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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von Inkjet-Düsen in wenigstens einem Druckkopf einer Druckvorrichtung (im Folgenden „Kalibrierverfahren“ genannt) und eine Druckvorrichtung zum Betrieb mit einem solchen Verfahren.
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Mit Verfahren der eingangs genannten Art werden einzelne Druckerdüsen in einer Druckvorrichtung auf ihre Justage und Ausgabemenge hin eingemessen, so dass ein wenigstens annähernd homogenes Druckergebnis erzeugt werden kann. Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der
US 2014/0184683 A1 bekannt, wobei die Ausgabemenge der Druckerdüsen über ein optisches Verfahren mit nachgeschalteter computergestützter Bildauswertung derart erfolgt, dass die einzelnen von den Druckerdüsen ausgegebenen Kontrollvolumina im Flug beobachtet werden (drop-watch) und dann respektive der Form des jeweiligen Kontrollvolumens die individuelle Ausgabemenge berechnet wird. Dafür werden neben optischbildgebenden auch laser-bildgebende Verfahren eingesetzt. Weiter berücksichtigen bekannte Verfahren, dass Druckerdüsen auf geringfügige Änderungen einer Impulsanregung mit einer entsprechend geringfügigen Änderung der Ausgabemenge reagieren, wobei baugleiche Druckerdüsen bspw. durch Fertigungsstreuung wiederum auf unterschiedliche Weise auf Impulsänderungen reagieren können. Es wird in solchen bekannten Verfahren daher angestrebt, eine Kombination verschiedener Ausgabemengen einzelner Druckerdüsen bei jeweils individueller Impulsanregung zu errechnen, welche unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Toleranzbereichs eine Soll-Menge eines Druckfluids in einer Zielregion möglichst genau ablegt.
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Verfahren zum Einmessen der Ausgabemenge und Justage von Druckerdüsen mit ähnlichem Anwendungsbereich finden sich bspw. in der Herstellung von LC-Displays, Solarzellen oder optischen Sensoren.
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Diese bekannten Verfahren sind sehr zeitintensiv. So müssen bspw. zur Ermittlung der vorgenannten Kombinationen von Druckerdüsen zuerst alle Ausgabemengen über die Vermessung der jeweiligen Kontrollvolumina separat ermittelt werden, wobei eine Druckvorrichtung im industriellen Anwendungsfall üblicherweise mehrere hundert bis viele tausende Druckerdüsen aufweist. Auch weisen entsprechende Verfahren sehr hohe Anforderungen an messtechnischer Genauigkeit auf, da die Vermessung eines Kontrollvolumens im Flug entsprechend sensible Fehlerquellen anbietet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung von Inkjet-Düsen in einer Druckvorrichtung und eine Druckvorrichtung zum Betrieb mit einem solchen Verfahren vorzuschlagen, welches schnell und einfach durchführbar ist und gleichzeitig eine hohe Ergebnisgüte bietet.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren zur Kalibrierung von Inkjet-Düsen in einer Druckvorrichtung gemäß Anspruch 1 und eine Druckvorrichtung zum Betrieb mit einem solchen Verfahren gemäß Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen.
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Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren beginnt mit dem Drucken eines ersten Testmusters mit dem wenigstens einen Druckkopf auf ein Testsubstrat. Es folgt das Drucken eines zweiten Testmusters mit dem wenigstens einen Druckkopf auf das Testsubstrat.
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In einer ersten Variante werden erfindungsgemäß zur Bestimmung von Flugbahnparametern, der wenigstens eine Druckkopf und das Testsubstrat in einer Relativbewegung zueinander verfahren und die entsprechende Relativgeschwindigkeit nach dem Drucken des ersten und vor dem Drucken des zweiten Testmusters geändert.
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Alternativ oder zusätzlich sieht das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren vor, zur Bestimmung systematischer Fehljustierungen der Inkjet-Düsen, den Abstand zwischen dem wenigstens einen Druckkopf und dem Testsubstrat nach dem Druck des ersten Testmusters und vor dem Druck des zweiten Testmusters zu verändern.
