数字喷墨打印技术对我国建筑陶瓷未来发展的影响＊

2011-09-28韩复兴范新晖王太华

陶瓷 2011年4期

关键词：喷墨墨水打印机

林伟韩复兴邱军范新晖王太华刘畅

（广东鹰牌陶瓷集团有限公司广东佛山 528031）

数字喷墨打印技术对我国建筑陶瓷未来发展的影响＊

林伟韩复兴邱军范新晖王太华刘畅

（广东鹰牌陶瓷集团有限公司广东佛山 528031）

2009年以来华东地区和佛山地区的部分一线陶瓷品牌企业先后引进了陶瓷数字喷墨打印技术装备，也推出了许多数字化陶瓷产品。在国家力推以科技发展观为指导思想，建设“资源节约型，环境友好型”社会和佛山各级政府力推“四化融合，智慧佛山”打造新兴工业、新型城市的关键时刻，陶瓷数字喷墨打印技术对建筑陶瓷来讲可能只是一个支点。笔者阐述陶瓷数字喷墨打印技术国内外生产研究现状、技术特点和数字化时代建筑陶瓷的基本特征。

建筑陶瓷数字喷墨打印机墨水喷头

Abstract：Since 2009in east China area and foshan ceramic parts of the first brand enterprise successively introduced ceramic digital ink－jet printing technology and equipment，has also put forward many digital ceramic products.In the national push technology development as the guiding ideology，the building of a“a resource－conserving and environment－friendly”society and foshan government entities at all levels pushed forward“four fusion，wisdom，foshan”create new industries and new city，the key technology of digital ink－jet printing ceramic building ceramic terms may be just a fulcrum.This paper expounds ceramic digital ink－jet printing production research situation at home and abroad in digital times，technical features and the basic characteristics of architectural pottery.

Key words：Building ceramic；Digital ink－jet printer；Ink；Nozzle

前言

喷墨印刷是一种无接触、无压力、无印版的印刷技术，最早出现在1878年。到了1951年，Siemens公司将液态的墨水转变成墨滴的技术申请专利，当时因为针、墨有问题，效果不佳，直到1964年才正式进入实用阶段。1964年藉由一个特殊机台，可以控制墨滴的大小及喷出的速率，这是喷墨机的雏形。直到1967年，Hertz研发出连续式的喷墨打印机，这就是目前在工业上使用的Continuous Ink－jet Printing。1972年Siemens推出Piezoelectric（压电式）的Drop－on－Demand Ink－jet Printing；1979年Canon推出Thermal的Drop－on－Demand Ink－jet Printing，但称为 Bubble Ink－jet Printing。数字喷墨印刷技术真正开始于1997年，1997年英国塞尔技术有限公司申请了一系列压电按需喷墨打印专利技术，随后日本精工爱普生株式会社也申请了一系列压电按需喷墨打印专利技术。10年来随着电脑技术发展，数字喷墨打印技术得到了飞速发展。2007年英国塞尔技术有限公司推出Xaar 1001喷头，Xaar 1001喷头具备的三大特点，使得喷墨技术成功地应用于流水线性的工业化生产。

西班牙Kerajet公司是陶瓷喷墨打印技术的先驱者，2000年Kerajet公司与爱尔法公司及福禄公司合作进入陶瓷喷墨打印机市场，由于西班牙对釉下彩抛光玉石产品的喜爱，使得陶瓷喷墨打印机得到推广。2006年由于喷墨打印喷头技术的进步，以Kerajet公司为领头羊的数字喷墨打印机开始在西班牙迅速发展。2007年，Xaar 1001喷头的成功亮相，又激发包括意大利、中国在内的众多陶瓷装备制造商和陶瓷产品制造商青睐。

图1 INK－CID数码喷印设备（上海斯米克陶瓷）

图2 NEWTECH数码喷墨印花机（三水金牌陶瓷）

短短3年，已经有400台陶瓷数字喷墨打印机走进生产车间，中国自2009年诺贝尔陶瓷引进意大利Kerajet数码喷墨印刷系统以来，目前也有16台走进华东、佛山、江西等10家陶瓷企业。陶瓷数码喷墨打印机的开发和关键辅材——陶瓷墨水，关键装备——喷墨喷头的开发也进入白热化阶段。

