UV數碼打印機的研制與應用研究

(上海理工大學 出版印刷與藝術設計學院，上海 200093)

0 引言

噴墨打印作為計算機技術與印刷設備結合下的產物，采用一種點陣式打印方式，是使墨滴由小孔定向噴射到紙張的指定位置行成圖像的技術[1]。與其他打印技術相比，它行成的圖像速度快、更加清晰細致。數碼打印機采用噴墨式打印技術，其打印過程中與物體無實際的接觸，步驟簡單可兼容不同行業不限材質，印刷位置精確非常適合需要顏色過渡的圖片印刷，也可實行單件和小批量生產。

國內對于噴墨打印機的發展起步較晚，在2003年研發出首臺萬能打印機開創國內外市場。多年以來我國在數碼打印機的機械結構上已做出許多改進及發明，萬宇設計一種以電動氣缸、液壓桿為動力上下移動打印平臺，可穩定控制噴頭與打印介質距離的紙板萬能打印機；陳衛華將傳動機構置于打印平臺底部，改進打印機主箱體，打印平臺劃分多區域以降低換料的難度；張丹將縱向移動平臺置于打印平臺兩側滑動裝置上，橫向移動裝置安裝有烘干裝置以增強打印固化效果提高打印質量，以上研究使得專用承印介質的機器結構復雜化，例如板材定位細節問題沒有解決，應用性不足使得生產效率低下。

1 噴墨打印原理

1.1 噴墨打印技術

噴墨打印技術可分為連續噴墨(continue ink jet printer)和按需噴墨(drop on demand)，前者根據偏轉模式可分為雙態與多態偏轉；后者可分為固態和液態噴墨[2]，如圖1和圖2所示。

圖1 連續噴墨原理

圖2 按需噴墨原理

連續噴墨技術工作原理，是使用恒定動力裝置給予墨水固定壓力，使之連續噴射并在振蕩器的作用下分離成墨水滴，控制系統根據打印信息選擇性的對墨滴附加電荷，最后在通過偏轉電場使帶電電荷發生偏轉后噴射到承印物表面形成圖文信息，不帶電電荷直行進入回收裝置，這就是雙態偏轉[3]；若成像電荷因所帶電荷量多少在承印物垂直方向不同位置成像時，稱為多態偏轉。其可控性較差，用途比按需式少。

按需式噴墨技術通過控制電子信號來控制是否產生墨滴。當噴印信息傳遞至輸出終端時，如果需要墨滴則進行墨滴的噴射，使得承印物表面形成圖文信息，相對于連續噴墨系統中的墨滴帶電裝置、偏轉硬件等更加簡單。

1.2 按需噴墨技術

按需噴墨技術中液態噴墨技術是目前的主流，其又可分為熱噴墨技術和壓電噴墨技術。

1)熱噴墨技術：熱氣泡噴式噴墨技術以HP、Canon、Lexmark為代表。Canon采用側噴型熱氣泡噴墨技術，而HP和Lexmark則采用頂噴型熱氣泡噴墨技術。熱噴墨技術主要依靠電阻在發熱的過程中可以將電能轉換成為熱能，熱量就能將打印機噴嘴附近的墨水氣化，并將墨水噴出，在打印紙上打印出目標圖像或者文字。

2)壓電噴墨技術：利用壓電片產生機械震動，通過壓力完成壓電原件控制噴墨的整個過程，不用對噴嘴進行加熱，節能又延長了打印頭的壽命；精確控制墨滴的大小和噴射位置，避免了圖像模糊的問題；降低了墨水選擇的要求，在高溫情況下產生化學反應的墨水也能被使用。

表1 熱噴墨技術與壓電噴墨技術對比

幾十年來，惠普等國外企業一直在噴墨出圖領域占據領先地位[4]，其擁有眾多打印核心技術。有雙行并行打印技術、自動閉環校正技術、容錯打印技術、電荷封裝技術、HP Pixel Control像素控制技術、惠普HDNA打印頭技術、雙墨滴控制技術。

2 數碼打印機主要系統與工作流程

數碼打印機采用主流按需噴墨技術，壓電噴墨方法最為常用。數碼打印設備主要由圖像處理系統、伺服電機及控制系統、墨路負壓控制系統與UV固化設備、吸風真空平臺構成，其工作流程以UV平板打印機為例如圖3所示。

根據打印環境、打印速度、是否羽化等因素的要求，圖像處理系統與噴頭運動系統會多種多樣以實現特定情況下的打印目的。

3 不同承印介質的數碼打印機

3.1 大幅面數碼打印機

圖4為專用打印無張力介質紙張的數碼打印機，機器中間部分裝置有多個平行的滾筒，用于紙張的收放與運動。圖中標識1為膠輥，當鏈輪帶動鏈條運動時候，此膠輥壓緊紙張控制著紙張的收放。打印平臺為矩形平面，伺服電機控制滾筒的轉動帶動紙張實現縱向的間歇運動，噴頭實現橫向的往復運動與縱向運動協同完成打印。 圖5為專用打印有張力介質皮革的數碼打印機打印平臺，此平臺為跟隨滾筒可旋轉的寬型導帶，打印前將皮革粘貼在寬型導帶上，設定打印寬度完成時將皮革揭下來。噴頭只實現橫向往復運動，承印物實現縱向的間歇運動。

