胡校兵，朱海翔,，余江淵,，陳 誠，朱志剛，王艷香

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201209；2.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

陶瓷數(shù)字噴墨打印機用噴頭現(xiàn)狀及應(yīng)用展望

胡校兵1，朱海翔1,2，余江淵1,2，陳 誠1，朱志剛1，王艷香2

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201209；2.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

噴墨印刷技術(shù)正在我國陶瓷磚領(lǐng)域中快速發(fā)展，繁榮的景象讓人對全球陶瓷行業(yè)的發(fā)展前景充滿希望，而噴墨印刷技術(shù)的一個關(guān)鍵因素就是噴頭。掌握了噴頭的制造技術(shù)便可壟斷陶瓷印刷的市場。所以關(guān)于噴頭的研究正在變得炙手可熱。

陶瓷噴墨打印機；噴頭

0 前 言

陶瓷墻地磚的裝飾經(jīng)歷了從絲網(wǎng)印花到輥筒印花，2008年，我國研發(fā)了屬于自己的第一臺陶瓷磚裝飾用噴墨打印機，標(biāo)識著我國的陶瓷磚行業(yè)開始進入噴墨打印時代。噴墨打印技術(shù)在國內(nèi)外市場上發(fā)展迅速，為我國陶瓷磚裝飾行業(yè)迎來良好的發(fā)展機遇。

目前，一臺陶瓷噴墨機的均價為200萬元左右，一個噴頭的終端價格為3-5萬元，依據(jù)噴頭結(jié)構(gòu)和孔數(shù)的不同，一臺噴墨機所需要的噴頭數(shù)量也不一樣，一般至少為40個，以一個噴頭3萬元計算，也就意味著噴頭占整機成本60%以上。噴頭作為噴墨打印機最核心的部件，到目前為止在我國最常使用的有三類噴頭，主要是賽爾公司1001噴頭、日本精工510/80 pl噴頭和508 Gs灰度級噴頭噴頭、FujifilmDimatix (北極星噴頭)都需要依靠進口[1]。

因此，我國陶瓷行業(yè)最迫切需要解決的三大難題分別是噴墨打印墨水、傳動技術(shù)和噴墨打印頭，其中當(dāng)屬噴墨打印頭的研發(fā)難度最大，噴頭高昂的成本已經(jīng)成為噴墨打印技術(shù)在我國無法普及的最主要的因素，所以我國一些研發(fā)機構(gòu)紛紛把研究重點放在噴頭上，試圖打破國外的技術(shù)封鎖[2]。

本文著重介紹兩種噴頭的噴墨方式、工作原理、噴頭主要制造商，以及噴頭的性能指標(biāo)，探討噴墨打印技術(shù)在我國陶瓷墻地磚行業(yè)的應(yīng)用并最終展望噴墨打印機噴頭的發(fā)展前景。

1 噴頭的噴墨方式

噴墨印刷按噴墨系統(tǒng)中墨水噴射是否連續(xù)，可以將噴墨技術(shù)分為連續(xù)噴墨(Continuous lnkjet printing)和按需噴墨(Drop-on-Demand lnk-jet printing)兩種印刷方式。

1.1 連續(xù)噴墨

在連續(xù)噴墨方式中，通過外加壓力使微小的墨滴被擠壓出噴嘴形成連續(xù)的墨滴流。每個墨滴離開噴嘴的時候都帶有靜電荷，這個過程是通過一個充電的靜電電極完成。隨后，這些墨滴會經(jīng)過一個帶相反電荷的高壓電極板，如果某點需要被墨水覆蓋，就無需對墨滴施加電場力，墨滴則直接滴落到印刷物的表面；如果某點不需要被墨水覆蓋，則需對墨滴施加電場力，墨滴受到電場力后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，直接掉落到墨水回收系統(tǒng)，以便再次被利用，其工作原理如圖1所示[3]。

