噴墨打印設備的分類和工作原理

1.1 噴墨打印機分類

Fig 1.1.1 Inkjet 印刷技術分類^{(2) (5)}

Fig 1.1.2 常見CIJ 噴頭和DOD a.Thermal 與b.Piezoelecric 噴頭工作機理⁽¹⁾

在FDP產業中的噴墨印刷往往所指的是連續噴墨CIJ(Continuous Ink Jetting)和按需噴墨DOD(Drop On Demand)兩種。如Fig 1.1.1所示, 在CIJ和DOD兩種噴墨形式之下, 噴墨印刷技術根據各自激發墨水機理和元器件結構的不同會再進一步細分。

其中比較有代表性的電磁偏轉CIJ噴墨打印機、Thermal型DOD噴墨打印機和Piezoelecric型DOD噴墨打印機工作原理如Fig 1.1.2。

在電磁偏轉CIJ噴墨打印機噴墨時,其噴頭上接以正向電壓, 而在噴頭下方分別安裝有墨水偏轉板和墨水回收裝置。

在噴印過程中噴頭持續噴墨, 此時噴頭上施加電壓使墨水帶電后通過墨水偏轉板在基板上形成圖案。

當印刷圖案完成時, 墨水偏轉板開始施加電壓, 使得帶電墨水在電場作用下偏轉, 從而通過偏轉板后進入墨水回收裝置進行回收。

該類型噴墨打印機在制作器件時其印刷墨滴直徑大小約為100 um、墨滴產生速率約為20～60 kHz而噴墨速度 > 10 m/s6。

常見的DOD型噴墨印刷打印機為熱激發型(Thermal)和壓電陶瓷激發型(Piezoelecric)。

在常規Thermal型DOD噴墨打印機和Piezoelecric型DOD噴墨打印機中, 其噴頭內部設置有噴頭、儲墨倉和墨水擠出設備。在Thermal型DOD噴墨打印機中, 墨水擠出設備為一薄膜。該薄膜在溫度控制下發生周期性形變且形成突出氣泡, 并通過形變將墨水擠出。

在Piezoelecric型DOD噴墨打印機中, 墨水擠出設備為壓電陶瓷擠出板。在噴墨前, 墨水保存在噴頭與儲墨倉中, 其后通過施加電壓使壓電陶瓷板以固定頻率發生形變并擠壓儲墨倉, 受到擠壓的墨水通過噴頭以1～20 kHz頻率擠射出。當噴印結束時, 壓電陶瓷板停止運動同時停止墨水擠出。

該結構與傳統CIJ相比能印刷20～50μm等更小尺寸的圖案。在兩種結構中, 主要影響噴印效果的是有噴頭氣壓、噴墨電壓、噴墨擠出時所用的擠出波形(DOD)等儀器的設置和墨水可印刷性, 下文主要討論DOD噴墨結構中墨水的可印刷性。

Thermal型和Piezoelecric型DOD噴墨打印機對比

DOD 噴墨中壓電型(Piezoelectric)噴墨最為常見, 根據廠家壓電陶瓷擠壓位置的不同, 壓

電型噴頭根據工作模式可以分為 Bend Mode、 Push Mode 和 Shear Mode(Fig 1.1.3) ⁽⁵⁾。

一般Bend Mode 和Push Mode 的噴頭常用于小型機臺, 相對而言, Shear Mode 由于其較高的噴頭密度, 更滿足高精度的工業生產需求。

Fig 1.1.3 幾種常見Piezoelecric 噴頭工作機理結構⁽⁵⁾

對于處于Shear Mode 的DOD 打印機, 其壓電陶瓷板可以放置于墨水通道后側的同時,亦可以放置在腔體側面。根據進一步對墨水噴頭、墨水腔和補墨槽的結構進行細分為常規End Shooter 型和Xaar 混合側邊出墨水型¹¹。

