【杨老师开讲】断墨伤透了脑筋？高粘度墨水直供墨路分析，教你两个对策！

现在应用工业级喷头的情况多起来了，应用高粘度墨水的机会也多起来了，通过对目前所用的直供墨路系统的分析，找出“断墨”问题的一些可能因素，同时优化原来的供墨系统，并提出了两套可用的解决方案。...

工业喷头使用墨水粘度大多为10CP左右，当高粘度墨水用直接供墨方案时，它对墨路压损影响很大，设计不当的供墨系统在环境条件发生变化时，就极易发生断墨。通过研究影响流量的各相关因素，通过改变不良因素的影响值达到降低墨路压损的目的，并把总压损值控制在喷头允许的最大范围内，当环境较低时也能满足稳定打印的要求。‍

我走访客户时接到反映：使用高粘度（10CP@RT）水性分散墨水，工业级可变墨滴（36PL@17KHz）喷头，打印幅宽为2.2米，当环境温度低于15度时打印易发生断墨。经现场观察后发现，高粘度墨水是以直供方式用于宽幅面（大于1.6米宽幅）机器，确实具有挑战性难度，特别是客户对其供墨机理的了解不足，没有充分用足有利供墨的一些原理来指导设计墨路，而只是把手头上的现有零件组合后制成了一个简捷的供墨系统。

现在应用工业级喷头的情况多起来了，应用高粘度墨水的机会也多起来了，故我想通过对这一案例的分析，针对目前所用的直供墨路系统找出“断墨”问题的一些可能因素，同时优化原来的供墨系统，并提出两套可用的解决方案，供大家今后在设计这类供墨系统时参考。针对客户实际机器上的供墨系统，它的其中一路供墨原理如图1所示。同时客户提出要求在环境温度15度、甚至10度时最好也能稳定打印的这些要求，故实际测试中也要尽可能在这一温度下打印通过才行。

现在的供墨系统存在的主要问题如下：

A、主墨袋出墨插针压损过大。

环境温度低于15度时，它的流量跟不上打印中的消耗；

B、没有墨尽检测装置。

当墨袋中墨水将用尽时，需要人工不断地观看恒液位墨盒中的墨水是否在缓慢下降，然后来决定是否需更换墨袋；

C、恒液位墨盒大气平衡处没有空气过滤器。

当机器处于环境条件较差的场合下，容易把周边空气中的杂物带入墨水中，这个对长期稳定打印是不好的；

D、清洗方式设计不当。

所用电磁阀通径过小，加大了压损，同时用二通电磁阀就行了，不需要三通，这样一方面接头过多对墨水流量有影响，另一方面成本会相应提高。还有墨管所用过细，也会加大压损值；

E、喷头前缓冲瓶选用过大。

过大容量的缓冲瓶无什么大作用，可以选容量再小些的缓冲瓶，这样对于缩小喷头板上的体积及重量有好处；

F、总墨管子长度过长。

经测量它目前的总长度约为5800毫米。对于一台2.2米的机器且使用高粘度墨水的墨路来说，它的压损值就会较大，严重威胁到低温时打印的稳定性；

 

G、总墨路中缺少过滤组件。

对于喷头长期稳定工作有影响。A、目前每路所供墨流量：

现场机器上共为四色，每色为一头，但可以扩展为两头，现以每色一头来分析。通过计算，每个喷头（4级灰度：0、12、24、36PL，17KHZ点火频率）最大流量需求约为20ml/min;

B、墨水粘度变化：

从表1中所见，25度时，粘度约为8.5CP左右，到了15度时，粘度升高到12.5到13.5CP左右，在10度左右时推算约为15到16CP。若客户需求在15度时保证稳定打印的话，就要满足这时墨路总压损值在200mmAq（引用杨氏经验数据）以内了；

C、墨管压损：

通过对实际安装管线的测量，发现从恒液位吸墨点到拖链起点的管子长度约为2400毫米，管内径为4毫米，若以15度为计算条件，它的压损计算如下：

压损（1）=8*13.5（CP）*2.4（m）*20（ml/min）/(3.14*2（mm）^4）=103mmAq

要是环境温度为10时，则这时的压损还会增加20%左右（从粘度变化值来推算），也就是会达到103*1.2=124mmAq，故客户最高要求在环境温度为10度时也能打印，则就要按这个压损值来核算了。

