数字印刷技术讲座.pdf

印刷 世 界 2 0 0 7. 1 1 数字印刷技术讲座 第一讲:数字印刷概述 数字印刷技术刚刚出现时,人们对它的认识仅 仅是将其看作为传统印刷技术的附加部分。经过几 十年的科技发展和技术进步,数字印刷已经成为极 富个性的新技术,目前在我国大中城市如雨后春笋 般出现,给出版业、信息业、通讯业带来了新的发 展空间。 数码彩色印刷真正成熟是在上个世纪9 0年代 后,德国海德堡公司在1 9 9 1年p r i n t 9 1上展出了 g t o - d i数字式印刷机;1 9 9 3年以色列的i n d i g o公 司在i p e x印刷展览会上推出了e - p r i n t 1 0 0 0数字印 刷机、比利时的x e i k o n公司推出了d c p - 1数字印 刷机。此后x e i k o n公司将专利技术o e m给a g f a、 i b m、巴可等厂家。在d r u p a 9 5上,多家公司都展 出了自己的数字印刷机,将数字印刷推向了一个发 展高潮。2 0 0 0年以后,数字印刷生产厂家经过进一 步发展重组,出现了惠普-英迪果、富士-施乐、柯 达、奥西等主要的数码印刷厂商,推动了数码印刷 在全球的发展普及,也使数码印刷在我国得到迅速 发展。 1数字印刷的定义 目前,国内外还没有对 “ 数字印刷”给予一个 明确的标准的定义,因此,即便在这一技术得到广 泛应用的今天,与 “ 数字印刷”相关的一些概念并 没有在国内取得共识,例如:数字印刷和数码印刷, 究竟哪个名称更确切?更规范?数字印刷的范畴, d i( 在机成像印刷)印刷机属不属于数字印刷机等。 无论是人们所说的 “ 数字印刷” ,还是 “ 数码印 刷” ,其称谓均来源于印刷复制中信息存在的形式。 在整个印刷过程中,用数字描述页面文件的形式进 行传递,以数字成像方式形成印刷品。另外,这种 印刷方式国外也称之为n i p( n o n - i m p a c t p r i n t i n g ), 即 “ 无压力印刷”或者 “ 非接触印刷” 。 不同的人从不同的角度、按照各自的理解对数 字印刷给出了不同的定义。目前,比较流行的有两 种观点:一种是计算机行业的观点,另一种是印刷 行业的观点。在计算机行业中,人们把数据输出到 纸上的技术过程均称为数字印刷,不管它是黑白的 还是彩色的。而在印刷行业中,人们则把由数字信 息代替传统的模拟信息,直接将数字图像信息通过 网络传输转移到承印物上的印刷技术叫做数字印刷。 从上述定义出发,数字印刷具有以下几个典型 的特征: (1)数字印刷过程实质是从计算机到纸张或印 刷品的过程 (c o m p u t e r - t o - p a p e r / p r i n t) ,即直接把 数字文件/页面转换成印刷品的过程。 (2)数字印刷最终影像的形成过程一定是数字 式的,也就是说,不需要任何中介的模拟过程或载 体的介入,如图1( 见下页) 。 数码印刷 pr i n t wo r l d 2 0 0 7. 1 1 (3)数字印刷印刷品的信息可以是1 0 0 %的可 变信息,即相邻输出的两张印刷品可以完全不一样, 可以有不同的版式、不同的内容、不同的尺寸,甚 至可以选择不同材质的承印物,如果是出版物的话, 装订方式也可以不一样,如图2。 综上所述,数字印刷实质是一种计算机直接成 像技术( c o m p u t e r - t o - p r i n t )。传统的印刷技术需要采 用印版,待复制的图文信息首先转移到 “ 印版” 上,这种载体具有永久记录信息的能力,印刷时, “ 印版”上的图文信息借助于印刷设备转移到承印物 上。而数字印刷是采用可 成 像 表 面( i m a g e - a b l e s u r f a c e )作为图文载体,这类介质表面不具备永久 保存信息的能力,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d i印 刷也归为数字印刷,这是不恰当的。虽然在整个工 艺流程中虽说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”( c o m p u t e r - t o - p r e s s )而已。 从数字印刷的概念可以引申出两个基本概念, 一 个 是 可 变 信 息 的 印 刷( v a r i a b l e i n f o r m a t i o n p r i n t i n g ),另一个是无版印刷( p l a t e l e s s p r i n t i n g )。 实际上要想实现1 0 0 %的可变信息印刷,首先印刷过 程必须是无版的。从这个意义讲,以上关于数字印 刷的三个特征并非相互独立,而是相互关联的三个 方面。 2数字印刷和印刷数字化 数字印刷和印刷数字化是两个不同的概念,所 谓 “ 印刷数字化”主要指传统印刷的数字化技术革 新,这是数字技术应用于印刷领域的最终表现。传 统的印刷复制工艺过程是极其复杂的,印刷厂要根 据客户提供的原稿,进行植字及正片照相和制作底 版,接着进行晒版,最终上机印刷,这一过程要花 费大量时间和金钱。随着计算机技术向印刷领域的 渗透,以前一些繁杂的手工作业被计算机程序所替 代,这也就是在印刷复制过程中部分环节实现了数 字化。