打印機技術(shù)研究和未來應(yīng)用發(fā)展趨勢初探

健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳 清

打印機作為PC輸出設(shè)備已經(jīng)普及，種類也很多。在辦公室或家庭大多采用噴墨打印機和激光打印機，傳真則使用熱敏式打印機，而針式打印機則常常用于票據(jù)打印場合；另外，還有熱轉(zhuǎn)印打印機和大幅面打印機等專業(yè)打印機應(yīng)用于廣告制作、室內(nèi)裝璜等領(lǐng)域。由此可見，自1968年推出世界上第一臺PC（針式）打印機以來，PC打印機應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域正在不斷拓展之中。而最近被媒體大肆宣揚給世界帶來第三次工業(yè)革命的是“3D打印機”（官方稱增材制造技術(shù)，又稱快速成型技術(shù)），讓人看到打印機應(yīng)用技術(shù)研究前途未仍然不可限量。

一、打印機基本技術(shù)研究

打印機種類繁多，但作為PC輸出設(shè)備的打印機其組成則基本相仿，我將它們歸結(jié)為如圖1所示的幾個組成部分。

圖1 打印機組成框圖

1.電源系統(tǒng)：根據(jù)需要將輸入的220伏工頻交流電被調(diào)控為高壓、低壓、直流電，為打印機其它系統(tǒng)供電。

2.接口系統(tǒng)：是打印機和計算機連接的橋梁，它負(fù)責(zé)把計算機傳遞過來的打印信息進行暫存和傳遞。以前多采用并口，但并口體積較大而遭淘汰，現(xiàn)多被USB接口所取代。

3.控制電路：通常包括微處理器、ROM和RAM存儲器等。其中ROM主要用來存儲打印機的管理程序，RAM主要用來接收和分析接口系統(tǒng)傳遞過來的頁面打印信息，微處理器主要用來協(xié)調(diào)控制搓紙系統(tǒng)、內(nèi)容系統(tǒng)、印字系統(tǒng)之間的工作，并完成一系列傳感器的監(jiān)測，是打印機的“大腦”。

4.搓紙系統(tǒng)：該名稱僅對于紙平面打印機較為合適，而對于3D打針機來說不夠貼切，嚴(yán)格來說它是一個位置定位控制系統(tǒng)。紙平面打印機主要由進紙系統(tǒng)和出紙系統(tǒng)構(gòu)成，定位相對簡單，打印紙在整個輸紙路中的走動都是有嚴(yán)格的時間范圍，對走紙具體置的監(jiān)控則是通過控制電路和一系列的傳感器監(jiān)測完成的；3D打針機則增加了豎直方向的移動和控制，定位相對2D要復(fù)雜一點。

5.印字部件：這是完成輸出打印的核心部件，通常是由打印材料和部件組成的。不同類型的打印機，其核心部件也各不相同。如：針式打印機印字部件為色帶和打印針，噴墨打印機印字部件為墨水和墨盒，激光打印機印字部件是墨粉和硒鼓等。不同類型的打印機結(jié)構(gòu)和工作原理上的復(fù)雜程度也各不相同，我認(rèn)針式打印機最為簡單，激光打印機印字部件最為復(fù)雜。

二、打印機印字部件應(yīng)用技術(shù)比較研究

從以上結(jié)構(gòu)分析可以看出，打印機的前四個部分基本是可以通用的，而作為打印機的核心部件之印字部件應(yīng)用技術(shù)則相差較大。下面就以我們最常用的針式打印機、噴墨打印機、激光打印機印字部件作簡單的比較研究。

1.針式打印機印字部件為色帶和打印針。印字機構(gòu)中心部件為電磁驅(qū)動的打印針。打字信息電磁激發(fā)打印針作機械推送運動敲擊涂有不同顏色的色帶，從而在色帶下的白紙上留下色點，多點陣列逐點敲擊便可完成印字和圖像；另外，由于打擊紙面力量夠大，所以可完成票據(jù)的多層復(fù)寫打印。這類打印機的設(shè)計，我總覺得是老式英文機械式打字機的繼承和發(fā)展。

