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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Drucken mit einem Tintenstrahl-Druckkopf auf eine gekrümmte Oberfläche eines Objekts mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Drucken mit einem Tintenstrahl-Druckkopf auf eine gekrümmte Oberfläche eines Objekts mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 9.
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Die Erfindung liegt in dem technischen Gebiet des Tintenstrahldruckens bzw. des Inkjet-Druckens.
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Es ist bereits bekannt, Objekte mit Freiform-Oberflächen wie z. B. eine Karosserie eines Fahrzeugs einfarbig oder auch mehrfarbig zu lackieren. Eine mehrfarbige Lackierung kann bereits bei der Produktion oder nachträglich erfolgen. Es ist auch bereits bekannt, eine Karosserie mit bunten Bildern zu versehen. Beispielsweise wird Werbung auf der Seite oder dem Heck des Fahrzeugs vorgesehen.
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Der bekannte Stand der Technik auf diesem technischen Gebiet umfasst Folgendes: Die
DE 37 37 455 A1 offenbart eine Einrichtung zum Erzeugen von Farbmustern. Mittels eines computergesteuerten und von einem Roboter geführten Tintenstrahlsystems werden z. B. gerasterte Bilder in voller Farbe (3 Grundfarben) als Karosserieverzierungen erzeugt. Die Bilder können zudem kundenspezifisch sein.
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Die
DE 10 2008 053 178 A1 offenbart eine Beschichtungseinrichtung für Karosserien mit einem mehrachsigen Roboter und einem daran montierten Tintenstrahl-Druckkopf. In einer Ausführungsform sind mehrere Druckköpfe vorgesehen, die gemeinsam an einem Roboter geführt werden und relativ zu einander schwenkbar sind, was eine Anpassung an gekrümmte Bauteiloberflächen ermöglicht.
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Beim Bedrucken von gekrümmten Oberflächen mit Tintenstrahl-Druckköpfen können Nachteile durch unerwünschte Verzerrungen des Druckbildes auftreten. Solche Druckbildstörungen sind zur Erzielung einer besseren Druckqualität zu vermeiden. Das zugrunde liegende technische Problem ist in den 1A bis 1C gezeigt.
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Aus der
DE 40 33 816 A1 ist ein Tintenstrahldrucker mit einem Markierungskopf bekannt, der durch eine entsprechende Wölbung eines Düsenträgers statisch an die zu bedruckende Oberfläche angepasst werden kann.
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Die
WO 2004/007203 A1 lehrt dagegen, die Druckdaten derart anzupassen, dass eine zu erwartende Verzerrung kompensiert wird. Hierzu werden zunächst Testmuster gedruckt und deren Verzerrungen analysiert. Die Analyseergebnisse fließen in das Kompensationsverfahren ein.
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Schließlich offenbart die
US 5,043,740 eine Kompensationsmethode, bei der die Düsen des Tintenstrahl-Druckkopfes zu unterschiedlichen Zeitpunkten angesteuert werden. Dieses Dokument stellt das Problem verzerrt gedruckter Linien in seiner Einleitung sehr gut dar.
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Die genannten Kompensationsmethoden auf Basis der Druckdaten oder Düsenansteuerungen können ebenfalls Nachteile aufweisen, z. B. sind sie rechenintensiv und in solchen Situationen unzureichend, in denen es beim Drucken zu Abweichungen bei der Bewegung des Druckkopfes von seinen Sollwerten (z. B. Position, Ausrichtung, Geschwindigkeit, Beschleunigung) kommt.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, welche/welches es ermöglicht, geschwindigkeitsabhängige Druckbildstörungen beim Drucken mit einem Tintenstrahl-Druckkopf auf eine gekrümmte Oberfläche eines Objekts auf einfache Weise und mit hoher Zuverlässigkeit zu reduzieren oder zu vermeiden.
