北京北大方正电子有限公司, 北京 100085
2019-04-08 收稿, 2019-04-19 录用
*通讯作者: 刘晶, E-mail: liu-jing@founder.com
摘要: 经过20多年的完善与发展，喷墨技术已经成为大幅面广告印刷行业的主要印刷技术。随着图书按需印刷需求的快速扩张以及国家环保政策的迅速落地，喷墨印刷技术作为一项高效环保的数字化印刷技术，得到越来越高的关注，业内普遍认为喷墨印刷技术将是数字化印刷的必然发展趋势。然而与已经成熟的多Pass喷墨印刷设备不同，单Pass喷墨印刷设备在数据带宽、数据在线重构、高精度同步控制、喷嘴在线补偿等方面有着极高的技术要求。本文首先简要介绍了喷墨技术，然后针对单Pass喷墨印刷设备需要解决的技术问题提出了相应的解决方案。依据本文技术设计的单Pass书刊喷墨印刷机已经投放市场，并且获得了用户的普遍认可。
关键词: 喷墨印刷单Pass数字喷墨印刷机高精度同步控制数据在线重构喷嘴在线补偿
The Key Technology and Achievement of Digital Inkjet Print
WEN Xiaohui, CHEN Huahui, LYU Chang, LIU Jing
Beijing Founder Electronics Co., Ltd., Beijing 100085, P. R. China
*Corresponding author: LIU Jing, E-mail: liu-jing@founder.com
Abstract: After improvement and development for 20 years, inkjet technology has been the major printing technology in wide-format advertising and printing industry. Through the rapid development of book print-on-demand requirement and national environmental policy coming to application, more and more focus have been given to inkjet print technology as a high effective and environmental digital printing technology. However, compared to mature multiple pass inkjet press, single pass press has extremely highest requirements in data bandwidth, data on-line restructure, high-resolution synchronous control and nozzle on-line compensation. Inkjet printing technology was firstly introduced in this article. Then responding solution was proposed according to the technology problem of single pass press. The single pass book inkjet press designed with the proposed technology had been sold into the market, and gained common acceptance from customers.
Key words: inkjet printsingle pass digital presshigh-resolution synchronous controldata on-line restructurenozzle on-line compensation
喷墨印刷是一种无接触、无压力、无印版的印刷复制技术，它省去了传统印刷方法所需的制版设备、胶片及印版等耗材，而且能够在不同材质、不同厚度的平面/曲面等异形承印物上印刷，不受承印物表面的限制。从20世纪60年代的连续式喷墨打印技术逐步实用开始，随着喷头技术与墨水技术的不断进步和应用范围的不断扩展，喷墨印刷技术逐步发展成为了一种非常重要的数字化按需生产方式。
1 喷墨技术分类目前主要的喷墨头技术有3种：连续式喷墨技术、热发泡式喷墨技术以及压电式喷墨技术。其中热发泡式喷墨技术与压电式喷墨技术都属于按需式喷墨技术。
1.1 连续式喷墨技术连续式喷墨技术是按照一定的频率，将微小的墨滴持续高速地从喷嘴喷射出来，同时采用如气流或者电场偏转等技术使不需要的墨滴发生偏转，需要的墨滴则落在目标物上。连续式喷墨技术的优点是可以保证较高的墨滴喷射速度，从而保证墨滴在目标物上的准确定位，并且该技术可以使用粘度较高的墨水。该喷墨技术的缺点是耗能高、有效能耗低，墨滴偏转控制技术复杂，墨水的有效利用率较低。基于上述原因，连续式喷墨技术目前只有极少数厂家采用。
