数字印刷工艺综述.doc

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数字印刷工艺综述 一. 数字印刷的概念 数字印刷也称为数码印刷，是根据其工艺流程特点命名的。在整个印刷过程 中，用数字描述页面内容，以数据文件的形式进行传递，以数字成像方式形成印 刷品。国外也称之为 NIP(Non－Impact Printing)，可翻译为“非冲击式印刷”，以 NIP 命名是根据印刷过程的物理和化学特性。 数字印刷是一种计算机直接印刷技术(Computer to Print)。它不需要印刷底版 （Master），底版也就是传统的印版，具有永久性记录信息的能力。数字印刷采 用可成像表面（Imageable Surface）作为图文载体，这类介质表面不具备永久性 保存信息的能力，如光导鼓等，每印完一个印张就需要重新成像一次，而原来的 成像内容能立即擦除。因此，数字印刷的原稿可以是可变数字信息。 许多人把 DI（计算机直接成像）印刷也归为数字印刷，这是不恰当的。虽然 在整个工艺流程中 DI 也采用数字文件形式，但依然需要使用印版，不具备可变 信息印刷功能。它只是“在机直接制版印刷”(Computer to Press)而已。 二. 数字印刷的工艺流程 在传统的印刷工艺中，一般数字化程度只能到输出胶片。而数字印刷从原稿 到印品完成，整个过程都实现了数字化。印刷活件用数字方式定义，处理过程是 数字形式的，印刷参数直接从数字活件上获取，总之，数字印刷是一个数字化工 作流程。 数字印刷工艺中，每完成一个物理印刷页面后需要再次成像，即使页面内容 完全相同也必须如此。图 1 表示数字印刷工艺流程。与传统印刷工艺流程相比， 数字印刷流程中没有了制版，对可成像表面的成像过程已经是印刷的一部分。 三. 数字印刷成像原理 图 1 数字印刷工艺流程 活件 文件 印刷页面 数据文件 表面 成像 印刷 一份 丢弃成 像结果 完成整 个活件 下一印张 数字印刷主要采用数字成像技术，成像技术的种类很多，根据其成像的物理 或化学原理可分为以下几种：静电照相成像、喷墨成像、磁记录成像、电凝聚成 像、离子成像和热敏成像等。其中静电照相成像和喷墨成像技术应用最多，技术 最为成熟，被广泛的用于数字印刷系统中。 静电照相(Electrophotography) 静电照相成像是应用最广泛的数字印刷成像技术，它利用光电导体表面受光 照射能改变静电分布的原理，从而形成图文潜影（电荷图像）。带有电荷的图文 部分随后吸引带异性电荷的油墨（或呈色剂），再把它转移到纸或其他承印物上， 最后进行固化，形成最终的图文。其原理和步骤如图 2 所示。 静电照相印刷的过程可以分为以下五步：成像、输墨、转移、固化、清除。 一个循环完成一张印张的印刷。 图 2 静电照相印刷的基本原理和步骤 3 油墨(或呈色剂)转移 潜影 光电导体 充电电极 电刷纸 激光或光电二极 管 1 成像 2 输墨(显影) 5 清除 4 固化(热/压) 电极 1. 成像 成像装置中，最重要的元件是图文载体光电导鼓，它采用铝基，外面涂布一 层柔性的光导电层（硒或硅的化合物）。成像时，先对光电导鼓的表面充电，形 成一层均匀的电荷，接着光电导鼓表面在光的作用下成像，成像光源可以是扫描 的激光，也可以是发光二极管阵列（模拟原稿，空白部分发光），光电导鼓表面 曝光区域电荷释放，形成非图文区，未曝光部分电荷保留，这样，就在光电导鼓 上形成“电荷图像”，也就是“潜影”。 2. 