打印機技術研究和未來應用發展趨勢初探

健雄職業技術學院 陳 清

打印機作為PC輸出設備已經普及，種類也很多。在辦公室或家庭大多采用噴墨打印機和激光打印機，傳真則使用熱敏式打印機，而針式打印機則常常用于票據打印場合；另外，還有熱轉印打印機和大幅面打印機等專業打印機應用于廣告制作、室內裝璜等領域。由此可見，自1968年推出世界上第一臺PC（針式）打印機以來，PC打印機應用服務領域正在不斷拓展之中。而最近被媒體大肆宣揚給世界帶來第三次工業革命的是“3D打印機”（官方稱增材制造技術，又稱快速成型技術），讓人看到打印機應用技術研究前途未仍然不可限量。

一、打印機基本技術研究

打印機種類繁多，但作為PC輸出設備的打印機其組成則基本相仿，我將它們歸結為如圖1所示的幾個組成部分。

圖1 打印機組成框圖

1.電源系統：根據需要將輸入的220伏工頻交流電被調控為高壓、低壓、直流電，為打印機其它系統供電。

2.接口系統：是打印機和計算機連接的橋梁，它負責把計算機傳遞過來的打印信息進行暫存和傳遞。以前多采用并口，但并口體積較大而遭淘汰，現多被USB接口所取代。

3.控制電路：通常包括微處理器、ROM和RAM存儲器等。其中ROM主要用來存儲打印機的管理程序，RAM主要用來接收和分析接口系統傳遞過來的頁面打印信息，微處理器主要用來協調控制搓紙系統、內容系統、印字系統之間的工作，并完成一系列傳感器的監測，是打印機的“大腦”。

4.搓紙系統：該名稱僅對于紙平面打印機較為合適，而對于3D打針機來說不夠貼切，嚴格來說它是一個位置定位控制系統。紙平面打印機主要由進紙系統和出紙系統構成，定位相對簡單，打印紙在整個輸紙路中的走動都是有嚴格的時間范圍，對走紙具體置的監控則是通過控制電路和一系列的傳感器監測完成的；3D打針機則增加了豎直方向的移動和控制，定位相對2D要復雜一點。

5.印字部件：這是完成輸出打印的核心部件，通常是由打印材料和部件組成的。不同類型的打印機，其核心部件也各不相同。如：針式打印機印字部件為色帶和打印針，噴墨打印機印字部件為墨水和墨盒，激光打印機印字部件是墨粉和硒鼓等。不同類型的打印機結構和工作原理上的復雜程度也各不相同，我認針式打印機最為簡單，激光打印機印字部件最為復雜。

二、打印機印字部件應用技術比較研究

從以上結構分析可以看出，打印機的前四個部分基本是可以通用的，而作為打印機的核心部件之印字部件應用技術則相差較大。下面就以我們最常用的針式打印機、噴墨打印機、激光打印機印字部件作簡單的比較研究。

1.針式打印機印字部件為色帶和打印針。印字機構中心部件為電磁驅動的打印針。打字信息電磁激發打印針作機械推送運動敲擊涂有不同顏色的色帶，從而在色帶下的白紙上留下色點，多點陣列逐點敲擊便可完成印字和圖像；另外，由于打擊紙面力量夠大，所以可完成票據的多層復寫打印。這類打印機的設計，我總覺得是老式英文機械式打字機的繼承和發展。

2.噴墨打印機印字部件為墨水和墨盒。由于噴墨打印機體積小巧，質量很輕，價格又相當的便宜，它不但可以打印文字，還可以打針彩色照片，所以為家庭使入門的首選。但廣大用戶很快就發現發明噴墨打印機原始廠家在營銷上的價格陷阱：這種打印機雖然整機價格便宜，但補充小瓶裝墨水和小墨盒的錢卻較貴。近幾年，國內企業已打破了國外廠商對墨水價格壟斷，再加上淘寶客對墨盒技術上的再利用，使小瓶裝墨水和小墨盒價格有了大幅的下降。從技術而言，噴墨打印機印字關鍵部件是墨盒，墨盒制造關鍵是噴嘴，噴嘴又可分壓電式和氣泡式兩種。壓電噴墨技術是利用壓電陶瓷在電壓作用下發生形變，擠壓噴頭中的墨水，使噴嘴中的墨汁噴出，在紙上形成文字或圖案；氣泡式噴墨系統又稱為電熱式，將短脈沖電流作用于加熱器件上產生蒸汽，形成很小的氣泡，氣泡受熱膨脹形成較大的壓力，壓迫墨滴噴出噴嘴，從而達到打印圖像的目的，家用的常用氣泡式一體式墨盒。

3.激光打印機印字部件墨粉和硒鼓。其實這樣說不夠嚴格，在這里我主要是為便于與上述兩款打印機對應比較才這樣說。其實激光打印機相對于上述兩種打印機而言，技術要復雜得多，它是集光、機、電一體化的精密設備。激光打印機印字必須通過感光、充電、顯影、轉印、定影、消影等六個工作步驟才能完成。具體印字過程如下：首先激光器受打字信息控制完成對感光鼓掃描、曝光；然后鼓粉組件完成充電、感光、顯影3個步驟產生墨粉圖像；其次轉印組件是將感光鼓表面上的墨粉圖像轉印到紙上；最后定影組件通過高溫、熱壓將墨粉融化固定在打印紙上。激光打印機剛推出時價格較貴，但隨著技術的普及和進步，價格也已經落到普通百姓家庭也樂意購置的程度。

