喷墨打印头陶瓷喷孔的皮秒激光加工研究

    褚祥诚+仲作金+张红军+张淑兰+周梅+崔宏超+文军+钟敏霖

    摘 ?要：喷墨打印头的喷孔直径一般为几十微米，材料一般是有机薄膜、不锈钢薄片等。针对有机膜等作为喷嘴板材料的缺陷，采用氧化锆陶瓷代替，以提高耐磨能力和耐腐蚀性。采用皮秒激光打孔方法，可在多种材料上加工出直径几十微米的小孔，包括聚酰亚胺（厚度50 μm）、氧化锆陶瓷（厚度120 μm）和铜片（厚度70 μm）。通过控制不同的参数变化，可制备出孔径约20 μm、孔间距为140 μm的喷孔阵列。对比不同参数下喷孔尺寸和微观形貌发现，较高功率密度、较低单点停留时间有助于得到圆孔，减少重铸层。

    关键词：喷墨孔;氧化锆陶瓷;聚酰亚胺;铜片;皮秒激光打孔

    1 ? 引言

    喷墨打印指的是按照一定要求将墨水微滴喷射到承印介质上，从而完成图像输出的打印技术。喷墨打印是当今数字印刷的主流技术之一，应用范围十分广泛[1]。基于喷墨打印技术，陶瓷行业用陶瓷粉体制成墨水，利用陶瓷喷墨打印机将釉料直接打印到瓷砖表面上作为装饰。这种新型的陶瓷装饰概念可以充分利用计算机资源，把数字技术引入到传统的建筑陶瓷产业中。早在2004年以前，陶瓷喷墨打印就开始在欧洲推广和应用，而中国近年来才开始对这项技术进行细致研究[2]。喷墨打印机最核心、技术含量最高的部件就是喷头，国内喷头从研发到制造均属空白，国内所有工厂使用的喷墨打印头完全依赖进口，多采用如英国赛尔、日本精工等进口喷头。但是，国外现有的喷头本身质量并不过硬，存在寿命短、易堵孔、不耐用等问题，属于易耗件[3]。喷头的喷嘴板是一个很容易损耗的部件，如英国Xaar1001喷嘴板选用的是特氟龙膜，喷嘴在打印过程中容易被陶瓷墨水颗粒冲刷磨损，影响打印质量;Spectra喷头选用不锈钢作为喷嘴板，耐磨性优于特氟龙喷嘴，但其硬度仍然低于陶瓷墨水中无机粉体的硬度，所以不锈钢喷嘴也没能很好的解决磨损问题。针对以上存在的问题，考虑采用结构陶瓷作为喷嘴板，氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷的硬度大、耐磨损、耐墨水腐蚀，如果用作压电喷墨头的喷嘴板可以延长喷墨头的使用寿命。

    喷墨打印机的喷孔直径一般在几十微米，比如国外某产业化喷头的孔径约20μm。目前，常见的微孔加工方法有：机械加工、电火花加工、电解加工、激光加工、超声波加工和高能束加工[4]。对于微孔，机械加工对刀具的要求十分苛刻，加之氧化锆陶瓷硬而脆的特性，机械加工更加困难[5]。而高能束加工条件苛刻，价格昂贵;电解加工效率极低，且可加工材料种类有限。激光加工利用激光在时间和空间上高度集中所产生的高功率密度（105～1015 W/cm2）去除材料，几乎可以加工任何材料。激光打孔速度快、效率高;可获得较大深径比的孔;非接触式加工;适合于高密度的阵列孔加工[6-9]。激光打孔的直径和深度与能量密度有关，可通过改变激光的能量密度实现所需直径和深度的打孔。短脉冲激光有助于提高打孔质量，脉宽越短，加工质量越好[6]，皮秒和飞秒激光都属于短脉冲激光，飞秒激光虽然在打孔精度上较好，但是稳定性较差，现在比较成熟的加工方法是皮秒激光加工。超短脉冲（<10 ps）激光的作用时间小于热扩散时间，激光破坏原子之间的键合而直接“升华”，热影响区很小，几乎无重铸层。

    2 ? 实验部分

    本实验采用TruMicro 5000系列激光器打孔，并配置了精密的机械平台用于打孔定位。TruMicro 5000系列激光器为超短脉冲激光器，功率最高达40 W、脉冲宽度为800 ?fs、脉冲能量最高达200 μJ。

