數(shù)字噴墨打印技術(shù)對我國建筑陶瓷未來發(fā)展的影響＊

林 偉 韓復(fù)興 邱 軍 范新暉 王太華 劉 暢

（廣東鷹牌陶瓷集團(tuán)有限公司 廣東 佛山 528031）

數(shù)字噴墨打印技術(shù)對我國建筑陶瓷未來發(fā)展的影響＊

林 偉 韓復(fù)興 邱 軍 范新暉 王太華 劉 暢

（廣東鷹牌陶瓷集團(tuán)有限公司 廣東 佛山 528031）

2009年以來華東地區(qū)和佛山地區(qū)的部分一線陶瓷品牌企業(yè)先后引進(jìn)了陶瓷數(shù)字噴墨打印技術(shù)裝備，也推出了許多數(shù)字化陶瓷產(chǎn)品。在國家力推以科技發(fā)展觀為指導(dǎo)思想，建設(shè)“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”社會和佛山各級政府力推“四化融合，智慧佛山”打造新興工業(yè)、新型城市的關(guān)鍵時刻，陶瓷數(shù)字噴墨打印技術(shù)對建筑陶瓷來講可能只是一個支點。筆者闡述陶瓷數(shù)字噴墨打印技術(shù)國內(nèi)外生產(chǎn)研究現(xiàn)狀、技術(shù)特點和數(shù)字化時代建筑陶瓷的基本特征。

建筑陶瓷 數(shù)字噴墨打印機(jī) 墨水 噴頭

Abstract：Since 2009in east China area and foshan ceramic parts of the first brand enterprise successively introduced ceramic digital ink－jet printing technology and equipment，has also put forward many digital ceramic products.In the national push technology development as the guiding ideology，the building of a“a resource－conserving and environment－friendly”society and foshan government entities at all levels pushed forward“four fusion，wisdom，foshan”create new industries and new city，the key technology of digital ink－jet printing ceramic building ceramic terms may be just a fulcrum.This paper expounds ceramic digital ink－jet printing production research situation at home and abroad in digital times，technical features and the basic characteristics of architectural pottery.

Key words：Building ceramic；Digital ink－jet printer；Ink；Nozzle

前言

噴墨印刷是一種無接觸、無壓力、無印版的印刷技術(shù)，最早出現(xiàn)在1878年。到了1951年，Siemens公司將液態(tài)的墨水轉(zhuǎn)變成墨滴的技術(shù)申請專利，當(dāng)時因為針、墨有問題，效果不佳，直到1964年才正式進(jìn)入實用階段。1964年藉由一個特殊機(jī)臺，可以控制墨滴的大小及噴出的速率，這是噴墨機(jī)的雛形。直到1967年，Hertz研發(fā)出連續(xù)式的噴墨打印機(jī)，這就是目前在工業(yè)上使用的Continuous Ink－jet Printing。1972年Siemens推出Piezoelectric（壓電式）的Drop－on－Demand Ink－jet Printing；1979年Canon推出Thermal的Drop－on－Demand Ink－jet Printing，但稱為 Bubble Ink－jet Printing。數(shù)字噴墨印刷技術(shù)真正開始于1997年，1997年英國塞爾技術(shù)有限公司申請了一系列壓電按需噴墨打印專利技術(shù)，隨后日本精工愛普生株式會社也申請了一系列壓電按需噴墨打印專利技術(shù)。10年來隨著電腦技術(shù)發(fā)展，數(shù)字噴墨打印技術(shù)得到了飛速發(fā)展。2007年英國塞爾技術(shù)有限公司推出Xaar 1001噴頭，Xaar 1001噴頭具備的三大特點，使得噴墨技術(shù)成功地應(yīng)用于流水線性的工業(yè)化生產(chǎn)。

西班牙Kerajet公司是陶瓷噴墨打印技術(shù)的先驅(qū)者，2000年Kerajet公司與愛爾法公司及福祿公司合作進(jìn)入陶瓷噴墨打印機(jī)市場，由于西班牙對釉下彩拋光玉石產(chǎn)品的喜愛，使得陶瓷噴墨打印機(jī)得到推廣。2006年由于噴墨打印噴頭技術(shù)的進(jìn)步，以Kerajet公司為領(lǐng)頭羊的數(shù)字噴墨打印機(jī)開始在西班牙迅速發(fā)展。2007年，Xaar 1001噴頭的成功亮相，又激發(fā)包括意大利、中國在內(nèi)的眾多陶瓷裝備制造商和陶瓷產(chǎn)品制造商青睞。

