陶瓷数字喷墨印花的现状及未来发展方向

吉莉安·尤尔斯（英国赛尔公司产品经理）

邓永华（英国赛尔公司业务拓展经理）

数字喷墨印刷在相当短的时间内，就彻底改变了整个陶瓷瓷砖装饰业。这是这一行业令人惊奇的成就。许多年来它一直应用传统的网印技术，极少使用计算机来生产图案简单普通的瓷砖。数字喷墨技术多年来已经在许多其他行业成功地获得应用，包括广告喷绘、包装和纺织品印刷。但在同一时期，包装和纺织品印刷中喷墨所占份额只达到了2%左右，而瓷砖喷墨印花却已达到了40%多。我们先来看看陶瓷和其他行业在应用喷墨技术上为何会有如此差别，然后再来考察陶瓷业未来面临怎样的挑战。

历史与现状

尽管其潜力早已被认同，但数字喷墨印花技术也不是一下子就被采用的。首台陶瓷喷墨印花机约于2000年面世。这些早期的机器可靠性很差，喷嘴会堵塞或工作不正常，并在瓷砖上造成多余的黑白线条，需要频繁地维护保养，清洁堵塞的喷嘴，因而它们不适应满负荷生产，喷印头也必须以高昂的价格反复更换。此外，图案看上去也呈颗粒状，不能令人满意。

直到2007年赛尔推出了Xaar 1001喷印头，陶瓷喷墨印花市场才真正开始腾飞。Xaar 1001喷印头带有独特的赛尔“真正内循环持续喷墨专利技术（TF TechnologyTM）”，印墨喷射时能以高速流经喷嘴后端，确保了喷嘴处所有颗粒和气泡的去除，以及更可靠的印墨喷射，从而使印花机能持续正常运转更长时间。现在瓷砖生产厂家已经能够获取数字喷印所带来的显著效益，在新印花机上的投资可在6个月左右就收回。

一个立见成效的优势就是损耗减少。数字喷墨印刷是一种非接触式装饰技术（而滚筒或平版式丝网印刷是在易损的瓷砖上进行压印），不会造成瓷砖的破损。另一个优势是最小印量可以只是1件产品，设置或更改新图案都不会有任何材料或时间上的损耗，因此成本为零。而传统方式需要每次为新的图案设计去更改、制作新的丝印网版或套筒，另外还有在时间上、以及在色彩一致性控制方面的投入等等。事实上，目前计算机在色彩控制上的应用，也意味着重复复制图案变得更加便利，并可以减少库存。所有这些改变都降低了成本，以及库存积压方面占用的资金，而这正是陶瓷业大规模地向数字化生产方式转变的主要经济动因。

数字喷墨印花还有一大优势，就是提高了瓷砖设计及生产的创造性。在传统生产方式中，生产最吸引人的、最高质量的瓷砖，需要极高水平的专门技能。意大利人和西班牙人一直被认为是高品质瓷砖的设计专家，但生产这种瓷砖则耗资巨大。Xaar 1001喷印头为这一行业带来了灰度喷印技术（早期的机器只能提供大墨滴二态喷印），能以6 pL大小的墨滴、360 npi（每英寸喷嘴数量）的高原始分辨率，以及8级灰度，达到1000 dpi以上的可视分辨率，在人眼中呈现出逼真的效果。数字喷墨印花还避免了设计图案的高重复性，这在之前是由于丝网印版或套筒的尺寸大小限制所造成的。而现在的设计局限，只是在于机器电子子系统存储容量的大小，瓷砖个性化图案设计有了充分施展的空间。此外，由于是非接触式喷印，在个性化瓷砖表面进行装饰，如凹凸纹理和浮雕状的立体感装饰，现在都可以实现了，使它们看上去更像是自然材料。由Xaar 1001喷印头技术实现的数字喷墨印花生产出的瓷砖，可达到与自然材质如大理石和其他石材“乱真”的效果。而这些技术优势，只要拥有数字喷墨印花机就能够掌握，就能不断重复地生产出“意大利品质”的瓷砖。

