UV數(shù)碼打印機(jī)的研制與應(yīng)用研究

(上海理工大學(xué) 出版印刷與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200093)

0 引言

噴墨打印作為計(jì)算機(jī)技術(shù)與印刷設(shè)備結(jié)合下的產(chǎn)物，采用一種點(diǎn)陣式打印方式，是使墨滴由小孔定向噴射到紙張的指定位置行成圖像的技術(shù)[1]。與其他打印技術(shù)相比，它行成的圖像速度快、更加清晰細(xì)致。數(shù)碼打印機(jī)采用噴墨式打印技術(shù)，其打印過程中與物體無實(shí)際的接觸，步驟簡單可兼容不同行業(yè)不限材質(zhì)，印刷位置精確非常適合需要顏色過渡的圖片印刷，也可實(shí)行單件和小批量生產(chǎn)。

國內(nèi)對于噴墨打印機(jī)的發(fā)展起步較晚，在2003年研發(fā)出首臺(tái)萬能打印機(jī)開創(chuàng)國內(nèi)外市場。多年以來我國在數(shù)碼打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上已做出許多改進(jìn)及發(fā)明，萬宇設(shè)計(jì)一種以電動(dòng)氣缸、液壓桿為動(dòng)力上下移動(dòng)打印平臺(tái)，可穩(wěn)定控制噴頭與打印介質(zhì)距離的紙板萬能打印機(jī)；陳衛(wèi)華將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)置于打印平臺(tái)底部，改進(jìn)打印機(jī)主箱體，打印平臺(tái)劃分多區(qū)域以降低換料的難度；張丹將縱向移動(dòng)平臺(tái)置于打印平臺(tái)兩側(cè)滑動(dòng)裝置上，橫向移動(dòng)裝置安裝有烘干裝置以增強(qiáng)打印固化效果提高打印質(zhì)量，以上研究使得專用承印介質(zhì)的機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，例如板材定位細(xì)節(jié)問題沒有解決，應(yīng)用性不足使得生產(chǎn)效率低下。

1 噴墨打印原理

1.1 噴墨打印技術(shù)

噴墨打印技術(shù)可分為連續(xù)噴墨(continue ink jet printer)和按需噴墨(drop on demand)，前者根據(jù)偏轉(zhuǎn)模式可分為雙態(tài)與多態(tài)偏轉(zhuǎn)；后者可分為固態(tài)和液態(tài)噴墨[2]，如圖1和圖2所示。

圖1 連續(xù)噴墨原理

圖2 按需噴墨原理

連續(xù)噴墨技術(shù)工作原理，是使用恒定動(dòng)力裝置給予墨水固定壓力，使之連續(xù)噴射并在振蕩器的作用下分離成墨水滴，控制系統(tǒng)根據(jù)打印信息選擇性的對墨滴附加電荷，最后在通過偏轉(zhuǎn)電場使帶電電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)后噴射到承印物表面形成圖文信息，不帶電電荷直行進(jìn)入回收裝置，這就是雙態(tài)偏轉(zhuǎn)[3]；若成像電荷因所帶電荷量多少在承印物垂直方向不同位置成像時(shí)，稱為多態(tài)偏轉(zhuǎn)。其可控性較差，用途比按需式少。

按需式噴墨技術(shù)通過控制電子信號來控制是否產(chǎn)生墨滴。當(dāng)噴印信息傳遞至輸出終端時(shí)，如果需要墨滴則進(jìn)行墨滴的噴射，使得承印物表面形成圖文信息，相對于連續(xù)噴墨系統(tǒng)中的墨滴帶電裝置、偏轉(zhuǎn)硬件等更加簡單。

1.2 按需噴墨技術(shù)

