劉浩紅

(北京印刷學(xué)院檢驗(yàn)檢測中心,北京 102600)

噴墨印刷是生產(chǎn)型數(shù)字印刷機(jī)的主流工藝。近年來噴墨印刷在國內(nèi)按需出版、商業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用取得了快速增長,更多印刷企業(yè)和投資者開始關(guān)注噴墨印刷領(lǐng)域。 在噴墨印刷技術(shù)的研發(fā)方面,國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)聚焦于噴頭等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。 德國Karlsruhe 工業(yè)大學(xué)、英國利茲大學(xué)、美國北卡羅納州立大學(xué)的學(xué)者[1-3]研究了噴射原理及噴頭制造關(guān)鍵技術(shù)。 我國西安交大、中科院納米所、大連理工、華南理工、西安理工等院所的學(xué)者[4-9]開展噴射微流體動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)對(duì)噴射影響、噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究。 在噴墨印刷系統(tǒng)集成創(chuàng)新方面,北大方正電子公司研制了高速寬幅噴墨印刷全數(shù)字化智能生產(chǎn)系統(tǒng)[10],深圳裕同公司從用戶角度探索了噴墨印刷系統(tǒng)個(gè)性化定制方案[11]。 以上噴墨印刷的研發(fā)主要側(cè)重于技術(shù)層面,而對(duì)噴墨印刷系統(tǒng)的解決方案的綜合性能評(píng)價(jià)較少涉及。

印刷企業(yè)面對(duì)市場上國內(nèi)外不同廠商推出的噴墨印刷系統(tǒng),在關(guān)注噴頭等關(guān)鍵零部件的性能同時(shí),也必須確定噴墨印刷系統(tǒng)的最優(yōu)解決方案,成為設(shè)備制造企業(yè)和印刷企業(yè)面臨的共性難題。 基于噴墨印刷市場的調(diào)研數(shù)據(jù)、噴墨印刷系統(tǒng)質(zhì)量檢測及鑒定工作實(shí)踐,從噴墨印刷市場應(yīng)用發(fā)展趨勢、噴墨印刷的構(gòu)成以及噴墨印刷系統(tǒng)解決方案等維度進(jìn)行了分析,為制造企業(yè)和印刷企業(yè)提供一種噴墨印刷系統(tǒng)的解決方案。

1 噴墨印刷系統(tǒng)市場需求特點(diǎn)

1.1 噴墨印刷市場發(fā)展

伴隨“互聯(lián)網(wǎng)+”、數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,數(shù)字印刷市場也將發(fā)生新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換,創(chuàng)造中國數(shù)字印刷的“紅利”。 2016-2020 年,每年高速噴墨印刷設(shè)備的當(dāng)年裝機(jī)量逐年遞增,且當(dāng)年裝機(jī)量近乎上一年度當(dāng)年裝機(jī)量的翻倍數(shù)值。 高速噴墨印刷的市場持續(xù)向好,2020 年取得突破性進(jìn)展[12-14]。 如圖1所示:

圖1 2016～2020 年中國市場高速噴墨印刷設(shè)備在不同應(yīng)用領(lǐng)域的裝機(jī)量[12]

1.2 噴墨印刷生產(chǎn)加工及必要性

傳統(tǒng)印刷工藝“起印量”的要求,一方面導(dǎo)致印量超過市場的實(shí)際需求,造成了大量庫存及浪費(fèi)問題;另一方面市場上小印數(shù)的訂單需求得不到有效滿足。 而噴墨印刷生產(chǎn)具有明顯的高效率、綜合成本優(yōu)勢及高質(zhì)量特點(diǎn),將噴墨印刷與傳統(tǒng)印刷印量成本平衡點(diǎn)由原來的200 冊提升到2000 冊甚至更多,極大縮小了噴墨印刷和傳統(tǒng)印刷的成本界限,使噴墨印刷真正有可能進(jìn)入主流出版印刷等領(lǐng)域。

