^^|||专题\SPECIAL SUB J ECT|
摘要：本文按照时间顺序介绍了国内外喷墨印刷设备的发展情况，梳理了 喷舉印刷的技术脉络，对喷墨印刷的技术特征进行了分析。从领域、类别、 中请单位三个角度对喷墨印刷专利进行了论述，探讨了功能性印刷和印刷智
能制造的发展方向。
喷墨印刷的现状分析和未来发展
文/齐元胜朱聪颖陈涛涛高溯
喷墨印刷是无版、无压、无接触的数字印刷方法，由控制终端接收原始图文信息处理为点阵格式，通过口径极小的喷头排列成极细的喷嘴将油墨以墨滴的形式在极短时间到平面、曲面、凹凸面等承印物上。相对传统印刷实现了信息可变，简化了印刷流程，有较高的研究价值和较好的应用前景。
—'喷墨印刷设备
1.国外喷墨印刷设备发展
在喷墨打印技术研究进展过程中，主要朝着连续式喷墨打印技术(CIJ)和按需式喷墨技术(DOD)两个方向发展。 世界上首台应用喷墨印刷原理的设备于1951年问世，在西门子研制成功，主要进行字符的喷墨打印⑴，这是连续式喷墨打印技术的开端。1963年斯坦福大学在此基础上开展了连续喷墨实验研究⑵，利用微孔压力波谱，在微粒上施加电荷，形成理想的墨滴，通过在偏转极板上保持恒定电压，来控制墨滴的运动轨迹，为喷墨印刷在商业领域的应用奠定了重要基础。上世纪70年代，瑞典研究者Hertz提出了多维液滴偏转技术⑶，基于此项理论研究，Application公司在1977年推出了世界上第一台彩打印机。使得连续型喷墨打印逐步向二维偏转和多维偏转两大方向发展⑷。
按需式喷墨打印技术最先出现在1946年，世界上第一台按需喷墨打印装置由美国广播唱片公司(RCA)基于压电效应实现的技术发明⑸。
[1]惠普•喷墨印刷技术的展望及发展[J].图像处理技术,1998,42(1):49-62(14).
⑵惠普•喷墨印刷技术的展望及发展[J].图像杂志和Sweet RG.科学仪器的回顾，1965,36(2):131-&.
[3]赫兹CH，西蒙森SI.喷墨示波器的强度调制[J].医药生物工程，1969,7(3):337-340.
[4]颜士霞•压电喷墨打印头SU-8腔室的制作工艺研究[D].大连理工大学,2020.
[5]旁福生•喷墨技术与产品开发[M].加州卡尔斯巴德湖大道6359号托力松树研究中心•2000:62-64.
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20世纪60年代，发明基于静电力打印技术的按
需式静电牵引式喷墨技术。19世纪80年代居里
兄弟关于压电效应的发现为20世纪70年代压电 式喷墨打印技术的发展奠定了核心理论基础。
上世纪70年代开始出现了按需式压电喷墨 打印技术(PU)，其发展最早源于三项专利技
术叫 包括Clevite 公司在1972年发明的挤压 式压电喷墨设备专利；Stemme 在1973年申请的
弯曲式压电喷墨打印头专利；1976年Silonics
公司的Kyser 和Sears 的专利，也使用了弯曲模 式。此后压电喷墨打印技术在商用市场上广泛流 行起来，1977年第一台按需喷墨印刷机西门子
PT-80面市，将按需喷墨印刷技术推向了市场，
紧接着1978年Silonics 公司推出喷墨打印设备
Quietype，同年Fischbeck 研发了剪切式压电喷
头⑺，并申请了专利，1984年Stuart Howkins 研发出了推式压电喷墨打印头。
热气泡式喷墨打印机的问世在1977年，是
佳能公司带来的另一项喷墨打印的重要技术变 革，公司的技术工程师发现热烙铁触碰到注射器
能驱使墨滴从针头处喷岀，这为热驱动代替压力
驱动墨滴喷射的技术提供了指导方向。1984年， 惠普商业化生产了 Thinkjet 打印机，它是首台 基于汽泡喷墨原理的低成本打印机［81o 1985年， 佳能公司便成功推出型号为BI-80的热泡式喷墨
打印机，并且在随后与惠普公司一起合作，大力 开展相关技术研究。1990年，美国Encad 公司 采用惠
普研发的热泡式喷墨打印技术，成功推出
大幅面打印机NovajetPro506 78［9］01 12，采用染料型油 墨，彩喷墨印刷开始发展。
［6］ 李建军.压电式毛细管喷油器时研究进展［J ］。Ieee 电子器件汇刊1973,ED20(l): 14-19.