這三種打印機其它方面的特性比較，列表如下：

表1 針式、噴墨、激光三類打印設備特性比較

三、3D打印機印字部件應用技術比較研究

近年，3D打印機技術突然崛起卻讓許多人驚奇不已。研究、分析發現3D打印機不是2D平面打印機升級換代，它不是來取平面打印機的，而是要在產品制造上實現突破的新技術。它是以PC上的數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬、塑料等一系列可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。從收集的各方資料來看，3D打印機從打印人體器官到打印飛機部件，幾乎無所不能。那么它在技術上有哪些突破呢？

1.3 D打印機在“逐層打印”應用技術上的突破。我們認為3D打印首先是在“逐層打印”理念和意識上的創新發明。在高等數學上早就告訴我們對復雜外形物體分析的微、積分原理，在醫院身體檢查時也看到過CT對我們身體逐層掃描對我們身體截面片化后的細致剖析。所以，官方最終將3D打印技術稱之為增材制造是恰如其分、很容易被人理解和接受的。過去我們是找一大塊原材料，通過雕刻，棄廢料出產品，做的是減法；現在我們是找很多塊小原材料，通過堆砌出產品，做的是加法。在做加法過程中，幾乎沒有廢料，節省了原材料，還實現了快速制造。

2.3 D打印機在“打印材料”應用技術上的突破。為了實現增材制造和快速成型，尋找打印材料是非常重要的。而世界之大，材料繁多，特性更中千差萬別。有塑料、金屬，還有細胞、泥漿，甚至有面粉、巧克力，只要先把上述材料先加工成細細的粉末或液體，那么在理論上都是可以用來做打印材料的，問題是我們究竟是要做什么，打印什么有價值的3D產品?我們可以用細胞打印器官，用陶瓷打印假牙，用塑料打印頭像，用鈦合金打印飛機部件，用面粉打印漢堡包…，我們欣喜地看到，現在它們都一一實現了。但等待我們的還有很多不同的應用方向，面臨著不同材料技術突破，這是非常重要的，也是未來支持打印機技術不斷向前發展最重要的動力源。

3.3 D打印機在“定型打印”應用技術上的突破。為了讓粉末或液體材料最后能逐層打印、堆砌成型，科學家們發明了多種定型技術。主要有：

(1)熔融沉積快速成型技術：它是將熱熔性打印材料先做成絲線狀，通過微細噴嘴噴出，沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上，溫度低于固化溫度后開始固化，通過材料的層層堆積形成最終定型成產品。

(2)光固化成型技術：它只適合于光敏樹脂為打印材料的3D打印。它通過紫外光或者其他光源逐點、逐片區照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產品。需要特別指出的是，在現有3D打印技術中，光固化成型做出的產品精度是最高的，但打印地過程慢是它的缺點。

(3)三維粉末粘接技術：它是將打印材料做成粉末狀，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等。打印時先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域，讓材料粉末粘接，形成產品截面，然后不斷重復鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終打印出產品。這種方法打印出的直接成品強度并不高，但可以增加一些后續處理工序來彌補不足，如3D打印的陶瓷產品就可事后進爐高溫再燒結等。

(4)選擇性激光燒結技術：它也是將陶瓷、金屬、塑料等打印材料做成粉末狀，由計算機控制層層堆砌、直接激光燒結、一次成型的方法。激光燒結最主要的優勢還是在于金屬產品的制作，可以直接或間接燒結金屬零件，最終成品的強度遠遠優于其他3D打印技術，且精度好、強度高。我國激光技術研究世界領先，激光在3D打印應用中更是成果不凡。我仔細看了華中科技大學的3D打印機操作演示視頻，覺得該技術真的是強大：可打印泡沫塑料十層嵌套球，也可以打印鉆木的金屬鉆頭，真不愧是十年磨出的“神器”！

四、展望打印機未來發展的趨勢

自從有了3D打印、增材制造、快速成型的理念，創新的思想就像是被激發了一樣，腦子里邊突然潮涌來許多奇奇怪怪3D打印技術應用的想法。百度了一下，受到啟發，想法也就更多了，也有一種想上手一臺3D打印的沖動。但現在的3D打印機的價格不菲，買回來我們是要做什么產品、還是做玩具，還是嘗試開一家3D打印商店？3D打印在各專業、各領域發展的方向是什么，誰最有前途？都是那么前景燦爛，全都想參與其中。

我是學電子專業出身的，也在電子教學的第一線，看了網上多篇類似“3D打印機未來的10種發展趨勢”的帖子，我不在這里復述。就我本專業需求迫切性來說，如果有一臺3D打印機可以打印不同的電子元件、芯片，打印軟的、硬的印刷電路板，或將元件、芯片、電路打印于一體，那就是一個多么美好夢想呵！“不怕做不到，就怕你想不到！”這句話幾乎印證了當前電子智能科技所有的發明。展望未來，3D打印，一切皆有可能！

[1]劉海濤.光固化三維打印成形材料的研究與應用[D].華中科技大學博士論文,2009.

[2]胡發宗等.三維立體打印機的成形技術[J].模具技術,2004.

[3]呂德平.激光打印機原理與維修[J].中國計算機用戶,1994,5.

[4]百度百科名片:3d打印機[OL].http://baike.baidu.com/view/1152866.htm.

[5]各類打印機基礎知識比較全面的介紹了各類打印機相關的參數[OL].http://wenku.baidu.com/view/d642782719 2e45361066f56e.html.

[6]3D打印機未來的10種發展趨勢[OL].http://www.oa999999.com/zh-CN/displaynews.html?newsID=100166447.