陶瓷噴墨打印噴頭的工作原理、技術指標及其發展趨勢

胡俊　區卓琨

摘 要：本文主要闡述了陶瓷噴頭的原理、技術指標及其認證程序，并分析了陶瓷噴頭的發展趨勢，為陶瓷墨水的研究、制備及使用提供參考。

關鍵詞：陶瓷噴墨打印；噴頭；陶瓷墨水

1 前言

目前，國內陶瓷噴墨打印機約500臺，如果平均每臺設備的均價為200萬，國內陶瓷噴墨打印機市場約10億，如果按噴頭成本占噴墨機的70﹪計算，噴頭市場約7億。當前全國共有各種陶瓷磚生產線3273條，按其中50﹪生產瓷片和仿古磚，每條生產線配置3臺噴墨打印機估算，中國噴墨打印機的市場約為3000臺，陶瓷噴墨打印機市場約60億，噴頭市場約42億。如果噴頭的使用折舊為5年，國內陶瓷噴頭市場有望達到每年8億元。因此，XAAR、Fujifilm-Dimatix、Seiko、Toshiba TEC和Konica等噴頭企業都在爭奪全球的陶瓷噴頭市場，很可能推出更適合陶瓷噴墨打印的噴頭。

陶瓷噴頭是陶瓷噴墨打印機的核心部件，直接影響陶瓷磚打印圖案的精確度、打印速度、生產穩定性等。本文主要介紹了陶瓷噴頭的原理、技術指標及其認證程序，并分析了陶瓷噴頭的發展趨勢，為陶瓷墨水的研發、推廣及使用提供了參考。

2 陶瓷噴頭的工作原理以及墨水噴射模型

2.1 陶瓷噴頭的工作原理

陶瓷噴頭最初是用于包裝條形碼、包裝保質期編碼、噴繪等方面，直到被發現可用于打印高粘度的陶瓷墨水，才開始應用于建筑陶瓷行業。噴頭以壓電陶瓷元件為驅動器，利用不同脈沖頻率、電壓值為驅動電壓，通過驅動壓電陶瓷發生體積形變，在墨水腔內產生壓力波，通過共振將墨水振出噴孔。噴墨工藝既受墨水的物理性能、噴頭孔內徑的影響，又受波形方程、溫度補償方程的影響。

壓電式噴頭是由噴嘴面板、噴嘴、壓電陶瓷片和墨水倉組成，如圖1所示。國際專利WO2005007415公布了一種噴墨打印噴頭的實例，具有一個在陣列方向上間隔開的噴射腔室陣列，每個噴射腔室都與墨水孔連通，如圖2和圖3所示。其工作原理是在壓電器件上施加電壓信號，使其產生變形，并擠壓噴頭內的墨水，產生壓力波，使其噴出。當鋯鈦酸鉛壓電陶瓷片（PZT晶片）未施加驅動信號時，噴嘴處的壓力由墨水倉決定，并且通常是負壓，墨水在表面壓力的作用下保持在墨水倉中。當需要噴射時，在壓電陶瓷上施加一個脈沖電壓，而使壓電陶瓷片產生彈性變形，該變形使噴頭噴嘴處形成一個墨滴，并從噴嘴噴射出，達到承印物指定位置。壓電式噴頭對墨水的控制能力強，容易實現高精度的噴射，并且反應速度快。

2.2 噴嘴面板的制備原理

陶瓷墨水是通過噴嘴面板上鏤空的噴孔噴射而出的，如圖3所示。英國賽爾公司于1996年1月18日申請了《形成噴嘴的方法和裝置》的專利，專利號為WO9726137，該專利公布了一種通過把激光束引導在噴嘴板上而形成精確定位、微米級噴孔的方法及其設備，如圖4所示。通過把激光束先分散成子光束，子光束先瞬間散開，然后在噴嘴板預設的位置上聚焦。激光利用高能量，在噴嘴板上得到錐度精確、入口形狀合適、位置準確的噴嘴孔。

2.3 陶瓷墨水噴射的簡化模型

陶瓷墨滴噴射過程的簡化模型，如圖5～圖8所示。圖5為一墨滴噴射過程的初始狀態。圖6中噴頭的壓電陶瓷在電壓作用下擴張變形，噴頭中墨水開始收縮。圖7中噴頭的壓電陶瓷在電壓作用下收縮變形，噴頭中墨水由于慣性還處于收縮狀態，但是壓強增大。圖8中噴頭的壓電陶瓷在電壓作用下收縮，墨水在壓強的作用下噴射出噴口。

3 陶瓷噴頭的技術指標

3.2 波形方程

波形方程是指在噴頭中壓電陶瓷上施加的電壓隨時間變化的脈沖信號，其圖譜的橫坐標為時間（μs），縱坐標為電壓（V）。Dimatix Fujilm的Versa Drop多脈沖技術能夠在噴嘴處形成大小不一的墨滴，即多個小墨滴通過準確落在承印物的同一位置上形成大墨滴，產生更清晰的色素點。圖9為10ng的自然墨滴通過多脈沖形成30ng的墨滴過程，圖10為30ng的自然墨滴通過單脈沖形成30ng的墨滴過程。

