數碼噴墨印花技術的研究現狀以及發展趨勢

力雪梅，孫以澤

（東華大學機械工程學院，上海 201600）

傳統的印花加工主要由圓網或平網印花完成［1］，需要經過制備花網、調制印花色漿、印制等多道工序，存在污染大、生產周期長、更換品種時間長、印花疵布多等問題［2］。當前，人們對設計的靈活度有著更高的要求，對紡織品的生產速度以及品種也提出了要求，數碼噴墨印花可以更好地滿足這些要求，因此，數碼噴墨印花技術已經被大規模地應用于生產生活中，得到了更快速的發展。與傳統印花加工方法相比，數碼噴墨印花的精度更高，對環境的污染更小，且可以進行更加靈活和個性化的設計，圖樣可以通過計算機進行調整修改。

1 數碼噴墨印花技術的發展歷程及現狀

20世紀70年代，數碼噴墨印花技術出現，直到80年代，該技術的分辨率還是比較低，僅適用于印制地毯等。美國Milliken公司開發的Millitron系統和奧地利Zimmer公司開發的Chromojet系統運用電磁閥原理，利用計算機控制噴墨以及氣流噴射來實現要求的圖案。進入20世紀90年代，荷蘭Stork公司推出Amber數碼印花機。此外，日本Seiren公司是世界上第一個把數碼噴墨印花技術產業化的公司。當時的噴墨印花機采用的是按需噴墨技術。進入21世紀，紡織品數碼噴墨印花技術得到了快速發展。噴墨印花機的生產商數量迅速增加，印花機的性能也不斷提高。數碼噴墨印花的應用領域在不斷擴展，產業化規模不斷擴大，顯示出良好的產業化前景。

中國的數碼噴墨印花起步較晚，真正將此技術成果應用于工業生產的應屬杭州宏華數碼科技股份有限公司。該公司于1997年開始研究數碼印花技術在紡織工業領域的應用，并于2000年研制出國內第一臺數碼噴射印花機。目前國內已經非常重視數碼噴墨印花機的開發，在杭州宏華數碼科技股份有限公司的帶動下，已經出現了多家數碼噴墨印花設備的開發企業［3］。2018年初，杭州宏華數碼科技股份有限公司主持完成的“超高速數碼噴印設備關鍵技術研發及應用”榮獲國家技術發明二等獎。

2 數碼噴墨印花的原理與分類

2.1 原理

數碼噴墨印花技術首先將計算機產生的彩色圖文信息或來自印前輸入設備的彩色圖文信息傳遞到噴墨設備，再通過特殊的裝置，在計算機的控制下計算出相應的通道墨量，噴墨成像裝置控制墨滴以一定速度由噴嘴噴射到承印物表面，最后通過油墨與承印物的相互作用，使油墨在承印物上再現穩定的圖文信息［4］。

2.2 分類與比較

數碼噴墨印花按照噴墨方式可分為連續噴墨法（CIJ）和按需噴墨法（DOD）。其中，連續噴墨法墨水浪費較多，打印效率不高［5］，故更多使用的是按需噴墨法。而按需噴墨法又可分為壓電式按需噴墨、氣泡式按需噴墨、閥門式按需噴墨以及其他按需噴墨方式。其中，比較常用的是壓電式按需噴墨和氣泡式按需噴墨。

噴墨方式不同，噴頭、墨水等參數也不同。由表1可知，壓電式噴墨噴出的墨滴更小，具有分辨率高、壽命長、可靠性高等優點，缺點是噴頭的制造成本比較高。壓電式數碼噴墨印花機的生產廠商比較多，如Mimaki公司、Roland公司、DuPont公司、杭州宏華數碼科技股份有限公司等。氣泡式按需噴墨的分辨率比壓電式按需噴墨低，噴頭的壽命短、可靠性差，但是成本相對較低。氣泡式數碼噴墨印花機的生產廠商有Canon等。

表1 壓電式和氣泡式按需噴墨的參數比較

3 數碼噴墨印花系統的構成

3.1 主要設備

數碼噴墨印花系統一般由織物放卷機構、織物輸送機構、噴墨打印機構、供墨機構、烘干機構、控制機構、RIP軟件等構成。織物輸送裝置將待印織物輸送至噴墨打印機構打印，為了保證印花的精度，采用伺服電動機控制織物的傳送速度，與打印速度相互配合完成打印。打印完成后，將織物傳送至烘干機構烘干。圖1為數碼噴墨印花系統的機體結構簡圖。

圖1 數碼噴墨印花系統的機體結構簡圖

3.2 噴頭

在打印過程中，噴頭的質量以及對各個噴頭的控制尤為重要，噴頭的質量直接影響打印的整體質量和速度。目前，市場上應用較多的噴頭生產廠商有京瓷、精工、理光、賽爾、富士、柯尼卡、東芝等。

