激光照排與固體臨界表面張力的關(guān)系

激光照排與固體臨界表面張力的關(guān)系

1數(shù)碼噴墨直接制網(wǎng)自20世紀90年代初以來，以激光照為主要技術(shù)特征的網(wǎng)絡技術(shù)開始在中國開發(fā)。圖1顯示了流程。但近幾年來制網(wǎng)技術(shù)已不再局限于以激光照排制為主的間接制網(wǎng)方式,隨著噴墨技術(shù)的研究和應用領(lǐng)域不斷擴大,各種噴墨打印頭的新品不斷推出,使得利用噴墨技術(shù)直接制網(wǎng)成為可能。噴墨制網(wǎng)方式是通過電腦分色(CAD)系統(tǒng)產(chǎn)生各套色圖像文件,再由噴墨制網(wǎng)系統(tǒng)直接將套色圖像信息轉(zhuǎn)換成墨滴,噴射在涂好感光膠的平網(wǎng)網(wǎng)框或圓網(wǎng)鎳網(wǎng)上,經(jīng)感光沖網(wǎng)即成。其工藝流程如圖2所示。數(shù)碼直接噴墨制網(wǎng)設備的應用不僅大大縮短了從樣稿提供到網(wǎng)版制成的周期,同時墨水的成本也遠低于激光照排的膠片成本。重要的是,對于環(huán)保方面更有它的優(yōu)勢。數(shù)碼噴墨直接制網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)在于噴墨打印系統(tǒng),其主要工作框圖如圖3所示。了解墨水、供墨過程、噴頭及高壓波形控制電路,是掌握和駕御該設備的關(guān)鍵。為此,本文針對國內(nèi)引進的瑞士ScreenMaster數(shù)碼噴墨制網(wǎng)機的這些部件作一分析。2表面張力、粘度墨水是否適合噴頭噴射,主要由其表面張力、粘度、粒度所決定。由于粒度較易控制,而表面張力、粘度則因受多種添加劑的影響,不易直接控制到位,如這兩個參數(shù)不在設定范圍內(nèi),則墨水很難適應噴頭,故對這兩個參數(shù)有必要進行一些分析。2.1表面張力表面張力是墨水重要的內(nèi)在性質(zhì)之一,它對于噴頭的潤濕、介質(zhì)的潤濕、流平有著密切相關(guān)的聯(lián)系。2.1.1動態(tài)表面張力表面張力分為靜、動二態(tài),當表面積沒有變動時,所測張力為靜態(tài)表面張力,即常稱的“表面張力”。當表面積變動時,所測張力為動態(tài)表面張力。對于墨水能否充滿噴頭這一過程主要考慮墨水與噴頭的潤濕性匹配是否良好。而對于墨水噴射到介質(zhì)(感光膠)后墨滴面積迅速擴大,這時則以動態(tài)表面張力考慮為主。2.1.2固體臨界表面張力s不僅液體有表面張力,固體也有,但無法測之,而Zisman提出了“固體臨界表面張力”的概念,以衡量這不能直接測量的固體表面張力。墨水與噴頭相接觸,噴頭自身與空氣相的表面張力設為γS,噴頭與墨水相的表面張力設為γSL,墨水與空氣相的表面張力設為γL。在平衡態(tài)下,這些力的關(guān)系為:γS=γSL+γL·cosθ(1)當接觸角為零時,則液體的表面張力γL接近固體表面張力γS。這時的液體表面張力就是Zisman提出的固體臨界表面張力γS,即:γC=γS-γSL通常用固體臨界表面張力來衡量固體表面張力。由于固體表面性質(zhì)還隨所處環(huán)境而異,故用“潤滑張力”來稱呼。2.1.3潤濕張力的測定在充墨過程中,其中一條參數(shù)要考慮到墨水與噴頭潤濕相匹配,即墨水與噴頭內(nèi)固體物質(zhì)有著良好的潤濕(即展布)。設固體表面能為E1,經(jīng)液體潤濕后為E2,則二者接觸后的表面能差為ΔE,ΔE稱為展布系數(shù)(S)。則:E1=γSE2=γS+γSLS=ΔE=E1-E2=γS-(γSL+γL)=(γS-γSL)-γL(2)式中(γS-γSL)為潤濕張力。S=0時,γS-γSL=γL,即液體表面張力等于固體表面的潤濕張力。這時噴嘴內(nèi)固體物的表面能在與墨水接觸后沒有改變。