喷墨印刷系统共性特征及配置解决方案研究

刘浩红

(北京印刷学院检验检测中心,北京 102600)

喷墨印刷是生产型数字印刷机的主流工艺。近年来喷墨印刷在国内按需出版、商业等领域的应用取得了快速增长,更多印刷企业和投资者开始关注喷墨印刷领域。 在喷墨印刷技术的研发方面,国内外学者重点聚焦于喷头等关键技术领域。 德国Karlsruhe 工业大学、英国利兹大学、美国北卡罗纳州立大学的学者[1-3]研究了喷射原理及喷头制造关键技术。 我国西安交大、中科院纳米所、大连理工、华南理工、西安理工等院所的学者[4-9]开展喷射微流体动力学、振动对喷射影响、喷头结构优化设计关键技术研究。 在喷墨印刷系统集成创新方面,北大方正电子公司研制了高速宽幅喷墨印刷全数字化智能生产系统[10],深圳裕同公司从用户角度探索了喷墨印刷系统个性化定制方案[11]。 以上喷墨印刷的研发主要侧重于技术层面,而对喷墨印刷系统的解决方案的综合性能评价较少涉及。

印刷企业面对市场上国内外不同厂商推出的喷墨印刷系统,在关注喷头等关键零部件的性能同时,也必须确定喷墨印刷系统的最优解决方案,成为设备制造企业和印刷企业面临的共性难题。 基于喷墨印刷市场的调研数据、喷墨印刷系统质量检测及鉴定工作实践,从喷墨印刷市场应用发展趋势、喷墨印刷的构成以及喷墨印刷系统解决方案等维度进行了分析,为制造企业和印刷企业提供一种喷墨印刷系统的解决方案。

1 喷墨印刷系统市场需求特点

1.1 喷墨印刷市场发展

伴随“互联网+”、数字经济的发展,数字印刷市场也将发生新旧动能转换,创造中国数字印刷的“红利”。 2016-2020 年,每年高速喷墨印刷设备的当年装机量逐年递增,且当年装机量近乎上一年度当年装机量的翻倍数值。 高速喷墨印刷的市场持续向好,2020 年取得突破性进展[12-14]。 如图1所示:

图1 2016～2020 年中国市场高速喷墨印刷设备在不同应用领域的装机量[12]

1.2 喷墨印刷生产加工及必要性

传统印刷工艺“起印量”的要求,一方面导致印量超过市场的实际需求,造成了大量库存及浪费问题;另一方面市场上小印数的订单需求得不到有效满足。 而喷墨印刷生产具有明显的高效率、综合成本优势及高质量特点,将喷墨印刷与传统印刷印量成本平衡点由原来的200 册提升到2000 册甚至更多,极大缩小了喷墨印刷和传统印刷的成本界限,使喷墨印刷真正有可能进入主流出版印刷等领域。

喷墨印刷系统满足市场多品种、个性化、小印量业务订单,是解决图书库存痛点的有效途径之一,同时具有显著的技术优势、效率优势及成本优势。

2 喷墨印刷系统的共性特征

2.1 喷墨印刷系统的总体布局方案

喷墨印刷是通过计算机控制技术,将待印刷的图文信息进行处理,驱动控制墨水形成墨滴并喷射到承印物上,最终形成印刷图文的过程。 一般具有印刷速度快、纸张适应性好、印刷质量佳等特点。一般分为连续喷墨和按需喷墨两大类,按需喷墨又分压电式喷墨和热发泡式喷墨。 喷墨印刷系统一般分为“卷到卷”和“卷到书芯”两种方案。

目前市场上的喷墨印刷系统结构组成各不相同,本文以市场上较常见的压电式喷墨、“卷到书芯”方式的喷墨印刷系统作为研究对象,对其共性特征进行定义。

2.2 喷墨印刷系统的层级定义及共性特征

2.2.1 喷墨印刷系统层级定义

喷墨印刷技术涉及机械工程(机械电子工程二级学科)、控制科学与工程、计算机科学与技术(计算机系统结构、计算机软件与理论、计算机应用技术三个二级学科)、电子科学与技术(电路与系统二级学科)、材料科学与工程(材料物理与化学二级学科)、力学(流体力学二级学科)等多个一级(二级)学科。 喷墨印刷系统是由机械本体、控制、计算机硬件与软件等部分组成的复杂机电系统。 一般机电系统是由若干部分相互联系、相互作用,形成的具有某些功能的整体。 单元是系统中的一部分,由组件或零件、分组件装配在一起,通常在各种不同的环境中能够独立工作的组合体。 因此,将喷墨印刷系统的构成分为四个层级:部分、子系统、单元(或模组)、装置(或模块)。

