CN101952126A - 用于在弯曲基底上印刷高品质图像的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在三维(3-D)制品例如塑料窗的弯曲表面上印刷的方法。该印刷方法通常包括：产生具有期望图像的3-D表面；定义打印头路径；计算虚拟的二维印刷表面；将期望图像投影到虚拟的二维印刷表面上；检查和修正投影图像的任何缺失部分；校准和调节投影图像；和通过所述虚拟的二维印刷表面印刷投影图像，由此在3-D制品的表面上产生期望图像。

Description

用于在弯曲基底上印刷高品质图像的方法

发明背景

1.发明领域

本发明一般性地涉及在三维物体上进行印刷。更具体地，本发明涉及使用喷墨设备将高品质图像施加到弯曲基底的印刷方法。

2.已知技术的说明

模塑塑料制品作为金属和玻璃制品的替代品变得广泛接受。例如，聚碳酸酯塑料板目前用于代替各种汽车应用中的常规玻璃窗和金属板件。与模塑塑料制品有关的一个优点是几个组件集成为一件制品，由此降低装配操作的数量。换言之，先前由粘接或连接在一起的几个组件构成的制品现在可以在一步模塑操作中制造。该实践的出现产生的一个固有问题是在所得到的制品的复杂(凸出的、凹陷的等)表面形状上印刷图像的能力有限。印刷是期望的，因为其它在复杂三维制品的表面上产生图像的方法耗时。遗憾的是，通常的二维印刷方法如丝网印刷和凹版移印满足该需求的成功率仅是有限的。

美国专利No.6,129,872(2000)描述了用于根据物体的计算机辅助设计(CAD)成像来制造多色的三维物体的方法。此外，美国专利6,165,406(2000)描述了自由形态的制造方法和制造多色的三维物体的装置，其包括操作用于供应含有不同着色剂的多种液体组合物的多通道液滴沉积设备。这些制造方法有时称之为固体自由形态制造或层制造，其在一层接一层基础上构建物体。

美国专利6,460,958(2002)描述了三维物体印刷装置和方法，其中使离印刷物体的距离在允许距离范围之内的喷嘴进行喷墨，而使离印刷物体的距离大于允许距离的喷嘴停止喷墨。由于喷嘴与印刷物体之间的距离由于物体形状而变化，期望使用多喷嘴喷头用于在不劣化图像的情况下在物体上进行印刷。

因此，需要提供用于在三维制品上印刷的改进方法。特别是，需要在弯曲基底如塑料汽车窗上印刷高品质图像的更高效和有效的方法。

发明简述

为满足以上需求，以及克服相关技术的所列不足和其它限制，本发明一般性地提供了在三维制品(包括但不限于汽车塑料窗)的弯曲表面上印刷图像的方法。该印刷方法包括：产生具有期望图像的三维(3-D)表面；定义打印头路径；计算虚拟的二维印刷表面(imaginary，two-dimensional printing surfaces)；将期望图像投影到所述印刷表面上；检查和修正投影图像中期望图像的任何缺失或缺少部分；校准和调节投影图像；和通过所述虚拟的二维印刷表面印刷投影图像，由此在3-D制品的表面上产生期望图像。

在本发明的一个方面，定义打印头路径的步骤使用限定打印头上各喷嘴相对于所述三维制品的弯曲表面的位置的软件程序。该软件程序还可包括与打印头的期望行进路径相关的数据，包括各喷嘴在沿着行进路径的多个位置处的位置。

在本发明的另一方面，所述虚拟的二维印刷表面位于打印头和三维制品的弯曲表面之间。由所述三维制品将所述期望图像投影到所述虚拟的二维印刷表面上的步骤在所述虚拟的二维印刷表面产生扭曲图像(skewed image)。

