数码喷墨印花技术的研究现状以及发展趋势

2020-04-01力雪梅孙以泽

印染助剂 2020年2期

力雪梅，孙以泽

（东华大学机械工程学院，上海 201600）

传统的印花加工主要由圆网或平网印花完成［1］，需要经过制备花网、调制印花色浆、印制等多道工序，存在污染大、生产周期长、更换品种时间长、印花疵布多等问题［2］。当前，人们对设计的灵活度有着更高的要求，对纺织品的生产速度以及品种也提出了要求，数码喷墨印花可以更好地满足这些要求，因此，数码喷墨印花技术已经被大规模地应用于生产生活中，得到了更快速的发展。与传统印花加工方法相比，数码喷墨印花的精度更高，对环境的污染更小，且可以进行更加灵活和个性化的设计，图样可以通过计算机进行调整修改。

1 数码喷墨印花技术的发展历程及现状

20世纪70年代，数码喷墨印花技术出现，直到80年代，该技术的分辨率还是比较低，仅适用于印制地毯等。美国Milliken公司开发的Millitron系统和奥地利Zimmer公司开发的Chromojet系统运用电磁阀原理，利用计算机控制喷墨以及气流喷射来实现要求的图案。进入20世纪90年代，荷兰Stork公司推出Amber数码印花机。此外，日本Seiren公司是世界上第一个把数码喷墨印花技术产业化的公司。当时的喷墨印花机采用的是按需喷墨技术。进入21世纪，纺织品数码喷墨印花技术得到了快速发展。喷墨印花机的生产商数量迅速增加，印花机的性能也不断提高。数码喷墨印花的应用领域在不断扩展，产业化规模不断扩大，显示出良好的产业化前景。

中国的数码喷墨印花起步较晚，真正将此技术成果应用于工业生产的应属杭州宏华数码科技股份有限公司。该公司于1997年开始研究数码印花技术在纺织工业领域的应用，并于2000年研制出国内第一台数码喷射印花机。目前国内已经非常重视数码喷墨印花机的开发，在杭州宏华数码科技股份有限公司的带动下，已经出现了多家数码喷墨印花设备的开发企业［3］。2018年初，杭州宏华数码科技股份有限公司主持完成的“超高速数码喷印设备关键技术研发及应用”荣获国家技术发明二等奖。

2 数码喷墨印花的原理与分类

2.1 原理

数码喷墨印花技术首先将计算机产生的彩色图文信息或来自印前输入设备的彩色图文信息传递到喷墨设备，再通过特殊的装置，在计算机的控制下计算出相应的通道墨量，喷墨成像装置控制墨滴以一定速度由喷嘴喷射到承印物表面，最后通过油墨与承印物的相互作用，使油墨在承印物上再现稳定的图文信息［4］。

2.2 分类与比较

数码喷墨印花按照喷墨方式可分为连续喷墨法（CIJ）和按需喷墨法（DOD）。其中，连续喷墨法墨水浪费较多，打印效率不高［5］，故更多使用的是按需喷墨法。而按需喷墨法又可分为压电式按需喷墨、气泡式按需喷墨、阀门式按需喷墨以及其他按需喷墨方式。其中，比较常用的是压电式按需喷墨和气泡式按需喷墨。

喷墨方式不同，喷头、墨水等参数也不同。由表1可知，压电式喷墨喷出的墨滴更小，具有分辨率高、寿命长、可靠性高等优点，缺点是喷头的制造成本比较高。压电式数码喷墨印花机的生产厂商比较多，如Mimaki公司、Roland公司、DuPont公司、杭州宏华数码科技股份有限公司等。气泡式按需喷墨的分辨率比压电式按需喷墨低，喷头的寿命短、可靠性差，但是成本相对较低。气泡式数码喷墨印花机的生产厂商有Canon等。

表1 压电式和气泡式按需喷墨的参数比较

3 数码喷墨印花系统的构成

3.1 主要设备

数码喷墨印花系统一般由织物放卷机构、织物输送机构、喷墨打印机构、供墨机构、烘干机构、控制机构、RIP软件等构成。织物输送装置将待印织物输送至喷墨打印机构打印，为了保证印花的精度，采用伺服电动机控制织物的传送速度，与打印速度相互配合完成打印。打印完成后，将织物传送至烘干机构烘干。图1为数码喷墨印花系统的机体结构简图。

