工業印刷的數字化進程及應用現狀

徐世垣

在過去的20年，由于印刷材料和噴墨打印頭技術的不斷發展，工業印刷行業贏得了增長勢頭。強大的生產力和需求以及客戶對個性化批量生產的愿望不斷增長，為數字印刷技術的創新發展奠定了基礎，其中噴墨印刷在向數字化轉型方面扮演了先鋒角色。

本文作者Ron Gilboa是美國咨詢機構InfoTrends公司的生產和工業印刷咨詢服務部經理，自1980年以來一直活躍于印刷行業。

自古以來，世界各地的人們都懷有塑造優美環境和豐富生活的愿望。裝飾性字符、圖像和文本在過去和現在都是表達生活的方式，但也有其功能性，如綠燈被作為放行的標志 。因此，那些有創新、創意的人不斷尋找解決方案，以便給日用品等物體表面配備裝飾性和功能性材料，有些設計理念出于提供信息的目的，而有些則表達強烈的視覺效果或改進功能。

從歷史發展來看，一切都從在紙張、織物或木材上的模板印刷或木板印刷開始，直到1440年古登堡發明鉛活字印刷為止。

工業印刷的起源和發展

自從古登堡發明鉛活字印刷徹底改變印刷技術以來，這種生產方式一直作為印刷和工業應用的重要組成部分不斷發展，從而生產了大批用于信息交換、廣告宣傳和教學文件等多種印刷產品。

如今，隨著印刷技術的不斷發展和進步，工業印刷越來越多地被應用于各種類型表面裝飾和涂層，如精美包裝、裝飾裝潢、電子工業的功能性材料等。過去工業印刷的應用更多地使用傳統印刷方式，如膠印、凹印、柔印和絲網印刷，許多應用領域都令人印象深刻，包括紡織品、陶瓷、地板、玻璃、木材、薄膜開關、印刷電子產品、包裝和一些生物醫學材料等。

從批量生產到批量定制

實際上這些發展背后的驅動力是印刷產品必須能批量生產，如書籍或大量銷售的知名品牌日用品。批量生產的方式，為商品制造者（如時尚面料、裝飾層壓板、瓷磚）的產品包裝鋪平了道路。雖然批量生產降低了單件商品的價格，但需要在生產能力方面進行大量投資，而且還需要在材料和庫存管理方面有運作良好的供應鏈。據美國InfoTrends公司估計，全球裝飾產品批量生產的份額在制成品銷售額中不到5億美元，主要是平板玻璃、瓷磚、地板/層壓板、紡織品和墻紙/壁紙。

然而總的趨勢是：越來越個性化地塑造我們的環境，在庫存管理和數字化MDT（材料成膜技術）方法中與不斷創新的技術相結合，是從批量生產向批量定制過度的重要推動力。這種轉換給消費者提供了用于反映他們審美觀和視覺特點的品牌標志或裝飾表面，從而塑造了他們需要的個性化環境。在這種趨勢下，數字印刷在批量定制方面的應用日益增加，并因具備生產效率高和環境友好的優點而備受青睞。

數字化時代的工業印刷

數字印刷發展已歷經多年，但早期的技術水平較低，印刷質量無法滿足最終用戶的要求。在這個領域內領先的技術之一是采用CIJ（連續噴墨）和DOD（按需噴墨）方法印刷，但噴墨印刷由于成本高、缺少可靠性、選擇可用的材料（即墨水）有限，多年來一直與用戶接受問題作斗爭，從而限制了噴墨印刷的應用和發展。

但在過去20年，由于印刷材料和打印頭技術的不斷發展，工業印刷行業贏得了增長勢頭。技術革新為噴墨印刷產品的批量定制奠定了基礎，在改進噴墨解決方案的基礎上，制造商不僅可以生產出高質量的產品，也會從數字印刷的很多優勢中獲益。

工業印刷在不同領域的應用

現在許多行業都使用印刷技術，如印刷通信、包裝、裝飾和功能印刷等。所有細分行業都有一個共同要求：盡可能精確地把各種不同的材料（如油墨連結料和功能材料）涂布在各種表面上，如從紙張到3D打印物體等。

雖然數字化革命開創出許多道路，但數字技術進入印刷通信行業迄今為止具有重要意義。按需數字印刷每年印刷10億多張A4頁，目前已經在這個市場上穩固地站住腳。在其他領域，如包裝、裝飾和功能印刷等，也越來越多地向數字印刷轉換。為了更好地理解重要的趨勢及其對不同行業的影響，下面簡要說明現今在這些細分市場已經應用的解決方案。