3.2.1 京瓷噴頭

近年來，京瓷噴頭在紡織品印花上的應用發展非常迅速。京瓷KYOCERA噴頭主要分為KJ4A、KJ4B、KJ4C系列。其中，應用較多的是KJ4A和KJ4B系列。KJ4A系列適用于黏度較高的UV固化墨水，KJ4B系列適用于水性墨水。

京瓷噴頭內有2 656個噴嘴，每個噴嘴的打印速度可達4萬滴/s，總體打印速度超過1億滴/s，打印寬度可達108 mm，最大可實現5級灰度、最大線速100 m/min、解像度600 dpi×600 dpi的單Pass高畫質打印。

噴印速度是衡量噴頭質量的一個重要參數。京瓷噴頭通過對壓電致動器進行改良設計，通過提高驅動頻率、改良噴嘴形狀、調整防水膜材料等措施來提高噴印速度。

京瓷噴頭在質量、速度等方面可以滿足大多數市場對噴頭的要求，但是噴頭價格相對偏高，一般廠家會根據機器自身需要來選擇噴頭種類。

3.2.2 精工噴頭

精工噴頭與京瓷噴頭一樣都來自日本公司。精工噴頭有510BN、508GS、1020BN和RC1536系列，各系列參數見表2。510BN系列噴頭在中國的應用已經有10余年，墨滴顆粒相比其他噴頭更大，打印精度有待提高，需要提高打印質量來滿足更多的市場需求。1020BN系列噴頭是一款工作性能非常穩定的噴頭。該系列噴頭的有效打印寬度可達71.90 mm，普遍應用于UV打印機，工作性能穩定，壽命長，在性能上優于510BN系列噴頭。508GS系列噴頭集速度與精度于一身，打印速度較1020BN系列噴頭提升了30%，具有可變的灰度打印工藝，極大地豐富了成像的過渡色、色域。RC1536系列噴頭的優點是具有自動恢復斷墨功能、噴墨速度快、溫度恒定、墨水適用性廣、廢墨少，缺點是啟動時間長、墨水循環流控制要求高、設備成本高［6］。精工噴頭的顯著優點是噴頭壽命長，打印精度可以滿足市場的主流需求，是一款高性價比的噴頭。精工UV打印機是行業里較穩定的機器。

表2 精工各系列噴頭參數

3.2.3 理光噴頭

理光噴頭應用較多的是GEN5系列，如MH5421噴頭。MH5421噴頭在MH5420噴頭的基礎上進行了改進，改進后的噴頭在使用水性墨水時壽命將會延長。理光GEN4系列噴頭有384個噴孔，8個噴頭就有3 072個噴孔。與GEN4系列相比，理光GEN5系列噴頭有1 280個噴孔，4個噴頭就有5 120個噴孔。GEN4系列噴頭是一個噴頭打印一個顏色，而GEN5系列噴頭是一個噴頭打印兩個顏色。因此，理光GEN5噴頭打印速度更快。此外，理光GEN5系列噴頭含有恒溫和電路保溫系統，噴頭對環境的適應性更好，且適用于各種墨水，打印圖像清晰，出墨流暢。相比之下，理光GEN4系列噴頭對工作環境的要求更高，而且要使用專用的墨水。

總體來說，使用GEN5系列噴頭的UV打印機速度快、精度高，而且機器運行穩定，性價比較高。

3.2.4 其他噴頭

賽爾噴頭的1000系列、500系列以及2000系列都是比較常用的噴頭。在歐洲市場上，UV打印機常用賽爾2000系列噴頭，即把兩個賽爾1000系列噴頭合并應用。賽爾噴頭打印質量高，具有流暢的打印色調，應用十分廣泛。富士噴頭應用較多的是星光系列、桑巴系列，星光系列噴頭在精細圖片打印上還有些不足，但其耐用性、可維修性得到了廣泛認可。柯尼卡噴頭噴孔大、墨點粗，適合噴繪精度要求較低的圖案，一般用于打印戶外的寬幅廣告。需要注意的是，選購柯尼卡UV打印機時，內加熱比外加熱更穩定、耐用。相對于幾款熱門噴頭來說，東芝噴頭是性價比很高的噴頭，不僅價格相對便宜，打印速度快，而且使用壽命可達2～3年。

