En este artículo, consideramos cómo optimizar una forma de onda para obtener un mejor chorro, utilizando un enfoque general de observación de gotas que se aplica a muchos cabezales de impresión.
Seguiremos paso a paso con un cabezal de impresión Dimatix Samba para dar imágenes y datos de ejemplo a lo largo del camino.
Recordatorio rápido de los principios
Empecemos por repasar muy brevemente los principios de las formas de onda. En el siguiente esquema, mostramos cómo un pulso de tensión provoca la deformación del actuador, creando presión en la cámara de la boquilla y provocando la expulsión de una gota. Lo que estamos optimizando es el tamaño, la forma y el espaciado de los pulsos para garantizar que el chorro se ajuste a nuestros requisitos.
Entender Su Objetivo
El primer paso de cualquier intento de desarrollar una forma de onda es definir claramente el objetivo. Normalmente, los objetivos más importantes que hay que identificar son el tamaño de gota deseado, la velocidad de gota y la frecuencia de chorro. Si ya se conocen las especificaciones del objetivo, se puede empezar directamente. Si no, tendrá que investigar un poco.
Si es una empresa de tintas y tiene que desarrollar una máquina específica, compruebe con su cliente cuáles son las condiciones de uso de la tinta. Si su cliente es un fabricante de equipos, debería poder decirle todo lo que necesita saber. Si vende directamente al usuario, quizá esta información no sea tan fácil de obtener y tendrá que trabajar un poco más para averiguar lo que es sensato. Puede hacerse una idea de la frecuencia de funcionamiento a partir de la velocidad del carro y de la resolución de impresión, teniendo en cuenta que si la impresión es de varias pasadas puede ser diferente de la resolución final.
El punto de partida
El primer paso en la optimización de la forma de onda es establecer una línea de base razonable para nuestro chorro, de modo que podamos verla con el observador de gotas. Si es posible, una técnica fácil es empezar con la forma de onda de un solo pulso recomendada por el fabricante del cabezal de impresión, o por defecto. Además de la temporización típica de los pulsos, suele haber algún tipo de tensión de calibración (a veces llamada tensión de "etiqueta"). Utilice esta tensión para empezar, ya que debería producir un chorro razonable. Para nuestro ejemplo de la Dimatix Samba, vamos a empezar con una forma de onda del manual del usuario del cabezal de impresión: un pulso de 26V de amplitud con un ancho de pulso de 2,18us (incluyendo un tiempo de subida de 40V/us).
El siguiente paso es conseguir que las gotas sean visibles en el campo de visión del observador de gotas. Es importante que se pueda ver la placa frontal si es posible; ayuda mucho a la hora de entender los fallos si los hay. La imagen de abajo da una vista ideal para el cabezal Dimatix Samba.
Si sólo está haciendo una prueba preliminar con un relleno de jeringa, entonces es útil para minimizar el consumo de tinta durante la prueba. El chorro de unas 10-20 boquillas a lo largo de la misma fila del cabezal de impresión a una frecuencia moderada como 8kHz le permitirá probar durante un tiempo sin tener que rellenar el líquido.
Haga una medición rápida de la velocidad de caída para asegurarse de que es razonable, tal vez 5-6 m/s. Incluso si su objetivo final es mayor, este ajuste suele permitir mediciones fáciles sin demasiados satélites. Si encuentra que la velocidad es demasiado baja, querrá aumentar ligeramente el voltaje del pulso, y viceversa. Nuestra velocidad resultó ser aceptable sin tener que hacer modificaciones en la forma de onda, por lo que 26V es un ajuste apropiado.
Paso 1: Optimización de la anchura del pulso
El primer paso en la optimización de la forma de onda es conseguir que la forma básica del pulso se ajuste a la acústica de la combinación de cabeza y fluido. En la terminología de la forma de onda, empezaremos por determinar la anchura de pulso adecuada.
Dado que tanto el tamaño de la boquilla como las propiedades del fluido son fijos, buscamos la cantidad de tiempo para mantener la cámara de la boquilla expandida que permita que la tinta se mueva de un lado a otro dentro de ella a un buen ritmo.
