噴墨頭技術原理及發展

2020-10-29 17:07:52 jiaying_canuv 321

噴墨打印技術的主要原理分為兩類（見圖1）：噴墨方式可分為連續式及非連續式（或稱DOD-按需式）兩大類，而非連續式的打印方式又可依墨水噴出動力機構的不同，分為熱發泡式（Thermal bubble）及壓電式（Piezoelectric）。

圖1 噴墨技術分類

噴墨的速度取決于兩項主要的因素：一為墨滴頻率(每秒有多少墨滴) ，另一為墨滴大小。而噴墨頭的重量也會影響到速度，如重量輕的噴墨頭在加速和降速上就比較容易控制。至于分辨力則與兩項主要的因素有關：一為噴墨頭每一管道的間隔距離，另一因素為墨滴大小。

一、CIJ（Continuous Ink-Jet）

1、單路連續噴墨 (BinaryContinuous Ink-Jet)

大都使用于高速打印需求，且承印材料廣泛。該系統的主要缺點有：噴印分辨率比DOD型噴墨頭低，由于它采用的是低粘度的墨水，也沒有采用墨路回收裝置，會造成一定程度的浪費，相應的耗材成本較高。

圖2 單路連續噴墨

2、多路連續噴墨 (Multilevel ContinuousInk-Jet)

主要是帶電的墨滴從噴嘴射出后，根據圖像信號決定是到達承印物，還是進入回收系統內再使用。雖然大都使用在低分辨率、需要高速度的產品上，但也部分使用在中、高檔的彩色數字印刷系統。該系統的主要優點有：噴印速度高，適應性廣泛，系統穩定，噴墨頭的使用壽命比熱感式、壓電式噴墨頭的壽命長，而且印刷質量、化學性質穩定。但是系統維護費用較高，噴印分辨率相對較低，采用的墨水粘度在3~6cp（厘泊）之間，范圍較窄。

圖3 多路連續噴墨

二、DOD （Drop-On Demand）

DOD式噴墨頭可滿足較高質量和多功能的需求。熱發泡式噴墨 (thermal ink-jet) 打印機，由于低成本、噴頭壽命以及耗材等限制，大都使用于辦公型打印機。但是壓電式噴墨則功能多樣，能用于不同的材質，所以適用于數字印刷、包裝業、紡織工業和商業印刷等。

1、熱發泡式噴墨 (TIJ—Thermal Ink-Jet)

熱噴墨技術的工作原理是通過噴墨打印頭（噴墨室的硅基底）上的電加熱組件（通常是熱電阻），在3微秒內急速加熱到300攝氏度，使噴嘴底部的液態油墨汽化并形成氣泡，該蒸汽膜將墨水和加熱組件隔離，避免將噴嘴內全部墨水加熱。加熱信號消失后，加熱陶瓷表面開始降溫，但殘留余熱仍促使氣泡在8微秒內迅速膨脹到最大，由此產生的壓力壓迫一定量的墨滴克服表面張力快速擠壓出噴嘴。隨著溫度繼續下降，氣泡開始呈收縮狀態。原擠出于噴孔外的墨水受到氣泡破裂力量的牽引而形成分散墨滴，后端因墨水的收縮使墨滴開始分離，氣泡消失后墨水滴與噴嘴內的墨水就完全分開，而墨水則透過連通噴墨區與儲墨區的流道持續流入補充，從而完成一個噴墨的過程。每噴出一個墨滴都是上述流程協同運作的結果。

(1) 側噴型（Side Shooter Thermal Inkjet）

1977年，Canon獲得Side Shooter Thermal Jet氣泡式噴墨技術專利，與此同時，惠普也發明了與之本質相同的技術，HP和Canon 都不約而同地宣稱是自己的研究人員率先發明了噴墨打印技術，以此建立自己在噴墨打印領域的地位。不過“Bubble”這一概念已被佳能搶注，惠普只好將此命名為Thermal Ink-Jet。IBM將其印刷部門出售，促成了新公司Lexmark的誕生。HP于1984年生產了它的第一臺商用TIJ，之后Xerox，Olivetti公司也紛紛上馬生產。其他一些噴墨打印機公司則主要使用這些公司的OEM噴頭。

圖4 側噴型噴頭

(2) 頂噴型（Roof Shooter Thermal Inkjet）

頂部噴墨孔射出技術最早應用于HP及Lexmark 的噴墨打印機

圖5 頂噴型噴頭

熱發泡型打印速度較快，但缺點就是墨水只經推擠就被噴出，力量較不能集中，墨點易受到慣性影響，與印字頭拉扯不清，而產生不均勻或墨渣。另一個問題是，氣泡式的噴墨方式，因其印字頭常處于高溫狀況下，熱會使得印字頭更容易損耗，故需使用印字頭與墨水匣合一的方式來降低成本。

2、壓電式噴墨 (Piezoelect ink-jet)

利用壓電陶瓷（大部份的材料為鉛-Pb, 鋯-Zr, 鉭-Ta），由壓晶體管施加電壓使其產生形變，擠壓液體產生高壓而將液體噴出。供應全世界噴墨頭的廠商主要有 Xaar 和 Spectra 兩大家，目前以壓電式 (piezo) 為主流的噴頭不但應用在打印機市場，也由于其印墨選擇性多樣化，在不同的領域和產業上也被高度重視和采用。除了EPSON將壓電式噴墨頭成功商業化為高分辨率噴墨(水)打印機外，Xaar 和 Spectra將其應用于熔融的金屬、高分子塑料等材料的噴射與分配，并在電子工業制造上有極大的發展潛力。

(1) 彎曲型（Bend Mode）

由一壓電陶瓷片(piezoceramic)、振膜(diaphragm)、壓力艙(pressure chamber)、入口管道(inlet & manifold)及噴嘴(orifice)所組成。當壓電陶瓷盤承受控制電路所施加的電壓，產生收縮變形，但受到振膜的牽制，因而形成側向彎曲擠壓壓力艙的液體。在噴嘴處之液體因承受內外壓力差而加速運動，形成速度漸增的突出液面。其后雖然作用于壓電陶瓷片的電壓于適當時間釋放，液體壓力下降，噴嘴處液滴仍因慣性緣故，克服表面張力的牽引而脫離。典型的300DPI噴墨頭噴嘴直徑約為50μm，一次噴出液滴量約為100pl(1pl = litter)，速度約為10m/sec。為了達到這么高的噴出速度(動壓約為0.5大氣壓)，并克服液體之粘滯性及表面張力，壓力艙內液體所承受之壓力平均約為3大氣壓。