从国内外印刷技术的发展过程来看,印刷数 字化过程最初在印前制版领域,例如:原稿扫描技 术、图像图形处理技术等。接下来,印刷数字化从 桌面出版系统 (d t p)延伸到彩色电子出版系统 (c e p s) ,再到数字打样、直接制版技术,并且效果 也比较显著。目前,数字化已经渗透到印刷复制整 个流程中,比如:印机墨斗预调、墨色自动化监控 以及国外推行的c i p 4等技术。 在此需要着重强调的是c t p不属于数字印刷范 畴,c t p只是整个印刷生产流程中省去了出片拼版 模拟环节的一个中间设备,而数字印刷设备是在省 去了传统印刷众多的印前环节之后,作为一种终端 设备而存在,它直接生产成品或者半成品。因此, 有些文章将c t p技术纳入数字印刷范畴进行讨论是 不确切的。 目前,市场上数字印刷成像方式呈现多样性, 除人们熟知的静电照相成像数字印刷和喷墨印刷外, 也出现了热成像数字印刷、磁成像数字印刷、离子 成像数字印刷、电子成像数字印刷等。正是成像技 术的多样性,导致数字印刷设备呈现出多元化特点。 无论哪一种印刷技术,其核心就是成像技术,就目 图1数字影像输出 图2可变信息印刷 数码印刷 可变文字 可变图像 不可变信息 1 9 印刷 世 界 2 0 0 7. 1 1 前发展最快、应用领域最广泛的两种数字印刷技术 而言,喷墨成像技术和静电成像技术的发展历史都 已经有了一些年头。 3数字印刷的分类 现行的常用的印刷分类主要是按印版和印刷机 结构分类的,然而现在的数字印刷机的结构五花八 门,实在太多,所以很难按结构进行分类。 (1)按照有无印版进行分类可分为 “ 有版”数 字印刷和 “ 无版”数字印刷。 “ 有版”数字印刷一 般指具有各种数字印版的数字印刷技术,如静电成 像形成的数字印版; “ 无版”数字印刷指的是真正 意义上的 “ 无版” ,例如:喷墨印刷是通过计算机控 制油墨墨滴,直接喷射到承印材料上,完全无需印 版。 (2)按照印版图文是否可记录和擦去进行分类 可分为可变图文数字印刷、不变和可变图文数字印 刷两种方式。 可变图文数字印刷指的是无传统意义上的印版, 但大部分有数字印版,少数无版。如果数字印刷具 备数字印版,那么它的图文信息不能记录但可擦去, 可以重复成像,印刷一次需做 “ 印版”一次。如果 数字印刷是 “ 无版”印刷,那么成像物质将由计算 机控制,直接成像到承印物上。 不变和可变图文数字印刷就是数字印版图文根 据印刷需要,可以记录也可以擦去,可以重复成像。 不变图文印刷时图文可以记录,可变图文印刷时图 文随时可以擦去。 (3)按照数字印版成像原理进行分类可分为静 电成像数字印刷技术、离子成像数字印刷技术、磁 记录成像数字印刷技术、热敏成像数字印刷技术、 电子成像数字印刷技术、其他成像数字印刷机等。 静电照相数字印刷的图像载体是光导体,这种 材料在黑暗中为绝缘体,在光照条件下电阻值下降, 成像平面的曝光和不曝光产生电位差异,材料的光 导性成为图像载体表面形成静电潜像的工艺基础; 利用墨粉与静电潜像电荷之间的吸引力完成墨粉的 转移,借助于热或者压力作用,从而使墨粉在承印 物上形成稳定的影像。这是一种主要的数字印刷成 像方式,图3为x e i k o n的静电数字印刷机。 喷墨印刷通过位置控制使墨滴喷射到纸面形成 影像。连续喷墨以电荷控制型为代表,例如h e r t z 喷墨在压电振荡器的激励下产生高频墨水射流,由 于液体的动力效应产生墨水流的收缩并分离出墨滴; s w e e t喷墨以墨滴偏转控制为关键工艺,充电墨滴在 偏转电场作用下改变飞行方向,分解为喷射到纸面 和不喷射到纸面的两类墨滴。按需喷墨以热喷墨和 压电喷墨最为典型,热喷墨通过对墨水加热,墨水 汽化形成汽泡,因体积突然膨胀而导致墨滴从喷嘴 孔向外喷射;压电喷墨利用某些材料的逆压电效应 产生墨滴,即压电材料在电场的作用下具有成比例 地产生机械变形的能力 ( 例如弯曲和拉伸变形) ,由 于压电元件覆盖在墨水腔上,压电元件的机械变形 必然转换为墨水腔的容积变化;假定墨水为不可压 缩流体,则墨水腔的变形将形成压力波阵面,这种 压力逐步传递到喷嘴出口位置后就会挤压墨水,在 喷嘴孔出口处形成弯月面外凸的墨滴;若压力大于 流体表面张力和空气阻力形成的合力,则墨滴从喷 嘴空向外喷射。 以磁成像为基础的数字印刷工艺是静电照相成 像的 “ 磁模拟” ,因而磁成像和静电照相成像存在某 些相似之处,即设法在铁磁材料上建立磁潜图像。 静电照相数字印刷通过对充电光导鼓表面曝光产生 静电潜像,显影时可使用带磁性的或不带磁性的墨 粉,但磁成像却利用磁感应头阵列在铁磁材料上记 录成磁潜像,且显影过程需要磁性墨粉。归纳起来, 磁成像数字印刷的物理基础是电磁交互作用,也涉 及铁磁材料的记忆特性等。如对磁性墨粉的记忆能 图3静电数字印刷机 数码印刷 pr i n t wo r l d 2 0 0 7. 1 1 力加以合理的利用,则磁成像数字印刷的成像结果 可以重复使用。 热成像技术划分成直接热成像和转移热成像两 大类,后者又可继续细分为热转移和热升华两种主 流技术。