DE102016200253A1

DE102016200253A1 - System und verfahren zum identifizieren und steuern der z-achsen-druckkopfposition in einem 3d-drucker

Info

Publication number: DE102016200253A1
Application number: DE102016200253.8A
Authority: DE
Inventors: Howard A. Mizes; David A. Mantell
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2016-07-28
Also published as: CN105818376B; KR20160091255A; US10791245B2; JP6679316B2; CN105818376A; JP2020111058A; US20190230248A1; US20160214323A1; KR102257866B1; US10291816B2; JP2016135594A; JP6909891B2

Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb eines 3D-Druckers umfasst das Erzeugen eines gedruckten festgelegten Testmusters auf ein Substrat in dem Drucker mit einer Mehrzahl von Ejektoren in einem Druckkopf. Ein Bildsensor erzeugt Bilddaten des gedruckten Testmusters und ein Controller identifiziert einen z-Achsenabstand zwischen dem Druckkopf und dem Substrat, das das Testmuster mit Bezug zu einer identifizierten Streuung zwischen Abständen quer zur Prozessrichtung, die gedruckte Markierungen in dem Testmuster beabstanden, aufnimmt.

Description

HINTERGRUND
Dreidimensionales Drucken, auch als additives Fertigungsverfahren bekannt, ist ein Prozess zur Herstellung eines dreidimensionalen, festen Objekts anhand eines digitalen Modells einer im Wesentlichen beliebigen Form. Viele dreidimensionale Drucktechnologien verwenden einen additiven Prozess, bei dem nacheinander Schichten des Teils auf zuvor aufgetragene Schichten aufgebaut werden. Einige dieser Technologien verwenden Tintenstrahldruck, bei dem ein oder mehrere Druckköpfe nacheinander Schichten von Material ausstoßen. 3D-Druck ist von herkömmlichen objektformenden Techniken zu unterscheiden, die überwiegend auf der Entfernung von Material aus einem Werkstück durch einen subtraktiven Prozess, wie Schneiden oder Drillen, beruhen.
Bei Herstellung von gedruckten 3D-Objekten mit einem Tintenstrahldrucker stellt der Drucker die relative Position von einem oder mehreren Druckköpfen in vergleichsweise engen Abständen von einer Substratoberfläche ein, die das Baumaterial aufnimmt. In einigen Fällen ist das Substrat ein Trägerelement in einem 3D-Drucker, während in anderen Fällen das Substrat eine obere Schicht eines Objekts ist, das in dem 3D-Drucker gebildet wird. Der Drucker stellt den relativen Abstand zwischen den Druckköpfen und dem Trägerelement ein, das das Objekt hält, so dass die Druckköpfe zusätzliche Materialschichten auf eine obere Schicht des Objekts drucken können, während der Drucker das Objekt aus einer Reihe von Schichten eines Baumaterials bildet. Der Drucker steuert die Position der Druckköpfe, um zu gewährleisten, dass sich die Druckköpfe für präzise und genaue Anordnung von Tropfen des Baumaterials nahe genug an einer Oberfläche des Substrats befinden. Der Drucker steuert auch die Position der Druckköpfe, um einen ausreichenden Abstand zwischen dem Druckkopf und dem Substrat aufrecht zu erhalten, so dass das gedruckte Objekt nicht mit dem Druckkopf in Kontakt kommt, was zu einem Verstopfen der Düsen führen würde, was zusätzlich zur Beschädigung des aufzubauenden Objekts ein späteres Auslösen oder ein falsches Auslösen der Strahlen bewirken würde.
Beim Betrieb eines 3D-Druckers wird während des Objektdruckprozesses mindestens eins aus Trägerelement oder Druckköpfen entlang der z-Achse bewegt, um das gedruckt Objekt aufzunehmen, das sich vom Trägerelement in Richtung der Druckköpfe erstreckt. Genaue Messungen des Abstands zwischen dem Trägerelement oder der oberen Schicht des Objekts und den Druckköpfen ermöglichen es, dass die Druckköpfe mit größerer Präzision und Zuverlässigkeit arbeiten. Daher wären verbesserte Systeme und Verfahren zum Identifizieren und Steuern des Abstands zwischen Druckköpfen und Trägerelementen oder Objekten in einem 3D-Drucker vorteilhaft.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer Ausführungsform wurde ein Verfahren zum Betrieb eines 3D-Druckers entwickelt, um einen z-Achsenabstand zwischen einem Druckkopf und einem Substrat zu identifizieren. Das Verfahren umfasst das Betätigen einer Mehrzahl von Ejektoren in einem ersten Druckkopf, um ein erstes festgelegtes Testmuster mit einer ersten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnet sind, das Erzeugen mit einem Bildsensor von Bilddaten des ersten, festgelegten Testmusters auf dem Substrat, Identifizieren mit einem Controller von einer Streuung quer zur Prozessrichtung von Abständen zwischen Markierungen in der ersten Mehrzahl von Markierungen des ersten festgelegten Testmusters mit Bezug auf die erzeugten Bilddaten, Identifizieren mit dem Controller eines ersten z-Achsenabstands zwischen dem ersten Druckkopf und dem Substrat mit Bezug auf die identifizierte Streuung, wobei die z-Achse senkrecht auf die Substratoberfläche steht, und Betätigen mit dem Controller mindestens eines Stellglieds, um mindestens eins aus erstem Druckkopf und Substrat entlang der z-Achse in Reaktion darauf zu bewegen, dass der identifizierte erste z-Achsenabstand außerhalb eines festgelegten z-Achsenabstandsbereichs liegt.
In einer weiteren Ausführungsform wurde ein Verfahren zum Betrieb eines 3D-Druckers entwickelt, um ein Profil entsprechend den Streuungen in den gedruckten Testmustern und einem z-Achsenabstand zwischen Druckkopf und Substrat zu erzeugen. Das Verfahren umfasst das Betätigen einer Mehrzahl von Ejektoren in einem ersten Druckkopf, um ein erstes, festgelegtes Testmuster mit einer ersten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf einer Oberfläche eines Substrats an einem ersten z-Achsenabstand zwischen dem ersten Druckkopf und dem Substrat angeordnet sind, wobei die z-Achse senkrecht auf der Substratoberfläche steht, das Erzeugen mit einem Bildsensor erster Bilddaten des ersten festgelegten Testmusters auf dem Substrat, Identifizieren mit einem Controller einer ersten Streuung quer zur Prozessrichtung von Abständen zwischen Markierungen in der ersten Mehrzahl von Markierungen des ersten festgelegten Testmusters mit Bezug auf die ersten erzeugten Bilddaten, Betätigen eines Stellglieds, um mindestens eins aus erstem Druckkopf und Substrat entlang der z-Achse um einen festgelegten Versatzabstand zu bewegen, um den ersten Druckkopf und das Substrat um einen zweiten z-Achsenabstand zu beabstanden, Betätigen der Mehrzahl von Ejektoren in dem ersten Druckkopf, um ein zweites festgelegtes Testmuster mit einer zweiten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf der Oberfläche des Substrats an dem zweiten z-Achsenabstand zwischen dem ersten Druckkopf und dem Substrat angeordnet sind, Erzeugen mit dem Bildsensor der zweiten Bilddaten des zweiten festgelegten Testmusters auf dem Substrat, Identifizieren mit dem Controller einer zweiten Streuung quer zur Prozessrichtung von Abständen zwischen Markierungen der zweiten Mehrzahl von Markierungen des zweiten vorbestimmten Testmusters mit Bezug zu den erzeugten zweiten Bilddaten, Erzeugen mit dem Controller eines Profils für den ersten Druckkopf mit Bezug zu der ersten Streuung, der zweiten Streuung und dem festgelegten Versatzabstand, wobei das Profil eine Beziehung zwischen einer Mehrzahl von Streuungen quer zur Prozessrichtung von Abständen zwischen Markierungen in gedruckten Testmustern und entsprechenden z-Achsenabständen zwischen dem ersten Druckkopf und dem Substrat umfasst, und Speichern des Profils in einem Speicher zur Verwendung beim Identifizieren des z-Achsenabstands zwischen dem ersten Druckkopf und dem Substrat während eines Druckbetriebs.
In einer weiteren Ausführungsform wurde ein 3D-Drucker zum Identifizieren eines z-Achsenabstands zwischen einem Druckkopf und einem Substrat entwickelt. Der Drucker umfasst einen ersten Druckkopf mit einer Mehrzahl von Ejektoren, ein Trägerelement mit einer Oberfläche zur Aufnahme von Material, das von der Mehrzahl von Ejektoren in dem ersten Druckkopf ausgestoßen wird, mindestens ein Stellglied, das wirksam mit dem ersten Druckkopf oder dem Trägerelement verbunden ist, einen bildgebenden Sensor zum Erzeugen von Bilddaten der Oberfläche des Trägerelements, und einen Controller, der wirksam mit dem ersten Druckkopf, dem mindestens einen Stellglied und dem bildgebenden Sensor verbunden ist. Der Controller ist gestaltet, die Mehrzahl von Ejektoren in dem ersten Druckkopf zu betätigen, um ein erstes festgelegtes Testmuster mit einer ersten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf der Oberfläche des Trägerelements angeordnet sind, Erzeugen mit dem Bildsensor von Bilddaten des ersten festgelegten Testmusters, Identifizieren einer Streuung von Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in der ersten Mehrzahl von Markierungen des ersten festgelegten Testmusters mit Bezug auf die Bilddaten, Identifizieren eines ersten z-Achsenabstands zwischen dem ersten Druckkopf und der Oberfläche des Trägerelements mit Bezug auf die identifizierte Streuung, wobei die z-Achse senkrecht auf die Oberfläche des Trägerelements steht, und Betätigen des mindestens einen Stellglieds, um mindestens eins aus erstem Druckkopf und Trägerelement längs der z-Achse in Reaktion darauf zu bewegen, dass der identifizierte erste z-Achsenabstand außerhalb eines festgelegten z-Achsenabstandsbereichs liegt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In der folgenden Beschreibung werden die vorangehenden Erscheinungsformen sowie weitere Funktionen eines Apparats oder Druckers im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen erklärt, der Abstände in z-Richtung zwischen einem oder mehreren Druckköpfen und einem Substrat während des Betriebs identifiziert.
1A ist ein Diagramm eines 3D-Druckers.
1B ist ein Diagramm des 3D-Druckers von 1A während eines Objektdruckbetriebs.
2 ist ein Diagramm, das eine veranschaulichende Streuung von Tropfen zeigt, die von einem Druckkopf auf ein Substrat in verschiedenen z-Achsenabständen zwischen Druckkopf und Substrat ausgestoßen werden.
3 ist ein Blockdiagramm eines Prozesses zum Erzeugen eines Profils für einen Druckkopf in einem 3D-Drucker, umfassend eine Beziehung zwischen z-Achsenabständen des Druckkopfs von einem Substrat und Streuungen von Tropfenpositionen quer zur Prozessrichtung, die von dem Druckkopf in verschiedenen z-Achsenabständen ausgestoßen wurden.