而所有这些的实现，还有赖于另外一个因素，即陶瓷市场的印墨供应开放模式。这种模式意味着，印墨采购不依赖于印花机制造商。而在大多数其他数字喷印市场，印墨是从喷印机制造厂商那里购买的，而他们通常会把印墨价格维持在高水平，从而获得好的收入。例如在包装行业，这一直是标签喷印价格居高不下的一个主要原因。相比之下，由于陶瓷瓷砖装饰业中印墨供应没有这种控制机制，所以瓷砖生产厂家可以自由地从最具价格竞争力的供应商那里采购印墨，并可根据经营需要经常更换印墨供应商。赛尔支持这种印墨供应开放模式，与印墨生产商伙伴直接共同合作，来确保他们生产的印墨能够在喷印头中发挥最大的工作性能。此外，赛尔的技术人员还提供精心调试的波形，以保证可靠、精确地喷射印墨。印墨供应开放模式在陶瓷市场上，为降低数字印墨的价格，形成了一种有效的竞争压力，同时也一直是瓷砖生产采用数字喷印技术的一个主要推动因素。

有了所有这些积极因素，于是我们自2007年以来，就见证了数字瓷砖装饰喷印技术的迅速推广，达到了我们先前提到的约40%的市场占有率。这场革命性的变革始于欧洲，在这里大多数生产线目前已转向数字化，但它也快速地扩展到了其他更大的生产区域，如中国和印度，以及目前的巴西、伊朗和土耳其。

在这一时期，赛尔扩展了自己的喷印头产品系列，于2012年推出了Xaar 1001 GS12，它是最初Xaar 1001 GS6（最小墨滴为6 pL）喷印头的更大墨滴版本（最小墨滴为12 pL）。大墨滴提高了可喷印的色料量，对地砖生产来说更为理想，因为这里更需要浓重丰富的褐色或黑色石材色彩。Xaar 1001 GS12喷印头还可以用来提高喷印速度，同时获得与Xaar 1001 GS6一样的色彩水平。赛尔新近于2014年3月推出了全新Xaar 1002系列喷印头，它们带有多重创新性技术特性，吸取了赛尔在陶瓷业多年来的经验，提高了墨滴喷射量的一致性和墨滴覆盖的精确性，从而可获得更高质量的喷印图案。Xaar 1002配有1000个优化排列喷嘴，可以以市场上最高的精确度喷射覆盖墨滴，因此能够为复制自然材料并达到令人惊奇的逼真效果，提供柔和的色调和浓密的色彩。

赛尔预计瓷砖生产线向数字化装饰的这种转变趋势将继续下去，因为它能够提供如此巨大的回报。而且在事实上，它也对一个企业能否在这一行业中继续生存来说是至关重要的。同时，我们也在考虑，在瓷砖生产领域还将会发生什么？今后会有哪些挑战？数字喷印技术还能在哪些方面带来好处？主要的瓷砖生产厂商也在考虑如何为它们的产品增添更多的独特个性，因为现在大家都能应用数字装饰方式，都能学会生产同样图案的瓷砖了。

未来

我们认为未来将是生产线的全部程序都实现数字化，并带有多个连接到同一指令控制中心的印花机。

结构和浮雕

首批这种数字印花机将被用来在扁平的瓷砖体上增加立体结构。目前在瓷砖表面形成浮雕的技术，是使用加装在印花机上的模具。这些模具是将所需图案磨砂制作在金属垫上，然后再用它在每块瓷砖上印出相同的图案。因模具的设计与制作花费较高，所以这一生产过程价格昂贵，一旦模具安装到印花机上就会被用来生产大量相同的瓷砖。如果能实现这一生产过程的数字化，我们就可以使每一块瓷砖的浮雕图案都不一样，就像今天所使用的数字喷墨印花机一样，可以使生产出的每块瓷砖的彩色装饰图案都各不相同。这样也就能实现对瓷砖结构和彩色图案的同步改进，提高自然材料复制的逼真性。将数字技术引入陶瓷瓷砖生产的这一领域，将进一步减少生产准备阶段的花费和时间，并预计能够提高带有立体结构瓷砖的生产数量。

