KR102074396B1 - ３차원 디지털 인쇄 방법 및 장치 - Google Patents

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안젤로 레이몬드 쿼트로치오치
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Abstract

상당한 제3 차원을 갖는 기판에 대한 디지털 잉크젯 인쇄를 위한 기법들이 제시된다. 최대 대략 4cm의 제3 차원에서의 가변성을 갖는 기판들에 적절한 120pL 내지 200pL의 범위의 액적들이 발견되었다. 각각이 더 작은 액적을 생성하는 복수의 구동 펄스들을 활용하고, 복수의 더 작은 액적들을 공중에서 결합시킴으로써 더 큰 액적이 생성될 수 있다. 인쇄될 데이터는 3D 모델로부터 도출될 수 있으며, 이러한 3D 모델은 또한 기판의 성형을 가이드하는데 사용될 수도 있다. 3D 모델은 2D 이미지 데이터로부터 생성될 수 있다. 2D 이미지 데이터가 2차원 초상 사진이면, 본 발명을 사용한 결과는 저부조(bas-relief) 조각의 형태의 실제 초상일 수 있다.

Description

３차원 디지털 인쇄 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THREE-DIMENSIONAL DIGITAL PRINTING}
본 발명은 3차원 기판에 대한 디지털 인쇄에 관한 것으로서, 더 구체적으로 잉크젯 인쇄 기술의 사용에 관한 것이다.
디지털 데이터에 따라 잉크가 2차원 기판에 피착되는 2차원 디지털 인쇄 프로세스들의 유용성은 널리 알려져 있다. 그러나, 상당한 제3 차원을 갖는 기판에 대한 잉크 피착의 이슈에 상대적으로 관심이 적었다.
3차원성(three-dimensionality)이 오랫동안 효과적인 전달(communication) 도구로서 알려져 왔다는 사실에도 불구하고 관심은 적었다. 예를 들어, 약 기원전 447년부터 기원전 438년에 건축된 고대 그리스의 파르테논은 “파르테논 프리즈(Parthenon Frieze)” 또는 “엘긴 마블스(Elgin Marbles)”라고 지칭되는 정교한 저부조(low relief) 조각으로 장식되어 있었다. 이러한 부조(relief) 조각은 지금까지 제작된 가장 위대한 작품 중 일부로 널리 인정받고 있다. 부조 조각을 위한 컬러 피착의 유효성 또한 오랫동안 인식되어 왔다. 사실, 파르테논 프리즈 자체는 고대 그리스인들에 의해 채색되었던 것으로 알려져 있다.
당연히, 효과적인 전달 및/또는 표현을 위한 3차원성의 활용에 대한 수많은 추가적인 예시가 있다. 다른 일례는 사람의 “화상(likeness)”이 조각 또는 “흉상(bust)”에 의해 보존될 수 있는 초상화 영역이다. 사진 촬영의 발명 이전에 사람의 화상의 보존은 충분한 부 및/또는 지위를 갖는 사람들이 필요한 예술 노동을 2차원(예를 들어, 그림), 또는 3차원 형태로 보장하기 위한 것이었다. 사진촬영의 도입은 2차원 초상화의 생산을 크게 대중화하였지만, 조각의 사용은 여전히 주로 부 및/또는 권력을 위한 기법으로 남았다.
2차원 영상의 대규모 상업화는 근래에 훨씬 더 "현실적"이고, 정확한 2차원 인쇄 프로세스의 추구를 이끌고 있다. 2차원 인쇄에서의 이러한 개선은 단지 2차원적 사용에 점차 적합해진 잉크 피착 기법들로 이어지고 있다. 예를 들어, “잉크젯” 기술의 경우, 고해상도 인쇄(예를 들어, “인치당 도트 수(dots per inch)” 또는 “dpi”를 600에서 1200으로 증가시킴)“의 생산은 더 작은 잉크 액적(droplet)의 생산에 의해 이루어졌다. 더 작은 액적의 더 높은 해상도를 활용하기 위해, 현대의 잉크젯 프린터들의 “비행 거리(flight distance)”(즉, 기판의 표면과 인쇄 헤드 노즐 사이의 거리)가 꾸준히 감소되고 있다. 이는 일반적으로 더 긴 비행 거리가 잉크 드롭의 궤적에 오류를 도입하는 더 많은 기회를 제공한다는 사실로 인한 것이다.
따라서, 잉크젯 인쇄 기술을 "재고려”하는 것이 유용할 것이고, 이는 3차원 기판에 대한 인쇄의 전망으로부터의 진화이며, 이로써 효과적인 전달 및/또는 예술 작업을 생성하는 프로세스에서의 조각적인 효과의 사용을 위한 더 많은 기회를 제공한다.
본 명세서의 일부에 통합되어 이를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 여러 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 초상 사진(portrait photograph)의 형태로 2D 이미지 데이터의 일례를 도시한다.
도 1b는 3차원 모델로 변환된 도 1a의 2D 이미지 데이터를 도시한다.
도 1c는 적절한 물질로부터 밀링된(milled) 3D 기판을 도시한다.
도 1d는 본 발명의 원리에 따라 구성되는 잉크젯 프린터를 예시하는데, 그 잉크젯 프린터는 도 1c의 3D 기판에 도 1b의 3D 모델을 피착시킨다.
도 1e는 완성된 저부조(bas-relief) 조각의 사진이다.
도 2a는 도 1c의 3D 기판이 어떻게 3D 기판의 해상도와 관련될 수 있는지를 도시한다.
도 2b는 도 2a에 도입된 3D 기판의 추출(abstraction)을 도시한다.
도 2c는 2D 베이스의 구부러짐으로부터 형성되는 튜브형 기판 형상을 도시한다.
도 3a는 예시적인 일반 디지털 잉크젯 프린터를 도시한다.
도 3b는 상면으로부터의 인쇄헤드 캐리지(printhead carriage)의 상세도이다.
도 4는 도 3a에 도시된 바와 매우 유사한 예시적인 잉크젯 프린터를 도시한다.
도 5a는 측면으로부터 도시된 것이고 절단면 E-E를 갖는다는 점을 제외하고, 도 4에 도시된 바와 동일한 프린터를 도시한다.
도 5b는 절단면 E-E에 의해 그래픽적으로 절단된 도 5a의 프린터의 절반을 도시한다.
도 5c는 도 5b에 제시된 기판의 클로즈업을 제시한다.
도 6a는 측면으로부터 도시된 것이고 절단면 G-G를 갖는다는 점을 제외하고, 도 4에 도시된 바와 동일한 프린터를 도시한다.
도 6b는 절단면 G-G에 의해 그래픽적으로 절단된 도 6a의 프린터의 절반을 도시한다.
도 7은 종래의 단일 펄스 파형 및 다중 펄스 파형을 도시한다.
도 8a는 종래의 2D 디지털 잉크젯 인쇄의 간략화된 예시를 제시한다.
도 8b는 경사 오류(slope error)가 왜 일어나는지를 설명하기 위해 직각 삼각형의 3D 기판을 제시한다.
도 9a는 2D 단방향 인쇄에 관한 동적 오류를 예시한다.
도 9b는 2D 양방향 인쇄에 관한 동적 오류를 예시한다.
도 10은 동적인 경사 오류가 3D 인쇄 프로세스에서 어떻게 결합될 수 있는지를 도시한다.
도 11a는 액적이 위치할 수 있는 16개의 위치가 있는 예시적인 그리드를 도시한다.
도 11b는 X축과 평행한 검은색의 수평 라인이 형성되어 있다는 점을 제외하고 도 11a와 동일한 그리드를 도시한다.
도 11c는 50%의 톤을 갖는 그레이를 생성하기 위한 도트 분포를 도시한다.
도 11d는 25%의 톤을 갖는 그레이를 생성하기 위한 도트 분포를 도시한다.
도 12a는 50%의 톤을 갖는 적색을 생성하기 위한 예시적 분포를 도시한다.
도 12b는 25%의 톤을 갖는 적색을 생성하기 위한 예시적 분포를 도시한다.
도 13은 예시적인 범용 컴퓨터를 도시한다.
도 14는 도 13과 함께 본 발명의 기법들이 구현될 수 있는 예시적인 제어/컴퓨팅 시스템을 도시한다.
지금부터 본 발명의 다양한 실시예들에 대해 상세히 언급할 것인데, 이들의 예시들은 첨부 도면들에 도시되어 있다. 가능한 한, 동일한 참조부호는 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하는데 사용될 것이다.
다음의 상세한 설명을 통해, 문맥상 다르게 지시되지 않는 한, “3차원” 및 “3D”라는 용어는 혼용된다. 유사하게, “2차원” 및 “2D”라는 용어도 혼용된다. 또한, 적어도 다음의 약어들, 즉 mm(밀리미터), cm(센티미터), pL(피코리터), 및 dpi(인치당 도트 수)가 사용된다.
상세한 설명의 목차
1 개요
2 3차원 모델링
3 기판 준비
3.1 개요
3.2 밝기
3.3 텍스처(Texture)
3.4 화학적 호환성
4 인쇄 데이터 생성
5 인쇄
5.1 개요
5.2 종래 기술
5.3 3D 인쇄
5.3.1 드롭 무결성
5.3.2 경사 오류
5.3.3 동적 경사 오류
6 제어/컴퓨팅 시스템
1 개요
본 발명은 잉크젯 기술을 이용하여 임의의 3차원 기판(또는 “3D 기판”)에 대한 임의의 패턴(이하 "기판 패턴"이라고 지칭됨) 인쇄에 관한 것으로서,
1. 2차원 공간(이하, “2D 베이스”라고 지칭됨)이 정의될 수 있고,
2. 이러한 2D 베이스에 대하여 제3 차원으로 실질적인 가변성이 있다.
2D 베이스의 차원들은 X, Y라고 지칭될 수 있으며, 제3 차원은 Z라고 지칭될 수 있다. Z차원에서의 변화는 2D 베이스에 일종의 토포그래피(topography)를 추가시킨다. 여기에 사용된 “기판 패턴”이라는 용어는 일종의 패턴 또는 디자인을 포괄하는데, 이는 사용자가 3D 기판에 인쇄하기를 바라는 임의의 다른 방식(또는 제조 방식들의 임의의 조합)으로 사진에 기반하여 합성 또는 생성된다.
앞서 설명된 타입의 인쇄는 “3차원 인쇄”(또는 “3D 인쇄”)라고 지칭될 수 있다. 임의의 패턴이 인쇄될 수 있지만, 이하의 설명은 2D 이미지 데이터가 3D 기판에 대한 인쇄에 적응되게 하는 프로세스에 초점을 맞추고 있으며, 또한 (2D 이미지로부터 생성되는) 3D 모델은 3D 기판의 생성을 가이드하는데 사용될 수 있다.