从构成角度,喷墨印刷系统可分为开卷部分、印刷部分和连线裁切部分。 从功能实现和信息流角度,也可分为硬件部分和软件部分。

2.2.2 喷墨印刷系统的共性特征

“卷到书芯”喷墨印刷系统一般由开卷部分、印刷部分、连线裁切部分组成。 印刷部分由平台子系统、喷印子系统、主控制子系统、同步控制子系统、印刷流程子系统组成。 连线裁切部分由缓冲子系统、裁切子系统、堆叠子系统和传送装置组成。如图2 所示。

图2 喷墨印刷系统组成结构示意图

(1)开卷部分:实现纸张平稳放卷运行,走纸速度与平台设定走纸速度匹配。 放卷时同步对纸张进行除尘除静电处理,一般带有纸张断纸、双张、纸尾检测功能。

(2)印刷部分:实现从文件处理、数据传输、走纸、喷墨打印并干燥的整个打印过程,系统可实现额定速度内稳定可靠打印。 印刷部分各结构介绍如下:

1)平台子系统:一般由机械平台单元、平台电气单元组成。 机械平台单元是整套系统的根基,一般采用铸件底盘及墙板,保证整机平台的结构刚性、稳定性。 通过平台电气单元的交互作用,实现纸张纠偏及张力控制稳定,保证纸张传输长期稳定可靠运行。

2)喷印子系统:实现喷印过程中的打印数据高速传输、喷头打印控制及调整,非打印及喷印有质量问题时的喷头清洗维护,满足印刷生产时的稳定喷印需要。

3)主控制子系统:整个喷墨系统的核心控制软件,实现监测平台各部分状态,控制印刷平台整体如喷印子系统、供墨单元、干燥单元和连线裁切系统的运行。

4)同步控制子系统:实现打印数据和纸张运行速度的匹配。

5)印刷流程子系统:实现文件规范化、拼版、RIP 处理,RIP 后数据传送给喷印子系统打印。

(3)连线裁切部分:实现印刷完的纸张连线裁切、堆叠输出。 一般有缓存子系统、裁切子系统、堆叠子系统及传送装置组成。 连线裁切部分各子系统特征介绍如下:

1)缓冲子系统:用于缓存印刷后的纸张,以匹配裁切速度,实现纸张可靠传输给裁切子系统进行裁切。

2)裁切子系统:经缓冲子系统传输来的纸张按设定裁切要求实现纸张实时精准裁切。 一般支持加中刀裁切输出。

3)堆叠子系统:裁切的纸张按设定的参数要求堆叠收纸。 一般支持错位堆叠输出。

4)传送装置:用于输送堆叠机输出的纸张。

喷墨印刷系统是由多个功能模块组成且功能复杂的一套有机整体系统,要求每个功能模块在满足设计功能要求的前提下实现安全、可靠运行。

3 喷墨印刷系统配置解决方案

3.1 市场上部分喷墨印刷系统关键性能指标

目前市场上主流的喷墨印刷系统关键性能指标见表1。

表1 市场上主流的喷墨印刷系统关键性能技术参数

3.2 喷墨印刷系统配置解决方案确定依据

喷墨印刷系统关键性能指标的实现取决于其配置,为此,以《GB/T36062—2018,数字印刷系统的使用要求及检验方法》[15]和《GB/T XXXX—2022 书刊喷墨数字印刷机》(报批稿)[16]为依据,并参照北京印刷学院检验检测中心对所检测喷墨数字印刷机的检测情况,分析了配置对喷墨印刷质量的影响。 基于对市场中各制造企业公布的喷墨印刷系统有关技术信息的分析,通过对喷墨印刷系统制造企业及印刷企业的调研以及结合对部分喷墨印刷系统产品检测及产品鉴定结果的研究,提出喷墨印刷系统解决方案。

解决方案基本要求:喷墨印刷系统需满足印刷质量要求,能够稳定性生产,同时具有高性价比。

3.3 喷墨印刷系统解决方案

基于喷墨印刷系统的结构特征、印刷企业的使用要求以及对喷墨印刷系统的售后服务保障情况,提出喷墨印刷系统解决方案主要包括喷墨硬件系统、软件系统等。

3.3.1 喷墨印刷系统硬件部分与子系统的匹配原则

从功能实现和信息流角度,喷墨印刷系统简单划分为硬件部分和软件部分,其中硬件部分包括开卷、机械平台、电气柜、喷印、供墨、干燥、连线裁切出书等硬件平台,软件部分包括喷墨主控制子系统,印刷流程子系统等软件。

