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Das dreidimensionale Drucken, auch als additive Fertigung bekannt, ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen festen Objekts aus einem digitalen Modell von nahezu jeder Form. Viele dreidimensionale Drucktechnologien nutzen ein additives Verfahren, bei dem aufeinander folgende Schichten des Teils auf zuvor angeordneten Schichten aufgebaut werden. Einige dieser Technologien nutzen das Tintenstrahldrucken, bei dem ein oder mehrere Druckköpfe aufeinander folgende Materialschichten ausstoßen. Das dreidimensionale Drucken unterscheidet sich von herkömmlichen Technologien zur Objektbildung, die meistens auf der Entfernung von Material von einem Werkstück durch ein subtraktives Verfahren basieren, beispielsweise Schneiden oder Bohren.
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Zusätzlich zum Bilden dreidimensionaler Objekte mit unterschiedlichen Formen bilden manche dreidimensionalen Drucker auch gedruckte Bilder auf einer oder mehreren Flächen des Objekts. Die gedruckten Bilder sind beispielsweise dekorativ oder beinhalten gedruckte Bilder und Textvermerke, mit denen das dreidimensionale gedruckte Objekt beschriftet wird oder Anweisungen zur Verwendung bereitgestellt werden. Ein dreidimensionaler Objektdrucker kann dafür konfiguriert sein, Tropfen verschiedener Tintenarten zum Bilden der gedruckten Bilder, einschließlich einfarbiger und mehrfarbiger Bilder, auszustoßen, wobei Rasterdrucktechniken verwendet werden, die in der Technik bekannt sind.
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Bestehende Rasterdrucktechniken sind für viele dreidimensionale Druckszenarien ungeeignet, da mit dem Rasterdruckverfahren eine Schicht von gedruckter Tinte mit uneinheitlicher Dicke erzeugt wird, weil Bereiche des gedruckten Bilds, die Tintentropfen aufnehmen, dicker als die Bereiche des Bilds sind, die frei bleiben. Der Drucker kann auf dem Rasterdruckbild keine zusätzlichen Schichten von Aufbaumaterial auf zuverlässige Weise bilden, da das Rasterbild keine Schichten mit einheitlicher Dicke zum Tragen zusätzlicher Schichten von Aufbaumaterial im Objekt bereitstellt. Zudem verringert das Ausfüllen des gesamten Bereichs mit Tinte zum Bilden einer gleichmäßigen Schicht die Präzision der Rasterfarbmuster erheblich und setzt die Qualität der gedruckten Bilder wesentlich herab. Folglich wären Verbesserungen für den Betrieb dreidimensionaler Objektdrucker zum Ermöglichen von Rasterdruck und zum Ermöglichen der Bildung zusätzlicher Materialschichten auf Rasterdruckbildern vorteilhaft.
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In einer Ausführungsform wurde ein Verfahren zum Betreiben eines dreidimensionalen Objektdruckers für das Bilden von Rasterdruckbildern entwickelt. Das Verfahren beinhaltet das Empfangen von Halbtonbilddaten mit einer Steuerung; das Erzeugen von relativen Rasterabdeckungsdaten mit der Steuerung, die Anteilen jedes Markierungsmittels einer Mehrzahl von Markierungsmitteln entsprechen, die ein Rastermuster auf einer Bildaufnahmefläche bilden, das den Halbtonbilddaten entspricht, wobei die Mehrzahl von Markierungsmitteln zumindest ein erstes Farbmarkierungsmittel und ein farbneutrales Markierungsmittel enthält; das Erzeugen von Rasterbilddaten mit der Steuerung, die jeder Pixelposition einer Mehrzahl von Pixelpositionen auf einem Bereich der Bildaufnahmefläche entsprechen, mit Bezug auf die relativen Rasterabdeckungsdaten; und das Betreiben einer Mehrzahl von Ausstoßeinrichtungen in einer Druckzone des Druckers mit der Steuerung, um ein Markierungsmittel der Mehrzahl von Markierungsmitteln auf jede Pixelposition der Mehrzahl von Pixelpositionen im Bereich der Bildaufnahmefläche auszustoßen, mit Bezug auf die Rasterbilddaten, um ein gedrucktes Rasterbild mit einer einheitlichen Dicke im Bereich der Bildaufnahmefläche zu bilden, wobei zumindest eine erste Pixelposition das erste Farbmarkierungsmittel aufnimmt und zumindest eine zweite Pixelposition das farbneutrale Markierungsmittel aufnimmt.
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In einer anderen Ausführungsform wurde ein dreidimensionaler Objektdrucker entwickelt, der zum Drucken von Rasterbildern auf einem dreidimensionalen gedruckten Objekt konfiguriert ist. Das Verfahren beinhaltet eine Mehrzahl von Ausstoßeinrichtungen, die dafür konfiguriert sind, Tropfen zumindest eines ersten Farbmarkierungsmittels und eines farbneutralen Markierungsmittels auf eine Bildaufnahmefläche in einer Druckzone auszustoßen; einen Speicher, der zum Speichern von Halbtonbilddaten konfiguriert ist; und eine Steuerung, die betriebsfähig mit der Mehrzahl von Ausstoßeinrichtungen und dem Speicher verbunden ist. Die Steuerung ist dafür konfiguriert, die Halbtonbilddaten vom Speicher zu empfangen; relative Rasterabdeckungsdaten zu erzeugen, die Anteilen jedes Markierungsmittels der Mehrzahl von Markierungsmitteln entsprechen, die ein Rastermuster auf der Bildaufnahmefläche bilden, das den Halbtonbilddaten entspricht; Rasterbilddaten zu erzeugen, die jeder Pixelposition einer Mehrzahl von Pixelpositionen auf einem Bereich der Bildaufnahmefläche entsprechen, mit Bezug auf die relativen Rasterabdeckungsdaten; und die Mehrzahl von Ausstoßeinrichtungen zu betreiben, um ein Markierungsmittel der Mehrzahl von Markierungsmitteln auf jede Pixelposition der Mehrzahl von Pixelpositionen im Bereich der Bildaufnahmefläche auszustoßen, mit Bezug auf die Rasterbilddaten, um ein gedrucktes Rasterbild mit einer einheitlichen Dicke im Bereich der Bildaufnahmefläche zu bilden, wobei zumindest eine erste Pixelposition das erste Farbmarkierungsmittel aufnimmt und zumindest eine zweite Pixelposition das farbneutrale Markierungsmittel aufnimmt.