兩種大幅面數碼打印機所印產品的分辨率，主要受伺服電機控制承印物縱向步進距離精度的影響，對縱向伺服電機運動的速度、定位控制顯得尤為重要。

圖4 無張力大幅面打印機 圖5 有張力大幅面打印機平臺

3.2 弧面數碼打印機

圖6中弧面打印機部分裝置，1為墨車噴頭。橫向伺服電機的轉動帶動截面為圓形的曲面承印物旋轉，Z向電機的旋轉控制裝置與噴頭的縱向合理距離，此結構擴大了承印物種類的范圍。圖7中圓瓶打印機結構正在申請發明專利，伺服電機控制承印物勻速轉動，墨車的運動與此同步，使噴頭實現噴印。避免了手工印刷遇到的位置偏移問題，一次性進行多色印刷避免了套色對位問題。這些優勢和雕刻、蝕刻等工藝進行有效結合[5]，提高了個性化產品定制的主觀性。

圖6 弧面承印物運動裝置 圖7 圓瓶打印機

3.3 UV平板打印機

圖8為支持雙向打印的UV平板打印機，單負壓二級緩存，負壓變化平穩、細膩，保證高速連續打印時供墨的穩定性。采用數控壓力顯示儀器，在更高可能發射頻率上保持高品質打印，從而提高打印速度穩定性；供墨系統采用獨立手閥能有效控制每個二級墨盒的墨水輸出[6]，關機時可將閥門關閉，避免墨水浪費；墨盒液位配備智能感應系統，可自動循環供墨，缺墨自動報警提示功能，可實現白彩同步打印且支持連打。墨車X軸采用拖鏈，有效減少機械運轉過程中線材的磨損，降低了運行的噪音。

圖8 UV平板打印機 圖9 UV平板打印機改進

UV平板打印機在實際生產中，打印平臺為固定平臺，墨車頭上噴頭可做X、Y、Z軸運動。噴頭在手機殼、亞克力等小型板狀承印物噴墨打印時，為保證打印畫面控制在誤差范圍內，打印時首先要用制圖軟件制作一個定位框圖并打印在平臺上，而后將承印物粘貼在打印出的定位框內，最后實現畫面的噴印。人為粘貼手機殼等承印物，費時費力且很難保證固定位置的準確性。綜上所述，缺乏合理的定位裝置，增加了工作量且加大了生產打印過程中的廢品率。

故設計一種專用于手機殼等小型板狀承印物的UV打印機定位裝置，打印機兩側分別裝置導軌；U型輕鋼板寬1 cm厚3 mm，其上刻有尺度線既能夾緊又能作刻度尺，與打印平臺接觸的一面附有毛氈，減小于平板的摩擦損壞，將兩端固定在滑塊上；滑塊在導軌上滑動，兩側的輕鋼板鉆有螺紋孔，置有翼型螺栓，翼型螺栓底部粘有橡膠，擰緊時緊貼在打印機機身兩側以便固定U型輕鋼板。以上裝置安裝時平行設有兩個。

UV打印機平臺自身就有刻度標識，打印前將承印物放在兩U型板之間，便很輕易實現X、Y軸的定位。如此，減少了定位框的打印，減少了人力對承印物的固定，減少了膠帶的使用；增加了定位的精確性，提高了生產效率。

4 兩種流水線打印機

4.1 UV平板打印流水線機

圖10中,機器運行時將UV平板打印機噴頭移至2打印平臺上方，保證噴頭與打印平臺距離的合理可控。此流水線專用于手機殼、手機屏幕周圍外框等小型板材承印物的打印[6]，集進料、定位、傳輸、噴印、收料為一體[7]，實現高效的自動化生產。

圖10 UV平板打印流水線機

4.2 皮革打印流水線機

如圖11所示，此流水線可實現絲網印刷與噴墨的結合，也可不適用絲網印刷功能，依具體打印要求及成本選取流水線功能[8]。基于對皮革打印產品質量的檢測，設計搖擺摩擦測試機，如圖12所示。運用FX3U系列三菱PLC控制氣缸的往復運動，實現機械機構帶動皮革的摩擦與拉扯搖擺；觸摸屏作為上位機進行搖擺與摩擦次數的設定。

