DE102015223797A1

DE102015223797A1 - System und Verfahren zur Korrektur von fehlenden Düsen beim dreidimensionalen Objekt-Druck durch Wellenformanpassung

Info

Publication number: DE102015223797A1
Application number: DE102015223797.4A
Authority: DE
Inventors: David A. Mantell; Jeffrey J. Folkins
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2016-06-16
Also published as: US9914264B2; CN105690759B; CN105690759A; JP2016112884A; JP6557587B2; US20160167298A1

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Kompensierung defekter Düsen in einer 3D-Objektdrucker entwickelt worden. Ein Drucker erkennt eine defekte Düse in einem Druckkopf. Der Drucker identifiziert funktionierende Düsen, die an Stellen neben den Stellen drucken, an denen die defekte Düse keinen Tropfen druckt. Der Drucker modifiziert Zündsignale für die funktionierenden Düsen, so dass jene Düsen Tropfen mit einer vergrößerten Tropfenvolumen an den Stellen neben den Stellen drucken, an denen die defekte Düse keinen Tropfen druckt. Der Drucker druckt eine erste Schicht von Materialtropfen unter Verwendung der modifizierten Zündsignale. Der Drucker schaltet den Druckkopf in der Querprozessrichtung zwischen den Schichten weiter, so dass die Stellen, an denen die defekte Düse keinen Tropfen druckt, zwischen den Schichten nicht zusammenfallen.

Description

Die digitale dreidimensionale Fertigung, auch als additive Fertigung bekannt, ist ein Prozess zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers von nahezu beliebiger Form aus einem digitalen Modell. 3D-Druck ist ein additiver Prozess, bei dem ein oder mehrere Druckköpfe aufeinander folgende Schichten von Material auf ein Substrat in verschiedenen Formen ausstoßen. Der 3D-Druck unterscheidet sich von traditionellen Objektbildungstechniken, die sich zumeist auf den Materialabtrag von einem Werkstück in einem subtraktiven Verfahren stützen, wie z. B. Schneiden oder Bohren.
Die Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels dieser Drucker kann Stunden oder – bei einigen Objekten – sogar Tage in Anspruch nehmen. Ein Problem, das bei der Herstellung von 3D-Objekten mit einem 3D-Drucker auftritt, ist die gleichbleibende Funktionsfähigkeit der Düsen in den Druckköpfen, die die objektbildenden Materialtropfen ausstoßen. Beim Drucken eines Objekts können eine oder mehrere Düsen insofern beeinträchtigt sein, als sie Material in einem anderen als im rechten Winkel zum Druckkopf ausstoßen, als sie Tropfen ausstoßen, die kleiner sind als die, die die Düse ausstoßen sollte, oder als sie überhaupt keine Tropfen ausstoßen. Eine Düse, die einen dieser Funktionsmängel aufweist, ist als defekte oder fehlerhafte Düse bekannt. Wenn sich der Betriebszustand von einer oder mehreren Düsen während des Druckens eines Objekts verschlechtert, kann die Qualität des gedruckten Objekts erst nach Abschluss des Druckvorgangs beurteilt werden. Folglich kann es geschehen, dass Druckaufträge, die viele Stunden oder mehrere Tage beanspruchen, Objekte herstellen, die aufgrund defekter Düsen in den Druckköpfen nicht den Spezifikationen entsprechen. Nachdem derartige Objekte erfasst sind, werden sie verschrottet, die Druckköpfe Wiederherstellungsverfahren unterzogen, um die Funktionsfähigkeit der Düsen wieder herzustellen, und der Druckauftrag wird wiederholt.
Es wurden Systeme zum Erkennen defekter Düsen während des Druckens entwickelt. Ein System, das Wiederherstellungsverfahren anwendet, um defekte Düsen während des Objektdruckens zu kompensieren, würde die fortlaufende Herstellung eines korrekt geformten Objekts erlauben. Dadurch würde die Produktausbeute für den Drucker verbessert und das Drucken damit effizienter.
Ein Verfahren, das eine fehlerhafte Düse in einem dreidimensionalen Objektdrucker kompensiert, umfasst die Schritte des Erkennens einer fehlerhaften Düse im Druckkopf; der Identifizierung von mindestens einer funktionierenden Düse im Druckkopf, die Materialtropfen neben den der fehlerhaften Düse gegenüberliegenden Positionen ausstößt; der Modifizierung der an mindestens eine identifizierte funktionierende Düse übermittelten Zündsignale zur Vergrößerung eines Tropfenvolumens der Materialtropfen, die neben den der fehlerhaften Düse gegenüberliegenden Positionen ausgestoßen werden; und der Betätigung des Druckkopfs zur Bildung einer ersten Schicht von Materialtropfen, wobei die mindestens eine identifizierte funktionierende Düse mit den modifizierten Zündsignalen betrieben wird.
Ein 3D-Drucker, der das Verfahren zur Kompensierung einer fehlerhaften Düse umsetzt, umfasst einen Druckkopf mit einer Vielzahl von Düsen, die zur Abgabe von Materialtropfen ausgelegt sind; einen Sensor, der zur Generierung von Daten entsprechend den von den Düsen im Druckkopf abgegebenen Materialtropfen ausgelegt ist; und einen Controller, der funktional mit dem Druckkopf und dem Sensor verbunden ist, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, eine fehlerhafte Düse in Bezug auf die vom Sensor generierten Daten zu identifizieren; mindestens eine funktionierende Düse im Druckkopf zu identifizieren, die Materialtropfen neben den der fehlerhaften Düse gegenüberliegenden Positionen ausstößt; die an die mindestens eine funktionierende Düse übermittelten Signale zur Vergrößerung eines Tropfenvolumens der neben den der fehlerhaften Düse gegenüberliegenden Positionen abgegebenen Materialtropfen zu modifizieren; und den Druckkopf zur Bildung einer ersten Schicht von Materialtropfen zu betätigen, wobei die mindestens eine identifizierte funktionierende Düse mit den modifizierten Zündsignalen betrieben wird.
