陶瓷喷墨打印喷头的工作原理、技术指标及其发展趋势

摘 要：本文主要阐述了陶瓷喷头的原理、技术指标及其认证程序，并分析了陶瓷喷头的发展趋势，为陶瓷墨水的研究、制备及使用提供参考。

关键词：陶瓷喷墨打印；喷头；陶瓷墨水

1 前言

目前，国内陶瓷喷墨打印机约500台，如果平均每台设备的均价为200万，国内陶瓷喷墨打印机市场约10亿，如果按喷头成本占喷墨机的70﹪计算，喷头市场约7亿。当前全国共有各种陶瓷砖生产线3273条，按其中50﹪生产瓷片和仿古砖，每条生产线配置3台喷墨打印机估算，中国喷墨打印机的市场约为3000台，陶瓷喷墨打印机市场约60亿，喷头市场约42亿。如果喷头的使用折旧为5年，国内陶瓷喷头市场有望达到每年8亿元。因此，XAAR、Fujifilm-Dimatix、Seiko、Toshiba TEC和Konica等喷头企业都在争夺全球的陶瓷喷头市场，很可能推出更适合陶瓷喷墨打印的喷头。

陶瓷喷头是陶瓷喷墨打印机的核心部件，直接影响陶瓷砖打印图案的精确度、打印速度、生产稳定性等。本文主要介绍了陶瓷喷头的原理、技术指标及其认证程序，并分析了陶瓷喷头的发展趋势，为陶瓷墨水的研发、推广及使用提供了参考。

2 陶瓷喷头的工作原理以及墨水喷射模型

2.1 陶瓷喷头的工作原理

陶瓷喷头最初是用于包装条形码、包装保质期编码、喷绘等方面，直到被发现可用于打印高粘度的陶瓷墨水，才开始应用于建筑陶瓷行业。喷头以压电陶瓷元件为驱动器，利用不同脉冲频率、电压值为驱动电压，通过驱动压电陶瓷发生体积形变，在墨水腔内产生压力波，通过共振将墨水振出喷孔。喷墨工艺既受墨水的物理性能、喷头孔内径的影响，又受波形方程、温度补偿方程的影响。

压电式喷头是由喷嘴面板、喷嘴、压电陶瓷片和墨水仓组成，如图1所示。国际专利WO2005007415公布了一种喷墨打印喷头的实例，具有一个在阵列方向上间隔开的喷射腔室阵列，每个喷射腔室都与墨水孔连通，如图2和图3所示。其工作原理是在压电器件上施加电压信号，使其产生变形，并挤压喷头内的墨水，产生压力波，使其喷出。当锆钛酸铅压电陶瓷片（PZT晶片）未施加驱动信号时，喷嘴处的压力由墨水仓决定，并且通常是负压，墨水在表面压力的作用下保持在墨水仓中。当需要喷射时，在压电陶瓷上施加一个脉冲电压，而使压电陶瓷片产生弹性变形，该变形使喷头喷嘴处形成一个墨滴，并从喷嘴喷射出，达到承印物指定位置。压电式喷头对墨水的控制能力强，容易实现高精度的喷射，并且反应速度快。

2.2 喷嘴面板的制备原理

陶瓷墨水是通过喷嘴面板上镂空的喷孔喷射而出的，如图3所示。英国赛尔公司于1996年1月18日申请了《形成喷嘴的方法和装置》的专利，专利号为WO9726137，该专利公布了一种通过把激光束引导在喷嘴板上而形成精确定位、微米级喷孔的方法及其设备，如图4所示。通过把激光束先分散成子光束，子光束先瞬间散开，然后在喷嘴板预设的位置上聚焦。激光利用高能量，在喷嘴板上得到锥度精确、入口形状合适、位置准确的喷嘴孔。

2.3 陶瓷墨水喷射的简化模型

陶瓷墨滴喷射过程的简化模型，如图5～图8所示。图5为一墨滴喷射过程的初始状态。图6中喷头的压电陶瓷在电压作用下扩张变形，喷头中墨水开始收缩。图7中喷头的压电陶瓷在电压作用下收缩变形，喷头中墨水由于惯性还处于收缩状态，但是压强增大。图8中喷头的压电陶瓷在电压作用下收缩，墨水在压强的作用下喷射出喷口。

3 陶瓷喷头的技术指标

3.2 波形方程

波形方程是指在喷头中压电陶瓷上施加的电压随时间变化的脉冲信号，其图谱的横坐标为时间（μs），纵坐标为电压（V）。Dimatix Fujilm的Versa Drop多脉冲技术能够在喷嘴处形成大小不一的墨滴，即多个小墨滴通过准确落在承印物的同一位置上形成大墨滴，产生更清晰的色素点。图9为10ng的自然墨滴通过多脉冲形成30ng的墨滴过程，图10为30ng的自然墨滴通过单脉冲形成30ng的墨滴过程。