圖11 皮革打印流水線機

圖12 搖擺摩擦測試機

5 墨盒壓力控制系統

噴墨打印機墨水為機器血液，供墨必須保證穩定。供墨系統由主墨盒、過濾器、墨泵、二級墨盒、閥體、噴頭等組成。供墨系統采用PLC單獨控制，抗干擾能力強；系統的設計、建造工作量小且容易修改。現有設備的供墨系統大多采用混編語言的板卡控制，調試與維修很易影響其他部位的運轉，故設計PLC控制系統[9]，利用工業級理光GH2220噴頭[10]的運行驗證此供墨系統的穩定性。下面詳細介紹PLC電路IO口清單與設計邏輯，流程如圖13所示。

圖13 墨路控制流程圖

主站(墨路模塊)，主墨盒液位信號CMYK常開X0、X1、X2、X3，W主墨盒液位信號X4常開。輸出信號，回墨泵CMYKW 跟從站的回墨信號一一對應從站Y0、Y1、Y2、Y3、Y4。主墨盒缺墨報警 CMYK輸出1個蜂鳴器報警Y5，主墨盒缺墨報警W輸出1個蜂鳴器報警Y6、壓墨按鈕五秒暫停一次與從站2對應Y7、Y10。

從站1(墨車頭信號模塊)。X原點常開信號對應從站2中X0,X終點信號為X1；Z原點X2，Z終點 X3?；啬行盘朇MYKW常開，跟主站的回墨泵一一對應主站X4、X5、X6、X7、X10?；亓鞅Ｗo 3個X點輸入觸發之后，系統持續保持觸發狀態，只有消除觸發原因，手動按下復位按鈕，才可以恢復正常X11、X12、X13。防撞左右2個X點輸入，常閉信號觸發之后，系統持續保持觸發狀態，只有消除觸發原因，手動按下復位按鈕，才可以恢復正常X14X15。輸出信號時：1，模塊沒有報錯的時候就緒燈亮起，燈2，3任意一個工作，則1燈熄滅，直到模塊再次恢復正常。2，供墨與回墨，回流報警觸發之后，系統持續保持觸發狀態，只有消除觸發原因，手動按下復位按鈕，才可以恢復正常(回流報警供墨與回墨共用一個信號和一個燈)。3，防撞報警觸發之后，系統持續保持觸發狀態，只有消除觸發原因，手動按下復位按鈕，才可以恢復正常。

從站2(傳感器信號模塊)。輸入時，急停按鈕6個按鈕常閉信號X0、X1、X2、X3、X4、X5，復位按鈕1(復位所有不正常狀態，前提消除觸發原因)并對應急停報警X6，壓墨按鈕輸入2個與主站對應X7、X10。輸出信號，X原點觸發與從站對應Y0、Y1、Y2、Y3，X終點觸發，Z原點觸發，Z終點觸發。急停觸發報警信號，觸發之后持續保持觸發狀態，只有消除觸發原因，手動按下復位按鈕，才可以恢復正常(蜂鳴器，兩組Y輸出Y4、Y5)。

6 實驗結果與分析

關于3.3所改進的UV平板打印機，將定位裝置運用于實際生產中，能很精確的實現承印物的定位，輕鋼板的夾緊作用使得承印物不再需要人為使用雙面膠固定。打印過程中將經過RIP軟件處理后的圖案，直接噴印在承印物手機殼、小型亞克力等小型板材上面。一般情況下減少了噴印前人為處理承印物三十分鐘的時間，縮短了批量化生產時間，提高產品生產率。

關于4.1中自主設計的UV平板打印流水線機，將UV平板打印機噴頭調高移至打印平臺上方，與3.3結構相比減少了人為放料的步驟，只需要排版軟件處理后的打印畫面而后啟動噴印，更加縮短了印前處理時間，且能保證打印畫面附著準確度。流水線機很好的實現了進料、回收成品的自動化生產，個性化、大批量生產簡單高效，經實驗流水線機每小時可打印200～300個定制手機殼。

關于4.2中皮革產品摩擦搖擺測試機，經夾緊皮革再進行搖擺拉扯、干摩擦、濕摩擦等操作，達到了測試的目的，分類得出產品質量好時噴墨打印機該如何正確配置。5中墨路控制系統的運行可靠，負壓表動作靈敏，理光GH2220噴頭噴墨流暢。

7 結束語

本文詳細闡述了數碼打印機的噴墨原理與幾種類型打印機的設計應用，創新性設計了UV平板打印機一種流水線機，特別的對UV平板打印機進行了專用于手機殼等小板材打印的定位裝置設計；設計了基于PLC控制的供墨系統與皮革打印產品的質量簡易測試系統。將設計運用到工廠實際生產中，對UV平板打印機的改進很好的實現承印物的定位，流水線機大大提高生產速度。但大幅面打印機的設計，承印物運動時兩邊相對滾筒兩側很容易出現偏斜，目前無法解決。UV平板打印流水線機工作前，將UV平板打印機移至打印平臺時不易操作，結構仍需改進。