分享喷墨打印领域新技术、新工艺、新产品
最近，iPrint的Sebastian Filliger介绍了与STEINEMANN DPE和Polytype AG合作开发喷头喷嘴状态检测解决方案的情况。
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iPrint是一家数字印刷研究所，隶属于瑞士弗里堡工程与建筑学院（HEIAFR），是瑞士西部应用科学与艺术大学（HES-SO）的成员。该研究所与 STEINEMANN DPE（库尔兹旗下公司）和Polytype AG合作。
iPrint开发并测试了专门的传感硬件和分析软件，Polytype AG将其集成到喷头驱动板中。这项技术无需进行图像处理即可评估单个喷嘴的喷射性能。STEINEMANN DPE在实际工业印刷条件下对该系统进行了广泛测试。结果表明，可以显著降低生产成本。
喷头喷嘴状态检测
喷墨具有生产率高、与各种液体和基材兼容等优点，正日益成为数字生产的首选解决方案。喷墨系统的核心是喷头，它是一种精密设备，能够通过数千个独立喷嘴按需准确喷墨。然而，这种复杂性使得喷头有些脆弱，难以维修。通过开发一种更有效的方法来检测单个喷嘴的状态，iPrint及其合作伙伴正在满足业界对更好的喷头维护和错误检测系统的需求。
喷头的一个常见问题是在喷印过程中喷嘴丢失或偏离，这通常会导致明显的产品缺陷（见图 1）。
目前昂贵的解决方案
目前行业内可用的错误检测解决方案既昂贵又低效。大多数系统基于对印刷产品的光学检测，因此仅限于特定的印刷模式。检测还需要停止生产和漫长的维护周期，从而造成生产损失、油墨浪费和喷头磨损。毫不奇怪，很少有公司真正采用这种系统。大多数公司更愿意完全依靠操作员的观察。
感应系统
创新的传感过程使用喷嘴的压电致动器作为传感器。致动器的驱动在流体中产生压力波。这些波在喷嘴腔内来回反弹，向致动器施加压力。这就产生了与压力变化成正比的微小但可测量的电流（见图 2）。
除了识别有缺陷的喷嘴外，传感系统还能确定故障的可能原因。这是因为不同的喷嘴故障会以不同的方式改变反射模式（见图 3）。
项目贡献
在项目开始之前，基于压力波的喷嘴状态检测的可行性已经得到科学证实。iPrint及其合作伙伴的主要贡献在于成功地将该系统产业化。为了能够在真正的打印机上测试实验传感系统，必须开发一个透明的中间系统。中间系统位于现有打印系统和打印头之间，在打印过程中保持被动状态，对打印过程没有任何影响。一旦启动，它就会断开打印系统并独立测试打印头。测试结果将被发送到数据库并显示给操作员。
该项目的第二个主要贡献是利用现场可编程门阵列 (FPGA) 加速技术大大缩短了测量时间。测量时间要求低于50毫秒，以避免干扰薄片到薄片 (STS) 工艺，并允许对所有喷嘴进行顺序测试。
喷嘴分类
施加在压电元件上的压力会产生一个可测量的信号，作为喷射性能的指纹。通过与已知故障案例的各种基准波形进行比较，算法会计算出每个喷嘴的适配值。如果出现重大偏差，系统会向机器发出警报，指出可能的故障原因。
所有喷嘴被分为性能良好、性能不佳或丢失。在获得喷头的完整概览后，操作员可以根据自己的经验决定是否进行维护或恢复打印。iPrint正在实现这一决策过程的自动化。
运行测试
在实际工业条件下，在STEINEMANN DPE的DM-MAXLINER 3D单程数码上光印刷系统上对传感系统进行了为期六个月的评估。四个喷头配备了该系统。操作员定期对同一喷头进行带有时间戳的手动喷嘴检查。测试期结束后，对传感系统产生的分类与手动喷嘴检查的数据进行了统计分析。
结果令人印象深刻--传感系统正确识别了 98.4% 性能不佳的喷嘴，没有出现一个误报。只有 1.6% 的性能不佳喷嘴未被检测到（假阴性）。
图 4：左边是现有喷头驱动电路板，右边是附加传感电路板
图 5：人机界面显示缺少喷嘴的统计数据和位置
如图6所示，该系统的输出结果很容易解释。使用简单的阈值就能区分性能好、性能差和缺失的喷嘴所产生的数值。
结论
该系统可在两次印刷之间的20毫秒内检测出STS流程中性能不佳和缺失的喷嘴。在100米/分钟的速度下，这相当于3.3厘米的间隙。缺失喷嘴的检测率为98.4%，同时还能检测到偏离的喷嘴。尽管目前还没有足够的数据进行统计分析。该系统在一台工业打印机上进行了6个多月的测试，打印质量和机器可靠性没有任何下降。
这种创新的传感系统消除了人工检查的需要，使喷头维护更加高效。通过依靠喷嘴发出的物理信号，而不是对打印产品进行光学检测，该系统能够不受打印模式和墨水颜色的影响，甚至可以对透明墨水进行错误检测。
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