喷墨打印头国产化的进程介绍!纯国产喷墨打印机要来了

最近爱司凯国产喷头股票8个涨停消息的文章,同行朋友关注热烈,有不少朋友打听国产喷印头的现状如何了?

喷墨打印机喷头(即喷墨打印头)是指能够将油墨、染液、金属分散剂及高分子材料等打印介质将墨水以一定速度从喷孔喷射到承印物,从而实现图文信息输出的装置。

作为喷墨打印设备的核心元器件,喷墨打印头、相配套的驱动板和控制软件可称为喷墨打印机的打印引擎。压电式喷墨打印头的墨量范围从3PL-80PL不等,可满足不同领域对喷墨精度的要求。主要为3D喷墨打印、电子、纺织印刷、陶瓷建材、广告传媒等工业喷墨打印技术应用领域相关数字化先进喷墨打印设备提供核心部件。具有广阔的市场空间和发展潜力。目前行业主要被国外品牌垄断。

随着全球打印机产业链将重构、国产打印机品牌的崛起,以及打印机市场规模的变化,据麦姆斯咨询介绍,过去三年中,曾经已经很成熟的喷墨打印头市场发生了巨大变化,出现了多笔重大投资。OEM打印头厂商面临着激烈竞争,以利用喷墨打印头获得新商机。从热发泡打印头到压电打印头,从传统技术到MEMS(Microelectronic Mechanical Systems,即微机电系统)技术,从消费类到工业打印,这些主要市场驱动因素正在重塑打印头产业,扩大OEM厂商的产品组合。

全球喷墨打印头的现状和发展趋势

喷墨打印头技术主要有两种原理:一种是连续喷墨(CIJ – Continue Ink Jet)技术,其工作原理是喷墨头连续喷射墨滴,其中一部分墨滴选择性地喷在介质上,另外的墨滴则回收到循环系统中;一种是脉冲或按需喷墨(DOD – Drop On Demand)技术,其原理是通过控制驱动脉冲电信号(或者波形)选择性地触发喷墨头里的制动器(actuator),使墨滴在需要的时候从喷嘴喷射出来。DOD喷墨打印头技术又分为两种:使用压电陶瓷作为制动器(actuator)的压电喷墨(PIJ – Piezoelectric Ink Jet);使用加热电阻作为制动器(actuator)的热发泡喷墨(TIJ – Thermal Ink Jet)。

其中,在连续喷墨技术产品领域知名厂商有柯达Kodak(美国)、马肯依玛士Markem-imaje(美法合资)、伟迪捷Videojet(美国)等;在按需喷墨的热发泡喷墨技术领域知名厂商有惠普HP(美国)、佳能Canon(日本)、船井电机Funai(日本)、Memjet(澳大利亚)、上海锐尔发数码科技有限公司(中国)等;在按需喷墨的压电喷墨技术领域知名厂商有爱普生Epson(日本)、赛尔XAAR(英国)、柯尼卡美能达Konica Minolta(日本)、奥西Oce(已被佳能收购)、富士Fuji Dimatix(日本)、东芝Toshiba(日本)、精工公司SII Printek Inc.(日本)、理光Ricoh(日本)、兄弟Brother(日本)、京瓷Kyocera(日本)、泰鼎Trident(美国)、施乐Xerox(美国)、北京奥润联创微电子科技开发有限公司(中国)、爱司凯科技股份有限公司(中国)等。

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喷墨打印头主要厂商技术分类

喷墨打印头应用领域主要包括消费类和办公打印、图形广告印刷以及工业打印。

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喷墨打印头细分市场

热发泡喷墨打印头在消费类和办公打印应用中占主导地位。据麦姆斯咨询报道,惠普HP以32%的市场份额继续领导消费类和办公打印市场,并仍继续采用热发泡喷墨打印头。惠普HP最新一代喷墨打印头采用高清晰度喷嘴结构(HDNA),通过提供每英寸2400个喷嘴以及为每种颜色提供“双墨滴重量”支持,可实现更平滑的过渡和颜色填充,增强阴影细节,使肤色更均匀。

