數(shù)字噴墨印刷關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)

溫曉輝， 陳華慧， 呂 昌， 劉 晶

(北京北大方正電子有限公司， 北京 100085)

噴墨印刷是一種無接觸、無壓力、無印版的印刷復(fù)制技術(shù)，它省去了傳統(tǒng)印刷方法所需的制版設(shè)備、膠片及印版等耗材，而且能夠在不同材質(zhì)、不同厚度的平面/曲面等異形承印物上印刷，不受承印物表面的限制。從20世紀60年代的連續(xù)式噴墨打印技術(shù)逐步實用開始，隨著噴頭技術(shù)與墨水技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用范圍的不斷擴展，噴墨印刷技術(shù)逐步發(fā)展成為了一種非常重要的數(shù)字化按需生產(chǎn)方式。

1 噴墨技術(shù)分類

目前主要的噴墨頭技術(shù)有3種：連續(xù)式噴墨技術(shù)、熱發(fā)泡式噴墨技術(shù)以及壓電式噴墨技術(shù)。其中熱發(fā)泡式噴墨技術(shù)與壓電式噴墨技術(shù)都屬于按需式噴墨技術(shù)。

1.1 連續(xù)式噴墨技術(shù)

連續(xù)式噴墨技術(shù)是按照一定的頻率，將微小的墨滴持續(xù)高速地從噴嘴噴射出來，同時采用如氣流或者電場偏轉(zhuǎn)等技術(shù)使不需要的墨滴發(fā)生偏轉(zhuǎn)，需要的墨滴則落在目標物上。連續(xù)式噴墨技術(shù)的優(yōu)點是可以保證較高的墨滴噴射速度，從而保證墨滴在目標物上的準確定位，并且該技術(shù)可以使用粘度較高的墨水。該噴墨技術(shù)的缺點是耗能高、有效能耗低，墨滴偏轉(zhuǎn)控制技術(shù)復(fù)雜，墨水的有效利用率較低?；谏鲜鲈?，連續(xù)式噴墨技術(shù)目前只有極少數(shù)廠家采用。

1.2 熱發(fā)泡式噴墨技術(shù)

熱發(fā)泡式噴墨技術(shù)的基本原理是將噴嘴附近的墨水瞬間加熱到很高的溫度，這時墨水中會產(chǎn)生氣泡并發(fā)生破裂，利用這種氣泡破裂產(chǎn)生的力量將噴嘴附近的墨水推出去形成墨滴?，F(xiàn)在通常是使用電阻來加熱墨水，通過對不同噴嘴附近的電阻通斷電，就可以控制該噴嘴的墨滴噴射與否，因此熱發(fā)泡式噴墨技術(shù)屬于按需式噴墨技術(shù)。熱發(fā)泡式噴墨技術(shù)的主要優(yōu)點是控制簡單，噴頭集成度較高，生產(chǎn)成本低。但是由于該技術(shù)是一種高溫高壓的噴墨技術(shù)，噴頭始終處于一種溫度較高的工作環(huán)境，由于頻繁加熱與放熱，電阻壽命縮減迅速，因此采用該技術(shù)的噴頭普遍壽命較短，對于墨水的特性要求也比較嚴格。

1.3 壓電式噴墨技術(shù)

壓電式噴墨技術(shù)是另一種按需式噴墨技術(shù)，該技術(shù)是利用壓電陶瓷在電壓的作用下會發(fā)生形變的特性，將壓電陶瓷片安裝在噴嘴的頂部或者側(cè)壁，然后根據(jù)需要將不同的電壓加載到壓電陶瓷片上，利用陶瓷片的雙向形變完成吸墨、噴射和墨水重新填注等動作(見圖1)。該技術(shù)可以通過調(diào)整加載于陶瓷片上的電壓的不同組合(波形)來控制壓電陶瓷片的形變方式，以達到以不同的噴射速度噴射出不同大小墨滴的目的(見圖2)。由于該技術(shù)的主動部件采用的是壓電陶瓷這種長壽命材料，因此此類噴頭普遍使用壽命較長。壓電陶瓷片的墨水兼容性也很好，能夠兼容絕大部分墨水(含功能性墨水)。