热转移复制技术的两大要素是色膜 ( 色带) 和加热装置,色膜表面预先涂有一层油墨,是一种 特殊处理过的材料,但不是直接热成像工艺使用的 热敏材料,因而转移热成像是对加热物理效应的间 接利用;热升华系统的加热元件导致色膜表面的染 料产生升华现象,并以扩散和渗透的形式使染料从 色膜表面转移到承印物,油墨在热量的作用下熔化, 因此热升华复制工艺不仅要求色膜上的油墨层具备 在加热作用下触发扩散过程的物理特征,且用于热 升华打印的承印材料表面应该有特殊的涂层。 基于离子成像的数字印刷技术利用了介质的极 化现象,某些工作过程类似于静电照相成像,区别 在于离子成像产生的电荷图案 ( 静电潜像)由成像 装置直接记录在图像载体表面,而成像表面均匀分 布电荷 ( 静电照相成像)这一过程不再需要,由沉 积在图像载体上的电荷分布和电位状态决定墨粉转 移,因而离子成像数字印刷也称为电荷沉积法数字 印刷或电子束印刷。 4数字印刷的应用领域 当前印刷工业正朝向短版和可变数据印刷方面 发展,越来越多的印刷企业正在以个性化方式来吸 引顾客,而数字印刷正适应当前印刷发展的潮流, 因此说,数字印刷的市场定位就在 “ 按需印刷” 、 “ 即要即印” 、 “ 短版印刷”上。正是数码印刷的这 些特点极大限度地满足了那些在任何时间内仅仅需 要几十本甚至几本杂志或小册子的客户的需求。我 们设想一下,如果您想获得几千公里以外德国d r u - p a相关信息,那么是运输印刷成品到来中国,还是 通过网络传送数据信息在中国就地印刷,哪一种方 案更为经济更为划算呢?结论是不言而喻的。 传统印刷是针对大量需求的一种生产方式,典 型特点在于低价位和高质量,它的利润空间是依靠 大批量印刷来实现,随着印数的增多,单页的成本 就不断降低。传统印刷过程可以划分为印前和印刷 两个工艺步骤,无论印量多少,印前成本都存在, 这种最终成本都要折算到每一张印刷品中。与传统 印刷不同,数字印刷实现了印前和印刷一步到位, 不存在印前成本分担的问题,所以,无论是印刷一 张,还是一百张、一万张都不会影响单页成本。从 经济的角度考虑,数字印刷定位适宜定位在从零张 到数百张、数千张范畴的短版印刷市场;从印刷质 量的角度考虑,数字印刷定位适宜定位质量不太高 的领域。但是这种观念也在不断改变,随着科技的 进步,数字印刷单页成本下降,数码印刷适合的印 量上限会上移;目前,随着新型技术的应用,数字 印刷的质量也在不断提高,正在向高档的胶印水平 逼近。那么,人们不禁要问:数码印刷能否取代传 统印刷呢?回答应该是否定的。其实,数码印刷的 市场应该在以下几个方面: 按需印刷短版市场。按需印刷是印刷业的发展 方向,要求承印价格低廉,印量小于5 0 0份的精美 彩色印刷品的市场越来越大,然而传统印刷技术往 往无法满足这一需求,譬如:企业年报资料、企业 简介、招标投标资料、促销广告、宾馆菜单、画册、 c i手册、中小批量票据、高档名片等高附加值印刷 品。 个性化印刷品市场。个性化是一种文化潮流, 所以设计精美的印刷品需求比例将越来越高。如果 将来把个性化数据库印刷同客户管理服务有效结合 起来,将能满足一部分特殊行业或特定人群的需要。 譬如:个人像册、个性化产品目录、商业个性化广 告、防伪产品、身份证卡等。 异地印刷市场。随着网络的发展,异地印刷成 为可能,借助于目前的互联网可以实现在异地即时 地阅读有价值的电子文档,譬如:文学作品、论文、 画册等。所以说,数字印刷是电子媒体和纸媒体的 当然连接部分。 5数字印刷技术发展前景 可以这样说,数字印刷是未来印刷的发展趋势, 主要体现在速度快、信息与版式可变、工艺简化、 周期短等方面,因而适应了 “ 个性化印刷市场” 、 “ 可变信息印刷市场” 、 “ 短版印刷市场”以及 “ 即 数码印刷 2 1 印刷 世 界 2 0 0 7. 1 1 印刷方式 1 9 9 7 (%) 2 0 0 1 (%) 2 0 1 2 (%) 胶版印刷4 64 23 7 凹版印刷1 81 71 5 柔版印刷1 81 92 0 丝网印刷及其他方式765 无版方式数码印刷81 32 0 要即印印刷市场”的需求。它的产生和发展与下列 因素有关: 首先,数字印刷机主要成像方式如喷墨成像技 术、静电成像技术以及页面描述技术的成熟和发展 是数字印刷的最根本基础。 其次,数字印前技术是数字印刷技术发展的前 提和推进剂,印刷数字化的发展已贯穿整个印刷流 程,即印前、印刷、印后,而印前数字化是基础。 d t p的发展使印前实现了数字化,c t p发展促进了 数字版面的拼版输出,数字化工作流程则为数字印 刷拓展了更大的发展空间。 市场的需求是数字印刷发展的外部动力,当前 的媒体消费对象对于媒体方式的追求发生改变,媒 体消费对象的消费重点已经由过去的单纯纸媒体向 多媒体方向转移。这就要求我们的媒体提供者和设 计者要适应这种转变,满足客户分散化、个性化、 按需化、数据可变化印刷等需求特点,数字印刷技 术恰恰满足这一需求。 据报道,美国在2 0 0 0 2 0 0 5年间按需印刷销售 额的年增长率为1 8 %,将由原来2 1 0亿美元增长到 2 0 0 5年的4 8 0亿美元。而据海德堡执行官预计,在 美国,数字彩色印刷机出货额将以每年3 0 %的速度 递增,到2 0 0 8年将达到4 6 0亿美元。中国的印刷市 场经过二十余年改革开放的洗牌,业已形成了一定 的规模,据有关资料统计,数字印刷大约占到整个 印刷市场份额的7 %左右。