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Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe stellt eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Hauptanspruch 1 dar. Eine weitere erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe stellt ein Verfahren mit den Merkmalen von Hauptanspruch 9 dar.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Drucken mit einem Tintenstrahl-Druckkopf auf eine gekrümmte Oberfläche eines Objekts, wobei der Druckkopf wenigstens eine Düsenreihe mit Düsen zum Ausstoßen von Tintenstrahl-Tropfen umfasst und wobei der Druckkopf und/oder das Objekt von einer Bewegungseinrichtung, bevorzugt einem Roboterarm, zur Erzeugung einer Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Druckkopf und Oberfläche bewegt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckkopf und/oder die Düsenreihe um eine zur Düsenreihe parallele Achse um einen Winkel β gegen die Richtung der Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Druckkopf und Oberfläche derart geneigt ist, dass ausgestoßene Tintenstrahl-Tropfen eine Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Tropfen und Oberfläche erhalten, die die Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Druckkopf und Oberfläche im Wesentlichen kompensiert
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es mit Vorteil, geschwindigkeitsabhängige Druckbildstörungen beim Drucken mit einem Tintenstrahl-Druckkopf auf eine gekrümmte Oberfläche eines Objekts auf einfache Weise und mit hoher Zuverlässigkeit zu reduzieren oder zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird nicht, wie im Stand der Technik gelehrt, eine Anpassung der Druckdaten oder der Ansteuerung der Düsen vorgenommen, sondern es wird eine Neigung des Druckkopfes und/oder der Düsenreihe entgegen der Vorwärtsbewegung bzw. der Hauptbewegungsrichtung des Druckkopfes derart eingestellt, dass die Kompensation „auf der Ebene” der Vektoren der Tropfen-Geschwindigkeit erfolgt. Die einzelnen Tropfen erhalten durch die Neigung des Druckkopfes und/oder die Düsenreihe beim Ausstoßen der Tropfen eine zusätzliche Geschwindigkeitskomponente, die (durch Vektoraddition) dazu führt, dass die Tropfen sich so in Richtung der Objekt-Oberfläche bewegen, als wären sie von einem ruhenden Druckkopf ausgestoßen worden. Im Druckbild enthaltene gerade Linien, welche beispielsweise durch gleichzeitigen Tintenausstoß der Düsen einer Düsenreihe gedruckt werden, werden daher aus Sicht von oben senkrecht auf die Oberfläche als Geraden gedruckt und nicht verzerrt.
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Der Begriff „Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Druckkopf und Oberfläche” meint (im Falle der Bewegung des Druckkopfes) die Komponente des Relativgeschwindigkeits-Vektors zwischen Druckkopf und Oberfläche parallel zu einer Vorwärtsbewegung bzw. der Hauptbewegungsrichtung des Druckkopfs. Die Vorwärtsbewegung des Druckkopfes ist von einer seitlichen Bewegung (lateral, d. h. in Längsrichtung der Düsenreihe) und einer Auf-und-Ab-Bewegung des Druckkopfes (Annäherung und Entfernung zur Oberfläche) zu unterscheiden. Entsprechendes gilt für den Fall, dass nicht der Druckkopf, sondern das Objekt bewegt wird.
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Der Begriff „Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Tropfen und Oberfläche” ist in der Figurenbeschreibung zu 2A erklärt.
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Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich z. B. Oberflächen von Fahrzeugen, also z. B. Karosserieteile, störungsfrei bedrucken. Dabei wird bevorzugt ein Roboterarm, insbesondere mit sechs Achsen, eingesetzt.
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Die Erfindung ist auch in 2,5-D-Druckern z. B. zum Bedrucken von Handyschalen, Spielsachen oder roboterlosen Maschinen zum Bedrucken von Oberflächen kleinerer Objekte vorteilhaft einsetzbar.
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Solche Art Druckmaschinen können z. B. x-y- oder x-y-z-Tische mit Linearführungen, ähnlich Werkzeugmaschinen, aufweisen.
