淺談陶瓷噴墨打印技術(shù)*

淺談陶瓷噴墨打印技術(shù)*

田怡

(建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所北京100024)

摘要陶瓷噴墨打印技術(shù)是近幾年陶瓷行業(yè)的熱點技術(shù)之一，也是建筑陶瓷生產(chǎn)企業(yè)用于釉面的最新技術(shù)。筆者從陶瓷噴墨打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀入手，介紹了陶瓷噴墨打印技術(shù)的特點、裝飾效果以及在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用情況，并分析了陶瓷噴墨打印技術(shù)在我國快速發(fā)展的原因。重點介紹了陶瓷噴墨打印機核心技術(shù)墨水和噴頭的性能要求、制造方法及使用情況，采用分散法制造墨水的工藝要求，并對國內(nèi)外墨水性能、價格及穩(wěn)定性能進行了分析對比；在研究國外主要噴頭制造商性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了陶瓷噴墨打印機噴頭的發(fā)展方向，對現(xiàn)階段陶瓷噴墨打印技術(shù)存在的問題進行了分析，指出隨著噴墨打印機噴頭的進一步改進，噴墨打印技術(shù)將向著噴釉、噴干粉的發(fā)展方向，逐步成為瓷磚裝飾印花、施釉的主要技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞瓷磚裝飾技術(shù)噴墨打印機墨水噴頭趨勢

陶瓷噴墨打印技術(shù)是建筑陶瓷領(lǐng)域中集成創(chuàng)新的成果，采用噴墨打印技術(shù)進行裝飾的產(chǎn)品，其花紋色彩日趨豐富，立體感強，具有逼真的仿油畫、仿樹皮、仿木紋和高檔石材的效果。因此，圍繞噴墨打印的各種裝飾技術(shù)也成為行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新點。陶瓷噴墨打印機是近幾年陶瓷行業(yè)的熱點裝備之一，它轉(zhuǎn)版容易、迅速，調(diào)色操作簡單，生產(chǎn)重復(fù)性好，使陶瓷磚的個性化定制成為可能。

1陶瓷噴墨打印技術(shù)

1.1　陶瓷噴墨打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

陶瓷噴墨打印技術(shù)通過電腦系統(tǒng)控制，花色轉(zhuǎn)產(chǎn)靈活、色差小、圖案變化豐富，即使有幾十款花色，也可以隨時安排生產(chǎn)。除了常規(guī)的花色外，產(chǎn)品花色沒有雷同，即使是同一家企業(yè)，不同品牌之間的花色和風(fēng)格也是不一樣的。噴墨打印技術(shù)的應(yīng)用縮短了企業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)周期，減少了產(chǎn)品的研發(fā)費用，加快了推出新產(chǎn)品的步伐。雖然噴墨打印與絲網(wǎng)印花相比，成本不相上下，但是生產(chǎn)企業(yè)如果成本控制不到位，就會導(dǎo)致生產(chǎn)成本偏高。

1998年,西班牙的凱拉捷特(KERAjet)公司制造出全球首臺陶瓷噴墨打印機，亦是最早進入中國陶瓷行業(yè)的國外噴墨打印供應(yīng)商，其全球的銷量已經(jīng)達到1 400多臺，占據(jù)全球陶瓷行業(yè)70%的噴墨打印機市場。該公司2013年推出的KERAjet1400打印機，有6排打印色槽、12個色彩模塊，最大打印尺寸為1.4 m，最高分辨率可達400 dpi×1 016 dpi，是目前規(guī)格最大的陶瓷噴墨打印機。