4 ist ein Blockdiagramm eines Prozesses zum Identifizieren eines z-Achsenabstands zwischen einem Druckkopf und einem Substrat in einem 3D-Drucker.
5A ist ein Blockdiagramm eines Prozesses zum Identifizieren eines Kippwinkels eines Substrats in einem 3D-Drucker.
5B ist ein Blockdiagramm eines weiteren Prozesses zum Identifizieren eines Kippwinkels eines Substrats in einem 3D-Drucker.
6 ist ein veranschaulichendes Beispiel eines festgelegten Testmusters, das gedruckte, quer zur Prozessrichtung gebildete Markierungen umfasst.
7 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Streuungen von Tropfenpositionen quer zur Prozessrichtung zeigt, die von einem Druckkopf auf eine Oberfläche eines Substrats ausgestoßen wurden, sowie verschiedene z-Achsenabstände zwischen Druckkopf und Substrat.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Für ein allgemeines Verständnis der Umgebung für die hier offenbarte Vorrichtung sowie die Einzelheiten der Vorrichtung wird auf die Zeichnungen verwiesen. In den Zeichnungen bezeichnen ähnliche Bezugsnummern gleiche Elemente.
Wie hier verwendet, betrifft der Begriff "Baumaterial" ein Material, das in Form flüssiger Tropfen aus einer Mehrzahl von Ejektoren in einem oder mehreren Druckköpfen ausgestoßen wird, um Schichten von Material in einem Objekt zu bilden, das in einem 3D-Drucker gebildet wird. Beispiele für Baumaterialien umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, Thermoplaste, UV-härtende Polymere und Binder, die zum Ausstoß als flüssige Tropfen aus Ejektoren in einem oder mehreren Druckköpfen verflüssigt und anschließend zu einem festen Material gehärtet werden können, das ein Objekt durch einen additiven 3D-Druckprozess bildet. In einigen 3D-Druckerumgebungen werden mehrere Formen von Baumaterialien verwendet, um ein Objekt zu erstellen. In einigen Ausführungsformen bilden verschiedene Baumaterialien mit verschiedenen physikalischen oder chemischen Eigenschaften ein einzelnes Objekt. In weiteren Ausführungsformen ist der Drucker gestaltet, Tropfen eines einzigen Baumaterialtyps auszustoßen, das verschiedene Farben durch Farbstoffe oder andere Farbmittel enthält, die in dem Baumaterial umfasst sind. Der 3D-Drucker steuert den Ausstoß von Tropfen des Baumaterials mit verschiedenen Farben, um Objekte mit variierenden Farben und optional mit gedrucktem Text, Graphiken oder weiteren ein- oder mehrfarbigen Mustern auf der Oberfläche des Objekts zu bilden.
Wie hier verwendet, betrifft der Begriff "Trägermaterial" ein weiteres Material, das von Druckköpfen bei einem 3D-Druckprozess ausgestoßen wird, um das Objekt zu stabilisieren, das aus den Baumaterialien gebildet wird. Während z.B. der 3D-Drucker Schichten des Baumaterials aufträgt, um das Objekt zu bilden, stößt mindestens ein Druckkopf in dem Drucker auch Schichten des Trägermaterials aus, die in Teile des Objekts einrücken. Das Trägermaterial hält einen oder mehrere Abschnitte des Baumaterials an seinem Ort, bevor das mit dem Baumaterial konstruierte Objekt ein vollständiges Objekt ist, und unterstützt es, weil es ein einzelnes Objekt ist. Ein einfaches Beispiel für die Verwendung von Trägermaterial umfasst die Konstruktion eines Gehstocks unter Verwendung eines 3D-Druckers. Der gebogene Teil des Gehstocks ist an der Spitze des Objekts, und das Trägermaterial stellt Unterstützung für den nach unten weisenden Teil des Griffs vor Fertigstellung der Spitze des Bogens in dem Gehstock bereit. Das Trägermaterial verhindert auch, dass neu gebildete Funktionen abbrechen, bevor ausreichend Baumaterial vorhanden ist, um das Objekt zusammenzuhalten, und verhindert, dass Teile des Baumaterials, die nicht vollständig verfestigt sind, aus der Position fließen, bevor der Härtungsprozess abgeschlossen ist.
Beispiele für Trägermaterialien umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, wachsartige Materialien, die während des Druckprozesses das Objekt unterstützen, und die nach Abschluss des Druckprozesses wieder leicht von dem Objekt entfernt werden können.
Wie hier verwendet, betrifft der Begriff "Prozessrichtung" eine Bewegungsrichtung eines Trägerelements während eines 3D-Objekt-Bildungsprozesses vorbei an einem oder mehreren Druckköpfen. Das Trägerelement hält das dreidimensionale Objekt und begleitende Trägermaterial und Baumaterial während des Druckprozesses. In einigen Ausführungsformen ist das Trägerelement ein planares Element, wie eine Metallplatte, während in anderen Ausführungsformen das Trägerelement ein rotierendes zylindrisches Element oder ein Element mit einer anderen Form ist, das die Bildung eines Objekts während des 3D-Druckprozesses unterstützt. In einigen Ausführungsformen bleiben die Druckköpfe stationär, während Trägerelement und Objekt an dem Druckkopf vorbei geführt werden. In weiteren Ausführungsformen werden die Druckköpfe bewegt, während das Trägerelement stationär bleibt. In weiteren Ausführungsformen werden sowohl Druckköpfe als auch Trägerelement bewegt.
Wie hier verwendet, betrifft der Begriff "quer zur Prozessrichtung" eine Richtung, die senkrecht zur Prozessrichtung und in der Ebene des Trägerelements ist. Die Ejektoren in zwei oder mehr Druckköpfen werden quer zur Prozessrichtung gestaffelt, damit eine Anordnung von Druckköpfen gedruckte Muster von Baumaterial und Trägermaterial auf einem zweidimensionalen, ebenen Bereich bilden kann. Während eines 3D-Druckprozesses werden aufeinanderfolgende Schichten von Baumaterial und Trägermaterial von den gestaffelten Druckköpfen gebildet, um ein dreidimensionales Objekt zu bilden.
Wie hier verwendet, betrifft der Begriff "z-Achse" eine Achse, die senkrecht auf die Prozessrichtung, die Richtung quer zum Prozess und die Ebene des Trägerelements in einem 3D-Drucker steht. Am Anfang des 3D-Druckprozesses betrifft eine Beabstandung entlang der z-Achse eine Beabstandung zwischen dem Trägerelement und den Druckköpfen, die die Schichten von Baumaterial und Trägermaterial bilden. Während die Ejektoren in den Druckköpfen jede Schicht Baumaterial und Trägermaterial bilden, stellt der Drucker den z-Achsenabstand zwischen den Druckköpfen und der obersten Schicht ein, um einen im Wesentlichen konstanten Abstand zwischen den Druckköpfen und der obersten Schicht des Objekts während des Druckbetriebs aufrecht zu erhalten. In vielen 3D-Drucker-Ausführungsformen wird der z-Achsenabstand zwischen Duckköpfen und oberster Schicht des gedruckten Materials in vergleichsweise engen Toleranzen gehalten, um eine konsistente Anordnung und Kontrolle der ausgestoßenen Tropfen des Baumaterials und Trägermaterials zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen wird das Trägerelement während des Druckbetriebs von den Druckköpfen weg bewegt, um den z-Achsenabstand aufrecht zu erhalten, während in anderen Ausführungsformen die Druckköpfe von dem teilweise gedruckten Objekt und dem Trägerelement weg bewegt werden, um den z-Achsenabstand aufrecht zu erhalten.
Wie hier verwendet, betrifft der Begriff "Streuung" eine beliebige statistische Messung in Bezug auf einen Unterschied quer zur Prozessrichtung zwischen den relativen Orten der gedruckten Markierungen in einem gedruckten Testmuster von einem Druckkopf in dem Drucker im Vergleich quer zur Prozessrichtung von den Orten der gedruckten Markierungen des festgelegten Testmusters. Wie hier verwendet, betrifft der Begriff "Markierung" ein gedrucktes Muster von einem oder mehreren Tropfen, die von einem einzelnen Ejektor in einem Druckkopf gebildet werden und in der Achse der Prozessrichtung angeordnet sind. Ein Testmuster wird unter Verwendung mehrerer Ejektoren in dem Druckkopf von einer Anordnung von Markierungen gebildet. Nicht beschränkende Beispiele für Streuungsstatistik für Markierungen, die in dem Testmuster gedruckt werden, umfassen Standardabweichung, Varianz, mittlere absolute Abweichung, Spannweite, Interquartilabstand und Ähnliche. Ein festgelegtes Testmuster umfasst z.B. mehrere Reihen gedruckter Markierungen, die mit gleichmäßigen Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen benachbarten Markierungen in jeder Reihe gebildet wurden. Ein Druckkopf mit Ejektoren, die Tropfen des Materials parallel zur z-Achse ausstoßen, bildet das festgelegte Testmuster ohne oder nur mit geringer Streuung. Die praktischen Ausführungsformen von Druckköpfen in dem Drucker umfassen jedoch mindestens einige Ejektoren, die Tropfen des Materials in einem Winkel ausstoßen, wodurch Unterschiede zwischen den Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen den gedruckten Markierungen in dem Testmuster erzeugen. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, identifiziert der Drucker den z-Achsenabstand zwischen verschiedenen Druckköpfen und einem Substrat in dem Drucker mit Bezug auf einen identifizierten Streuungsgrad quer zur Prozessrichtung in Orten gedruckter Markierungen in Testmustern.
1A und 1B zeigen einen 3D-Drucker 100, der gestaltet ist, den z-Achsenabstand zwischen einem oder mehreren Druckköpfen und einem Substrat in dem Drucker 100 zu identifizieren. Der Drucker 100 umfasst ein Trägerelement 102, eine erste Druckkopf-Anordnung, umfassend Druckköpfe 104A bis 104C, eine zweite Druckkopf-Anordnung, umfassend Druckköpfe 108A bis 108C, Druckkopfanordnungs-Stellglieder 120A und 120B, Trägerelement-Stellglied 124, einen Bildsensor 116, einen Controller 128 und einen Speicher 132. In einer Konfiguration stoßen die Druckkopf-Anordnungen 104A bis 104C und 108A bis 108C zwei verschiedene Typen Baumaterial aus, um gedruckte 3D-Objekte mit zwei verschiedenen Baumaterialtypen zu bilden. In einer weiteren Konfiguration stößt eine Druckkopf-Anordnung ein Baumaterial und die andere Druckkopf-Anordnung ein Trägermaterial aus, um gedruckte 3D-Objekte zu bilden. Alternative Drucker-Ausführungsformen umfassen eine andere Anzahl von Druckkopf-Anordnungen oder eine andere Anzahl von Druckköpfen in jeder Druckkopfreihe.
