噴墨印刷技術的發展與應用——臺灣學生論文(16.1) 噴墨印刷技術原理與發展趨勢

來源: 網絡整理 2020-02-23

摘要

近來隨著個人電腦的蓬勃發展,印表機已是一種非常普遍的周邊設備,而噴墨式的印表機又仗著它的低價位與豐富的色彩,在市場上造成一股擋不住的熱潮,將印表機從公司帶到一般家庭;但是各家廠商為了改善其產品的列印品質,都不遺馀力的紛紛發表出屬於自己產品的獨特技術,本文在探討噴墨印刷方式的技術概要,以及現在業界的各種新技術對輸出品的影響,期能了解目前的發展與未來的發展方向。

壹、前言

彩色列印在極短的時間內發生了相當大的變化:列印品質提升、價格下滑、工作效率高……等,皆是彩色印表機被家庭、學校,乃至公司行號所廣泛采用的主要因素。另一方面隨著電腦速度的提升、儲存裝置的大容量、數位影像科技的成長,以及網路上大量圖形的使用,使得現在印表機已不光是用來印一些黑白文字稿、圖表、報告等,而是具備多用途,如:照片、T-shirt、月歷、海報、貼紙、名片、馬克杯等,所以噴墨印表機的色彩穩定、階調表現、高解析度、與軟體的相容性以及噴墨專用材質的開發,都變成是我們不可忽視的品質判斷標準。

Epson的噴墨技術是以極為細小的墨點6pl,以半色調的方式,在每一英寸噴上1440個墨點,也就是在單位面積(英寸)中產生1440 X 1440個墨點,造成人眼的錯視而形成不同色彩,其每一滴噴出的墨點都是一樣大的;而HP的印表機技術可精確的控制墨滴色階,是在同一位置上控制色墨由不噴或噴一滴到噴十六滴,如此便可造成十七種階調,而每一色均有十七階,所以C、M、Y三色共有17X17X17=4913種色階,以上兩種廠牌的色彩形成基本原理大不相同,所以在色彩表現上一定會不同的特性。另外還有多種新技術的發展,如:PPIS(Perfect Picture Image System)、微針點壓電噴墨技術、真彩轉換(AcuPhoto Halftoning)、智慧型調控墨點大小、墨量控制等,都對印表機列印品質提升有很大的幫助。

貳、噴墨印刷的發展史

傳統印刷一直離不開壓力轉印,要轉印就必須要制版,然而制版的成本和時間,無論怎麼進步也都無法滿足少量多樣的現代印刷趨勢,為了找到簡易、低成本的印刷方法,於是就往無版、無壓力的噴墨印刷發展。談到現在電腦玩家們的新寵——噴墨印表機,就要追溯到1884年,美國人C.H. Richard在注射器中放入水,壓之針端就飛出液滴,若使此飛出液體帶電,用電廠控制其落點,就可在紙上形成畫像,此稱為霧墨印刷。當時因為針、墨有問題,效果不佳,直至1960年才正式進入實用階段。十年前已將噴墨用於條碼加工或產品序號的印刷,噴墨印刷的印紋可變性,增加了序多便利,但是解析度仍然令人失望;直到近五、六年,才在噴墨印刷的品質上突飛猛進,但是礙於數位資料儲存設備的容量不足,很難快速普及於一般家庭。近年來由於數位科技的發達,數位相機的進步和儲存設備都快速進步,要獲得一張高品質的數位圖檔已非難事,所以要求噴墨印刷品質的電腦使用者越來越多,現在幾乎每個家庭里都有一臺印表機,而且其中噴墨印表機的占有率就占六成五(1999,6月),可見噴墨的品質與價位已經受大眾所接受。

叁、噴墨印刷的方式

噴墨印刷的方式有20多種之多,但是其基本的原理都是先產生小墨滴,再將之導引至設定的位置上,大致可歸納成連續式和間歇式;所謂連續式噴墨,是無論印紋或非印紋,都以連續的方式產生墨滴,再將非印紋的墨滴回收或分散;而間歇式噴墨卻只有在印紋部分才產生墨滴。