Die vorstehenden Aspekte und weitere Merkmale eines Systems und Verfahrens zur Kompensierung einer fehlerhaften Düse in einem 3D-Objektdrucker sind in der nachfolgenden Beschreibung erläutert, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erfolgt.
1 stellt eine perspektivische Ansicht eines 3D-Objektdruckers dar.
2 stellt eine Frontansicht eines 3D-Objektdruckers mit einem Gehäuse dar, die innerhalb des Gehäuses ein Detektionsmodul zeigt, das die Erkennung von defekten Düsen in einem Druckkopf während eines Druckvorgangs erlaubt.
3A stellt eine perspektivische Ansicht von drei Schichten eines kleinen Bereichs eines dreidimensionalen Objekts dar, wenn alle Düsen eines Druckkopfs in funktionstüchtigem Zustand sind.
3B stellt eine perspektivische Ansicht von drei Schichten eines kleinen Bereichs eines dreidimensionalen Objekts dar, wenn ein Druckkopf eine defekte Düse aufweist.
3C stellt eine perspektivische Ansicht von drei Schichten eines kleinen Bereichs eines dreidimensionalen Objekts dar, wenn ein Druckkopf eine defekte Düse kompensiert.
4 zeigt eine Wellenform für ein Zündsignal, das eine Düse eines Druckkopfs betreibt.
5 stellt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Kompensierung einer defekten Düse in einem Druckkopf dar.
Zum allgemeinen Verständnis der Umgebung für das in diesem Schriftstück offengelegte System und Verfahren sowie der Details des Systems und Verfahrens wird auf die Zeichnungen verwiesen. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente.
1 zeigt eine Konfiguration von Komponenten in einem Drucksystem 100, das ein dreidimensionales Objekt oder Teil 10 herstellt. Gemäß seiner Verwendung in diesem Schriftstück bezieht sich der Begriff "3D-Drucker" auf jedes Gerät, das Material in Bezug auf Bilddaten eines Objekts zur Bildung eines dreidimensionalen Objekts ausstößt. Das Drucksystem 100 umfasst einen Stützmaterialbehälter 14, einen Modellmaterialbehälter 18, ein Paar Düsendruckköpfe 22, 26, ein Bausubstrat 30, ein ebenes Stützelement 34, ein säulenförmiges Stützelement 38, einen Stellantrieb 42 und einen Controller 46. Leitung 50 verbindet den Druckkopf 22 mit dem Stützmaterialbehälter 14 und Leitung 54 verbindet den Druckkopf 26 mit dem Modellmaterialbehälter 18. Beide Düsendruckköpfe werden vom Controller 46 betätigt unter Bezugnahme auf die dreidimensionalen Bilddaten in einem Speicher, der mit dem Controller funktional verbunden ist, zur Abgabe der Stütz- und Modellmaterialien, die jedem jeweiligen Druckkopf zugeführt werden. Jede an einer einzigen Stelle in den dreidimensionalen Bilddaten gespeicherte Information wird in diesem Schriftstück als "Voxel" definiert. Das Modellmaterial bildet die Struktur des zu produzierenden Teils 10, während die aus dem Stützmaterial gebildete Stützstruktur 58 das Modellmaterial zur Beibehaltung seiner Form befähigt, während das Material im Verlauf des Aufbaus des Teils aushärtet. Nach Fertigstellung des Teils wird die Stützstruktur 58 mittels Waschen, Abblasen oder Schmelzen entfernt.
Der Controller 46 ist ebenfalls funktional mit mindestens einem und möglicherweise mehreren Stellantrieben 42 zur Steuerung der Bewegung des ebenen Stützelements 34, des säulenförmigen Stützelements 38 und der Druckköpfe 22, 26 in Bezug aufeinander verbunden. D. h. ein oder mehrere Stellantriebe können funktional mit der Druckkopfträgerstruktur verbunden werden, um die Druckköpfe in einer Prozessrichtung und einer Querprozessrichtung in Bezug auf die Oberfläche des ebenen Stützelements zu bewegen. Alternativ können ein oder mehrere Stellantriebe funktional mit dem ebenen Stützelement 34 verbunden sein, um die Fläche zu bewegen, auf der das Teil in den Prozess- und Querprozessrichtungen in der Ebene des ebenen Stützelements 34 hergestellt wird. Gemäß seiner Verwendung in diesem Schriftstück bezieht sich der Begriff "Prozessrichtung" auf die Bewegung entlang einer Achse in der Fläche des ebenen Stützelements 34, und der Begriff "Querprozessrichtung" bezieht sich auf die Bewegung entlang einer Achse in der Fläche des ebenen Stützelements, die senkrecht zur Prozessrichtungsachse in dieser Fläche steht. Diese Richtungen werden mit den Buchstaben "P" und "C-P" in 1 angegeben. Die Druckköpfe 22, 26 und das säulenförmige Stützelement 38 bewegen sich ebenfalls in eine Richtung, die senkrecht zum ebenen Stützelement 34 steht. Diese Richtung wird in diesem Schriftstück als vertikale Richtung bezeichnet, ist parallel zum säulenförmigen Stützelement 38 und wird mit dem Buchstaben "V" in 1 angegeben. Eine Bewegung in der vertikalen Richtung wird mittels einem oder mehreren funktional mit dem säulenförmigen Element 38 verbundenen Stellantrieben, mittels einem oder mehreren funktional mit den Druckköpfen 22, 26 verbundenen Stellantrieben oder mittels einem oder mehreren funktional sowohl mit dem säulenförmigen Stützelement 38 als auch mit den Druckköpfen 22, 26 verbundenen Stellantrieben erzielt. Diese Stellantriebe in diesen unterschiedlichen Konfigurationen sind funktional mit dem Controller 46 verbunden, der die Stellantriebe betätigt, um das säulenförmige Element 38, die Druckköpfe 22, 26 oder beide in der vertikalen Richtung zu bewegen.
