CN107554076B - 一种纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法及打印机 - Google Patents

Abstract

本发明属于喷墨打印微制造技术领域，公开了一种纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法及打印机，包括：根据测量不同压电喷头负压值与喷出纳米银墨滴半径的关系，拟合获得负压与墨滴间距的关系方程；将在计算机中确定模型表面打印模型中的待打印部分，将待打印部分分离，保存成STL格式；根据带有喷射区间指令的G代码，计算开始打印起始坐标和打印区间长度，根据墨滴半径对打印长度进行墨滴半径补偿，并存入打印长度变量中；根据优化的打印长度和墨滴半径确定打印时墨滴间距，进行墨滴落点初规划；打印导电图形表面；将所有执行代码执行完成，获得导电图形。根据不同基材，调整负压以改变墨滴大小来适应基材，有效提高导电图形边界整齐度。

Description

一种纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法及打印机

技术领域

本发明属于喷墨打印微制造技术领域，尤其涉及一种纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法及打印机。

背景技术

三维打印技术以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来。数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造变得快速简捷。压电喷头喷墨打印是目前最为成熟的喷墨打印方式之一，通过计算机给喷头发出脉冲指令，驱动压电喷头根据指令在表面喷出纳米银墨滴构成导电图形。边界整齐度是判断一个导电图形质量好坏的重要判据，传统喷墨打印中采用固定的墨滴间距，也就是根据需要按照固定时间或者固定步长，给予压电喷头激励信号，在基材上留下固定步长的墨滴，组合形成模型图案，但是由于单条执行指令的打印区间长度很难为墨滴间距的整数倍，当压电喷头执行完整数倍的打印长度后，会留下不足一个步长的区间无法触发喷头打印，这样会在打印结束后的整体模型图案边界上产生参差不齐的缺口，大大影响打印图形的边界整齐度，多数厂家通过提高打印分辨率来弱化这一问题，这样从视觉上可以有效提高整齐度，但是高分别率意味着需要更紧密的路径规划和更小的墨滴间距，会大大提高打印成本和打印时间，这时急需一种边界对齐解决方法从根本上解决边界不齐的问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统喷墨打印由于打印区间长度很难为墨滴间距的整数倍，每次产生误差，大大影响打印图形的边界整齐度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法及打印机。

本发明是这样实现的，一种纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法，所述纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法包括以下步骤：

步骤一，根据测量不同压电喷头负压值与喷出纳米银墨滴半径的关系，拟合获得负压与墨滴间距的关系方程；

步骤二，将在计算机中确定模型表面打印模型中的待打印部分，将待打印部分分离，保存成STL格式；将曲面表面打印模型中的待打印曲面进行数据处理，将原模型分成多个三角形，根据不同基材表面调节负压选择相应墨滴半径，并根据墨滴半径相应步距进行路径规划生成带有喷射区间指令的G代码；

步骤三，根据带有喷射区间指令的G代码，计算开始打印起始坐标和打印区间长度，根据墨滴半径对打印长度进行墨滴半径补偿，并存入打印长度变量中；

步骤四，根据优化出来的打印长度和墨滴半径确定打印时墨滴间距，进行墨滴落点初规划，根据非整数倍步长的剩余打印区的大小从新微调墨滴间距，提高导电图形边界整齐度；

步骤五，打印导电图形表面；

步骤六重复步骤三到步骤五，将所有执行代码执行完成，最终获得导电图形，结束打印。

进一步，所述步骤一中负压与墨滴半径关系为：

R(x)＝y₀R₀(x)+y₁R₁(x)+y₂R₂(x)+y₃R₃(x)；

其中：负压值x₀、x₁、x₂、x₃，负压值以及对应的墨滴平均半径y₀、y₁、y₂、y₃拉格朗日插值拟合公式R(x)，拉格朗日插值分式R₀(x)、R₁(x)、R₂(x)、R₃(x)。