1.2 热发泡式喷墨技术热发泡式喷墨技术的基本原理是将喷嘴附近的墨水瞬间加热到很高的温度，这时墨水中会产生气泡并发生破裂，利用这种气泡破裂产生的力量将喷嘴附近的墨水推出去形成墨滴。现在通常是使用电阻来加热墨水，通过对不同喷嘴附近的电阻通断电，就可以控制该喷嘴的墨滴喷射与否，因此热发泡式喷墨技术属于按需式喷墨技术。热发泡式喷墨技术的主要优点是控制简单，喷头集成度较高，生产成本低。但是由于该技术是一种高温高压的喷墨技术，喷头始终处于一种温度较高的工作环境，由于频繁加热与放热，电阻寿命缩减迅速，因此采用该技术的喷头普遍寿命较短，对于墨水的特性要求也比较严格。
1.3 压电式喷墨技术压电式喷墨技术是另一种按需式喷墨技术，该技术是利用压电陶瓷在电压的作用下会发生形变的特性，将压电陶瓷片安装在喷嘴的顶部或者侧壁，然后根据需要将不同的电压加载到压电陶瓷片上，利用陶瓷片的双向形变完成吸墨、喷射和墨水重新填注等动作(见图 1)。该技术可以通过调整加载于陶瓷片上的电压的不同组合(波形)来控制压电陶瓷片的形变方式，以达到以不同的喷射速度喷射出不同大小墨滴的目的(见图 2)。由于该技术的主动部件采用的是压电陶瓷这种长寿命材料，因此此类喷头普遍使用寿命较长。压电陶瓷片的墨水兼容性也很好，能够兼容绝大部分墨水(含功能性墨水)。
图 1
 | 图 1 压电式喷墨技术示意图 Diagram of piezoelectric inkjet technology |
图 2
 | 图 2 通过不同的波形控制得到不同大小的墨滴 Ink drops of different sizes through diverse wave control |
基于上述原因，压电式喷墨技术是目前绝大多数喷墨头厂家采用的技术。
1.4 喷墨墨水喷墨墨水是喷墨技术中一个关键耗材，不同的应用领域需要使用不同的喷墨墨水。目前一些重要的喷墨墨水分类如表 1所示。
表1
 表 1 主要的墨水分类 Major ink classification
| 表 1 主要的墨水分类 Major ink classification |
2 数字喷墨印刷机的关键技术数字喷墨印刷机是将喷墨技术应用于印刷领域的一种数字化生产设备，它主要由数字化前端系统、数字控制系统、供墨系统、干燥系统、印刷平台、印后处理系统等子系统组成。
2.1 数字控制系统数字控制系统是数字喷墨印刷机的核心控制系统，负责根据打印内容控制喷墨头进行按需喷射，最终在承印物上形成需要的图像。其主要的功能包括：高速数据传输与分发，高速数据重构，精确的同步控制，喷嘴异常检测与在线补偿等。
2.1.1 高速数据传输与分发高速数据传输与分发功能是印刷机接收来自前端的点阵数据，根据喷射需要将点阵实时分发到不同的喷头。现代喷墨头普遍具有喷嘴密度高、喷射频率快的特点，以常见的京瓷喷头为例，该喷头在10.8厘米的宽度范围内集成了2656个有效喷嘴，每个喷嘴可以喷射3种不同大小的墨滴，最高的喷射频率是40 kHz。这样每个喷头最高的数据吞吐率约为40 MB/s，一个实际应用的数字喷墨印刷机至少要集成10个这样的喷头，整机的数据吞吐率就在400 MB/s以上。数字控制系统需要提供持续的高速数据传输与分发能力以确保印刷机持续稳定生产。
为了解决高速数据传输与分发的问题，方正电子采用了分布式传输与乒乓操作相结合的技术方案，见图 3。
图 3
 | 图 3 方正桀鹰数字喷墨印刷机控制系统架构图 Control system architecture diagram of digital inkjet press of Founder Eaglejet |
服务器负责前端数据的分发，根据数据所在的页面(正面或背面)将数据分别发送到对应的两块主控板。主控板根据喷头的位置分布，将页面数据分发到对应位置的喷头板。喷头板接收到点阵数据后，将数据下发至喷头并控制喷头的实际打印输出。
在数据传输过程中，实际传输的数据量其实是由最后面的喷头输出速度决定的。当喷头全速工作时，每个喷头的数据量为2656×3 bit×40 kHz≈319 Mbps，约40 MB/s。而从服务器分发至主控板的数据量由于包含6个喷头的全部数据，最大数据量超过240 MB/s。
2.1.2 高速数据重构高速数据重构功能是将点阵数据与喷头喷嘴的物理分布进行实时匹配。由于加工工艺的限制，现代喷头还不能将所有的喷嘴排列在一排上，图 4为京瓷喷头的喷嘴分布图。
图 4
 | 图 4 京瓷喷头的喷嘴分布图 Nozzles distribution of Kyocera inkjet head |
由于喷头上的喷嘴不是在同一行，所以在同一时刻，不同行的喷嘴输出的点阵数据也是页面上不同行的数据。而同一行的所有点阵数据，需要承印物在移动过程中，经过喷头各行喷嘴时，由喷嘴分时喷印在承印物表面的同一水平线上，最终形成正确的印刷图像。整个过程涉及页面点阵数据的实时高速重构和对承印物移动过程的精确跟踪反馈。
在具体的功能实现上，控制系统在打印输出时，根据每个喷头喷嘴的物理分布情况，实时地将页面点阵数据中喷嘴物理位置所对应的不同行的点阵数据提取出来，重新组合为实际输出至喷头的点阵数据，然后喷头将这一组点阵数据输出至承印物。随着承印物的快速移动，页面点阵数据也在快速更新，所以实际输出至喷头的点阵数据也必须实时高速重构，以满足喷头对最大数据吞吐量的要求。以京瓷喷头为例，单个喷头的最高数据吞吐率是40 MB/s，因此高速数据重构功能也必须满足这一数据吞吐量的要求。
