數字噴墨打印技術對我國建筑陶瓷未來發展的影響＊

林 偉 韓復興 邱 軍 范新暉 王太華 劉 暢

（廣東鷹牌陶瓷集團有限公司 廣東 佛山 528031）

數字噴墨打印技術對我國建筑陶瓷未來發展的影響＊

林 偉 韓復興 邱 軍 范新暉 王太華 劉 暢

（廣東鷹牌陶瓷集團有限公司 廣東 佛山 528031）

2009年以來華東地區和佛山地區的部分一線陶瓷品牌企業先后引進了陶瓷數字噴墨打印技術裝備，也推出了許多數字化陶瓷產品。在國家力推以科技發展觀為指導思想，建設“資源節約型，環境友好型”社會和佛山各級政府力推“四化融合，智慧佛山”打造新興工業、新型城市的關鍵時刻，陶瓷數字噴墨打印技術對建筑陶瓷來講可能只是一個支點。筆者闡述陶瓷數字噴墨打印技術國內外生產研究現狀、技術特點和數字化時代建筑陶瓷的基本特征。

建筑陶瓷 數字噴墨打印機 墨水 噴頭

Abstract：Since 2009in east China area and foshan ceramic parts of the first brand enterprise successively introduced ceramic digital ink－jet printing technology and equipment，has also put forward many digital ceramic products.In the national push technology development as the guiding ideology，the building of a“a resource－conserving and environment－friendly”society and foshan government entities at all levels pushed forward“four fusion，wisdom，foshan”create new industries and new city，the key technology of digital ink－jet printing ceramic building ceramic terms may be just a fulcrum.This paper expounds ceramic digital ink－jet printing production research situation at home and abroad in digital times，technical features and the basic characteristics of architectural pottery.

Key words：Building ceramic；Digital ink－jet printer；Ink；Nozzle

前言

噴墨印刷是一種無接觸、無壓力、無印版的印刷技術，最早出現在1878年。到了1951年，Siemens公司將液態的墨水轉變成墨滴的技術申請專利，當時因為針、墨有問題，效果不佳，直到1964年才正式進入實用階段。1964年藉由一個特殊機臺，可以控制墨滴的大小及噴出的速率，這是噴墨機的雛形。直到1967年，Hertz研發出連續式的噴墨打印機，這就是目前在工業上使用的Continuous Ink－jet Printing。1972年Siemens推出Piezoelectric（壓電式）的Drop－on－Demand Ink－jet Printing；1979年Canon推出Thermal的Drop－on－Demand Ink－jet Printing，但稱為 Bubble Ink－jet Printing。數字噴墨印刷技術真正開始于1997年，1997年英國塞爾技術有限公司申請了一系列壓電按需噴墨打印專利技術，隨后日本精工愛普生株式會社也申請了一系列壓電按需噴墨打印專利技術。10年來隨著電腦技術發展，數字噴墨打印技術得到了飛速發展。2007年英國塞爾技術有限公司推出Xaar 1001噴頭，Xaar 1001噴頭具備的三大特點，使得噴墨技術成功地應用于流水線性的工業化生產。

西班牙Kerajet公司是陶瓷噴墨打印技術的先驅者，2000年Kerajet公司與愛爾法公司及福祿公司合作進入陶瓷噴墨打印機市場，由于西班牙對釉下彩拋光玉石產品的喜愛，使得陶瓷噴墨打印機得到推廣。2006年由于噴墨打印噴頭技術的進步，以Kerajet公司為領頭羊的數字噴墨打印機開始在西班牙迅速發展。2007年，Xaar 1001噴頭的成功亮相，又激發包括意大利、中國在內的眾多陶瓷裝備制造商和陶瓷產品制造商青睞。

圖1 INK－CID數碼噴印設備（上海斯米克陶瓷）

圖2 NEWTECH數碼噴墨印花機（三水金牌陶瓷）

短短3年，已經有400臺陶瓷數字噴墨打印機走進生產車間，中國自2009年諾貝爾陶瓷引進意大利Kerajet數碼噴墨印刷系統以來，目前也有16臺走進華東、佛山、江西等10家陶瓷企業。陶瓷數碼噴墨打印機的開發和關鍵輔材——陶瓷墨水，關鍵裝備——噴墨噴頭的開發也進入白熱化階段。