    采用皮秒精细加工设备制备微孔，需要仔细调节参数，以制备质量较好的微孔。激光打孔的过程可以简单理解为这样：打第一个孔时，激光与物质单次作用时间为t;然后激光光斑移走开始打下一个孔。以此类推，经过一个周期后，激光光斑回到第一个孔，开始第二个时间t的作用，这个周期数就是重复次数rep。参数包括：

    1） Bf—Base frequence，基频，单位是kHz，由激光器决定，如：200 kHz、400 kHz等;

    2） Sp—分频;

    3） C—功率，C=10时功率为40 W;

    4） t —单点停留时间，单位ms;

    5） rep—重复次数（Repetition）。

    例如：Bf=200 kHz，C=10，光斑直径d=30 μm，激光脉宽800 fs，单个脉冲能量（Single Pulse Energy，SPE）为40W/200kHz=2×10-4 J。

    打孔试验的材料有三种：有机膜、结构陶瓷薄片（氧化锆陶瓷）、金属薄片（铜片），厚度分别为50 μm、120 μm、70 μm。采用进口高倍显微镜和JSM-6460LV扫描电子显微镜观察微孔形貌，并测量孔径。

    3 ? 实验结果分析与讨论

    3.1 ?聚酰亚胺膜打孔实验

    有机膜微孔示意图如图1所示。

    图1（a）中由于单点停留时间过长，孔周边已经形成严重的热影响区，甚至部分炭化;图1（b）中孔周围热影响区明显减小，表观形貌较好。可以看出，提高激光功率，降低单点停留时间，可以有效提高打孔质量。皮秒激光打孔所依靠的是高能量密度使材料电离、挥发，尽量减少热量传导，防止材料的熔化进而形成重铸层，所以高功率和短单次作用时间有助于提高打孔质量。此外，打孔还存在偏心、残渣过多等问题。通过调整参数，并及时吸走材料去除部分，可得到如图1（c）、图1（d）所示的结果，孔中心间距为140 μm，锥形孔，小径约18 μm，大径为40 μm。

    3.2 ?氧化锆陶瓷薄片打孔实验

    氧化锆陶瓷微孔示意图如图2所示。

    从图2（a）、图2（b）可以看出，与有机膜类似，高的功率和低的单点停留时间，是获得质量较好孔的方法。图2（b）的孔是偏心的，主要有两个方面的原因，一是激光打孔时，旁边会有气体吹去残渣，导致热量分布不均，出现偏心;二是由于材料的各向异性导致激光作用时材料去除不均匀。调整参数之后，得到如图2（c）、图2（d）所示的结果，小径为20 μm，大径为50 μm，孔中心间距为140 μm。这种情况下，激光脉冲的能量密度为25.5 J/cm2。图2（d）解决了孔的偏心问题，但孔开口为椭圆，也是有两方面原因引起：一是材料不够均匀，存在各向异性;二是激光偏振，导致激光在两个方向上能量密度存在差异。

    3.3 ?铜片打孔实验

    图3是铜片打孔不同重复次数下得到的孔SEM照片。

    由图3可知，从图3（a）～图3（f），其他参数（Bf、Sp、C、t）一定，重复次数rep逐渐增大。可以发现，图3（a）、图3（b）、图3（c）中rep<40时，孔并没有打穿;图3（d）中rep=50时，孔已经打穿，小径约12 μm，但其边缘并不规整;图3（e）和图3（f）的rep分别为60和75，微孔边缘较规整，小径分别是18.8 μm和19.6 μm。因此，重复次数为60次左右时，就可以得到比较规整的孔，重复次数继续增大，孔径会继续变大，可以根据孔径要求来确定重复次数。在图3（f）组实验中，激光脉冲的能量密度为19.8 J/cm2。

    3.4 ?喷墨打印头喷嘴板制备

    喷墨打印头喷嘴的分布有多种方式，不同的分布方式影响打印头控制系统的设计。主要有直线分布和折线分布。直线分布很容易理解，折线分布如图4所示。孔中心在水平方向间距根据喷头的物理分辨率计算得到，例如分辨率为180dpi（dot per inch）的喷头，喷嘴中心间距为25.4mm/180 ≈ 0.14mm。三个孔为一组的斜线与水平线夹角约10°。喷嘴数量决定喷头的横向打印宽度[10]。图4（a）、图4（b）分别是制备的有机膜和氧化锆陶瓷喷嘴板局部截图。

