DE102018217124A1 - Prädiktionsmodell für die Auswahl von Druckdüsen im Inkjet-Druck - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Detektion und Kompensation defekter Druckdüsen in einer Inkjet-Druckmaschine (7) durch einen Rechner (6), welches die Schritte des Drucks von Druckdüsentestmustern (16) im Fortdruck neben einem Sujet mit anschließender Erfassung und Digitalisierung der gedruckten Druckdüsentestmuster (17) durch mindestens einen Bildsensor, der Auswertung der erfassten Testmuster (19) und darauf aufbauend Ermittlung von Kennwerten (28) für alle am Druck der Druckdüsentestmuster (16) beteiligten Druckdüsen durch den Rechner (6), der Berechnung einer Ausfallwahrscheinlichkeit (14) für jede beteiligte Druckdüse aus den ermittelten Kennwerten (28) durch Anwendung eines statistischen Prädiktionsmodells durch den Rechner (6), der Abschaltung und Kompensation aller Druckdüsen (20) die einen ersten festgelegten Schwellwert (18) für die berechnete Ausfallwahrscheinlichkeit (14) überschreiten und des Durchführens eines Druckprozesses auf der Inkjet-Druckmaschine (7) mit kompensierten Druckdüsen (20), umfasst.

Description

• Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Detektion und Kompensation defekter Druckdüsen in einer Inkjet-Druckmaschine, wobei defekte Druckdüsen durch den Einsatz eines Prädiktionsmodells prognostiziert werden.
• Die Erfindung liegt im technischen Gebiet des Digitaldrucks.
• Beim Betrieb von Inkjet-Druckmaschinen, besonders im industriellen Großformat, ist die Frage der Druckqualität stets auch eine Frage der Funktionsfähigkeit der einzelnen Druckdüsen der verwendeten Inkjet-Druckköpfe. Die einzelnen Druckdüsen können in ihrer Funktionsfähigkeit nachlassen bis hin zum vollständigen Ausfall. Dies wird verursacht durch das Eindringen von Fremdkörpern, z. B. Staubkörnchen, oder durch das Eintrocknen zurückbleibender Tinte, insbesondere wenn die Inkjet-Druckköpfe eine längere Zeit nicht benutzt werden. Beide Fehlerquellen führen dazu, dass die Öffnungen der Druckdüsen teilweise oder gar ganz blockiert werden, so dass nicht mehr die vorgesehene Tintenmenge in Form von ausgestoßenen Tintentröpfchen von der betroffenen Druckdüse ausgestoßen werden kann. Bei einer teilweise verstopften bzw. blockierten Druckdüse ist auch das Abweichen des Druckpunktes in Form einer sogenannten schräg spritzenden Druckdüse möglich. Diese Fehler in der Funktionsfähigkeit der Druckdüsen führen zu Artefakten im erzeugten Druckbild, wie z. B. weißen Linien bei ausgefallenen Druckdüsen, den sogenannten „white lines“, oder im Fall von schräg spritzenden Druckdüsen zu „white lines“ an der Stelle des eigentlichen Druckpunktes der betreffenden Druckdüse und einer „black line“ entstanden durch erhöhten Tintenauftrag an der Stelle im Druckbild, wo die schräg spritzende Druckdüse dann fehlerhafterweise zum Tintenauftrag beiträgt. Solche fehlerhaften Druckdüsen, die derartige Bildartefakte in Form von „white lines“ und „black lines“ verursachen, werden zusammenfassend auch als „missing nozzles“ bezeichnet.
• Um auch bei Auftreten solcher „missing nozzles“ den betreffenden Inkjet-Druckkopf weiterhin verwenden zu können und nicht ständig einen kostspieligen Austausch der Inkjet-Druckköpfe bei Auftreten einzelner „missing nozzles“ vornehmen zu müssen, sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Kompensationsverfahren für fehlerhafte Druckdüsen bekannt. Diese Kompensationsstrategien umfassen unter anderem das Bereitstellen redundanter Druckdüsen und Druckköpfe für die gleiche Druckfarbe, aber auch im Falle von Mehrfarbendrucken das Ersetzen von „missing nozzles“ durch Druckdüsen anderer Druckfarben, welche an der gleichen Position im Druckbild wie die „missing nozzle“ drucken. Ein weiterer Ansatz besteht darin, das Druckbild vor dem Rastern im Wissen um fehlerhafte Druckdüsen gezielt so anzupassen, dass die „missing nozzles“ möglichst wenige Artefakte im späteren gedruckten Druckbild verursacht. Die Adaptionen können dabei sowohl eine Anpassung der Grauwerte im digitalen Druckbild für den Bereich den später nach dem Rastern die „missing nozzles“ abbildet, umfassen, als auch das Verschieben ganzer Bildobjekte im digitalen Druckbild für das Ausschießen.
• Der gebräuchlichste Ansatz besteht jedoch darin, das gerasterte Druckbild im Wissen um fehlerhafte Druckdüsen so anzupassen, dass die Inkjet-Druckmaschine derart angesteuert wird, dass zu der „missing nozzle“ benachbarte Druckdüsen vermehrt Tinte ausstoßen, um damit die fehlerhafte Druckdüse zu kompensieren.
