俞泽睿，黄妤，朱文凯，李松 *
（浙江农林大学化学与材料工程学院，杭州311300）
摘 要：竹编做为中国传统艺术形式拥有优异的装饰性、实用性和环保性，但在家居制品上的应用还是存在生产效率和经济效益上的局限性。提出一种基于数字分层图像处理的紫外光固化（UV）喷墨打印办法，经过数字竹编图像处理在杨木多层板表面构建了拥有微立体结构的竹编肌理。科研显示在CMYK通道格式下的图像，经过色彩范围选取和模糊参数设置将图像转化为灰度图像，灰度图像链接专色通道掌控白色油墨沉积，打印密度为300%并在基材表面多层沉积，高度模拟竹编藤编的凹凸质感；CMYK通道掌控四色油墨精细映射进行彩色打印。基于以上办法，在杨木多层板上成功模拟出拥有极高类似度的竹编表面装饰效果。漆膜理学性能测试显示油墨沉积粗糙度约为300 μm，LAB差值为-5 ~ 5，附着力为2级，硬度为2H，耐磨度为3级，符合家具制品漆膜表面理化性能的国家标准。并引入层次分析法进行体系内各指标权重计算以及评估实践对该办法打印的表面纹理进行科学客观的美学评价。 关键词：竹编；数字分层模型；3D纹理；UV打印传统竹编技术是中国重要的非遗手工艺，拥有丰富的文化内涵和深厚的历史价值，其独特的纹理和质感能够为家居环境带来自然与温馨的氛围。然而，在科技水平持续发展和工业化水平快速发展的今天，传统竹编工艺与各样新材料相比，存在制作工艺繁杂，原材料获取困难，难以机械化生产和易损耗等问题，引起其在家居行业逐步边缘化。传统的竹编工艺难以实现规模化和工艺化生产；装饰纹理纸成本高、周期长、污染大且效果难以达到真实质感；数字纹理图案打印虽然能够复制图像，但在纹理和触感上有局限性。想要为竹编文化在家居上的应用寻找新的载体和模式，将环保有效的UV喷墨打印和数字分层模型相结合是竹编元素在家居行业发展的关键技术之一。这种利用数字分层模型驱动UV喷墨打印的办法，能够实现油墨在基材表面准确多层沉积，将竹编2D图像转化为3D肌理饰面，能够高度模拟竹编的纹理和色彩，多层次还原其真实自然的感觉，形成色彩丰富、图像清晰、纹理精致、层次分明的饰面肌理。有科研显示能够利用UV喷墨打印进行仿真木纹的打印，但日前关于竹编纹样3D 饰面打印的关联科研较少。因此呢，本科研经过理化性能测试和层次分析法对该办法打印的3D竹编纹理进行理化性能及美学价值的客观评估，探究其在家居行业应用的可行性，为传统竹编文化重焕生机开拓“工业4.0”的新道路。
1、材料与办法
1.1 材料和仪器
（1）实验材料：高精竹编、藤编纹理图像，图像格式JPG, 分辨率300 dpi，图像尺寸为15 cm ×15 cm，图像纹理需要色彩鲜艳，纹理逼真，明暗分区显著；采用Adobe Photoshop CC 2019 软件进行处理；杨木单板（德华兔宝宝装饰新材股份有限机构，厚度2.2 mm,含水量12% ~ 13%）；大豆蛋白胶黏剂（浙江升华云峰新材股份有限机构，大豆蛋白，固含量30%）；400 目（粒径38 μｍ）打磨砂纸；硬性UV油墨（C、M、Y、K、W五色）。
（2）实验设备：UV 平板打印机（蚌埠万丽达，WLD-UV1316 型号）；漆膜划格仪（济南思达，MHH-5）；粗糙度测试仪（上海标卓，JB-6C）；LAB测试仪（丹东百特，BT-1000）；QHQ型铅笔划痕硬度仪（广东三恩时，QA-A-H）；中华铅笔（上海老凤祥，6B-6H）；X16 型平板硫化热压机（青岛亚东，X16）。
1.2 杨木多层板制造办法
七层杨木单板交错纵横组坯后将大豆蛋白黏合剂根据12%的施胶量均匀涂于芯板，陈化10 min后在120℃、压力2 MPa 下热压10 min；最后，按照GB/T 9846—2015《普通胶合板》的尺寸需求，对七层胶合板进行截断，得到实验所用的试件，详细的制备工艺流程图如图1所示。
1.3 图像处理办法
以竹编图像进行测试，打印起始前对打印机进行测试，调节喷头Z轴高度，测试设备打印质量，保证C、M、Y、K四色打印效果良好。运用Adobe Photoshop图像处理软件打开高清竹编像，将图像尺寸体积设置为15 cm × 15 cm。在平常竹编纹理图案中，颜色较暗的部位被对应为相应现实竹编中的凹点，在3d 模型中为最低点，因此呢选择竹编图像中较暗的色彩区域对应于打印后3D纹理的较低点。利用色彩范围工具在色彩较暗的部位进行色彩采样，采样色彩为C60%、M70%、Y100%、K30%，调节颜色容差为80，120，160，以调节所选中的暗部的色彩范围，相当于对现有的2D图像模型进行了3D空间上的分层切割，以此来模拟打印后竹编所拥有的凹凸纹理。