Ein 3D-Objektdrucker mit einem Gehäuse ist in 2 dargestellt. Ein Drucker 60 hat ein Gehäuse 64. Innerhalb des Gehäuses 64 befinden sich sechs Räume, die im Allgemeinen eine kubische Form aufweisen. Das Gehäuse 64 ist in 2 ohne die Türen dargestellt, die die Räume im geschlossenen Zustand abdecken. Raum 72 umfasst eine ebene Auflage 78 auf einer beweglichen Plattform 82. Die bewegliche Plattform 82 ist mit einem oder mehreren Stellantrieben und Führungselementen (nicht dargestellt) dazu ausgelegt, die Auf- und Abwärtsbewegung der beweglichen Plattform 82 in einer vertikalen Richtung zu ermöglichen. Die ebene Auflage 78 ist die Fläche, auf der das dreidimensionale Objekt gebildet wird. In einigen Ausführungsformen hat der Druckkopf 86 eine Länge, die in etwa der Länge der ebenen Auflage 78 in Richtung von der Rückseite des Raums 72 hin zur Öffnung an der Vorderseite des Raums entspricht. In diesen Ausführungsformen ist der Druckkopf 86 auf einem Stützelement 92 in dem Raum zwischen den Seitenwänden 96 und 100 des Gehäuses 64 für eine ausschließlich linear oszillierende Bewegung montiert. In anderen Ausführungsformen hat der Druckkopf 86 eine Länge, die geringer ist als die Länge der ebenen Auflage 78 in Richtung von der Rückseite des Raums 72 hin zur Öffnung an der Vorderseite des Raums. In diesen Ausführungsformen ist der Druckkopf 86 auf einem Stützelement 92 in dem Raum zwischen den Seitenwänden 96 und 100 des Gehäuses 64 für eine oszillierende Bewegung in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen in einer Ebene oberhalb des Raums 72 montiert. In diesen verschiedenen Ausführungsformen sind ein oder mehrere Stellantriebe 104 funktional mit dem Druckkopf 86 verbunden. Der Controller 108 betätigt die Stellantriebe 104, um den Druckkopf 86 auf dem Stützelement 92 entweder linear zurück und vorwärts zu bewegen, oder um den Druckkopf in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen innerhalb einer Ebene zu bewegen. Durch wahlweises Betätigen der Düsen im Druckkopf 86, vertikales Bewegen der Aufnahmeplattform 82 und horizontales Bewegen des Druckkopfs 86 auf dem Element 92 kann auf der ebenen Auflage 78 ein dreidimensionales Objekt gebildet werden.
Das Gehäuse 64 umfasst darüber hinaus ein Detektionsmodul 112, das zum Erkennen von defekten Düsen im Drucker 60 ausgelegt ist. Wie vorstehend beschrieben, weist das hergestellte Objekt eine Fehlbildung auf, falls eine Düse während des Druckens eines Objekts entweder vollständig oder teilweise ausfällt und kein Material ausstößt, oder fälschlicherweise Material in einer schrägen Richtung ausstößt. Das Detektionsmodul 112 ist zum Erkennen defekter Düsen während der Objektherstellung ausgelegt. In einigen Ausführungsformen betätigt der Controller 108 zu vorgegebenen Zeiten während des Druckvorgangs einen Stellantrieb 104, um den Druckkopf 86 in das Detektionsmodul 112 zu verfahren. Das Detektionsmodul 112 generiert ein Signal an den Controller 108 zur Betätigung der Düsen im Druckkopf 86, um ein Testmuster auf einer Substratfläche oder einer anderen geeigneten Fläche zu drucken. Nach dem Druck dieses Testmusters kann der Controller 108 den Druckkopf 86 aus dem Detektionsmodul heraus bewegen. Das Detektionsmodul 112 erfasst Daten aus dem gedruckten Testmuster. Die Daten können Bilddaten, Dickedaten, Daten zur elektrischen Leitfähigkeit oder beliebige andere relevante Daten umfassen. Die Daten können mittels eines Sensors, wie z. B. eines optischen Sensors, eines Ultraschallsensors oder eines Leitfähigkeitssensors, erfasst werden. Das Detektionsmodul 112 analysiert die Daten, um defekte Düsen zu identifizieren. Falls defekte Düsen identifiziert werden, generiert das Detektionsmodul 112 ein Signal, das den defekten Druckkopf anzeigt, und sendet es an den Controller 108. Ein Signal, das den defekten Druckkopf anzeigt, kann auch an den Bediener des Druckers ausgegeben oder ihm angezeigt werden.
