俞澤睿，黃妤，朱文凱，李松 *
（浙江農(nóng)林大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，杭州311300）
摘 要：竹編做為中國傳統(tǒng)藝術(shù)形式擁有優(yōu)異的裝飾性、實(shí)用性和環(huán)保性，但在家居制品上的應(yīng)用還是存在生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益上的局限性。提出一種基于數(shù)字分層圖像處理的紫外光固化（UV）噴墨打印辦法，經(jīng)過數(shù)字竹編圖像處理在楊木多層板表面構(gòu)建了擁有微立體結(jié)構(gòu)的竹編肌理。科研顯示在CMYK通道格式下的圖像，經(jīng)過色彩范圍選取和模糊參數(shù)設(shè)置將圖像轉(zhuǎn)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(zhì)感；CMYK通道掌控四色油墨精細(xì)映射進(jìn)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)。并引入層次分析法進(jìn)行體系內(nèi)各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算以及評估實(shí)踐對該辦法打印的表面紋理進(jìn)行科學(xué)客觀的美學(xué)評價。 關(guān)鍵詞：竹編；數(shù)字分層模型；3D紋理；UV打印傳統(tǒng)竹編技術(shù)是中國重要的非遺手工藝，擁有豐富的文化內(nèi)涵和深厚的歷史價值，其獨(dú)特的紋理和質(zhì)感能夠?yàn)榧揖迎h(huán)境帶來自然與溫馨的氛圍。然而，在科技水平持續(xù)發(fā)展和工業(yè)化水平快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)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(jī)械化生產(chǎn)和易損耗等問題，引起其在家居行業(yè)逐步邊緣化。傳統(tǒng)的竹編工藝難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；凸に嚮a(chǎn)；裝飾紋理紙成本高、周期長、污染大且效果難以達(dá)到真實(shí)質(zhì)感；數(shù)字紋理圖案打印雖然能夠復(fù)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(yīng)用尋找新的載體和模式，將環(huán)保有效的UV噴墨打印和數(shù)字分層模型相結(jié)合是竹編元素在家居行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。這種利用數(shù)字分層模型驅(qū)動UV噴墨打印的辦法，能夠?qū)崿F(xiàn)油墨在基材表面準(zhǔn)確多層沉積，將竹編2D圖像轉(zhuǎn)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(shí)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(jìn)行仿真木紋的打印，但日前關(guān)于竹編紋樣3D 飾面打印的關(guān)聯(lián)科研較少。因此呢，本科研經(jīng)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(jìn)行理化性能及美學(xué)價值的客觀評估，探究其在家居行業(yè)應(yīng)用的可行性，為傳統(tǒng)竹編文化重?zé)ㄉ鷻C(jī)開拓“工業(yè)4.0”的新道路。
1、材料與辦法
1.1 材料和儀器
（1）實(shí)驗(yàn)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(qū)顯著；采用Adobe Photoshop CC 2019 軟件進(jìn)行處理；楊木單板（德華兔寶寶裝飾新材股份有限機(jī)構(gòu)，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(jī)構(gòu)，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(shí)驗(yàn)設(shè)備：UV 平板打印機(jī)（蚌埠萬麗達(dá)，WLD-UV1316 型號）；漆膜劃格儀（濟(jì)南思達(dá)，MHH-5）；粗糙度測試儀（上海標(biāo)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(jī)（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(jù)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(jìn)行截斷，得到實(shí)驗(yàn)所用的試件，詳細(xì)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(jìn)行測試，打印起始前對打印機(jī)進(jìn)行測試，調(diào)節(jié)噴頭Z軸高度，測試設(shè)備打印質(zhì)量，保證C、M、Y、K四色打印效果良好。運(yùn)用Adobe Photoshop圖像處理軟件打開高清竹編像，將圖像尺寸體積設(shè)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(yīng)為相應(yīng)現(xiàn)實(shí)竹編中的凹點(diǎn)，在3d 模型中為最低點(diǎn)，因此呢選擇竹編圖像中較暗的色彩區(qū)域?qū)?yīng)于打印后3D紋理的較低點(diǎn)。利用色彩范圍工具在色彩較暗的部位進(jìn)行色彩采樣，采樣色彩為C60%、M70%、Y100%、K30%，調(diào)節(jié)顏色容差為80，120，160，以調(diào)節(jié)所選中的暗部的色彩范圍，相當(dāng)于對現(xiàn)有的2D圖像模型進(jìn)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(shí)驗(yàn)中采用顏色容差120 的圖像進(jìn)行測試。將所選中的選區(qū)進(jìn)行新建專色通道，將原始照片轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗤ǖ缊D像，新建專色對應(yīng)為打印中白色油墨的沉積。在以上操作后，實(shí)驗(yàn)中的高清竹編紋理圖像經(jīng)過數(shù)字處理的方式進(jìn)行了三維方向的分層結(jié)構(gòu)，二維圖像中的彩色信息被轉(zhuǎn)化為立體油墨信息，分別對應(yīng)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(shè)置
