隨著印刷業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)字印刷發(fā)揮著越來越重要的作用。噴墨印刷作為數(shù)字印刷的主要方式，是一種具有無接觸的印刷技術(shù)，只需將計算機中存儲的信息輸入噴墨印刷機即可印刷[1—3]。隨著科技快速發(fā)展，噴墨印刷技術(shù)已向產(chǎn)品系列化、高速度化、高品質(zhì)化、低價格化的方向發(fā)展[4—5]，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。由于我國針對噴墨印刷技術(shù)研究較晚，市場中噴墨印刷設(shè)備仍主要依賴進口，因此針對噴墨印刷技術(shù)研究不僅是國內(nèi)外研究的重要內(nèi)容，而且對于我國印刷裝備技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

　　1 噴墨印刷技術(shù)原理及方式

　　噴墨印刷技術(shù)是通過計算機的作用，將圖文信息轉(zhuǎn)換為脈沖電信號傳遞給噴墨設(shè)備，噴墨控制系統(tǒng)通過計算對應(yīng)通道的用墨量，并控制墨水噴射到承印物特定表面位置，從而使承印物表面再現(xiàn)圖文信息的一種印刷技術(shù)，該技術(shù)具有無印版、無壓力、非接觸、可變信息印刷的特點[2—3]。根據(jù)噴墨方式的不同，噴墨印刷技術(shù)還可分為連續(xù)噴墨技術(shù)(CIJ)和按需噴墨技術(shù)(DOD)2 大類[6]。連續(xù)噴墨技術(shù)主要是通過墨滴驅(qū)動裝置對噴頭中的墨水施加高頻壓力，使墨滴形成并在壓力作用下，由噴嘴高速連續(xù)不斷地噴射出來，并在充電電極和偏轉(zhuǎn)電場作用下，使高速噴射的帶電荷墨滴發(fā)生偏轉(zhuǎn)落到承印物表面形成圖文信息，不帶電荷的墨滴不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進入墨水回收裝置以循環(huán)使用，原理結(jié)構(gòu)示意見圖 1。該噴墨印刷技術(shù)流體處理系統(tǒng)比較復(fù)雜，頻率響應(yīng)高，大多在低精度和高速的場合使用。

　　按需噴墨技術(shù)是根據(jù)圖文信息的實際需要，將其轉(zhuǎn)化成脈沖電信號，通過驅(qū)動器驅(qū)動壓電陶瓷，使噴頭內(nèi)部腔體形變并產(chǎn)生壓力波，從而按需將墨滴噴射出來，其結(jié)構(gòu)原理示意見圖 2。與連續(xù)噴墨相比，該技術(shù)無需充電電極、偏轉(zhuǎn)電場和墨水回收裝置，結(jié)構(gòu)相對簡單，可靠性高，節(jié)約環(huán)保，隨著相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，已逐漸成為噴墨印刷的主要方式。根據(jù)墨滴充電狀態(tài)的不同，連續(xù)噴墨技術(shù)可以分為二值偏轉(zhuǎn)和多值偏轉(zhuǎn) 2 類;按需噴墨技術(shù)根據(jù)驅(qū)動方式的不同可分為熱噴墨技術(shù)、壓電噴墨技術(shù)、靜電噴墨技術(shù)和超聲波噴墨技術(shù) 4 大類，其中熱噴墨技術(shù)和壓電噴墨技術(shù)發(fā)展較為成熟，而另外 2 種技術(shù)尚處于發(fā)展階段。噴墨印刷技術(shù)的分類見圖 3。

　　熱噴墨技術(shù)主要是通過墨腔內(nèi)安裝的加熱元件加載電流，產(chǎn)生瞬間高熱，使墨腔內(nèi)的油墨部分膨脹形成氣泡并產(chǎn)生高壓，將墨水推擠出噴嘴，到達承印物表面形成圖文信息[3]。這種技術(shù)存在一些不足，主要是因為墨水受到加熱易使墨性發(fā)生變化，墨滴方向、形狀不易控制，從而影響噴印質(zhì)量[6]。根據(jù)加熱元件與噴嘴的相對位置不同，分為頂噴式和側(cè)噴式 2 種[7]，見圖 4。

