陶瓷噴墨打印技術的現狀及發展

1 前言

近幾年，我國陶瓷磚裝飾采用噴墨打印機的發展速度較快，主要得益于噴墨打印設備制造技術不斷提高以及下游需求市場不斷擴大，噴墨打印機在國內外市場上發展迅速，為我國陶瓷磚裝飾采用噴墨打印機迎來良好的發展機遇。

1.1噴墨打印產品的優勢

陶瓷墻地磚的裝飾經歷了絲網印花、輥筒印花之后，在近二年又掀起了噴墨打印的高潮，噴墨打印技術已被稱為我國陶瓷墻地磚印花技術的第三次革命，被越來越多的國內陶瓷企業看好。噴墨打印機較之絲網印花和輥筒印花，具有許多無可比擬的優勢。它能在極短的時間內達到個性化的要求，更加適合當今瓷磚裝飾時裝化、個性化、小批量、多花色的發展趨向。噴墨產品的精細度與高清晰的圖片沒有太大區別，傳統技術的產品會受到規格方面的限制，而噴墨技術在理論上沒有規格限制。近幾年來仿古磚迅猛發展，一些高端品種諸如仿樹皮、仿原木之類的飾釉磚表面是凹凸不平的立體面，其采用絲網印花和輥筒印花都無法實現，只有噴墨印花可以得心應手隨心所欲。不僅更真實地還原自然材料的紋理和效果，還能在凹凸面上實現印刷。

1.2噴墨打印技術的特點

噴墨印花技術集電控、墨水使用、機械合成圖案設計、數控操作等多領域先進技術于一體，該技術在瓷磚產品上的運用可使產品分辨率由普通技術的72dpi提高到360dpi，如用通俗的像素來表示，則可由現有輥筒印花效果的240萬像素提升到1200萬像素。該技術可靈活處理各種不同批量及不同品種的訂單，轉產時數碼噴墨印花機具有不用更換墨水或清洗墨路的特點，省去了輥筒雕刻及試版工作，大大節省試版、生產等的成本；縮短了生產周期、減少了產品庫存、降低了運輸成本、縮小了倉庫面積；消除了由于和噴印基材接觸而造成的破損和缺陷，可以在凸凹不平的表面上印刷，大大減少印刷設備的開支。通過采用軟件工具適應新的設計以滿足更多消費者的需求。 此外，由于噴墨設備的自動化性能高、操作便利，大大減少人工勞動。

從設計方面來說，陶瓷磚設計的理念是回歸自然。噴墨技術的出現，為陶瓷設計提供了豐富多彩的設計元素，花草鳥蟲、飛禽走獸、山川河流等各種大自然的元素由此顯得多彩多姿、蔚然成畫，大自然的景觀也由此成為設計師們取之不盡的設計元素。石材、木紋、外墻紙、布料等的紋理通過噴墨技術體現得淋漓盡致。

此外，噴墨打印改變了傳統印花技術與瓷磚接觸的特點，印刷效果通過噴頭自上而下進行印刷，磚面不再與印刷工具直接接觸，可以實現多角度、高致密性上釉，完全呈現瓷磚立體設計效果。噴墨打印首次實現了在瓷磚立體造型面上的一次性印花，尤其實現了各種凹凸浮面磚和斜角面上的紋理生動印花，凹凸立體面落差可達4mm，能使凹凸面均勻著色，令各種特殊造型的配件與主磚銜接更自然。正由于以上的種種原因，陶瓷磚裝飾采用噴墨打印技術迎來了發展的春天。

2 噴墨打印機的發展歷程

2.1噴墨打印技術發展簡況

噴墨印刷的歷史可以追溯到1884年，美國人C·H·Richard在注射器中放入水，擠壓針端飛出液滴。由此受到啟發，若使此飛出液體帶電，用電控制其落點，就可以在紙上形成畫像，此稱為霧墨印刷。

噴墨打印Ink-jet Printing最早出現在1878年。1951年Siemens公司申請了將液態的墨水轉變成墨滴的技術專利。當時因為針、墨有問題，導致效果不佳。直到1960年才正式進入實用階段。1964年研發出一種特殊機臺，可以控制墨滴的大小及噴出的速率，這是噴墨機的雛形。到1967年，Hertz研發出連續式的噴墨打印機，這就是目前在工業上使用的Continuous Ink-jet Printing。1972年Siemens推出壓電式的按需噴墨打印。1979年Canon推出熱驅動的按需噴墨打印，當時被稱為氣泡噴墨印刷。