噴墨印刷系統(tǒng)滿足市場多品種、個(gè)性化、小印量業(yè)務(wù)訂單,是解決圖書庫存痛點(diǎn)的有效途徑之一,同時(shí)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢、效率優(yōu)勢及成本優(yōu)勢。

2 噴墨印刷系統(tǒng)的共性特征

2.1 噴墨印刷系統(tǒng)的總體布局方案

噴墨印刷是通過計(jì)算機(jī)控制技術(shù),將待印刷的圖文信息進(jìn)行處理,驅(qū)動(dòng)控制墨水形成墨滴并噴射到承印物上,最終形成印刷圖文的過程。 一般具有印刷速度快、紙張適應(yīng)性好、印刷質(zhì)量佳等特點(diǎn)。一般分為連續(xù)噴墨和按需噴墨兩大類,按需噴墨又分壓電式噴墨和熱發(fā)泡式噴墨。 噴墨印刷系統(tǒng)一般分為“卷到卷”和“卷到書芯”兩種方案。

目前市場上的噴墨印刷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成各不相同,本文以市場上較常見的壓電式噴墨、“卷到書芯”方式的噴墨印刷系統(tǒng)作為研究對(duì)象,對(duì)其共性特征進(jìn)行定義。

2.2 噴墨印刷系統(tǒng)的層級(jí)定義及共性特征

2.2.1 噴墨印刷系統(tǒng)層級(jí)定義

噴墨印刷技術(shù)涉及機(jī)械工程(機(jī)械電子工程二級(jí)學(xué)科)、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)軟件與理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)三個(gè)二級(jí)學(xué)科)、電子科學(xué)與技術(shù)(電路與系統(tǒng)二級(jí)學(xué)科)、材料科學(xué)與工程(材料物理與化學(xué)二級(jí)學(xué)科)、力學(xué)(流體力學(xué)二級(jí)學(xué)科)等多個(gè)一級(jí)(二級(jí))學(xué)科。 噴墨印刷系統(tǒng)是由機(jī)械本體、控制、計(jì)算機(jī)硬件與軟件等部分組成的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。 一般機(jī)電系統(tǒng)是由若干部分相互聯(lián)系、相互作用,形成的具有某些功能的整體。 單元是系統(tǒng)中的一部分,由組件或零件、分組件裝配在一起,通常在各種不同的環(huán)境中能夠獨(dú)立工作的組合體。 因此,將噴墨印刷系統(tǒng)的構(gòu)成分為四個(gè)層級(jí):部分、子系統(tǒng)、單元(或模組)、裝置(或模塊)。

從構(gòu)成角度,噴墨印刷系統(tǒng)可分為開卷部分、印刷部分和連線裁切部分。 從功能實(shí)現(xiàn)和信息流角度,也可分為硬件部分和軟件部分。

2.2.2 噴墨印刷系統(tǒng)的共性特征

“卷到書芯”噴墨印刷系統(tǒng)一般由開卷部分、印刷部分、連線裁切部分組成。 印刷部分由平臺(tái)子系統(tǒng)、噴印子系統(tǒng)、主控制子系統(tǒng)、同步控制子系統(tǒng)、印刷流程子系統(tǒng)組成。 連線裁切部分由緩沖子系統(tǒng)、裁切子系統(tǒng)、堆疊子系統(tǒng)和傳送裝置組成。如圖2 所示。

圖2 噴墨印刷系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

(1)開卷部分:實(shí)現(xiàn)紙張平穩(wěn)放卷運(yùn)行,走紙速度與平臺(tái)設(shè)定走紙速度匹配。 放卷時(shí)同步對(duì)紙張進(jìn)行除塵除靜電處理,一般帶有紙張斷紙、雙張、紙尾檢測功能。

(2)印刷部分:實(shí)現(xiàn)從文件處理、數(shù)據(jù)傳輸、走紙、噴墨打印并干燥的整個(gè)打印過程,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)額定速度內(nèi)穩(wěn)定可靠打印。 印刷部分各結(jié)構(gòu)介紹如下:

