曲面產(chǎn)品彩色印刷方法

肖軍杰 程光耀 翟乃軍 張睿 馬添翼

很多有創(chuàng)意的印刷產(chǎn)品通常具有曲面彩色外觀，因此其表面彩色印刷顯得尤為重要。本文綜述了曲面產(chǎn)品彩色印刷的技術(shù)方法，包括傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代方法。傳統(tǒng)方法主要有曲面絲網(wǎng)印刷、移印和成型物凸版膠印等，適合印刷簡單、規(guī)則的曲面產(chǎn)品；現(xiàn)代方法包括3D彩色打印、旋轉(zhuǎn)體表面噴墨打印和立體噴墨打印，用于打印復雜、不規(guī)則的曲面產(chǎn)品。最后本文分析了曲面印刷的裝備、工藝現(xiàn)狀，預測了未來曲面產(chǎn)品彩色印刷技術(shù)的發(fā)展趨勢。

精美創(chuàng)意的曲面產(chǎn)品以其個性化造型、色彩絢麗和承載特定功能，受到了人們的喜愛，在日常生活中被大量使用。然而，其不規(guī)則曲面特征使得常規(guī)印刷技術(shù)難以直接對產(chǎn)品著色。因此，國內(nèi)外學者以及科研人員紛紛采用不同方法研究曲面產(chǎn)品的彩色印刷問題，不斷推動曲面產(chǎn)品彩色印刷技術(shù)的蓬勃發(fā)展。

曲面印刷是指對外形呈曲面的承印物進行印刷的印刷方式總稱。根據(jù)曲面印刷的發(fā)展階段不同，曲面彩色印刷分為傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代方法。傳統(tǒng)方法根據(jù)曲面油墨轉(zhuǎn)移方式不同，分為曲面絲網(wǎng)印刷、移印和成型物凸版膠印等幾種類型?，F(xiàn)代方法則依據(jù)承印物的空間運動形式不同，分為3D彩色打印、旋轉(zhuǎn)體表面噴墨打印和立體噴墨打印方法。

傳統(tǒng)曲面印刷技術(shù)

1.曲面絲網(wǎng)印刷

曲面絲網(wǎng)印刷是除平面之外諸如塑料圓筒、圓柱、圓錐、變形曲面等的絲網(wǎng)印刷。曲面絲網(wǎng)印刷的原理是承印物在某一位置，以某一中心線為軸進行旋轉(zhuǎn)的印刷，承印物轉(zhuǎn)動量和印版運動量是相同的，并且保持同步運行，在其中心線上通過刮板的加壓運動而進行印刷。由于印刷面為非平面，其印刷方法、特點和平面印刷相比有很大不同，其印刷難度也較平面印刷大得多，因此印刷中的裝備技術(shù)顯得尤為重要。曲面絲網(wǎng)印刷機主要有3類：手動曲面印刷機、半自動曲面印刷機和全自動曲面印刷機。不同機型的曲面絲網(wǎng)印刷的工作特點及分析見表1。

為提高曲面絲網(wǎng)印刷技術(shù)的質(zhì)量與效率，不少研究人員進行了嘗試。如汪昌進制作了活面絲網(wǎng)版，純手工拉緊印版緊貼承印物上進行絲網(wǎng)印刷，獲得塑料桶、純凈水桶、臉盆、熱水瓶、杯、碗、盤等印品。該種方法操作方便，對承印物的要求靈活，體積能大能小，數(shù)量可多可少，具有成本低廉、節(jié)約能源的優(yōu)點。針對不規(guī)則曲面或者有異物突出的承印物，手動曲面絲網(wǎng)印刷機難以進行圖案印制，代棋帆等人改進了手動曲面絲網(wǎng)印刷機，在印刷底板的表面開槽和打孔，將地板平面制成上下等寬的兩條凹槽，左右同樣開槽并各打兩個穿透底板的圓孔，凹槽圓孔與圓柱絲桿直徑相同，保證絲桿能在圓孔中上下、前后、左右方向上的三維移動，在手動曲面絲網(wǎng)印刷機的底板工作臺上形成一個橫縱自由的移動空間，使得半徑不同的曲面物體以及帶有凸起物的承印物可以放在納物臺上單向升降，解決了不規(guī)則物品的空間運動問題。楊光通過對絲網(wǎng)印刷與其他類型印刷工藝的實踐比較，指出絲網(wǎng)印刷是一種適應現(xiàn)代藝術(shù)生活、創(chuàng)造具有高品位和高藝術(shù)價值的曲面造型物彩色外觀的有效印刷方式。對于弧度約30度的曲面臺燈表面，張宇新采用平面絲網(wǎng)版印刷方式在字典式臺燈表面印字，發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域點的重復印刷會導致字跡重影、模糊；后來采用弧形網(wǎng)版進行曲面印刷，解決了平版印刷出現(xiàn)的問題。張琦列舉了幾種不規(guī)則承印物的印刷方法，指出絲網(wǎng)印刷是適合固態(tài)承印物的印刷方式，給出了兩個絲網(wǎng)曲面印刷的案例（見圖1）。