图1 数码喷墨印花系统的机体结构简图

3.2 喷头

在打印过程中，喷头的质量以及对各个喷头的控制尤为重要，喷头的质量直接影响打印的整体质量和速度。目前，市场上应用较多的喷头生产厂商有京瓷、精工、理光、赛尔、富士、柯尼卡、东芝等。

3.2.1 京瓷喷头

近年来，京瓷喷头在纺织品印花上的应用发展非常迅速。京瓷KYOCERA喷头主要分为KJ4A、KJ4B、KJ4C系列。其中，应用较多的是KJ4A和KJ4B系列。KJ4A系列适用于黏度较高的UV固化墨水，KJ4B系列适用于水性墨水。

京瓷喷头内有2 656个喷嘴，每个喷嘴的打印速度可达4万滴/s，总体打印速度超过1亿滴/s，打印宽度可达108 mm，最大可实现5级灰度、最大线速100 m/min、解像度600 dpi×600 dpi的单Pass高画质打印。

喷印速度是衡量喷头质量的一个重要参数。京瓷喷头通过对压电致动器进行改良设计，通过提高驱动频率、改良喷嘴形状、调整防水膜材料等措施来提高喷印速度。

京瓷喷头在质量、速度等方面可以满足大多数市场对喷头的要求，但是喷头价格相对偏高，一般厂家会根据机器自身需要来选择喷头种类。

3.2.2 精工喷头

精工喷头与京瓷喷头一样都来自日本公司。精工喷头有510BN、508GS、1020BN和RC1536系列，各系列参数见表2。510BN系列喷头在中国的应用已经有10余年，墨滴颗粒相比其他喷头更大，打印精度有待提高，需要提高打印质量来满足更多的市场需求。1020BN系列喷头是一款工作性能非常稳定的喷头。该系列喷头的有效打印宽度可达71.90 mm，普遍应用于UV打印机，工作性能稳定，寿命长，在性能上优于510BN系列喷头。508GS系列喷头集速度与精度于一身，打印速度较1020BN系列喷头提升了30%，具有可变的灰度打印工艺，极大地丰富了成像的过渡色、色域。RC1536系列喷头的优点是具有自动恢复断墨功能、喷墨速度快、温度恒定、墨水适用性广、废墨少，缺点是启动时间长、墨水循环流控制要求高、设备成本高［6］。精工喷头的显著优点是喷头寿命长，打印精度可以满足市场的主流需求，是一款高性价比的喷头。精工UV打印机是行业里较稳定的机器。

表2 精工各系列喷头参数

3.2.3 理光喷头

理光喷头应用较多的是GEN5系列，如MH5421喷头。MH5421喷头在MH5420喷头的基础上进行了改进，改进后的喷头在使用水性墨水时寿命将会延长。理光GEN4系列喷头有384个喷孔，8个喷头就有3 072个喷孔。与GEN4系列相比，理光GEN5系列喷头有1 280个喷孔，4个喷头就有5 120个喷孔。GEN4系列喷头是一个喷头打印一个颜色，而GEN5系列喷头是一个喷头打印两个颜色。因此，理光GEN5喷头打印速度更快。此外，理光GEN5系列喷头含有恒温和电路保温系统，喷头对环境的适应性更好，且适用于各种墨水，打印图像清晰，出墨流畅。相比之下，理光GEN4系列喷头对工作环境的要求更高，而且要使用专用的墨水。

总体来说，使用GEN5系列喷头的UV打印机速度快、精度高，而且机器运行稳定，性价比较高。

3.2.4 其他喷头

赛尔喷头的1000系列、500系列以及2000系列都是比较常用的喷头。在欧洲市场上，UV打印机常用赛尔2000系列喷头，即把两个赛尔1000系列喷头合并应用。赛尔喷头打印质量高，具有流畅的打印色调，应用十分广泛。富士喷头应用较多的是星光系列、桑巴系列，星光系列喷头在精细图片打印上还有些不足，但其耐用性、可维修性得到了广泛认可。柯尼卡喷头喷孔大、墨点粗，适合喷绘精度要求较低的图案，一般用于打印户外的宽幅广告。需要注意的是，选购柯尼卡UV打印机时，内加热比外加热更稳定、耐用。相对于几款热门喷头来说，东芝喷头是性价比很高的喷头，不仅价格相对便宜，打印速度快，而且使用寿命可达2～3年。