20年前，噴墨打印開始運用到條碼加工和產品序號的印刷上，但那時解析度無法讓人滿意。直到近10年，噴墨打印的品質才有了突飛猛進的發展。

2.2陶瓷磚應用噴墨打印技術發展簡況

2000年世界第一臺工業使用的陶瓷裝飾噴墨打印機問世，西班牙的Kerajet公司是世界上第一家擁有噴墨設備技術專利的企業，而美國的FERRO公司則是世界上第一家擁有噴墨墨水專利的企業。因為Kerajet公司所研制的噴墨打印機受到專利保護，全世界的其它公司只能內部研發。該專利權在2008年開放后，其它原本內部研制噴墨打印機的公司才開始向外銷售。因此，噴墨打印機在國內使用較晚。

2008年5月佛山市南海區希望陶瓷機械設備有限公司研發了我國第一臺陶瓷磚裝飾用噴墨打印機。杭州諾貝爾集團有限公司在2009年下半年采用西班牙Kerajet的陶瓷磚噴墨打印機，成為國內第一個推出噴墨磚的企業。金牌亞洲于2010年3月30日推出國內首款3D數碼噴墨立體磚，成為廣東陶企最早推出噴墨打印產品的企業之一。

近年來，全球陶瓷磚應用噴墨機械設備數量不斷上漲。據統計數據顯示，到2011年4月為止，全球已經在使用的噴墨打印機近400臺，比2009年的設備數量翻了一番。其中，在我國的噴墨打印機已經有40臺左右，占全球噴墨打印機總量的10%，目前涉足噴墨領域的佛山陶企將近20家，華東也至少有2家企業。據有關媒體和專家預測，未來5年內，噴墨打印設備將增加至1000臺。世界陶瓷磚生產已進入噴墨打印年代，而作為全球陶瓷生產第一大國，我國必定成為該技術運用的潛力最大的市場之一。

3 噴墨打印機

3.1噴墨打印機的組成及工作特點

噴墨印刷是一種無接觸、無壓力、無印版的印刷技術，將電子計算機中存儲的信息輸入噴墨打印機即可實現印刷。它還具有無版數碼印刷的共同特征，即可實現可變信息印刷。

噴墨打印機一般由噴頭系統、噴頭清潔系統、供墨系統、輸送系統、清潔系統、操作及控制系統等組成。噴頭系統由噴頭、噴頭矩陣及噴頭板組成；供墨系統包括墨盒、過濾器、墨泵、管路等在內的循環供墨系統；操作及控制系統包括灰度控制器、顯示器、路由器、芯片、接口在內的驅動電子設備、控制軟件等，這些系統是噴墨打印機的關鍵核心技術。

3.2噴墨打印機的主要生產企業

國外生產噴墨打印機的主要企業是西班牙的KERAJET、CERTAPRINT，意大利的SYSTEM、DERST、PROJECTAENGINEERING、TECNOFERRARII、TECNO、IN.TESA等。目前這些噴墨打印機國內均有引進。

2008年后，國內開始研發陶瓷磚用的噴墨打印機。到2011年，國內陸續推出一批陶瓷磚用的噴墨打印設備。國內生產陶瓷磚用的噴墨打印機企業主要有兩大類：一類是行業內以制造裝飾機械為主的企業；二是以制造噴繪設備的企業。由于噴墨打印機的工作原理、結構和一般的噴繪設備區別不大，在較短時間內就開發出了適用于陶瓷行業的噴墨打印機。

目前國內能推出陶瓷磚用的噴墨打印設備的企業主要有：佛山市南海區希望陶瓷機械設備有限公司、上海泰威技術有限公司、佛山市新景機械設備有限公司(和深圳市潤天智圖像技術有限公司合作)、廣州精陶機電設備有限公司、佛山市美嘉陶瓷設備有限公司等。

泰威噴墨打印機的外形見圖1，西班牙cretaprint陶瓷噴墨打印機見圖2。

4陶瓷墨水

4.1陶瓷墨水的發展

國外陶瓷墨水的研究起始較早， 2000年1月7日，FERRO公司向美國專利商標局提交了一份名為《用于陶瓷釉面磚（瓦）和表面的彩色噴墨印刷的獨特油墨和油墨組合》的專利，該專利闡述了陶瓷墨水的制作方法，為陶瓷噴墨打印技術奠定了良好的基礎。

