立体产品表面彩色印刷移印版制版工艺的研究_于飞虎.pdf

PRINTING AND DIGITAL MEDIA TECHNOLOGY STUDY Tol.223 No.2 2023.04印刷与数字媒体技术研究 2023年第2期（总第223期）RESEARCH PAPERS研究论文立体产品表面彩色印刷移印版制版工艺的研究于飞虎，任长梅，张国伟*（天津科技大学 轻工科学与工程学院，天津 300457）摘要 为了增强立体产品表面移印效果，本研究结合激光制版技术和3D打印技术探究立体移印版的制作，通过移印工艺验证移印版在立体产品表面彩色印刷应用的可能性。首先通过正交实验确定了最佳激光打标参数，接着对平面光敏树脂版和金属版进行预打标测试，对比其印刷效果，来确定激光打标制版的最佳印版材质及最佳参数，进而制作立体移印版，最后观察立体产品上的移印效果。实验表明：相较于光敏树脂，采用金属制作的立体移印版效果更好，且激光打标制版的最佳参数为灰度点阵打标模式下，激光功率50%、速度250mm/s、Q释放时间1s、Q频率20kHz、打标次数1次、加网线数为75线/英寸，打标高度随立体移印版高度进行调节。本研究方法制作出立体移印版对于立体产品表面彩色印刷具有一定的可行性。关键词 激光制版；3D打印；立体移印版中图分类号 TS804;TS805.3文献标识码 A文章编号 2097-2474(2023)02-83-06DOI 10.19370/10-1886/ts.2023.02.010Research on the Transfer Printing Plate Making Process of Color Printing on the Surface of Three-Dimensional ProductsYU Fei-hu,REN Chang-mei,ZHANG Guo-wei*(College of Light Industry Science and Engineering,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457,China)Abstract In order to enhance the transfer printing effect on the surface of three-dimensional products,in this study,the preparation of three-dimensional transfer printing plate by laser plate-making technology and three-dimensional printing technology was explored,and the possibility of transfer printing plate using in the color printing on the surface of three-dimensional products through transfer printing technology was verified.Firstly,the best laser printing parameters were determined by the orthogonal test.Secondly,the pre-marking on the photosensitive resin plate and the metal plate was test.Then the three-dimensional transfer printing plate was prepared,and finally the printing effect of the printing plate transfer to the three-dimensional products was observed.The experiment results showed that the three-dimensional transfer printing plate of metal had better effect than that of photosensitive resin,and the best parameters of plate making were laser power of 50%,speed of 250mm/s,Q release time of 1s,Q frequency of 20kHz,marking time of 1 and screening lines of 75 line/inch in gray dot matrix marking made,and the marking 收稿日期：2022-05-29 修回日期：2022-07-04 *为通讯作者本文引用格式：于飞虎，任长梅，张国伟.立体产品表面彩色印刷移印版制版工艺的研究J.印刷与数字媒体技术研究，2023，(2):83-88.2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 832023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 832023/3/27 16:05:452023/3/27 16:05:4584印刷与数字媒体技术研究2023年第2期（总第223期）0 引言3D打印技术又称增材制造技术，是以数字模型文件为基础，通过将液体、粉末、丝、片、板等材料逐层叠加来实现制造的技术1-2。该技术利用计算机软件将3D模型切成一系列具有一定厚度的“薄片”，通过3D打印设备自下而上地打印出每一层“薄片”，最后叠加成形出三维的实体模型3。