圖1 INK－CID數(shù)碼噴印設(shè)備（上海斯米克陶瓷）

圖2 NEWTECH數(shù)碼噴墨印花機(jī)（三水金牌陶瓷）

短短3年，已經(jīng)有400臺陶瓷數(shù)字噴墨打印機(jī)走進(jìn)生產(chǎn)車間，中國自2009年諾貝爾陶瓷引進(jìn)意大利Kerajet數(shù)碼噴墨印刷系統(tǒng)以來，目前也有16臺走進(jìn)華東、佛山、江西等10家陶瓷企業(yè)。陶瓷數(shù)碼噴墨打印機(jī)的開發(fā)和關(guān)鍵輔材——陶瓷墨水，關(guān)鍵裝備——噴墨噴頭的開發(fā)也進(jìn)入白熱化階段。

表1 陶瓷噴墨打印機(jī)生產(chǎn)情況

在綜合分析陶瓷噴墨打印技術(shù)、裝備技術(shù)、輔材技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出數(shù)字陶瓷噴墨技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用前景，并展望了數(shù)字技術(shù)對陶瓷產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展可能有所影響的一些技術(shù)。

1 陶瓷噴墨打印技術(shù)

陶瓷企業(yè)目前所應(yīng)用的噴墨打印機(jī)均為壓電式按需噴墨印花機(jī)。其工作原理為：利用壓電傳感器對墨水施加沖擊。當(dāng)計算機(jī)控制的變化電壓施加在壓電傳感器上時，它會隨電壓的變化而發(fā)生體積的收縮和膨脹，體積變化的方向取決于壓電材料的結(jié)構(gòu)和形狀。當(dāng)傳感器收縮時會對噴嘴內(nèi)的墨水施加一個直接的高壓，使其從噴嘴高速噴出。電壓消失后，壓電材料恢復(fù)到原來的正常尺寸，墨室依靠毛細(xì)作用被儲墨器充滿。壓電式噴嘴每秒鐘能噴出14 000個左右的墨滴，比熱脈沖式稍多，墨水體積稍小，為150×10－8L。

壓電式噴頭的分辨率高達(dá)1 440dpi（每英寸點數(shù)），壽命比熱脈沖式高100倍。包括噴頭、噴頭矩陣及噴頭板組成的噴頭系統(tǒng)，包括墨盒、過濾器、墨泵、管路等在內(nèi)的循環(huán)供墨系統(tǒng)，包括灰度控制器、顯示器、路由器、芯片、接口在內(nèi)的驅(qū)動電子設(shè)備，三元色＋黑色的陶瓷墨水和控制軟件等5大核心成為陶瓷噴墨打印機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)。

圖3 噴墨打印工藝原理示意圖

1.1 陶瓷墨水

國內(nèi)陶瓷墨水的研究始于2000年，近年來形成了天津大學(xué)研究團(tuán)隊、南昌航空工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊、大連理工大學(xué)研究團(tuán)隊、陜西科技大學(xué)研究團(tuán)隊和華南理工大學(xué)研究團(tuán)隊，共發(fā)表論文32篇，尤其是天津大學(xué)研究團(tuán)隊發(fā)表論文11篇，形成了楊正方、郭瑞松等一批專家。企業(yè)研究方面出現(xiàn)了廣東佛陶集團(tuán)股份有限公司、道氏制釉、華山制釉、科信達(dá)奧斯博等公司，申請了3個發(fā)明專利，尤其是道氏制釉已經(jīng)獲得專利2個。盡管如此，陶瓷墨水在國內(nèi)仍處于研究階段，離真正產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離，筆者相信在2011年廣州陶瓷工業(yè)展覽會上會看到中國自己的陶瓷墨水。

圖4 歷年發(fā)表有關(guān)陶瓷墨水論文數(shù)量

圖5 各大學(xué)發(fā)表陶瓷墨水論文人數(shù)及論文數(shù)

