淺析噴墨印刷技術應用進展

在過去10年間，噴墨印刷市場已經得到了長足發展。盡管面臨全球經濟萎靡，用于新技術開發和推廣的資金逐步減少，但噴墨印刷技術從未停止前進的步伐。2011年，隨著歐洲地區GDP出現緩慢增長，印刷業同時也進入了銷售量的艱難上漲階段。然而，噴墨印刷領域卻成為印刷領域增長速度最快的黑馬。歐洲地區的噴墨印刷急速發展，其主要表現為噴墨印刷機安裝量的增加，同時促使噴墨印刷油墨出現兩位數字的增長。2008年的德魯巴展會，由于大量新型噴墨技術的出現而被行業譽為“噴墨德魯巴”。在IPEX 2010展會上，數碼印刷廠商（多數為噴墨印刷廠商）的參展面積也大于傳統印刷。在2012年5月的新一屆德魯巴展會上，創新的噴墨技術依然成為焦點，很多業內人士稱這次展會為“噴墨德魯巴2.0”。目前噴墨印刷在全球印刷和包裝印刷市場中只占很小的一部分，據資料顯示，2011年噴墨印刷大約只占全球印刷總產值的4.2%，占全球印刷總量的比例略低于0.5%。預計到2017年，噴墨印刷將占全球印刷總產值的7%，占全球印刷總量約1%的份額。這對供應商來說是很有吸引力的，因為該領域正在強勁增長，而傳統印刷量卻在下降。

噴墨印刷是一種非接觸式的復制技術，圖像或圖形經過掃描儀、數碼相機輸入計算機，或由計算機直接繪制、寫入圖像和文字，計算機將其特征數字信號傳輸給打印機，打印機再以電信號控制印刷頭系統，噴墨頭噴射墨滴逐滴逐行在承印基材上形成圖像和文字，不需傳統的印版。下面針對噴墨印刷技術的應用現狀以及在常規圖文復制領域和其他科技領域的應用情況進行介紹，從而方便廣大業內外人士對噴墨印刷有一定的了解。

噴墨印刷應用技術現狀

噴墨印刷應用技術分為連續式和按需分配式兩種類型：連續式噴墨印刷是指，噴墨印刷機在噴嘴后面調整壓力波，使墨水細流斷裂成均等尺寸的墨滴，在飛行到承印材料的過程中這些墨滴被充電，在電場中偏離，打印成所要求的圖案；按需分配式噴墨印刷是指，噴墨印刷機工作時只在承印材料需要印刷圖文的區域，根據需要噴出墨滴完成印刷，其中按照墨滴形成方法可分為熱噴式（又稱熱發泡式）和壓電式。

目前，世界知名的噴墨印刷設備制造商有美國的惠普（hp）公司、日本的愛普生（Epson）公司、日本的佳能（Canon）公司、美國的利盟（Lexmark）公司，此外夏普（Sharp）公司、施樂（Xerox）公司、戴爾（Dell）公司、聯想（Lenovo）公司等制造商的相關技術和設備也不容忽視。

世界著名的噴墨設備生產廠商各自投入研發力度，近年來在印刷品質、印刷速度、印刷成本3個方面取得了令人矚目的突破。其中有美國惠普公司的富麗圖分層技術、智能色彩增強技術，日本愛普生公司的智能墨滴變換技術、自然色彩還原技術、超精微墨滴技術，日本佳能公司的專業照片優化技術、四重色控技術，此外還有一些其他公司的技術，這些都在一定程度上提升了噴墨印刷的技術含量。