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Solche vorgenannten Flugbahnparameter können bspw. die Fluggeschwindigkeit eines von einer entsprechenden Inkjet-Düse ausgegebenen Fluidtropfens sein, was wiederum einen Rückschluss auf das Volumen des vorgenannten Fluidtropfens erlaubt. Weiter ist es bspw. möglich, dass einer der zur Kalibrierung vorgesehenen Drucke mit sowohl ruhendem Testsubstrat, als auch ruhenden Inkj et-Düsen ausgeführt wird, während bei dem entsprechend folgenden Druck eine Relativbewegung ausgeführt wird. Eine solche Relativbewegung bedingt nur wenigstens einen Vorrichtungsteil zur Bewegung. So kann sich dabei das Testsubstrat bewegen, während die Inkjet-Düsen stationär sind, wobei es ebenfalls möglich ist, dass das Testsubstrat stationär ist, während sich die Inkjet-Düsen relativ dazu bewegen. Weiter ist es ebenso möglich, dass sich sowohl das Testsubstrat, als auch die Inkjet-Düsen bewegen, wobei die jeweilige Bewegungsgeschwindigkeit nicht gleich sein darf, wenn auch die Bewegungsrichtung identisch ist, da sich dann keine Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden vorgenannten Vorrichtungsteilen einstellt.
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Fehljustierungen können bspw. Abweichungen von einer Soll-Richtung sein, in welche eine entsprechende Inkjet-Düse einen Fluidtropfen ausgibt. Solche Abweichungen können insbesondere durch einen Winkel ausgedrückt werden. Fehljustierungen können darüber hinaus Variationen in den Ist-Positionen der Inkjet-Düsen gegenüber den Soll- Positionen der Inkjet-Düsen am Druckkopf sein.
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Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zuletzt native Einstellungsabweichungen der einzelnen Inkjet-Düsen voneinander durch Abgleich des ersten mit dem zweiten Testmuster ermittelt und/oder neue Betriebsparameter berechnet, wobei diese Ergebnisse zur Justage der Inkjet-Düsen unter Einhaltung einer vorgegebenen Endabweichung genutzt werden. Es kann bspw. aus den Abweichungen der Testmuster voneinander auf die Flugbahn eines aus einer Inkjet-Düse austretenden Fluidtropfens rückgeschlossen werden. Die Flugbahn kann bspw. weiter Rückschlüsse auf die Ausstoßrichtung der Inkjet-Düsen zulassen. Die nativen Einstellungsabweichungen können somit bspw. auf einer Rotation der Inkjet-Düsen oder auf systematischen oder statistischen Streuungen der Fluidtropfen beruhen. Streuungen können bspw. durch nicht ideal senkrecht orientierte Inkjet-Düsen oder unterschiedliche Fluggeschwindigkeiten der Fluidtropfen unter Berücksichtigung des sich bewegenden Testsubstrats hervorgerufen werden. Die Fluggeschwindigkeiten können weiter insbesondere von der Gestalt und dem Volumen der Fluidtropfen abhängen.
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Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren weist eine erhöhte Messgeschwindigkeit und ein einfaches Verfahrensprinzip auf, welches insofern wenige potentielle Fehlerquellen offenbart. Es bietet eine hohe Messgenauigkeit und gewährleistet geringe Stillstandzeitenwährend der Kalibrierung. Gegenüber ähnlichen Verfahren zum Einmessen der Ausgabemenge und der Justage von Druckerdüsen weist sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders kostengünstig aus.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden nach dem Vergleich der Testmuster, Inkj et-Düsen mit ähnlichen nativen Einstellungsabweichungen in Düsengruppen gruppiert, wobei für diese in den Düsengruppen gruppierten Inkjet-Düsen weiter gruppenweise Ansteuerungen derart erstellt werden, dass die vorgegebene Endabweichung der Düsengruppen voneinander nicht überschritten wird. Es ist denkbar, dass eine solche Düsengruppe aus nur einer einzigen Düse besteht und damit auch jede einzelne Düse separat ansteuerbar ist (drive-per-nozzle). Bevorzugt setzt sich eine Düsengruppe aus mehreren einzelnen Düsen zusammen. Die vorgegebene Endabweichung kann bspw. die örtliche Abweichung (Streuung) eines gedruckten Fluidtropfens von einem Zielareal und/oder das ideale Volumen eines gedruckten Fluidtropfens berücksichtigen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform drucken die Inkjet-Düsen zur Bildung eines Testmusters jeweils individuelle Einzeldüsenmuster mit ein oder mehreren Tropfen auf das Testsubstrat. Der Druck mehrerer