예를 들어, 2D 이미지 데이터가 사실적이지만 2차원의 사람 사진(예를 들어, 초상 사진)이면, 본 발명을 사용한 결과는 저부조 조각의 형태의 실제 초상일 수 있다. 저부조 조각의 정의는 다음과 같다.
일반적으로, 부조(relief)는 관측자에게 시각적 작품을 전달하기 위해 (“기판”이라고 지칭되는 원물질의 물품으로부터) 형성된 사물이다. 부조는 기준 면(또는 2D 베이스라고도 지칭됨)에 비해 높은(또는 낮은) 적어도 하나의 “구조적 요소”를 가짐으로써 시각적 작품을 전달한다는 점에서 여러 다른 형태의 시각적 전달수단과 구별될 수 있다. Z는 구조적 요소가 이에 따라 상승 또는 하강하는 차원이다. 이러한 구조적 요소들의 형성은 (이들로 제한되는 것은 아니지만) 몰딩(molding), 밴딩(bending), 밀링(milling), 또는 카빙(carving)을 포함하는 임의의 적절한 기법(들)에 의해 달성될 수 있다.
"구조적 요소(structural element)”는 제3 차원을 가짐으로써 영향을 받고자 하는 작품의 평범한 관람자(ordinary viewer)에 의한 인식을 갖는 요소이다. “평범한 관람자”는 사람의 지명도의 정상 범위 내에 있어서 시각적 보조물의 사용과 무관하게 정상 레벨의 시각적 예리함을 갖는 사람으로서 정의될 수 있다.
부조의 이점은 2D 묘사와 비교할 때 Z차원이 하나 이상의 구조적 요소들을 통해 향상된 사실성을 추가할 수 있다는 것이다.
본 발명은 잉크젯 기술을 이용하여 “저"부조(“bas" or "low” relief) 카테고리에 속하는 부조에 대한 인쇄에 초점을 맞춘다. 공식적으로, 저부조는 다음과 같이 정의될 수 있다. 기준면에 수직인 시선을 따라 관측자가 부조의 임의의 지점을 보는 경우, 이러한 지점은 부조의 임의의 다른 표면 지점에 의해 관측으로부터 차단되지 않는다. 비공식적으로, 이는 부조가 “오버행(overhang)”을 갖지 않는 것으로 말함으로써 표현될 수 있다.
도 1a는 초상 사진(야구 모자를 쓴 소년)의 형태로 2D 이미지 데이터의 일례를 도시한다. 3D 기판의 생성을 가이드하기 위해, 도 1b는 3차원 모델(“3D 모델”)로 변환된 도 1a의 2D 이미지 데이터를 도시한다. 도 1c에는 3D 기판이 도시되어 있는데, 여기서 3D 기판은 3D 모델에 따라 적절한 물질(예를 들어, 고밀도 우레탄(High-Density Urethane) 또는 발포 폴리스티렌(Expanded Polystyrene))로부터 밀링된다. 도 2a는 도 1c의 3D 기판이 어떻게 3D 기판의 상기 해상도와 관련될 수 있는지를 도시한다. 특히, 도 2a는 2D 베이스(210)의 정의를 도시한다. 2개의 축, X축 및 Y축만을 이용하여 설명될 수 있는 2D 베이스에 대하여, 초상 조각의 “얼굴”의 상단을 따라 아웃라인(220)을 보여줌으로써 Z차원이 도입된다. 도 2b는 도 2a에 도입된 3D 기판의 추출(abstraction)을 도시한다. 도시될 수 있는 바와 같이, 도 2b는 “200”이라고 표시된 3개의 축 세트를 도입한다. 2D 베이스(210) 상의 임의의 위치는 3개의 축 중 2개만, 즉 X축 및 Y축에 의해 식별될 수 있다. 또한, 3D 기판의 표면의 일부를 표현하는 아웃라인(220) 상의 임의의 위치는 “Z”의 제3 차원을 도입함으로써 식별될 수 있다. 특히, 도 2b는 화살표 221로 식별되는 아웃라인(220) 상의 특정 지점을 도시한다. 알 수 있듯이, 화살표 221은 초상 조각의 "얼굴”의 “이마” 위의 특정 지점의 높이를 식별한다.
도 1c의 3D 기판을 다시 고려하면, 이 기판은 아직 잉크젯 인쇄의 대상이 아니라는 것을 알 수 있다. 도 1d에는 도 1c의 3D 기판에 도 1b의 3D 모델을 피착시키는 본 발명의 원리에 따라 구성된 잉크젯 프린터가 도시되어 있다. 도 1e는 도 1a의 2차원 이미지 데이터에 의해 보여지는 사람의 실제 표현인 완성된 저부조 조각의 사진이다. 도 1a의 2차원 이미지 데이터는 단색(예를 들어, 단지 흑백)으로 도시되어 있지만, 당업자는 이 이미지가 컬러일 수 있다는 점을 용이하게 이해할 것이다. 이 경우, 도 1b의 3D 모델은 이러한 착색(coloring)을 포함할 수 있으며, 도 1d의 인쇄는 사실적으로 착색된 저부조 조각을 생성하기 위해 도 1e에 대하여 적절한 컬러의 잉크들의 피착을 포함할 수 있다.
다른 예시 기판 패턴으로서, 구간별 적절한 착색이 적절한 컴퓨터 “그림” 도구에 의해 추가되어 있는, 파르테논 프리즈의 사실적인 3차원 컴퓨터 모델을 고려한다. 본 발명을 사용한 결과는 역사적으로 정확한 착색 방식에 따른 잉크 피착을 이용한 파르테논 프리즈의 3차원 재현일 수 있다.
일반적으로, 2D 이미지 데이터가 인쇄된 저부조 조각의 생성은 다음의 단계들(이하 이들 각각이 상세히 다루어짐)을 포함하는 것으로서 설명될 수 있다.
1. 3D 모델링
2. 기판 준비
3. 인쇄 데이터 생성
4. 기판에 기판 패턴 인쇄
일반적으로, 3D 모델링, 인쇄 데이터 생성, 및 기판에 기판 패턴 인쇄 단계가 순서대로 수행되어야 하지만, (기판을 성형하는 단계, 가능한 경우, 기판 표면의 처리를 포함하는) 기판 준비 단계가 인쇄 단계 전의 임의의 시점에 행해질 수 있다.
적절한 3차원 효과를 이루기 위해 Z차원이 2D 베이스에 대하여 달라질 필요가 있는 최대 정도는 적어도 다음의 요인들에 의존할 수 있다.
1. 생성될 3D 기판의 사이즈
2. 관측 거리(즉, 관측자가 3D 기판을 관측하고자 하는 통상적인 거리 범위)
3. 3D 기판에 의해 운송될 대상물; 및
4. 3D 기판을 생성하는 사람 또는 조직의 전달 목적
일반적으로, 완성된 3D 기판이 작을수록, 관측 거리가 짧으며, Z차원은 적절한 3차원 효과를 이루기 위해 달라질 필요가 더 적다. 관측 거리가 짧은(예를 들어, 30 내지 60cm) 작은 물체(예를 들어, 변마다 약 9cm인 정육면체(cube)의 사이즈 범위에 있는 물체)의 경우, 약 1cm만큼 달라질 수 있는 Z차원은 충분한 3차원 효과를 제공할 수 있다. 더 긴 관측 거리(예를 들어, 1 내지 2미터)를 갖는 (“실물 사이즈”의 저부조 초상과 같은) 더 큰 물체의 경우, 약 2cm만큼 달라질 수 있는 Z차원이 바람직할 수 있다.
여기에 설명된 기법들을 사용하면, 수용될 수 있는 Z차원의 변화량은 적어도 대략 4cm이다.
흥미롭게도, 길이가 100미터 이상이고 높이가 약 1미터인 파르테논 프리즈는 약 5.6cm 정도 달라질 수 있는 Z차원을 갖는다는 점에 유의한다.
3D 인쇄의 앞서 제시된 정의와 관련하여, 2D 베이스는 (고전적인 유클리드 평면에서와 같이) 평면일 필요가 없다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 예를 들어, 도 2b의 2D 베이스(210)는 하나 이상의 커브를 가질 수 있다. 도 2c는 축들 중 하나를 따라 구부러진 것을 제외하고 도면부호 210과 유사한 2D 베이스를 도시한다. 더 구체적으로, 도 2c는 2D 베이스(210)의 구부러짐으로부터 형성된 튜브 형상(211)을 도시한다. 이러한 튜브형 기판이 (도 2c의 좌측 상단에 도시된 바와 같은) 직선의 축 세트(200)로 여전히 설명될 수 있지만, X 차원을 따라 구부러진 축 세트(예를 들어, 202로 번호 매겨짐)를 활용하는 것이 더 효율적일 수 있다. 이 경우, 도 2b의 X축, Y축, 및 Z축은 도 2c의 X2축, Y2축, 및 Z2축에 대응한다. 동일한 초상 조각 “얼굴”의 동일한 부위(220)가 튜브 형상(211)의 우측으로부터 돌출된 것으로 도시된다. 도 2b의 경우와 마찬가지로, 도 2c의 화살표(221)가 초상 조각의 “얼굴”의 “이마” 상의 특정 지점의 높이를 식별한다.
튜브형 뿐 아니라 다른 형상들이 2D 베이스의 X차원 및/또는 Y차원을 하나 이상의 곡선들에 종속시킴으로써 생성될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 다른 예시 형상들은 (이들로 제한되는 것은 아니지만) 2D 베이스가 (적어도 일정 정도) 자체적으로 닫혀 있는 형상(예를 들어, 구 또는 토로이드(toroid)) 및 2D 베이스가 자체적으로 닫혀 있지 않은 형상(예를 들어, "새들(saddle)" 형상)을 포함한다.
2 3차원 모델링
기판의 제3 차원이 이미지 데이터의 사실성과 함께 작용하여 이를 향상시키도록 2D 이미지 데이터가 3D 기판 상에 인쇄되는 경우, 이러한 이미지의 3차원 모델(또는 3D 모델)을 생성하는 것이 유리하다. 그 후, 이러한 3D 모델은 인쇄를 위한 기판 패턴 역할을 할 수 있다.
