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1、喷墨印刷技术原理与发展趋势资料来源：广东印刷2009年第2期 作者：陈锦新一、概述近年来，随着电子出版、跨媒体出版技术的发展，传统印刷方式的市场受到极大冲击，数字印刷技术发展日新月异。数字印刷目前的市场定位主要是短版印刷、即时印刷、按需印刷和可变数据印刷。通俗地讲，数字印刷是能按照用户的时间要求、地点要求、数量要求、成本要求与某些特定要求等来向用户提供相关服务的一种新型印刷服务方式。喷墨技术逐渐成为数字印刷主流技术之一。喷墨技术的应用领域日益广泛，从桌面照片打印机到数字打样系统再到数字印刷机，并在每个领域都呈现出增长的势头：在小幅面打印领域，喷墨打印机逐步成为家用、办公用和商用的通用产品，国内
2、市场销售量为数百万台；在中、宽幅面打印领域，喷墨系统将成为数字打样和数字印刷的主流产品。喷墨印刷正在向着几乎所有的印刷领域进军，随着新型耗材的研发以及技术的改进，其印刷质量也越来越好。从DRUPA 2004可以看出，喷墨印刷已经跻身于技术亮点之列，并在刚刚结束的DRUPA 2008上继续成为展会的主题之一。二、喷墨印刷技术原理喷墨技术采用的是一种计算机直接控制输出的技术，无印版、无压力、非接触，具有无版数字印刷的共同特征，并可实现按需印刷和可变数据印刷。喷墨技术的原理是，首先将由计算机产生的彩色图文信息或来自印前输入设备的彩色图文信息传递到喷墨设备，再通过特殊的装置，在计算机的控制下，计算出相
3、应通道墨量，喷墨成像装置控制墨滴以一定速度由喷嘴喷射到承印物表面，最后通过油墨与承印物的相互作用，使油墨在承印物上再现出稳定的图文信息。喷墨技术的形式各异，按墨水喷射是否连续可分为连续喷墨和按需喷墨两大类。工业印刷系统中采用的喷墨技术多是连续喷射型。而比较小型的，则多采用按需喷射型。连续喷墨的基本原理如图一所示。在设备工作期间，墨水在墨滴发生器的作用下从喷嘴连续不断地喷射出去，被引导进入充电电极之间分裂成细小的墨滴，并同时带上相同符号的电荷；带电墨滴进入偏转电场，依靠其在偏转电场中偏转幅度的不同，或被墨滴收集器捕获进入循环回路最终被送回墨滴发生器供重复使用，或发生偏转避开墨滴发生器最终到达承印
4、物表面，形成图文信息。连续式喷墨系统具有频率响应高，可实现高速打印等优点，但这种打印机的结构比较复杂，需要加压装置、充电电极和偏转电场，终端要有墨滴回收和循环装置，在墨水循环过程中需要设置过滤器以过滤混入的杂质和气体等，因此难以批量生产。图一 连续喷墨基本原理示意图连续喷墨打印技术作为一种高速数码印刷设备普遍采用的技术，应用相当广泛，在drupa2008上有多个厂商的多款新设备展出。柯达在这次展会上展出了其最新研发的Stream喷墨打印技术及其概念机。Stream是一种采用“热敏截断（thermal pinch-off）”的全新理念的连续喷墨打印技术，同时墨水中加入了1060nm的微粒，墨水干
5、燥性能独特，具有更快的速度和更优异的打印质量，虽还无法立即展开工业应用，但代表了柯达喷墨打印产品技术未来趋势。按需喷墨技术是仅在需要喷墨的图文部分喷出墨滴，而在空白部分则没有墨滴喷出。这种喷射方式无须对墨滴进行带电处理，也就无须充电电极和偏转电场，喷头结构简单，容易实现喷头的多嘴化，输出质量更为精细；通过脉冲控制，数字化容易；分别选用黄品青油墨和喷头即可实现彩色记录，彩色化容易；但一般墨滴喷射速度较低。常见的有热气泡喷墨、压电喷墨和静电喷墨三种类型，当然也有其它类型。热气泡式喷墨技术的实现原理是：在加热脉冲(记录信号)的作用下，喷头上的加热元件温度积聚上升，使其附近的油墨溶剂汽化生成数量众多的
