Dans cet article, nous examinons comment optimiser une forme d'onde pour obtenir un meilleur jet, en utilisant une approche générale de dropwatcher qui s'applique à de nombreuses têtes d'impression.
Nous suivrons le processus étape par étape avec une tête d'impression Dimatix Samba pour donner des exemples d'images et de données en cours de route.
Rappel rapide des principes
Commençons par revoir très brièvement les principes des formes d'onde. Dans le schéma ci-dessous, nous montrons comment une impulsion de tension entraîne la déformation de l'actionneur, créant une pression dans la chambre de la buse et provoquant l'éjection d'une goutte. Ce que nous optimisons, c'est la taille, la forme et l'espacement des impulsions afin de garantir que l'éjection corresponde aux exigences de notre objectif.
Comprendre votre cible
La première étape de toute tentative de développement d'une forme d'onde consiste à définir clairement l'objectif. En général, les cibles les plus importantes à identifier sont la taille de la goutte, la vitesse de la goutte et la fréquence du jet souhaitées. Si vous connaissez déjà les spécifications de l'objectif, vous pouvez commencer tout de suite. Dans le cas contraire, vous devrez faire des recherches.
Si vous êtes un fabricant d'encre et que vous devez développer une machine spécifique, vérifiez auprès de votre client quelles sont les conditions d'utilisation de l'encre. Si votre client est un fabricant d'équipements, il devrait être en mesure de vous dire tout ce que vous devez savoir. Si vous vendez directement à l'utilisateur, ces informations ne sont peut-être pas aussi facilement disponibles et vous devrez travailler un peu plus dur pour savoir ce qui est raisonnable. Vous pouvez vous faire une idée de la fréquence de fonctionnement à partir de la vitesse du chariot et de la résolution d'impression, en vous rappelant que si l'impression est à passages multiples, cette dernière peut être différente de la résolution finale.
Le point de départ
La toute première étape de l'optimisation de la forme d'onde consiste à établir une ligne de base raisonnable pour notre jet afin de pouvoir la visualiser avec le dropwatcher. Si possible, une technique simple consiste à commencer par la forme d'onde à impulsion unique recommandée par le fabricant de la tête d'impression, ou par défaut. En plus de la synchronisation typique des impulsions, il y aura généralement une sorte de tension de calibrage (parfois appelée tension "d'étiquette"). Utilisez cette tension pour commencer, car elle devrait produire un jet raisonnable. Pour notre exemple du Dimatix Samba, nous allons commencer par une forme d'onde tirée du manuel d'utilisation de la tête d'impression : une impulsion d'une amplitude de 26V avec une largeur d'impulsion de 2,18us (incluant un temps de montée de 40V/us).
L'étape suivante consiste à rendre les gouttes visibles dans le champ de vision de l'observateur de gouttes. Il est important que vous puissiez voir la plaque frontale si possible ; cela aide beaucoup à comprendre les défaillances éventuelles. L'image ci-dessous donne une vue idéale pour la tête d'impression Dimatix Samba.
Si vous ne faites qu'un test préliminaire avec un remplissage à la seringue, il est utile de minimiser la consommation d'encre pendant le test. L'injection de 10 à 20 buses le long de la même rangée de têtes d'impression à une fréquence modérée comme 8kHz vous permettra de tester pendant un certain temps sans avoir à remplir le fluide.
Mesurez rapidement la vitesse de chute pour vous assurer qu'elle est raisonnable, peut-être 5-6 m/s. Même si votre objectif final est plus élevé, ce paramètre permet généralement d'effectuer des mesures faciles sans trop de satellites. Si vous trouvez que la vélocité est trop faible, vous voudrez augmenter légèrement la tension de l'impulsion, et vice versa. Notre vélocité s'est avérée acceptable sans avoir à modifier la forme d'onde, donc 26V est un réglage approprié.
Étape 1 : Optimisation de la largeur d'impulsion
La première étape de l'optimisation de la forme d'onde consiste à obtenir la forme d'impulsion de base correspondant à l'acoustique de la combinaison tête-fluide. Dans la terminologie des formes d'onde, nous commencerons par déterminer la largeur d'impulsion appropriée.
La taille de la buse et les propriétés du fluide étant fixes, nous cherchons à déterminer le temps nécessaire pour maintenir la chambre de la buse ouverte afin que l'encre puisse y circuler à un bon rythme.
