影響數(shù)碼噴墨印花分辨率的因素

任雪+楚建安

摘要：數(shù)碼噴墨打印頭是數(shù)碼噴墨印花機(jī)最重要的配置，本文以SG1024打印頭為研究對(duì)象，分析了影響噴墨印刷分辨率的幾個(gè)主要因素，以及如何控制這些因素以提高印花質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：分辨率；印花質(zhì)量；打印頭

中圖分類號(hào)：TS194.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Influential Factors for Resolution of Digital Inkjet Printing

Abstract： Print head is the most important component of digital inkjet printing machine. Taking SG1024 print heads for instance， this paper analyzed the influential factors for resolution of inkjet printing. Some countermeasures were also put forward to improve inkjet printing quality.

Key words： resolution； printing quality； print head

打印分辨率表示直線方向上每英寸內(nèi)的墨點(diǎn)數(shù)，用于衡量噴墨精度，即印刷的質(zhì)量，是噴墨印花機(jī)最重要的性能指標(biāo)之一。分辨率越高，印花質(zhì)量也就越精細(xì)。當(dāng)然，最終的印花質(zhì)量是由設(shè)備整體來決定的，任何一個(gè)細(xì)節(jié)都可能影響最終印花的精度，本文就幾個(gè)主要的影響因素進(jìn)行探討。

1 噴頭技術(shù)

噴墨印花根據(jù)噴墨系統(tǒng)中墨水噴射是否連續(xù)，可以將噴墨技術(shù)分為連續(xù)噴墨技術(shù)和按需噴墨技術(shù)。按需噴墨技術(shù)又可分為氣泡式、壓電式和閥門式等方式。

數(shù)碼噴墨印花設(shè)備的關(guān)鍵部件是噴頭，主要應(yīng)用的有壓電式、熱氣泡式和連續(xù)噴墨噴頭。

壓電式噴頭的印花圖案精細(xì)度高，色彩均勻自然，使用壽命長(zhǎng)，且墨點(diǎn)的噴射速度和墨量可控，是當(dāng)前精細(xì)噴墨印花設(shè)備中應(yīng)用最多的噴頭技術(shù)。

熱氣泡式噴頭打印速度快，缺點(diǎn)是墨滴受慣性影響，容易與打印頭拉扯不清，霧化嚴(yán)重，易產(chǎn)生飛墨，且僅用于水墨，壽命短。

連續(xù)噴墨噴頭印花速度快，適應(yīng)性廣泛，系統(tǒng)穩(wěn)定，噴頭的使用壽命長(zhǎng)，噴射力、噴射距離和噴墨量都可以很大，但該噴頭分辨率相對(duì)較低、易漏墨，墨量固定，一般只能適用于噴印地毯等分辨率低、上墨量大和生產(chǎn)量大的厚重織物印花領(lǐng)域。

通過對(duì)國(guó)外Zimmer（齊瑪） Colaris、MS LaRio、Reggiani（美佳尼） ReNOIR等 3 款數(shù)碼印花機(jī)噴墨技術(shù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)它們均采用壓電式噴頭，可以看出壓電式噴頭廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代紡織工業(yè)領(lǐng)域中。

本文的研究對(duì)象是FUJIFILM（富士膠片）Dimatix公司推出的星光SG1024/MA噴墨打印頭，是一種壓電噴墨裝置，工作于切變模式，打印頭的噴嘴由壓電陶瓷片所驅(qū)動(dòng)。該打印頭系列具有400 dpi的噴繪精度，共有 4 組激勵(lì)噴墨噴頭，每組噴頭有兩行，每行128個(gè)噴嘴，所有噴嘴的出口都在同一片噴嘴面板上。其噴嘴排布情況如圖 1 所示，噴嘴8 行的標(biāo)記從上到下依次為R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8。根據(jù)不同需求，所有1 024個(gè)噴嘴可以同時(shí)或分別激勵(lì)噴墨。

2 墨滴大小

墨滴大小直接影響到噴墨印花的清晰度，噴墨印刷工業(yè)采用pL（1 pL=10-12 L ）來計(jì)量噴墨墨滴的大小，通常噴墨印花機(jī)的印刷分辨率是按機(jī)器自身能夠達(dá)到的最小墨滴來進(jìn)行計(jì)算的。最小墨滴越小，印花精度越高。