1.印刷品質

提高彩色墨水種類的數量是提高畫質最為直接的途徑。目前，高端噴墨印刷設備已經實現了八至九色墨盒，能夠表現上億種色彩。就表現色彩數量來看，八色墨盒已經能滿足絕大多數苛刻的要求。印品質量的穩定和提高，除了取決于墨水配方和墨盒數量以外，與噴頭也有很大關系。目前，熱泡式噴頭已經能夠噴出1皮升（1皮升=10^-12升）的墨滴，如日本佳能公司噴頭的FINE技術能規則排列高密度的微小噴嘴，最高可達9600dpi×2400dpi的超高分辨率，確保打印畫質的清晰、精致。而微壓電式噴頭也能夠噴射1.5皮升的墨滴，如日本愛普生公司使用的世紀虹彩K3墨水的新型號噴墨設備使用一英寸寬的噴頭，每種顏色的噴嘴數量達到180個，印刷更精細。如墨滴的尺寸進一步減小，對印品質量的影響微乎其微，因為1—1.5皮升的墨滴幾乎達到了人類視覺的極限，不過尺寸再減小將嚴重影響印刷速率，并且加工噴頭的工藝也比較困難。

2.印刷速度

提高噴墨印刷速度的一個關鍵技術和手段就是增加噴嘴的數目。目前熱發泡式噴墨印刷機的噴嘴已經開始采用光刻法制造，這種方法能夠精確制造大量很小的噴嘴，而噴嘴與墨盒的一體化設計也保證了印刷的精度。由于熱泡式噴嘴結構比較簡單，增加噴嘴數目也不至于導致成本過高。但微電壓噴墨設備的噴嘴結構較為復雜，所以加工成本較高，采用單純提高噴嘴數目來提高印刷速度的方法會使成本大幅度增加。

3.印刷成本

降低噴墨印刷成本是涉及墨水配方、墨盒設計、智能芯片和噴墨印刷機本身設計等方面的系統工程，美國惠普公司的可升級噴墨印刷技術通過對墨盒、噴嘴、智能芯片和噴墨印刷機控制系統以及應用軟件等相關軟硬件的創新設計，使噴墨設備能夠以高速印刷出品質高端的文檔和照片。在影響噴墨印刷成本的因素中，最關鍵的還是耗材成本，這給非原裝墨水的生產廠商帶來了商機。

隨著噴墨印刷設備的進一步推廣，在成功占領家用和辦公領域市場之后，其應用領域逐步向數碼印花和傳統圖文復制行業滲透。噴墨印刷技術不僅能夠完成書刊的印刷，而且在高速和低速的情況下還可以完成高質量的多色印刷，以及實現張張不同的可變數據印刷。例如，條形碼印刷是噴墨印刷技術的一個特殊應用領域，有序和無序的條形碼是標簽優惠券等印刷產品必不可少的部分。

噴墨印刷能夠輕松實現各種條形碼、數字和具體信息在承印材料上的快速印刷，目前噴墨印刷的打印耗材已成為繼PC、外設、網絡、軟件、通信之后的第六大IT產業板塊。我國珠江三角洲地區是以珠海為中心的耗材生產基地，產品出口到世界各國。全世界打印耗材制造基地開始逐漸向中國轉移，中國正在成為世界噴墨設備的主要制造國家，已成為噴墨印刷打印耗材的最大潛在市場。

由于噴墨印刷產生的墨滴尺寸微小、噴墨位置精確，噴墨圖案設計簡單以及印刷圖案控制容易，噴墨印刷技術已逐步成為基礎研究和產品研發的個有力工具。噴墨印刷是研究功能材料的選擇性沉積作用最有前景的方法之一，在電子、光學、化學、生物學或結構功能材料方面，噴墨印刷技術在納米顆粒圖案化及輸送精確數量的特殊材料方面的應用具有特別的吸引力。目前，在生物技術和工程、金屬沉淀學、微結構制造、電子制造、網絡連接、制藥、玻璃、陶瓷等領域，噴墨印刷技術取得了突破性進展。

英國曼徹斯特大學研究小組正與噴墨頭開發商英國賽爾（Xaar）公司密切合作，共同完善用于傳送骨骼修復或細胞移植等人體細胞的噴墨印刷設備。運用噴墨系統把活的人體干細跑打印到受傷的病人身上，即醫生要給病人移植一些替代的細胞，讓它們長成合適的尺寸、形狀，起到組織移植作用。

