數(shù)字噴墨打印頭技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及分析

齊元?jiǎng)? 董立波

自噴墨打印技術(shù)問世以來，推動(dòng)了數(shù)字打印相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展，噴墨頭是數(shù)字噴墨打印系統(tǒng)的核心部件，其工作原理和結(jié)構(gòu)決定了工作的可靠性和制造成本。本文分析了各類噴墨頭的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、全球主要生產(chǎn)廠商、應(yīng)用領(lǐng)域、主要性能比較，并綜述各類噴墨頭的國內(nèi)外需求現(xiàn)狀，指出噴墨頭技術(shù)國產(chǎn)化的解決思路。

數(shù)字噴墨打印頭種類和主要生產(chǎn)廠商

1.噴墨打印頭種類

按照工作原理可分為電場偏轉(zhuǎn)連續(xù)噴墨、按需噴墨兩類；按需噴墨又分為兩種，以下詳細(xì)說明。

①電場偏轉(zhuǎn)連續(xù)噴墨

連續(xù)式噴墨技術(shù)以電荷調(diào)制型為代表。這種技術(shù)利用壓電驅(qū)動(dòng)裝置對噴頭中的墨水加以固定壓力使其連續(xù)噴射。為進(jìn)行記錄，利用振蕩器的振動(dòng)信號激射流生成墨水滴，并對墨水滴的大小和間距進(jìn)行控制，由字符發(fā)生器、模擬調(diào)制器輸出的打字信息對電荷進(jìn)行控制，形成帶電荷和不帶電荷的墨水滴，再由偏轉(zhuǎn)電極改變墨水滴的飛行方向，使需要打字的墨水滴“飛”到紙上形成字符和圖形，另一部分墨水滴由導(dǎo)管收回。

②按需噴墨

熱發(fā)泡式：熱發(fā)泡式噴墨技術(shù)通過加熱噴嘴，使墨水產(chǎn)生氣泡，然后再噴到打印介質(zhì)的表面。它的工作原理是通過噴墨頭上的電加熱元件（通常是熱電阻），在3微秒內(nèi)急速加熱到300℃使噴嘴底部的墨水活化并形成氣泡，該氣泡將墨水和加熱元件隔離，可避免將噴嘴內(nèi)全部墨水加熱。加熱信號消失后加熱陶瓷表面開始降溫，但殘留余熱仍使氣泡在8微秒內(nèi)迅速膨脹到最大。由此產(chǎn)生的壓力壓迫一定量的墨滴克服表面張力從噴嘴中快速噴出。噴到紙上墨水的多少可通過改變加熱元件的溫度來控制，最終達(dá)到打印圖像的目的。整個(gè)打印噴墨頭加熱噴射墨水的過程非?？旖?，從加熱到氣泡的成長到氣泡消失，直至準(zhǔn)備下次噴射的整個(gè)循環(huán)只耗時(shí)140～200微秒。

壓電式：壓電噴墨技術(shù)把噴墨過程中的墨滴控制分為3個(gè)階段：噴墨操作前壓電元件首先在信號控制下微微收縮；元件產(chǎn)生一次較大的延伸把墨滴推出噴嘴；在墨滴馬上就要飛離噴嘴的瞬間，元件又會(huì)進(jìn)行收縮，干凈利索地把墨水液面從噴嘴收縮。這樣，墨滴液面得到了精確控制，每次噴出的墨滴都有完美的形狀和正確的飛行方向。壓電式噴墨系統(tǒng)在裝有墨水的噴頭上設(shè)置換能器，壓電換能器受輸入數(shù)字信號的控制，從而控制墨水的噴射。根據(jù)壓電式噴墨系統(tǒng)換能器的工作原理及排列結(jié)構(gòu)可分為：壓電管型、壓電薄膜型、壓電薄片型等幾種類型。壓電式噴墨打印頭使用壽命長，而且墨水適應(yīng)性廣，但價(jià)格相對較高，主要應(yīng)用于工業(yè)噴墨印刷領(lǐng)域。

