数字喷墨打印头技术应用现状及分析

齐元胜 董立波

自喷墨打印技术问世以来，推动了数字打印相关领域的快速发展，喷墨头是数字喷墨打印系统的核心部件，其工作原理和结构决定了工作的可靠性和制造成本。本文分析了各类喷墨头的主要结构特点、全球主要生产厂商、应用领域、主要性能比较，并综述各类喷墨头的国内外需求现状，指出喷墨头技术国产化的解决思路。

数字喷墨打印头种类和主要生产厂商

1.喷墨打印头种类

按照工作原理可分为电场偏转连续喷墨、按需喷墨两类；按需喷墨又分为两种，以下详细说明。

①电场偏转连续喷墨

连续式喷墨技术以电荷调制型为代表。这种技术利用压电驱动装置对喷头中的墨水加以固定压力使其连续喷射。为进行记录，利用振荡器的振动信号激射流生成墨水滴，并对墨水滴的大小和间距进行控制，由字符发生器、模拟调制器输出的打字信息对电荷进行控制，形成带电荷和不带电荷的墨水滴，再由偏转电极改变墨水滴的飞行方向，使需要打字的墨水滴“飛”到纸上形成字符和图形，另一部分墨水滴由导管收回。

②按需喷墨

热发泡式：热发泡式喷墨技术通过加热喷嘴，使墨水产生气泡，然后再喷到打印介质的表面。它的工作原理是通过喷墨头上的电加热元件（通常是热电阻），在3微秒内急速加热到300℃使喷嘴底部的墨水活化并形成气泡，该气泡将墨水和加热元件隔离，可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从喷嘴中快速喷出。喷到纸上墨水的多少可通过改变加热元件的温度来控制，最终达到打印图像的目的。整个打印喷墨头加热喷射墨水的过程非常快捷，从加热到气泡的成长到气泡消失，直至准备下次喷射的整个循环只耗时140～200微秒。

压电式：压电喷墨技术把喷墨过程中的墨滴控制分为3个阶段：喷墨操作前压电元件首先在信号控制下微微收缩；元件产生一次较大的延伸把墨滴推出喷嘴；在墨滴马上就要飞离喷嘴的瞬间，元件又会进行收缩，干净利索地把墨水液面从喷嘴收缩。这样，墨滴液面得到了精确控制，每次喷出的墨滴都有完美的形状和正确的飞行方向。压电式喷墨系统在装有墨水的喷头上设置换能器，压电换能器受输入数字信号的控制，从而控制墨水的喷射。根据压电式喷墨系统换能器的工作原理及排列结构可分为：压电管型、压电薄膜型、压电薄片型等几种类型。压电式喷墨打印头使用寿命长，而且墨水适应性广，但价格相对较高，主要应用于工业喷墨印刷领域。

2.喷墨打印头主要生产厂商

①赛尔公司

赛尔公司成立于1990年，总部位于英国剑桥，1997年在伦敦证券交易所上市。赛尔公司主要设计、开发和生产压电式喷墨打印头，早期主要业务是转让专利权，多家日本公司均购买了其专利使用权。1999年，在兼并瑞典MIT公司后，建立了自己的生产基地，目前在瑞典和英国拥有两个生产基地。赛尔公司早期产品主要面向广告喷绘行业，具有较高市场占有率，后受到低价产品冲击，产品重点逐渐转向陶瓷喷印和家居装饰行业。

②富士胶片Dimatix公司

富士胶片Dimatix公司的前身是成立于1984年的Spectra公司，其总部位于美国加州，2006年被日本富士胶片公司收购后改为现名。富士胶片Dimatix主要生产高性能压电式喷墨打印头，可以生产满足各类喷墨打印要求的喷墨打印头，但由于产品售价较高，应用受到一定限制。