按需噴墨技術(shù)中液態(tài)噴墨技術(shù)是目前的主流，其又可分為熱噴墨技術(shù)和壓電噴墨技術(shù)。

1)熱噴墨技術(shù)：熱氣泡噴式噴墨技術(shù)以HP、Canon、Lexmark為代表。Canon采用側(cè)噴型熱氣泡噴墨技術(shù)，而HP和Lexmark則采用頂噴型熱氣泡噴墨技術(shù)。熱噴墨技術(shù)主要依靠電阻在發(fā)熱的過程中可以將電能轉(zhuǎn)換成為熱能，熱量就能將打印機(jī)噴嘴附近的墨水氣化，并將墨水噴出，在打印紙上打印出目標(biāo)圖像或者文字。

2)壓電噴墨技術(shù)：利用壓電片產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)，通過壓力完成壓電原件控制噴墨的整個(gè)過程，不用對噴嘴進(jìn)行加熱，節(jié)能又延長了打印頭的壽命；精確控制墨滴的大小和噴射位置，避免了圖像模糊的問題；降低了墨水選擇的要求，在高溫情況下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的墨水也能被使用。

表1 熱噴墨技術(shù)與壓電噴墨技術(shù)對比

幾十年來，惠普等國外企業(yè)一直在噴墨出圖領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位[4]，其擁有眾多打印核心技術(shù)。有雙行并行打印技術(shù)、自動(dòng)閉環(huán)校正技術(shù)、容錯(cuò)打印技術(shù)、電荷封裝技術(shù)、HP Pixel Control像素控制技術(shù)、惠普HDNA打印頭技術(shù)、雙墨滴控制技術(shù)。

2 數(shù)碼打印機(jī)主要系統(tǒng)與工作流程

數(shù)碼打印機(jī)采用主流按需噴墨技術(shù)，壓電噴墨方法最為常用。數(shù)碼打印設(shè)備主要由圖像處理系統(tǒng)、伺服電機(jī)及控制系統(tǒng)、墨路負(fù)壓控制系統(tǒng)與UV固化設(shè)備、吸風(fēng)真空平臺(tái)構(gòu)成，其工作流程以UV平板打印機(jī)為例如圖3所示。

根據(jù)打印環(huán)境、打印速度、是否羽化等因素的要求，圖像處理系統(tǒng)與噴頭運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)多種多樣以實(shí)現(xiàn)特定情況下的打印目的。

3 不同承印介質(zhì)的數(shù)碼打印機(jī)

3.1 大幅面數(shù)碼打印機(jī)

圖4為專用打印無張力介質(zhì)紙張的數(shù)碼打印機(jī)，機(jī)器中間部分裝置有多個(gè)平行的滾筒，用于紙張的收放與運(yùn)動(dòng)。圖中標(biāo)識1為膠輥，當(dāng)鏈輪帶動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)時(shí)候，此膠輥壓緊紙張控制著紙張的收放。打印平臺(tái)為矩形平面，伺服電機(jī)控制滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)紙張實(shí)現(xiàn)縱向的間歇運(yùn)動(dòng)，噴頭實(shí)現(xiàn)橫向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與縱向運(yùn)動(dòng)協(xié)同完成打印。 圖5為專用打印有張力介質(zhì)皮革的數(shù)碼打印機(jī)打印平臺(tái)，此平臺(tái)為跟隨滾筒可旋轉(zhuǎn)的寬型導(dǎo)帶，打印前將皮革粘貼在寬型導(dǎo)帶上，設(shè)定打印寬度完成時(shí)將皮革揭下來。噴頭只實(shí)現(xiàn)橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，承印物實(shí)現(xiàn)縱向的間歇運(yùn)動(dòng)。

兩種大幅面數(shù)碼打印機(jī)所印產(chǎn)品的分辨率，主要受伺服電機(jī)控制承印物縱向步進(jìn)距離精度的影響，對縱向伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度、定位控制顯得尤為重要。

圖4 無張力大幅面打印機(jī) 圖5 有張力大幅面打印機(jī)平臺(tái)

3.2 弧面數(shù)碼打印機(jī)

