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    UV 打印3D 竹編紋理的性能及美學評定

    時間:2025-01-27 04:58:50 作者:147小編 點擊:

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    俞澤睿,黃妤,朱文凱,李松 *

    (浙江農林大學化學與材料工程學院,杭州311300)

     摘  要:竹編做為中國傳統藝術形式擁有優異的裝飾性、實用性和環保性,但在家居制品上的應用還是存在生產效率和經濟效益上的局限性。提出一種基于數字分層圖像處理的紫外光固化(UV)噴墨打印辦法,經過數字竹編圖像處理在楊木多層板表面構建了擁有微立體結構的竹編肌理。科研顯示CMYK通道格式下的圖像,經過色彩范圍選取和模糊參數設置將圖像轉化為灰度圖像,灰度圖像鏈接專色通道掌控白色油墨沉積,打印密度為300%并在基材表面多層沉積,高度模擬竹編藤編的凹凸質感;CMYK通道掌控四色油墨精細映射進行彩色打印。基于以上辦法,在楊木多層板上成功模擬出擁有極高類似度的竹編表面裝飾效果。漆膜理學性能測試顯示油墨沉積粗糙度約為300 μm,LAB差值為-5 ~ 5,附著力為2級,硬度為2H,耐磨度為3級,符合家具制品漆膜表面理化性能的國家標準。并引入層次分析法進行體系內各指標權重計算以及評估實踐對該辦法打印的表面紋理進行科學客觀的美學評價。 關鍵詞:竹編;數字分層模型;3D紋理;UV打印

    傳統竹編技術是中國重要的非遺手工藝,擁有豐富的文化內涵和深厚的歷史價值,其獨特的紋理和質感能夠為家居環境帶來自然與溫馨的氛圍。然而,在科技水平持續發展和工業化水平快速發展的今天,傳統竹編工藝與各樣新材料相比,存在制作工藝繁雜,原材料獲取困難,難以機械化生產和易損耗等問題,引起其在家居行業逐步邊緣化。傳統的竹編工藝難以實現規?;凸に嚮a;裝飾紋理紙成本高、周期長、污染大且效果難以達到真實質感;數字紋理圖案打印雖然能夠復制圖像,但在紋理和觸感上有局限性。想要為竹編文化在家居上的應用尋找新的載體和模式,將環保有效的UV噴墨打印和數字分層模型相結合是竹編元素在家居行業發展的關鍵技術之一。這種利用數字分層模型驅動UV噴墨打印的辦法,能夠實現油墨在基材表面準確多層沉積,將竹編2D圖像轉化為3D肌理飾面,能夠高度模擬竹編的紋理和色彩,多層次還原其真實自然的感覺,形成色彩豐富、圖像清晰、紋理精致、層次分明的飾面肌理。有科研顯示能夠利用UV噴墨打印進行仿真木紋的打印,但日前關于竹編紋樣3D 飾面打印的關聯科研較少。因此呢,本科研經過理化性能測試和層次分析法對該辦法打印的3D竹編紋理進行理化性能及美學價值的客觀評估,探究其在家居行業應用的可行性,為傳統竹編文化重煥生機開拓“工業4.0”的新道路。

     1、材料與辦法 

    1.1 材料和儀器

    (1)實驗材料:高精竹編、藤編紋理圖像,圖像格式JPG, 分辨率300 dpi,圖像尺寸為15 cm ×15 cm,圖像紋理需要色彩鮮艷,紋理逼真,明暗分區顯著;采用Adobe Photoshop CC 2019 軟件進行處理;楊木單板(德華兔寶寶裝飾新材股份有限機構,厚度2.2 mm,含水量12% ~ 13%);大豆蛋白膠黏劑(浙江升華云峰新材股份有限機構,大豆蛋白,固含量30%);400 目(粒徑38 μm)打磨砂紙;硬性UV油墨(C、M、Y、K、W五色)。