En general, existe una relación casi cuadrática entre la anchura del pulso y el volumen y la velocidad de la gota. La anchura de pulso óptima es la que producirá el mayor volumen y velocidad de caída, por lo que nuestro primer objetivo será encontrar ese pico. Determine cuál es la anchura de pulso actual para su forma de onda inicial, y planee ajustar la anchura de pulso desde un 50% por debajo hasta un 50% por encima de esa configuración recomendada. En cada anchura de pulso, mida el volumen y la velocidad de la gota a una distancia constante del cabezal de impresión. Elija un tamaño de paso que le proporcione unos cuantos puntos de datos para poder construir una curva.
Para nuestro cabezal de impresión Samba, vamos a barrer automáticamente a través de anchos de pulso de 1,1us a 3,3us en incrementos de 0,1us. Al capturar una imagen en cada valor (usando doble pulso) somos capaces de juzgar rápidamente la velocidad de la gota visualmente y podemos complementar con las mediciones si es necesario. La imagen de abajo está generada usando una combinación de JetXpert Add-Ons, XSweep y Stitch.
La parte superior de la curva de velocidad es donde la sincronización del pulso da la eyección de gotas más eficiente para su combinación de tinta, cabezal y electrónica. A veces es conveniente utilizar un ancho de pulso un poco más alto que el pico, ya que puede ayudar con los satélites. Obtener algo de experiencia le ayudará a tomar esta decisión. Una vez que haya seleccionado su ancho de pulso, programe ese valor en su forma de onda y sigamos adelante.
Basándonos en nuestra imagen, podemos ver que los anchos de pulso de 2,1-2,2us parecen producir la mayor velocidad de caída. Podemos decirlo porque cada corte de la imagen se tomó en el mismo momento, y la gota ha viajado más lejos del cabezal de impresión en estos cortes. Si recuerdas, 2,18us era nuestro ancho de pulso inicial del manual de Dimatix Samba, y de hecho parece ser óptimo. ¡Buen trabajo Dimatix!
Ahorro de tiempo
Como ocurre con la mayoría de las cosas en el ámbito de la inyección de tinta, depende del usuario determinar el nivel de precisión con el que debe abordar este proceso. En el caso de la optimización de la forma de onda, la elección de un tamaño de paso más pequeño para probar cada parámetro podrá darle un resultado más preciso. Sin embargo, al realizar este análisis manualmente, un tamaño de paso más pequeño aumenta el tiempo que se necesita para realizar estas pruebas. Para agilizar el proceso, ImageXpert dispone de una herramienta llamada XSweep, que ajustará automáticamente la configuración de la forma de onda y realizará las mediciones por usted.
Paso 2: Optimizar la tensión
Ahora que sabemos que tenemos la sincronización correcta, podemos explorar la conexión entre el voltaje y el volumen de caída y la velocidad. Normalmente, existe una relación lineal entre el voltaje y el volumen de caída y la velocidad, hasta un límite. La contrapartida normal es que el aumento del voltaje también produce un aumento de los ligamentos, por lo que el objetivo es conseguir la mayor velocidad posible que produzca una gota bonita y limpia sin una cola que se rompa en satélites.
Al igual que hicimos antes con la anchura del pulso, vamos a probar una serie de voltajes y a medir la velocidad de la gota en cada uno de ellos. Es importante vigilar también el volumen de la gota y la formación de satélites, ya que esto influirá en nuestra decisión. Nuestro objetivo en este punto es determinar el ajuste de voltaje que nos da nuestro volumen y velocidad objetivo sin demasiados satélites. Con nuestro Samba, vamos a barrer automáticamente a través de voltajes de 21V-31V en incrementos de 0,5V. La salida se muestra a continuación.
Una vez más, los resultados parecen coincidir con la teoría. La velocidad de caída aumenta linealmente con la tensión, hasta un punto en el que se introducen satélites. Elijamos un voltaje un poco más bajo que el que produjo los satélites y realicemos una medición.
Ahora sabemos el volumen y la velocidad de caída que producirá una forma de onda utilizando estos ajustes y podemos compararla con nuestros objetivos. Sin embargo, nuestro trabajo aún no ha terminado.
Paso 3: Empujar la cabeza un poco más fuerte
Ahora que has mejorado tu pulso y está produciendo la velocidad que buscabas, es el momento de empujar la cabeza un poco más fuerte y subir la frecuencia. Esto probará si la forma de onda que hemos construido hasta ahora se comporta bien en nuestra frecuencia objetivo, así como si hay algún punto concreto que deba evitarse. Si ya sabes cuál es tu frecuencia objetivo clave, puedes ahorrarte algo de tiempo mirando sólo el chorro allí, pero no olvides incluir también los subarmónicos. Esto garantiza que si el espacio entre las gotas se ajusta durante el renderizado y la impresión de la imagen, tu forma de onda seguirá funcionando bien.