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Die vorhergehenden Aspekte und andere Merkmale einer Vorrichtung oder eines Druckers, die/der Rasterbilder mit Schichten mit einheitlicher Materialdicke auf dreidimensionalen Objekten bildet, werden in der folgenden Beschreibung erklärt, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen vorgenommen wird.
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1 ist ein Diagramm eines dreidimensionalen Objektdruckers.
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2 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bilden von Rasterdruckbildern mit einheitlicher Dicke auf einer Fläche eines dreidimensionalen Objekts im dreidimensionalen Objektdrucker aus 1.
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3 ist eine Darstellung von Pixelpositionen auf einer Fläche eines dreidimensionalen gedruckten Objekts im dreidimensionalen Objektdrucker aus 1.
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Für ein allgemeines Verständnis der Umgebung für die hierin offenbarte Vorrichtung sowie der Einzelheiten für die Vorrichtung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
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Der Begriff „Aufbaumaterial“ wird hierin so verwendet, dass er ein Material bezeichnet, das in der Form flüssiger Tropfen aus einer Mehrzahl von Ausstoßeinrichtungen in einem oder mehreren Druckköpfen ausgestoßen wird, um Materialschichten in einem Objekt zu bilden, das in einem dreidimensionalen Objektdrucker gebildet wird. Beispiele für Aufbaumaterialien sind u. a. Thermoplaste, UV-härtbare Polymere und Bindemittel, die für den Ausstoß als flüssige Tropfen aus Ausstoßeinrichtungen in einem oder mehreren Druckköpfen verflüssigt und anschließend in einen Feststoff verhärtet werden können, der durch ein additives dreidimensionales Objektdruckverfahren ein Objekt bildet. In manchen Ausführungsformen eines dreidimensionalen Objektdruckers werden mehrere Formen von Aufbaumaterialien zum Herstellen eines Objekts verwendet. In manchen Ausführungsformen bilden unterschiedliche Aufbaumaterialien mit verschiedenen physikalischen oder chemischen Eigenschaften ein einzelnes Objekt. In anderen Ausführungsformen ist der Drucker dafür konfiguriert, Tropfen von nur einer Art von Aufbaumaterial auszustoßen, das durch Farbstoffe oder andere Färbemittel, die im Aufbaumaterial enthalten sind, unterschiedliche Farben beinhaltet. Der dreidimensionale Objektdrucker steuert den Ausstoß von Tropfen von Aufbaumaterialien mit unterschiedlichen Farben, um Objekte mit verschiedenen Farben und optional mit gedrucktem Text, Grafiken oder anderen ein- und mehrfarbigen Mustern auf der Oberfläche des Objekts zu bilden.
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Der Begriff „Trägermaterial“ wird hierin so verwendet, dass er ein weiteres Material bezeichnet, das bei einem dreidimensionalen Objektdruckverfahren zum Stabilisieren des Objekts, das aus den Aufbaumaterialien gebildet wird, aus Druckköpfen ausgestoßen wird. Beispielsweise stößt, während der dreidimensionale Objektdrucker Schichten des Aufbaumaterials zum Bilden des Objekts aufbringt, mindestens ein Druckkopf im Drucker auch Schichten des Trägermaterials aus, die Teile des Objekts einnehmen. Das Trägermaterial hält einen oder mehrere Abschnitte des Aufbaumaterials an ihrem Ort, bevor das mit dem Aufbaumaterial konstruierte Objekt ein vollständiges Objekt ist und gestützt wird, da es ein einzelnes Objekt ist. Ein einfaches Beispiel für die Verwendung eines Trägermaterials ist die Konstruktion eines Stocks mit dem dreidimensionalen Objektdrucker. Der gebogene Teil des Stocks befindet sich oben am Objekt, und das Trägermaterial bietet eine Stützwirkung für den nach unten weisenden Teil des Griffs, bevor der obere Teil der Biegung im Stock vollendet ist. Das Trägermaterial hindert auch neu gebildete Merkmale am Zerbrechen bevor genügend Aufbaumaterial vorhanden ist, um das Objekt zusammenzuhalten, und hindert Teile des Aufbaumaterials, die sich noch nicht vollständig verfestigt haben, am Herausfließen aus ihrer Position, bevor der Härtungsvorgang abgeschlossen ist. Beispiele für Trägermaterialien sind u. a. wachsartige Materialien, die beim Druckverfahren eine Stützwirkung für das Objekt bieten und nach dem Abschluss des Druckverfahrens einfach vom Objekt entfernt werden können.
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Der Begriff „Prozessrichtung“ wird hierin so verwendet, dass er eine Bewegungsrichtung eines Stützelements bei einem dreidimensionalen Objektbildungsverfahren an einem oder mehreren Druckköpfen vorbei bezeichnet. Das Stützelement hält das dreidimensionale Objekt und zugehöriges Trägermaterial und Aufbaumaterial während des Druckverfahrens. In manchen Ausführungsformen ist das Stützelement ein planares Element, beispielsweise eine Metallplatte, während das Stützelement in anderen Ausführungsformen ein sich drehendes zylindrisches Element oder ein Element mit einer anderen Form ist, das die Bildung eines Objekts während des dreidimensionalen Objektdruckverfahrens unterstützt. In manchen Ausführungsformen bleiben die Druckköpfe ortsfest, während sich das Stützelement und das Objekt am Druckkopf vorbei bewegen. In anderen Ausführungsformen bewegen sich die Druckköpfe, während das Stützelement ortsfest bleibt. In wieder anderen Ausführungsformen bewegen sich sowohl die Druckköpfe als auch das Stützelement.