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Vorteilhafte und daher bevorzugte Weiterbildungen dieser Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sich dadurch auszeichnen, dass der Sinus des Winkels β im Wesentlichen proportional zum Betrag der Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Druckkopf und Oberfläche ist, insbesondere dass der Sinus des Winkels β und der Betrag der Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Druckkopf und Oberfläche im Wesentlichen konstant sind. Dies bedeutet, dass die Neigung des Druckkopfes oder der Düsenreihe bei höherer Druckkopf-Geschwindigkeit erhöht ist und umgekehrt. Die erforderliche Neigung kann bevorzugt durch entsprechende Ansteuerung der Bewegungseinrichtung bzw. des Roboterarms oder seiner Werkzeughalterung eingestellt werden. Bei Einsatz eines herkömmlichen 6-Achs-Roboters mit 3 Positions- und 3 Winkelfreiheitsgraden braucht in vorteilhafter Weise somit keine zusätzliche Aktorik für die Neigungseinstellung vorgesehen zu sein.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sich dadurch auszeichnen, dass wenigstens zwei Tintenstrahl-Druckköpfe zum Drucken unterschiedlicher Farben vorgesehen sind. Die Neigungseinstellung kann für die Druckköpfe gemeinsam erfolgen, z. B. durch den Roboterarm.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sich dadurch auszeichnen, dass die Neigung der Tintenstrahl-Druckköpfe separat einstellbar ist. Hierzu können an der Werkzeughalterung des Druckkopfes separate Aktoren vorgesehen sein. Insbesondere beim 4-Farb-Druck kann eine solche Lösung von Vorteil sein, da der Bauraum durch die vier hintereinander angeordneten Druckköpfe zunimmt und die zueinander beabstandeten Druckköpfe separat an eine sich ändernde Oberflächenkrümmung angepasst werden können.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sich dadurch auszeichnen, dass ein Druckkopf mit wenigstens zwei Düsenreihen vorgesehen ist. Die Neigungseinstellung kann für die Düsenreihen gemeinsam erfolgen, z. B. durch den Roboterarm oder durch einen Aktor für den Druckkopf.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sich dadurch auszeichnen, dass die Neigung jeder Düsenreihe relativ zum Druckkopf einstellbar ist, insbesondere dass die Neigung jeder Düsenreihe relativ zum Druckkopf separat einstellbar ist. Hierdurch wird eine Neigungsbewegung des Druckkopfs als Ganzes in vorteilhafter Weise verhindert. Die Neigungsanpassung der einzelnen Düsenreihen kann aufgrund deren geringen Masse zudem in vorteilhafter Weise schneller und präziser erfolgen. Es können separate Aktoren für die individuelle Neigungseinstellung der Düsenreihen vorgesehen ein.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sich dadurch auszeichnen, dass die Düsenreihen mit einer Neigung am jeweiligen Druckkopf montiert sind. Diese technische Lösung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Druckkopf beim Drucken immer mit der gleichen im Wesentlichen konstanten Vorzugsgeschwindigkeit oder Auslegungsgeschwindigkeit vorwärts bewegt wird. Dann braucht der Kopf nicht geneigt oder geringer geneigt zu werden, denn die mit der zur konstanten Vorzugsgeschwindigkeit passenden Neigung vormontierten Düsenreihen stoßen die Tropfen bereits mit der kompensierenden Geschwindigkeitskomponente aus. Und auch bei anderen Geschwindigkeiten reichen geringe Druckkopfneigungen aus. Leichte Geschwindigkeitsabweichungen können dann immer noch durch eine Neigungsanpassung des Druckkopfes, z. B. durch entsprechende Ansteuerung des Roboterarms, korrigiert werden. Die Gesamtneigung β = βD + βU setzt sich dann aus der Neigung der Düsenreihe βD und der Kopfneigung βU zusammen. Bei der Neigung der Düsenreihe für Auslegungsgeschwindigkeit 300 mm/s kann z. B. im gesamten Geschwindigkeitsbereich 200 mm/s bis 600 mm/s die erforderliche Druckkopfneigung um 50% bis 100% reduziert werden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sich dadurch auszeichnen, dass die Tintenstrahl-Druckköpfe gegeneinander verschiebbar sind. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die Abstände der einzelnen Druckköpfe zur Oberfläche für alle Druckköpfe im gewünschten Abstandsfenster (zwischen minimal und maximal erlaubtem Abstand) gehalten werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung oder deren bevorzugte Weiterbildungen können auch in Produktionsstrecken für Fahrzeuge oder sonstige Güter, wie z. B. Spielwaren oder Schalen von elektronischen Konsumgütern (Handys, Fotoapparate etc.), integriert sein und die Bedruckung „inline” vornehmen. Die Erfindung betrifft daher auch Produktionsstrecken mit integrierter erfindungsgemäßer Vorrichtung.
