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喷墨印花--建陶印刷技术的一大革新

中达电通股份有限公司
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摘要:中国是世界公认的建陶生产大国,建陶产量占全球产量的65%,但由于印花设备和技术的落后,产品仅被定位在中低档水平,同时高能耗、高污染、高排放的现状也困扰着中国建陶业的发展。喷墨印花技术具有能耗低、效率高、印刷的产品质量好等优点,该技术的引进和发展,必将为中国向建陶生产强国迈进提供强有力的技术支持。
关键词:建陶    瓷砖    丝网印花    辊筒印花    喷墨印花   
Inkjet printing--The revolution of printing technology in tile industry
HUANG Feng-ge
(Shanghai Teckwin Development Co., Ltd   Songjiang Shanghai  201601)
Abstract: Tile production in China is much more than 65% all over the world which is considered as the biggest one.  Somehow as the production equipment and printing technology is dropped behind, the tiles which made in China are located as the middle or low levels’ products.  Meanwhile the current situation such as high energy consumption, high pollution and high emission also frustrated the development of Chinese tile industry.  Inkjet printing technology with its advantages in low energy consumption, high efficiency, good quality printing and etc., the introduction and development of this technology will provide the strong technical support to lead Chinese tile manufacturing from quantity to quality.
Keywords: Tile industry    Tiles    Screen printing    Rotary printing     Inkjet printing
 
