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    噴碼機改進后的技術講解 來源:    作者:喜多力Citronix   發布時間:2019-06-03 16:09:50
    目前噴碼機按墨滴形成原理分為:熱發泡噴墨、壓電噴墨、靜電噴墨和聲波噴墨,其中應用較為廣泛的是熱發泡式和壓電式。熱發泡噴墨通過電阻通電加熱,使油墨產生氣泡,將一定量的油墨擠出噴嘴;在電阻無電壓時則停止加熱,無墨滴噴出。壓電噴墨采用壓電晶體的振動來產生墨滴。

    噴碼機在墨水腔的一側裝有壓電板,當電流通過壓電板時,壓電板產生微小的變形,這種變形的結果使墨水腔容積減少,擠壓墨水而使微量墨水從噴孔擠出,并形成墨滴。對兩者的噴印質量比較:熱發泡噴墨時墨水是通過氣泡噴出的,墨水微粒的方向性與體積大小不好掌握,噴印線條邊緣容易參差不齊,影響噴印質量;壓電式具有墨點形狀規則、沒有濺射、墨點大小可控、噴射速度可控、定位準確等優點,其噴印精度的提高大有空間。

    壓電噴碼機的改進

    在壓電噴碼機中,墨滴體積的影響因素包括噴嘴的直徑,生成墨滴時的脈沖波形,以及墨水本身的張力。目前常見的壓電式打印噴嘴直徑為21μm,減小墨滴的最佳途徑是減小噴嘴直徑,但是并不能做到無限縮小,一般情況下固體顆粒的粒徑要小于噴嘴的1%,噴墨墨水黏度要小于40cP,甚至能達到1cP左右。當噴嘴縮小到一定尺寸后,一方面噴碼機設備要克服巨大的毛細作用力;另一方面,對功能性墨水的固體顆粒粒徑大小、黏度等方面的要求會更高。在這樣的情況下,為防止噴嘴堵塞,小噴嘴噴碼機對所用墨水的顆粒尺寸、黏度、表面張力、揮發速度等方面要求非常苛刻,成本也會大幅增加。

    調節噴墨墨滴體積的另一個方法是:優化噴墨的驅動電脈沖波形和電壓,改變噴頭中的壓電材料形變規律來調節噴出油墨體積。驅動電壓越高,壓電材料的變形越大,噴出的液滴越大,速度越快。壓電脈沖存在一個最優脈沖寬度,即對于一個給定的脈沖振幅,存在一個脈沖寬度值能達到最高的液滴速率和噴墨質量。驅動脈沖的波形也從簡單的“推”出墨水變成了既“推”又“拉”,由簡單的波形擴展到雙極波形。

    波形的首部分功能不變,第二部分用于消除液滴從裝置噴出的剩余聲波震蕩(如圖1所示),即在墨水噴出噴嘴時施加一個回拉的力,使液滴尾部盡快與噴嘴分離,減少尾部墨絲斷裂造成的“衛星點”。最優雙極波形是正負振幅相等且第二部分停留時間是首部分的兩倍。

    噴碼機新的噴墨方式

    在既有普通噴墨方式不能滿足需求的時候,出現了改進的噴墨方式。Rogers課題組發明了電流體力學噴碼機技術,在噴嘴和噴印基底之間施加電場作用,使油墨在噴嘴處形變,當電壓恰當時,墨水會突破自身的黏度和表面張力而產生巨大阻力射出噴嘴。與傳統噴墨方法相比,這類方法噴頭結構更為簡單,噴印尺寸更小,油墨適用范圍更廣。該方法可以采用300nm甚至更小直徑的噴頭,實現高分辨率噴印。氣流噴印又叫氣溶膠噴印,是另一種非傳統的噴墨打印方式。

