《喷墨头技术原理》Word.doc

喷墨头技术原理摘要：喷墨打印技术除了提供高质量而低成本的彩色图片输出，也可应用于各种不同材料表面精密喷印成形，本文将详细说明喷墨头的分类及各自的原理与应用。关键词：喷墨头 分类 原理喷墨打印技术的主要原理分为两类（见图1）：喷墨方式可分为连续式及非连续式（或称DOD-按需式）两大类，而非连续式的打印方式又可依墨水喷出动力机构的不同，分为热发泡式（Thermal bubble）及压电式（Piezoelectric）。喷墨打印技术连续式非连续式单路连续喷墨多路连续喷墨压电式热发泡式侧喷型顶喷型弯曲型剪力型推挤型收缩管型图1 喷墨技术分类喷墨的速度取决于两项主要的因素：一为墨滴频率(每秒有多少墨滴) ，另一为墨滴大小。而喷墨头的重量也会影响到速度，如重量轻的喷墨头在加速和降速上就比较容易控制。至于分辨力则与两项主要的因素有关：一为喷墨头每一管道的间隔距离，另一因素为墨滴大小。 一、CIJ（Continuous Ink-Jet） 1、单路连续喷墨 (Binary Continuous Ink-Jet) 大都使用于高速打印需求，且承印材料广泛。该系统的主要缺点有：喷印分辨率比DOD型喷墨头低，由于它采用的是低粘度的墨水，也没有采用墨路回收装置，会造成一定程度的浪费，相应的耗材成本较高。图2 单路连续喷墨2、多路连续喷墨 (Multilevel Continuous Ink-Jet) 主要是带电的墨滴从喷嘴射出后，根据图像信号决定是到达承印物，还是进入回收系统内再使用。虽然大都使用在低分辨率、需要高速度的产品上，但也部分使用在中、高档的彩色数字印刷系统。该系统的主要优点有：喷印速度高，适应性广泛，系统稳定，喷墨头的使用寿命比热感式、压电式喷墨头的寿命长，而且印刷质量、化学性质稳定。但是系统维护费用较高，喷印分辨率相对较低，采用的墨水粘度在36cp（厘泊）之间，范围较窄。图3 多路连续喷墨二、DOD （Drop-On Demand）DOD式喷墨头可满足较高质量和多功能的需求。热发泡式喷墨 (thermal ink-jet) 打印机，由于低成本、喷头寿命以及耗材等限制，大都使用于办公型打印机。但是压电式喷墨则功能多样，能用于不同的材质，所以适用于数字印刷、包装业、纺织工业和商业印刷等。1、热发泡式喷墨 (TIJThermal Ink-Jet) 热喷墨技术的工作原理是通过喷墨打印头（喷墨室的硅基底）上的电加热组件（通常是热电阻），在3微秒内急速加热到300摄氏度，使喷嘴底部的液态油墨汽化并形成气泡，该蒸汽膜将墨水和加热组件隔离，避免将喷嘴内全部墨水加热。加热信号消失后，加热陶瓷表面开始降温，但残留余热仍促使气泡在8微秒内迅速膨胀到最大，由此产生的压力压迫一定量的墨滴克服表面张力快速挤压出喷嘴。随着温度继续下降，气泡开始呈收缩状态。原挤出于喷孔外的墨水受到气泡破裂力量的牵引而形成分散墨滴，后端因墨水的收缩使墨滴开始分离，气泡消失后墨水滴与喷嘴内的墨水就完全分开，而墨水则透过连通喷墨区与储墨区的流道持续流入补充，从而完成一个喷墨的过程。每喷出一个墨滴都是上述流程协同运作的结果。(1) 侧喷型（Side Shooter Thermal Inkjet） 1977年，Canon获得Side Shooter Thermal Jet气泡式喷墨技术专利，与此同时，惠普也发明了与之本质相同的技术，HP和Canon 都不约而同地宣称是自己的研究人员率先发明了喷墨打印技术，以此建立自己在喷墨打印领域的地位。不过“Bubble”这一概念已被佳能抢注，惠普只好将此命名为Thermal Ink-Jet。IBM将其印刷部门出售，促成了新公司Lexmark的诞生。HP于1984年生产了它的第一台商用TIJ，之后Xerox，Olivetti公司也纷纷上马生产。其他一些喷墨打印机公司则主要使用这些公司的OEM喷头。