根据国际权威调查机构美 国c a p公司对2 0 0 1年纽约按需印刷大会与会者的 调查显示,9 6 %的被调查者认为将来印刷技术发展 的趋势是数字印刷或数字印刷与胶印相结合来替代 单一的胶印技术;8 8 %的被调查者预计数字印刷能 够带来利润增长;8 9 %的被调查者认为当前数字彩 色印刷已经能够很好地完成多数短版印刷业务。表 1为美国在1 9 9 7年到2 0 1 2年之间不同印刷方式的 市场占有率变化。 从表1可以看出,胶版印刷的市场份额明显下 降,柔性版印刷在市场占有率方面将显出强势。同 时数码印刷显示出强劲的增长势头,尤其是对短版 彩印 (1 0 0 0张以下)或按需印刷、可变信息印刷等 具有巨大发展空间。 数字印刷在中国印刷行业所占的比例还是很小, 目前来讲,应用比较广泛的还是在快印店,主要用 于制作标书、产品说明书等。并且,目前国内数字 印刷的应用处于两极分化的状况。一端是低端市场, 这一市场的从业者投资规模相对较小,使用的设备 大多是非生产型数字印刷机、数字复印机、多功能 一体机等。印刷活件大多是短版黑白活、兼有少量 彩活,这些企业的客户希望价钱越便宜越好,不太 讲究色彩。另一端是高端市场,这一市场的从业者 投资规模都比较大,所用的数字印刷设备大多是生 产型数字印刷机。印活不仅是超短版彩色印件、更 有不少个性化、可变数据印刷彩色印品,这类数字 印刷公司的客户大多更注重质量和服务,但这一块 市场目前还太小。 数字印刷开创了一条企业革新之路,它能使媒 体提供者提供的媒体传播得更远,唤醒新的消费对 象,能优化目前的传媒市场。数字印刷是目前我们 印刷企业革新的动力之所在,数码印刷企业必须在 下列四个方面进行系统管理,让生产、服务以及管 理相互协调,才能充分发挥数字印刷的潜在的优越 性。第一,企业应具备能优化印刷生产过程的媒体 工程师;第二,企业应配备有能高效的营销队伍; 第三,企业应配备有一流的媒体制作工程师,数字 印刷本身对操作者而言无需太多技术要求,但是数 字印刷毕竟也是一种印刷,要求操作者掌握印刷相 关知识仍是必要的。 ( 未完待续) 责任编辑:杨志钢 表1美国在1 9 9 7 - 2 0 1 2年之间印刷方式的变化 数码印刷 印刷 世 界 2 0 0 7. 1 2 数字印刷技术讲座 第二讲静电成像数字印刷原理 中德印刷培训中心胡维友 静电成像技术的发明可追溯到上个世纪3 0年代 美国人c . f . c a r l s o n( 查斯特卡尔逊)发明的 “ 干 印术” 。当时,美国物理学士卡尔逊在贝尔实验室专 利部工作,使得他有机会接触与复印工艺有关的各 种专利,并着手研究相应的设备,重点是直接复印 机研究,其技术基础是银盐复制工艺,也就是在金 属板上涂上硫膜作为照相板,用布摩擦硫涂层使之 带电,用透明片接触曝光,形成静电图像,再经显 影、转印得到永久性图像,从而拉开了静电复印技 术发展的序幕。 1 9 3 7年,卡尔逊的研究取得突破,他将光导材 料有选择充电形成静电潜像和充电固体粉末显影这 两个概念结合起来,并提出了 “ 静电照相成像技术” 这一概念,于1 9 3 9年提交专利申请,1 9 4 2年获得 专利授权。1 9 4 4年,俄亥俄州的b a t t e l l em e m o r i a l i n s t i t u t e( 巴特尔纪念研究院) 、美国军方以及其它 公司和卡尔逊签订了合同,资助他改进这项被他称 作 “e l e c t r o - p h o t o g r a p h y” ( 电子图像复印技术)的 发明。 三年后,纽约州罗彻斯特一家生产相纸的哈罗 依德公司获得了卡尔逊的电子图像复印技术的全部 专利权。于1 9 4 8年将 “ 静电复印术” ( 用于形容复 印过程)和 “ 施乐” ( 标识产品)这两个词同时推 向了市场。1 9 5 9年9月,美国施乐公司制成了世界 第一台落地式办公用x e r o x 9 1 4型全自动复印机,并 将其商业化。 1 9 7 3年,美国施乐公司首次研制成第一台激光 打印机。早期生产的激光打印机结构复杂,体积庞 大,记录分辨率低,但价格却很贵,因此只能作为 批处理高速输出设备来使用。 1 9 7 5年投放市场的i b m 3 8 0 0激光打印 机 和 1 9 7 6年s i e m e n s推出的n d - 2激光打印机,都是与 大型计算机配套使用、作为集中打印的高速输出设 备。1 9 8 4年,惠普公司推出了l a s e r j e t激光打印机, 并在此后形成l a s e r j e t系列,这给打印机市场带来 了曙光,使激光打印机进入了崭新的发展阶段。这 种打印机采用半导体激光器,它不是早期激光打印 机的继承或改进型式,而是利用复印机的机芯发展 起来的。 1 9 9 1年x e r o x率先推出了d o c u t e c h 6 0 0 0系列 单色数字印刷系统来满足行业的需要。接着,海德 堡公司推出了同类型产品n e x p r e s s d i g i m a s t e r 9 1 1 0。 1 9 9 3年i n d i g o公司和x e i k o n公司于1 9 9 3年的i p e x 展会上推出了各自的彩色数字印刷设备,接着海德 堡公司和施乐公司也推出了自己的产品。目前,静 电成像式数字印刷技术正在朝着短版、高质、快速、 高效的方向发展。 