1.3 数字印刷机

数字印刷机是指使用数字印刷技术的印刷设备，它是能将数字图文信息在正常输出状态下实现信息可变，并直接输出在承印物上的印刷设备。

数字印刷机一般是指生产型数字印刷设备，如各类黑白生产型数字印刷机、彩色生产型印刷机、各类高速复印机等，而不包括多数用于办公的打印和复印设备，如黑白激光打印机、彩色喷墨打印机和各种一体机。

1.3.1 数字印刷机概述

当人类进入信息时代时，科学技术推动了印刷技术的巨大进步，特别是计算机技术和网络技术的应用，使可变印刷技术及设备日趋完善。印刷技术的数字化、集成化、智能化和网络化发展日趋成熟，以及印刷市场上小批量、个性化、多品种、高质量印品需求的迅速提升，为数字印刷的实现和发展奠定了必要的基础。数字印刷技术是在现代打印技术基础上发展起来的一种综合技术，以电子文本为载体，通过网络传递给数字印刷设备，实现直接印刷，数字印刷真正出现应用是在20世纪90年代，1991年德国海德堡公司在Print91上展出了GTO-DI数字式印刷机，1993年以色列印迪戈公司在IPEX印刷展览会上推出了E-Print1000数字印刷机、比利时赛康公司推出了DCP-1数字印刷机，在Drupa95上，多家公司展出了自己的数字印刷机，将数字印刷推向了一个发展高潮。2000年以后，数字印刷生产厂家经过进一步发展和重组，出现了惠普印迪戈、富士施乐、柯达、奥西等主要的数字印刷设置制造商，推动了数字印刷在全球的发展和普及，也使数字印刷在我国得到迅速发展。数字印刷系统主要由印前系统和数字印刷机组成，有些系统还配置了折页、装订、裁切等印后设备，取消了分色、拼版、制版等步骤。

与传统印刷设备一样，数字印刷机按照承印物形式、色数和印刷原理不同可分为不同的种类。数字印刷机的分类方式如图1-28所示。数字印刷机在承印物形式上可分为单张纸和卷筒纸两种，单张纸数字印刷机一般用于书刊及海报的印刷，卷筒纸数字印刷机大多用于标签印刷生产中。在印刷色数方面，可以分为黑白数字印刷机和彩色数字印刷机两种，与传统胶印机类似，一些彩色数字印刷机也有配置专色功能用于提高印刷色域或实现某一特殊印刷效果。根据成像技术的不同，数字印刷机主要分为静电成像、喷墨成像、热成像、离子成像、磁成像五大类，其中静电成像又分为色粉静电成像和电子油墨静电成像，电子油墨静电成像以惠普印迪戈为代表，喷墨成像按照墨滴喷射方式又分为连续喷墨成像和按需喷墨成像，按照喷墨喷射动力来源又分为压电喷墨和热泡喷墨，兰达公司最新的纳米喷墨成像技术也是按需喷墨成像技术的一种，热成像又分为热转印成像、热升华成像等。除了上述五种成像技术外，还有一些特殊的成像方式被用于一些特殊的印刷中，如直接成像、照相成像等。但目前在数字印刷领域中，静电成像和喷墨成像占主导地位，当前生产型数字印刷机主要以静电成像为主，但随着喷墨成像技术的进步，喷墨成像数字印刷也逐步开始进入生产型印刷机领域。

1．静电成像

静电成像技术的核心是光导体的光导效应，即光导体材料在特定的黑暗环境中为绝缘体，在特定的光照条件下电阻值下降成为具有一定导电能力的导体。静电成像技术的实施过程为，利用光扫描的方法在光导体滚筒上形成静电潜影，光导滚筒表面的曝光和不曝光产生电位差，利用与静电潜影有一定电位差的墨粉或液体油墨与静电潜影之间的吸引力将墨粉或液体油墨转移到光导滚筒上，借助于热或者压力作用，使墨粉或液体油墨在承印物上形成稳定的影像。静电成像过程可以分为6个阶段：充电、光扫描成像、着墨（显影）、呈色剂的转移、呈色剂与承印物熔结（定影）、光导鼓清洁。静电成像的原理如图1-29所示。静电成像技术中，根据所使用的成像材料的状态又分为固体热熔墨粉和液体电子油墨两种，其中惠普印迪戈使用的是液体电子油墨，而以施乐为代表的绝大部分其他静电数字印刷设备厂商使用的都是固体热熔墨粉。成像质量上，惠普印迪戈使用的液体电子油墨技术明显优于其他厂商的固体热熔墨粉技术。

