R&D-jetprinter Pixdro breekijzer voor hightech procesmarkt

Pixdro brengt een jetmachine voor de R&D-omgeving op de markt. Het apparaat is gericht op industriële high-end processen zoals voor RFID-labels, zonnecellen, geheugens, rapid manufacturing en biomedische toepassingen. Met het instrument kunnen fabrikanten experimenteren met vloeistoffen, jetkoppen en het aansturingssysteem.

René Raaijmakers
14 december 2007

OTB-dochter Pixdro lanceert een machine voor het betere experimenteerwerk in industrieel druppeltjes doseren. De LP50, die het Eindhovense bedrijf vorige maand introduceerde, maakt het voor procesontwikkelaars mogelijk om hun jetprocessen te verfijnen, alvorens ermee in productie te gaan. Door fabrikanten een eenvoudig en inzichtelijk opstapje te bieden hoopt Pixdro dat klanten zijn inkjettechnologie ook bij volwassen productie zullen inzetten. Als het kan met andere hoogwaardige OTB-procesapparatuur.

Dat is ook de reden dat de technologieleverancier een open strategie voert over besturingssoftware, elektronica, communicatie en de stuuralgoritmes voor zijn koppen. Gesloten architecturen maken het immers lastig om snel processen te ontwikkelen en op te schalen.

Pixdro heeft ervoor gekozen om zijn koptechnologie open te houden. Open standaarden, open platformen en open ontwikkeltools.

Spuitmondje

Naast inkjetten in consumentenprinters en ook in de professionele grafische sector is doorgedrongen, is druppeltjes spuiten in de procesautomatisering ook in opmars. Industrieel jetten is hot. Het oefent een onweerstaanbare aantrekkingskracht uit op de bedenkers van hightech productieprocessen. In theorie biedt de techniek aanzienlijke kostenbesparingen in complexe bewerkingen. In de eerste plaats door het aantal productiestappen drastisch te verminderen. Wie nauwkeurig en snel druppeltjes kan doseren, kan bijvoorbeeld dure lithografisch processen met maskers, belichting en etsen vervangen door één inkjetstap.

Ten minste, in theorie. Want in de praktijk is jetten weerbarstig. Het is een heel gehannes om de juiste receptuur te vinden waarmee een op inkjet gebaseerd productieproces dag in dag uit betrouwbaar blijft draaien. Alles bij elkaar vraagt het een subtiele afstemming tussen vloeistoffen, koppen en de systeembesturing. De procesontwikkeling is een proces van vallen en opstaan, vanwege de vele combinaties tussen vloeistoffen, koppen en manier van aansturen. ’Inkt, kop en systeem vormen in de inkjetwereld een heilige drie-eenheid‘, zegt Marcel Grooten, die tot voor kort leiding gaf aan OTB Engineering en nu de schouders zet onder productieopschaling bij OTB Solar.

 advertorial 

System Architecting Conference: keynote by Jon Holt

Next week (on 24 September) we’re happy to organize the System Architecting Conference again, with a corona-proof event concept in Eindhoven. The closing keynote speech will be delivered by Jon Holt (Incose UK). Check out the full conference program here and make sure you register in time, as we only have a few tickets left.

In de praktijk is er voor industrieel jetten geen snelle route naar een productieproces. De gebruikte vloeistoffen variëren van watergebaseerd tot olie, harsen en gesmolten metalen of legeringen. Dat betekent in de praktijk dat procestechnologen een keur aan printkoppen moeten uitproberen om het geheel op gang te krijgen. Elke kop heeft zo zijn sterke en zwakke kanten. En er is nogal wat keuze. Bekende spelers zijn Spectra Dimatix, Xaar en Konica Minolta. Zelf heeft Pixdro overigens ook een kop. En bovendien eentje die bestand is tegen agressieve vloeistoffen en hoge temperaturen.