　　壓電噴墨技術(shù)是利用電脈沖信號驅(qū)動壓電陶瓷元件，使其體積發(fā)生瞬間變化，進而使腔室體積瞬間變化，腔室體積瞬間增大或縮小所產(chǎn)生的負壓或正壓，促使油墨從噴孔回縮或噴出，壓電晶體的變形量可控制噴墨量的多少[8]。由于壓電噴墨技術(shù)具有反應(yīng)速度快、精度高、墨水要求低等特點，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。壓電噴墨技術(shù)按壓電陶瓷變形的方式的不同分為：壓縮型、彎曲型、剪切型和推進型 4 類[9—10]。其中壓縮型和彎曲型壓電噴頭的電場與壓電陶瓷的極化方向平行;剪切型壓電噴頭的電場方向與壓電陶瓷的極化方向垂直。基本原理見圖 5。

　　與連續(xù)噴墨技術(shù)相比，按需噴墨技術(shù)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點，雖然受到射流慣性的影響會致使墨滴噴射速度降低，噴印速度較慢，但具有較高的印刷精度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，噴墨印刷技術(shù)日趨完善與成熟，按需噴墨技術(shù)已成為當(dāng)前噴墨印刷技術(shù)的主流，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。

　　2 國內(nèi)外噴墨印刷技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　2.1 國外噴墨印刷技術(shù)研究概況 19 世紀(jì)隨著物理學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域不斷發(fā)展，1951 年，世界上首臺應(yīng)用噴墨印刷原理的設(shè)備，在西門子研制成功，主要用于字符的噴墨打印[7]。在此研究基礎(chǔ)上，1963 年，斯坦福大學(xué) Richaid G.Sweet 博士開展了連續(xù)噴墨實驗研究，通過利用微孔壓力波譜，并在微粒上施加電荷，最終形成理想的墨滴[11]，隨后通過在偏轉(zhuǎn)極板上保持恒定電壓，來控制墨滴的運動軌跡，進而為噴墨印刷在商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。隨著科研工作人員的不斷努力，1977 年，第 1 臺按需噴墨印刷機西門子 PT-80 面市[1]，將按需噴墨印刷技術(shù)推向了市場。隨后，佳能推出 BJ-80 熱泡噴墨打印機[12]，該打印機通過將電信號傳給微小加熱器，使小墨滴汽化，形成的氣泡便將墨滴從噴墨頭噴嘴射出，在承印物上形成印刷墨點。20 世紀(jì) 90 年代初，美國 Encad 公司推出了大幅面印刷機 Novajet Pro50[13]，采用基于染料型油墨的 4 個惠普熱泡噴墨打印頭技術(shù)，印刷系統(tǒng)由此開始向彩色發(fā)展。在噴墨技術(shù)研究中，國外學(xué)者就墨滴成型機理和噴墨行為方面做了大量研究，主要針對液滴形成及衛(wèi)星液滴斷裂進行數(shù)值模擬和試驗研究，探究了液絲斷裂、回彈和衛(wèi)星墨滴形成，以及脈沖時間、電壓對墨滴斷裂時間、尾墨滴長度和墨滴飛行速度等的影響[14—17]。隨著噴墨技術(shù)在陶瓷方面的應(yīng)用，還針對陶瓷噴墨技術(shù)中墨滴的成形和鋪展進行了數(shù)值模擬[18]。

　　在壓電脈沖方面，其主要研究有壓電噴頭的動力學(xué)特性[19]，脈沖電源與噴墨壓力關(guān)系[20];研究者還利用雙脈沖墨滴成型方法，通過控制低粘度墨水，得到墨滴體積、速度與雙脈沖間隔時間及電壓幅度之間的關(guān)系[21];通過研究不同溫度和驅(qū)動電壓對壓電墨滴成型的影響，發(fā)現(xiàn)溫度或驅(qū)動電壓提高會使墨滴變大[22];另外，在脈沖波形方面也做了大量研究，通過波形控制以求消除殘留壓力波造成的衛(wèi)星墨滴，減小墨滴的尺寸，使墨滴的飛行速度在不同噴墨頻率下仍保持穩(wěn)定[23—26]。經(jīng)過多年的研發(fā)，特別是隨著更適合印刷業(yè)需要的按需噴墨印刷頭、UV 固化墨水以及功能墨水的推出，噴墨印刷技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣范應(yīng)用，不僅在傳統(tǒng)印刷、寬幅印刷、包裝印刷、可變數(shù)據(jù)印刷、直郵等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且在陶瓷、紡織、印刷電子等領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷增長[27—29]。隨著技術(shù)進步，墨水質(zhì)量越來越好，尤其是噴頭技術(shù)不斷改進和功能墨水的研發(fā)，噴墨印刷技術(shù)不僅分辨率和速度越來越高，其應(yīng)用也越來越廣闊。