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Die oben genannte erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch durch folgenden synonymen Hauptanspruch bzw. dessen Merkmalskombination beschrieben werden: Tintenstrahl-Druckkopf zum Drucken auf eine gekrümmte Oberfläche eines Objekts, wobei der Druckkopf oder dessen Düsenreihen zur Kompensation der Vorwärtsbewegung des Druckkopfs während des Druckens geneigt ist bzw. sind.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Drucken mit einem Tintenstrahl-Druckkopf auf eine gekrümmte Oberfläche eines Objekts, wobei der Druckkopf wenigstens eine Düsenreihe mit Düsen zum Ausstoßen von Tintenstrahl-Tropfen umfasst und wobei der Druckkopf und/oder das Objekt von einer Bewegungseinrichtung, bevorzugt einem Roboterarm zur Erzeugung einer Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Druckkopf und Oberfläche bewegt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckkopf und/oder die Düsenreihe und/oder das Objekt um eine zur Düsenreihe parallele Achse um einen Winkel β gegen die Richtung der Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Druckkopf und Oberfläche derart geneigt wird, dass ausgestoßene Tintenstrahl-Tropfen eine Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Tropfen und Oberfläche erhalten, die die Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Druckkopf und Oberfläche im Wesentlichen kompensiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, wie auch die Vorrichtung, mit Vorteil, geschwindigkeitsabhängige Druckbildstörungen beim Drucken mit einem Tintenstrahl-Druckkopf auf eine gekrümmte Oberfläche eines Objekts auf einfache Weise und mit hoher Zuverlässigkeit zu reduzieren oder zu vermeiden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sich dadurch auszeichnen, dass der Tintenstrahl-Druckkopf an dem Roboterarm angeordnet ist und von diesem unter Einhaltung eines Mindestabstands entlang der Oberfläche geführt wird Das oben genannte erfindungsgemäße Verfahren kann auch durch folgenden synonymen Hauptanspruch bzw. dessen Merkmalskombination beschrieben werden: Verfahren zum Drucken mit einem Tintenstrahl-Druckkopf auf eine gekrümmte Oberfläche eines Objekts, wobei der Druckkopf, dessen Düsenreihen oder das Objekt zur Kompensation der Vorwärtsbewegung des Druckkopfs oder des Objekts während des Druckens geneigt ist bzw. sind.
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Die Erfindung als solche sowie konstruktiv und/oder funktionell vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen anhand wenigstens eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In den Zeichnungen sind einander entsprechende Elemente mit jeweils denselben Bezugszeichen versehen.
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Die Zeichnungen zeigen:
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1A, 1B, 1C Eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung ohne Geschwindigkeitskompensation;
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2A, 2B Eine schematische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 Eine schematische Ansicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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4A, 4B Eine schematische Ansicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1A zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung A mit einem Tintenstrahl-Druckkopf 1 beim Drucken auf die gekrümmte Oberfläche C eines Objekts B, z. B. eines Rohres. Der Druckkopf weist zwei Düsenreihen 2a und 2b mit jeweiligen Tintenstrahl-Düsen 2 auf (besser erkennbar in 1B). Der Druckkopf 1 kann jedoch auch nur eine Düsenreihe oder mehr als zwei Düsenreihen aufweisen.
