喷墨打印设备的分类和工作原理

1.1 喷墨打印机分类

Fig 1.1.1 Inkjet 印刷技术分类^{(2) (5)}

Fig 1.1.2 常见CIJ 喷头和DOD a.Thermal 与b.Piezoelecric 喷头工作机理⁽¹⁾

在FDP产业中的喷墨印刷往往所指的是连续喷墨CIJ(Continuous Ink Jetting)和按需喷墨DOD(Drop On Demand)两种。如Fig 1.1.1所示, 在CIJ和DOD两种喷墨形式之下, 喷墨印刷技术根据各自激发墨水机理和元器件结构的不同会再进一步细分。

其中比较有代表性的电磁偏转CIJ喷墨打印机、Thermal型DOD喷墨打印机和Piezoelecric型DOD喷墨打印机工作原理如Fig 1.1.2。

在电磁偏转CIJ喷墨打印机喷墨时,其喷头上接以正向电压, 而在喷头下方分别安装有墨水偏转板和墨水回收装置。

在喷印过程中喷头持续喷墨, 此时喷头上施加电压使墨水带电后通过墨水偏转板在基板上形成图案。

当印刷图案完成时, 墨水偏转板开始施加电压, 使得带电墨水在电场作用下偏转, 从而通过偏转板后进入墨水回收装置进行回收。

该类型喷墨打印机在制作器件时其印刷墨滴直径大小约为100 um、墨滴产生速率约为20～60 kHz而喷墨速度 > 10 m/s6。

常见的DOD型喷墨印刷打印机为热激发型(Thermal)和压电陶瓷激发型(Piezoelecric)。

在常规Thermal型DOD喷墨打印机和Piezoelecric型DOD喷墨打印机中, 其喷头内部设置有喷头、储墨仓和墨水挤出设备。在Thermal型DOD喷墨打印机中, 墨水挤出设备为一薄膜。该薄膜在温度控制下发生周期性形变且形成突出气泡, 并通过形变将墨水挤出。

在Piezoelecric型DOD喷墨打印机中, 墨水挤出设备为压电陶瓷挤出板。在喷墨前, 墨水保存在喷头与储墨仓中, 其后通过施加电压使压电陶瓷板以固定频率发生形变并挤压储墨仓, 受到挤压的墨水通过喷头以1～20 kHz频率挤射出。当喷印结束时, 压电陶瓷板停止运动同时停止墨水挤出。

该结构与传统CIJ相比能印刷20～50μm等更小尺寸的图案。在两种结构中, 主要影响喷印效果的是有喷头气压、喷墨电压、喷墨挤出时所用的挤出波形(DOD)等仪器的设置和墨水可印刷性, 下文主要讨论DOD喷墨结构中墨水的可印刷性。

Thermal型和Piezoelecric型DOD喷墨打印机对比

DOD 喷墨中压电型(Piezoelectric)喷墨最为常见, 根据厂家压电陶瓷挤压位置的不同, 压

电型喷头根据工作模式可以分为 Bend Mode、 Push Mode 和 Shear Mode(Fig 1.1.3) ⁽⁵⁾。

一般Bend Mode 和Push Mode 的喷头常用于小型机台, 相对而言, Shear Mode 由于其较高的喷头密度, 更满足高精度的工业生产需求。

Fig 1.1.3 几种常见Piezoelecric 喷头工作机理结构⁽⁵⁾

对于处于Shear Mode 的DOD 打印机, 其压电陶瓷板可以放置于墨水通道后侧的同时,亦可以放置在腔体侧面。根据进一步对墨水喷头、墨水腔和补墨槽的结构进行细分为常规End Shooter 型和Xaar 混合侧边出墨水型¹¹。

a.End Shooter b.Xaar’s Hybrid Side Shooter?

Fig 1.1.4 End Shooter 和Xaar’s Hybrid Side Shooter? 结构⁽¹¹⁾

End Shooter 结构为常见的DOD喷墨打印机喷头设计, 产业化的产品有Fujifilm公司的SX和SE系列。在该类型的喷头中, 墨水激发腔处于墨水供墨端下方, 且在打印时墨水由上自下进行供应。

该喷头在出墨时, 供墨管道将墨水先灌注在墨水激发腔体内, 然后再由墨水激发腔体形变将墨水挤出。出去少部分挤出的墨水外, 激发腔体内未激发的墨水在经过二次补墨后保留在腔体内准备二次激发。

该种喷头的设计在长时间反复工作时从理论上而言会存在以下几种风险：

? 残留墨水在腔内经过反复的挤压发生变质, 进而影响喷墨性能。对于某些高聚物墨水而言, 反复的挤压墨水有可能造成高聚物分子链的断裂, 从而改变墨水的性能并影响最终出墨。

? 残留的墨水可能会在喷头或进墨管出析出、堵塞, 从而影响墨水出墨表现。

? 因为该墨水出墨腔体相对封闭, 若在喷印过程中喷头向内产生气泡则无法排出。若发生该现象, 在喷印效果降低的同时还存在损坏喷头的风险。

Xaar为了规避以上问题发明了Xaar 混合侧边出墨水型喷头结构(Xaar's Hybrid Side Shooter?)⁽¹¹⁾并将墨水供墨端和墨水激发腔合并在一起。

当Xaar 公司混合行喷头喷墨时, 供墨管道直接形变并将墨水从喷头挤出, 多余的墨水在压力的作用下向后移动并带出喷头。这样一来避免了残留墨水的变质问题, 其次若产生会吸气泡, 该气泡会在液体的流动下向后端排出, 降低了喷头损坏的风险, 最后由于墨水一直处于流动状态, 喷头亦不容易被堵塞。

