數(shù)字印刷新時期：噴墨印刷技術(shù)跨越式發(fā)展

姚明月 孫加振

印刷業(yè)在圖文信息復(fù)制、存儲及傳播中發(fā)揮著重要作用，長期以來推動著人類的文化傳播、知識傳承及文明進步，是輕工、文化及國防科技領(lǐng)域的重要載體，其產(chǎn)品廣泛遍布于人們生活的各個領(lǐng)域，成為我國國民經(jīng)濟的重要組成部分。隨著新材料、新工藝及新技術(shù)的發(fā)展，新興的技術(shù)被大量吸納進入印刷加工制備過程中，特別是新時期數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，使得當前的印刷產(chǎn)業(yè)迎來了數(shù)字印刷新時期。作為一種高精度、大批量復(fù)制的加工生產(chǎn)技術(shù)，傳統(tǒng)印刷往往需要制版這一環(huán)節(jié)來實現(xiàn)印刷工藝，這導(dǎo)致了印刷成本高、工序繁瑣、環(huán)境污染大等缺點，使得一種無須印版的噴墨印刷技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)不經(jīng)過分色制版，省略了拼大版、定位、調(diào)墨、潤濕等一系列工序，大大簡化了印刷工藝。當前所有的數(shù)字化技術(shù)在推動印刷領(lǐng)域發(fā)展的過程中，噴墨印刷作為一種最徹底的直接印刷技術(shù)，被認為是最具前景的印刷方式，將會發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著數(shù)字印刷技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，噴墨印刷技術(shù)迎來了跨越式發(fā)展。作為一種無須印版、非接觸印刷以及可以采用各種普適性材料作為墨水的印刷方式，噴墨印刷技術(shù)已經(jīng)在各種基材表面展現(xiàn)出來廣闊的應(yīng)用，如印刷電子、智能包裝、機械制備、生物化學分析等。因此，本文將圍繞數(shù)字印刷新時期，噴墨印刷技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展，技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域進行探討，并對數(shù)字印刷背景下噴墨技術(shù)的發(fā)展進行展望。

噴墨印刷技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字化已經(jīng)成為當前各行各業(yè)不得不完成的任務(wù)，數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用同樣推動著噴墨印刷技術(shù)的不斷發(fā)展。噴墨印刷設(shè)備進入印刷行業(yè)的最初嘗試是從數(shù)字噴墨輸出菲林膠片開始的，隨著噴墨打印分辨率及生產(chǎn)速度的不斷提高，開始出現(xiàn)了作為數(shù)碼相機輸出設(shè)備可以直接打印數(shù)碼圖片的噴墨印刷機。當前，用來輸出各種數(shù)字信息的噴墨印刷機普遍使用在眾多領(lǐng)域之中。同時，噴墨印刷正在不斷嘗試與眾多生產(chǎn)工藝和先進材料相結(jié)合，以求在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。

1.噴墨印刷的分類

噴墨印刷技術(shù)根據(jù)墨滴生產(chǎn)方式可分為：連續(xù)型噴墨打?。–AJ）和按需噴墨打印（DOD）。連續(xù)噴墨技術(shù)雖然得到了快速發(fā)展，但是獲得的圖案比較粗糙，不能實現(xiàn)高精度、高分辨率的打印。相比之下按需噴墨技術(shù)由于其高精度以及節(jié)約可控等優(yōu)勢很快獲得廣泛的關(guān)注和研究，并很快得以市場應(yīng)用。按需噴墨打印主要分為4類：壓電式噴墨打印、熱泡式噴墨打印、靜電力打印和聲波打印，而按需噴墨打印最受關(guān)注和研究最廣泛的是壓電式噴墨印刷。

2.壓電式噴墨印刷原理

壓電式按需噴墨印刷原理可以簡單概括為電腦終端控制脈沖電壓信號，壓電晶體（鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，具有優(yōu)良壓電性能）接收電壓發(fā)生形變，在整個墨水艙中產(chǎn)生壓力波將墨水擠壓出噴頭。