連續(xù)噴墨技術(shù)具有如下優(yōu)點：一是速度快，因為噴墨可連續(xù)噴射出墨水，所以連續(xù)噴墨技術(shù)十分適合高速、大幅面的噴繪，且能保證較高的噴繪精度；二是噴頭和被印刷物之間有相當(dāng)大的一段距離，這樣被印刷物材料的厚度就不會受到限制，而且對材料表面平滑度的要求不高；三是連續(xù)噴墨技術(shù)可使用有機溶劑基墨水，該墨水比水基墨水干燥快，所以連續(xù)噴墨技術(shù)基本不用干燥，可以節(jié)省大量的時間和能源；四是連續(xù)噴墨技術(shù)設(shè)備運行成本低，經(jīng)濟實用。

圖1 連續(xù)噴墨工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram for working principal of continuous ink-jet printing

連續(xù)噴墨技術(shù)也存在相應(yīng)的缺點：一、解析度(解析度代表的是單位面積上墨點的數(shù)量)不高，通常用在比較粗糙的物質(zhì)表面；二、連續(xù)噴墨中部分不需要的墨滴在回收過程中容易受到污染，污染的墨滴被回收到墨水系統(tǒng)后，勢必會污染整個墨水系統(tǒng)，長時間污染物的聚集容易導(dǎo)致噴頭堵塞，所以經(jīng)過一段時間使用后，需要對噴頭進行清洗；三、易出現(xiàn)漏墨現(xiàn)象，這主要是因為每一個墨滴離開噴頭的時候被充以靜電荷，當(dāng)周圍的環(huán)境有靜電干擾時，原本不帶電荷的墨滴就會帶上靜電，受到電場力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)后掉落到回收系統(tǒng)，導(dǎo)致那些原本需要被墨水覆蓋的地方?jīng)]有被噴墨，出現(xiàn)了漏墨現(xiàn)象，從而影響打印質(zhì)量[4]。

1.2 按需噴墨

按需噴墨也叫脈沖給墨或隨機噴墨，與連續(xù)噴墨技術(shù)不同，按需噴墨技術(shù)墨滴的產(chǎn)生是非連續(xù)的，只有在需要墨滴形成部分圖像時，系統(tǒng)才會產(chǎn)生墨滴。按需噴墨技術(shù)就是將計算機里的圖文信息轉(zhuǎn)化成脈沖的電信號，然后由這些電信號控制噴墨頭的閉合，只有形成圖文區(qū)的部位才產(chǎn)生墨滴，其成像原理是：按需噴墨設(shè)備根據(jù)圖像記錄信號的需要斷續(xù)地在被印刷物上噴射墨滴。如圖2所示。

從圖1和圖2比較可以看出，按需噴墨技術(shù)的設(shè)備相對于連續(xù)噴墨技術(shù)的設(shè)備簡單。壓電陶瓷在擠壓過程中有機械因素存在，同時墨滴需要有重新進入墨腔的過程，故打印機噴頭的噴速較慢。目前，廠家大多采用多噴頭聯(lián)組的方法來提高打印速度。按需噴墨技術(shù)的墨滴是由壓電陶瓷形變產(chǎn)生的機械力擠出而成，只有在圖文區(qū)才會形成墨滴，也不會受到周圍環(huán)境的靜電場干擾，所以漏墨現(xiàn)象較連續(xù)噴墨技術(shù)而言相對較少[5]。

圖2 按需噴墨原理示意圖Fig.2 Schematic diagram for working principal of Dropon-demand ink-jet printing

按需噴墨分為熱噴墨、壓電噴墨、靜電噴墨、聲波噴墨等，其中熱噴墨技術(shù)和壓電噴墨技術(shù)是最有代表性的兩種按需噴墨技術(shù)，而且發(fā)展最為迅速。

熱噴墨技術(shù)又稱熱泡式噴墨或氣泡噴墨技術(shù)。其基本原理是：將墨水裝入到一個非常微小的毛細(xì)管中，打印時通過一個加熱裝置迅速將墨水加熱到沸點，墨水汽化形成氣泡，此時毛細(xì)管中壓強增大從而將墨水滴擠出。墨滴噴出后氣泡破裂，噴出的墨滴斷離，飛落到制定的圖文區(qū)域。停止加熱時，墨水冷卻導(dǎo)致蒸汽凝結(jié)收縮從而使墨水停止流動，直到下一次再產(chǎn)生氣泡并形成墨滴。如圖3所示，熱噴墨方式主要由加熱裝置產(chǎn)生熱量讓墨水沸騰、產(chǎn)生氣泡并通過壓力將墨滴從噴嘴飛出。