    氣流噴印的工作原理是將墨水在儲墨盒里進行霧化處理(有超生起霧和氣動起霧兩種),油墨被霧化成1~5μm的液相顆粒,與氣體混合形成氣溶膠,然后通過氣流將氣溶膠送出噴嘴。由于噴出的是連續的含有大量微墨滴的氣流,是一種連續噴墨式的噴印方式,并非普通噴印噴出的獨立墨滴,因此只能通過阻斷噴射來斷開氣流,噴印的圖像也是由線條組成。噴頭的夾層結構,可以讓噴嘴噴出相當于噴嘴1/10的氣流,這樣的工作機理使其噴印精確度非常高,線條寬度可達到5μm。氣流噴印的優勢在于更廣泛的油墨適用范圍,只要能夠霧化,油墨的黏度范圍可以為0.7~1000cP。與此同時,較大的固體顆粒分散系也適用于氣流噴印。

    優化墨水配方,改善承印物表面

    墨水的組分直接影響墨滴形成、飛行過程以及在承印物表面(鋪展和潤濕)的形態,對噴印精度有著直接的影響。噴碼機對油墨的黏度、表面張力、揮發性等要求較為苛刻。前面討論過黏度、表面張力與墨滴的噴射有著直接的關系,同時也會對墨水與承印物的相互作用有著影響。更高的分辨率就需要墨水在承印物上有較低的鋪展,要求墨水具有較高的黏度。

    但是墨水的黏度越高,從噴嘴中噴出需要突破的阻力越大,甚至無法噴出。英國謝菲爾德大學機械工程系的Schubert采用熱敏凝膠聚合物包覆二氧化鈦粒子的墨水。該墨水的特點是在臨界溫度下,聚合物在溶劑中呈現伸展狀態,墨水黏度較低,而在臨界溫度以上時,聚合物卷曲,墨水黏度迅速增大。當低黏度的墨水從噴嘴噴出到達加熱的承印物上時,黏度增大減少了墨滴的鋪展行為。

    液滴的揮發性也是非常重要的影響因素。若墨水揮發性太強,可能導致溶質在噴嘴處析出從而堵塞噴嘴,墨滴到達承印物時有可能變成粉末而不是液體,影響墨水的附著性,降低噴印質量。而較低的揮發性又容易使墨滴在承印物表面形成“咖啡環”,影響表面的平整度。“咖啡環”的產生通常認為是在噴印圖案干燥過程中,由于液滴中心和邊緣的干燥速度不同,溶質或分散的顆粒由中間向邊緣移動沉積,導致液滴的邊緣留下了大量的溶質或分散顆粒。去除“咖啡環”可以通過使用不同沸點和表面張力的溶劑配制混合溶液,增加墨滴與承印物表面的接觸角,減少油墨的流動性等手段實現。

    韓國延世大學的Moon等在溶液中添加高沸點、低表面張力的乙二醇。由于水在液滴邊緣的蒸發速率大于液滴中心,而乙二醇揮發速率較慢,因此隨著蒸發過程的進行,液滴邊緣乙二醇濃度會逐漸高于液滴中心乙二醇濃度。乙二醇的濃度差進一步降低了液滴邊緣的表面張力。實驗結果顯示,隨著乙二醇含量的增加,粒子的沉積形貌變得更均勻;當乙二醇在恰當的質量分數時,“咖啡環”現象消失。優化承印物基材表面的化學組成或物理結構,也是提高噴印精度的重要途徑。承印物的多孔結構處理、表面疏水化處理、對承印物加熱等手段同樣可以限制噴墨液滴的鋪展,或者控制液滴的鋪展方向,實現高精度噴印。

    通過改進噴碼機設備,控制調節噴印墨水揮發性、墨滴大小、油墨溫度、承印材料加熱、油墨與承印物表面接觸角等因素,可以有效提高噴碼機精度。但是,仍有許多問題需要解決,例如噴墨印刷針對性較強,噴印速度有待提高等。盡管如此,噴碼機以其成本低廉、環境友好、制備簡單等優勢仍然具有廣闊的應用前景。



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