噴墨打印頭陶瓷噴孔的皮秒激光加工研究

褚祥誠+仲作金+張紅軍+張淑蘭+周梅+崔宏超+文軍+鐘敏霖

摘 ?要：噴墨打印頭的噴孔直徑一般為幾十微米，材料一般是有機薄膜、不銹鋼薄片等。針對有機膜等作為噴嘴板材料的缺陷，采用氧化鋯陶瓷代替，以提高耐磨能力和耐腐蝕性。采用皮秒激光打孔方法，可在多種材料上加工出直徑幾十微米的小孔，包括聚酰亞胺（厚度50 μm）、氧化鋯陶瓷（厚度120 μm）和銅片（厚度70 μm）。通過控制不同的參數變化，可制備出孔徑約20 μm、孔間距為140 μm的噴孔陣列。對比不同參數下噴孔尺寸和微觀形貌發現，較高功率密度、較低單點停留時間有助于得到圓孔，減少重鑄層。

關鍵詞：噴墨孔;氧化鋯陶瓷;聚酰亞胺;銅片;皮秒激光打孔

1 ? 引言

噴墨打印指的是按照一定要求將墨水微滴噴射到承印介質上，從而完成圖像輸出的打印技術。噴墨打印是當今數字印刷的主流技術之一，應用范圍十分廣泛[1]?；趪娔蛴〖夹g，陶瓷行業用陶瓷粉體制成墨水，利用陶瓷噴墨打印機將釉料直接打印到瓷磚表面上作為裝飾。這種新型的陶瓷裝飾概念可以充分利用計算機資源，把數字技術引入到傳統的建筑陶瓷產業中。早在2004年以前，陶瓷噴墨打印就開始在歐洲推廣和應用，而中國近年來才開始對這項技術進行細致研究[2]。噴墨打印機最核心、技術含量最高的部件就是噴頭，國內噴頭從研發到制造均屬空白，國內所有工廠使用的噴墨打印頭完全依賴進口，多采用如英國賽爾、日本精工等進口噴頭。但是，國外現有的噴頭本身質量并不過硬，存在壽命短、易堵孔、不耐用等問題，屬于易耗件[3]。噴頭的噴嘴板是一個很容易損耗的部件，如英國Xaar1001噴嘴板選用的是特氟龍膜，噴嘴在打印過程中容易被陶瓷墨水顆粒沖刷磨損，影響打印質量;Spectra噴頭選用不銹鋼作為噴嘴板，耐磨性優于特氟龍噴嘴，但其硬度仍然低于陶瓷墨水中無機粉體的硬度，所以不銹鋼噴嘴也沒能很好的解決磨損問題。針對以上存在的問題，考慮采用結構陶瓷作為噴嘴板，氧化鋁陶瓷或氧化鋯陶瓷的硬度大、耐磨損、耐墨水腐蝕，如果用作壓電噴墨頭的噴嘴板可以延長噴墨頭的使用壽命。

噴墨打印機的噴孔直徑一般在幾十微米，比如國外某產業化噴頭的孔徑約20μm。目前，常見的微孔加工方法有：機械加工、電火花加工、電解加工、激光加工、超聲波加工和高能束加工[4]。對于微孔，機械加工對刀具的要求十分苛刻，加之氧化鋯陶瓷硬而脆的特性，機械加工更加困難[5]。而高能束加工條件苛刻，價格昂貴;電解加工效率極低，且可加工材料種類有限。激光加工利用激光在時間和空間上高度集中所產生的高功率密度（105～1015 W/cm2）去除材料，幾乎可以加工任何材料。激光打孔速度快、效率高;可獲得較大深徑比的孔;非接觸式加工;適合于高密度的陣列孔加工[6-9]。激光打孔的直徑和深度與能量密度有關，可通過改變激光的能量密度實現所需直徑和深度的打孔。短脈沖激光有助于提高打孔質量，脈寬越短，加工質量越好[6]，皮秒和飛秒激光都屬于短脈沖激光，飛秒激光雖然在打孔精度上較好，但是穩定性較差，現在比較成熟的加工方法是皮秒激光加工。超短脈沖（<10 ps）激光的作用時間小于熱擴散時間，激光破壞原子之間的鍵合而直接“升華”，熱影響區很小，幾乎無重鑄層。