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Der Begriff „kreuzende Prozessrichtung“ wird hierin so verwendet, dass er eine Richtung bezeichnet, die normal zur Prozessrichtung und in der Ebene des Stützelements ist. Die Ausstoßeinrichtungen in zwei oder mehr Druckköpfen sind in der kreuzenden Prozessrichtung registriert, um es einem Array von Druckköpfen zu ermöglichen, gedruckte Muster aus Aufbaumaterial und Trägermaterial auf einem zweidimensionalen planaren Bereich zu bilden. Bei einem dreidimensionalen Objektdruckverfahren bilden aufeinander folgende Schichten von Aufbaumaterial und Trägermaterial, die von den registrierten Druckköpfen gebildet werden, ein dreidimensionales Objekt.
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Der Begriff „Z-Achse“ wird hierin so verwendet, dass er eine Achse bezeichnet, die normal zur Prozessrichtung, zur kreuzenden Prozessrichtung und zur Ebene des Stützelements in einem dreidimensionalen Objektdrucker ist. Am Beginn des dreidimensionalen Objektdruckverfahrens bezieht sich eine Trennung entlang der Z-Achse auf einen Trennungsabstand zwischen dem Stützelement und den Druckköpfen, die die Schichten von Aufbaumaterial und Trägermaterial bilden. Während die Ausstoßeinrichtungen in den Druckköpfen alle Schichten von Aufbaumaterial und Trägermaterial bilden, passt der Drucker die Trennung an der Z-Achse zwischen den Druckköpfen und der obersten Schicht an, um einen im Wesentlichen konstanten Abstand zwischen den Druckköpfen und der obersten Schicht des Objekts während des Druckvorgangs aufrechtzuerhalten. In vielen Ausführungsformen von dreidimensionalen Objektdruckern wird die Trennung an der Z-Achse zwischen den Druckköpfen und der obersten Schicht von gedrucktem Material innerhalb vergleichsweise enger Toleranzen gehalten, um eine konsequente Platzierung und Steuerung der ausgestoßenen Tropfen von Aufbaumaterial und Trägermaterial zu ermöglichen. In manchen Ausführungsformen bewegt sich das Stützelement während des Druckvorgangs von den Druckköpfen weg, um die Trennung an der Z-Achse aufrechtzuerhalten, während sich in anderen Ausführungsformen die Druckköpfe vom teilweise gedruckten Objekt und vom Stützelement weg bewegen, um die Trennung an der Z-Achse aufrechtzuerhalten.
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Der Begriff „Markierungsmittel“ wird hierin so verwendet, dass er ein Material bezeichnet, das ein Rasterdruckbild auf einer Fläche eines dreidimensionalen Objekts bildet. Beispiele für Markierungsmittel sind u. a. eine oder mehrere Farben von Phasenwechseltinten, beispielsweise die Tintenfarben Cyan, Magenta, Gelb, Schwarz (CMYK) oder andere Farben, die zur Verwendung in einem dreidimensionalen Objektdrucker geeignet sind. Die Phasenwechseltinte ist aus einem Feststoff bei Umgebungstemperatur gebildet, und der Drucker erwärmt die Phasenwechseltinte, bis die Phasenwechseltinte flüssig wird. Der Drucker stößt Tropfen der verflüssigten Phasenwechseltinte auf eine Bildaufnahmefläche aus, um Rasterdruckbilder zu bilden, einschließlich Farbbildern, die unterschiedliche Anteile der CMYK- oder anderer ausgewählter Tintenfarben kombinieren, um einen großen Bereich sichtbarer Farben zu reproduzieren. Die Phasenwechseltinte kühlt ab und verfestigt sich auf der Bildaufnahmefläche, um das Rasterdruckbild aus einer Materialschicht mit einer vorbestimmten Dicke zu bilden.
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Der Begriff „farbneutrales Markierungsmittel“ wird hierin so verwendet, dass er eine Art von Markierungsmittel bezeichnet, das den wahrgenommenen Farbton eines gedruckten Bilds beim Drucken in Kombination mit nicht farbneutralen Markierungsmitteln, die ein Rasterdruckbild bilden, im Wesentlichen nicht beeinflusst. Beispiele für farbneutrale Markierungsmittel sind u. a. optisch transparente Markierungsmittel und Markierungsmittel mit einer neutralen Farbe wie Weiß oder helleren Grautönen. In manchen Ausführungsformen ist das farbneutrale Markierungsmittel auch eine Phasenwechseltinte mit der neutralen Farbe. Ein Rasterdruckbild enthält eine Kombination aus Farbmarkierungsmitteln wie CMYK-Tinten, die nicht farbneutral sind. Wie unten beschrieben wird, stößt ein Drucker Tropfen des farbneutralen Markierungsmittels auf Pixelpositionen des Rasterbilds aus, die kein Farbmarkierungsmittel aufnehmen, um eine Schicht von Markierungsmittel mit einer einheitlichen Dicke über einen Gesamtbereich einer Bildaufnahmefläche zu bilden. Das farbneutrale Markierungsmittel bewirkt bei gedruckten Bildern, die aus den Farbtinten gebildet sind, keine wesentliche Änderung des Farbtons, wie beispielsweise das Ändern der wahrnehmbaren Farben eines Bildes von Rot zu Grün oder einem anderen Farbton.