2．喷墨成像

喷墨成像技术作为数字印刷发展的主要方向之一，发展历史悠久，起源于瑞利断裂和帕兰涛尤瑟夫·普拉托-瑞利不稳定性理论，随着现代制造技术的发展，尤其是微纳制造技术和控制技术的发展，喷墨印刷技术不断完善。喷墨成像技术不需要印版，印刷过程无压力、无须接触承印物，省去了传统印刷中因为制版所需要的设备、版材以及胶片等一系列耗材。喷墨成像可以在多种类型的承印物表面进行印刷，而不局限于纸张。喷墨成像也可以在曲面及厚度不一的异形物体表面进行印刷，并且不被幅面大小所限制。喷墨印刷广泛的应用前景不仅表现在印刷领域，在数字制造领域的应用潜力更大，如增材制造领域中的3D打印。喷墨印刷从最初的印刷领域逐步扩展到了机械制造、医疗、电子产品加工以及立体成像等领域。曾经的国际数字印刷年会更名为数字印刷及数字制造会议便是最好的证明。喷墨成像技术从油墨喷射方式上分为连续喷墨和按需喷墨两种。

（1）连续喷墨

连续喷墨系统利用压力使液态墨水通过微孔形成连续高速墨流，通过高频电磁震荡使高速墨流分裂成细小的液滴，小液滴的尺寸和频率取决于液体油墨的表面张力、所加压力和微孔的直径以及震荡频率，在墨滴通过微孔时，使其带上一定的电荷，以便控制墨滴在承印物上的落点，带电的墨滴在偏转电极板的控制下根据图文成像要求使其发射到墨滴回收挡板或偏移到承印物表面的图文位置，如图1-30所示，而墨滴偏移量和承印物表面的墨点位置由墨滴离开窄孔时的带电量决定。

（2）按需喷墨

按需喷墨也称脉冲给墨，只在需要印刷的图文部分喷射印刷墨滴。按需喷墨与连续喷墨的不同就在于作用于墨水的驱动压力不是连续的，只有当需要墨滴喷出时才会有压力作用，墨滴的喷出受成像计算机信号所控制，由于没有了墨滴的偏移，墨槽和循环系统就可以省去，简化了数字印刷机的设计和结构。目前产生墨滴的压力有两种，一种是通过压电元件的变形改变墨腔的体积产生压力，另外一种是通过加热油墨使其汽化以产生压力。压电技术是产生墨滴喷出最简单的方式之一，压电喷墨的核心是半导体的压电效应，即在给压电体施加一定的外力后，在压电体的两个极会呈现出电位差，压电喷墨所利用的是压电效应的逆效应，当压电晶体受到微小电脉冲作用时会立即变形，使与之相连的储墨盒受压变形推动墨腔中的油墨喷出。按照压电元件的形状，可分为挤压、推压、弯曲、剪切四种。热泡喷墨是利用加热喷墨头中的油墨使其汽化，利用气泡挤压油墨致其从喷嘴喷出，加热元件一般为微型电阻，大多数热泡喷墨由于需要直接对油墨加热使其汽化，所以热泡喷墨对油墨热特性及耐高温变质特性有一定的要求。

按需喷墨与连续式喷墨印刷相比，无须充电电极和偏转电场，喷墨头结构简单。在印刷成像过程中，墨滴的大小一般是固定的，为了提高印刷速度，只能考虑改变喷嘴的排列方式，一般单色喷嘴采取两列或者多列喷嘴交错排列的方法，这种排布在提高印刷速度的同时也提高了印刷成像精度。

热泡喷墨头原理如图1-31所示，热气泡喷墨成像系统主要由喷头、墨水、承印物和必要的传动控制系统构成。热泡式按需喷墨的工作原理为：油墨通过喷墨头内部的微型加热元件（一般是热电阻）加热到300℃，热电阻表面的油墨迅速汽化形成气泡，形成的气泡隔绝了加热电阻与剩余油墨的接触，从而不会对剩余的墨水加热。气泡的形成使得油墨体积增大，由于油墨体积不可压缩以及油墨腔体内容积不变的特点，油墨腔体周围的液体对墨水产生一定的压力，将墨水挤压到喷嘴处，墨水喷射到纸张表面进行横向铺展和纵向渗吸，产生可视化图文。压电按需喷墨的工作原理与热泡按需喷墨几乎一样，只是喷墨压力单元由热泡变为压电元件。