6、小气泡，在加热时间内气泡体积不断增加，到一定的程度时，所产生的压力将使油墨从喷嘴喷射出去，最终到达承印物表面，再现图文信息。热气泡式喷墨技术基本原理如图二所示。图二 热气泡喷墨技术基本原理示意图压电喷墨技术的实现原理是：将许多小的压电陶瓷放置到打印头喷嘴附近，压电晶体在电场作用下会发生变形，到一定的程度时，借助于变形所产生的能量将墨水从墨腔挤出，从喷嘴中喷出，图文数据信号控制压电晶体的变形量，进而控制喷墨量的多少。基本原理如图三所示。图三 压电喷墨技术基本原理示意图静电喷墨技术的实现原理是：在喷墨系统和承印物之间的电场，通过图像信号改变喷嘴表面张力的平衡，在静电场吸引力作用下， 使墨滴从喷嘴喷
7、射出去，到达承印物表面形成印迹。静电喷墨的基本原理如图四所示。由静电喷墨技术产生的墨滴尺寸远远比喷嘴的尺寸要小， 因此具有高分辨力的特点，而且容易实现喷头的多嘴化；但需要较高的工作电压。图四 静电喷墨技术基本原理示意图按需喷墨技术相对于连续喷墨技术而言，虽然速度较慢，但拥有质量更佳、应用领域更广的优势，同时，随着技术的完善与成熟，喷印速度稳步提升，业内对按需喷墨打印技术的认可度不断提升。在刚结束的drupa2008展会上，FUJIFILM Dimatix展出的新技术包含Shaped Piezo Silicon MEMS技术、采用压电按需喷墨打印头及单纸路喷墨打印设备的原型机。基于 MEMS 技
8、术的打印头产品提供对喷嘴形状更精密的控制，和更精密地控制硅晶片上绝对位置，允许在更远的喷射距离上保持更高的液滴落点精度。坚固耐用的硅结构使操作更加可靠，以及使用寿命更加长久，所有这些都是制造新型打印机和开辟新的应用领域所要求的属性。值得关注的还有，柯达推出其史上第一款高速按需喷墨打印机Versamark VL2000，新型Versamark VL2000在保持与现有Versamark VT3000相同速度的同时，彩色图像品质获得大幅提升。三、喷墨印刷技术领域的发展趋势下面单从技术层面上来看一下喷墨技术未来的发展趋势。1.分色过程中的色彩控制和管理分色过程中精准的色彩管理技术是影响喷墨印刷品质的
9、关键。基于ICC规范的色彩管理技术原理如图五所示。图五 基于ICC规范的色彩管理技术实现输入系统RGB模式向喷墨系统CMYK模式的转换基于ICC规范的色彩管理思想是将CIE 颜色系统作为描述各种设备颜色特性的共同语言和标准。它能兼容其它色彩管理软件或系统，可以在多个工序之间实现色彩的流通和管理；可根据实际需要灵活选择不同的色彩转换方式。这有利于实现整个数字化印前和印刷工艺流程统一的色彩控制和管理。当然，这种色彩管理思想也有一定的缺陷：混乱的色域映射方式：对每一种特性文件都有四种不同的映射方式（感观的、饱和度的、相对色度的、绝对色度的），如果利用两个不同的特性文件进行一次颜色转换，将产生4416
10、种混合选项，这给实际操作带来了困难。色彩管理模块不统一：目前市场上有许多具备色彩管理功能的软件，但是各个软件内部使用不同的色彩管理模块，进行颜色转换时最终产生的结果会有偏差。黑通道的问题：不同维数的色彩空间的转换过程中，色彩精度损失较大，尤其是K值，完全靠数学运算产生，与印刷样张上的K值有所不同。不适用于高端专业的需求：如果用户要求较高，就要不断创建优化的特性文件，并且要手动编辑它们，这个过程比较麻烦。没有考虑到网点增益。基于ICC的色彩管理技术没有考虑到网点的增益，这就对样张质量有很大的影响，如果样张的网点扩大不能匹配印张，就不能有最优化的模拟样张。没有将校准和特性化分开进行：打印机校准和特
11、性化没有严格分开。设备、材料和工艺特性等一旦发生变化，必须重新生成特性文件。不适用于远程操作：由于校准和特性化没有始终分开进行，要求在远程也有非常有经验的员工重新进行特征化，但往往实际条件并不具备，而且这也会增加成本。这些都成为当前影响输入系统RGB模式向喷墨系统CMYK模式转换精度的因素。完善ICC 色彩管理思想或建立新的色彩控制和管理模型，就显得比较必要。实际上，随着科学技术的不断发展，人们一直在进行着研究新的色彩管理系统的努力。据资料显示，由微软公司新近推出的Windows Vista操作系统中采用了色彩管理系统WCS（Windows Color System）。WCS基于色貌模型CIE
