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1、解析数字印刷的工艺原理数字印刷是由数字印刷系统接受全数字印刷信息，并通过它直接控制输出印张，因此不需要印版。根据采用的数字印刷技术类型不同，图像即可以通过中间载体或成像表面转移，例如在静电照相印刷中，感光鼓曝光、着墨后，再将印刷图文信息转移到纸上，又可以不用中间载体将图像直接转印到纸上，例如喷墨印刷。在数字印刷系统的印前阶段，页面上的文字、图形、图像通过拼版软件生成数字文件，再通过光栅图像处理器（RIP）处理将印刷图文的输出信息传输到数字印刷系统，然后在该系统中，进行成像和印刷工作。数字印刷的成像表面没有存储功能，没有固定不变的图文部分和非图文部分。成像后，通过专门的着墨装置对图文部分着墨，印
2、刷的图文信息就直接转移到纸上或通过中间载体（例如橡皮布滚筒）转移到纸上，成像表面必须经过重新清洁和必要的准备以达到规定的初始状态后，才能为下一个印刷页面成像做好准备。实际上，不同的数字印刷机其印刷装置部分设计要依据不同数字印刷成像原理进行设计。1、成像技术类型基于不同的物理化学原理，数字印刷技术包括许多不同类型的成像技术，例如静电照相、喷墨成像、热成像、离子成像、电子成像、磁成像和感光照相成像等方法。 如表2.1所示，列出了各种数字印刷成像原理的分类，静电照相的基础是光电效应；离子成像则是通过电荷转移生成图像；磁记录成像是通过改变载体表面的磁场模式形成图文部分和非图文部分的；喷墨成像是墨水通过
3、喷射系统直接将图像转移到承印物表面；热成像是通过特殊的油墨载体（如带状材料）利用热效应来产生印刷图像，它又可以细分为热升华（塑料升华）和热转移（蜡转移）成像；感光照相是根据图文信息控制产生光信号对感光材料曝光实现的。其他成像方法是指不隶属于上述技术的其他数字印刷成像方法的总和，这些技术包括“直接成像/诱导成像”、“色粉喷墨成像”、“离子流成像”等。在数字印刷中，常常需要使用特殊的油墨通过物理效应来产生图像。例如在静电成像系统中，使用液体呈色剂或干式色粉，采用干式色粉显影的静电成像系统分辨率可达到600-800dpi，采用液体呈色剂显影的可达到数千dpi，每个像素的阶调数可以是多值的，而且可以在
4、普通承印物上成像，呈色剂为颜料，与传统的胶印相似。喷墨成像系统则使用低速液态油墨或热熔融油墨，油墨成像具有300-1500dpi的分辨能力，阶调数为多值，而且成像速度非常高。大多数喷墨成像的呈色剂以燃料为主，最终影像的形成依赖油墨与承印物的相互作用。因此，喷墨成像系统一般需要使用有油墨配套的专有承印物，以便实现油墨与承印物之间在性能上的最佳匹配，可以采用颜料的普通成像一直是喷墨成像技术发展的一个方向，同时，也是技术难点所在。热成像则应用彩色油墨载体在专用承印物上实现转印。表2.1 成像方式2、 静电照相数字印刷由于实验条件的限制，本课题以静电数字印刷为例，研究影响静电数字印刷的质量因素。所谓静
5、电照相数字印刷是不借助压力，而用异性静电吸引的原理获取图像的印刷方式。因此，依靠异性静电吸引完成图文信息转移是静电印刷的主要特征。静电照相技术很早就为人们所数字与应用，从技术观点来看，静电照相就是把物质的光导电性能和静电现象结合起来进行照相、记录、印刷。静电照相和光学照相的主要区别在于感光剂。光学照相的感光剂多为银盐，利用见光部分发生光化学反应原理实现成像。而静电照相的感光剂是光导电物质，见光后发生物理变化形成图像。2.1 概述静电照相技术成像技术发源于20世纪30 年代，至今已有近80年的历史。静电照相成像概念的正式提出是在1937年，世界上首个静电照相专利批准于1942年，卡尔松发明第一台
6、自动复印机已经是1944年。由于卡尔松的不懈努力，以及Battele Memorial 研究所和美国军方的介入，大大加快了静电照相复印技术的研发和推广进程，在1948年召开的底特律光学技术年会上，诞生了Xerography 这一专业名词，它来自希腊语，原意是“干写”，至今还在使用。20世纪50 年代是静电照相成像技术的快速发展时期，不断有关于静电照相的技术发明出来。例如在真空条件下使非结晶碘蒸发到铝板上形成灵敏度更高的光感受器（相当于光导体的材料）,用电晕导线充电装置代替卡尔松的摩擦充电法，研究和开发出了双组分结构的墨粉颗粒，以及在普通纸张背面进行电晕充电提高纸张对墨粉的吸附性能等，这些发明成
