喷墨印刷系统技术现状

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一、 喷墨头
    全世界大概有超过十二个机构组织投入大量的人力与设备从事研究和生产喷墨印刷系统的喷墨头,但如有人想要购得喷墨头恐怕是一件相当困难的事情,若投资研发喷墨头成功的话,则将可获得高额的利润,因为墨头的技术门槛相当的高,也相当的广,它涉及精密电子电路的制造能力,设备设计与材料研发能力。喷墨头的研发一般都需要超过25个科学家及工程师的研究团队,才足够涵盖所有技术范围,而且此一规模的研究团队往往要花上 3~4年的时间才能从一个概念发展到运转的样机,进而才能够得到一个真正可行的喷墨技术原理,且此一成功进行的前提是,原先的概念必须是确实可行的。如果再使此一技术概念到达批量生产的阶段,则此一研究团队的规模就必须再增加原来的三到四倍,并且需要再开发上3到4年的时间。现今已在市面上制造销售的喷墨系统已经是花上数千万美金才能创造出来的。
    喷墨系统的机械装置在各种应用上均有长足的进步,它可借由系统的结构设计来提供各种不同输出应用。要使喷墨头商品化,须将其镶嵌到台架上,而且每年须有产量上百万个的生产能力。EPSON公司是一家大量生产和制造喷墨头的公司,它的喷墨头结构是以压电式(piezoelectric inkjet,PIJ)为主,而CANON,NEWLETT-PACKARD,LEXMARK,XEROX,以及OLIVETTI主要是制造各种气泡式的喷墨头(thermal inkjet,TIJ)为主,这六家喷墨头制造商对于他们所生产的喷墨头都有不同的销售策略,但他们均较倾向于接受以生产完整喷墨打印机的OEM定单,且以现有的机构来生产,一部完整的喷墨打印机的结构,一般主要是由以下几个机构来组成:一、可印刷的宽度或面积,二、X轴与Y轴的行进方式,三、喷墨头与机器间的界面与组装方式,四、喷墨头,五、墨水的供给方式,六、喷墨头的维护系统。然而整个机械结构的心脏应该就是喷墨头。
    对一个大量生产喷墨打印机的制造者而言,他们之所以较倾向于提供有品牌的、完整的喷墨打印机,而较不愿只单独出售没有品牌的喷墨头,主要有以下几个理由:首先一个很明显的好处就是获利的问题。当他们销售愈多的打印机,则能够分摊研发整个打印机器的经费,而且能获得一些组装机器的利润,其次一个很重要的原因是,可以避免因技术门槛的限制而花费在处理消费者(只购买喷墨头来生产打印机的厂商)的技术问题。
    喷墨打印机的制造者通常都认为,喷墨头购买者对于整个喷墨系统,以及其它各种因素间交互问题均无法完全的理解,一个很关键的例子就是,关系喷墨头维护系统以及印刷范围的问题。
    惠普(Hewlett-Packard)公司已经建立一套以OEM的方式来销售他的 hp墨水匣,相信其他同样的厂商在未来也会跟进这一销售策略,Lexmark以及Olivetti也已经准备销售他们早期所生产的热气泡式喷墨头,这些喷墨头购买者也都期待能尽早的破解一些技术上的难题,以便能使他们所买的喷墨头能完全的适用在他们的喷墨系统上。
    这六家高产量的喷墨头制造商,可能准备考虑将一些较新技术的喷墨头出售给特别的,且具有约束的购买者。例如他们会依自己每一种的喷墨头的产量,来与购买者签所具有约束力的购买量合同,一般大概会依靠产量的10%为最低门槛,即使购买者是订购喷墨头外面的商标以及包装。另外在购买合同里面,有关购买者对喷墨系统的技术能力也是一个相当重要的要件之一。
    一些喷墨头制造商所生产的压电式(piezoelectric inkjet,PLJ)喷墨头,对于喷墨头购买者是相当具有吸引力的,这些制造厂商包括:Inkjet Technology,Spectra,XaarJet以及Trident,这些制造商自己发展一些标准的配制模型,使得这些喷墨头很容易的组装至各种不同的喷墨系统结构上。一些喷墨头的结构对于墨水化学性质有较大的宽容度,基本上一般喷墨头模型的大小有32孔、64孔、及128孔。这些模型可做一些角度的移动来增加喷墨线的密度,以获得更高的解析度,其他压电式喷墨印刷机的销售商只生产他们所需要的喷墨头,或者有一个专门的供应者,这些销售商包括Dataproducts(Hitachi), Brother, Tektronix, Sharp(Mutoh), Citizen(Rohm)以及 Matshushita,这些销售商有些也许会想借着喷墨头的销售来增加自己的生产量。
    连续喷墨式(Continous inkjet)喷墨头可能可以从少数的制造商购买,得到这些的销售商包括Vidiojet,  Domino Anjet, Imaje, IRIS Graphics 以及Scitek, 工业生产的商标喷墨印刷机所使用的连续喷墨式喷墨系统,是由供墨系统喷墨头以及电路控制系统所组成,如此已经相当近似只单纯生产喷墨头而已,因此将一些重要的辅助系统分开来出售,这也许是销售连续式喷墨(Continous inkjet)系统最好的方式。