In dem Drucker 100 ist das Trägerelement 102 ein planares Element, wie eine Metallplatte, die sich in einer Prozessrichtung P bewegt. Die Druckkopf-Anordnungen 104A bis 104C und 108A bis 108C sowie der Bildsensor 116 bilden eine Druckzone 110. Das Trägerelement 102 trägt alle zuvor gebildeten Schichten von Trägermaterial und Baumaterial durch die Druckzone 110 in Prozessrichtung P. Während des Druckbetriebs bewegt sich das Trägerelement 102 auf einem festgelegten Prozessrichtungspfad P, das die Druckköpfe mehrfach passiert, um aufeinanderfolgende Schichten eines gedruckten 3D-Objekts zu bilden, wie das Objekt 150, das in 1B gezeigt ist. Die Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C stoßen auch Tropfen von Material aus, um festgelegte Testmuster zu bilden, wie die Testmuster 192A bis 192B und 194A bis 194B, dargestellt in 1A, und die Testmuster 184 und 186, dargestellt in 1B. In einigen Ausführungsformen passieren mehrere Elemente, ähnlich dem Element 102, die Druckzone 110 in einem Karussell oder einer ähnlichen Anordnung. In dem Drucker 100 bewegen ein oder mehrere Stellglieder das Element 102 durch die Druckzone 110 in Prozessrichtung P. In weiteren Ausführungsformen bewegen die Stellglieder 120A und 120B oder weitere Stellglieder die Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C jeweils längs der Prozessrichtung P, um das gedruckte Objekt auf dem Trägerelement 102 zu bilden.
In dem Drucker 100 bewegt ein Stellglied 124 nach dem Auftragen jeder der Materialschichten auf das Trägerelement auch das Trägerelement 102 längs der Richtung der z-Achse (z) weg von den Druckköpfen in der Druckzone 110. In einigen Ausführungsformen sind das Stellglied 124 oder weitere Stellglieder, die wirksam mit dem Trägerelement 102 verbunden sind, gestaltet, um einen Kippwinkel des Trägerelements 102 um die Achse CP quer zur Prozessrichtung (Kipp-Pfeile 172 und 174) und die Achse P in Prozessrichtung (Kipp-Pfeile 176 und 178) einzustellen. In einer weiteren Konfiguration bewegen die Stellglieder 120A und 120B jeweils die Druckkopf-Anordnungen 104A bis 104C und 108A bis 108C nach oben längs der z-Achse, um den Abstand zwischen den Druckköpfen und einem gedruckten Objekt aufrecht zu erhalten. In dem Drucker 100 sind die Stellglieder 124 und 120A bis 120B elektromechanische Stellglieder, wie Schrittmotoren, die Steuersignale von Controller 128 empfangen, um das Trägerelement 102 oder die Druckkopf-Anordnungen 104A bis 104C und 108A bis 108C durch festgelegte Abstände längs der z-Achse zu bewegen. Die veranschaulichende Ausführungsform des Drucker 100 umfasst Stellglieder, die die z-Achsenpositionen sowohl des Stellglieds 102 als auch der Druckkopf-Anordnungen 104A bis 104C und 108A bis 108C einstellen, aber alternative Drucker-Ausführungsformen umfassen Stellglieder, die wirksam nur mit dem Trägerelement 102 oder nur mit den Druckköpfen verbunden sind. Die Druckzone 110 bildet eine weitere Schicht auf dem oder den gedruckten 3D-Objekten auf jedes Element während jeder Passage durch den Pfad, um mehrere Sätze von 3D-Objekten parallel zu bilden.
Die Druckkopf-Anordnungen, umfassend die Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C, stoßen Material in Richtung des Trägerelements 102 aus, um Schichten eines gedruckten 3D-Objekts zu bilden, wie Objekt 150, das in 1B dargestellt ist. Jeder der Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C umfasst eine Mehrzahl von Ejektoren, die verflüssigte Tropfen eines Baumaterials oder eines Trägermaterials ausstoßen. In einer Ausführungsform umfasst jeder Ejektor eine Fluid-Druckkammer, die das flüssige Baumaterial empfängt, ein Stellglied, wie ein piezoelektrisches Stellglied, und eine Auslassdüse. Das piezoelektrische Stellglied verformt sich in Reaktion auf ein elektrisches Auslösesignal und zwingt das verflüssigte Baumaterial als Tropfen durch die Düse, der in Richtung des Elements 102 ausgestoßen wird. Wenn das Element 102 zuvor gebildete Schichten eines 3D-Objekts trägt, bilden die ausgestoßenen Tropfen des Baumaterials eine weitere Schicht des Objekts. Jeder der Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C umfasst eine zweidimensionale Anordnung der Ejektoren, wobei eine beispielhafte Druckkopf-Ausführungsform 880 Ejektoren umfasst. Während des Betriebs steuert der Controller 128 die Erzeugung des elektrischen Auslösesignals, um ausgewählte Ejektoren zu unterschiedlichen Zeiten zu betätigen, um jede Schicht des Baumaterials für das Objekt zu bilden. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, erzeugt der Controller 128 auch Auslösesignale für die Ejektoren in den Druckköpfen 104A bis 104C und 108A bis 108C, um Testmuster zu drucken, die verwendet werden, um einen Abstand längs der z-Achse zwischen jedem Druckkopf und einem Substrat in der Druckzone 110 zu drucken. Das Substrat kann die Oberfläche des Trägerelements 102 oder eine oberste Schicht eines dreidimensional gedruckten Substrats sein, das auf einem Trägerelement 102 gebildet ist.
Während 1A und 1B zwei Druckkopf-Anordnungen zeigen, die Tropfen des Baumaterials ausstoßen, können alternative Ausführungsformen drei oder mehr Druckkopf-Anordnungen umfassen, die gedruckte Objekte mit zusätzlichen Baumaterialien bilden. Eine weitere Ausführungsform umfasst nur eine einzige Druckkopf-Anordnung. Während die Druckkopf-Anordnungen 104A bis 104C, 108A bis 108C jeweils als drei Druckköpfe umfassend gezeigt sind, können alternative Konfigurationen weniger Druckköpfe oder eine größere Anzahl von Druckköpfen umfassen, um Druckzonen mit verschiedenen Größen quer zur Prozessrichtung aufzunehmen. Weiterhin bewegen sich in Raster-3D-Drucker-Ausführungsformen ein oder mehrere Druckköpfe entlang der Achse CP quer zur Prozessrichtung und optional der Achse P der Prozessrichtung während des Druckbetriebs.
Der Bildsensor 116 umfasst eine Anordnung von Fotodetektoren, die über die Druckzone 110 quer zur Prozessrichtung CP angeordnet ist, und ist konfiguriert, digitale Bilddaten zu erzeugen, die Licht entsprechen, das von dem Baumaterial und dem Trägermaterial reflektiert wird, das auf dem Element 102 gebildet wird. In einer Ausführungsform erzeugen die Fotodetektoren 8-Bit-Graustufendaten mit insgesamt 256 (0 bis 255) Graden, die einem Grad reflektierten Lichts entsprechen, das jeder Fotodetektor von der obersten Schicht des gedruckten Trägermaterials und des gedruckten Baumaterials empfängt. In weiteren Ausführungsformen enthält der Bildsensor 116 multispektrale Fotodetektorelemente, wie Rot-, Grün-, Blau-(RGB)Sensorelemente. Während des Betriebs erzeugt der Bildsensor 116 mehrere Bild-Scanlinien, entsprechend gedruckten Mustern von Materialtropfen, umfassend gedruckte Testmuster, die auf dem Trägerelement 102 oder einem Substrat gebildet sind, das aus Schichten von Baumaterial oder Trägermaterial gebildet ist. Während sich das Trägerelement 102 an Bildsensor 116 vorbei bewegt, erzeugt der Bildsensor 116 Daten zweidimensionaler, gescannter Bilder von einer Reihe von Scanlinien. Der Controller 128 empfängt die Scanbild-Daten und führt weitere Bearbeitung der Scanbild-Daten aus, um die Abstände in z-Achsenrichtung zwischen den Druckköpfen und dem Substrat in Bezug auf Scanbild-Daten gedruckter Testmuster zu identifizieren.
Der Controller 128 ist eine digitale Logikvorrichtung, wie ein Mikroprozessor, Mikrocontroller, Field Programmable Gate Array (FPGA), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder eine beliebige andere digitale Logikvorrichtung, die konfiguriert ist, den Drucker 100 zu betreiben. In dem Drucker 100 ist der Controller 128 wirksam mit dem Stellglied 124, das die Bewegung des Trägerelements 102 steuert, und den Stellgliedern 120A und 120B verbunden, die die z-Achsenbewegung der Druckkopf-Anordnungen 104A bis 104C und 108A bis 108C steuern. Der Controller 128 ist auch wirksam mit den Druckkopf-Anordnungen 104A bis 104C und 108A bis 108C, dem Bildsensor 116 und einem Speicher 132 verbunden.
In der Ausführungsform des Druckers 100 umfasst der Speicher 132 flüchtige Datenspeichervorrichtungen, wie Random-Access Memory(RAM)-Vorrichtungen, und nicht-flüchtige Datenspeichervorrichtungen, wie Solid-State-Datenspeichervorrichtungen, Magnetscheiben, optische Scheiben oder beliebige andere geeignete Datenspeichervorrichtungen. Der Speicher 132 speichert programmierte Anweisungen 136, 3D-Objekt-Bilddaten 138, Testmusterdaten 140 und ein Profil Tropfen-Streuung zu z-Achse 144, verknüpft mit jedem der Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C. Der Controller 128 führt die gespeicherten Programmanweisungen 136 aus, um die Komponenten in Drucker 100 zu betätigen, um sowohl ein gedrucktes 3D-Objekt zu bilden, wie das Objekt 150, als auch Testmuster zu drucken, das Abstände in z-Achsenrichtung zwischen den Druckköpfen und einem Substrat in der Druckzone 110 zu identifizieren. Der Controller 128 erzeugt auch die Profile Tropfen-Streuung zu z-Achsenabstand für die Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C, wie nachstehend ausführlicher in Prozess 300 beschrieben. In einigen Konfigurationen identifiziert der Controller 128 auch einen Kippwinkel weg von der z-Achse der Oberfläche des Trägerelements 102 oder eines weiteren Substrats in der Druckzone 110. Die 3D-Objekt-Bilddaten 138 umfassen z.B. eine Mehrzahl zweidimensionaler Bilddatenmuster, die jeder Schicht Baumaterial und Trägermaterial entsprechen, die der Drucker 100 während des 3D-Druckprozesses bildet. Der Controller 128 stößt Materialtropfen von den Druckköpfen 104A bis 104C und 108A bis 108C in Bezug auf jeden Satz zweidimensionaler Bilddaten aus, um eine Schicht des Objekts 150 zu bilden. Der Speicher 132 speichert auch Testmusterdaten 140, die festgelegten Mustern von Markierungen entsprechen, die die Ejektoren in den Druckköpfen 104A bis 104C und 108A bis 108C auf Substraten in der Druckzone 110 bilden.