Fig. 2 Image processing and color printing settings
1.4 實(shí)驗(yàn)打印辦法
將處理過后的照片用銳圖軟件處理后，在打印機(jī)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(diǎn)位置并將XY軸上都對齊，設(shè)置圖像打印原點(diǎn)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(shù)中，將打印方向設(shè)置為雙向打印，白色油墨的打印密度設(shè)置為3 倍。在打印過程中，在選中區(qū)域創(chuàng)立的專色通道對應(yīng)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(xiàn)出竹編肌理的立體質(zhì)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。
在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)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(diǎn)位對應(yīng)，經(jīng)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(yùn)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(jìn)行表面粗糙度輪廓儀（JB-4C）多點(diǎn)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(shù)表征3 倍墨量下的沉積高度。經(jīng)過表面粗糙度輪廓儀參數(shù)化形式驗(yàn)證噴墨沉積木材紋理形態(tài)結(jié)構(gòu)的還原。
（2）色度學(xué)測試：測繪打印后樣品的顏色參數(shù)。
（3）附著力：依據(jù)CB/T4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能實(shí)驗(yàn)第4 部分：附著力交叉切割測定法》進(jìn)行測試。
（4）硬度：依據(jù)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(jù)CB/T4893.8—2013《家具表面漆膜理化性能實(shí)驗(yàn)第8 部分：耐磨性測定法》進(jìn)行測試。
（6）UV打印竹編在家居中的應(yīng)用評估辦法：本文引入層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP），創(chuàng)立評估模型與判斷矩陣，獲取UV打印竹編制品要素權(quán)重值，知道UV 打印3D 紋理的可行性、先進(jìn)性、恰當(dāng)性，并對該打印辦法進(jìn)行量化分析與評估。
2、結(jié)果與分析
2.1 打印結(jié)果
將圖像體積進(jìn)行處理與打印板件一致，如圖4a所示，在圖像數(shù)字模型分層下，經(jīng)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(jié)構(gòu)，如圖4b、圖4c 所示，即竹編紋理的基本紋理。彩色油墨經(jīng)過C、M、Y、K四色通道精細(xì)掌控在白色油墨沉積層上覆蓋，如圖4d 所示。竹編圖像經(jīng)過數(shù)字處理，在基材表面打印出了色彩、紋理、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。因此呢經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)辦法，在楊木多層板表面進(jìn)行UV數(shù)字噴墨打印，能夠形成在肉眼觀測要求下擁有立體結(jié)構(gòu)的近似真實(shí)的竹編肌理。
圖4 UV竹編紋理打印結(jié)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(yùn)用粗糙度輪廓儀對打印完成面進(jìn)行測繪，能夠直觀地表現(xiàn)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(jīng)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(shù)。為使測試數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，在試件上隨機(jī)抽取7個點(diǎn)測試其表面的峰值粗糙度，輪廓曲線峰值表示：采樣點(diǎn)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(shù)字層打印辦法能夠產(chǎn)生凹凸紋理感的表面肌理。
木材漆膜表面重點(diǎn)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(diǎn)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(jīng)過紫外光的照射，油墨中的光誘發(fā)劑出現(xiàn)聚合固化反應(yīng)，其中光誘發(fā)劑誘發(fā)化學(xué)鍵的斷裂、分子鏈增長、轉(zhuǎn)移等反應(yīng)充分，能夠在基材表面形成硬度很強(qiáng)的漆膜。對照結(jié)果表示本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的硬性油墨硬度達(dá)到了2H的硬度。LAB值指的是其顏色空間中的3 個參數(shù)，分別用于描述漆膜顏色的明暗度、紅綠度和黃藍(lán)度。在平板噴繪機(jī)的曲線調(diào)節(jié)下，試件與標(biāo)準(zhǔn)的LAB差值為-5 ~ 5，基本無色差，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(yīng)漆膜的運(yùn)用壽命和耐久性。在試件上選擇3 個區(qū)域運(yùn)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(dá)到2 級，達(dá)到家具漆膜理化性能的國家標(biāo)準(zhǔn)。漆膜耐磨性指的是漆膜表面抵抗磨損的程度比。本實(shí)驗(yàn)中以200 轉(zhuǎn)漆膜磨損度暗示漆膜耐磨性。實(shí)驗(yàn)測試選擇3 個試件進(jìn)行200 r 耐磨測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)3 個試件的均僅有漆膜局部顯著露白，平均耐磨度達(dá)到3 級，達(dá)到家具漆膜理化性能的國家標(biāo)準(zhǔn)。測試結(jié)果見表1所示。
