HewlettPackard, Canon, Epson

Office Network

Tektronix, HewlettPackard

Graphic arts

Iris, Tektronix, Epson

Multifunction

HewlettPackard, Epson, Canon

Digital Color Press

Scitex, ACS, Tektronix

Grand Format

Idanit, Vutek, Nur, ColorSpan, Mutoh

Industrial marking

VideoJet, Marsh, Image, Willet

Large Format

ColorSpan, Encad, HewlettPackard

Home Photo

HewlettPackard, Epson, Canon

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Textil

Canon, Seiren, Stork, Toxot

Medical imaging

Iris, Sterling Diagnostic

3D printing

3D System, Z Corporation, Objet

Inkjet Drucksysteme: Einführung

Unterteilung nach Anwendung:      

Digitaler Proof Großformatige Drucksysteme Drucksysteme mit hoher Produktivität Kodieren / Markieren Funktionales Drucken Kleinformatige Anwendungen

Unterteilung nach Format:    

SOHO: Large Format: Wide Format: Grand Format:

Desktop Printers kleiner 100 cm 100 cm – 250 cm größer 250 cm

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Inkjet Drucksysteme: Digitaler Proof Einsatz:  Prüfung der Wiedergabe des kompletten Seitenverhältnisses und Bogens  Prüfung der Farbverbindlichkeit  Prüfung der Wiedergabe der Rasterstruktur entsprechend dem Auflagedruck  Prüfung der Papieroberfläche, des Bogenformats im Proof wie im Fortdruck

Bild: www.printmark.com

Beispiel: Cromalin DesignerProof von DuPont:  Piezoelektrischer Drop-on Demand Inkjet  Auflösung bis 1440 x 720 dpi  Druckformat: 330 x 482 mm

Cromalin DesignerProof Bild: www.apoloinformatica.com

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Inkjet Drucksysteme: Großformatige Anwendungen

Einsatz:  Banner und Schilder  Architekturpläne, Projektpläne  Verpackungsprototypen  Poster und Bilder  Landkarten  Unterhaltungsindustrie  Museen und Art Galerien, Kunst  Wall Covering  Proof

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Inkjet Drucksysteme: Systeme mit hoher Produktivität

Einsatz:  Großformatige Anwendungen  Industrielle Anwendungen Inca «FastJet» Bild: www.incadigital.com

Beispiele:  Inca «FastJet»  Océ «JetStream»

Océ «JetStream» Bild: www.oce.com

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Inkjet Drucksysteme: Funktionales Drucken

Einsatz:  3D-Druck: Medizin, Maschinenbau, Architektur, Produktdesign, Designüberprüfung, Spielzeugindustrie  Funktionales Drucken: Solarzellen, Sensoren, Medizin

ZPrinter 650 von ZCorporation:    

Schichtdicken von 0,089 bis 0,102 mm Auflösung 600 x 540 dpi, mehrfarbig 5 Druckköpfe mit insgesamt 1520 Düsen Druckformat: 381 x 254 x 203 mm

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Bilder: www.objectplot.de, ZPrinter 650, aurentum GmbH

Inkjet Drucksysteme: Kleinformatige Anwendungen Einsatz:        

Werbung Variable Daten Publikationen Fotodruck Rechnungen Handbücher Publikationen SOHO

Allgemein:  Hohe Qualität und ausreichende Produktivität  Für sehr gute farbige Ausdrucke können Geräte mit 6 Farben benutzt werden  Die bekanntesten Hersteller: Hewlett-Packard, Epson, Canon, Lexmark

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Inkjet Drucksysteme: Kleinformatige Anwendungen

Farblaserdrucker

Tintenstrahldrucker

Epson C1100

Canon Pixma iP4300

350 Euro

90 Euro

1,27 Cent pro Seite

2,46 Cent pro Seite

Farbdruck, A4

9 Cent pro Seite

50 Cent pro Seite

Fotodruck, 10x15

20 Cent pro Foto

75 Cent pro Foto

Modell Gerätepreis Textdruck, Schwarz, A4

1 Jahr [Euro] Monatliches Druckaufkommen

2 Jahre [Euro]

4 Jahre [Euro]

Laser

Tinte

Laser

Tinte

Laser

Tinte

Gering: 5 Seiten Text, kein Bild

355

100

355

149

355

247

Mittel: 10 Seiten Text, 10 Seiten Farbe, 2 Fotos

355

116

360

171

365

242

Hoch: 50 Seiten Text, 25 Seiten Farbe, 20 Fotos

365

347

865

653

890

1175

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Quelle: Deutscher Drucker, 5/06

Inkjet Drucksysteme: Beispiele Nilpeter Caslon        

Kombiniert Inkjet mit Flexodruck Druckkopf: Xaar 1001 Geschwindigkeit: 12,6-50,7 mm/min Druckbreite: 420x330 mm Auflösung: 180x360dpi (3bit); 720x360dpi (3bit) Druckfarben: UV-Caslon Kapazität: etwa 1000m2/h Substrate: Folie, Aluminiumfolie, Papier, Etiketten