1B zeigt den Drucker 100 während eines 3D-Objektdruckbetriebs. In 1B bilden die Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C ein gedrucktes 3D-Objekt 150. Das Trägerelement 102 umfasst einen Randbereich, der gestaltet ist, um zusätzliche gedruckte Testmuster 184 von einigen oder allen der Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C aufzunehmen. In der Ausführungsform von 1B dient die Oberfläche des gedruckten Objekts 150 auch als ein Substrat, das ein gedrucktes Testmuster 196 von Druckkopf 104A aufnimmt. Der Bildsensor 116 erzeugt Bilddaten, die erkennbare, gedruckte Markierungen in dem Testmuster 186 umfassen, wenn die oberste Schicht oder Schichten des Objekts 150 von einem optisch verschiedenen Material gebildet wird, wie ein Baumaterial mit einer verschiednen Farbe oder ein Trägermaterial, das von den Druckköpfen 108A bis 108C ausgestoßen wird. In weiteren Konfigurationen bilden die Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C Strukturen von zwei verschiedenen Baumaterialien oder von einem Baumaterial und einem Trägermaterial, um Substratstrukturen zu bilden, die gedruckte Testmuster aufnehmen und die eine z-Achsenhöhe besitzen, die ähnlich der Höhe des Objekts 150 ist. Der Controller 128 verwendet die Substratstrukturen, um den z-Achsenabstand zwischen einem oder mehreren der Druckköpfe und der obersten Schicht des Objekts 150 zu identifizieren.
2 zeigt den Druckkopf 104A und das Substrat 202 in einer ersten Position in z-Achsenrichtung 240 und eine zweite z-Achsenposition 244. Wie oben beschrieben, kann das Substrat 202 die Oberfläche des Trägerelements 102 oder die Oberfläche einer gedruckten Struktur sein, die auf dem Trägerelement 102 gebildet ist. In dem veranschaulichenden Beispiel von 2 positioniert die erste Position in z-Achsenrichtung 240 den Druckkopf 104A und das Substrat im Vergleich zur zweiten Position 244 längs der z-Achse näher zusammen, aber in einer weiteren Konfiguration positioniert die erste Position den Druckkopf 104A und das Substrat 202 in einen größeren z-Achsenabstand als die zweite Position. In der Konfiguration von 2 betätigt der Controller 128 das Stellglied 124, um das Substrat längs der z-Achse zwischen der ersten Position 240 und der zweiten Position 244 zu bewegen, während in weiteren Ausführungsformen das Stellglied 120A den Druckkopf 104A oder die Stellglieder 124 und 120A bewegt, um jeweils sowohl das Substrat 202 als auch den Druckkopf 104A längs der z-Achse zu bewegen.
Der Druckkopf 104A umfasst eine Mehrzahl von Ejektoren, die längs der Achse CP quer zur Prozessrichtung angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen umfasst der Druckkopf 104A diagonale Anordnungen von Ejektoren, die über die Fläche des Druckkopfes 104A in einer zweidimensionalen Anordnung gestaffelt sind. Wie oben beschrieben, betätigt der Controller 128 nur einen Teil der Ejektoren in dem Druckkopf 104, um einen einzelnen Satz von Markierungen in einem Reihensatz des Testmusters zu bilden. 2 zeigt nur eine Teilmenge von Ejektoren in dem Druckkopf 104A, die Tropfen ausstoßen, um einen einzelnen Reihensatz zu bilden, und der Druckkopf 104A umfasst vier Ejektoren, die jeden der benachbarten, aktivierten Ejektoren quer zur Prozessrichtung CP beabstanden, um das Testmuster 600 von 6 zu bilden. In 2 bilden z.B. die Ejektoren 220 und 224 benachbarte Markierungen in einer Reihe eines gedruckten Testmusters, aber vier zusätzliche Ejektoren beabstanden die Ejektoren 220 und 224 quer zur Prozessrichtung. Der Controller betätigt die dazwischen angeordneten Ejektoren, um weitere Reihensätze in dem festgelegten Testmuster 600 zu bilden. In verschiedenen Testmusterkonfigurationen betätigt der Controller 128 Ejektoren, um die Markierungen in einem einzelnen Reihensatz mit mindestens einem Ejektor zu bilden, der zwischen den aktivierten Ejektoren quer zur Prozessrichtung angeordnet ist.
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Prozesses 300 zum Erstellen eines Profils zwischen dem z-Achsenabstand zwischen einem Druckkopf und einem Substrat und dem Streuungsgrad der Tropfenanordnung längs der Richtung quer zum Prozess von einem Druckkopf in einem 3D-Drucker. In der nachstehenden Beschreibung betrifft ein Bezug zu Prozess 300, der eine Aktion oder Funktion ausführt, das Betätigen eines Controller in einem Drucker, um gespeicherte Programmanweisungen auszuführen, um die Funktion oder Aktion mit weiteren Komponenten in dem Drucker auszuführen. Der Prozess 300 wird in Zusammenhang mit dem Drucker 100 und 1A, 1B, 2, 6 und 7 zu veranschaulichenden Zwecken beschrieben.
Prozess 300 beginnt, wenn der Drucker 100 einen Druckkopf und das Substrat in eine erste Position mit einem ersten Abstand längs der z-Achse positioniert (Block 304). Der Controller 128 betätigt z.B. einen oder beide der Stellglieder 120A und 124, um den Druckkopf 104A und ein Substrat in eine erste Position längs der z-Achse zu positionieren. Wie oben beschrieben, ist das Substrat entweder das Trägerelement 102 oder eine obere Oberfläche einer Baumaterial- oder einer Trägermaterialstruktur, die ein gedrucktes Substrat bildet. In dem Drucker 100 betätigt z.B. der Controller 128 optional die Druckköpfe 108A bis 108C, um eine Struktur eines zweiten Baumaterials oder Trägermaterials mit einer einheitlichen Substrat-Oberfläche zu bilden, die optisch verschieden von dem Material ist, das von Druckkopf 104A ausgestoßen wird. Der Controller 128 bildet das gedruckte Testmuster auf der Oberfläche der Struktur anstelle der Oberfläche des Trägerelements in einigen Konfigurationen.
Der Prozess 300 fährt fort, wenn der Controller 128 den Druckkopf 104A betätigt, um ein erstes festgelegtes Testmuster auf der Oberfläche des Substrats zu bilden (Block 308). Der Controller 128 erzeugt Auslösesignale für die Ejektoren in dem Druckkopf 104A, um das festgelegte Testmuster mit einer Mehrzahl von Reihensätzen zu bilden. Wie hier verwendet, betrifft der Begriff "Reihensatz" eine Mehrzahl gedruckter Markierungen, die ein Drucker auf der Oberfläche des Substrats in einer festgelegten Anordnung bildet, die sich quer zur Prozessrichtung erstreckt. Ein Reihensatz umfasst mindestens einen Satz gedruckter Markierungen, die in einer einzelnen "Reihe" längs der Richtung quer zum Prozess angeordnet sind, obwohl einige Testmuster Reihensätze mit mehreren Reihen der gedruckten Markierungen umfassen, die als Satz einzelner Markierungen gebildet werden, die sich längs der Prozessrichtung erstrecken. Der Drucker 100 bildet gedruckte Reihen in einigen Reihensätzen, um die Auswirkungen der zufälligen Fehler bei der Materialtropfen-Anordnung quer zur Prozessrichtung während des Identifizierens der Streuung der Anordnung quer zur Prozessrichtung von Markierungen in dem gedruckten Testmuster zu reduzieren. Das gedruckte Testmuster 600 in 6 umfasst fünf Reihensätze 602A–602E, die jeweils eine einzelne Reihe von Markierungen umfassen, die längs der Achse CP quer zur Prozessrichtung angeordnet sind. Der Controller 128 betätigt nur einen Teil der Ejektoren des Druckkopfes, um jeden Reihensatz in dem Testmuster zu bilden. Das Testmuster 600 umfasst fünf Reihensätze, weil der Controller 128 benachbarte Markierungen in jedem Reihensatz unter Verwendung eines Satzes von Ejektoren in dem Druckkopf 104A bildet, in dem vier Zwischen-Ejektoren neben jedem Paar von Ejektoren liegen, die benachbarte Markierungen in dem Reihensatz bilden. In einigen Ausführungsformen bildet der Controller 128 ein Testmuster, das mehrere Beispiele des Testmusters 600 oder eines anderen ähnlichen Testmuster in verschiedenen Bereichen der Substrat-Oberfläche umfasst. In weiteren Testmuster-Ausführungsformen umfassen Reihensätze mehrere Reihen der gedruckten Markierungen. In einigen Ausführungsformen umfasst z.B. jeder Reihensatz eine Serie von zwei oder mehr Reihen gedruckter Markierungen, die von einem einzelnen Teil der Ejektoren in dem Druckkopf 104A gebildet werden. Der Controller 128 bildet gedruckte Testmuster mit mehreren Reihen in jedem Reihensatz, um die Auswirkungen zufälliger Fehler der Tropfenanordnung bei der Identifizierung der Streuungen zwischen den Anordnungen der gedruckten Markierungen quer zur Prozessrichtung zu reduzieren.
Prozess 300 fährt fort, wenn der Bildsensor 116 Scanbild-Daten des Substrats und das erste gedruckte Testmuster, das auf dem Substrat gebildet wurde, erzeugt (Block 312). In dem Drucker 100 empfängt der Controller 128 die gescannten Bilddaten von dem Bildsensor 116. Der Controller 128 identifiziert eine erste Streuung von Orten gedruckter Markierungen quer zur Prozessrichtung in Bezug auf die Anordnungen quer zur Prozessrichtung und entsprechend den Abständen quer zur Prozessrichtung, die die gedruckten Markierungen in dem gescannten Bild des Testmusters beabstanden (Block 316). Wie hier verwendet, betrifft der Begriff "Streuung" Unterschiede in den Anordnungen quer zur Prozessrichtung zwischen gedruckten Markierungen in Scanbild-Daten des gedruckten Testmusters im Vergleich zu festgelegten Anordnungen der gedruckten Markierungen für ein Testmuster, das mit Ejektoren gedruckt ist, die keine Abweichung von der z-Achse aufweisen. In 6 zeigt z.B. das Testmuster 600 eine idealisierte Anordnung von Markierungen, in denen der Abstand quer zur Prozessrichtung zwischen benachbarten Markierungen für jeden der Reihensätze 602A bis 602E gleich ist. Das gedruckte Testmuster 650 zeigt Scanbild-Daten von Markierungen, die mit dem Druckkopf 104A gedruckt sind. Da mindestens einige der Ejektoren in dem Druckkopf 104A Materialtropfen mit variierenden Winkeln längs einer Richtung quer zum Prozess, die nicht die z-Achse ist, ausstoßen, zeigen die Abstände quer zum Prozess zwischen benachbarten gedruckten Markierungen in den Reihensätzen 652A bis 652E in dem Testmuster 650 Streuungen im Vergleich zu dem Testmuster 600.