    4 ? 结论

    针对喷墨打印头喷嘴板不耐用的问题，除了有机膜和金属薄片（铜片）外，选择氧化锆陶瓷作为喷嘴板备选材料，可以提高喷嘴的耐磨性和耐腐蚀性。皮秒激光加工方法可以在有机膜、氧化锆陶瓷、铜片上加工出最小直径在20 μm以下的微孔，打孔质量可以满足喷墨使用。其中，氧化锆和铜片的耐磨性要比有机膜好，具体采用何种材料作为喷嘴板，可根据实际使用环境选用。此外，配套的精密机械平台可以控制激光器完成微孔阵列的加工。激光微孔制备其他一些问题需要进一步实验解决，如：孔径、圆度与锥度调控、热影响区缩减等。

    参考文献

    [1] 陈锦新. 喷墨印刷技术原理与发展趋势 [J]. 广东（下转第48页） ? ?印刷， 2009， 2）：42-6.

    [2] 黄惠宁， 柯善军， 钟礼丰， 等. 喷墨印刷技术在我国陶瓷领域中

    的应用现状 [J]. 佛山陶瓷， 2012， 6）： 1-10.

    [3] 张柏清， 王德良， 钟树铭. 陶瓷喷墨打印技术的现状及发展 [J].

    佛山陶瓷， 2011， 21（9）： 1-5.

    [4] 王克锡. 电火花微孔加工技术的新发展 （上） [J]. 金属加工： 冷

    加工， 2009， 22）： 29-31.

    [5] 郭栋， 李龙土. 氧化铝陶瓷基板过孔的新型激光打孔工艺 [J].

    电子元件与材料， 2003， 22（3）： 46-8.

    [6] 辛凤兰， 王智勇， 刘学胜， 等. 激光阈值附近微孔加工方法的研

    究 [J]. 激光技术， 2006， 30（3）： 292-4.

    [7] 夏博， 姜澜， 王素梅， 等. 飞秒激光微孔加工 [J]. 中国激光，

    2013， 2）： 1-12.

    [8] Feuer A， Kunz C， Kraus M， et al. Influence of laser parameters on

    quality of microholes and process efficiency [J]. Proceedings of the

    SPIE - The International Society for Optical Engineering， 2014，

    8967（89670H （10 pp.）-H （10 pp.）.

    [9] Samant A N， Dahotre N B. Laser machining of structural

    ceramics—a review [J]. Journal of the European Ceramic Society，

    2009， 29（6）： 969-93.

    [10] Brünahl J. Physics of piezoelectric shear mode inkjet actuators

    [D]， 2003.

    Research on Picosecond Laser Drilling of Inkjet Printhead Nozzle

    CHU Xiang-cheng1， ZHONG Zuo-jin1， ZHANG Hong-jun2，ZHANG Shu-lan3，ZHOU Mei4，CUI Hong-chao3，WEN Jun4， ZHONG Min-lin2

    （1.State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing， School of Materials Science and Engineering， Tsinghua University， Beijing ? 100084， China; 2.Key Laboratory for Advanced Materials Processing， Ministry of Education， Laser Materials Processing Research Centre， School of Materials Science and Engineering， Tsinghua University， Beijing ? 100084， China; 3.Paihe Science & Technology Holding Co.， Led. Beijing， 100083; 4. Foshan Ceramics Research Institute CO.， LTD， Foshan ? 528031 ）

    Abstract： The nozzle diameter of the inkjet printhead is typically several tens of microns， and ?the material is generally organic thin film， stainless steel sheet or the like. For the disadvantage of organic thin film as nozzle plate material， zirconium oxide ceramics is used instead to improve wearability and corrosion resistance. Picosecond laser drilling method can be applied to fabricate orifices with a diameter of several tens of microns in a variety of materials including polyimide （50 μm） ， zirconia ceramics （120 μm） and thin copper sheet（70 μm）. By controlling various parameters， an array of nozzles with pore size of 20 μm and interval of 140 μm can be prepared. Comparison of different parameters nozzle size and micro-morphology indicates that higher power and lower single point residence time help to get a round hole， and to reduce recast layer.