二、 墨水
    喷墨系统制造商一般都是由自己直接生产墨水,因此较不需要想其它厂商定制,制造商可利用墨水的化学特性来做更广泛的用途,喷墨墨水的技术基础基于几十年来有关色料的知识,一般称职的化学工程师只要花费一年或两年的时间,就可以设计并建成墨水制造的能力,因此要研发一个具有可靠印刷适性的墨水,不会成为系统制造者沉重的负担。
    不过如此并不表示墨水的生产供给问题是简单的,系统制造商自己所设计的墨水与目前墨水制造科技的进步水准依旧是处于竞争状态的,墨水设计的问题仍有一些困难的因素,例如对于墨水的印刷适性并非是单一制式化的,它必须能满足多样的印刷适性,因此墨水的设计研究就需经过科学化的实验,并在错误中寻求解决。如果墨水的表面张力太小,则在纸张上所打印的图文容易产生粗糙的边缘效果;如果研发墨水的团队具有愈好的技术与经验,则他们愈能快速的完成反复的试验,也就是说他们能更有效率的完成他们的目标。
    一种新的墨水开发成功,就能为厂商带来新的获利,例如抗光油墨,也就是利用改变墨水的组成或增加墨水的配方来制造额外的利润。但是新的墨水配方必须经由多项的检验与测试,例如:1. 组成材料间的交互作用与反应;2. 印刷适性;3. 与喷墨头间的适性;4. 维护能力的问题;5. 干燥的问题等,因此一个墨水的制造研发团队必须经由以上的检验项目研发出最佳的配方组成,所以制造研发墨水的团队,如果只是一个墨水销售商,则一些检验测试的讯息流通就回较为麻烦,且较不完整;如果是墨水制造者与喷墨系统制造者同属于一公司,则相对来说少了此项困扰。
    墨水研发最困难的阶段在于必须配合一新的喷墨系统的硬件结构,在此阶段,墨水研发团队必须完全了解并掌握硬件结构的特性,才能快速的选择墨水的最佳配方。一个商品化的喷墨系统,特别是以压电式(piezoelec- tric inkjet, PIJ)为基础的喷墨系统,也许会直接以一些已开发的墨水来做品质适性的测试,一些喷墨墨水研发的经验对喷墨系统技术的开发具有相当大的帮助。
    有一些厂商专门制造并提供墨水给客户,这些厂商包括:American Inkjet Corporation, Coates, Collins Ink Corporation, Dupont Inkjet Enterpries, Flint Corporation, Formulabs Inc., INX International Ink Company , Koh-I-Noor, Need ham, Nu-kote International, Pelican, Spectra color, Zeneca 以及Jetga ink corporation。

三、 承印物
    在喷墨系统所应用的承印物其材料相当的广泛,包括目前仍在使用的商标、条码印刷技术等。就普通纸张而言,喷墨印刷系统已经很成功的将影像喷印在上面,就如同普通纸张能够适用在静电输出,热转印及平版印刷上。其他的承印物如塑胶半透片、布料,特殊纸等均会加上一层涂布或特殊的表面处理,才能使墨水有效的被吸收及附着,因此,为了解决在承印物上的墨水能够适度被吸收,则此问题便发展为另一项重要的技术。每一种特殊的墨水组成配方很可能无法适用于一已发展完成的涂布纸上。(纵使此一已发展完成的涂布纸已经用于某一种墨水),所以在喷墨系统的应用上,最佳的情况是一个喷墨头与墨水的制造商能够同时提供最有效的承印物。
    全世界的承印物制造业已经能够大量的供给各式的特殊承印物,一些承印物的供应商最为渴望的是,能够开发出一种独一无二的材质,并期待能够受到喷墨系统供应者的青睐,来购买他们已经开发成功的产品。有时候系统对于一种新的应用来说,特殊的承印物的开发具有避免喷墨头与墨水重新设计的效果,某些特殊的材质比起普通纸能够提供最具耐久性、稳定性,以及良好光线反射与吸收的特性等等。承印物涂布的成分以及其物理性质,能够被使用来弥补喷墨墨水的缺陷、控制墨点的大小,亮调区域的密度和影像边缘的锐利程度。一个特殊承印物的开发工作,其实可以等待墨水的组成配方相当稳定之后才开始。
    目前比较具备规模的承印物研发制造商包括:
Arkwright, Asahi Glass, Eastman Kokak, Felix Schooller, Fdex, Imation, Kimberly Clark, James River Paper, Juio paper, Oil paper KK, Polaroid, and Rexham Graphics 。

