胡俊　區(qū)卓琨

摘 要：本文主要闡述了陶瓷噴頭的原理、技術(shù)指標(biāo)及其認(rèn)證程序，并分析了陶瓷噴頭的發(fā)展趨勢(shì)，為陶瓷墨水的研究、制備及使用提供參考。

關(guān)鍵詞：陶瓷噴墨打?。粐婎^；陶瓷墨水

1 前言

目前，國(guó)內(nèi)陶瓷噴墨打印機(jī)約500臺(tái)，如果平均每臺(tái)設(shè)備的均價(jià)為200萬(wàn)，國(guó)內(nèi)陶瓷噴墨打印機(jī)市場(chǎng)約10億，如果按噴頭成本占噴墨機(jī)的70﹪計(jì)算，噴頭市場(chǎng)約7億。當(dāng)前全國(guó)共有各種陶瓷磚生產(chǎn)線3273條，按其中50﹪生產(chǎn)瓷片和仿古磚，每條生產(chǎn)線配置3臺(tái)噴墨打印機(jī)估算，中國(guó)噴墨打印機(jī)的市場(chǎng)約為3000臺(tái)，陶瓷噴墨打印機(jī)市場(chǎng)約60億，噴頭市場(chǎng)約42億。如果噴頭的使用折舊為5年，國(guó)內(nèi)陶瓷噴頭市場(chǎng)有望達(dá)到每年8億元。因此，XAAR、Fujifilm-Dimatix、Seiko、Toshiba TEC和Konica等噴頭企業(yè)都在爭(zhēng)奪全球的陶瓷噴頭市場(chǎng)，很可能推出更適合陶瓷噴墨打印的噴頭。

陶瓷噴頭是陶瓷噴墨打印機(jī)的核心部件，直接影響陶瓷磚打印圖案的精確度、打印速度、生產(chǎn)穩(wěn)定性等。本文主要介紹了陶瓷噴頭的原理、技術(shù)指標(biāo)及其認(rèn)證程序，并分析了陶瓷噴頭的發(fā)展趨勢(shì)，為陶瓷墨水的研發(fā)、推廣及使用提供了參考。

2 陶瓷噴頭的工作原理以及墨水噴射模型

2.1 陶瓷噴頭的工作原理

陶瓷噴頭最初是用于包裝條形碼、包裝保質(zhì)期編碼、噴繪等方面，直到被發(fā)現(xiàn)可用于打印高粘度的陶瓷墨水，才開(kāi)始應(yīng)用于建筑陶瓷行業(yè)。噴頭以壓電陶瓷元件為驅(qū)動(dòng)器，利用不同脈沖頻率、電壓值為驅(qū)動(dòng)電壓，通過(guò)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷發(fā)生體積形變，在墨水腔內(nèi)產(chǎn)生壓力波，通過(guò)共振將墨水振出噴孔。噴墨工藝既受墨水的物理性能、噴頭孔內(nèi)徑的影響，又受波形方程、溫度補(bǔ)償方程的影響。

壓電式噴頭是由噴嘴面板、噴嘴、壓電陶瓷片和墨水倉(cāng)組成，如圖1所示。國(guó)際專(zhuān)利WO2005007415公布了一種噴墨打印噴頭的實(shí)例，具有一個(gè)在陣列方向上間隔開(kāi)的噴射腔室陣列，每個(gè)噴射腔室都與墨水孔連通，如圖2和圖3所示。其工作原理是在壓電器件上施加電壓信號(hào)，使其產(chǎn)生變形，并擠壓噴頭內(nèi)的墨水，產(chǎn)生壓力波，使其噴出。當(dāng)鋯鈦酸鉛壓電陶瓷片（PZT晶片）未施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，噴嘴處的壓力由墨水倉(cāng)決定，并且通常是負(fù)壓，墨水在表面壓力的作用下保持在墨水倉(cāng)中。當(dāng)需要噴射時(shí)，在壓電陶瓷上施加一個(gè)脈沖電壓，而使壓電陶瓷片產(chǎn)生彈性變形，該變形使噴頭噴嘴處形成一個(gè)墨滴，并從噴嘴噴射出，達(dá)到承印物指定位置。壓電式噴頭對(duì)墨水的控制能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)高精度的噴射，并且反應(yīng)速度快。

