隨著印刷業的不斷發展，數字印刷發揮著越來越重要的作用。噴墨印刷作為數字印刷的主要方式，是一種具有無接觸的印刷技術，只需將計算機中存儲的信息輸入噴墨印刷機即可印刷[1—3]。隨著科技快速發展，噴墨印刷技術已向產品系列化、高速度化、高品質化、低價格化的方向發展[4—5]，應用領域也越來越廣。由于我國針對噴墨印刷技術研究較晚，市場中噴墨印刷設備仍主要依賴進口，因此針對噴墨印刷技術研究不僅是國內外研究的重要內容，而且對于我國印刷裝備技術發展具有重要意義。

　　1 噴墨印刷技術原理及方式

　　噴墨印刷技術是通過計算機的作用，將圖文信息轉換為脈沖電信號傳遞給噴墨設備，噴墨控制系統通過計算對應通道的用墨量，并控制墨水噴射到承印物特定表面位置，從而使承印物表面再現圖文信息的一種印刷技術，該技術具有無印版、無壓力、非接觸、可變信息印刷的特點[2—3]。根據噴墨方式的不同，噴墨印刷技術還可分為連續噴墨技術(CIJ)和按需噴墨技術(DOD)2 大類[6]。連續噴墨技術主要是通過墨滴驅動裝置對噴頭中的墨水施加高頻壓力，使墨滴形成并在壓力作用下，由噴嘴高速連續不斷地噴射出來，并在充電電極和偏轉電場作用下，使高速噴射的帶電荷墨滴發生偏轉落到承印物表面形成圖文信息，不帶電荷的墨滴不發生偏轉，進入墨水回收裝置以循環使用，原理結構示意見圖 1。該噴墨印刷技術流體處理系統比較復雜，頻率響應高，大多在低精度和高速的場合使用。

　　按需噴墨技術是根據圖文信息的實際需要，將其轉化成脈沖電信號，通過驅動器驅動壓電陶瓷，使噴頭內部腔體形變并產生壓力波，從而按需將墨滴噴射出來，其結構原理示意見圖 2。與連續噴墨相比，該技術無需充電電極、偏轉電場和墨水回收裝置，結構相對簡單，可靠性高，節約環保，隨著相關技術不斷發展，已逐漸成為噴墨印刷的主要方式。根據墨滴充電狀態的不同，連續噴墨技術可以分為二值偏轉和多值偏轉 2 類;按需噴墨技術根據驅動方式的不同可分為熱噴墨技術、壓電噴墨技術、靜電噴墨技術和超聲波噴墨技術 4 大類，其中熱噴墨技術和壓電噴墨技術發展較為成熟，而另外 2 種技術尚處于發展階段。噴墨印刷技術的分類見圖 3。

　　熱噴墨技術主要是通過墨腔內安裝的加熱元件加載電流，產生瞬間高熱，使墨腔內的油墨部分膨脹形成氣泡并產生高壓，將墨水推擠出噴嘴，到達承印物表面形成圖文信息[3]。這種技術存在一些不足，主要是因為墨水受到加熱易使墨性發生變化，墨滴方向、形狀不易控制，從而影響噴印質量[6]。根據加熱元件與噴嘴的相對位置不同，分為頂噴式和側噴式 2 種[7]，見圖 4。

　　壓電噴墨技術是利用電脈沖信號驅動壓電陶瓷元件，使其體積發生瞬間變化，進而使腔室體積瞬間變化，腔室體積瞬間增大或縮小所產生的負壓或正壓，促使油墨從噴孔回縮或噴出，壓電晶體的變形量可控制噴墨量的多少[8]。由于壓電噴墨技術具有反應速度快、精度高、墨水要求低等特點，在工業領域得到了廣泛應用。壓電噴墨技術按壓電陶瓷變形的方式的不同分為：壓縮型、彎曲型、剪切型和推進型 4 類[9—10]。其中壓縮型和彎曲型壓電噴頭的電場與壓電陶瓷的極化方向平行;剪切型壓電噴頭的電場方向與壓電陶瓷的極化方向垂直。基本原理見圖 5。

　　與連續噴墨技術相比，按需噴墨技術具有設備結構簡單、成本低、可靠性高等優點，雖然受到射流慣性的影響會致使墨滴噴射速度降低，噴印速度較慢，但具有較高的印刷精度。隨著科學技術的不斷發展，噴墨印刷技術日趨完善與成熟，按需噴墨技術已成為當前噴墨印刷技術的主流，應用領域越來越廣。