对拖链起点到喷头间的长度为2900毫米，比上一段墨路增长了20%左右，则这一段的压损就比上述计算大20%左右，这段压损计算如下 ：当环境温度为10度时，压损（2）就变成了124*1.2=148mmAq

在总的墨路中，还会接入一些接头及一些部件，通常这些部件的压损可以按每个10-15mmAq来核算，所以要想降低墨路中的压损，就要尽可能地减少接头，有条件的话，墨管最好是一通到位。

根据图1所示的供墨原理所示，墨路中的接头（图中黑点表示为一个接头）约为6个及电磁阀内部流道，总压损在环境温度为15度时约为65mmAq左右。要是按10度时计至少会达80mmAq左右。

总压损值（15度时）=压损（1）+压损（2）+其它压损=103+124+65=295mmAq

 

总压损值（10度时）=295*1.2=354mmAq

根据实际应用经验来看，压损值不大于200mmAq是稳定打印的最基本条件；大于250mmAq且为多PASS时还是可以的；但大于300mmAq以上后，则很难达到稳定打印条件了。

故从上核算情况来看，目前墨路设计中影响断墨的主要因素是压损过大。通过对现有墨路的分析可以看到，要降低压损值只有通过降低环境温度低时的墨水粘度，其次是减短墨管长度，还有减少接头数量，加大供墨管内径。——因为墨管内径过大，它的管涌压力也会加大，故不宜过份加大。

A、拖链起点至喷头间管子内径不变。

目前4毫米内径的管子，在25度时打印是稳定的，这时墨水粘度比15度时的低58%左右，故把15度时的压损值折算到25度时则为295/1.58=186mmAq，这个值小于200mmAq，通过核算就可知道在15度时的打印稳定性。这也说明目前的4毫米内径的管涌压力，不会明显影响喷头的正常喷印，故对于拖链内的管子内径暂不作改动。

B、把压损（1）这段墨管改成5毫米。

因管半径大小与压损呈4次方关系，这一改动就把原来的103mmAq压损值下降2.44倍了，约为42mmAq。

C、去除电磁阀。

目前的电磁阀通径约为2.5毫米，一个电磁阀在15度时的压损至少为25-30mmAq左右，故去除这个部件可以明显降低压损，并用墨路直通的方案来完成供墨，而重点是解决清洗方案。

同理，若定要接入一个可开关液路的电磁阀达到一个能控制清洗压力效果的话，这个电磁阀可改成夹管阀，这样不仅压损小，同时也减少了两端接头处易外泄液体的问题。当选用内径5毫米、外径7毫米的可压缩管壁的墨管时，可选一款常开型夹管阀试用，它能产生150KPA的压力来夹住管子，同时对于我们目前所用的墨路，没有十分夹住也没有什么大的问题。

D、减少接头。

目前的清洗方案因要把清洗泵接入在主供墨路中，就要增加个接头，这个接头也会产生10-15mmAq压损，要是能把这个接头省了则又降低了压损，故对于清洗泵的接入点可以从恒液位墨盒处接入，因恒液位墨盒尺寸较大，对于从大体积流向小体积的接头，这个分接点的压损很小，可以不计。

E、减短管长。

目前可挖潜力就是把大缓冲瓶变小，并把小缓冲瓶接到正常走向的墨路中去，而不是回下回上地去接入，这样的话对于2900毫米长的墨管可以减少约500毫米左右长度，这样又可以减少约为17%的压损了。

综上所述，按上面的方案都去改进的话，总的压损在环境温度为15度时可以降为：

这个值小于200mmAq，故可以稳定供墨。但当环境温度达到10度时，这个值还会增加20%左右，故有175*1.2=210mmAq，这个值处于临界状态，要想在这个温度下工作就要把粘度再降低一点，为此需要在静态不动的管子上增加加热保温装置，要是能把墨水的平均温度控制在15度以上，则这时的压损值也就在175mmAq范围内，故可以保证稳定打印。这个加热温度不宜过高，不然对墨水的特性会有影响，可以设置气温低于18度后打开加热器，且加热温度不宜高过38度，模拟夏天这个温度就行了。