2 ? 實驗部分

本實驗采用TruMicro 5000系列激光器打孔，并配置了精密的機械平臺用于打孔定位。TruMicro 5000系列激光器為超短脈沖激光器，功率最高達40 W、脈沖寬度為800 ?fs、脈沖能量最高達200 μJ。

采用皮秒精細加工設備制備微孔，需要仔細調節參數，以制備質量較好的微孔。激光打孔的過程可以簡單理解為這樣：打第一個孔時，激光與物質單次作用時間為t;然后激光光斑移走開始打下一個孔。以此類推，經過一個周期后，激光光斑回到第一個孔，開始第二個時間t的作用，這個周期數就是重復次數rep。參數包括：

1） Bf—Base frequence，基頻，單位是kHz，由激光器決定，如：200 kHz、400 kHz等;

2） Sp—分頻;

3） C—功率，C=10時功率為40 W;

4） t —單點停留時間，單位ms;

5） rep—重復次數（Repetition）。

例如：Bf=200 kHz，C=10，光斑直徑d=30 μm，激光脈寬800 fs，單個脈沖能量（Single Pulse Energy，SPE）為40W/200kHz=2×10-4 J。

打孔試驗的材料有三種：有機膜、結構陶瓷薄片（氧化鋯陶瓷）、金屬薄片（銅片），厚度分別為50 μm、120 μm、70 μm。采用進口高倍顯微鏡和JSM-6460LV掃描電子顯微鏡觀察微孔形貌，并測量孔徑。

3 ? 實驗結果分析與討論

3.1 ?聚酰亞胺膜打孔實驗

有機膜微孔示意圖如圖1所示。

圖1（a）中由于單點停留時間過長，孔周邊已經形成嚴重的熱影響區，甚至部分炭化;圖1（b）中孔周圍熱影響區明顯減小，表觀形貌較好?？梢钥闯?，提高激光功率，降低單點停留時間，可以有效提高打孔質量。皮秒激光打孔所依靠的是高能量密度使材料電離、揮發，盡量減少熱量傳導，防止材料的熔化進而形成重鑄層，所以高功率和短單次作用時間有助于提高打孔質量。此外，打孔還存在偏心、殘渣過多等問題。通過調整參數，并及時吸走材料去除部分，可得到如圖1（c）、圖1（d）所示的結果，孔中心間距為140 μm，錐形孔，小徑約18 μm，大徑為40 μm。

3.2 ?氧化鋯陶瓷薄片打孔實驗

氧化鋯陶瓷微孔示意圖如圖2所示。

從圖2（a）、圖2（b）可以看出，與有機膜類似，高的功率和低的單點停留時間，是獲得質量較好孔的方法。圖2（b）的孔是偏心的，主要有兩個方面的原因，一是激光打孔時，旁邊會有氣體吹去殘渣，導致熱量分布不均，出現偏心;二是由于材料的各向異性導致激光作用時材料去除不均勻。調整參數之后，得到如圖2（c）、圖2（d）所示的結果，小徑為20 μm，大徑為50 μm，孔中心間距為140 μm。這種情況下，激光脈沖的能量密度為25.5 J/cm2。圖2（d）解決了孔的偏心問題，但孔開口為橢圓，也是有兩方面原因引起：一是材料不夠均勻，存在各向異性;二是激光偏振，導致激光在兩個方向上能量密度存在差異。endprint