3．离子成像

离子成像数字印刷也称为电子束印刷或电荷沉积印刷，是一种在电介质表面形成静电荷图像（类似于静电成像技术的静电潜像）并通过带相反电荷的墨粉颗粒显影成视觉可见图像的成像工艺。这种数字印刷技术除成像过程外，其余工艺与静电成像几乎没有区别，显影过程也与静电成像几乎相同。从物理学的角度看，绝缘体分子内的束缚电荷在外电场的作用下产生微观位移而产生极化电荷，称为电介质的极化。介质的极化程度与质点电偶极子有关，取决于质点电荷重心的分离程度。离子成像是利用绝缘体的极化现象，通过一种电介质的极化效应发生离子，进一步控制离子的定向流动能够在另一种电介质表面记录信息。在图1-32所示的记录系统中，金属板和热阴极相当于电容器的两块平行金属板，绝缘纸是放入电容器中的电介质，从介质的极化效应可知绝缘纸张表面在电场作用下可感应出负电荷。该记录系统的作用原理可归纳如下：由电源对阴极加热，阴极发热后向绝缘纸张发射电子，为绝缘纸表面感应负电荷创造条件；控制栅的作用在于控制阴极电流的大小，阴极发出的电子数量也因此而得到控制；阴极发射出的电子向绝缘纸迁移，在靠近控制栅一侧的绝缘纸表面形成电荷图案（静电潜像）；当绝缘粉末颗粒落到纸张表面时，颗粒在电场作用下发生极化作用，为静电潜像吸附，使静电潜像转为视觉可见的图像，完成显影。绝缘纸张的另一侧是一块与蜡烛连接的金属板，连接蜡烛和金属板的导线在中间部分放置一个线圈，蜡烛发出的正电荷用于擦除纸张上的静电潜像。

20世纪70年代末，艾利公司的前身美国丹尼森公司开始研发高性能离子成像打印机，这类设备后来以德尔费克斯公司的名义销售，现在德尔费克斯公司已经改名为德尔费克斯科技，提供单张纸和卷筒纸离子成像数字印刷系统。如前所述，离子成像也称离子沉积记录，而德尔费克斯公司则称之为电子束成像，离子成像数字印刷机结构与工作原理如图1-33所示。

分析图1-33给出的离子成像数字印刷机结构与工作原理图可看出这种技术与静电成像数字印刷技术存在不少类似之处，复制工艺大体上划分成五个步骤：第一步，离子发生器发出的离子在成像滚筒的绝缘层上形成电荷图像，与静电照相充放电过程形成的静电潜像几乎类似，称为静电潜像；第二步，显影过程，墨粉颗粒吸附到成像滚筒表面；第三步，墨粉图像以灌输的方法转移到纸张表面，灌输方法由墨粉转移和熔化两个工序同时发生而得名，此外个别离子成像数字印刷机还有附加的闪光熔化工艺，是否有闪光熔化工艺与机器型号有关；第四步，刮刀清理成像滚筒表面未转移的残留墨粉颗粒，绝缘涂布层的材料选择范围比静电成像数字印刷的光导体宽得多，可通过选择合适的材料形成耐磨的绝缘层，允许用刮刀清理；第五步，类似于静电照相数字印刷，离子成像数字印刷完成所有作业任务后也必须擦除残留的静电潜像。