［7］ 周乂华.基于可光学识别的喷屋打即姒的涂层持性及其印刷性能研究［D ］，华南理工大学,2014.［8］ 樊俊耀.中国宽幅喷屋打印发展纵览［JJ.数码印剧,2014(03):26-30.
［9］ 朱明.高动态范围图像高保真印刷复制研究［D ］.南京：南京林业大学,2011.
［10］ 李洋.2020“高速喷屋印刷在中国"装机量调查报告卩］.印刷技术,2020(04):1-6［11］ SOS 印刷媒体集团喷屋轮转机解决方案发力，柯达鼎盛ProsperlOOO 印刷机毎月印量
［12］ 魏大忠，张人佶，吴任东，周浩颍.压电微浦喷射装置时设计［J ］，清华大学学报(自热科学版),2004(08):1107-1110.
在彩方面，为了提高颜复制的保真度， 许多喷墨打印机除釆用常规的青、品、黄、黑四 基通道外，还增加了额外的基墨水如橙、绿
组合或红、绿、蓝组合〔迪。
生产力的高度发展提高了对印刷效率的要 求，提高喷墨印刷速度成为了发展的热点方向。
2011年，柯达利用stream 连续喷墨技术推出柯
达鼎盛PROSPER 1000印刷机，运行速度高达
200m/min 。无版印刷的特性和多样化的市场需求
促进不同印刷幅面的喷墨印刷设备问世，海德堡
推出了凌图Linoprint CV 全能型数字印刷机， 以适应短版印刷的需要；高宝推出的Rot JETL 喷墨轮转印刷机，可以印刷幅面890〜1300mm 的印刷品；小森推出IS29数字喷墨印刷机，将
印刷幅面推向四开幅面尺寸，开始面向书报刊短 版或超短版印刷市场［lll o
截至2019年底，世界知名的喷墨印刷设备制
造商有惠普、利盟、施乐、柯达、爱普生、佳能、 小森、曼罗兰、海德堡等。在国内安装落地的国际
品牌有惠普、理光、柯尼卡美能达、海德堡、小森、 佳能、富士胶片、澜达、柯达、网屏、多米诺共计
11个品牌。
2.国产喷墨印刷设备
喷墨打印头作为喷墨打印关键技术，国内越 来越多的科研人员投入到喷墨打印头的研发生产 工作中。清华大学魏大忠问等人建立了二维压
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■[|]专题I SMC/血SUB/ECT1
电喷墨模型，提出了圆柱形弯曲式压电喷墨打印头腔室的设计方法。北京工业大学周煜⑹等人模拟了应用于压电喷墨的压电薄膜机械振动特性。上海交通大学赵钧冋等人运用微机电系统工艺，以SU-8光刻胶作为喷墨腔室，电铸镰工艺制作喷孔，采用热压键合工艺将喷孔层贴于SU-8光刻胶腔室层，在6英寸晶片上制作了电阻尺寸为44umX44um的热气泡喷墨打印头。西安电子科技大学王贝泅利用亥姆霍兹谐振原理，建立压电喷墨打印头腔室内液体动力学模型，并结合黏性液体经过腔室壁时所产生能量损耗公式，完善了适用于压电喷墨打印头的亥姆霍兹谐振公式，通过实验验证了其理论结果的有效性。邹赫麟""教授课题组运用MEMST艺，对喷墨打印头模拟与优化、硅基薄膜工艺、压电薄膜工艺、聚合物腔室工艺和压电式喷墨打印头的喷墨测试5个方面进行研究，并且成功制作出能够实现喷墨的弯曲式压电喷墨打印头台湾中山大学、成功大学等研究人员对热气泡喷墨打印头进行了研究，集成由两种厚光刻胶SU-8和JSR组成的两步光刻工艺以及一步银电镀工艺，制作出顶射式热气泡喷墨打印头I⑻。大连理工大
学等研究人员对结合键合与光刻工艺制造的压电式喷墨打印头一体化腔室进行了设计研究“切。苏州锐发打印技术有限公司发布了SUREjet-T7680系列工业级热发泡喷墨打印头1201o
在驱动电路控制系统的设计方面，2010年崔玉娟针对热气泡式喷墨打印头，设计了一种基于可编程逻辑器件的驱动系统，最终实现了打印介质幅宽150cm，打印精度600dpi X1200dpi[211o 刘忠坤设计了以FPGA为核心的控制系统，实现了对喷头打印电压、温度和速度等参数的控制，进而探索出一组最优参数值，实现了高质量的喷墨印刷叭