Creemos que, por lo general, lo mejor es hacer todo lo posible por comprender todo el espacio de frecuencias. Ya tiene el sistema configurado y nunca se sabe cuándo un cliente le pedirá que utilice esa tinta en otra frecuencia. Además de XSweep, Imagexpert suministra el complemento Frequency Sweep para ayudar a acelerar el proceso. Esto barrerá automáticamente a través de un rango de frecuencias y recogerá los datos, lo que es especialmente útil para los cabezales de impresión de mayor frecuencia. La imagen de abajo es nuestra forma de onda de Samba, que barre entre 1 y 30kHz en pasos de 1 kHz.
Afortunadamente, nuestra formación de gotas se ve bastante bien en este rango. Aquí hay otro ejemplo que cuenta una historia diferente.
¿Notan cómo el chorro es una velocidad constante hasta unos 19 kHz, y luego la velocidad se dispara? Además del aumento de la velocidad, también vemos un aumento de la longitud del ligamento y la formación de satélites. Esto es resonancia. Entre 19 y 24 kHz, el tiempo entre los pulsos de la forma de onda es tal que el pulso se amplifica por el impulso persistente en la boquilla del pulso anterior. Con este conocimiento, puede modificar el diseño de su sistema para evitar esa frecuencia o utilizar una forma de onda diferente para ese rango.
¿Y si los resultados no son buenos?
Si la forma de onda que has creado no funciona bien en las frecuencias objetivo, elige un voltaje más bajo e inténtalo de nuevo. Se trata de un proceso iterativo, en el que es posible que tengas que hacer pequeños cambios en la anchura del pulso y el voltaje y repetirlo para obtener los resultados deseados. Aquí es donde la automatización resulta útil. Si no consigues que el volumen o la velocidad de las gotas sean lo suficientemente altos, el multipulsado puede ayudarte.
Paso 4: Introducción de la multipulsación
Cuando se utiliza más de un pulso en la forma de onda para crear gotas, lo llamamos multipulsación. Esto no debe confundirse con la escala de grises; seguimos produciendo un solo tamaño de gota, sólo que utilizamos múltiples pulsos de forma de onda para hacerlo. El multipulsado puede ser útil para aumentar el volumen de las gotas inyectadas si un solo pulso no es capaz de expulsar suficiente tinta.
Si vamos a utilizar pulsos múltiples para crear gotas más grandes, debemos empezar por comprender el momento subyacente en que la tinta se mueve en el cabezal. Para ello, creamos dos pulsos idénticos y observamos lo que ocurre con la eyección en función del espacio entre ellos, como se muestra a continuación. Cuando la sincronización es correcta, el impulso de la tinta en la boquilla aumentará con el segundo pulso, y veremos una gota más rápida una vez que se haya eyectado.
Dupliquemos el pulso optimizado que hemos creado antes y ajustemos el espaciado entre estos dos pulsos, analizando el chorro en cada paso. Un buen punto de partida es variar el espaciado desde el valor mínimo permitido hasta el doble de la anchura de cada pulso. La mejor medición que se puede hacer es observar la velocidad de la segunda gota que sale (si es que sale), ya que la velocidad de esa gota es muy sensible a la fluctuación de la presión causada por el primer pulso. En algunas combinaciones de cabezal/tinta, las gotas se habrán fusionado antes de tener la oportunidad de medirlas, mientras que en otras la segunda eyección puede aparecer como una protuberancia que sube por el ligamento de la primera. Lo importante es encontrar a qué distancia la(s) gota(s) que puedes medir van más rápido. En los picos del comportamiento se encuentra la resonancia de la cabeza. La mayoría de las formas de onda de escala de grises que tienen éxito trabajan en el período de resonancia o cerca de él, de modo que la eyección se optimiza para una cantidad determinada de entrada.
Cuando duplicamos nuestro pulso optimizado de Samba y barrimos el espaciado del pulso de 1,4us a 3,2us en pasos de 0,1us, produjimos la siguiente imagen. Es bastante claro donde la velocidad de la segunda gota es la más alta, que es nuestro período de resonancia.