1静电成像基本原理 “ 静电成像”意指 “ 待成像滚筒”表面由静电所 组成的影像。这种影像的形成是利用计算机输出的 技术讲座 p r i n t wo r l d 2 0 0 7. 1 2 图2 n型光导体充负电 图1静电印刷原理 数字信号控制激光光束的 “ 开”和 “ 关” ,激光经过 旋转棱镜照射到已经充电的 “ 待成像滚筒”上,使 其表面产生带有静电的图案 ( 即印刷图文部分) ,该 影像可以利用带电色粉 ( 电荷类型与形成静电潜影 的电荷类型正好相反)与静电潜影之间的库仑作用 力实现潜影的可视化 ( 显影) ,最后将色粉影像转移 到承印物上即可完成印刷 ( 如图1) 。 1)光导体 “ 待成像滚筒”表面是由光导体材料构成,是数 字成像印刷设备的核心部件。光导体在无光环境下 是一个绝缘体 ( 电阻很大) ,通过曝光成为导体 ( 电 阻很小) ,阻值相差可以达到1 0 0 0倍以上。光导体 材料设计上需要感光物质与电子传感物质作为光导 体的基础材料,其原理简单地说是利用感光物质接 受光能量以后会失去电子的原理,再以电子传感物 质为电子传感的介质达到降低电阻的效果。 市面上制作光导体的材料可以分为两大类:有 机光导体与无机光导体。有机光导体即o p c,英文 全名叫做o r g a n i c p h o t o - c o n d u c t o r,是利用树脂、感 光物质与导电物质组成的元件;而无机光导体则是 利用半导体材料制作而成,一般常用的材料如:硫 化镉、硒化镉和晶体硅。由于无定型硒、硒化镉 等材料耗费资源巨大,并对环境造成危害,因此, 它们逐步被功能强大且对人体无害的新材料如有机 光导体和晶体硅材料所取代。在正常情况下,有 机光导体涂层表面带负电,晶体硅涂层表面带正 电,两种涂层相比较,晶体硅涂层具有更好的耐 磨性能,但是制造成本更高。 有机感光体可以分成两 种制作方式,一种是单层感 光体即将树脂、感光物质与 导电物质三者混合;另一种 是多层感光体,是将感光物 质与导电物质分开,目前市 面上的有机感光体大都属于 这后一种。多层感光体与单 层感光体区别主要在于以下 几方面: 易于性能优化。双层 结构中的载流子产生层与传输层都能独立进行优化。 扩大了光导材料的选择范围。由于大部分有 机光导体的传输层只能传输空穴,而载流子产生层 通常在传输层的下面,因此最外层表面必须充负电。 这也发挥了有些光导材料如非晶态硒等既可以传输 空穴也可以传输电子的特点,也就是说引入双层的 有机光导体材料后,还扩大了选择材料的范围。 制造成本低。 使用寿命较短。主要原因是聚合物材料易于 磨损,另一原因是由于光化学作用使其捕获的电荷 量增大,而降低表面电位不能满足印刷需求。 2)光导体分类 根据光导材料中传导电流的载流子的类型,光 导体分为n型和p型两类。n型光导体中导电的主 要载流子是电子,而p型光导体的主要载流子是空 穴,人们常将主要载流子称为 “ 多子” ;与主要载流 子相对应的就是次要载流子,有时称之为 “ 少子” , 例如:n型光导体中的空穴及p型光导体中的电子。 在黑暗条件下,阻碍次要载流子的电阻是很高的, 但主要载流子则能相当自由地移动。 n型光导体要充负电荷,p型光导体则要充正 电荷。下面以n型光导体为例解释负电晕充电。当 用负电晕向光导版释放负电荷时,负电离子沉积在 光导层表面,这时会有等量的正电荷由于感应而出 现在与光导层接触的电导层界面上。光导层表面的 负电荷与电导层上正电荷相互吸引,但不能中和, 充电的结果如图2所示。 反之,如果让n型光导体充正电荷,也就是 激光器 传递辊 色粉盒 纸盒 光导鼓 放电器 放电器 消电器 电离电子 n型光导体 导电层 技术讲座 5 3 印刷 世 界 2 0 0 7. 1 2 图4光导体结构 1 0 2 0 m 0 . 1 0 . 5 m 金属基层 说,让光导层表面得到正电荷,如图3所示,但是 最终的结果是这样充电不能像充负电那样成功。因 为假设光导层上表面附着一层正电荷,在光导层和 电导层界面处由于 “ 感应”而产生负电荷,这种负 电荷与光导层表面的正电荷相吸引,又由于n型光 导体能够传导负电荷,这时即使是在未曝光的暗区, 负电荷也将向光导层移动(这种移动被称之为 “ 注 入”)于是负电荷先后被中和掉,致使光导体表面难 以获得电荷。 3)光导体结构 光导体的基材为铝或铝合金 (a l u m i n u ms u b - s t r a t e) ,其上有3层材料以形成光导体的结构。第 一层为吸附层或氧化层 (a d h e s i v el a y e r o r m e t a l o x - i d eb l o c k i n gl a y e r) ,厚度约5 m;第二层为感光层 亦 为 电 荷 产 生 层( c h a r g eg e n e r a t i o nl a y e r, 简 称 c g l ),厚度1 m,此层的成分为染料,其作用是曝 光以后产生正电荷;第三层为导电层亦为电荷传导 层 (c h a r g et r a n s p o r t l a y e r,简称c t l) ,厚度1 0 2 0 m,其作用是将负电荷传导至第二层,将曝光后 所产生的正电荷中和,如图4所示。 