3D 모델을 생성하기 위해 임의의 적절한 3차원 모델링 소프트웨어가 사용될 수 있다. 이러한 소프트웨어의 일례는 미국 캘리포니아주 샌 라파엘 소재의 Autodesk 사의 “Mudbox”가 있다. 예를 들어, 대상 물질의 실제 텍스처 및/또는 형상은 2차원 이미지로부터 명확해지지 않을 수도 있기 때문에 이러한 프로세스에는 내재적인 도전과제들이 있다. 이러한 예시에서, 텍스처 및/또는 형상은 추론될 필요가 있다. 추론은 인간인 작동자의 가이드 하에서, 또는 더 자동화된 프로세스를 인정하는 적절한 알고리즘 하에서 달성될 수 있다. 3차원 모델의 생성에서의 다른 도전과제들은 다음을 포함할 수 있다.
1. 잉크의 레이다운을 방해할 수 있는 언더컷(undercut) 또는 오버행(overhang)의 도입을 회피함.
2. 잉크의 불충분한 밀도의 레이다운을 초래할 수 있기 때문에 너무 가파른 경사의 도입을 방지한다.
대안으로서, 기판 패턴은 3차원 모델로서 원래 생성되어 2D 이미지에서 3D 모델로의 변환 단계를 스킵할 수 있다. 3D 모델을 생성하기 위한 기법들은 다음을 포함한다.
1. 임의의 적절한 3차원 모델링 소프트웨어를 사용하여 3차원적으로 표현되면서 완전히 합성될 수 있는 이미지 생성. 이 경우에도, 적절한 소프트웨어의 일례는 (전술한 바와 같은) Autodesk 사의 Mudbox이다.
2. 스캐닝 프로세스에 의해 3D 모델로서 실세계 물체(real world object) 또는 장면 재현.
(2D 이미지 데이터의 모델링 또는 3D 모델의 직접 합성을 위한) 3D 모델링용 소프트웨어는 소프트웨어와 하드웨어의 임의의 적절한 조합 또는 하드웨어만의 적절한 구성에 의해 실행될 수 있다. 소프트웨어 및 하드웨어의 예시적인 적절한 조합은 범용 컴퓨터 실행 소프트웨어이다.
예시적인 범용 컴퓨터가 도 13에 도시되어 있다. 도 13은 중앙 처리 장치(CPU)(1301)(또는 다른 적절한 프로세서(들)) 및 메모리(1302)를 포함하는 워크스테이션 컴퓨터(1300)를 도시한다. 메모리(1302)는 (예를 들어, 3D 모델링 또는 후술되는 바와 같은 래스터 이미지 프로세싱(Raster Image Processing)을 위한) 적절한 소프트웨어 및 그 데이터가 저장된 영역(1303)을 갖는다. 도면부호 1303이 단일 영역으로서 도시되어 있지만, 당업자는 실제로 이러한 소프트웨어가 여러 메모리 영역 또는 여러 컴퓨터에 분산될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 또한, (가상 메모리와 같은) 컴퓨터의 메모리 조직화에 따라, 메모리(1302)는 여러 타입의 메모리(캐시, 랜덤 액세스 메모리, 하드 디스크, 및 네트워크 파일 서버를 포함함)를 포함할 수 있다. 컴퓨터(1300)는 소프트웨어와 사용자 사이에 상호작용을 제공하기 위한 디스플레이 모니터(1305), 마우스 포인팅 디바이스(1304), 및 키보드(1306)를 장착할 수 있다. 컴퓨터(1300)는 또한 컴퓨터 판독가능 매체(1307)로부터 매체 판독기(1308)를 거쳐 메모리(1302)로 컴퓨터 판독가능 명령어들을 판독하는 경로를 포함한다. 컴퓨터(1300)는 또한 인터넷(또는 다른 네트워크)을 거쳐 네트워크 인터페이스(1309)를 통해 컴퓨터 판독가능 명령어들을 판독하는 경로를 포함한다.
일부 실시예에서, 본 발명을 구현한 컴퓨터 프로그램들은 컴퓨터 판독가능 매체, 예를 들어 CD-ROM 또는 DVD에 저장된다. 다른 실시예들에서, 컴퓨터 프로그램들은 전자기 반송파에서 구현된다. 예를 들어, 전자기 반송파는 네트워크를 통해 액세스되는 프로그램들을 포함할 수 있다.
디스플레이 모니터(1305), 마우스 포인팅 디바이스(1304), 및 키보드(1306)가 생략되면, 도 13은 임베디드 컴퓨터 시스템을 대표할 수도 있다.
3 기판 준비
3.1 개요
그러나, 3차원 모델이 3차원 기판을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 3D 기판은 임의의 적절한 기법에 의해 성형 또는 형성될 수 있는 임의의 적절한 물질로 형성될 수 있다. 물질의 적절성에 영향을 미칠 수 있는 요인들은 활용되는 성형 또는 형성 기법, 필요한 기판 표면의 타입, 및 일단 인쇄가 완성되고 나서의 3D 기판의 최종 사용 응용을 포함할 수 있다. 성형 기법들은 이들로 제한되는 것은 아니지만, 형성(forming), 몰딩, 압출(extruding), 밴딩, 밀링, 또는 카빙(carving)을 포함할 수 있다. 밀링의 일례는 3D 모델을 사용하여 컴퓨터 수치제어(CNC:Computed Numerically Controlled) 밀링 머신을 가이드하는 것이다.
CNC 밀링 머신은 초기의 균일한 깊이(또는 Z차원)를 갖는 고형 물질 조각으로부터 3차원 모델의 제3 차원을 카빙할 수 있다. 밀링될 물질은 예를 들어, 고밀도 우레탄(HDU) 또는 발포 폴리스티렌일 수 있다. 그러나, 충분히 평탄하고 후속 처리를 받아들일 수 있는 표면을 초래하기만 하면, 임의의 물질이 사용될 수 있다.
예를 들어, 코팅이 밀링된 기판에 적용될 수 있는데, 다음의 목적들의 임의의 조합을 위한 것이다.
1. 인쇄 프로세스의 컬러들이 일정한 색역(color gamut)을 이룰 수 있도록 충분한 밝기를 갖는 기판을 생성한다.
2. 원하는 표면 텍스처 및/또는 외관을 제공한다.
3. 기판을 인쇄 프로세스와 화학적으로 호환 가능하게 만든다.
이들 목적 각각은 다음의 서브 섹션에서 더 상세히 다루어진다.
3.2 밝기
광학적으로 밝은 코팅은 다음 중 일부 또는 전부를 이루는데 중요하다.
1. 활용된 잉크들이 생성할 수 있는 최대 색명도(color lightness)
2. 가장 정확한 색 재현(color reproduction) 제공
3.3 텍스처
코팅의 광택 레벨(gloss level)은 3차원 인쇄 프로세스의 최종 제품의 외관에 영향을 미치는 중요한 요인이다. 이 광택은 인쇄되어 경화된 잉크의 광택과 비슷할 수 있으며, 이로써 잉크 레이다운 밀도가 변하는 광택 변화를 회피할 수 있다.
코팅 적용 방법은 최종 제품의 외관에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 스프레잉(spraying)과 반대로, 브러싱(brushing)은 다음의 이유 중 일부 또는 전부 때문에 특히 유용한 표면을 생성할 수 있다.
1. 인쇄 동작에 내재된 인쇄 아티팩트들의 숨김(disguise) 보조
2. 채색된 캔버스와 유사한 외관 제공
실제로, 코팅이 적용되는 기법은 사용된 특정 기판 및/또는 코팅 물질들보다 최종 제품에 영향을 미치는 더 중요한 요인일 수 있다.
3.4 화학적 호환성
전술한 기판에 인쇄하기 위한 적절한 잉크들은 다음의 특징들을 갖는 잉크젯 잉크들을 포함한다.
1. UV 방사 경화성(radiation-curable)
2. 안료 기반, 및
3. 주로 아크릴레이트 단량체(acrylate monomer) 및 UV 광개시제(photoinitiator) 함유
이들 특성을 충족시키는 UV 잉크들은 고분자 물질(polymeric materials) 및 코팅에 잘 작용하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 기판 표면이 적절하면, 다른 화학적 성질들의 잉크가 사용될 수 있다. 다른 종류의 잉크들은 예를 들어, 염료, 수성(water-base), 라텍스, 또는 상변화를 이용하기 때문에 상이할 수 있다.
일반적으로, 기판의 표면 에너지는 잉크와의 호환성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 낮은 표면 에너지 기판은 이미지 왜곡 및/또는 디테일 손상을 초래할 디웨팅(de-wetting)을 초래할 수 있다. 반대로, 다공 또는 섬유 표면은 흡수 또는 모세관 작용을 통해 이미지 디테일을 왜곡하고 색 정확도 또는 강도에 영향을 미칠 수 있다. 코로나 처리를 포함하여 표면 에너지를 수정하는 방법들이 존재한다.
4 인쇄 데이터 생성
그러나, 특정 프린터 및 특정 기판에 인쇄하기 위해 기판 패턴이 통상적으로 추가 프로세싱을 필요로 한다. 이러한 추가 프로세싱은 “프리프레스(prepress)”라고 지칭되고, 래스터 이미지 프로세서(RIP)라고 지칭되는 것에 의해 달성될 수 있다. 여기서 프리프레스 프로세스의 출력은 “인쇄 데이터”라고 지칭된다. 인쇄 데이터는 3D 기판에 대한 기판 패턴의 실제 인쇄를 이루기 위해 프린터에 의해 사용될 수 있다.
RIP의 주요 기능은 색 및/또는 음영이 연속 톤 포맷으로 인코딩되는 기판 패턴을 (하프톤 포맷이라고 알려진) 도트들의 패턴으로 변환하는 것이다. 연속 톤 포맷은 통상적인 컴퓨터 스크린에 디스플레이되는 기판 패턴들에 대해 전형적이다. 연속 톤 포맷들은 픽셀당 일정 개수의 비트들을 할당하는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 단색 그레디언트(monochromatic gradient)를 인코딩하는 연속 톤 그레이 스케일 이미지는 픽셀당 8개의 비트를 할당하여 검은색부터 흰색까지의 범위에서 256 레벨을 허용한다. 다른 예시로서, 연속 톤 컬러 이미지는 픽셀당 24개의 비트를 할당할 수 있는데, 적색, 녹색, 및 청색(RGB 가색 인코딩(additive color encoding)이라고도 지칭됨)마다 8개의 비트를 갖는다.