结论
    喷墨印刷系统的制造者,其生产工作主要将是一些功能性设备做一整合,当然这也是高科技工业之一,有些生产制造者几乎完全跨足整个产业的各个领域,包括:研发、机械工程、生产装配及销售。有的只提供高层次的技术单元,有的厂商是以OEM方式向外购买喷墨系统所需要的引擎,再将此引擎组装至整个大系统里面。
    喷墨印刷系统因可喷绘在各种材质的承印物上,因此可应用在一些特殊的印刷输出工作上,例如标签、旗帜、卡片等等,也因此喷墨印刷系统制造者就能提供更多样的喷墨设备。因为制造销售喷墨墨水目前仍具有较高的利润,因此吸引了相当多的墨水制造商,这些供应商可能销售填充式墨水或者经销填充过的墨水匣。
    在最近的几十年间,喷墨印刷的巨大发展主要是始于喷墨头技术原理的发展。大部分的喷墨系统制造者均倾向于寻求使用适合他们自己产品的喷墨技术,因此他们的喷墨头技术一般都是独立研发的创新技术。例如在1970年代,IBM致力于发展连续喷墨式印刷机的主要原因,是因为电子输出市场数量众多,又例如惠普公司为了绘图输出市场所需而发展热气泡式喷墨打印系统。因此各种喷墨系统的喷墨技术的形成,最主要是受到系统制造者的产品概念的影响,其实每一种喷头的技术原理,是受到很多专利所保护的。
    一般从喷墨技术的发明专利里,可以获得一些技术提升的灵感刺激,以致能够发明更多样的喷墨技术。一些喷墨系统制造者能够不断的研发,其实是来自于竞争者的刺激作用,最后的结果是各系统制造者所生产的产品均有不同的特性,这个特性就是喷墨技术,且依此喷墨技术所制造的喷墨头大多是不单独销售的。
    有关喷墨系统所使用的墨水,它的研发门槛比起喷墨头而言,可说是容易多了,而且它所占的研发经费只是一小部分而已。喷墨墨水是有色料及其他的成分所组成,这些成分可能来自纺织品所用的染料或绘画用的颜料等,然而最主要的问题在于,水溶性的墨水喷出后如何附着于普通纸上,这也提供了给相关研究单位对于现有的色料、粘着剂、界面活性剂等等,有更多研究改进的空间。对喷墨头而言,目前墨水组成成分研发进步的水准,也许制造商已经取得一个具有竞争力的,但却无法在市面上销售,因为墨水与喷墨头是一个相互紧密相连的整体科技组合,也就是手,两者在研发上,他们的技术咨讯是必须相互依存的。大部分的喷墨头制造者,都想以他们的硬件组织功能来控制墨水的组成配方,最初尽可能的获得一些实际上的效益,而且须合乎一稳定的运转。
    另外是有关承印物部分的研发,承印物的研究重点在于表面涂布的材料选择问题,即选择一个可以配合墨水组成配方的材料。然而,一般喷墨头制造者较少从事承印物的研究工作,反而是销售墨水者会搭配特殊的承印物来行销,而且往往可以创造较高的利润,不过喷墨头制造者也会尽其所能的以自己的商标来供应承印物。有时候为了一种独特的墨水配方而必须研发一款配合的承印物,但此款承印物是否值得研发的最初考虑,是市场大小的评估。假如喷墨系统制造者所生产的是一新型的喷墨头,而此喷墨头必须搭配一稀有的墨水配方且具有特殊的性质,则此系统制造者将面临发展承印物的难题,即所谓“鸡生蛋“的市场问题。

[时间:2003-08-21  作者:修澄  来源:修澄]

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