En général, il existe une relation quasi quadratique entre la largeur d'impulsion et le volume et la vitesse de la goutte. La largeur d'impulsion optimale est celle qui produit le volume et la vitesse de chute les plus élevés, et notre premier objectif est donc de trouver ce pic. Déterminez la largeur d'impulsion actuelle de votre forme d'onde de départ et prévoyez d'ajuster la largeur d'impulsion de 50 % en dessous à 50 % au-dessus de ce paramètre recommandé. À chaque largeur d'impulsion, mesurez le volume et la vitesse de la goutte à une distance constante de la tête d'impression. Choisissez une taille d'étape pour donner quelques points de données afin que vous puissiez construire une courbe.
Pour notre tête d'impression Samba, nous allons balayer automatiquement les largeurs d'impulsion de 1,1us à 3,3us par incréments de 0,1us. En capturant une image à chaque valeur (en utilisant la double impulsion), nous sommes en mesure de juger rapidement la vitesse de la chute visuellement et pouvons compléter avec des mesures si nécessaire. L'image ci-dessous est générée en utilisant une combinaison de JetXpert Add-Ons, XSweep et Stitch.
Le sommet de la courbe de vélocité est l'endroit où le timing de l'impulsion donne l'éjection de gouttes la plus efficace pour votre combinaison d'encre, de tête et d'électronique. Parfois, il est souhaitable d'utiliser une largeur d'impulsion un peu plus élevée que le sommet de la courbe, car cela peut aider avec les satellites. L'acquisition d'une certaine expérience vous aidera à prendre cette décision. Une fois que vous avez choisi votre largeur d'impulsion, programmez cette valeur dans votre forme d'onde et continuons.
Sur la base de notre image, nous pouvons voir que les largeurs d'impulsion de 2.1-2.2us semblent produire la plus grande vitesse de chute. Nous pouvons le dire car chaque tranche de l'image a été prise au même moment, et la goutte s'est éloignée le plus de la tête d'impression dans ces tranches. Si vous vous rappelez, 2,18us était notre largeur d'impulsion de départ d'après le manuel du Dimatix Samba, et en effet, elle semble être optimale. Bon travail, Dimatix !
Gagner du temps
Comme pour la plupart des choses dans le domaine du jet d'encre, c'est à l'utilisateur de déterminer le niveau de précision avec lequel il doit aborder ce processus. Dans le cas de l'optimisation de la forme d'onde, le choix d'une taille de pas plus petite pour tester chaque paramètre vous permettra d'obtenir des résultats plus précis. Cependant, lorsque vous effectuez cette analyse manuellement, une taille de pas plus petite augmente le temps nécessaire pour effectuer ces tests. Pour accélérer le processus, ImageXpert dispose d'un outil appelé XSweep, qui ajuste automatiquement les paramètres de la forme d'onde et effectue les mesures pour vous.
Étape 2 : Optimisation de la tension
Maintenant que nous savons que nous avons le bon timing, nous pouvons explorer le lien entre la tension et le volume et la vitesse de chute. En général, il existe une relation linéaire entre la tension et le volume de la goutte et la vélocité, jusqu'à une certaine limite. Le compromis normal est que l'augmentation de la tension produit également une augmentation des ligaments, donc l'objectif est d'obtenir la vitesse la plus élevée possible qui produit une belle goutte propre sans une queue qui se brise en satellites.
Comme nous l'avons fait précédemment avec la largeur d'impulsion, essayons une gamme de tensions et mesurons la vitesse de chute pour chacune d'elles. Il est important de garder également un œil sur le volume de la goutte et la formation des satellites, car cela aura un impact sur notre décision. Notre objectif à ce stade est de déterminer le paramètre de tension qui nous donne le volume et la vitesse cibles sans trop de satellites. Avec notre Samba, nous allons balayer automatiquement les tensions de 21V-31V par incréments de 0,5V. La sortie est montrée ci-dessous.
Une fois encore, les résultats semblent correspondre à la théorie. La vitesse de chute augmente linéairement avec la tension, jusqu'à un point où des satellites sont introduits. Choisissons une tension un peu plus basse que celle qui a produit des satellites et effectuons une mesure.
Nous connaissons maintenant le volume et la vitesse de chute qu'une forme d'onde utilisant ces paramètres produira et nous pouvons la comparer à nos objectifs. Cependant, notre travail n'est pas encore terminé.
Étape 3 : Pousser la tête un peu plus fort
Maintenant que vous avez amélioré votre impulsion et qu'elle produit la vélocité que vous recherchiez, il est temps de pousser la tête un peu plus fort et d'augmenter la fréquence. Cela permettra de vérifier si la forme d'onde que nous avons construite jusqu'à présent fonctionne bien à notre fréquence cible, et s'il y a des endroits particuliers à éviter. Si vous savez déjà quelle est votre fréquence cible, vous pouvez gagner du temps en vous contentant d'examiner le jet à cette fréquence, mais n'oubliez pas d'inclure également les sous-harmoniques. Ainsi, si l'espacement des gouttes est modifié pendant le rendu et l'impression de l'image, votre forme d'onde restera performante.