本发明的其它可应用领域由本申请所提供的说明将变得显而易见。应该理解的是，本说明书和具体实施例意图仅用于说明的目的，并不意图限制本发明的范围。

附图说明

本申请所描述的附图仅用于说明目的，并不意图以任何方式限制本发明的范围。

图1为描述根据本发明的教导在三维制品上印刷图像的一种方法的流程图；

图2A为三维制品的表面的透视图，其中在该表面上使用打印头根据本发明的一种实施方式印刷图像；

图2B为图2A的打印头的底面的透视图，显示出油墨从中喷出的多个喷嘴；

图2C为图2A的打印头当其喷出油墨到三维制品的弯曲表面上时通常沿线A-A截取的侧视图；

图3A为打印头的透视图，其根据本发明的教导通过一系列虚拟的二维印刷表面将扭曲图像施加到三维制品的弯曲表面上；

图3B为图3A的打印头的侧视图，其将图像施加到三维制品的弯曲表面上；

图4A为根据本发明的教导施加到三维制品的弯曲表面上的图像的示意图；和

图4B为扭曲图像的示意图，为了在三维制品的弯曲表面上产生图4A的图像将该扭曲图像通过打印头施加到二维印刷表面上。

详细描述

以下说明本质上仅是示例性的，决不意图限制本发明或其应用或用途。应该理解的是，整个说明书和附图中，相同的标号表示同一或相同的部件和特征。

本发明一般性地提供在三维(3-D)制品或物体上印刷的方法。更具体地，本发明提供了使用喷墨印刷设备在制品的弯曲表面上印刷高品质图像的方法。参见图1，该印刷方法包括如下步骤：在5，产生文件，该文件是在制品表面上印刷有期望图像的3-D制品的电子图示；在10，定义用于在3-D制品上印刷图像的打印头的路径；在15，计算虚拟的二维印刷表面，其中打印头的所有喷嘴在离该表面的一定距离之内；在20，将期望图像由该制品的弯曲表面投影到该虚拟的二维印刷表面上；在25，检查投影图像以确保没有丢失部分的期望图像，和修正发现缺失的任何部分；在30，校准和调节投影图像，从而匹配该期望图像；和，在35，通过沿给定路径导向所述打印头，使得打印头通过所述虚拟的二维印刷表面有效地印刷投影图像来印刷所述图像，但是油墨实际上落在所述三维制品的弯曲表面上，由此在所述弯曲表面上产生期望图像。

根据本发明各种教导的印刷方法提供了几个优点。打印头可以沿三维制品的表面而不是在单一平面中移动。该印刷方法不依赖于打印头的喷嘴或喷口总是精确地在投影平面上，而是在离投影平面的一定距离范围之内。因此，该印刷方法不需要为了校正喷嘴和制品表面之间的距离而打开/关闭喷嘴。

参见图2A，三维制品40显示具有排列用于在制品40的表面上印刷图像的模拟打印头45。示出打印头45扫描表面以及在各后继通道50施加图像的方向。虽然在图2A中多个打印头45模拟成并行的(in-line)，但是一个打印头45或多个打印头45可以用于将图像印刷到三维制品40的弯曲表面上。印刷领域的技术人员会认识到，图像的印刷可以通过以任何期望的方向移动打印头或制品40的弯曲表面来进行。图2B中示出图2A的打印头45的底面的简化视图，显示出油墨从中喷出或射出的多个喷嘴55。虽然对于图2B的打印头45显示出8个喷嘴55，但是可以引入和与打印头45一起使用任何其它数量的喷嘴55。在图2C中，示出沿线A-A截取的图2A的打印头45的侧视图，将油墨60施用至制品40的弯曲表面。

在5，在产生文件的步骤中，该文件包括在制品的表面上印刷有期望图像的三维制品40，人们可以将在其表面上已经显示出期望图像的3-D制品40的现有计算机辅助设计(CAD)图片导入到文件中，或者人们可以将期望印刷图像添加至在现有的3-D制品40的CAD图片中的制品表面。还可以初始生成显示期望图像的制品的整个CAD图片。

定义用于在3-D制品40上印刷图像的打印头45的路径的步骤10可以通过产生模拟一系列打印头45的软件程序来进行。该打印头45系列以最适合在制品40上印刷期望图像的方式沿3-D制品40的长度布置(参见图2A)。打印头45的各喷嘴55相对于3-D制品的弯曲表面上的点的位置应该包含在导入到软件程序的数据中。此外，与打印头45的期望行进路径相关的数据也应该导入到软件程序中。为打印头45所建立的印刷路径50包括描述一系列喷嘴45位置的数据以及对于各喷嘴55及其沿印刷路径50的位置的一组相应的图像要求。

