浅析喷墨印刷技术应用进展

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在过去10年间，喷墨印刷市场已经得到了长足发展。尽管面临全球经济萎靡，用于新技术开发和推广的资金逐步减少，但喷墨印刷技术从未停止前进的步伐。2011年，随着欧洲地区GDP出现缓慢增长，印刷业同时也进入了销售量的艰难上涨阶段。然而，喷墨印刷领域却成为印刷领域增长速度最快的黑马。欧洲地区的喷墨印刷急速发展，其主要表现为喷墨印刷机安装量的增加，同时促使喷墨印刷油墨出现两位数字的增长。2008年的德鲁巴展会，由于大量新型喷墨技术的出现而被行业誉为“喷墨德鲁巴”。在IPEX 2010展会上，数码印刷厂商（多数为喷墨印刷厂商）的参展面积也大于传统印刷。在2012年5月的新一届德鲁巴展会上，创新的喷墨技术依然成为焦点，很多业内人士称这次展会为“喷墨德鲁巴2.0”。目前喷墨印刷在全球印刷和包装印刷市场中只占很小的一部分，据资料显示，2011年喷墨印刷大约只占全球印刷总产值的4.2%，占全球印刷总量的比例略低于0.5%。预计到2017年，喷墨印刷将占全球印刷总产值的7%，占全球印刷总量约1%的份额。这对供应商来说是很有吸引力的，因为该领域正在强劲增长，而传统印刷量却在下降。

喷墨印刷是一种非接触式的复制技术，图像或图形经过扫描仪、数码相机输入计算机，或由计算机直接绘制、写入图像和文字，计算机将其特征数字信号传输给打印机，打印机再以电信号控制印刷头系统，喷墨头喷射墨滴逐滴逐行在承印基材上形成图像和文字，不需传统的印版。下面针对喷墨印刷技术的应用现状以及在常规图文复制领域和其他科技领域的应用情况进行介绍，从而方便广大业内外人士对喷墨印刷有一定的了解。

喷墨印刷应用技术现状

喷墨印刷应用技术分为连续式和按需分配式两种类型：连续式喷墨印刷是指，喷墨印刷机在喷嘴后面调整压力波，使墨水细流断裂成均等尺寸的墨滴，在飞行到承印材料的过程中这些墨滴被充电，在电场中偏离，打印成所要求的图案；按需分配式喷墨印刷是指，喷墨印刷机工作时只在承印材料需要印刷图文的区域，根据需要喷出墨滴完成印刷，其中按照墨滴形成方法可分为热喷式（又称热发泡式）和压电式。

目前，世界知名的喷墨印刷设备制造商有美国的惠普（hp）公司、日本的爱普生（Epson）公司、日本的佳能（Canon）公司、美国的利盟（Lexmark）公司，此外夏普（Sharp）公司、施乐（Xerox）公司、戴尔（Dell）公司、联想（Lenovo）公司等制造商的相关技术和设备也不容忽视。

世界著名的喷墨设备生产厂商各自投入研发力度，近年来在印刷品质、印刷速度、印刷成本3个方面取得了令人瞩目的突破。其中有美国惠普公司的富丽图分层技术、智能色彩增强技术，日本爱普生公司的智能墨滴变换技术、自然色彩还原技术、超精微墨滴技术，日本佳能公司的专业照片优化技术、四重色控技术，此外还有一些其他公司的技术，这些都在一定程度上提升了喷墨印刷的技术含量。