3.3 二態打印與灰階打印

二態打印指在像素點存在有墨滴與無墨滴的兩種狀態，呈現的畫面效果較為粗糙，如圖11所示。灰階打印指在像素點存在無墨滴和不同尺寸的墨滴的不同狀態，所能呈現的畫面效果更加細膩，如圖12所示。灰階打印通過波形方式中一個像素點周期內的不同脈沖次數實現，如圖13所示。

每一個運作模式需要一個特定的波形方程操作，同一型號墨水最多有3個不同波形方程支持賽爾Xaar 1001 GS6 及Xaar 1001 GS12噴頭。Xaar 1001 GS6 及Xaar 1001 GS12噴頭的點火頻率對比如表2所示。

3.4 溫度補償

3.5 點火頻率與墨滴容積

點火頻率相當于噴嘴噴射墨滴的頻率，一般在6～30 kHz的范圍內，它是直接影響噴墨打印的速度和縱向打印精度的重要因素。點火頻率越小，打印速度隨墨滴的增大而降低。StarFire SG-1024/M-A噴頭的點火頻率為30kHz時，墨滴容積為30pl；點火頻率為10kHz時，墨滴容積為80pl。Xaar 1001 GS12噴頭的點火頻率為6kHz時，最大墨滴容積為84pl；點火頻率為12kHz時，最大墨滴容積為42pl。

3.6 噴嘴精度與打印精度

噴嘴精度是指每英寸（1 inch =25.4 mm）上的噴嘴數，單位為dpi，即：噴嘴精度=25.4 mm÷噴嘴間距。Xaar 1001 GS12噴頭的噴嘴間距為70.5μm，其噴嘴精度為360dpi。Dimatix Fujilm 的StarFire（星光）SG-1024/M-C噴頭的噴嘴間距為63.5μm，其噴嘴精度為400dpi。

打印精度是指每英寸上的打印點數，不一定為噴嘴精度。在生產中，噴嘴面板上噴嘴孔的排列方向與磚坯運動的方向垂直，則噴嘴精度對應磚坯的橫向打印精度。如果一個200dpi的噴頭其相同打印區域增加一個噴頭，則橫向打印精度可達到400dpi。縱向打印精度=0.0254m /inch÷磚坯運行速度×點火頻率。例如，磚坯運行速度為30m/min，點火頻率為6kHz，則縱向打印精度為305dpi（0.0254m/inch÷30m/min×60 s /min×6×10 3s-1≈305 dpi）。

4 陶瓷墨水的認證

陶瓷墨水要求與噴頭有較好的兼容性，在使用過程中性能穩定，避免堵塞噴頭、斜噴射、飛墨等問題的出現。噴頭企業開展了對陶瓷墨水認證工作，主要涉及墨水與噴頭材質兼容性、使用壽命測試、噴頭優化、可靠性測試等環節。

材質兼容性，即通過測試材質兼容性來分析墨水在噴頭構成材質上的效果，以及噴頭材質使用液體的效果。例如，有些墨水可能從噴嘴溢出，在噴嘴面板上附著擴散，覆蓋住噴嘴，導致墨滴不能噴出或者斜噴。

噴頭使用壽命測試，即讓墨水在苛刻條件（極端溫度、復雜波形方程、高速點火頻率等）下進行10～12周的持續打印測試，相當于一年甚至幾年的使用。

噴頭優化，研制墨水與噴頭最匹配的波形方程、溫度補償曲線等參數，從而實行最高效能。波形方程首先通過聲波檢測儀器，分析噴頭固有頻率、噴頭在打印時與墨水的共振頻率，并結合墨滴觀測分析儀來優化墨水的波形方程、溫度補償曲線、壓差、負壓、微調電壓等參數。

圖14為某噴頭企業公開的墨水認證流程圖，由于墨水的認證測試需要一定的成本和時間投入，實際操作中，噴頭公司通過出售墨水的全息圖（或墨水認證標志授權）來實現測試流程的初始供款以及后續供款，并且收回成本。

5 對陶瓷噴頭發展的展望

目前，陶瓷噴頭的噴孔直徑大約為幾十微米，Xaar 1001 GS6 及Xaar 1001 GS12噴頭的噴嘴直徑大約為25μm。如果噴孔直徑進一步擴大，包裹型硫硒化鎘色料可能被用來研制鮮艷的大紅色陶瓷墨水，甚至可能出現一系列發色更鮮艷、裝飾效果更粗獷、立體效果更強烈的新型陶瓷墨水。當然噴孔直徑的變寬，需要提高噴頭中PZT壓電陶瓷的形變體積，或者應用出新型的打印機理。

與此同時，適用于噴釉、噴干粉將是陶瓷噴頭的發展趨勢。噴釉、噴干粉技術是將釉料、干粉直接通過噴頭噴到瓷磚表面，能夠呈現出立體感強的裝飾效果。薩克米（Sacmi）推出了噴干粉的噴墨機DDD175；西斯特姆（System）推出了應用于噴釉和噴干粉技術的wind powder陶瓷噴墨打印設備；快達平（efi-Cretaprint）推出了噴釉功能的efi Cretaprint C3設備；泰威技術發展股份有限公司推出了自主研發的“瓷磚彩圖數碼噴釉機T70（在線機）；佛山市美嘉陶瓷設備有限公司表示在今年將推出用于陶瓷磚的激光打印機。