所以墨水在其表面不會自由展布(即流動),只有借助重力,使墨水在噴嘴內(nèi)流動。S<0時,則γL>(γS-γSL)。即墨水表面活力大于固體表面潤濕張力。此時,墨水與噴嘴接觸后的表面將增加體系的表面能。為了順應趨向最小的規(guī)律,這時墨水會回縮,阻止墨水在噴嘴內(nèi)的流動。S>0時,則γL<(γS-γSL),即墨水表面張力小于固體表面張力。這時墨水即使受外力(如充墨過程的吸墨),也能自由流動。2.2墨水流量的影響墨水屬于牛頓流體,墨水的宏觀特性——粘性規(guī)律符合牛頓粘性公式:其中τ是切應力(Pa),dudydudy是剪切變形速度(s-1),μ是動力學粘性系數(shù)(Pa·s)。從式(3)中可知墨水在墨道中流動時,其相鄰兩層液體作相對滑動即剪切變形時,在相反方向產(chǎn)生一切向應力,以阻止變形的發(fā)生。其阻力以動力粘性系數(shù)μ來表現(xiàn)。實際工作中噴頭要求最大供墨量達0.3ml/min。墨水的流量L應滿足下式:L=∫0Rω?2πr?dr=ΔPπ8μlR4(4)L=∫0Rω?2πr?dr=ΔΡπ8μlR4(4)式中:ΔP為壓差(Pa),R為圓管半徑(m),l為管長(m),μ為粘性系數(shù)(Pa·s)從式(4)可知,供墨在供墨管內(nèi)作層流運動時,其流量與壓差及供墨管徑4次方成正比,而與供墨管長及墨水的粘性系數(shù)成反比。不同的墨水具有不同的粘性系數(shù),不同的噴頭需要不同的粘性系數(shù)與之相適配。2.3螺釘驅(qū)動電路表面張力與溫度有關(guān),它隨溫度上升而下降。粘性系統(tǒng)μ顯著地依賴于溫度,隨著溫度的升高,粘性系數(shù)近似地按指數(shù)規(guī)律下降。因此實際工作中噴頭工作電壓要隨溫度變化而作補償,使得在不同溫度條件下每個噴嘴都能獲得相同的出墨量,參見后述噴頭驅(qū)動電路。表1所列是一種專用的噴墨制網(wǎng)墨水兩個基本參數(shù)與溫度的關(guān)系。表中所示溫度對表面張力影響較小,而對粘性系數(shù)μ影響較大。2.4紫外光對織物的固化由墨水在網(wǎng)版上所構(gòu)成的圖案,其主要功能是在感光時能阻擋紫外光對這部分圖案下的感光膠發(fā)生固化作用。常用的制網(wǎng)感光膠其固化波長在312～354nm,所以制網(wǎng)的墨水對這一波段的紫外光要有效地阻擋。3給墨水系統(tǒng)3.1緩沖帶研墨權(quán)圖4中展示了供墨系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu):在儲墨盒中裝有一定量的墨水,通過調(diào)節(jié)墨道內(nèi)的壓力大小,可控制供墨量。墨水從儲墨盒出來后,通過管道流到過濾緩沖盒。因緩沖盒中裝有海綿,可過濾墨水中雜質(zhì),同時還可調(diào)節(jié)供墨量的多少。緩沖盒與噴頭直接相連,噴頭工作時,在噴頭內(nèi)腔會產(chǎn)生一個微小的負壓差,這一壓差將把墨水從過濾緩沖墨盒中的海綿體中奪取供給噴頭。這時,在儲墨盒與過濾、緩沖墨盒間的墨道中壓力會變得更負,該負壓差達到一定值,將把儲墨盒中墨水吸入緩沖盒。周而復始,使得噴頭能正常工作。3.2墨道壓力pan通常儲墨盒中應加入4/5總?cè)莘e的墨水,用抽氣管道插入快裝式單向氣閥孔(圖4中1)可調(diào)節(jié)墨道中的壓力Pin。當壓力降低時墨水會沿著墨道外側(cè)壁爬高至上端口,這時儲墨盒中的墨水在與大氣相通面所承受的壓力均為正常的大氣壓Po,而在墨道中氣壓已變Pin。從理論上來說二者的差值即為液位差(圖4中h1)所反映的壓力差Ph1:式中:Po為液面壓力(大氣壓力)(Pa);Pin為墨道壓力(絕對壓力)(Pa);ρ為墨水密度(kg/m3);g為重力加速度(m/s2)。在正常工作中,隨著噴墨工作不斷進行,儲墨盒中的墨水液面也在不斷地下降。