图4 侧喷型喷头(2) 顶喷型（Roof Shooter Thermal Inkjet）顶部喷墨孔射出技术最早应用于HP及 Lexmark 的喷墨打印机图5 顶喷型喷头热发泡型打印速度较快，但缺点就是墨水只经推挤就被喷出，力量较不能集中，墨点易受到惯性影响，与印字头拉扯不清，而产生不均匀或墨渣。另一个问题是，气泡式的喷墨方式，因其印字头常处于高温状况下，热会使得印字头更容易损耗，故需使用印字头与墨水匣合一的方式来降低成本。2、压电式喷墨 (Piezoelect ink-jet) 利用压电陶瓷（大部份的材料为铅-Pb, 锆-Zr, 钽-Ta），由压晶体管施加电压使其产生形变，挤压液体产生高压而将液体喷出。供应全世界喷墨头的厂商主要有 Xaar 和 Spectra 两大家，目前以压电式 (piezo) 为主流的喷头不但应用在打印机市场，也由于其印墨选择性多样化，在不同的领域和产业上也被高度重视和采用。除了EPSON将压电式喷墨头成功商业化为高分辨率喷墨(水)打印机外，Xaar 和 Spectra将其应用于熔融的金属、高分子塑料等材料的喷射与分配，并在电子工业制造上有极大的发展潜力。 (1) 弯曲型（Bend Mode） 由一压电陶瓷片(piezoceramic)、振膜(diaphragm)、压力舱(pressure chamber)、入口管道(inlet & manifold)及喷嘴(orifice)所组成。当压电陶瓷盘承受控制电路所施加的电压，产生收缩变形，但受到振膜的牵制，因而形成侧向弯曲挤压压力舱的液体。在喷嘴处之液体因承受内外压力差而加速运动，形成速度渐增的突出液面。其后虽然作用于压电陶瓷片的电压于适当时间释放，液体压力下降，喷嘴处液滴仍因惯性缘故，克服表面张力的牵引而脱离。典型的300DPI喷墨头喷嘴直径约为50m，一次喷出液滴量约为100pl(1pl = litter)，速度约为10m/sec。为了达到这么高的喷出速度(动压约为0.5大气压)，并克服液体之粘滞性及表面张力，压力舱内液体所承受之压力平均约为3大气压。 图6 弯曲型喷头(2) 剪力型（Sheer Mode）由陶瓷片、电级等组成，没有振膜、压力舱等结构。当压电陶瓷片承受控制电路所施加的电压，产生收缩变形，喷嘴处液体受压喷出。 图7 剪力型喷头(3) 推挤型（Push Mode） 与弯曲型类似，但是它的陶瓷片纵向平行排列，受控制电路所施加的电压推挤制动器脚，液体受压喷出。EPSON早期将多层剪力压电技术引入其喷墨头产品Stylus Color（1994）和Stylus （1995），每个喷墨头含有64个喷嘴。图8 推挤型喷头(4) 收缩管型（Squeeze Tube Mode）该技术由S.L.Zoltan of Clevite公司于1970年发明，1974年获得美国专利，1977年Seimens公司将其应用于喷墨头产品PT-80。控制电路所施加的电压引起陶瓷压电管道变形收缩，管内油墨受压喷出。图9 收缩管型喷头三、喷墨技术的比较表一 两类主要喷墨原理比较CIJDOD墨水需充电n墨水不需充电n墨水较浪费或需要回收n需要时喷墨,墨水不浪费n墨滴行程长n墨滴行程短n印刷质量较差n印刷质量高n可适印于粗糙不规则表面n适印于平整光滑表面n适合商业应用n适合办公应用表二 感热式与压电式比较Thermal-BubblePiezoelectric受限于热传导速度压电陶瓷反应速度快反应速度慢,打印较缓慢反应速度快，打印较迅速无法控制墨滴大小可控制墨滴大小提升质量具高温，墨水品质较不稳定无高温，墨水品质稳定具高温, 墨水盒质量较不稳定无高温, 墨水盒质量稳定墨水色素较不容易寻求无高温，喷嘴较容易堵塞墨水色素较不容易寻求墨水色素较容易寻求电子驱动较为简单电子驱动较为复杂体积较小体积较大须更换喷头不损伤喷头 （注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！）