在絲網(wǎng)裝備技術(shù)方面，由于絲印裝備價格低廉，且使用歷史較長，因此對圓柱形瓶蓋的表面彩印廣泛采用曲面絲印方式。國際上，意大利、美國、荷蘭、瑞典等發(fā)達國家一直是曲面印刷機設備的全球裝備及技術(shù)領(lǐng)導者，如荷蘭多福公司、美國波利太浦公司、意大利安色公司等三大曲面印刷機制造知名企業(yè)，它們開發(fā)、生產(chǎn)的裝備代表當今國際最先進曲面印刷機設備的技術(shù)水平。國內(nèi)圓柱形瓶蓋曲面絲網(wǎng)印設備主要廠家集中在廣東珠三角地區(qū)的東莞市、深圳市以及浙江省、香港等地。整體上看，絲印設備雖然價格低廉，但卻具有效率低、操作難、人工多、故障率大等缺陷，極大制約該類設備的發(fā)展。一些高端企業(yè)逐步選擇凸版曲面印刷設備，以解決曲面絲印設備效率低下等問題。

2. 移印

移印工藝借助于可以變形的移印膠頭來完成油墨的轉(zhuǎn)移，移印膠頭表面并不含有圖文，需要的圖文先在銅或鋼材上曬制并蝕刻成移印凹版，然后移印頭將凹坑處的油墨吸起，移動到承印物表面進行壓印完成圖文的轉(zhuǎn)移。由于移印工藝采用間接印刷方式，對印版和承印物的相對位置沒有嚴格要求，移印膠頭又可以制作的比較小，所以非常適合小工件印刷，而且移印膠頭可制成和承印物表面相吻合的形狀，在印刷凹凸不平面、磨砂面及球形面、弧面等材料時有著其他印刷工藝不可替代的優(yōu)勢。移印除可進行平面印刷外，多適用于各種成型物印刷，特別是對于不規(guī)則凹凸表面，采用其他印刷方式難以完成，而采用移印則可以實現(xiàn)多色精美印刷。

肖奚從制版、移印鋼版、樹脂版、制版工藝、油墨、油盅式移印機、UV移印技術(shù)、移印機技術(shù)新亮點等方面介紹了移印技術(shù)的現(xiàn)狀。其中，日本最早在移印機加裝了膠頭清洗裝置，在膠頭退回的過程中比普通的移印機多一個在膠紙上面印刷的動作，去掉膠頭的殘余油墨，保證膠頭每次上墨前的清潔，改善了移印印刷質(zhì)量。嘉茂總結(jié)了移印的制版工藝，一般采用添加保護劑的硝酸溶液和三氯化鐵溶液進行腐蝕獲得移印鋼版。但是，腐蝕用的酸氣撲鼻，生成的一氧化氮和二氧化氮對人體的危害很大；鋼版腐蝕后的顯影多采用過氧化氫為主的化學溶劑，它對人的皮膚也有一定的危害。因此，在歐洲國家早已明令禁止使用，開始用樹脂版或者用激光雕刻來制版，有些企業(yè)采用腐蝕鋅版的無粉腐蝕劑來腐蝕鋼版，已試制成功，這種方法大大降低了對環(huán)境的污染，也保證了員工的生命安全。林鐘興根據(jù)不同的印刷要求設計不同的輔助裝置對移印機器進行改進，實現(xiàn)了球體表面的精美印刷，印制的足球和排球見圖2。

