In diesem Artikel befassen wir uns mit der Optimierung einer Wellenform, um einen besseren Strahl zu erhalten, wobei wir einen allgemeinen Dropwatcher-Ansatz verwenden, der für viele Druckköpfe gilt.
Wir gehen Schritt für Schritt mit einem Dimatix Samba-Druckkopf vor, um Beispielbilder und -daten zu liefern.
Kurze Erinnerung an die Grundsätze
Beginnen wir mit einem kurzen Überblick über die Prinzipien von Wellenformen. Im folgenden Schema wird gezeigt, wie ein Spannungsimpuls zu einer Verformung des Aktuators führt, wodurch Druck in der Düsenkammer entsteht und ein Tropfen ausgestoßen wird. Wir optimieren die Größe, die Form und den Abstand der Impulse, um sicherzustellen, dass der Strahl unseren Zielanforderungen entspricht.
Verstehen Sie Ihr Ziel
Der erste Schritt bei jedem Versuch, eine Wellenform zu entwickeln, besteht darin, das Ziel klar zu definieren. In der Regel sind die wichtigsten Ziele die gewünschte Tropfengröße, die Tropfengeschwindigkeit und die Strahlhäufigkeit. Wenn Sie die Zielvorgaben bereits kennen, können Sie sofort loslegen. Wenn nicht, dann müssen Sie einige Nachforschungen anstellen.
Wenn Sie ein Tintenhersteller sind und eine bestimmte Maschine zu entwickeln haben, erkundigen Sie sich bei Ihrem Kunden nach den Einsatzbedingungen der Tinte. Wenn es sich bei Ihrem Kunden um einen Gerätehersteller handelt, sollte er in der Lage sein, Ihnen alles zu sagen, was Sie wissen müssen. Wenn Sie direkt an den Benutzer verkaufen, sind diese Informationen vielleicht nicht so leicht verfügbar und Sie müssen sich etwas mehr anstrengen, um herauszufinden, was sinnvoll ist. Anhand der Geschwindigkeit des Druckwagens und der Druckauflösung können Sie sich ein Bild von der Betriebsfrequenz machen, wobei Sie bedenken sollten, dass die Auflösung bei Mehrfachdrucken von der endgültigen Auflösung abweichen kann.
Der Startpunkt
Der allererste Schritt bei der Optimierung der Wellenform besteht darin, eine sinnvolle Basislinie für den Strahl zu erstellen, damit wir sie mit dem Dropwatcher betrachten können. Wenn möglich, ist es einfach, mit der vom Druckkopfhersteller empfohlenen oder standardmäßigen Einzelimpulswellenform zu beginnen. Neben dem typischen Impulstiming gibt es in der Regel auch eine Art Kalibrierungsspannung (manchmal auch "Etikettenspannung" genannt). Verwenden Sie diese für den Anfang, da sie einen angemessenen Strahl erzeugen sollte. Für unser Dimatix-Samba-Beispiel werden wir mit einer Wellenform aus dem Benutzerhandbuch des Druckkopfes beginnen: ein 26-V-Amplitudenimpuls mit einer Impulsbreite von 2,18us (einschließlich einer 40-V/us-Anstiegszeit).
Der nächste Schritt besteht darin, die Tropfen im Sichtfeld des Tropfenbeobachters sichtbar zu machen. Es ist wichtig, dass Sie die Frontplatte sehen können, wenn möglich; das hilft sehr, wenn es darum geht, Fehler zu verstehen, falls es welche gibt. Das folgende Bild zeigt eine ideale Ansicht für den Dimatix Samba-Druckkopf.
Wenn Sie nur einen ersten Test mit einer Spritzenfüllung durchführen, ist es sinnvoll, den Tintenverbrauch während des Tests zu minimieren. Wenn Sie etwa 10-20 Düsen entlang derselben Druckkopfreihe mit einer moderaten Frequenz wie 8 kHz spritzen, können Sie eine Weile testen, ohne die Flüssigkeit nachfüllen zu müssen.
Führen Sie eine schnelle Messung der Tropfengeschwindigkeit durch, um sicherzustellen, dass sie angemessen ist, etwa 5-6 m/s. Selbst wenn Ihr Ziel höher liegt, ermöglicht diese Einstellung in der Regel einfache Messungen ohne zu viele Satelliten. Wenn Sie feststellen, dass die Geschwindigkeit zu niedrig ist, sollten Sie die Impulsspannung etwas erhöhen und umgekehrt. Unsere Geschwindigkeit war akzeptabel, ohne dass wir die Wellenform ändern mussten, so dass 26 V eine angemessene Einstellung ist.