F、墨袋针。

测试中有反映当环境温度约为15度时，墨水通过墨袋针流到恒液位墨盒的流量在打印中会发现不够，从而导致恒液位的液面不断地下降，故这个墨袋针的压损也要引起注意。

图4为所测墨袋针（原为医用打点滴针）的外径约为1.6毫米，它的壁厚约为0.15毫米，这样它的内径约为1.3毫米。

图5为测量它的长度，约为50毫米左右。

以此两个参数来看一下它在环境温度约为15度时的压损：

墨袋针压损（15度时）=8*13.5（CP）*0.05（m）*20（ml/min）/(3.14*0.65（mm）^4）=193mmAq

要是环境温度为10度时还会增加20%的压损值，这时流量就明显不能满足正常工作的需求了，故还是需要加粗针内径；若增加内径为1.5毫米来计的话，这时的压损变为：110mmAq，要是变为1.6毫米的话，则压损就变为86mmAq左右。

所以，当墨袋针变为1.5毫米后，就是环境温度变为10度时它的压损值增加20%后，也不会大于140mmAq，再加上墨袋针后面的墨管长度及恒液位内浮子开关的压损值也不会超过200mmAq，故建议这个针内径最好选择为1.5--1.6毫米左右为佳。要是墨袋针过粗，则不易插入，同时拔出针时，墨袋中的残液也易流出来。

这一方案的特点是改动量不大，且省时省钱，但有些改动部分还需实验证实及确定最佳数值。这类对原有结构改动较小的方案尽管还不是很完美，要是能解决问题则是很多公司首选的。

从图6所示，对原来的方案进行了如下一些改进：

A、墨袋针内径改进。

通过上述计算针的内径加到1.6毫米这段，压损明显下降；

B、加装空气过滤器。

恒液位墨盒的大气平衡孔不能直接与大气接触，加装过滤器可以把带杂质的空气中颗粒截留；

C、墨管改内径为5毫米。

恒液位墨盒输出点到拖链起点这段；

D、大缓冲瓶改成小形柱状缓冲盒。

同时还要测试一下内带过滤网的缓冲器能否满足15度时打印要求，若可以则为最佳选择方案，它可延长喷头寿命。这个柱式带过滤网的缓冲器，建议选择科百特同类产品，因这个零件在压差较小时也有较大的流量。

E、清洗泵进墨接入点改到恒液位盒内。

这段墨管内径没有要求，以方便连接为主导就可，这样在主供墨的墨路上没有再接入一个三通接头，又可减少主供墨中的压损值；

F、清洗泵出墨口到喷头进墨处三通接头段管径改成2毫米。

以减少拖链负担，同时降低清洗压力。正压清洗时对喷头上进墨处的压力要进行测试，要是大于50KPA则要求在这段墨路中加入节流柱，以减少压力，要是压力过低则要放大清洗墨路的直径，这些均要通过测试后确定。

G、增加加热/保温装置。

对静止安装的内径为5毫米墨管段要加热（选择方案多种，故不作探讨）及保温，同时加热温度不宜超过40度，建议最高温度设为38度为宜。加热功率也不宜选择过高和过低，建议在15度时加热5分种后达到实际设定的温度值为选择功率大小的参考依据。

H、清洗泵出墨端要加入过滤器。

可以选择直径37毫米、精度10微米的蝶形过滤器。

对上述改进后的方案，建议可以应用在各色墨路上（一色为不带过滤器，一色为带过滤器，还有二色为原有的），与没作改进的墨路效果作一打印测试，试看各路表现再确定最后方案。

I、水头值调整。

对于一个喷头的水头值设定，可以利用拉普拉兹-凯尔文公式中的一些参数，对比已成熟应用的墨水和喷头经验后确定。

如图6中所示，暂设定为40mm左右，比原来使用的50mm要小一些。这主要是考虑到所用水性分散墨水表面张力较原来使用溶剂的要高20%左右，同时，现在所用喷头孔径也比原来用于溶剂型喷头小约50%以上。

还有一个参数就是接触角，它是指墨滴在喷头板表面所形成角度，小于90度为亲水性。通常水性墨水的接触角在75度左右，但这个是余弦角所算值，故通常表面张力高的墨水这个接触角也会相应大点，结果余弦角的值会小一些。

把这三个参数综合后，用于水性打印的水头值就要相应比溶剂型墨水应用时的值要低点，故建议选择40mm左右，并在此基础上进行打印调整。

同时，还是要建议，对上述改进后的墨路，测试前在实验室做好一路的模拟实际墨路静态压损测试，并与所核算的值进行对比，要是差异过大还要检查原因，再制定改进方案。

上机后，一定要测试一下喷头进墨口前的静态、动态、清洗这三个压力，以供分析判断喷头工作状态是否正常。

对于动态压力变化过大时则要专门进行分析和探讨，在此还是建议将目前所用拖链的弯曲径改大，现场所见目前这个值过小，不利于降低直供墨路系统的动态压力波动过大的要求。本方案更为简捷，如图7所示，但改动量和实验量略大点了（主要是试下部件是否适合，及各部件的参数多大值为好）。不过效果会好于前者，故可作为后续储备之用。