2.噴墨打印頭主要生產(chǎn)廠商

①賽爾公司

賽爾公司成立于1990年，總部位于英國劍橋，1997年在倫敦證券交易所上市。賽爾公司主要設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)壓電式噴墨打印頭，早期主要業(yè)務(wù)是轉(zhuǎn)讓專利權(quán)，多家日本公司均購買了其專利使用權(quán)。1999年，在兼并瑞典MIT公司后，建立了自己的生產(chǎn)基地，目前在瑞典和英國擁有兩個(gè)生產(chǎn)基地。賽爾公司早期產(chǎn)品主要面向廣告噴繪行業(yè)，具有較高市場占有率，后受到低價(jià)產(chǎn)品沖擊，產(chǎn)品重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向陶瓷噴印和家居裝飾行業(yè)。

②富士膠片Dimatix公司

富士膠片Dimatix公司的前身是成立于1984年的Spectra公司，其總部位于美國加州，2006年被日本富士膠片公司收購后改為現(xiàn)名。富士膠片Dimatix主要生產(chǎn)高性能壓電式噴墨打印頭，可以生產(chǎn)滿足各類噴墨打印要求的噴墨打印頭，但由于產(chǎn)品售價(jià)較高，應(yīng)用受到一定限制。

③柯尼卡美能達(dá)（KonicaMinolta）噴繪科技公司

柯尼卡美能達(dá)噴繪科技公司是日本柯尼卡美能達(dá)的子公司，成立于2005年。該公司購買了賽爾公司的專利使用權(quán)后，開發(fā)了基于賽爾技術(shù)的壓電打印頭，其產(chǎn)品以中低端為主，用于廣告噴繪、紡織等行業(yè)。

④愛普生（EPSON）公司

日本愛普生公司是全球主要的壓電式噴墨打印頭及系統(tǒng)開發(fā)商，其產(chǎn)品主要用于愛普生自產(chǎn)自銷的辦公室及家庭打印機(jī)。面向工業(yè)噴墨印刷市場，愛普生也開發(fā)少量工業(yè)噴墨打印頭供應(yīng)其他用戶，但通常要簽訂專門的商業(yè)合同，如要求同時(shí)購買墨水。

⑤SII Printek公司

SII Printek公司是日本精工的子公司，成立于2001年。SII Printek公司購買了賽爾的專利使用權(quán)并以此開發(fā)出基于賽爾技術(shù)的壓電式紡織用噴墨打印頭，而賽爾本身并不生產(chǎn)這類產(chǎn)品。SII Printek的產(chǎn)品價(jià)格便宜，但由于工作頻率低以及壽命短，主要應(yīng)用于中低端市場。

⑥兄弟-京瓷（Brother-Kyocera）公司

日本兄弟（Brother）公司購買了賽爾及Spectra公司的專利使用權(quán)并以此開發(fā)出基于剪切運(yùn)動(dòng)的壓電式噴墨打印頭，日本京瓷（Kyocera）是全球主要壓電陶瓷生產(chǎn)供應(yīng)商。目前奧西、宮腰和多米諾的高速噴墨印刷機(jī)均采用了兄弟-京瓷的噴墨打印頭。

⑦ITW TRIDENT公司

TRIDENT公司成立于1980年，總部在美國，主要設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)用于包裝、條碼等工業(yè)打印的壓電式噴墨打印頭。1999年被世界500強(qiáng)美國ITW集團(tuán)收購，大多數(shù)產(chǎn)品供應(yīng)ITW集團(tuán)內(nèi)部的打印機(jī)生產(chǎn)企業(yè)。近年來，TRIDENT進(jìn)入紡織、電子等工業(yè)。

⑧柯達(dá)（Kodak）公司

柯達(dá)公司最新推出的Stream噴墨打印頭采用了連續(xù)噴墨原理，但與傳統(tǒng)的連續(xù)噴墨打印頭相比有了很大改進(jìn)。Stream噴墨打印頭采用了基于MEMS技術(shù)的制造工藝，能夠更好地適應(yīng)不同品牌、不同類型的墨水，具有改變墨滴大小的能力。目前，柯達(dá)Stream噴墨打印頭主要用于其最新的Prosper噴墨印刷機(jī)。