    (2)實驗設備:UV 平板打印機(蚌埠萬麗達,WLD-UV1316 型號);漆膜劃格儀(濟南思達,MHH-5);粗糙度測試儀(上海標卓,JB-6C);LAB測試儀(丹東百特,BT-1000);QHQ型鉛筆劃痕硬度儀(廣東三恩時,QA-A-H);中華鉛筆(上海老鳳祥,6B-6H);X16 型平板硫化熱壓機(青島亞東,X16)。

    1.2 楊木多層板制造辦法

    七層楊木單板交錯縱橫組坯后將大豆蛋白黏合劑根據12%的施膠量均勻涂于芯板,陳化10 min后在120℃、壓力2 MPa 下熱壓10 min;最后,按照GB/T 9846—2015《普通膠合板》的尺寸需求,對七層膠合板進行截斷,得到實驗所用的試件,詳細的制備工藝流程圖如圖1所示。

    1.3 圖像處理辦法

    以竹編圖像進行測試,打印起始前對打印機進行測試,調節噴頭Z軸高度,測試設備打印質量,保證C、M、Y、K四色打印效果良好。運用Adobe Photoshop圖像處理軟件打開高清竹編像,將圖像尺寸體積設置為15 cm × 15 cm。在平常竹編紋理圖案中,顏色較暗的部位被對應為相應現實竹編中的凹點,在3d 模型中為最低點,因此呢選擇竹編圖像中較暗的色彩區域對應于打印后3D紋理的較低點。利用色彩范圍工具在色彩較暗的部位進行色彩采樣,采樣色彩為C60%、M70%、Y100%、K30%,調節顏色容差為80,120,160,以調節所選中的暗部的色彩范圍,相當于對現有的2D圖像模型進行了3D空間上的分層切割,以此來模擬打印后竹編所擁有的凹凸紋理。

    實驗中采用顏色容差120 的圖像進行測試。將所選中的選區進行新建專色通道,將原始照片轉變為多通道圖像,新建專色對應為打印中白色油墨的沉積。在以上操作后,實驗中的高清竹編紋理圖像經過數字處理的方式進行了三維方向的分層結構,二維圖像中的彩色信息被轉化為立體油墨信息,分別對應于打印中的彩色油墨和白色油墨。

    圖1  楊木多層板制備工藝流程圖

    Fig. 1  Poplar multi-layer board preparation process flow chart

    圖2  圖像處理及色彩打印設置

    Fig. 2  Image processing and color printing settings

    1.4 實驗打印辦法

    將處理過后的照片用銳圖軟件處理后,在打印機配套的軟件中打開。楊木多層板用400 目砂紙打磨至表面平整光滑,安置于打印平臺零點位置并將XY軸上都對齊,設置圖像打印原點為(0,0),保證打印基材與圖像打印位置完全重合匹配。在打印參數中,將打印方向設置為雙向打印,白色油墨的打印密度設置為3 倍。在打印過程中,在選中區域創立的專色通道對應的白色油墨在打印過程中會以三倍墨量沉積,形成高度差,從而表現出竹編肌理的立體質感。而C、M、Y、K四色通道則會掌控彩色油墨在白色油墨上覆蓋一層,以此來賦予基材與竹編圖像一致的原色彩,如圖3所示。

    實驗經過對圖像紋理的編輯,就能夠將原彩色的圖像像素與打印中的點位對應,經過白色油墨和彩色油墨的多層沉積為“微立體”的3D紋理。

    圖3  UV打印流程示意圖

    Fig. 3  UV printing process diagram

    1.5 表征性能測試

    (1)表面粗糙度:運用粗糙度測試儀(JB-C)對楊木板表面噴墨沉積的木材紋理進行表面粗糙度輪廓儀(JB-4C)多點測試,由粗糙度輪廓曲線表征油墨沉積的木紋形貌,測試參數表征3 倍墨量下的沉積高度。經過表面粗糙度輪廓儀參數化形式驗證噴墨沉積木材紋理形態結構的還原。

    (2)色度學測試:測繪打印后樣品的顏色參數。

    (3)附著力:依據CB/T4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能實驗第4 部分:附著力交叉切割測定法》進行測試。