熱噴墨技術(shù)不需壓電晶體的擠壓，不存在機械運動，隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的飛速發(fā)展，每個噴頭上可集成更多噴孔，實現(xiàn)更高的噴孔密度，從而實現(xiàn)更快的打印速度。而且由于噴孔數(shù)量多，就有空閑的噴孔作為備用噴孔，以保障打印頭性能的高質(zhì)量。熱噴墨技術(shù)的噴頭相比壓電技術(shù)的噴頭，其成本要低很多，更容易被廣泛接受。但是由于使用過程中需要對墨水加熱，所以對墨水的要求也更高。加熱會使墨水的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致打印出來的畫面圖像不真。由于噴射的墨滴呈噴濺散射狀，很難把握墨滴的形狀，墨滴量也會有10%左右的誤差，從而造成精度低，耗墨量大等問題[6]。

壓電噴墨技術(shù)是現(xiàn)在大多陶瓷噴墨機所采用的技術(shù)，利用壓電傳感器的形變對墨水施壓。最常用的壓電傳感器就是壓電陶瓷，當(dāng)交變電壓施加在壓電陶瓷上，壓電陶瓷會隨電壓的變化而發(fā)生形變，這種體積的變化會產(chǎn)生壓力差。打印頭內(nèi)裝有一定容量的墨水，當(dāng)壓電陶瓷的體積膨脹時，打印頭內(nèi)的壓強增大，從而擠壓噴孔中的墨水噴射出墨滴；當(dāng)壓電陶瓷的體積收縮時，打印頭內(nèi)的壓強減小，此時墨滴完全脫離噴孔。墨滴落到打印介質(zhì)上形成墨點，由不同顏色噴孔噴射的墨點組成所設(shè)定的畫面。壓電陶瓷通過打印控制系統(tǒng)控制打印頭噴孔的工作狀態(tài)，此外，噴孔和墨管相連，因此可通過精確控制墨水容量和墨路壓力的供墨系統(tǒng)為打印頭連續(xù)不斷提供墨水，原理示意圖見圖4[7]。

壓電噴墨技術(shù)和熱氣泡技術(shù)相比，不需要對墨水加熱，所以墨水不會發(fā)生化學(xué)變化。其次墨滴噴出的初速度很高，不易產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象。還有就是壓電噴墨技術(shù)通過控制電壓來有效調(diào)節(jié)墨滴體積的大小，不會產(chǎn)生濺射、定位準(zhǔn)確，因此有更高的打印精度。但壓電式噴頭成本較高，為降低成本，一般采用噴頭和墨盒分離的設(shè)計。

圖3 熱噴墨方式工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram for working principal of thermal ink-jet printing

圖4 壓電噴墨方式示意圖Fig.4 Schematic diagram for working principal of piezoelectric ink-jet printing

2 噴頭的性能指標(biāo)及先進技術(shù)

2.1 噴頭主要制造商

打印機噴頭的制造基本被歐美廠商壟斷，目前主流的四家制造商包括FUJIFILM Dimatix(北極星，美國)、XAAR(賽爾，英國)、Konica(柯尼卡，日本)以及SPT(精工，日本)。其中北極星系列采用不銹鋼噴頭，特點是墨滴較小(對應(yīng)精度高)，噴射頻率非常高(速度快)，對墨水材質(zhì)不“挑剔”，最常見的型號為Spectra。賽爾系列采用特氟龍材料，特點是安裝容易，套色簡單，在生產(chǎn)當(dāng)中因其具備良好的可調(diào)性能，斷墨、飛墨和燒噴頭現(xiàn)象都大大地降低，打印畫面更加穩(wěn)定，最常見的型號是XAAR1001?？履峥ㄏ盗胁捎萌撝茋婎^，特點是噴頭是全封閉噴頭，具有防水、防老化等獨特的噴頭防堵功能；噴頭自動排氣功能保證使用過程中不會出現(xiàn)堵頭斷墨的現(xiàn)象，最常見的型號是Konica512。精工系列采用不銹鋼噴頭，特點是具備超強的耐磨壽命、噴頭電壓可隨溫度變化而變化，噴頭打印寬幅為75 mm，是普通噴頭的4倍，可進行快速輸出，常用的型號為SEIKO510/508GS。