输墨 静电照相印刷使用的油墨与传统油墨不同，它可以是固体粉末，也可以是液 体呈色剂，但它必须带有与潜像相反的电荷特性，这样在电场力的作用下，光电 导鼓表面的潜像区域吸附油墨（或呈色剂），形成可见图像。这也就是所谓的“显 影”。 3. 转移 光电导鼓表面的油墨（或呈色剂）可以直接转移到承印物上，也可以通过中 间载体转移，但大多数采用直接转移方式。转移时主要依靠电极对带电油墨（或 呈色剂）的电场力作用，当然也有压力作用的帮助。 4. 固化 转移到承印物上的油墨（或呈色剂）还需要进一步固化，使其牢牢粘附在承 印物上。固化主要通过加热和压力作用完成。 5. 清除 如图 2 所示，光电导鼓表面的油墨（或呈色剂）没有完全都转移到承印物上， 还有一部分残留在导鼓表面。为了进行下一印张的印刷，需要对光电导鼓表面的 油墨（或呈色剂）进行机械清除。同时，还要进行电子清除和处理，使光电导鼓 表面回到中性状态。 静电照相印刷速度主要由光导体的充电速度和光电成像速度决定。静电成像 的质量是由油墨（或呈色剂）颗粒大小决定的。印刷中多数使用固态墨粉，分辨 力可以达到 600－800dpi。采用湿式色粉显影则可达上千 dpi，印品色调级数可以 有多级。 喷墨成像(Ink Jet) 喷墨印刷原理简单，它在承印物有图文的地方直接喷上油墨。喷墨方式有连 续喷墨和按需喷墨两种。其分类如图 3 所示 喷墨成像技术 连续喷墨 按需喷墨 偏移距 离恒定 多个偏 移距离 热敏 方式 压电 方式 静电 方式 液体油墨 热融油墨 纸/其它承印材料 一是连续喷墨，喷墨系统利用压力使墨通过喷墨孔形成连续墨滴流。墨流由 于高速而变成细小的墨滴，其尺寸和频率取决于液体油墨的表面张力、所加压力 和喷墨孔的直径。墨滴的落点由偏转电极控制，偏离距离的级数由电极电压级数 决定。因此有定值偏移和多级偏移两种，当控制电极上所加的电压幅值不变时， 墨滴偏移距离恒定；当电压幅值有多级时，墨滴的偏移距离也有多级。连续喷墨 的原理如图 4 所示。 图 3 喷墨成像技术的种类 图 4 连续喷墨的基本原理 承印物 成像信号 加热电阻 油墨 气泡 喷嘴 图 5 热敏喷墨的基本原理 成像信号压电晶体 控制电极 偏转器 油墨 喷嘴 泵 挡墨板 承印物 二是按需喷墨，当需要墨滴时才有压力作用于墨盒。按需喷墨有热敏、压电、 静电三种方式。在喷墨数字印刷机上，许多细小的喷墨孔集成为阵列，进行印刷 作业。 热敏喷墨方式如图 5 所示，当成像信号作用在加热元件上时，加热元件温度 迅速上升，油墨蒸发，产生气泡，挤压油墨，在压力下喷出墨滴。当温度下降时， 气泡消失，墨盒在毛细管作用下吸入新油墨。 压电喷墨方式如图 6 所示，主要利用压电效应，压电晶体（压电陶瓷）受到 微小电子脉冲作用，会立即膨胀，使与之相连的墨盒受压，产生墨滴。 静电喷墨方式如图 7 所示，其基本原理是在喷嘴与承印物之间形成一个电场， 成像脉冲信号通过开关元件控制喷嘴，当有成像信号时，墨滴释放，在电场力的 作用下转移到承印物上。该技术主要利用“泰勒”效应。 一般来说，喷墨印刷具有 300－1500dpi 的分辨能力，阶调数为多值(但有 限)，而且成像速度非常快。大多数喷墨成像都采用水基油墨，呈色剂以染料为 主，最终影像的形成取决于油墨与承印物的相互作用。 电凝聚成像(Electrography) 电凝聚成像不同于静电照相成像，它基于通过自由的铁离子使聚合物凝结 (一种由液态变成凝胶状的状态转变过程)。当有图像信号时，发生电化学反应， 铁离子析出，油墨重新凝结，固定在成像滚筒表面形成图像区域，而没有发生电 化学反应(即非图文区域)的油墨依然是液体状态。