연속 톤 그레이 스케일 이미지를 2D 기판에 디스플레이하는 하프톤 접근법은 다음과 같다. 인쇄 데이터는 단지 적절한 간격의 위치들의 그리드를 대표할 수 있으며, 여기서 각각의 그리드 위치는 단일 데이터 비트에 의해 표현된다. 비트마다, 하나의 값은 드롭이 (그리드 위치에) 위치되지 않을 것이라고 표시하고, 다른 하나의 값은 드롭이 인쇄될 것이라고 표시한다. 예를 들어, 도 11a는 액적이 위치할 수 있는 16개의 위치가 있는 4개의 열(C0-C3) 및 4개의 행(R0-R3)을 갖는 그리드를 도시한다. 프린터가 600개의 인치당 도트(dpi)의 해상도를 가지면, 각각의 행은 임의의 인접 행들로부터 1/600인치 떨어져서 위치하며, 각각의 열은 임의의 인접 열들로부터 1/600인치 떨어져서 위치한다. 하프톤 인쇄를 위해, 도 11a의 그리드의 상태는 총 16개의 비트에 관해 그리드 위치당 하나의 비트만을 할당함으로써 표현될 수 있다.
도 11b는 도트가 행 R1 내지 행 R2의 모든 그리드 위치에 위치하여 X축에 평행한 검은 수평 라인을 형성하는 것을 제외하고, 도 11a와 동일한 그리드를 도시한다. 600dpi에서 유용한 길이의 수평 라인을 형성하는 것은 단지 4개인 도트의 행보다 훨씬 더 많은 것을 요구한다. 예를 들어, 단순히 길이가 1/10인치인 라인을 갖는 것은 일 행에 60개의 픽셀을 요구한다.
도 11a가 순백색을 표현하며, 도 11c는 50% 톤의 그레이를 생성하기 위한 도트 분포를 도시하며(16개의 위치의 1/2이 검은색이기 때문), 도 11d는 25% 톤의 그레이를 생성하기 위한 도트 분포를 도시한다(16개의 위치의 1/4이 검은색이기 때문). 이들은 단지 예시적인 분포일 뿐이며, 하프톤 이미지 인코딩 분야의 당업자는 이 도트들의 여러 다른 배치들이 사용될 수 있다는 것을 알 것이다. 물론, 특정 레벨의 토널리티(tonality)의 그레이의 인식은 도시된 16개보다 훨씬 더 많은 개수의 그리드 위치들에 대해 생성된다. 예를 들어, 1/10 제곱 인치 영역에 일정한 그레이 레벨을 생성하는 것은 (3600비트로 표현되는) 60×60 그리드 또는 3600개의 그리드 위치의 제어를 요구한다.
연속 톤 컬러 이미지를 2D 기판에 디스플레이하는 하프톤 접근법은 다음과 같다. 먼저, 적절한 컬러 인코딩 기법이 선택되어야 한다. 청록색, 마젠타색, 및 노란색(또는 CMY)을 사용하는 감색(subtractive color) 인코딩 기법이 가장 일반적이다. 이들 컬러 각각은 별도의 그리드로 표현될 수 있다. 이들 그리드 각각은 각각의 비트가 그리드에 의해 표현된 그리드 위치에서의 컬러의 존재 또는 부존재를 표현하는 것을 제외하고 연속 톤 그레이 스케일 이미지들의 하프톤 인코딩에 관해 전술한 바와 본질적으로 동일하다.
도 12a는 하나의 타입의 크로스 해칭(cross-hatching)을 갖는 도트들이 마젠타색을 표현하고, 다른 타입의 크로스 해칭을 갖는 도트들은 노란색을 표현하면, 예를 들어, 50% 톤의 적색을 생성하기 위한 분포를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 각각의 타입의 크로스 해칭은 16개의 그리드 위치들의 1/2를 점유한다. 유사한 방식으로, 각각의 타입의 크로스 해칭은 16개의 그리드 위치들의 1/4를 점유하기 때문에, 도 12b는 25%의 톤을 갖는 적색을 생성하기 위한 도트 분포를 도시한다. 이들은 단지 예시적인 분포일 뿐이며, 하프톤 이미지 인코딩 분야의 당업자는 마젠타색 도트들 및 노란색 도트들의 여러 다른 배치들이 사용될 수 있다는 것을 알 것이다.
도 11의 그리드와 도 12의 그리드 사이의 2개의 차이 및 2D 기판에 대한 실제 인쇄 결과는 다음을 포함한다.
1. 다양한 오류로 인해 액적에 의해 형성된 도트들은 일반적으로 그리드 지점들의 중심에 정확하게 위치하지 않는다.
2. 액적에 의해 형성된 도트들은 일반적으로 더 크다. 대개, 도트들은 인접 그리드 위치들에 있는 도트들과 일부 중첩될 만큼 충분히 크다. 명확성을 위해 더 작은 도트들이 여기에 도시되어 있다.
하프토닝 프로세스(halftoning process)에서의 추가 제어를 제공하기 위해, 생성된 그레이 또는 컬러 톤에 대해, 일부 하프토닝 프로세스들(이하 “그레이-스케일 하프토닝”이라고 지칭됨)이 다수의 사이즈 액적을 활용한다. 이로 인해, 드롭이 특정 그리드 위치에 존재하는지 여부를 결정하는 것에 추가하여, 그레이-스케일 하프토닝은 미리 정의된 사이즈의 선택 중 하나일 수 있는 드롭을 위치시키는 옵션을 제공한다. 종래의 2D 그레이 스케일 하프토닝에서, 각각의 드롭 사이즈는 단일 구동 펄스에 의해 생성된다. 다음 섹션에서(섹션 5 “인쇄"), 이는 3D 인쇄와 대조적인데, 여기서 다수의 구동 펄스들이 단지 하나의 드롭의 생성에 사용될 수 있다.
컬러 인코딩 방식들 사이의 변환에 추가하여, RIP는 3D 기판에 나타낸 바와 같이 기판 패턴의 외관을 더 개선하기 위해 인쇄 데이터 내의 로컬 보상을 수행할 수 있다. (“경사 오류(slope error)”, “동적 오류(dynamic error)”, 및 “동적 경사 오류(dynamic slope error)”와 같이 후에 정의되는 오류들에 관한) 이러한 보상들은 인쇄에 대한 섹션에서 후술된다.
RIP에 의해 수행되는 다른 표준 동작들은 기판 패턴의 사이즈를 조정하고/하거나 회전시키는 것을 포함하는데, 이들은 패턴을 물리적 기판에 매칭하는데 필수적일 수 있다.
RIP의 동작들은 소프트웨어와 하드웨어의 임의의 적절한 조합 또는 하드웨어만의 적절한 구성에 의해 실행될 수 있다. 소프트웨어 및 하드웨어의 예시적인 적절한 조합은 범용 컴퓨터 실행 소프트웨어, 임베디드 컴퓨터 실행 소프트웨어 및/또는 펌웨어를 포함한다.
5 인쇄
5.1 개요
이 섹션은 디지털 잉크젯 프린터를 이용하여 인쇄 데이터가 3D 기판에 실제 인쇄될 수 있는 장치 및 방법을 다룬다. 예시적인 프린터는 와이드 포맷 GandInnovations, Agfa Jeti, Model 3150이다(GandInnovations 사는 캐나다 온타리오주 미시소거 소재임). 이 프린터는 3미터(또는 “m”)×1.5m 리지드 기판(rigid substrate)까지 지지할 수 있는 이동 테이블을 갖는다.
예시적인 일반 디지털 잉크젯 프린터(301)는 도 3a에 도시되어 있으며, 도면부호 300으로 집합적으로 식별되는 3개의 축 세트(X, Y, 및 Z)에 관해 설명되어 있다. 프린터는 인쇄헤드 캐리지(310)로 구성된다. 기판(320)에 대한 캐리지(310)의 X축 모션은 캐리지 가이드(312)를 따라 이동시킴으로써 이루어진다. 기판(320)에 대한 캐리지(310)의 Y축 모션은 이동 테이블(311)에 의해 이루어진다. 테이블(311) 및 가이드(312)는 메인 구조 지지 표면(313)에 의해 지지된다.
도 3b는 상면으로부터의 인쇄헤드 캐리지(printhead carriage)(310)만의 상세도이다. 도 3a의 축 세트(300)의 X축 및 Y축은 도 3b에서의 대응하는 위치에 도시되어 있다. 도 3b는 24개의 잉크젯 인쇄헤드를 포함하는 인쇄헤드 캐리지(310)를 도시한다. 각각의 인쇄헤드는 단일 열의 노즐들을 거쳐 단일 컬러를 인쇄한다고 가정한다. 인쇄헤드는 12개의 쌍으로 배열되는데, Y차원을 따라 놓인 각각의 쌍의 2개의 인쇄헤드는 동일한 컬러를 인쇄하며, 서로 약간 줄이 안맞는다. 예를 들어, 인쇄헤드(311 및 312)는 컬러, 밝은 마젠타색(또는 LM)을 인쇄하는 쌍을 형성한다.
전체적으로, 인쇄헤드 캐리지(310)가 감색 CMY(청록-마젠타-노랑)(subtractive CMY) 컬러 인코딩 방식에 따라 컬러를 인쇄하는 것을 알 수 있다. CMY 인쇄의 전형으로서, 검정은 검정 잉크(여기서 검정은 “K”라고 표현됨)를 갖는 인쇄헤드에 의해 생성된다. 또한, 더 미세한 컬러 범위를 제공하기 위해, 섹션 4(“인쇄 데이터 생성”)에서 전술된 하프톤 방식 내에 여전히 있는 동안, 컬러, LM(밝은 마젠타) 및 LC(밝은 청록) 또한 제공된다.
인쇄 속력을 증가시키는 수단으로서, 각각이 6쌍의 인쇄헤드를 포함하는 2개의 별도의 세트가 인쇄헤드 캐리지(310)에 제공된다. 6쌍의 제1 세트는 다음의 컬러들 즉, LM(인쇄 헤드(311 및 312)의 쌍), LC, Y, M, C, K를 좌에서 우로 인쇄한다. 6쌍의 제2 세트는 다음의 컬러들 즉, K(인쇄 헤드(313 및 314)의 쌍), C, M, Y, LC, 및 LM을 좌에서 우로 인쇄한다.
통상적으로, 프린터(301)는 캐리지(310)가 X방향을 따라 이동(또는 "스캔")함에 따라 밴드들에서의 인쇄에 의해 기판(320)을 커버한다. 각각의 밴드의 폭은 캐리지(310)의 Y 차원을 따른 노즐들의 개수에 의존한다. 인쇄헤드들은 인쇄헤드 캐리지(310)에서 쌍으로 배열되어 밴드의 폭을 증가시킨다. 한 쌍의 인쇄헤드는 서로 정확히 일렬로 배치되지는 않는데(즉, 이들 노즐은 Y축에서 정확하게 동일한 위치를 따르지 않음), 그 이유는 인쇄헤드의 노즐들이 통상적으로 에지로 연장되지 않기 때문이다.