Tropfen hat den Vorteil, dass die Positionsbestimmung mit einer hohen Genauigkeit durchgeführt werden kann. Jedes durch eine Düse gedruckte Einzeldüsenmuster kann bspw. als Passermarke ausgebildet sein, welche auch bei der Bestückung von Leiterplatten durch bspw. Bestückungsautomaten eingesetzt wird, um insbesondere die Abweichung der realen Position einer Platine gegenüber einer Idealposition zu erfassen und ggf. entsprechende Nachjustierungen durchzuführen. Einzeldüsenmuster können insbesondere rund oder achsensymmetrisch ausgebildet sein undje nach Genauigkeit der vorhandenen optischen Hilfsmittel Durchmesser von 10 Mikrometer bis mehrere Millimeter aufweisen. Jede Inkjet-Düse kann bevorzugt ein eigenes Einzeldüsenmusterbestehend aus einer nicht begrenzten Anzahl Tropfen auf das Testsubstrat drucken. Die Anzahl der Tropfen kann zwischen den einzelnen Inkjet-Düsen abweichen. Als Testsubstrat können weiter verschiedene Erzeugnisse in Betracht kommen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach der Erstellung des zweiten Testmusters ein drittes Testmuster gedruckt, wobei hinsichtlich der Änderungen der Relativgeschwindigkeit und/oder des Abstands nach dem Druck des ersten und vor dem Druck des zweiten Testmusters, entsprechende Änderungen auch nach dem Druck des zweiten und vor dem Druck des dritten Testmusters durchgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Probenumfang für den Rückschluss auf die Streuungseffekte der Fluidtropfen und damit die Rechengenauigkeit erhöht wird. So kann bspw. das dritte Testmuster mit einem nochmals veränderten Abstand des Testsubstrats zu den Inkjet-Düsen und/oder veränderter Relativgeschwindigkeit des Testsubstrats gegenüber den Inkjet-Düsen gedruckt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Vergleich der Testmuster durch eine Bildauswertung, bei der die Position der Einzeldüsenmuster des entsprechenden Testmusters erfasst und daraus die nativen Einstellungsabweichungen ermittelt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Vergleich automatisiert und mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit vorgenommen werden kann, wobei die Ergebnisse unmittelbar an die Steuer- und/oder Regelungstechnik der Druckvorrichtung zur Neujustierung übermittelt werden können. Eine Bildauswertung kann bevorzugt mit Hilfe einer Kamera und computer- bzw. softwaregestützt erfolgen. Dabei können bevorzugt in einer kontinuierlichen Relativbewegung von Kamera und Testsubstrat die einzelnen Einzeldüsenmuster eingemessen werden. Dies kann z.B. mit einer Kamera mit Objektiv in mehreren Kamerafahrten oder aber auch mit einer Zeilenkamera in einer einzigen Kamerafahrt geschehen. Die Kameraaufnahmen können dabei mit Hilfe einer geeigneten Bildanalyse-Software ausgewertet und daraus Steuersignale kalkuliert werden. Es können auch bspw. dieselben Vorrichtungen zur Positionsbestimmung von Einzeldüsenmustergenutzt werden, wie bei der Bestückung von Platinen bzw. Leiterplatten in der herstellenden Elektroindustrie.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Inkjet-Düsen von mit Piezo-Aktoren versehenen Vorratsspeichern gespeist. Dies hat den Vorteil, dass auch kleine Ausgabemengen mit hoher Frequenz und hoher Genauigkeit pro Inkjet-Düse angeregt werden können.
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Der elektrische Impuls kann bspw. Wiederholraten bis zu 200 kHz erreichen. Die Form des elektrischen Signals kann dabei neben der Intensität des Impulses darüber entscheiden, wieviel und mit welcher Geschwindigkeit Fluid von der jeweiligen Inkjet-Düse ausgegeben wird. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mit der vorgegebenen Endabweichung eine Abweichung der von den Düsengruppen ausgegebenen Volumina von untereinander maximal 1% kontrolliert. Dies hat den Vorteil, dass die Fluidtropfen jeder Düse wenigstens annähernd dasselbe Volumen haben. So kann nach der Gruppierung der Inkjet-Düsen bzgl. ihrer nativen Einstellungsabweichung jeder Düsengruppe eine derart individuelle Anregungs-Wellenform, bzw. eine Anregungs-Wellenform unterschiedlicher Intensität, zugewiesen werden, dass das von den Düsengruppen ausgegebene Volumen global um nicht mehr als 1% voneinander abweicht. Dies ist bspw. auch möglich, wenn die Düsengruppen jeweils oder teilweise nur aus einer einzelnen Düse bestehen.