2011年噴墨打印技術(shù)開始在我國瓷磚行業(yè)中應(yīng)用，迄今為止全國有超過三分之一的陶瓷磚生產(chǎn)線配備了噴墨打印設(shè)備。生產(chǎn)企業(yè)采用噴墨打印技術(shù)主要用于瓷磚、仿古磚、全拋釉磚、外墻磚等產(chǎn)品的釉面裝飾，其中瓷片類企業(yè)使用的噴墨打印機數(shù)量最多，瓷片類產(chǎn)品一條生產(chǎn)線需要配置3臺或以上噴墨打印機，部分大型陶瓷磚生產(chǎn)企業(yè)裝備的噴墨打印機超過10臺，噴墨打印產(chǎn)品所占比例在50%～60%，一些企業(yè)已經(jīng)開始生產(chǎn)全噴墨印花產(chǎn)品。除了瓷片，仿古磚和全拋釉磚也是使用噴墨打印機的兩大類產(chǎn)品，尤其是從2013年起，在一些瓷區(qū)的仿古磚和全拋釉磚生產(chǎn)企業(yè)開始推廣噴墨打印技術(shù)，也有很多仿古磚企業(yè)準(zhǔn)備增加噴墨打印機，相對普通仿古磚來說，噴墨打印花色效果更好，客戶更易于接受。

截至2014年4月，我國在線運行的陶瓷噴墨設(shè)備已超過2 000臺，國產(chǎn)陶瓷噴墨打印設(shè)備在國內(nèi)的市場份額已經(jīng)占到60%左右，占據(jù)主導(dǎo)地位。到2014年年底，國內(nèi)瓷磚生產(chǎn)企業(yè)配備的噴墨打印設(shè)備已達到3 000臺。

佛山市三水盈捷精密機械有限公司生產(chǎn)的King Jet 910/8色大型噴墨機是新景泰系列的成熟機型。該機結(jié)構(gòu)緊湊，選用目前使用率最高的XAAR 1001噴頭，采用循環(huán)式供墨系統(tǒng)，數(shù)碼打印板打印功能強。該種機型主要用在墻磚、地磚、外墻磚、腰線等大規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)線上，打印產(chǎn)品尺寸最大可達1 m。該系列設(shè)備的升級機型，顏色通道由原來的6色增加至8色，并對設(shè)備的抽風(fēng)系統(tǒng)進行了改進，使其在大規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)線上使用時，即使坯體溫度較高、水蒸汽較多也能夠正常運轉(zhuǎn)。Mini Jet 490/6色小型噴墨機，機身小巧功能齊備，其中的雙層皮帶送磚結(jié)構(gòu)是國內(nèi)首創(chuàng)的設(shè)計，能使設(shè)備在維護、停產(chǎn)和試驗時不影響原施釉線的正常使用，解決了噴墨打印機需要另外設(shè)置備用通道的問題。該設(shè)備具有占用空間少、支持插打和雙通道打印，可以在小規(guī)格瓷片的生產(chǎn)中發(fā)揮作用。

1.2　陶瓷噴墨打印技術(shù)的快速發(fā)展

陶瓷噴墨打印技術(shù)在我國快速發(fā)展的原因有以下幾點：

1)建筑陶瓷行業(yè)的轉(zhuǎn)移與新產(chǎn)區(qū)的興起，新建的陶瓷企業(yè)和中小型陶瓷企業(yè)采用噴墨打印技術(shù)能夠迅速提升產(chǎn)品的裝飾效果。

2)在人力成本大幅度上升的背景下，采用噴墨打印技術(shù)能夠大幅度減少對版人員、傳統(tǒng)輥筒印花與絲網(wǎng)印花工藝跟線人員的數(shù)量。

3)該項技術(shù)的應(yīng)用提升了生產(chǎn)的自動化水平，縮減了輥筒和絲網(wǎng)印花的工藝環(huán)節(jié)，簡化了生產(chǎn)管理。

4)陶瓷墨水的價格不斷走低，使陶瓷企業(yè)降低了應(yīng)用該項技術(shù)的生產(chǎn)成本。伴隨陶瓷噴墨打印技術(shù)在我國的推廣和普及，我國陶瓷噴墨打印技術(shù)將進一步完善，并拓展到全新高度。