2.2 性能指標(biāo)

噴頭的性能指標(biāo)有墨滴大小、噴孔數(shù)量、噴頭精度、打印精度、噴射頻率、打印速度、噴嘴寬度，使用壽命等，見表1。其中：墨滴大小是噴孔噴射出的墨滴體積的大小；噴孔數(shù)量是一個噴頭上噴孔的總數(shù)量；噴頭精度是指相鄰的兩個噴孔的中心孔距；打印精度是指噴頭在每英寸上可打印的點數(shù)，是衡量打印質(zhì)量的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，也是一個最基本的判斷噴墨機分辨率的指標(biāo)；噴射頻率是指單位時間內(nèi)噴孔噴射墨滴的數(shù)量，是決定產(chǎn)量的一項重要指標(biāo)；打印速度是完成一次噴墨所需的時間，也和產(chǎn)量有關(guān)；噴嘴寬度是噴孔的直徑；使用壽命即多久需更換一次噴頭。這些也是選購噴頭時所需考慮的因素。

2.3 先進技術(shù)

自1998年西班牙Kerajet公司成功研發(fā)世界上第一臺陶瓷噴墨打印機并正式投產(chǎn)后，Kerajet公司加快了對噴墨打印技術(shù)的研發(fā)。2004年，Kerajet首次推出Binary head(二進制噴頭)，第一代噴墨打印機噴頭是二進制模式，它們要么噴射出墨水，要么不噴射墨水，不能只噴射出部分墨滴。對于二進制模式噴頭，它們噴射出的墨滴大小一般為30皮升到100皮升，通常用于遠(yuǎn)距離(數(shù)米外)觀測的貨物或戶外圖形的條碼和日期。隨后，在2007年，Kerajet又推出了GS head(灰階打印噴頭)，目前商用的新一代噴頭可以噴射出不同尺寸，他們把這種技術(shù)稱之為灰階噴頭，其噴射墨滴大小一般為3皮升到6皮升，意味著灰階打印的分辨率更高[8]。為了防止墨水沉淀而堵塞噴孔，所以整個供墨系統(tǒng)的墨水要處在不斷的流動狀態(tài)。而直屬日本精工的SEIKO公司和英國XAAR公司分別研發(fā)出了噴頭內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和噴頭外循環(huán)系統(tǒng)，并且都在陶瓷磚企業(yè)大量使用。

表1 四種常見噴頭的性能指標(biāo)Tab.1 The performance of four leading print-heads

3 噴墨打印技術(shù)在我國陶瓷墻地磚行業(yè)的應(yīng)用

3.1 噴墨打印相比傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢

陶瓷墻地磚的主要功能是裝飾，隨著現(xiàn)代社會對時尚和個性化的追求，由絲網(wǎng)印花技術(shù)和輥筒印花技術(shù)所印刷出來的單一花色和圖案的墻地磚已不再滿足消費者的需求，這給了噴墨技術(shù)一個很大的發(fā)展機會。

噴墨打印相比于傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印花和輥筒印花具有很大的優(yōu)勢：

(1)圖案清晰度提高：噴墨打印技術(shù)在陶瓷墻地磚產(chǎn)品上的應(yīng)用，使得產(chǎn)品圖案的分辨率由傳統(tǒng)技術(shù)的72dpi提高到360dpi，增加了五倍。

表2 噴墨打印機數(shù)量及其發(fā)展趨勢[10]Tab.2 The estimation for the number and price of ink-jet print-heads

(2)對基板要求降低：可以在凹凸面（落差在3-5 mm）實現(xiàn)裝飾且圖案更加真實，近年來仿古磚越來越得到消費者的喜愛，如仿樹皮、防原木一類的磚表面是凹凸不平的立體面，傳統(tǒng)技術(shù)是很難實現(xiàn)的，但噴墨打印能很容易完成，并能真實還原自然材料的紋理和效果。