⑨惠普公司

近幾年，惠普公司研發(fā)了基于MEMS技術(shù)的熱敏噴墨打印頭Edgeline，其印刷寬度為108mm，每個(gè)噴墨打印頭包含兩行共10560個(gè)噴嘴，可以噴印兩種顏色，分辨率達(dá)到1200dpi，每個(gè)噴嘴最高噴射頻率為24kHz，適用于水性墨水。同時(shí)，惠普在噴墨打印頭的定位方面進(jìn)行了改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)快速更換噴墨打印頭。目前，Edgeline噴墨打印頭主要應(yīng)用在惠普的高速噴墨印刷設(shè)備T300和T200中。

⑩日本理光有限公司

創(chuàng)立于1936年2月6日，作為全球的數(shù)字辦公設(shè)備解決方案領(lǐng)導(dǎo)者，作為最早探索數(shù)字圖像輸出技術(shù)的廠家之一，理光噴頭用于UV打印機(jī)，有獨(dú)立的控制小板、連接排線、核心噴頭所組成，噴頭是全鋼型結(jié)構(gòu)，一次噴墨寬度為25.4mm。在國外進(jìn)口的機(jī)器80%以上都在使用理光噴頭，在國內(nèi)短短一兩年時(shí)間，很大部分客戶已經(jīng)選擇使用理光噴頭的機(jī)器，以及之前購買了其他系列的機(jī)器已經(jīng)改換為理光噴頭的機(jī)器。無論是效果、速度還是壽命都比其他噴頭有明顯優(yōu)勢。

上述10家公司，除了柯達(dá)、惠普，其他公司的產(chǎn)品均為壓電式噴墨打印頭，而且柯達(dá)、惠普的噴墨打印頭主要為內(nèi)部使用，因而目前在工業(yè)噴墨打印市場上，壓電式噴墨打印頭居于主導(dǎo)地位。除上述公司之外，日本松下、東芝，澳大利亞Silverbook等十余家公司也能夠生產(chǎn)提供噴墨打印頭產(chǎn)品，但使用量相對較小。

3.噴墨打印頭主要性能參數(shù)

噴墨打印頭主要參數(shù)包括材質(zhì)、打印寬度、噴孔直徑、噴射工作頻率及分辨率。

噴頭使用材質(zhì)影響到噴頭使用的壽命，一般區(qū)分為溶劑型和水性噴頭，溶劑型噴頭較水性噴頭來說，接觸到墨水的地方均使用耐溶劑的材質(zhì)，但是強(qiáng)溶劑仍會(huì)腐蝕噴頭，長期使用會(huì)把結(jié)合噴頭的黏膠劑溶掉以至噴頭穿孔。除非特殊制造的噴頭，一般噴頭使用材質(zhì)都是金屬材質(zhì)，偏酸性容易腐蝕噴頭、因此，噴墨墨水配制時(shí)一般配制成中性或堿性。

打印機(jī)噴頭的幅寬是指實(shí)際噴出噴孔寬度，受噴頭大小影響，但不等于噴頭大小幅寬。噴頭的打印幅寬會(huì)影響到可噴印PASS道寬度，從而間接影響到打印速度。噴頭直徑是指單個(gè)噴孔大小頭孔徑由4～35PL不等。

噴射工作頻率越高可打印速度越快。分辨率，英文單位為dpi，是指每平方英寸的點(diǎn)數(shù)。如畫面的精度為720dpi， 1平方英寸中就會(huì)有720個(gè)墨點(diǎn)。

目前噴墨打印頭噴射速度越來越快，分辨率越來越高。

噴墨打印頭主要應(yīng)用領(lǐng)域及市場需求分析

噴墨打印技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，至80年代中期技術(shù)逐步成熟。第一臺商業(yè)噴墨打印機(jī)正式誕生，但由于速度和質(zhì)量方面的局限，在很長一段時(shí)間內(nèi)，噴墨印刷技術(shù)主要以“噴墨打印機(jī)”的形式應(yīng)用于辦公和家用領(lǐng)域，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用空間有限。后來隨著噴繪機(jī)的誕生，噴墨印刷技術(shù)開始被應(yīng)用于戶外廣告制作，逐漸在工業(yè)化應(yīng)用方面占有一席之地，但仍未進(jìn)入主流印刷市場。自“噴墨drupa”出現(xiàn)后，原本被冠以“低質(zhì)量、低速度”標(biāo)簽的噴墨印刷技術(shù)正式進(jìn)入主流印刷市場的視野，并由于在質(zhì)量和速度方面的快速提升以及廣泛的市場適應(yīng)性，逐漸成為最具市場潛力的印刷方式之一。