4 数码喷墨印花墨水

纺织品的数码喷墨印花来源于纸张的喷墨打印，但又与之不同。纺织品数码喷墨印花所用墨水在要求上多于纸张打印，不仅对色素纯度、不溶性固体颗粒粒径、黏度、表面张力、稳定性、电导率、pH以及起泡性等提出要求，而且墨水喷射到织物上形成图案后，还要求具有良好的染色性能［7］，并且要求对手感没有影响。

纺织品喷墨印花墨水按照溶剂可以分为水性墨水、溶剂型墨水以及UV墨水［8］。按照色素可以分为染料型墨水和颜料型墨水［9］。染料型墨水的优点是色谱齐全、着色鲜艳、稳定性好、不易堵塞喷头、打印质量好；颜料型墨水的优点是耐光和耐水色牢度好，但存在得色强度低、色彩不鲜艳、图案不清晰、成本较高的缺点。［10］染料型墨水作为一种水溶液，颗粒度对喷墨印花喷嘴没有影响；而在选择颜料型墨水时，要考虑颗粒度与自身设备的匹配情况，一般要将颜料粒径控制在1 μm以下，避免出现堵塞喷嘴的现象。［11］因此，综合生产成本和打印质量等因素，染料型墨水对市场的适应性更好，应用也更普遍。

染料型墨水可分为活性染料、酸性染料以及分散染料墨水。染料型墨水对织物有一定的选择性，活性染料墨水一般应用于棉织物印花，酸性染料墨水应用于蚕丝或锦纶类织物，分散染料墨水则应用于涤纶织物。织物在印花前需要进行一定的预处理，使表面更容易上染。而颜料型墨水对织物没有亲和力，适用的织物比染料型墨水更广泛。但颜料型墨水的生产成本更高，且色彩强度不如染料型墨水，色彩不够明亮。目前，市场上被广泛应用的喷墨印花墨水生产商一般有Ciba、Epson、Canon等。

数码喷墨印花的质量与所用墨水的质量息息相关。因此，数码喷墨印花设备的发展与进步对喷墨印花墨水提出了更高的要求，同时，喷墨印花墨水的发展也促使喷墨印花行业不断发展。

5 数码喷墨印花的特点及应用

数码喷墨印花在印花行业已经得到了广泛应用。计算机技术的不断发展促进了数码喷墨印花的发展，待打印的图片信息可以从计算机中获取或生成，给数码喷墨印花提供了更多的可能性。

5.1 与传统印花的比较

与传统的圆网印花或者平网印花相比，数码喷墨印花不需要分色描稿、制片、制网，不仅节省了大量的制版成本，而且省去了大量的制版时间和空间，生产周期缩短，同时生产更灵活，可以根据客户的要求及时、灵活地变换印花图案。该操作可在计算机上完成，不需要再重新制版。

数码喷墨印花摆脱了传统印花“高能耗、高排放、高污染、低附加值”三高一低的困境，尤其适合小批量、多品种、快速的生产模式［12］，相较传统印花更环保，无染料、助剂的废弃和浪费，无污水排放，是真正的清洁生产技术。

5.2 特点

数码喷墨印花的显著特点就是无需制版，借助计算机可以直接印花，生产十分灵活；印花质量高，色彩丰富，可以印制照片花型；批量小，顺应大规模定制潮流，适应个性化要求；可快速反应，零库存生产，生产过程数字化，印制效果一致性好，改善了印花生产的环境。［13］但是，数码喷墨印花的生产速度相较传统印花还不够快，且印花设备价格偏高，生产成本增大。

5.3 应用

目前，数码喷墨印花机已经不再局限于印制广告幅面以及纺织品等，还可以应用于皮革、陶瓷以及PCB电路板等。传统的PCB是通过刻蚀减成法制作的，生产工序冗杂、资源消耗大、环境污染严重。而采用数码喷墨印花技术制造PCB时，一般只要3道工序：基板布图、喷墨打印、热固化成型。生产工序少、耗能小、成本低、环境污染小，优势明显。利用数码喷墨印花技术的PCB喷墨打印机符合我国倡导的“节能、减排、降耗、增效”的产业政策发展方向，必将成为PCB生产的主流。［14］由此可见，数码喷墨印花的精度正在一步步提升，其应用领域也将更加广泛。