4 數碼噴墨印花墨水

紡織品的數碼噴墨印花來源于紙張的噴墨打印，但又與之不同。紡織品數碼噴墨印花所用墨水在要求上多于紙張打印，不僅對色素純度、不溶性固體顆粒粒徑、黏度、表面張力、穩定性、電導率、pH以及起泡性等提出要求，而且墨水噴射到織物上形成圖案后，還要求具有良好的染色性能［7］，并且要求對手感沒有影響。

紡織品噴墨印花墨水按照溶劑可以分為水性墨水、溶劑型墨水以及UV墨水［8］。按照色素可以分為染料型墨水和顏料型墨水［9］。染料型墨水的優點是色譜齊全、著色鮮艷、穩定性好、不易堵塞噴頭、打印質量好；顏料型墨水的優點是耐光和耐水色牢度好，但存在得色強度低、色彩不鮮艷、圖案不清晰、成本較高的缺點。［10］染料型墨水作為一種水溶液，顆粒度對噴墨印花噴嘴沒有影響；而在選擇顏料型墨水時，要考慮顆粒度與自身設備的匹配情況，一般要將顏料粒徑控制在1 μm以下，避免出現堵塞噴嘴的現象。［11］因此，綜合生產成本和打印質量等因素，染料型墨水對市場的適應性更好，應用也更普遍。

染料型墨水可分為活性染料、酸性染料以及分散染料墨水。染料型墨水對織物有一定的選擇性，活性染料墨水一般應用于棉織物印花，酸性染料墨水應用于蠶絲或錦綸類織物，分散染料墨水則應用于滌綸織物。織物在印花前需要進行一定的預處理，使表面更容易上染。而顏料型墨水對織物沒有親和力，適用的織物比染料型墨水更廣泛。但顏料型墨水的生產成本更高，且色彩強度不如染料型墨水，色彩不夠明亮。目前，市場上被廣泛應用的噴墨印花墨水生產商一般有Ciba、Epson、Canon等。

數碼噴墨印花的質量與所用墨水的質量息息相關。因此，數碼噴墨印花設備的發展與進步對噴墨印花墨水提出了更高的要求，同時，噴墨印花墨水的發展也促使噴墨印花行業不斷發展。

5 數碼噴墨印花的特點及應用

數碼噴墨印花在印花行業已經得到了廣泛應用。計算機技術的不斷發展促進了數碼噴墨印花的發展，待打印的圖片信息可以從計算機中獲取或生成，給數碼噴墨印花提供了更多的可能性。

5.1 與傳統印花的比較

與傳統的圓網印花或者平網印花相比，數碼噴墨印花不需要分色描稿、制片、制網，不僅節省了大量的制版成本，而且省去了大量的制版時間和空間，生產周期縮短，同時生產更靈活，可以根據客戶的要求及時、靈活地變換印花圖案。該操作可在計算機上完成，不需要再重新制版。

數碼噴墨印花擺脫了傳統印花“高能耗、高排放、高污染、低附加值”三高一低的困境，尤其適合小批量、多品種、快速的生產模式［12］，相較傳統印花更環保，無染料、助劑的廢棄和浪費，無污水排放，是真正的清潔生產技術。

5.2 特點

數碼噴墨印花的顯著特點就是無需制版，借助計算機可以直接印花，生產十分靈活；印花質量高，色彩豐富，可以印制照片花型；批量小，順應大規模定制潮流，適應個性化要求；可快速反應，零庫存生產，生產過程數字化，印制效果一致性好，改善了印花生產的環境。［13］但是，數碼噴墨印花的生產速度相較傳統印花還不夠快，且印花設備價格偏高，生產成本增大。

5.3 應用

目前，數碼噴墨印花機已經不再局限于印制廣告幅面以及紡織品等，還可以應用于皮革、陶瓷以及PCB電路板等。傳統的PCB是通過刻蝕減成法制作的，生產工序冗雜、資源消耗大、環境污染嚴重。而采用數碼噴墨印花技術制造PCB時，一般只要3道工序：基板布圖、噴墨打印、熱固化成型。生產工序少、耗能小、成本低、環境污染小，優勢明顯。利用數碼噴墨印花技術的PCB噴墨打印機符合我國倡導的“節能、減排、降耗、增效”的產業政策發展方向，必將成為PCB生產的主流。［14］由此可見，數碼噴墨印花的精度正在一步步提升，其應用領域也將更加廣泛。

6 數碼噴墨印花的發展趨勢

隨著數碼噴墨印花技術的不斷發展，數碼噴墨印花將面臨更大的挑戰。目前，數碼噴墨印花設備的核心部件噴頭的生產技術仍然掌握在少數國外生產商手中，我國還不能生產高精度的噴頭。但是，我國已經有大量的科研人員開始對數碼噴墨印花進行研究，相信在不久的將來，中國也將在數碼噴墨印花行業取得巨大的成果。