曲面产品彩色印刷方法

2016-03-17肖军杰程光耀翟乃军张睿马添翼

今日印刷 2016年2期

肖军杰程光耀翟乃军张睿马添翼

很多有创意的印刷产品通常具有曲面彩色外观，因此其表面彩色印刷显得尤为重要。本文综述了曲面产品彩色印刷的技术方法，包括传统方法和现代方法。传统方法主要有曲面丝网印刷、移印和成型物凸版胶印等，适合印刷简单、规则的曲面产品；现代方法包括3D彩色打印、旋转体表面喷墨打印和立体喷墨打印，用于打印复杂、不规则的曲面产品。最后本文分析了曲面印刷的装备、工艺现状，预测了未来曲面产品彩色印刷技术的发展趋势。

精美创意的曲面产品以其个性化造型、色彩绚丽和承载特定功能，受到了人们的喜爱，在日常生活中被大量使用。然而，其不规则曲面特征使得常规印刷技术难以直接对产品着色。因此，国内外学者以及科研人员纷纷采用不同方法研究曲面产品的彩色印刷问题，不断推动曲面产品彩色印刷技术的蓬勃发展。

曲面印刷是指对外形呈曲面的承印物进行印刷的印刷方式总称。根据曲面印刷的发展阶段不同，曲面彩色印刷分为传统方法和现代方法。传统方法根据曲面油墨转移方式不同，分为曲面丝网印刷、移印和成型物凸版胶印等几种类型。现代方法则依据承印物的空间运动形式不同，分为3D彩色打印、旋转体表面喷墨打印和立体喷墨打印方法。

传统曲面印刷技术

1.曲面丝网印刷

曲面丝网印刷是除平面之外诸如塑料圆筒、圆柱、圆锥、变形曲面等的丝网印刷。曲面丝网印刷的原理是承印物在某一位置，以某一中心线为轴进行旋转的印刷，承印物转动量和印版运动量是相同的，并且保持同步运行，在其中心线上通过刮板的加压运动而进行印刷。由于印刷面为非平面，其印刷方法、特点和平面印刷相比有很大不同，其印刷难度也较平面印刷大得多，因此印刷中的装备技术显得尤为重要。曲面丝网印刷机主要有3类：手动曲面印刷机、半自动曲面印刷机和全自动曲面印刷机。不同机型的曲面丝网印刷的工作特点及分析见表1。

为提高曲面丝网印刷技术的质量与效率，不少研究人员进行了尝试。如汪昌进制作了活面丝网版，纯手工拉紧印版紧贴承印物上进行丝网印刷，获得塑料桶、纯净水桶、脸盆、热水瓶、杯、碗、盘等印品。该种方法操作方便，对承印物的要求灵活，体积能大能小，数量可多可少，具有成本低廉、节约能源的优点。针对不规则曲面或者有异物突出的承印物，手动曲面丝网印刷机难以进行图案印制，代棋帆等人改进了手动曲面丝网印刷机，在印刷底板的表面开槽和打孔，将地板平面制成上下等宽的两条凹槽，左右同样开槽并各打两个穿透底板的圆孔，凹槽圆孔与圆柱丝杆直径相同，保证丝杆能在圆孔中上下、前后、左右方向上的三维移动，在手动曲面丝网印刷机的底板工作台上形成一个横纵自由的移动空间，使得半径不同的曲面物体以及带有凸起物的承印物可以放在纳物台上单向升降，解决了不规则物品的空间运动问题。杨光通过对丝网印刷与其他类型印刷工艺的实践比较，指出丝网印刷是一种适应现代艺术生活、创造具有高品位和高艺术价值的曲面造型物彩色外观的有效印刷方式。对于弧度约30度的曲面台灯表面，张宇新采用平面丝网版印刷方式在字典式台灯表面印字，发现局部区域点的重复印刷会导致字迹重影、模糊；后来采用弧形网版进行曲面印刷，解决了平版印刷出现的问题。张琦列举了几种不规则承印物的印刷方法，指出丝网印刷是适合固态承印物的印刷方式，给出了两个丝网曲面印刷的案例（见图1）。