Wenn eine defekte Düse identifiziert wird, leitet der Controller 108 Wiederherstellungsverfahren zur Kompensierung der defekten Düse ein. Beispielsweise zeigen 3A, 3B und 3C, wie die Kompensierung einer defekten Düse erfo lgt, um die fortlaufende Herstellung eines korrekt geformten Objekts zu ermöglichen. 3A zeigt drei Schichten eines kleinen Bereichs eines dreidimensionalen Objekts, wenn alle Düsen eines Druckkopfs in funktionstüchtigem Zustand sind. Ein Druckkopf druckt eine erste Schicht 304. Die erste Schicht 304 umfasst eine Vielzahl von Tropfen 300 von auf einer gemeinsamen Ebene gedrucktem Material. Die Tropfen 300 werden mit einem einheitlichen Tropfenvolumen gedruckt. Anschließend druckt der Druckkopf eine zweite Schicht 308 auf die erste Schicht 304 und daraufhin eine dritte Schicht 312 auf die zweite Schicht 308. Die zweite Schicht 308 und die dritte Schicht 312 umfassen jeweils analog eine Vielzahl von Tropfen 300, die mit einem einheitlichen Tropfenvolumen in einer gemeinsamen Ebene gedruckt werden. Zum Zweck der Veranschaulichung zeigen die Abbildungen die Tropfen 300, wie sie aufgetragen werden, ohne Bezugnahme auf Verbreiterungen oder Verbindungen, die eventuell auftreten könnten.
3B zeigt dieselben Schichten 304, 308 und 312, wenn mit einem Druckkopf mit einer defekten Düse gedruckt wird. Der Druckkopf druckt die erste Schicht 304 mit einer fehlenden Lage 316. Die fehlende Lage 316 entspricht den der defekten Düse gegenüberliegenden Positionen, an denen beim Druck der ersten Schicht 304 keine Tropfen gedruckt werden. Anschließend druckt der Druckkopf die zweite Schicht 308 mit einer fehlenden Lage 320. Die fehlende Lage 320 entspricht den der defekten Düse gegenüberliegenden Positionen, an denen beim Druck der zweiten Schicht 308 keine Tropfen gedruckt werden. Darüber hinaus wird der Druckkopf in Querprozessrichtung um drei Positionen weitergeschaltet, so dass die fehlende Lage 320 in der zweiten Schicht 308 nicht mit der fehlenden Lage 316 der ersten Schicht 304 zusammenfällt. Obwohl zum Zweck der Veranschaulichung das Weiterschalten des Druckkopfs um drei Positionen dargestellt wird, wäre es in der Praxis vorteilhafter, größere Vorwärtsschritte zwischen den einzelnen Schichten zu verwenden. Zuletzt druckt der Druckkopf die dritte Schicht 312 mit einer fehlenden Lage 324. Die fehlende Lage 324 entspricht den der defekten Düse gegenüberliegenden Positionen, an denen beim Druck der dritten Schicht 312 keine Tropfen gedruckt werden. Der Druckkopf wird analog in Querprozessrichtung um drei Positionen weitergeschaltet, so dass die fehlende Lage 324 in der dritten Schicht 312 nicht mit der fehlenden Lage 320 in der zweiten Schicht 308 zusammenfällt. Wie in 3B dargestellt, bilden die fehlenden Lagen 316, 320 bzw. 324 hohle Bereiche in den Schichten 304, 308 bzw. 312. Diese hohlen Bereiche verursachen unerwünschte Unregelmäßigkeiten in den Schichten, nachdem sich die Tropfen ausgebreitet und verbunden haben. Diese Unregelmäßigkeiten können dazu führen, dass ein Objekt, das eben gedruckt wird, Fehlbildungen oder Funktionsstörungen aufweist.
3C zeigt, wie eine Kompensierung der fehlenden Lagen 316, 320 und 324 durch eine Vergrößerung des Volumens der Tropfen erzielt werden kann, die von den Düsen, die Lagen neben den fehlenden Lagen bilden, ausgestoßen werden. Der Druckkopf druckt die erste Schicht 304 mit der fehlenden Lage 316. Um die defekte Düse zu kompensieren, druckt der Druckkopf bestimmte kompensierende Tropfen 328 in der ersten Schicht 304 mit einem vergrößerten Tropfenvolumen. Der Druckkopf druckt kompensierende Tropfen 328 in den Positionen neben der fehlenden Lage 316. Auf diese Weise kompensiert der Drucker den durch die fehlende Lage 316 gebildeten hohlen Bereich in der ersten Schicht 304. Darüber hinaus druckt der Druckkopf kompensierende Tropfen 328 an Stellen, die sich mit der fehlenden Lage 320 in der zweiten Schicht 308 decken. Auf diese Weise kompensiert der Drucker den durch die fehlende Lage 320 gebildeten hohlen Bereich. Anschließend druckt der Druckkopf die zweite Schicht 308 mit der fehlenden Lage 320. Der Druckkopf druckt bestimmte kompensierende Tropfen 332 in der zweiten Schicht 308 mit einem vergrößerten Tropfenvolumen. Diese kompensierenden Tropfen werden in der Abbildung in einer überzeichneten Größe dargestellt. Der Druckkopf druckt kompensierende Tropfen 332 in den Positionen neben der fehlenden Lage 320, um den durch die fehlende Lage 320 gebildeten hohlen Bereich weiter zu kompensieren. Darüber hinaus druckt der Druckkopf kompensierende Tropfen 332 an Stellen, die sich mit der fehlenden Lage 316 in der ersten Schicht 304 decken, um den durch die fehlende Lage 316 gebildeten hohlen Bereich weiter zu kompensieren. Der Druckkopf druckt ebenfalls kompensierende Tropfen 332 an Stellen, die sich mit der fehlenden Lage 324 in der dritten Schicht 312 decken, um den durch die fehlende Lage 324 gebildeten hohlen Bereich zu kompensieren. Zuletzt druckt der Druckkopf die dritte Schicht 312 mit der fehlenden Lage 324. Der Druckkopf druckt bestimmte kompensierende Tropfen 336 in der dritten Schicht 312 mit einem vergrößerten Tropfenvolumen. Auch hier sind diese Tropfen zum Zweck der Veranschaulichung in einer überzeichneten Größe dargestellt. Der Druckkopf druckt kompensierende Tropfen 336 in den Positionen neben der fehlenden Lage 324, um den durch die fehlende Lage 324 gebildeten hohlen Bereich noch mehr zu kompensieren. Darüber hinaus druckt der Druckkopf kompensierende Tropfen 336 an Stellen, die sich mit der fehlenden Lage 320 in der zweiten Schicht 308 decken, um den durch die fehlende Lage 320 gebildeten hohlen Bereich weiter zu kompensieren.