瓷砖生产的另一新兴领域，即大块薄形瓷砖，也需要应用这一技术。这类瓷砖是通过挤压基材而生产出来的，而不是模压制作的。数字喷印可用来在这类瓷砖上增加立体结构或纹理，因为它是一种非接触式的加印过程。这将增进这类瓷砖的吸引力和自然外观，同时又会避免对这种较薄、易碎的瓷砖造成损坏。

这种数字喷墨印花机，会与目前使用的为瓷砖进行色彩装饰的印刷机显著不同。目前的数字喷墨印花机可喷射的彩色印墨平均在每平米2至8克之间。如需为瓷砖表面增添立体结构如浮雕效果，就需要每平米数百克的印墨量。此外，色料颗粒尺寸也会比目前使用的显著加大。全新Xaar 1001喷印头会达到这些性能，喷射的印墨量将以“纳升（nL）”、而不是以“皮升（pL）”为计量单位。它喷射的墨滴大小在70至180纳升之间，要比目前按需喷墨喷印头的喷墨量大1000多倍。

具备这种印墨喷射水平的喷印头，也可以应用在其他领域，如为瓷砖喷射底釉和面釉。在这些应用领域运用数字技术，可以减少液体的使用量，允许有更大的创造性去实现瓷砖设计的多重效果。未来还会有更大喷墨量的数字技术被用来为瓷砖进行工艺涂层，比如，让瓷砖有防滑、抗菌、防水或其他涂层。瓷砖也会变得更加具有多功能性，如加入导电成份，为报警器、灯光和其他系统生产传感元件。

陶瓷喷印墨水的色域

让我们再回到瓷砖装饰印花问题。赛尔一直在探索如何进一步改善数字印花技术，这里的一个挑战，就是在采用数字喷墨技术的同时，需要开发新型数字印墨。以前网印工艺所使用的，是色料颗粒较大的粘糊状彩色印墨，瓷砖在烧制前每平米覆盖的丝网印墨量高达50或100克（分别为滚筒或平版网印）。按需喷墨喷印头的内部结构尺寸是仅以数十微米计的，这意味着数字喷印的色料必须以液体方式提供，色料颗粒大小尺寸也必须精确控制，以避免这些颗粒堵塞喷印头内部的印墨通道和喷嘴。喷印的色料量及颗粒大小，也因此会对最终能够获得的色彩范围产生影响。通过印刷获得的色彩范围通常用“分析图谱”来表示。在色域分析图谱中，维度L表示一种色彩的亮度，维度a和b表示色彩成分。这些维度按国际彩饰委员会（简称CIE）标准，由色彩坐标来计算表示，被认为与人类对色彩和光亮的感知最为相似。完全色域如“图3”所示。

如果我们对色域仅以“二维”来表示，也就是说不用“L”这个维度，我们就可以表示计算机屏幕所显示的标准色集（RGB即三原色值），以及由CMYK即四分色表示的标准数字喷印色集，这应用于桌面打印、标签以及其他领域。

图4中的3个不同阴影区域表明，即使不应用RGB或CMYK色集，也可以复制人眼可见的全部色彩。只有当你试图应用这两种不同方式来显示同一幅图像或照片时，才产生了这里所说的问题。显然，如果你要求两幅图像看上去完全一致，你就必须限定计算机屏幕显示的色彩范围，与印刷机色彩范围相匹配。

那么，陶瓷色彩又是怎样的情况？陶瓷印墨不能使用其他数字喷印领域应用的同样色料，因为瓷砖要经受高达1200 °C的烧制过程，以将釉料中的熔块熔化到瓷砖上。所以，瓷砖装饰数字喷印中使用的色料，必须能够承受住这样的高温。而这一过程中唯一不会被破坏的，只能是无机色料，比如金属氧化物。

