Meteor Inkjet 公司的 David Horne 介绍了如何通过处理复杂的 3D 表面来减少浪费、提高效率，并成功融入制造自动化。
喷墨技术继续取代装饰行业传统 2D 图形中的现有模拟技术。然而，在需要在 3D 表面上进行装饰或涂层的产品制造中，新的应用正在出现。尽管如此，这也带来了一些挑战。从汽车到鞋类等各种行业都在寻求利用数字印刷的优势。关键驱动因素包括减少废料和在批量生产线上定制单个产品。这种应用的统称是直接成型 (DTS) 或直接物体 (DTO) 打印。这些应用是制造业自动化程度提高趋势的一部分。
机器人集成
在制造自动化中使用喷墨打印通常需要集成机械臂来处理产品或打印头。使用六轴机器人可以覆盖整个复杂的 3D 表面。它还提供了额外的灵活性，可以使用相同的生产单元处理不同尺寸的部件（例如，由于制造公差）或完全不同的设计。对于某些应用，可以使用机器人处理部件并将其移动到打印头下方 - “部件在末端执行器上”。但是，单元中的物理空间和机器人的负载能力限制了可以以这种方式实际处理的部件的尺寸。想象一下试图通过移动汽车来喷墨打印汽车车顶！对于超过一定尺寸的部件的装饰，这些实际限制促使集成商采用“打印头在末端执行器上”的方法，将打印头和辅助组件放置在机器人本身上。
喷墨打印的优势
汽车行业是“末端执行器上的打印头”工艺的一个例子，用于将油漆和其他涂层涂在车身上。尽管必要的喷涂技术对于涂层部件很有效，但使用喷墨技术可以提高传输效率，并通过最大限度地减少过度喷涂来减少浪费。喷墨打印头的高寻址能力确保材料只喷射在需要的地方。除了节省浪费外，必须从空气中提取并处理以确保安全的气溶胶材料也更少。由于无需遮盖需要保持清洁或涂上不同颜色的区域，因此工艺成本进一步降低。
另一个例子是将功能层应用到 3D 部件的表面。在这些应用中，需要将功能材料高质量、无失真地应用到表面。将打印头和机械臂集成在一起，可以产生一个高度灵活的系统，可以在具有不同几何形状以及曲面的部件上进行打印。组合式机器人喷墨系统与现有的模拟技术相比具有显著优势。这些技术通常采用箔片或接触式印刷技术（移印或丝网印刷），在某些情况下，这些技术无法应用于复杂的 3D 表面或可能导致设计失真。
将喷墨技术与工业机器人相结合，用于大型汽车部件的喷漆
挑战
使用“打印头安装在末端执行器上”的方法将机械臂和喷墨打印机集成在一起，在涂覆大型部件方面具有一些明显的优势。此外，它还提供了灵活性，可以在单个单元内处理不同几何形状的部件。然而，这在设计和工程这种系统方面并非没有挑战。安装在工业机器人末端执行器上的打印头会在任何轴上加速。部件的方向可能意味着打印头垂直旋转 - 称为摩天大楼配置 - 并且可能在喷射时加速和改变方向。流体供应系统必须进行调节以保持打印头处的弯月面压力水平一致。在这些条件下可以实现良好的喷射，并且对打印头方向或加速度的变化做出快速反应。通常，对于涂层应用，还需要高材料沉积速率，这对流体供应提出了进一步的要求。
油墨/油漆/涂料配方设计师在实现必要的材料特性方面也面临挑战。喷墨通常能够喷射粘度在 5-30cP 范围内的流体，并利用温度控制将粘度更大的流体置于可喷射范围内。传统汽车油漆的粘度范围为 50-500cP。较厚的油漆通常产生较少的下垂，这在将涂料涂在非水平表面时非常重要。当然，无论化学成分如何变化，都必须保持固化涂层所需的物理和化学特性。
喷墨系统流程设计
在工艺设计方面，需要决定如何有效地应用涂层/装饰。如果要处理的区域比打印头幅宽，则打印头必须多次通过该部件以类似于 2D 多程打印机的方式覆盖该区域。机器人应以最有效的路径将打印头移动到表面上，以确保处理整个区域 - 路径规划。然后将图像分解为要在每次通过时打印的幅宽。处理 3D 表面时，多次通过的对齐和拼接很复杂，因为路径不一定是平行的。还必须处理弯曲区域，有时包括紧密凹陷的部分。可能需要增加沉积以确保覆盖难以触及的角落。路径规划和图像处理必须紧密结合才能实现良好的覆盖。由于将 2D 图像映射到 3D 表面或其他工艺限制而导致的变形和扭曲可以在图像数据中得到补偿，以产生高质量的结果。
与任何实际喷墨系统一样，都会存在不太理想的行为，从而影响最终结果。即使使用具有出色重复性的高性能工业机器人，轨迹和速度的绝对精度也可能与理想情况有偏差。将喷射脉冲（本质上是打印头喷墨的时间，以便在正确的位置打印线条）与机器人的运动同步是一项具有挑战性的任务。此外，还可能引入振动，导致打印头和基材之间产生相对运动。这会导致带状效应。对于运动高度可重复的简单几何形状，可以运行开环并获得可接受的结果。对于更复杂的几何形状或沉积均匀性很重要的情况，可以使用机器人的反馈来更好地同步运动和喷射。这确保了每个像素在表面上的精确位置。
墨滴位置错误也可能由尺寸公差引起，这意味着要打印的部件与 CAD 模型不完全匹配。表面的 3D 扫描可以应用校正，从而避免由这些位置错误导致的图形图像的扭曲/错位以及覆盖间隙。
使用安装在机器人上的喷墨打印头将功能层应用于复杂的 3D 表面
多学科方法
将喷墨技术集成到工业机器人上是一项具有挑战性的任务，需要采用多学科方法。不同的应用有不同的要求，而且没有现成的解决方案。必须精心配制材料，以确保能够可靠地喷射，同时保持成品所需的特性。机器人、打印头、数据路径和流体控制必须无缝协作，才能形成可靠、准确的系统。软件工作流程需要提供必要的工具来处理图形或准备涂层策略，规划机器人运动并准备图像数据。
喷墨打印复杂 3D 表面以涂覆汽车部件
结论
尽管面临挑战，但目前已有几个成功实施的案例，包括航空航天、汽车、服装、包装和家具装饰。制造自动化、智能工厂和更高程度的产品定制化趋势可能会推动对 DTS 打印的需求。因此，工业机器人和喷墨的结合将变得更加普遍。
Meteor Inkjet Ltd 与所有主要的工业喷墨打印头制造商密切合作，为全球的打印系统制造商提供可投入生产的解决方案。
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