进一步，所述步骤三中墨滴半径补偿公式为：

其中：h为墨滴半径补偿值，墨滴半径R和墨滴间距S。

进一步，所述步骤四中墨滴落点对齐优化包括：

墨滴半径补偿后打印区间长度：L_new＝L-2h；

将打印区间分成N段：

判断四舍五入：若N*L_onestep≥L_new则为五入；

若N*L_onestep≤L_new则为四舍；

若为四舍，误差长度为：L_rest＝L_new-N*L_onestep；

优化后的墨滴间距为：

若为五入，误差长度为：L_rest＝N*L_onestep-L_new；

优化后的墨滴间距为：

打印墨滴数量N+1；

其中打印区间长度L_new，墨滴步距L_onestep，整数N，将打印区间分成N段，需要打印N+1个点，误差长度L_rest，墨滴间距L_newstep。

进一步，所述步骤五中根据优化后的墨滴间距L_newstep和墨滴数量N+1，进行工作，由下位机判断是否进入打印区间，若进入打印区间，压电喷头开始喷射第一个点，当运行距离为优化后的墨滴间距L_newstep的整数倍时，压电喷头就喷一个点，当喷射墨滴数为N+1时，结束工作。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法的打印机。

本发明的优点及积极效果为：

1、针对现有喷墨打印方式提出了新的墨滴规划方法，解决了当前相对于现有打印方法中对压电喷头给出固定墨滴间距或固定打印频率的方法，由于单条执行指令的打印区间长度很难为墨滴间距的整数倍，当压电喷头执行完整数倍的打印长度后，会留下不足一个步长的区间无法触发喷头打印，这样会在打印结束后的整体模型图案边界上产生参差不齐的缺口，而本发明通过在每次执行指令时根据打印区间长度来调整墨滴间距和打印墨滴数，使得整个打印区间会被墨滴均匀的填满，大大提高了图形边界的整齐度。

2、本发明根据打印基板对墨水的渗透特性，通过控制负压来控制墨滴大小，调整导电图形液面厚度，可以防止由于图形液面过厚，在移动过程中墨水流动带来的精度问题。也可防止由于图形液面过薄，导电图形经过固化后，导电性差的问题。

3、也可在可接受精度范围内调整墨滴间距有效提高打印效率。传统打印方法需要靠提高打印分别率来弱化边界不整齐的问题，但是高分别率意味着需要更紧密的路径规划和更小的墨滴间距，会大大提高打印成本和打印时间，节约成型时间，打印相同的图形，若传统方法将需要将墨滴减小为原来的二分之一，则墨滴间距应调整为原来的二分之一，执行指令为原来的二倍才能在保证边界整齐度的条件下铺满整个图形，而本发明通过调整墨滴间距从根本上解决边界不齐的问题，可以用二倍于传统方法大小的墨滴也可完成打印，打印墨滴数则为传统方法的四分之一，效率为传统方法的四倍。

4、对导电图形的边界整齐度有较为明显的提高，打印可获得较好的电路性能，导电图形有多个三角形片面拼接而成，传统方法将多个边界整齐度不高的三角形片面拼接后，会产生局部重合或者局部产生缺口的现象，降低导电图形的导电性能，而本发明提高图形边界整齐度，使得多个三角形片面拼接时，均匀配合，有效提高导电图形的电路性能，提高打印物品的品质。

附图说明

图1是本发明实施例提供的纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法流程图。

图2是本发明实施例提供的纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法实现流程图。

图3是本发明实施例提供的的原理示意图；

图4是本发明实施例提供的墨滴半径补偿示意图；

图5是本发明实施例提供的墨滴半径补偿原理示意图；

图6是本发明实施例提供的与传统打印方法对比示意图；

图7是本发明实施例提供的实物效果对比示意图；

图8是本发明实施例提供的STL文件三角形面片示意图；

图9是本发明实施例提供的执行指令示意图；

图中：1、墨滴落点；2、墨滴；3、三角形面片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法包括以下步骤：