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Das farbneutrale Markierungsmittel kann andere Aspekte der gedruckten Bilder beeinflussen, die aus nicht farbneutralen Markierungsmitteln gebildet werden, beispielsweise wahrnehmbare Sättigung, Helligkeit und Helle des gedruckten Bilds. In einer praktische Ausführungsform eines Tintenstrahldruckers ist das farbneutrale Markierungsmittel jedoch ein Material, das die Bildung von Schichten eines dreidimensionalen gedruckten Objekts mit einheitlicher Dicke in Verbindung mit Rasterdruckmustern aus nicht farbneutralen Markierungsmitteln, die gedruckte Objekte bilden, ohne wesentliche negative Auswirkung auf die Qualität der gedruckten Bilder ermöglicht. Der Fachmann sollte erkennen, dass eine schwarze Tinte und Markierungsmittel in dunklerem Grau die weitesten Anforderungen an ein farbneutrales Markierungsmittel erfüllen, da die schwarze Tinte keine wesentliche Änderung des Farbtons eines gedruckten Bilds bewirkt. Aus praktischen Gründen werden schwarze und dunkelgraue Tinten jedoch nicht als farbneutrale Markierungsmittel betrachtet, da diese Tinten allgemein in einfarbigen und mehrfarbigen gedruckten Bildern verwendet werden. Zudem verringert die Verwendung großer Mengen von dunklen Tinten in Kombination mit anderen farbigen Tinten die Sichtbarkeit des gedruckten Bilds mit der farbigen Tinte erheblich, da sich die wahrgenommenen Farben gedruckter Tinten gemäß einem subtraktiven Farbmodell verhalten.
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1 stellt einen dreidimensionalen Objektdrucker 100 dar, der zum Identifizieren des Abstands auf der Z-Achse zwischen einem oder mehreren Druckköpfen und einem Substrat im Drucker 100 konfiguriert ist. Der Drucker 100 beinhaltet ein Stützelement 102, drei Druckkopf-Arrays 104A–104C, 108A–108C und 112A–112C, einen Aktuator 124 für das Stützelement, eine Nivellierwalze 118, eine Steuerung 128 und einen Speicher 132. Im Drucker 100 stößt das Druckkopf-Array 104A–104C Tropfen eines Aufbaumaterials aus, das Schichten in einem dreidimensionalen gedruckten Objekt bildet, beispielsweise dem in 1 dargestellten Objekt 150. Das Druckkopf-Array 108A–108C stößt Tropfen von Phasenwechseltinten aus, um Rasterdruckmuster auf der Oberfläche des Stützelements 102 oder auf einer oder mehreren Flächen des dreidimensionalen gedruckten Objekts 150 zu bilden. In der Konfiguration aus 1 weist das Druckkopf-Array 108A–108C Mehrfarben-Druckköpfe auf, die Tropfen von Tinten in Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz (CMYK) ausstoßen, wenngleich andere Ausführungsformen nur eine Tintenfarbe für einfarbiges Drucken verwenden oder andere Tintenfarbkombinationen verwenden. Das Druckkopf-Array 112A–112C stößt Tropfen des farbneutralen Materials aus, beispielsweise einer transparenten Tinte, eines weißen oder hellgrauen Primer-Materials oder eines anderen geeigneten farbneutralen Materials. Während 1 drei Druckkopf-Arrays darstellt, können alternative Ausführungsformen eine unterschiedliche Anordnung und Anzahl von Druckkopf-Arrays aufweisen, die gedruckte Objekte bilden. Beispielsweise weist der Drucker in einer alternativen Ausführungsform vier separate Druckkopf-Arrays auf, die jeweils Tropfen einer der CMYK-Markierungsmittelfarben ausstoßen, anstatt dass ein einzelnes Mehrfarben-Druckkopf-Array mit den Druckköpfen 108A–108C verwendet wird.
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Im Drucker 100 ist das Stützelement 102 ein planares Element, beispielsweise eine Metallplatte, das sich in einer Prozessrichtung P bewegt. Die Druckkopf-Arrays 104A–104C, 108A–108C und 112A–112C bilden eine Druckzone 110. Das Stützelement 102 trägt alle zuvor gebildeten Schichten des Trägermaterials und Aufbaumaterials in der Prozessrichtung P durch die Druckzone 110. Während des Druckvorgangs bewegt sich das Stützelement 102 in der Prozessrichtung P auf einem vorbestimmten Weg, der die Druckköpfe mehrmals passiert, um aufeinander folgende Schichten eines dreidimensionalen gedruckten Objekts zu bilden, beispielsweise des in 1B dargestellten Objekts 150.
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Im Drucker 100 bewegt auch ein Aktuator 124 das Stützelement 102 entlang der Achse in der Z-Richtung (Z) nach dem Aufbringen aller Materialschichten auf dem Stützelement von den Druckköpfen in der Druckzone 110 weg. Im Drucker 100 ist der Aktuator 124 ein mechanischer Aktuator, beispielsweise ein Schrittmotor, der Steuersignale von der Steuerung 128 empfängt, um das Stützelement 102 um vorbestimmte Strecken entlang der Z-Achse zu bewegen. Die Druckzone 110 bildet mit jedem Element während jedes Durchlaufs des Wegs eine zusätzliche Schicht auf dem dreidimensionalen gedruckten Objekt oder den Objekten, um mehrere Sätze von dreidimensionalen Objekten parallel zu bilden.