本方案与方案一相比有所不同之处：

A、墨袋安置调整。

对于加工机动性大的机器来说，用软袋存储墨水是一个好的选择。同时，软袋可以装入脱气后的墨水，这点对于水性墨水来说更为珍贵，这样可以节省成本较高的脱气装置。目前机器上用软袋的作用没有很好地发挥出来，实为可惜。

目前软袋分成两层安置，这样要直接用软袋的作为恒液位源来说，则四色均要尽可能平放，故这样就要改一下现在的软袋安置方式。同时也可省去恒液位墨盒，但原来从软袋到恒液位这一段的压损值也要被计入总墨路中了，故要把这一段的压损降低还是要花一些工夫的，如管径还需加大一点，同时软袋针的长度要短，内径要加粗到1.7-1.8毫米左右。

同时，从墨袋到拖链起点这一段的墨路要比现在要缩短500毫米左右，要是总压损还是过大，则拖链内的墨管的内径也要适当放大，这些均要先做静态实验后再上机打印测试，最后才能确定最佳的长度及墨管的内径了。

B、增加了墨尽检测机构。

图8所示是现在一些客户所用的带浮子开关的检测瓶，当墨水没有了，浮子就下降，启动开关报警通知及时换墨，有市售。不知有没有一进二出一排气的部件可采购，若有的话则最为合适了。

C、加热与保温。

对于安装了墨尽检测瓶后，这个加热源可以包在这个瓶外，这样加热就比较简单了，同时也要对这个瓶进行保温，保温措施还要一直包到拖链起点处静止安置的墨管上。

D、增加带单向阀墨囊。

这个带单向阀作用有两个：其一，可以提高软袋供墨液位，便于墨水流动时有一个预压力，这样在低温环境下更利于及早流到位。其次，可以大幅降低打印中的动态压力波动，故装了这个组件可以省去了缓冲瓶。但这个墨囊也要具有大流量低压差的特点，可以选择科百特目前开发的供松下喷头用的类似墨囊，但能否适用还需实验后再定，要是流量跟不上及压损过大，则这个方案就不能应用了。

对于应用了这个墨囊的话，这个软袋中的液位高度与墨囊中间位置差约为160毫米左右（这是针对单向阀打开值为2KPa而言），这个值为多大合适，还是需要实验后来定，目前所提供的只是一个参考值。

因目前国内生产的单向阀每个之间差异性很大，如对于2KPa值要求的墨囊来说，实际打开值可能会在1.5-2.5KPa之间，至少有25%以上变化，故对于各色墨水来说，等效的液位差就不一样了，通常要求这个墨囊使用前需全测，且控制变化量在10%以内，这点要做到还是有难度的，但为了达到简捷好用的效果，这个要求还是要提的，故目前国内很多做机器的公司还是选择不带单向阀的墨囊居多，各墨囊差异太大是一个主要原因。

本方案的其它部位设计与上述方案一差不多（如清洗系统），故不多分析和论述。

要注意的是：上述两个方案的分析均是指一色一头的情况下，当一色为两头时还是建议从拖链起点到喷头间墨路为双管路，从墨尽检测瓶到拖链起点这一段墨管内径选6毫米为好，这时还要选用夹管阀的话，则要选用大一档的型号。

若想与一头一色的墨路互相通用的话，从墨尽检测起到喷头间的墨管均为独立双路也行（用5毫米内径管子重复设置）。一定要通过打印测试，以确认墨尽检测起到拖链起点间的5毫米内径墨管是否已足够，若能正常工作的话，就可简单地套用，不必再改大一档尺寸的墨管了，但这时对于要求10度时也能正常打印是有挑战的。

这两个方案可以供今后其它使用高粘度墨水、且为经济型打印、幅面不是很宽机器的供墨系统应用作参考。但这两个方案并不是唯一不可变的选择，只有理解供墨方面的一些机理，可以根据自己情况设计出更加符合自己应用的直供式供墨系统。【超级干货】打印PASS数与图像质量的关系，如何达到最佳？这次要说干说透！

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