Wie in Bezug auf 3C gezeigt und erörtert, druckt der Druckkopf kompensierende Tropfen in Positionen, die unmittelbar neben den Positionen liegen, die den fehlenden Lagen in denselben, früheren oder darauf folgenden Schichten entsprechen. Das vergrößerte Volumen der kompensierenden Tropfen trägt zum Auffüllen des durch eine fehlende Lage gebildeten hohlen Bereichs bei. Das geschieht in der Regel, weil Prozesse, wie z. B. das natürliche Fließen oder Ausbreiten des Tropfenmaterials oder die Bewegung der Tropfen, es den Tropfen erlauben, sich nach dem Drucken in ihrer endgültigen Position abzusetzen. Der Druckkopf kann jedoch zusätzliche kompensierende Tropfen in Positionen drucken, die zwei oder mehrere Positionen oder Schichten von den fehlenden Lagen entfernt sind. Falls der Druckkopf eine größere Anzahl von neben einer fehlenden Lage befindlichen kompensierenden Tropfen druckt, dann wird die erforderliche Tropfenvolumenvergrößerung für jeden der kompensierenden Tropfen kleiner. Die zur Kompensierung einer fehlenden Lage erforderliche Tropfenvolumenvergrößerung kann unter allen nebeneinander liegenden kompensierenden Tropfen basierend auf den Merkmalen des Tropfenmaterials und basierend auf dem Abstand jedes kompensierenden Tropfens von der fehlenden Lage aufgeteilt werden.
Gemäß seiner Verwendung in diesem Schriftstück bedeutet der Begriff "neben", dass die für einen kompensierenden Tropfen gewählte Druckstelle ausreichend nahe an der der defekten Düse entsprechenden Druckstelle liegt, dass das Aufbringen eines Tropfen mit einem vergrößerten Volumen an dieser Druckstelle zur Kompensierung des Ausfalls der defekten Düse zum zufriedenstellenden Druck eines Tropfen an der beabsichtigten Stelle beiträgt. In einigen Druckersystemen können kompensierende Tropfen zum Beispiel innerhalb von drei Druckstellen von der Druckstelle der defekten Düse zur Erzielung einer zufriedenstellenden Kompensierung ausgestoßen werden. Im Drucker 60 kann das Tropfenvolumen einer Düse durch Übermittlung eines modifizierten Zündsignals an die für die Kompensierung einer fehlenden Lage ausgewählten Düsen vergrößert werden. 4 zeigt eine Wellenform für ein Zündsignal 400, die der Controller 108 an eine Düse eines Druckkopfs zur Bedienung der Düse sendet. Das Zündsignal hat ein positives Segment 404, ein negatives Segment 408 und ein Endsegment 412. Gemäß seiner Verwendung in diesem Schriftstück bedeutet der Begriff "Segment" einen zusammenhängenden Bereich einer Wellenform. Die Spannung des Zündsignals 400 im positiven Segment 404 steigt auf eine Wendepunktspannung 416 an, und steigt anschließend langsamer auf eine positive Spannung 420 bei einer maximalen positiven Spannung V_pp des Druckkopfs. Das Zündsignal 400 bleibt für einen vorgegebenen Zeitraum auf der positiven Spannung 420, bevor es auf Nullspannung abfällt. Im negativen Segment 408 fällt die Spannung des Zündsignals 400 auf eine Wendepunktspannung 424, und sinkt anschließend langsamer auf eine negative Spannung 428 bei einer maximalen negativen Spannung V_ss des Druckkopfs. Das Zündsignal 400 bleibt für einen vorgegebenen Zeitraum auf der negativen Spannung 428, bevor es wieder ansteigt und zur Nullspannung zurückkehrt. Zuletzt fällt die Spannung des Zündsignals 400 im Endsegment 412 auf eine Wendepunktspannung 432, und sinkt anschließend langsamer auf eine Endspannung 436 bei einer maximalen Endspannung V_t. Das Zündsignal 400 bleibt für einen vorgegebenen Zeitraum auf der Endspannung 436, bevor es wieder ansteigt und zur Nullspannung zurückkehrt.