打印头45所行径的路径可以由单个变量表示，所述单个变量或者定义打印头45的中心点，或者代表打印头45的外侧或侧面喷嘴55所行进的路线。定义为外侧路线的该变量是优选的，因为其允许工作中打印头45的方向变化，和当打印头45的方向发生变化时(例如在转弯过程中)，提供打印头45和印刷图像之间更好的校正。软件程序应该能够计算各喷嘴55在打印头45所行进的路径中多个位置处的位置。该计算可以基于由喷嘴55延伸至制品40的表面的直线所测得的距离，所述直线垂直于喷嘴55之间的共平面，或者沿着重力所建立的路径。

在15，计算可以通过其印刷图像的虚拟的二维印刷表面的步骤也可以使用软件程序来进行。该软件程序对于给定印刷路径中的每个喷嘴位置可以计算喷嘴到3-D制品的表面的距离。如果各喷嘴位置在几何上定义为点，那么产生点云(point cloud)，其中3-D制品的弯曲表面与各选定点之间的距离在打印头45和油墨制剂60的期望或选定组合所确定的最大投射范围(maximum stand-off range)之内。最大投射范围或距离可以实验确定或者由油墨60和打印头45的制造商提供。点的集合或点云用于提供如图3A和3B所示的一系列虚拟的二维印刷表面65的位置的边界，其中该点的集合或点云表示打印头45的整个路径所确定的投射范围。在图3B中，打印头45的路径显示具有离三维制品40的距离d。实际上，虚拟的二维印刷表面65的集合位于打印头45和待印刷的三维制品40的弯曲表面之间。3-D制品40的弯曲表面和打印头45之间的距离d由打印头45和油墨60制剂的已知投射距离给定。

一旦建立虚拟的二维印刷表面65，可以进行如下步骤20：由3-D制品40的弯曲表面将所述期望图像投影到这些新产生的虚拟的二维印刷表面65上。当投影到虚拟的二维印刷表面65时，印刷到3-D制品40的弯曲表面上的图像75可能变得扭曲(skewed)或看起来不同。例如，当投影到2-D印刷表面65(图4B)时，印刷到3-D制品40的表面上的圆形图像75(图4A)可能类似于椭圆形图像70。出现扭曲图像75是由于软件考虑了制品40相关的弯曲度所造成的距离差异。调整从喷嘴55喷出的油墨60的液滴大小可以补偿这种曲率，或者补偿在油墨液滴行进打印头45和3-D制品40的弯曲表面之间的距离所需要的“飞行”时间方面遇到的差异。

在建立印刷表面65之后，对于人们来说确定是否有任何部分的期望图像70没有合适地投影到相应的印刷表面65上是简单的过程。操作者可以进行检查投影图像75的步骤25，以确保没有丢失部分的期望图像。操作者还可以修正确定缺失的投影图像75的任何部分。这种检查和修正步骤25可以人工地或者通过使用各种软件算法来完成。在虚拟的二维印刷表面65上的投影图像75的所有缺少或缺失部分已经解决之后，为打印头45所建立的印刷路径50应该包括一组完全的喷嘴55的位置和对于各喷嘴55和其沿印刷路径50的位置的一组相应的图像要求。

在运行软件程序期间，机器人界面(robotic interface)可以向油墨喷口或打印头控制器提供启动信号(firing signal)。由机器人运行的实际轨迹可能需要与CAD图片确定的打印头45的印刷路径50进行关联。将需要记录打印头45贯穿整个机器人轨迹的合适位置。这些记录的输入位置可以用于将CAD图片校准为真实应用的步骤30中，因此用于调整图像。合适的运行依赖于打印头45的实际位置以及3-D制品40彼此之间或相对于一些预先定义的坐标体系如印刷表面65的实际位置。实际校准可以通过物理测量、光学测量或者使用机器人***确定的基础结构坐标(basic frame coordinate)来进行。

印刷步骤35如下进行：沿给定路径50导向打印头45，使得打印头45通过虚拟的二维印刷表面65有效地印刷扭曲的图像75。在该步骤中，油墨60实际上落在3-D制品的表面40，由此产生期望的图像70。换言之，打印头45试图将扭曲图像75印刷到虚拟的二维印刷表面65上，但是油墨实际上落在3-D制品40上，产生真实的期望图像70。

