陶瓷數字噴墨打印機用噴頭現狀及應用展望

胡校兵，朱海翔,，余江淵,，陳 誠，朱志剛，王艷香

(1.上海第二工業大學城市建設與環境工程學院，上海 201209；2.景德鎮陶瓷學院材料科學與工程學院，江西 景德鎮 333403)

陶瓷數字噴墨打印機用噴頭現狀及應用展望

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.上海第二工業大學城市建設與環境工程學院，上海 201209；2.景德鎮陶瓷學院材料科學與工程學院，江西 景德鎮 333403)

噴墨印刷技術正在我國陶瓷磚領域中快速發展，繁榮的景象讓人對全球陶瓷行業的發展前景充滿希望，而噴墨印刷技術的一個關鍵因素就是噴頭。掌握了噴頭的制造技術便可壟斷陶瓷印刷的市場。所以關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歷了從絲網印花到輥筒印花，2008年，我國研發了屬于自己的第一臺陶瓷磚裝飾用噴墨打印機，標識著我國的陶瓷磚行業開始進入噴墨打印時代。噴墨打印技術在國內外市場上發展迅速，為我國陶瓷磚裝飾行業迎來良好的發展機遇。

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，依據噴頭結構和孔數的不同，一臺噴墨機所需要的噴頭數量也不一樣，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、傳動技術和噴墨打印頭，其中當屬噴墨打印頭的研發難度最大，噴頭高昂的成本已經成為噴墨打印技術在我國無法普及的最主要的因素，所以我國一些研發機構紛紛把研究重點放在噴頭上，試圖打破國外的技術封鎖[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，探討噴墨打印技術在我國陶瓷墻地磚行業的應用并最終展望噴墨打印機噴頭的發展前景。

1 噴頭的噴墨方式

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

1.1 連續噴墨

在連續噴墨方式中，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生偏轉，直接掉落到墨水回收系統，以便再次被利用，其工作原理如圖1所示[3]。

連續噴墨技術具有如下優點：一是速度快，因為噴墨可連續噴射出墨水，所以連續噴墨技術十分適合高速、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；三是連續噴墨技術可使用有機溶劑基墨水，該墨水比水基墨水干燥快，所以連續噴墨技術基本不用干燥，可以節省大量的時間和能源；四是連續噴墨技術設備運行成本低，經濟實用。

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

連續噴墨技術也存在相應的缺點：一、解析度(解析度代表的是單位面積上墨點的數量)不高，通常用在比較粗糙的物質表面；二、連續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后，勢必會污染整個墨水系統，長時間污染物的聚集容易導致噴頭堵塞，所以經過一段時間使用后，需要對噴頭進行清洗；三、易出現漏墨現象，這主要是因為每一個墨滴離開噴頭的時候被充以靜電荷，當周圍的環境有靜電干擾時，原本不帶電荷的墨滴就會帶上靜電，受到電場力作用發生偏轉后掉落到回收系統，導致那些原本需要被墨水覆蓋的地方沒有被噴墨，出現了漏墨現象，從而影響打印質量[4]。

1.2 按需噴墨

按需噴墨也叫脈沖給墨或隨機噴墨，與連續噴墨技術不同，按需噴墨技術墨滴的產生是非連續的，只有在需要墨滴形成部分圖像時，系統才會產生墨滴。按需噴墨技術就是將計算機里的圖文信息轉化成脈沖的電信號，然后由這些電信號控制噴墨頭的閉合，只有形成圖文區的部位才產生墨滴，其成像原理是：按需噴墨設備根據圖像記錄信號的需要斷續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，按需噴墨技術的設備相對于連續噴墨技術的設備簡單。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組的方法來提高打印速度。按需噴墨技術的墨滴是由壓電陶瓷形變產生的機械力擠出而成，只有在圖文區才會形成墨滴，也不會受到周圍環境的靜電場干擾，所以漏墨現象較連續噴墨技術而言相對較少[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，其中熱噴墨技術和壓電噴墨技術是最有代表性的兩種按需噴墨技術，而且發展最為迅速。