表1 陶瓷噴墨打印機生產情況

在綜合分析陶瓷噴墨打印技術、裝備技術、輔材技術的基礎上，提出數字陶瓷噴墨技術的開發應用前景，并展望了數字技術對陶瓷產業未來發展可能有所影響的一些技術。

1 陶瓷噴墨打印技術

陶瓷企業目前所應用的噴墨打印機均為壓電式按需噴墨印花機。其工作原理為：利用壓電傳感器對墨水施加沖擊。當計算機控制的變化電壓施加在壓電傳感器上時，它會隨電壓的變化而發生體積的收縮和膨脹，體積變化的方向取決于壓電材料的結構和形狀。當傳感器收縮時會對噴嘴內的墨水施加一個直接的高壓，使其從噴嘴高速噴出。電壓消失后，壓電材料恢復到原來的正常尺寸，墨室依靠毛細作用被儲墨器充滿。壓電式噴嘴每秒鐘能噴出14 000個左右的墨滴，比熱脈沖式稍多，墨水體積稍小，為150×10－8L。

壓電式噴頭的分辨率高達1 440dpi（每英寸點數），壽命比熱脈沖式高100倍。包括噴頭、噴頭矩陣及噴頭板組成的噴頭系統，包括墨盒、過濾器、墨泵、管路等在內的循環供墨系統，包括灰度控制器、顯示器、路由器、芯片、接口在內的驅動電子設備，三元色＋黑色的陶瓷墨水和控制軟件等5大核心成為陶瓷噴墨打印機的關鍵核心技術。

圖3 噴墨打印工藝原理示意圖

1.1 陶瓷墨水

國內陶瓷墨水的研究始于2000年，近年來形成了天津大學研究團隊、南昌航空工業大學研究團隊、大連理工大學研究團隊、陜西科技大學研究團隊和華南理工大學研究團隊，共發表論文32篇，尤其是天津大學研究團隊發表論文11篇，形成了楊正方、郭瑞松等一批專家。企業研究方面出現了廣東佛陶集團股份有限公司、道氏制釉、華山制釉、科信達奧斯博等公司，申請了3個發明專利，尤其是道氏制釉已經獲得專利2個。盡管如此，陶瓷墨水在國內仍處于研究階段，離真正產業化還有一定的距離，筆者相信在2011年廣州陶瓷工業展覽會上會看到中國自己的陶瓷墨水。

圖4 歷年發表有關陶瓷墨水論文數量

圖5 各大學發表陶瓷墨水論文人數及論文數

圖6 各位專家發表論文數量

1.2 噴墨打印機噴頭

表2 噴墨打印機噴頭生產銷售情況

圖7 Xaar1001噴頭

英國賽爾公司目前是全球最大的噴墨打印機噴頭系統、電子驅動系統和循環供墨系統的最大供應商，此外通過對陶瓷墨水認證和控制軟件認證為客戶提供第三方服務系統。實際上，賽爾公司已經基本上控制了噴墨打印技術的硬軟兩部分。此外，雖然國際上有不少噴頭生產廠家，尤其是日本的精工愛普生噴頭和美國的Spectra噴頭，在技術上是比較先進的，由于日本和美國都作為高技術產品對國內進行控制，造成國內噴墨打印機的開發處于無“頭”的狀態。近年來，也有不少專家和協會呼吁對噴頭進行免關稅，以解決噴墨打印機開發的燃眉之急。噴墨打印機生產銷售情況見表2。

圖8 日本東芝噴頭

陶瓷數字噴墨打印機噴頭的關鍵技術有兩個：一是壓電晶體陶瓷材料，二是微電子機械加工技術。尤其是微機械加工技術是微電子機械系統（MENS）的核心，他是一個國家戰略性新興技術之一，不僅在數碼噴墨打印領域，而且在所有制造業、軍工通訊業和航天航海領域都是關鍵核心裝備的核心。英國賽爾公司的XAAR1001打印噴頭的技術特點見表3。

表3 英國賽爾公司的XAAR1001打印噴頭的技術特點

1.3 其他關鍵設備及軟件說明

陶瓷噴墨打印機關鍵技術除了“（噴）嘴”還有“腦”，即驅動電子設備、開發軟件包及驅動程序；“心”即循環墨水供應系統和末端噴墨供墨系統；“眼”即對陶瓷產品的跟蹤控制系統達到按需求噴墨打印；“手”即在線陶瓷產品的傳輸系統。尤其是“腦”和“心”是國內陶瓷噴墨裝備制造企業的不足。賽爾ES供墨系統包括過濾器、墨泵、獨特的串流系統、副墨盒，一個墨泵可以為8個副墨盒及噴頭供墨。賽爾XUSB DE驅動電子設備可通過PC或筆記本電腦的USB端口，同時驅動最多8個噴頭，四色打印機需設置4個XUSB DE驅動電子設備。