Schritt 1: Optimierung der Impulsbreite
Der erste Schritt bei der Optimierung der Wellenform besteht darin, die grundlegende Impulsform so zu gestalten, dass sie der Akustik der Kombination aus Kopf und Flüssigkeit entspricht. In der Wellenform-Terminologie beginnen wir mit der Bestimmung der richtigen Impulsbreite.
Da sowohl die Größe der Düse als auch die Flüssigkeitseigenschaften festgelegt sind, suchen wir nach der Zeit, in der die Düsenkammer expandiert bleiben muss, damit sich die Tinte in einem guten Rhythmus hin und her bewegen kann.
Im Allgemeinen besteht eine nahezu quadratische Beziehung zwischen Impulsbreite, Tropfenvolumen und -geschwindigkeit. Die optimale Impulsbreite ist diejenige, die das höchste Tropfenvolumen und die höchste Tropfengeschwindigkeit erzeugt, daher besteht unser erstes Ziel darin, diesen Spitzenwert zu finden. Bestimmen Sie die aktuelle Impulsbreite für Ihre Ausgangswellenform und planen Sie eine Anpassung der Impulsbreite von 50 % unter bis 50 % über dieser empfohlenen Einstellung. Messen Sie bei jeder Impulsbreite das Tropfenvolumen und die Geschwindigkeit in einem gleichbleibenden Abstand vom Druckkopf. Wählen Sie eine Schrittweite, die ein paar Datenpunkte liefert, damit Sie eine Kurve erstellen können.
Für unseren Samba-Druckkopf durchlaufen wir automatisch die Pulsbreiten von 1,1us bis 3,3us in 0,1us-Schritten. Indem wir bei jedem Wert ein Bild aufnehmen (unter Verwendung von Doppelimpulsen), können wir die Geschwindigkeit des Tropfens schnell visuell beurteilen und bei Bedarf durch Messungen ergänzen. Das folgende Bild wurde mit einer Kombination aus JetXpert Add-Ons, XSweep und Stitch erstellt.
Der obere Teil der Geschwindigkeitskurve ist der Punkt, an dem das Timing des Impulses den effizientesten Tropfenauswurf für Ihre Kombination aus Tinte, Kopf und Elektronik ergibt. Manchmal ist es wünschenswert, eine Impulsbreite zu verwenden, die etwas höher ist als die Spitze, da dies bei Satelliten helfen kann. Einige Erfahrungen werden Ihnen bei dieser Entscheidung helfen. Sobald Sie Ihre Pulsbreite ausgewählt haben, programmieren Sie diesen Wert in Ihre Wellenform und fahren wir fort.
Anhand unseres Bildes können wir sehen, dass Pulsbreiten von 2,1 bis 2,2 Sekunden die höchste Fallgeschwindigkeit zu erzeugen scheinen. Dies ist daran zu erkennen, dass jeder Bildausschnitt zum gleichen Zeitpunkt aufgenommen wurde und der Tropfen in diesen Ausschnitten am weitesten vom Druckkopf entfernt ist. Wenn Sie sich erinnern, war 2,18us unsere Ausgangspulsbreite aus dem Dimatix Samba-Handbuch, und tatsächlich scheint sie optimal zu sein. Gute Arbeit, Dimatix!
Zeitersparnis
Wie bei den meisten Dingen im Tintenstrahldruck ist es Sache des Benutzers, den Grad der Präzision zu bestimmen, mit dem er an diesen Prozess herangeht. Im Falle der Wellenformoptimierung können Sie durch die Wahl einer kleineren Schrittgröße für die Prüfung der einzelnen Parameter präzisere Ergebnisse erzielen. Bei der manuellen Durchführung dieser Analyse erhöht eine kleinere Schrittgröße jedoch die Zeit, die für die Prüfung benötigt wird. Um den Prozess zu beschleunigen, verfügt ImageXpert über ein Tool namens XSweep, das die Wellenformeinstellungen automatisch anpasst und die Messungen für Sie durchführt.