Nous pensons qu'il est généralement préférable de faire le maximum pour comprendre l'ensemble de l'espace de fréquence. Vous avez déjà configuré le système, et vous ne savez jamais quand un client demandera à utiliser cette encre à une autre fréquence. En plus de XSweep, Imagexpert fournit le module complémentaire Frequency Sweep pour accélérer le processus. Il balaie automatiquement une gamme de fréquences et collecte les données, ce qui est particulièrement utile pour les têtes d'impression à haute fréquence. L'image ci-dessous montre la forme d'onde de notre Samba qui jette à 1 - 30kHz par pas de 1 kHz.
Heureusement, notre formation de gouttes semble assez bonne dans cette gamme. Voici un autre exemple qui raconte une histoire différente.
Vous remarquez que le jet a une vitesse constante jusqu'à environ 19 kHz, puis la vitesse augmente ? En plus de l'augmentation de la vélocité, nous observons également une augmentation de la longueur du ligament et la formation de satellites. C'est la résonance. À 19 - 24 kHz, la synchronisation entre les impulsions de la forme d'onde est telle que l'impulsion est amplifiée par l'élan persistant dans la buse de l'impulsion précédente. En sachant cela, vous pouvez modifier la conception de votre système pour éviter cette fréquence ou utiliser une forme d'onde différente pour cette gamme.
Et si les résultats ne sont pas bons ?
Si la forme d'onde que vous avez créée n'est pas performante aux fréquences cibles, choisissez une tension plus faible et réessayez. Il s'agit d'un processus itératif, dans lequel vous devrez peut-être apporter de petites modifications à la largeur d'impulsion et à la tension et répéter l'opération afin d'obtenir les résultats souhaités. C'est là que l'automatisation est utile. Si vous n'arrivez pas à obtenir un volume ou une vitesse de chute suffisamment élevés, la multi-pulsation peut vous aider.
Étape 4 : Introduction de la multi-pulsation
Lorsque plus d'une impulsion est utilisée dans la forme d'onde pour créer des gouttes, on parle de multi-pulsation. Il ne faut pas confondre cette technique avec celle des niveaux de gris ; nous ne produisons toujours qu'une seule taille de goutte, nous utilisons simplement plusieurs impulsions de forme d'onde pour y parvenir. Les impulsions multiples peuvent être utiles pour augmenter le volume des gouttes projetées si une seule impulsion n'est pas capable d'éjecter suffisamment d'encre.
Si nous voulons utiliser des impulsions multiples pour créer des gouttes plus grosses, nous devons commencer par comprendre le rythme sous-jacent du déplacement de l'encre dans la tête. Pour ce faire, nous créons deux impulsions identiques et observons ce qui se passe au niveau de l'éjection en fonction de l'intervalle qui les sépare, comme illustré ci-dessous. Si le timing est bon, l'impulsion de l'encre dans la buse sera augmentée par la deuxième impulsion, et nous verrons une goutte plus rapide une fois qu'elle sera éjectée.
Dupliquons l'impulsion optimisée que nous avons créée précédemment et ajustons l'espacement entre ces deux impulsions, en analysant le jet à chaque étape. Un bon point de départ consiste à faire varier l'espacement de la valeur minimale autorisée au double de la largeur de chaque impulsion. La meilleure mesure à effectuer est de regarder la vitesse de la deuxième goutte qui sort (si elle sort) car la vitesse de cette goutte est très sensible à la fluctuation de pression causée par la première impulsion. Lorsque l'écart entre les impulsions est faible, dans certaines combinaisons tête/encre, les gouttes sont susceptibles de fusionner avant que vous n'ayez la possibilité de les mesurer, tandis que dans d'autres cas, la deuxième éjection peut apparaître comme une bosse remontant le long du ligament de la première. Ce qui est important, c'est de trouver à quel espacement la ou les gouttes que vous pouvez mesurer vont le plus vite. Les pics dans le comportement sont là où se trouve la résonance de la tête. La plupart des formes d'ondes grises réussies travaillent sur ou près de la période de résonance de sorte que l'éjection est optimisée pour une quantité donnée d'entrée.
Lorsque nous avons dupliqué notre impulsion Samba optimisée et balayé l'espacement des impulsions de 1,4us à 3,2us par pas de 0,1us, nous avons obtenu l'image suivante. Il est assez clair où la vitesse de la deuxième goutte est la plus élevée, ce qui correspond à notre période de résonance.