    Key words：inkjet nozzle; zirconia ceramics; polyimide; thin copper sheet; picosecond laser drilling

    3.3 ?铜片打孔实验

    图3是铜片打孔不同重复次数下得到的孔SEM照片。

    由图3可知，从图3（a）～图3（f），其他参数（Bf、Sp、C、t）一定，重复次数rep逐渐增大。可以发现，图3（a）、图3（b）、图3（c）中rep<40时，孔并没有打穿;图3（d）中rep=50时，孔已经打穿，小径约12 μm，但其边缘并不规整;图3（e）和图3（f）的rep分别为60和75，微孔边缘较规整，小径分别是18.8 μm和19.6 μm。因此，重复次数为60次左右时，就可以得到比较规整的孔，重复次数继续增大，孔径会继续变大，可以根据孔径要求来确定重复次数。在图3（f）组实验中，激光脉冲的能量密度为19.8 J/cm2。

    3.4 ?喷墨打印头喷嘴板制备

    喷墨打印头喷嘴的分布有多种方式，不同的分布方式影响打印头控制系统的设计。主要有直线分布和折线分布。直线分布很容易理解，折线分布如图4所示。孔中心在水平方向间距根据喷头的物理分辨率计算得到，例如分辨率为180dpi（dot per inch）的喷头，喷嘴中心间距为25.4mm/180 ≈ 0.14mm。三个孔为一组的斜线与水平线夹角约10°。喷嘴数量决定喷头的横向打印宽度[10]。图4（a）、图4（b）分别是制备的有机膜和氧化锆陶瓷喷嘴板局部截图。

    4 ? 结论

    针对喷墨打印头喷嘴板不耐用的问题，除了有机膜和金属薄片（铜片）外，选择氧化锆陶瓷作为喷嘴板备选材料，可以提高喷嘴的耐磨性和耐腐蚀性。皮秒激光加工方法可以在有机膜、氧化锆陶瓷、铜片上加工出最小直径在20 μm以下的微孔，打孔质量可以满足喷墨使用。其中，氧化锆和铜片的耐磨性要比有机膜好，具体采用何种材料作为喷嘴板，可根据实际使用环境选用。此外，配套的精密机械平台可以控制激光器完成微孔阵列的加工。激光微孔制备其他一些问题需要进一步实验解决，如：孔径、圆度与锥度调控、热影响区缩减等。

    参考文献

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    [D]， 2003.

    Research on Picosecond Laser Drilling of Inkjet Printhead Nozzle

    CHU Xiang-cheng1， ZHONG Zuo-jin1， ZHANG Hong-jun2，ZHANG Shu-lan3，ZHOU Mei4，CUI Hong-chao3，WEN Jun4， ZHONG Min-lin2

    （1.State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing， School of Materials Science and Engineering， Tsinghua University， Beijing ? 100084， China; 2.Key Laboratory for Advanced Materials Processing， Ministry of Education， Laser Materials Processing Research Centre， School of Materials Science and Engineering， Tsinghua University， Beijing ? 100084， China; 3.Paihe Science & Technology Holding Co.， Led. Beijing， 100083; 4. Foshan Ceramics Research Institute CO.， LTD， Foshan ? 528031 ）

    Abstract： The nozzle diameter of the inkjet printhead is typically several tens of microns， and ?the material is generally organic thin film， stainless steel sheet or the like. For the disadvantage of organic thin film as nozzle plate material， zirconium oxide ceramics is used instead to improve wearability and corrosion resistance. Picosecond laser drilling method can be applied to fabricate orifices with a diameter of several tens of microns in a variety of materials including polyimide （50 μm） ， zirconia ceramics （120 μm） and thin copper sheet（70 μm）. By controlling various parameters， an array of nozzles with pore size of 20 μm and interval of 140 μm can be prepared. Comparison of different parameters nozzle size and micro-morphology indicates that higher power and lower single point residence time help to get a round hole， and to reduce recast layer.

    Key words：inkjet nozzle; zirconia ceramics; polyimide; thin copper sheet; picosecond laser drilling

    3.3 ?铜片打孔实验

    图3是铜片打孔不同重复次数下得到的孔SEM照片。

    由图3可知，从图3（a）～图3（f），其他参数（Bf、Sp、C、t）一定，重复次数rep逐渐增大。可以发现，图3（a）、图3（b）、图3（c）中rep<40时，孔并没有打穿;图3（d）中rep=50时，孔已经打穿，小径约12 μm，但其边缘并不规整;图3（e）和图3（f）的rep分别为60和75，微孔边缘较规整，小径分别是18.8 μm和19.6 μm。因此，重复次数为60次左右时，就可以得到比较规整的孔，重复次数继续增大，孔径会继续变大，可以根据孔径要求来确定重复次数。在图3（f）组实验中，激光脉冲的能量密度为19.8 J/cm2。