在丝网装备技术方面，由于丝印装备价格低廉，且使用历史较长，因此对圆柱形瓶盖的表面彩印广泛采用曲面丝印方式。国际上，意大利、美国、荷兰、瑞典等发达国家一直是曲面印刷机设备的全球装备及技术领导者，如荷兰多福公司、美国波利太浦公司、意大利安色公司等三大曲面印刷机制造知名企业，它们开发、生产的装备代表当今国际最先进曲面印刷机设备的技术水平。国内圆柱形瓶盖曲面丝网印设备主要厂家集中在广东珠三角地区的东莞市、深圳市以及浙江省、香港等地。整体上看，丝印设备虽然价格低廉，但却具有效率低、操作难、人工多、故障率大等缺陷，极大制约该类设备的发展。一些高端企业逐步选择凸版曲面印刷设备，以解决曲面丝印设备效率低下等问题。

2. 移印

移印工艺借助于可以变形的移印胶头来完成油墨的转移，移印胶头表面并不含有图文，需要的图文先在铜或钢材上晒制并蚀刻成移印凹版，然后移印头将凹坑处的油墨吸起，移动到承印物表面进行压印完成图文的转移。由于移印工艺采用间接印刷方式，对印版和承印物的相对位置没有严格要求，移印胶头又可以制作的比较小，所以非常适合小工件印刷，而且移印胶头可制成和承印物表面相吻合的形状，在印刷凹凸不平面、磨砂面及球形面、弧面等材料时有着其他印刷工艺不可替代的优势。移印除可进行平面印刷外，多适用于各种成型物印刷，特别是对于不规则凹凸表面，采用其他印刷方式难以完成，而采用移印则可以实现多色精美印刷。

肖奚从制版、移印钢版、树脂版、制版工艺、油墨、油盅式移印机、UV移印技术、移印机技术新亮点等方面介绍了移印技术的现状。其中，日本最早在移印机加装了胶头清洗装置，在胶头退回的过程中比普通的移印机多一个在胶纸上面印刷的动作，去掉胶头的残余油墨，保证胶头每次上墨前的清洁，改善了移印印刷质量。嘉茂总结了移印的制版工艺，一般采用添加保护剂的硝酸溶液和三氯化铁溶液进行腐蚀获得移印钢版。但是，腐蚀用的酸气扑鼻，生成的一氧化氮和二氧化氮对人体的危害很大；钢版腐蚀后的显影多采用过氧化氢为主的化学溶剂，它对人的皮肤也有一定的危害。因此，在欧洲国家早已明令禁止使用，开始用树脂版或者用激光雕刻来制版，有些企业采用腐蚀锌版的无粉腐蚀剂来腐蚀钢版，已试制成功，这种方法大大降低了对环境的污染，也保证了员工的生命安全。林钟兴根据不同的印刷要求设计不同的辅助装置对移印机器进行改进，实现了球体表面的精美印刷，印制的足球和排球见图2。

移印装备包含4个组成部分：印刷钢片、印刷油墨、印刷胶头、印刷机器。从18世纪90年代前后在欧洲诞生起，这4个部分基本没有改变，只是在材料及其他辅助方面进行了一些改进。移印技术于20世纪70年代早期传入香港，主要用于印刷玩具车、公仔眼珠及其他塑料产品，此后逐渐向国内其他地区扩散，现在已经遍布中国大部分工厂。目前，中国移印机质量虽然达到国际先进水平，但是存在装备产品售价、附加值低等特点，难以占领国际市场。

3.成型物凸版胶印

凸版胶印又称间接凸印，是指经中间载体橡皮布将凸版上图文部分的油墨转移到承印物表面的印刷方式。成型物凸版胶印是指以圆柱体为主要产品的凸版胶印方式。成型物凸版胶印按用途不同主要有金属罐印刷、软管印刷和安瓿瓶印刷。其中，安瓿瓶印刷机构组成见图3，系统采用圆压圆印刷方式，加之设有专用的自动进料和收料系统，可以实现大批量高速印刷。此外，这种机型还可印刷诸如晶体管、电阻、电容等电子元件，其应用范围不断扩大。