1)平臺(tái)子系統(tǒng):一般由機(jī)械平臺(tái)單元、平臺(tái)電氣單元組成。 機(jī)械平臺(tái)單元是整套系統(tǒng)的根基,一般采用鑄件底盤及墻板,保證整機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛性、穩(wěn)定性。 通過平臺(tái)電氣單元的交互作用,實(shí)現(xiàn)紙張糾偏及張力控制穩(wěn)定,保證紙張傳輸長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

2)噴印子系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)噴印過程中的打印數(shù)據(jù)高速傳輸、噴頭打印控制及調(diào)整,非打印及噴印有質(zhì)量問題時(shí)的噴頭清洗維護(hù),滿足印刷生產(chǎn)時(shí)的穩(wěn)定噴印需要。

3)主控制子系統(tǒng):整個(gè)噴墨系統(tǒng)的核心控制軟件,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測平臺(tái)各部分狀態(tài),控制印刷平臺(tái)整體如噴印子系統(tǒng)、供墨單元、干燥單元和連線裁切系統(tǒng)的運(yùn)行。

4)同步控制子系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)打印數(shù)據(jù)和紙張運(yùn)行速度的匹配。

5)印刷流程子系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)文件規(guī)范化、拼版、RIP 處理,RIP 后數(shù)據(jù)傳送給噴印子系統(tǒng)打印。

(3)連線裁切部分:實(shí)現(xiàn)印刷完的紙張連線裁切、堆疊輸出。 一般有緩存子系統(tǒng)、裁切子系統(tǒng)、堆疊子系統(tǒng)及傳送裝置組成。 連線裁切部分各子系統(tǒng)特征介紹如下:

1)緩沖子系統(tǒng):用于緩存印刷后的紙張,以匹配裁切速度,實(shí)現(xiàn)紙張可靠傳輸給裁切子系統(tǒng)進(jìn)行裁切。

2)裁切子系統(tǒng):經(jīng)緩沖子系統(tǒng)傳輸來的紙張按設(shè)定裁切要求實(shí)現(xiàn)紙張實(shí)時(shí)精準(zhǔn)裁切。 一般支持加中刀裁切輸出。

3)堆疊子系統(tǒng):裁切的紙張按設(shè)定的參數(shù)要求堆疊收紙。 一般支持錯(cuò)位堆疊輸出。

4)傳送裝置:用于輸送堆疊機(jī)輸出的紙張。

噴墨印刷系統(tǒng)是由多個(gè)功能模塊組成且功能復(fù)雜的一套有機(jī)整體系統(tǒng),要求每個(gè)功能模塊在滿足設(shè)計(jì)功能要求的前提下實(shí)現(xiàn)安全、可靠運(yùn)行。

3 噴墨印刷系統(tǒng)配置解決方案

3.1 市場上部分噴墨印刷系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)

目前市場上主流的噴墨印刷系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)見表1。

表1 市場上主流的噴墨印刷系統(tǒng)關(guān)鍵性能技術(shù)參數(shù)

3.2 噴墨印刷系統(tǒng)配置解決方案確定依據(jù)

噴墨印刷系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)取決于其配置,為此,以《GB/T36062—2018,數(shù)字印刷系統(tǒng)的使用要求及檢驗(yàn)方法》[15]和《GB/T XXXX—2022 書刊噴墨數(shù)字印刷機(jī)》(報(bào)批稿)[16]為依據(jù),并參照北京印刷學(xué)院檢驗(yàn)檢測中心對(duì)所檢測噴墨數(shù)字印刷機(jī)的檢測情況,分析了配置對(duì)噴墨印刷質(zhì)量的影響。 基于對(duì)市場中各制造企業(yè)公布的噴墨印刷系統(tǒng)有關(guān)技術(shù)信息的分析,通過對(duì)噴墨印刷系統(tǒng)制造企業(yè)及印刷企業(yè)的調(diào)研以及結(jié)合對(duì)部分噴墨印刷系統(tǒng)產(chǎn)品檢測及產(chǎn)品鑒定結(jié)果的研究,提出噴墨印刷系統(tǒng)解決方案。