1.印刷品质

提高彩色墨水种类的数量是提高画质最为直接的途径。目前，高端喷墨印刷设备已经实现了八至九色墨盒，能够表现上亿种色彩。就表现色彩数量来看，八色墨盒已经能满足绝大多数苛刻的要求。印品质量的稳定和提高，除了取决于墨水配方和墨盒数量以外，与喷头也有很大关系。目前，热泡式喷头已经能够喷出1皮升（1皮升=10-12升）的墨滴，如日本佳能公司喷头的FINE技术能规则排列高密度的微小喷嘴，最高可达9600dpi×2400dpi的超高分辨率，确保打印画质的清晰、精致。而微压电式喷头也能够喷射1.5皮升的墨滴，如日本爱普生公司使用的世纪虹彩K3墨水的新型号喷墨设备使用一英寸宽的喷头，每种颜色的喷嘴数量达到180个，印刷更精细。如墨滴的尺寸进一步减小，对印品质量的影响微乎其微，因为1―1.5皮升的墨滴几乎达到了人类视觉的极限，不过尺寸再减小将严重影响印刷速率，并且加工喷头的工艺也比较困难。

2.印刷速度

提高喷墨印刷速度的一个关键技术和手段就是增加喷嘴的数目。目前热发泡式喷墨印刷机的喷嘴已经开始采用光刻法制造，这种方法能够精确制造大量很小的喷嘴，而喷嘴与墨盒的一体化设计也保证了印刷的精度。由于热泡式喷嘴结构比较简单，增加喷嘴数目也不至于导致成本过高。但微电压喷墨设备的喷嘴结构较为复杂，所以加工成本较高，采用单纯提高喷嘴数目来提高印刷速度的方法会使成本大幅度增加。

3.印刷成本

降低喷墨印刷成本是涉及墨水配方、墨盒设计、智能芯片和喷墨印刷机本身设计等方面的系统工程，美国惠普公司的可升级喷墨印刷技术通过对墨盒、喷嘴、智能芯片和喷墨印刷机控制系统以及应用软件等相关软硬件的创新设计，使喷墨设备能够以高速印刷出品质高端的文档和照片。在影响喷墨印刷成本的因素中，最关键的还是耗材成本，这给非原装墨水的生产厂商带来了商机。

随着喷墨印刷设备的进一步推广，在成功占领家用和办公领域市场之后，其应用领域逐步向数码印花和传统图文复制行业渗透。喷墨印刷技术不仅能够完成书刊的印刷，而且在高速和低速的情况下还可以完成高质量的多色印刷，以及实现张张不同的可变数据印刷。例如，条形码印刷是喷墨印刷技术的一个特殊应用领域，有序和无序的条形码是标签优惠券等印刷产品必不可少的部分。

喷墨印刷能够轻松实现各种条形码、数字和具体信息在承印材料上的快速印刷，目前喷墨印刷的打印耗材已成为继PC、外设、网络、软件、通信之后的第六大IT产业板块。我国珠江三角洲地区是以珠海为中心的耗材生产基地，产品出口到世界各国。全世界打印耗材制造基地开始逐渐向中国转移，中国正在成为世界喷墨设备的主要制造国家，已成为喷墨印刷打印耗材的最大潜在市场。

由于喷墨印刷产生的墨滴尺寸微小、喷墨位置精确，喷墨图案设计简单以及印刷图案控制容易，喷墨印刷技术已逐步成为基础研究和产品研发的个有力工具。喷墨印刷是研究功能材料的选择性沉积作用最有前景的方法之一，在电子、光学、化学、生物学或结构功能材料方面，喷墨印刷技术在纳米颗粒图案化及输送精确数量的特殊材料方面的应用具有特别的吸引力。目前，在生物技术和工程、金属沉淀学、微结构制造、电子制造、网络连接、制药、玻璃、陶瓷等领域，喷墨印刷技术取得了突破性进展。

英国曼彻斯特大学研究小组正与喷墨头开发商英国赛尔（Xaar）公司密切合作，共同完善用于传送骨骼修复或细胞移植等人体细胞的喷墨印刷设备。运用喷墨系统把活的人体干细跑打印到受伤的病人身上，即医生要给病人移植一些替代的细胞，让它们长成合适的尺寸、形状，起到组织移植作用。