Schritt 2: Optimierung der Spannung
Da wir nun wissen, dass wir den richtigen Zeitpunkt erwischt haben, können wir den Zusammenhang zwischen Spannung und Tropfenvolumen und -geschwindigkeit untersuchen. Normalerweise besteht eine lineare Beziehung zwischen Spannung, Tropfenvolumen und Geschwindigkeit, bis zu einer bestimmten Grenze. Der normale Kompromiss besteht darin, dass eine höhere Spannung auch mehr Bänder erzeugt. Das Ziel ist also, die höchstmögliche Geschwindigkeit zu erreichen, die einen schönen, sauberen Tropfen ohne einen Schweif erzeugt, der in Satelliten zerfällt.
Wie zuvor bei der Impulsbreite probieren wir eine Reihe von Spannungen aus und messen die Tropfengeschwindigkeit bei jeder Spannung. Es ist wichtig, auch das Tropfenvolumen und die Satellitenbildung im Auge zu behalten, da dies unsere Entscheidung beeinflussen wird. Unser Ziel ist es, diejenige Spannung zu finden, bei der wir das gewünschte Volumen und die gewünschte Geschwindigkeit ohne zu viele Satelliten erreichen. Mit unserem Samba werden wir automatisch durch Spannungen von 21V-31V in 0,5V-Schritten wischen. Die Ausgabe ist unten dargestellt.
Auch hier scheinen die Ergebnisse der Theorie zu entsprechen. Die Fallgeschwindigkeit nimmt linear mit der Spannung zu, bis zu einem Punkt, an dem Satelliten entstehen. Wir wählen eine Spannung, die etwas niedriger ist als die, bei der Satelliten entstehen, und führen eine Messung durch.
Wir kennen jetzt das Tropfenvolumen und die Geschwindigkeit, die eine Wellenform mit diesen Einstellungen erzeugen wird, und können sie mit unseren Zielvorgaben vergleichen. Unsere Arbeit ist jedoch noch nicht getan.
Schritt 3: Den Kopf ein wenig fester drücken
Jetzt, da Sie Ihren Puls verbessert haben und er die gewünschte Geschwindigkeit erzeugt, ist es an der Zeit, den Kopf ein wenig stärker zu drücken und die Frequenz zu erhöhen. So können Sie testen, ob die Wellenform, die wir bisher erstellt haben, bei der Zielfrequenz gut funktioniert und ob es bestimmte Stellen gibt, die Sie vermeiden sollten. Wenn Sie bereits wissen, was Ihre Hauptzielfrequenz ist, können Sie etwas Zeit sparen, indem Sie nur die Düsendüsen in diesem Bereich untersuchen, aber vergessen Sie nicht, auch die Subharmonischen zu berücksichtigen. Dadurch wird sichergestellt, dass Ihre Wellenform auch dann noch gut funktioniert, wenn der Tropfenabstand beim Rendern und Drucken des Bildes angepasst wird.
Wir sind der Meinung, dass es in der Regel am besten ist, so viel wie möglich zu tun, um den gesamten Frequenzbereich zu verstehen. Sie haben das System bereits eingerichtet, und Sie wissen nie, wann ein Kunde darum bittet, diese Farbe auf einer anderen Frequenz zu verwenden. Zusätzlich zu XSweep bietet Imagexpert das Frequency Sweep Add-on an, um den Prozess zu beschleunigen. Damit wird automatisch eine Reihe von Frequenzen durchlaufen und die Daten gesammelt, was besonders bei Druckköpfen mit höheren Frequenzen hilfreich ist. Die Abbildung unten zeigt unsere Samba-Wellenform, die bei 1 - 30 kHz in 1-kHz-Schritten abläuft.
Glücklicherweise sieht unsere Tropfenformation in diesem Bereich ziemlich gut aus. Hier ist ein weiteres Beispiel, das eine andere Geschichte erzählt.
Beachten Sie, dass der Strahl bis etwa 19 kHz eine konstante Geschwindigkeit aufweist, danach steigt die Geschwindigkeit sprunghaft an. Zusätzlich zur erhöhten Geschwindigkeit sehen wir auch eine erhöhte Bandlänge und Satellitenbildung. Dies ist Resonanz. Bei 19 - 24 kHz ist der zeitliche Abstand zwischen den Wellenformimpulsen so gewählt, dass der Impuls durch den in der Düse verbleibenden Schwung des vorherigen Impulses verstärkt wird. Mit diesem Wissen können Sie die Konstruktion Ihres Systems so ändern, dass Sie diese Frequenz entweder vermeiden oder eine andere Wellenform für diesen Bereich verwenden.
Was ist, wenn die Ergebnisse nicht gut sind?