　　2.2 國內(nèi)噴墨印刷技術(shù)研究概況我國針對噴墨印刷技術(shù)的研究開展的相對較晚，主要針對墨滴成型過程、下落及數(shù)值模擬仿真方面進行了大量研究[30—33]。魏大忠[34]等對壓電噴頭通過動力學(xué)分析，建立了微滴噴射過程的數(shù)學(xué)模型。齊樂華[35]等通過對均勻墨滴噴射過程中的墨滴流形態(tài)、壓力場和速度場及其影響因素進行了研究，揭示了均勻墨滴流形成得內(nèi)在規(guī)律。對于驅(qū)動電壓，劉春格[36] 等通過驅(qū)動原理和波傳導(dǎo)理論分析推導(dǎo)了壓電噴墨印刷的墨滴速度和噴射速度影響因素。宋波[8]等通過試驗分析給出了壓電式噴墨印刷中操作頻率、脈沖時間、脈沖電壓等參數(shù)的最優(yōu)值。劉忠坤[37]等基于 FPGA 對噴墨頭進行控制，發(fā)現(xiàn)在電壓、溫度、速度等不同參數(shù)值下，噴頭噴射出的墨滴不同，在適宜的溫度和一定電壓范圍內(nèi)，電壓越大，墨滴的體積越小，噴射速度越快，印刷質(zhì)量就越好。由于噴墨印刷技術(shù)相比現(xiàn)有陶瓷裝飾手段具有獨特優(yōu)勢，近年來，我國學(xué)者在噴墨印刷機理研究基礎(chǔ)上，針對陶瓷方面的應(yīng)用也進行了大量相關(guān)分析和應(yīng)用研究[28,38—39]。其中朱東彬[38]等針對壓電噴墨打印陶瓷構(gòu)件機理以及應(yīng)用實例進行了分析，并給出了成功打印陶瓷構(gòu)件必須滿足的條件。徐晗[39]等采用基于 PC 機的開放式五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)了一種數(shù)控陶瓷噴繪機。隨著噴墨印刷技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是微小墨滴噴射技術(shù)的深入研究，噴墨印刷技術(shù)在陶瓷功能構(gòu)件成形及創(chuàng)意等方面將迎來廣闊前景。

　　3 存在問題和發(fā)展方向

　　1)噴墨印刷系統(tǒng)集成了信息技術(shù)與機電一體化技術(shù)，涵蓋機械機構(gòu)、數(shù)據(jù)交換設(shè)計、圖像柵格化處理、輸出控制設(shè)計、油墨系統(tǒng)設(shè)計等多項具體環(huán)節(jié)的研究。我國噴墨印刷技術(shù)的研究和應(yīng)用相對于發(fā)達國家而言起步較晚，與發(fā)達國家還有較大的差距。這些差距主要表現(xiàn)在噴頭制造技術(shù)、控制系統(tǒng)以及墨水適應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)和環(huán)節(jié)，其核心技術(shù)還未國產(chǎn)化，缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和共享機制。 2)隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷深入發(fā)展，以及用戶個性需求的不斷增加，噴墨印刷逐步由連續(xù)噴墨轉(zhuǎn)向按需噴墨。按需噴墨技術(shù)不僅可以滿足人們的個性需求，還可以大大節(jié)約墨用量，并具有環(huán)保效益，有利于綠色印刷的實現(xiàn)，因此，加強噴墨印刷本體的研究日益迫切。 3)高精度噴頭價格昂貴，大幅面、高質(zhì)量噴墨印刷裝備成本高，而掃描式大幅面噴墨印刷的噴印生產(chǎn)效率低。此外，數(shù)字前端功能的處理能力也不強，因此寬幅高速噴墨印刷技術(shù)還有待進一步突破。 4)噴墨頭技術(shù)是噴墨印刷系統(tǒng)的核心，噴墨技術(shù)的發(fā)展主要始于噴墨頭技術(shù)原理的發(fā)展。由于不同噴墨方式對噴墨頭技術(shù)的要求不盡相同，如連續(xù)噴墨系統(tǒng)的噴墨頭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要加壓裝置、充電電極和偏轉(zhuǎn)電場等，大批量生產(chǎn)困難;熱氣泡式噴墨頭噴嘴總數(shù)可達幾百個甚至上千個，噴嘴相當(dāng)精細，控制技術(shù)和算法復(fù)雜，而噴墨頭性能直接決定著噴印質(zhì)量，因此針對噴墨頭的研發(fā)至關(guān)重要。 5)在噴墨印刷過程中，油墨是主要耗材，其類型決定了承印物材料、印刷適性和印刷速度，且不同油墨的干燥特性及適用的噴墨印刷技術(shù)也不同。其中，油墨特性對于印刷質(zhì)量尤為重要，因此，實時監(jiān)測油墨性狀對于保證印刷質(zhì)量必不可少。不同油墨適應(yīng)噴墨及干燥方式見表 1。