基于上述原因，壓電式噴墨技術(shù)是目前絕大多數(shù)噴墨頭廠家采用的技術(shù)。

1.4 噴墨墨水

噴墨墨水是噴墨技術(shù)中一個關(guān)鍵耗材，不同的應(yīng)用領(lǐng)域需要使用不同的噴墨墨水。目前一些重要的噴墨墨水分類如表1所示。

2 數(shù)字噴墨印刷機的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字噴墨印刷機是將噴墨技術(shù)應(yīng)用于印刷領(lǐng)域的一種數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備，它主要由數(shù)字化前端系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)、供墨系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、印刷平臺、印后處理系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。

圖2 通過不同的波形控制得到不同大小的墨滴Ink drops of different sizes through diverse wave control

表1 主要的墨水分類

2.1 數(shù)字控制系統(tǒng)

數(shù)字控制系統(tǒng)是數(shù)字噴墨印刷機的核心控制系統(tǒng)，負責(zé)根據(jù)打印內(nèi)容控制噴墨頭進行按需噴射，最終在承印物上形成需要的圖像。其主要的功能包括：高速數(shù)據(jù)傳輸與分發(fā)，高速數(shù)據(jù)重構(gòu)，精確的同步控制，噴嘴異常檢測與在線補償?shù)取?/p>

2.1.1高速數(shù)據(jù)傳輸與分發(fā)

高速數(shù)據(jù)傳輸與分發(fā)功能是印刷機接收來自前端的點陣數(shù)據(jù)，根據(jù)噴射需要將點陣實時分發(fā)到不同的噴頭?，F(xiàn)代噴墨頭普遍具有噴嘴密度高、噴射頻率快的特點，以常見的京瓷噴頭為例，該噴頭在10.8厘米的寬度范圍內(nèi)集成了2656個有效噴嘴，每個噴嘴可以噴射3種不同大小的墨滴，最高的噴射頻率是40 kHz。這樣每個噴頭最高的數(shù)據(jù)吞吐率約為40 MB/s，一個實際應(yīng)用的數(shù)字噴墨印刷機至少要集成10個這樣的噴頭，整機的數(shù)據(jù)吞吐率就在400 MB/s以上。數(shù)字控制系統(tǒng)需要提供持續(xù)的高速數(shù)據(jù)傳輸與分發(fā)能力以確保印刷機持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

為了解決高速數(shù)據(jù)傳輸與分發(fā)的問題，方正電子采用了分布式傳輸與乒乓操作相結(jié)合的技術(shù)方案，見圖3。

圖3 方正桀鷹數(shù)字噴墨印刷機控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Control system architecture diagram of digital inkjet press of Founder Eaglejet

服務(wù)器負責(zé)前端數(shù)據(jù)的分發(fā)，根據(jù)數(shù)據(jù)所在的頁面(正面或背面)將數(shù)據(jù)分別發(fā)送到對應(yīng)的兩塊主控板。主控板根據(jù)噴頭的位置分布，將頁面數(shù)據(jù)分發(fā)到對應(yīng)位置的噴頭板。噴頭板接收到點陣數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)下發(fā)至噴頭并控制噴頭的實際打印輸出。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量其實是由最后面的噴頭輸出速度決定的。當噴頭全速工作時，每個噴頭的數(shù)據(jù)量為2656×3 bit×40 kHz≈319 Mbps，約40 MB/s。而從服務(wù)器分發(fā)至主控板的數(shù)據(jù)量由于包含6個噴頭的全部數(shù)據(jù)，最大數(shù)據(jù)量超過240 MB/s。

2.1.2高速數(shù)據(jù)重構(gòu)

高速數(shù)據(jù)重構(gòu)功能是將點陣數(shù)據(jù)與噴頭噴嘴的物理分布進行實時匹配。由于加工工藝的限制，現(xiàn)代噴頭還不能將所有的噴嘴排列在一排上，圖4為京瓷噴頭的噴嘴分布圖。

由于噴頭上的噴嘴不是在同一行，所以在同一時刻，不同行的噴嘴輸出的點陣數(shù)據(jù)也是頁面上不同行的數(shù)據(jù)。而同一行的所有點陣數(shù)據(jù)，需要承印物在移動過程中，經(jīng)過噴頭各行噴嘴時，由噴嘴分時噴印在承印物表面的同一水平線上，最終形成正確的印刷圖像。整個過程涉及頁面點陣數(shù)據(jù)的實時高速重構(gòu)和對承印物移動過程的精確跟蹤反饋。