3.壓電式噴墨印刷墨滴的生成

墨艙截面圖如圖1所示，壓電晶體圍繞在墨水艙外側(cè)，當對壓電晶體施加脈沖電壓時，電壓下降會使壓電晶體體積發(fā)生變化——壓電晶體體積增大，由于壓電晶體與腔室緊密相連導(dǎo)致腔室體積變小，腔室內(nèi)的液體壓力會因此瞬間變?yōu)檎?，從而墨滴被擠壓出去。當電壓保持不變的時候，壓電晶體及腔室的體積不變所以壓力不會改變。隨著電壓上升會導(dǎo)致壓電晶體體積歸位，腔室體積也因此歸回原位，而給予液體一個負壓。當產(chǎn)生瞬間的壓力足以克服液體的表面張力時，液滴會受到壓力作用而發(fā)生回吸現(xiàn)象從而擠斷噴出墨滴。

4.壓電式噴墨印刷墨滴的斷裂

當墨水從噴頭噴出時，由于頭部速度較快，尾部速度較低，墨滴被拉長成如圖2所示的模樣。

液滴前端體積較大，稱為主液滴，尾部體積較小稱為尾液滴，除了噴射壓力造成的速度影響，表面張力也會促使液滴趨于球型，液體黏度則決定油墨斷裂難易。墨滴從噴口噴射出來，受到墨艙出現(xiàn)負壓回吸作用，與此同時受表面張力作用墨線頭部的液體形成球形，根據(jù)拉普拉斯公式，壓力與曲率半徑r成反比，墨線頭部具有較小的拉普拉斯壓。墨線尾部液滴被拉長成錐形，墨滴尾部拉普拉斯壓較大。當墨滴的曲率半徑達到某個閾值Rmin時，拉普拉斯壓達到峰值，因此墨線就從這個地方斷裂。

5.衛(wèi)星墨滴生成原理

衛(wèi)星墨滴是獨立于主墨滴之外的墨滴形式，對噴墨印刷質(zhì)量往往帶來不利影響。墨滴噴射的動力主要來自壓電晶體變形的壓力，如果這個壓力過大、持續(xù)時間過長，會導(dǎo)致產(chǎn)生過長液線。當液線受到擾動時會出現(xiàn)波動，波動之后液線上各點的表面張力所引起的拉普拉斯壓就不再相等，所造成的結(jié)果是波谷處越來越細而波峰處越來越大，由此造成液線斷裂產(chǎn)生衛(wèi)星墨滴。因此控制脈沖電壓信號，選擇合適的波形將會有效抑制衛(wèi)星墨滴的產(chǎn)生。

噴墨印刷墨水的應(yīng)用

噴墨印刷墨水的多元化廣泛接納了新興先進材料，隨著噴墨印刷工藝的不斷進步將在很多領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，例如噴墨印刷納米粒子墨水、先進功能材料、3D打印等。下面將介紹噴墨印刷墨水的多元化發(fā)展與應(yīng)用。

1.噴墨印刷納米粒子墨水

油墨的各方面性能是關(guān)系印刷品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在油墨中加入納米粒子會使得油墨具有某些特殊的功能從而提高印刷效果。納米油墨的最大優(yōu)勢是可以在油墨中添加不同納米粒子，同時提高油墨在不同方面的功能，比如在油墨中加入金屬納米粒子，可以將各種波長的光線吸收而使自身顯示黑色，加入具有導(dǎo)電性的納米粒子，可以屏蔽靜電從而制備抗靜電油墨，加入流動性較好的納米粒子可以提高油墨層的耐磨性，而加入了ZnO、Fe2O3等有天然抗擊紫外線能力的納米粒子可以明顯提高油墨的抗老化性，總之納米粒子的加入使得油墨的性能得到大幅度的提升。納米粒子的加入可以充分體現(xiàn)出噴墨印刷對原材料的廣泛兼容性，使用了納米粒子墨水的噴墨印刷將會從生產(chǎn)工藝和原料品質(zhì)兩個方面對印刷品質(zhì)量進行提高，從而滿足更高要求的工業(yè)生產(chǎn)。納米粒子的制備、分散及墨水化等關(guān)鍵科學問題越來越值得研究及應(yīng)用，噴墨印刷納米粒子墨水對于新興印刷領(lǐng)域顯得極為重要。值得大量的研發(fā)投入。越來越多的機構(gòu)認識到，這將成為國際科學技術(shù)領(lǐng)域重要的核心競爭力，也使得噴墨印刷技術(shù)在新時期的重要性體現(xiàn)得更為清晰。