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xTool, yTool und zTool bezeichnen in den Figuren die zueinander orthogonalen Achsen eines zum Druckkopf festen Koordinatensystems (Druckkopf-Koordinatensystem). Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Tintenstrahl-Druckkopf A von einem Roboterarm E zur Erzeugung einer Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Druckkopf A und Oberfläche C bewegt. Die Achsen xTool, yTool und zTool können dabei als die Achsen des Werkzeug-Koordinatensystems des Roboterarms E aufgefasst werden.
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Der Vektor vHead bezeichnet in den Figuren die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Druckkopfes A beim Drucken (Vorwärtsbewegung bzw. Hauptbewegung). Beim Drucken auf gekrümmten Oberflächen C kann sich die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit während des Druckens ändern. vHead ist dann eine Funktion der Zeit t. Relevant für die erfindungsgemäße Kompensation ist dann zu jedem Zeitpunkt der zugehörige Momentanwert von vHead.
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Die aus den Düsen 2 austretenden Tintentropfen F haben eine Geschwindigkeits-Komponente vJet in Richtung der Oberfläche C, die der Fluggeschwindigkeit der Tintentropfen F bei stehendem Kopf entspricht und den Herstellerangaben entnommen oder durch Messungen z. B. mit einer Hochgeschwindigkeitskamera bestimmt werden kann. Sie beträgt typischerweise mehrere Meter pro Sekunde. Aus der vektoriellen Addition der Geschwindigkeitskomponente vHead der Druckkopf-Bewegung zu vJet ergibt sich der resultierende Geschwindigkeitsvektor vRes der Tintentropfen F. Es gilt tan(α) = vHead/vJet.
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1B zeigt eine Vorderansicht der Vorrichtung A und des Objekts B aus 1A (die Achse zTool und der Bewegungsvektor vHead kommen senkrecht aus der Papierebene heraus). Dabei ist der unterschiedliche Druckabstand der Düsen 2 zur Oberfläche C zu erkennen. Die Kontur des Rohres B stellt bei Sicht von vorne einen einfachen Kreis dar. Die Erfindung ist jedoch auch beim Drucken auf andere Objekte und Freiformflächen mit entsprechend komplexeren Konturen anwendbar. In 1A ist z. B. erkennbar, dass das Rohr B auch in der Bewegungsrichtung des Druckkopfes 1 positive und negative Krümmungen aufweisen kann.
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In 1C ist eine Draufsicht des Druckkopfs 1 beim Drucken mit Geschwindigkeit vHead auf ein Rohr B in Längsrichtung dargestellt, wobei der Druckkopf 1 parallel zur Bewegungsrichtung ausgerichtet ist, d. h. die Achse 3 einer Düsenzeile 2a ist im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung ausgerichtet. Auf der Oberfläche treten dann bedingt durch die endliche (d. h. nicht-unendliche) Geschwindigkeit vJet der ausgestoßenen Tintentropfen F in Verbindung mit dem unterschiedlichen Druckabstand der einzelnen Düsen 2 zur Oberfläche C Verzerrungen auf, welche die Druckqualität beeinträchtigen.
