打印机技术研究和未来应用发展趋势初探
作者：陈清
来源：《电子世界》2013年第16期
        【摘要】本文通过对打印机基本技术的梳理，清晰打印机新技术的研究重点在于印字部件，结合对现有3D打印机技术特点的分析，展望电子专业3D打印机的研究方向。
        【关键词】打印机；技术；印字部件；趋势
        打印机作为PC输出设备已经普及，种类也很多。在办公室或家庭大多采用喷墨打印机和激光打印机，传真则使用热敏式打印机，而针式打印机则常常用于票据打印场合；另外，还有热转印打印机和大幅面打印机等专业打印机应用于广告制作、室内装璜等领域。由此可见，自1968年推出世界上第一台PC（针式）打印机以来，PC打印机应用服务领域正在不断拓展之中。而最近被媒体大肆宣扬给世界带来第三次工业革命的是“3D打印机”（官方称增材制造技术，又称快速成型技术），让人看到打印机应用技术研究前途未仍然不可限量。
        一、打印机基本技术研究
        打印机种类繁多，但作为PC输出设备的打印机其组成则基本相仿，我将它们归结为如图1所示的几个组成部分。
        1.电源系统：根据需要将输入的220伏工频交流电被调控为高压、低压、直流电，为打印机其它系统供电。
        2.接口系统：是打印机和计算机连接的桥梁，它负责把计算机传递过来的打印信息进行暂存和传递。以前多采用并口，但并口体积较大而遭淘汰，现多被USB接口所取代。
        3.控制电路：通常包括微处理器、ROM和RAM存储器等。其中ROM主要用来存储打印机的管理程序，RAM主要用来接收和分析接口系统传递过来的页面打印信息，微处理器主要用来协调控制搓纸系统、内容系统、印字系统之间的工作，并完成一系列传感器的监测，是打印机的“大脑”。
        4.搓纸系统：该名称仅对于纸平面打印机较为合适，而对于3D打针机来说不够贴切，严格来说它是一个位置定位控制系统。纸平面打印机主要由进纸系统和出纸系统构成，定位相对简单，打印纸在整个输纸路中的走动都是有严格的时间范围，对走纸具体置的监控则是通
过控制电路和一系列的传感器监测完成的；3D打针机则增加了竖直方向的移动和控制，定位相对2D要复杂一点。
        5.印字部件：这是完成输出打印的核心部件，通常是由打印材料和部件组成的。不同类型的打印机，其核心部件也各不相同。如：针式打印机印字部件为带和打印针，喷墨打印机印字部件为墨水和墨盒，激光打印机印字部件是墨粉和硒鼓等。不同类型的打印机结构和工作原理上的复杂程度也各不相同，我认针式打印机最为简单，激光打印机印字部件最为复杂。
        二、打印机印字部件应用技术比较研究
        从以上结构分析可以看出，打印机的前四个部分基本是可以通用的，而作为打印机的核心部件之印字部件应用技术则相差较大。下面就以我们最常用的针式打印机、喷墨打印机、激光打印机印字部件作简单的比较研究。
        1.针式打印机印字部件为带和打印针。印字机构中心部件为电磁驱动的打印针。打字信息电磁激发打印针作机械推送运动敲击涂有不同颜的带，从而在带下的白纸上留下
点，多点阵列逐点敲击便可完成印字和图像；另外，由于打击纸面力量够大，所以可完成票据的多层复写打印。这类打印机的设计，我总觉得是老式英文机械式打字机的继承和发展。
        2.喷墨打印机印字部件为墨水和墨盒。由于喷墨打印机体积小巧，质量很轻，价格又相当的便宜，它不但可以打印文字，还可以打针彩照片，所以为家庭使入门的首选。但广大用户很快就发现发明喷墨打印机原始厂家在营销上的价格陷阱：这种打印机虽然整机价格便宜，但补充小瓶装墨水和小墨盒的钱却较贵。近几年，国内企业已打破了国外厂商对墨水价格垄断，再加上淘宝客对墨盒技术上的再利用，使小瓶装墨水和小墨盒价格有了大幅的下降。从技术而言，喷墨打印机印字关键部件是墨盒，墨盒制造关键是喷嘴，喷嘴又可分压电式和气泡式两种。压电喷墨技术是利用压电陶瓷在电压作用下发生形变，挤压喷头中的墨水，使喷嘴中的墨汁喷出，在纸上形成文字或图案；气泡式喷墨系统又称为电热式，将短脉冲电流作用于加热器件上产生蒸汽，形成很小的气泡，气泡受热膨胀形成较大的压力，压迫墨滴喷出喷嘴，从而达到打印图像的目的，家用的常用气泡式一体式墨盒。
        3.激光打印机印字部件墨粉和硒鼓。其实这样说不够严格，在这里我主要是为便于与上
述两款打印机对应比较才这样说。其实激光打印机相对于上述两种打印机而言，技术要复杂得多，它是集光、机、电一体化的精密设备。激光打印机印字必须通过感光、充电、显影、转印、定影、消影等六个工作步骤才能完成。具体印字过程如下：首先激光器受打字信息控制完成对感光鼓扫描、曝光；然后鼓粉组件完成充电、感光、显影3个步骤产生墨粉图像；其次转印组件是将感光鼓表面上的墨粉图像转印到纸上；最后定影组件通过高温、热压将墨粉融化固定在打印纸上。激光打印机刚推出时价格较贵，但随着技术的普及和进步，价格也已经落到普通百姓家庭也乐意购置的程度。
        3d打印未来发展方向这三种打印机其它方面的特性比较，列表如下：
        三、3D打印机印字部件应用技术比较研究
        近年，3D打印机技术突然崛起却让许多人惊奇不已。研究、分析发现3D打印机不是2D平面打印机升级换代，它不是来取平面打印机的，而是要在产品制造上实现突破的新技术。它是以PC上的数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料等一系列可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。从收集的各方资料来看，3D打印机从打印人体器官到打印飞机部件，几乎无所不能。那么它在技术上有哪些突破呢？