噴墨墨水技術發展分兩個階段：第一階段是2000~2006年，噴墨系統只有可溶性墨水。在這一階段，由于所使用的可溶性墨水的低色彩范圍、穩定性差和成本高，大大限制了產品所能實現的各種可能性，制約了發展；第二階段，隨著顏料墨水的技術進步，噴墨系統發生了質的飛躍。使用這些顏料墨水，噴墨打印系統可以打印市場上的常規顏色，而且價格也具競爭力。這種技術的飛躍其影響甚至可擴大到景觀設計，并帶動了更多的新設備廠家進入市場及將一些新元素引入到新的色彩制作中。一些公司開始專門研究陶瓷領域的最佳解決方案。

4.2陶瓷墨水的特點

陶瓷墨水是納米技術制造出的超微細的無機材料，不是簡單的顏色混合調配就可以達到的。噴墨設備采用的是四色印刷，和我們傳統印刷行業大致一樣，即C(Blue，藍色)、M(Magenta，介于紅色與橙色之間的一種色彩)、Y(Yellow，黃色)、K(Black，黑色)四種顏色，目前還無法達到100%的紅色，因此在印刷效果上可能會受到制約，導致設計初衷無法完全滿足。也就是同時滿足無機色釉和納米混合這兩個條件，是非常困難的。和傳統紙制品的印刷不同，瓷磚的印刷不僅要突破這樣的問題，還要考慮高溫燒成的效果。

所謂陶瓷墨水就是含有某種陶瓷釉料成分、陶瓷色料或陶瓷著色劑的墨水。陶瓷墨水的組成和性能與打印機的工作原理和墨水用途有關。陶瓷墨水通常由無機非金屬顏料（色料、釉料）、溶劑、分散劑、結合劑、表面活性劑及其它輔料構成。無機非金屬顏料（色料、釉料）是墨水的核心物質，要求其顆粒度小于1μm，顆粒尺寸分布要窄，顆粒之間不能有較強的團聚，有較好的穩定性，受溶劑等其它物質的影響小。

溶劑是把無機非金屬顏料（色料、釉料）從打印機輸送到受體上的載體，同時又控制干燥時間，使墨水粘度、表面張力等不易隨溫度變化而改變，溶劑一般采用水溶性有機溶劑，如：醇、多元醇、多元醇醚和多糖等。分散劑促使無機非金屬顏料（色料、釉料）均勻地分布在溶劑中，并保證在噴印前粉料不發生團聚。分散劑主要是一些水溶性和油溶性高分子類、苯甲酸及其衍生物、聚丙烯酸及其共聚物等。結合劑可保障打印在陶瓷坯體上的色料具有一定的強度，便于生產操作，同時可調節墨水的流動性能，通常樹脂能起到結合劑和分散劑的雙重作用。表面活性劑是控制墨水的表面張力在合適的范圍內。其它輔助材料主要有墨水pH值調節劑、催干劑、防腐劑等。

4.3國外生產噴墨墨水的企業及陶瓷墨水的特點

2006年以后，陶瓷墨水在西班牙得到了很好的發展，到目前為止，除了美國FERRO公司外，西班牙的ESMALGLASS-ITACA、CHIMIGRAF、COLORBBIA，TORRECID四家公司也是陶瓷裝飾墨水的主要制造商。作為全球前三大的色釉料供應商Esmalglass-itaca，陶瓷墨水也是他們目前主推的產品，針對墨水顏色偏淺的狀況，Esmalglass-itaca推出了HCR(高色彩范圍)噴墨墨水和HCP(高色彩性能)釉料。

據了解，HCR噴墨墨水分為黃色、米色、粉色、藍色、棕色和黑色六種，物理和化學性能穩定，色澤強烈，高亮度發色深，且擴大了顏色范圍，使色調更一致、更均勻，有效降低墨水用量。據說HCR噴墨墨水已通過陶瓷行業內所有噴墨設備廠家和現有打印噴頭廠家的驗證和測試。

另外，為了提高色彩強度和墨水的顏色范圍，Esmalglass-itaca研制出HCP釉料，以加深噴墨墨水顏色。一方面，通過HCP釉料提高噴墨墨水的色彩強度，每塊瓷片即可減少所需墨水的使用量，但卻能取得同樣的色調，對每塊瓷片降低生產成本具有重要意義；另一方面，Esmalglass-itaca已設法擴大墨水的色彩范圍，確保墨水在任何生產軟件上都能達到最大的安全性和顏色性能。