Wenn die von Ihnen erstellte Wellenform bei den Zielfrequenzen nicht gut funktioniert, wählen Sie eine niedrigere Spannung und versuchen Sie es erneut. Es handelt sich um einen iterativen Prozess, bei dem Sie möglicherweise kleine Änderungen an der Impulsbreite und der Spannung vornehmen und wiederholen müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. An dieser Stelle kommt die Automatisierung ins Spiel. Wenn Sie die Lautstärke oder die Geschwindigkeit der Tropfen nicht hoch genug einstellen können, kann das Multipulsing helfen.
Schritt 4: Einführung von Multi-Pulsing
Wenn mehr als ein Impuls in der Wellenform verwendet wird, um Tropfen zu erzeugen, spricht man von Mehrfachimpulsen. Dies ist nicht zu verwechseln mit Graustufen; wir erzeugen immer noch nur eine Tropfengröße, wir verwenden nur mehrere Wellenformimpulse dafür. Multi-Pulsing kann nützlich sein, um das Volumen der ausgestoßenen Tropfen zu erhöhen, wenn ein einzelner Impuls nicht ausreicht, um genügend Tinte auszustoßen.
Wenn wir mehrere Impulse verwenden wollen, um größere Tropfen zu erzeugen, müssen wir zunächst das zugrunde liegende Timing der Tintenbewegung im Kopf verstehen. Dazu erzeugen wir zwei identische Impulse und beobachten, was mit dem Ausstoß in Abhängigkeit von der Lücke zwischen den Impulsen geschieht, wie unten dargestellt. Wenn das Timing richtig ist, wird der Impuls der Tinte in der Düse durch den zweiten Impuls erhöht, und wir sehen einen schnelleren Tropfen, sobald er ausgestoßen wird.
Duplizieren wir den optimierten Impuls, den wir zuvor erstellt haben, und passen wir den Abstand zwischen diesen beiden Impulsen an, wobei wir die Strahlführung bei jedem Schritt analysieren. Ein guter Ausgangspunkt ist die Variation des Abstands vom minimal zulässigen Wert bis zur doppelten Impulsbreite jedes Impulses. Die beste Messung ist die Untersuchung der Geschwindigkeit des zweiten austretenden Tropfens (wenn er überhaupt austritt), da die Geschwindigkeit dieses Tropfens sehr empfindlich auf die durch den ersten Impuls verursachten Druckschwankungen reagiert. Bei geringen Impulsabständen sind die Tropfen bei einigen Kopf/Tinten-Kombinationen wahrscheinlich schon verschmolzen, bevor Sie die Möglichkeit haben, sie zu messen, während bei anderen der zweite Auswurf als eine Ausbuchtung erscheinen kann, die sich am Band des ersten hochzieht. Wichtig ist, dass Sie herausfinden, in welchen Abständen die Tropfen, die Sie messen können, am schnellsten fließen. Die Spitzen im Verhalten liegen dort, wo die Kopfresonanz liegt. Die meisten erfolgreichen Graustufen-Wellenformen arbeiten auf oder nahe der Resonanzperiode, so dass der Auswurf für eine bestimmte Menge an Input optimiert wird.
Wenn wir unseren optimierten Samba-Impuls duplizieren und den Impulsabstand in 0,1us-Schritten von 1,4us auf 3,2us verschieben, erhalten wir das folgende Bild. Es ist ziemlich klar, wo die Geschwindigkeit des zweiten Tropfens am höchsten ist, nämlich in unserer Resonanzperiode.
Da wir nun unsere Resonanzperiode kennen, können wir eine Wellenform erstellen, die diese nutzt. Das Einzige, woran man denken muss, ist, dass man bei der Aneinanderreihung von Impulsen wie diesem die Spannungsamplitude berücksichtigen muss, da man sonst die endgültige Ausstoßgeschwindigkeit sehr hoch treibt, was normalerweise schlecht für die Düsenbenetzung und die Satelliten ist. Aus diesem Grund können Sie mit einer solchen Einstellung beginnen, um die gewünschte Tropfengröße zu erreichen.
Multi-Pulsing mit Graustufen machen
Wie bereits erwähnt, besteht der Hauptunterschied zu Graustufen in der Möglichkeit, die Tropfengröße an jedem Pixel des gedruckten Bildes zu variieren. Das bedeutet, dass Sie auswählen müssen, welche Wellenformimpulse für jede Graustufe verwendet werden sollen, um die gewünschte Tropfengröße zu erhalten. Der erste Schritt dazu besteht darin, die Wellenform in Segmente aufzuteilen, die von der Drucksteuerung ausgewählt werden können. Anschließend müssen Sie die richtigen Segmente den Graustufen zuordnen.
