施乐公司HyperWorks应用：提升打印机印刷质量

背景介绍

从一开始微不足道的哈罗依德影像公司（HaloidPhotography Company）到今天跻身全球五百强，施乐公司一直致力于研发创新的高质量的产品。其中最典型一例便是ColorQube^TM 9200系列多功能打印机。

该系列打印机采用独特的固体油墨技术取代传统的碳粉或墨盒。固体油墨技术的使用有助于获得质量一致的印刷品。与激光打印技术相比，ColorQube^TM 9200系列打印机能够降低62%的彩色印刷成本并且减少90%的耗材浪费——是一个可持续的打印解决方案。

商务级ColorQube^TM9200系列打印机每分钟可打印高达85页或复印高达50页的传真、扫描或电子邮件。隐含在打印机外壳下的是多个零件复杂的运动过程。打印头将油墨喷到硒鼓上形成图像，然后硒鼓上的油墨在压辊的作用下传递并固定在打印纸上。整个过程中硒鼓的旋转、打印头的扫描以及打印纸的移动是同时进行的，而且必须精确对准和顺序动作。  

挑战

在该系列打印机最新型号的开发过程中，施乐研发团队希望深入了解打印机日常工作中遇到的一些干扰——如打印机外壳的碰撞、普通的振动甚至打印机运转过程中的出纸动作等是如何造成印刷品上可见缺陷的。除此之外，他们还想知道如何在最小成本和最小风险的情况下尽量减小这些缺陷。

施乐研发团队开始借助于复杂的计算机仿真来确定在油墨喷射过程中的振动和不确定性对印刷质量的影响。为了更好地研究产品的结构特性以及确定不必要激励的来源，他们与Altair ProductDesign展开了合作。    

解决方案

一个细节优化的过程

在ColorQube9200系列打印机研发过程中，施乐公司使用仿真技术将产品振动控制在像素水平下。

要开发出一个持续提供高质量输出的打印机，最重要的一点在于能否将振动降低至像素水平。与通常处在毫米水平的汽车行业仿真不同，打印机需要在微米水平下进行仿真分析。

首先，施乐公司进行打印机各个子系统的物理测试。他们将加速度计放置在ColorQube^TM9200系列打印机物理样机中可能因振动造成印刷缺陷的关键点上，了解打印机在工作过程中如果有人打开或关闭文档盒会对打印机造成什么样的影响。试验中获取的数据对评估不同办公环境的打印机工作严酷性具有重要的意义。经过反复对比试验结果，Altair将这些工况总结为一个最严酷的工况以研究28个不同形式的碰撞场景。

然后，Altair开发出一个高度逼真的分析模型指导研发过程以获得振动最小的产品。这其中包括将产品拆分成若干个子系统，使用音叉测试每个安装过程中产品的固有频率等。

在物理样机测试现场，Altair建立了产品的有限元模型并求解每一个安装过程中产品的固有频率以保证两种试验的高度协调。期间，包括改进模型的参数以解释影响分析模型精度的非典型性刚度，如面-面接触、X轴轴承刚度、集中质量、弹簧刚度甚至是加速度计和较轻零件的质量等因素对模型整体刚度造成的影响。所有的分析均采用Altair HyperWorks CAE软件包，包含前后处理工具HyperMesh和HyperView及求解固有频率的RADIOSS。

Altair最终使用包含成千上万个单元的虚拟装配体来反映产品中100多个不同的零件。这个高度逼真的分析模型通过计算喷墨过程中打印头和硒鼓之间的相对位移为振动最小化设计提供指导。

最后，Altair ProductDesign的工程师使用这个虚拟仿真模型分析了12种不同的设计变量产生的激励曲线并精确的描述了ColorQube^TM9200系列产品上关键点是如何对打印机日常搬运和办公使用产生影响的。除了仿真驱动设计方法之外的另一种方法需要生产和测试大量的物理样机，电子产品行业产品从构思到上市的时间压力已经迫使他们摒弃这种传统的“设计-试验-再设计”的研发流程。

高效的结果

Altair ProductDesign团队最终为施乐公司带来了令人振奋的、低成本的设计方案。

施乐研发团队原打算在设计方案中加入衬套以降低振动，但是分析结果表明，这些衬套对提高印刷质量效果不大。与此同时，Altair分析了多个设计变量以研究哪些设计因素对硒鼓和打印头的振动最为敏感。他们发现预载、弹簧刚度、材料和零件尺寸在低频范围内对产品的影响不大，而这些因素都是先前关注的对象。

另外，分析结果推荐使用一些简单的无成本的改进，如变更装配关系、加入加强肋或提高产品外壳刚度等都可以减少由振动引起的打印头和硒鼓之间的相对位移。

Altair ProductDesign的仿真结果在帮助施乐公司降低产品成本方面起了很大的作用。例如，原始方案中使用的阻尼装置使设计空间变得非常复杂并且增加了成本，而仿真结果显示这些隔离装置是不必要的。

“我们使用Altair的仿真模型可以在同一时间完成多种工况的仿真分析。在分析中可以方便的添加或删除不同的设计变量然后获得相应的结果。”

此外，如果施乐公司在研发伊始就采用生产和测试物理样机的设计流程而不是Altair的仿真模型，那么上述工作将会延长研发周期数月之久。

这种优化工作将帮助企业增值，因为它可以快速低成本地进行创新的、更加激进产品结构研究。

在一系列独立的分析中，Altair还进行了产品跌落分析以验证产品在搬运过程中从5英尺高的卡车上跌落时对产品的整体性能造成的影响，施乐公司根据这些仿真结果增加产品包装的保护装置。

施乐产品研发团队与Altair ProductDesign合作，Altair ProductDesign通过创建施乐ColorQubeTM 9200系列多功能打印机分析模型以确定油墨喷射过程中结构的振动对印刷质量的影响。

结论

协同工作

整个仿真测试过程中，最重要的因素是合作。来自施乐的产品研发团队和Altair ProductDesign高效合作实现了物理样机和虚拟模型信息的实时交换以及在尽可能的检查和排除潜在的问题的状态下进行测试。

项目伊始，施乐公司制定了研发路线图，明确了它们能看到什么、需要提供什么以及可以从Altair获得什么、什么时候能够获得这些等等。整个合作过程中，Altair的所有工作都是干脆利索的执行并且一切结论从数据出发，从未忽略任何细节。

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删