③柯尼卡美能达（KonicaMinolta）喷绘科技公司

柯尼卡美能达喷绘科技公司是日本柯尼卡美能达的子公司，成立于2005年。该公司购买了赛尔公司的专利使用权后，开发了基于赛尔技术的压电打印头，其产品以中低端为主，用于广告喷绘、纺织等行业。

④爱普生（EPSON）公司

日本爱普生公司是全球主要的压电式喷墨打印头及系统开发商，其产品主要用于爱普生自产自销的办公室及家庭打印机。面向工业喷墨印刷市场，爱普生也开发少量工业喷墨打印头供应其他用户，但通常要签订专门的商业合同，如要求同时购买墨水。

⑤SII Printek公司

SII Printek公司是日本精工的子公司，成立于2001年。SII Printek公司购买了赛尔的专利使用权并以此开发出基于赛尔技术的压电式纺织用喷墨打印头，而赛尔本身并不生产这类产品。SII Printek的产品价格便宜，但由于工作频率低以及寿命短，主要应用于中低端市场。

⑥兄弟-京瓷（Brother-Kyocera）公司

日本兄弟（Brother）公司购买了赛尔及Spectra公司的专利使用权并以此开发出基于剪切运动的压电式喷墨打印头，日本京瓷（Kyocera）是全球主要压电陶瓷生产供应商。目前奥西、宫腰和多米诺的高速喷墨印刷机均采用了兄弟-京瓷的喷墨打印头。

⑦ITW TRIDENT公司

TRIDENT公司成立于1980年，总部在美国，主要设计、开发和生产用于包装、条码等工业打印的压电式喷墨打印头。1999年被世界500强美国ITW集团收购，大多数产品供应ITW集团内部的打印机生产企业。近年来，TRIDENT进入纺织、电子等工业。

⑧柯达（Kodak）公司

柯达公司最新推出的Stream喷墨打印头采用了连续喷墨原理，但与传统的连续喷墨打印头相比有了很大改进。Stream喷墨打印头采用了基于MEMS技术的制造工艺，能够更好地适应不同品牌、不同类型的墨水，具有改变墨滴大小的能力。目前，柯达Stream喷墨打印头主要用于其最新的Prosper喷墨印刷机。

⑨惠普公司

近几年，惠普公司研发了基于MEMS技术的热敏喷墨打印头Edgeline，其印刷宽度为108mm，每个喷墨打印头包含两行共10560个喷嘴，可以喷印两种颜色，分辨率达到1200dpi，每个喷嘴最高喷射频率为24kHz，适用于水性墨水。同时，惠普在喷墨打印头的定位方面进行了改进，可实现快速更换喷墨打印头。目前，Edgeline喷墨打印头主要应用在惠普的高速喷墨印刷设备T300和T200中。

⑩日本理光有限公司

创立于1936年2月6日，作为全球的数字办公设备解决方案领导者，作为最早探索数字图像输出技术的厂家之一，理光喷头用于UV打印机，有独立的控制小板、连接排线、核心喷头所组成，喷头是全钢型结构，一次喷墨宽度为25.4mm。在国外进口的机器80%以上都在使用理光喷头，在国内短短一两年时间，很大部分客户已经选择使用理光喷头的机器，以及之前购买了其他系列的机器已经改换为理光喷头的机器。无论是效果、速度还是寿命都比其他喷头有明显优势。

上述10家公司，除了柯达、惠普，其他公司的产品均为压电式喷墨打印头，而且柯达、惠普的喷墨打印头主要为内部使用，因而目前在工业喷墨打印市场上，压电式喷墨打印头居于主导地位。除上述公司之外，日本松下、东芝，澳大利亚Silverbook等十余家公司也能够生产提供喷墨打印头产品，但使用量相对较小。