移印裝備包含4個組成部分：印刷鋼片、印刷油墨、印刷膠頭、印刷機器。從18世紀90年代前后在歐洲誕生起，這4個部分基本沒有改變，只是在材料及其他輔助方面進行了一些改進。移印技術(shù)于20世紀70年代早期傳入香港，主要用于印刷玩具車、公仔眼珠及其他塑料產(chǎn)品，此后逐漸向國內(nèi)其他地區(qū)擴散，現(xiàn)在已經(jīng)遍布中國大部分工廠。目前，中國移印機質(zhì)量雖然達到國際先進水平，但是存在裝備產(chǎn)品售價、附加值低等特點，難以占領(lǐng)國際市場。

3.成型物凸版膠印

凸版膠印又稱間接凸印，是指經(jīng)中間載體橡皮布將凸版上圖文部分的油墨轉(zhuǎn)移到承印物表面的印刷方式。成型物凸版膠印是指以圓柱體為主要產(chǎn)品的凸版膠印方式。成型物凸版膠印按用途不同主要有金屬罐印刷、軟管印刷和安瓿瓶印刷。其中，安瓿瓶印刷機構(gòu)組成見圖3，系統(tǒng)采用圓壓圓印刷方式，加之設有專用的自動進料和收料系統(tǒng)，可以實現(xiàn)大批量高速印刷。此外，這種機型還可印刷諸如晶體管、電阻、電容等電子元件，其應用范圍不斷擴大。

凸版曲面膠印模式的圓柱形曲面印蓋機在全球范圍內(nèi)生產(chǎn)制造企業(yè)甚少，其先進設備仍舊被國外發(fā)達國家所壟斷，價格十分昂貴，如意大利進口六色瓶蓋印刷機（型號：Event400，印刷速度400p/min） 每套折算人民幣就高達1200多萬元，一般企業(yè)很難具備購買能力。日本山形大學有機電子研究中心（ROEL）副主任時任靜士教授在曲面上直接印刷電路的“三維曲面印刷電路技術(shù)（3D-PE）”，據(jù)稱可將銀納米墨直接印刷到曲面上，布線線寬最大可達到20μm，可在圓筒等曲面上印刷。目前，國內(nèi)一些印刷設備企業(yè)開始研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)凸版曲面膠印設備，多項技術(shù)已取得很大突破，2012年廣東省部產(chǎn)學研項目“高效環(huán)保的高速凸版曲面印蓋機”研發(fā)的UV油墨及光油二次印刷、二次固化技術(shù)的凸面膠版曲面印刷設備，印刷速度達到300p/min，接近國際先進設備水平，估價為進口裝備價格的1/10。

從上述文獻分析得出，傳統(tǒng)方法主要是在簡單、規(guī)則曲面進行印刷。例如，回轉(zhuǎn)體表面通過絲網(wǎng)、移印、凸版膠印等方式進行印刷；對于空間一般不規(guī)則曲面則不具備印刷能力；并且曲面印刷裝備的技術(shù)水平上國內(nèi)跟國外存在很大差距。

現(xiàn)代曲面噴墨印刷

噴墨印刷（Inkjet Printing，IJP）是通過計算機控制細墨流從噴嘴射在承印物上，從而獲得文字和圖像的印刷技術(shù)。相對于傳統(tǒng)印刷而言，噴墨印刷具有非接觸、無壓力、無印版、可變數(shù)據(jù)等特點，可以實現(xiàn)按需印刷、即時印刷、異地印刷、個性化印刷、大幅面印刷、曲面印刷。因此，噴墨印刷現(xiàn)已發(fā)展成為當今世界兩大主流數(shù)字印刷技術(shù)之一，代表著印刷業(yè)的發(fā)展趨勢和研究前沿。

當前，噴墨打印主要應用于平面印刷領(lǐng)域。對于平面噴墨而言，噴頭運動是簡單的直線運動，發(fā)展較為成熟，對于曲面產(chǎn)品的噴墨印刷，其噴頭的運動軌跡是復雜空間曲線，開始成為研究熱點?，F(xiàn)代曲面彩色噴墨印刷方法根據(jù)承印物的空間運動形式不同，分為3D彩色打印、旋轉(zhuǎn)體表面噴墨打印和立體噴墨打印。

1.3D彩色打印方法

3D彩色打印技術(shù)類似當代流行3D打印技術(shù)，基于離散-堆積原理，先對數(shù)字模型進行分層切片，然后分層控制，進行彩色打印，實現(xiàn)曲面產(chǎn)品彩色化。截至目前，國外有兩家公司獲得了3D彩色打印技術(shù)的突破。