在电子成像技术中多层有机光导体的结构与物 理原理均与c t l与c g l有关,针对带负电的结构而 言,光导体工作过程可以分成以下三大步骤: 于c t l表面带负电:首先必须对光导体表面 充负电 (c h a r g i n g) ,使其表面产生- 6 5 0伏特的静电 压,由于电荷之间 “ 异电相吸、同电相斥”而在光 导鼓的表面形成一层均匀极性电荷。 在电荷传输层 (c t l)上曝光形成正电:此 时,如果对有机光导鼓表面进行曝光,由于电荷传 输层 (c t l)可被光线穿透,故光线可以打在电荷 产生层 (c g l)的染料上,生成电子和空穴电荷对, 染料的负电荷 ( 电子)经由吸附层传导到铝质材料 上。空穴 ( 正电荷)保留在电荷产生层。 正负电中和:此时光导体上的负电荷受电荷 产生层 (c g l)的正电荷吸引,鼓表面负电荷会由 c t l传至c g l,并与之中和,使表面电位下降。没 有曝光区域,表面电荷被保留下来,从而形成静电 潜影。 电荷产生层 (c g l)中产生的空穴被表面电荷 中和的时间越短,表面电位衰减的越快,这就意味 着该光导材料具有高速的光响应。此外,在一定的 曝光能量下,电荷产生层 (c g l)中产生的电荷量 越多,表面电位衰减的也越快,这也就是所谓的高 感度。 4)静电印刷用的光导体材料照相性能 图5表示了光导版的充电和放电情况。当对版 面进行电晕充电时,版面的电位随时间而逐渐上升, 当达到某一电位值后即不再上升,即达到所谓 “ 饱 和电位” 。停止充电后,在暗处表面电位也会缓慢衰 减,称谓 “ 暗衰” 。 “ 光衰”是指光导体受光照部位 感光版表面电位迅速下降的过程。 在图5中,v s为光导体表面的饱和电压;v 0为 光导体曝光时工作电压;v r为曝光后残余电位; v s - v0表示暗衰阶段,v0- v r表示光衰阶段。 图3 n型光导体充正电 电离电子 图5充电和电位衰减曲线 充电暗衰光衰 v v s v0 1 / 2 v0 vr t 1 /2 技术讲座 p r i n t wo r l d 2 0 0 7. 1 2 图6光导体对比 表 面 电 位 充电结束 曝光开始 残余电位 (a)新光导体 (b)疲劳光导体 光敏性 静电印版的光敏性通常是由充了电的光导层在 曝光时表面电位衰减的速度来衡量的。当表面受到 光照时,其电位迅速下降,此下降的时间即可用来 衡量光敏性的大小。通常以开始曝光时的起始电位 v衰减一半所允许的时间 ( 常用半衰期表示) ,或衰 减到残留电位达5 0伏时所允许的时间,乘上光导薄 膜表面的光的照度来表征光导版的光敏性。即,光 灵敏度用 “ 勒克司 秒”值来表示。 光灵敏度=照度(勒克司)时间(秒),此值越 大,光敏性就越低,此值越小,则光敏性越高。此 外,光敏性还与所用的光源有关。在印刷过程中一 般要求感光鼓曝光后放电要快,即光衰迅速。 光谱响应范围 光谱响应范围也就是通常感光材料上所说的感 色性,即光导体对哪些波长的光容易感光。影响光 导体感色性的因素有:a .光导体本身构成材料。不 同光导材料的光谱响应范围是不同的,无定形的硒 与硒合金这两种光导材料的光谱响应区并不一样。 b .光导体中增感成分及杂质效应。即使同一种光导 材料,由于不同的增感成分、杂质效应所得到的光 导体的光谱响应范围也是不同的。白色氧化锌的光 谱响应原来是在紫外区,但加入不同增感剂后,就 移到可见光谱区了。c .光导体制备工艺及制备条件。 当制备工艺条件做出适当的改变,光谱响应范围也 会有显著的改变。例如:同样是使用硒或硒合金, 由于镀膜时的温度不同,光谱响应也不相同。 饱和电位v s 光导材料层在暗处充电时,膜层表面所能承受 的电荷量并不是一直可以递增的,因为随着充电的 进行,光导膜的电阻将会降低,也就会使电流流过 光导材料层,从而使电荷流失。因此,当充电继续 进行到一定程度,膜层上电荷的沉积和漏失一样快, 这时表面电位就不再增加,而达到了所谓 “ 饱和电 位”值。 “ 饱和电位”值的高低与光导材料本身的 性质和膜层厚度有关,它是决定印刷图像反差量的 一个重要因素。 电荷的保持力 电荷的 “ 保持力”是光导版上的 “ 静电潜像” 能够保持的时间,它决定于版上电位的暗衰减速度, 是光导版有效暗电 阻的函数。在进行 印刷的过程中,若 充电之后曝光和显 影的时间间隔都较 长,则良好的 “ 保 持力”就成为重要 的因素。影响电荷 的 “ 保持力”的因 素有光导材料自身的性质、光导材料制备和后处理 方法、光导材料的贮存方式及使用时的空气相对湿 度。 残余电位 残余电位是指表面电位大体上随时间呈近指数 式下降后剩下的缓慢衰减部位的电位。通常都取时 间标准,例如规定曝光1秒或0 . 8秒时留下的表面 电位值即称之为残余电位,各种不同的光导材料的 残余电位值是有相当差别的。残余电位的存在导致 的问题是既影响潜像的反差,又会带来打印品的 “ 底灰” 。例如:残余电位过大,会导致电位反差过 小,最终所得图像的反差会很小。 疲劳现象 由于光导材料经过充电、曝光等过程重复循环 使用时,到一定时候总要发生一种叫做 “ 疲劳”的 现象。图6表示新的光导版与已经疲劳的光导版的 充电和电位衰减曲线,从中得出如下结论: 疲劳的光导版充电后,表面电位比较低;疲劳 的光导版表面电位上升时间较长;疲劳的光导版的 “ 暗衰”和 “ 光衰”速度都较快;疲劳的光导版的残 留电位较高。