12、CAM02，将提供更逼真的屏幕效果，更全面的色彩展示，以及更逼真的打印技术，通过新工具的利用，能更好的支持数码相机及彩色打印机等相关硬件。WCS被认为是一个动态的色彩管理系统，它采用全新的特性文件结构，特性文件采用可扩展标识语言XML（Extensible Markup Language）编写，简化了特性文件创建、检验和编辑的过程；WCS采用色貌模型CIECAM02作为色域映射的标准颜色空间，可以在一个确定的环境下再现不同视觉条件的颜色属性，与此同时，还支持16位和32位的更加精确的颜色，可以包括更大范围的颜色；在用户进行颜色转换时，可以根据具体要求选择合适的色域映射模型以及源设备和目标设备的
13、视觉模型；WCS具有较好的可扩展性和兼容性。WCS第一次将色貌模型引入到色彩管理系统中，突破了现有的颜色管理方法，建立了一种全新的色彩管理理念，使用户能够预测不同视觉条件下的颜色效果，解决了这个长期困扰人们的难题。基于色貌模型的色彩管理技术将会对现代色彩管理技术产生很大的冲击，同时也为未来的色彩管理技术的发展指明了方向。现在人们已经开始尝试将新的色貌模型iCAM应用到色彩管理中，以实现跨媒体、跨平台以及高动态范围颜色复制过程的色彩管理，随着人们研究的不断深入，相信基于iCAM甚至更完美的色貌模型的色彩管理系统将会很快被开发出来，色彩管理技术将会更加完善。新技术的研究与应用和新产品的开发，将让我
14、们拭目以待。除此之外，高保真分色和加网技术也将进一步促进喷墨技术的色彩管理和控制以及印品质量的提高。高保真印刷技术是相对四色打印和印刷技术而言。在四色印刷中，采用的是C、M、Y、K四色油墨进行印刷。从理论上讲，只要采用C、M、Y三色油墨就已经足够了。但实际上，由于工艺上的种种原因，还需要增加黑墨。同样，两种基本色叠合出来的二次色也不令人满意，还必须增加二次色的专色油墨。如M、Y两种油墨叠合产生的红色不如专门的红色油墨鲜艳。在这种理论前提下产生了高保真印刷，即在四色印刷的基础上增加几种专色印刷，以扩大印刷品的色彩表达能力。常规彩色分色技术将原稿的颜色分为青、品红、黄三种基本色，再加上黑色，组成了
15、印刷品可表示的色谱范围。与天然色相比，这个范围（称为颜色覆盖范围或覆盖伞）小得多。换句话说，自然界丰富的色彩，仅用4种油墨调和是表现不出来的。采用六色、七色、八色高保真彩色来制作印刷品，其目的之一是为了扩大色彩再现范围，更逼真地反映自然。由于采用超过四色进行分色印刷的印刷品，其色彩无法用常规四色分色技术再现，因此这项技术在高附加值印刷品方面具有其特殊的地位。2.喷墨打印头的设计喷墨打印头技术非常重要，喷墨技术的巨大发展主要是始于喷墨打印头技术原理的发展。连续喷墨系统具有频率响应高，可实现高速打印等优点，但这种方式的喷墨打印头结构比较复杂，需要加压装置、充电电极和偏转电场等，难以大批量生产。按需
16、喷墨系统喷墨打印头结构简单，容易实现喷墨头的多嘴化，数字化和彩色化容易，图像质量较为精细，但一般墨滴喷射速度都较低。热气泡式喷墨头喷嘴总数可达几百个甚至上千个，喷嘴相当精细，能产生出丰富的调和色及更平滑的网目调。墨盒与喷嘴组成一体化结构，更换墨盒时即同时更新喷墨头，这样就不必再担心喷头堵塞，但却造成耗材浪费，成本相对较高。由于热气泡喷墨的工作温度都很高， 一般大于300， 往往会在加热电极上沉积了不容物（这些沉积物有无机盐类， 主要来自油墨中的无机杂质；也有有机化合物，主要来自油墨的热分解产物），从而使加热电极的汽化作用降低， 会造成墨滴数量少、墨滴体积减小，严重时会造成打印头不能正常工作，对使用寿命造成影响。此外，高温下墨水易发生化学变