2陶瓷噴墨打印墨水

2.1　陶瓷噴墨打印墨水的制備

陶瓷墨水的制造方法主要有分散法、溶膠-凝膠法和反相乳相法。

溶膠-凝膠法由于所需原料昂貴、溶膠不穩(wěn)定而受到限制。反相乳相法由于墨水固含量低，有許多技術(shù)問題亟待解決。分散法工藝較上述兩種方法簡單，而且生產(chǎn)成本相對較低，結(jié)合國內(nèi)陶瓷色料技術(shù)配方上的優(yōu)勢以及國內(nèi)超細研磨機械制造商在砂磨機方面取得的突破，分散法成為國內(nèi)大部分陶瓷噴墨打印墨水生產(chǎn)廠的首選工藝。

采用分散法制備墨水要求色料發(fā)色力度強、導(dǎo)電率低、高溫發(fā)色穩(wěn)定和抗磨性能好。色料的發(fā)色飽和度、發(fā)色鮮艷度以及色料發(fā)色穩(wěn)定性是衡量色料的標(biāo)準(zhǔn)。若要在多種釉料中發(fā)色均勻，特別是在鋯白釉料和亞光高溫釉料中發(fā)色飽和度要均勻，不能存在部分釉料中發(fā)色好，部分釉料中不發(fā)色或者發(fā)色減弱等現(xiàn)象。因此，應(yīng)用于陶瓷墨水生產(chǎn)的色料，在原料選擇上除了要求粒徑小之外，還要求盡量使用純度較好且性能穩(wěn)定的原料，煅燒過程中應(yīng)該采用降低燒成溫度，延長保溫時間的方案。另外，部分礦化劑類如鉀鹽、銨鹽等對于色料的發(fā)色有促進作用，但是在陶瓷墨水制備中的礦化劑容易導(dǎo)致墨水導(dǎo)電率過高而產(chǎn)生結(jié)膠和絮凝抱團現(xiàn)象。同時，對于煅燒溫度過高或者過低的色料產(chǎn)品，在后期的霧化超細研磨過程中容易發(fā)生物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)色不穩(wěn)定和延長墨水的研磨時間。色料飽和度的增加可以減少墨水中的固含量，而固含量會影響到分散劑的加入量。因此，選擇發(fā)色力度好的色料產(chǎn)品可以降低墨水成本，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。進口和國產(chǎn)陶瓷墨水固含量對比見表1。

表1　進口墨水和國產(chǎn)墨水中固含量的對比(質(zhì)量%)

2.2　陶瓷噴墨打印墨水的發(fā)展現(xiàn)狀

陶瓷噴墨打印技術(shù)的普及促進了傳統(tǒng)色釉料生產(chǎn)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，在國產(chǎn)噴墨打印設(shè)備不斷完善和改進的前提下，國內(nèi)色釉料行業(yè)也迎來了一次技術(shù)革命，國產(chǎn)墨水在短時間內(nèi)不斷推出新產(chǎn)品。當(dāng)前國產(chǎn)墨水的占有率為30%左右，隨著國產(chǎn)陶瓷墨水用量的不斷增加，產(chǎn)品性能的不斷改進，產(chǎn)品品質(zhì)得到了很大的提升。對照國外墨水公司近幾年的色卡，國產(chǎn)墨水的發(fā)色效果也在逐步完善，在技術(shù)服務(wù)、墨水價格等方面，國內(nèi)墨水生產(chǎn)企業(yè)的優(yōu)勢已經(jīng)超過了進口墨水供應(yīng)商。另外，大孔徑噴頭、噴釉噴頭的推出對于國產(chǎn)墨水企業(yè)也是一個發(fā)展良機。

目前，國內(nèi)市場中常見的墨水品種有粉色、棕色、桔色、黃色、藍色、米色、黑色等顏色，用于墨水生產(chǎn)的色料品種主要有錫桃紅、鐠黃、紅棕、金黃、鈷藍、鈷黑、釩鋯黃等。在墨水的實際生產(chǎn)中，如果色料產(chǎn)品自身發(fā)色飽和度好，經(jīng)過砂磨機研磨后，色度值會偏向于鮮艷，這一現(xiàn)象在黑色墨水中比較明顯。因此，黑色墨水色料要求色調(diào)必須純正，藍調(diào)值越高越好。