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Die Druckkopf-Arrays weisen die Druckköpfe 104A–104C und 108A–108C auf, die Material auf das Stützelement 102 ausstoßen, um Schichten eines dreidimensionalen gedruckten Objekts zu bilden, beispielsweise des in 1B dargestellten Objekts 150. Jeder der Druckköpfe 104A–104C, 108A–108C und 112A–112C weist eine Mehrzahl von Ausstoßeinrichtungen auf, die verflüssigte Tropfen eines Aufbaumaterials oder Trägermaterials ausstoßen. In einer Ausführungsform beinhaltet jede Ausstoßeinrichtung eine Fluiddruckkammer, die das flüssige Aufbaumaterial aufnimmt; einen Aktuator, beispielsweise einen piezoelektrischen Aktuator; und eine Auslassdüse. Der piezoelektrische Aktuator verformt sich als Reaktion auf ein elektrisches Auslösesignal und drängt das verflüssigte Aufbaumaterial als einen Tropfen, der auf das Element 102 ausgestoßen wird, durch die Düse. Wenn das Element 102 zuvor gebildete Schichten eines dreidimensionalen Objekts trägt, dann bilden die ausgestoßenen Tropfen des Aufbaumaterials eine zusätzliche Schicht des Objekts. Jeder der Druckköpfe 104A–104C, 108A–108C und 112A–112C weist ein zweidimensionales Array der Ausstoßeinrichtungen auf, wobei eine beispielhafte Ausführungsform eines Druckkopfs 880 Ausstoßeinrichtungen beinhaltet. Beim Betrieb steuert die Steuerung 128 die Erzeugung der elektrischen Auslösesignale zum Betreiben ausgewählter Ausstoßeinrichtungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten, um alle Schichten des Aufbaumaterials für das Objekt zu bilden.
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Die Steuerung 128 ist eine digitale Logikvorrichtung wie ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller, ein Field Programmable Gate Array (FPGA), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder jede andere digitale Logik, die zum Betreiben des Druckers 100 konfiguriert ist. Im Drucker 100 ist die Steuerung 128 betriebsfähig mit dem Aktuator 124 verbunden, der die Bewegung des Stützelements 102 steuert. Die Steuerung 128 ist auch betriebsfähig mit den Druckkopf-Arrays 104A–104C, 108A–108C und 112A–112C und einem Speicher 132 verbunden. Die Steuerung 128 betreibt die Ausstoßeinrichtungen in den Druckköpfen 104A–104C, um Schichten von Aufbaumaterial und Trägermaterial zum Bilden eines Objekts zu bilden, beispielsweise des Objekts 150. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, führt die Steuerung 128 auch ein randomisiertes Erzeugungsverfahren für Rasterbilddaten durch, um den Betrieb der Druckköpfe 108A–108C zum Bilden von Rasterdruckmustern mit exakter Farbreproduktion von Halbton-Farbbilddaten zu steuern. Die Steuerung betreibt auch die Druckköpfe 112A–112C, um das farbneutrale Material in Bereiche des Rasterbilds auszustoßen, die keine Farbmarkierungsmittel enthalten, um das gedruckte Rasterbild aus einer Materialschicht mit einheitlicher Dicke zu bilden.
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In der Ausführungsform des Druckers 100 beinhaltet der Speicher 132 flüchtige Datenspeichervorrichtungen wie Direktzugriffsspeicher(RAM)-Vorrichtungen und nichtflüchtige Datenspeichervorrichtungen wie Solid-State-Datenspeichervorrichtungen, magnetische Scheiben, optische Scheiben oder andere geeignete Datenspeichervorrichtungen. Der Speicher 132 speichert programmierte Anweisungen 136, 3D-Objektbilddaten 138 und Halbtonbilddaten 140. Die Halbtonbilddaten 140 enthalten ein oder mehrere zweidimensionale Bilder, gebildet aus codierten digitalen Daten im Rot/Grün/Blau(RGB)-, Farbwert/Sättigung/Hellwert(HSV)- oder einem anderen geeigneten Halbton-Farbformat. Die Steuerung 128 führt die gespeicherten Programmanweisungen 136 aus, um die Komponenten im Drucker 100 zu betreiben, um ein dreidimensionales gedrucktes Objekt zu bilden, beispielsweise das Objekt 150, und ein oder mehrere Schichten, die Rasterbilder enthalten, auf die Oberfläche des Objekts 150 zu drucken. Die 3D-Objektbilddaten 138 enthalten beispielsweise eine Mehrzahl von zweidimensionalen Bilddatenmustern, die jeder Schicht von Aufbaumaterial und Trägermaterial entsprechen, die der Drucker 100 während des dreidimensionalen Objektdruckverfahrens bildet. Die Steuerung 128 stößt Materialtropfen, die zu jedem Satz zweidimensionaler Bilddaten gehören, aus den Druckköpfen 104A–104C aus, um jede Schicht des Objekts 150 zu bilden.
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Der Speicher 132 speichert auch Halbtonbilddaten 140, die gedruckten Bildern entsprechen, die auf der Oberfläche des Stützelements 102 als Basis für ein dreidimensionales gedrucktes Objekt 150 oder auf Flächen des dreidimensionalen gedruckten Objekts 150 gebildet werden sollen. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, erzeugt die Steuerung 128 statistische Daten zu einem Rasterabdeckungsbereich für ein Rastermuster, das die Halbtonbilddaten reproduziert und das Rastermuster mittels eines randomisierten Pixelzuweisungsverfahrens erzeugt, das sowohl ein Farbmarkierungsmittel als auch ein farbneutrales Markierungsmittel einschließt. Die Steuerung 128 betreibt die Ausstoßeinrichtungen in den Druckköpfen 108A–108C für das Farbmarkierungsmittel, um das Rasterdruckmuster zu bilden, und die Steuerung 128 betreibt die Ausstoßeinrichtungen in den Druckköpfen 112A–112C für das farbneutrale Markierungsmittel, um das Rasterdruckbild aus einer Materialschicht mit einheitlicher Dicke zu bilden.