熱噴墨技術又稱熱泡式噴墨或氣泡噴墨技術。其基本原理是：將墨水裝入到一個非常微小的毛細管中，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域。停止加熱時，墨水冷卻導致蒸汽凝結收縮從而使墨水停止流動，直到下一次再產生氣泡并形成墨滴。如圖3所示，熱噴墨方式主要由加熱裝置產生熱量讓墨水沸騰、產生氣泡并通過壓力將墨滴從噴嘴飛出。

熱噴墨技術不需壓電晶體的擠壓，不存在機械運動，隨著半導體集成技術的飛速發展，每個噴頭上可集成更多噴孔，實現更高的噴孔密度，從而實現更快的打印速度。而且由于噴孔數量多，就有空閑的噴孔作為備用噴孔，以保障打印頭性能的高質量。熱噴墨技術的噴頭相比壓電技術的噴頭，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性質發生變化，導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]。

壓電噴墨技術是現在大多陶瓷噴墨機所采用的技術，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生形變，這種體積的變化會產生壓力差。打印頭內裝有一定容量的墨水，當壓電陶瓷的體積膨脹時，打印頭內的壓強增大，從而擠壓噴孔中的墨水噴射出墨滴；當壓電陶瓷的體積收縮時，打印頭內的壓強減小，此時墨滴完全脫離噴孔。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所設定的畫面。壓電陶瓷通過打印控制系統控制打印頭噴孔的工作狀態，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為打印頭連續不斷提供墨水，原理示意圖見圖4[7]。

壓電噴墨技術和熱氣泡技術相比，不需要對墨水加熱，所以墨水不會發生化學變化。其次墨滴噴出的初速度很高，不易產生拖尾現象。還有就是壓電噴墨技術通過控制電壓來有效調節墨滴體積的大小，不會產生濺射、定位準確，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 噴頭的性能指標及先進技術

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(對應精度高)，噴射頻率非常高(速度快)，對墨水材質不“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，在生產當中因其具備良好的可調性能，斷墨、飛墨和燒噴頭現象都大大地降低，打印畫面更加穩定，最常見的型號是XAAR1001。柯尼卡系列采用全鋼制噴頭，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堵頭斷墨的現象，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

噴頭的性能指標有墨滴大小、噴孔數量、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；噴孔數量是一個噴頭上噴孔的總數量；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，是衡量打印質量的一個重要標準，也是一個最基本的判斷噴墨機分辨率的指標；噴射頻率是指單位時間內噴孔噴射墨滴的數量，是決定產量的一項重要指標；打印速度是完成一次噴墨所需的時間，也和產量有關；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

自1998年西班牙Kerajet公司成功研發世界上第一臺陶瓷噴墨打印機并正式投產后，Kerajet公司加快了對噴墨打印技術的研發。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，通常用于遠距離(數米外)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，所以整個供墨系統的墨水要處在不斷的流動狀態。而直屬日本精工的SEIKO公司和英國XAAR公司分別研發出了噴頭內循環系統和噴頭外循環系統，并且都在陶瓷磚企業大量使用。

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

3 噴墨打印技術在我國陶瓷墻地磚行業的應用

3.1 噴墨打印相比傳統技術的優勢

陶瓷墻地磚的主要功能是裝飾，隨著現代社會對時尚和個性化的追求，由絲網印花技術和輥筒印花技術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，這給了噴墨技術一個很大的發展機會。

噴墨打印相比于傳統的絲網印花和輥筒印花具有很大的優勢：

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

表2 噴墨打印機數量及其發展趨勢[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，傳統技術是很難實現的，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計的元素，且可以真實還原這些景物。

(4)適應時尚化、個性化的發展：噴墨打印能充分利用現代社會計算機資源的優勢，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狀