2011年凤凰出版集团引进柯达黑白轮转喷墨印刷机，标志着首台连续纸喷墨印刷设备在国内落地。方正电子2017年推出桀鹰P5600黑白/双高速喷墨数字印刷机，整条生产线价格降至400万元以内，到2019年市场占有率超过60%。圣德科技高速轮转数字喷墨印刷机通过其专利的精确补偿打印技术和智能墨滴控制技术，有效避免白线的出现，使文字线条边缘更平滑，优化了网点还原效果。盈科杰做出了国内第一台自主研发的裁切线，打破了国外供应商的垄断，实现设备的喷墨轮转与裁切线一体化。
受限于成本、产品效果等多方因素，国内设备装机增量缓慢。直至2019年，在技术发展、市场需求、国家政策等驱动下，喷墨印刷设备开始进入黄金发展时期。国产设备厂商如方正电子、圣德科技、盈科杰、弘博智能、施潘德、铠微安
[13]周煜，李德胜，李浩，刘本东.一种压电喷墨打印机喷头的动力学特性研究[J].纳米技术与精密工程,
2005(03):199-203.
[14]赵钧，陈硕，尚智•热气泡式微喷技术研究[A].中国机械工程学会•中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集(一)[C].
中国机械工程学会：中国机械工程学会,2005:3.
[15]王贝.压电式喷墨的建模与分析[D]，西安电子科技大学,2009.
[16]鲁伯林，智利莎，柳永丽，邹赫麟.Parylene C在压电喷头中的应用研究[J].机电技术,2015(04):117-120+126.
[17]冯建波，伊茂聪，杨正，邹赫麟•压电喷墨打印头聚合物喷孔制作工艺研究[J].机电技术,2017(04):80-85.
[18]林翠娟，陈春华.厚抗蚀剂与电铸技术的结合用于整体喷墨应用[J].微系统技术,2004,10(6-7):462-466.
[19]何敬志.新型压电式喷屋打印头一体化腔室制造[D].大连理工大学,2015.
[20]本刊.全新工业级热发泡喷墨打印头上市[J]，中国纤检,2019(01):11&
[21]崔玉娟•基于FPGA的喷墨写真机喷头驱动系统设计[D]，郑州大学,2010.
[22]刘忠坤，李业丽，陆利坤，程明智.基于FPGA喷墨头控制系统的设计与实现[J].北京印刷学院学报,2013,21(04):21-23. 24
图1喷墨印刷的工艺流程与技术特征
类型
■发明■实用新单■外观设计
%
37%
印等多家企业在第八届中国国际全印展上展出了高速喷墨印刷设备。
二'喷墨印刷的技术特征
如图1所示，从设备的角度，喷头是喷墨印刷的关键部件；从控制角度，喷头/印刷介质的准确定位、油墨控制下的彩管理；从原料角度，墨水的干燥速度、印刷介质与墨水的亲和性；从运动角度，微小墨
滴的滴落轨迹等都会影响到喷墨印刷的质量，国内外均有不同的研究机构对以上特征展开研究。
三'喷墨印刷相关专利现状
采用文献综述法，以喷墨印刷为关键词进行统计，按照专利类型对喷墨印刷相关专利进行统计，其中发明专利占总数的61.5%，实用新型占总数的37%，外观设计占总数的1.5%。如图2所示。
按分类号的小类统计能够进一步明确喷墨印刷申请的技术发展方向，喷墨印刷专利申请主要集中在小类H01L、B41F和B41M中，分别占到总申请量的37.4%、31.6%和11%…
喷墨印刷技术领域的中国专利申请大体经历了萌芽阶段、快速增长、迅猛发展三个时期。我
图2喷墨印刷专利类型分布图
国喷墨印刷领域技术专利申请量排名前三的分别是：海德堡、施乐和爱克发。
相对传统印刷，喷墨印刷的工艺简单，但实现理想印刷效果的支撑技术复杂，是印刷机械、印刷材料、微电子技术、控制工程、计算机视觉等多领域的集成；研究方向多元化，应用广泛，对于印刷产业融合有积极作用。在我国喷墨印刷发展过程中，基于实践需求对喷墨印刷技术进行了多方面的改进，新兴技术的出现和市场需求的改变使喷墨印刷仍有较高的研究价值。