這樣它與墨道管口上端的位差(圖4中h1)也在不斷加大,從式(5)中可見,要使系統(tǒng)還能正常供墨,則要使墨道壓力(Pin)不斷變得更負才行。因墨水比重比水略重一點,約為1.06左右,通?？山频卣J為二者密度基本相近。所以在工作過程中,墨道中壓力Pin總是低于一個大氣壓。而這一負壓是由噴墨頭不斷工作才產(chǎn)生的,它有一定的極限值。故為保證穩(wěn)定供墨,要盡可能使貯墨盒中的液位保持在一定范圍內(nèi),實際工作中應使它的貯墨液位差不大于1cm。要注意的是:通常墨道中存在著一定量空氣,這部分空氣將使墨道壓力Pin隨外界環(huán)境變化而改變,變化規(guī)律為:式中:V為墨道中氣體容量(m3);Ro為氣體常數(shù)(J/K);T為工作溫度(K)由式(6)可知,因晝夜溫差變化會使墨道中氣壓Pin發(fā)生變化而影響供墨。若氣溫升高,則壓力Pin、容積V也上升,反之則下降。這一干擾會影響到正常供墨的液位位差值。供墨管道內(nèi)的壓力正常時必須低于一個大氣壓,若管道接頭處密封有問題,則會升高墨道內(nèi)壓力而導致供墨不良現(xiàn)象發(fā)生。一旦漏氣量大于噴頭所產(chǎn)生的負壓量,則供墨將發(fā)生嚴重障礙。3.3貯墨水緩沖盒的調(diào)峰作用過濾緩沖盒由EpsonStyluscolor800型打印機的彩盒(S020089)為基盒改裝而得。為了與墨道相連,在它的上面裝了一個上接頭部件,盒中的海綿體可吸取約30ml的墨水。海綿體同時還要起到濾墨水中大塊雜質(zhì)的作用。在每次打開電源工作始,噴頭吸取海綿中的墨水來補充其所噴射掉的墨水。因這時供墨管中負壓還不足以把貯墨盒中墨水吸入緩沖盒,當工作一定時間,有足夠負壓時,則墨水才會被吸入到緩沖盒中。所以在這一期間,緩沖盒起到補充供墨不及時的作用。但有時因多種原因?qū)е鹿┠苤胸搲鹤兊幂^負時,會有過量墨水加入到過濾緩沖盒中,這時緩沖盒能吸取這些過量墨水,故緩沖盒還起到了類似水庫的調(diào)峰作用。當然,海綿體中的墨水過少,將會發(fā)生噴頭吸取墨水不足,導致噴墨斷線。反之,當海綿體中墨水過量(大于40ml),則無法吸吮因過負壓而吸入的墨水,這些過量的墨水會直接從噴頭中流出。嚴重時會發(fā)生虹吸現(xiàn)象。即不工作時,貯墨盒中的墨水會不斷地自己流入緩沖盒中,并從噴頭流出到廢液瓶。發(fā)生虹吸現(xiàn)象的原因是:平時緩沖盒中墨水已飽和,且墨水高度(圖4中h2),與噴頭位差在5cm以上。由于Piezo噴頭的墨水特性是表面張力小,粘度大(均相對于電熱型噴頭的墨水),在這一位差壓力作用下,墨水會沖破噴頭孔表面與墨水的靜態(tài)表面張力,而流向外面。一旦墨水流動時,它的動態(tài)表面張力將遠小于靜態(tài)表面張力,則更加容易流動,從而導致墨水不斷流出噴孔。所以控制好緩沖盒中的墨水量是一件重要工作。4壓電式螺釘噴孔噴噴法噴頭技術(shù)是噴墨制網(wǎng)的關(guān)鍵。噴墨打印技術(shù)大致分為兩大類:液態(tài)噴墨和固態(tài)噴墨。液態(tài)噴墨打印方式主要分為電熱式和微壓電式。固態(tài)噴墨技術(shù)在制網(wǎng)業(yè)的應用有其優(yōu)點,但其設備成本與維護費用較高,可靠性相對較低。而液態(tài)噴墨技術(shù)則能更好地避免上述問題。瑞士ScreenMaster數(shù)碼噴墨制網(wǎng)機就是把液態(tài)噴墨技術(shù)應用于制網(wǎng)業(yè)上,它采用微壓電式噴頭。壓電噴頭的工作過程為:將供墨系統(tǒng)送來的墨水經(jīng)濾網(wǎng)到儲墨區(qū),再由壓電元件將振動墨道內(nèi)的墨水通過墨道送至噴墨孔噴射出去,圖5為噴墨打印頭的基本結(jié)構(gòu)。壓電式噴頭的壓力波是位于振動板上片狀壓電片的撓性運動產(chǎn)生,其工作原理可視為金屬隅片相同,在電壓脈沖的作用下振動板應保證振動方向呈弓形的變化量達1μm。