2 其他陶瓷數字設備展望

2.1 陶瓷企業能源管理系統

能源管理系統簡單地說就是把生產企業的能源消耗，如水、氣（汽）、風、電的使用過程數據進行監測、記錄、分析、指導。實時監控企業各種能源的詳細使用情況，為節能降耗提供科學的依據，為企業查找能耗弱點，促進企業管理水平的提高及運營成本的進一步降低，使能源使用合理，達到節能減排，再創造效益的目的。通過數據分析，可以幫助企業對生產線、工作班組以及主要耗能設備進行實時考核，杜絕浪費，并可以幫助企業進一步優化工藝，以降低單位能耗成本，提高企業綜合競爭力。

陶瓷企業目前還是耗能大戶，研究建筑陶瓷節能路線圖，利用先進的電子計量檢測元件和電磁閥對各工作環境的溫度、濕度空氣質量進行檢測數據收集，對各工藝裝備的工作溫度、壓力、電流、電壓、水流量、氣流量、燃氣流量、燃氣壓力、氣體成分、原料成分、燃料成分進行檢測數據收集，通過有線或無線輸出，將數據輸入服務器主機進行數據分析處理、監督管理和技術指導。陶瓷企業能源管理系統的核心是技術分析處理軟件和專家處理軟件。

2.2 按需供粉技術在陶瓷裝飾機械的應用

按需供粉技術得益于按需噴墨打印技術的啟發，需求是陶瓷拋光磚布料車。目前陶瓷布料車尤其是微粉布料工藝實際上或多或少吸收了傳統的滾筒印刷技術或絲網印刷技術，如魔術師實際上就是絲網印刷技術在陶瓷布料車上的應用，如新概念微粉布料技術實際上就是吸收滾筒布料技術和巖變技術。無論是絲網抑或雕花滾筒對產品花色和圖文設計都達不到“按需”，也達不到“仿真”，更達不到拋光磚設計開發的“多快好省”的目的。往往投入百萬的布料車，一年后就過時，往往投入數百萬的實驗經費，耗費近百日的開發時間卻很難使客戶滿意。數字技術和電腦輔助設計如果通過按需供粉技術的實現，如果通過合理的粉料鼓氣動輸系統、串流供粉系統、微電磁閥控制系統和一定密度的噴頭板矩陣系列就可以實現微粉的電腦布料和電腦圖像設計。那么我們的技術員完全可以坐在家里上班，也就實現了佛山城市化和國家化后的低碳生活方式。

2.3 按需供釉技術在流漿磚生產中的應用

流漿磚的開發始于2004年，有通體流漿磚和復合流漿磚。流漿磚流紋肌理明顯，特別是引入透料的流漿磚更是具有特別的肌理和質感。由于傳統流漿磚工藝不合理，造成紋理不穩定，生產時干燥階段、燒成階段存在一些問題，產品基本上仍處于試驗階段。新的流漿磚工藝采用按需供漿技術，仍采用多工位噴頭，電磁閥噴釉工藝，肌理圖案數字設計數字控制，微波干燥＋遠紅外熱輻射干燥，實現數字化生產工藝。新的流漿磚主要為通體流漿磚，可實現微晶玻璃、傳統陶瓷、石材所無法實現和達到的質感、肌理、紋理和圖案，其次可實現工藝設計的遠程控制和即時控制。

3 結論

通過對陶瓷數字噴墨技術的國內情況分析和總結，以及對國內新時期新形勢建筑陶瓷產業提升形式的分析得出以下幾點淺見。

1）陶瓷數字噴墨技術的核心技術是噴頭、墨水、驅動系統、供墨系統和控制軟件，國內墨水研究雖有10年歷程，但是仍處于理論研究階段，佛山部分企業有望在2011年推出陶瓷墨水。

2）噴墨打印噴頭是核心技術的核心，而噴頭的核心技術是壓電晶體半導體陶瓷和微電子機械系統，作為戰略性新興產業的微電子機械系統應該成為國家重點支持科技項目。

3）數字技術在建筑陶瓷產業提升中仍是重要課題，新的節能管理技術、新的節能及裝飾工藝將是今后開發的重點。

Digital Ink－jet Printing Technology to Our Country Building Ceramic for Future Development of Influence

Lin Wei，Han Fuxing，Qiu Jun，Fan Xinhui，Wang Taihua，Liu Chang（Guangdong Eagle Brand Ceramics Group Co.，LTD，Guangdong，Foshan，528031）

TQ174.4

A

1002－2872（2011）04－0009－04

林偉（1967－）本科，工程師，任總裁等職；主要從事建筑衛生陶瓷的研究和生產管理。E－mail：linw＠eagleceramics.com