Durch sinkende Preise sowie den Aufschwung des Internets und der digitalen Fotografie findet man Tintenstrahldrucker neben dem Computer inzwischen in fast jedem Haushalt. Ein Knopfdruck reicht, um Dokumente und Bilder schnell und einfach zu Papier zu bringen. Dabei vergessen wir als Anwender leicht, was für eine technische Meisterleistung sich hinter diesen alltäglichen Ausdrucken verbirgt: das kontrollierte und hochpräzise Bespritzen des Papiers mit Millionen von winzigen Tintentropfen, die zusammen das Druckbild ergeben.
Ob mit Bubble-Jet- oder Piezoelektrischer Technologie - die Drucker- und Druckkopfhersteller stehen vor der Herausforderung, die Größe der Tröpfchen, ihre Geschwindigkeit und ihre Flugbahn perfekt zu beherrschen, um saubere, scharfe Bilder in Fotoqualität zu produzieren.

Tintenstrahl mit Kameras prüfen
ImageXpert ist eine US-amerikanische Firma spezialisiert auf Bildverarbeitungslösungen für die Qualitätssicherung und die Drucktechnik. Um professionelle Anwender von Druckköpfen von Dimatix, Xaar, Kyocera, Konica-Minolta, Epson und Ricoh bei ihrer Entwicklung und Qualitätsprüfung zu unterstützen, hat das Unternehmen ein System entwickelt, das den Tintenstrahl eines Druckkopfs mithilfe von Kameras und einer proprietären Software und Blitzsteuerungstechnologie präzise analysiert.

Das JetXpert System ist in einer 2D- und einer 3D-Ausführung verfügbar mit jeweils einer bzw. zwei Digitalkameras von Allied Vision Technologies. In der einfachen Ausführung wird der Druckkopf im 90°-Winkel zur Kameraachse vor der Kamera aufgehängt, sodass die herausgespritzten Tropfen zwischen das Objektiv und eine LED-Blitzanlage fallen. ImageXpert entwickelte einen speziellen Blitzkontroller, um den Blitz mit dem Druckkopf so zu synchronisieren, dass die Tintentropfen nach einem präzisen Zeitabstand nach dem Ausstrahlen genau vor dem Kameraobjektiv beleuchtet werden. Die LED-Leuchte ist hinter dem Tröpfchen positioniert, um ein Gegenlichteffekt zu erzeugen. So lassen sich sowohl klare als auch farbige Flüssigkeiten optimal verarbeiten. Der Blitztakt fällt mit 250 ns besonders kurz aus. „Die Tropfen fallen mit einer Geschwindigkeit von ca. 10 Meter pro Sekunde", erklärt Yair Kipman, President von ImageXpert. „Wir brauchen eine möglichst kurze Beleuchtungs- und Belichtungszeit, um Bewegungsunschärfe zu vermeiden".

JetXpert arbeitet mit einem einzigen Blitz pro erfassten Bild, um einzelne Mikrotropfen im Flug zu erfassen. Diese genaue Synchronisation von Düse, Blitz und Kamera wird erst von dem Blitzkontroller mit leistungsstarken LEDs möglich gemacht, einer Eigenentwicklung von ImageXpert. So lässt sich Unschärfe vermeiden, die aufgrund der Verformungen während der Tropfenbildung bei Systemen mit mehrfachem Blitzen pro Bild entsteht.

Extrem kurze Belichtungszeit
Bei der Kamera handelt es sich um eine (bzw. zwei) Stingray F-080b Modelle von Allied Vision Technologies. Die Monochromkamera ist mit einem XGA (0,8 Megapixel) Bildsensor und einer schnellen FireWire IEEE1394b-Schnittstelle ausgestattet. „Die Stingray F-080 liefert 30 Frames pro Sekunde", so Kipman. „Besonders wertvoll für uns war aber vor allem die Möglichkeit, die Verschlusszeit zwischen 48 µs und 67 s frei einzustellen. Dank dieser Flexibilität können wir sowohl mit sehr schnellen Tintenstrahlsystemen als auch mit langsameren Auftragungssystemen arbeiten, wie etwa die, die zur Erzeugung von sogenannten Bio-Arrays in der biologischen oder medizinischen Forschung verwendet werden."
Die Kamera ist mit einem Moritex Zoomobjektiv ausgestattet, mit dem kleine Abweichungen in der Tiefe des Tintenstrahls im Bild nicht zu einer Maßstabsveränderung führen. Die Flugbahn des Tintenstrahls wird zwar über den Winkel zum Druckkopf vermessen, die Komponente in der dritten Dimension wird aber erst mit der 2-Kamera-Version des Systems genau erfasst.
Obwohl das System sich in den meisten Forschungs- und Produktionsanlagen problemlos integrieren lässt, gibt es besondere Anwendungen, für die JetXpert in seiner Standardausführung noch zu groß ist. „Wir sind so zufrieden mit der Leistung der AVT Stingray Kameras, dass wir uns für ein weiteres AVT-Modell entschieden haben, die Guppy, um eine noch kompaktere Version von JetXpert zu konstruieren. Mit ihrem sehr kleinem Gehäuse ist die Guppy für Anwendungen mit wenig Platz hervorragend geeignet", so Yair Kipman.

Tintenvolumen Tropfen für Tropfen messen
Die Kamerabilder werden über die FireWire-Schnittstelle der Stingray an den Systemcomputer übertragen. Dort analysiert eine von ImageXpert selbst entwickelte Software die Daten, um daraus die wichtigsten Eigenschaften des Strahls abzuleiten: Durchmesser und Volumen eines Tröpfchens, Flugbahn, Geschwindigkeit, Länge des Tintenfadens, Abbruchlänge, etc.
Das Tropfenvolumen in Picoliter ergibt sich aus dem gemessenen Tropfendurchmesser. Die Geschwindigkeit wird aus dem Abstand und dem Zeitintervall zwischen zwei Tropfen kalkuliert. Die Flugbahn des Tintenstrahls ermittelt das System als Winkel zum Düsenkopf in zwei oder drei Dimensionen.
Das JetXpert System wird bereits von vielen führenden Drucker- und Tintenherstellern verwendet, eignet sich aber auch für anderen Gebiete, in denen flüssiges Material bespritzt oder aufgetragen werden - etwa für druckbare Elektronik, Klebstoff oder Biotechnologie.