2013年國產(chǎn)噴墨打印墨水開始進入商業(yè)化應(yīng)用，逐步扭轉(zhuǎn)國外產(chǎn)品一統(tǒng)市場的格局，國產(chǎn)墨水在這一年得到了快速發(fā)展。如果按國內(nèi)在線運行的陶瓷噴墨打印機2 000臺、每臺機器每月使用1 t墨水、全年生產(chǎn)時間按10個月計算，國內(nèi)市場全年墨水需求量在20 000 t以上，以國產(chǎn)墨水市場占有率50%計算，市場空間在10 000 t左右。目前，國內(nèi)不少陶瓷墨水企業(yè)都在擴大生產(chǎn)能力，供應(yīng)量將進一步加大，市場競爭也會越來越激烈，企業(yè)要想生存下去必須通過穩(wěn)定的品質(zhì)和更高的性價比去搶占進口墨水的市場份額。

國外墨水常規(guī)顏色價格在10萬～11萬元/t，黑色陶瓷墨水價格為13萬～14萬元/t。國產(chǎn)墨水常規(guī)顏色價格在9.0萬～9.5萬元/t，現(xiàn)已出現(xiàn)7萬元/t的價格。墨水降價跟其成本有關(guān)，如紅棕色墨水的成本約為6萬元/t，綜合考慮設(shè)備成本、人工、損耗等因素，可能會降至5萬元/t以下。因為大孔徑噴頭、噴釉噴頭對于陶瓷墨水的技術(shù)要求、工藝要求相對常規(guī)墨水較低，所以噴釉墨水的制備成本會進一步下降。

陶瓷墨水的穩(wěn)定性主要取決于色料粒徑，粒徑過大和分布范圍變寬，容易出現(xiàn)墨水的懸浮穩(wěn)定性變差和噴頭堵塞等問題。由于國產(chǎn)色料在研磨粒徑及粒徑的合理分布范圍方面不如國外產(chǎn)品，因此國產(chǎn)墨水與進口墨水相比，在穩(wěn)定性方面存在一定的差距。

3陶瓷噴墨打印機噴頭

3.1　陶瓷噴墨打印機噴頭的性能

噴墨打印機噴頭的分辨率一般為360 dpi，陣列式噴頭的寬度可與實際打印幅面一致，設(shè)計圖案可直接打印出來，滿足了多元化設(shè)計環(huán)境和色彩再現(xiàn)的需求。噴頭采用懸空打印方式，可以降低坯體破損率；采用凹凸面打印方式，可以制作出仿油畫、仿樹皮、仿木紋、仿高檔石材的裝飾效果，確保陶瓷企業(yè)實現(xiàn)高品質(zhì)、高效率、低成本、高附加值的生產(chǎn)。

英國賽爾公司研制出的XAAR 1002型噴頭，與XAAR 1001型噴墨機完全兼容。經(jīng)實際測試，XAAR 1002型噴頭的調(diào)色時間比XAAR1001型噴頭縮短了一半。XAAR 1002型噴頭有90%的組件為全新設(shè)計(頂蓋、密封膠和新連接器都經(jīng)過全新改良)，與XAAR 1001型相比，其均勻一致性有所提高，墨滴平均直徑范圍減少50%，墨滴落點精確度也有所提升，X和Y方向的落點誤差均為±15 μm。另外，賽爾公司還開發(fā)出大墨滴噴頭與噴釉噴頭，大墨滴噴頭可通過功能性墨水，噴墨量可達50 g/m2。

富士DIMATIX公司通過持續(xù)創(chuàng)新，開發(fā)出SG1024型系列噴頭產(chǎn)品。SG1024型的小尺寸(12 pL)噴頭用于墻磚的高精度打?。恢谐叽?25 pL)噴頭用于地磚的高速打??；大尺寸(65 pL)噴頭則適合超高速打印，特別是下陷釉等特殊效果的打印。“高效率、可修復(fù)、系列全”是SG1024型噴頭的三大特征。SG1024型噴頭的噴射速度為8 m/s，可以滿足企業(yè)生產(chǎn)瓷磚日產(chǎn)量高的要求。相比普通噴頭，SG1024型噴頭的每個部分均可單獨拆卸，節(jié)省重新購買整個噴頭的成本。