    3.4 ?喷墨打印头喷嘴板制备

    喷墨打印头喷嘴的分布有多种方式，不同的分布方式影响打印头控制系统的设计。主要有直线分布和折线分布。直线分布很容易理解，折线分布如图4所示。孔中心在水平方向间距根据喷头的物理分辨率计算得到，例如分辨率为180dpi（dot per inch）的喷头，喷嘴中心间距为25.4mm/180 ≈ 0.14mm。三个孔为一组的斜线与水平线夹角约10°。喷嘴数量决定喷头的横向打印宽度[10]。图4（a）、图4（b）分别是制备的有机膜和氧化锆陶瓷喷嘴板局部截图。

    4 ? 结论

    针对喷墨打印头喷嘴板不耐用的问题，除了有机膜和金属薄片（铜片）外，选择氧化锆陶瓷作为喷嘴板备选材料，可以提高喷嘴的耐磨性和耐腐蚀性。皮秒激光加工方法可以在有机膜、氧化锆陶瓷、铜片上加工出最小直径在20 μm以下的微孔，打孔质量可以满足喷墨使用。其中，氧化锆和铜片的耐磨性要比有机膜好，具体采用何种材料作为喷嘴板，可根据实际使用环境选用。此外，配套的精密机械平台可以控制激光器完成微孔阵列的加工。激光微孔制备其他一些问题需要进一步实验解决，如：孔径、圆度与锥度调控、热影响区缩减等。

    参考文献

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    [4] 王克锡. 电火花微孔加工技术的新发展 （上） [J]. 金属加工： 冷

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    [6] 辛凤兰， 王智勇， 刘学胜， 等. 激光阈值附近微孔加工方法的研

    究 [J]. 激光技术， 2006， 30（3）： 292-4.

    [7] 夏博， 姜澜， 王素梅， 等. 飞秒激光微孔加工 [J]. 中国激光，

    2013， 2）： 1-12.

    [8] Feuer A， Kunz C， Kraus M， et al. Influence of laser parameters on

    quality of microholes and process efficiency [J]. Proceedings of the

    SPIE - The International Society for Optical Engineering， 2014，

    8967（89670H （10 pp.）-H （10 pp.）.

    [9] Samant A N， Dahotre N B. Laser machining of structural

    ceramics—a review [J]. Journal of the European Ceramic Society，

    2009， 29（6）： 969-93.

    [10] Brünahl J. Physics of piezoelectric shear mode inkjet actuators

    [D]， 2003.

    Research on Picosecond Laser Drilling of Inkjet Printhead Nozzle

    CHU Xiang-cheng1， ZHONG Zuo-jin1， ZHANG Hong-jun2，ZHANG Shu-lan3，ZHOU Mei4，CUI Hong-chao3，WEN Jun4， ZHONG Min-lin2

    （1.State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing， School of Materials Science and Engineering， Tsinghua University， Beijing ? 100084， China; 2.Key Laboratory for Advanced Materials Processing， Ministry of Education， Laser Materials Processing Research Centre， School of Materials Science and Engineering， Tsinghua University， Beijing ? 100084， China; 3.Paihe Science & Technology Holding Co.， Led. Beijing， 100083; 4. Foshan Ceramics Research Institute CO.， LTD， Foshan ? 528031 ）

    Abstract： The nozzle diameter of the inkjet printhead is typically several tens of microns， and ?the material is generally organic thin film， stainless steel sheet or the like. For the disadvantage of organic thin film as nozzle plate material， zirconium oxide ceramics is used instead to improve wearability and corrosion resistance. Picosecond laser drilling method can be applied to fabricate orifices with a diameter of several tens of microns in a variety of materials including polyimide （50 μm） ， zirconia ceramics （120 μm） and thin copper sheet（70 μm）. By controlling various parameters， an array of nozzles with pore size of 20 μm and interval of 140 μm can be prepared. Comparison of different parameters nozzle size and micro-morphology indicates that higher power and lower single point residence time help to get a round hole， and to reduce recast layer.

    Key words：inkjet nozzle; zirconia ceramics; polyimide; thin copper sheet; picosecond laser drilling