(二)以不偏離的墨滴印刷(Undeflected Drop to Print)

和上述的一類很類似,唯一不同在於偏離的電荷被回收,不偏離的電荷反而直行形成印紋。(如圖二)

(三)不需用的墨滴使之『靜電分裂』(Electrostatic Dispersion)

墨流仍是加壓由管口噴出,但管孔更為纖細,其直徑大約在10-15個Microns左右,其管孔細到噴出的墨滴會自動分解成一顆顆的極小墨滴。在使這些細小的墨滴經過同電極的荷電環。由於這些墨滴相當微小,會因為同性電荷相斥的緣故,導致這些荷電的墨滴再度分裂成霧墨,此時它就失去方向性而「不印」。反之,不荷電的印墨就不會分裂而形成印紋。可用作連續調的印刷。(如圖三)

(二)熱氣泡式噴墨(Thermal Ink Jet)

將墨水在極短的時間瞬間加熱,使在電阻器附近的氣體體積膨脹,也會有少量的墨會變成蒸氣,將油墨擠壓推出噴嘴,使其飛行至紙面上,形成印紋。墨滴噴出後溫度隨即降低,使油墨室內的溫度也迅速將低,在藉由毛細管原理將突出的油墨拉回墨盒內。(如圖五)

(未完)

噴墨印刷技術原理與發展趨勢

一、概述

近年來,隨著電子出版、跨媒體出版技術的發展,傳統印刷方式的市場受到極大沖擊,數字印刷技術發展日新月異。數字印刷目前的市場定位主要是短版印刷、即時印刷、按需印刷和可變數據印刷。通俗地講,數字印刷是能按照用戶的時間要求、地點要求、數量要求、成本要求與某些特定要求等來向用戶提供相關服務的一種新型印刷服務方式。

噴墨技術逐漸成為數字印刷主流技術之一。噴墨技術的應用領域日益廣泛,從桌面照片打印機到數字打樣系統再到數字印刷機,并在每個領域都呈現出增長的勢頭:在小幅面打印領域,噴墨打印機逐步成為家用、辦公用和商用的通用產品,國內市場銷售量為數百萬臺;在中、寬幅面打印領域,噴墨系統將成為數字打樣和數字印刷的主流產品。噴墨印刷正在向著幾乎所有的印刷領域進軍,隨著新型耗材的研發以及技術的改進,其印刷質量也越來越好。從DRUPA 2004可以看出,噴墨印刷已經躋身于技術亮點之列,并在剛剛結束的DRUPA 2008上繼續成為展會的主題之一。

二、噴墨印刷技術原理

噴墨技術采用的是一種計算機直接控制輸出的技術,無印版、無壓力、非接觸,具有無版數字印刷的共同特征,并可實現按需印刷和可變數據印刷。噴墨技術的原理是,首先將由計算機產生的彩色圖文信息或來自印前輸入設備的彩色圖文信息傳遞到噴墨設備,再通過特殊的裝置,在計算機的控制下,計算出相應通道墨量,噴墨成像裝置控制墨滴以一定速度由噴嘴噴射到承印物表面,最后通過油墨與承印物的相互作用,使油墨在承印物上再現出穩定的圖文信息。

噴墨技術的形式各異,按墨水噴射是否連續可分為連續噴墨和按需噴墨兩大類。工業印刷系統中采用的噴墨技術多是連續噴射型。而比較小型的,則多采用按需噴射型。

連續噴墨的基本原理如圖一所示。在設備工作期間,墨水在墨滴發生器的作用下從噴嘴連續不斷地噴射出去,被引導進入充電電極之間分裂成細小的墨滴,并同時帶上相同符號的電荷;帶電墨滴進入偏轉電場,依靠其在偏轉電場中偏轉幅度的不同,或被墨滴收集器捕獲進入循環回路最終被送回墨滴發生器供重復使用,或發生偏轉避開墨滴發生器最終到達承印物表面,形成圖文信息。連續式噴墨系統具有頻率響應高,可實現高速打印等優點,但這種打印機的結構比較復雜,需要加壓裝置、充電電極和偏轉電場,終端要有墨滴回收和循環裝置,在墨水循環過程中需要設置過濾器以過濾混入的雜質和氣體等,因此難以批量生產。