打印头45可以通过本领域技术人员已知的任何机器人***保持和移动。该机器人***可以包括以固定方式安装到支承表面的机器人臂，和连接到机器人臂端部的打印头45。控制器可以与机器人臂和打印头45电连接，其中打印头45与油墨60的容器流体连接。机器人臂是可关节连接的(articulatable)，能够在准备用期望图像75印刷的制品40的表面上靠近任何期望点移动打印头45。

所选的油墨60制剂需要与所选的打印头45相容。本领域技术人员会认识到，需要选择油墨60的类型和油墨参数(包括但不限于固体百分数、颗粒分布、流变性质和固化特性)，以与打印头45相关的操作参数(例如喷嘴尺寸、工作温度和压力梯度)相匹配。

其上印刷期望图像75的三维制品40可以由任何材料构成，包括金属、玻璃和塑料。塑料材料可以包括任何热塑性聚合物树脂或它们的混合物或组合。合适的热塑性树脂包括但不限于，聚碳酸酯树脂、丙烯酸类树脂、聚芳酯树脂。聚酯树脂和聚砜树脂，以及它们的共聚物和混合物。可以使用本领域技术人员已知的任何技术(包括但不限于模塑和热成型)来产生三维制品40。

本发明的另一目的是提供将图像印刷到基本上透明的塑料窗和塑料板的方法，所述基本上透明的塑料窗和塑料板是三维的，或者具有待施加印刷图像的弯曲表面。因此，塑料窗代表具体类型的三维制品40。该板或窗可以通过使用各种已知技术中的任一种成形，例如模塑、热成型或挤出。印刷在窗口上的期望图像75可以包括但不限于遮光边界(black-out border)、淡出边界(fade-out border)、标识和规章标记。

在其最终构造中，塑料窗或其它最终3-D制品40可以通过使用单保护层或多保护层来保护免于受到诸如暴露于紫外辐射、氧化和磨损等的自然事件的损害。保护层可以是塑料膜、有机涂层、无机涂层或它们的混合物。膜和涂层可以包括紫外吸收剂(UVA)分子、流变控制添加剂如分散剂、表面活性剂，和提高耐磨性的透明填料(例如，二氧化硅、氧化铝等)，以及改善光学、化学或物理性质的其它添加剂。保护涂层可以以任何本领域技术人员已知的技术施用。这些技术包括由反应性物类进行沉积例如在真空辅助沉积工艺中采用的那些，和大气涂布工艺，如用于将溶胶-凝胶涂料施用至基底的那些。真空辅助沉积工艺的实例包括但不限于等离子体增强的化学气相沉积，离子辅助的等离子体沉积，磁控管溅射，电子束蒸发，和离子束溅射。大气涂布工艺的实例包括但不限于幕涂、喷涂、旋涂、浸涂和流涂。

提供本发明各种实施方式的前述说明是为了示例和说明的目的。并不意图是穷尽的，或者将本发明限制为所披露的明确实施方式。按照上述教导可以进行各种改进或变化。选择和描述所讨论的实施方式，以提供本发明的原理及其实践应用的最佳说明，从而使本领域技术人员能够利用各种实施方式以及适合于预期具体用途的各种改进中的发明。当根据所附权利要求公平、合法和公正地授权的宽度解释时，所有这些改进和变化在所附权利要求确定的本发明范围之内。

Claims (25)

1.一种用于在三维制品的弯曲表面上印刷期望图像的方法，该方法包括如下步骤：

产生在制品的弯曲表面上具有所述期望图像的三维制品的文件；

定义打印头的路径，所述打印头具有多个用于使用油墨在三维制品上印刷图像的喷嘴；所述打印头的喷嘴位于离所述三维制品的弯曲表面的预定距离之内；

计算沿所述路径的多个点，所述多个点限定了一系列虚拟的二维印刷表面；

由所述制品的弯曲表面将所述期望图像投影到所述虚拟的二维印刷表面上；

检查所述印刷表面上的投影图像以确保没有丢失部分的期望图像，和修正发现缺失的任何部分；

校准和调节投影图像以匹配所述期望图像；和

通过沿所述给定路径导向所述打印头，使得打印头通过所述虚拟的二维印刷表面有效地印刷投影图像来印刷所述图像，其中油墨实际上落在所述三维制品的弯曲表面上，和在所述弯曲表面上产生期望图像。