3.喷墨打印头主要性能参数

喷墨打印头主要参数包括材质、打印宽度、喷孔直径、喷射工作频率及分辨率。

喷头使用材质影响到喷头使用的寿命，一般区分为溶剂型和水性喷头，溶剂型喷头较水性喷头来说，接触到墨水的地方均使用耐溶剂的材质，但是强溶剂仍会腐蚀喷头，长期使用会把结合喷头的黏胶剂溶掉以至喷头穿孔。除非特殊制造的喷头，一般喷头使用材质都是金属材质，偏酸性容易腐蚀喷头、因此，喷墨墨水配制时一般配制成中性或碱性。

打印机喷头的幅宽是指实际喷出喷孔宽度，受喷头大小影响，但不等于喷头大小幅宽。喷头的打印幅宽会影响到可喷印PASS道宽度，从而间接影响到打印速度。喷头直径是指单个喷孔大小头孔径由4～35PL不等。

喷射工作频率越高可打印速度越快。分辨率，英文单位为dpi，是指每平方英寸的点数。如画面的精度为720dpi， 1平方英寸中就会有720个墨点。

目前喷墨打印头喷射速度越来越快，分辨率越来越高。

喷墨打印头主要应用领域及市场需求分析

喷墨打印技术最早出现于20世纪60年代，至80年代中期技术逐步成熟。第一台商业喷墨打印机正式诞生，但由于速度和质量方面的局限，在很长一段时间内，喷墨印刷技术主要以“喷墨打印机”的形式应用于办公和家用领域，在工业领域应用空间有限。后来随着喷绘机的诞生，喷墨印刷技术开始被应用于户外广告制作，逐渐在工业化应用方面占有一席之地，但仍未进入主流印刷市场。自“喷墨drupa”出现后，原本被冠以“低质量、低速度”标签的喷墨印刷技术正式进入主流印刷市场的视野，并由于在质量和速度方面的快速提升以及广泛的市场适应性，逐渐成为最具市场潜力的印刷方式之一。

①户外广告：户外广告喷绘是喷墨印刷技术最早进入的工业领域之一。相对其他领域，户外广告对印刷精度和印刷速度的要求不高，因而较早采用喷墨印刷。目前户外广告喷绘的市场已经十分成熟，并且随着全球城市化水平的不断提高，市场规模继续呈现上升趋势。

②陶瓷喷印：喷墨印刷技术在陶瓷领域的应用近十年来呈快速增长态势，相对于传统加工工艺，喷墨印刷技术为陶瓷生产提供了成本更低、质量更高的选择，同时可以使产品更具创意，满足客户的个性化需求。据《Ceramic World Review》杂志统计，目前全球有约9000条陶瓷生产线，其中约一半在中国。

③纺织印花：纺织印花原来主要采用丝网印刷工艺，近年来逐步开始采用喷墨打印技术，通过数字喷墨印花机，直接将印花墨水喷射到各种纤维织物上印制出需要的各种图案。纺织工业规模庞大，而我国是全球最大的纺织品生产国。大量的纺织品生产为喷墨印刷技术的发展提供了巨大的空间。据WTIN预测：全球纺织数码印花产业将以16%的复合年增长率保持增长，到2019年，数码印花将占到纺织印花市场的7%。

④印刷电子：印刷电子是喷墨打印技术在高科技领域的应用，主要采用喷印技术将导体、半导体、绝缘体、高分子聚合物等电子材料准确打印到所需位置，制成印刷线路板、液晶显示屏、RFID标签、光电池等高科技产品。近年来，随着智能手机、液晶电视、平板电脑等电子产品的流行，喷墨印刷技术在印刷电子领域的应用潜力十分可观。