圖6中弧面打印機(jī)部分裝置，1為墨車噴頭。橫向伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)截面為圓形的曲面承印物旋轉(zhuǎn)，Z向電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制裝置與噴頭的縱向合理距離，此結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了承印物種類的范圍。圖7中圓瓶打印機(jī)結(jié)構(gòu)正在申請發(fā)明專利，伺服電機(jī)控制承印物勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，墨車的運(yùn)動(dòng)與此同步，使噴頭實(shí)現(xiàn)噴印。避免了手工印刷遇到的位置偏移問題，一次性進(jìn)行多色印刷避免了套色對位問題。這些優(yōu)勢和雕刻、蝕刻等工藝進(jìn)行有效結(jié)合[5]，提高了個(gè)性化產(chǎn)品定制的主觀性。

圖6 弧面承印物運(yùn)動(dòng)裝置 圖7 圓瓶打印機(jī)

3.3 UV平板打印機(jī)

圖8為支持雙向打印的UV平板打印機(jī)，單負(fù)壓二級緩存，負(fù)壓變化平穩(wěn)、細(xì)膩，保證高速連續(xù)打印時(shí)供墨的穩(wěn)定性。采用數(shù)控壓力顯示儀器，在更高可能發(fā)射頻率上保持高品質(zhì)打印，從而提高打印速度穩(wěn)定性；供墨系統(tǒng)采用獨(dú)立手閥能有效控制每個(gè)二級墨盒的墨水輸出[6]，關(guān)機(jī)時(shí)可將閥門關(guān)閉，避免墨水浪費(fèi)；墨盒液位配備智能感應(yīng)系統(tǒng)，可自動(dòng)循環(huán)供墨，缺墨自動(dòng)報(bào)警提示功能，可實(shí)現(xiàn)白彩同步打印且支持連打。墨車X軸采用拖鏈，有效減少機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中線材的磨損，降低了運(yùn)行的噪音。

圖8 UV平板打印機(jī) 圖9 UV平板打印機(jī)改進(jìn)

UV平板打印機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中，打印平臺(tái)為固定平臺(tái)，墨車頭上噴頭可做X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)。噴頭在手機(jī)殼、亞克力等小型板狀承印物噴墨打印時(shí)，為保證打印畫面控制在誤差范圍內(nèi)，打印時(shí)首先要用制圖軟件制作一個(gè)定位框圖并打印在平臺(tái)上，而后將承印物粘貼在打印出的定位框內(nèi)，最后實(shí)現(xiàn)畫面的噴印。人為粘貼手機(jī)殼等承印物，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且很難保證固定位置的準(zhǔn)確性。綜上所述，缺乏合理的定位裝置，增加了工作量且加大了生產(chǎn)打印過程中的廢品率。

故設(shè)計(jì)一種專用于手機(jī)殼等小型板狀承印物的UV打印機(jī)定位裝置，打印機(jī)兩側(cè)分別裝置導(dǎo)軌；U型輕鋼板寬1 cm厚3 mm，其上刻有尺度線既能夾緊又能作刻度尺，與打印平臺(tái)接觸的一面附有毛氈，減小于平板的摩擦損壞，將兩端固定在滑塊上；滑塊在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，兩側(cè)的輕鋼板鉆有螺紋孔，置有翼型螺栓，翼型螺栓底部粘有橡膠，擰緊時(shí)緊貼在打印機(jī)機(jī)身兩側(cè)以便固定U型輕鋼板。以上裝置安裝時(shí)平行設(shè)有兩個(gè)。

UV打印機(jī)平臺(tái)自身就有刻度標(biāo)識，打印前將承印物放在兩U型板之間，便很輕易實(shí)現(xiàn)X、Y軸的定位。如此，減少了定位框的打印，減少了人力對承印物的固定，減少了膠帶的使用；增加了定位的精確性，提高了生產(chǎn)效率。

4 兩種流水線打印機(jī)

4.1 UV平板打印流水線機(jī)

圖10中,機(jī)器運(yùn)行時(shí)將UV平板打印機(jī)噴頭移至2打印平臺(tái)上方，保證噴頭與打印平臺(tái)距離的合理可控。此流水線專用于手機(jī)殼、手機(jī)屏幕周圍外框等小型板材承印物的打印[6]，集進(jìn)料、定位、傳輸、噴印、收料為一體[7]，實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖10 UV平板打印流水線機(jī)