도 3b의 상세도(330)는 한 쌍의 인쇄헤드들을 오프셋하는 것이 어떻게 (X축으로 고정된 상태에서) Y축을 따라 하나의 긴 노즐 열처럼 동작하게 하는지를 도시한다. 구체적으로, 인쇄헤드 쌍 각각에 대해, 상위 인쇄헤드의 최종 노즐(예를 들어, 인쇄헤드(311))은 하부 인쇄헤드의 최초 노즐(예를 들어, 인쇄헤드(312))과 중첩되게 만든다. 이러한 기법은 “스티칭(stitching)”이라고 지칭된다. 스티칭을 이루는데 필요한 오프셋의 양은 Xoffset로 표현된다. 각각의 인쇄헤드들의 쌍의 인쇄헤드의 파이어링(firing) 타이밍은 X에 대해 고정된 값에서 특정 데이터 열의 경우 기판의 동일한 X 위치에 있는 파이어 도트들 모두가 노즐들의 단일의 연속 열의 효과를 생성하도록 제어된다.
스티칭이 사용된 경우, 여분의 노즐들이 인쇄 기판 패턴에서 행(즉, 고정된 Y)을 따라 다음 드롭을 제공하는 노즐 사이에서 교번하도록 만들 수 있다. 스티칭은 임의의 정렬 오류를 극복하고 하나의 열의 다수의 헤드로부터 인쇄의 더 균일한 블랜딩을 생성하는 것을 보조한다.
프린터(301)가 밴드를 생성한 후, 다음 밴드는 이동 테이블(311)에 의해 Y(또는 “스텝”) 방향을 따라 기판(320)을 이동시켜서 생성된다. 그 후, 다음 밴드는 2가지 방식 중 하나로 인쇄될 수 있다.
1. X 방향을 따라 인쇄헤드 캐리지(310)의 이동 방향 반전
2. 이전 밴드에 사용되었던 것과 동일한 방향을 따라 인쇄헤드 캐리지(310)를 이동시킴으로써 새로운 밴드 인쇄
방향을 반전시키는 접근법 1은 접근법 2에 비해 인쇄 프로세스의 속력을 증가시키는 이점을 갖는데, 그 이유는 다음 밴드의 인쇄가 인쇄헤드 캐리지(310)가 시작 지점으로 돌아갈 것을 기다릴 필요가 없기 때문이다. 그러나, 접근법 1은 인쇄헤드의 제어가 방향의 차이를 보상하기 위해 조정되지 않으면 일반적으로 사용될 수 없다. 이는 방향 변화가 2D 인쇄에 관한 오류(“동적 오류”라고 지칭됨)를 도입하기 때문이다. 3D 인쇄의 경우, 경사진 표면에 대한 포텐셜(potential)로 인해 동적 오류는 훨씬 더 복잡해지며, 이하 “동적 경사 오류(dynamic slope error)”라고 지칭된다. 이하, 동적 오류와 경사 오류 모두가 설명된다.
도 4는 도 3a에 도시된 바와 매우 유사한 예시적인 잉크젯 프린터(401)를 도시한다. 대응관계의 일부는 다음과 같다.
인쇄헤드 캐리지(310 및 410);
메인 지지 표면(313 및 413);
X 모션 가이드(312 및 412);
Y 모션 테이블(311 및 411);
축 세트(300 및 400); 및
기판(320 및 420)
도면들 사이의 주요 차이점은, 프린터(301)용 기판(320)은 불변의 Z차원을 갖지만, 프린터(401)용 기판(420)은 얼굴을 표현하도록 성형되었다는 점이다. 얼굴-성형 기판(420)은 다음의 도면 즉, 도 1c, 도 1d, 도 2a, 및 도 2b에 관해 전술한 얼굴 성형 기판과 유사할 것이다.
프린터(401)가 기판(420)에 인쇄할 수 있는 예시적인 인쇄 프로세스는 도 5a 및 도 5b 및 도 6a 및 도 6b에 더 예시된다. 도 5a는 도 5a에서 측면으로부터 도시된 것이라는 점을 제외하고 도 4에 도시된 바와 동일한 프린터(401)를 도시한다. 도 4에 대하여 도 5a의 측면의 배향은 축 세트(400 및 500)를 비교함으로써 이해될 수 있다. 도 5a는 또한 축 세트(500)의 X축 및 Z축에 평행한 “절단 평면” E-E를 도시한다. 그래픽적으로, 절단 평면 E-E는 프린터(401)를 반으로 "절단하고”, X 모션 가이드(412)를 갖는 절반만이 도 5b에 도시된다. 도 5a에 대하여, 도 5b에 도시된 절반은 Z축에 대해 시계방향으로 90도 회전되었다. 도 5a는 얼굴 성형 기판(420)이 기판의 “코” 끝을 관통하여 절단 평면 E-E에 의해 절단되는 것을 도시한다. 도 5b는 일단 기판(420)이 절단된 후 Z차원을 따른 최종 기판 프로파일을 도시한다. 도 5b의 프로파일(420)은 인쇄헤드 캐리지(410)가 X축을 따라 이동함에 따라 단일 행의 인쇄헤드 노즐들(즉, 고정된 Y에 관한 노즐들)에 의해 인쇄될 “랜드스케이프(landscape)”를 도시한다.
도 5a 및 도 5b와 유사한 방식으로, 도 6a 및 도 6b는 2개의 상이한 뷰로부터 도시된 것이라는 점을 제외하고는 도 4에 도시된 바와 동일한 프린터(401)를 도시한다. 도 4에 대하여 도 6a의 측면의 배향은 축 세트(400 및 600)를 비교함으로써 이해될 수 있다. 도 5a의 경우와 마찬가지로, 도 6a 또한 “절단 평면”을 도시하지만, 도 6a에서 절단 평면은 G-G로 라벨이 붙어 있으며, 축 세트(600)의 Y축 및 Z축과 평행하다. 그래픽적으로, 절단 평면 G-G는 프린터(401)를 반으로 "절단하고”, 이들 절반 중 하나가 도 6b에 도시되어 있다. 예를 들어, 도 6a의 좌측 절반이 도 6b에 도시되어 있다고 가정하면, 이러한 절반은 (도 6b에서의 도시를 위해) Z축에 대해 90도만큼 시계 방향으로 회전된 것이다. 도 6a는 얼굴 성형 기판(420)이 기판의 “코” 끝을 관통하여 절단 평면 G-G에 의해 절단되는 것을 도시한다. 도 6b는 일단 기판(420)이 절단된 후 Z차원을 따른 최종 기판 프로파일을 도시한다. 도 6b의 프로파일(420)은 테이블(411)이 Y축을 따른 스텝별 모션들을 만드는 것의 결과로서 단일 열의 인쇄헤드 노즐들(즉, 고정된 X에 관한 노즐들)에 의해 인쇄될 “랜드스케이프”를 도시한다.
5.2 종래 기술
이러한 섹션은 종래의 2D 디지털 잉크젯 인쇄에 대한 오류 소스 및 액적 생성을 다룬다. 다음의 섹션에서 더 설명되는 바와 같이, 3차원 인쇄 상황에 적용되는 경우 이들 오류 소스는 단지 더 중요해질 뿐이다.
도 8a는 종래의 2D 디지털 잉크젯 인쇄의 간략화된 예시를 제시하는데, 여기서는 단 하나의 노즐(810)이 기판(820)을 향해 액적들을 분출(eject)하는 것으로 도시되어 있다. “분사 거리(jetting distance)”(기판 표면으로부터 노즐 평면까지의 거리)는 XJET로 표시되며, 보통 다양한 인쇄 아티팩트들을 최소화시키기 위해 가능한 낮게 설정된다.
X축 또는 Y축을 따라 측정되는 경우 액적들이 고정 간격을 따라 분출된다(또는 분출되지 않음). 이러한 상황은 도 8a에 예시되는데, 여기서 인쇄헤드 노즐(810)이 속도 vscan으로 기판(820)을 가로질러 좌측에서 우측으로 이동하는 것으로 도시되어 있다. ΔXLR1라고 표시된 거리를 통해, 노즐(810)이 기판(820)의 표면을 향해 4개의 액적을 분출했다는 것을 알 수 있다. 액적들이 속도 vdrop으로 노즐로부터 생겨나는 것으로 도시되어 있다.
액적들이 노즐로부터 분출됨에 따라, 적어도 3개의 다음의 특징, 즉 사이즈, 형상, 및 궤적에서 균일성을 보이는 것이 바람직하다. 사이즈 및 형상에서의 균일성은 다음과 같이 더 설명될 수 있는데, 인쇄헤드 노즐에 특정 구동 펄스가 인가되는 경우 생성된 드롭이 예측 가능 사이즈 및 형상을 갖는 것이 바람직하다. 바라는 노즐 궤적은 다음과 같은 특징을 더 가질 수 있는데, 인쇄헤드는 액적들이 노즐 평면에 수직인 직선 궤적을 따라 이동하도록 액적들을 “발사(shoots)”(또는 분출)한다. 바람직한 노즐 궤적으로부터의 편차의 원인은 궤적(또는 “직선성”) 오류들이라고 지칭될 수 있다.
잉크, 인쇄헤드, 및 주변 공기에서의 다양한 요인들은 전술한 바람직한 특징들로부터의 편차를 도입한다. 예를 들어, 제조된 대로의 원래 인쇄헤드의 허용 오차에 대한 제한은 앞서 리스트된 특징들 3개 전부의 균일성에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 오류들은 사용 중에 증가할 수 있다. 예를 들어, 인쇄헤드의 사용은 하나 이상의 노즐들을 부분적으로 가리는 (초과 잉크(excess ink)와 같은) 잔여물의 축적을 초래할 수 있다.
다른 중요한 이슈들은 공기 저항 및 공기 흐름(air currents)이다. 잉크 액적이 노즐로부터 기판으로 이동함에 따라, 공기 저항에 의해 느려질 수 있다. 일단 액적의 속도가 충분히 감소되면, 공기 흐름은 액적의 방향을 바꾸고/거나 “위성(satellite)” 서브 액적으로 분해되게 할 수 있다. 극단적인 경우에, 액적들은 공기 흐름들에 의해 대개 판단되는 속도들을 가정하는 지점까지 느려질 수 있으며, 심지어 기판에 전혀 임팩트(impact)를 가하지 않을 수도 있다.
여기서 “동적 오류”라고 지칭되는 특정한 중요 타입의 직선 오류가 X축을 따라 스캔함에 따라 인쇄헤드 캐리지의 속도(전에 도입된 vscan)에 의해 일어난다. 분사 거리 및 액적 속도(vdrop)와 결합되어, vscan은 인쇄헤드 캐리지가 정지되어 있으면 임팩트를 받을 위치에 대해 실제 액적 임팩트 위치의 위치 오류를 생성한다.
