Meteor Inkjet 公司的 David Horne 介紹了如何通過處理復(fù)雜的 3D 表面來減少浪費(fèi)、提高效率，并成功融入制造自動(dòng)化。

噴墨技術(shù)繼續(xù)取代裝飾行業(yè)傳統(tǒng) 2D 圖形中的現(xiàn)有模擬技術(shù)。然而，在需要在 3D 表面上進(jìn)行裝飾或涂層的產(chǎn)品制造中，新的應(yīng)用正在出現(xiàn)。盡管如此，這也帶來了一些挑戰(zhàn)。從汽車到鞋類等各種行業(yè)都在尋求利用數(shù)字印刷的優(yōu)勢。關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素包括減少廢料和在批量生產(chǎn)線上定制單個(gè)產(chǎn)品。這種應(yīng)用的統(tǒng)稱是直接成型 (DTS) 或直接物體 (DTO) 打印。這些應(yīng)用是制造業(yè)自動(dòng)化程度提高趨勢的一部分。

機(jī)器人集成

在制造自動(dòng)化中使用噴墨打印通常需要集成機(jī)械臂來處理產(chǎn)品或打印頭。使用六軸機(jī)器人可以覆蓋整個(gè)復(fù)雜的 3D 表面。它還提供了額外的靈活性，可以使用相同的生產(chǎn)單元處理不同尺寸的部件（例如，由于制造公差）或完全不同的設(shè)計(jì)。對(duì)于某些應(yīng)用，可以使用機(jī)器人處理部件并將其移動(dòng)到打印頭下方 - “部件在末端執(zhí)行器上”。但是，單元中的物理空間和機(jī)器人的負(fù)載能力限制了可以以這種方式實(shí)際處理的部件的尺寸。想象一下試圖通過移動(dòng)汽車來噴墨打印汽車車頂！對(duì)于超過一定尺寸的部件的裝飾，這些實(shí)際限制促使集成商采用“打印頭在末端執(zhí)行器上”的方法，將打印頭和輔助組件放置在機(jī)器人本身上。

噴墨打印的優(yōu)勢

汽車行業(yè)是“末端執(zhí)行器上的打印頭”工藝的一個(gè)例子，用于將油漆和其他涂層涂在車身上。盡管必要的噴涂技術(shù)對(duì)于涂層部件很有效，但使用噴墨技術(shù)可以提高傳輸效率，并通過最大限度地減少過度噴涂來減少浪費(fèi)。噴墨打印頭的高尋址能力確保材料只噴射在需要的地方。除了節(jié)省浪費(fèi)外，必須從空氣中提取并處理以確保安全的氣溶膠材料也更少。由于無需遮蓋需要保持清潔或涂上不同顏色的區(qū)域，因此工藝成本進(jìn)一步降低。

另一個(gè)例子是將功能層應(yīng)用到 3D 部件的表面。在這些應(yīng)用中，需要將功能材料高質(zhì)量、無失真地應(yīng)用到表面。將打印頭和機(jī)械臂集成在一起，可以產(chǎn)生一個(gè)高度靈活的系統(tǒng)，可以在具有不同幾何形狀以及曲面的部件上進(jìn)行打印。組合式機(jī)器人噴墨系統(tǒng)與現(xiàn)有的模擬技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢。這些技術(shù)通常采用箔片或接觸式印刷技術(shù)（移印或絲網(wǎng)印刷），在某些情況下，這些技術(shù)無法應(yīng)用于復(fù)雜的 3D 表面或可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)失真。

將噴墨技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，用于大型汽車部件的噴漆

挑戰(zhàn)

使用“打印頭安裝在末端執(zhí)行器上”的方法將機(jī)械臂和噴墨打印機(jī)集成在一起，在涂覆大型部件方面具有一些明顯的優(yōu)勢。此外，它還提供了靈活性，可以在單個(gè)單元內(nèi)處理不同幾何形狀的部件。然而，這在設(shè)計(jì)和工程這種系統(tǒng)方面并非沒有挑戰(zhàn)。安裝在工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器上的打印頭會(huì)在任何軸上加速。部件的方向可能意味著打印頭垂直旋轉(zhuǎn) - 稱為摩天大樓配置 - 并且可能在噴射時(shí)加速和改變方向。流體供應(yīng)系統(tǒng)必須進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持打印頭處的彎月面壓力水平一致。在這些條件下可以實(shí)現(xiàn)良好的噴射，并且對(duì)打印頭方向或加速度的變化做出快速反應(yīng)。通常，對(duì)于涂層應(yīng)用，還需要高材料沉積速率，這對(duì)流體供應(yīng)提出了進(jìn)一步的要求。

