Piezo-Trick: Tropfen aus Tintenstrahlern zehnfach kleiner als Düse
Mit einer Veränderung der angelegten Spannung ist es Forschern gelungen, die Tropfen aus einer Piezo-Düse zehnfach kleiner zu halten als die Öffnung, aus der sie austreten.
Mit einer Veränderung der angelegten Spannung ist es Forschern der Purdue University gelungen, die Tropfen aus einer Piezo-Düse zehnfach kleiner zu halten als die Öffnung, aus der sie austreten. Bisher führte der einzige Weg zu kleineren Tropfen über die Verkleinerung der Austrittsdüse. Je kleiner die Düse jedoch, desto eher drohte sie zu brechen oder zu verstopfen. Die neue Methode hingegen lässt sich auch auf handelsübliche Düsen anwenden, berichten die Forscher im Fachblatt "Physics of Fluids". Sie verspricht nicht nur höhere Auflösung und niedrigere Druckkosten für Tintenstrahldrucker -- sie kann auch die Produktionskosten einer ganzen Palette beschichteter Industrieprodukte senken, von Pflastern bis zu Filmmaterial. Sogar die Forschung an neuen Medikamenten und in der Genetik kann von niedrigerem Verbrauch der teuren Testflüssigkeiten im Labor profitieren.
"Bisher hatte man eine Schranke: Man konnte Tropfen machen, die entweder genauso groß waren wie die Düse, oder sehr viel größer", erklärt Osman Basaran, Professor für Chemisches Ingenieurwesen. Diese Schranke fiel, als Basarans Team mit den Spannungspulsen experimentierte, die den Flüssigkeitsausstoß der Düsen regeln. Ein Zufallsfund, denn das Team arbeitete ursprünglich in der Grundlagenforschung und untersuchte die Frage, wie sich Tropfen in chemischen Prozessen ausformen.
Tintenstrahl-Geräte, die Tröpfchen nur bei Bedarf ausstoßen ("Drop on Demand"), arbeiten entweder mit Bubble-Jet- oder mit Piezo-Technik. Bubble-Jet-Düsen bedienen sich kleiner Dampfblasen, um die Flüssigkeit auszustoßen. Die technisch aufwendigeren und exakteren Piezo-Düsen werden mit Hilfe von Spannungspulsen gesteuert: Eine negative elektrische Spannung erweitert das Piezo-Element der Düse, um die Flüssigkeit "aufzusaugen", eine positive bringt sie zum Kontrahieren. Der Druck beim Zusammenziehen stößt den Tropfen aus der Düse.
Basarans neue Methode setzt hingegen auf einen dreistufigen Ablauf. Zunächst dehnt sich die Düse wie gehabt aus, dann kontrahiert sie. Allerdings stellten die Forscher fest, dass ein Teil der eingesaugten Flüssigkeit quasi an den Innenseiten der Düse haftet, aufgrund von Viskosität und Reibung. Wenn die Düse kontrahiert, bewegt sich die Flüssigkeit an ihren Seiten weniger schnell als jene im Zentrum. Im dritten Schritt expandiert die Düse deshalb ein zweites Mal und zwingt Flüssigkeit im Zentrum aus der Düse heraus. Dies bedingt einen Tropfen, der deutlich kleiner ist als die Düsenöffnung, so die Forscher. In ihren Experimenten nutzten sie relativ große Tintenstrahl-Düsen, die vor einem Jahrzehnt Standard der Drucktechnik waren und heute weithin in Forschungslabors zum Einsatz kommen. Solche Düsen produzieren Tropfen von rund 80 Picolitern -- dank der neuen Technik maßen die Tropfen nur noch acht Picoliter, so das Team. Kommerzielle, kleinere Druck-Düsen erreichen heutzutage Tropfen von fünf bis zehn Picolitern. Und auch diese, glaubt das Team, lassen sich durch den Dreistufen-Prozess auf rund ein Zehntel verkleinern.
Für Anwendungen in der Färbeindustrie oder Laborforschung sind die größeren Düsen vonnöten, da die Flüssigkeiten einen kleineren Durchmesser zum Teil verstopfen könnten. Eine Reduzierung der Tropfengröße kann aber auch hier enorme Kosten sparen. In der pharmazeutischen und gentechnischen Forschung werden etwa Tausende von Experimenten gleichzeitig durchgeführt, nachdem kleine Düsen teure DNA-haltige Flüssigkeiten auf so genannte Gen-Chips als Mini-Laborfläche auftragen. Inzwischen hat das Team ein Patent beantragt und arbeitet mit interessierten Firmen an der Vermarktung. ( Dörte Saße) / (wst)