7、为施乐914型静电复印机的核心技术。2.2 静电照相的基本原理静电照相是应用最广泛的数字印刷技术。静电成像技术最初用于静电复印，是利用光导和静电效应相结合实现的。静电照相通过激光扫描方式在光导体表面形成静电潜像，再利用带电色粉（电荷符号与静电潜像相反）与静电潜像之间的库仑作用力实现潜像可见（显影），最后将色粉转移到承印物上完成印刷。1. 半导体的光电导效应 静电照相的基本工作原理就是“光电转换”，它的核心部件是感光鼓。感光鼓是一个光敏器件，主要用光导材料制成。光导材料是某种半导体材料，在受到光照射时，如图2.1所示，其晶体内的电子吸收了光子的能量后，能引起电子从价带向导带的跃迁；或是使电子从施
8、主能级向导带的跃迁；或是使电子从价带向主能级的跃迁。不论哪一种跃迁，都能使载流子的浓度增加，从而使其电导率也增大，这种现象称为光电导现象或光电导效应。我们将具有光电导效应的半导体材料称为光电导材料或光敏半导体。（简称光导体）。从能带上讲，它的价带中的电子吸收了光子的能量后，跃入导带，产生电子-空穴对。这种由光照产生的电子-空穴对，称为光生载流子。为了能与热激发有所区别，通常将光子所激发的载流子称为光生载流子。光生载流子的浓度主要取决于入射到半导体的光量子的数目，即光照度越强，光量子的数目越多，光生载流子的数目也就越多，光电导效应也就越强。除此之外，光电导效应还与光的波长有密切的关系，在光强相等
9、的情况下，如果光的波长不同，则光电导效应也不相同。图 2.1 半导体能级图光导体材料具有很强的捕获光量子的能力，它们的工作状态可以表示如下：在暗处时，光导体的内部载流子数目很少，因此表现出很高的绝缘电阻率（1014-1015），几乎是绝缘状态。当光导体处于绝缘状态时，其表面可以沉积电荷，即用某种方式向其表面充电时，能将电荷保存起来。光敏半导体在暗处呈现出的高电阻通常称为“暗阻”。光敏半导体具有很高的暗阻特性，称之为光敏半导体的静电特性。当已经充电的光导体表面受到光照射时，由于光量子的作用，其内部载流子数目急剧增加，其导电能力也骤然提高，几乎与导体一样可以通导电流。此时，光导体表面已沉积的电荷可
10、以通过半导体内部逃逸，因此半导体也就被激活成导体。光敏半导体受光照射后，会改变物体的“载流子迁移率”，其中迁移率是载流子的迁移速度与外电场的比值。标志物体的导电能力的“电导”，等于载流子密度乘以迁移率。迁移率上升，电导提高，电导率由本征光电导率、杂志光电导率和迁移率的值共同决定。光导体受光量子激活后其导电能力显著增加的特性又称之为光敏特性。光敏导电的机理并不像一般半导体那样简单，既不是所有的半导体对一切波长的光具有光敏特性。同一种光敏半导体可能对某一波长的光具有较好的感度，而对另一波长的光毫无反应，即仍然呈绝缘状态。这是由于不同波长的光的光量子能量不同，因此对光敏半导体的作用效果也不相同。由于
11、光导体的电导率与它对光的敏感程度呈正比。所以光感度对光导体的导电性影响很大。在静电照相数字印刷中使用的光导体的光敏区域的波长范围在700nm附近。在静电照相数字印刷中，可以用不同光电导材料制成不同的光导体。静电照相就是利用这种光敏半导体材料的静电特性和光敏特性，在光导体上建立不同的电位差以形成静电潜像这一物理现象实现的。2. 着墨（显影）原理为了获得可见图像，用带电的色粉与静电潜像接触，利用异性电荷相互吸引原理，将色粉吸附于潜像上，从而形成可见图像，此过程称为“着墨”或“显影”。所使用的色粉称为呈色剂或色粉，携带色粉使之与静电潜像接触的颗粒称为载体。由此可知，显影的必要条件是潜像表面应具有足够
12、的静电场，色粉应带有适量电荷。色粉带电主要是接触摩擦带电和通过电场带电，其次是电晕放电法，使色粉带一定极性的电荷，以此利用溶剂来分散呈色剂，使呈色剂粒子表面带电荷。目前使用做多的还是接触摩擦带电法。根据摩擦带电理论，当显影剂中的色粉与载体在互相接触、相互摩擦的过程中，一种物质失去电子而带正电荷，另一种物质得到电子而带负电荷。根据“摩擦带电序列”，在序列中居前的带正电荷，靠后的带负电荷。色粉的作用是借静电力而吸附于光导体表面上，使静电潜像变成可见图像。因此色粉的电荷极性与静电场的极性相反。在静电影像中，色粉和载体哎显影装置中接触，并通过搅拌机构充分搅拌而各自带上相反极性的电荷。色粉带电量应适度，