  Um jedoch fehlerhafte Druckdüsen kompensieren zu können, müssen diese erst einmal detektiert werden. Auch hierfür sind verschiedenste Detektionsverfahren aus dem Stand der Technik bekannt. Diese lassen sich grob in zwei verschiedene Ansätze einteilen. Der erste Ansatz besteht darin, das gedruckte Druckbild kontinuierlich durch ein Bilderfassungssystem mit mindestens einem Bildsensor zu erfassen, zu digitalisieren, einem Rechner zuzuführen, welcher die digitalen Bilder dann auswertet und im Hinblick auf mögliche „missing nozzles“ untersucht. Der Rechner führt dann die Ergebnisse seiner Auswertung der verantwortlichen Stelle für die Kompensation der aufgetretenen „missing nozzles“ zu. Nachteil dieses Ansatzes ist, dass durch eine Auswertung der direkt zu druckenden Druckbilder im Fortdruckprozess der Druckmaschine oft fehlerhafte Druckdüsen nicht erkannt werden können, da diese z. B. nicht am Druck des aktuellen Druckbildes beteiligt sind. Auch sind die im eigentlichen Druckbild zu erzeugenden Druckdaten selten dazu geeignet, fehlerhafte Druckdüsen optimal zu detektieren.
• Ein weiterer Ansatz für die Detektion fehlerhafter Druckdüsen besteht daher darin, eigens für die Erfassung fehlerhafter Druckdüsen optimierte Druckdüsentestmuster zusätzlich zum eigentlich zu erzeugenden Druckbild auf das Drucksubstrat zu drucken und über das genannte Bilderfassungssystem auswerten zu lassen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass man stets zusätzliche Bilddaten auf dem Substrat erzeugen muss, wodurch die Performance und die Belastung der Inkjet-Druckmaschine geringfügig erhöht werden. Des Weiteren ist zu beachten, dass die Detektionsmuster eine gewisse Fläche auf einem Druckbogen oder in einem Label-Abschnitt einnehmen und für jede Farbe einzeln zu drucken sind.
• Beim Drucken von Druckdüsentestmustern werden üblicherweise von jeder Druckdüse kleine Bildobjekte gedruckt, z. B. kurze vertikale Striche, die dann im Rahmen des Detektionsverfahrens vom Auswerterechner des Bilderfassungssystems untersucht werden, wobei von der Beschaffenheit des von der einzelnen Druckdüse erzeugten Bildobjektes Rückschlüsse auf deren Funktionsfähigkeit gezogen werden können. Für diese Auswertung gibt es Grenzwerte, die definieren ab wann eine Druckdüse als fehlerhaft einzuschätzen ist, bzw. bis wann sie noch als funktionsfähig gilt. Von diesen Grenzwerten abhängig wird dann eine Entscheidung über Abschalten oder Wiederanschalten einer Druckdüse getroffen. Die zum Abgleich notwendigerweise bekannte Qualität jeder einzelnen Druckdüse wird dabei über spezifische Kennwerte beschrieben, wie z.B. die Stärke, Schiefheit oder den Grauwert des von der jeweiligen Druckdüse gedruckten vertikalen Striches. Die Kennwerte werden im laufenden Druckbetrieb „on-the-fly“ in vorgegebenen Intervallen ermittelt. Im aktuellen Stand der Technik wird dabei eine Klassifikation der Kennwerte auf Basis von Erfahrungswerten vorgenommen. Druckdüsen, die dann den bestimmten Grenzwert überschreiten, werden abgeschaltet. Ein Wiedereinschalten kann erfolgen, wenn eine gewisse Anzahl, z.B. 5, Detektionen in Folge ein Ergebnis unterhalb des Grenzwertes liefern. Das aktuell bekannte Vorgehen ermöglicht keine Prognose bzw. Prädiktion der Düsenqualität. Das Abschalten der Druckdüse erfolgt jedoch erst dann, wenn die Qualitätsgrenze erreicht bzw. überschritten wurde. Dies führt entweder dazu, dass durch eine zu großzügige Grenze Ausschuss-Bögen produziert werden oder dass im umgekehrten Fall durch eine zu enge Grenze Druckdüsen vorschnell abgeschaltet werden, was wiederum zu unnötiger Kompensation führt. Beides wirkt sich negativ auf die Qualität und/oder Produktivität der Inkjet-Druckmaschine aus.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, ein Verfahren zur Druckqualitätssicherung einer Inkjet-Druckmaschine mittels Überwachung der Funktionsfähigkeit der Druckdüsen durch Detektion und Kompensation fehlerhafter Druckdüsen zu offenbaren, welches effizienter und leistungsfähiger als die bisher bekannten Verfahren ist.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe stellt ein Verfahren zur Detektion und Kompensation defekter Druckdüsen in einer Inkjet-Druckmaschine durch einen Rechner dar, welches die Schritte des Drucks von Druckdüsentestmustern im Fortdruck neben einem Sujet mit anschließender Erfassung und Digitalisierung der gedruckten Druckdüsentestmuster durch mindestens einen Bildsensor, der Auswertung der erfassten Testmuster und darauf aufbauend Ermittlung von Kennwerten für alle am Druck der Druckdüsentestmuster beteiligten Druckdüsen durch den Rechner, der Berechnung einer Ausfallwahrscheinlichkeit für jede beteiligte Druckdüse aus den ermittelten Kennwerten durch Anwendung eines statistischen Prädiktionsmodells durch den Rechner, der Abschaltung und Kompensation aller Druckdüsen die einen ersten festgelegten Schwellwert für die berechnete Ausfallwahrscheinlichkeit überschreiten und der Durchführung eines Druckprozesses auf der Inkjet-Druckmaschine mit kompensierten Druckdüsen, umfasst.
• Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass nicht nur auf den Ausfall einer Druckdüse überwacht wird, sondern zur Bewertung der Funktionsfähigkeit der gesamte Zustand aller beteiligten Druckdüsen. Der aktuelle Zustand der Druckdüsen wird anhand von Kennwerten definiert, wobei diese Kennwerte sich direkt aus dem gedruckten Druckdüsentestmuster mit den einzelnen Bildobjekten für jede einzelne Druckdüse ergeben. Mit diesem aktuellen Zustand der einzelnen Druckdüsen wird dann durch Anwendung eines statistischen Prädiktionsmodells die Ausfallwahrscheinlichkeit aller einzelnen Druckdüsen berechnet. Überschreitet die berechnete Ausfallwahrscheinlichkeit einer Druckdüse einen bestimmten Schwellwert, so wird diese Druckdüse deaktiviert. Die deaktivierte Druckdüse wird dann natürlich im eigentlichen Druckbild eine „white line“ verursachen, weshalb die deaktivierte Druckdüse entsprechend kompensiert werden muss. Der Grund, warum man als fehlerhaft erkannte Druckdüsen immer deaktiviert, auch wenn sie vielleicht gar nicht komplett ausgefallen sind, sondern noch teilweise oder schräg drucken, liegt darin, dass man für die Kompensation einen definierten Ausgangszustand braucht. Dieser definierte Ausgangszustand lässt sich durch Abschalten der nicht mehr korrekt arbeitenden Druckdüse herstellen. Würde man das nicht tun, sondern eine z. B. vermindert druckende Druckdüse einfach weiter drucken lassen und dann dennoch kompensieren, müsste man für alle dergestaltigen fehlerhaften Druckdüsen eine zielgenaue, auf die jeweils spezifische Fehlercharakteristik der einzelnen Druckdüse angepassten Kompensationsansatz finden. Dies würde das Kompensationsverfahren extrem kompliziert machen, weshalb man lieber den Weg geht, dass man derartig fehlerhafte Druckdüsen gezielt abschaltet. Im erfindungsgemäßen Verfahren ist der entscheidende Parameter, welcher entscheidet, ob eine Druckdüse abgeschaltet wird, jedoch nicht mehr der direkte aktuelle Zustand der Druckdüse, sondern die erfindungsgemäß berechnete Ausfallwahrscheinlichkeit für die einzelne Druckdüse. Überschreitet sie den Schwellwert, wird sie abgeschaltet. Bleibt sie darunter, kann sie weiter verwendet werden. Vorteil dieses Ansatzes ist es, dass Druckdüsen, die mit großer Wahrscheinlichkeit in Bälde ausfallen werden, somit bereits proaktiv behandelt und kompensiert werden können. Anders als im bisherigen Stand der Technik wird nicht erst abgewartet bis die Druckdüse wirklich ausfällt und entsprechend vielleicht sogar Makulatur verursacht, sondern es kann bereits vorweg gehandelt werden.
• Vorteilhafte und daher bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung mit den zugehörigen Zeichnungen.
• Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass das Druckdüsentestmuster so gedruckt wird, dass es aus einer bestimmten Anzahl horizontaler Zeilen periodisch vertikal gedruckter, gleichabständiger Linien besteht, die untereinander angeordnet sind, wobei in jeder Zeile des Düsentestmusters jeweils nur periodisch die Druckdüsen des Druckkopfes der Inkjet-Druckmaschine zum ersten Element des Düsentestmusters beitragen, die der bestimmten Anzahl der horizontalen Zeilen entsprechen. Es sind viele Arten von Druckdüsentestmustern bekannt. Eine besonders geeignete Variante besteht aus einer bestimmten Anzahl horizontaler Zeilen mit vertikal gedruckten gleichabständigen Linien oder Strichen. Da die Auflösung des mindestens einen Bildsensors mit aktuell verwendeter Technik meistens noch deutlich geringer ist als die Auflösung des eigentlich erzeugten Druckbildes, können nicht sämtliche benachbarte Druckdüsen auch direkt nebeneinander gedruckt werden, da der mindestens eine Bildsensor nicht die erforderliche Auflösung hat, diese Einzellinien noch auseinanderzuhalten. Daher wird z. B. nur jede zehnte vertikale Linie von ihrer entsprechenden Druckdüse in einer horizontalen Zeile gedruckt. Um sämtliche Druckdüsen zu erfassen und ihre vertikalen Linien drucken zu lassen, besteht somit das Druckdüsentestmuster aus insgesamt zehn horizontalen Zeilen.
• Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass die Kennwerte die Stärke, die Schiefheit, und den Farbwert der vertikal gedruckten, gleichabständigen Linien umfassen, sowie die Auslastung der beteiligten Druckdüsen. Die entsprechenden Kennwerte, anhand derer die aktuelle Funktionsfähigkeit der getesteten Druckdüsen zu bewerten ist, sind unter Anderem die genannten Stärke, Schiefheit und Farbwert der vertikal gedruckten Linien. Natürlich gelten diese Kennwerte auch für den Fall, dass andere Arten von Druckdüsentestmustern verwendet werden. In diesem Fall müssten die Kennwerte jedoch eventuell an die andere Form der einzelnen Bildobjekte in Form der vertikalen Linien, welche von den Druckdüsen im Testmuster gedruckt werden, angepasst werden. Wichtig ist auch, dass man die Auslastung der beteiligten Druckdüsen als Kennwert mit hinzuzieht, da die Funktionsfähigkeit der einzelnen Druckdüsen besonders auch von dem Grad ihrer Auslastung abhängig ist.
• Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit einer jeden Druckdüse die Wahrscheinlichkeit darstellt, mit der für diese Druckdüse eine Toleranzgrenze für die sich aus den Kennwerten ergebende Druckqualität verletzt wird. Während die Entscheidung, ob eine Druckdüse deaktiviert und somit kompensiert werden muss, dadurch getroffen wird, indem überprüft wird, ob die Ausfallwahrscheinlichkeit einen bestimmten Schwellwert überschreitet, wird die Ausfallwahrscheinlichkeit selber dadurch definiert, indem man überprüft, ob die Funktionsfähigkeit einer bestimmten Druckdüse, verkörpert durch die Kennwerte, eine festgelegte Toleranzgrenze für diese Kennwerte überschreitet. Es wird also ermittelt, wie wahrscheinlich es ist, dass die aktuellen Kennwerte einer Druckdüse die Toleranzgrenze für diese Kennwerte verletzen.
• Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass zur Anwendung des Prädiktionsmodells für jede Druckdüse die Kennwerte mehrfach ermittelt werden, wobei jede Auswertung eines gedruckten Druckdüsentestmusters einem Durchgang entspricht, und die so mehrfach ermittelten Kennwerte abgespeichert und zur Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit verwendet werden. Für eine möglichst genaue Ermittlung der Kennwerte, wodurch das Prädiktionsmodell möglichst präzise angewandt werden kann, empfiehlt es sich, die Kennwerte, welche den aktuellen Zustand einer jeden Druckdüse beschreiben, mehrfach zu ermitteln. Dies geschieht, indem der Druck des Druckdüsentestmusters und die entsprechende Auswertung durch das Bilderfassungssystem mehrfach durchgeführt werden und die Ergebnisse dann abgespeichert und zur Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit herangezogen werden. Dabei ist zu beachten, dass die mehrfache Ermittlung der Kennwerte zur Beschreibung des aktuellen Zustandes zum Einen hilfreich ist, indem durch Mittelung der mehrfach ermittelten Kennwerte einzelne Messfehler ausgeschlossen werden können, zum Anderen jedoch vor allem auch um den eigentlichen Verlauf der Kennwerte über die Zeit darstellen zu können. Dieser Verlauf über die Zeit ist ein entscheidendes Kriterium, um den zukünftigen Verlauf der Kennwerte und damit der Funktionsfähigkeit der Druckdüse prognostizieren zu können.
• Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass die mehrfach ermittelten Kennwerte in Abhängigkeit von der Prozessstreuung der Kennwerte über den Verlauf der einzelnen Durchgänge verwendet werden, wobei für dieselbe Ausfallwahrscheinlichkeit Verläufe mit geringer Prozessstreuung der Kennwerte näher an die Toleranzgrenze laufen dürfen als Verläufe mit großer Prozessstreuung. Zieht man den Verlauf der ermittelten Kennwerte über die Zeit heran, so muss die entsprechende Prozessstreuung der Kennwerte berücksichtigt werden. Das bedeutet, dass Kennwerte, die sehr stark schwanken, also streuen, einen wesentlich größeren Unsicherheitsfaktor beinhalten. Der Grund für diese Streuung können zum einen natürlich Messfehler sein, zum anderen jedoch natürlich auch eine real sehr volatil hinsichtlich ihrer Qualität druckende Druckdüse sein. Entscheidender Punkt ist, dass eine Druckdüse mit stark streuenden Kennwerten hinsichtlich ihres zu prognostizierenden weiteren Kennwerteverlaufs direkte Konsequenzen für die Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit hat. Der Kennwerteverlauf für eine Druckdüse, der nur sehr schwach streut, darf daher wesentlich näher an die Toleranzgrenze heranrücken, da man statistisch davon ausgehen kann, dass auch die zukünftige Entwicklung der Kennwerte einer geringen Streuung unterworfen ist und somit die Wahrscheinlichkeit, dass die Kennwerte in Zukunft die Toleranzgrenze reißen werden deutlich niedriger ist, als bei einem Kennwerteverlauf der sehr stark streut. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass ein Kennwerteverlauf der eben sehr stark streut, sich im Schnitt der Toleranzgrenze weit weniger nähern darf, da hier für die zukünftige Entwicklung ebenfalls von einer starken Streuung ausgegangen werden muss und somit die Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Kennwerte die Toleranzgrenze reißen würden, bei einem näheren Heranrücken an die Toleranzgrenze deutlich größer wäre. Dies bedeutet daher im Endeffekt, dass bei der gleichen resultierenden Ausfallwahrscheinlichkeit Kennwerteverläufe mit einer geringen Streuung näher an die Toleranzgrenze heranrücken dürfen, wie Verläufe mit einer großen Streuung.
• Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass die mehrfach ermittelten Kennwerte in statistische Prozessgrößen, in Form von Erwartungswert und Vertrauensbereich, überführt werden, wobei die statistischen Prozessgrößen durch lineare oder nichtlineare Regression der mehrfach ermittelten Kennwerte bestimmt werden und für die lineare oder nichtlineare Regression ein Regressionsmodell von beliebiger Ordnung verwendet wird. Die ermittelten Kennwerte, welche den aktuellen Zustand der Druckdüse beschreiben, lassen sich in statistische Prozessgrößen wie den Erwartungswert und einen Vertrauensbereich überführen. Sie werden durch eine lineare oder nicht lineare Regression der Kennwerte bestimmt, wobei für die Regression ein Modell beliebiger Ordnung verwendet werden kann. Ist es z. B. erster Ordnung, bedeutet dies eine lineare Regression. Ein Modell nullter Ordnung bedeutet, dass die Regression entfällt und die statistischen Größen dann entsprechend dem Mittelwert und der Standardabweichung für Erwartungswert und Vertrauensbereich entsprechen.
• Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass die statistischen Größen mit einer zeitlichen Gewichtung der mehrfach ermittelten Kennwerte gebildet werden, wobei die zeitliche Gewichtung in der Form geschieht, dass neuere Kennwerte höher als ältere Kennwerte, linear oder exponentiell, gewichtet werden, geschieht. So ist bei der Ermittlung der statistischen Prozessgrößen, welche für die spätere Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit herangezogen werden, eine zeitliche Gewichtung der mehrfach ermittelten Kennwerte zu verwenden. Diese zeitliche Gewichtung bedeutet, dass neuere Kennwerte deutlich höher als ältere Kennwerte gewichtet werden. Falls sie angewandt wird kann sie linear oder exponentiell sein, was bedeutet, dass bei einer linearen Gewichtung die Bedeutung der Kernwerte linear ansteigt, je neuer sie sind, während bei einer exponentiellen Gewichtung die Bedeutung der Kernwerte entsprechend exponentiell ansteigt.
• Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass für den Druck eines Sujets abgeschaltete Druckdüsen weiterhin am Druck der Druckdüsentestmuster beteiligt sind, für diese Druckdüsen weiterhin die Ausfallwahrscheinlichkeit berechnet wird und bei Unterschreiten eines zweiten festgelegten Schwellwert für die berechnete Ausfallwahrscheinlichkeit diese Druckdüsen wieder für den Druck des Sujets im Fortdruck verwendet werden. Wichtig beim erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass aufgrund der Vorhersage des zukünftigen Verhaltens der beteiligten Druckdüsen die Druckdüsen fortlaufend hinsichtlich ihres aktuellen Zustandes überwacht werden. Dies schließt ebenfalls Druckdüsen ein, welche den Schwellwert für die Ausfallwahrscheinlichkeit überschreiten und somit deaktiviert werden. Das bedeutet, dass die Deaktivierung der Druckdüsen lediglich für das eigentliche Druckbild also das Sujet deaktiviert werden, während sie weiterhin am Druck der Druckdüsentestmuster beteiligt sind. Sie werden also hinsichtlich ihrer Funktionalität auch nach dem Abschalten für das Sujet weiterhin überwacht. Sollten sich ihre Kennwerte und damit ihre Funktionsfähigkeit z.B. aufgrund einer geringeren Auslastung, derart verändern, dass ihre Ausfallwahrscheinlichkeit wieder unter den Schwellwert sinkt, so können diese Druckdüsen wieder für den Druck des Sujets im Fortdruck zur Abarbeitung des eigentlichen Druckauftrages verwendet werden. Die Schwellwerte für die Ausfallwahrscheinlichkeit welche bestimmen ob eine Druckdüse deaktiviert und damit kompensiert werden muss oder ob sie wieder für den Fortdruck aktiviert werden kann, sind dabei zwei verschiedene Parameter. Diese können jedoch durchaus einen identischen Wert einnehmen.
• Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass zur Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit für alle am Druck der Druckdüsentestmuster beteiligten Druckdüsen, neben einer unimodalen Verteilung der Kennwerte auch multimodale Verteilungen der Kennwerte angenommen und verwendet werden. Die Verteilung kann neben der standardmäßigen unimodalen Verteilung auch bi- bzw. allgemein multimodale Verteilungen umfassen. Dies betrifft die Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten einzelner Kennwerte, für die entsprechend eine oder mehrere statistische Modi angenommen werden können, mit den entsprechenden Konsequenzen für die Auswertung zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit.
• 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.
• Die Zeichnungen zeigen:
• 1 ein Beispiel einer Bogen-Inkjet-Druckmaschine,
• 2 ein Beispiel eines verwendeten Druckdüsentestmusters mit horizontalen Zeilen vertikaler gleichabständiger Linien,
• 3 zwei Beispiele für den Verlauf der Kennwerte über die Zeit mit einer entsprechenden Toleranzgrenze,
• 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 5 den Ablauf der Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit,
• 6 eine ablaufgemäße Darstellung des Prädiktionsmodells.