表1 陶瓷喷墨打印机生产情况

在综合分析陶瓷喷墨打印技术、装备技术、辅材技术的基础上，提出数字陶瓷喷墨技术的开发应用前景，并展望了数字技术对陶瓷产业未来发展可能有所影响的一些技术。

1 陶瓷喷墨打印技术

陶瓷企业目前所应用的喷墨打印机均为压电式按需喷墨印花机。其工作原理为：利用压电传感器对墨水施加冲击。当计算机控制的变化电压施加在压电传感器上时，它会随电压的变化而发生体积的收缩和膨胀，体积变化的方向取决于压电材料的结构和形状。当传感器收缩时会对喷嘴内的墨水施加一个直接的高压，使其从喷嘴高速喷出。电压消失后，压电材料恢复到原来的正常尺寸，墨室依靠毛细作用被储墨器充满。压电式喷嘴每秒钟能喷出14 000个左右的墨滴，比热脉冲式稍多，墨水体积稍小，为150×10－8L。

压电式喷头的分辨率高达1 440dpi（每英寸点数），寿命比热脉冲式高100倍。包括喷头、喷头矩阵及喷头板组成的喷头系统，包括墨盒、过滤器、墨泵、管路等在内的循环供墨系统，包括灰度控制器、显示器、路由器、芯片、接口在内的驱动电子设备，三元色＋黑色的陶瓷墨水和控制软件等5大核心成为陶瓷喷墨打印机的关键核心技术。

图3 喷墨打印工艺原理示意图

1.1 陶瓷墨水

国内陶瓷墨水的研究始于2000年，近年来形成了天津大学研究团队、南昌航空工业大学研究团队、大连理工大学研究团队、陕西科技大学研究团队和华南理工大学研究团队，共发表论文32篇，尤其是天津大学研究团队发表论文11篇，形成了杨正方、郭瑞松等一批专家。企业研究方面出现了广东佛陶集团股份有限公司、道氏制釉、华山制釉、科信达奥斯博等公司，申请了3个发明专利，尤其是道氏制釉已经获得专利2个。尽管如此，陶瓷墨水在国内仍处于研究阶段，离真正产业化还有一定的距离，笔者相信在2011年广州陶瓷工业展览会上会看到中国自己的陶瓷墨水。

图4 历年发表有关陶瓷墨水论文数量

图5 各大学发表陶瓷墨水论文人数及论文数

图6 各位专家发表论文数量

1.2 喷墨打印机喷头

表2 喷墨打印机喷头生产销售情况

图7 Xaar1001喷头

英国赛尔公司目前是全球最大的喷墨打印机喷头系统、电子驱动系统和循环供墨系统的最大供应商，此外通过对陶瓷墨水认证和控制软件认证为客户提供第三方服务系统。实际上，赛尔公司已经基本上控制了喷墨打印技术的硬软两部分。此外，虽然国际上有不少喷头生产厂家，尤其是日本的精工爱普生喷头和美国的Spectra喷头，在技术上是比较先进的，由于日本和美国都作为高技术产品对国内进行控制，造成国内喷墨打印机的开发处于无“头”的状态。近年来，也有不少专家和协会呼吁对喷头进行免关税，以解决喷墨打印机开发的燃眉之急。喷墨打印机生产销售情况见表2。

图8 日本东芝喷头

陶瓷数字喷墨打印机喷头的关键技术有两个：一是压电晶体陶瓷材料，二是微电子机械加工技术。尤其是微机械加工技术是微电子机械系统（MENS）的核心，他是一个国家战略性新兴技术之一，不仅在数码喷墨打印领域，而且在所有制造业、军工通讯业和航天航海领域都是关键核心装备的核心。英国赛尔公司的XAAR1001打印喷头的技术特点见表3。