3.3 ?銅片打孔實驗

圖3是銅片打孔不同重復次數下得到的孔SEM照片。

由圖3可知，從圖3（a）～圖3（f），其他參數（Bf、Sp、C、t）一定，重復次數rep逐漸增大?？梢园l現，圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）中rep<40時，孔并沒有打穿;圖3（d）中rep=50時，孔已經打穿，小徑約12 μm，但其邊緣并不規整;圖3（e）和圖3（f）的rep分別為60和75，微孔邊緣較規整，小徑分別是18.8 μm和19.6 μm。因此，重復次數為60次左右時，就可以得到比較規整的孔，重復次數繼續增大，孔徑會繼續變大，可以根據孔徑要求來確定重復次數。在圖3（f）組實驗中，激光脈沖的能量密度為19.8 J/cm2。

3.4 ?噴墨打印頭噴嘴板制備

噴墨打印頭噴嘴的分布有多種方式，不同的分布方式影響打印頭控制系統的設計。主要有直線分布和折線分布。直線分布很容易理解，折線分布如圖4所示?？字行脑谒椒较蜷g距根據噴頭的物理分辨率計算得到，例如分辨率為180dpi（dot per inch）的噴頭，噴嘴中心間距為25.4mm/180 ≈ 0.14mm。三個孔為一組的斜線與水平線夾角約10°。噴嘴數量決定噴頭的橫向打印寬度[10]。圖4（a）、圖4（b）分別是制備的有機膜和氧化鋯陶瓷噴嘴板局部截圖。

4 ? 結論

針對噴墨打印頭噴嘴板不耐用的問題，除了有機膜和金屬薄片（銅片）外，選擇氧化鋯陶瓷作為噴嘴板備選材料，可以提高噴嘴的耐磨性和耐腐蝕性。皮秒激光加工方法可以在有機膜、氧化鋯陶瓷、銅片上加工出最小直徑在20 μm以下的微孔，打孔質量可以滿足噴墨使用。其中，氧化鋯和銅片的耐磨性要比有機膜好，具體采用何種材料作為噴嘴板，可根據實際使用環境選用。此外，配套的精密機械平臺可以控制激光器完成微孔陣列的加工。激光微孔制備其他一些問題需要進一步實驗解決，如：孔徑、圓度與錐度調控、熱影響區縮減等。

參考文獻

[1] 陳錦新. 噴墨印刷技術原理與發展趨勢 [J]. 廣東（下轉第48頁） ? ?印刷， 2009， 2）：42-6.

[2] 黃惠寧， 柯善軍， 鐘禮豐， 等. 噴墨印刷技術在我國陶瓷領域中

的應用現狀 [J]. 佛山陶瓷， 2012， 6）： 1-10.

[3] 張柏清， 王德良， 鐘樹銘. 陶瓷噴墨打印技術的現狀及發展 [J].

佛山陶瓷， 2011， 21（9）： 1-5.

[4] 王克錫. 電火花微孔加工技術的新發展 （上） [J]. 金屬加工： 冷

加工， 2009， 22）： 29-31.

[5] 郭棟， 李龍土. 氧化鋁陶瓷基板過孔的新型激光打孔工藝 [J].

電子元件與材料， 2003， 22（3）： 46-8.

[6] 辛鳳蘭， 王智勇， 劉學勝， 等. 激光閾值附近微孔加工方法的研

究 [J]. 激光技術， 2006， 30（3）： 292-4.

[7] 夏博， 姜瀾， 王素梅， 等. 飛秒激光微孔加工 [J]. 中國激光，

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[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 drillingendprint

3.3 ?銅片打孔實驗

圖3是銅片打孔不同重復次數下得到的孔SEM照片。

由圖3可知，從圖3（a）～圖3（f），其他參數（Bf、Sp、C、t）一定，重復次數rep逐漸增大?？梢园l現，圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）中rep<40時，孔并沒有打穿;圖3（d）中rep=50時，孔已經打穿，小徑約12 μm，但其邊緣并不規整;圖3（e）和圖3（f）的rep分別為60和75，微孔邊緣較規整，小徑分別是18.8 μm和19.6 μm。因此，重復次數為60次左右時，就可以得到比較規整的孔，重復次數繼續增大，孔徑會繼續變大，可以根據孔徑要求來確定重復次數。在圖3（f）組實驗中，激光脈沖的能量密度為19.8 J/cm2。