• Das Anwendungsgebiet der bevorzugten Ausführungsvariante ist eine Inkjet-Druckmaschine 7. Ein Beispiel für den grundlegenden Aufbau einer solchen Maschine 7, bestehend aus Anleger 1 für die Zufuhr des Drucksubstrats 2 in das Druckwerk 4, wo es von den Druckköpfen 5 bedruckt wird, bis hin zum Ausleger 3, ist in 1 dargestellt. Dabei handelt es sich hier um eine Bogen-Inkjetdruckmaschine 7, welche von einem Steuerungsrechner 6 kontrolliert wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren in seiner bevorzugten Ausführungsvariante ist dabei in 4 dargestellt. In einem ersten Schritt werden im Rahmen der Abarbeitung des Druckauftrages im Fortdruck ein oder mehrere verschiedene digitale Druckdüsentestmuster 16 gedruckt. Diese bestehen aus mehreren horizontalen Linien mit vertikalen Strichen 11, wobei jede Druckdüse pro Druckkopf 5 mindestens einen vertikalen Strich 11 druckt. Ein solches gedrucktes Testmuster 17 ist in 2 zu sehen, wobei hier in einer horizontalen Linie nur jede x-te Druckdüse einen vertikalen Strich 11 erzeugt wofür dann entsprechend x horizontale Linien pro Druckdüsentestmuster 17 gedruckt werden müssen, damit jede Druckdüse mindestens einen vertikalen Strich 11 erzeugt. Gut zu sehen sind hier auch Bildobjekte 11, also vertikale Striche 11, die von defekten Druckdüsen gedruckt wurde, wie z.B. von ausgefallenen Druckdüsen 8, abweichend druckenden Druckdüsen 9 und vermindert druckenden Druckdüse 10. Aus diesen speziellen vertikalen Strichen lassen sich die Kennwerte 28 in Form der Stärke, die Schiefheit, des Farbwertes der vertikal Striche berechnen, wobei zu den Kennwerten 28 auch die Auslastung der beteiligten Druckdüsen gehört. Die gedruckten Testmuster 17 werden dann vom Bilderfassungssystem mittels des mindestens einen Bildsensors erfasst und digitalisiert und an einen Auswerterechner 6 weitergeleitet. In diesem wird die Ausfallwahrscheinlichkeit 14 mit Hilfe des Prädiktionsmodells für jede einzelne am gedruckten Druckdüsentestmuster 17 beteiligte Druckdüse berechnet. Überschreitet diese Ausfallwahrscheinlichkeit 14 für eine Druckdüse den gesetzten Schwellwert 18, so wird die betreffende Druckdüse 20 für den Druck des eigentlichen Sujets deaktiviert und kompensiert. Mit diesen entsprechend detektierten fehlerhaften Druckdüsen in Form der für jede Druckdüse vorliegende Ausfallwahrscheinlichkeit 14 sowie den abhängig von der Ausfallwahrscheinlichkeit 14 deaktivierten und somit zu kompensierenden Druckdüsen 20 wird dann der eigentliche Druckprozess zur Abarbeitung des Druckauftrages weiterhin durchgeführt. Dabei werden gleichzeitig kompensierte Druckdüsen 20, die im Rahmen einer zu großen Ausfallwahrscheinlichkeit 14 für den Druck des Sujets nicht mehr verwendet werden, weiterhin für den Druck der digitalen Druckdüsentestmuster 16 verwendet und ausgewertet. Sollten Sie einen entsprechenden zweiten Schwellwert 27 unterschreiten und somit wieder zum Druck des Sujets verwendbar sein, werden sie wieder eingeschaltet und die Kompensation wird unterlassen.
• Die Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit 14 wird noch einmal genauer in 5 schematisch dargestellt. Die Berechnung besteht aus dem Berechnen der Kennwerte 28, welche die Funktionsfähigkeit der einzelnen Druckdüsen beschreiben und welche anhand der Auswertung der mehrfach gedruckten und erfassten Testmuster 19 durch den Rechner 6 erstellt werden. Dem Verfahren ist immanent, dass Kennwerte 28 in Abhängigkeit Ihrer Prozessstreuung 23 behandelt werden. Daraus folgt, dass Verläufe mit geringer Streuung 23 näher an die Toleranzgrenze 26 laufen dürfen als Verläufe mit großer Streuung 23, wenn dieselbe Ausfallwahrscheinlichkeit 14 zugrunde gelegt wird. Dies zeigt die 3 beispielhaft für zwei Verläufe von Kennwerten 28 - einem mit geringer Streuung 12, der entsprechend näher an die Toleranzgrenze heranrücken darf und einem mit großer Streuung 13 bei dem dies nicht gilt. Die X-Achse von 3 zeigt dabei die Anzahl der Messvorgänge zur Kennwertberechnung 15, während die Y-Achse die Ausfallwahrscheinlichkeit 14 anzeigt. Beide Kennwertverläufe 12, 13 sind normalverteilt und haben dieselbe Ausfallwahrscheinlichkeit 14 gegenüber der Toleranzgrenze 26. Für den Fall, dass diese Ausfallwahrscheinlichkeit 14 gerade die zulässige Toleranzgrenze 26 überschreiten würde, bedeutet das, dass beide Druckdüsen abgeschaltet würden und das obwohl beim Verlauf mit starker Streuung 23 der Ausfall noch nicht augenfällig ist. In einem weiteren Schritt werden unter Berücksichtigung der Streuung 23 der Kennwerte 24 mittels einer Regression mit zeitlicher Gewichtung die statistischen Prozessgrößen 21, 22 zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit 14 und zwar in Form des Erwartungswertes 21 und des Vertrauensbereiches 22 berechnet. Zur Berechnung der Prozessgrößen 21, 22 mittels Regression wird dabei auch der zeitliche Verlauf der einzelnen Kennwerte 25 in die Gewichtung mit einbezogen. Mit diesen Prozessgrößen 21, 22 wird dann die Ausfallwahrscheinlichkeit 14 berechnet in Form des Abgleichs des Kennwerteverlaufs mit der Toleranzgrenze 26, wobei die Wahrscheinlichkeit, ob der aus den Prozessgrößen 21, 22 ableitbare zukünftige Verlauf der Kennwerte 24, 25 die Toleranzgrenze 26 reißen wird, das Maß der Ausfallwahrscheinlichkeit 14 bestimmt.