尽管三大头部厂商——惠普HP、佳能Canon和爱普生Epson都推出了全页面打印头模块打印机,但由于办公打印市场还无法完全补偿消费类应用的下滑,到2024年,预计消费类和办公打印市场将保持年同比下降1.1%。

在图形广告印刷领域,惠普HP、佳能Canon、爱普生Epson、柯达Kodak等公司分别在热发泡、压电、连续等主流喷头技术方面占据市场主导地位。

压电喷墨打印头在工业打印应用中占主导地位,赛尔XAAR、富士Fuji Dimatix、京瓷Kyocera、柯尼卡美能达Konica Minolta、理光Ricoh等公司的压电喷墨打印头产品头部效应显著。超过85%的打印头出货量基于传统技术(非MEMS)。

国产喷墨打印头的现状

在喷墨打印头领域,国际厂商对我国严格封锁,以某国外厂商为例,从最开始的开放使用到现在对打印头进行加密,使得国内企业在开发数码印刷、喷绘、数码印花及3D打印技术等设备时遭遇重重瓶颈,必须在国外厂商的喷墨头的参数限制范围内进行打印设备设计及制造。

上海锐尔发数码科技有限公司(原苏州锐发打印技术有限公司,2019年迁址上海后更名。以下简称上海锐尔发)董事长谢永林先生向再生时代透露,我国在设备制造、自动控制方面与国外差距并不大,但是由于缺乏喷墨打印头核心技术,故国内厂商在实现自主知识产权的喷墨打印设备制造和开发的过程中遇到重重阻碍:不得不使用国外限定的喷墨打印头;如果遇到限售,则不得不通过购买整机,再进行解密、改装的方法进行开发;在使用过程中,由于没有喷墨打印头的核心技术,一旦出现喷射质量下降或无法喷射的情况,则必须被迫更换整个喷墨打印头相关系统部件。研发和使用成本均很高,打印质量也很难提高。

据再生时代了解,谢永林先生提及的整机解密、改装方法早年在行业内是常见现象,部分中国企业为了生产打印机、写真机、喷绘机、旗帜机、条幅机等,从海外购买打印机,然后拆掉喷墨打印头,把原装打印机作废品处理。外国厂商很快也发现了这种现象,为了保证产品和技术的垄断地位,他们随即对喷墨打印头进行加密,并不断升级,一旦喷墨打印头加密,使用这个打印头打印的东西就会出现断墨的情况。由于国内喷墨打印头自主专利技术的缺失,国内企业在打印机市场几乎没有主动权,同时,外国厂商喷墨打印头产品高昂的价格直接影响国产打印机的利润空间。

纵使我们认识到核心技术受制于人是最大隐患,然而中国在喷墨打印头的研发和生产方面才刚刚起步,目前已经实现喷墨打印头批量化生产的企业可谓凤毛麟角。

据再生时代了解,国内最早掌握喷墨打印头技术的是台湾机构和企业。早在2000年,台湾工业技术研究院光电工业研究所宣称成功开发彩色喷墨打印头的量产技术,掌握从高解析度彩色喷墨打印头、系统芯片组、打印机模块等打印机关键元器件、机件设计到打印系统的整合。2005年,台湾企业明基与半导体业者亚太优势、新磊合作微机电(MEMS)制程,宣称成功开发出喷墨打印头。纵观内地,上海锐尔发数码科技有限公司、北京奥润联创微电子科技开发有限公司、爱司凯科技股份有限公司、杭州宏华数码科技股份有限公司、昆山海斯电子有限公司等参与了喷墨打印头技术的研发,部分企业更宣称已成功掌握自主技术。但是从掌握技术到实现量产,还有很长一段路要走。

北京奥润联创微电子科技开发有限公司(以下简称北京奥润)总经理郑东琛先生向再生时代透露:“喷墨打印头属于半导体高端装备制造业,其生产加工制造精密度高、成本高,同时也遵循半导体产品的开发、生产流程。”对于实现量产的挑战,上海锐尔发董事长谢永林先生指出:“导致没有成功量产的原因是多重的,首先是技术壁垒问题,其次是良品率和成本问题,还有专利问题等。”