所以当光导鼓使用到一定的时间后就 该考虑更换。 ( 未完待续) 责任编辑:杨志钢 技术讲座 5 5 印刷 世 界 2 0 0 8. 1 数字印刷技术讲座 第二讲静电成像数字印刷原理 中德印刷培训中心胡维友 2静电成像基本工艺过程 静电数字印刷技术的印刷过程与卡尔逊的静电 复印过程相仿,可以分为以下几步:充电曝光 显影转移定影清洗等,如图1 0。 1)充电 充电过程就是使数码印刷机的感光鼓表面 ( 图 1 1)均匀地覆盖上一层具有一定极性和数量的静电 荷,结果如图1 2。这一过程实际上是感光鼓的敏化 过程,使原来不具备感光性的感光鼓具有较好的感 光性。充电过程是在感光鼓表面形成静电潜像的前 提和基础,是为感光鼓接受图像信息而准备的。 2)曝光 由于感光鼓的表面一般涂布有具有光导性的涂 层,感光鼓见光区域的电阻小,表现出导体的特性, 感光鼓非见光区域的电阻大,表现出绝缘体的特性。 在曝光区域的光导体涂层内的电荷生产层吸收光线 而产生与涂层表面电荷极性相反的电荷,经电荷转 移层转移到涂层表面中和表面电荷。非曝光区域的 图1 0静电数字印刷过程图1 1未充电光导体表面图1 2充电后光导体表面 ( 接上期) 曝光 充电 清洁 光导体 显影 固化转移 纸张传送路径 技术讲座 pr i n t wo r l d 2 0 0 8. 1 表面电荷依然保持,从而在感光鼓的表面形成表面 电位随图像明暗变化起伏的静电潜像的过程 ( 如图 1 3) 。曝光光源通常是扫描激光光束或l e d矩阵发 出的光束,为了匹配涂层的感色性,建议光源的波 长选择为7 0 0 n m左右。 3)显影 显影就是用带相反电荷的色粉使感光鼓上的静 电潜像可视化的过程。显影时,在感光鼓表面静电 潜像是在电场力的作用下,色粉被吸附在感光鼓上 ( 如图1 4) 。静电潜像电位越高的部分,吸附色粉的 能力就越强;静电潜像电位越低的部分,吸附色粉 的能力也相对较弱。对应静电潜像电位 ( 即电荷的 多少)的不同,其吸附色粉量也就不同。这样感光 鼓表面不可见的静电潜像,就变成了可见的与原稿 浓淡一致的不同灰度层次的色粉图像。 目前,显影方式有两种:干式显影和湿式显影。 干粉显影是带电的色粉转移到已经形成静电潜 影区,在静电场力的作用下,带电色粉会自动聚集 到潜影上,然后清除剩余的色粉。干粉显影剂可用 单组分或双组分,色粉所带电荷与潜影的电荷相反。 采用干粉色粉显影的主要有x e i k o n、x e r o x、a g f a、 c a n o n、i b m、柯达、曼罗兰等公司。 以双组份墨粉显影为例:墨粉吸附在(磁性) 载体表面,这种吸附为物理吸附,被载体搬运到光 导体表面,载体承担着搬运工的角色,实现色粉的 高速搬运任务。墨粉在静电潜影形成的电场力作 用下摆脱与载体间的物理吸附力的束缚,高速飞向 并附着在光导体表面实现显影,通常显影过程可以 在0 . 1秒内完成。 液体显影中,墨粉悬浮于绝缘液体中,既能获 得电荷又能作为显影的调色剂。由于粒子是在液体 中的,所以这时采用电泳原理实现显影。采用液体 显影技术的主要是h pi n d i g o,其成像系统的分辨率 更高,印刷质量更好。这类显影液油墨的特点在于: 色粉分散容易,不易聚集;色粉尺寸小,一般 在1 m左右。可以实现高分辨率输出。需要适 当的溶剂回收装置。 4)转移 转移就是用承印介质贴紧感光鼓,在承印介质 的背面施加与色粉图像相反极性的电荷,从而将感 光鼓已形成的表示图像信息的色粉转移到承印介质 上的过程。当承印介质与已显影的感光鼓表面接触 时,在纸张背面使用电晕装置对其放电,该电晕的 极性与充电电晕相同,而与色粉所带电荷的极性相 反。由于转印电晕的电场力比感光鼓吸附色粉的电 场力强得多,因此在静电引力的作用下,感光鼓上 的色粉图像就被吸附到承印纸上,从而完成了图像 的转印。 5)定影 定影就是让不稳定、可抹掉的色粉图像固着在 图1 3曝光后光导体表面 图1 4显影后光导体表面 表1不同显影方式的分辨率 显影方式分辨率 (d p i) ( 干法)瀑布式显影2 5 4 3 8 1 ( 干法)磁刷显影6 0 0 1 0 0 0 ( 干法)雾状显影3 5 5 6 5 0 0 0 ( 湿法)液体显影6 3 5 0 2 5 4 0 0 技术讲座 5 7 印刷 世 界 2 0 0 8. 1 承印材料上,以形成最终的印刷品。针对不同的显 影方法,定影方法也不同,如干式显影通常采用加 热方法,有时也采用加热与加压相结合的方式,对 热熔性色粉进行定影。加热的温度和时间以及加压 的压力大小,对色粉图像的粘附牢固度有一定的影 响,其中,加热温度的控制,是图像定影质量好坏 的关键,如果热量过多,彩色图像在纸张表面上就 会发生变形,最终会引起纸张传递问题。而湿式显 影则多用蒸发的方法来定影。 通常选择定影方式时,可以针对色剂与载体的 性质采用综合有效的方法进行,以达到定影效果才 是最终目的,比如h pi n d i g o就是采用蒸发与加热相 结合的方法。 6)清洗 清洗就是清除经转印后还残留在感光鼓表面色 粉的过程。这也是静电成像的无版特征的重要体现, 真正实现了可变信息的印刷。由于色粉图像受表面 的电位、转印电压的高低、承印介质的干湿度以及 与感光鼓的接触时间、转印方式等的影响,其转印 效率不可能达到1 0 0 %,在大部分色粉经转印从感光 鼓表面转移到承印介质上后,感光鼓表面仍残留有 一部分色粉,如果不及时清除,将影响到后续复印 品的质量。