近些年，随着3D打印技术的飞速发展，其打印的立体产品越来越受到人们的追捧，被广泛应用于教育医疗、文艺创作、地理测绘、文物保护等4-7诸多领域。现阶段，主流的3D打印技术其产品颜色依赖于耗材本身的颜色，难以满足人们的个性化需求，并且由于立体产品的独特性，常规的印刷方式很难直接在其表面印刷，因而限制了其进一步发展。为了解决立体产品表面着色困难这一难题，有研究人员在3D打印过程中使用光致变色材料8，这种材料打印出的产品在接触特定的光线时，颜色由透明变成五颜六色，而不需要重新修饰。也有研究人员针对应用较多的全彩色FDM 3D打印机提出了一种利用内填充和下脚料处理的颜色切换技术来解决彩色3D打印中的颜色混合延迟问题，改善了彩色3D打印的颜色可控性和精确性等难题9。此外，为了提高3D打印产品的外观质量，研究人员还通过白墨涂覆的方式解决3D打印过程中阶梯效应所造成的着色问题，从而获得更高质量的彩色外观10。虽然这些研究能够在一定程度上解决立体产品着色问题，但并没有提供一套完整实现立体产品表面高质量着色，且能达到低成本、批量化生产的方法。移印作为特种印刷方式的一种，对于立体产品印刷具有很强的优势，能够在一些表面较为复杂、曲率较高的立体产品上印刷各种文字图案11-12，且印刷成本相对低廉。其移印版版材有平面钢板（薄钢板、厚板）和滚筒状移印版两种类型，主要利用腐蚀制版法和激光雕刻制版法进行制版。腐蚀制版法制作流程十分复杂，且容易对环境产生一定的污染12。激光雕刻制版法是利用激光能量密度大、定向发光等特点，将已设计好的矢量图或位图通过计算机传送给激光雕刻机，利用高功率密度的聚焦激光光束击打在作业材料表面，使其产生汽化或其他物理变化从而改变作业材料形态13-14。采用激光雕刻制版法不仅可以缩短制版的步骤，而且依靠激光的特性可以确保移印版上网点的精细度。因此现阶段大多趋向于激光雕刻制版法。本研究结合3D打印技术个性化打印优势以及激光雕刻制版技术的精细度来制作立体移印版，通过实验，对立体移印版制版工艺最佳打标参数进行研究，以提高制版质量，以期达到低成本、高质量、批量化生产的目的。1 立体产品表面彩色印刷工艺流程本研究根据所需印刷的立体产品进行三维建模，利用3D打印技术制作立体产品印版模型，然后通过激光打标机在印版模型上进行网点打标制作出立体移印版，最后在激光打标机上设置最佳打标参数制作立体移印版，并在移印机上进行移印着色，再采用平面印刷品质量的主观评价和客观评价方法对立体产品的印刷质量进行评价。在这一立体产品表面彩色印刷工艺流程中，使用激光打标机制作出立体移印版之前，先在平面光敏树脂版和金属版进行预打标测试，对比其印刷效果来确定激光制版的最佳参数以及印版材质。在移印过程中，采用中心轴贯穿法使立体产品和立体移印版实现定位，并通过多次工艺优化及胶头调整（移印胶头的形状需与立体移印版高度匹配）来实现立体产品表面精准彩色印刷。具体流程图如图1所示。height was adjusted with the height of three-dimensional transfer printing plates.The three-dimensional transfer printing plates made with this study method is feasible for color printing on the surface of three-dimensional products.Key words Laser platemaking;Three-dimensional printing;Three-Dimensional transfer printing plate2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 842023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 842023/3/27 16:05:452023/3/27 16:05:4585研究论文于飞虎等：立体产品表面彩色印刷移印版制版工艺的研究立体产品3D建模打印模型激光打标立体印版制作匹配印版胶头移印着色质量评价激光打标最佳参数激光打标平版测试图1 立体产品表面彩色印刷工艺流程Fig.1 Experimental flow of color printing for the surface of Three-Dimensional products 2 实验部分2.1 实验材料与设备304不锈钢板、球（珀椮五金实业有限公司）；光敏树脂（深圳市创想三维科技股份有限公司）；聚丙烯油墨（深圳市畅意科技有限公司）；GLB-YLP-F-30激光打标机（浙江格兰堡激光科技有限公司）。2.2 立体移印版的制备首先根据立体产品表面复杂程度可选择手工建模和三维扫描构建印版三维模型，其次采用3D打印机将立体移印版模型打印出，但由于本研究选用球体制作立体移印版，故采用304不锈钢球代替3D打印印版模型，最后使用激光打标机对立体移印版模型进行网点打标制作出立体移印版。由于激光打标至不锈钢球表面面积足够小，所以立体移印版的制作仍可采用平面激光打标机进行制作。考虑到激光打标机的打标模式有二值打标模式和灰度点阵打标模式，且打标参数较多，因此使用激光打标机制作立体移印版前需要在304不锈钢板上进行预打标实验来确定立体移印版制版的最佳打标参数。2.3 立体移印版制版工艺参数测试1）激光打标机最佳打标参数测试由于激光打标机打标模式分为二值打标模式和灰度点阵打标模式，且激光打标参数较多，主要考虑激光功率、打标速度、Q释放时间、Q频率、打标高度、打标次数6个因素，确定了激光制版的6因素3水平正交实验表，见表1和表2。