통상적인 vdrop은 6 내지 8m/s(미터/초)이며, 통상적인 vscan은 2m/s 미만이다. 초기 액적 속도가 캐리지 속도의 3배 또는 4배라는 사실에도 불구하고, 액적들은 통상적으로 노즐을 떠난 후 (공기 저항으로 인해) 상당한 감속을 겪는다. 2D 인쇄에 종종 사용되는 바와 같이, 약 1mm(밀리미터)의 표준 고정 분사 거리에 대해 동적 오류가 얼마나 클 수 있는지의 일례로서, 그 결과는 통상적으로 대략 1mm의 동적 오류이다.
인쇄헤드 캐리지가 하나의 방향으로 이동하는 동안 단지 액적들이 분출되면(또는 단방향 인쇄), 모든 액적들은 거의 동일한 양만큼 시프트되어 2D 인쇄에서 이미지가 정확해 보이는 순수 효과를 갖는다. 그러나, 인쇄헤드 캐리지 이동의 양 방향으로 인쇄하는 것(또는 양방향 인쇄)이 바람직한데, 그 이유는 인쇄 속력을 증가시키기 때문이다(캐리지가 다음 시작 위치로 돌아가는 동안 인쇄헤드가 유휴 상태가 아니기 때문임). 양방향 2D 인쇄의 경우, 동적 오류가 2배가 되는데, 그 이유는 인쇄헤드 캐리지 이동의 각각의 방향에 대해 반대 방향으로 동작하기 때문이다. 순수 결과는 이중-이미지 효과일 수 있다.
도 9a는 2D 단방향 인쇄에 대한 동적 오류를 예시한다. (후술되는 경사 오류와 다른) 이 경우, vscan은 액적이 노즐(910)에 의해 기판(920)을 향해 분출된 경우에 고려된다. 액적이 위치(930)에 임팩트를 미치기보다는, vscan과 vdrop의 결합이 위치(931)에서 우측 궤적 및 임팩트를 생성한다. 도 9b는 2D 양방향 인쇄에 애한 동적 오류를 예시한다. 이 경우, 도 9a의 상황에 추가하여, 액적은 인쇄헤드 캐리지의 귀환 이동 중에 (Y 축에 관해) 동일한 위치에 임팩트를 가할 필요가 있다. 이러한 귀환 이동은 속도 -vscan으로 이동 중인 노즐(911)에 의해 도 9b에 표현된다.
2D 양방향 인쇄에서의 동적 오류를 보상하기 위한 프린터 소프트웨어에서의 공통 기법은 다음과 같다. 좌우(left to right) 동적 오류 및 우좌(right to left) 동적 오류가 각각 ΔXLR 및 ΔXRL로 추정된다. vscan에 기반하여, 인쇄헤드 캐리지가 ΔXLR + ΔXRL의 거리를 횡단하는데 걸리는 시간이 추정된다(이하, tdynamic이라고 지칭됨). 좌우 인쇄헤드 이동을 위한 구동 펄스들은 인쇄헤드 캐리지가 좌우 이동의 종점에 도달하기 전에 tdynamic초에서 종료되도록 조정된다. 우좌 인쇄헤드 이동 중에, 구동 펄스들은 인쇄헤드가 최우측 위치으로부터 이동할 기회를 갖기 전에 시작하도록 조정된다.
5.3 3D 인쇄
액적 생성에 대한 전술한 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 노즐 궤적 오류들을 수용 가능 한도 내로 유지하기 위해 잉크젯 프린터 설계에서 제어될 수 있는 2개의 주요 파라미터는 분사 거리의 감소 및/또는 액적 사이즈의 증가이다.
그러나, 종래의 잉크젯 인쇄를 이용하면, 훨씬 더 큰 인쇄 해상도를 위한 고객의 공통 바램이 훨씬 더 작은 드롭 사이즈를 활용하는 프린터들을 향하는 산업 추세를 만들어 내고 있다. 더 작은 액적에 의해 도입된 더 큰 궤적 오류를 보상하기 위해, 종래의 잉크젯 프린터들의 설계자들은 훨씬 더 짧은 분사 거리를 갖는 프린터들을 도입하고 있다. 현재, 종래의 분사 거리는 통상적으로 0.1cm 내지 0.3cm 범위 내에 있다. 이 범위 밖에서는 이미지 품질이 급격히 악화된다.
그러나, 3D 인쇄에 대한 본 접근법을 이용하면, 상대적으로 큰 분사 거리를 취급하는 능력이 필수적이다. 이는 인쇄될 3D 기판의 최대 Z차원이 분사 거리에 의해 일반적으로 제한되기 때문이다. 인쇄헤드들이 3D 기판의 컨투어(contour)를 추적하도록 인쇄헤드들을 이동시킴으로써 큰 Z차원들을 수용할 수 있으며, 수용 가능 인쇄 속도를 이루기 위해, 부조의 구조적 요소들의 사이즈에 대해 대개 (인쇄헤드 캐리지(410)와 같은) 인쇄헤드 캐리지가 클 필요가 있으며, 이로써 컨투어를 추적하는 능력이 제한된다. 일정한 응용의 경우, (기판의 3D 모델에 따른) 인쇄헤드 캐리지에 의한 일부 컨투어 추적과 큰 분사 거리를 취급하는 능력의 결합은 가장 효과적인 3D 프린터 설계를 생성할 수 있다.
5.3.1 드롭 무결성
본 발명은 적어도 1cm의 분사 거리들을 수용하는 것에 초점을 맞추고 있으며, 여기에 제시된 기법들은 적어도 4cm의 분사 거리들을 취급할 수 있다.
이들 분사 거리에서, (이하 다루는) 경사 및 동작 경사 오류 이외에, 주요 도전 과제는 드롭 무결성의 유지이다. 등가의 환경들을 고려하면 더 큰 액적들이 작은 액적에 비해 (아마 더 큰 관성으로 인해) 더 직선으로 더 멀리 비행하는 경향이 있다는 것을 본 발명의 개발 시에 알았다. 또한, (구동 펄스들이 인쇄헤드에 제공되는 주파수에 수반되는 감소에 따른) 인쇄헤드 캐리지의 속도(vscan)의 감소는 소정의 드롭 사이즈에 대해 정확하게 횡단될 수 있는 분사 거리를 증가시킨다고 알려져 있다. 이러한 개선된 분사 무결성을 증명하는 관측 현상은 다음을 포함하는데, 즉 증가된 잉크 밀도(기판 표면에 더 많은 잉크가 도달한 것을 표시함) 및 개선된 디테일(액적 궤적에서의 개선된 직진성을 표시함)을 포함한다. 본 발명을 생성할 때 실험된 예시적인 적절한 인쇄헤드(“SL-128”이라고 지칭됨)는 단일 행의 128개의 노즐을 가지며, 본래 80 피코리터(또는 “pL”) 드롭(또는 “액적")을 파이어하도록 설계된다. SL-128은 예를 들어, 미국, 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 FujiFilm Dimatix 사에 의해 생산된다.
산업에 현재 이용 가능하다고 알려진 가장 큰 드롭 사이즈 클래스인 80pL의 드롭들을 생성하는 인쇄헤드를 이용하는 경우에도, 드롭은 상당한 성능 저하 없이는 2cm(이상)의 분사 거리를 이동할 수 없다. 하나의 해결방안은 더 큰 드롭 사이즈를 생성하는 3D 인쇄 전용 인쇄헤드를 제조하는 것이다. 그러나, 현재에는, 인쇄헤드들을 구동하는데 사용되는 전기적 파이어링 펄스를 변경함으로써 이러한 80pL/드롭 인쇄헤드들을 이용하여 더 큰 드롭 사이즈들이 생성된다.
종래의 디지털 잉크젯 인쇄는 생성된 액적당 단일 파이어링을 채택한다. 이는 흔히 이진 또는 고정 드롭 사이즈라고 알려진, 일정한 드롭 질량을 생성하기 위한 것이다. 그러나 3차원 인쇄의 경우 다수의 펄스가 더 큰 드롭 사이즈를 성취하는데 사용될 수 있다고 판단되었다. 예를 들어, 종래의 단일 펄스를 이용하여 80pL/드롭을 생성하도록 설계된 인쇄헤드가 120pL 내지 200pL의 범위에서 드롭들을 생성하게 될 수 있다. 실험적으로, 약 160pL의 드롭들은 최대 3.5cm의 분사 거리를 갖는 좋은 결과를 제공한다는 것을 발견했다.
도 7은 전압축(710) 및 시간축(711)에 대해 그려진, 종래의 단일 펄스 파형(700)을 도시한다. 도 7은 또한 (모두 전압축(712) 및 시간축(711)에 대해 그려진) 펄스들(701, 702, 및 703)로 구성된 다중-펄스 파형을 도시한다. 도 7의 다중 펄스 파형에 대해 필수적으로 일어나는 것은 다음과 같다. 펄스들(701, 702, 및 703) 각각에 대해, 별도의 액적이 노즐로부터 분출된다. 그러나, 3개의 펄스들의 증가하는 전압은 각각의 새로운 액적이 이전 액적보다 더 빠른 속도를 갖도록 보장하는 것을 보조한다. 증가하는 속도로 인해, 2개의 차후 액적은 최초 액적을 따라잡고, 3개의 액적 모두가 공중(mid-air)에서 합쳐진다. 펄스 진폭 및 지연을 포함하는 다중 펄스 파형의 다양한 파라미터들은 드롭 형성에 대한 변형을 허용하며, 시스템에 사용되는 잉크 및 인쇄헤드들에 튜닝된다. 이러한 튜닝은 (잉크젯 인쇄 산업에서) 드롭-와쳐(drop-watcher)라고 알려진 테스트 장비의 일부를 이용하여 수행될 수 있다. 드롭-와쳐는 액적들이 인쇄헤드 노즐들로부터 실시간으로 분출됨에 따라 액적들의 이미지들을 캡쳐할 수 있다.
SL-128를 구동시키는데 사용되는 경우, 펄스들(701, 702, 및 703)은 각각 다음의 사이즈(pL) 즉, 80, 50, 및 30의 액적을 생성할 수 있다. 이들은 공중에서 결합되어 기판 표면에 실제로 임팩트를 가하는 약 160pL의 단일 드롭을 생성할 수 있다.
701, 702, 및 703과 같은 구동 펄스를 위한 (전압 및 시간 모두에서의) 차원들을 판단하는데 사용될 수 있는 특성 파형(characteristic waveform)의 타입은 다음을 포함한다.