　　2 國內外噴墨印刷技術研究現狀

　　2.1 國外噴墨印刷技術研究概況 19 世紀隨著物理學和電子學領域不斷發展，1951 年，世界上首臺應用噴墨印刷原理的設備，在西門子研制成功，主要用于字符的噴墨打印[7]。在此研究基礎上，1963 年，斯坦福大學 Richaid G.Sweet 博士開展了連續噴墨實驗研究，通過利用微孔壓力波譜，并在微粒上施加電荷，最終形成理想的墨滴[11]，隨后通過在偏轉極板上保持恒定電壓，來控制墨滴的運動軌跡，進而為噴墨印刷在商業領域的應用奠定了重要基礎。隨著科研工作人員的不斷努力，1977 年，第 1 臺按需噴墨印刷機西門子 PT-80 面市[1]，將按需噴墨印刷技術推向了市場。隨后，佳能推出 BJ-80 熱泡噴墨打印機[12]，該打印機通過將電信號傳給微小加熱器，使小墨滴汽化，形成的氣泡便將墨滴從噴墨頭噴嘴射出，在承印物上形成印刷墨點。20 世紀 90 年代初，美國 Encad 公司推出了大幅面印刷機 Novajet Pro50[13]，采用基于染料型油墨的 4 個惠普熱泡噴墨打印頭技術，印刷系統由此開始向彩色發展。在噴墨技術研究中，國外學者就墨滴成型機理和噴墨行為方面做了大量研究，主要針對液滴形成及衛星液滴斷裂進行數值模擬和試驗研究，探究了液絲斷裂、回彈和衛星墨滴形成，以及脈沖時間、電壓對墨滴斷裂時間、尾墨滴長度和墨滴飛行速度等的影響[14—17]。隨著噴墨技術在陶瓷方面的應用，還針對陶瓷噴墨技術中墨滴的成形和鋪展進行了數值模擬[18]。

　　在壓電脈沖方面，其主要研究有壓電噴頭的動力學特性[19]，脈沖電源與噴墨壓力關系[20];研究者還利用雙脈沖墨滴成型方法，通過控制低粘度墨水，得到墨滴體積、速度與雙脈沖間隔時間及電壓幅度之間的關系[21];通過研究不同溫度和驅動電壓對壓電墨滴成型的影響，發現溫度或驅動電壓提高會使墨滴變大[22];另外，在脈沖波形方面也做了大量研究，通過波形控制以求消除殘留壓力波造成的衛星墨滴，減小墨滴的尺寸，使墨滴的飛行速度在不同噴墨頻率下仍保持穩定[23—26]。經過多年的研發，特別是隨著更適合印刷業需要的按需噴墨印刷頭、UV 固化墨水以及功能墨水的推出，噴墨印刷技術得到了飛速發展和廣范應用，不僅在傳統印刷、寬幅印刷、包裝印刷、可變數據印刷、直郵等領域得到廣泛應用，而且在陶瓷、紡織、印刷電子等領域的應用也不斷增長[27—29]。隨著技術進步，墨水質量越來越好，尤其是噴頭技術不斷改進和功能墨水的研發，噴墨印刷技術不僅分辨率和速度越來越高，其應用也越來越廣闊。

　　2.2 國內噴墨印刷技術研究概況我國針對噴墨印刷技術的研究開展的相對較晚，主要針對墨滴成型過程、下落及數值模擬仿真方面進行了大量研究[30—33]。魏大忠[34]等對壓電噴頭通過動力學分析，建立了微滴噴射過程的數學模型。齊樂華[35]等通過對均勻墨滴噴射過程中的墨滴流形態、壓力場和速度場及其影響因素進行了研究，揭示了均勻墨滴流形成得內在規律。對于驅動電壓，劉春格[36] 等通過驅動原理和波傳導理論分析推導了壓電噴墨印刷的墨滴速度和噴射速度影響因素。宋波[8]等通過試驗分析給出了壓電式噴墨印刷中操作頻率、脈沖時間、脈沖電壓等參數的最優值。劉忠坤[37]等基于 FPGA 對噴墨頭進行控制，發現在電壓、溫度、速度等不同參數值下，噴頭噴射出的墨滴不同，在適宜的溫度和一定電壓范圍內，電壓越大，墨滴的體積越小，噴射速度越快，印刷質量就越好。由于噴墨印刷技術相比現有陶瓷裝飾手段具有獨特優勢，近年來，我國學者在噴墨印刷機理研究基礎上，針對陶瓷方面的應用也進行了大量相關分析和應用研究[28,38—39]。其中朱東彬[38]等針對壓電噴墨打印陶瓷構件機理以及應用實例進行了分析，并給出了成功打印陶瓷構件必須滿足的條件。徐晗[39]等采用基于 PC 機的開放式五軸聯動數控系統，開發了一種數控陶瓷噴繪機。隨著噴墨印刷技術的不斷發展，特別是微小墨滴噴射技術的深入研究，噴墨印刷技術在陶瓷功能構件成形及創意等方面將迎來廣闊前景。