為了獲得高清晰度圖像、高細膩度紋理的效果，日本柯尼卡美能達公司在2013年推出了KM1024i型系列噴頭，該系列包括KM1024iSHE、 KM1024iMHE和KM1024iLHE噴頭，其墨滴分布為6～42 pL、13～91 pL和30～210 pL。由于噴頭的工作電壓只有12 V，降低了打印時噴頭散發(fā)的熱量，其150 g的質(zhì)量也降低了機器的制造成本。幾種不同型號噴頭的性能對比見表2。

表2　幾種不同型號噴頭的性能對比

目前，墨水供應(yīng)商已經(jīng)研制出發(fā)色鮮艷、成本更低、保質(zhì)期更長、性能更穩(wěn)定的水性墨水，為水性墨水全面取代油性墨水奠定了基礎(chǔ)。通過與墨水供應(yīng)商的合作，不少噴頭制造商已經(jīng)開發(fā)出用于陶瓷磚生產(chǎn)的水性墨水噴頭。

研制陶瓷水性墨水噴頭的技術(shù)難點在于噴頭墨腔內(nèi)部的每個部位都要完全防水，以避免由于水性墨水的導(dǎo)電性可能產(chǎn)生短路或信號干擾，還要克服水性墨水容易干燥的問題。富士DIMATIX公司的水性墨水噴頭在紡織、廣告等市場已應(yīng)用多年，所以很快開發(fā)出了SG1024-A型水性陶瓷墨水噴頭?？履峥滥苓_公司的KM1024i型噴頭可以兼容水性墨水與油性墨水。由于噴頭壓電陶瓷片外部增設(shè)了特殊涂層，因此能有效地防止水性墨水與噴頭內(nèi)部發(fā)生短路現(xiàn)象。

3.2　陶瓷噴墨打印機噴頭的發(fā)展方向

今后陶瓷噴墨打印機噴頭的發(fā)展方向是：

1)噴頭墨水循環(huán)化。墨水循環(huán)過濾系統(tǒng)設(shè)計更科學(xué)，“雙循環(huán)”系統(tǒng)使用更多。

2)真空系統(tǒng)合理化。噴頭內(nèi)外溫差設(shè)計更合理，杜絕墨水聚集在噴頭位置而產(chǎn)生滴墨。

3)噴射頻率、出墨量擴大化。高壓、高頻、中等偏大出墨量的噴頭使用增加。

4)結(jié)構(gòu)材料更優(yōu)化。噴頭材料結(jié)構(gòu)更科學(xué)，使用壽命延長。

5)使用方便化。噴頭集成化，可拆卸，維修更方便。

6)分辨率清晰化。噴頭的分辨率不斷提高，從180 dpi、200 dpi、360 dpi、400 dpi到600 dpi。

7)孔徑擴大化。為適應(yīng)干粉、干粒、水性釉料等材料的需要，噴孔的直徑將增大。在我國噴繪行業(yè)的噴頭尚未國產(chǎn)化，在現(xiàn)階段技術(shù)水平下，陶瓷噴頭要實行國產(chǎn)化還是有一定的難度。陶瓷噴墨用的噴頭為壓電噴頭，涉及電路系統(tǒng)、壓電陶瓷、壓電薄膜、噴頭板打孔等多項技術(shù)，陶瓷壓電噴頭的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化需要雄厚的資金支持。直噴式噴釉噴頭的技術(shù)難度不高，但研發(fā)出來的設(shè)備打印效果是否穩(wěn)定，裝飾效果是否被消費者接受還有待觀察。

4存在的問題及發(fā)展趨勢

噴墨打印技術(shù)帶來了陶瓷生產(chǎn)工藝的革命，對陶瓷行業(yè)的發(fā)展做出了貢獻，也對陶瓷企業(yè)的生存與發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。