　　4 發(fā)展對策

　　1)噴墨印刷系統(tǒng)本體的研究。機械結(jié)構(gòu)直接決定噴墨系統(tǒng)運動的靈活性和控制的復(fù)雜性。噴墨印刷系統(tǒng)相對緊湊，系統(tǒng)運行靈活，因此，在滿足噴墨系統(tǒng)性能的前提下，設(shè)計簡單、緊湊、輕巧，而且運動平穩(wěn)和控制靈活是必須解決的問題。隨著數(shù)字化噴墨技術(shù)的發(fā)展，對于噴墨印刷本體的需求日益多樣化，急需支持噴墨印刷設(shè)備本體結(jié)構(gòu)的研究，包括針對專用油墨數(shù)字化噴墨配套設(shè)備的研發(fā)，同時積極探尋集成數(shù)字化噴墨復(fù)合設(shè)備的研發(fā)。 2)噴頭研發(fā)技術(shù)攻關(guān)。噴頭是噴墨印刷系統(tǒng)的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到噴墨印刷的速度與質(zhì)量。隨著噴墨印刷市場對噴墨印刷系統(tǒng)性能需求的不斷提升，噴墨印刷使用的噴頭也不斷向著高密度、高速度的方向發(fā)展。眾所周知，在噴墨頭內(nèi)部有很多噴嘴，且噴嘴直徑非常細小，每個噴嘴與微小墨水通道相連，在使用中由于種種原因極易發(fā)生堵塞，疏通難度大，更換成本高。由于我國在噴頭方面研發(fā)起步較晚，目前，市場中使用的噴墨噴頭均來自國外廠家，加大突破噴頭研發(fā)攻關(guān)對于我國噴墨印刷技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。3)噴墨系統(tǒng)控制技術(shù)研究。提高墨滴的噴射精度，可以有效保證噴墨印刷輸出的噴印質(zhì)量。噴墨印刷系統(tǒng)工作包括機械振動控制、系統(tǒng)運動控制、噴頭的實時響應(yīng)控制等。噴墨系統(tǒng)控制包括噴頭控制和系統(tǒng)運動控制，大部分系統(tǒng)均通過中央控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)實現(xiàn)，隨著數(shù)字系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，通過運用高速數(shù)據(jù)通訊控制核心技術(shù)和先進控制算法，研究系統(tǒng)控制的融合技術(shù)，提高控制系統(tǒng)的集成度和適用性。

　　5 結(jié)語

　　噴墨印刷技術(shù)集成了信息技術(shù)與機電一體化技術(shù)，在各個領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，噴墨印刷技術(shù)已向高速、高品質(zhì)、低價格的方向發(fā)展。由于我國在該項技術(shù)研究起步較晚，其部分關(guān)鍵技術(shù)與國外還有較大差距。針對研究現(xiàn)狀及問題，應(yīng)主要朝以下方向發(fā)展：加大針對噴頭研發(fā)攻關(guān)，研發(fā)適用性好且有獨立知識產(chǎn)權(quán)的高速、低成本噴頭，同時針對噴墨印刷系統(tǒng)本體研究，尤其是集成數(shù)字化噴墨復(fù)合設(shè)備的研發(fā)，以滿足不同領(lǐng)域?qū)ο鄳?yīng)裝備的需求。針對不同油墨，積極研發(fā)適用性強的智能供墨系統(tǒng)，從而實時為噴頭腔體提供理想墨流。另外，在提高墨滴噴射精度的同時，通過運用高速數(shù)據(jù)通訊控制核心技術(shù)和先進控制算法，研究系統(tǒng)控制的融合技術(shù)，以提升控制系統(tǒng)的集成度和適用性。

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　　《噴墨印刷技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展對策》來源：《包裝工程》，作者：寧布，張睿，劉忠俊，程光耀