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光學尺定位系統 — 高端印刷設備不可或缺的部件

人類眼睛識別影像的最高解析度是多少?當中涉及觀看距離,周邊環境和個人等眾多因素,目前並沒有一個標準的答案。但是一般認為人眼在正常目視距離情況下 300 DPI 的解析度是一個界限,就是說再高的解析度對一般人來說其實分別不大。

受惠噴墨頭技術的突破性發展,現今印刷設備的列印解析度 (有別於影像解析度) 已逐步趨向人類眼睛所能分辨的界限,列印速度也不斷被提升。坐落中國深圳的潤天智數位設備股份有限公司 (Flora Digital Printing System,以下簡稱潤天智),多年來開發多款先進噴墨印刷設備,是中國業界少數技術能媲美國際水準的大尺寸噴墨印表設備生產商。他們的印刷設備採用 Renishaw RGH41 系列直線光學尺系統,確保設備在列印時的高流暢度和穩定性。

RGS40-P gold tape scale on Flora Digital linear motor setup (cropped)

Renishaw RGH41 光學尺搭配直線電機

潤天智專注於採用噴墨技術的印刷設備業務。包括可列印在不同材料上的 UV 大尺寸印表機。噴墨技術經過多年的發展已經十分成熟。UV 噴繪機的核心部件-噴墨頭,大部份都是採用微壓電式技術。

透過改變位於噴頭附近的壓電陶瓷元件所發生的形變原理,根據列印圖檔把墨水噴出,在材料表面形成墨滴,再經過使用 LED 燈發射出的紫外線對墨水進行乾燥和凝固。

潤天智專案總監余全小姐介紹他們開發的 UV 大幅面噴墨機:「我們近年開發了多款卷對卷和平板式的 UV 大尺寸印表機,列印闊度可達 5 m,採用目前市場上解析度最高的 1200 DPI 噴墨頭 (在單色列印時),一個噴墨頭能同時列印兩種顏色。大尺寸印表機主要由噴頭,電機,運動控制系統和材料傳送系統等幾個主要部份組成進行二維列印。

光學尺讀數頭設有安裝指示燈光學尺讀數頭設有安裝指示燈

X 軸 (橫向) 採用直線電機配置 Renishaw RGH41 系列光學尺系統,配置 1μm 解析度 RGS40S 系列鍍金柵尺,負責控制噴頭橫向列印。而 Y 軸多以伺服電機驅動,負責材料輸送和定位,為設備實現精確完成在不同材質體積、高度、形狀上的列印工作。」

直線電機的高響應是其特性之一,電機收到「指令」後能在極短時間做出反應,以配合噴墨頭噴出墨水的時間和位置。而且非接觸式的工作原理使直線電機能夠高速移動,這解釋了為什麼市場上大部份高端噴墨印表機的 X 軸均採用直線電機。

另一方面光學尺的工作速度也必須配合直線電機,Renishaw RGH41系列光學尺最高工作速度達 15 m/s (視乎解析度和控制器),足以滿足目前印刷設備的要求。

高速位置回饋

噴墨頭毫無疑問是一台大尺寸印表機的核心,其他部份如傳動與控制系統都必須圍繞這個核心去設計,以發揮噴墨頭的最大性能。余總監說道:「設備的列印速度主要取決於噴墨頭的點火頻率,高端噴墨頭一般在 30k Hz 左右,頻率越高意味著列印速度越快。而驅動噴墨頭的電機回應也必須跟上點火頻率才能實現快速列印。我們目前的噴繪機高端型號都是採用直線電機,搭配自主開發的控制器,列印速度最高 (2 PASS 模式) 達每小時315 平米。」

RGH41光學系统示意圖(帶標誌)














RGH41光學系统示意圖(帶標誌)

穩定的運動控制

印刷設備的性能狀態可以從印刷成品的品質體現出來,最典型的例子可反映在印刷圖像中出現明顯的印刷條紋,這牽涉到噴墨頭、墨水品質、電機或運動控制等多個部份。不過從運動控制技術層面來說,光學尺的細分誤差 (SDE) 如果太大,會影響定位精度,同時也會降低驅動系統的速度穩定性和為訊號帶來噪音,原因是速度控制器會根據誤差計算來增加或降低驅動系統的速度,最終導致噴墨頭運動不流暢,從而在列印時出現印刷條紋。

Renishaw RGH41 系列光學尺的電子細分誤差小於 250 nm,足以滿足印刷設備實現流暢平穩運動控制的需求。余總監說道:「與 Renishaw 合作已有將近十年,光學尺產品表現一直十分穩定,是一個值得信賴的品牌,絕少因光學尺的問題而導致停機或列印品質的下降。」

潤天智 Xtra5000 系列寬幅面平板噴繪機潤天智 Xtra5000 系列寬幅面平板噴繪機

 

優異抗污能力/安裝簡便

出於成本和耐用性的考慮,噴繪機普遍採用開放式光學尺,雖然印刷業工作環境一般談不上十分惡劣,不過在生產時柵尺難免也會占到灰塵等污染物。Renishaw 的柵尺採用先進的光學濾波技術,有效過濾因柵尺受污染所產生的訊號雜訊,確保輸出純正的訊號。另外柵尺可以成卷方式訂購,讓工程師視乎設備的行程自行裁剪所需長度。安裝方法也十分簡單便利,透過讀數頭上的安裝指示燈即可快速完成安裝。余總監說道:「印刷工廠環境十分參差,停機對客人來說會造成經濟上的損失,Renishaw 光學尺具備優異的抗汙能力,絕少聽到客戶投訴因柵尺受污染造成設備故障。工程師也反映安裝非常簡單,就算長達 5 米的機台也沒有任何困難。」

未來動態

潤天智 2015 年在中國深圳證券交易所正式上市,是中國首家上市的印刷設備公司。業務除了針對廣告業的印表機外,產品還包括紡織噴印機,數碼橢圓機,陶瓷噴墨機,玻璃噴印機等,一半以上設備出口銷售到全球 100 多個國家和地區。余總監談到公司未來動態:「全球噴墨印表機設備市場競爭激烈,設備規模提升的同時,價格續年下降,只有創新才能鞏固市場領導地位。潤天智未來除了繼續專注生產寬幅面 UV 噴墨印表機外,目前也正在開發一款「動抬式」的噴繪機,噴墨頭被固定,在印刷時材料與抬面移動。另外我們也會繼續開發速度更快的設備。以及更多使用水性 UV 墨水的型號,以迎合全球提倡環保的大趨勢。」