①戶外廣告：戶外廣告噴繪是噴墨印刷技術(shù)最早進(jìn)入的工業(yè)領(lǐng)域之一。相對其他領(lǐng)域，戶外廣告對印刷精度和印刷速度的要求不高，因而較早采用噴墨印刷。目前戶外廣告噴繪的市場已經(jīng)十分成熟，并且隨著全球城市化水平的不斷提高，市場規(guī)模繼續(xù)呈現(xiàn)上升趨勢。

②陶瓷噴?。簢娔∷⒓夹g(shù)在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用近十年來呈快速增長態(tài)勢，相對于傳統(tǒng)加工工藝，噴墨印刷技術(shù)為陶瓷生產(chǎn)提供了成本更低、質(zhì)量更高的選擇，同時(shí)可以使產(chǎn)品更具創(chuàng)意，滿足客戶的個(gè)性化需求。據(jù)《Ceramic World Review》雜志統(tǒng)計(jì)，目前全球有約9000條陶瓷生產(chǎn)線，其中約一半在中國。

③紡織印花：紡織印花原來主要采用絲網(wǎng)印刷工藝，近年來逐步開始采用噴墨打印技術(shù)，通過數(shù)字噴墨印花機(jī)，直接將印花墨水噴射到各種纖維織物上印制出需要的各種圖案。紡織工業(yè)規(guī)模龐大，而我國是全球最大的紡織品生產(chǎn)國。大量的紡織品生產(chǎn)為噴墨印刷技術(shù)的發(fā)展提供了巨大的空間。據(jù)WTIN預(yù)測：全球紡織數(shù)碼印花產(chǎn)業(yè)將以16%的復(fù)合年增長率保持增長，到2019年，數(shù)碼印花將占到紡織印花市場的7%。

④印刷電子：印刷電子是噴墨打印技術(shù)在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用，主要采用噴印技術(shù)將導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體、高分子聚合物等電子材料準(zhǔn)確打印到所需位置，制成印刷線路板、液晶顯示屏、RFID標(biāo)簽、光電池等高科技產(chǎn)品。近年來，隨著智能手機(jī)、液晶電視、平板電腦等電子產(chǎn)品的流行，噴墨印刷技術(shù)在印刷電子領(lǐng)域的應(yīng)用潛力十分可觀。

⑤紙品印刷：近年來，噴墨印刷技術(shù)的優(yōu)勢逐漸為印刷企業(yè)所接受，在出版物、標(biāo)簽、包裝等領(lǐng)域，呈現(xiàn)大幅增長態(tài)勢。噴墨數(shù)字印刷在商業(yè)廣告、票據(jù)證券、標(biāo)簽、個(gè)化印刷等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，根據(jù)美國I.T.Strategies咨詢公司的報(bào)告，工業(yè)噴墨打印設(shè)備銷售額中，工業(yè)噴墨打印頭占比約為10%。作為工業(yè)噴墨打印設(shè)備的核心部件，工業(yè)噴墨打印頭使用壽命一般為1～3年，屬于消耗品，每年約有30%需要更新。據(jù)測算，我國工業(yè)噴墨打印頭市場規(guī)模將保持年均30%以上的復(fù)合增長率，至2017年，我國工業(yè)噴墨打印頭市場規(guī)模產(chǎn)值高達(dá)39.36億元。從全球來看，工業(yè)噴墨打印技術(shù)的應(yīng)用在發(fā)達(dá)國家起步較早，但當(dāng)前整體應(yīng)用進(jìn)展與我國基本相同，仍處于行業(yè)應(yīng)用的初級階段，未來的市場規(guī)模仍然具有非常大的成長空間。根據(jù)美國專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)BBC數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)在2012～2017年，工業(yè)噴墨打印頭的年均復(fù)合增長率約為27.23%。至2017年，全球工業(yè)噴墨打印頭市場規(guī)模高達(dá)19億美元。