在具體的功能實現(xiàn)上，控制系統(tǒng)在打印輸出時，根據(jù)每個噴頭噴嘴的物理分布情況，實時地將頁面點陣數(shù)據(jù)中噴嘴物理位置所對應(yīng)的不同行的點陣數(shù)據(jù)提取出來，重新組合為實際輸出至噴頭的點陣數(shù)據(jù)，然后噴頭將這一組點陣數(shù)據(jù)輸出至承印物。隨著承印物的快速移動，頁面點陣數(shù)據(jù)也在快速更新，所以實際輸出至噴頭的點陣數(shù)據(jù)也必須實時高速重構(gòu)，以滿足噴頭對最大數(shù)據(jù)吞吐量的要求。以京瓷噴頭為例，單個噴頭的最高數(shù)據(jù)吞吐率是40 MB/s，因此高速數(shù)據(jù)重構(gòu)功能也必須滿足這一數(shù)據(jù)吞吐量的要求。

圖4 京瓷噴頭的噴嘴分布圖Nozzles distribution of Kyocera inkjet head

2.1.3精確的同步控制

精確的同步控制是通過實時采集承印物的運動速度數(shù)據(jù)并加以數(shù)字化處理，確保噴嘴的噴射與印刷平臺的承印物運動相匹配。

噴墨印刷在打印方向上的最大分辨率是由噴頭自身的物理分辨率決定的，在走紙方向上的最大分辨率則是由控制系統(tǒng)對承印物的運動跟蹤精度決定的。即在承印物移動過程中，控制系統(tǒng)必須精確跟蹤承印物的每個微小位移——在600 dpi的精度下，這個微小位移是42.333 μm，1200 dpi精度下則是21.167 μm。同步控制就是控制系統(tǒng)實時跟蹤承印物的每次位移，產(chǎn)生相應(yīng)的同步控制信號，控制噴頭精確地輸出點陣數(shù)據(jù)到承印物表面，完成最終的印刷輸出。

2.1.4噴嘴異常檢測與在線補償

噴嘴異常檢測與在線補償技術(shù)是實時檢測噴嘴的噴射狀態(tài)，在噴嘴發(fā)生異常噴射時，前端服務(wù)器基于人眼視覺系統(tǒng)(HVS)的特性(見圖5)，利用掛網(wǎng)原理，按區(qū)域考量進行視覺補償，實現(xiàn)印品的印刷缺陷在視覺上被隱藏起來的目的。

在噴墨印刷過程中，由于噴嘴的孔徑很小，所以易由各種原因?qū)е聡娮於氯?。發(fā)現(xiàn)這種情況時，一般需要進行停機維護，以消除堵嘴、歪針。這樣一來，就導(dǎo)致較高的墨水消耗和生產(chǎn)效率的降低。但如果放任不管，輸出的文字或圖片又有明顯缺陷(白線)，客戶無法接受最終印品質(zhì)量。

噴嘴的異常檢測與在線補償技術(shù)就是為了解決這一矛盾應(yīng)運而生的。通過對印品進行實時在線掃描，檢測印品中出現(xiàn)的印刷缺陷，然后將缺陷位置反饋到前端服務(wù)器，由前端服務(wù)器利用掛網(wǎng)原理對點陣數(shù)據(jù)進行實時調(diào)整，按區(qū)域考量進行視覺補償，最終實現(xiàn)在視覺上修復(fù)印品缺陷的目的。圖6展示了這一在線補償技術(shù)實際使用時的效果。

圖5 坎貝爾-羅伯森圖和人眼的對比敏感度曲線Campbell-Robson contrast HVS sensitivity curve

2.2 其他噴墨子系統(tǒng)

除數(shù)字控制系統(tǒng)之外，一臺完整的數(shù)字噴墨印刷機還整合了如下的子系統(tǒng)：

(1)供墨系統(tǒng)：確保印刷過程中提供持續(xù)穩(wěn)定的墨水供應(yīng)，同時還要支持不停機換墨，以保證印刷機的持續(xù)高產(chǎn)。