3.4 ?噴墨打印頭噴嘴板制備

噴墨打印頭噴嘴的分布有多種方式，不同的分布方式影響打印頭控制系統的設計。主要有直線分布和折線分布。直線分布很容易理解，折線分布如圖4所示?？字行脑谒椒较蜷g距根據噴頭的物理分辨率計算得到，例如分辨率為180dpi（dot per inch）的噴頭，噴嘴中心間距為25.4mm/180 ≈ 0.14mm。三個孔為一組的斜線與水平線夾角約10°。噴嘴數量決定噴頭的橫向打印寬度[10]。圖4（a）、圖4（b）分別是制備的有機膜和氧化鋯陶瓷噴嘴板局部截圖。

4 ? 結論

針對噴墨打印頭噴嘴板不耐用的問題，除了有機膜和金屬薄片（銅片）外，選擇氧化鋯陶瓷作為噴嘴板備選材料，可以提高噴嘴的耐磨性和耐腐蝕性。皮秒激光加工方法可以在有機膜、氧化鋯陶瓷、銅片上加工出最小直徑在20 μm以下的微孔，打孔質量可以滿足噴墨使用。其中，氧化鋯和銅片的耐磨性要比有機膜好，具體采用何種材料作為噴嘴板，可根據實際使用環境選用。此外，配套的精密機械平臺可以控制激光器完成微孔陣列的加工。激光微孔制備其他一些問題需要進一步實驗解決，如：孔徑、圓度與錐度調控、熱影響區縮減等。

參考文獻

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加工， 2009， 22）： 29-31.

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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 drillingendprint

3.3 ?銅片打孔實驗

圖3是銅片打孔不同重復次數下得到的孔SEM照片。

由圖3可知，從圖3（a）～圖3（f），其他參數（Bf、Sp、C、t）一定，重復次數rep逐漸增大?？梢园l現，圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）中rep<40時，孔并沒有打穿;圖3（d）中rep=50時，孔已經打穿，小徑約12 μm，但其邊緣并不規整;圖3（e）和圖3（f）的rep分別為60和75，微孔邊緣較規整，小徑分別是18.8 μm和19.6 μm。因此，重復次數為60次左右時，就可以得到比較規整的孔，重復次數繼續增大，孔徑會繼續變大，可以根據孔徑要求來確定重復次數。在圖3（f）組實驗中，激光脈沖的能量密度為19.8 J/cm2。

3.4 ?噴墨打印頭噴嘴板制備

噴墨打印頭噴嘴的分布有多種方式，不同的分布方式影響打印頭控制系統的設計。主要有直線分布和折線分布。直線分布很容易理解，折線分布如圖4所示?？字行脑谒椒较蜷g距根據噴頭的物理分辨率計算得到，例如分辨率為180dpi（dot per inch）的噴頭，噴嘴中心間距為25.4mm/180 ≈ 0.14mm。三個孔為一組的斜線與水平線夾角約10°。噴嘴數量決定噴頭的橫向打印寬度[10]。圖4（a）、圖4（b）分別是制備的有機膜和氧化鋯陶瓷噴嘴板局部截圖。

4 ? 結論

針對噴墨打印頭噴嘴板不耐用的問題，除了有機膜和金屬薄片（銅片）外，選擇氧化鋯陶瓷作為噴嘴板備選材料，可以提高噴嘴的耐磨性和耐腐蝕性。皮秒激光加工方法可以在有機膜、氧化鋯陶瓷、銅片上加工出最小直徑在20 μm以下的微孔，打孔質量可以滿足噴墨使用。其中，氧化鋯和銅片的耐磨性要比有機膜好，具體采用何種材料作為噴嘴板，可根據實際使用環境選用。此外，配套的精密機械平臺可以控制激光器完成微孔陣列的加工。激光微孔制備其他一些問題需要進一步實驗解決，如：孔徑、圓度與錐度調控、熱影響區縮減等。

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2013， 2）： 1-12.

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

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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

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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 drillingendprint