2.1.3 精确的同步控制精确的同步控制是通过实时采集承印物的运动速度数据并加以数字化处理，确保喷嘴的喷射与印刷平台的承印物运动相匹配。
喷墨印刷在打印方向上的最大分辨率是由喷头自身的物理分辨率决定的，在走纸方向上的最大分辨率则是由控制系统对承印物的运动跟踪精度决定的。即在承印物移动过程中，控制系统必须精确跟踪承印物的每个微小位移——在600 dpi的精度下，这个微小位移是42.333 μm，1200 dpi精度下则是21.167 μm。同步控制就是控制系统实时跟踪承印物的每次位移，产生相应的同步控制信号，控制喷头精确地输出点阵数据到承印物表面，完成最终的印刷输出。
2.1.4 喷嘴异常检测与在线补偿喷嘴异常检测与在线补偿技术是实时检测喷嘴的喷射状态，在喷嘴发生异常喷射时，前端服务器基于人眼视觉系统(HVS)的特性(见图 5)，利用挂网原理，按区域考量进行视觉补偿，实现印品的印刷缺陷在视觉上被隐藏起来的目的。
图 5
 | 图 5 坎贝尔-罗伯森图和人眼的对比敏感度曲线 Campbell-Robson contrast HVS sensitivity curve |
在喷墨印刷过程中，由于喷嘴的孔径很小，所以易由各种原因导致喷嘴堵塞。发现这种情况时，一般需要进行停机维护，以消除堵嘴、歪针。这样一来，就导致较高的墨水消耗和生产效率的降低。但如果放任不管，输出的文字或图片又有明显缺陷(白线)，客户无法接受最终印品质量。
喷嘴的异常检测与在线补偿技术就是为了解决这一矛盾应运而生的。通过对印品进行实时在线扫描，检测印品中出现的印刷缺陷，然后将缺陷位置反馈到前端服务器，由前端服务器利用挂网原理对点阵数据进行实时调整，按区域考量进行视觉补偿，最终实现在视觉上修复印品缺陷的目的。图 6展示了这一在线补偿技术实际使用时的效果。
图 6
 | 图 6 喷嘴异常与在线补偿效果对比图 Contrast of abnormal nozzles and on-line compensation effect |
2.2 其他喷墨子系统除数字控制系统之外，一台完整的数字喷墨印刷机还整合了如下的子系统：
(1) 供墨系统：确保印刷过程中提供持续稳定的墨水供应，同时还要支持不停机换墨，以保证印刷机的持续高产。
(2) 干燥系统:在确保印品快速干燥的前提下尽可能降低能耗。工业级的干燥系统一般采用针对特定墨水进行优化的干燥方式，而且可以根据不同的印刷速度与印刷品类进行干燥功率的自动调整。
(3) 印刷平台:现代的数字喷墨印刷机普遍采用伺服控制的无轴传动印刷平台，以确保承印物的平稳高速运转。
(4) 数字化前端系统:数字喷墨印刷机的用户界面系统。主要功能是与用户的工厂管理系统进行对接，接收用户的印刷文件，拼版、RIP、校色与挂网，高速数据发送，协调统一其余各子系统的工作。
(5) 印后处理系统:该系统虽然不属于数字喷墨印刷机的一部分，但是仍然需要与数字喷墨印刷机互联并实时交互控制信息，以形成一套完整的喷墨印刷系统。
3 方正桀鹰数字喷墨印刷机数字喷墨印刷机实现了真正意义上的一张起印、无须制版、全彩图像一次完成。较低的印刷成本及高质量的印刷效果比传统印刷系统经济方便，数码化的操作方式及有限的空间占用，使数字喷墨印刷机具有非常广阔的市场前景。由于是按需喷墨，数字喷墨印刷机在生产过程中产生的废墨量极少，同时由于采用的是环保型水性墨水，数字喷墨印刷机完全符合国家对于印刷行业的提质增效、绿色环保的要求，是行业内公认的对传统印刷的最好补充，是传统印刷机的升级换代产品。
方正电子从2005年开始致力于喷墨印刷技术的研发与产业化，经过近15年的持续投入与不断努力，形成了方正“桀鹰”品牌的系列数字喷墨印刷系统，在所涉及的书刊、包装、标签等领域都处于行业领先的地位。
以其中的方正桀鹰P系列数字喷墨印刷机(图 7)为例，该印刷机定位于书刊、报纸领域的按需印刷，具有投资极少、印刷成本极低、印刷尺寸可选、印刷质量高、占用空间小、操作人员少及运行成本极低、印刷材质类型厚度选择性大等特点。配合专业的数码印刷墨水与方正独有的色彩与挂网技术，可以实现颜色饱和艳丽、色域宽广、过渡性好，远远超过传统印刷效果。
图 7
 | 图 7 方正桀鹰P5600数字喷墨印刷机 P5600 digital inkjet press of Founder Eaglejet |
作为国内唯一具有完全知识产权的数字喷墨印刷机，方正桀鹰P系列在与国外同类型产品的竞争中具有性价比高、系统稳定、服务及时、本地化系统设计、快速持续升级、投资少等显著的优点。同时方正电子在结合自身多年深耕印刷出版领域的基础上，推出了一系列配套的软件系统，帮助用户实现从出版社到印刷厂的全流程数字化。
方正桀鹰P系列数字喷墨印刷机与国外同类型产品几乎同步进入国内市场，经过近7年的市场培育，P系列印刷机装机量已经占有60%以上的市场份额，有力地推动了国内书刊按需印刷的升级与发展。
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