Maintenant que nous connaissons notre période de résonance, nous pouvons construire une forme d'onde qui l'utilise. La seule chose à retenir est que si vous empilez des impulsions de ce type les unes après les autres, il est important de tenir compte de l'amplitude de la tension, sinon vous allez pousser la vitesse d'éjection finale très haut, ce qui est généralement une mauvaise chose pour le mouillage de la buse et les satellites. Donc, en gardant cela à l'esprit, vous pouvez commencer avec quelque chose comme ceci pour obtenir votre taille de goutte cible.
Faire en sorte que les multi-pulsations fassent des niveaux de gris
Comme nous l'avons déjà mentionné, la principale différence avec les niveaux de gris est la possibilité de faire varier la taille des gouttes à chaque pixel de l'image imprimée. Cela signifie que vous devez choisir les impulsions de la forme d'onde à utiliser pour chaque niveau de gris afin d'obtenir la taille de goutte souhaitée. La première étape pour y parvenir consiste à diviser la forme d'onde en segments qui peuvent être sélectionnés par le contrôleur d'impression. Vous devez ensuite associer les bons segments aux niveaux de gris.
Tout comme les formes d'impulsion elles-mêmes, cette partie dépend beaucoup de votre système, et surtout du logiciel qui vous permet de modifier la "forme" de la forme d'onde. La façon la plus simple de visualiser ceci, et donc souvent utilisée dans les brevets sur le sujet, est d'imaginer la forme d'onde avec des séparateurs, puis d'avoir un tableau indiquant ce qui est utilisé dans chaque niveau. Nous l'avons dessiné ci-dessous pour un exemple unique de 5 impulsions.
La raison pour laquelle nous avons choisi 5 impulsions pour 3 niveaux est qu'elle démontre bien le haut degré de flexibilité possible, y compris le fait que les impulsions ne doivent pas nécessairement être identiques ou être linéaires en amplitude (comme nos premiers exemples). La seule chose à garder à l'esprit est que la fréquence maximale qui peut être utilisée sera l'inverse du temps pris pour compléter la forme d'onde entière, quel que soit le niveau de gris que vous sélectionnez.
Habituellement, il existe des règles associées à la proximité des impulsions entre elles pour laisser le temps à la carte électronique de commuter entre les segments de la forme d'onde. La plupart des bons éditeurs de formes d'onde vous indiqueront s'il y a un problème.
Vous pouvez maintenant régler les largeurs d'impulsion individuelles, les tensions et les espacements d'impulsion des segments de forme d'onde pour obtenir le volume et la vitesse de chute correspondant à vos objectifs. Il est utile d'avoir une image qui place des gouttes de différentes tailles les unes à côté des autres dans le même champ de vision, afin de pouvoir étudier l'impact d'un changement sur tous les niveaux de gris. Cette image montre trois niveaux de gris différents dans un champ de vision.
Conception avancée de formes d'onde
L'approche à impulsions multiples peut également être utile pour contrôler le mouillage de la plaque de la buse, ou pour influencer la rupture du ligament, par exemple. Les impulsions supplémentaires peuvent venir avant ou après l'impulsion d'éjection principale, comme indiqué ci-dessous. Les astuces pour mettre en œuvre des formes d'onde plus avancées sont difficiles à systématiser, mais nous voulions nous assurer que vous savez que ces choses sont possibles.
Il existe une autre méthode utilisée en standard par certains fabricants de têtes, appelée pulsation bi-polaire. Cette terminologie provient des têtes qui utilisent des amplificateurs positifs et négatifs pour piloter le PZT dans les deux sens. L'avantage de ces systèmes peut être d'obtenir une éjection de goutte plus efficace à partir d'une tension globale plus faible, mais il permet également de programmer des impulsions dans n'importe quelle direction pour manipuler la variation de pression après l'éjection. Comme la capacité bipolaire rend l'électronique plus compliquée, l'effet peut être recréé en utilisant un circuit unipolaire (tension positive ou négative uniquement) qui utilise une tension de repos non nulle. Nous essayons d'expliquer la différence avec l'image ci-dessous, qui est tirée de deux brevets récents de deux principaux fabricants de têtes. L'image de gauche est une forme d'onde bipolaire, l'image de droite est un uni-polaire avec une tension de repos non nulle.
Dans les deux cas, les formes d'onde sont plus qu'une succession de simples trapèzes comme nous l'avons décrit précédemment. La génération de formes plus arbitraires nécessite une approche différente de celle qui consiste à déterminer la hauteur et la largeur de l'impulsion. Habituellement, la forme d'onde est maintenant définie par des segments passant d'une tension à une autre pendant un temps donné. Certains composants électroniques spécifiques sont nécessaires et peuvent être spécifiques à un fournisseur. L'optimisation des formes d'onde à l'aide de ces techniques sera abordée dans un prochain article. [This is automatically translated from English]