其中A、B、C、D、E、F分别表示激光功率、打标速度、Q释放时间、Q频率、打标高度、打标次数。2）图像加网线数及印版版材的选择图像的加网线数决定印刷图像的精细度，进而影响承印物的印刷效果，本研究通过前期测试选择了加网线数为53线/英寸、75线/英寸、85线/英寸、100线/英寸的图像进行激光打标制版，通过对比印版的印刷效果确定图像最佳的加网线数。同时，为了更好的探究激光打标不同材质印版的印刷效果，分别选用了光敏树脂版及金属版作为版材，通过对比激光打标制版后二者的印刷效果选择最佳的印版材质。3 结果与分析3.1 激光最佳打标参数根据所设计的正交实验表，在二值打标模式及灰度点阵打标模式下，采用激光打标完成两组印版的制作，激光打标印版图像如图2所示，并通过对比每组印版的印刷测试效果得出最佳的打标参表1 因素水平表Tab.1 Factor level table因素水平A(%)B(mm/s)C(s)D(kHz)E(mm)F(次)1502501201541275500225156231007503301583表2 正交实验表L9(36)Tab.2 Orthogonal experiment table L9(36)序号ABCDEF150250120154125050022515623507503301583475250125158257550023015416757503201563710025022015628100500325158391007501301541图2 激光打标印版图像Fig.2 Laser marking and printing plate image2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 852023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 852023/3/27 16:05:462023/3/27 16:05:4686印刷与数字媒体技术研究2023年第2期（总第223期）数。实验结果表明，二值模式下激光打标制作的印版不能用于印刷；而灰度点阵模式下，激光功率为50%、打标速度250mm/s、Q释放时间1s、Q频率20kHz、打标高度154mm、打标次数为1次打标出的印版印刷效果最佳。3.2 印版类型的选择根据上述测试结果，将激光打标机功率进一步细化，分别将激光功率设置为40%、50%、60%对光敏树脂版、喷漆光敏树脂版、金属印版进行打标。由于激光照射会导致树脂交换基团降解和交换骨架断裂，造成树脂氧化碳化，随着激光打标功率增大，印版表面颜色越深，因此本研究选用激光功率为50%进行印版打标。图3a为50%功率激光打标光敏树脂版，表面光滑且无法形成网点。说明激光打标光敏树脂版并不能制作凹版印版。采用相同的激光功率参数在表面喷有金漆的光敏树脂版上进行打标测试。图3b为50%功率激光打标印版网点图，打标完成后版材图文区域表面金漆消失，露出底部的光敏树脂，版材表面出现浅浅的网点。激光打标光敏树脂版并不能制作出网点，但在版材上喷上金漆后可以打标出网点，是因为金漆对激光的吸收率较大，在打标过程中激光的能量熔化树脂形成凹坑。图3c为50%激光功率打标金属印版形成的网点，相较于光敏树脂版，其网点更加清晰且排列整齐。综上所述，表面喷有金漆的光敏树脂版虽然可以形成网点，但其印刷效果远不如激光打标金属版制作的印版，因此本研究确定采用金属版进行后续研究。a.光敏树脂版b.喷漆光敏树脂版c.金属印版100m图3 三种印版打标效果Fig.3 Marking effect of three kinds of printing plate3.3 不同打标模式下金属印版的打印效果如图4a图4c所示为二值打标模式下激光功率分别为50%、75%、100%时打标后的金属印版，印版表面光滑清晰，呈现出一致的银色金属光泽。随着激光功率的增大，图案从银白色逐渐变黄。印版网点大小相同、排列规则，随着激光功率增大，其网点深度也逐渐变大，如图5a图5c所示。由于相同激光功率下二值打标模式的打标能量低于灰度点阵打标模式，所以激光打标熔化后挤出的金属较少，深度较浅，因此并不能制成凹版印版。a.50%b.75%c.100%图4 二值打标模式下金属印版的表面效果Fig.4 Printing effects of metal printing plate in binary marking mode100ma.50%b.75%c.100%100m100m图5 二值打标模式下金属印版网点Fig.5 Metal printing plate dots in binary marking mode如图6a图6c所示为灰度点阵打标模式下激光功率50%、75%、100%时打标后的印版，印版表面粗糙，整体呈现黑色。随着功率的增大，印版表面颜色会逐渐加深。如图7a7c所示，灰度点阵打标模式打标后的印版网点大小不同、排列不一。随着激光功率增大，印版熔化后挤出的金属增多，网点之间网墙支撑逐渐消失，影响立体产品的移印效果。综合比较，灰度点阵打标模式下50%激光功率打标金属印版可以进行印刷且印刷效果最佳。a.50%b.75%c.100%图6 灰度点阵打标模式下金属印版的表面效果Fig.6 Printing effects of metal printing plate in gray dot matrix marking mode100m100m100ma.50%b.75%c.100%图7 灰度点阵打标模式下金属印版网点Fig.7 Metal printing plate dots in gray dot matrix marking mode2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 862023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 862023/3/27 16:05:472023/3/27 16:05:4787研究论文于飞虎等：立体产品表面彩色印刷移印版制版工艺的研究3.4 加网最佳线数加网线数决定印刷图像的精细度，但并非加网线数越高越好。