实验中采用颜色容差120 的图像进行测试。将所选中的选区进行新建专色通道，将原始照片转变为多通道图像，新建专色对应为打印中白色油墨的沉积。在以上操作后，实验中的高清竹编纹理图像经过数字处理的方式进行了三维方向的分层结构，二维图像中的彩色信息被转化为立体油墨信息，分别对应于打印中的彩色油墨和白色油墨。
图1 杨木多层板制备工艺流程图
Fig. 1 Poplar multi-layer board preparation process flow chart
图2 图像处理及色彩打印设置
Fig. 2 Image processing and color printing settings
1.4 实验打印办法
将处理过后的照片用锐图软件处理后，在打印机配套的软件中打开。杨木多层板用400 目砂纸打磨至表面平整光滑，安置于打印平台零点位置并将XY轴上都对齐，设置图像打印原点为（0，0），保证打印基材与图像打印位置完全重合匹配。在打印参数中，将打印方向设置为双向打印，白色油墨的打印密度设置为3 倍。在打印过程中，在选中区域创立的专色通道对应的白色油墨在打印过程中会以三倍墨量沉积，形成高度差，从而表现出竹编肌理的立体质感。而C、M、Y、K四色通道则会掌控彩色油墨在白色油墨上覆盖一层，以此来赋予基材与竹编图像一致的原色彩，如图3所示。
在实验中经过对图像纹理的编辑，就能够将原彩色的图像像素与打印中的点位对应，经过白色油墨和彩色油墨的多层沉积为“微立体”的3D纹理。
图3 UV打印流程示意图
Fig. 3 UV printing process diagram
1.5 表征性能测试
（1）表面粗糙度：运用粗糙度测试仪（JB-C）对杨木板表面喷墨沉积的木材纹理进行表面粗糙度轮廓仪（JB-4C）多点测试，由粗糙度轮廓曲线表征油墨沉积的木纹形貌，测试参数表征3 倍墨量下的沉积高度。经过表面粗糙度轮廓仪参数化形式验证喷墨沉积木材纹理形态结构的还原。
（2）色度学测试：测绘打印后样品的颜色参数。
（3）附着力：依据CB/T4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能实验第4 部分：附着力交叉切割测定法》进行测试。
（4）硬度：依据GB/T 6739—2022《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》，采用QHQ型涂膜铅笔划痕硬度仪。
（5）耐磨度：依据CB/T4893.8—2013《家具表面漆膜理化性能实验第8 部分：耐磨性测定法》进行测试。
（6）UV打印竹编在家居中的应用评估办法：本文引入层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP），创立评估模型与判断矩阵，获取UV打印竹编制品要素权重值，知道UV 打印3D 纹理的可行性、先进性、恰当性，并对该打印办法进行量化分析与评估。
2、结果与分析
2.1 打印结果
将图像体积进行处理与打印板件一致，如图4a所示，在图像数字模型分层下，经过C、M、Y、K四色通道和专色通道分别掌控下，白色油墨在基材表面三层沉积形成微立体的3D结构，如图4b、图4c 所示，即竹编纹理的基本纹理。彩色油墨经过C、M、Y、K四色通道精细掌控在白色油墨沉积层上覆盖，如图4d 所示。竹编图像经过数字处理，在基材表面打印出了色彩、纹理、结构都高度一致的表面肌理，形成为了拥有立体效果的表面纹理，在自然光照要求下肉眼观察，基材表面的竹编纹理与原图像相仿且拥有立体结构。因此呢经过以上实验办法，在杨木多层板表面进行UV数字喷墨打印，能够形成在肉眼观测要求下拥有立体结构的近似真实的竹编肌理。
图4 UV竹编纹理打印结果
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异，运用粗糙度轮廓仪对打印完成面进行测绘，能够直观地表现表面纹理的立体曲线。在表面粗糙度的测绘中，采用峰值粗糙度Rz，经过分析打印完成面轮廓曲线上最高峰和最低谷之间的最大高度差得出基材表面油墨沉积的层数。为使测试数据更加准确，在试件上随机抽取7个点测试其表面的峰值粗糙度，轮廓曲线峰值表示：采样点的平均峰值粗糙度为301 μm，即白色油墨3 倍沉积的高度约为300 μm，因此呢这种数字层打印办法能够产生凹凸纹理感的表面肌理。