S101：根据测量不同压电喷头负压值与喷出纳米银墨滴半径的关系，拟合获得负压与墨滴间距的关系方程；

S102：将在计算机中确定模型表面打印模型中的待打印部分，将待打印部分分离，保存成STL格式；将曲面表面打印模型中的待打印曲面进行数据处理，将原模型分成多个三角形，根据不同基材表面调节负压选择相应墨滴半径，并根据墨滴半径相应步距进行路径规划生成带有喷射区间指令的G代码；

S103：根据带有喷射区间指令的G代码，计算开始打印起始坐标和打印区间长度，根据墨滴半径对打印长度进行墨滴半径补偿，并存入打印长度变量中；

S104：根据优化出来的打印长度和墨滴半径确定打印时墨滴间距，进行墨滴落点初规划，根据非整数倍步长的剩余打印区的大小从新微调墨滴间距，提高导电图形边界整齐度；

S105：打印导电图形表面；

S106：重复S103到S105，将所有执行代码执行完成，最终获得导电图形，结束打印。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法包括下述步骤：

第一步：根据实验结果得出负压与墨滴半径关系公式。

经过试验测试发现压电喷头喷射墨滴大小与工作负压值成反比关系，在保证压电喷头能够稳定工作的前提下，确定工作负压范围，在这个范围中选取4个负压值x₀、x₁、x₂、x₃作为测试条件，分别在基材上打印6*6点阵，将每个点的直径测出并算出平均直径。将4个负压值以及对应的墨滴平均半径y₀、y₁、y₂、y₃作为数据，利用插值法拟合出负压值与墨滴半径的关系式。如下：

负压与墨滴半径公式：

R(x)＝y₀R₀(x)+y₁R₁(x)+y₂R₂(x)+y₃R₃(x)；

根据不同需求，可通过控制负压大小控制墨滴半径，提高打印效果。

第二步：将模型文件的三角形片面信息读出，按照需求生成带有打印区间的执行指令。

将需要打印的模型转换成STL文件，STL格式的文件将模型表面分割成多个三角形如图8，利用软件将上位机将这些三角形的片面信息读出，对每一个三角形进行路径规划，生成带有打印区间的执行代码如图9。

第三步：读出单条指令代码打印区域，并根据墨滴半径进行墨滴半径补偿。

使用下位机将打印区间的信息读取出来，获得打印区间长度，由于墨滴并不是一个点，而是带有半径的圆形，为了防止打印图形因为墨滴半径比所需图形尺寸增加，需要将打印区间长度进行墨滴半径补偿如图4，补偿距离由墨滴半径R和墨滴间距S决定，如图4中由几何关系可得两个墨滴间距的中点、墨滴中点与两个墨滴的焦点构成一个直角三角形通过勾股定理即可获得补偿值。

墨滴半径补偿公式为：

第四步：墨滴落点对齐优化

墨滴落点优化目的是对给定墨滴间距进行微调优化，使得图形边界实现对齐。如图3首先本发明获得进行墨滴半径补偿后的打印区间长度L_new以及给定的墨滴步距L_onestep，用打印区间长度L_new除以给定墨滴步距L_onestep后获得的数值进行小数点后一位的四舍五入判断，获得整数N(将打印区间分成N段，需要打印N+1个点)，如果整数N为五入得来，则用整数N乘以墨滴步距L_onestep得到的数值减去打印区间长度L_new得到误差长度L_rest，再用给定墨滴步距L_onestep减去误差长度L_rest除以整数N的数值得到优化微调后的墨滴间距L_newstep；如果整数N为四舍得来，则用打印区间长度L_new减去整数N乘以墨滴步距L_onestep得到的数值获到误差长度L_rest，再用给定墨滴步距L_onestep加上误差长度L_rest除以整数N的数值得到优化微调后的墨滴间距L_newstep。

墨滴半径补偿后打印区间长度：L_new＝L-2h；

将打印区间分成N段：

判断四舍五入：若N*L_onestep≥L_new则为五入；

若N*L_onestep≤L_new则为四舍；

若为四舍，误差长度为：L_rest＝L_new-N*L_onestep；

优化后的墨滴间距为：

若为五入，误差长度为：L_rest＝N*L_onestep-L_new；

优化后的墨滴间距为：

打印墨滴数为N+1。

第五步：打印导电图形表面。

根据优化后的墨滴间距L_newstep和墨滴数量N+1，进行工作，由下位机判断是否进入打印区间，若进入打印区间，压电喷头开始喷射第一个点，当运行距离为优化后的墨滴间距L_newstep的整数倍时，压电喷头就喷一个点，当喷射墨滴数为N+1时，结束工作。