清洗感光鼓表面残余色粉的主要方法是 机械法,也就是采用刷子或抽气泵清洗掉滚筒上残 余的色粉,针对滚筒表面存在的残余电荷,采用对 滚筒表面进行全面曝光的方法来解决。 3静电数字印刷机的功能部件 静电印刷的过程可概括为三大主要步骤:潜像 生成、图像显影和图像转印。所涉及的功能构件分 别包括:潜像生成部分有光导材料及相应的辅助构 件、充电装置和曝光装置;图像显影过程主要是供 “ 墨”装置、显影装置;图像转印过程主要是转印装 置。此外,一次成像结束后,还要有清洁与消电过 程,为下一个工作循环做准备。所以清洁与消电装 置也是印刷系统中不可或缺的过程。 1)成像系统 目前,静电印刷系统的常见成像方式有四种, 分别为:旋转镜光学偏转成像系统;l e d阵列 控制曝光成像系统;带数字微镜装置的曝光成像 系统;带光阀控制的曝光成像系统。 旋转镜光学偏转成像系统 ( 如图1 5)中受控激 光照射到旋转镜上,经旋转镜的偏转照射到经过充 电后的光导鼓表面,形成静电潜影。 l e d( 二极管)阵列控制曝光成像系统 ( 如图 1 6)中是把l e d元件按记录要求像素数配置成直线 状,自聚集透镜阵列、塑料透镜阵列或等腰反射镜 构成等倍成像光学系统,进行图像曝光。l e d阵列 光学系统可以使光学系统小型化。 带数字微镜装置的曝光成像系统 ( 如图1 7,见 下页)中采用一个面阵列的数字反射微镜系统和常 规紫外光源,微镜系统集成了数十万个微小的反射 镜,每个反射镜的反射状态都可以通过计算机控制, 图1 5旋转镜光学偏转成像系统 图1 6阵列控制曝光成像系统 技术讲座 pr i n t wo r l d 2 0 0 8. 1 因此从其上面反射的光束可以得到o n / o f f两种状态 的调制,从而完成数字曝光控制。 带光阀控制的曝光成像系统 ( 如图1 8)中将常 规的汞灯发出的紫外光束引导进入光阀,对紫外光 束进行调制,控制光束的工作状态( o n / o f f状态), 然后再经过光导纤维将调制后的光束引导到印版表 面,对印版进行曝光。光纤按照线阵列排列,覆盖 了印版的整个幅面,因此主扫描不涉及到任何光学 部件做机械运动,极大地提高了曝光扫描的速度。 2)着墨系统 显影过程的重点是在静电或者潜像上,用色调 剂忠实、快速地附着必需的色粉量或者油墨量,从 而得到鲜明、浓度充分的印迹。如果在背景部分无 色调剂附着,则显影速度及附着色调剂量,在显影 领域依赖于静电潜像的电场构造和色调剂粒子的带 电电荷量。 在显影过程中,作用于色调剂的潜像电场极为 重要。图1 9是静电潜像电场上电力线的模型。图 1 9( a )是图像中线条与实地密度图像的边缘部分有 强的静电电场作用。这就是边缘效应。另一方面实 地图像的潜像中间部分电场很弱,这就是实地图像 显影困难的原因。图1 9( b )在静电潜像上方设置显 影电极,有效地控制边缘效应。显影电极能改变静 电潜像电场的情况,有增加实地图像电场的作用。 使用显影电极时,静电潜像的显影几乎与光导 体表面各部分对应的电荷密度成正比例。光导体表 面和显影电极之间的电场与光导体表面的电荷密度 成正比,与光导体和电极间的显影距离成反比。因 此,显影电极越接近光导体,效果越佳。 显影电极对显影的层次及实地图像是不可缺少 的。在显影电极上加正或负的偏压,可以改变图像 的反差,也能进行反转显影。 3)定影和清洁系统 定影过程一般都需要把色调剂软化,熔化后使 其渗入纸纤维中,一般采用压力和热能定影。为了 得到充分的定影效果,色调剂必须从固体状态转变 为液体状态。伴随着能量的施加,色调剂状态从半 融、扩展到浸透,最终完成定影。从固体向液体变 化,色调剂的玻璃转换温度是很重要的特性指标。 在温度与压力作用下,色调剂粘着特性的控制也是 很重要的。 ( 未完待续) 图1 7带数字微镜装置的曝光成像系统 图1 8带光阀控制的曝光成像系统 图1 9静电潜像电场上电力线的模型 光导鼓 区配系统 (l e d标准) l e d和驱动i c 自动对焦光学系统 i c芯片 i e d芯片 温度传感器 钢座/集热器 冷却格 ( 槽) 线条 潜像电荷 感光体 显影电极 技术讲座 5 9 pr i n t wo r l d 2 0 0 8. 2 ( 接上期) 数字印刷技术讲座 第二讲静电成像数字印刷原理 中德印刷培训中心胡维友 4油墨印刷材料 1)色粉 基于静电成像原理的数码印刷机是通过使用墨 粉或电子油墨来印出图像的。色粉按照成分进行分 类,可以划分为两类:单组分墨粉和双组份墨粉。 单组份墨粉既是着色剂,又是色粉本身,同一种色 粉分别带正负两种电荷,而无须载体。黑白数码印 刷机的色粉多采用由氧化铁组成的单组份墨粉。双 组份墨粉由载体颗粒和颜料颗粒(着色剂)组成, 双组份墨粉中颜料颗粒是不带电荷,而带电的颗粒 是载体颗粒(c a r r i e r) ,细小的颜料颗粒可以附着在 载体颗粒上,当载体将颜料颗粒转运到承印材料上 后,载体可以也就完成了其使命。彩色数码印刷机 一般都采用双组份的墨粉。 单组份墨粉 单组份墨粉按照物理性能可以划分为磁性墨粉 和非磁性墨粉两种,单组份墨粉显影的明显优势在 其简单性,体现在成像系统的部件减