陶瓷市场使用的色集，与桌面打印，以及标签或宽幅喷绘等使用的不同。由于所使用的无机色料类型的限制，它一般由褐、米黄、蓝、黑、黄和粉红色组成。而且它还有进一步的制约，即不能使用由有毒重金属制成的色料。尽管有技术可以通过封装来减少它们的实际毒性，但许多国家及公司都坚持要求使用不含有这些成份的色料。所有这些限制所带来的一个后果，就是陶瓷印墨的色域（或一个色彩空间的颜色范围）有所“折中”。目前尚无陶瓷印墨的标准图谱，而只有陶瓷色料各个供应商会提供它们各自的色彩图谱。但一般说来，传统丝网印墨中应用的陶瓷色料，缺少的主要是黄色和红色（绿色在瓷砖应用上不那么普遍，只有印度除外），大致色彩比例如“图5”所示。

对于大多数瓷砖生产来说，这是可以接受的。我们都希望表现出自然材质，而它们的色域在总体上也是有限的———石材一般是带有些变化的灰色，木材则一般是褐色或米黄色。

传统滚筒或平版丝网印刷的印墨（糊状颜料），包含高浓度的由无机色料和熔块构成的固体，并悬浮在矿物油或乙二醇中。这些印墨的颗粒尺寸，其累计粒度分布值D90所对应的粒径约为10到15mm。累计粒度分布值D90在许多工业行业中，是用来表示色料以及印墨的标准数值，它代表色料或印墨中90%的颗粒，直径小于某个数值。D90作为累计颗粒水平值，能够被现有仪器来精确测量。研制这类仪器的专家们，不建议使用D99或D100作为累计粒度分布测量值。他们认为，测量中任何微小的干扰，如气泡或热波动，都会显著影响测量数值。此外，用来计算这些数值的统计方法也缺少“鲁棒性（不受干扰性）”，因为在这种极端水平上，颗粒的实际数量按照定义来说也不大。

那么，如何将这些传统印墨，与已经开发的陶瓷瓷砖数字喷印印墨进行比较？其实在总体上，液体载体是相同的，传统及数字陶瓷喷墨印花的印墨，都是矿物油或乙二醇。液体载体的这一选择，可使陶瓷印墨的表面张力和黏稠度能够得到精心的控制，而这对于确保可靠的印刷或印墨喷印，不管是传统印墨还是数字印墨，都是很重要的。传统印墨与数字印墨的显著区别，在于印墨中所允许的颗粒大小和浓度。我们上面已经提到传统印墨是糊状的，液体载体在重量上一般约占10到15%，色料占20到40%，其他则大部分是熔块，以及更小量的其他材料以用来调节表面张力和抑制结块，等等。数字印墨是液体，也带有20%以上的高色料添加量，所占重量也更大，但不带有高熔块添加量。

数字印墨中的颗粒大小，取决于喷印头的内部尺寸。赛尔及其他制造商生产的按需喷墨喷印头，内部结构的尺寸只有数十微米，喷射墨滴最小只有6 pL。1个6 pL大小的陶瓷墨滴，直径约为25mm。由此显而易见，传统网印印墨中累计粒度分布值D90所对应的粒径10到15mm的色料颗粒，是不能用于数字喷印印墨之中的，因为它们会堵塞喷印头的内部结构和喷嘴。在实际应用中，数字印墨中所含的颗粒大小，累计粒度分布值D90所对应的粒径小于1mm。这一限制的部分原因，还在于数字陶瓷印墨易于沉淀，而它所含有的高添加量的颗粒须处于悬浮之中。事实上，赛尔Xaar 1001（以及目前的Xaar 1002）喷印头如此成功的一个原因，正是在于赛尔的“真正内循环持续喷墨专利技术（TF TechnologyTM）”，这一专利技术确保了印墨在喷印头的狭小空间中，总是处于持续流动的状态。这里没有印墨可以停留并开始沉淀的“死点”，任何因结块形成的无用颗粒，都会被从喷嘴处冲走，并被印墨系统中的过滤装置移除。传统的喷印头不带有通过喷嘴后端的这种印墨再循环，因而印墨会在喷射腔中停留并开始沉淀，而喷射腔的唯一出口就是喷嘴。