然后，通过刮板的机械作用可 以将非图文区域的液体油墨去掉，使滚筒表面只剩下图文区域的油墨。最后，通 成像信号 承印物 喷嘴 油墨 压电陶瓷 。 E 。 电场 成像信号 开关元件 油墨 承印物 图 6 压电喷墨的基本原理 图 7 静电喷墨的基本原理 过压力的作用将油墨转移到承印物上。 磁成像印刷(Magnetography) 这种成像技术与磁带的记录技术采用相同的记录原理，即依靠磁性材料的磁 子在外磁场的作用下定向排列，形成磁性潜影，然后再利用磁性色粉与磁性潜影 之间的磁场力的相互作用，完成输墨(即显影)，最后将磁性色粉转移到承印物上 即可完成印刷。 离子成像印刷 (Ionography) 该技术有时也称为电子束印刷技术，它通过使电荷的定向流动建立潜像，该 过程类似于静电照相印刷。不同之处在于，静电照相印刷是先对光敏鼓充电，然 后对其进行曝光生成潜影；而电子束成像印刷的静电图文是由输出的离子束或电 子束信号直接形成的。离子或电子束成像印刷的静电图文鼓采用更坚固、更耐用 的绝缘材料制成，以便接收电子束的电荷。 热成像印刷(Thermography) 热成像印刷工艺利用热效应，并采用特殊类型的油墨载体(例如色带或色膜) 转移图文信息，热成像技术可划分为热升华(染料热升华)和热转移(热蜡转移)两 种，某些数字打样设备就采用了热成像技术。 照相印刷 (Photography) 该技术依赖于特殊类型的光敏纸张，这种纸张可借助于光信号以数字方式控 制曝光，类似于彩色照片的形成。 其它成像技术 除了上面列举的数字印刷成像技术外，还有许多正在研发的新的数字印刷成 像技术，这些可称为 X 成像(X—Graphy)。这里，X—Graphy 并不是指利用 X 光 来实现成像，而是用来代替目前尚未实现商业化的成像技术。其成像原理可以参 考相关技术资料。 四. 数字印刷系统的功能部件 数字印刷系统采用不同的成像技术时，其功能部件有些不同，甚至有很大的 差别。但有些功能部件对大多数数字印刷系统来说还是需要的，如栅格图像处理 器、成像装置、定像装置等。数字印刷系统的组成如图 8 所示。 扫描输入/ 数据读入 RIP 栅格 图像处理 系统控制台 数字印刷 成像、定像 彩色 印品 监视器 位图 监视器 扫描输入部件 数字印刷生产的全过程都是数字化的，扫描输入部件可完 成模拟原稿的数字化工作。扫描输入部件一般是扫描仪，可内置在数字印刷机上， 原稿数字化后产生的数据文件直接用于印刷。 栅格图像处理器 栅格图像处理器是数字印刷系统必不可少的功能部件， 它将用各种语言描述的页面内容转换为位图描述。 成像部件 除喷墨印刷直接形成可视图像外，其它数字印刷工艺需要通过 图文载体（可成像表面）成像，建立视觉上不可见的潜影(Latent Image)。图文载 体是成像部件中的关键元件。例如在静电照相数字印刷系统使用的光电导鼓。图 文载体存储的图文信息是临时性的，只能成像一次使用一次，即使对页面内容相 同也如此。 输墨装置 除喷墨印刷外，数字印刷工艺需要对可成像表面输墨的部件， 称它为输墨装置是为了与传统印刷工艺使用的术语一致。对潜影输墨的操作通常 称为显影，是把油墨（或呈色剂）转移到可成像表面的潜像上，形成视觉上可见 的图像。 定像装置 油墨（或呈色剂）输送到图文载体表面只是图文转移的中间步 骤，还需要进一步转移到承印物表面，定像装置是实现这一操作的部件。 后处理装置 为了建立连续的数字印刷过程，还可能需要对转移到承印物 上的油墨（或呈色剂）作固化和干燥处理，以及对图文载体（和其它中间载体） 表面作清除和再次成像准备等。实现这些功能的部件可称为后处理装置。 五. 