13、其理由是色粉带电量的多少将直接影响显影的质量。例如当色粉颗粒半径一定时，带电量越大，其显影的浓度就越大，色调就越淡；带电量越小，显影浓度就越大，图像就越深。这是因为图像经过曝光后，在静电潜像的单位面积内所存留的电荷量是一个定值（忽略曝光后到显影签的暗衰），当每个颗粒的色粉带电量越大时，单位面积的潜像所能吸附的色粉颗粒就越少，因此显影浓度就越小，反之也是一样。3. 静电照相的工作原理静电照相的工作原理如图2.2所示，其印刷过程可以分为5个阶段：（1）成像（2）着墨（显影）（3）呈色剂的转移（印刷）（4）呈色剂定影（5）清洁（调整）静电照相印刷过程详细阐述如下：图2.1 静电照相的工作原理（1）成
14、像首先对光导鼓表面充电，即系统的敏华过程。目前静电照相技术一般都在感光体表面通过电晕放电，使其表面带有同一种均匀的电荷，具有足够的电位。接着，由激光器或LED发射出来的光束，经反射镜射入声光偏转调制器，与此同时，由计算机送来的二进制图文点阵信息经频率合成器及功率放大器加至声光调制器上，对由反射镜射入的激光束进行调制。调制后的光束射入多面转镜，再经广角聚焦镜等光学系统把光束聚焦后射至光导鼓表面上，使角速度扫描变成线速度扫描，完成整个扫描过程。如图2.2所示，照射到光导鼓上的光脉冲信号与印刷空白部分对应。在扫描过程中，曝光区域通过光导鼓的传输层进入产生层，产生层在光能的激发下产生光生载流子；在电场
15、作用下，负电荷载流子进入传输层，通过传输层载流子被传送到感光体表面与表面正电荷中和，正电荷载流子进入导电底基与感应的负电荷中和。也就是说，当激光束或LED以点阵形式扫射到感光鼓上时，被扫描的点因曝光而导通，电荷由导电底基接地迅速释放。没有曝光的点仍然维持原有电荷，这样在感光鼓表面就形成了一幅电位差潜像（静电潜像）。由于静电照相通常使用激光以及LED作为光源，因此被称为“激光打印机”或“激光印刷机”，而不是“静电打印机”或“静电印刷机”，但从工作原理上来看，后者更准确。静电照相的数字印刷与静电复印机的原理相同，当在静电复印机种采用卤素灯光直接对原稿扫描时，原稿中空白部分的反射光使光导鼓上的对应部
16、分曝光，相应的电荷被释放，产生静电潜像，而静电数字印刷时采用数字信号进行曝光控制的。（2）显影（着墨）静电照相一般采用专用油墨，分为干式色粉和液体呈色剂。其中干式色粉是一种含有热熔性树脂和色素的铁状物质，也叫墨粉。在墨粉中掺入经方氧化处理的铁法，因铁法和墨粉凝聚在一起有接触电位差，使墨粉带负电荷，铁法带正电荷。铁墨混合物叫做显影剂，显影剂通过磁刷从显影槽中溢出，磁刷上的墨粉因带负电荷，遇到正电荷组成的图文潜像就被吸附过去，而铁粉带正电荷，被同性电荷排斥回显影剂槽里，而没有静电潜像的空白部分自然不会被墨粉涂上。在静电成像中决定因素图像质量的主要因素是色粉中颜料或染料的呈色方式。着墨过程是利用电子
17、潜像的差异（电场），以非接触的方式，使用着墨装置将细小的色粉微粒（约8m）转移到光导鼓上来完成的。如图2.2所示，由于曝光时正电荷被释放，在滚筒上形成了与印刷图文一致带正电荷的潜像。使用了带有负电荷的色粉着墨时，由于静电吸引力，图文潜像吸附色粉，光导鼓上的电荷潜像变得可见。（3）呈色剂转移（印刷）呈色剂可以直接转移到纸上，也可以通过中间的转换装置如鼓或带转移到纸上。如图2.2所示是从光导鼓直接转移到承印材料上。为了保证带电色粉微粒从光导鼓转移到纸上，在压印线上安装电晕放电装置来产生更大的静电力，这个静电力必须能确保色粉脱离光导鼓转移到纸上。同时为了保证转移效果，还要借助光导鼓表面和纸之间的接触
18、压力来辅助完成。（4）呈色剂融化/定影为了固定色粉微粒形成稳定的印刷图像，还需要使用定影装置。一般采用加热纸张和接触压力使油墨融化并固着在纸上。（5）清洁如图2.2所示在印刷图像从光导鼓转移到纸张上以后，在光导鼓上还有残留着剩余电荷和少量色粉微粒。为了使光导鼓做好下一次印刷的准备，可以采用机械和电子方式对表面进行清洁。机械清洁时采用刷子和吸尘方式来除去色粉微粒，电子清洁（即电荷中和）则通过改变电场或AC电晕的方法使光导鼓表面呈中性并与色粉微粒无关。在下次成像之前，光导鼓通过电晕放电再次使光导鼓表面带有同种均匀电荷，并根据印刷图文控制成像过程。作者：李洋 电话：单位：武汉大学印刷与包装系2010级研究生
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