3.3 二态打印与灰階打印

二态打印指在像素点存在有墨滴与无墨滴的两种状态，呈现的画面效果较为粗糙，如图11所示。灰阶打印指在像素点存在无墨滴和不同尺寸的墨滴的不同状态，所能呈现的画面效果更加细腻，如图12所示。灰阶打印通过波形方式中一个像素点周期内的不同脉冲次数实现，如图13所示。

每一个运作模式需要一个特定的波形方程操作，同一型号墨水最多有3个不同波形方程支持赛尔Xaar 1001 GS6 及Xaar 1001 GS12喷头。Xaar 1001 GS6 及Xaar 1001 GS12喷头的点火频率对比如表2所示。

3.4 温度补偿

3.5 点火频率与墨滴容积

点火频率相当于喷嘴喷射墨滴的频率，一般在6～30 kHz的范围内，它是直接影响喷墨打印的速度和纵向打印精度的重要因素。点火频率越小，打印速度随墨滴的增大而降低。StarFire SG-1024/M-A喷头的点火频率为30kHz时，墨滴容积为30pl；点火频率为10kHz时，墨滴容积为80pl。Xaar 1001 GS12喷头的点火频率为6kHz时，最大墨滴容积为84pl；点火频率为12kHz时，最大墨滴容积为42pl。

3.6 喷嘴精度与打印精度

喷嘴精度是指每英寸（1 inch =25.4 mm）上的喷嘴数，单位为dpi，即：喷嘴精度=25.4 mm÷喷嘴间距。Xaar 1001 GS12喷头的喷嘴间距为70.5μm，其喷嘴精度为360dpi。Dimatix Fujilm 的StarFire（星光）SG-1024/M-C喷头的喷嘴间距为63.5μm，其喷嘴精度为400dpi。

打印精度是指每英寸上的打印点数，不一定为喷嘴精度。在生产中，喷嘴面板上喷嘴孔的排列方向与砖坯运动的方向垂直，则喷嘴精度对应砖坯的横向打印精度。如果一个200dpi的喷头其相同打印区域增加一个喷头，则横向打印精度可达到400dpi。纵向打印精度=0.0254m /inch÷砖坯运行速度×点火频率。例如，砖坯运行速度为30m/min，点火频率为6kHz，则纵向打印精度为305dpi（0.0254m/inch÷30m/min×60 s /min×6×10 3s-1≈305 dpi）。

4 陶瓷墨水的认证

陶瓷墨水要求与喷头有较好的兼容性，在使用过程中性能稳定，避免堵塞喷头、斜喷射、飞墨等问题的出现。喷头企业开展了对陶瓷墨水认证工作，主要涉及墨水与喷头材质兼容性、使用寿命测试、喷头优化、可靠性测试等环节。

材质兼容性，即通过测试材质兼容性来分析墨水在喷头构成材质上的效果，以及喷头材质使用液体的效果。例如，有些墨水可能从喷嘴溢出，在喷嘴面板上附着扩散，覆盖住喷嘴，导致墨滴不能喷出或者斜喷。

喷头使用寿命测试，即让墨水在苛刻条件（极端温度、复杂波形方程、高速点火频率等）下进行10～12周的持续打印测试，相当于一年甚至几年的使用。

喷头优化，研制墨水与喷头最匹配的波形方程、温度补偿曲线等参数，从而实行最高效能。波形方程首先通过声波检测仪器，分析喷头固有频率、喷头在打印时与墨水的共振频率，并结合墨滴观测分析仪来优化墨水的波形方程、温度补偿曲线、压差、负压、微调电压等参数。

图14为某喷头企业公开的墨水认证流程图，由于墨水的认证测试需要一定的成本和时间投入，实际操作中，喷头公司通过出售墨水的全息图（或墨水认证标志授权）来实现测试流程的初始供款以及后续供款，并且收回成本。

5 对陶瓷喷头发展的展望

目前，陶瓷喷头的喷孔直径大约为几十微米，Xaar 1001 GS6 及Xaar 1001 GS12喷头的喷嘴直径大约为25μm。如果喷孔直径进一步扩大，包裹型硫硒化镉色料可能被用来研制鲜艳的大红色陶瓷墨水，甚至可能出现一系列发色更鲜艳、装饰效果更粗犷、立体效果更强烈的新型陶瓷墨水。当然喷孔直径的变宽，需要提高喷头中PZT压电陶瓷的形变体积，或者应用出新型的打印机理。

与此同时，适用于喷釉、喷干粉将是陶瓷喷头的发展趋势。喷釉、喷干粉技术是将釉料、干粉直接通过喷头喷到瓷砖表面，能够呈现出立体感强的装饰效果。萨克米（Sacmi）推出了喷干粉的喷墨机DDD175；西斯特姆（System）推出了应用于喷釉和喷干粉技术的wind powder陶瓷喷墨打印设备；快达平（efi-Cretaprint）推出了喷釉功能的efi Cretaprint C3设备；泰威技术发展股份有限公司推出了自主研发的“瓷砖彩图数码喷釉机T70（在线机）；佛山市美嘉陶瓷设备有限公司表示在今年将推出用于陶瓷砖的激光打印机。

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