(3)設(shè)計元素豐富多彩：不論是花草樹木、飛禽走獸還是山川河流都可以作為設(shè)計的元素，且可以真實還原這些景物。

(4)適應(yīng)時尚化、個性化的發(fā)展：噴墨打印能充分利用現(xiàn)代社會計算機資源的優(yōu)勢，使陶瓷裝飾圖案的選擇更隨心所欲，消費者可在計算機上自由選擇新品花色圖案的種類[9]。

3.2 我國噴墨打印的市場現(xiàn)狀

盡管噴墨打印具有一系列的優(yōu)勢，但仍然沒有成為目前墻地磚生產(chǎn)的主要技術(shù)，這其中有一系列原因：一是噴墨機單機價格高，安裝使用復(fù)雜，我國瓷磚企業(yè)多、產(chǎn)量大，若全部采用噴墨打印，則需要大批量的噴墨機，成本過高；二是噴頭技術(shù)被國外所壟斷，噴頭價格昂貴，且使用壽命短，更換成本高；三是墨水價格高，特別是進口墨水，雖然有國產(chǎn)墨水的出現(xiàn)，但有些噴頭和墨水的匹配也是一大問題；四是噴墨產(chǎn)品定價過高，只有少部分消費者才能接受；還有另外一些原因?qū)е陆鼛啄陣娔蛴∪詿o法取代絲網(wǎng)印花和輥筒印花，但不可否認(rèn)的是噴墨打印是未來墻地磚打印的方向，取代傳統(tǒng)技術(shù)只是時間上的問題。

4 陶瓷噴墨機噴頭的發(fā)展趨勢

我國瓷磚行業(yè)使用噴墨技術(shù)生產(chǎn)瓷磚產(chǎn)品的比例較低，這同時也說明我國具有很大的發(fā)展?jié)摿?。到目前為止，我國陶瓷企業(yè)大約已使用350-450臺噴墨打印設(shè)備，這些設(shè)備需要大量的噴頭。黃惠寧等人對我國噴頭的使用數(shù)量作了一個調(diào)查和預(yù)測，如表2所示。

近幾年來，我國陶瓷裝飾采用噴墨打印機的發(fā)展速度較快，主要得益于噴墨打印機生產(chǎn)技術(shù)不斷提高以及下游需求市場不斷擴大，噴墨打印機在國內(nèi)和國際市場上發(fā)展形勢十分看好，我國陶瓷磚裝飾采用噴墨打印機迎來良好的發(fā)展機遇。噴頭是目前陶瓷噴墨打印機最核心、所占成本最高、最重要、技術(shù)含量最高的部件?？梢灶A(yù)見我國未來對噴頭的需求量將逐年增加。

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The Situation and Application Prospect of Print-head for Digital Ceramic Ink-jet Printer

HU Xiaobing1, ZHU Haixiang1,2, YU Jiangyuan1,2, CHEN Cheng1, ZHU Zhigang1, WANG Yanxiang2
(1. School of Urban Development and Environmental Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai, 201209,
China; 2. School of Material Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

The ink-jet printing technique has grown fast in Chinese tile industry. The prosperity of such growth encourages the development of global ceramic industry. The key element of ink-jet printing is the print-head. The leading print-head manufacturing companies have a monopoly over ceramic ink-jet printing market, and the printing-head becomes a hot research area in this feld.

ceramic ink-jet printer; pint-head

TQ174.5

A

1000-2278(2014)05-0465-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.05.002

2014-05-24。

2014-06-18。

上海市東方學(xué)者項目、上海市科委基礎(chǔ)研究重點項目(編號：13NM1401300)、上海市人才發(fā)展基金(編號：201346)、教育部留學(xué)歸國人員科研啟動基金、上海第二工業(yè)大學(xué)重點學(xué)科及?；鹳Y助(編號：XXKPY1302、EGD13XQD14)、上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃(編號：ZZegd12001)

朱志剛(1977－)，男，博士，教授。

Received date: 2014-05-24. Revised date: 2014-06-18.

Correspondent author:ZHU Zhigang(1977-), male, Ph.D., Professor.

E-mail:zgzhu@sspu.edu.cn