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Im Drucker 10 stoßen die Druckköpfe 108A–108C und 112A–112C Tropfen eines Phasenwechseltinte-Markierungsmittels aus, die auf der Oberfläche des dreidimensionalen gedruckten Objekts 150 landen, um ein Rasterdruckbild zu bilden. Die Phasenwechseltinte enthält Tinten mit Farben, beispielsweise die CMYK-Tinten, und farbneutrale Tinten wie weiße, hellgraue und transparente Tinten. Die Phasenwechseltinten schmelzen, wenn sie im Drucker 100 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur erwärmt werden, und die Tintenstrahlen in den Druckköpfen 108A–108C und 112A–112C stoßen verflüssigte Tropfen der Phasenwechseltinte auf unterschiedliche Pixelpositionen auf der Oberfläche des Objekts 150 als Reaktion auf elektrische Auslösesignale von der Steuerung 128 aus. Die Phasenwechseltinte verbleibt auf der Oberfläche unterer Schichten von Aufbaumaterial oder Phasenwechseltinte, die das Objekt 150 bilden. Die Phasenwechseltinte bleibt in einem halb verflüssigten Zustand auf der Oberfläche des Objekts 150, und eine Nivellierwalze 118 bringt Druck und optional Wärme auf, um die Tropfen der Phasenwechseltinte zu einem gedruckten Rasterbild zu glätten, das eine einheitliche Dicke über die gesamte obere Fläche des Objekts 150 hat. Wie unten beschrieben wird, bildet der Drucker 100 die Rasterdruckbilder mit Anordnungen eines farbigen und eines farbneutralen Markierungsmittels, um gedruckte Bilder mit exakter Farbreproduktion und einheitlicher Materialdicke zu bilden. Während eines Druckvorgangs setzt der Drucker 100 optional das Drucken zusätzlicher Materialschichten fort, die Schichten aus Aufbaumaterial und Phasenwechseltinte enthalten, um das Objekt 150 zu vollenden. Der Drucker 100 bildet jede Schicht mit einheitlicher Dicke, um eine Stützwirkung für zusätzliche Materialschichten im Objekt 150 bereitzustellen.
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2 stellt ein Blockdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bilden gedruckter Rastermuster auf einer Bildaufnahmefläche in einem dreidimensionalen Drucker dar. In der folgenden Erörterung betrifft eine Bezugnahme darauf, dass das Verfahren 200 eine Funktion oder Aktion durchführt, den Betrieb einer Steuerung, die gespeicherte Programmanweisungen ausführt, um die Funktion oder Aktion mittels anderer Komponenten im dreidimensionalen Objektdrucker durchzuführen. In manchen Konfigurationen führt der dreidimensionale Objektdrucker das Verfahren 200 während eines dreidimensionalen Druckvorgangs durch. Das Verfahren 200 wird zu darstellenden Zwecken in Verbindung mit dem dreidimensionalen Objektdrucker 100 aus 1 beschrieben.
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Das Verfahren 200 beginnt, wenn die Steuerung 128 Halbton-Farbbilddaten empfängt, die einem gedruckten Bild entsprechen, das als Teil eines Objekts während eines dreidimensionalen Druckvorgangs gebildet wird (Block 204). Wie oben beschrieben wurde, speichert der Speicher 132 Halbtonbilddaten 140 für ein oder mehrere gedruckte Bilder, die als eine oder mehrere Schichten eines dreidimensionalen gedruckten Objekts gebildet werden. Die gedruckten Bilder werden oft auf der Außenseite des dreidimensionalen gedruckten Objekts gebildet, wenngleich einige Druckaufträge auch gedruckte Bilder in Zwischenschichten eines dreidimensionalen gedruckten Objekts bilden. Die Halbtonbilddaten 140 enthalten codierte digitale Daten im RGB-, HSV- oder anderen geeigneten Halbton-Farbformaten. Die Steuerung 128 empfängt zweidimensionale Halbtonbilddaten, die eine einzelne Schicht in einem größeren dreidimensionalen gedruckten Objekt bilden, und der Drucker führt das Verfahren 200 während eines dreidimensionalen Druckvorgangs optional mehrmals durch, um mehrere Rasterdruckbilder in einem Objekt zu bilden. Der Speicher 132 speichert die Halbtonbilddaten 140 üblicherweise als eine zweidimensionale Anordnung von Halbton-Pixeln, die ein Bild bilden. Wie unten beschrieben wird, wandelt die Steuerung 128 die Halbton-Pixel in einen Datensatz zur relativen Rasterabdeckung für Rastermuster um, die die Farbwerte jedes Halbton-Pixels reproduzieren. Anschließend erzeugt die Steuerung 128 zweidimensionale Rasterbilddaten, die Pixelpositionen auf der Bildaufnahmefläche entsprechen, die Farbmarkierungsmittel in einem Rasterdruckmuster und farbneutrale Markierungsmittel aufnehmen, um eine Schicht des Markierungsmittels mit einheitlicher Dicke über einen Bereich der Bildaufnahmefläche zu bilden.
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Das Verfahren 200 wird fortgesetzt, wenn der Drucker 100 relative Rasterabdeckungsdaten für ein Rasterdruckbild erzeugt, das die Farben in den Halbtonbilddaten reproduziert (Block 208). Im Drucker 100 verwendet die Steuerung 128 eine Kombination aus Hardware und Software zum Durchführen eines Rasterungsverfahrens, mit dem Statistiken zu einem relativen Rasterabdeckungsbereich erzeugt werden, sodass der Drucker 100 ein Rasterbild drucken kann, das die Halbtonbilddaten reproduziert. Das Rasterverfahren gibt keine präzisen Pixelpositionen von Tintentropfen auf der Bildaufnahmefläche an, sondern erzeugt stattdessen lediglich statistische Informationen einschließlich der relativen Anteile jedes Markierungsmittels. Die Steuerung 128 erzeugt die Daten zum relativen Rasterabdeckungsbereich für die Farbmarkierungsmittel mit einem Rasterverfahren, das in der Technik anderweitig bekannt ist und hierin nicht ausführlicher beschrieben wird.