圖一 連續噴墨基本原理示意圖

連續噴墨打印技術作為一種高速數碼印刷設備普遍采用的技術,應用相當廣泛,在drupa2008上有多個廠商的多款新設備展出。柯達在這次展會上展出了其最新研發的Stream噴墨打印技術及其概念機。Stream是一種采用“熱敏截斷(thermal pinch-off)”的全新理念的連續噴墨打印技術,同時墨水中加入了10~60nm的微粒,墨水干燥性能獨特,具有更快的速度和更優異的打印質量,雖還無法立即展開工業應用,但代表了柯達噴墨打印產品技術未來趨勢。

按需噴墨技術是僅在需要噴墨的圖文部分噴出墨滴,而在空白部分則沒有墨滴噴出。這種噴射方式無須對墨滴進行帶電處理,也就無須充電電極和偏轉電場,噴頭結構簡單,容易實現噴頭的多嘴化,輸出質量更為精細;通過脈沖控制,數字化容易;分別選用黃品青油墨和噴頭即可實現彩色記錄,彩色化容易;但一般墨滴噴射速度較低。常見的有熱氣泡噴墨、壓電噴墨和靜電噴墨三種類型,當然也有其它類型。

熱氣泡式噴墨技術的實現原理是:在加熱脈沖(記錄信號)的作用下,噴頭上的加熱元件溫度積聚上升,使其附近的油墨溶劑汽化生成數量眾多的小氣泡,在加熱時間內氣泡體積不斷增加,到一定的程度時,所產生的壓力將使油墨從噴嘴噴射出去,最終到達承印物表面,再現圖文信息。熱氣泡式噴墨技術基本原理如圖二所示。

圖二 熱氣泡噴墨技術基本原理示意圖

壓電噴墨技術的實現原理是:將許多小的壓電陶瓷放置到打印頭噴嘴附近,壓電晶體在電場作用下會發生變形,到一定的程度時,借助于變形所產生的能量將墨水從墨腔擠出,從噴嘴中噴出,圖文數據信號控制壓電晶體的變形量,進而控制噴墨量的多少。基本原理如圖三所示。

圖三 壓電噴墨技術基本原理示意圖

靜電噴墨技術的實現原理是:在噴墨系統和承印物之間的電場,通過圖像信號改變噴嘴表面張力的平衡,在靜電場吸引力作用下, 使墨滴從噴嘴噴射出去,到達承印物表面形成印跡。靜電噴墨的基本原理如圖四所示。由靜電噴墨技術產生的墨滴尺寸遠遠比噴嘴的尺寸要小, 因此具有高分辨力的特點,而且容易實現噴頭的多嘴化;但需要較高的工作電壓。

圖四 靜電噴墨技術基本原理示意圖

按需噴墨技術相對于連續噴墨技術而言,雖然速度較慢,但擁有質量更佳、應用領域更廣的優勢,同時,隨著技術的完善與成熟,噴印速度穩步提升,業內對按需噴墨打印技術的認可度不斷提升。在剛結束的drupa2008展會上,FUJIFILM Dimatix展出的新技術包含Shaped Piezo Silicon MEMS技術、采用壓電按需噴墨打印頭及單紙路噴墨打印設備的原型機。基于 MEMS 技術的打印頭產品提供對噴嘴形狀更精密的控制,和更精密地控制硅晶片上絕對位置,允許在更遠的噴射距離上保持更高的液滴落點精度。堅固耐用的硅結構使操作更加可靠,以及使用壽命更加長久,所有這些都是制造新型打印機和開辟新的應用領域所要求的屬性。值得關注的還有,柯達推出其史上第一款高速按需噴墨打印機Versamark VL2000,新型Versamark VL2000在保持與現有Versamark VT3000相同速度的同時,彩色圖像品質獲得大幅提升。

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