Stratasys公司基于傳統(tǒng)3D打印技術(shù)，于美國當?shù)貢r間2014年1月27日推出革命性的新一代3D打印機——Objet500 Connex3彩色多材料3D打印機：設備采用獨特的三重噴射技術(shù)，其打印頭噴射一種微小樹脂滴液，驅(qū)動粉箱內(nèi)不同材料混合與結(jié)合，形成彩色產(chǎn)品；設備有數(shù)百種色彩可選，用于制造色彩斑斕的部件，并可根據(jù)需要打印軟硬不同的產(chǎn)品，這是世界首個將彩色打印與多材料打印相結(jié)合的3D打印機（見圖4），設備售價約200萬元。

同樣，美國Z-Corporation公司基于傳統(tǒng)3D打印技術(shù)，成功研發(fā)了的全彩砂巖打印機，該設備高度自動化，先是撲粉輥子撲粉，然后打印輥子做直線運動，噴膠控制系統(tǒng)和噴墨控制系統(tǒng)協(xié)同工作、上色物體模型，最終打印出彩色零件，見圖5。以上兩種2D打印技術(shù)均實現(xiàn)了設備輥子的直線運動和膠水噴射或多色墨水噴墨的協(xié)同控制，但是前者是對單個層片區(qū)域單色或?qū)Ｉ蛴?，后者則可對產(chǎn)品表面層進行彩色打印，實現(xiàn)了3D打印和產(chǎn)品表面按需噴墨、著色的一體化數(shù)字制造，具體彩打過程見圖5（b）。

此外，2015年6月，周昆教授團隊利用計算機圖形學和虛擬視覺技術(shù)，通過專門開發(fā)的軟件將三維設計圖“降維”為二維“展開圖”，并首次對水轉(zhuǎn)印過程中水轉(zhuǎn)印薄膜的形變特性進行物理建模，得到三維設計圖與膜上的每一個點的映射關(guān)系；之后，研究團隊利用普通噴墨打印機將二維展開圖打印到水轉(zhuǎn)印薄膜上；再把薄膜鋪在水面上，讓薄膜在水中包裹住3D模型并著色，通過“點對點”瞄準三維物體，實現(xiàn)承印物精確上色，解決了傳統(tǒng)3D彩色打印設備成本高、速度慢、精度低等缺點。這種計算機水轉(zhuǎn)印法類似于一種精確的自動貼膜，技術(shù)路線見圖6，主要著色過程見圖7。

2.旋轉(zhuǎn)體表面噴墨打印

旋轉(zhuǎn)體表面噴墨打印指承印物圍繞軸線做圓周運動，噴頭做直線運動并完成曲面彩色噴墨過程。2015年，美國DCS公司開發(fā)了圓柱體3D浮雕效果UV噴墨印刷機，型號為1024UVMVP+Easycil，可作為印刷企業(yè)開創(chuàng)多種經(jīng)營模式的小型有效補充設備，能夠?qū)崿F(xiàn)360度圓柱體表面印刷；可噴墨承印物材料廣泛，最大承印尺寸為330mm×650mm；先進的操作軟件與業(yè)界標準軟件無縫連接，并可同步印刷，一次性完成多個顏色的組合噴墨；承印物通過兩個輥子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動帶動旋轉(zhuǎn)，并與噴頭的往復直線運動耦合，實現(xiàn)噴頭噴墨于承印物表面，同時位于噴頭左右兩端的UV LED燈進行同步干燥。設備及產(chǎn)品見圖8。

在PRINT CHINA 2015上，海德堡展出了最新的捷霸4D打印機，該設備采用轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)分布噴墨印刷工位，采用真空吸盤固定承印物，經(jīng)歷4個工序過程：除塵→紅外定位→電暈→噴墨印刷，可以實現(xiàn)小曲率曲面的即時印刷。設備及噴墨印品見圖9。

3.立體噴墨打印

立體噴墨打印指承印物通過復合運動方式進行曲面噴墨打印的方法。這方面，日本Mimaki Engineering和長野工業(yè)高等專業(yè)學校聯(lián)合研發(fā)三維打印機，采用4個不同顏色的噴頭，噴頭可作直線掃描運動，運動基板通過組合二維平面運動和互相垂直的旋轉(zhuǎn)運動進行空間復合運動，實現(xiàn)在球面和圓柱物體上噴墨打印顏色。承印物的運動示意圖見圖10。