Wie die Impulsformen selbst hängt auch dieser Teil stark von Ihrem System und insbesondere von der Software ab, mit der Sie die "Form" der Wellenform bearbeiten können. Der einfachste Weg, dies zu visualisieren, und daher oft in Patenten zu diesem Thema verwendet, ist, die Wellenform mit Trennzeichen darzustellen und dann eine Tabelle zu haben, die Ihnen sagt, was in jeder Stufe verwendet wird. Wir haben dies unten für ein einzelnes 5-Puls-Beispiel gezeichnet.
Wir haben uns für 5 Impulse bei 3 Graustufen entschieden, weil dies ein gutes Beispiel für den hohen Grad an Flexibilität ist, der möglich ist, einschließlich der Tatsache, dass die Impulse nicht identisch oder in der Amplitude linear sein müssen (wie unsere ersten Beispiele). Dabei ist zu beachten, dass die maximale Frequenz, die verwendet werden kann, der Kehrwert der Zeit ist, die benötigt wird, um die gesamte Wellenform zu vervollständigen, unabhängig davon, welche Graustufe Sie auswählen.
In der Regel gibt es Regeln dafür, wie nahe die Impulse beieinander liegen dürfen, damit die Elektronikkarte Zeit hat, zwischen den Wellenformsegmenten zu wechseln. Die meisten guten Wellenform-Editoren zeigen Ihnen an, ob es ein Problem geben könnte.
Nun können Sie die einzelnen Impulsbreiten, Spannungen und Impulsabstände der Wellenformsegmente so einstellen, dass die Lautstärke und die Geschwindigkeit der Tropfen den Zielvorgaben entsprechen. Es ist nützlich, ein Bild zu haben, in dem Tropfen unterschiedlicher Größe nebeneinander im selben Sichtfeld angeordnet sind, damit Sie die Auswirkungen einer Änderung auf alle Graustufen untersuchen können. Dieses Bild zeigt drei verschiedene Graustufen in einem Blickfeld.
Fortgeschrittenes Wellenformdesign
Der Ansatz der Mehrfachimpulse kann auch nützlich sein, um beispielsweise die Benetzung der Düsenplatte zu steuern oder den Abriss der Bänder zu beeinflussen. Wie unten gezeigt, können zusätzliche Impulse vor oder nach dem Hauptausstoßimpuls erfolgen. Tipps für die Implementierung fortgeschrittener Wellenformtricks sind schwer zu systematisieren, aber wir wollten sicherstellen, dass Sie wissen, dass diese Dinge möglich sind.
Es gibt noch eine andere Methode, die von einigen Kopfherstellern standardmäßig verwendet wird, das so genannte bipolare Pulsen. Die Bezeichnung stammt von Köpfen, die sowohl positive als auch negative Verstärker verwenden, um das PZT in beide Richtungen anzutreiben. Der Vorteil solcher Systeme kann darin bestehen, dass ein effizienterer Tropfenauswurf mit einer niedrigeren Gesamtspannung erreicht wird, aber es können auch Impulse in jede Richtung programmiert werden, um die Druckschwankungen nach dem Auswerfen zu beeinflussen. Da eine bipolare Schaltung die Elektronik komplizierter macht, kann der Effekt mit einer unipolaren Schaltung (nur positive oder negative Spannung) nachgebildet werden, die eine Ruhespannung ungleich Null verwendet. Wir versuchen, den Unterschied anhand des folgenden Bildes zu erklären, das aus einigen aktuellen Patenten von zwei großen Kopfherstellern stammt. Das Bild auf der linken Seite ist eine bipolare Wellenform, das Bild auf der rechten Seite ist eine unipolare mit einer von Null verschiedenen Ruhespannung.
IIn beiden Fällen sind die Wellenformen mehr als eine Folge einfacher Trapeze, wie wir sie zuvor beschrieben haben. Die Erzeugung der willkürlicheren Formen erfordert einen anderen Ansatz als nur die Festlegung der Höhe und Breite des Impulses. Normalerweise wird die Wellenform nun durch Segmente definiert, die in einer bestimmten Zeit von einer Spannung zur anderen wechseln. Hierfür ist eine spezielle Elektronik erforderlich, die herstellerspezifisch sein kann. Die Optimierung von Wellenformen mit Hilfe dieser Techniken kann in einem zukünftigen Artikel näher erläutert werden. [This is automatically translated from English]