喷墨头技术原理样本

喷墨头技术原理

摘要 : 喷墨打印技术除了提供高质量而低成本的彩色图片输出 , 也可应用于各种 不同材料表面精密喷印成形 , 本文将详细说明喷墨头的分类及各自的原理与应用。

关键词 : 喷墨头 分类 原理

喷墨打印技术的主要原理分为两类 （ 见图 1） : 喷墨方式可分为连续式及非连续式 （ 或称 DOD 按- 需式 ） 两大类 , 而非连续式的打印方式又可依墨水喷出动力机构的不同 分为热发泡式 ( Thermal bubble) 及压电式 ( Piezoelectric) 。 喷墨打印技术 非连续式

侧喷型 顶喷型

图 1 喷墨技术分类

喷墨的速度取决于两项主要的因素 : 一为墨滴频率 （ 每秒有多少墨滴 ） , 另一为墨 滴大小。而喷墨头的重量也会影响到速度 , 如重量轻的喷墨头在加速和降速上就比较容 易控制。至于分辨力则与两项主要的因素有关 : 一为喷墨头每一管道的间隔距离 , 另

一 因素为墨滴大小。

一、 CIJ （ Continuous Ink-Jet ）

1 、 单路连续喷墨 （Binary Continuous Ink-Jet ）

大都使用于高速打印需求 , 且承印材料广泛。 该系统的主要缺点有 : 喷印分辨率比 DOD 型喷墨头低 , 由于它采用的是低粘度的墨水 , 也没有采用墨路回收装置 , 会造成一 定程度的浪费 , 相应的耗材成本较高。

连续式 单路连续喷墨

多路连续喷墨 热发泡式 压电式

弯曲型

图 2 单路连续喷墨

2、多路连续喷墨(Multilevel Continuous Ink-Jet)

主要是带电的墨滴从喷嘴射出后, 根据图像信号决定是到达承印物, 还是进入回收系统内再使用。虽然大都使用在低分辨率、需要高速度的产品上, 但也部分使用在中、高档的彩色数字印刷系统。该系统的主要优点有: 喷印速度高, 适应性广泛, 系统稳定, 喷墨头的使用寿命比热感式、压电式喷墨头的寿命长, 而且印刷质量、化学性质稳定。可是系统维护费用较高, 喷印分辨率相对较低, 采用的墨水粘度在

3~6cp( 厘泊) 之间, 范围较窄。

图 3 多路连续喷墨

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二、DOD ( Drop-On Demand)

DOD式喷墨头可满足较高质量和多功能的需求。热发泡式喷墨(thermal ink-jet) 打印机, 由于低成本、喷头寿命以及耗材等限制, 大都使用于办公型打印机。可是压电式喷墨则功能多样, 能用于不同的材质, 因此适用于数字印刷、包装业、纺织工业和商业印刷等。

1、热发泡式喷墨(TIJ —Thermal Ink-Jet)

热喷墨技术的工作原理是经过喷墨打印头( 喷墨室的硅基底) 上的电加热组件( 一般是热电阻) , 在 3 微秒内急速加热到300摄氏度, 使喷嘴底部的液态油墨汽化并形成气泡, 该蒸汽膜将墨水和加热组件隔离, 避免将喷嘴内全部墨水加热。加热信号消失后, 加热陶瓷表面开始降温, 但残留余热仍促使气泡在8微秒内迅速膨胀到最大, 由此产生的压力压迫一定量的墨滴克服表面张力快速挤压出喷嘴。随着温度继续下降, 气泡开始呈收缩状态。原挤出于喷孔外的墨水受到气泡破裂力量的牵引而形成分散墨滴, 后端因墨水的收缩使墨滴开始分离, 气泡消失后墨水滴与喷嘴内的墨水就完全分开, 而墨水则透过连通喷墨区与储墨区的流道持续流入补充, 从而完成一个喷墨的过程。每喷出一个墨滴都是上述流程协同运作的结果。

(1) 侧喷型( Side Shooter Thermal Inkjet)

1977年, Canon 获得Side Shooter Thermal Jet 气泡式喷墨技术专利, 与此同时, 惠普也创造了与之本质相同的技术, HP 和Canon 都不约而同地宣称是自己的研究人员率先创造了喷墨打印技术, 以此建立自己在喷墨打印领域的地位。不过” Bubble ”这一概念已被佳能抢注, 惠普只好将此命名为Thermal Ink-Jet 。IBM 将其印刷部门出售, 促成了新公司Lexmark 的诞生。HP于1984 年生产了它的第一台商用TIJ, 之后Xerox, Olivetti 公司也纷纷上马生产。其它一些喷墨打印机公司则主要使用这些公司的OEM 喷头。

图 4 侧喷型喷头

(2) 顶喷型( Roof Shooter Thermal Inkjet) 顶部喷墨孔射出技术最早应用于HP及

Lexmark 的喷墨打印机

图 5 顶喷型喷头

热发泡型打印速度较快, 但缺点就是墨水只经推挤就被喷出, 力量较不能集中, 墨点易受到惯性影响, 与印字头拉扯不清, 而产生不均匀或墨渣。另一个问题是, 气泡式的喷墨方式, 因其印字头常处于高温状况下, 热会使得印字头更容易损耗, 故需使用印字头与墨水匣合一的方式来降低成本。

2、压电式喷墨(Piezoelect ink-jet)

利用压电陶瓷( 大部份的材料为铅-Pb, 锆-Zr, 钽-Ta) , 由压晶体管施加电压使其产生形变, 挤压液体产生高压而将液体喷出。供应全世界喷墨头的厂商主要有Xaar 和Spectra 两大家, 当前以压电式(piezo) 为主流的喷头不但应用在打印机市场, 也由于其印墨选择性多样化, 在不同的领域和产业上也被高度重视和采用。除了EPSON 将压电式喷墨头成功商业化为高分辨率喷墨(水)打印机外, Xaar 和Spectra 将其应用于熔融的金属、高分子塑料等材料的喷射与分配, 并在电子工业制造上有极大的发展潜力。

(1) 弯曲型( Bend Mode)

由一压电陶瓷片(piezoceramic) 、振膜(diaphragm) 、压力舱(pressure chamber)、入口管道(inlet & manifold) 及喷嘴(orifice) 所组成。当压电陶瓷盘承受控制电路所施加的电压, 产生收缩变形, 但受到振膜的牵制, 因而形成侧向弯曲挤压压力舱的液体。在喷嘴处之液体因承受内外压力差而加速运动, 形成速度渐增的突出液面。其后虽然作用于压电陶瓷片的电压于适当时间释放, 液体压力下降, 喷嘴处液滴仍因惯性缘故, 克服表面张力的牵引而脱离。典型的300DPI 喷墨头喷嘴直径约为50μm, 一次喷出液滴量约为100pl(1pl = litter), 速度约为10m/sec。为了达到这么高的喷出速度( 动压约为0.5 大气压), 并克服液体之粘滞性及表面张力, 压力舱内液体所承受之压力平均约为 3 大气压。

图 6 弯曲型喷头

(2) 剪力型( Sheer Mode)

由陶瓷片、电级等组成, 没有振膜、压力舱等结构。当压电陶瓷片承受控制电路所施加的电压, 产生收缩变形, 喷嘴处液体受压喷出。

图7 剪力型喷头

(3) 推挤型( Push Mode)