1.包裝

基于InfoTrends咨詢公司2014年的行業調查分析，包裝行業以4000多億美元的銷售額來說是一個巨大市場。包裝的應用可以從簡單的棕色瓦楞紙板包裝延伸到高端產品的獲獎標簽等。在過去的幾年里，數字化色彩印刷技術創造了一系列基于靜電的和噴墨的印刷解決方案，2014年其產量份額達10億平方米，估計到2019年將達到20億平方米，這相當于每年增長23%。

在此期間，新一代印刷系統也適用于折疊紙盒、包裝印刷、“直接造型”印刷和瓦楞紙板印刷，并作為全整合的生產線。著名的制造商提供由瓦楞紙板制作帶蓋的紙盒或單張紙印刷瓦楞紙箱的解決方案，印刷速度超過200米/分。

“直接造型（Direct-to-Shape）”印刷是一個典型的不斷增長的市場，在這個市場上，通過印前和印刷技術供應商與行業制造商合作，生產客戶定制的印刷產品。現在一家著名的啤酒廠提供按照個性化規格數字印刷的啤酒瓶，這種啤酒瓶與AR （增強現實） 廣告宣傳活動相結合。理念雖然不是全新的，但由于屬于工業量級，還是很出色的。

2.裝飾印刷

裝飾印刷是另一個大的細分市場，數字印刷技術的優點在這一領域被廣泛應用。在這個細分市場上，數字印刷總量達90億平方米，并且市場增長率較高。雖然在該領域現有的應用可能性很多，但這種制品的重點是瓷磚、紡織品、層壓板、木材、墻紙和玻璃，而數字印刷對這些增長領域是適合的。

①瓷磚：瓷磚市場是巨大的，據2014年Infotile咨詢公司報告稱，全球瓷磚生產總量達120多億平方米。在這個細分市場上，傳統的卷筒式印刷機在瓷磚焙燒前用于涂布陶瓷油墨。按照這種方法生產成本低的產品，其耐久性不比天然石材差。但是輪轉印刷滾筒也有缺點，因為重復模式的數目受到限制，而且轉換的成本很高。由于數字印刷大幅度減少了印前準備時間，可以改變設計和縮短裝調時間，因此數字印刷在歐洲瓷磚生產中占有最大的份額，而在中國也有較高的增長率。此外，數字化技術可以在以后燒制過程中進行3D打印，以便使瓷磚除去裝飾層之外，還帶有紋理的表面。

②紡織品：紡織品印刷是很賺錢的行業，在意大利、土耳其、印度、日本、韓國和中國具有悠久的傳統。根據InfoTrends公司數碼紡織預測報告，2014年印刷紡織品生產總量共計超過350億平方米，全部采用絲網印刷或卷筒式印刷。在該領域數字印刷系統呈上升趨勢。自從使用第一個手工雕刻的織物印模以來，這個行業產生了許多印象深刻的創意設計，并取得了巨大進步。現今紡織品印刷主要使用卷筒式絲網印刷機。由于特制的墨水可以用于多數合成和天然纖維，現在可以制造色彩鮮艷和具有吸引力設計的低成本成品。在不斷發展和紡織品印刷市場轉向數字技術時，企業效益的提升與客戶通過創新的設計相結合是關鍵因素。從1990年初以來，噴墨印刷技術供應商盡一切努力，對作為適合紡織品制造商解決方案的噴墨方法進行優化。在過去的幾年，紡織品的噴墨印刷在各大企業都有大幅度增長。根據InfoTrends公司數碼紡織預測報告，到2019年數字紡織品印刷總量將達到320多億平方米，這相當于每年增長率高于30%。這樣快速的增長歸功于縮短裝調時間以及為環境友好的制造和大眾化的設計節約成本，因此品牌商品制造商可將其產品快速和高效投入市場。

③層壓板：幾十年來，印刷的裝飾紙和層壓板在建筑和家具行業用于木材加工產品。利用大量模仿天然木紋和石紋的設計，層壓板是天然材料的廉價替代品。在某些情況下，層壓板甚至更可取，因為它更結實。通常在凹印機印刷的裝飾紙，按照多種方法加工成層壓板。InfoTrends公司的裝飾市場數字印刷調查表明，2014年數字印刷生產總量超過3000億平方米。層壓板向小批量生產或按照客戶需求發展的壓力越來越增加，從而推進了對中檔印刷產品和跟得上傳統凹印印數的工業印刷產品的需要。在此期間，許多領先的層壓板和裝飾紙制造商提供按照客戶規格的個性化層壓板，這樣符合客戶對設計自由度和個性化的要求。多年來這些趨勢跟隨著，成功為建筑行業制造復合地板和建筑物外層。在該領域除去層壓板解決方案之外，也有許多直接印刷的木質產品，如中密度木纖維板、膠合板和天然木材。