2008年初引入噴墨印刷技術時，陶瓷墨水售價為100萬元/噸，而現在價格為36萬元/噸。雖然價格在兩年間下降了64%，但陶瓷墨水的價格與普通色釉料的價格相差高達30倍，成為眾多應用噴墨技術的陶瓷企業煩惱的問題。

噴墨墨水的保質期只有2~3個月，主要問題是容易造成沉淀。盡管噴墨打印機的噴頭內部裝有循環系統，但陶瓷墨水與家用的液體墨水不同，它是陶瓷色料和液體墨水的混合體，加上色料的比重較高，因此循環系統只能減少墨水沉淀的情況。由于墨水的保質期短，國外的噴墨墨水又需要通過空運送到我國市場，造成了墨水價格高居不下狀況。

盡管現在噴墨墨水已經發展到11種顏色，但噴墨印刷技術不能噴出深紅色或鮮紅色，只能噴到粉紅色的程度。由于包裹紅的顆粒太粗，無法通過噴墨打印機的噴頭，因此，現在行業內還不能調配出紅色墨水。

隨著海外釉料企業對我國市場的重視，越來越多海外墨水供應商選擇在我國建廠，緩解我國企業使用噴墨技術成本高的難題，希望率先贏得我國市場。當墨水不再需要空運時，成本將大大降低。

4.4國內陶瓷墨水研究概況

國內陶瓷墨水的研究始于2000年，近年來形成了天津大學、南昌航空工業大學、大連理工大學、陜西科技大學和華南理工大學等研究團隊，并發表了一批研究論文。企業研究方面出現了道氏制釉、華山制釉、科信達奧斯博、博奧科技等公司，取得了3個發明專利的成績，尤其是道氏制釉已經獲得其中2個專利。盡管如此，陶瓷墨水在國內仍處于研究階段，離真正產業化還有一定的距離。不過，在2011年廣州陶瓷工業展覽會上已看到博奧科技生產的陶瓷墨水。據了解博奧科技生產的陶瓷墨水已經能夠在噴墨打印機上使用，目前他們正在全力推廣。

5 噴 頭

5.1壓電噴頭的工作原理

壓電噴頭的工作原理為：利用壓電傳感器對墨水施加沖擊。當計算機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構和形狀。當傳感器收縮時會對噴嘴內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，壓電材料恢復到原來的尺寸，墨室依靠毛細作用被儲墨充滿。

壓電式噴墨打印頭內裝有一定容量的墨水，在噴孔上部側面裝有壓電陶瓷，在壓電陶瓷上施加脈沖電壓，電壓可使壓電陶瓷形變后產生壓力，從而擠壓噴孔中的墨水噴射出墨滴，墨滴落到打印介質上形成墨點，由不同顏色噴孔噴射的墨點組成畫面；由打印控制系統控制噴孔上的壓電陶瓷的工作狀態；打印頭上的噴孔和墨管相連，通過可精確控制墨水容量和墨路壓力的供墨系統為打印頭連續工作提供墨水。壓電式噴嘴每秒鐘大約能噴出14000個左右的墨滴。壓電式噴頭的分辨率高達1440dpi(每英寸點數)。

噴墨打印機的噴頭是噴墨技術的關鍵之關鍵，就猶如汽車的發動機一樣，是噴墨打印機的心臟。因此，噴頭技術好與壞直接影響噴墨技術的質量，但目前噴頭的關鍵技術還是掌握在歐美等強國手上，我國還沒有能力自主生產噴墨打印機的噴頭。

5.2噴頭品牌介紹

噴頭在陶瓷噴墨打印設備的位置非常重要，目前世界上的陶瓷噴墨打印機的噴頭生產技術被分別被美國的FUJIFILM Dimatix“北極星”、英國XAAR“賽爾”、日本的Konica和精工SPT所壟斷。

FUJIFILM Dimatix具有27年研發噴墨打印頭技術的經驗。據了解，在27年之前FUJIFILM Dimatix就開始研究噴頭技術，并投入資金3億美元，在1984年最初創建時叫作Spectra公司，2005年更名為Dimatix，2006年由FUJIFILM公司收購。