凸版曲面胶印模式的圆柱形曲面印盖机在全球范围内生产制造企业甚少，其先进设备仍旧被国外发达国家所垄断，价格十分昂贵，如意大利进口六色瓶盖印刷机（型号：Event400，印刷速度400p/min）每套折算人民币就高达1200多万元，一般企业很难具备购买能力。日本山形大学有机电子研究中心（ROEL）副主任时任静士教授在曲面上直接印刷电路的“三维曲面印刷电路技术（3D-PE）”，据称可将银纳米墨直接印刷到曲面上，布线线宽最大可达到20μm，可在圆筒等曲面上印刷。目前，国内一些印刷设备企业开始研究具有自主知识产权的国产凸版曲面胶印设备，多项技术已取得很大突破，2012年广东省部产学研项目“高效环保的高速凸版曲面印盖机”研发的UV油墨及光油二次印刷、二次固化技术的凸面胶版曲面印刷设备，印刷速度达到300p/min，接近国际先进设备水平，估价为进口装备价格的1/10。

从上述文献分析得出，传统方法主要是在简单、规则曲面进行印刷。例如，回转体表面通过丝网、移印、凸版胶印等方式进行印刷；对于空间一般不规则曲面则不具备印刷能力；并且曲面印刷装备的技术水平上国内跟国外存在很大差距。

现代曲面喷墨印刷

喷墨印刷（Inkjet Printing，IJP）是通过计算机控制细墨流从喷嘴射在承印物上，从而获得文字和图像的印刷技术。相对于传统印刷而言，喷墨印刷具有非接触、无压力、无印版、可变数据等特点，可以实现按需印刷、即时印刷、异地印刷、个性化印刷、大幅面印刷、曲面印刷。因此，喷墨印刷现已发展成为当今世界两大主流数字印刷技术之一，代表着印刷业的发展趋势和研究前沿。

当前，喷墨打印主要应用于平面印刷领域。对于平面喷墨而言，喷头运动是简单的直线运动，发展较为成熟，对于曲面产品的喷墨印刷，其喷头的运动轨迹是复杂空间曲线，开始成为研究热点。现代曲面彩色喷墨印刷方法根据承印物的空间运动形式不同，分为3D彩色打印、旋转体表面喷墨打印和立体喷墨打印。

1.3D彩色打印方法

3D彩色打印技术类似当代流行3D打印技术，基于离散-堆积原理，先对数字模型进行分层切片，然后分层控制，进行彩色打印，实现曲面产品彩色化。截至目前，国外有两家公司获得了3D彩色打印技术的突破。

Stratasys公司基于传统3D打印技术，于美国当地时间2014年1月27日推出革命性的新一代3D打印机——Objet500 Connex3彩色多材料3D打印机：设备采用独特的三重喷射技术，其打印头喷射一种微小树脂滴液，驱动粉箱内不同材料混合与结合，形成彩色产品；设备有数百种色彩可选，用于制造色彩斑斓的部件，并可根据需要打印软硬不同的产品，这是世界首个将彩色打印与多材料打印相结合的3D打印机（见图4），设备售价约200万元。

同样，美国Z-Corporation公司基于传统3D打印技术，成功研发了的全彩砂岩打印机，该设备高度自动化，先是扑粉辊子扑粉，然后打印辊子做直线运动，喷胶控制系统和喷墨控制系统协同工作、上色物体模型，最终打印出彩色零件，见图5。以上两种2D打印技术均实现了设备辊子的直线运动和胶水喷射或多色墨水喷墨的协同控制，但是前者是对单个层片区域单色或专色打印，后者则可对产品表面层进行彩色打印，实现了3D打印和产品表面按需喷墨、着色的一体化数字制造，具体彩打过程见图5（b）。

此外，2015年6月，周昆教授团队利用计算机图形学和虚拟视觉技术，通过专门开发的软件将三维设计图“降维”为二维“展开图”，并首次对水转印过程中水转印薄膜的形变特性进行物理建模，得到三维设计图与膜上的每一个点的映射关系；之后，研究团队利用普通喷墨打印机将二维展开图打印到水转印薄膜上；再把薄膜铺在水面上，让薄膜在水中包裹住3D模型并着色，通过“点对点”瞄准三维物体，实现承印物精确上色，解决了传统3D彩色打印设备成本高、速度慢、精度低等缺点。这种计算机水转印法类似于一种精确的自动贴膜，技术路线见图6，主要着色过程见图7。