建陶印花技术的现状及存在的问题
    中国是陶瓷生产大国,墙砖、地砖等建陶产品又是人们生活密不可分的重要组成部分,随着中国经济的腾飞,尤其是房地产业的迅速发展,人们对建陶产品的需求不断提升。近十年来,中国建陶生产的增长速度每年都超过10%,2010年中国建陶产值已占到GDP总量的1.2%,产量占全球的65%,出口占全球产量的25%以上。
    瓷砖的主要生产过程为:备料-压制成型-干燥-施釉及印花-烧成—抛光/打蜡。其中施釉及印花过程(即印刷过程)是窑前彩图瓷砖生产的关键,其工艺方式和过程较大程度地决定了原材料消耗率、正品率、产品档次、生产成本、能耗、污染、排放等因素。作为陶瓷生产工艺核心的印刷技术已经历过丝网印花和辊筒印花两大技术时期。
    丝网印刷属于孔版印刷,它与平印、凸印、凹印合称为四大印刷方法。其原理是通过一定的压力使墨水透过孔版的孔眼转移到承印物上,形成与原稿一样的图案或文字。丝网印刷是我国的一大发明,距今已有两千多年的历史,曾广泛应用于纸张、织物、皮革、金属、塑料等承载物的印刷,成为设计装饰、艺术、广告品的主要工艺之一。上世纪70年代,现代建陶工业在我国兴起之时,平板丝网印刷就开始广受关注,但是我国瓷砖施釉线上机械化、自动化的丝网印花设备却是首先从意大利进口的,直到上世纪80年代这种平板丝网印花机才实现了国产化,美嘉、希望、伟声等一批自动印花机企业应运而生,平板丝网印花技术也随之得以全面普及。
    丝网印刷具有制版简易、操作方便、适应性强等特点,但是由于丝网印花的网印是一种平面转印印刷,在对凹凸砖面的印刷上受到限制,难以实现表面的多元化和立体效果,并且印刷效率也低。
与丝网印花相比,辊筒印花是一种柔性印刷,其突破在于可以实现在一定凹凸面上的印刷,从而使砖的表面层次更加丰富,对自然的仿真度更高。其原理是通过多个涂有不同色彩涂料的辊筒连续转动来实现瓷砖表面的彩色印花,从而提高了印花工艺的生产效率。辊筒印花技术的出现可以说是瓷砖印花技术的一大进步,据悉是意大利西法尔公司于上世纪中期开始采用了这种技术,并在全球多个国家和地区申请了专利,在中国获得专利授权的时间是1999年。如今这种辊筒印花设备已被中国众多企业所采用,从个别到一般的普及过程算起来也不过10年的时间。
    可以说现代建筑陶瓷设计是从丝网印花的网印开始的,逐步进步到辊筒印花的辊印。但是,无论网印还是辊印都属于转印的范畴,存在很大的局限性:
1.需要事先制版,必须投入时间、金钱和材料,不能随时印制,印刷数量的多或少也都受到限制。
2.印刷时需要压在砖坯表面上,容易压坏砖面,良率低。
3.印刷色彩较为单一,质量不高。
4.印刷效率低,污染和能耗高。
    在人们对建筑陶瓷的数量和样式需求迅速提升的今天,网印和辊印已经不能满足人们的需求。中国虽然是世界公认的建陶生产大国,但产品一直被定位在中低档市场,在世界瓷砖市场上卖不上高价,这与采用的印刷技术不够先进不无直接关系。尤其是印刷效率低、能耗高与追求高效、提倡节能环保的当今社会格格不入,受到了来至各方的压力。一台四色版(C/M/Y/K)网印或辊印机加上单色印花釉的色料制备等工序耗电量在8500~12000kW, 是瓷砖生产技术强国意大利和西班牙所采用印刷机耗电量的2000-3000倍!瓷砖生产过程的污水排放和固体废物产生量分别占我国工业污水排放和工业固体废物产生量的0.8%和1.0%,这其中印刷阶段的排放占有相当比重。摘不掉高能耗、高污染和高排放“三高”帽子的瓷砖建陶业一直是我国能源困局的一员,每年用电高峰时,瓷砖厂总是被排在首轮限电用户之列。由于能耗高、售价低,我国的陶瓷行业每百万美元能耗是世界平均水平的3.1倍,是日本的9倍。为此,国家制订了《建筑卫生陶瓷产品单位能耗限额》、《陶瓷工业污染物排放标准》等一些列国家标准,根据这些标准,将有超过20%的中小陶瓷企业因达不到要求而面临被淘汰。
    由此可见,中国建陶业已经陷入“内忧外困”的境地,如不寻求技术改造和创新,将会陷入“高能耗—低附加值—无市场—无资金改造—高能耗”的恶性循环。业界也在寻求更加先进印花技术的出现。2010年初喷墨印花技术的引进堪称陶瓷印刷技术的一大革新!
喷墨印花技术
    喷墨印花技术是一种无制版、无接触式压力的喷墨印刷技术。它将电子图像直接成像在陶瓷介质表面,省却了传统陶瓷印制的多项工艺过程,从而突破了传统印花技术的局限,可以达到前两种技术无法印刷出的效果。
    喷墨印花技术的工作原理类似于喷墨打印机,将需要的彩色图案通过电脑传输处理后把专用的墨水打印在瓷砖生坯上,整个打印过程只需几秒钟,尔后再经过高温烧制即可成为靓丽炫彩的瓷砖产品。
    喷墨印花机的结构主要包括机架支撑系统、导料系统、供墨系统、车头打印系统、清洗系统、显示控制系统等。其中最核心的部件是车头打印系统中的喷墨打印头,此外,墨水和计算机的传输设备也有很高的技术含量。喷墨打印头属于微电子机械技术范畴,目前主要用压电式喷墨打印头。该打印头喷孔上部有一腔体,可储存一定容量的墨水,腔体外侧装有压电陶瓷,当受到脉冲电压冲击时压电陶瓷可变形产生压力,从而挤压喷孔中的墨水,使其喷出,喷射出的墨水落到打印介质上形成墨点,不同颜色喷孔喷射出的墨点就组成了图案。打印头上的喷孔和墨管相连,通过可精确控制墨水容量和墨路压力的供墨系统可为打印头提供连续工作的墨水,此时再通过打印控制系统控制喷孔上的压电陶瓷就可获得需要打印的图案了。
    喷墨印花在产品设计上完全通过高数码传输,能精准地再现天然石纹的每一处细节,真正达到千变万化的图纹效果。不仅可以印刷凹凸面、斜面,而且不受限于局部纹理的重复叠印,使得每一片的纹理都可以不同,变化更为丰富,能够满足不同客户的个性化需求。喷墨印花技术出现后,瓷砖生产将由"复印"时代走向"打印"时代。
    事实上,喷墨印刷技术几年前已经在意大利、西班牙等国家的陶瓷行业被广泛应用,但一直被限制出口到欧洲以外的国家。直到金融危机后的2009年,意大利SERTAM公司才在广州陶瓷工业展上展出PINK系列喷墨印刷机,这标志着国外对华喷墨技术封锁首次破冰。杭州诺贝尔瓷砖率先引进意大利Kerajet数码喷墨印刷系统,并于2010年初推出塞尚数码系列产品。随后,昆山冠军推出与意大利System合作的Rotodigi辊筒印花和喷花印花一体的皇品数码系列产品,上海斯米克推出采用德国-意大利合作技术INK-CID数码喷印系统生产的釉抛砖、致臻幻彩系列产品。金牌亚洲采用意大利进口NEWTECH喷墨印花机,推出金牌阿凡达3D喷墨砖等。

    现在国内约有十几台进口的喷墨印刷机在不同的工厂运行,与此同时,国内的一些设备厂家也在抓紧进行喷墨印刷机的研发。目前,上海泰威技术发展有限公司已经开发出了离线实验机TeckBlaze1500型、在线生产机TeckVersa700型和在线生产机TeckVersa1000型瓷砖喷墨印花机。在2011年5月结束的广州陶瓷工业展上,共有12家来自国内、外陶机厂商展示瓷砖喷墨印花机,由此可想,在未来5年内我国瓷砖喷墨印花机的使用情况应当会得到快速发展!