2.2 噴嘴面板的制備原理

陶瓷墨水是通過(guò)噴嘴面板上鏤空的噴孔噴射而出的，如圖3所示。英國(guó)賽爾公司于1996年1月18日申請(qǐng)了《形成噴嘴的方法和裝置》的專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)為WO9726137，該專(zhuān)利公布了一種通過(guò)把激光束引導(dǎo)在噴嘴板上而形成精確定位、微米級(jí)噴孔的方法及其設(shè)備，如圖4所示。通過(guò)把激光束先分散成子光束，子光束先瞬間散開(kāi)，然后在噴嘴板預(yù)設(shè)的位置上聚焦。激光利用高能量，在噴嘴板上得到錐度精確、入口形狀合適、位置準(zhǔn)確的噴嘴孔。

2.3 陶瓷墨水噴射的簡(jiǎn)化模型

陶瓷墨滴噴射過(guò)程的簡(jiǎn)化模型，如圖5～圖8所示。圖5為一墨滴噴射過(guò)程的初始狀態(tài)。圖6中噴頭的壓電陶瓷在電壓作用下擴(kuò)張變形，噴頭中墨水開(kāi)始收縮。圖7中噴頭的壓電陶瓷在電壓作用下收縮變形，噴頭中墨水由于慣性還處于收縮狀態(tài)，但是壓強(qiáng)增大。圖8中噴頭的壓電陶瓷在電壓作用下收縮，墨水在壓強(qiáng)的作用下噴射出噴口。

3 陶瓷噴頭的技術(shù)指標(biāo)

3.2 波形方程

波形方程是指在噴頭中壓電陶瓷上施加的電壓隨時(shí)間變化的脈沖信號(hào)，其圖譜的橫坐標(biāo)為時(shí)間（μs），縱坐標(biāo)為電壓（V）。Dimatix Fujilm的Versa Drop多脈沖技術(shù)能夠在噴嘴處形成大小不一的墨滴，即多個(gè)小墨滴通過(guò)準(zhǔn)確落在承印物的同一位置上形成大墨滴，產(chǎn)生更清晰的色素點(diǎn)。圖9為10ng的自然墨滴通過(guò)多脈沖形成30ng的墨滴過(guò)程，圖10為30ng的自然墨滴通過(guò)單脈沖形成30ng的墨滴過(guò)程。

3.3 二態(tài)打印與灰階打印

二態(tài)打印指在像素點(diǎn)存在有墨滴與無(wú)墨滴的兩種狀態(tài)，呈現(xiàn)的畫(huà)面效果較為粗糙，如圖11所示?；译A打印指在像素點(diǎn)存在無(wú)墨滴和不同尺寸的墨滴的不同狀態(tài)，所能呈現(xiàn)的畫(huà)面效果更加細(xì)膩，如圖12所示?；译A打印通過(guò)波形方式中一個(gè)像素點(diǎn)周期內(nèi)的不同脈沖次數(shù)實(shí)現(xiàn)，如圖13所示。

每一個(gè)運(yùn)作模式需要一個(gè)特定的波形方程操作，同一型號(hào)墨水最多有3個(gè)不同波形方程支持賽爾Xaar 1001 GS6 及Xaar 1001 GS12噴頭。Xaar 1001 GS6 及Xaar 1001 GS12噴頭的點(diǎn)火頻率對(duì)比如表2所示。

3.4 溫度補(bǔ)償

3.5 點(diǎn)火頻率與墨滴容積

點(diǎn)火頻率相當(dāng)于噴嘴噴射墨滴的頻率，一般在6～30 kHz的范圍內(nèi)，它是直接影響噴墨打印的速度和縱向打印精度的重要因素。點(diǎn)火頻率越小，打印速度隨墨滴的增大而降低。StarFire SG-1024/M-A噴頭的點(diǎn)火頻率為30kHz時(shí)，墨滴容積為30pl；點(diǎn)火頻率為10kHz時(shí)，墨滴容積為80pl。Xaar 1001 GS12噴頭的點(diǎn)火頻率為6kHz時(shí)，最大墨滴容積為84pl；點(diǎn)火頻率為12kHz時(shí)，最大墨滴容積為42pl。

3.6 噴嘴精度與打印精度

噴嘴精度是指每英寸（1 inch =25.4 mm）上的噴嘴數(shù)，單位為dpi，即：噴嘴精度=25.4 mm÷噴嘴間距。Xaar 1001 GS12噴頭的噴嘴間距為70.5μm，其噴嘴精度為360dpi。Dimatix Fujilm 的StarFire（星光）SG-1024/M-C噴頭的噴嘴間距為63.5μm，其噴嘴精度為400dpi。