        1.3D打印机在“逐层打印”应用技术上的突破。我们认为3D打印首先是在“逐层打印”理念和意识上的创新发明。在高等数学上早就告诉我们对复杂外形物体分析的微、积分原理，在医院身体检查时也看到过CT对我们身体逐层扫描对我们身体截面片化后的细致剖析。所以，官方最终将3D打印技术称之为增材制造是恰如其分、很容易被人理解和接受的。过去我们是一大块原材料，通过雕刻，弃废料出产品，做的是减法；现在我们是很多块小原材料，通过堆砌出产品，做的是加法。在做加法过程中，几乎没有废料，节省了原材料，还实现了快速制造。
        2.3D打印机在“打印材料”应用技术上的突破。为了实现增材制造和快速成型，寻打印材料是非常重要的。而世界之大，材料繁多，特性更中千差万别。有塑料、金属，还有细胞、泥浆，甚至有面粉、巧克力，只要先把上述材料先加工成细细的粉末或液体，那么在理论上都是可以用来做打印材料的，问题是我们究竟是要做什么，打印什么有价值的3D产品？我们可以用细胞打印器官，用陶瓷打印假牙，用塑料打印头像，用钛合金打印飞机部件，用面粉打印汉堡包…，我们欣喜地看到，现在它们都一一实现了。但等待我们的还有很多不同的应用方向，面临着不同材料技术突破，这是非常重要的，也是未来支持打印机技术不断向前发展最重要的动力源。
        3.3D打印机在“定型打印”应用技术上的突破。为了让粉末或液体材料最后能逐层打印、堆砌成型，科学家们发明了多种定型技术。主要有：
        （1）熔融沉积快速成型技术：它是将热熔性打印材料先做成丝线状，通过微细喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终定型成产品。
        （2）光固化成型技术：它只适合于光敏树脂为打印材料的3D打印。它通过紫外光或者其他光源逐点、逐片区照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品。需要特别指出的是，在现有3D打印技术中，光固化成型做出的产品精度是最高的，但打印地过程慢是它的缺点。
        （3）三维粉末粘接技术：它是将打印材料做成粉末状，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。打印时先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成产品截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出产品。这种方法打印出的直接成品强度并不高，但可以增加一些后续处理工序来弥补不足，如3D打印的陶瓷产品就可事后进炉高温再烧结等。
        （4）选择性激光烧结技术：它也是将陶瓷、金属、塑料等打印材料做成粉末状，由计算机控制层层堆砌、直接激光烧结、一次成型的方法。激光烧结最主要的优势还是在于金属产品的制作，可以直接或间接烧结金属零件，最终成品的强度远远优于其他3D打印技术，且精度好、强度高。我国激光技术研究世界领先，激光在3D打印应用中更是成果不凡。我仔细看了华中科技大学的3D打印机操作演示视频，觉得该技术真的是强大：可打印泡沫塑料十层嵌套球，也可以打印钻木的金属钻头，真不愧是十年磨出的“神器”！
        四、展望打印机未来发展的趋势
        自从有了3D打印、增材制造、快速成型的理念，创新的思想就像是被激发了一样，脑子里边突然潮涌来许多奇奇怪怪3D打印技术应用的想法。百度了一下，受到启发，想法也就更多了，也有一种想上手一台3D打印的冲动。但现在的3D打印机的价格不菲，买回来我们是要做什么产品、还是做玩具，还是尝试开一家3D打印商店？3D打印在各专业、各领域发展的方向是什么，谁最有前途？都是那么前景灿烂，全都想参与其中。
        我是学电子专业出身的，也在电子教学的第一线，看了网上多篇类似“3D打印机未来的10种发展趋势”的帖子，我不在这里复述。就我本专业需求迫切性来说，如果有一台3D打印
机可以打印不同的电子元件、芯片，打印软的、硬的印刷电路板，或将元件、芯片、电路打印于一体，那就是一个多么美好梦想呵！“不怕做不到，就怕你想不到！”这句话几乎印证了当前电子智能科技所有的发明。展望未来，3D打印，一切皆有可能！
        参考文献
        [1]刘海涛.光固化三维打印成形材料的研究与应用[D].华中科技大学博士论文，2009.
        [2]胡发宗等.三维立体打印机的成形技术[J].模具技术，2004.
        [3]吕德平.激光打印机原理与维修[J].中国计算机用户， 1994，5.
        [4]百度百科名片：3d打印机[OL].http：//baike.baidu/view/1152866.htm.
        [5]各类打印机基础知识比较全面的介绍了各类打印机相关的参数[OL].http：//wenku.baidu/view/d642782719 2e45361066f56e.html.
        [6]3D打印机未来的10种发展趋势[OL].http：//www.oa999999/zh-CN/displaynews.html？newsID= 100166447.