    (4)硬度:依據GB/T 6739—2022《色漆和清漆鉛筆法測定漆膜硬度》,采用QHQ型涂膜鉛筆劃痕硬度儀。

    (5)耐磨度:依據CB/T4893.8—2013《家具表面漆膜理化性能實驗第8 部分:耐磨性測定法》進行測試。

    (6)UV打印竹編在家居中的應用評估辦法:本文引入層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP),創立評估模型與判斷矩陣,獲取UV打印竹編制品要素權重值,知道UV 打印3D 紋理的可行性、先進性、恰當性,并對該打印辦法進行量化分析與評估。

     2、結果與分析 

    2.1 打印結果

    將圖像體積進行處理與打印板件一致,如圖4a所示,在圖像數字模型分層下,經過C、M、Y、K四色通道和專色通道分別掌控下,白色油墨在基材表面三層沉積形成微立體的3D結構,如圖4b、圖4c 所示,即竹編紋理的基本紋理。彩色油墨經過C、M、Y、K四色通道精細掌控在白色油墨沉積層上覆蓋,如圖4d 所示。竹編圖像經過數字處理,在基材表面打印出了色彩、紋理、結構都高度一致的表面肌理,形成為了擁有立體效果的表面紋理,在自然光照要求下肉眼觀察,基材表面的竹編紋理與原圖像相仿且擁有立體結構。因此呢經過以上實驗辦法,在楊木多層板表面進行UV數字噴墨打印,能夠形成在肉眼觀測要求擁有立體結構的近似真實的竹編肌理。

    圖4  UV竹編紋理打印結果

    Fig. 4  Flow chart of UV bamboo woven texture simulation printing

    2.2 表征性能

    漆膜表面粗糙度指的是表面的凹凸程度,一般指的是表面高度的平均差異,運用粗糙度輪廓儀對打印完成面進行測繪,能夠直觀地表現表面紋理的立體曲線。在表面粗糙度的測繪中,采用峰值粗糙度Rz,經過分析打印完成面輪廓曲線上最高峰和最低谷之間的最大高度差得出基材表面油墨沉積的層數。為使測試數據更加準確,在試件上隨機抽取7個點測試其表面的峰值粗糙度,輪廓曲線峰值表示:采樣點的平均峰值粗糙度為301 μm,即白色油墨3 倍沉積的高度約為300 μm,因此呢這種數字層打印辦法能夠產生凹凸紋理感的表面肌理。

    木材漆膜表面重點為粗糙度、硬度、附著力、耐磨性能、LAB值等以上漆膜粗糙度重點表征了白色油墨在基材表面沉積形成為了模型肌理,打印高度差為300 μm,能夠滿足竹編紋理在視覺和觸覺上的立體效果。紫外光固化油墨經過紫外光的照射,油墨中的光誘發出現聚合固化反應,其中光誘發劑誘發化學鍵的斷裂、分子鏈增長、轉移等反應充分,能夠在基材表面形成硬度很強的漆膜。對照結果表示本實驗中運用的硬性油墨硬度達到了2H的硬度。LAB值指的是其顏色空間中的3 個參數,分別用于描述漆膜顏色的明暗度、紅綠度和黃藍度。在平板噴繪機的曲線調節下,試件與標準的LAB差值為-5 ~ 5,基本色差,高度還原了竹編原有的色彩。漆膜附著力是漆膜與基材之間相互功效力的一種表征性能,能夠反映出漆膜與基材之間的黏著力和剪切力。能夠直接反應漆膜的運用壽命和耐久性。在試件上選擇3 個區域運用交叉劃格法測試后,切割邊緣有少量油墨脫落,對比得出漆膜在基材上的附著力等級達到2 級,達到家具漆膜理化性能的國家標準。漆膜耐磨性指的是漆膜表面抵抗磨損的程度比。本實驗中以200 轉漆膜磨損度暗示漆膜耐磨性。實驗測試選擇3 個試件進行200 r 耐磨測試,實驗結果表現3 個試件的均僅有漆膜局部顯著露白,平均耐磨度達到3 級,達到家具漆膜理化性能的國家標準。測試結果見表1所示。