硬件部分各模块采用的技术、制造工艺、用材及电气元件性能等决定硬件部分的技术性能、使用寿命及运转的稳定性。

(1)开卷部分技术性能要求与对应配置方案

开卷部分产品技术比较成熟,采用的纠偏装置,除静电装置,断纸、双张、纸尾传感器等采用品牌厂商产品为佳,质量及寿命上有保障。 在满足功能技术要求外,需考虑实际生产时人员的操作便利性及安全性要求。

(2)平台子系统精度稳定性与对应配置方案

平台可简单理解为设备的“底盘”,是设备所有子系统安装的基座,保证了整机平台的结构刚性、稳定性,同时平台要满足设备二次移机装机需求;要求平台底座及墙板用材及强度要满足设计性能要求,平台底座及墙板采用较厚铸铁结构尤佳。同时平台采用品牌及高精度的电气元件如伺服驱动电机、计量辊、编码器等实现纸张张力控制及走纸速度稳定可靠运行。

(3)喷印子系统印刷精度保持性与对应配置方案

喷墨印刷质量需满足业务品质要求,实际生产喷印应稳定可靠,打印数据跟喷印速度匹配,喷头底板加工精度及喷头安装精度高,不应有较频繁的打印白道、蹭喷头等质量问题。 喷印子系统的可维护性好,维护操作便捷,一般自动维护1-2 次,喷印子系统即可恢复至印刷状态。 供墨单元要求喷印过程中可持续稳定供墨。 干燥单元用于实现喷印后墨水快速干燥,保证纸张不掉墨,墨不粘脏,纸张无褶皱。

(4)控制系统数据传输与印刷速度同步性

实现打印数据和纸张运行速度的匹配,要求套印参数调整好后,打印的图像套印准确,套印精度在设计误差范围内。

(5)连线裁切稳定性与喷印速度的匹配性

连线裁切部分的技术成熟性和稳定性一定程度上决定了喷墨硬件系统选型成功与否。 喷印系统生产具有越喷印、生产越稳定的特点,连线裁切部分的技术成熟及稳定性直接决定喷墨硬件系统整体生产稳定性。 可使用薄纸测试连线裁切、堆叠及输出性能,重点测试裁切速度、堆叠错位调整、输纸等生产稳定性。

3.3.2 喷墨印刷系统软件部分与子系统的匹配原则

很多印企在选取喷墨印刷系统时存在一个明显的“误区”:往往重点在于评估喷墨硬件系统的价值,容易忽略软件系统的重要性,其实软件系统是整个喷墨印刷系统的“灵魂”。

(1)软件的可扩展性、可维护性、可操作性。软件对整个喷墨印刷系统功能持续改进及完善非常重要,喷墨印刷系统好不好用,更多地体现在软件系统的功能是否完善及操作是否友好,充分考虑实际生产操作习惯、界面操作交互简单便捷的主控制系统方便操作人员使用系统操作、调整及控制整台喷墨印刷系统,如喷印子系统、供墨单元、干燥单元、连线裁切部分的运行。

(2)印刷流程子系统的兼容性。 喷墨印刷系统配置的印刷流程系统应支持常用格式的文件处理,实现文件规范化、拼版、RIP 处理及色彩管理功能,保证各类文件处理及高质量喷印输出;其中系统RIP 处理速度、RIP 处理及加网技术、色彩管理技术对喷墨高速印刷、高质量喷印输出尤为关键。

(3)文件处理能力与印刷质量。 可使用专门的文件测试软件处理文件的能力及最终打印输出质量,重点评估软件处理图像、文字、线条、渐变、满版底色等对象的处理精度及喷印质量,充分评估软件系统对喷墨设备的功能及价值加持。

4 结语

通过定义的喷墨印刷系统四层级结构分析方法,从构成、使用性能及信息流方面,对喷墨印刷系统进行了结构分析,并依据喷墨印刷国家标准及检验检测情况,提出了喷墨印刷系统的配置方案,分析了印刷精度、印刷速度、印刷稳定性、裁切稳定性、兼容性、扩展性等共性特征的匹配性,提出了各部分、子系统、单元、装置的性能匹配的解决方案。表明提出的喷墨印刷系统层级划分方法及配置方案具有普适性。 在此基础上结合市场调研,研究分析,给出了典型喷墨印刷系统的解决方案,将对喷墨印刷系统制造企业及印刷企业提升喷墨印刷质量提供指导。