打印精度是指每英寸上的打印點(diǎn)數(shù)，不一定為噴嘴精度。在生產(chǎn)中，噴嘴面板上噴嘴孔的排列方向與磚坯運(yùn)動(dòng)的方向垂直，則噴嘴精度對(duì)應(yīng)磚坯的橫向打印精度。如果一個(gè)200dpi的噴頭其相同打印區(qū)域增加一個(gè)噴頭，則橫向打印精度可達(dá)到400dpi?？v向打印精度=0.0254m /inch÷磚坯運(yùn)行速度×點(diǎn)火頻率。例如，磚坯運(yùn)行速度為30m/min，點(diǎn)火頻率為6kHz，則縱向打印精度為305dpi（0.0254m/inch÷30m/min×60 s /min×6×10 3s-1≈305 dpi）。

4 陶瓷墨水的認(rèn)證

陶瓷墨水要求與噴頭有較好的兼容性，在使用過(guò)程中性能穩(wěn)定，避免堵塞噴頭、斜噴射、飛墨等問(wèn)題的出現(xiàn)。噴頭企業(yè)開(kāi)展了對(duì)陶瓷墨水認(rèn)證工作，主要涉及墨水與噴頭材質(zhì)兼容性、使用壽命測(cè)試、噴頭優(yōu)化、可靠性測(cè)試等環(huán)節(jié)。

材質(zhì)兼容性，即通過(guò)測(cè)試材質(zhì)兼容性來(lái)分析墨水在噴頭構(gòu)成材質(zhì)上的效果，以及噴頭材質(zhì)使用液體的效果。例如，有些墨水可能從噴嘴溢出，在噴嘴面板上附著擴(kuò)散，覆蓋住噴嘴，導(dǎo)致墨滴不能?chē)姵龌蛘咝眹姟?/p>

噴頭使用壽命測(cè)試，即讓墨水在苛刻條件（極端溫度、復(fù)雜波形方程、高速點(diǎn)火頻率等）下進(jìn)行10～12周的持續(xù)打印測(cè)試，相當(dāng)于一年甚至幾年的使用。

噴頭優(yōu)化，研制墨水與噴頭最匹配的波形方程、溫度補(bǔ)償曲線等參數(shù)，從而實(shí)行最高效能。波形方程首先通過(guò)聲波檢測(cè)儀器，分析噴頭固有頻率、噴頭在打印時(shí)與墨水的共振頻率，并結(jié)合墨滴觀測(cè)分析儀來(lái)優(yōu)化墨水的波形方程、溫度補(bǔ)償曲線、壓差、負(fù)壓、微調(diào)電壓等參數(shù)。

圖14為某噴頭企業(yè)公開(kāi)的墨水認(rèn)證流程圖，由于墨水的認(rèn)證測(cè)試需要一定的成本和時(shí)間投入，實(shí)際操作中，噴頭公司通過(guò)出售墨水的全息圖（或墨水認(rèn)證標(biāo)志授權(quán)）來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程的初始供款以及后續(xù)供款，并且收回成本。

5 對(duì)陶瓷噴頭發(fā)展的展望

目前，陶瓷噴頭的噴孔直徑大約為幾十微米，Xaar 1001 GS6 及Xaar 1001 GS12噴頭的噴嘴直徑大約為25μm。如果噴孔直徑進(jìn)一步擴(kuò)大，包裹型硫硒化鎘色料可能被用來(lái)研制鮮艷的大紅色陶瓷墨水，甚至可能出現(xiàn)一系列發(fā)色更鮮艷、裝飾效果更粗獷、立體效果更強(qiáng)烈的新型陶瓷墨水。當(dāng)然噴孔直徑的變寬，需要提高噴頭中PZT壓電陶瓷的形變體積，或者應(yīng)用出新型的打印機(jī)理。

與此同時(shí)，適用于噴釉、噴干粉將是陶瓷噴頭的發(fā)展趨勢(shì)。噴釉、噴干粉技術(shù)是將釉料、干粉直接通過(guò)噴頭噴到瓷磚表面，能夠呈現(xiàn)出立體感強(qiáng)的裝飾效果。薩克米（Sacmi）推出了噴干粉的噴墨機(jī)DDD175；西斯特姆（System）推出了應(yīng)用于噴釉和噴干粉技術(shù)的wind powder陶瓷噴墨打印設(shè)備；快達(dá)平（efi-Cretaprint）推出了噴釉功能的efi Cretaprint C3設(shè)備；泰威技術(shù)發(fā)展股份有限公司推出了自主研發(fā)的“瓷磚彩圖數(shù)碼噴釉機(jī)T70（在線機(jī)）；佛山市美嘉陶瓷設(shè)備有限公司表示在今年將推出用于陶瓷磚的激光打印機(jī)。