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Zur Veranschaulichung stoßen im Beispiel der 1C alle Düsen 2 des Druckkopfes 1 in äquidistanten Intervallen gleichzeitig Tinte aus (es sollen also aus Sicht von oben senkrecht auf die Oberfläche gerade Linien gedruckt werden). Der Druckabstand, d. h. der Abstand zwischen Düse 2 und Auftreffpunkt der von der Düse 2 ausgestoßenen Tintentropfen F auf der Oberfläche C, ist für die einzelnen Düsen 2 unterschiedlich und im Beispiel für die äußeren Düsen 2 größer als für jene in der Mitte des Druckkopfes 1. Daher fliegen Tintentopfen F der äußeren Düsen länger bis zu ihrem Auftreffpunkt. Da die Tintentopfen F auch mit einer Geschwindigkeitskomponente in Bewegungsrichtung des Druckkopfes 1 fliegen, treffen sie gegenüber den Tintentropfen F aus den mittleren Düsen versetzt auf die Oberfläche auf. Die Projektion der gedruckten Linien senkrecht zu Druckbahn und Oberfläche C ist dann nicht wie gewünscht gerade und bei Sicht auf das Rohr von oben entsprechend der in 1C dargestellten Projektion ergeben sich daher unerwünschte gebogene oder verzerrte Linien 4. Die Achse zTool zeigt in Druckrichtung bzw. Bewegungsrichtung des Druckkopfes 1, die Achse yTool entlang der Achse 3 der Düsenreihen 2a und 2b des Druckkopfs 1 und die Achse xTool zeigt in die Papierebene und steht in der Mitte des Rohres senkrecht auf der Oberfläche C des Rohrs B.
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2A zeigt eine Seitenansicht des Druckkopfs 1 beim Drucken mit der erfindungsgemäßen Geschwindigkeitskompensation. Dabei wird der Druckkopf 1 um die Achse yTool, bzw. um eine zur Düsenreihe 2a oder 2b parallele Achse 3 um den Winkel β gedreht und dadurch so nach hinten (gegen die Richtung der Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Druckkopf und Oberfläche) geneigt, dass der resultierende Geschwindigkeitsvektor vRes der Tintentropfen F senkrecht auf dem Geschwindigkeitsvektor vHead des Druckkopfes steht. Es gilt sin(β) = vHead/vJet und der Winkel β lässt sich aus dem Arkussinus berechnen gemäß β = arcsin(vHead / vJet). Falls vHead eine Funktion der Zeit ist, gilt entsprechend β(t) = arcsin(vHead(t)/vJet). Aus den bekannten oder messbaren Werten für vHead und VJet lässt sich somit die (ggf. zeitabhängige) Neigung des Druckkopfes 1 berechnen und der Druckkopf 1 entsprechend (ggf. zeitabhängig) neigen.
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Der Geschwindigkeitsvektor vJet (zwischen Tropfen F und Oberfläche C) setzt sich aus den beiden Komponenten vJetX und vJetZ zusammen. vJetX zeigt in Richtung des Vektors xTool bei nicht geneigtem Druckkopf 1 (vgl. 1A) und vJetZ zeigt in Richtung des Vektors zTool bei nicht geneigtem Druckkopf 1 (vgl. ebenfalls 1A). vJetZ bildet die Relativgeschwindigkeits-Komponente zwischen Tropfen F und Oberfläche C.
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In 2B ist der Druckkopf 1 beim Drucken mit der Geschwindigkeitskompensation aus 2A dargestellt. Die Achse xTool weist nun nicht mehr senkrecht in die Papierebene, sondern ist um den Winkel β leicht nach hinten gekippt. Entsprechend weist die Achse zTool nicht mehr genau in Richtung des Bewegungsvektors vHead, sondern ist um den Winkel β leicht nach unten gekippt. Durch die Bewegungskompensation haben die Tintentropfen F keine Geschwindigkeitskomponente mehr in Bewegungsrichtung des Druckkopfes 1, so dass sie ohne Versatz in Bewegungsrichtung auf die Oberfläche treffen. Die Projektion der gedruckten Linien 5 senkrecht zu Druckbahn und Oberfläche C ist dann gerade und bei Sicht auf das Rohr B von oben ergeben sich daher die gewünschten geraden Linien 5.