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

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

End Shooter 結構為常見的DOD噴墨打印機噴頭設計, 產業化的產品有Fujifilm公司的SX和SE系列。在該類型的噴頭中, 墨水激發腔處于墨水供墨端下方, 且在打印時墨水由上自下進行供應。

該噴頭在出墨時, 供墨管道將墨水先灌注在墨水激發腔體內, 然后再由墨水激發腔體形變將墨水擠出。出去少部分擠出的墨水外, 激發腔體內未激發的墨水在經過二次補墨后保留在腔體內準備二次激發。

該種噴頭的設計在長時間反復工作時從理論上而言會存在以下幾種風險：

? 殘留墨水在腔內經過反復的擠壓發生變質, 進而影響噴墨性能。對于某些高聚物墨水而言, 反復的擠壓墨水有可能造成高聚物分子鏈的斷裂, 從而改變墨水的性能并影響最終出墨。

? 殘留的墨水可能會在噴頭或進墨管出析出、堵塞, 從而影響墨水出墨表現。

? 因為該墨水出墨腔體相對封閉, 若在噴印過程中噴頭向內產生氣泡則無法排出。若發生該現象, 在噴印效果降低的同時還存在損壞噴頭的風險。

Xaar為了規避以上問題發明了Xaar 混合側邊出墨水型噴頭結構(Xaar's Hybrid Side Shooter?)⁽¹¹⁾并將墨水供墨端和墨水激發腔合并在一起。

當Xaar 公司混合行噴頭噴墨時, 供墨管道直接形變并將墨水從噴頭擠出, 多余的墨水在壓力的作用下向后移動并帶出噴頭。這樣一來避免了殘留墨水的變質問題, 其次若產生會吸氣泡, 該氣泡會在液體的流動下向后端排出, 降低了噴頭損壞的風險, 最后由于墨水一直處于流動狀態, 噴頭亦不容易被堵塞。

由于向后排出的墨水在通過去泡處理后可以再次回收利用, 該結構可以進一步提高材料的利用率。

為了進一步提高噴頭密度從而提高生產效率, Xaar's Hybrid Side Shooter 結構中相鄰兩個噴頭共用一個壓電陶瓷板。

該設計雖然提高了噴頭密度, 但是在生產時亦引入了一些不便和技術風險, 比如：

雖然噴頭密度提高, 但是相鄰噴頭無法同時激發。當一個噴頭在噴墨的時候其相鄰左右兩個噴頭因為各有一面壓電陶瓷與之共享, 所以無法同時工作。

噴墨過密且共享壓電陶瓷模塊之間容易在電壓、電場或壓力場的作用下產生串擾,影響出墨效果。

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

由于常見的噴頭依然時End Shooter 型, 則后文均會以該型號噴頭為例進行較為深度的解析。

End Shooter 型噴頭根據墨水激發腔和供墨端連接處的不同, 又可以分為終端開放型(Open end)和終端閉合型(Close end)。

兩種結構的噴頭結構如Fig 1.1.6 所示

Fig 1.1.6 Piezoelecric Shear Mode 下終端開放型(Open end)或 終端閉合型(Close end)噴頭結構⁽⁶⁾

該兩種噴頭在印刷時, 壓電陶瓷在外部電壓的作用下產生形變并在墨水擠壓腔中產生形變 dV。 形變的墨水以一定的速度對噴頭處墨水進行擠壓, 把墨水向外推出。其后墨水在空氣中斷裂形成墨滴并完成噴墨。通過估算壓電陶瓷的應變系數(Strain coefficient)可以粗略的估計出墨水的出墨量。

壓電陶瓷在電壓形變的大小取決于其應變系數 d33(Strain Coefficient)。對于常見的壓電套材而言, 其應變系數從200 - 700 pm/V(0.2 - 0.7 nm/V)不等。