油墨/油漆/涂料配方設(shè)計(jì)師在實(shí)現(xiàn)必要的材料特性方面也面臨挑戰(zhàn)。噴墨通常能夠噴射粘度在 5-30cP 范圍內(nèi)的流體，并利用溫度控制將粘度更大的流體置于可噴射范圍內(nèi)。傳統(tǒng)汽車油漆的粘度范圍為 50-500cP。較厚的油漆通常產(chǎn)生較少的下垂，這在將涂料涂在非水平表面時(shí)非常重要。當(dāng)然，無論化學(xué)成分如何變化，都必須保持固化涂層所需的物理和化學(xué)特性。

噴墨系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

在工藝設(shè)計(jì)方面，需要決定如何有效地應(yīng)用涂層/裝飾。如果要處理的區(qū)域比打印頭幅寬，則打印頭必須多次通過該部件以類似于 2D 多程打印機(jī)的方式覆蓋該區(qū)域。機(jī)器人應(yīng)以最有效的路徑將打印頭移動(dòng)到表面上，以確保處理整個(gè)區(qū)域 - 路徑規(guī)劃。然后將圖像分解為要在每次通過時(shí)打印的幅寬。處理 3D 表面時(shí)，多次通過的對(duì)齊和拼接很復(fù)雜，因?yàn)槁窂讲灰欢ㄊ瞧叫械?。還必須處理彎曲區(qū)域，有時(shí)包括緊密凹陷的部分?？赡苄枰黾映练e以確保覆蓋難以觸及的角落。路徑規(guī)劃和圖像處理必須緊密結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)良好的覆蓋。由于將 2D 圖像映射到 3D 表面或其他工藝限制而導(dǎo)致的變形和扭曲可以在圖像數(shù)據(jù)中得到補(bǔ)償，以產(chǎn)生高質(zhì)量的結(jié)果。

與任何實(shí)際噴墨系統(tǒng)一樣，都會(huì)存在不太理想的行為，從而影響最終結(jié)果。即使使用具有出色重復(fù)性的高性能工業(yè)機(jī)器人，軌跡和速度的絕對(duì)精度也可能與理想情況有偏差。將噴射脈沖（本質(zhì)上是打印頭噴墨的時(shí)間，以便在正確的位置打印線條）與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)同步是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。此外，還可能引入振動(dòng)，導(dǎo)致打印頭和基材之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這會(huì)導(dǎo)致帶狀效應(yīng)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)高度可重復(fù)的簡單幾何形狀，可以運(yùn)行開環(huán)并獲得可接受的結(jié)果。對(duì)于更復(fù)雜的幾何形狀或沉積均勻性很重要的情況，可以使用機(jī)器人的反饋來更好地同步運(yùn)動(dòng)和噴射。這確保了每個(gè)像素在表面上的精確位置。

墨滴位置錯(cuò)誤也可能由尺寸公差引起，這意味著要打印的部件與 CAD 模型不完全匹配。表面的 3D 掃描可以應(yīng)用校正，從而避免由這些位置錯(cuò)誤導(dǎo)致的圖形圖像的扭曲/錯(cuò)位以及覆蓋間隙。

使用安裝在機(jī)器人上的噴墨打印頭將功能層應(yīng)用于復(fù)雜的 3D 表面

多學(xué)科方法

將噴墨技術(shù)集成到工業(yè)機(jī)器人上是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要采用多學(xué)科方法。不同的應(yīng)用有不同的要求，而且沒有現(xiàn)成的解決方案。必須精心配制材料，以確保能夠可靠地噴射，同時(shí)保持成品所需的特性。機(jī)器人、打印頭、數(shù)據(jù)路徑和流體控制必須無縫協(xié)作，才能形成可靠、準(zhǔn)確的系統(tǒng)。軟件工作流程需要提供必要的工具來處理圖形或準(zhǔn)備涂層策略，規(guī)劃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)并準(zhǔn)備圖像數(shù)據(jù)。

噴墨打印復(fù)雜 3D 表面以涂覆汽車部件

結(jié)論

盡管面臨挑戰(zhàn)，但目前已有幾個(gè)成功實(shí)施的案例，包括航空航天、汽車、服裝、包裝和家具裝飾。制造自動(dòng)化、智能工廠和更高程度的產(chǎn)品定制化趨勢可能會(huì)推動(dòng)對(duì) DTS 打印的需求。因此，工業(yè)機(jī)器人和噴墨的結(jié)合將變得更加普遍。

Meteor Inkjet Ltd 與所有主要的工業(yè)噴墨打印頭制造商密切合作，為全球的打印系統(tǒng)制造商提供可投入生產(chǎn)的解決方案。