1 海泰威技术发展有限公司开发的TeckVersa 700外观图

喷墨印花技术的优势
    与传统的丝网印刷和辊筒印刷相比较,喷墨印花技术具有明显的优势,具体体现在以下几个方面:
一、产品质量
    喷墨印花技术改变了传统的接触式压力印刷,能用于凹凸面、斜面、薄瓷砖的印刷,可实现多角度、高致密性印花,完全呈现瓷砖的立体造面效果。
    喷墨印花分辨率提升到360dpi以上,逼真度高,在同一片瓷砖上可表现几十种颜色,甚至可以表现出颜色的渐变,在色彩和质感上都可重现各种自然质地。相比传统丝网印刷的四种颜色(特殊的六种),喷墨印花的色彩表现更为丰富炫丽。
二、图案设计
    由于不需要传统印刷方式的制版,图案可以是常用的大理石纹理,也可以是街头随手拍来的风景照,设计更为自由,能充分发挥设计师的专业能力,为顾客量身打造最适合的产品。
三、操作控制
    喷墨印花打破了传统印刷方式的版数限制,可以灵活地进行小批量生产,一台中性设备一个人就可完成操作。生产空间也可以更小。
四、生产效率
    设计输出—印版制作—印刷—烧成,传统的丝网印刷至少需要三天时间,辊筒印刷至少需要两天时间。而喷墨印花技术,从设计输出到喷墨印花再到烧成只需要三、四个小时,大大提高了生产效率。
五、降低能耗
    喷墨印花技术由于省略了制版、取消了设计和印刷数量上的限制,从而大大降低了产品开发或转产的成本。成品可随需印制,实现零库存。
    喷墨印花采用喷洒技术,本身耗费的油料和颜料较少,墨水利用率高,几乎没有浪费。此外,效率高、能耗低、良率高、废料和排放少也是喷墨印花技术在降低能耗方面的主要表现。
下面的对照表,能够比较清楚地说明情况:

表1:喷墨印刷与传统印刷技术的流程对比

 
表2:喷墨印刷与传统印刷技术的综合性能比较

喷墨印花技术的前景展望
    在中国,建陶喷墨印花是一项新兴的技术,也是瓷砖制造行业的新趋势,与欧洲国家相比还处在起步的阶段。意大利和西班牙是瓷砖生产技术的强国,两国瓷砖的产量和占全球22.5%。虽然数量不如中国多,但由于普遍采用数码喷印技术,其售价是中国出口产品平均价格的3-12倍。两国建筑卫生陶瓷企业的综合能耗指标(≤300khce/t)、综合电耗(≤360kWh/t),比中国企业的综合能耗指标(≤350khce/t)、综合电耗指标(≤400kWh/t)分别减少了14%和10%以上。喷墨印花技术的优势表明,发展喷墨印花技术必将会降低能源和生产成本、提升售价、获得更多的利润,同时也必将会得到政府的支持,所以喷墨印花技术在中国快速发展是一个必然的趋势。        
    喷墨印花技术的发展也必将推动喷墨印花设备的国产化。喷墨印花技术的核心是喷墨打印头、墨水和计算机的传输设备,在其实现国产化之前,采购价格昂贵、维护成本高,这直接制约着喷墨印花在国内的发展。中国现有4200-4500条瓷砖窑生产线(不含小窑),每条生产线需要1-2台印花设备,以每年平均5%的装机率计算,市场可发展的空间是每年200台以上。按每台设备平均售价350万元(进口设备约550万元/台)和毛利率50%计算,其利润是相当可观的,这还不包括未来生产线的增长和设备的更新。该利润和商机的存在必将驱动一些有实力的公司投入研发和生产。未来几年我国瓷砖喷墨印花机的市场格局可能是三分之一完全进口,三分之一喷头、软件、板卡等进口,三分之一只有喷头进口,其它部件国产化。在这方面,上海泰威技术发展有限公司已经走在了使瓷砖喷墨印花设备向最大程度国产化进军的前列。
    目前欧洲已有超过85%的建陶生产线运用了喷墨印花技术,设备数量达到了300多台。欧洲建陶印花技术的现状将是近几年中国建陶业印花发展的方向。中国必将由现在的建陶生产大国变为未来的建陶技术强国!
 
作者简介:
    黄风格,1997年毕业于河南大学化学工程专业,现就职于上海泰威技术发展有限公司,主要负责瓷砖喷墨打印机的开发和生产项目
 
参考资料:
1>     关于开展单位产品能耗限额标准执行情况和高耗能落后机电设备(产品)淘汰情况专项督查的通知,中华人民共和国工业和信息化部节能与综合利用司, http://jns.miit.gov.cn/n11293472/n11295091/n11299314/13310547.html,2010年07月20日
2>     2008年建材工业经济运行情况分析,中华人民共和国工业和信息化部原材料工业司,http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11295125/n11299425/12164560.html2009年03月11日
3> 中华人民共和国国家发展和改革委员会产业结构调整指导目录2011年本,

 
 
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