Ahora que conocemos nuestro periodo de resonancia podemos construir una forma de onda que lo utilice. Lo único que hay que recordar es que si vas a apilar pulsos como este uno tras otro, es importante tener en cuenta la amplitud del voltaje o empujarás esa velocidad de eyección final muy alta, lo que suele ser algo malo para la humectación de la boquilla y los satélites. Así que, teniendo esto en cuenta, puedes empezar con algo como esto para conseguir tu tamaño de gota objetivo.
Hacer que el multipulsado haga escala de grises
Como ya hemos mencionado, la diferencia clave con la escala de grises es tener la capacidad de variar el tamaño de la gota en cada píxel de la imagen impresa. Esto significa que hay que elegir qué pulsos de forma de onda utilizar para cada nivel de gris para obtener el tamaño de gota deseado. El primer paso para conseguirlo es dividir la forma de onda en segmentos que puedan ser seleccionados por el controlador de impresión. A continuación, hay que asociar los segmentos adecuados a los niveles de gris.
Al igual que las propias formas de los pulsos, esta parte depende en gran medida de tu sistema, y especialmente del software que te permite editar la "forma" de la onda. La forma más fácil de visualizarlo, y por eso se utiliza a menudo en las patentes sobre el tema, es dibujar la forma de onda con separadores y luego tener una tabla que indique cuál se utiliza en cada nivel. Lo hemos dibujado a continuación para un ejemplo de 5 pulsos.
La razón por la que elegimos 5 pulsos para 3 niveles es porque demuestra muy bien el alto grado de flexibilidad que es posible, incluyendo el hecho de que los pulsos no tienen que ser idénticos o ser lineales en amplitud (como nuestros primeros ejemplos). Lo único que hay que tener en cuenta es que la frecuencia máxima que se puede utilizar será la inversa del tiempo que se tarda en completar toda la forma de onda, independientemente del nivel de gris que se seleccione.
Normalmente hay reglas asociadas a lo cerca que pueden estar los pulsos entre sí para dar tiempo a la placa electrónica a cambiar entre los segmentos de la forma de onda. La mayoría de los buenos editores de formas de onda te dirán si va a haber algún problema.
Ahora puedes ajustar las anchuras de los pulsos individuales, los voltajes y los espacios entre los pulsos de los segmentos de la forma de onda para conseguir que el volumen y la velocidad de la caída coincidan con tus objetivos. Es útil tener una imagen que coloque gotas de diferentes tamaños una al lado de la otra en el mismo campo de visión, para que pueda estudiar el impacto de un cambio en todos los niveles de gris. Esta imagen muestra tres niveles de gris diferentes en un mismo campo de visión.
Diseño avanzado de formas de onda
El enfoque de pulsos múltiples también puede ser útil para controlar la humectación de la placa de la boquilla, o para influir en la ruptura del ligamento, por ejemplo. Los pulsos adicionales pueden venir antes o después del pulso de eyección principal, como se muestra a continuación. Los consejos para implementar trucos de forma de onda más avanzados son difíciles de sistematizar, pero queríamos asegurarnos de que sabe que estas cosas son posibles.
Existe otro método que algunos fabricantes de cabezales utilizan de forma estándar, denominado pulsación bipolar. La terminología proviene de los cabezales que utilizan amplificadores positivos y negativos para accionar el PZT en ambas direcciones. La ventaja de estos sistemas puede ser la obtención de una expulsión de gotas más eficaz a partir de una tensión global más baja, pero también permite programar pulsos en cualquier dirección para manipular la variación de la presión tras la expulsión. Dado que la capacidad bipolar hace que la electrónica sea más complicada, el efecto se puede recrear utilizando un circuito unipolar (sólo tensión positiva o negativa) que utiliza una tensión de reposo que no es cero. Intentamos explicar la diferencia con la siguiente imagen, extraída de un par de patentes recientes de dos de los principales fabricantes de cabezales. La imagen de la izquierda es una forma de onda bipolar, la de la derecha es una unipolar con una tensión de reposo distinta de cero.
En ambos casos, las formas de onda son algo más que una sucesión de simples trapecios como los que hemos descrito antes. La generación de formas más arbitrarias requiere un enfoque diferente al de la altura y anchura del pulso. Normalmente, la forma de onda se define ahora por segmentos que cambian de una tensión a otra en un tiempo determinado. Se requiere una electrónica específica y esto puede ser específico del proveedor. La optimización de las formas de onda utilizando estas técnicas puede ser elaborada en un futuro artículo.
[This is automatically translated from English]