表1 UV竹編紋理打印性能測試結(jié)果
Table 1 Test results of UV bamboo woven texture printing Performance
2.3 應(yīng)用評估與反饋
為對本實(shí)驗(yàn)制備的3D竹編紋理?xiàng)钅径鄬影暹M(jìn)行科學(xué)評估，驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)中UV打印3D竹編紋理的科學(xué)恰當(dāng)性，引入層次分析法（AHP）進(jìn)行評估。人造板材表面漆膜評估有多項(xiàng)指標(biāo)，傳統(tǒng)的理化性能指標(biāo)并不可全面地從用戶的方向反應(yīng)對板材表面紋理的體驗(yàn)感受?；谌嗽彀宀纳系?D紋理圖案基本性能，設(shè)置調(diào)查問卷，訪談20 名業(yè)內(nèi)人員，得出該方法的評估指標(biāo)，并經(jīng)過比較算法得出相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)，如表2 所示。本科研中采用算術(shù)平均法進(jìn)行矩陣中各要素的權(quán)重計(jì)算，權(quán)重W反映了各個元素在全部決策層結(jié)構(gòu)中的相對重要性，詳細(xì)如下：
在計(jì)算出矩陣的權(quán)重后，再對矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，公式為
式中，CR為一致性比率，CI為一致性指標(biāo)，RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。
表2 判斷矩陣及權(quán)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(shù)值能夠經(jīng)過平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表獲取，如表2 所示。最后得到計(jì)算結(jié)果得到CR值為0.080 3＜0.1，因此呢經(jīng)過檢驗(yàn)。再對UV打印楊木多層板以及竹編進(jìn)行評估打分，結(jié)合以上矩陣計(jì)算得到的權(quán)重W，計(jì)算得出兩類制品的評估量化總分值（如表3所示）。
表3 3D竹編紋理?xiàng)钅径鄬影?span style="color: green;">評估量化總分
Table 3 Total score of 3D bamboo woven textured poplar multi-layer board evaluation quantification
最后，經(jīng)過以上辦法計(jì)算得出的數(shù)據(jù)對比，能夠較為直觀地看出UV打印竹編3D紋理與傳統(tǒng)竹編裝飾上的各項(xiàng)指標(biāo)上的優(yōu)劣。數(shù)據(jù)顯示UV打印在制造生產(chǎn)和美學(xué)價值上相較于傳統(tǒng)竹編雖不足，但在生產(chǎn)成本和理化性能上有顯著優(yōu)良，在將來UV 打印的發(fā)展上能夠針對薄弱點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)和升級，為該辦法進(jìn)一步地深入細(xì)化供給了科學(xué)靠譜的指點(diǎn)。
3、結(jié) 論
按照以上辦法，在高清竹編紋理圖像中選取暗部采樣點(diǎn)（C60%、M70%、Y100%、K30%），調(diào)節(jié)顏色容差，創(chuàng)立專色通道，將數(shù)字平面圖像進(jìn)行分層切割為多通道圖像。設(shè)置打印機(jī)參數(shù)，在基材表面形成3 倍白色油墨沉積，轉(zhuǎn)化為立體凹凸紋理。彩色油墨點(diǎn)對點(diǎn)映射打印竹編紋理圖像。多通道驅(qū)動打印，形成色彩寫實(shí)的凹凸竹編肌理。經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)中的試件進(jìn)行漆膜性能測試：峰值粗糙度達(dá)312 μm表征，硬度達(dá)到2H，附著力2 級，LAB 差值為-5 ~ 5，耐磨度為3 級。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示打印辦法產(chǎn)生的竹編肌理符合國家標(biāo)準(zhǔn)，可用于生產(chǎn)和運(yùn)用。經(jīng)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(yōu)于傳統(tǒng)竹編。這種3D紋理打印辦法簡單且成本低，適用于家具行業(yè)，能夠提高家居制品價值，拓展傳統(tǒng)竹編元素在設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(xué)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(jì)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(fā)代號為：4-308）。二.倘若當(dāng)?shù)剜]局沒法訂閱，可聯(lián)系《家具》雜志官方QQ：3517618949與咱們聯(lián)系。三.經(jīng)過《家具》雜志官方微店訂閱。《家具》雜志微店
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