加网线数是由承印材料的印刷性能、印刷品的用途、复制精度的要求等多种因素共同决定的。若加网线数过高，会导致网点丢失及糊版。如图8a图8d所示为激光打标最佳参数下，加网线数为53线/英寸、75线/英寸、85线/英寸、100线/英寸的移印版。随着加网线数的增大，熔化后挤出的金属变多，导致网穴之间粘连严重，影响立体产品的移印效果。通过对比发现，当加网线数为75线/英寸时印刷效果最佳。a.53线/英寸c.85线/英寸b.75线/英寸d.100线/英寸100m100m100m100m图8 不同加网线数印版网点Fig.8 Dot of digital printing with different screening lines3.5 立体移印版及印刷效果由于立体移印版与平面移印版高度不同，激光打标的高度也要根据不锈钢球直径调节至适当的位置。根据激光打标平版得到的最佳参数，使用激光打标机在不锈钢球上进行打标制作立体移印版，如图9a所示该参数下激光打标出的立体移印版表面网点清晰且阶调明显。如图9b所示，移印过程中通过胶头将立体移印版上的油墨转移至承印物表面，印刷图像层次明显，图案整体清晰饱满，符合人眼感a.立体移印版b.立体产品印刷效果图9 立体印版及移印效果Fig.9 Effects of three-dimensional printing plate and printing product知效果，验证了激光打标制作立体移印版在立体产品上彩色印刷具有一定的可行性。4 结论本研究结合3D打印技术与激光雕刻制版技术制作出立体移印版，并在实验中不断调整激光打标机打标参数以得到印刷的最佳参数。通过对光敏树脂版、喷漆光敏树脂版和金属印版进行激光打标测试，结果表明金属印版更适合制作立体移印版，且激光制版的最佳打标参数是灰度点阵模式下激光功率为50%、速度为250mm/s、Q释放时间为1s、Q频率为20kHz、打标高度154mm、打标次数1次、加网线数为75线/英寸。采用金属材质制作的立体移印版具有耐印力强的优势，并且依靠移印工艺可以实现立体产品表面批量化印刷着色。但此方法仍存在不足，平面和立体曲面所呈现图文信息仍会有细微的区别，平面上设计好的图文在曲面印版上打标会出现偏差，未来仍需不断改进。参考文献1 李晓亮,唐毅,刘鑫,等.FDM型彩色3D打印喷头技术研究J.科教导刊(上旬刊),2018,(5):41-43,50.LI Xiao-liang,TANG Yi,LIU Xin,et al.Research on FDM Color 3D Printing Nozzle Technology J.Science and Education Guide,2018,(5):41-43,50.2 杜晖.一种全彩3D打印机用调色机构及其调色方法:中国,105252777AP.2016-01-20.DU Hui.A Toner Mechanism for Full-Color 3D Printer and Its Toner Method:China,105252777AP.2016-01-20.3 许鑫康,盛浩宏,初仲凯,等.三维激光雕刻机的设计J.机械工程与自动化,2017,(1):140-141,143.XU Xin-kang,SHENG Hao-hong,CHU Zhong-kai,et al.Design of 3D Laser Engraving Machine J.Mechanical Engineering and Automation,2017,(1):140-141,143.2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 872023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 872023/3/27 16:05:482023/3/27 16:05:4888印刷与数字媒体技术研究2023年第2期（总第223期）4 CHEN M Y,SKEWES J,WOODRUFF M A,et al.Multi-Colour Extrusion Fused Deposition Modelling:a Low-Cost 3D Printing Method for Anatomical Prostate Cancer Models J.Scientific Reports,2020,10(1):10004.5 JAKUB W,ALBINA M.Natural Heritage Reconstruction Using Full-Color 3D Printing:A Case Study of the Valley of Five Polish Ponds J.Sustainability,2019,11(21):5907.6 BURRIS N S,HOFF B A,ROSS B D.Vascular Deformation Mapping(VDM)of Thoracic Aortic Aneurysm:an Application for Color 3D Printing in Aortic Disease J.Annals of Translational Medicine,2018,6(2):S123.7 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