2.旋转体表面喷墨打印

旋转体表面喷墨打印指承印物围绕轴线做圆周运动，喷头做直线运动并完成曲面彩色喷墨过程。2015年，美国DCS公司开发了圆柱体3D浮雕效果UV喷墨印刷机，型号为1024UVMVP+Easycil，可作为印刷企业开创多种经营模式的小型有效补充设备，能够实现360度圆柱体表面印刷；可喷墨承印物材料广泛，最大承印尺寸为330mm×650mm；先进的操作软件与业界标准软件无缝连接，并可同步印刷，一次性完成多个颜色的组合喷墨；承印物通过两个辊子的旋转转动带动旋转，并与喷头的往复直线运动耦合，实现喷头喷墨于承印物表面，同时位于喷头左右两端的UV LED灯进行同步干燥。设备及产品见图8。

在PRINT CHINA 2015上，海德堡展出了最新的捷霸4D打印机，该设备采用转盘式结构分布喷墨印刷工位，采用真空吸盘固定承印物，经历4个工序过程：除尘→红外定位→电晕→喷墨印刷，可以实现小曲率曲面的即时印刷。设备及喷墨印品见图9。

3.立体喷墨打印

立体喷墨打印指承印物通过复合运动方式进行曲面喷墨打印的方法。这方面，日本Mimaki Engineering和长野工业高等专业学校联合研发三维打印机，采用4个不同颜色的喷头，喷头可作直线扫描运动，运动基板通过组合二维平面运动和互相垂直的旋转运动进行空间复合运动，实现在球面和圆柱物体上喷墨打印颜色。承印物的运动示意图见图10。

法国普瓦捷大学的Gazeau等人研究出一种五自由度机器人，它能在大型诸如拖车篷布的垂直或倾斜平面上进行喷绘大幅面图案（见图11）。与普通的平面喷绘相比，它把应用领域从水平面扩展到竖直、倾斜等平面；设备通过对5个自由度的机构运动学研究，具备向复杂三维模型表面喷绘转变的可能性。

美国STM公司开发出一套能够制作彩色地理模型的设备，系统包括一台雕刻机及一台上色设备，可为客户提供三维地理DEM信息及表面颜色信息。该系统集中应用于军事沙盘和地理模型，如为美国军方制造阿富汗等沙盘模型。该系统的上色模型见图12。

国内方面，南开大学通过对卫星遥感数据的处理和分析，得到地理信息的实景模型数据。在此基础上，对实景地理模型喷绘机器人核心技术展开研究，包括运动机构、控制系统设计、模型优化、图像补偿等，最终研制出可进行高精度、真彩色实景地理模型自动喷绘的立体喷绘机器人系统。制作的台湾3D模型见图13。该设备的缺点是设备喷头仅做直线运动，难以实现曲率变化大的复杂曲面喷墨印刷。

蒋小珊提出一种全新曲面喷墨印刷技术：喷墨过程中喷头静止不动，承印物在多轴联动数控技术控制下做空间直线、曲线、旋转运动，分别采用常规喷头和毛细喷头进行常规曲面和复杂曲面的喷墨理论和方法研究，并采用仿真与试验研究了杂质对喷墨过程中墨滴流喷射方向、偏转方向和局部压力的影响规律，提出了提高毛细喷头喷射精度的方法，该技术仍处在初期研究阶段。

从上面分析可见，现代曲面喷墨打印技术仍处于研发初期，尤其是移动喷头立体喷墨打印过程中，喷墨墨水是微流体，喷头换向、变速运动产生的加速度使得墨水微滴在形成过程中受到冲击、流变、压力波变化等因素干扰，容易造成喷墨过程不稳定，使得墨滴大小变化、沉积位置发生偏差，图案难以套准，颜色发生偏差，不仅打印效果不好，而且使得打印三维物体的速度降低。因此，现代曲面喷墨打印技术面临诸多难题，尚无成熟产品上市。