4．热转移成像

热成像（Thermography）的含义相当广泛，涉及的领域众多，比如检测技术中的热成像，军事应用中的热成像，地理勘探中的热成像、印刷中的热成像等。这里只讨论印刷中利用热成像原理实现的图文复制技术，后面提到的热成像都是基于这样的约定。热成像打印机近年来发展迅速，推出了应用于各种不同场合的机型，市场需求是导致热成像打印机多样性和不断发展的根本原因。尽管热成像打印机的类型多种多样，成像原理各具特色，应用场合也各不相同，但其核心原理是相同或相近的，所以在此一并讨论。热成像复制技术以材料加热后物理特性的改变为区分标准，总体上可划分为直接热成像和转移热成像两大类，而转移热成像又可进一步细分为热转移和热升华两种类型。直接热成像通过热色敏材料（承印物）产生打印结果，无须色带（色膜）；转移热成像则离不开色带，不同类型的色带是图文转移的显色剂来源，成像和复制工艺取决于应用目标需求和打印设备的设计目标，例如成像结果可能先转移到中间载体，再转移到承印物。热成像既是迄今为止复制质量最高的技术，也可能复制出质量低劣的产品。热成像设备的打印效果取决于成像方法，例如热升华打印机的复制质量可与连续调照片媲美，而直接热成像设备往往只能用于复制较为简单的线条稿，图像复制效果较差。直接热成像硬拷贝输出工艺需使用经专门处理的纸张，其表面有特殊的涂布层，在热作用下变色。因此，用于直接热成像复制工艺的承印材料称为热敏材料或热敏纸，直接热成像复制又称为热敏成像复制，相应的设备则称为热敏打印机，有时直接简称为热打印机。为了与转移热成像打印机明确地区分，下面统一称为热敏打印机。直接热成像应使用对热作用敏感的材料，例如普通传真机使用的热敏传真纸以及用于印刷标签和条形码的热敏纸。热转移成像通过色带完成图文的复制，这里统一称相应的技术和设备为热转移技术和热转移打印机。热转移的图文复制特点是油墨从色带释放出来，再转移到承印物表面，说明热转移是一种油墨加热熔化再转移的技术。为了获得良好的复制效果，必然会发生大量油墨的转移，据此，热转移技术有时称为“热密集转移”，热升华技术容易与热转移区分，一般称为染料热升华，相应的复制设备称为热升华打印机。热转移和热升华打印机的图像形成原理如图1-34所示。从图中可以看出，热升华和热转移设备使用的打印头功能类似，区别主要表现在以下三方面：首先是色带结构差异，热升华色带的油墨层主要由染料组成，而热转移色带的油墨层主要由颜料组成；其次是记录介质不同，热升华使用的记录介质结构复杂些，需要特殊的接受层，热转移对记录介质几乎没有什么特殊要求，一般为普通纸张等承印物；第三是信息转移方式不同，两者分别通过升华扩散转移和转印的途径实现油墨的转移过程。

5．磁记录成像

在我国的战国时期就发现磁石吸铁现象，具有重要意义的首次应用是指南针，今天这一特性被应用于信息记录和图文转移中，并研制出了相应的设备。磁记录技术的应用与磁性材料有关，自然界的天然磁性材料存在于四氧化三铁矿石中。现在，很少使用天然磁性材料，各种基于磁性的记录技术使用的磁铁大多用人工方法制成，例如铁、钴、镍等金属可以制成永久磁铁的合金材料。目前使用的另一种重要的磁性材料为铁涂氧磁体，由氧化铁与二价金属化合物通过烧结工艺组成。天然磁铁能吸引铁、钴、镍等物质，这种现象称为磁性，能够为磁铁吸引的物质称为铁磁物质或磁性材料。铁磁物质在自然状态下并不显示磁性，当接触或靠近磁铁时因受到磁场的影响而呈现出磁性，而被磁铁所吸引；当铁磁物质离开磁铁一定距离后，磁性不能保留。这种基本原理用到了磁记录和磁成像技术中。材料的铁磁性和光导性属于物质的两种不同属性，反映两种不同的物理现象，如果不考虑成像结果的永久性和临时性，则铁磁性和光导性都可用于记录。由于铁磁体特有的磁滞回线现象，使铁磁材料具备永久性记忆的能力，这说明磁成像结果可永久性地保存下来，需要时可以借助于相同的原理施加反向磁场予以擦除。静电成像基于材料的光导性，经充电和放电过程得到静电潜像，一旦显影过程结束，静电潜像就失去了利用价值，因而静电成像属于临时性的记录结果。静电成像中光导材料和铁磁材料的共同性引起人们的注意，20世纪70年代初，有五家公司对磁成像的硬拷贝输出能力进行研究，沙因认为，磁成像（Magnetography）是静电照相的磁模拟，两者的主要区别在成像阶段，磁成像显影过程必须利用磁性墨粉，成像和显影结束后的其他过程基本相同。磁成像数字印刷基于材料的铁磁性，即以铁磁性代替静电成像中光导体的光导性，因而静电成像数字印刷与磁成像数字印刷的根本区别在于物理效应不同。磁成像记录头工作原理如图1-35所示，磁成像印刷原理如图1-36所示。

1.3.2 数字印刷机发展

从数字印刷技术的萌芽到开始应用，经历了近一个世纪的不断创新和发展，受益于包括计算机技术和微纳制造技术在内的相关领域技术的发展，国内外的数字印刷机已经有了显著的发展，到2012年，以静电成像和喷墨成像两大主要技术为主的传统数字印刷技术已经发展到瓶颈。之后静电成像技术的发展逐步趋缓，一些原本在静电成像技术领域占有主导地位的企业逐渐开始进入喷墨成像技术领域，通过自身研发或收购的形式推出了一些喷墨成像设备，而之前成功推出印迪戈数字印刷机的班尼·兰达将目光投向喷墨技术，并推出了纳米喷墨技术及相应的设备。