四'国内印刷行业未来发展态势
人工智能、物联网、云计算的应用促进了印刷智能制造的发展，以功能性印刷为代表的印刷整体解决方案受到重视。业内专家提出了“泛印刷”的概念，即印刷成果与工业品生产融合，是印刷业未来的发展趋势。
喷墨印刷方法的灵活性使其在功能性印刷中占有独特地位，具备很高的发展潜力。与喷墨印刷技术紧密相关的功能性印刷产业如印刷电子、OLED印刷、纺织品印刷等对喷墨印刷的未来发展有重要意义。搭建以大数据、云计算、人工智能
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等关键技术为基础的智能化生产车间，在“泛印 刷”时代生产功能性印刷产品，是未来世界发展 对印刷行业的需求，也是未来印刷的发展方向。
五'功能性印刷的发展现状
功能性印刷是喷墨印刷的发展方向，按照印 刷基材的不同，可以分为数码喷墨印花、陶瓷喷
墨印花和印刷电子三个领域。
1. 数码喷墨印花
在功能性印刷的发展领域中，喷墨印刷技术 大量用于印染行业，称为数码喷墨印花。相比传 统印染，采用数码喷墨印花机可以减少化学药品
使用、缩短工艺周期、提升印花精度，有助于印 染产业实现个性化和环境友好生产，提高产品质 量。在现有数码喷墨印花设备中，国产设备占比
超过80%o
2. 陶瓷喷墨印花
国内批量生产销售陶瓷喷墨印花机的三大主 流品牌分别是希望、美嘉、新景泰，市场总占有 率为60%〜70%。
2015年6月，希望公司研发出北斗星系列“陶
瓷喷墨机”并投放市场，机器釆用多彩通道分体 组合，打印幅宽达1850mm 。美嘉在2015年推出了
自主研发的串联机械技术设备。使用对中装置，打 印精准度极高。陶瓷喷墨印花设备墨点可控，印刷 颜细腻，无接触印刷可以降低破损率，缩短陶瓷 工艺品的生产周期，有助于实现个性化生产。
3.印刷电子
印刷电子产业可以实现低成本、大面积、快
速地制备新一代的柔性化电子产品，具有非常可
观的发展前景。Daniel Paczesny 两提出一种完全
采用喷墨打印技术制作的电容式液位传感器，可
以应用于任何形状的容器。Ulrich Gengenbach®" 用三种不同油墨印刷的演示电路和封装的硅晶体
管为例，概述了一种开发和制造混合集成印刷电
路的方法［"］。Piyali Datta 23425 ［26］提出了一种基于 机器学习的预测流体控制协同设计方法，对基于
纸张的数字微流控生物芯片进行有效分析。印刷 电子产业的0LED 印刷推动了下一代主流显示技
术发展。
［23］ 付新明.深层掲秘喷墨印刷时代曲到来［J ］.网印工业,2021(01):4-6.
［24］ 王森.数字化——印刷业数字化发展全面升级［J ］，印刷经理人,2021(01):14-1 &
［25］ 方正电子携手印迪数码开启“国产彩喷”新里程首台方正维鹰高速彩喷屋教字印刷机落户印迪数码［J ］，今日印
刷,2020(09):78-79.
［26］ 基于机器学习鈴数字生物芯片流体控制协同设计预测模型［JJ.IEEE 超天规模集成(VLSI)系统汇刊，2020, PP(99):1-14.
六、结论与展望
喷墨印刷对印刷行业的转型发展有着极为重
要的意义，其无版印刷和信息可变的特性适应当 前市场个性化定制化的发展需求；其多样化的印 刷介质实现了与工业产品紧密结合的功能性印 刷；其复杂的印刷技术为行业特型高校和研究
院所提供了新的研究方向。在泛印刷时代应该抓
住喷墨印刷的发展机遇，促进企业智能化转型和
绿发展。■
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