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喷墨头技术原理及发展

发布时间:2015-11-02 10:22:37 浏览次数:

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)。



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、CIJContinuous Ink-Jet

1、单路连续喷墨 (BinaryContinuous 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。




2 单路连续喷墨


2、多路连续喷墨 (Multilevel ContinuousInk-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3~6cp(厘泊)之间,范围较窄。



 

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,HPCanon 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-JetIBM将其印刷部门出售,促成了新公司Lexmark的诞生。HP1984年生产了它的第一台商用TIJ,之后XeroxOlivetti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。




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 Lexmark 的喷墨打印机



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, -Zr, -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  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()打印机外,Xaar  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,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50μm,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 Color1994)和StylusⅡ(1995),每个喷墨头含有64个喷嘴。



 


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,1977Seimens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。

                                              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

CIJ

DOD

墨水需充电

 墨水不需充电

 墨水较浪费或需要回收

 需要时喷墨,墨水不浪费

 墨滴行程长

 墨滴行程短

 印刷质量较差

 印刷质量高

 可适印于粗糙不规则表面

 适印于平整光滑表面

 适合商业应用

 适合办公应用


表二感热式与压电式比较

Thermal-Bubble

Piezoelectric

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

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