此外，噴墨印刷技術(shù)在家居裝飾、會(huì)議展覽，乃至新興的3D打印等領(lǐng)域也得到不同程度的應(yīng)用。

由以上可以看出，我國以及世界對工業(yè)噴墨打印頭有巨大的市場需求，而目前我國工業(yè)噴墨打印頭行業(yè)仍處于行業(yè)應(yīng)用的初級階段，未來隨著工業(yè)噴墨打印技術(shù)進(jìn)入快速普及期，工業(yè)噴墨打印頭行業(yè)的市場規(guī)模也將具有極大的成長空間。

噴墨打印頭國產(chǎn)化策略分析

通過對壓電式噴墨頭的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造技術(shù)以及發(fā)展現(xiàn)狀的分析可以看出，噴墨頭屬于微電子高精度產(chǎn)品，涉及工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、半導(dǎo)體材料及工藝、精密加工等多門學(xué)科，有著很高的技術(shù)門檻。我國對噴墨打印頭有著巨大的需求，但噴墨打印頭的核心技術(shù)大多數(shù)掌握在外國，那么，國產(chǎn)噴墨頭如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化？國外噴墨打印頭研發(fā)經(jīng)歷了原理研發(fā)和市場化過程，比較成熟，而我國由于起步較晚，處于追趕階段。如果沒有打印頭技術(shù)，噴墨的核心技術(shù)掌握在國外，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)里的芯片，受制于人。因此研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的噴墨打印頭具有很重要經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

噴墨打印頭技術(shù)屬于數(shù)字噴印系統(tǒng)“皇冠上的明珠”，數(shù)字化、智能化是必然的發(fā)展趨勢。數(shù)字化是智能化的前期必然準(zhǔn)備，因此，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化噴墨打印技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)智能化的必由之路，必須要突破這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，才能在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)型。否則只是購買國外噴頭，組裝應(yīng)用，談不上自主知識產(chǎn)權(quán)。目前國內(nèi)僅有幾家單位的研發(fā)，有的已經(jīng)制造出了自主研發(fā)的噴墨技術(shù)，如北京奧潤聯(lián)創(chuàng)科技有限公司，處于批量提高和升級階段；蘇州銳發(fā)和杭州愛斯凱也已經(jīng)生產(chǎn)出了樣品。

為了盡快縮短與世界先進(jìn)水平噴墨打印頭的技術(shù)差距，提出以下策略：

①國家科技部和工信部作為重點(diǎn)科技和產(chǎn)業(yè)攻關(guān)專項(xiàng)給予立項(xiàng)，需要國家投入引導(dǎo)資金，企業(yè)和高校科研院所聯(lián)合，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，進(jìn)行開發(fā)。在涉及的MEMS技術(shù)、封裝工藝、膠水及器件耐腐蝕行可靠性、分析仿真技術(shù)等，特別是超精密加工技術(shù)方面，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，奠定產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。

②購買技術(shù)，國內(nèi)的企業(yè)購買國外知名廠商的噴墨頭專利技術(shù)或?qū)＠S可證，在國內(nèi)建設(shè)生產(chǎn)線，進(jìn)行生產(chǎn)，國家給予一定的補(bǔ)貼，走國產(chǎn)高鐵之路，逐步產(chǎn)業(yè)化。

③引進(jìn)人才，大力引進(jìn)與噴頭設(shè)計(jì)制造檢驗(yàn)的國外相關(guān)技術(shù)人才，但由于國外知識產(chǎn)權(quán)的壟斷，這方面的人才不好聘請，即使聘請也很難一下子做出新產(chǎn)品，具有一定的難度。

在研發(fā)中充分發(fā)揮我國的優(yōu)勢，把握市場需求，以市場需求作為自己研發(fā)、制造噴墨頭的方向。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、新業(yè)態(tài)，開發(fā)個(gè)性化、便攜式、家庭式的、可折疊式的噴墨設(shè)備，服務(wù)于體驗(yàn)式的廣大專賣店或賣場場所等。同時(shí)考慮綠色環(huán)保技術(shù)，做到可回收，全生命周期過程管理等，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

（注：本文作者齊元?jiǎng)贋楸本┯∷W(xué)院學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院院長，董立波為北京印刷學(xué)院學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院研究生）

作者單位：北京印刷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院