SG1024噴墨打印頭有 3 個(gè)規(guī)格的基礎(chǔ)墨滴分別是12、25和50 pL，液滴體積和直徑的關(guān)系如式（1）：

式（1）中，D為所產(chǎn)生墨滴的直徑，V為所產(chǎn)生墨滴的體積。

墨滴大小與噴嘴的直徑大小、墨水的粘度和表面張力、墨盒內(nèi)部的激勵(lì)頻率等相關(guān)。噴嘴的直徑越小，它所噴出來的墨滴的直徑也就越?。坏驼扯?、高表面張力的墨能夠保證墨滴的良好形態(tài)；而墨盒內(nèi)對(duì)墨刺激頻率越高，所產(chǎn)生的墨滴的直徑越小。

3 噴頭小車與承印物運(yùn)動(dòng)

噴墨打印頭分布在直線方向上的一行緊密排列的噴孔如圖 2 所示，此線段稱為噴孔線，相鄰噴孔間的距離決定該噴墨打印頭的固有分辨率，星光SG1024/MA噴墨打印頭相鄰噴嘴之間的距離為0.063 5 mm，相應(yīng)的分辨率應(yīng)為：

對(duì)于采用圖 2 的工業(yè)打印結(jié)構(gòu)，確定噴孔線方向?yàn)榭v向，與之垂直的方向?yàn)闄M向（與承印物方向垂直，即噴頭小車掃描運(yùn)動(dòng)方向），打印頭和承印物交替運(yùn)動(dòng)，以來回掃描方式完成打印。

想要能完整地表達(dá)設(shè)備的打印質(zhì)量，同時(shí)需要縱向分辨率和橫向分辨率兩個(gè)指標(biāo)，兩個(gè)分辨率的實(shí)質(zhì)是設(shè)備在兩個(gè)特定的、互相垂直方向上打印的兩條直線的分辨率。

式（2）中，Rx為橫向分辨率，單位是dpi；f為打印頭噴射頻率，也稱為點(diǎn)火頻率，單位是Hz；v為噴頭小車掃描速度，單位是m/s。

由式（2）可知為保證打印系統(tǒng)的橫向分辨率恒定，當(dāng)噴頭小車運(yùn)動(dòng)線速度發(fā)生變化時(shí)必須相應(yīng)調(diào)整打印頭噴射頻率。

縱向分辨率由噴印模式來決定，有時(shí)候?yàn)榱说玫剿璧膰娪D像，噴頭需要對(duì)相同圖像進(jìn)行多次的噴印，噴印的次數(shù)即為Pass數(shù)。Pass數(shù)越高，噴印的圖像越清晰，分辨率越高?？v向分辨率實(shí)質(zhì)上是由伺服電機(jī)所控制的承印物步進(jìn)距離的精度來決定。

4 噴頭排列方式與安裝

4.1 噴頭排列

噴頭的安裝往往采用交錯(cuò)排列方式，呈現(xiàn)“品”字型，該拼接方式的第 2 個(gè)噴墨頭排在第 1 個(gè)噴墨頭的前面，第3 個(gè)噴墨頭排在第 2 個(gè)噴墨頭的后面，并與第 1 個(gè)噴墨頭在一條線上，相鄰兩個(gè)噴墨頭的頭尾噴嘴銜接。噴頭位置之所以交錯(cuò)排列，是為了使每次打印的縱向?qū)挾仍龃?，為了充分發(fā)揮每個(gè)噴頭的打印能力，從而提高打印速度。圖 3 是C、M、Y、K 4 種顏色噴頭組的排列示意圖。

噴頭交錯(cuò)安裝時(shí)必須要注意噴頭銜接處噴嘴的間隙，保證間隙的精度才能保證組合噴頭的噴印精度不變。相鄰噴頭的噴嘴銜接方式有以下兩種。

（1）噴頭重疊

受限于噴頭的結(jié)構(gòu)，如果使兩組噴頭以上下對(duì)齊方式同列安裝，機(jī)械安裝精度可能無法保證上邊噴頭的最低位置的噴嘴和下邊噴頭的最高位置的噴嘴之間的間距能與其它噴嘴間距保持一致，故必須交錯(cuò)安裝如圖 4。

重疊噴嘴數(shù)最少為每個(gè)打印頭只重疊 1 個(gè)噴嘴，1 個(gè)打印頭的末端與下 1 個(gè)打印頭的始端之間重疊的噴嘴越多越好。為了方便理解，給出SG1024打印頭的噴嘴標(biāo)記如表 1所示。

當(dāng)每一個(gè)打印頭重疊 4 個(gè)噴嘴時(shí)，圖 4 中打印頭A對(duì)應(yīng)打印頭B所重疊的噴嘴標(biāo)記如表 2 所示，對(duì)于多個(gè)噴嘴重疊時(shí)的方法同理。