Wie in 4 dargestellt, geht das positive Segment 404 dem negativen Segment 408 zeitlich voraus. Die Polarität der Segmente 404 und 408 kann jedoch je nach der Polarität des Wandlers der Düse umgekehrt werden. Im Allgemeinen haben die Segmente 404 und 408 im Wesentlichen identische Amplitudenbeträge und Wellenformen mit unterschiedlichen Polaritäten. Die Spannungsänderung zwischen der positiven Spannung 420 und der negativen Spannung 428 wird als "Peak-to-Peak" des Zündsignals bezeichnet. Analog wird die Spannungsänderung zwischen der maximalen positiven Spannung V_pp und der maximalen negativen Spannung V_ss als der "maximale Spitze-Spitze (Peak-to-Peak)"-Wert für Zündsignale des Druckkopfs bezeichnet. Der Amplitudenbetrag der Endspannung 436 ist geringer als der Amplitudenbetrag der positiven Spannung 420 und der negativen Spannung 428, und die Polarität der Endspannung 436 kann entweder positiv oder negativ sein.
Im Drucker 60 sind die maximalen Werte V_pp, V_ss und V_t pro Druckkopf konfigurierbar. Damit haben die für jede einzelne Düse in einem einzigen Druckkopf generierten Zündsignale einen einheitlichen V_pp-, V_ss- und V_t-Wert. Der Drucker 60 kann verschiedene Druckköpfe mit verschiedenen Werten von V_pp, V_ss und V_t kalibrieren, damit die Druckköpfe Schichten von Tropfen mit im Allgemeinen einheitlichen Tropfenvolumen bilden können. Innerhalb jedes einzelnen Druckkopfs können einzelne Düsen Tropfen mit verschiedenen Tropfenvolumen ausstoßen, was Unterschiede in den Tropfenvolumen der von einem einzelnen Druckkopf ausgestoßenen Tropfen ermöglicht. Dies wird durch Modifizierung der Form eines Segments eines einer einzelnen Düse entsprechenden Zündsignals erreicht. Der Controller 108 ist dazu ausgelegt, die relativen Werte von V_pp, V_ss und V_t für eine oder mehrere der einzelnen Düsen in jedem Druckkopf anzupassen. Im positiven Segment 404 wählt der Controller 108 eine angepasste positive Spannung 440, die zwischen der maximalen positiven Spannung V_pp und der Wendepunktspannung 416 liegen kann. Der relative Unterschied zwischen der maximalen positiven Spannung V_pp und der angepassten positiven Spannung 440 wird als "Bezugsimpuls (Norm Click)"-Wert bezeichnet. Dieselbe relative Reduktion wird auf das negative Segment 408 angewandt, um eine angepasste negative Spannung 444 festzulegen. Die Spannungsänderung zwischen der angepassten positiven Spannung 440 und der angepassten negativen Spannung 444 wird als "angepasster Spitze-Spitze (Peak-to-Peak)"-Wert des Zündsignals bezeichnet. Der Controller 108 ist ebenfalls dazu ausgelegt, eine angepasste Endspannung 448 auszuwählen, die zwischen der maximalen Endspannung V_t und der Wendepunktspannung 432 liegen kann.
Der Controller 108 kann dazu ausgelegt werden, die Düsen eines Druckkopfs mittels Zündsignalen mit einer Grundlinien-Spitze-Spitze-Spannung zu steuern, die niedriger ist als die maximale Spitze-Spitze-Spannung für den Druckkopf. Zum Beispiel kann eine positive Grundlinien-Spannung in der Mitte zwischen der höchsten positiven Spannung V_pp und der Wendepunktspannung 416 jedes Druckkopfs liegen, so dass der Controller 108 Spielraum sowohl zur Erhöhung als auch zur Absenkung der Spitze-Spitze-Spannungen für jede Düse hat. Auf diese Weise kann der Controller 108 die Spitze-Spitze-Spannung des Zündsignals für eine einzelne Düse eines Druckkopfs anpassen, um das Tropfenvolumen der Düse zu steuern. Analog kann der Controller 108 dazu ausgelegt werden, Düsen mit Zündsignalen mit einer Grundlinien-Endspannung zu betätigen, die geringer ist als die maximale Endspannung, so dass Spielraum sowohl für die Erhöhung als auch für die Senkung der Endspannung jeder Düse zur Verfügung steht.
Zusätzlich zur Modifizierung einer Spannungsamplitude einzelner Segmente des Zündsignals kann der Controller 108 auch dazu ausgelegt werden, das Tropfenvolumen einer Düse mittels einer Modifizierung der Zeitdauer einzelner Segmente des Zündsignals zu verändern. Ein Zündsignal mit längeren positiven und negativen Segmenten 404 und 408 führt im Allgemeinen dazu, dass eine Düse mehr Material ausstößt. Das Tropfenvolumen einer Düse kann also erhöht werden, indem mehrere Materialtropfen an derselben Stelle ausgestoßen werden. Der Controller 108 kann dazu ausgelegt werden, mehrere Zündsignale zu generieren, um mehrere Tropfen an Stellen zu drucken, die ein erhöhtes Tropfenvolumen erfordern.
