最近，iPrint的Sebastian Filliger介紹了與STEINEMANN DPE和Polytype AG合作開發(fā)噴頭噴嘴狀態(tài)檢測解決方案的情況。

iPrint是一家數字印刷研究所，隸屬于瑞士弗里堡工程與建筑學院（HEIAFR），是瑞士西部應用科學與藝術大學（HES-SO）的成員。該研究所與 STEINEMANN DPE（庫爾茲旗下公司）和Polytype AG合作。

iPrint開發(fā)并測試了專門的傳感硬件和分析軟件，Polytype AG將其集成到噴頭驅動板中。這項技術無需進行圖像處理即可評估單個噴嘴的噴射性能。STEINEMANN DPE在實際工業(yè)印刷條件下對該系統(tǒng)進行了廣泛測試。結果表明，可以顯著降低生產成本。

噴頭噴嘴狀態(tài)檢測

噴墨具有生產率高、與各種液體和基材兼容等優(yōu)點，正日益成為數字生產的首選解決方案。噴墨系統(tǒng)的核心是噴頭，它是一種精密設備，能夠通過數千個獨立噴嘴按需準確噴墨。然而，這種復雜性使得噴頭有些脆弱，難以維修。通過開發(fā)一種更有效的方法來檢測單個噴嘴的狀態(tài)，iPrint及其合作伙伴正在滿足業(yè)界對更好的噴頭維護和錯誤檢測系統(tǒng)的需求。

噴頭的一個常見問題是在噴印過程中噴嘴丟失或偏離，這通常會導致明顯的產品缺陷（見圖 1）。

目前昂貴的解決方案

目前行業(yè)內可用的錯誤檢測解決方案既昂貴又低效。大多數系統(tǒng)基于對印刷產品的光學檢測，因此僅限于特定的印刷模式。檢測還需要停止生產和漫長的維護周期，從而造成生產損失、油墨浪費和噴頭磨損。毫不奇怪，很少有公司真正采用這種系統(tǒng)。大多數公司更愿意完全依靠操作員的觀察。

感應系統(tǒng)

創(chuàng)新的傳感過程使用噴嘴的壓電致動器作為傳感器。致動器的驅動在流體中產生壓力波。這些波在噴嘴腔內來回反彈，向致動器施加壓力。這就產生了與壓力變化成正比的微小但可測量的電流（見圖 2）。

除了識別有缺陷的噴嘴外，傳感系統(tǒng)還能確定故障的可能原因。這是因為不同的噴嘴故障會以不同的方式改變反射模式（見圖 3）。

項目貢獻

在項目開始之前，基于壓力波的噴嘴狀態(tài)檢測的可行性已經得到科學證實。iPrint及其合作伙伴的主要貢獻在于成功地將該系統(tǒng)產業(yè)化。為了能夠在真正的打印機上測試實驗傳感系統(tǒng)，必須開發(fā)一個透明的中間系統(tǒng)。中間系統(tǒng)位于現(xiàn)有打印系統(tǒng)和打印頭之間，在打印過程中保持被動狀態(tài)，對打印過程沒有任何影響。一旦啟動，它就會斷開打印系統(tǒng)并獨立測試打印頭。測試結果將被發(fā)送到數據庫并顯示給操作員。

該項目的第二個主要貢獻是利用現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 加速技術大大縮短了測量時間。測量時間要求低于50毫秒，以避免干擾薄片到薄片 (STS) 工藝，并允許對所有噴嘴進行順序測試。

噴嘴分類

施加在壓電元件上的壓力會產生一個可測量的信號，作為噴射性能的指紋。通過與已知故障案例的各種基準波形進行比較，算法會計算出每個噴嘴的適配值。如果出現(xiàn)重大偏差，系統(tǒng)會向機器發(fā)出警報，指出可能的故障原因。

所有噴嘴被分為性能良好、性能不佳或丟失。在獲得噴頭的完整概覽后，操作員可以根據自己的經驗決定是否進行維護或恢復打印。iPrint正在實現(xiàn)這一決策過程的自動化。

運行測試

在實際工業(yè)條件下，在STEINEMANN DPE的DM-MAXLINER 3D單程數碼上光印刷系統(tǒng)上對傳感系統(tǒng)進行了為期六個月的評估。四個噴頭配備了該系統(tǒng)。操作員定期對同一噴頭進行帶有時間戳的手動噴嘴檢查。測試期結束后，對傳感系統(tǒng)產生的分類與手動噴嘴檢查的數據進行了統(tǒng)計分析。

結果令人印象深刻--傳感系統(tǒng)正確識別了 98.4% 性能不佳的噴嘴，沒有出現(xiàn)一個誤報。只有 1.6% 的性能不佳噴嘴未被檢測到（假陰性）。

圖 5：人機界面顯示缺少噴嘴的統(tǒng)計數據和位置

如圖6所示，該系統(tǒng)的輸出結果很容易解釋。使用簡單的閾值就能區(qū)分性能好、性能差和缺失的噴嘴所產生的數值。

結論

該系統(tǒng)可在兩次印刷之間的20毫秒內檢測出STS流程中性能不佳和缺失的噴嘴。在100米/分鐘的速度下，這相當于3.3厘米的間隙。缺失噴嘴的檢測率為98.4%，同時還能檢測到偏離的噴嘴。盡管目前還沒有足夠的數據進行統(tǒng)計分析。該系統(tǒng)在一臺工業(yè)打印機上進行了6個多月的測試，打印質量和機器可靠性沒有任何下降。

這種創(chuàng)新的傳感系統(tǒng)消除了人工檢查的需要，使噴頭維護更加高效。通過依靠噴嘴發(fā)出的物理信號，而不是對打印產品進行光學檢測，該系統(tǒng)能夠不受打印模式和墨水顏色的影響，甚至可以對透明墨水進行錯誤檢測。