颗粒尺寸的减小，影响了应用数字印墨能够获得的色域。在有些情况下，如果色料被研磨成如此之小的尺寸，就会失去其大部分的反光特性。此外，它们还会在窑炉中被熔化过程破坏。所有这些都是对印墨生产商的挑战，要求生产商们去寻找具有良好色彩的无毒色料。而最后的结果，就是大为降低了数字印墨的色域，正如“图6”所示。

“图6”显示出了与传统印墨相比较，数字陶瓷印花所面临的主要色彩挑战。我们可再次发现，受影响最大的仍是黄色与红色。应用金属镉可获得更好的红色，但我们在上面已经提到，这是受到限制的。带有小量的金，也会改善红色，但这又太昂贵了。

喷墨印花的更多色彩

那么，究竟应当怎样去改善数字陶瓷印墨的色彩？数字喷印最后所获得的色彩，可通过两个方法得到改善。首先是在喷印过程中提高印墨的喷射量。赛尔Xaar 1002 GS6喷印头的墨滴尺寸为6到42 pL，能以约每分钟25米的速度获得360 X 360 dpi分辨率的印墨喷射覆盖面。如喷印头百分之百地以最大墨滴尺寸工作、喷射浓度为1.2 g/cm3的印墨，那么每种色彩的印墨喷射覆盖量约为10 g/m2。这样的话，如果某种瓷砖需要应用5种颜色，喷印头需要喷射覆盖的最大印墨量就将达到50 g/ m2。当然，陶瓷印花并不会应用全部色彩进行百分之百地喷印覆盖，因此喷印一个真正图案的印墨量会小于这个数值，而且也肯定会低于传统陶瓷网印的糊状印墨量。

这也正是赛尔在2012年推出Xaar 1001 GS12喷印头的原因。这种喷印头的墨滴大小为12到84 pL，每种印墨的喷射覆盖量可达20 g/m2，大大改善了色彩效果。当然，任何时候都会存在某种平衡，墨滴尺寸越大就越容易被人眼看到，因此喷印出来的图像就会呈颗粒状。所以，在印制生产图案细部要求精致、并常常会被近距离观看的墙砖时，赛尔Xaar 1001 GS6（现在是Xaar 1002 GS6）喷印头就更受欢迎。

这一原则还可以作进一步的延伸。今年晚些时候，装配有全新Xaar 1002 GS40喷印头的印花机即将面世，墨滴尺寸可达40到160 pL。它可进一步将每种色彩的喷墨量提高至40 g/ m2，接近了滚筒网印机的印墨量。赛尔的模拟研究预测，它将对可获得的色域产生显著的影响。但仍要说明的是，尽管它带有更大的墨滴尺寸，但它并不会取代Xaar 1002 GS6或GS12喷印头，而只会是作为对它们的一种补充，可在需要时提供增强的色彩效果。

这种大墨滴喷印头也有可能用于给瓷砖进行装饰上釉，替代生产线上印花阶段之后进行上釉的单程滚筒印刷机。这可以通过在现有的喷印机上增添一到两个额外的印刷杆来实现，也许一个负责喷印上光釉、另一个负责喷印亚光釉，或者作为一台独立的喷印机，以便让之前喷印的色彩先行干燥。取代生产线上这个最后的滚筒机器，会为瓷砖生产领域再带来数字技术通常所具有的益处，包括机器设置准备时间和成本的减少，可随意频繁改变上釉效果的能力，以及能够实现的瓷砖创意效果范围的加大。比如，生产更多的自然材质效果与现代设计印刷图案加以结合的“融合性瓷砖”或“现代仿生砖”。进入2015年之后，赛尔还将进一步推出Xaar 1002系列中的喷印头新产品，它们将具备在瓷砖上喷印覆盖高达100g/m2印墨的能力。