日本芝浦機電工程公司公布了通過噴墨技術在玻璃基板涂敷液晶定向聚酰亞胺膜的方法，并且改善后的噴墨印刷設備已經應用于國外液晶面板廠商的數臺試制線。

日本愛普生公司也利用噴墨技術的“液體成膜技術”獲得了豐碩成果。傳統電子零件的制造均采用重復進行影像平版印刷的方式來形成電路，該方法會造成材料使用上的浪費，大約需要300個工序，使用了大量能源，并會造成大量廢棄物排放。噴墨印刷技術采用施加電壓產生變形的壓電材料，噴頭噴出數皮升的微細墨點在芯片上實現高精細度的印刷電路，從而不僅能減少資源使用上的浪費，而且還能夠大幅減少工藝流程、廢棄物排放和能源使用量。另外，愛普生公司推出的噴墨設備實現了液晶板彩色濾光片的生產，這是噴墨技術在電子元器件制造領域取得的又一個重大突破，顛覆了傳統的“光刻法”生產工藝，并創造出更多價格合理、品質卓越的新型顯示產品。

除此之外，噴墨印刷導電油墨在RFID無線射頻識別技術上的應用越來越多，隨著物聯網時代的到來，將來噴墨印刷在印刷電子領域的應用前景將十分廣闊。

噴墨印刷技術在3D打印領域的應用

噴墨技術現已經被用于制作產品和組件原型的三維固體模型。英國賽爾公司聲稱噴墨設備能夠制作用于皮膚表面的包扎繃帶，它能夠把移植的皮膚組織噴到繃帶上，從而幫助大量的燒傷患者。最近，這些源于美國的3D打印產品的新聞讓國人感到新奇，如時速72公里的無人機和可以射擊的步槍，甚至今后可能用于心臟搭橋手術中的動脈等。

3D打印技術正在重塑全球制造業的競爭格局，有著令人期待的應用前景。該技術雖在國內還未普及，但產業鏈正在形成，如中國3D打印技術產業聯盟前不久在北京成立。據美國沃勒斯同仁咨詢公司的數據顯示，2011年全球3D打印產品與服務的銷售額為17億美元，到2019年該行業的收入將達69億美元，其中零部件制造占80%。盡管如此，3D打印機在中國的裝機量僅400多臺，而美國則擁有3000臺以上，并且每年的增幅都非常明顯。

3D打印激發了人們的想象力，工程師們可以用其打印模具，“極客”牙醫可以打印假牙，汽車維修公司可以打印稀缺的汽車零部件，而不是忍受全球物流的煩瑣和時間的消耗。另外，像捷豹、路虎等汽車生產商，用環氧樹脂基復合材料所制的部件中已有超過1/3是通過3D打印機生產。2012年7月，美國宇航局（NASA）在地球上進行低重力拋物線飛行過程中，測試了3D打印機。或許宇航員們以后能用3D打印機來制造發射時遺漏的設備或物品。近幾年，北美和歐洲的3D打印市場正在急劇增長，從3D巨頭美國斯川塔斯公司2011年的財務報告可以看到，其80%的收入來源于歐美市場。

雖然3D打印現在還沒完善到直接造出汽車和iPhone的程度，但對于制造某些汽車配件和特別定制的手機零部件已非難事。正是因為其制造過程多是以數字化的方式進行，使得人們可以用更少的人力成本，靈活地生產少量產品，這對歐美國家而言是一個福音，但對我國來說或許將給制造業帶來定的沖擊。在飛機、核電和火電等行業所使用的重型機械、高端精密機械裝備上，傳統的焊接和零部件加固的方法，使得部件之間的連接非常費工，而且牢固性還有待提高；但若使用3D打印技術，無縫連接是其最大亮點之一，結構的穩固性和連接強度將得到很大的提升。

總之，噴墨印刷技術的工作原理簡單，制作成本低廉；操作靈活方便，可用于不同場合；印刷方式多樣。適用于不同要求；可選用不同噴墨材料，根據不同的印刷要求來適應室內和戶外使用；印刷精度和速度逐步提高，印刷介質越來越廣泛。因此，為了使具有強大生命力的噴墨印刷技術在中國生根并迅速成長，在將來使中國在實現印刷強國轉變過程中立于優勢位置。

工作單位：

中科院化學研究所