解決方案基本要求:噴墨印刷系統(tǒng)需滿足印刷質(zhì)量要求,能夠穩(wěn)定性生產(chǎn),同時(shí)具有高性價(jià)比。

3.3 噴墨印刷系統(tǒng)解決方案

基于噴墨印刷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、印刷企業(yè)的使用要求以及對(duì)噴墨印刷系統(tǒng)的售后服務(wù)保障情況,提出噴墨印刷系統(tǒng)解決方案主要包括噴墨硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等。

3.3.1 噴墨印刷系統(tǒng)硬件部分與子系統(tǒng)的匹配原則

從功能實(shí)現(xiàn)和信息流角度,噴墨印刷系統(tǒng)簡單劃分為硬件部分和軟件部分,其中硬件部分包括開卷、機(jī)械平臺(tái)、電氣柜、噴印、供墨、干燥、連線裁切出書等硬件平臺(tái),軟件部分包括噴墨主控制子系統(tǒng),印刷流程子系統(tǒng)等軟件。

硬件部分各模塊采用的技術(shù)、制造工藝、用材及電氣元件性能等決定硬件部分的技術(shù)性能、使用壽命及運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

(1)開卷部分技術(shù)性能要求與對(duì)應(yīng)配置方案

開卷部分產(chǎn)品技術(shù)比較成熟,采用的糾偏裝置,除靜電裝置,斷紙、雙張、紙尾傳感器等采用品牌廠商產(chǎn)品為佳,質(zhì)量及壽命上有保障。 在滿足功能技術(shù)要求外,需考慮實(shí)際生產(chǎn)時(shí)人員的操作便利性及安全性要求。

(2)平臺(tái)子系統(tǒng)精度穩(wěn)定性與對(duì)應(yīng)配置方案

平臺(tái)可簡單理解為設(shè)備的“底盤”,是設(shè)備所有子系統(tǒng)安裝的基座,保證了整機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛性、穩(wěn)定性,同時(shí)平臺(tái)要滿足設(shè)備二次移機(jī)裝機(jī)需求;要求平臺(tái)底座及墻板用材及強(qiáng)度要滿足設(shè)計(jì)性能要求,平臺(tái)底座及墻板采用較厚鑄鐵結(jié)構(gòu)尤佳。同時(shí)平臺(tái)采用品牌及高精度的電氣元件如伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、計(jì)量輥、編碼器等實(shí)現(xiàn)紙張張力控制及走紙速度穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

(3)噴印子系統(tǒng)印刷精度保持性與對(duì)應(yīng)配置方案

噴墨印刷質(zhì)量需滿足業(yè)務(wù)品質(zhì)要求,實(shí)際生產(chǎn)噴印應(yīng)穩(wěn)定可靠,打印數(shù)據(jù)跟噴印速度匹配,噴頭底板加工精度及噴頭安裝精度高,不應(yīng)有較頻繁的打印白道、蹭噴頭等質(zhì)量問題。 噴印子系統(tǒng)的可維護(hù)性好,維護(hù)操作便捷,一般自動(dòng)維護(hù)1-2 次,噴印子系統(tǒng)即可恢復(fù)至印刷狀態(tài)。 供墨單元要求噴印過程中可持續(xù)穩(wěn)定供墨。 干燥單元用于實(shí)現(xiàn)噴印后墨水快速干燥,保證紙張不掉墨,墨不粘臟,紙張無褶皺。

(4)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與印刷速度同步性

實(shí)現(xiàn)打印數(shù)據(jù)和紙張運(yùn)行速度的匹配,要求套印參數(shù)調(diào)整好后,打印的圖像套印準(zhǔn)確,套印精度在設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)。