由于向后排出的墨水在通过去泡处理后可以再次回收利用, 该结构可以进一步提高材料的利用率。

为了进一步提高喷头密度从而提高生产效率, Xaar's Hybrid Side Shooter 结构中相邻两个喷头共用一个压电陶瓷板。

该设计虽然提高了喷头密度, 但是在生产时亦引入了一些不便和技术风险, 比如：

虽然喷头密度提高, 但是相邻喷头无法同时激发。当一个喷头在喷墨的时候其相邻左右两个喷头因为各有一面压电陶瓷与之共享, 所以无法同时工作。

喷墨过密且共享压电陶瓷模块之间容易在电压、电场或压力场的作用下产生串扰,影响出墨效果。

Fig 1.1.5 Xaar’s Hybrid Side Shooter? 工作原理⁽¹¹⁾

由于常见的喷头依然时End Shooter 型, 则后文均会以该型号喷头为例进行较为深度的解析。

End Shooter 型喷头根据墨水激发腔和供墨端连接处的不同, 又可以分为终端开放型(Open end)和终端闭合型(Close end)。

两种结构的喷头结构如Fig 1.1.6 所示

Fig 1.1.6 Piezoelecric Shear Mode 下终端开放型(Open end)或 终端闭合型(Close end)喷头结构⁽⁶⁾

该两种喷头在印刷时, 压电陶瓷在外部电压的作用下产生形变并在墨水挤压腔中产生形变 dV。 形变的墨水以一定的速度对喷头处墨水进行挤压, 把墨水向外推出。其后墨水在空气中断裂形成墨滴并完成喷墨。通过估算压电陶瓷的应变系数(Strain coefficient)可以粗略的估计出墨水的出墨量。

压电陶瓷在电压形变的大小取决于其应变系数 d33(Strain Coefficient)。对于常见的压电套材而言, 其应变系数从200 - 700 pm/V(0.2 - 0.7 nm/V)不等。

假设一喷头内压电陶瓷长度为10 mm、宽度为250 μm 且应变系数为400 pm/V, 为了挤出25 pl 的液体, 在不考虑出墨效率的前提下, 理论上压电陶瓷材料需要形变最少10 nm, 则施加电压最少要到25 V。但在实际器件中, 为实现出墨, 压电陶瓷形变量要远大于液体出墨量。

喷头在实际工作时, 压电陶瓷的形变量还受到喷头结构、压电陶瓷所在环境和压电陶瓷厚度的影响。根据 Herman Wijshoff2 的研究认为, 压电陶瓷的形变最少需要为出墨墨水体积的2 倍, 则为了在上例中挤出25 pl 的液体, 压电材料形变最少需要到 20 nm, 施加电压最少到 50 V。

同时 Herman Wijshoff⁽²⁾ 认为压电材料有效应变系数和支撑背板材料和厚度有关。一般来说有效型变量deff通常仅为理论 d33 的40%左右, 即应变系数为400 pm/V的材料, 其deff仅为 160 pm/V。为了实现 20 nm 的形变, 其施加电压最少需要到125 V。

Fig 1.1.7 和支撑背板(Substrate) 厚度的关系⁽²⁾

以上结果仅仅考虑单层压电陶瓷材料作为激发源的结果。如果采取重叠型压电陶瓷激发结构⁽²⁾ (Fig 1.1.8), 可以有效的降低压电陶瓷的驱动电压。在该工作模式下, 若压电陶瓷重叠 n 次, 则驱动电压下降为 125/n。

Fig 1.1.8 重叠型压电陶瓷结构⁽²⁾

压电波形的传导和调节

如上文所提, 为了在Piezoelecri型DOD打印机上实现连续出墨, 其喷头内置的压电陶瓷需要往复的变形。

该形变过程若以施加的电压为y轴和电压施加时间t为x轴则可得到该喷头墨水的电压激发波。为产生稳定的墨滴, 必须基于墨水的性能和喷头的结构对施加在压电陶瓷上波形进行调整。常见的出墨波形有单峰和多峰两种 (Fig 1.2.1)。

根据工作机理的不同, 单峰型波又分为正峰型和反峰型。

当喷头在正峰型工作状态时, 压电陶瓷直接对墨水挤压腔并将墨水向外推出。而在反峰型工作状态中, 压电陶瓷向外变形并将供墨槽中的墨水吸入墨水挤压腔中, 气候再通过取

消电压或施加反向电压将墨水从喷头处挤出。考虑墨水在压电陶瓷内以声波形式进行传播,

该声波并在挤出墨水后会在喷头腔室进行反射并震荡衰减(Damping)。如果在Damping 的过程进行第二次激发, 则Damping 的余波会和激发波相互干扰, 进而影响墨水出墨。

Damping 的持续时间和墨水的粘度存在一定的反比关系, 则单峰波形比较适合 Damping 较大且Damping 持续时间较短的墨水 (粘度较大)。对于粘度较小的液体, 在特定条件下⁽²⁾, 在第一次激发后腔内溶液 Damping 时间甚至会持续 60 μs。所以在应对粘度较低的墨水时,

所以一般可以考虑采取多峰型波形, 通过第二峰值反向抵消Damping 余波以加速残余声波的衰减, 进而以便增加墨水出墨稳定性。

喷头的出墨波形不仅仅和其喷头的类型有关, 其出墨的过程也和喷头内部的结构和运用场景紧密相。若2 台打印机喷头结构不同, 即便其采取的激发波形相似, 因为激发出墨的原理不同, 该波形对墨水的作用也不同, 则两台打印机之间波形之间也毫无任何参考意义。

所以如果要对喷头的出墨波形进行调节, 必须对喷头的结构有一定程度的了解。

Fig 1.2.1 单峰和多峰出墨波形⁸

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