2.噴墨打印機印字部件為墨水和墨盒。由于噴墨打印機體積小巧，質(zhì)量很輕，價格又相當(dāng)?shù)谋阋?，它不但可以打印文字，還可以打針彩色照片，所以為家庭使入門的首選。但廣大用戶很快就發(fā)現(xiàn)發(fā)明噴墨打印機原始廠家在營銷上的價格陷阱：這種打印機雖然整機價格便宜，但補充小瓶裝墨水和小墨盒的錢卻較貴。近幾年，國內(nèi)企業(yè)已打破了國外廠商對墨水價格壟斷，再加上淘寶客對墨盒技術(shù)上的再利用，使小瓶裝墨水和小墨盒價格有了大幅的下降。從技術(shù)而言，噴墨打印機印字關(guān)鍵部件是墨盒，墨盒制造關(guān)鍵是噴嘴，噴嘴又可分壓電式和氣泡式兩種。壓電噴墨技術(shù)是利用壓電陶瓷在電壓作用下發(fā)生形變，擠壓噴頭中的墨水，使噴嘴中的墨汁噴出，在紙上形成文字或圖案；氣泡式噴墨系統(tǒng)又稱為電熱式，將短脈沖電流作用于加熱器件上產(chǎn)生蒸汽，形成很小的氣泡，氣泡受熱膨脹形成較大的壓力，壓迫墨滴噴出噴嘴，從而達到打印圖像的目的，家用的常用氣泡式一體式墨盒。

3.激光打印機印字部件墨粉和硒鼓。其實這樣說不夠嚴(yán)格，在這里我主要是為便于與上述兩款打印機對應(yīng)比較才這樣說。其實激光打印機相對于上述兩種打印機而言，技術(shù)要復(fù)雜得多，它是集光、機、電一體化的精密設(shè)備。激光打印機印字必須通過感光、充電、顯影、轉(zhuǎn)印、定影、消影等六個工作步驟才能完成。具體印字過程如下：首先激光器受打字信息控制完成對感光鼓掃描、曝光；然后鼓粉組件完成充電、感光、顯影3個步驟產(chǎn)生墨粉圖像；其次轉(zhuǎn)印組件是將感光鼓表面上的墨粉圖像轉(zhuǎn)印到紙上；最后定影組件通過高溫、熱壓將墨粉融化固定在打印紙上。激光打印機剛推出時價格較貴，但隨著技術(shù)的普及和進步，價格也已經(jīng)落到普通百姓家庭也樂意購置的程度。

這三種打印機其它方面的特性比較，列表如下：

表1 針式、噴墨、激光三類打印設(shè)備特性比較

三、3D打印機印字部件應(yīng)用技術(shù)比較研究

近年，3D打印機技術(shù)突然崛起卻讓許多人驚奇不已。研究、分析發(fā)現(xiàn)3D打印機不是2D平面打印機升級換代，它不是來取平面打印機的，而是要在產(chǎn)品制造上實現(xiàn)突破的新技術(shù)。它是以PC上的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬、塑料等一系列可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。從收集的各方資料來看，3D打印機從打印人體器官到打印飛機部件，幾乎無所不能。那么它在技術(shù)上有哪些突破呢？

1.3 D打印機在“逐層打印”應(yīng)用技術(shù)上的突破。我們認(rèn)為3D打印首先是在“逐層打印”理念和意識上的創(chuàng)新發(fā)明。在高等數(shù)學(xué)上早就告訴我們對復(fù)雜外形物體分析的微、積分原理，在醫(yī)院身體檢查時也看到過CT對我們身體逐層掃描對我們身體截面片化后的細(xì)致剖析。所以，官方最終將3D打印技術(shù)稱之為增材制造是恰如其分、很容易被人理解和接受的。過去我們是找一大塊原材料，通過雕刻，棄廢料出產(chǎn)品，做的是減法；現(xiàn)在我們是找很多塊小原材料，通過堆砌出產(chǎn)品，做的是加法。在做加法過程中，幾乎沒有廢料，節(jié)省了原材料，還實現(xiàn)了快速制造。

2.3 D打印機在“打印材料”應(yīng)用技術(shù)上的突破。為了實現(xiàn)增材制造和快速成型，尋找打印材料是非常重要的。而世界之大，材料繁多，特性更中千差萬別。有塑料、金屬，還有細(xì)胞、泥漿，甚至有面粉、巧克力，只要先把上述材料先加工成細(xì)細(xì)的粉末或液體，那么在理論上都是可以用來做打印材料的，問題是我們究竟是要做什么，打印什么有價值的3D產(chǎn)品?我們可以用細(xì)胞打印器官，用陶瓷打印假牙，用塑料打印頭像，用鈦合金打印飛機部件，用面粉打印漢堡包…，我們欣喜地看到，現(xiàn)在它們都一一實現(xiàn)了。但等待我們的還有很多不同的應(yīng)用方向，面臨著不同材料技術(shù)突破，這是非常重要的，也是未來支持打印機技術(shù)不斷向前發(fā)展最重要的動力源。