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In 3 ist eine Vorrichtung A mit mehreren hintereinander angeordneten Druckköpfen 1 dargestellt, mit der verschiedene Druckfarben, z. B. YMCK, in einem Arbeitsschritt gedruckt werden können. Die Druckköpfe 1 sind variabel oder fest gegeneinander verschiebbar. Damit kann die erfindungsgemäße Geschwindigkeitskompensation ohne störende Anhebung des maximalen Druckabstands zur Oberfläche C realisiert werden.
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Um bei verschiedenen Geschwindigkeiten vHead den maximalen Druckabstand D bei Anwendung der Geschwindigkeitskompensation möglichst gering zu halten, können die Druckköpfe 1 in Abhängigkeit der Geschwindigkeit vHead optimal gegeneinander verschoben werden. Alternativ können die Druckköpfe lauch starr um einen festen Betrag relativ zueinander verschoben sein, um z. B. bei der am häufigsten verwendeten Geschwindigkeit vHead einen möglichst geringen maximalen Druckabstand D zu erreichen.
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4A zeigt eine Seitenansicht eines Druckkopfs 1 beim Drucken mit der erfindungsgemäßen Geschwindigkeitskompensation, bei dem die Tinte bei nicht geneigtem Druckkopf 1 unter einem Winkel β mit der Geschwindigkeit vJet aus dem Druckkopf 1 austritt. Dabei können die Düsen unter einem festen Winkel β sprühen, der z. B. der Kompensationswinkel der erfindungsgemäßen Geschwindigkeitskompensation bei der am häufigsten verwendeten Geschwindigkeit vHead sein kann. Hierzu können die Düsenreihen 2a und 2b mit der entsprechenden Neigung β am Druckkopf 1 (vor-)montiert sein. Alternativ kann der Sprühwinkel variabel eingestellt werden, um bei verschiedenen Geschwindigkeiten vHead den Sprühwinkel für einen möglichst geringen maximalen Druckabstand D bei Anwendung der erfindungsgemäßen Geschwindigkeitskompensation optimal einzustellen. Hierzu können die Neigungen der Düsenreihen 2a und 2b eingestellt werden. Dies kann z. B. durch einen Aktor, bevorzugt einen elektrischen Aktor, bewirkt werden. Der Sprühwinkel kann z. B. durch drehbar gelagerte Düsenreihen in den Druckköpfen einstellbar sein, welche von so genannten Piezo-Stacks bewegt werden. Der Sprühwinkel kann alternativ auch durch die Ablenkung elektrisch geladener Tinte in einem elektrischen Feld einstellbar sein. Wenn xTool und yTool des Werkzeugkoordinatensystems bei Druckköpfen mit festem Sprühwinkel in Richtung des Sprühgeschwindigkeitsvektors vJet ausgerichtet sind, gelten die oben mit Bezug zu 2A angegebenen Gleichungen auch für den Druckkopf 1 in dieser 4A. Falls stattdessen die in 4A gezeigte Ausrichtung des Werkzeugkoordinatensystems gewählt wird, ist der Kopf zur erfindungsgemäßen Geschwindigkeitskompensation um den Sprühwinkel weniger zu drehen bzw. zu neigen.
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In 4B ist eine Vorrichtung A mit mehreren hintereinander angeordneten Druckköpfen 1 gemäß 4A mit jeweiligem Sprühwinkel β dargestellt, mit der verschiedene Druckfarben in einem Arbeitsschritt gedruckt werden können. Der Sprühwinkel β kann fest eingestellt sein oder variabel verstellbar. Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Druckköpfe 1 relativ zueinander verschiebbar sind, um eine noch bessere Anpassung an die zu bedruckende Oberfläche C zu ermöglichen und so den maximalen Druckabstand D mit oder ohne Anwendung der Geschwindigkeitskompensation möglichst gering zu halten.