纵使前方困奋难行,仍有国内企业攻克道道难关、越过重重障碍。

2018年12月,上海锐尔发正式发布SUREjet-T7680工业级热发泡喷墨打印头。如今,上海锐尔发热发泡喷墨打印头已在多个应用领域推广。上海锐尔发目前有一条热发泡喷墨打印头生产线,坐落在苏州工业园区,目前年产能为2万个。据介绍,上海锐尔发在书刊、商印、纸箱、标签、工程图纸等纸品领域,纺织印染行业,广告喷绘领域接洽的意向客户超过50家,其中18家已在进行样机开发测试。据称,上海锐尔发的热发泡喷墨打印头,因拥有自主研发知识产权的温度补偿、无缝拼接、4倍冗余等设计、先进的喷头生产制造工艺,具有高速、高均匀性、高可靠性、长寿命、低成本等优势,在数码制造领域渐渐被客户所认识和接受。谢永林先生表示,上海锐尔发压电喷墨打印头已经在中试,预计今年下半年会推出;连续喷头预计2021年推出。

北京奥润长期根植于喷墨技术领域,据称,其前身创建于1998年,曾于国内推出国产第一台喷墨写真机,国内第二台工业喷墨机。在超过10年的喷墨打印头研发投入之后,北京奥润在2018年推出标准化的压电喷墨打印头产品,并逐步在对应的行业中推广应用。北京奥润目前在北京顺义区有一条压电喷墨打印头生产线,年产量约1万只。北京奥润总经理郑东琛先生表示,其喷墨打印头产品在已投放的应用领域中表现稳定,稳定性和寿命可媲美同类型进口产品。

在压电喷墨打印头领域取得显著成就的还有爱司凯科技股份有限公司(以下简称爱司凯),据介绍,其自主研发的AMSKY压电式喷墨打印头在2014年申请专利。目前爱司凯已掌握三大核心技术:即激光技术、压电式喷墨打印技术和精密运动控制系统。

国产喷墨打印头发展的挑战

专利壁垒高企

在喷墨打印头知识产权数量方面,全球专利申请量排名前10 位的机构申请人中,7家公司为日本公司,其他3家公司为惠普HP(美国)、Memjet(澳大利亚)、三星Samsung(韩国,其打印事业部已被惠普HP收购),日本机构占据主导优势,排名前10位机构的专利申请量分别占专利申请总量和主要机构(前25位)专利申请总和的73.1%和89.9%。中国企业在喷墨打印技术专利申请数量上远远落后于国外企业。

MEMS制造能力薄弱

据上海锐尔发董事长谢永林先生介绍,喷头的技术难点在于其芯片制造,芯片制造分为两部分,ASIC:集成电路,墨滴发射与控制信号和驱动波形产生;MEMS:微机电系统,微驱动器、喷孔、墨水流道与过滤结构。目前掌握这些技术的企业,全世界不过20家左右。由于我国MEMS产业起步较晚,MEMS产业还处于发展的起步阶段,我国MEMS传感器产品在精度和敏感度等性能指标上与国外存在巨大差距,应用范围也多局限于传统领域。高端研发人员缺失、产业链不够完善和MEMS厂商盈利困难导致产业化进程相对缓慢,直接约束了喷墨打印头这类半导体高端装备制造业的发展。

喷墨打印头未来发展趋势与机遇

技术与应用相互促进

近年来,喷墨打印技术的应用领域已大大超越传统的图文打印和印刷,开始向工业制造领域快速拓展,包括:3D打印(砂型、金属、陶瓷、骨骼、光敏材料、类腊材料等)、纺织品数码印花、印刷电子、数码陶瓷打印、太阳能电池板、生物医疗打印、RFID打印、柔性可穿戴等制造领域。