De ellende is dat al die kopfabrikanten geen enkele rekening met elkaar houden. De ene kop sluit je aan met een paar draadjes, de andere is uitgerust met een snelle seriële interface. Voedingen lopen uiteen van laagspanning tot 140 volt en het aantal spuitmondjes is nooit gelijk. Het kan er één zijn, maar ook duizend. ’Dat maakt het werken met verschillende kopleveranciers complex‘, zegt Peter Briër, technisch manager bij Pixdro. ’Vaak leveren ze er de elektronica bij, maar lang niet altijd. Werk je met drie of vier kopleveranciers, dan moet je dus drie of vier keer opnieuw het wiel uitvinden.‘

Inkjetkoppen hebben aandrijfelektronica aan boord om de piëzo-elementen aan te sturen die de inkt naar buiten drukken. Dat kunnen complexe Asics zijn, maar ook eenvoudige schakelingen. ’Moderne koppen hebben wel steeds meer intelligentie aan boord‘, aldus Briër. ’Dat is nodig vanwege de complexe eisen. Vloeistoffen jetten kan door eenvoudig aan- en uitzetten van de nozzles, maar vaak is aansturing met complexe golfvormen nodig om verschillende druppelvormen te kunnen maken om in grijswaarde te kunnen schalen. Daarnaast zijn er ook koppen die per keer een tot tien druppels per keer mitrailleren.‘

Industrieel jetten oefent een onweerstaanbare aantrekkingskracht uit op de bedenkers van hightech productieprocessen.

Experimenteerwerk

Om de handicaps met kopinterfaces uit te weg te gaan, ontwikkelde het R&D-team van Pixdro voor de meest gebruikte industriële koppen een standaard interface naar de machine. Kop inclusief stuurelektronica zijn daardoor in een minuutje te verwisselen. ’In de praktijk is vijf minuten realistisch. Je hebt ook te maken met mechanische zaken en vloeistoffen en je moet eventueel opnieuw kalibreren. In onze specs staat dat wisselen een half uur kost, als het dan korter is, dan valt het altijd mee‘, lacht Briër.

Het zogenaamde head personality board (HPD) met de stuurelektronica voor de kop is op zijn beurt ook weer opgebouwd uit zo veel mogelijk standaard componenten, waaronder een Arm7-gebaseerde microcontroller, een FPGA voor communicatie en een voedingsvoorziening. ’Alleen de interface naar de kop is verschillend. Voor bijvoorbeeld de koppen van Spectra en onze eigen kop zijn twee van de drie modules hetzelfde. Daarnaast hebben we voor elke kop natuurlijk andere software nodig, maar dat draait op hetzelfde platform‘, aldus Briër. Binnen de kopfamilies zelf zijn er veel overeenkomsten. Meestal zijn ze voor 99 procent hetzelfde. Brier: ’Met deze onderdelen kunnen we dus zeer snel nieuwe koppen ondersteunen.‘

De HPD heeft een voeding nodig van 48 volt en is met een eenvoudige seriële interface (tweedraads LVDS) op de machine aangesloten. Briër: ’Voor grotere systemen heeft uitwisselbaarheid voordelen in onderhoudbaarheid en upgradebaarheid naar ander koptypes.‘

Elke leverancier heeft zijn eigen manier om de piëzo-elementen aan te sturen, maar de diep ingebedde koptechnologie is niet altijd inzichtelijk. Soms is de gebruikte technologie gepatenteerd en zo complex dat fabrikanten experimenteerwerk niet willen ondersteunen. ’Voor sommige grafische toepassingen of voor het printen van textiel is dat niet zo‘n probleem‘, zegt Briër, ’maar voor industriële toepassingen zoals geprinte elektronica wil je eigen processen en vloeistoffen ontwikkelen en dan ben je sterk aangewezen op kopleveranciers.‘