Stärken:   

Bildqualität Integration in konventionellen Druckmaschinen Druckgeschwindigkeit

Schwächen:  

Farbgeruch Schlechte Auflösung bei hoher Geschwindigkeit

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Bilder: http://www.nilpeter.de

Inkjet Drucksysteme: Beispiele Agfa: Dotrix Modular       

Kombiniert Inkjet Geschwindigkeit: Druckbreite: Auflösung: Druckfarben: Kapazität: Substrate:

mit Flexodruck 5-24 m/min 630 mm 300dpi (3bit) Agorix UV-Farben < 1.209 m2/h Folie, Aluminiumfolie, Papier, < 600 µm

Stärken:  

Bildqualität Inline-Flexodruck als Weißvordruck oder UV-Überlack möglich

Schwächen:    

Farbgeruch geringe Geschwindigkeit Hohe Kosten für Verbrauchsmaterialien Investition: EUR 1 Mio.

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Quelle: Agfa

Inkjet Drucksysteme: Beispiele Linoprint; Heidelberg Druckmaschinen       

Geschwindigkeit: Druckbreite: Auflösung: Druckfarben: Anzahl Farben: Kapazität: Substrate:

maximal 60 m/min 288 mm 720 dpi (1 bit) UV-Farben 1, 4-Farbprozess in Entwicklung etwa 1000 m2/h Folie, Aluminiumfolie, Papier

Stärken: 

Hohe Flexibilität: installierbar in Druckmaschinen und Abpacklinien

Schwächen:  

Farbgeruch Schichtdicke pro Farbe

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Bilder: http://www.linoprint.de

Inkjet Drucksysteme: Beispiele LaserSonic Prototyp      

Druckbreite: 520 mm Prozess: „Rolle auf Rolle“ Auflösung: 600dpi + 4 Graustufen Druckfarben: Flexo- und Tiefdruckfarben Anzahl der Farben: 1 (in Arbeit 2 möglich) Substrate: Folie, Aluminium-Folie, Papier

Stärken:   

Konventionelle Flexo- und Tiefdruckfarben (lösemittel- oder wasserbasierend) Sonderfarben, Weiß, Metallic-Farben Geringe Instandhaltungskosten

Schwächen:   

Geringe Geschwindigkeit, etwa 10m/Min Hitzepressfähigkeit gedruckter Substrate Hohe Vebrauchsmaterialkosten

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Quelle: Flexo+Tief Druck, 5/2009

Inkjet Drucksysteme: Beispiele

Inca «Onset»:       

Druckformat: Auflösung: Substratdicke: Druckfarben: Anzahl Farben: Druckköpfe: Kapazität:

3,2 x 1,52 m2 600-1000 dpi maximal 2 cm UV-Farben 4 144 pro Farbe maximal 600 m2/h

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Bild: Inca «Onset», www.incadigital.com

Inkjet Drucksysteme: Beispiele

Inca «FastJet»:      

Druckbreite: Kapazität: Auflösung: Geschwindigkeit: Druckfarben: Anzahl Farben:

1040 mm 6.000 m²/St 300 x 200 dpi maximal 100 m/min UV-Farben 4 + Lack

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Bild: www.incadigital.com

Gliederung

1. Inkjet Arrays   

Stationäre Arrays Bewegliche Arrays Entwicklung

2. Druckprozess   

Farben und Druckfluide Tropfenbildung Trocknungsvorgang

3. Inkjet Drucksysteme 4. Inkjet Markt

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Inkjet Markt: Heute

Einsatz:

      

etwa 40 % aller Akzidenzdruckereien1) Rechenzentrumsdruck Direct Mailer Copy Shops, Schnelldruckerei Inhausdruckereien, Vervielfältigungsabteilungen Reprografen Fotofinishing

Wachstumsraten in der Produktion:  Drucksysteme: mittleres jährliches Wachstum 5,4 %  Farbe: mittleres jährliches Wachstum 6,4 %

Allgemein:  Jede 18 Monate wird die Leistung der Inkjet-Drucker verdoppelt 1) Abschätzung auf Basis InfoTrends Umfrage 2007

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Inkjet Markt: Weiterentwicklung

Qualitätsmäßig:  bessere Druckköpfe  kleinere Tintentropfen  Möglichkeit zur Graustufenmodulation, so dass offsetartige Qualität erreicht oder übertroffen wird Leistungsmäßig:  schnellere Piezokammern und mikrointegrierte Druckköpfe  größere Druckformate und schnellere Druckköpfe durch Düsen-Arrays Kostenmäßig:  bessere und billigere Tinten, so dass Preise pro Exemplar mit Offset-Druck vergleichbar sind  weniger Makulatur

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Impressum

Digitale Drucktechnologie Vorlesung im Wintersemester 2012/13 Betreuung: Dipl.-Ing. Constanze Ranfeld Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Druckmaschinen und Druckverfahren Magdalenenstraße 2 64289 Darmstadt http://www.idd.tu-darmstadt.de