從電壓脈沖引起的換能器效應來看,壓電片有點與電容器相類似(實測每極片約500PF)。施加不同電壓脈沖可使壓電片下的振動墨道截面收縮或擴張,壓電片對電壓的反應是很快的,但對壓電片施加電壓后,不可能立即使墨水噴出或吸回,總會產(chǎn)生一定滯后。在振動墨道內(nèi)產(chǎn)生的過壓力或負壓的效應,可視作聲波在液體中發(fā)生傳播現(xiàn)象。這種波在振動墨道中的傳播遵守聲學定律。這樣對壓電片施加單一極性的電壓脈沖將會產(chǎn)生兩個極性的壓力。為了產(chǎn)生有效的墨滴,作用的電壓脈沖、噴嘴材料、幾何尺寸,以及墨水性能必須嚴格匹配。壓電式噴頭工作壽命遠大于電熱式噴頭,一般每個噴頭(以EPSON的Piezo64×3孔為例)至少可工作2000h。壓電晶體因不同方向、不同厚薄及其它物理特性不同,使得每一壓電晶體具有不同的靈敏度,所以每個噴頭要產(chǎn)生標準墨滴其高壓驅(qū)動電壓和脈沖寬度是不同的,一般高壓值為20～30V之間。每個噴頭的標準墨滴、頻率、微量墨滴的ID值均記錄在噴頭上,使用時應將這些數(shù)值置入到控制電路的EEPROM中。5工作過程框圖噴頭中各孔是否參與噴射、每個墨滴的量值大小、工作穩(wěn)定性等均由噴頭驅(qū)動電路來控制的。圖6是制網(wǎng)機的打印頭驅(qū)動電路的原理圖。它的工作過程框圖見圖7。打印頭驅(qū)動電路主要由公共驅(qū)動電路IC3(HBD2813C)和打印頭上的噴嘴選擇電路IC4、IC5(IR2C72C、IR2C73C)組成。公共驅(qū)動電路根據(jù)IC2門陣列發(fā)出的控制信號產(chǎn)生梯形高壓脈沖,并傳送到打印頭的噴嘴選擇電路。與此同時,所打印的數(shù)據(jù)在門陣列中已把它轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)也傳送給噴嘴選擇電路,去激勵那些需要噴射墨水的壓電極板。5.1普通點、微點模式公共驅(qū)動電路是利用6個不同信號CHG、ND1、ND2、MD1、MD2和CKC的輸入組合來產(chǎn)生梯形高壓波。梯形波可有7種不同組合,分別用于產(chǎn)生普通墨點、微點、微波點模式打印。在噴墨制網(wǎng)中,主要使用普通點模式,當單個普通點激勵時,每個墨滴大約為25Pl的墨量,若感受到墨量不足時,可采用雙普通點模式。每個梯形波的變化依賴于所組合信號的寬度,上升波形由CHG和CKC決定,與打印模式無關(guān)。下降沿由2組不同信號決定,在普通點模式下,由ND1、ND2決定;在微點模式下由MD1、MD2決定。如前所述,晶體各個方向上的靈敏度不一致性,使得每個壓電噴頭只有一組唯一的高壓調(diào)整值,它被存放在主控板上的EEPROM中。工作時,被讀入門陣列,并轉(zhuǎn)換成8位串行數(shù)據(jù),通過SDATA口去設置公共驅(qū)動電路。一旦這些值被確定,驅(qū)動高壓梯形波也被調(diào)整到位,噴射的墨量也被確定。5.2噴嘴選擇電路打印數(shù)據(jù)從門陣列IC2(E05B3SCB)的D0～D15口輸入,并由它轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù),再由DATA1～DATA3端口輸出到噴嘴選擇電路。數(shù)據(jù)從IC2門陣列送到噴嘴選擇電路IC4、IC5是以64bit/2.5MHz方式,并與CLK(時鐘)和LAT(鎖存)同步,見圖8中時序波形。在一個周期中,每路64個串行數(shù)據(jù)決定了該路中那個噴嘴被選中(高電平有效),在高壓梯形波作用下選中噴嘴會噴射墨滴。這一周期大約要花費70μs(單個通道點打印模式)。5.3溫度條件的確定當溫度下降時,墨水的粘度會明顯加大,若在同一打印模式下,高壓梯形波不太會有大的變化