· 구동 펄스들의 주파수에 대한 드롭 속도의 의존성
· 구동 펄스의 전압에 대한 드롭 속도의 의존성
· 구동 펄스의 전압에 대한 드롭 질량의 의존성
· 구동 펄스 폭의 전압에 대한 드롭 속도의 의존성
· 구동 펄스 폭의 전압에 대한 드롭 질량의 의존성
단일의 더 큰 잉크 드롭을 생성하기 위한 다수의 구동 펄스들의 이러한 사용은 단 하나의 구동 펄스가 각각의 액적을 생성하는데 사용되는 (RIP에 관해 전술된) 종래의 2D 그레이 스케일 하프토닝(halftoning)과 대조적일 수 있다. 그러나, 3D 기판에 대한 하프톤 이미지의 인쇄에서 복수의 드롭 사이즈로부터 선택된 드롭들을 여전히 인쇄할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 이용 가능한 3개의 드롭 사이즈를 갖는 것이 바람직한 경우, 이들은 다음과 같이, 즉 하나의 구동 펄스(예를 들어, 기판 표면에 대한 임팩트를 위해 약 80pL의 단일 드롭을 생성하기 위함), 2개의 구동 펄스들(예를 들어, 기판 표면에 대한 임팩트를 위해 약 130pL의 단일 드롭을 생성하기 위함), 및 3개의 구동 펄스들(예를 들어, 기판 표면에 대한 임팩트를 위해 약 160pL의 단일 드롭을 생성하기 위함)을 생성될 수 있다(최소부터 최대까지).
충분한 사이즈의 액적들이 생성된 후에도, 3D 인쇄의 Z차원을 수용하기 위해, 2D 인쇄와 비교할 때 더 큰 중요성을 가정하는 적어도 2개의 다른 오류 소스가 존재하며, 여기에서 이들은 다음의 용어, 즉 경사 오류 및 동적 경사 오류라고 지칭할 것이다.
5.3.2 경사 오류
여기에 정의된 바와 같이 경사 오류들은 2D 기판에 비해 3D 기판이 다양한 0이 아닌 경사의 큰 표면을 갖는다는 사실로부터만 기인한다. 이들 경사는 3D 기판이 Z차원을 따른 실질적인 다양성을 갖는다는 사실의 결과이다.
도 8a에 관해 전술된 바와 같이, 2D 인쇄의 경우 액적들은 고정된 간격을 따라 분출되는데(또는 분출되지 않는데), 이 경우 이러한 간격은 X축 또는 Y축에 의해 측정된다(또는 X축 또는 Y축 상에 투영된다). 경사 오류를 설명하기 위해, 노즐의 속도(vscan)는 기판 표면을 가로질러 이동함에 따라 무시된다(또는 액적들 각각을 발사하기 전에 일시적으로 움직임을 정지한 노즐(810)을 단순히 상상할 수 있음). 이러한 간략화는 경사 오류를 설명하기 위해 각각의 액적이 기판(820)의 표면에 수직인 직선 궤적으로 움직인다고 가정할 수 있게 한다.
그러나, 기판이 큰 표면 영역들에 대해 상당한 0인 아닌 경사를 갖는 3D 인쇄의 경우, (X축 또는 Y축에 대해) 이러한 고정 간격을 유지하는 것은 액적 밀도가 기판의 표면에 대해 변할 것이라는 점을 의미한다. 이러한 액적 밀도의 변동은 "경사 오류"라고 지칭된다.
경사 오류가 일어나는 이유를 이해하기 위해, 예시적으로 도 8a와 도 8b를 비교한다. 도 8b에서, 3D 기판(821)은 직각 삼각형이다. 도 8a에 도시된 바와 동일한 x 거리 ΔXLR1를 따라, 4개의 액적 또한 도 8b에서 분출된다(도 8a에서와 같이 vscan이 무시됨). 그러나, 직각 삼각형의 기본적인 기하학으로부터 알 수 있는 바와 같이, 기판(821)의 경사진 표면에서의 4개의 액적 사이의 거리는 도 8a에서보다 더 크다.
더 일반적으로, 직각 삼각형이 빗변에 의해 연결되며, 직각을 형성하는 “밑변”과 “높이”를 갖는 것으로 설명될 수 있다. 밑변의 길이가 고정적으로 유지되면(도 8b의 예시에서, ΔXLR1로 고정됨), 높이와 빗변 사이의 관계에 대해 다음을 말할 수 있다. 높이가 0이면 빗변이 가장 짧은데, 이 경우 빗변은 경사가 0이고, 밑변과 동일한 길이를 갖는다(예를 들어, 도 8a는 높이가 0인 삼각 기판 표면을 제시하는 것으로서 보일 수 있음). 가장 평평하고 가장 짧은 지점으로부터, 높이가 길게 연장될수록 빗변의 경사 및 길이는 커진다. 높이가 0보다 크기만 하면, 빗변은 밑변보다 길며, 이에 따라 높이가 0인 경우보다 더 큰 기판 표면을 제시한다.
X축 또는 Y축의 유닛마다 (직각 삼각형의 밑변과 동등하게) 인쇄헤드 노즐이 횡단하는 유사한 방식으로, 횡단되는 기판 표면의 기울기가 (직각 삼각형의 더 큰 높이와 동등하게) 더 커질수록, 커버되어야 하는 기판 표면 영역의 양이 (직각 삼각형의 빗변과 동등하게) 더 커진다. 고정 간격을 따라 인쇄헤드 노즐이 액적을 분출하면, 횡단되는 X축 또는 Y축의 유닛마다, 동일한 개수의 액적이 피착된다.
예를 들어, (인쇄헤드 노즐들이 X-Y 평면에 수직인 궤적(trajectory)을 따라 액적을 발사하는) 도 4, 도 5a 및 도 5b, 및 도 6a 및 도 6b의 프린터(401)에 대해 경사 오류가 보일 수 있다. 얼굴 성형 기판(420)은 영이 아닌 상당한 경사를 갖는 큰 영역을 가지며, 이로써 경사 오류를 나타낼 것이다. 예를 들어, 고정된 Y 위치에서, X방향으로의 인쇄헤드 스캐닝에 대해 Z가 어떻게 변하는지를 보여주는 도 5b를 고려한다. 도 5c는 도 5b에 제시된 기판(420)의 클로즈업을 제시한다. 도 5c는 도면 부호 510 및 511로 라벨을 붙인 기판 표면의 2개의 영역에 초점을 맞춘다. X 차원은 이들 영역 각각에 대해 동일하며, “델타 X1”이라고 지칭된다. 이로써, X축에 대해 일정한 간격으로 액적들을 분출하는 프린터의 경우, 각각의 영역은 동일한 개수의 액적들을 수신할 것이다. 그러나, 영역(510)의 경우 커버해야 할 기판 영역의 양은 델타 X1보다 크고, 영역(511)의 경우 커버해야 할 기판 영역의 양은 델타 X1과 거의 동일하다. 이로써, 영역(510)은 영역(511)보다 더 낮은 도트 밀도를 수신할 것이다.
경사 오류는 RIP에 의한 인쇄 데이터의 준비 중에 보정될 수 있다(섹션 4 “인쇄 데이터 생성” 참조). 섹션 4는 기판 표면의 적절하게 선택된 영역 “r”마다 원하는 토널리티 레벨 “t”를 이루기 위해, 특정 도트 패턴들이 생성되게 하는 RIP를 설명한다. 기판의 3D 모델을 이용하면, RIP는 2D 기판에 대한 인쇄에 비해, 경사 오류로 인해 토널리티가 감소되는 양을 이러한 영역마다 판단할 수 있다. 그 후, RIP는 2D 기판에 기반하여 "t”보다 큰 영역 “r”에 대한 토널리티 레벨을 생성할 도트 패턴을 생성할 수 있다. 증가한 토널리티 양은 경사 오류 감소의 대상인 경우 실제 토널리티 레벨이 “t”가 되기에 충분하다고 판단된다.
예를 들어, 표면의 특정 영역 “r1”이 50% 토널리티 레벨을 요구한다고 가정한다(본 설명을 위해 토널리티가 단색 또는 컬러 인쇄와 관련되어 있는지 여부를 알 필요가 없음). 또한, 2D 인쇄의 경우 “t1”의 토널리티를 생성할 도트 패턴이 r1에 의해 도입된 경사 오류로 인해 20% 감소된 토널리티를 가질 것이라고 RIP가 판단한다고 가정한다. 이는 사용된 도트 패턴이 2D 기판에 대한 50% 토널리티를 생성하기에 적절하면, 실제 토널리티가 영역 r1에서 단지 40%일 것이라는 것을 의미한다. RIP는 2D 인쇄의 경우 62.5%의 토널리티를 생성할 도트 패턴을 생성함으로써 경사 오류를 보상할 수 있다. 62.5%가 20%만큼 감소되는 경우, 경사 오류로 인해 인식된 토널리티는 원하는 50%가 된다.
경사 오류 또한 기판 경사의 함수로서 액적 간격(droplet spacing)을 다양하게 함으로써 적어도 부분적으로 보정될 수 있다. 이러한 보정은 기판 표면의 컴퓨터 모델과 인쇄헤드 구동 펄스를 조화(coordinating)시킴으로써 달성될 수 있다. 액적 간격은 X축, Y축, 또는 이들 모두에 대해 달라질 수 있다.
5.3.3 동적 경사 오류
3D 인쇄 프로세스에서, (2D 인쇄에 관해 앞서 도입된) 동적 오류는 경사 오류와 결합됨으로써 동작 경사 오류를 생성할 수 있다.
도 10은 동적 및 경사 오류가 3D 인쇄 프로세스에서 어떻게 결합될 수 있는지를 도시한다. 도 10은 단일 노즐(1034)을 도시하는데, 이는 기판(1000)의 상승면을 따라 좌에서 우로 움직인다. 팬텀 노즐들(1030 내지 1033)이 노즐(1034)의 이전 위치들에 도시하는데, 여기에서 액적이 이미 방출되어 있다. 도 10에 생성된 5개의 액적마다, 도면 부호 1010 내지 도면 부호 1014는 경사 오류만이 고려되는 경우의 기판 표면에 대한 액적 임팩트 위치들을 표시한다. 동적 오류 또한 고려되면, 도면 부호 1020 내지 도면 부호 1024가 기판 표면에 대한 액적 임팩트 위치들을 표시한다.