表3 英国赛尔公司的XAAR1001打印喷头的技术特点

1.3 其他关键设备及软件说明

陶瓷喷墨打印机关键技术除了“（喷）嘴”还有“脑”，即驱动电子设备、开发软件包及驱动程序；“心”即循环墨水供应系统和末端喷墨供墨系统；“眼”即对陶瓷产品的跟踪控制系统达到按需求喷墨打印；“手”即在线陶瓷产品的传输系统。尤其是“脑”和“心”是国内陶瓷喷墨装备制造企业的不足。赛尔ES供墨系统包括过滤器、墨泵、独特的串流系统、副墨盒，一个墨泵可以为8个副墨盒及喷头供墨。赛尔XUSB DE驱动电子设备可通过PC或笔记本电脑的USB端口，同时驱动最多8个喷头，四色打印机需设置4个XUSB DE驱动电子设备。

2 其他陶瓷数字设备展望

2.1 陶瓷企业能源管理系统

能源管理系统简单地说就是把生产企业的能源消耗，如水、气（汽）、风、电的使用过程数据进行监测、记录、分析、指导。实时监控企业各种能源的详细使用情况，为节能降耗提供科学的依据，为企业查找能耗弱点，促进企业管理水平的提高及运营成本的进一步降低，使能源使用合理，达到节能减排，再创造效益的目的。通过数据分析，可以帮助企业对生产线、工作班组以及主要耗能设备进行实时考核，杜绝浪费，并可以帮助企业进一步优化工艺，以降低单位能耗成本，提高企业综合竞争力。

陶瓷企业目前还是耗能大户，研究建筑陶瓷节能路线图，利用先进的电子计量检测元件和电磁阀对各工作环境的温度、湿度空气质量进行检测数据收集，对各工艺装备的工作温度、压力、电流、电压、水流量、气流量、燃气流量、燃气压力、气体成分、原料成分、燃料成分进行检测数据收集，通过有线或无线输出，将数据输入服务器主机进行数据分析处理、监督管理和技术指导。陶瓷企业能源管理系统的核心是技术分析处理软件和专家处理软件。

2.2 按需供粉技术在陶瓷装饰机械的应用

按需供粉技术得益于按需喷墨打印技术的启发，需求是陶瓷抛光砖布料车。目前陶瓷布料车尤其是微粉布料工艺实际上或多或少吸收了传统的滚筒印刷技术或丝网印刷技术，如魔术师实际上就是丝网印刷技术在陶瓷布料车上的应用，如新概念微粉布料技术实际上就是吸收滚筒布料技术和岩变技术。无论是丝网抑或雕花滚筒对产品花色和图文设计都达不到“按需”，也达不到“仿真”，更达不到抛光砖设计开发的“多快好省”的目的。往往投入百万的布料车，一年后就过时，往往投入数百万的实验经费，耗费近百日的开发时间却很难使客户满意。数字技术和电脑辅助设计如果通过按需供粉技术的实现，如果通过合理的粉料鼓气动输系统、串流供粉系统、微电磁阀控制系统和一定密度的喷头板矩阵系列就可以实现微粉的电脑布料和电脑图像设计。那么我们的技术员完全可以坐在家里上班，也就实现了佛山城市化和国家化后的低碳生活方式。

2.3 按需供釉技术在流浆砖生产中的应用

流浆砖的开发始于2004年，有通体流浆砖和复合流浆砖。流浆砖流纹肌理明显，特别是引入透料的流浆砖更是具有特别的肌理和质感。由于传统流浆砖工艺不合理，造成纹理不稳定，生产时干燥阶段、烧成阶段存在一些问题，产品基本上仍处于试验阶段。新的流浆砖工艺采用按需供浆技术，仍采用多工位喷头，电磁阀喷釉工艺，肌理图案数字设计数字控制，微波干燥＋远红外热辐射干燥，实现数字化生产工艺。新的流浆砖主要为通体流浆砖，可实现微晶玻璃、传统陶瓷、石材所无法实现和达到的质感、肌理、纹理和图案，其次可实现工艺设计的远程控制和即时控制。