圖6 各位專家發(fā)表論文數(shù)量

1.2 噴墨打印機(jī)噴頭

表2 噴墨打印機(jī)噴頭生產(chǎn)銷售情況

圖7 Xaar1001噴頭

英國賽爾公司目前是全球最大的噴墨打印機(jī)噴頭系統(tǒng)、電子驅(qū)動系統(tǒng)和循環(huán)供墨系統(tǒng)的最大供應(yīng)商，此外通過對陶瓷墨水認(rèn)證和控制軟件認(rèn)證為客戶提供第三方服務(wù)系統(tǒng)。實際上，賽爾公司已經(jīng)基本上控制了噴墨打印技術(shù)的硬軟兩部分。此外，雖然國際上有不少噴頭生產(chǎn)廠家，尤其是日本的精工愛普生噴頭和美國的Spectra噴頭，在技術(shù)上是比較先進(jìn)的，由于日本和美國都作為高技術(shù)產(chǎn)品對國內(nèi)進(jìn)行控制，造成國內(nèi)噴墨打印機(jī)的開發(fā)處于無“頭”的狀態(tài)。近年來，也有不少專家和協(xié)會呼吁對噴頭進(jìn)行免關(guān)稅，以解決噴墨打印機(jī)開發(fā)的燃眉之急。噴墨打印機(jī)生產(chǎn)銷售情況見表2。

圖8 日本東芝噴頭

陶瓷數(shù)字噴墨打印機(jī)噴頭的關(guān)鍵技術(shù)有兩個：一是壓電晶體陶瓷材料，二是微電子機(jī)械加工技術(shù)。尤其是微機(jī)械加工技術(shù)是微電子機(jī)械系統(tǒng)（MENS）的核心，他是一個國家戰(zhàn)略性新興技術(shù)之一，不僅在數(shù)碼噴墨打印領(lǐng)域，而且在所有制造業(yè)、軍工通訊業(yè)和航天航海領(lǐng)域都是關(guān)鍵核心裝備的核心。英國賽爾公司的XAAR1001打印噴頭的技術(shù)特點見表3。

表3 英國賽爾公司的XAAR1001打印噴頭的技術(shù)特點

1.3 其他關(guān)鍵設(shè)備及軟件說明

陶瓷噴墨打印機(jī)關(guān)鍵技術(shù)除了“（噴）嘴”還有“腦”，即驅(qū)動電子設(shè)備、開發(fā)軟件包及驅(qū)動程序；“心”即循環(huán)墨水供應(yīng)系統(tǒng)和末端噴墨供墨系統(tǒng)；“眼”即對陶瓷產(chǎn)品的跟蹤控制系統(tǒng)達(dá)到按需求噴墨打??；“手”即在線陶瓷產(chǎn)品的傳輸系統(tǒng)。尤其是“腦”和“心”是國內(nèi)陶瓷噴墨裝備制造企業(yè)的不足。賽爾ES供墨系統(tǒng)包括過濾器、墨泵、獨特的串流系統(tǒng)、副墨盒，一個墨泵可以為8個副墨盒及噴頭供墨。賽爾XUSB DE驅(qū)動電子設(shè)備可通過PC或筆記本電腦的USB端口，同時驅(qū)動最多8個噴頭，四色打印機(jī)需設(shè)置4個XUSB DE驅(qū)動電子設(shè)備。

2 其他陶瓷數(shù)字設(shè)備展望

2.1 陶瓷企業(yè)能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)簡單地說就是把生產(chǎn)企業(yè)的能源消耗，如水、氣（汽）、風(fēng)、電的使用過程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、記錄、分析、指導(dǎo)。實時監(jiān)控企業(yè)各種能源的詳細(xì)使用情況，為節(jié)能降耗提供科學(xué)的依據(jù)，為企業(yè)查找能耗弱點，促進(jìn)企業(yè)管理水平的提高及運(yùn)營成本的進(jìn)一步降低，使能源使用合理，達(dá)到節(jié)能減排，再創(chuàng)造效益的目的。通過數(shù)據(jù)分析，可以幫助企業(yè)對生產(chǎn)線、工作班組以及主要耗能設(shè)備進(jìn)行實時考核，杜絕浪費(fèi)，并可以幫助企業(yè)進(jìn)一步優(yōu)化工藝，以降低單位能耗成本，提高企業(yè)綜合競爭力。

陶瓷企業(yè)目前還是耗能大戶，研究建筑陶瓷節(jié)能路線圖，利用先進(jìn)的電子計量檢測元件和電磁閥對各工作環(huán)境的溫度、濕度空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)收集，對各工藝裝備的工作溫度、壓力、電流、電壓、水流量、氣流量、燃?xì)饬髁?、燃?xì)鈮毫?、氣體成分、原料成分、燃料成分進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)收集，通過有線或無線輸出，將數(shù)據(jù)輸入服務(wù)器主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理、監(jiān)督管理和技術(shù)指導(dǎo)。陶瓷企業(yè)能源管理系統(tǒng)的核心是技術(shù)分析處理軟件和專家處理軟件。