2D 인쇄와 달리, 단방향 3D 인쇄조차 이미지 왜곡을 도입할 수 있는데, 그 이유는 각각의 액적이 반드시 동일한 양만큼 시프트되지는 않기 때문이다. 동적 경사 오류를 이용하면, 액적이 곡선 궤적을 따르기 때문에, 인쇄헤드 노즐과 기판 표면 사이의 거리에 따라, 그 궤적에서의 상이한 위치가 액적 임팩트 지점일 수 있다. 이로써, 도 10의 경우 예를 들어, 임팩트 위치들(1020 및 1021) 사이의 거리는 임팩트 위치들(1021 및 1022) 사이보다 더 크다. 이는 임팩트 위치(1021)에 대한 액적(droplet)이 임팩트 위치(1022)에 대한 액적보다 기판 표면에 임팩트를 가하기 전의 이동 거리가 더 길기 때문이다. 양방향 3D 인쇄에 의해 도입되는 이미지 왜곡 문제는 물론 훨씬 더 복잡하다.
경사 오류를 보정하기 위한 전술한 절차가 동적 경사 오류를 보정하는데 본질적으로 동일한 방식으로 사용될 수 있다. 이러한 차이는 단지 경사 오류보다는 동적 경사 오류로 인해 (2D 인쇄에 비해) 토널리티가 감소된 양을 기판 표면 영역의 적절히 선택된 영역마다 판단하는데 기판의 3D 모델이 사용된다는 것이다.
동적 경사 오류 또한 기판 경사, 노즐 거리, 및 액적 궤적의 함수로서 액적 간격을 다양하게 함으로써 적어도 부분적으로 보정될 수 있다. 이러한 보정은 기판 표면의 컴퓨터 모델과 인쇄헤드 구동 펄스를 조화시킴으로써 달성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 경사 오류는 기판 경사의 모델과 인쇄헤드 구동 펄스들을 조화시킴으로써 보정될 수 있다. 동적 경사 오류의 경우, 액적 궤적의 모델 또한 포함된다. 기판 표면을 교차하는 위치에 따라 상이한 임팩트 지점을 예측하는 이러한 궤적 모델을 활용하기 위해서는, 노즐과 기판 표면 사이의 거리의 모델과 조화되어야 한다.
6 제어/컴퓨팅 시스템
제어/컴퓨팅 시스템 관점으로부터, 전술한 프로세스 및 장치들이 도 14에 도시된 것으로 간주될 수 있다.
3D 모델을 포함할 수 있는 기판 패턴(1400)은 섹션 2("3차원 모델링”)에 따라 생성될 수 있다. 이 모델은 (도 13에 도시되고 섹션 2에 설명된 바와 같은) 범용 컴퓨터에서 실행되는 3D 모델링 소프트웨어를 이용하여 생성될 수 있다.
기판 패턴(1400)은 섹션 4(“인쇄 데이터 생성”)를 따라 래스터 이미지 프로세서(1401)(RIP(1401))에 의해 인쇄 데이터(1402)로 변환될 수 있다. RIP(1401)가 실행될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 시스템은 범용 컴퓨터 또는 임베디드 컴퓨터 시스템을 포함한다.
드라이버 모듈(1403), 모터 드라이버(1404), 및 인쇄헤드 드라이버(1405)는 소프트웨어와 하드웨어의 임의의 적절한 조합 또는 하드웨어만의 적절한 구성에 의해 구현될 수 있다. 통상적으로, 드라이버 모듈(1403), 모터 드라이버(1404), 및 인쇄헤드 드라이버(1405)는 도 4의 프린터(401)와 같은 프린터의 특수한 기구들과 동작하도록 구성된다.
드라이버 모듈(1403)은 통상적으로 적어도 다음을 수행한다. (인쇄 데이터(1402)와 같은) 인쇄 데이터를 입력으로서 받아들이고, 인쇄 데이터를 (모터 드라이버(1404) 및 인쇄헤드 드라이버(1405)와 같은) 모터 드라이버 및 인쇄헤드 드라이버로의 출력인 적절한 제어 신호들로 변환한다. 드라이버 모듈(1403)의 중요 기능은 인쇄헤드 캐리지의 모션을 위한 구동 신호의 생성 및 실시간으로 적절히 조화된 잉크 액적의 생성이다.
모터 드라이버(1404) 및 인쇄헤드 드라이버(1405)는 입력으로서 구동 신호를 받아들이고, 출력으로서 적절한 실세계 액션을 생성한다(즉, 인쇄헤드 캐리지(410)를 움직이고/이거나 액적들을 생성함). 모터 드라이버(1404)는 (예를 들어, 가이드 바(412)를 따라 인쇄헤드 캐리지(410)를 움직이기 위한) X 모터(1410) 및 (예를 들어, 가이드 바(412)에 대해 테이블(411)을 움직이기 위한) Y 모터(1411)를 구동하기 위한 전자 장치를 포함할 수 있다. X 모터(1410) 및 Y 모터(1411)는 모터들의 피드백 루프 기반의 서보 제어를 제공하기 위한 센서들을 포함할 수 있다. 인쇄헤드 드라이버(1405)는 인쇄헤드 캐리지(410) 내에서 인쇄헤드를 구동하여 잉크 액적들을 생성하기 위한 전자 장치를 포함할 수 있다. 인쇄헤드 드라이버(1405)는 인쇄헤드들(1420 및 1421) 중간에 엘립스(ellipses)를 가짐으로써 도 14에 표현된 인쇄헤드들의 임의의 적절한 집합을 구동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 인쇄헤드 드라이버(1405)는 도 3b에 도시된 바와 같이 12개의 쌍으로 배열된 24개의 인쇄헤드를 구동하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 특정 실시예와 함께 설명되었지만, 여러 대체예, 변형예, 및 수정예가 전술한 설명에 비추어 명백할 것임이 자명하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항 및 그에 대한 균등물의 범위 및 사상 내에 있는 모든 대체예, 변형예, 및 수정예를 포괄하는 것을 목적으로 한다.

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  18. 3차원 기판 상의 디지털 인쇄 방법으로서,
    제1 잉크젯 노즐을, 상기 노즐로부터 적어도 제1 거리에 있는 기판의 표면 영역 위에 배치하는 단계 - 상기 제1 거리는 1cm이고, 상기 기판은 고형 물질임 -;
    상기 제1 잉크젯 노즐부터 상기 기판의 표면까지 예측 가능 궤적을 따라 적어도 제1 사이즈의 제1 잉크 드롭(ink drop)을 추진(propelling)시키는 단계 - 상기 제1 사이즈는 적어도 80pL이고, 200pL보다 크지 않음 -;
    상기 제1 잉크 드롭의 추진과 유사한 방식으로 제1 복수의 액적(droplet)을 상기 기판에 추진시키는 단계; 및
    상기 제1 복수의 액적에 걸쳐 그리드 내의 하프톤 패턴(halftone pattern)을 조정하여, 상기 기판의 적어도 하나의 경사진 영역으로 인한 잉크 레이다운 밀도(ink lay-down density)의 변동을 적어도 부분적으로 보정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 조정하는 것은 상기 기판의 적어도 2차원 모델에 따라 달성되는 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 조정하는 것은, 상기 기판의 제1 영역에 대하여, 상기 기판의 상기 제1 영역이 경사지는 경우에는 기울기가 영인 상기 제1 영역에 비해 제1 토널리티 양(amount tonality)이 감소된다고 판단함으로써 달성되는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 기판의 상기 제1 영역이 경사지는 경우에 상기 제1 영역에 대한 도트 패턴이 더 높은 토널리티로 조정되어, 감소된 상기 제1 토널리티 양을 보상하는 방법.
  22. 3차원 기판 상의 디지털 인쇄 방법으로서,
    제1 잉크젯 노즐을, 상기 노즐로부터 적어도 제1 거리에 있는 기판의 표면 영역 위에 배치하는 단계 - 상기 제1 거리는 1cm이고, 상기 기판은 고형 물질임 -;
    상기 제1 잉크젯 노즐부터 상기 기판의 표면까지 예측 가능 궤적을 따라 적어도 제1 사이즈의 제1 잉크 드롭을 추진시키는 단계 - 상기 제1 사이즈는 적어도 80pL이고, 200pL보다 크지 않음 -;
    상기 제1 잉크 드롭의 추진과 유사한 방식으로 제1 복수의 액적을 상기 기판에 추진시키는 단계; 및
    상기 제1 복수의 액적에 걸쳐 그리드 내의 하프톤 패턴을 조정하여, 상기 기판의 적어도 하나의 경사진 영역과 상기 제1 잉크젯 노즐의 속도 사이의 상호 작용으로 인한 잉크 레이다운 밀도의 변동을 적어도 부분적으로 보정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 속도는 스캔 속도인 방법.
  24. 제18항에 있어서, 상기 배치하는 단계는, 상기 기판의 2D 베이스에 평행한 차원에 따라 상기 노즐이 그 위치를 변경하는 속도를 감소시킴으로써 상기 제1 잉크 드롭에 의해 도달 가능한 거리를 증가시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 3차원 기판 상에 인쇄하기 위한 디지털 프린터로서,
    적어도 컴퓨팅 하드웨어 및 프로그래머블 메모리를 포함하는 제어 시스템;
    제1 잉크젯 노즐 - 상기 제1 잉크젯 노즐은, 상기 제어 시스템에 의해 상기 노즐로부터 적어도 제1 거리에 있는 기판의 표면 영역 위에 배치될 수 있으며, 상기 제1 거리는 1cm이고, 상기 기판은 고형 물질임 -;
    상기 제어 시스템에 응답하여, 상기 제1 잉크젯 노즐로 하여금 상기 제1 잉크젯 노즐로부터 상기 기판의 표면까지 예측 가능 궤적을 따라 적어도 제1 사이즈의 제1 잉크 드롭을 추진시키게 할 수 있는 제1 드라이버 회로 - 상기 제1 사이즈는 적어도 80pL이고, 200pL보다 크지 않음 -;
    상기 제어 시스템에 응답하여, 상기 제1 잉크 드롭의 추진과 유사한 방식으로 상기 기판으로의 제1 복수의 액적의 추진을 유발할 수 있는 제2 드라이버 회로; 및
    상기 제어 시스템에 응답하여, 상기 제1 복수의 액적에 걸쳐 그리드 내의 하프톤 패턴의 조정을 유발하여, 상기 기판의 적어도 하나의 경사진 영역으로 인한 잉크 레이다운 밀도의 변동을 적어도 부분적으로 보정할 수 있는 제3 드라이버 회로
    를 포함하는 디지털 프린터.
  26. 제21항에 있어서, 상기 배치하는 단계는, 상기 기판의 2D 베이스에 평행한 차원에 따라 상기 노즐이 그 위치를 변경하는 속도를 감소시킴으로써 상기 제1 잉크 드롭에 의해 도달 가능한 거리를 증가시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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