• Das herangezogene Prädiktionsmodell selber wird in 6 noch einmal näher erläutert. Es baut auf dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, dass für jede Druckdüse im laufenden Druckbetrieb geeignete Kennwerte 28 ermittelt werden, auf. Hierbei werden für jede Druckdüse die letzten n, z.B. fünf Messwerte gespeichert und verarbeitet. Die Druckdüsenkennwerte 28 folgen einer statistischen Verteilung, idealerweise der Normalverteilung. Auf Basis der Annahme, dass die Kennwerte normalverteilt sind, kann durch statistische Berechnung die Wahrscheinlichkeit 14 ermittelt werden, dass die Toleranzgrenze 26 für die Druckqualität überschritten wird. Es wird nicht mehr nur mit reinen Messwerten operiert, sondern mit statistischen Prozessgrößen 21, 22, bevorzugt mit Erwartungswert 21 und Vertrauensbereich 22. Somit existiert für jede Druckdüse ein Erwartungswert 21 und ein Vertrauensbereich 22, wodurch es möglich ist die Ausfallwahrscheinlichkeit 14 für jede Druckdüse zu ermitteln und beim Überschreiten einer bestimmten Schwelle p₀ 18, z.B. = 1% Ausfallwahrscheinlichkeit 14, die entsprechende Druckdüse 20 abzuschalten. Ebenso ist es dann möglich eine abgeschaltete Druckdüse 20 beim Unterschreiten einer gewissen Schwelle p₁ 27, z.B. mit ebenfalls 1 % Ausfallwahrscheinlichkeit 14, wieder einzuschalten. Die beiden Schwellen p₀ 18 und p₁ 27 können, aber müssen nicht den gleichen Wert einnehmen. Dabei ist p₀ stets kleiner oder gleich p₁.
• Die statistischen Prozessgrößen 21, 22 werden durch Regression, z.B. durch lineare oder nichtlineare Regression, aus der Zeitreihe von n Werten ermittelt. Bei n = 1 geht das Verfahren in die aus dem Stand der Technik bekannte Methode über. Das verwendete Regressionsmodell kann von beliebiger, d.h. n-ter Ordnung sein, typischerweise ist es jedoch 1-ter Ordnung für eine lineare Regression. Bei einem Regressionsmodell 0-ter Ordnung entfällt die Regression - die statistischen Prozessgrößen des Erwartungswertes 21 und des Vertrauensbereiches 22 entsprechen dann dem Mittelwert und der Standardabweichung.
• Die statistischen Prozessgrößen 21, 22 können mit oder ohne zeitliche Gewichtung der Werte der n Messungen gebildet werden. Die zeitliche Gewichtung kann dabei beliebig erfolgen. Wenn eine Gewichtung erfolgt, werden typischerweise neuere Daten höher gewichtet als ältere und zwar in Form einer linearen oder exponentiellen Gewichtung.
• Eine weitere bevorzugte Ausführung des Prädiktionsmodells kann erzielt werden, wenn das zeitliche Verhalten der n Messwerte in die Betrachtung mit einbezogen wird. Auf Basis der Regression wird dann eine Extrapolation für den nächsten Erwartungswert 21 und das entsprechende Vertrauensintervall 22 durchgeführt.
• Eine typische Umsetzung sieht folgendermaßen aus:
• Anzahl Messwerte, n: 1 bis 100, typischerweise 10
• Schwelle p0: 0.01% bis 50% Ausfallwahrscheinlichkeit, typischerweise 1%
• Schwelle p1: 0.01% bis 50% Ausfallwahrscheinlichkeit, typischerweise 1%
• Zusammengefasst bedeutet dies: Auf Basis einer Zeitreihenanalyse der Ausprägungen der Merkmale der Druckdüsen und deren inferenzstatistischer Analyse mit schließender Statistik, können mit Hilfe des Prädiktionsmodells im erfindungsgemäßen Verfahrens Vorhersagen der künftigen Entwicklung der Funktionsfähigkeit der Druckdüsen mit zugehörigen Ausfallwahrscheinlichkeiten 14, in Form von Unsicherheiten/Vertrauensintervallen, ermittelt werden. Damit lässt sich die Entscheidung herbeiführen, ob eine Druckdüse an- oder abgestellt, und damit kompensiert, wird, bevor diese einen Ausschuss in Form von Makulatur produziert.
• Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die statistische Auswertung der ermittelten Messwerte. So kann neben einer unimodalen Verteilung der Kennwerte 28 einer Druckdüse, auch eine multimodale Verteilung angenommen werden. Bei Annahme einer unimodalen Verteilung lassen sich im speziellen Fall einer Normalverteilung die Kennwerte 28 der Druckdüsen in ausreichender Genauigkeit beschreiben.
• Bei Annahme einer multimodale Verteilung gilt: Da nur eine sehr begrenzte Anzahl an Messwerten zur Verfügung steht, ist es notwendig, die Verteilungsfunktion - aus der sich dann die Ausfallwahrscheinlichkeiten 14 ableiten lassen - zu schätzen. Ist die Verteilungsfunktion bekannt, kann die Ausfallwahrscheinlichkeit 14 durch numerische Integration der Verteilungsfunktion ermittelt werden. Ein mögliches Verfahren die Dichtefunktion zu schätzen, ist die Verwendung eines sog. Kerndichteschätzers.
• In der bisherigen Ausführung mit einer unimodalen Verteilung wird die Statistik der Einzeldüse durch z.B. Mittelwert und Standardabweichung mit der Voraussetzung einer Normalverteilung beschrieben und daraus die Ausfallwahrscheinlichkeit 14 berechnet - z.B. Wert mit Ausfallwahrscheinlichkeit 14 von 1 % entspricht bei Normalverteilung dem Mittelwert, bzw. Erwartungswert 21 multipliziert mit dem 2.576-fachem der Standardabweichung. Im Falle der Regression funktioniert dies für das Vertrauensintervall 22 analog.
• Bei multimodaler Verteilung erfolgt die Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit 14 rein numerisch. Zuerst wird die Verteilungsfunktion über ein numerisches Verfahren geschätzt und anschließend aus der numerischen Integration der Verteilungsfunktion folgt die Ausfallwahrscheinlichkeit 14.
• Bezugszeichenliste