第六步：如图1判断是否执行完所有指令，若未执行完，返回重复执行第三到第五步，直到所有指令执行完后停止工作，完成导电图形打印。

下面街恶化附图对本发明的应用效果作详细的描述。

从最终导电图形边界效果上可以看出如图6、图7，与现有技术相比，本发明的对其优化方法明显提高了边界整齐度，其次本发明可根据打印基板特性，通过控制负压来控制墨滴大小，调整导电图形液面厚度，防止墨水流动带来的精度问题，也可在可接受精度范围内调整墨滴间距有效提高打印效率，节约成型时间。整体连通性较好，表面打印质量较高，应用于电子领域可降低电阻保证较好的电路性能、非电子领域也有较好的艺术效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法，其特征在于，所述纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法包括以下步骤：

步骤一，根据测量不同压电喷头负压值与喷出纳米银墨滴半径的关系，拟合获得负压与墨滴间距的关系方程；

步骤二，将在计算机中确定模型表面打印模型中的待打印部分，将待打印部分分离，保存成STL格式；将曲面表面打印模型中的待打印曲面进行数据处理，将原模型分成多个三角形，根据不同基材表面调节负压选择相应墨滴半径，并根据墨滴半径相应步距进行路径规划生成带有喷射区间指令的G代码；

步骤三，根据带有喷射区间指令的G代码，计算开始打印起始坐标和打印区间长度，根据墨滴半径对打印长度进行墨滴半径补偿，并存入打印长度变量中；

步骤四，根据优化出来的打印长度和墨滴半径确定打印时墨滴间距，进行墨滴落点初规划，根据非整数倍步长的剩余打印区的大小从新微调墨滴间距，提高导电图形边界整齐度；

步骤五，打印导电图形表面；

步骤六重复步骤三到步骤五，将所有执行代码执行完成，最终获得导电图形，结束打印。

2.如权利要求1所述的纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法，其特征在于，所述步骤一中负压与墨滴半径关系为：

R(x)＝y₀R₀(x)+y₁R₁(x)+y₂R₂(x)+y₃R₃(x)；

其中：负压值x₀、x₁、x₂、x₃，负压值对应的墨滴平均半径y₀、y₁、y₂、y₃。

3.如权利要求1所述的纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法，其特征在于，所述步骤三中墨滴半径补偿公式为：

其中：墨滴半径R和墨滴间距S。

4.如权利要求1所述的纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法，其特征在于，所述步骤四中墨滴落点对齐优化包括：

墨滴半径补偿后打印区间长度：L_new＝L-2h；

将打印区间分成N段：

判断四舍五入：若N*L_onestep≥L_new则为五入；

若N*L_onestep≤L_new则为四舍；

若为四舍，误差长度为：L_rest＝L_new-N*L_onestep；

优化后的墨滴间距为：

若为五入，误差长度为：L_rest＝N*L_onestep-L_new；

优化后的墨滴间距为：

打印墨滴数量N+1；

其中打印区间长度L_new，墨滴步距L_onestep，整数N，将打印区间分成N段，需要打印N+1个点，误差长度L_rest，墨滴间距L_newstep。

5.如权利要求1所述的纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法，其特征在于，所述步骤五中根据优化后的墨滴间距L_newstep和墨滴数量N+1，进行工作，由下位机判断是否进入打印区间，若进入打印区间，压电喷头开始喷射第一个点，当运行距离为优化后的墨滴间距L_newstep的整数倍时，压电喷头就喷一个点，当喷射墨滴数量N+1时，结束工作。

6.一种使用权利要求1～5任意一项所述纳米银喷墨打印墨滴边界对齐优化方法的打印机。