数字印刷系统结构 1. 直接转移与间接转移 数字印刷系统中，对成像结果的转移有两种方式：一是直接转移到承印物上； 二是通过某一中间载体转移，如带有橡皮特性的柔软滚筒。采用中间载体时，必 须在转移图像信息后，对滚筒表面作清除和调节处理，准备下一个图像转移。 2. 单路系统与多路系统 对于彩色数字印刷机，有两种系统结构：单路结构和多路结构。单路结构将 每一色版建成一个独立的印刷装置，能将所有的颜色一次性转印到承印物上，相 图 8 数字印刷系统组成 当于传统胶印机的多个印刷机座。多路系统只有一个印刷装置，与多个输墨装置 配合使用，实现各分色版印刷。采用多路系统结构的印刷机只需要一个成像装置。 单路系统对每个颜色构建一个成像装置和印刷装置。成像速度与印刷速度相 当，因此其印刷速度快，但单路数字印刷机的成本高；而在多路系统中，印张、 中间载体或可成像表面必须多次与相同印刷装置接触来接收油墨，因此所需要的 时间长，印刷速度慢，生产能力很低。 3. 颜色合成方式 彩色数字印刷系统中，颜色合成方式不同，系统构造不同。对于单路系统和 多路系统，颜色合成方式都有三种：一是直接在承印物上合成彩色，即把每个色 版上的油墨（或呈色剂）分别转移到承印物上；二是在中间载体上合成颜色，这 种方式采用间接转移，每个色版上的油墨（或呈色剂）都转移到转印滚筒上，集 中后一起传递到承印物上；三是在可成像表面合成颜色，即在可成像表面集中所 有的色版的油墨（或呈色剂）后，再转移到承印物。 六. 数字印刷工艺特点 1 印刷适性 数字印刷适性很差，每种成像技术除了要求有专用印刷机外，还要求采用与 成像技术和转移特性相匹配的成像材料。如以电荷效应成像时，油墨（或呈色剂） 必须具有合适的极性才能成功地从输墨装置转移到可成像表面的图文区，喷墨印 刷使用低黏度的墨水（或热溶油墨），热成像技术则采用油墨色膜转移图文信息。 因此数字印刷工艺对设备和材料的要求很高。通用性差，这也导致印刷成本的升 高。 2 印刷速度与质量 数字印刷工艺中，印刷页面数据直接成像转到印张上，省去了制版的过程， 缩短了生产准备时间，简化了工作流程，因此其印刷周期短。但与传统印刷相比， 数字印刷速度慢，因为不论页面的内容是否变化，每完成一印张都要成像一次。 而且对于可变数据印刷，必须将每一个页面上的所有元素（或部分元素）的代码 发送到 RIP 进行栅格化，然后才能进行成像印刷，所需的时间更长。因此，数字 印刷适合于短版印刷。 数字印刷的解像力有限，层次阶调少，印刷中可变因素多，印刷质量相对要 低得多。而且，每一个印刷页面均须重新成像，印品质量的一致性很难保证。 表 1 是传统胶印和电子照相印刷/喷墨印刷（主流数字印刷工艺）之间的比较。 印刷工艺 比较 传统胶印 电子照相印刷/喷墨 印刷 准备时间 长，与制版工艺有关 短，数字活件可直接 上机印刷 印刷速度 快 低/中等 印刷周期 长 短 页面图像内容 固定 可变 印刷质量 高 低/中等 作业对象 长版，1000 份以上 短版，1000 份以下 印刷成本 印数越多，单张成本 越低 单张成本与印数无 关 3 数字印刷工艺的优势 数字印刷生产灵活，输出速度快，印刷周期短，可以随意改版，印刷装置小， 操作控制方便，容易实现自动化操作，以一种连续有效的方式进行工作。另一方 面，数字印刷可以实现可变数据印刷，能够直接从印前系统的数据库中读取可变 数据，在连续页面上产生版式、内容、尺寸等不同的印张，实现个性化印刷或按 需印刷。总之，数字印刷具有广泛的市场前景，是短版印刷的主要印刷方式。 表 1 传统胶印与数字印刷工艺的性能比较