(5)連線裁切穩(wěn)定性與噴印速度的匹配性

連線裁切部分的技術(shù)成熟性和穩(wěn)定性一定程度上決定了噴墨硬件系統(tǒng)選型成功與否。 噴印系統(tǒng)生產(chǎn)具有越噴印、生產(chǎn)越穩(wěn)定的特點(diǎn),連線裁切部分的技術(shù)成熟及穩(wěn)定性直接決定噴墨硬件系統(tǒng)整體生產(chǎn)穩(wěn)定性。 可使用薄紙測試連線裁切、堆疊及輸出性能,重點(diǎn)測試裁切速度、堆疊錯(cuò)位調(diào)整、輸紙等生產(chǎn)穩(wěn)定性。

3.3.2 噴墨印刷系統(tǒng)軟件部分與子系統(tǒng)的匹配原則

很多印企在選取噴墨印刷系統(tǒng)時(shí)存在一個(gè)明顯的“誤區(qū)”:往往重點(diǎn)在于評(píng)估噴墨硬件系統(tǒng)的價(jià)值,容易忽略軟件系統(tǒng)的重要性,其實(shí)軟件系統(tǒng)是整個(gè)噴墨印刷系統(tǒng)的“靈魂”。

(1)軟件的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、可操作性。軟件對(duì)整個(gè)噴墨印刷系統(tǒng)功能持續(xù)改進(jìn)及完善非常重要,噴墨印刷系統(tǒng)好不好用,更多地體現(xiàn)在軟件系統(tǒng)的功能是否完善及操作是否友好,充分考慮實(shí)際生產(chǎn)操作習(xí)慣、界面操作交互簡單便捷的主控制系統(tǒng)方便操作人員使用系統(tǒng)操作、調(diào)整及控制整臺(tái)噴墨印刷系統(tǒng),如噴印子系統(tǒng)、供墨單元、干燥單元、連線裁切部分的運(yùn)行。

(2)印刷流程子系統(tǒng)的兼容性。 噴墨印刷系統(tǒng)配置的印刷流程系統(tǒng)應(yīng)支持常用格式的文件處理,實(shí)現(xiàn)文件規(guī)范化、拼版、RIP 處理及色彩管理功能,保證各類文件處理及高質(zhì)量噴印輸出;其中系統(tǒng)RIP 處理速度、RIP 處理及加網(wǎng)技術(shù)、色彩管理技術(shù)對(duì)噴墨高速印刷、高質(zhì)量噴印輸出尤為關(guān)鍵。

(3)文件處理能力與印刷質(zhì)量。 可使用專門的文件測試軟件處理文件的能力及最終打印輸出質(zhì)量,重點(diǎn)評(píng)估軟件處理圖像、文字、線條、漸變、滿版底色等對(duì)象的處理精度及噴印質(zhì)量,充分評(píng)估軟件系統(tǒng)對(duì)噴墨設(shè)備的功能及價(jià)值加持。

4 結(jié)語

通過定義的噴墨印刷系統(tǒng)四層級(jí)結(jié)構(gòu)分析方法,從構(gòu)成、使用性能及信息流方面,對(duì)噴墨印刷系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析,并依據(jù)噴墨印刷國家標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)檢測情況,提出了噴墨印刷系統(tǒng)的配置方案,分析了印刷精度、印刷速度、印刷穩(wěn)定性、裁切穩(wěn)定性、兼容性、擴(kuò)展性等共性特征的匹配性,提出了各部分、子系統(tǒng)、單元、裝置的性能匹配的解決方案。表明提出的噴墨印刷系統(tǒng)層級(jí)劃分方法及配置方案具有普適性。 在此基礎(chǔ)上結(jié)合市場調(diào)研,研究分析,給出了典型噴墨印刷系統(tǒng)的解決方案,將對(duì)噴墨印刷系統(tǒng)制造企業(yè)及印刷企業(yè)提升噴墨印刷質(zhì)量提供指導(dǎo)。