2.噴墨印刷先進功能材料

在所有的科學技術(shù)都向著智能化發(fā)展的今天，新進功能材料也迎來了自己的春天，如石墨烯、液態(tài)金屬及量子點等。這些材料大量合成制備用于印刷電子的生產(chǎn)，噴墨印刷先進功能材料催生了印刷電子應(yīng)用。通過在特種油墨中添加不同的傳感材料，我們便可以用印刷的方式來打印諸如智能傳感標簽等產(chǎn)品。噴墨印刷技術(shù)完全可以實現(xiàn)上述操作，不過其缺點是速度慢、效率低，但是由于噴墨打印具有較大的發(fā)展空間，所以在未來必定是功能器件的重要生產(chǎn)方式。隨著人機交互界面時代的到來，印刷電子在電子制造技術(shù)領(lǐng)域掀起的新一輪技術(shù)浪潮，與傳統(tǒng)的電子器件制造技術(shù)相比，其沖擊力甚至不亞于20世紀70年代出現(xiàn)的硅芯片，其應(yīng)用體系已延伸到紙電子、塑料電子、有機電子、自修復(fù)電子、透明電子、可食電子及可穿戴電子等領(lǐng)域，具有硅基微電子器件所不能勝任的優(yōu)勢。

3.噴墨印刷技術(shù)應(yīng)用于3D打印

三維打印技術(shù)是指基于數(shù)字化的新型成型技術(shù)，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動直接制造零件的科學技術(shù)，而噴墨技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)被用于制作產(chǎn)品和組件原型的三維固體模型，其打印的產(chǎn)品已經(jīng)涉及生活各個領(lǐng)域，3D打印為越來越多的企業(yè)和個人實現(xiàn)制造新穎、個性和自制產(chǎn)品的可能，更重要的是3D打印在3個方面減少了我們對自然資源的消耗。首先3D打印提高了制造方法的資源利用率，其次促進了回收和維修次數(shù)的增加，最后3D打印實現(xiàn)了本地制造和按需制造，減少了交通運輸、生產(chǎn)過剩和產(chǎn)品長期存儲等間接的資源消耗。圖5、圖6為用大型打印機Bigrep制成的桌子以及澳大利亞將3D打印用于牙科治療。

噴墨印刷的發(fā)展前景

任何一項技術(shù)都不是橫空出世的，它需要其他技術(shù)的支撐與融合，需要借助其他技術(shù)的肩膀來推陳出新、發(fā)展自我。噴墨印刷所涉及的領(lǐng)域越來越廣泛，其發(fā)展正處于上升期，未來噴墨印刷技術(shù)必定會得到更大的飛躍。與此同時也帶來了更多的挑戰(zhàn)，比如電壓信號的調(diào)控對于墨滴行為有著重要的影響，在使用油墨進行生產(chǎn)制造的過程中，如何更好更快地找出與該種油墨相適應(yīng)的、獨一無二的電壓信號從而使墨滴不論是速度上還是質(zhì)量上都盡快滿足生產(chǎn)需要是我們需要進一步研究的，或者將墨滴的自身特性與電壓信號建立聯(lián)系。當我們得知墨滴諸如表面張力、黏度、密度等參數(shù)后可以通過計算直接得出與之相匹配的電壓信號，如此一來不但減少了尋找最佳電壓信號的時間，也使得墨滴的行為合乎規(guī)范，噴頭技術(shù)的發(fā)展對生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高大有裨益?？傊瑖娔∷姶蟮倪m應(yīng)性使得其能與眾多生產(chǎn)工藝相融合從而創(chuàng)造出了無限的可能，相信在數(shù)字化印刷新時期噴墨印刷的發(fā)展之路將會越走越寬。

作者單位：齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）輕工科學與工程學院