4.2 皮革打印流水線機(jī)

如圖11所示，此流水線可實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng)印刷與噴墨的結(jié)合，也可不適用絲網(wǎng)印刷功能，依具體打印要求及成本選取流水線功能[8]?；趯ζじ锎蛴‘a(chǎn)品質(zhì)量的檢測，設(shè)計(jì)搖擺摩擦測試機(jī)，如圖12所示。運(yùn)用FX3U系列三菱PLC控制氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)帶動(dòng)皮革的摩擦與拉扯搖擺；觸摸屏作為上位機(jī)進(jìn)行搖擺與摩擦次數(shù)的設(shè)定。

圖11 皮革打印流水線機(jī)

圖12 搖擺摩擦測試機(jī)

5 墨盒壓力控制系統(tǒng)

噴墨打印機(jī)墨水為機(jī)器血液，供墨必須保證穩(wěn)定。供墨系統(tǒng)由主墨盒、過濾器、墨泵、二級墨盒、閥體、噴頭等組成。供墨系統(tǒng)采用PLC單獨(dú)控制，抗干擾能力強(qiáng)；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小且容易修改?，F(xiàn)有設(shè)備的供墨系統(tǒng)大多采用混編語言的板卡控制，調(diào)試與維修很易影響其他部位的運(yùn)轉(zhuǎn)，故設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)[9]，利用工業(yè)級理光GH2220噴頭[10]的運(yùn)行驗(yàn)證此供墨系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下面詳細(xì)介紹PLC電路IO口清單與設(shè)計(jì)邏輯，流程如圖13所示。

圖13 墨路控制流程圖

主站(墨路模塊)，主墨盒液位信號CMYK常開X0、X1、X2、X3，W主墨盒液位信號X4常開。輸出信號，回墨泵CMYKW 跟從站的回墨信號一一對應(yīng)從站Y0、Y1、Y2、Y3、Y4。主墨盒缺墨報(bào)警 CMYK輸出1個(gè)蜂鳴器報(bào)警Y5，主墨盒缺墨報(bào)警W輸出1個(gè)蜂鳴器報(bào)警Y6、壓墨按鈕五秒暫停一次與從站2對應(yīng)Y7、Y10。

從站1(墨車頭信號模塊)。X原點(diǎn)常開信號對應(yīng)從站2中X0,X終點(diǎn)信號為X1；Z原點(diǎn)X2，Z終點(diǎn) X3?；啬行盘朇MYKW常開，跟主站的回墨泵一一對應(yīng)主站X4、X5、X6、X7、X10?；亓鞅Ｗo(hù) 3個(gè)X點(diǎn)輸入觸發(fā)之后，系統(tǒng)持續(xù)保持觸發(fā)狀態(tài)，只有消除觸發(fā)原因，手動(dòng)按下復(fù)位按鈕，才可以恢復(fù)正常X11、X12、X13。防撞左右2個(gè)X點(diǎn)輸入，常閉信號觸發(fā)之后，系統(tǒng)持續(xù)保持觸發(fā)狀態(tài)，只有消除觸發(fā)原因，手動(dòng)按下復(fù)位按鈕，才可以恢復(fù)正常X14X15。輸出信號時(shí)：1，模塊沒有報(bào)錯(cuò)的時(shí)候就緒燈亮起，燈2，3任意一個(gè)工作，則1燈熄滅，直到模塊再次恢復(fù)正常。2，供墨與回墨，回流報(bào)警觸發(fā)之后，系統(tǒng)持續(xù)保持觸發(fā)狀態(tài)，只有消除觸發(fā)原因，手動(dòng)按下復(fù)位按鈕，才可以恢復(fù)正常(回流報(bào)警供墨與回墨共用一個(gè)信號和一個(gè)燈)。3，防撞報(bào)警觸發(fā)之后，系統(tǒng)持續(xù)保持觸發(fā)狀態(tài)，只有消除觸發(fā)原因，手動(dòng)按下復(fù)位按鈕，才可以恢復(fù)正常。