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Eine geringe Streuung des ausgegebenen Tropfenvolumen kann bspw. dann wichtig sein, wenn das eingesetzte Fluid betriebswichtige physikalische Eigenschaften aufweist. So werden gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform aus den Vorratsspeichern organische Halbleiter und/oder Farbfilter als Sub-Pixel auf ein Displaysubstrat gedruckt. Eine Endabweichung im Tropfenvolumen von maximal 3%, bevorzugt maximal 2%, besonders bevorzugt maximal 1% über ein Sub-Pixel eines vollständigen Displaypanels bedeutet ein gleichmäßig hell leuchtendes Display und damit eine hohe Fertigungsqualität.
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Entsprechend kann es empfehlenswert sein, die Anzahl der Düsengruppen so zu wählen, dass die nativen Einstellungsabweichungen der darin jeweils gruppierten Inkjet-Düsen untereinander eine vorbestimmte Toleranz nicht überschreiten. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden daher die Inkjet-Düsen nach dem Vergleich der Testmuster in 1 bis 15, besonders bevorzugt in 3 bis 7 Düsengruppen eingeteilt. Dies hat den Vorteil, dass bspw. die Tropfenvolumen von Inkjet-Düsen innerhalb einer Düsengruppe nicht zu weit von einem Soll-Wert abweichen. Ist die Abweichung der Inkjet-Düsen in einer Düsengruppe untereinander zu groß, kann es ansonsten sein, dass nicht alle Inkjet-Düsen über eine gemeinsame Ansteuerung die gewünschte Endabweichung einhalten können. Die Anzahl der Düsengruppen kann bevorzugt der Anzahl an möglichen verschiedenen Anregungs-Wellenformen entsprechen. Im Falle einer drive-per-nozzle Ansteuerung weist, wie vorangehend erwähnt, jede Düsengruppe nur eine einzelne Düse auf. Dann ist es denkbar, dass jede Düse entsprechend separat ansteuerbar ist. Es ist bspw. möglich, dass eine einzelne Inkjet-Düse an einem Druckkopf angeordnet ist, aber auch, dass mehrere Inkjet-Düsen an einem Druckkopf angeordnet sind. Entsprechend kann die Einteilung wie vorangehend beschrieben von Inkjet-Düsen in Düsengruppen auch druckkopfübergreifend geschehen. Es ist möglich, dass eine räumliche Neuanordnung der Druckköpfe in der Druckvorrichtung zu erhöhter Effizienz der schlussendlich kalibrierten Inkjet-Düsen führt.
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Die erfindungsgemäße Druckvorrichtung für den Betrieb mit einem Verfahren zur Kalibrierung von Inkjet-Düsen in wenigstens einem Druckkopf einer Druckvorrichtung, weist eine Mehrzahl von Inkjet-Düsen zum Drucken von Druckbildern auf ein Testsubstrat auf, wobei die Inkjet-Düsen und das Testsubstrat in einer Relativbewegung zueinander verfahren werden, sowie mit Piezo-Aktoren versehene Vorratsspeicher, welche jeweils einer Inkjet-Düse zugeordnet sind, und Mittel zum automatisierten Vergleich und zur Bewertung von in unterschiedlichem Abstand und/oder Relativgeschwindigkeit gedruckten Druckbildern in Form von Testmustern.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines auf ein Testsubstrat gedrucktes Testmuster;
- 2 eine schematische Darstellung eines Vergleichs des Testmusters aus 1 mit einem zweiten Testmuster.
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Ein in 1 beispielhaft dargestellter schematischer Teil eines Testmuster 10 weist eine Vielzahl kreisförmiger Einzeldüsenmuster 12 auf, welche aus gedruckten Tintentropfen bestehen. Diese wurden auf einen Ausschnitt eines sich in Schubrichtung S bewegenden Testsubstrats 14 gedruckt. Zur Verdeutlichung der Soll-Positionen der Mittelpunkte der Einzeldüsenmuster 12 wurde ein Raster aus horizontalen Punktlinien A-E, sowie korrespondierenden vertikalen Punktlinien 1-5 eingefügt, wobei die Soll-Positionen 16 an den jeweiligen Kreuzungspunkten zu finden sind.