假設一噴頭內壓電陶瓷長度為10 mm、寬度為250 μm 且應變系數為400 pm/V, 為了擠出25 pl 的液體, 在不考慮出墨效率的前提下, 理論上壓電陶瓷材料需要形變最少10 nm, 則施加電壓最少要到25 V。但在實際器件中, 為實現出墨, 壓電陶瓷形變量要遠大于液體出墨量。

噴頭在實際工作時, 壓電陶瓷的形變量還受到噴頭結構、壓電陶瓷所在環境和壓電陶瓷厚度的影響。根據 Herman Wijshoff2 的研究認為, 壓電陶瓷的形變最少需要為出墨墨水體積的2 倍, 則為了在上例中擠出25 pl 的液體, 壓電材料形變最少需要到 20 nm, 施加電壓最少到 50 V。

同時 Herman Wijshoff⁽²⁾ 認為壓電材料有效應變系數和支撐背板材料和厚度有關。一般來說有效型變量deff通常僅為理論 d33 的40%左右, 即應變系數為400 pm/V的材料, 其deff僅為 160 pm/V。為了實現 20 nm 的形變, 其施加電壓最少需要到125 V。

Fig 1.1.7 和支撐背板(Substrate) 厚度的關系⁽²⁾

以上結果僅僅考慮單層壓電陶瓷材料作為激發源的結果。如果采取重疊型壓電陶瓷激發結構⁽²⁾ (Fig 1.1.8), 可以有效的降低壓電陶瓷的驅動電壓。在該工作模式下, 若壓電陶瓷重疊 n 次, 則驅動電壓下降為 125/n。

Fig 1.1.8 重疊型壓電陶瓷結構⁽²⁾

壓電波形的傳導和調節

如上文所提, 為了在Piezoelecri型DOD打印機上實現連續出墨, 其噴頭內置的壓電陶瓷需要往復的變形。

該形變過程若以施加的電壓為y軸和電壓施加時間t為x軸則可得到該噴頭墨水的電壓激發波。為產生穩定的墨滴, 必須基于墨水的性能和噴頭的結構對施加在壓電陶瓷上波形進行調整。常見的出墨波形有單峰和多峰兩種 (Fig 1.2.1)。

根據工作機理的不同, 單峰型波又分為正峰型和反峰型。

當噴頭在正峰型工作狀態時, 壓電陶瓷直接對墨水擠壓腔并將墨水向外推出。而在反峰型工作狀態中, 壓電陶瓷向外變形并將供墨槽中的墨水吸入墨水擠壓腔中, 氣候再通過取

消電壓或施加反向電壓將墨水從噴頭處擠出?？紤]墨水在壓電陶瓷內以聲波形式進行傳播,

該聲波并在擠出墨水后會在噴頭腔室進行反射并震蕩衰減(Damping)。如果在Damping 的過程進行第二次激發, 則Damping 的余波會和激發波相互干擾, 進而影響墨水出墨。

Damping 的持續時間和墨水的粘度存在一定的反比關系, 則單峰波形比較適合 Damping 較大且Damping 持續時間較短的墨水 (粘度較大)。對于粘度較小的液體, 在特定條件下⁽²⁾, 在第一次激發后腔內溶液 Damping 時間甚至會持續 60 μs。所以在應對粘度較低的墨水時,

所以一般可以考慮采取多峰型波形, 通過第二峰值反向抵消Damping 余波以加速殘余聲波的衰減, 進而以便增加墨水出墨穩定性。

噴頭的出墨波形不僅僅和其噴頭的類型有關, 其出墨的過程也和噴頭內部的結構和運用場景緊密相。若2 臺打印機噴頭結構不同, 即便其采取的激發波形相似, 因為激發出墨的原理不同, 該波形對墨水的作用也不同, 則兩臺打印機之間波形之間也毫無任何參考意義。

所以如果要對噴頭的出墨波形進行調節, 必須對噴頭的結構有一定程度的了解。

Fig 1.2.1 單峰和多峰出墨波形⁸

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