法國普瓦捷大學的Gazeau等人研究出一種五自由度機器人，它能在大型諸如拖車篷布的垂直或傾斜平面上進行噴繪大幅面圖案（見圖11）。與普通的平面噴繪相比，它把應用領(lǐng)域從水平面擴展到豎直、傾斜等平面；設備通過對5個自由度的機構(gòu)運動學研究，具備向復雜三維模型表面噴繪轉(zhuǎn)變的可能性。

美國STM公司開發(fā)出一套能夠制作彩色地理模型的設備，系統(tǒng)包括一臺雕刻機及一臺上色設備，可為客戶提供三維地理DEM信息及表面顏色信息。該系統(tǒng)集中應用于軍事沙盤和地理模型，如為美國軍方制造阿富汗等沙盤模型。該系統(tǒng)的上色模型見圖12。

國內(nèi)方面，南開大學通過對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的處理和分析，得到地理信息的實景模型數(shù)據(jù)。在此基礎上，對實景地理模型噴繪機器人核心技術(shù)展開研究，包括運動機構(gòu)、控制系統(tǒng)設計、模型優(yōu)化、圖像補償?shù)?，最終研制出可進行高精度、真彩色實景地理模型自動噴繪的立體噴繪機器人系統(tǒng)。制作的臺灣3D模型見圖13。該設備的缺點是設備噴頭僅做直線運動，難以實現(xiàn)曲率變化大的復雜曲面噴墨印刷。

蔣小珊提出一種全新曲面噴墨印刷技術(shù)：噴墨過程中噴頭靜止不動，承印物在多軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)控制下做空間直線、曲線、旋轉(zhuǎn)運動，分別采用常規(guī)噴頭和毛細噴頭進行常規(guī)曲面和復雜曲面的噴墨理論和方法研究，并采用仿真與試驗研究了雜質(zhì)對噴墨過程中墨滴流噴射方向、偏轉(zhuǎn)方向和局部壓力的影響規(guī)律，提出了提高毛細噴頭噴射精度的方法，該技術(shù)仍處在初期研究階段。

從上面分析可見，現(xiàn)代曲面噴墨打印技術(shù)仍處于研發(fā)初期，尤其是移動噴頭立體噴墨打印過程中，噴墨墨水是微流體，噴頭換向、變速運動產(chǎn)生的加速度使得墨水微滴在形成過程中受到?jīng)_擊、流變、壓力波變化等因素干擾，容易造成噴墨過程不穩(wěn)定，使得墨滴大小變化、沉積位置發(fā)生偏差，圖案難以套準，顏色發(fā)生偏差，不僅打印效果不好，而且使得打印三維物體的速度降低。因此，現(xiàn)代曲面噴墨打印技術(shù)面臨諸多難題，尚無成熟產(chǎn)品上市。

創(chuàng)意產(chǎn)品彩色化技術(shù)的發(fā)展趨勢

第一，復雜曲面彩色化方法、裝備、工藝等關(guān)鍵技術(shù)基本上被國外公司所壟斷，裝備價格昂貴。因此，國內(nèi)積極開展低成本創(chuàng)意產(chǎn)品表面彩色化裝備及工藝技術(shù)研究具有現(xiàn)實意義。

第二，傳統(tǒng)絲網(wǎng)、移印、凸版膠印等彩色印刷方法只能在簡單回轉(zhuǎn)體曲面進行印刷，對于空間復雜、不規(guī)則曲面，設備不具有空間復雜運動特性，難以印刷復雜曲面。

第三，通常3D彩打的曲面產(chǎn)品強度、硬度等性能不高，不便于后續(xù)工序中的搬運，因此需進行后處理工藝研究，提高制件的性能。此外，直接3D打印的產(chǎn)品表面具有臺階效應，使得產(chǎn)品表面粗糙，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此亟需進行提高產(chǎn)品強度和表面精度的技術(shù)研究。

第四，對于具有復雜曲面印刷特點的曲面產(chǎn)品，采用多軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)進行承印物的空間運動控制。依據(jù)RIP處理的圖文數(shù)字信號，疊加在噴頭的空間運動軌跡上，實現(xiàn)曲面噴墨彩色打印，代表著曲面產(chǎn)品數(shù)字印刷、彩色印刷的發(fā)展趨勢。

作者單位：北京印刷學院