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In der CMYK-Ausführungsform des Druckers 100 erzeugt das Rasterungsverfahren Daten zu den relativen Anteilen der Tinten in Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz im Rasterabdeckungsbereich zum Reproduzieren einer Halbton-Farbe. Während es für den Betrieb des Druckers 100 nicht erforderlich ist, identifiziert die Steuerung 128 optional die Daten zum relativen Rasterabdeckungsbereich als Prozentsätze für jede Markierungsmittelfarbe im Drucker 100, wobei die Summe der Prozentsätze niemals 100% überschreitet. Beispielsweise erzeugt das Rasterverfahren in einer CMYK-Konfiguration relative prozentuale Abdeckungsdaten von C = 10%, M = 5%, Y = 20% und K = 6% für jedes der Farbmarkierungsmittel.
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Während des Verfahrens 200 identifiziert die Steuerung 128 auch die relativen Rasterabdeckungsdaten für ein farbneutrales Markierungsmittel (Block 212). Der relative Abdeckungsbereich für das farbneutrale Markierungsmittel entspricht einer Differenz zwischen der Gesamtfläche des Bereichs, der das Rastermuster aufnimmt, und der Summe der relativen Anteile des Abdeckungsbereichs für jedes Farbmarkierungsmittel. Beispielsweise erkennt die Steuerung 128 bei C = 10%, M = 5%, Y = 20% und K = 6%, dass die Farbmarkierungsmittel 41% der Gesamtfläche abdecken, und erkennt, dass 59% (100% – 41%) der Gesamtfläche dem farbneutralen Markierungsmittel entsprechen. Die übrigen 59% entsprechen Teilen des Bereichs, die anderweitig keine Farbmarkierungsmittel aufnehmen. Der Drucker 100 stößt Tropfen des farbneutralen Materials für die Pixelpositionen in den übrigen 59% des Abdeckungsbereichs aus, um eine Schicht des Markierungsmittels mit einer einheitlichen Dicke auf der Bildaufnahmefläche zu bilden.
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Das Verfahren 200 wird fortgesetzt, wenn die Steuerung 128 aus den Daten zum relativen Abdeckungsbereich Rasterbilddaten erzeugt, sodass der Drucker 100 ein Rasterdruckbild bilden kann, das die Farben in den Halbtonbilddaten reproduziert (Block 216). Die Steuerung 128 weist jedem Pixel in den Rasterbilddaten ein Markierungsmittel zu, entweder ein Farbmarkierungsmittel oder das farbneutrale Markierungsmittel, auf gewichtete zufällige Weise auf der Grundlage von Anteilen der relativen Abdeckungsbereiche für jedes Markierungsmittel. In einer Konfiguration verwendet die Steuerung 128 einen Zufallszahlengenerator, beispielsweise einen Hardware- oder Software-Zufallszahlengenerator, der echt zufällige oder pseudozufällige Zahlen erzeugt, um eine Zufallszahl in einem vorbestimmten Bereich von 1 bis 100 zu erzeugen. Die Zufallszahl entspricht einem der Markierungsmittel, und der gesamte vorbestimmte numerische Bereich entspricht den Abdeckungs-Prozentsätzen der Markierungsmittel (z. B. C = 1 bis 10; M = 11 bis 15; Y = 16 bis 35; K = 36 bis 41 und farbneutrales Markierungsmittel = 42 bis 100).
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Die Steuerung 128 weist das Markierungsmittel für die Pixelposition auf der Grundlage des Werts der Zufallszahl zu, die den numerischen Bereichen der Markierungsmittel entspricht (z. B. wird der Pixel bei einem Zufallswert von 31 Gelb oder bei einem Wert von 53 dem farbneutralen Markierungsmittel zugewiesen). Die relativen Anteilswerte jeder Art von Markierungsmittel bestimmen den Anhäufungsanteil der Pixel, den die Steuerung 128 jeder Art von Markierungsmittel zuweist, wenngleich die Steuerung 128 die einzelnen Pixel zufällig zuweist anstatt einem vorbestimmten Muster von Markierungsmitteln zu folgen. Während des Verfahrens 200 führt die Steuerung 128 die Zufallszahlenerzeugung und das gewichtete Farbzuweisungsverfahren für jedes Pixel durch, um jeder Pixelposition in den Rasterbilddaten eine Art von Markierungsmittel zuzuweisen.
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In anderen Ausführungsformen wendet die Steuerung 128 eine andere Technik für die Zufallszahlenerzeugung und die Zuweisung auf der Grundlage des relativen Anteils der Bereichsabdeckung für jedes Markierungsmittel an. Alternative Ausführungsformen stellen die Parameter des relativen Abdeckungsbereichs für die Farbmarkierungsmittel und die farbneutralen Markierungsmittel mittels numerischen Festkomma- oder Gleitkomma-Darstellungen dar, die den relativen Anteilen aller Arten von Markierungsmitteln entsprechen, die eine Halbtonfarbe im Rasterdruckbild reproduzieren. Beispielsweise verwenden alternative Ausführungsformen der Steuerung einen größeren oder kleineren numerischen Bereich oder weisen den statistischen Anteilen des Abdeckungsbereichs Gleitkommazahlen in einem vorbestimmten Bereich (z. B. 0,0 bis 1,0) zu und verwenden Zufallszahlen, um die Art des Markierungsmittels zu identifizieren, das jedem Pixel auf zufällige Weise zugewiesen wird.