    表1  UV竹編紋理打印性能測試結果

    Table 1  Test results of UV bamboo woven texture printing Performance

    2.3 應用評估與反饋

    為對本實驗制備的3D竹編紋理楊木多層板進行科學評估,驗證本實驗中UV打印3D竹編紋理的科學恰當性,引入層次分析法(AHP)進行評估。人造板材表面漆膜評估有多項指標,傳統的理化性能指標并不可全面地從用戶的方向反應對板材表面紋理的體驗感受?;谌嗽彀宀纳系?D紋理圖案基本性能,設置調查問卷,訪談20 名業內人員,得出該方法評估指標,并經過比較算法得出相應的加權系數,如表2 所示。本科研中采用算術平均法進行矩陣中各要素的權重計算,權重W反映了各個元素在全部決策層結構中的相對重要性,詳細如下:

    在計算出矩陣的權重后,再對矩陣進行一致性檢驗,公式為

    式中,CR為一致性比率,CI為一致性指標,RI為隨機一致性指標。

    表2  判斷矩陣及權重

    Table 2  Judgment matrix and weight

    若矩陣滿足CR<0.1,則暗示該矩陣擁有一致性。RI的數值能夠經過平均隨機一致性指標表獲取,如表2 所示。最后得到計算結果得到CR值為0.080 3<0.1,因此呢經過檢驗。再對UV打印楊木多層板以及竹編進行評估打分,結合以上矩陣計算得到的權重W,計算得出兩類制品評估量化總分值(如表3所示)。

    表3  3D竹編紋理楊木多層板評估量化總分

    Table 3  Total score of 3D bamboo woven textured poplar multi-layer board evaluation quantification

    最后,經過以上辦法計算得出的數據對比,能夠較為直觀地看出UV打印竹編3D紋理與傳統竹編裝飾上的各項指標上的優劣。數據顯示UV打印在制造生產和美學價值上相較于傳統竹編雖不足,但在生產成本和理化性能上有顯著優良,在將來UV 打印的發展上能夠針對薄弱點進行改進和升級,為該辦法進一步地深入細化供給了科學靠譜指點。

     3、結  論 

    按照以上辦法,在高清竹編紋理圖像中選取暗部采樣點(C60%、M70%、Y100%、K30%),調節顏色容差,創立專色通道,將數字平面圖像進行分層切割為多通道圖像。設置打印機參數,在基材表面形成3 倍白色油墨沉積,轉化為立體凹凸紋理。彩色油墨點對點映射打印竹編紋理圖像。多通道驅動打印,形成色彩寫實的凹凸竹編肌理。經過實驗中的試件進行漆膜性能測試:峰值粗糙度達312 μm表征,硬度達到2H,附著力2 級,LAB 差值為-5 ~ 5,耐磨度為3 級。實驗結果顯示打印辦法產生的竹編肌理符合國家標準,可用于生產和運用。經過UV打印楊木多層板的層次分析,得出該辦法樣品綜合評估優于傳統竹編。這種3D紋理打印辦法簡單且成本低,適用于家具行業,能夠提高家居制品價值,拓展傳統竹編元素在設計中的應用可能性。中英文引文格式:俞澤睿,黃妤,朱文凱,等. UV 打印3D 竹編紋理的性能及美學評估[J]. 家具,2024,45(6):15-19.YU Zerui,HUANG Yu,ZHU Wenkai,et al . Evaluation of Performance and Aesthetic for UV Printing 3D Bamboo Woven Texture[J]. Furniture,2024,45(6):15-19.《家具》雜志為雙月刊,每期20元,全年共6期,共計120元。日前,訂閱《家具》雜志有以下三種方式:一.能夠郵局訂閱(郵發代號為:4-308)。二.倘若當地郵局沒法訂閱,可聯系《家具》雜志官方QQ:3517618949與咱們聯系。三.經過《家具》雜志官方微店訂閱。

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