在技术方面,全球喷墨打印头主要厂商都在研究使用新技术,制造成本更低、精度更高、更快的喷墨打印头。从惠普HP的“可扩展打印技术”(该技术已被惠普HP用于高速3D打印)到佳能Canon的“全光刻喷墨打印头喷嘴工艺”技术,再到爱普生Epson的“PrecisionCore”技术,都通过高密度MEMS喷嘴布局技术,在成本、质量、速度上追求突破。工业压电喷墨打印头制造技术也开始从传统机械加工技术向高精度MEMS技术转型。MEMS技术可以提高喷头的喷嘴密度,更适合低成本大批量生产。惠普HP、佳能Canon的热发泡喷头;爱普生Epson和富士Fuji Dimatix的压电喷头;柯达Kodak的连续喷头等均采用了MEMS喷头制造技术。

上海锐尔发计划在未来五年积极推动热发泡、压电、连续喷头在各行业的应用,实现大比例的国产化替代,同时,开发和拓展新的市场,实现年产量达100万个以上,三年内计划在科创版或A版上市。北京奥润计划在未来数年结合资本的力量,开发各种研发方向技术的喷头,拓展细分市场喷头的应用,提高喷头年产量达5-10万个,为市场提供更多、更优质的产品,从中国制造走向中国创造。

工业市场的增长机会,极大地推动了技术的改进;技术的成熟和品质的提高,又进一步拓展了产品的市场应用领域。

喷墨打印头市场前景乐观

据麦姆斯咨询报道,喷墨打印头市场2024年的营收预计可达33亿美元(约合233.9亿人民币),2018年-2024年期间的复合年增长率(CAGR)超过4.7%,同期,工业打印头市场的复合年增长率(同比)可达13.26%。终端用户需求、定制和需求的变化激发了工业打印市场,促进了对喷墨打印技术有巨大兴趣的数字打印。

预计2024年全球消费类和办公打印市场将呈现小幅下降,挑战与机遇并存,再生时代2019年发布的《中国打印元年开启,国产品牌崛起正当时》一文中提及国产打印机面临的诸多机遇:全球打印机产业链将重构,中国正在成为全球打印机产业重要研发、生产基地;信息安全自主可控政策将促使更多的国产品牌撬动国内三万亿政采市场;国内打印机市场规模保持稳定增长等利好因素,国产喷墨打印头厂商对消费类和办公打印市场表示有信心。

北京奥润总经理郑东琛先生表示,他们目前正在设计一款用于办公打印的压电喷头,将运用MEMS工艺,墨滴是2.5PL,分辨率是180DPI,驱动频率40KHZ,可以单列或多列集成。他预测,喷墨打印头作为喷墨打印机核心元器件,国产喷墨打印头厂商与国产打印机厂商的合作是必然,国产喷墨打印头厂商也需为打印机OEM厂商开发针对性更强、性价比高的产品。

上海锐尔发董事长谢永林先生向再生时代表示,基于市场模式和资金需求,现阶段消费类和办公打印应用领域不是上海锐尔发的主攻方向,但是国产喷墨打印头在该领域有巨大的发展潜力,他进一步透露,目前已有两家知名国产打印机品牌与上海锐尔发接洽,在他看来,未来双方肯定有合作机会。

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政策利好推动科研攻关 

为改变当前全部产品依赖进口、受制于人的局面,早在“十二五”期间,国家工信部就已经将“喷墨数字印刷机压电式喷墨打印头制造技术”列为我国需要集中突破的产业关键共性技术。《印刷机械行业“十二五”发展规划》中指出,印刷装备制造行业要加大数字印刷机,尤其是喷墨数字印刷机的研发力度,研发具有自主知识产权的系列化喷墨数字印刷机。在政策利好的推动下,将促使国内企业奋起直追,加大科研攻关力度以尽早开发出具有自主知识产权的喷墨打印头产品。

文章来源:再生时代、爱司凯。参考文献:麦姆斯咨询《喷墨打印头技术及市场趋势-2019版》、苏州锐发打印技术有限公司《喷墨打印头国产化未来可期 》等。

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