在這種交錯(cuò)安裝方式下，在重疊噴嘴之間采用A、B打印頭交替打印的方式打印，或是采取A打印頭和B打印頭只有一個(gè)進(jìn)行打印工作。

對(duì)于安裝時(shí)兩噴頭組噴頭銜接的相對(duì)位置誤差，其測(cè)試方法是：通過打印實(shí)測(cè)，以噴頭A為基準(zhǔn)，令其重疊噴嘴中的 1 個(gè)噴嘴打印 1 條線段，再令噴頭B中與該重疊噴嘴對(duì)應(yīng)的噴嘴也打印 1 條線段，然后比較其是否在同一直線上，多測(cè)幾個(gè)重疊噴嘴。

（2）噴嘴不重合

在圖 5 的這種方式中，噴嘴沒有一個(gè)是重合的，只需將上方噴頭的每一列第128個(gè)噴嘴與下方噴頭的每一列第 1個(gè)的噴嘴之間的間隔設(shè)置為0.508 mm，這樣的銜接方式會(huì)節(jié)省噴嘴，使得每一個(gè)噴嘴都能發(fā)揮作用，但缺點(diǎn)是機(jī)械調(diào)節(jié)難度大且精度并不能保證，所以通常使用多噴嘴重疊的方式。

4.2 噴頭安裝

在承印物方向上的墨點(diǎn)排列精度是400 dpi，為了保證所有相鄰噴嘴噴射的墨點(diǎn)間距均勻排列，則打印頭必須相對(duì)于承印物的移動(dòng)方向精密地直線排列。

圖 6 中，整個(gè)噴頭從底部看是逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)α角度，實(shí)際上從上往下看打印頭是發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，可見相鄰噴嘴的間隔發(fā)生明顯的偏移，噴相鄰噴嘴之間垂直距離 。SG1024噴墨打印頭相鄰噴嘴間的距離為0.063 5 mm，所以當(dāng)噴頭存在有偏轉(zhuǎn)時(shí)，打印出來的圖像如同條紋布圖案一樣，正是由于相鄰像素間距偏移造成的，這種相鄰像素間距的不均勻性改變了密實(shí)填充的外觀。

SG1024打印頭偏轉(zhuǎn)校準(zhǔn)的主要步驟如下：

（1）將打印頭固定在機(jī)架上，在承印物的前進(jìn)方向上以0.5 m/s的速率400 dpi的精度，用間隔 9 個(gè)像素的噴嘴（R3，N1和R1，N2）作為相鄰的噴嘴噴繪得到打印偏移測(cè)試圖；

（2）然后通過放大鏡進(jìn)行觀測(cè)，比較確定這些數(shù)值與額定值的差值，這些偏移線之間的額定間隔距離應(yīng)當(dāng)保持在571.5 μm（或 9 個(gè)像素間隔，或9/400 dpi），選取不同位置進(jìn)行多次觀測(cè)；

（3）通過總結(jié)得出表 3，可以以此對(duì)打印頭進(jìn)行偏轉(zhuǎn)校正。

圖 7 是按照上述方法打印出的偏移測(cè)試圖，每一行末端的點(diǎn)數(shù)表明這一行是哪一個(gè)模塊噴印的。從圖中可以很明顯的看出線條間隔不均勻，通過放大鏡觀測(cè)并對(duì)應(yīng)表 3 可以發(fā)現(xiàn)，M2→M1測(cè)量距離大于額定值，M3→M4、M1→M3和M4→M2測(cè)量結(jié)果分別是小于、小于和大于，即可判斷出打印發(fā)生了順時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)，需要作一個(gè)逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)來調(diào)整。

5 結(jié)語

通過對(duì)以上幾個(gè)因素的研究發(fā)現(xiàn)，不可一味地追求高分辨率，一方面由于安裝精度和控制精度等原因無法達(dá)到理論要求，另一方面因?yàn)槿搜鄣淖罡叻直媛嗜Q于視網(wǎng)膜上相鄰視覺細(xì)胞之間的最小距離，觀看距離越遠(yuǎn)，分辨率越低。在30 cm的觀察距離處，人眼最高可以分辨出間距為0.087 mm的兩個(gè)點(diǎn)，小于此間距的點(diǎn)，人眼無法分辨而默認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)了，此時(shí)的分辨率，約300 dpi。所以當(dāng)間隙小到人眼無法分辨且印刷品已滿足了設(shè)計(jì)要求時(shí)，就無需過分追求精度。

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