日本精工SPT噴頭 由日本精工電子集團所生產，精工最先是在生產精密鐘表方面聞名世界，如今在生產集裝壓電式噴頭也擁有著雄厚的技術支撐。日本精工電子科技的SPT噴頭目前在業內應用廣泛，在世界噴頭的市場占有率近50%。

國內所有自主研發的噴墨打印機，目前噴頭基本是來自這四家企業。其中，主要是兩家，一是由美國FUJIFILM Dimatix供應；二是由英國XAAR供應。這幾家擁有打印設備噴頭技術的企業，經歷幾十年的科研與經驗積累，注入大量的資金、人力、物力才得以成功，因此噴頭的研發成功并非一蹴而就。

國內噴墨打印機的噴頭在未來幾年內仍然需要依賴進口。噴頭的外形見圖3、4。

5.3噴頭的壽命、價格

噴頭的壽命都比較短，經常更換噴頭是噴墨技術急需解決的問題。據了解，在條件良好的情況下（非正常損耗除外）噴頭的使用壽命可以達到100萬m2以上。而且噴頭目前還沒有國產化，因此許多陶企都需要花高價進口噴頭。據悉，一個噴頭就要3~4萬元左右。依據噴頭結構不同，噴頭的孔數不一，1臺噴墨打印機所需的噴頭數量也不一樣，少則需40個噴頭，多則需96個噴頭，甚至100多個，其昂貴的價格制約噴墨打印機的推廣和應用。

6 陶瓷噴墨打印今后的發展

我國的陶瓷噴墨打印技術還處于初級階段，和國外相比還存在較大的差距。在短短的二年里，我國陶瓷噴墨打印機的制造企業已達近十家，但目前的核心技術仍然被國外企業所壟斷。因此今后國內研發重點應放在噴頭和墨水上，陶瓷噴墨打印機不應該再出現新的企業，而應該將重點放在陶瓷噴墨打印機的服務和軟件設計上，使國內的陶瓷噴墨打印機盡快擺脫國外的限制，開發出具有完全獨立知識產權的陶瓷噴墨打印機。

噴墨打印技術朝著精細的圖案打印質量的方向發展，隨著噴墨技術和制造能力的逐步提高，通過更細小的墨滴和精準的噴墨控制實現越來越高圖像分辨率，更快的噴射速度（頻率），實現高速打印。通過多顏色的墨水應用展現豐富的色彩。

日前，國家工業和信息化部公布了《產業關鍵共性技術發展指南(2011年)》，里面列出了國家十二五規劃期間將要集中突破的八大項目，包括：節能環保與資源綜合利用、原材料工業、裝備制造業、消費品工業、電子制造業、軟件和信息技術服務業、通信業及信息化和生產性服務業。

其中，裝備制造業項目又下分九個小項目，“高檔印刷裝備”屬于其中項目之一，里面涉及“高端、智能化印刷機墨色控制系統技術”、“高端、智能化印刷機電子軸(無軸)傳動系統技術”、“噴墨數字印刷機壓電式噴墨打印頭制造技術”三大研發技術。由這三個項目可見，國家對于噴墨打印的產業共性核心技術非常關注，陶瓷行業的噴墨打印當然也屬于此產業共性關鍵技術?？磥?，目前最迫切需要解決的就是噴墨打印的墨水控制系統技術、傳動技術以及噴墨打印頭技術，這與陶瓷行業的噴墨打印國產化實際遇到的問題同出一轍。

（1） 陶瓷數碼噴墨打印機噴頭的關鍵技術實際上有兩個：一是壓電晶體陶瓷材料；二是微電子機械加工技術。而噴頭的核心技術是壓電晶體半導體陶瓷和微電子機械系統（MENS），作為戰略性新興產業的微電子機械系統（MENS）應該成為國家重點支持科技項目。

（2） 國內研究陶瓷墨水雖有10年歷程，但是仍處于理論研究階段為主。雖然部分陶瓷色釉料企業在2011年推出陶瓷墨水，但離上線推廣應用還有一段路程要走，當然這需要墨水的生產企業和墨水的用戶以及陶瓷噴墨打印機制造廠家的全面合作才能在短期內實現。相信在不久的將來，必將攻破墨水的技術難關，成本將不是制約國內陶瓷企業運用噴墨技術。

（3） 建立一支完善的培訓和服務體系，加強售后服務和技術服務以及質量控制，使噴墨打印機充分發揮效能。