　　3 存在問題和發展方向

　　1)噴墨印刷系統集成了信息技術與機電一體化技術，涵蓋機械機構、數據交換設計、圖像柵格化處理、輸出控制設計、油墨系統設計等多項具體環節的研究。我國噴墨印刷技術的研究和應用相對于發達國家而言起步較晚，與發達國家還有較大的差距。這些差距主要表現在噴頭制造技術、控制系統以及墨水適應性等關鍵技術和環節，其核心技術還未國產化，缺乏統一的技術標準和共享機制。 2)隨著互聯網技術的不斷深入發展，以及用戶個性需求的不斷增加，噴墨印刷逐步由連續噴墨轉向按需噴墨。按需噴墨技術不僅可以滿足人們的個性需求，還可以大大節約墨用量，并具有環保效益，有利于綠色印刷的實現，因此，加強噴墨印刷本體的研究日益迫切。 3)高精度噴頭價格昂貴，大幅面、高質量噴墨印刷裝備成本高，而掃描式大幅面噴墨印刷的噴印生產效率低。此外，數字前端功能的處理能力也不強，因此寬幅高速噴墨印刷技術還有待進一步突破。 4)噴墨頭技術是噴墨印刷系統的核心，噴墨技術的發展主要始于噴墨頭技術原理的發展。由于不同噴墨方式對噴墨頭技術的要求不盡相同，如連續噴墨系統的噴墨頭結構比較復雜，需要加壓裝置、充電電極和偏轉電場等，大批量生產困難;熱氣泡式噴墨頭噴嘴總數可達幾百個甚至上千個，噴嘴相當精細，控制技術和算法復雜，而噴墨頭性能直接決定著噴印質量，因此針對噴墨頭的研發至關重要。 5)在噴墨印刷過程中，油墨是主要耗材，其類型決定了承印物材料、印刷適性和印刷速度，且不同油墨的干燥特性及適用的噴墨印刷技術也不同。其中，油墨特性對于印刷質量尤為重要，因此，實時監測油墨性狀對于保證印刷質量必不可少。不同油墨適應噴墨及干燥方式見表 1。

　　4 發展對策

　　1)噴墨印刷系統本體的研究。機械結構直接決定噴墨系統運動的靈活性和控制的復雜性。噴墨印刷系統相對緊湊，系統運行靈活，因此，在滿足噴墨系統性能的前提下，設計簡單、緊湊、輕巧，而且運動平穩和控制靈活是必須解決的問題。隨著數字化噴墨技術的發展，對于噴墨印刷本體的需求日益多樣化，急需支持噴墨印刷設備本體結構的研究，包括針對專用油墨數字化噴墨配套設備的研發，同時積極探尋集成數字化噴墨復合設備的研發。 2)噴頭研發技術攻關。噴頭是噴墨印刷系統的核心部件，其性能的優劣直接關系到噴墨印刷的速度與質量。隨著噴墨印刷市場對噴墨印刷系統性能需求的不斷提升，噴墨印刷使用的噴頭也不斷向著高密度、高速度的方向發展。眾所周知，在噴墨頭內部有很多噴嘴，且噴嘴直徑非常細小，每個噴嘴與微小墨水通道相連，在使用中由于種種原因極易發生堵塞，疏通難度大，更換成本高。由于我國在噴頭方面研發起步較晚，目前，市場中使用的噴墨噴頭均來自國外廠家，加大突破噴頭研發攻關對于我國噴墨印刷技術的發展具有重要的現實意義。3)噴墨系統控制技術研究。提高墨滴的噴射精度，可以有效保證噴墨印刷輸出的噴印質量。噴墨印刷系統工作包括機械振動控制、系統運動控制、噴頭的實時響應控制等。噴墨系統控制包括噴頭控制和系統運動控制，大部分系統均通過中央控制系統協調實現，隨著數字系統技術的發展，通過運用高速數據通訊控制核心技術和先進控制算法，研究系統控制的融合技術，提高控制系統的集成度和適用性。

　　5 結語

　　噴墨印刷技術集成了信息技術與機電一體化技術，在各個領域應用日益廣泛。隨著科學技術的不斷發展，噴墨印刷技術已向高速、高品質、低價格的方向發展。由于我國在該項技術研究起步較晚，其部分關鍵技術與國外還有較大差距。針對研究現狀及問題，應主要朝以下方向發展：加大針對噴頭研發攻關，研發適用性好且有獨立知識產權的高速、低成本噴頭，同時針對噴墨印刷系統本體研究，尤其是集成數字化噴墨復合設備的研發，以滿足不同領域對相應裝備的需求。針對不同油墨，積極研發適用性強的智能供墨系統，從而實時為噴頭腔體提供理想墨流。另外，在提高墨滴噴射精度的同時，通過運用高速數據通訊控制核心技術和先進控制算法，研究系統控制的融合技術，以提升控制系統的集成度和適用性。

　　參考文獻：

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　　《噴墨印刷技術研究現狀與發展對策》來源：《包裝工程》，作者：寧布，張睿，劉忠俊，程光耀