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Ohne die erfindungsgemäße Geschwindigkeitskompensation sind bei einer Geschwindigkeit vJet der Tintentropfen F in Richtung xTool mit vJet = 4 m/s, einer Geschwindigkeit vHead des Druckkopfes 1 mit vHead = 0,5 m/s und einer Druckabstandsdifferenz DeltaD (Differenz der Druckabstände der einzelnen Düsen 2 vom jeweiligen Auftreffpunkt der ausgestoßenen Tintentropfen F auf der Oberfläche C) von DeltaD = 8 mm die Druckpunkte der Düsen 2 z. B. um bis zu vHead/vJet·DeltaD = 1 mm in Bewegungsrichtung des Druckkopfes 1 gegeneinander versetzt. Bei 360 dpi Druckauflösung entspricht dies mehr als 14 Druckpunkten. Die Geschwindigkeitskompensation vermeidet nicht nur diesen unerwünschten Versatz, sondern auch eine Fehlpositionierung, welche ohne die Berücksichtigung der Geschwindigkeitskomponente vHead bei der Ansteuerung des Druckkopfes resultieren würde.
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In der bevorzugten Ausführungsform wird die Roboterbahn oder Bewegungsbahn des Druckkopfes 1 vorab als Verlauf der Postionen und Orientierungen des durch Achsen xTool, yTool und zTool definierten Werkzeugkoordinatensystems geplant und aus dieser Planung ein Programm generiert, welches dann die geplanten Bewegungen des Druckkopfes 1 ausführt und die Steuerung der Düsen 2 des Druckkopfes 1 synchron zur Bahn vornimmt, so dass das Druckbild an den gewünschten Stellen auf die Oberfläche C gedruckt wird. Dabei wird auch die Bewegungsgeschwindigkeit vHead des Druckkopfes und die daraus berechnete Bewegungskompensation im Programm vorab festgelegt. Die Bewegungskompensation ist dabei implizit in der Orientierung bzw. Neigung des Werkzeugkoordinatensystems entlang der Bahn enthalten.
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In einer alternativen Ausführungsform werden die Bahnen ohne Bewegungskompensation geplant und die Bewegungskompensation wird erst bei der Programmausführung aus dem Geschwindigkeitsvektor vHead und der Orientierung des durch Achsen xTool, yTool und zTool definierten Werkzeugkoordinatensystems berechnet und ausgeführt. Dies bietet den Vorteil, dass auch bei Abweichungen der tatsächlichen von der programmierten Geschwindigkeit die Geschwindigkeitskompensation für die tatsächliche Geschwindigkeit ausgeführt werden kann. Solche Abweichungen können sich z. B. ergeben, wenn im Testbetrieb das Roboterprogramm nur mit reduzierter Geschwindigkeit ausgeführt wird oder wenn Ruck- oder Beschleunigungsrestriktionen zur Verminderung der Bahngeschwindigkeit führen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tintenstrahl-Druckkopf
- 2
- Tintenstrahl-Düsen
- 2a
- Düsenreihe
- 2b
- Düsenreihe
- 3
- Achse
- 4
- gedruckte gebogene Linien
- 5
- gedruckte gerade Linien
- A
- Vorrichtung
- B
- Objekt
- C
- Oberfläche des Objekts
- D
- Druckabstand
- E
- Roboterarm
- F
- Tintenstrahl-Tropfen
- xTool
- x-Achse des Druckkopf-Koordinatensystems
- yTool
- y-Achse des Druckkopf-Koordinatensystems
- zTool
- z-Achse des Druckkopf-Koordinatensystems
- vHead
- Geschwindigkeitsvektor des Druckkopfes
- vJet
- Geschwindigkeitsvektor der Tropfen
- vJetX
- Komponente des Geschwindigkeitsvektors der Tropfen
- vJetZ
- Komponente des Geschwindigkeitsvektors der Tropfen
- vRes
- resultierender Geschwindigkeitsvektor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3737455 A1 [0004]
- DE 102008053178 A1 [0005]
- DE 4033816 A1 [0007]
- WO 2004/007203 A1 [0008]
- US 5043740 [0009]