④墻紙和壁紙：墻紙在古代中國就作為宮殿中的裝飾。1481年法國國王曾訂購50卷壁紙用于裝飾其皇家居室，從這個時期以來，墻紙和壁紙得到很大發展。現今，墻紙和壁紙作為私人和商業房地產的裝飾品更是不可缺少的，以前主要采用膠印、柔印和凹印的方式印制。據InfoTrends咨詢公司調查表明，2014年壁紙生產總量大約達到了5200萬平方米。像其他行業一樣，大幅面數字印刷解決方案也逐漸在壁紙行業日益增加應用。在遵守健康安全規定的情況下，經過技術改進的數字印刷油墨也可以印刷標準材料，如在壁畫和精心設計的壁紙方面的應用越來越流行。

⑤玻璃：幾千年來，裝飾玻璃打扮著大教堂和宮殿以及城市眾多的公共和私人建筑物，其應用從鍍鉛的彩色玻璃直到絲網印刷的玻璃板。這種玻璃產品可以增強品牌的形象，突出藝術修飾或簡單地用于成像。平板玻璃市場年銷售額超過640億歐元，由于數字印刷的增長擴大應用的可能性。自從開發使用陶瓷油墨能在玻璃上印刷的噴墨打印頭以來，數字印刷技術在許多行業用于制造耐用和結實的裝飾玻璃，這種玻璃適用于建筑和工業用途。

3.功能性印刷

功能性印刷是工業印刷的另一種形式，這種印刷是將支持某些功能的材料和印刷油墨涂布在印刷的表面上。利用壓電式或連續式噴墨方法為各種材料成膜。其中包括薄膜開關、印刷電子產品、3D打印以及納米技術（即納米粒子）的各種創新，這些創新已進入制藥和生物醫學行業。

下面幾節闡述有關制造薄膜開關、3D打印以及印刷電子的一些發展情況。雖然還有其他吸人注目的成膜方法，但這些方法只限于生活科學產業的特殊領域。

①薄膜開關：根據ASTM（美國材料檢驗協會）的定義，薄膜開關是一種瞬時開/關，這種開關至少接通一個觸點，或由一種柔性的基層構成。通常將這種柔性基層印在作為載體的PET（聚對苯二甲酸乙二酯）上。這種薄膜開關在家用器具、醫療儀器、游戲、智能手機和玩具中常見。通常印刷方法在制作圖形覆蓋層以及電路板時使用導電墨水。包括靈活的墨水和LED干燥在內的UV數字印刷技術的改進，擴大了薄膜開關的應用和載體材料選擇的可能性，包括用較少的能量和供熱可以硬化的柔性基層。在某些總量較大的應用領域，利用電子束技術可以使成膜硬化，并在敏感的材料上硬化。在所有提到的情況中，小批量的個性化印刷可以替代絲網印刷或柔印。

②3D打印：3D打印是一個廣泛的領域，它包括多種技術、應用可能性、材料、解決方案和價差。目前，3D打印方法有噴射黏合劑法（一種特殊粉末方法，將黏合劑噴涂在粉末材料層上）、DLP方法（數字光學處理）、選擇性電子束熔化、FFF（熔融長絲制造）方法、材料噴射法、SDL（選擇性成膜層壓）方法、SLS（選擇性激光燒結）方法和立體光刻。上述所有方法各有優缺點。市場劃分為3個產品類：制作、專業產品和私人產品。原型、澆鑄和切割模具以及終端產品屬于3D打印常見的應用，幾乎所有行業為制造大量的產品都采用這些應用方法，如從納米研究的產品直到飛機部件，這個細分市場快速發展。對于要求更高的應用，幾乎沒有一天不談論創新。3D打印的吸引力在于其特性：更少的廢棄物、縮短市場啟動時間和個性化設計。

③印刷電子產品：印刷電子依賴于傳統的印刷方法在各種基材上印制電器，多年來電路板用絲印、柔印、凹印和膠印印刷。一段時間以來，噴墨印刷也是一種可行的選擇，采用這種方法，將用于制造有源或無源的部件（如薄膜晶體管或電阻）的功能性墨水噴涂在基片上。印刷電子對用于諸如柔性顯示器、智能標簽、裝飾/動畫海報和智能服裝方面是可以想象的，例如，采用數字技術制造有機發光二極管顯示器部件是作為簡單和低成本的一種選擇。

顯示器的數字印刷名列創新的前端。目前，涂布功能性材料的數字印刷技術找到許多用應用。其中包括RFID（無線電頻率標識）標簽、智能紡織品和許多印刷的電子元器件。傳統的印刷方法，如柔印和平版印刷仍是用于大批量制作印刷電子器件的印刷方法。總之，印刷電子市場為特殊的印刷服務商提供了許多增長的商機。（資料來源：《德國印刷者》2016年5月26日第11期）