2.2 按需供粉技術(shù)在陶瓷裝飾機(jī)械的應(yīng)用

按需供粉技術(shù)得益于按需噴墨打印技術(shù)的啟發(fā)，需求是陶瓷拋光磚布料車。目前陶瓷布料車尤其是微粉布料工藝實際上或多或少吸收了傳統(tǒng)的滾筒印刷技術(shù)或絲網(wǎng)印刷技術(shù)，如魔術(shù)師實際上就是絲網(wǎng)印刷技術(shù)在陶瓷布料車上的應(yīng)用，如新概念微粉布料技術(shù)實際上就是吸收滾筒布料技術(shù)和巖變技術(shù)。無論是絲網(wǎng)抑或雕花滾筒對產(chǎn)品花色和圖文設(shè)計都達(dá)不到“按需”，也達(dá)不到“仿真”，更達(dá)不到拋光磚設(shè)計開發(fā)的“多快好省”的目的。往往投入百萬的布料車，一年后就過時，往往投入數(shù)百萬的實驗經(jīng)費(fèi)，耗費(fèi)近百日的開發(fā)時間卻很難使客戶滿意。數(shù)字技術(shù)和電腦輔助設(shè)計如果通過按需供粉技術(shù)的實現(xiàn)，如果通過合理的粉料鼓氣動輸系統(tǒng)、串流供粉系統(tǒng)、微電磁閥控制系統(tǒng)和一定密度的噴頭板矩陣系列就可以實現(xiàn)微粉的電腦布料和電腦圖像設(shè)計。那么我們的技術(shù)員完全可以坐在家里上班，也就實現(xiàn)了佛山城市化和國家化后的低碳生活方式。

2.3 按需供釉技術(shù)在流漿磚生產(chǎn)中的應(yīng)用

流漿磚的開發(fā)始于2004年，有通體流漿磚和復(fù)合流漿磚。流漿磚流紋肌理明顯，特別是引入透料的流漿磚更是具有特別的肌理和質(zhì)感。由于傳統(tǒng)流漿磚工藝不合理，造成紋理不穩(wěn)定，生產(chǎn)時干燥階段、燒成階段存在一些問題，產(chǎn)品基本上仍處于試驗階段。新的流漿磚工藝采用按需供漿技術(shù)，仍采用多工位噴頭，電磁閥噴釉工藝，肌理圖案數(shù)字設(shè)計數(shù)字控制，微波干燥＋遠(yuǎn)紅外熱輻射干燥，實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)工藝。新的流漿磚主要為通體流漿磚，可實現(xiàn)微晶玻璃、傳統(tǒng)陶瓷、石材所無法實現(xiàn)和達(dá)到的質(zhì)感、肌理、紋理和圖案，其次可實現(xiàn)工藝設(shè)計的遠(yuǎn)程控制和即時控制。

3 結(jié)論

通過對陶瓷數(shù)字噴墨技術(shù)的國內(nèi)情況分析和總結(jié)，以及對國內(nèi)新時期新形勢建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)提升形式的分析得出以下幾點淺見。

1）陶瓷數(shù)字噴墨技術(shù)的核心技術(shù)是噴頭、墨水、驅(qū)動系統(tǒng)、供墨系統(tǒng)和控制軟件，國內(nèi)墨水研究雖有10年歷程，但是仍處于理論研究階段，佛山部分企業(yè)有望在2011年推出陶瓷墨水。

2）噴墨打印噴頭是核心技術(shù)的核心，而噴頭的核心技術(shù)是壓電晶體半導(dǎo)體陶瓷和微電子機(jī)械系統(tǒng)，作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的微電子機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)該成為國家重點支持科技項目。

3）數(shù)字技術(shù)在建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)提升中仍是重要課題，新的節(jié)能管理技術(shù)、新的節(jié)能及裝飾工藝將是今后開發(fā)的重點。

Digital Ink－jet Printing Technology to Our Country Building Ceramic for Future Development of Influence

Lin Wei，Han Fuxing，Qiu Jun，F(xiàn)an Xinhui，Wang Taihua，Liu Chang（Guangdong Eagle Brand Ceramics Group Co.，LTD，Guangdong，F(xiàn)oshan，528031）

TQ174.4

A

1002－2872（2011）04－0009－04

林偉（1967－）本科，工程師，任總裁等職；主要從事建筑衛(wèi)生陶瓷的研究和生產(chǎn)管理。E－mail：linw＠eagleceramics.com