1

Anleger

2

Drucksubstrat

3

Ausleger

4

Inkjet-Druckwerk

5

Inkjet-Druckkopf

6

Rechner

7

Inkjet-Druckmaschine

8

ausgefallene Druckdüse

9

abweichend druckende Druckdüse

10

vermindert druckende Druckdüse

11

Druckdüsen-Bildobjekt

12

Kennwertverlauf mit geringer Streuung

13

Kennwertverlauf mit großer Streuung

14

Ausfallwahrscheinlichkeit

15

Anzahl Messvorgänge zur Kennwerteberechnung

16

digitales Testmuster

17

gedrucktes Testmuster

18

Schwellwert zum Abschalten einer Druckdüse

19

erfasstes, gedrucktes Testmuster

20

abgeschaltete und kompensierte Druckdüsen

21

statistischen Prozessgröße Erwartungswert

22

statistischen Prozessgröße Vertrauensbereich

23

Streuung der Kennwerte

24

um Streuung berücksichte Kennwerte

25

um Regression und Streuung berücksichte Kennwerte

26

Toleranzgrenze für Kennwerte

27

Schwellwert zum Wiedereinschalten einer Druckdüse

28

Kennwerte

Claims (10)

1. Verfahren zur Detektion und Kompensation defekter Druckdüsen in einer Inkjet-Druckmaschine (7) durch einen Rechner (6), die folgenden Schritte umfassend: • Druck von Druckdüsentestmustern (16) im Fortdruck neben einem Sujet mit anschließender Erfassung und Digitalisierung der gedruckten Druckdüsentestmuster (17) durch mindestens einen Bildsensor • Auswertung der erfassten Testmuster (19) und darauf aufbauend Ermittlung von Kennwerten (28) für alle am Druck der Druckdüsentestmuster (16) beteiligten Druckdüsen durch den Rechner (6) • Berechnung einer Ausfallwahrscheinlichkeit (14) für jede beteiligte Druckdüse aus den ermittelten Kennwerten (28) durch Anwendung eines statistischen Prädiktionsmodells durch den Rechner (6) • Abschaltung und Kompensation aller Druckdüsen (20) die einen ersten festgelegten Schwellwert (18) für die berechnete Ausfallwahrscheinlichkeit (14) überschreiten • Durchführen eines Druckprozesses auf der Inkjet-Druckmaschine (7) mit kompensierten Druckdüsen (20)
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckdüsentestmuster (16) so gedruckt wird, dass es aus einer bestimmten Anzahl horizontaler Zeilen periodisch vertikal gedruckter, gleichabständiger Linien (11) besteht, die untereinander angeordnet sind, wobei in jeder Zeile des Düsentestmusters (16) jeweils nur periodisch die Druckdüsen des Druckkopfes der Inkjet-Druckmaschine (7) zum ersten Element des Düsentestmusters (16) beitragen, die der bestimmten Anzahl der horizontalen Zeilen entsprechen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennwerte (28) die Stärke, die Schiefheit, und den Farbwert der vertikal gedruckten, gleichabständigen Linien (11) umfassen, sowie die Auslastung der beteiligten Druckdüsen.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit (14) einer jeden Druckdüse die Wahrscheinlichkeit darstellt, mit der für diese Druckdüse eine Toleranzgrenze (26) für die sich aus den Kennwerten (28) ergebende Druckqualität verletzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anwendung des Prädiktionsmodells für jede Druckdüse die Kennwerte (28) mehrfach ermittelt werden, wobei jede Auswertung eines gedruckten Druckdüsentestmusters (17) einem Durchgang entspricht, und die so mehrfach ermittelten Kennwerte (28) abgespeichert und zur Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit (14) verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfach ermittelten Kennwerte (28) in Abhängigkeit von der Prozessstreuung (23) der Kennwerte (28) über den Verlauf der einzelnen Durchgänge verwendet werden, wobei für dieselbe Ausfallwahrscheinlichkeit (14) Verläufe mit geringer Prozessstreuung (12) der Kennwerte (28) näher an die Toleranzgrenze (26) laufen dürfen, als Verläufe mit großer Prozessstreuung (13).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfach ermittelten Kennwerte (28) in statistische Prozessgrößen (21, 22), in Form von Erwartungswert (21) und Vertrauensbereich (22), überführt werden, wobei die statistischen Prozessgrößen (21, 22) durch lineare oder nichtlineare Regression der mehrfach ermittelten Kennwerte (28) bestimmt werden und für die lineare oder nichtlineare Regression ein Regressionsmodell von beliebiger Ordnung verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die statistischen Prozessgrößen (21, 22) mit einer zeitlichen Gewichtung der mehrfach ermittelten Kennwerte (28) gebildet werden, wobei die zeitliche Gewichtung in der Form geschieht, dass neuere Kennwerte höher als ältere Kennwerte, linear oder exponentiell, gewichtet werden.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Druck eines Sujets abgeschaltete Druckdüsen (20) weiterhin am Druck der Druckdüsentestmuster (16) beteiligt sind, für diese Druckdüsen (20) weiterhin die Ausfallwahrscheinlichkeit (14) berechnet wird und bei Unterschreiten eines zweiten festgelegten Schwellwertes (27) für die berechnete Ausfallwahrscheinlichkeit (14) diese Druckdüsen (20) wieder für den Druck des Sujets im Fortdruck verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit (14) für alle am Druck der Druckdüsentestmuster (16) beteiligten Druckdüsen, neben einer unimodalen Verteilung der Kennwerte (28) auch multimodale Verteilungen der Kennwerte (28) angenommen und verwendet werden.

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