(2)干燥系統(tǒng):在確保印品快速干燥的前提下盡可能降低能耗。工業(yè)級的干燥系統(tǒng)一般采用針對特定墨水進行優(yōu)化的干燥方式，而且可以根據(jù)不同的印刷速度與印刷品類進行干燥功率的自動調(diào)整。

(3)印刷平臺:現(xiàn)代的數(shù)字噴墨印刷機普遍采用伺服控制的無軸傳動印刷平臺，以確保承印物的平穩(wěn)高速運轉(zhuǎn)。

(4)數(shù)字化前端系統(tǒng):數(shù)字噴墨印刷機的用戶界面系統(tǒng)。主要功能是與用戶的工廠管理系統(tǒng)進行對接，接收用戶的印刷文件，拼版、RIP、校色與掛網(wǎng)，高速數(shù)據(jù)發(fā)送，協(xié)調(diào)統(tǒng)一其余各子系統(tǒng)的工作。

(5)印后處理系統(tǒng):該系統(tǒng)雖然不屬于數(shù)字噴墨印刷機的一部分，但是仍然需要與數(shù)字噴墨印刷機互聯(lián)并實時交互控制信息，以形成一套完整的噴墨印刷系統(tǒng)。

3 方正桀鷹數(shù)字噴墨印刷機

數(shù)字噴墨印刷機實現(xiàn)了真正意義上的一張起印、無須制版、全彩圖像一次完成。較低的印刷成本及高質(zhì)量的印刷效果比傳統(tǒng)印刷系統(tǒng)經(jīng)濟方便，數(shù)碼化的操作方式及有限的空間占用，使數(shù)字噴墨印刷機具有非常廣闊的市場前景。由于是按需噴墨，數(shù)字噴墨印刷機在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢墨量極少，同時由于采用的是環(huán)保型水性墨水，數(shù)字噴墨印刷機完全符合國家對于印刷行業(yè)的提質(zhì)增效、綠色環(huán)保的要求，是行業(yè)內(nèi)公認的對傳統(tǒng)印刷的最好補充，是傳統(tǒng)印刷機的升級換代產(chǎn)品。

方正電子從2005年開始致力于噴墨印刷技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，經(jīng)過近15年的持續(xù)投入與不斷努力，形成了方正“桀鷹”品牌的系列數(shù)字噴墨印刷系統(tǒng)，在所涉及的書刊、包裝、標簽等領(lǐng)域都處于行業(yè)領(lǐng)先的地位。

以其中的方正桀鷹P系列數(shù)字噴墨印刷機(圖7)為例，該印刷機定位于書刊、報紙領(lǐng)域的按需印刷，具有投資極少、印刷成本極低、印刷尺寸可選、印刷質(zhì)量高、占用空間小、操作人員少及運行成本極低、印刷材質(zhì)類型厚度選擇性大等特點。

圖6 噴嘴異常與在線補償效果對比圖Contrast of abnormal nozzles and on-line compensation effect

圖7 方正桀鷹P5600數(shù)字噴墨印刷機P5600 digital inkjet press of Founder Eaglejet

配合專業(yè)的數(shù)碼印刷墨水與方正獨有的色彩與掛網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)顏色飽和艷麗、色域?qū)拸V、過渡性好，遠遠超過傳統(tǒng)印刷效果。

作為國內(nèi)唯一具有完全知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字噴墨印刷機，方正桀鷹P系列在與國外同類型產(chǎn)品的競爭中具有性價比高、系統(tǒng)穩(wěn)定、服務(wù)及時、本地化系統(tǒng)設(shè)計、快速持續(xù)升級、投資少等顯著的優(yōu)點。同時方正電子在結(jié)合自身多年深耕印刷出版領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，推出了一系列配套的軟件系統(tǒng)，幫助用戶實現(xiàn)從出版社到印刷廠的全流程數(shù)字化。

方正桀鷹P系列數(shù)字噴墨印刷機與國外同類型產(chǎn)品幾乎同步進入國內(nèi)市場，經(jīng)過近7年的市場培育，P系列印刷機裝機量已經(jīng)占有60%以上的市場份額，有力地推動了國內(nèi)書刊按需印刷的升級與發(fā)展。