隨著噴墨打印機用量的增多，許多企業(yè)都發(fā)現(xiàn)噴墨打印機也有一些無法避免的問題，或者無法超越絲網(wǎng)印刷的技術(shù)性難題。如，噴墨打印機使用的墨水只有5個色系，不能調(diào)制出更復(fù)雜的色號，生產(chǎn)深色產(chǎn)品沒有優(yōu)勢。當(dāng)墨水不能及時干透，釉面的花色會模糊，尤其是做一些紋理圖案時花色效果不如絲網(wǎng)印花和輥筒印花，黑金花、深咖色這類產(chǎn)品還要通過絲網(wǎng)印花技術(shù)才能做出效果。對瓷片生產(chǎn)企業(yè)來說，瓷片的花色品種非常多，一個品牌幾十款花色，如果使用絲網(wǎng)印花或者輥筒印花安排生產(chǎn)就比較困難，噴墨打印機則相對方便，而且產(chǎn)品色號少，生產(chǎn)易于控制，也易于倉儲。由于產(chǎn)品花色的同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，縮小了不同規(guī)模和不同實力陶瓷磚生產(chǎn)企業(yè)的競爭差距，因此企業(yè)必須增加產(chǎn)品的品牌附加值和提升企業(yè)的服務(wù)水平。

目前，陶瓷噴墨打印技術(shù)在陶瓷墻地磚和瓷片生產(chǎn)上的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，所用相關(guān)設(shè)備正在向噴頭精細化和陣列化、水性墨水和油性墨水的通用性與可替換性、自適應(yīng)與智能化的色彩管理系統(tǒng)等方向發(fā)展。隨著噴墨打印機噴頭的進一步改進，噴墨打印技術(shù)開始向噴釉、噴干粉的方向發(fā)展，將逐步成為瓷磚裝飾印花、施釉的主要技術(shù)手段。噴釉打印技術(shù)可以根據(jù)用戶需求，在一個圖案中的某一個線條中使用閃光釉、金屬釉，再搭配色釉噴出色彩，呈現(xiàn)凹凸不平的效果。噴釉打印所用的白墨水、下陷釉、金屬釉、糖果釉、透明釉、滲透釉和干釉等將會成為色釉料行業(yè)今后發(fā)展的熱點。

噴墨打印結(jié)合傳統(tǒng)工藝也是噴墨打印技術(shù)的發(fā)展方向，如噴墨與干粉、干粒、二次布料、面釉、單頭輥印、四頭輥印、絲網(wǎng)、云彩噴釉、凹凸模具等傳統(tǒng)工藝相結(jié)合?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多企業(yè)推出多重傳統(tǒng)工藝相結(jié)合陶瓷噴墨技術(shù)的新產(chǎn)品，如：印泥+噴墨+干粒、噴墨+金屬釉+干粒、凹凸模具+噴墨+虹彩、噴墨+輥筒+下陷釉等。同一種顏色的同一款瓷磚通過多種工藝的配合，能夠產(chǎn)生不同的裝飾效果。用于地面鋪貼的藍色仿古磚，在施釉印花工序中采用3種不同模具+有無干粒+亞光與光亮面釉+弧線擺動的云霧噴墨等技術(shù)，可以達到3×2×2×N種變化效果。

在陶瓷磚施釉印花工序的發(fā)展過程中，絲網(wǎng)印花機被輥筒印花機取代，輥筒印花機被噴墨打印機取代，噴墨打印機的升級換代產(chǎn)品是噴釉印花設(shè)備，如果打印設(shè)備能夠同時實現(xiàn)噴墨、噴釉、噴粉功能，而各類自動化設(shè)備又能夠相互配合，就可以在前端實現(xiàn)數(shù)碼機床操作、在后端充分利用網(wǎng)絡(luò)工具傳輸圖案，從而實現(xiàn)陶瓷磚花色品種的量身定制。

參考文獻

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2霍敏儀.陶瓷噴頭：噴墨革新的核心驅(qū)動力.陶城報,2014-04

中圖分類號：TQ174

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1002-2872(2015)02-0009-05

*作者簡介：田怡(1962-),本科,高級工程師；主要從事陶瓷信息的收集與研究。