Bijvoorbeeld Xaar geeft de algoritmes voor de sturing niet vrij uit concurrentieoverwegingen. ’Ze claimen er patent op te hebben‘, zegt Briër, ’maar dat betekent wel dat je beperkt bent in het optimaliseren van de kop. Parameters zoals de golfvormen en spanning waarmee je de nozzles aanstuurt zijn dan niet aan te passen. Het hindert je overigens niet om er zelf mee te gaan experimenteren. Maar de garantie vervalt, om zo te zeggen.‘

Pixdro heeft er uit strategische overwegingen juist wel voor gekozen om zijn koptechnologie open te houden. ’Net als Konica en Spectra Dimatix geven we die vrij. Onze koppen zijn helemaal naar keuze aan te sturen. Sequenties, timing, spanningsverloop, het is allemaal instelbaar. Het gaat er ons vooral om dat onze klanten met onze technologie nieuwe technieken ontwikkelen, zodat we ze een compleet groeipad kunnen bieden van R&D tot massaproductie. Daarom kiezen we open standaarden, platformen en ontwikkeltools.‘

Debian

De HPD zorgt ervoor dat de informatie in de kop is geladen en dat de kop op het juiste moment alle registers openzet om te vuren. De HPD is dus in staat om de kop te laten jetten. Maar daarmee is er nog geen plaatje. Daarvoor levert de centrale computer (de image data path interface, IDPI) de informatie. Die stuurt een grote hoeveelheid data naar de kop en synchroniseert deze gegevens met het bewegingssysteem.

De IDPI ontvangt de beelddata van een pc en de positie-informatie van de encoders. Het is de centrale dirigent die verantwoordelijk is voor buffering en alle acties. ’Hij stuurt het motionsysteem aan en genereert positieafhankelijke triggersignalen die de kop aanzetten om te vuren‘, legt Briër uit. Daarnaast synchroniseert de IDPI de aandrijving van de koppen met een dropviewsysteem, waarbij camera‘s beelden opnemen van de afgevuurde druppels.

De IDPI bestaat uit een Arm9-controller en een FPGA. Daarbovenop draait Debian Linux voor embedded Arm-processoren. De beeldinformatie haalt de centrale besturing van een pc via Ethernet. Opschaling is mogelijk door meerdere IDPI-borden op een netwerk aan te sluiten en onderling te synchroniseren. Pixdro verwacht dit basisplatform te kunnen gebruiken voor alle toekomstige jetprocessen. ’Het gebruik van Linux maakt het ook mogelijk om andere functies te embedden op de IDPI, voor stand-alone systemen zonder pc‘, aldus Briër.

Op de pc draait de applicatie die voor de totstandkoming van het beeld verantwoordelijk is. Deze zogenaamde Printgen-software werd door Pixdro in eigen huis ontwikkeld. Printgen bestaat uit verschillen onderdelen, waaronder rastersoftware die de printdata omzet naar de informatie die de kop nodig heeft. ’Wanneer welke nozzle moet jetten is afhankelijk van de exacte coördinaten van de vuurmonden. Die kunnen netjes op een rij zitten, maar ook in verschillende rijen of onder een hoek staan. Daar moet je rekening mee houden in het genereren van de stuursignalen. Je moet bijhouden wie wanneer moet vuren‘, aldus Briër.

Het Printgen-algoritme beslist wanneer, hoeveel en welke nozzles bij het drukproces worden betrokken. Het waakt daarbij over kwaliteit en uniformiteit. Een van de mogelijkheden is het corrigeren van niet of slecht functionerende spuitmondjes, door hun taken te verdelen over andere nozzles. Daardoor is een niet perfect functionerende kop toch nog te gebruiken. Ook is een slechte uitrichting van een kop automatisch te corrigeren. De mogelijkheid om uniformiteit te krijgen en fouten te corrigeren is vooral belangrijk voor het afbeelden van geleidende sporen voor elektronica, Pixdro‘s doelmarkt.