我们正在探索的另一个领域，是颗粒大小因素会为我们带来什么效果。上面已经提到，色料颗粒的最大尺寸，受限于喷印头内部结构以及喷嘴的尺寸，其中6 pL墨滴径长约为25mm，12pL墨滴径长约为35mm，40pL墨滴径长约为55mm。那么，喷印头的机械结构尺寸及喷嘴，与可靠地喷射色素颜料墨水的能力之间，究竟存有一种什么关系？

一些通用泵技术专家建议的经验法则是，孔径与颗粒之比必须为20:1，才可能实现流体自由、无约束的流动。但另一些专家认为，这个比例低至2:1就可以了。同时，流体的流速，与管道尺寸和颗粒尺寸之比，也是有关系的。可见，这不是一种简单的计算。而在我们所涉及的微流体层面，也适用同样的法则吗？有可能不是。赛尔将在未来几个月内，会就这方面的问题发表进一步的技术报告。

赛尔一直在与西班牙著名陶瓷产区卡斯特隆的“陶瓷技术研究所”，以及印墨生产商伙伴合作，首先是探索色料颗粒大小对色彩及成本的影响，其次是如何改善目前的印墨。一种印墨的成本取决于许多因素，包括载体介质的花费，以及添加物和配备色料的花费。这里也不是一种简单的计算。改变载体介质会产生二方面的效果。一是会使印墨的配备更简便或者更困难；二是会影响到所需要的添加物。我们并不能假定，降低载体介质的成本，就一定能降低印墨的最终价格。实际上，如果我们能减少印墨的配备时间，就有助于降低成本，而实现这个目标的一个方法就是减少色料的研磨时间。此外，较大的颗粒尺寸也会进一步改善印墨的色域，而这又可以通过增加印墨喷射覆盖量来达到。

如果这一切都是如此简单，那为什么现在还没有做到？其实并不简单。我们都知道，数字陶瓷印墨的色料添加量已经很大，易于沉淀。如果我们再加大颗粒尺寸，沉淀的可能性也会随之加大。如果我们又不得不减小印墨中色料的浓度，以重新获得稳定性，那我们又会回到最初的原点。在颗粒大小、载体液体、添加物之间寻求正确的平衡，以获得实现稳定可靠的印墨喷射所需要的黏稠度、表面张力和墨滴速度，还有大量的工作要做。而在所有这些中间，赛尔的“真正内循环持续喷墨专利技术（TFTechnologyTM）”，是至关重要的。如果我们要加大色料颗粒尺寸和印墨喷射量的话，印墨在喷印头和印墨系统中的不断循环，就是一个决定性的因素。流速也会对液体行为产生影响。“真正内循环持续喷墨专利技术（TF TechnologyTM）”不仅能提供最高的流速，而且还能提供最大的不同流速选择范围，以满足不同工艺如需要剪切稀释等等的需要。

综上所述，我们讨论了赛尔为陶瓷业不久的将来而进行研发的蓝图。即将于今明两年推出的Xaar 1002喷印头系列中的新产品，无疑将为赛尔目前的印花机制造商合作伙伴增加新的喷印头选择，而且它们还可由目前所应用的赛尔电子组件和软件来驱动。这将确保它们能够被迅速采用，甚至能装配到现有的印花机中去，只要上面有合适的印刷杆就行。这些Xaar 1002系列新型喷印头，以及Xaar 1001喷印头，是我们在研发方面持续投入的一部分，目的是最大限度地实现我们的抱负，即在陶瓷瓷砖生产线上完全实现印花装饰全部程序的数字化。