木材漆膜表面重点为粗糙度、硬度、附着力、耐磨性能、LAB值等以上漆膜粗糙度重点表征了白色油墨在基材表面沉积形成为了模型肌理，打印高度差为300 μｍ，能够满足竹编纹理在视觉和触觉上的立体效果。紫外光固化油墨经过紫外光的照射，油墨中的光诱发剂出现聚合固化反应，其中光诱发剂诱发化学键的断裂、分子链增长、转移等反应充分，能够在基材表面形成硬度很强的漆膜。对照结果表示本实验中运用的硬性油墨硬度达到了2H的硬度。LAB值指的是其颜色空间中的3 个参数，分别用于描述漆膜颜色的明暗度、红绿度和黄蓝度。在平板喷绘机的曲线调节下，试件与标准的LAB差值为-5 ~ 5，基本无色差，高度还原了竹编原有的色彩。漆膜附着力是漆膜与基材之间相互功效力的一种表征性能，能够反映出漆膜与基材之间的黏着力和剪切力。能够直接反应漆膜的运用寿命和耐久性。在试件上选择3 个区域运用交叉划格法测试后，切割边缘有少量油墨脱落，对比得出漆膜在基材上的附着力等级达到2 级，达到家具漆膜理化性能的国家标准。漆膜耐磨性指的是漆膜表面抵抗磨损的程度比。本实验中以200 转漆膜磨损度暗示漆膜耐磨性。实验测试选择3 个试件进行200 r 耐磨测试，实验结果表现3 个试件的均仅有漆膜局部显著露白，平均耐磨度达到3 级，达到家具漆膜理化性能的国家标准。测试结果见表1所示。
表1 UV竹编纹理打印性能测试结果
Table 1 Test results of UV bamboo woven texture printing Performance
2.3 应用评估与反馈
为对本实验制备的3D竹编纹理杨木多层板进行科学评估，验证本实验中UV打印3D竹编纹理的科学恰当性，引入层次分析法（AHP）进行评估。人造板材表面漆膜评估有多项指标，传统的理化性能指标并不可全面地从用户的方向反应对板材表面纹理的体验感受。基于人造板材上的3D纹理图案基本性能，设置调查问卷，访谈20 名业内人员，得出该方法的评估指标，并经过比较算法得出相应的加权系数，如表2 所示。本科研中采用算术平均法进行矩阵中各要素的权重计算，权重W反映了各个元素在全部决策层结构中的相对重要性，详细如下：
在计算出矩阵的权重后，再对矩阵进行一致性检验，公式为
式中，CR为一致性比率，CI为一致性指标，RI为随机一致性指标。
表2 判断矩阵及权重
Table 2 Judgment matrix and weight
若矩阵满足CR＜0.1，则暗示该矩阵拥有一致性。RI的数值能够经过平均随机一致性指标表获取，如表2 所示。最后得到计算结果得到CR值为0.080 3＜0.1，因此呢经过检验。再对UV打印杨木多层板以及竹编进行评估打分，结合以上矩阵计算得到的权重W，计算得出两类制品的评估量化总分值（如表3所示）。
表3 3D竹编纹理杨木多层板评估量化总分
Table 3 Total score of 3D bamboo woven textured poplar multi-layer board evaluation quantification
最后，经过以上办法计算得出的数据对比，能够较为直观地看出UV打印竹编3D纹理与传统竹编装饰上的各项指标上的优劣。数据显示UV打印在制造生产和美学价值上相较于传统竹编虽不足，但在生产成本和理化性能上有显著优良，在将来UV 打印的发展上能够针对薄弱点进行改进和升级，为该办法进一步地深入细化供给了科学靠谱的指点。
3、结 论
按照以上办法，在高清竹编纹理图像中选取暗部采样点（C60%、M70%、Y100%、K30%），调节颜色容差，创立专色通道，将数字平面图像进行分层切割为多通道图像。设置打印机参数，在基材表面形成3 倍白色油墨沉积，转化为立体凹凸纹理。彩色油墨点对点映射打印竹编纹理图像。多通道驱动打印，形成色彩写实的凹凸竹编肌理。经过对实验中的试件进行漆膜性能测试：峰值粗糙度达312 μm表征，硬度达到2H，附着力2 级，LAB 差值为-5 ~ 5，耐磨度为3 级。实验结果显示打印办法产生的竹编肌理符合国家标准，可用于生产和运用。经过UV打印杨木多层板的层次分析，得出该办法样品综合评估优于传统竹编。这种3D纹理打印办法简单且成本低，适用于家具行业，能够提高家居制品价值，拓展传统竹编元素在设计中的应用可能性。中英文引文格式：俞泽睿，黄妤，朱文凯，等. UV 打印3D 竹编纹理的性能及美学评估[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》杂志为双月刊，每期20元，全年共6期，共计120元。日前，订阅《家具》杂志有以下三种方式：一.能够邮局订阅（邮发代号为：4-308）。二.倘若当地邮局没法订阅，可联系《家具》杂志官方QQ：3517618949与咱们联系。三.经过《家具》杂志官方微店订阅。《家具》杂志微店
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