5 zeigt einen Prozess 500 zur Kompensierung defekter Düsen in einem Druckkopf eines 3D-Objektdruckers. Bei der Beschreibung dieses Prozesses beziehen sich Aussagen, dass der Prozess eine Aufgabe oder Funktion durchführt, auf einen Controller oder Universalprozessor, der in einem funktional mit dem Controller oder Prozessor verbundenen Speicher gespeicherte programmierte Befehle ausführt, um Daten zu bearbeiten oder eine oder mehrere Komponenten im Drucker zu betätigen um die Aufgabe oder Funktion auszuführen. Der vorstehend beschriebene Controller 46 kann ein derartiger Controller oder Prozessor sein. Alternativ kann der Controller 46 mit mehr als einem Prozessor und den zugehörigen Schaltungen und Komponenten umgesetzt werden, wobei jede(r) davon dazu ausgelegt ist, eine oder mehrere in diesem Schriftstück beschriebene Aufgaben oder Funktionen auszuführen.
Der Drucker 60 kann in der vorstehend beschriebenen Weise dazu ausgelegt werden, den Prozess 500 auszuführen, und wird hier als Beispiel verwendet. Der Prozess beginnt mit der Erkennung von defekten Düsen in einem Druckkopf (Block 504). Der Controller 108 weist den Druckkopf 86 an, zum Detektionsmodul 112 zu verfahren, in dem der Druckkopf 86 ein Testmuster druckt, das vom Detektionsmodul 112 analysiert wird. Das Detektionsmodul 112 generiert und sendet ein Signal, das dem Controller 108 eine oder mehrere defekte Düsen angezeigt.
Sobald eine defekte Düse erkannt worden ist, identifiziert der Prozess 500 mindestens eine funktionierende Düse zur Kompensierung der defekten Düse (Block 508). Der Controller 108 identifiziert mindestens eine funktionierende Düse, an die der Befehl erteilt wird, Tropfen mit einem vergrößerten Tropfenvolumen zu drucken, um die defekte Düse zu kompensieren. Insbesondere identifiziert der Controller 108 Druckstellen, die der defekten Düse gegenüber liegen, und legt fest, welche funktionierenden Düsen an den danebenliegenden oder benachbarten Stellen drucken. Die danebenliegenden oder benachbarten Druckstellen können sich in derselben Schicht, in einer vorausgehenden Schicht oder in einer nachfolgenden Schicht befinden.
Der Controller 108 kann ebenfalls dazu ausgelegt werden, die defekte Düse zu deaktivieren, so dass sie nicht versucht, Material auszustoßen. Anschließend modifiziert der Prozess 500 Zündsignale der funktionierenden Düsen, um die defekten Düsen zu kompensieren (Block 512). Der Controller 108 modifiziert die zu den funktionierenden Düsen gehörenden Zündsignale, um zu erreichen, dass sie Tropfen mit einem vergrößerten Tropfenvolumen an den vorstehend erwähnten danebenliegenden oder benachbarten Druckstellen drucken. Die Zündsignale können mittels einer Modifizierung der Endspannung, der Spitze-Spitze-Spannung, einer Zeitdauer oder Frequenz der Wellenform, einer Anzahl von Impulsen oder einiger Kombinationen dieser Parameter verändert werden. Darüber hinaus können die Zündsignale so verändert werden, dass sie eine Vielzahl von Zündsignalen umfassen, so dass die Düse mehrere Tropfen an einer besonderen Druckstelle ausstößt.
Der Prozess 500 geht weiter, indem eine Schicht von Materialtropfen unter Verwendung der modifizierten Zündsignale gedruckt wird (Block 516). Der Controller 108 steuert den Druckkopf 86, so dass er eine erste Schicht von Materialtropfen unter Verwendung der modifizierten Zündsignale bildet. Die modifizierten Zündsignale bewirken, dass der Druckkopf Tropfen mit einem vergrößerten Volumen an den Stellen druckt, die neben Stellen liegen, an denen die defekte Düse keinen Tropfen druckt. Nach dem Drucken der ersten Schicht schaltet der Prozess den Druckkopf in Querprozessrichtung weiter (Block 520). Der Controller 108 weist den Druckkopf 86 an, in Querprozessrichtung um eine vorgegebene Anzahl von Druckstellen zu verfahren. Auf diese Weise werden die Druckstellen, an denen die defekte Düse keinen Tropfen druckt, so verteilt, dass zwischen den Schichten keine ungedruckten Tropfen zusammenfallen. Im Allgemeinen werden die Prozessschritte der Blöcke 516 und 520 wiederholt ausgeführt, um jede Schicht des dreidimensionalen Objekts zu drucken. Die Prozessschritte der Blöcke 504, 508 und 516 können in regelmäßigen Abständen ausgeführt werden, um eine Prüfung auf neu ausgefallene Düsen im Druckkopf 86 vorzunehmen und die modifizierten Signale dementsprechend zu aktualisieren. Diese Schritte können für jede Schicht des dreidimensionalen Objekts ausgeführt werden, oder sie könnten in regelmäßigen Abständen basierend auf einem vorgegebenen Zeitintervall oder einer Anzahl von Schichten ausgeführt werden.
Darüber hinaus ist der Drucker in einigen Ausführungsformen nicht für die Ausführung des Prozessschritts des Blocks 520, in dem der Druckkopf zwischen den einzelnen Schichten weitergeschaltet wird, ausgelegt. In diesem Fall können kompensierende Tropfen mit einem vergrößerten Volumen nur von denselben benachbarten Düsen für alle Schichten gedruckt werden, da die der defekten Düse zugeordneten Druckstellen von einer Schicht zur nächsten Schicht gleich angeordnet sind.