In einer Ausführungsform identifiziert der Controller 128 die Streuungen in Anordnungen quer zum Prozess der Markierungen mit Bezug auf die Standardabweichung in Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen im Vergleich zu mittleren Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen den Markierungen in den Reihensätzen des gedruckten Testmusters. In einer Konfiguration identifiziert der Controller 128 die Streuung mit Bezug auf den mittleren Abstand quer zur Prozessrichtung empirisch zwischen Markierungen der Scanbild-Daten des gedruckten Testmusters (z.B. der mittlere Abstand zwischen Markierungen in den Scanbild-Daten des Testmusters 650), und identifiziert anschließend die Standardabweichung mit Bezug auf das empirische Mittel. In einer weiteren Konfiguration verwendet der Controller 128 den festgelegten Abstand quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in dem festgelegten Testmuster (z.B. der Abstand quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in dem Testmuster 600) als das Mittel und identifiziert die Standardabweichung mit Bezug auf das festgelegte Mittel. In einer weiteren Konfiguration identifiziert der Controller 128 die Standardabweichung basierend auf Paaren der gedruckten Markierungen. Der Controller 128 identifiziert die Standardabweichung zwischen dem Abstand quer zur Prozessrichtung, der benachbarte, gedruckte Markierungen in dem Testmuster beabstandet und der mittleren festgelegten Beabstandung zwischen den Markierungen in dem festgelegten Testmuster. In einer weiteren Konfiguration identifiziert der Controller 128 den mittleren Abstand quer zur Prozessrichtung zwischen benachbarten Gruppen von Markierungen und identifiziert anschließen die Standardabweichung mit Bezug auf das empirische Mittel der Gruppe, zu der jeder Strich gehört.
Der Controller 128 identifiziert eine Streuung, wie die Standardabweichung, für Abstände quer zum Prozess zwischen den gedruckten Markierungen in den Scanbild-Daten jedes Reihensatzes in dem gedruckten Testmuster. In einer weiteren Ausführungsform bildet der Drucker 100 gedruckte Testmuster während mehrerer Passagen des Trägerelements 102 durch die Druckzone. Wenn der Drucker 100 verschiedene Reihen von Markierungen in dem Testmuster während verschiedener Passagen druckt, umfasst die Streuung für einzelne Reihensätze in den Scanbild-Daten jeder Passage einen Artefakt, da nur ein Teil der Ejektoren in dem Druckkopf 104A jede Reihe des gedruckten Testmusters bildet. Weil der Ausstoßwinkel quer zur Prozessrichtung für jeden Ejektor zufällig ist und jede Reihe eine andere Teilmenge von Ejektoren einsetzt, ist die Streuung zwischen Reihen häufig ungleichmäßig. Wenn z.B. der Drucker die Markierungen in den Reihensätzen 652A und 652C bildet, wenn der Abstand Druckkopf zu Trägerelement in demselben festen Abstand lag, kann die Standardabweichungsmetrik für Reihensatz 652A anders als die Standardabweichungsmetrik für Reihensatz 652C sein.
In einer Einpassagen-Ausführungsform bildet der Drucker 100 Reihensätze in den gedruckten Testmustern mit Abständen in Prozessrichtung, die zwischen den verschiedenen Reihensätzen gebildet werden, um zu ermöglichen, dass der Bildsensor 116 Scanbild-Daten verschiedener Reihensätze erzeugt, die auf dem Substrat gebildet werden. In einer Mehrpassagen-Konfiguration des Druckers 100 erfahren die Standardabweichung oder andere Streuungsmetriken Variationen zwischen den Passagen der Trägerelements 102 durch die Druckzone 110. In beiden Ausführungsform identifiziert der Drucker 100 die Standardabweichung aus Sätzen erzeugter Bilddaten, die ein periodisches Signal umfassen. Eine Frequenz des periodischen Signals hängt entweder den relativen Abständen in Prozessrichtung zwischen wiederholten Sätzen von Markierungen, die von den Ejektoren in dem Druckkopf auf dem Substrat gebildet werden, oder von einer Passagenanzahl in einer Mehrpassagen-Konfiguration ab. Das periodische Signal umfasst einen Artefakt, der aufgrund der Abhängigkeit der Standardabweichungsmetrik in einer bestimmten Reihe eingeführt wird, da verschiedene Reihen etwas unterschiedliche Standardabweichungsmetriken besitzen. Die regelmäßige Wiederholung von Reihen in den erzeugten Bilddaten von einem oder mehreren Testmustern führt das Artefakt-Signal in das Standardabweichungsmetrik-Signal ein. In einigen Ausführungsformen wendet der Controller 128 einen Kerbfilter auf die Streuungsergebnisse von jeder Reihe an, um eine gefilterte Mehrzahl von Streuungen von den identifizierten Streuungen für jede der Reihensätze in den Bilddaten zu erzeugen. Der Controller 128 wendet den Kerbfilter mit einer Mittenfrequenz entsprechend der festgelegten Anzahl von Reihensätzen in dem ersten festgelegten Testmuster an, wie fünf Reihensätze in den veranschaulichenden Testmustern 600 und 650 der 6.
Der Prozess 300 fährt fort, wenn der Drucker 100 den Controller 128 einstellt, einen oder beide aus Druckkopf-Stellglied 120A und Trägerelement-Stellglied 124 zu betätigen, um den Druckkopf 104A und Substrat um einen festgelegten Abstand entlang der z-Achse in eine zweite Position mit einer zweiten Beabstandung entlang der z-Achse zu bewegen (Block 320). Der Controller 128 betätigt den Druckkopf 104A, um ein zweites festgelegtes gedrucktes Testmuster in der zweiten Position zu bilden (Block 324), erzeugt zweite Scanbild-Daten des zweiten gedruckten Testmusters mit dem Bildsensor 116 (Block 328) und identifiziert eine zweite Streuung in den Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in den zweiten Scanbild-Daten (Block 332). Der Drucker 100 führt die Verarbeitung der Blöcke 324 bis 332 im Wesentlichen gleich wie die Verarbeitung jeweils der Blöcke 308 bis 316 aus. Während des Prozesses 300 identifiziert der Controller 128 eine verschiedene zweite Streuung für die Abstände quer zur Prozessrichtung zwischen gedruckten Markierungen in dem zweiten Testmuster im Vergleich zu der ersten Streuung des ersten Testmusters, weil der Drucker 100 den z-Achsenabstand zwischen dem Druckkopf 104A und dem Substrat einstellt. Wenn z.B. der Drucker 100 den z-Achsenabstand zwischen Druckkopf 104A und Substrat in der zweiten Position vergrößert, vergrößert sich auch der Streuungsgrad, weil die Tropfen ausgestoßenen Materials von dem Druckkopf eine größere lineare Entfernung bis zur Oberfläche auf dem Substrat zurücklegen. Wenn jedoch die zweite Position einen kürzeren z-Achsenabstand als die erste Position besitzt, verringert sich die Streuung, weil die Tropfen des von dem Druckkopf ausgestoßenen Materials eine kürzere lineare Entfernung zur Oberfläche des Substrats zurücklegen.
Wie in 2 gezeigt, nimmt der Streuungsgrad zwischen Orten gedruckter Materialtropfen und Markierungen auf der Substratoberfläche 202 zu, wenn der z-Achsenabstand zwischen Druckkopf 104A und Substrat 202 zunimmt. In der Ausführungsform von 2 bewegen sich die Materialtropfen entlang relativ linearer Wege nach Ausstoß der Ejektoren in dem Druckkopf 104A. Aufgrund von Fertigungsstreuungen in dem Druckkopf 104A stoßen mindestens einige der Ejektoren die Materialtropfen in einem Winkel quer zur Prozessrichtung aus, und die Materialtropfen bewegen sich nicht auf einem Weg parallel zur z-Achse, um Substrat 202 zu erreichen. Die Ejektoren 220, 224, 226 und 228 stoßen z.B. Materialtropfen in einem Winkel aus, der nicht parallel zur z-Achse ist.
Wie in 2 gezeigt, vergrößert sich der Streuungsgrad quer zur Prozessrichtung zwischen Orten der Materialtropfen, die von Druckkopf 104A ausgestoßen werden, wenn sich der z-Achsenabstand zwischen Druckkopf 104A und Substrat 202 vergrößert. Im praktischen Betrieb bewegen sich die ausgestoßenen Materialtropfen entlang im Wesentlichen linearer Wege zwischen Druckkopf 104A und Substrat 202. Somit vergrößert sich der Streuungsgrad der Tropfenpositionen entlang der Achse CP quer zur Prozessrichtung für Materialtropfen von einem gegebenen Ejektor, wenn sich der Abstand in Richtung der z-Achse zwischen Druckkopf 104A und Substrat 202 vergrößert. In der ersten Position 240 landen die Tropfen 250 und 252, die jeweils von den Ejektoren 220 und 224 ausgestoßen werden, an Positionen, die näher zusammen quer zur Prozessrichtung als der Nennabstand quer zur Prozessrichtung zwischen benachbarten gedruckten Markierungen liegen, als wenn beide Ejektoren Materialtropfen parallel zur z-Achse ausstoßen. Weitere Ejektoren, wie Ejektoren 226 und 228, stoßen jeweils die Materialtropfen 254 und 256 aus, die in Richtung der Achse quer zum Prozess weiter auseinander landen als der Nennabstand quer zur Prozessrichtung zwischen benachbarten gedruckten Markierungen, wenn beide Ejektoren Materialtropfen parallel zur z-Achse ausstoßen. In der zweiten Position 244 treten die gleichen Streuungstypen der Tropfenanordnung quer zur Prozessrichtung auf, aber der Streuungsgrad vergrößert sich aufgrund des größeren z-Achsenabstands zwischen Druckkopf 104A und Substrat 202. Die Materialtropfen 260 und 262 liegen z.B. näher beieinander als die entsprechenden Tropfen 250 und 252 in der ersten Position 240, während die Materialtropfen 264 und 266 weiter auseinander liegen als die entsprechenden Tropfen 254 und 256 in der ersten Position 240. Die präzise Streuung der Anordnung der Materialtropfen hängt von den Eigenschaften eines jeden Druckkopfes ab, und der Prozess 300 identifiziert die Streuung empirisch.
Wieder mit Bezug auf 3 fährt der Prozess 300 fort, wenn der Controller 128 ein Profil für den Druckkopf 104A erzeugt, das eine Beziehung zwischen dem z-Achsenabstand und den ersten und zweiten Streuungen der Abstände quer zur Prozessrichtung zwischen gedruckten Markierungen und dem festgelegten z-Achsenabstand zwischen der ersten Position und der zweiten Position umfasst (Block 336). In einer Ausführungsform identifiziert der Controller 128 die Beziehung als eine lineare Beziehung zwischen dem ersten und zweiten Streuungsgrad auf einer Achse und dem festgelegten Verschiebungsabstand entlang der z-Achse zwischen der ersten und der zweiten Position entlang einer anderen Achse. Der Controller 128 speichert das erzeugte Profil in Speicher 132 mit den Profildaten 144 von Tropfenstreuung zu z-Achsenabstand in Verbindung mit dem Druckkopf 104A.