目前数字印刷设备在种类、印刷品质、幅面、应用等方面已经形成了丰富的产品线，部分数字印刷机配置了完善的印后加工单元。在种类上，应用广泛的静电成像数字印刷机和喷墨成像数字印刷机不断发展并由此衍生出新的技术，例如兰达公司的纳米喷墨印刷技术，同时基于热成像技术的各种打印设备发展非常迅速，一方面与社会进步有关，另一方面也与网络和物流的发展和工业自动化的发展有关，如应用于物流中的货单便携打印机和应用于工业生产中的条码及二维码打印机等。在印刷质量方面部分静电成像数字印刷机已经接近并达到中等胶印品质，代表产品是惠普的印迪戈系列电子油墨静电成像数字印刷机，以色粉成像技术为主的数字印刷机的印刷品质也逐步提升，特别是借助于新型墨粉的使用，如施乐的EA墨粉技术，奥西（现佳能）的PO墨粉技术，理光的PXP-EQ化学墨粉技术等，都进一步推动了色粉静电成像数字印刷机印刷品质的提升。在印刷幅面上，发展最快的要数喷墨成像数字印刷机，这主要得益于喷嘴技术的进步，越来越多的制造商能够制造出与印刷机幅宽相同的喷嘴阵列，实现一次喷墨就能覆盖整个幅面，不需要使纸张多次经过喷嘴，提高了喷墨印刷的精度和速度，喷墨印刷主要用于报纸、书刊、直邮印刷品的印刷领域，代表机型有惠普Ink jet Web Press宽幅数字印刷机，在大幅面和超大幅面喷绘领域，喷墨技术应用成熟，主要用于户外广告的印刷。数字印刷技术在应用分类中，可分为5类，分别为：印刷生产用数字印刷机、办公文印用一体机及桌面打印机、广告等大幅面印刷用喷绘机、工业用标识码打印机和增材制造用3D打印机。

目前数字印刷机朝着印刷速度和品质不断提升及绿色印刷的方向发展，在印刷速度的提升方面，目前呈现出了两大显著的发展方向，即印刷引擎的改进和印刷幅面的加大。如柯达公司的Stream概念机印刷速度可达2500页/分，并且适用的介质更加宽泛，在印刷品质上相当于175线/英寸的胶印质量；惠普公司推出了最高速度为240页/分的全新印迪戈7000印刷机；富士施乐公司推出的iGen5在保证良好印刷品质的前提下运行速度彩色印刷为150页/分。宽幅数字印刷机方面，以惠普Ink jet Web Press为例，这款印刷宽度为762mm的卷筒纸印刷机是专为报纸、书刊和直邮市场设计的，最高印刷速度可达2600页/分。目前，宽幅数字印刷机的代表产品还有富士胶片公司的JetPress720、特新企业有限公司的QPress、网屏公司的TruepressJetSX等。在国内，方正桀鹰C4200数字喷墨彩色印刷机，采用连续走纸印刷方式，可以非常方便地进行单色及彩色双面印刷，幅面宽度420毫米。桀鹰C4200是根据中国数字印刷发展现状与使用习惯研发的面向商业印刷的数字喷墨印刷机，采用UV喷墨油墨，物理分别率为360dpi×360dpi，印刷品精度可达1080dpi。

国内代表企业北大方正在喷墨控制硬件和软件关键技术方面已经申请了多项发明专利，但在喷墨印刷速度、印刷幅面、喷头等关键技术指标方面，与国际同类先进水平相比还有很大差距。北京豹驰技术有限公司推出的捷豹系列（Panthera300C）卷筒纸数字印刷机，印刷幅面宽，印刷速度快，墨水遮盖力强，印刷分辨率高，适合小批量短版标签产品及纸张类、薄膜类和金属箔类材料的印刷。

如今数字印刷在速度、质量和承印物适应性方面已经发生了很大的变化。从印刷幅面、速度、分辨率、（单一像素可以再现的）阶调数、呈色剂、承印介质和印刷品质等几个方面来看，市场上的静电成像和喷墨成像数字印刷设备的速度、质量和承印物适应性等几个指标已经达到中档甚至高档胶印的水平。从发展趋势来看，“因为是数字印刷，所以质量不高”将永远成为历史。随着数字印刷配套设备和数字印刷工艺的不断提高，数字印刷技术将呈现出表1-4所示的发展趋势。