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Während des Verfahrens 200 betreibt die Steuerung 128 die Ausstoßeinrichtungen der Druckköpfe in der Druckzone 110, um ein gedrucktes Rasterbild mit dem Farbmarkierungsmittel und dem farbneutralen Markierungsmittel zu bilden, das den Bereich der Bildaufnahmefläche vollständig mit einer Schicht der Markierungsmittel abdeckt, die eine einheitliche Dicke hat (Block 220). Im Drucker 100 betreibt die Steuerung 128 die Ausstoßeinrichtungen in den Druckköpfen 108A–108C, um Tropfen der CMYK-Farbmarkierungsmittel auf Pixelpositionen der Bildaufnahmefläche auszustoßen, die ein Farbmarkierungsmittel aufnehmen, um das Rasterdruckbild zu bilden. Die Steuerung 128 betreibt auch die Ausstoßeinrichtungen in den Druckköpfen 112A–112C, um das farbneutrale Markierungsmittel auf den Pixelpositionen zu platzieren, die keines der Farbmarkierungsmittel aufnehmen. Die Kombination aus den Farbmarkierungsmitteln und dem farbneutralen Markierungsmittel bildet eine Schicht des Markierungsmittelmaterials mit einer einheitlichen Dicke, die einen Gesamtbereich der Bildaufnahmefläche abdeckt. Die gleichmäßige Schicht bildet eine Basis, die zusätzliche Schichten von Aufbaumaterial oder Schichten von gedruckten Markierungsmitteln in einem dreidimensionalen Druckverfahren aufnehmen kann.
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3 stellt das Objekt 150 während des Rasterdruckverfahrens 200 dar. In 3 entsprechen die Pixelpositionen 300 einzelnen Positionen, an denen der Drucker 100 Tropfen eines ausgewählten Markierungsmittels ausstößt, um eine Schicht des Markierungsmittels zu bilden, die die Oberfläche des Objekts 150 mit einer einheitlichen Dicke abdeckt. Die Steuerung 128 betreibt die Ausstoßeinrichtungen in den Druckköpfen 108A–108C und 112A–112C, um einen einzelnen Tropfen von Markierungsmittel auf jede Pixelposition auszustoßen, wenngleich die Druckköpfe in anderen Ausführungsformen zwei oder mehr Tropfen ausstoßen, um jede Pixelposition abzudecken, sodass eine Schicht mit einheitlicher Dicke aus zwei oder mehr Arten von Markierungsmittel gebildet wird.
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Während 3 den Bereich darstellt, der das Rasterdruckbild als eine gesamte Oberfläche des Objekts 150 abdeckend aufweist, bildet der Drucker 100 in alternativen Konfigurationen das Rastermuster nur auf einem Bereich, der einen Teil der Oberfläche des Objekts 150 abdeckt. Beispielsweise bildet der Drucker 100 zum Bilden eines Rasterdruckbilds auf einer seitlichen Fläche eines dreidimensionalen gedruckten Objekts mit flacher oder gekrümmter Form das Rasterdruckbild in einem Bereich, der einem Querschnitt der Seite des Objekts entspricht, in jeder Schicht mit einer vorbestimmten seitlichen Dicke (z. B. 1 bis 2 Millimeter). Der Drucker 100 bildet die Rasterbilder in den Querschnittsbereichen einer oder mehrerer Schichten im Objekt 150, um ein gedrucktes Rasterbild an Seiten des Objekts zu erzeugen, selbst wenn die Seiten des Objekts den Druckköpfen in der Druckzone 110 nicht direkt zugewandt sind. Der Drucker 100 druckt Tropfen von Aufbaumaterial oder Trägermaterial auf den übrigen Teil der Oberfläche der Oberfläche 150, um eine kombinierte Schicht aus der gedruckten Tinte und dem Aufbau-/Trägermaterial zu erzeugen, die eine einheitliche Dicke auf der Oberfläche des Objekts 150 hat.
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Wie oben beschrieben wurde, wählt der Drucker 100 die Art des Markierungsmittels für jede Pixelposition basierend auf randomisierten Rasterbilddaten aus, mit gewichteten Auswahlen auf der Grundlage der Anteile unterschiedlicher Markierungsmittelfarben, die während des Rasterungsvorgangs erzeugt werden. Der übrige Anteil der Pixelpositionen, die kein Farbmarkierungsmittel aufnehmen, nimmt das farbneutrale Markierungsmittel auf, um eine kombinierte Schicht des Markierungsmittels mit einer einheitlichen Dicke zu erzeugen, in der alle Pixelpositionen im Bereich der Bildaufnahmefläche mit einem Markierungsmittel abgedeckt sind. Die gleichmäßige Schicht stellt eine glatte Fläche bereit, die es dem Drucker 100 ermöglicht, zusätzliche Schichten von Aufbaumaterial oder zusätzliche Schichten des Markierungsmittels während eines dreidimensionalen Objektdruckvorgangs zu bilden.
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In dem darstellenden Beispiel aus 3 bildet eine Fläche des dreidimensionalen gedruckten Objekts 150 die Bildaufnahmefläche für das Markierungsmittel im Rasterdruckbild. In einer anderen Konfiguration bildet der Drucker 100 das Rasterdruckbild jedoch auf der Oberfläche des Stützelements 102. In der Folge stößt der Drucker 100 Aufbaumaterial aus den Druckköpfen 104A–104C aus, um eine oder mehrere Schichten eines dreidimensionalen gedruckten Objekts auf dem gedruckten Rastermuster zu bilden. In dieser Konfiguration bildet der Drucker 100 ein gedrucktes Bild auf der Seite des Objekts, die dem Stützelement 102 während des dreidimensionalen Objektdruckverfahrens zugewandt ist, und der Drucker 100 bildet optional mittels des Rasterdruckverfahrens 200 Rasterdruckbilder auf mehreren Flächen des Objekts.