從站2(傳感器信號模塊)。輸入時(shí)，急停按鈕6個(gè)按鈕常閉信號X0、X1、X2、X3、X4、X5，復(fù)位按鈕1(復(fù)位所有不正常狀態(tài)，前提消除觸發(fā)原因)并對應(yīng)急停報(bào)警X6，壓墨按鈕輸入2個(gè)與主站對應(yīng)X7、X10。輸出信號，X原點(diǎn)觸發(fā)與從站對應(yīng)Y0、Y1、Y2、Y3，X終點(diǎn)觸發(fā)，Z原點(diǎn)觸發(fā)，Z終點(diǎn)觸發(fā)。急停觸發(fā)報(bào)警信號，觸發(fā)之后持續(xù)保持觸發(fā)狀態(tài)，只有消除觸發(fā)原因，手動(dòng)按下復(fù)位按鈕，才可以恢復(fù)正常(蜂鳴器，兩組Y輸出Y4、Y5)。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

關(guān)于3.3所改進(jìn)的UV平板打印機(jī)，將定位裝置運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中，能很精確的實(shí)現(xiàn)承印物的定位，輕鋼板的夾緊作用使得承印物不再需要人為使用雙面膠固定。打印過程中將經(jīng)過RIP軟件處理后的圖案，直接噴印在承印物手機(jī)殼、小型亞克力等小型板材上面。一般情況下減少了噴印前人為處理承印物三十分鐘的時(shí)間，縮短了批量化生產(chǎn)時(shí)間，提高產(chǎn)品生產(chǎn)率。

關(guān)于4.1中自主設(shè)計(jì)的UV平板打印流水線機(jī)，將UV平板打印機(jī)噴頭調(diào)高移至打印平臺(tái)上方，與3.3結(jié)構(gòu)相比減少了人為放料的步驟，只需要排版軟件處理后的打印畫面而后啟動(dòng)噴印，更加縮短了印前處理時(shí)間，且能保證打印畫面附著準(zhǔn)確度。流水線機(jī)很好的實(shí)現(xiàn)了進(jìn)料、回收成品的自動(dòng)化生產(chǎn)，個(gè)性化、大批量生產(chǎn)簡單高效，經(jīng)實(shí)驗(yàn)流水線機(jī)每小時(shí)可打印200～300個(gè)定制手機(jī)殼。

關(guān)于4.2中皮革產(chǎn)品摩擦搖擺測試機(jī)，經(jīng)夾緊皮革再進(jìn)行搖擺拉扯、干摩擦、濕摩擦等操作，達(dá)到了測試的目的，分類得出產(chǎn)品質(zhì)量好時(shí)噴墨打印機(jī)該如何正確配置。5中墨路控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠，負(fù)壓表動(dòng)作靈敏，理光GH2220噴頭噴墨流暢。

7 結(jié)束語

本文詳細(xì)闡述了數(shù)碼打印機(jī)的噴墨原理與幾種類型打印機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了UV平板打印機(jī)一種流水線機(jī)，特別的對UV平板打印機(jī)進(jìn)行了專用于手機(jī)殼等小板材打印的定位裝置設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)了基于PLC控制的供墨系統(tǒng)與皮革打印產(chǎn)品的質(zhì)量簡易測試系統(tǒng)。將設(shè)計(jì)運(yùn)用到工廠實(shí)際生產(chǎn)中，對UV平板打印機(jī)的改進(jìn)很好的實(shí)現(xiàn)承印物的定位，流水線機(jī)大大提高生產(chǎn)速度。但大幅面打印機(jī)的設(shè)計(jì)，承印物運(yùn)動(dòng)時(shí)兩邊相對滾筒兩側(cè)很容易出現(xiàn)偏斜，目前無法解決。UV平板打印流水線機(jī)工作前，將UV平板打印機(jī)移至打印平臺(tái)時(shí)不易操作，結(jié)構(gòu)仍需改進(jìn)。