2.权利要求1的方法，其中产生文件的步骤使用计算机辅助设计绘制在表面上设置有期望图像的三维制品。

3.权利要求1的方法，其中定义打印头路径的步骤使用限定打印头上各喷嘴相对于所述三维制品的弯曲表面的位置的软件程序。

4.权利要求3的方法，其中所述软件程序还包括与打印头的期望行进路径相关的数据。

5.权利要求4的方法，其中所述行进路径表示单个变量，所述单个变量定义为选自打印头的中心点和打印头的侧面喷嘴所行进的路线中的一种。

6.权利要求4的方法，其中所述软件程序计算各喷嘴在行进路径中多个位置处的位置。

7.权利要求6的方法，其中所述计算基于垂直于喷嘴之间的共平面和制品表面的直线所测量的距离。

8.权利要求6的方法，其中所述计算基于由喷嘴延伸至所述制品的表面的直线所测量的距离，所述直线沿着由重力所建立的路径。

9.权利要求1的方法，其中在计算虚拟的二维印刷表面的步骤中，喷嘴与所述三维制品的弯曲表面之间的预定距离在打印头和油墨制剂的选定组合所确定的最大投射范围之内。

10.权利要求1的方法，其中所述虚拟的二维印刷表面位于打印头和三维制品的弯曲表面之间。

11.权利要求1的方法，其中由所述三维制品将所述期望图像投影到所述虚拟的二维印刷表面上的步骤在所述虚拟的二维印刷表面产生扭曲图像。

12.权利要求1的方法，其中检查和调节投影图像的步骤人工地或者通过使用软件算法完成。

13.权利要求1的方法，其中定义打印头路径的步骤提供印刷路径，所述印刷路径包括一系列喷嘴位置和对于各喷嘴和其位置的一组相应的图像要求。

14.权利要求1的方法，其中，校准和调节投影图像的步骤依赖于打印头的实际位置以及所述三维制品彼此之间或相对于印刷表面的实际位置。

15.权利要求1的方法，其中所述印刷的步骤包括使用机器人***控制打印头。

16.一种用于在塑料窗的弯曲表面上印刷图像的方法，该方法包括如下步骤：

产生在其弯曲表面上具有期望图像的窗口的文件；

定义打印头的路径，所述打印头具有多个用于使用油墨在所述窗口上印刷图像的喷嘴；所述打印头的喷嘴位于离所述窗口的弯曲表面的预定距离之内；

计算沿所述路径的多个点，所述多个点限定了一系列虚拟的二维印刷表面；

由所述窗口的弯曲表面将所述期望图像投影到所述虚拟的二维印刷表面上；

检查所述虚拟的印刷表面上的投影图像以确保没有丢失部分的期望图像，和修正发现缺失的任何部分；

校准和调节投影图像以匹配所述期望图像；和

通过沿所述给定路径导向所述打印头，使得打印头通过所述虚拟的二维印刷表面有效地印刷投影图像来印刷所述图像，其中油墨实际上落在所述窗口的弯曲表面上，和在所述弯曲表面上产生期望图像。

17.权利要求16的方法，其中所述期望图像是选自遮光边界、淡出边界、标识和规章标记中的一种。

18.权利要求16的方法，其中产生文件的步骤使用计算机辅助设计绘制在表面上设置有期望图像的窗口。

19.权利要求16的方法，其中定义打印头路径的步骤使用限定打印头上各喷嘴相对于所述窗口的弯曲表面的位置的软件程序。

20.权利要求19的方法，其中所述软件程序计算各喷嘴在行进路径中多个位置处的位置。

21.权利要求16的方法，其中在计算虚拟的二维印刷表面的步骤中，喷嘴与所述三维制品的弯曲表面之间的预定距离在打印头和油墨制剂的选定组合所确定的最大投射范围之内。

22.权利要求16的方法，其中所述虚拟的二维印刷表面位于打印头和所述窗口的弯曲表面之间。

23.权利要求16的方法，其中由所述窗口将所述期望图像投影到所述虚拟的二维印刷表面上的步骤在所述虚拟的二维印刷表面产生扭曲图像。

24.权利要求16的方法，其中校准和调节投影图像的步骤依赖于打印头的实际位置以及所述窗口彼此之间或相对于印刷表面的实际位置。

25.权利要求16的方法，其中所述印刷的步骤包括使用机器人***控制打印头。

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