7 zeigt einen Graphen 700 einer beispielhaften Druckkopf-Profil-Beziehung. Der Graph 700 umfasst die Linie 732, die den Anstieg 728 entsprechend der festgelegten Änderung in Druckkopf- und Substratabständen und Lauf 730 entsprechend der Änderung in identifizierter Streuung der Tropfenanordnung quer zur Prozessrichtung zwischen der Streuung 720 der ersten Position und der Streuung 724 der zweiten Position. Der Graph 700 umfasst auch weitere identifizierte Streuungsgrade, die bei verschiedenen z-Achsenabständen zwischen Druckkopf und Substrat erzeugt werden, und der Controller 128 erzeugt die lineare Beziehung 732 als eine bestangepasste Linie durch die verschiedenen Streuungsgrade. Während 7 eine lineare Beziehung für das Druckkopf-Profil zeigt, können alternative Profil-Ausführungsformen Kurven, Wellen oder andere Beziehungen zwischen Streuungsgraden quer zur Prozessrichtung und z-Achsenabstand umfassen.
In einigen Ausführungsformen befinden sich entweder eine der ersten und zweiten Position oder beide Positionen entlang der z-Achse in einem festgelegten gemessenen Abstand (z.B. 0,5 mm und 1 mm) zwischen Druckkopf und Substrat. In diesen Ausführungsformen kann der Controller 128 die Profildaten dazu verwenden, einen absoluten Abstand zwischen Druckkopf und Substrat zu identifizieren, und identifizieren, ob der z-Achsenabstand zu klein oder zu groß für Druckoperationen ist. Der Drucker 100 kann jedoch das Profil ohne absolute z-Achsenabstandsmessungen zwischen Druckkopf und Substratoberfläche erzeugen. Stattdessen erzeugt der Controller 128 das Profil mit einem bekannten z-Achsenabstand zwischen der ersten und der zweiten Position von Druckkopf und Substrat entlang der z-Achse. Der Controller 128 verwendet das Profil, das dem relativen z-Achsenabstand zwischen Druckkopf und Substrat entspricht, um zu identifizieren, ob der Druckkopf zu nah oder zu weit entfernt von dem Substrat längs der z-Achse ist.
Wie oben beschrieben, erzeugt der Prozess 300 ein Profil, um den z-Achsenabstand zwischen einem Druckkopf und einem Substrat in dem 3D-Drucker basierend auf Änderungen in der Streuung der Anordnung von Materialtropfen quer zum Prozess bei verschiedenen z-Achsenabständen zwischen Druckkopf und Substrat zu identifizieren. In einigen Ausführungsformen führt der Drucker 100 den Prozess 300 für jeden der Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C aus, um Profile für jeden Druckkopf zu identifizieren, da die Streuungen der Tropfenanordnung quer zur Prozessrichtung von einzelnen Streuungen der Herstellung eines jeden Druckkopfes abhängen. In weiteren Ausführungsformen sind die Unterschiede in den Streuungsgraden zwischen verschiedenen Druckköpfen im Vergleich zur erforderlichen Messsensitivität klein, und der Drucker 100 verwendet ein Profil, das für einen einzelnen Druckkopf erzeugt wurde, um die z-Achsenabstände zwischen dem Substrat und jedem der Druckköpfe 104A bis 104C und 106A bis 106C zu identifizieren. Während der Prozess 100 die Anordnung des Druckkopfes und des Substrats in zwei Positionen mit zwei verschiedenen Trennabständen entlang der z-Achse beschreibt, bilden alternative Ausführungsformen des Prozesses 300 festgelegte Testmuster an drei oder mehr z-Achsenpositionen, um das Profil zu erzeugen.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Prozesses 400 zum Identifizieren eines Abstands zwischen einem Druckkopf und einem Substrat entlang einer z-Achse in einem 3D-Drucker. In der folgenden Beschreibung betrifft ein Bezug auf den Prozess 400, der eine Aktion oder Funktion ausführt, den Betrieb eines Controllers in einem Drucker, um gespeicherte Programmanweisungen auszuführen, um die Funktion oder Aktion mit anderen Komponenten in dem Drucker auszuführen. Der Prozess 400 wird in Zusammenhang mit dem Drucker 100 und 1B zu veranschaulichenden Zwecken beschrieben. Der Prozess 400 wird in Zusammenhang mit dem Druckkopf 104A zu veranschaulichenden Zwecken beschrieben, aber der Drucker 100 führt denselben Prozess für einige oder alle der Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C aus.
Der Prozess 400 beginnt, wenn der Controller 128 den Druckkopf 104A betätigt, um ein gedrucktes 3D-Objekt zu bilden (Block 404). Während der Operation in dem Drucker 100 betätigt der Controller 128 den Druckkopf 104A und die anderen Druckköpfe 104B bis 104C und 108A bis 108C, um ein gedrucktes Objekt zu bilden, wie das gedruckte Objekt 150, das in 1B dargestellt ist. Während des Druckprozesses betätigt der Controller 128 die Ejektoren in dem Druckkopf 104A, um das festgelegte gedruckte Testmuster auf der Oberfläche des Trägerelements 102, wie Testmuster 184, oder eines anderen Substrats, das auf dem Trägerelement 102 gebildet ist, zu bilden (Block 408). In dem Beispiel von 1B bildet die obere Schicht des Objekts 150 ein Substrat unter Verwendung eines optisch anderen Materials durch die Druckköpfe 108A bis 108C, um eine Oberfläche zu bilden, die einen Kontrast zu dem von Druckkopf 104A gedruckten Testmuster 186 zu bilden. In weiteren Ausführungsformen bilden die Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C getrennte Substratstrukturen, die mit der Höhe des dreidimensionalen gedruckten Objekts entlang der z-Achse korrespondiert. Während des Prozesses betätigt der Controller 128 die Ejektoren in dem ersten Druckkopf 104A, um entweder dasselbe Testmuster, das während des Prozesses 300 gebildet wurde, oder ein anderen Testmusters zu bilden, das Reihensätze mit demselben relativen Abstand quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in dem Testmuster umfasst.
Der Prozess 400 fährt fort, wenn der Drucker 100 Scanbild-Daten der gedruckten Testmuster mit dem Bildsensor 116 (Block 412) erzeugt, und der Controller 128 identifiziert Streuungen der Orte gedruckter Markierungen quer zur Prozessrichtung in dem Testmuster mit Bezug auf die Scanbild-Daten (Block 416). Der Controller 128 führt die Verarbeitung der Blöcke 412 und 416 in einer ähnlichen Weise wie das Scannen des Testmusters und die Identifizierung der Streuung aus, wie oben jeweils in Blöcken 312 und 316 oder 324 und 328 in Prozess 300 beschrieben.
Während des Prozesses 400 verwendet der Controller 128 die identifizierte Streuung der Orte von Markierungen quer zur Prozessrichtung in dem gedruckten Testmuster und der Streuung der z-Achsenentfernungsprofildaten 144, die in Speicher 132 gespeichert sind, um den z-Achsenabstand zwischen Druckkopf 104A und Substrat zu identifizieren (Block 420). Wie oben mit Bezug auf 7 beschrieben, verwendet der Controller 128 die zuvor erzeugte lineare Beziehung, um einen Abstand längst des z-Achsenabstands zwischen Druckkopf 104A und Substrat zu identifizieren, wie Trägerelement 102 oder die obere Schicht des Objekts 150. Wenn der identifizierte z-Achsenabstand zwischen Druckkopf und Substrat innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegt (Block 424), fährt der Drucker 100 fort, den Druckkopf 104A zu verwenden, um das gedruckte 3D-Objekt zu bilden, und der Controller 128 führt optional erneut den Prozess 400 in einem späteren Stadium des Druckprozesses aus. Wenn jedoch der z-Achsenabstand zwischen Druckkopf 104A und Substrat entweder zu klein oder zu groß ist, betätigt der Controller 128 entweder eins der Stellglieder 120A und 124 oder beide Stellglieder, um den z-Achsenabstand zwischen Druckkopf 104A und Substrat einzustellen, damit er sich in dem festgelegten Toleranzbereich befindet (Block 428). In der Ausführungsform des Druckers 100 liegt z.B. der z-Achsenabstand in einem Bereich von ca. 0,4 mm bis ca. 3,0 mm, obwohl der z-Achsenabstand für verschiedene 3D-Drucker-Ausführungsformen variiert.
Der oben beschriebene Prozess 400 ermöglicht es, dass der Drucker 100 einen z-Achsenabstand zwischen einem Druckkopf und einem einzelnen Bereich des Substrats identifiziert, der das gedruckte Testmuster umfasst. In einigen Fällen erfährt jedoch das Substrat, wie das Trägerelement 102 oder eine gedruckte 3D-Struktur, die von Substrat 102 gestützt wird, ein Kippen weg von einem Winkel der parallel zu den Flächen der Druckköpfe 104A bis 104C und 108A bis 108C in dem Drucker 100 verläuft. Das Kippen in dem Substrat kann Fehler in dem gedruckten 3D-Objekt erzeugen, und 5A und 5B zeigen jeweils Prozesse 500 und 550, die Substratkippen in dem Drucker 100 identifizieren und korrigieren. In der folgenden Beschreibung betrifft ein Bezug auf die Prozesse 500 oder 550, die eine Aktion oder Funktion ausführen, den Betrieb eines Controllers in einem Drucker, um gespeicherte Programmanweisungen auszuführen, um die Funktion oder Aktion mit anderen Komponenten in dem Drucker auszuführen. Die Prozesse 500 und 550 werden in Zusammenhang mit dem Drucker 100 und 1A bis 1B zu veranschaulichenden Zwecken beschrieben.
5A zeigt einen Prozess 500 zum Identifizieren eines Kippens um die Achse CP quer zur Prozessrichtung. In 1A und 1B zeigen z.B. die Pfeile 172 und 174 ein mögliches Kippen des Trägerelements 102 um die Achse CP quer zur Prozessrichtung. Das Kippen erzeugt eine Neigung des Trägerelements 102 und eine entsprechende Änderung des z-Achsenabstands zwischen Trägerelement 102 und der Druckköpfen 104A bis 104C und 108A bis 108C entlang der Länge der Achse P der Prozessrichtung.
Während des Prozesses 500 identifiziert der Drucker 100 den z-Achsenabstand zwischen mindestens einem Druckkopf, wie dem Druckkopf 104A, und dem Substrat, wie dem Trägerelement 102, in einem ersten Bereich des Substrats (Block 504). Der Drucker 100 identifiziert zuerst den z-Achsenabstand zu dem ersten Bereich des Trägerelements 102 unter Verwendung des Prozesses 400 und der gespeicherten Profildaten 144, die mit dem Druckkopf 104 verknüpft sind, die während des Prozesses 300 erzeugt wurden. Der Druckkopf 104A erzeugt ein gedrucktes Testmuster auf einem ersten Bereich des Substrats 102, wie dem gedruckten Testmuster 192A, das auf dem Trägerelement 102 in 1A gebildet ist. Der Drucker 100 identifiziert also den z-Achsenabstand zwischen dem Druckkopf 104A und dem Trägerelement 102 in einem zweiten Bereich des Trägerelements, der von dem ersten Bereich durch einen festgelegten Abstand in Prozessrichtung P entfernt ist (Block 508). Der Drucker 100 identifiziert auch den z-Achsenabstand zu dem zweiten Bereich des Trägerelements unter Verwendung des Prozesses 400 und der gespeicherten Profildaten 144, die mit dem Druckkopf 104A verknüpft sind, die während des Prozesses 300 erzeugt wurden. In 1A bildet der Druckkopf 104A das gedruckte Testmuster 192B auf einem zweiten Bereich des Trägerelements 102, der von dem ersten Bereich, umfassend des ersten Testmusters 192A, durch einen festgelegten Abstand in Prozessrichtung P beabstandet ist.