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Die Einzeldüsenmuster 12 weisen jeweils individuelle Abweichungen von ihrer Soll-Position 16 auf, wobei diese jeweils auf Streuungseffekte zurückzuführen sind. Solche Streuungseffekte können bspw. hinsichtlich nativer Einstellungsabweichungen dadurch entstehen, dass entweder die jeweilige Inkjet-Düse von einer idealen senkrechten Ausrichtung abweicht (Schiefstellung), oder dadurch, dass die Soll-Positionen der Inkjet-Düsen am Druckkopf eine Variation gegenüber der Ist-Positionen der Inkjet-Düsen am Druckkopf aufweist, oder dadurch, dass die Anregung der Inkjet-Düse nicht auf die Bewegungsgeschwindigkeit des (Test-)Substrats abgestimmt ist. Letztere Abweichung würde sich durch einen Versatz entgegen der Schubrichtung S des Testsubstrats bemerkbar machen, während sich eine Schiefstellung oder Variation der Soll-Ist Positionen der Inkjet-Düsen in einen Versatz in jede Richtung zeigen kann.
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Bzgl. der Verteilung der Einzeldüsenmuster 12 in 1 fällt auf, dass die Abweichung bei der Mehrzahl der Einzeldüsenmuster 12 linksorientiert, also der Schubrichtung S entgegengerichtet ist. 2 zeigt beispielhaft, wie ein zweites Testmuster im direkten Vergleich zum ersten Testmuster angeordnet sein könnte, wobei die Geschwindigkeit des Testsubstrats 24 bei dem Druck des zweiten Testmusters größer gewählt wurde, als bei dem Druck des ersten Testmusters. Die zweiten Einzeldüsenmuster 28 zeigen eine größere Abweichung von der Soll-Position 26 als die ersten Einzeldüsenmuster 22, da individuelle Düsen jeweils leicht unterschiedliche Flugbahnparameter wie die durchschnittliche Geschwindigkeit der von einer Düse abgefeuerten Tropfen aufweisen. Durch die hieraus resultierenden von Düse zu Düse variierenden Flugzeiten bis zum Auftreffen auf das Substrat ergeben sich bei erhöhter Geschwindigkeit des Testsubstrats messbar unterschiedliche Versatze in Richtung von S. Die Veränderung der Abweichung lässt Rückschluss auf die vorgenannten nativen Einstellungsabweichungen zu.
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Im weiteren Verlauf können die Erkenntnisse der anhand des Vergleichs der Testmuster gemäß 2 genutzt werden, um Düsengruppen mit Inkjet-Düsen ähnlicher nativer Einstellungsabweichung zu bestimmen. In Hinblick auf 2 können drei beispielhafte Düsengruppen X, Y und Z gebildet werden. Die Düsengruppe X kann bspw. aus den am wenigsten von Testmuster 1 zu Testmuster 2 versetzten Inkjet-Düsen [B1, C1, E1, D2, D5] gebildet werden. Eine Düsengruppe Y bspw. aus den Inkjet-Düsen [A1, B2, C2, E2, A3, B3, D3, B4, C4, E4, B5, C5]. Sowie eine weitere Düsengruppe Z mit den am weitesten versetzten Inkjet-Düsen [D1, A2, C3, E3, A4, D4, A5, E5]. Die Abweichungen der vorgenannten Inkjet-Düsen sind augenfällig sehr ähnlich, so dass zu erwarten ist, die jeweiligen Abweichungen durch die Bestimmung einer individuellen Ansteuerungs-Wellenform pro Düsengruppe zu kompensieren.
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In einem nächsten Schritt würde entsprechend für die drei Düsengruppen X, Y und Z jeweils eine Anregungs-Wellenform bestimmt bzw. kalkuliert werden, welche die Abweichungen der Düsengruppen jeweils derart korrigieren soll, dass die Inkjet-Düsen eine vorgegebene maximale Endabweichung bzgl. der Soll-Position 26 einhalten.
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Diese Korrekturen basieren entsprechend auf der Änderung des Ausgabevolumens der Inkjet-Düsen und damit auch der Fluggeschwindigkeit der Tintentropfen. Somit kann neben dem zielgenauen Aufbringen der Tintentropfen auch das ausgegebene Volumen der einzelnen Inkjet-Düsen kontrolliert und geregelt werden. Damit wird eine Endabweichung der Ausgabemengen aller Düsengruppen global von maximal 1% gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1-5
- vertikale Rasterlinien
- 10,20
- Teil eines Testmusters
- 12,22
- Einzeldüsenmuster (erstes Testmuster)
- 14,24
- Testsubstrat
- 16,26
- Soll-Position
- 28
- Einzeldüsenmuster (zweites Testmuster)
- S
- Schubrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0184683 A1 [0002]