⑤纸品印刷：近年来，喷墨印刷技術的优势逐渐为印刷企业所接受，在出版物、标签、包装等领域，呈现大幅增长态势。喷墨数字印刷在商业广告、票据证券、标签、个化印刷等领域有着广泛应用，根据美国I.T.Strategies咨询公司的报告，工业喷墨打印设备销售额中，工业喷墨打印头占比约为10%。作为工业喷墨打印设备的核心部件，工业喷墨打印头使用寿命一般为1～3年，属于消耗品，每年约有30%需要更新。据测算，我国工业喷墨打印头市场规模将保持年均30%以上的复合增长率，至2017年，我国工业喷墨打印头市场规模产值高达39.36亿元。从全球来看，工业喷墨打印技术的应用在发达国家起步较早，但当前整体应用进展与我国基本相同，仍处于行业应用的初级阶段，未来的市场规模仍然具有非常大的成长空间。根据美国专业咨询机构BBC数据，预计在2012～2017年，工业喷墨打印头的年均复合增长率约为27.23%。至2017年，全球工业喷墨打印头市场规模高达19亿美元。

此外，喷墨印刷技术在家居装饰、会议展览，乃至新兴的3D打印等领域也得到不同程度的应用。

由以上可以看出，我国以及世界对工业喷墨打印头有巨大的市场需求，而目前我国工业喷墨打印头行业仍处于行业应用的初级阶段，未来随着工业喷墨打印技术进入快速普及期，工业喷墨打印头行业的市场规模也将具有极大的成长空间。

喷墨打印头国产化策略分析

通过对压电式喷墨头的工作原理、结构特点、制造技术以及发展现状的分析可以看出，喷墨头属于微电子高精度产品，涉及工程热力学、传热学、流体力学、半导体材料及工艺、精密加工等多门学科，有着很高的技术门槛。我国对喷墨打印头有着巨大的需求，但喷墨打印头的核心技术大多数掌握在外国，那么，国产喷墨头如何实现产业化？国外喷墨打印头研发经历了原理研发和市场化过程，比较成熟，而我国由于起步较晚，处于追赶阶段。如果没有打印头技术，喷墨的核心技术掌握在国外，相当于计算机里的芯片，受制于人。因此研发自主知识产权的喷墨打印头具有很重要经济和社会意义。

喷墨打印头技术属于数字喷印系统“皇冠上的明珠”，数字化、智能化是必然的发展趋势。数字化是智能化的前期必然准备，因此，实现数字化喷墨打印技术，是实现智能化的必由之路，必须要突破这个关键技术，才能在这一领域实现中国制造向中国创造转型。否则只是购买国外喷头，组装应用，谈不上自主知识产权。目前国内仅有几家单位的研发，有的已经制造出了自主研发的喷墨技术，如北京奥润联创科技有限公司，处于批量提高和升级阶段；苏州锐发和杭州爱斯凯也已经生产出了样品。

为了尽快缩短与世界先进水平喷墨打印头的技术差距，提出以下策略：

①国家科技部和工信部作为重点科技和产业攻关专项给予立项，需要国家投入引导资金，企业和高校科研院所联合，产学研协同，进行开发。在涉及的MEMS技术、封装工艺、胶水及器件耐腐蚀行可靠性、分析仿真技术等，特别是超精密加工技术方面，进行关键技术攻关，奠定产业化基础。

②购买技术，国内的企业购买国外知名厂商的喷墨头专利技术或专利许可证，在国内建设生产线，进行生产，国家给予一定的补贴，走国产高铁之路，逐步产业化。

③引进人才，大力引进与喷头设计制造检验的国外相关技术人才，但由于国外知识产权的垄断，这方面的人才不好聘请，即使聘请也很难一下子做出新产品，具有一定的难度。

在研发中充分发挥我国的优势，把握市场需求，以市场需求作为自己研发、制造喷墨头的方向。结合互联网、新业态，开发个性化、便携式、家庭式的、可折叠式的喷墨设备，服务于体验式的广大专卖店或卖场场所等。同时考虑绿色环保技术，做到可回收，全生命周期过程管理等，实现绿色生产。

（注：本文作者齐元胜为北京印刷学院学院机电工程学院院长，董立波为北京印刷学院学院机电工程学院研究生）

作者单位：北京印刷学院机电工程学院