Während des Prozesses 500 identifiziert der Controller 128 einen Kippwinkel um die Achse CP quer zur Prozessrichtung mit Bezug auf eine Differenz zwischen dem ersten z-Achsenabstand, dem zweiten z-Achsenabstand und dem festgelegten Abstand in Prozessrichtung zwischen dem ersten Bereich des Trägerelements 102, umfassend das erste Testmuster 192A, und dem zweiten Bereich des Trägerelements 102, umfassend das zweite Testmuster 192B (Block 512). Der Controller 128 identifiziert z.B. einen Kippwinkel θ mit Bezug zu folgender Gleichung:
wobei z₁ und z₂ jeweils die ersten und zweiten identifizierten z-Achsenabstände und D der festgelegte Abstand in Prozessrichtung zwischen dem ersten und zweiten gedruckten Testmuster ist. Der Wert von θ zeigt die Größenordnung eines Kippwinkels und das Vorzeichen (positiv oder negativ) zeigt die Kipprichtung an.
Wenn der identifizierte Kippwinkel Null oder hinreichend klein ist, so dass er innerhalb eines festgelegten Grenzwerts für den Betrieb des Druckers 100 liegt (Block 516), fährt der Drucker 100 die 3D-Druckoperationen unter Verwendung des Trägerelements 102 fort (Block 520). Wenn jedoch der identifizierte Kippwinkel den festgelegten Grenzwert überschreitet (Block 516), betätigt der Controller 128 das Stellglied, wie das Stellglied 124 oder ein andere Stellglied, das wirksam mit dem Trägerelement 102 verbunden ist, um den identifizierten Kippwinkel um die Achse quer zur Prozessrichtung zu reduzieren oder zu eliminieren (Block 524). Der Drucker 100 fährt mit einer Druckoperation mit dem Trägerelement 102 fort. In einer alternativen Ausführungsform beendet der Drucker 100 die Operation und erzeugt eine Alarmausgabe an einen Bediener, die den Kippwinkel anzeigt, und ein manueller Ausrichtungsprozess richtet das Trägerelement 102 wieder aus, um den Kippwinkel zu reduzieren oder zu eliminieren.
Der Prozess 550 in 5B identifiziert einen Kippwinkel des Substrats, wie des Trägerelements 102, um die Achse P in Prozessrichtung mit Bezug auf Änderungen der z-Achsenabstände zwischen zwei Bereichen des Trägerelements 102 und zwei Druckköpfen in dem Drucker 100, wie den Druckköpfen 104A und 104C. In 1A und 1B zeigen z.B. die Pfeile 176 und 178 ein potenzielles Kippen des Trägerelements 102 um die Achse P in Prozessrichtung. Das Kippen erzeugt eine Neigung des Trägerelements 102 und eine entsprechende Änderung des z-Achsenabstandes zwischen dem Trägerelement 102 und den Druckköpfen 104A bis 104C und 108A bis 108C entlang der Länge der Achse CP quer zur Prozessrichtung.
Während des Prozesses 550 identifiziert der Drucker 100 den z-Achsenabstand zwischen einem ersten Druckkopf, wie dem Druckkopf 104A, und dem Substrat, wie dem Trägerelement 102, in einem ersten Bereich des Substrats (Block 554). Der Drucker 100 identifiziert den z-Achsenabstand zu dem ersten Bereich des Trägerelements 102 unter Verwendung des Prozesses 400 und der gespeicherten Profildaten 144, die mit dem Druckkopf 104 verknüpft sind, die während des Prozesses 300 erzeugt wurden. Der Druckkopf 104A erzeugt ein gedrucktes Testmuster auf einem ersten Bereich auf dem Substrat 102, wie dem gedruckten Testmuster 194A, das auf dem Trägerelement 102 in 1A gebildet wurde. Der Drucker 100 identifiziert auch den z-Achsenabstand zwischen dem zweiten Druckkopf 104C und dem Trägerelement 102 in einem zweiten Bereich des Trägerelements, der von dem ersten Bereich durch einen festgelegten Abstand in der Richtung CP quer zur Prozessrichtung beabstandet ist (Block 558). Der Drucker 100 identifiziert auch den z-Achsenabstand zu dem zweiten Bereich des Trägerelements unter Verwendung des Prozesses 400 und der gespeicherten Profildaten 144, die mit dem Druckkopf 104C verknüpft sind, die während des Prozesses 300 erzeugt werden. In 1A bildet der Druckkopf 104C das gedruckte Testmuster 194B auf einem zweiten Bereich des Trägerelements 102, das von dem ersten Bereich, der das erste Testmuster 194A umfasst, durch einen festgelegten Abstand quer zur Prozessrichtung CP beabstandet ist.
In einer weiteren Ausführungsform identifiziert der Drucker 100 zwei oder mehr Streuungsgrade für verschiedene Gruppen von Markierungen, die von zwei oder mehr Ejektorensätzen in einem einzelnen Druckkopf gebildet werden, anstatt Testmuster zu verwenden, die von zwei verschiedenen Druckköpfen gebildet werden. Das Testmuster 186 in 1B wird z.B. von Ejektoren in einem einzelnen Druckkopf gebildet, aber der Controller 128 identifiziert optional zwei verschiedene Streuungswerte für einen ersten Teil und einen zweiten Teil der gedruckten Markierungen in dem Testmuster 186. Der erste Teil der gedruckten Markierungen ist von dem zweiten Teil der gedruckten Markierungen durch einen festgelegten Abstand quer zur Prozessrichtung CP beabstandet. In einer Ausführungsform teilt der Controller 128 die Bilddaten der gedruckten Markierungen in Hälften entlang der Achse P in Prozessrichtung, um die Bilddaten in zwei Gruppen zu gruppieren, die entlang der Achse quer zur Prozessrichtung geteilt ist. Der Controller 128 identifiziert erste und zweite Streuungswerte für die ersten und zweiten Gruppen von Markierungen. Beispiele für Drucker, die die Ein-Druckkopf-Ausführungsform des Prozesses 550 verwenden, umfassen den Drucker 100 und Drucker, die breitere Druckköpfe umfassen, umfassend "Vollbreiten"-Druckköpfe, bei denen sich ein einzelner Druckkopf über den größten Teil oder die gesamte Breite quer zur Prozessrichtung der Druckzone 110 erstreckt.
Während des Prozesses 550 identifiziert der Controller 128 einen Kippwinkel über die Achse P in Prozessrichtung mit Bezug zu einer Differenz zwischen dem ersten z-Achsenabstand, dem zweiten z-Achsenabstand und dem festgelegten Abstand quer zur Prozessrichtung zwischen dem ersten Bereich des Trägerelements 102, umfassend das erste Testmuster 194A, und dem zweiten Bereich des Trägerelements 102, umfassend das zweite Testmuster 194B (Block 562). Der Controller 128 identifiziert z.B. einen Kippwinkel θ mit Bezug zu folgender Gleichung:
wobei zp₁ der z-Achsenabstand zwischen dem ersten Druckkopf 104A und dem ersten Bereich des Trägerelements 102, zp₂ der z-Achsenabstand zwischen dem zweiten Druckkopf 104C und dem zweiten Bereich des Trägerelements 102 und C der festgelegte Abstand quer zur Prozessrichtung zwischen dem ersten und zweiten gedruckten Testmuster oder der festgelegte Abstand quer zur Prozessrichtung zwischen den beiden Bereichen eines einzelnen Testmusters ist, das verwendet wird, den z-Achsenabstand zu extrahieren. Der Wert von θ zeigt die Größenordnung eines Kippwinkels und das Vorzeichen (positiv oder negativ) zeigt die Richtung des Kippens an.
Wenn der identifizierte Kippwinkel Null oder hinreichend klein ist, so dass er innerhalb eines festgelegten Grenzwerts für den Betrieb des Druckers 100 liegt (Block 566), dann fährt der Drucker 100 mit den Operationen des 3D-Drucks unter Verwendung des Trägerelements 102 fort (Block 570). Wenn jedoch der identifizierte Kippwinkel den festgelegten Grenzwert überschreitet (Block 566), betätigt der Controller 128 ein Stellglied, wie das Stellglied 124 oder ein anderes Stellglied, das wirksam mit dem Trägerelement 102 verbunden ist, um den identifizierten Kippwinkel um die Achse quer zur Prozessrichtung zu reduzieren oder zu eliminieren (Block 574). Der Drucker 100 fährt mit einer Druckoperation mit dem Trägerelement 102 fort. In einer alternative Ausführungsform beendet der Drucker 100 die Operation und erzeugt eine Signalausgabe an einen Bediener, das den Kippwinkel anzeigt, und ein manueller Ausrichtungsprozess richtet das Trägerelement 102 wieder aus, um den Kippwinkel zu reduzieren oder zu eliminieren.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines 3D-Druckers, umfassend: Betätigen einer Mehrzahl von Ejektoren in einem ersten Druckkopf, um ein erstes festgelegtes Testmuster mit einer ersten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf einer Oberfläche auf einem Substrat angeordnet sind; Erzeugen von Bilddaten des ersten festgelegten Testmusters auf dem Substrat mit einem Bildsensor; Identifizieren mit einem Controller einer Streuung von Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in der ersten Mehrzahl von Markierungen des ersten festgelegten Testmusters mit Bezug auf die erzeugten Bilddaten; Identifizieren mit dem Controller eines ersten z-Achsenabstands zwischen dem ersten Druckkopf und dem Substrat mit Bezug auf die identifizierte Streuung, wobei die z-Achse senkrecht auf die Oberfläche des Substrats steht; und Betätigen mindestens eines Stellglieds mit dem Controller, um eins aus dem ersten Druckkopf und dem Substrat entlang der z-Achse in Reaktion auf den identifizierten z-Achsenabstand zu bewegen, der sich außerhalb eines festgelegten z-Achsenabstands befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Betätigen der Mehrzahl von Ejektoren in dem ersten Druckkopf, um ein zweites festgelegtes Testmuster mit einer zweiten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf einem Bereich der Oberfläche des Substrats angeordnet sind, die durch einen festgelegten Abstand in Prozessrichtung von einem Bereich der Oberfläche des Substrats mit dem ersten festgelegten Testmuster beabstandet ist; Erzeugen von Bilddaten mit dem Bildsensor, die das zweite festgelegte Testmuster auf dem Substrat umfassen; Identifizieren mit einem Controller einer weiteren Streuung von Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in der zweiten Mehrzahl von Markierungen des zweiten festgelegten Testmusters mit Bezug auf die erzeugten Bilddaten; Identifizieren mit dem Controller eines zweiten z-Achsenabstands zwischen dem ersten Druckkopf und dem Bereich der Oberfläche des Substrats mit dem zweiten festgelegten Testmuster mit Bezug auf die weitere Streuung; und Identifizieren mit dem Controller eines Kippwinkels des Substrats in Reaktion auf eine Differenz zwischen dem ersten z-Achsenabstand und dem zweiten z-Achsenabstand und dem festgelegten Abstand in Prozessrichtung zwischen dem ersten festgelegten Testmuster und dem zweiten festgelegten Testmuster.
Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: Betätigen des mindestens einen Stellglieds mit dem Controller, um den Kippwinkel zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Betätigen einer Mehrzahl von Ejektoren in einem zweiten Druckkopf, um ein zweites festgelegtes Testmuster mit einer zweiten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf einem Bereich der Oberfläche des Substrats angeordnet sind, der durch einen festgelegten Abstand quer zur Prozessrichtung von einem Bereich der Oberfläche des Substrats mit dem ersten festgelegten Testmuster beabstandet ist; Erzeugen von Bilddaten mit dem Bildsensor, die das zweite festgelegte Testmuster auf dem Substrat umfassen; Identifizieren einer weiteren Streuung von Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in der zweiten Mehrzahl von Markierungen des zweiten festgelegten Testmusters mit Bezug auf die erzeugten Bilddaten mit einem Controller; Identifizieren mit dem Controller eines zweiten z-Achsenabstands zwischen dem zweiten Druckkopf und dem Bereich der Oberfläche des Substrats mit dem zweiten festgelegten Testmuster mit Bezug auf die weitere Streuung; und Identifizieren mit dem Controller eines Kippwinkels des Substrats in Reaktion auf eine Differenz zwischen dem ersten z-Achsenabstand und dem zweiten z-Achsenabstand und dem festgelegten Abstand quer zur Prozessrichtung zwischen dem ersten festgelegten Testmuster und dem zweiten festgelegten Testmuster.
Verfahren zum Betreiben eines 3D-Druckers, umfassend: Betätigen einer Mehrzahl von Ejektoren in einem ersten Druckkopf, um ein erstes festgelegtes Testmuster mit einer ersten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf einer Oberfläche eines Substrats in einem ersten z-Achsenabstand zwischen dem ersten Druckkopf und dem Substrat angeordnet sind, wobei die z-Achse senkrecht auf der Oberfläche des Substrats steht; Erzeugen erster Bilddaten des ersten festgelegten Testmusters auf dem Substrat mit einem Bildsensor; Identifizieren mit einem Controller einer ersten Streuung von Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in der ersten Mehrzahl von Markierungen des ersten festgelegten Testmusters mit Bezug auf die ersten erzeugten Bilddaten; Betätigen eines Stellglieds, um mindesten eins aus dem ersten Druckkopf und dem Substrat entlang der z-Achse durch einen festgelegten Abstand zu bewegen, um den ersten Druckkopf und das Substrat durch einen zweiten z-Achsenabstand zu beabstanden; Betätigen der Mehrzahl von Ejektoren in dem ersten Druckkopf, um ein zweites festgelegtes Testmuster mit einer zweiten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf der Oberfläche des Substrats an dem zweiten z-Achsenabstand zwischen dem ersten Druckkopf und dem Substrat angeordnet sind; Erzeugen der zweiten Bilddaten des zweiten festgelegten Testmusters auf dem Substrat mit dem Bildsensor; Identifizieren mit dem Controller einer zweiten Streuung quer zur Prozessrichtung von Abständen zwischen Markierungen in der zweiten Mehrzahl von Markierungen des zweiten festgelegten Testmusters mit Bezug zu den zweiten erzeugten Bilddaten; Erzeugen mit dem Controller eines Profils für den ersten Druckkopf mit Bezug auf die erste Streuung, die zweite Streuung und den festgelegten Versatzabstand, wobei das Profil eine Beziehung zwischen einer Mehrzahl von Streuungen der Abstände quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in gedruckten Testmustern und entsprechenden z-Achsenabständen zwischen dem ersten Druckkopf und dem Substrat umfasst; und Speichern des Profils in einem Speicher zur Verwendung beim Identifizieren des z-Achsenabstands zwischen dem ersten Druckkopf und dem Substrat während eines Druckbetriebs.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Erzeugung des Profils weiterhin Folgendes umfasst: Erzeugen mit dem Controller einer linearen Beziehung zwischen der Mehrzahl von Streuungen von Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in gedruckten Testmustern und entsprechenden z-Achsenabständen zwischen dem ersten Druckkopf und dem Substrat mit Bezug auf die erste Streuung, die zweite Streuung und den festgelegten Versatzabstand.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Bildung des ersten festgelegten Testmusters und das Identifizieren der ersten Streuung weiterhin Folgendes umfasst: Betätigen des ersten Druckkopfes, um das erste festgelegte Testmuster mit der Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die in einer festgelegten Anzahl von Reihensätzen angeordnet sind, wobei jeder Reihensatz Markierungen besitzt, die von einem Teil der Ejektoren eines ersten Druckkopfs gedruckt sind und die quer zur Prozessrichtung durch eine Anzahl von Ejektoren beabstandet sind, die einem weniger als der festgelegten Anzahl von Reihensätzen in dem ersten festgelegten Testmuster entsprechen; Identifizieren einer Mehrzahl von Streuungen mit dem Controller, die Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in jedem Reihensatz in der Mehrzahl von Reihensätzen mit Bezug auf die ersten erzeugten Bilddaten entsprechen; Erzeugen mit dem Controller einer gefilterten Mehrzahl von Streuungen mit einem Kerbfilter und der Mehrzahl von Streuungen, wobei eine Frequenz des Kerbfilters der festgelegten Anzahl von Reihensätzen in dem ersten festgelegten Testmuster entspricht; und Identifizieren mit dem Controller der ersten Streuung für das erste festgelegte Testmuster mit Bezug auf die gefilterte Mehrzahl von Streuungen.
3D-Drucker, umfassend: einen ersten Druckkopf mit einer Mehrzahl von Ejektoren; ein Trägerelement mit einer Oberfläche, die gestaltet ist, Material aufzunehmen, das von der Mehrzahl von Ejektoren in dem ersten Druckkopf ausgestoßen wird; mindestens ein Stellglied, das wirksam mit dem ersten Druckkopf oder dem Trägerelement verbunden ist; einen Bildsensor, der gestaltet ist, Bilddaten der Oberfläche des Trägerelements zu erzeugen; und einen Controller, der wirksam mit dem ersten Druckkopf, dem mindestens einen Stellglied und dem Bildsensor verbunden ist, wobei der Controller für Folgendes konfiguriert ist: Betätigen der Mehrzahl von Ejektoren in dem ersten Druckkopf, um ein erstes festgelegtes Testmuster mit einer ersten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf der Oberfläche des Trägerelements angeordnet sind; Erzeugen von Bilddaten des ersten festgelegten Testmusters mit dem Bildsensor; Identifizieren einer Streuung von Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in der ersten Mehrzahl von Markierungen des ersten festgelegten Testmusters mit Bezug auf die Bilddaten; Identifizieren eines ersten z-Achsenabstands zwischen dem ersten Druckkopf und der Oberfläche des Trägerelements mit Bezug auf die identifizierte Streuung, wobei die z-Achse senkrecht auf der Oberfläche des Trägerelements steht; und Betätigen des mindestens einen Stellglieds, um mindestens einen aus erstem Druckkopf und Trägerelement entlang der z-Achse in Reaktion darauf zu bewegen, dass der erste identifizierte z-Achsenabstand außerhalb eines festgelegten z-Achsenabstandsbereichs liegt.
3D-Drucker nach Anspruch 8, wobei der Controller weiterhin für Folgendes konfiguriert ist: Betätigen der Mehrzahl von Ejektoren in dem ersten Druckkopf, um ein zweites festgelegtes Testmuster mit einer zweiten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf einem Bereich auf der Oberfläche des Trägerelements angeordnet sind, der durch einen festgelegten Abstand in einer Prozessrichtung von einem Bereich der Oberfläche des Trägerelements mit dem ersten festgelegten Testmuster beabstandet ist; Erzeugen der erzeugten Bilddaten mit dem Bildsensor, die das zweite festgelegte Testmuster auf dem Trägerelement umfassen; Identifizieren einer weiteren Streuung von Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in der zweiten Mehrzahl von Markierungen des zweiten festgelegten Testmusters mit Bezug auf die erzeugten Bilddaten; Identifizieren eines zweiten z-Achsenabstands zwischen dem ersten Druckkopf und dem Bereich auf der Oberfläche des Trägerelements mit dem zweiten festgelegten Testmusters mit Bezug auf die weitere Streuung; und Identifizieren eines Kippwinkels des Trägerelements mit Bezug auf eine Differenz zwischen dem ersten z-Achsenabstand und dem zweiten z-Achsenabstand und dem festgelegten Abstand in Prozessrichtung zwischen dem ersten festgelegten Testmuster und dem zweiten festgelegten Testmuster.
3D-Objektdrucken nach Anspruch 8, weiterhin umfassend: einen zweiten Druckkopf mit einer weiteren Mehrzahl von Ejektoren, wobei der zweite Druckkopf in einem festgelegten Abstand quer zur Prozessrichtung zu dem ersten Druckkopf angeordnet ist; und wobei der Controller wirksam mit dem zweiten Druckkopf verbunden und weiterhin für Folgendes konfiguriert ist: Betätigen der weiteren Mehrzahl von Ejektoren in dem zweiten Druckkopf, um ein zweites festgelegtes Testmuster mit einer zweiten Mehrzahl von Markierungen zu bilden, die quer zur Prozessrichtung auf einem Bereich der Oberfläche des Trägerelements angeordnet sind, der um den festgelegten Abstand quer zur Prozessrichtung von einem Bereich der Oberfläche des Trägerelements mit dem ersten festgelegten Testmuster beabstandet ist; Erzeugen der erzeugten Bilddaten mit dem Bildsensor, die das zweite festgelegte Testmuster auf dem Trägerelement umfassen; Identifizieren einer weiteren Streuung von Abständen quer zur Prozessrichtung zwischen Markierungen in der zweiten Mehrzahl von Markierungen auf dem zweiten festgelegten Testmuster mit Bezug auf die erzeugten Bilddaten; Identifizieren eines zweiten z-Achsenabstands zwischen dem zweiten Druckkopf und dem Bereich der Oberfläche des Trägerelements mit dem zweiten festgelegten Testmuster mit Bezug auf die weitere Streuung; und Identifizieren eines Kippwinkels des Trägerelements mit Bezug auf eine Differenz zwischen dem ersten z-Achsenabstand und dem zweiten z-Achsenabstand und dem ersten festgelegten Abstand quer zur Prozessrichtung zwischen dem ersten festgelegten Testmuster und dem zweiten festgelegten Testmuster.