日本芝浦机电工程公司公布了通过喷墨技术在玻璃基板涂敷液晶定向聚酰亚胺膜的方法，并且改善后的喷墨印刷设备已经应用于国外液晶面板厂商的数台试制线。

日本爱普生公司也利用喷墨技术的“液体成膜技术”获得了丰硕成果。传统电子零件的制造均采用重复进行影像平版印刷的方式来形成电路，该方法会造成材料使用上的浪费，大约需要300个工序，使用了大量能源，并会造成大量废弃物排放。喷墨印刷技术采用施加电压产生变形的压电材料，喷头喷出数皮升的微细墨点在芯片上实现高精细度的印刷电路，从而不仅能减少资源使用上的浪费，而且还能够大幅减少工艺流程、废弃物排放和能源使用量。另外，爱普生公司推出的喷墨设备实现了液晶板彩色滤光片的生产，这是喷墨技术在电子元器件制造领域取得的又一个重大突破，颠覆了传统的“光刻法”生产工艺，并创造出更多价格合理、品质卓越的新型显示产品。

除此之外，喷墨印刷导电油墨在RFID无线射频识别技术上的应用越来越多，随着物联网时代的到来，将来喷墨印刷在印刷电子领域的应用前景将十分广阔。

喷墨印刷技术在3D打印领域的应用

喷墨技术现已经被用于制作产品和组件原型的三维固体模型。英国赛尔公司声称喷墨设备能够制作用于皮肤表面的包扎绷带，它能够把移植的皮肤组织喷到绷带上，从而帮助大量的烧伤患者。最近，这些源于美国的3D打印产品的新闻让国人感到新奇，如时速72公里的无人机和可以射击的步枪，甚至今后可能用于心脏搭桥手术中的动脉等。

3D打印技术正在重塑全球制造业的竞争格局，有着令人期待的应用前景。该技术虽在国内还未普及，但产业链正在形成，如中国3D打印技术产业联盟前不久在北京成立。据美国沃勒斯同仁咨询公司的数据显示，2011年全球3D打印产品与服务的销售额为17亿美元，到2019年该行业的收入将达69亿美元，其中零部件制造占80%。尽管如此，3D打印机在中国的装机量仅400多台，而美国则拥有3000台以上，并且每年的增幅都非常明显。

3D打印激发了人们的想象力，工程师们可以用其打印模具，“极客”牙医可以打印假牙，汽车维修公司可以打印稀缺的汽车零部件，而不是忍受全球物流的烦琐和时间的消耗。另外，像捷豹、路虎等汽车生产商，用环氧树脂基复合材料所制的部件中已有超过1/3是通过3D打印机生产。2012年7月，美国宇航局（NASA）在地球上进行低重力抛物线飞行过程中，测试了3D打印机。或许宇航员们以后能用3D打印机来制造发射时遗漏的设备或物品。近几年，北美和欧洲的3D打印市场正在急剧增长，从3D巨头美国斯川塔斯公司2011年的财务报告可以看到，其80%的收入来源于欧美市场。

虽然3D打印现在还没完善到直接造出汽车和iPhone的程度，但对于制造某些汽车配件和特别定制的手机零部件已非难事。正是因为其制造过程多是以数字化的方式进行，使得人们可以用更少的人力成本，灵活地生产少量产品，这对欧美国家而言是一个福音，但对我国来说或许将给制造业带来定的冲击。在飞机、核电和火电等行业所使用的重型机械、高端精密机械装备上，传统的焊接和零部件加固的方法，使得部件之间的连接非常费工，而且牢固性还有待提高；但若使用3D打印技术，无缝连接是其最大亮点之一，结构的稳固性和连接强度将得到很大的提升。

总之，喷墨印刷技术的工作原理简单，制作成本低廉；操作灵活方便，可用于不同场合；印刷方式多样。适用于不同要求；可选用不同喷墨材料，根据不同的印刷要求来适应室内和户外使用；印刷精度和速度逐步提高，印刷介质越来越广泛。因此，为了使具有强大生命力的喷墨印刷技术在中国生根并迅速成长，在将来使中国在实现印刷强国转变过程中立于优势位置。

工作单位：

中科院化学研究所