3.3 D打印機在“定型打印”應(yīng)用技術(shù)上的突破。為了讓粉末或液體材料最后能逐層打印、堆砌成型，科學(xué)家們發(fā)明了多種定型技術(shù)。主要有：

(1)熔融沉積快速成型技術(shù)：它是將熱熔性打印材料先做成絲線狀，通過微細(xì)噴嘴噴出，沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上，溫度低于固化溫度后開始固化，通過材料的層層堆積形成最終定型成產(chǎn)品。

(2)光固化成型技術(shù)：它只適合于光敏樹脂為打印材料的3D打印。它通過紫外光或者其他光源逐點、逐片區(qū)照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品。需要特別指出的是，在現(xiàn)有3D打印技術(shù)中，光固化成型做出的產(chǎn)品精度是最高的，但打印地過程慢是它的缺點。

(3)三維粉末粘接技術(shù)：它是將打印材料做成粉末狀，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等。打印時先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成產(chǎn)品截面，然后不斷重復(fù)鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終打印出產(chǎn)品。這種方法打印出的直接成品強度并不高，但可以增加一些后續(xù)處理工序來彌補不足，如3D打印的陶瓷產(chǎn)品就可事后進爐高溫再燒結(jié)等。

(4)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)：它也是將陶瓷、金屬、塑料等打印材料做成粉末狀，由計算機控制層層堆砌、直接激光燒結(jié)、一次成型的方法。激光燒結(jié)最主要的優(yōu)勢還是在于金屬產(chǎn)品的制作，可以直接或間接燒結(jié)金屬零件，最終成品的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他3D打印技術(shù)，且精度好、強度高。我國激光技術(shù)研究世界領(lǐng)先，激光在3D打印應(yīng)用中更是成果不凡。我仔細(xì)看了華中科技大學(xué)的3D打印機操作演示視頻，覺得該技術(shù)真的是強大：可打印泡沫塑料十層嵌套球，也可以打印鉆木的金屬鉆頭，真不愧是十年磨出的“神器”！

四、展望打印機未來發(fā)展的趨勢

自從有了3D打印、增材制造、快速成型的理念，創(chuàng)新的思想就像是被激發(fā)了一樣，腦子里邊突然潮涌來許多奇奇怪怪3D打印技術(shù)應(yīng)用的想法。百度了一下，受到啟發(fā)，想法也就更多了，也有一種想上手一臺3D打印的沖動。但現(xiàn)在的3D打印機的價格不菲，買回來我們是要做什么產(chǎn)品、還是做玩具，還是嘗試開一家3D打印商店？3D打印在各專業(yè)、各領(lǐng)域發(fā)展的方向是什么，誰最有前途？都是那么前景燦爛，全都想?yún)⑴c其中。

我是學(xué)電子專業(yè)出身的，也在電子教學(xué)的第一線，看了網(wǎng)上多篇類似“3D打印機未來的10種發(fā)展趨勢”的帖子，我不在這里復(fù)述。就我本專業(yè)需求迫切性來說，如果有一臺3D打印機可以打印不同的電子元件、芯片，打印軟的、硬的印刷電路板，或?qū)⒃⑿酒?、電路打印于一體，那就是一個多么美好夢想呵！“不怕做不到，就怕你想不到！”這句話幾乎印證了當(dāng)前電子智能科技所有的發(fā)明。展望未來，3D打印，一切皆有可能！

[1]劉海濤.光固化三維打印成形材料的研究與應(yīng)用[D].華中科技大學(xué)博士論文,2009.

[2]胡發(fā)宗等.三維立體打印機的成形技術(shù)[J].模具技術(shù),2004.

[3]呂德平.激光打印機原理與維修[J].中國計算機用戶,1994,5.

[4]百度百科名片:3d打印機[OL].http://baike.baidu.com/view/1152866.htm.

[5]各類打印機基礎(chǔ)知識比較全面的介紹了各類打印機相關(guān)的參數(shù)[OL].http://wenku.baidu.com/view/d642782719 2e45361066f56e.html.

[6]3D打印機未來的10種發(fā)展趨勢[OL].http://www.oa999999.com/zh-CN/displaynews.html?newsID=100166447.