Wie vorstehend beschrieben, bezieht sich ein "Voxel" auf die Daten an einer Stelle der im Speicher gespeicherten und zur Bedienung der Düsen zur Objektbildung verwendeten dreidimensionalen Bilddaten. Eine weitere Ausführungsform identifiziert leere Voxel, d. h. Voxels mit einem Datenwert von "0" an Stellen, die sich neben den einer fehlerhaften Düse zugeordneten Nicht-Null-Voxeln befinden, und fügt an diesen Stellen Daten zur Bedienung der Düse und zum Ausstoß von Material an Stellen ein, die sich neben denen befinden, an denen die fehlerhafte Düse ursprünglich Material ausstoßen sollte. Zum Beispiel können Halbtonbilder mit vielen leeren Voxeln generiert werden, indem eine maximale Füllrate auf eine vorgegebenen Rate begrenzt wird, zum Beispiel 80% oder 90%, um sicherzustellen, dass im gesamten Halbtonbild leere Voxel verstreut sind. Diese Technik kann mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren kombiniert werden, zum Beispiel dem Einfügen von Daten in leeren Voxeln an Stellen, die zu den einer fehlerhaften Düse zugeordneten Voxeln benachbart sind, falls verfügbar; sind jedoch keine leeren Voxeln verfügbar, dann werden die Wellenformparameter für benachbarte Düsen modifiziert, um eine Vergrößerung der Tropfenmenge der benachbarten Voxeln wie vorstehend erläutert zu ermöglichen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Druckkopfs in einem 3D-Objektdrucker, das Folgendes umfasst: Erkennen einer fehlerhaften Düse im Druckkopf; Identifizierung von mindestens einer funktionierenden Düse im Druckkopf, die Materialtropfen neben den der fehlerhaften Düse gegenüberliegenden Stellen ausstößt; Modifizierung von Zündsignalen, die an die mindestens eine identifizierte funktionierende Düse zur Vergrößerung des Tropfenvolumens der Materialtropfen, die neben den der fehlerhaften Düse gegenüberliegenden Stellen ausgestoßen werden, übermittelt werden; und Betätigung des Druckkopfs zur Bildung einer ersten Schicht von Materialtropfen, wobei die mindestens eine identifizierte funktionierende Düse mit den modifizierten Zündsignalen betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Verfahren des Druckkopfs in einer zur ersten Schicht von Materialtropfen parallelen Ebene hin zu der fehlerhaften Düse gegenüberliegende Stellen in einer nächsten Schicht von Materialtropfen, die auf der ersten Schicht gebildet werden soll, die andere als die der fehlerhaften Düse in der ersten Schicht von Materialtropfen gegenüberliegenden Stellen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, die Modifizierung der Zündsignale, umfasst ferner Folgendes: Modifizierung einer Segmentform der Zündsignale.
Verfahren nach Anspruch 3, die Modifizierung der Zündsignale, umfasst ferner Folgendes: Modifizierung einer Spannungsamplitude eines Segments der Zündsignale.
Verfahren nach Anspruch 3, die Modifizierung der Zündsignale, umfasst ferner Folgendes: Modifizierung einer Zeitdauer eines Segments der Zündsignale.
3D-Objektdrucker, der Folgendes umfasst: einen Druckkopf mit einer Vielzahl von zur Abgabe von Materialtropfen ausgelegten Düsen; einen zur Generierung von Daten ausgelegten Sensor, die den von den Düsen im Druckkopf ausgestoßenen Materialtropfen entsprechen; und einen Controller, der funktional mit dem Druckkopf und dem Sensor verbunden ist, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, eine fehlerhafte Düse unter Bezugnahme auf die vom Sensor generierten Daten zu identifizieren; mindestens eine funktionierende Düse im Druckkopf zu identifizieren, die Materialtropfen neben den der fehlerhaften Düse gegenüberliegenden Stellen ausstößt; Zündsignale zu modifizieren, die an die mindestens eine identifizierte funktionierende Düse zur Vergrößerung des Tropfenvolumens der Materialtropfen, die neben den der fehlerhaften Düse gegenüberliegenden Stellen ausgestoßen werden, übermittelt werden; und den Druckkopf zur Bildung einer ersten Schicht von Materialtropfen zu betätigen, wobei die mindestens eine identifizierte funktionierende Düse mit den modifizierten Zündsignalen betrieben wird.
Drucker nach Anspruch 6, wobei der Controller weiterhin dazu ausgelegt ist: den Druckkopf zu verfahren in einer zur ersten Schicht von Materialtropfen parallelen Ebene hin zu den der fehlerhaften Düse gegenüberliegende Stellen in einer nächsten Schicht von Materialtropfen, die auf der ersten Schicht gebildet werden soll, wobei es sich um andere als die der fehlerhaften Düse in der ersten Schicht von Materialtropfen gegenüberliegenden Stellen handelt.
Drucker nach Anspruch 6, wobei der Controller weiterhin dazu ausgelegt ist: die Zündsignale zu modifizieren, indem eine Segmentform der Zündsignale modifiziert wird.
Drucker nach Anspruch 8, wobei der Controller weiterhin dazu ausgelegt ist: die Zündsignale zu modifizieren, indem eine Spannungsamplitude eines Segments der Zündsignale modifiziert wird.
Drucker nach Anspruch 8, wobei der Controller weiterhin dazu ausgelegt ist: die Zündsignale zu modifizieren, indem eine Zeitdauer eines Segments der Zündsignale modifiziert wird.