盡管噴墨打印具有一系列的優勢，但仍然沒有成為目前墻地磚生產的主要技術，這其中有一系列原因：一是噴墨機單機價格高，安裝使用復雜，我國瓷磚企業多、產量大，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，雖然有國產墨水的出現，但有些噴頭和墨水的匹配也是一大問題；四是噴墨產品定價過高，只有少部分消費者才能接受；還有另外一些原因導致近幾年噴墨打印仍無法取代絲網印花和輥筒印花，但不可否認的是噴墨打印是未來墻地磚打印的方向，取代傳統技術只是時間上的問題。

4 陶瓷噴墨機噴頭的發展趨勢

我國瓷磚行業使用噴墨技術生產瓷磚產品的比例較低，這同時也說明我國具有很大的發展潛力。到目前為止，我國陶瓷企業大約已使用350-450臺噴墨打印設備，這些設備需要大量的噴頭。黃惠寧等人對我國噴頭的使用數量作了一個調查和預測，如表2所示。

近幾年來，我國陶瓷裝飾采用噴墨打印機的發展速度較快，主要得益于噴墨打印機生產技術不斷提高以及下游需求市場不斷擴大，噴墨打印機在國內和國際市場上發展形勢十分看好，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、技術含量最高的部件。可以預見我國未來對噴頭的需求量將逐年增加。

[1] HUTCHINGS I. Ink-jet printing for the decoration of ceramic tiles: technology and opportunities. 11th World Congress on Ceramic Tile Quality, 15 Feb. 2010, Castellon, Spain.

[2] 譚靈, 鄭乃章. 陶瓷噴墨打印技術的現狀與展望[J]. 中國陶瓷工業, 2012, (4): 21-22.

TAN Ling, et al. China Ceramic Industry, 2012, (4): 21-22.

[3]胡維友. 噴墨印刷技術概述[J]. 印刷世界, 2008, (2): 2-3.

HU Weiyou. Print World, 2008, (2): 2-3.

[4]王茂生. 連續噴墨vs按需噴墨[J]. 網印工業, 2008, (5): 40-42.

WANG Maosheng. Screen Printing Industry, 2008, (5): 40-42.

[5] 張偉. 噴墨打印技術的發展現狀[J]. 染料與染色, 2005, 42(6): 9-10.

ZHANG Wei. Dyestuffs and coloration, 2005, 42(6): 9-10.

[6]劉惕生. 噴墨打印技術概述[J]. 影像技術, 2005, (Z1): 26-29.

LIU Tisheng. Image Technology, 2005, (Z1): 26-29.

[7] 陳錦新. 噴墨印刷技術原理與發展趨勢[J]. 廣東印刷, 2009, (2): 42-44.

CHEN Jingxin. Guangdong Yinshua, 2009, (2): 42-44.

[8] Industrial Inkjet for Dummies, XAAR Special Edition. Wiley Publishing, Inc., 2010, 8: 15-18.

[9] 張柏清, 王德良, 鐘樹銘. 噴墨打印技術在墻地磚行業的應用現狀及發展趨勢[J]. 陶瓷學報, 2011, (4): 591-595.

ZHANG Boqing, et al. Journal of Ceramics, 2011, (4): 591-595.

[10] 黃惠寧, 柯善軍, 鐘禮豐, 等. 噴墨印刷技術在我國陶瓷領域的應用現狀[J]. 佛山陶瓷, 2012, (6): 1-5.

HUANG Huining, et al. Foshan Ceramics, 2012, (6): 1-5.

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。

上海市東方學者項目、上海市科委基礎研究重點項目(編號：13NM1401300)、上海市人才發展基金(編號：201346)、教育部留學歸國人員科研啟動基金、上海第二工業大學重點學科及校基金資助(編號：XXKPY1302、EGD13XQD14)、上海高校青年教師培養資助計劃(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