電腦橫機編織三維全成形口罩結(jié)構(gòu)建模與工藝實踐

趙博宇，梁鑫花，叢洪蓮

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

隨著人們對生命安全的重視，防護保健器具的深度開發(fā)也逐漸成為紡織材料的研究熱點?？谡肿鳛榉雷o消耗品，在醫(yī)療、工業(yè)、日常生活等方面被廣泛應(yīng)用，具有防霧霾、防污染、防病菌等多種不同功能。尤其是在疫情期間，口罩需要長時間佩戴，起到阻隔病毒、防污染的作用，是防護過程中至關(guān)重要的一環(huán)，因此，人們對口罩舒適性、貼合性、過濾性和環(huán)境友好性提出了更深層的要求。

橫編全成形技術(shù)具有優(yōu)越的成形性，能夠真正實現(xiàn)一線成衣，大大降低材料損耗與人工成本，其通過加減針、局部編織、C形編織等工藝方法可直接得到異形結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，使全成形產(chǎn)品應(yīng)用范圍得以擴展，全成形針織產(chǎn)品逐步成為產(chǎn)品開發(fā)的熱點。在國內(nèi)外關(guān)于全成形技術(shù)的研究中，眾多學(xué)者對橫向與縱向編織的全成形毛衫、針織襪子及西服等各類服裝產(chǎn)品的橫編工藝模型進行了研究與開發(fā)[1-3]，極大地豐富了全成形產(chǎn)品的開發(fā)工藝庫。

為進一步擴大橫編成形產(chǎn)品的開發(fā)范圍，提升研發(fā)效率，本文以四針床橫編機器和SDS-ONE APEX 3系統(tǒng)[4]為開發(fā)工具，建立針織三維全成形口罩結(jié)構(gòu)模型，并進行工藝實踐。在設(shè)計過程中，利用針織全成形技術(shù)的良好成形性，通過組織變換在結(jié)構(gòu)上賦予口罩立體效果，使口罩起到面部塑形作用，滿足時尚化要求；同時對口罩與面部的貼合情況和透氣性進行優(yōu)化設(shè)計，提高口罩佩戴舒適性；采用該工藝的針織口罩具有更好的可重復(fù)利用性，更符合綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的理念。

1 三維全成形口罩結(jié)構(gòu)建模

1.1 面部模型建立

在口罩的設(shè)計過程中，合理的口罩結(jié)構(gòu)設(shè)計、口罩與臉型的貼合程度是直接影響口罩過濾效果的關(guān)鍵因素，因此，首先需要建立合適的人體面部模型，并以此為基礎(chǔ)對口罩的款式與尺寸規(guī)格進行合理設(shè)計。

以亞洲成年女性面部尺寸為例，在進行整體尺寸設(shè)計時確定特征點并進行尺寸測量與記錄。圖1 示出人體頭部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 面部尺寸測量示意圖Fig.1 Diagram of facial dimension measurement. (a) Front; (b) Side

以標(biāo)注特征點的形式確定人體面部與口罩各部位尺寸對應(yīng)關(guān)系。主要測量的面部特征包括[5]，鼻長AB、鼻梁高AG、鼻梁到面頰AD、鼻尖到下巴BC、鼻尖到面頰BD、面頰長DF、面寬HI、下頜弧長CK、耳寬FJ、耳弧長EI、耳垂到下頜長EK。

1.2 口罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

以典型面部尺寸為基準(zhǔn)，結(jié)合面部特征點間尺寸，形成口罩的基礎(chǔ)二維紙樣，圖2(a)示出口罩的設(shè)計效果圖。全成形立體口罩在結(jié)構(gòu)上左右對稱，可分為掛耳部和口罩主體2個部分。口罩整體主要采用局部編織和收放針編織形成立體凹凸結(jié)構(gòu)，以達到貼合面部的三維效果?？紤]到編織難度，在進行設(shè)計時，將口罩的編織工藝設(shè)計為由左至右橫向編織[6]，整體的編織方向及效果設(shè)計如圖2(b)所示。

圖2 全成形口罩整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of fully fashioned mask. (a) Three- dimensional vision; (b) Plane vision

1.3 規(guī)格尺寸設(shè)計

將以人體頭部原型為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的口罩尺寸與二維紙樣相結(jié)合，形成口罩的標(biāo)準(zhǔn)尺寸規(guī)格。利用下式將二維紙樣的各個橫縱尺寸進行工藝計算，使口罩紙樣轉(zhuǎn)化為全成形針織工藝：

X=mPX

Y=nPY

式中：X為理論橫向針數(shù)；m為紙樣橫向尺寸；PX為橫密，線圈/(10 cm)；Y為理論縱向針數(shù)；n為紙樣高度，cm；PY為縱密，線圈/(10 cm)。PX和PY與橫機機號、紗線線密度、機器度目、編織組織等工藝參數(shù)相關(guān)，可利用試織小樣的方法確定橫縱密。

最終根據(jù)全成形口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸規(guī)格的工藝計算，初步建立口罩的結(jié)構(gòu)模型，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。圖中：a為廢紗部分，b為左側(cè)掛耳部分，c為口罩主體，d為右側(cè)掛耳部分，e、g為口罩主體平面部分，f為口罩主體凸起部分。將口罩分為4個部分進行細(xì)節(jié)設(shè)計，結(jié)合不同部位的編織工藝變換，形成成熟的工藝模型。

圖3 口罩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Basic structure model of mask

2 三維全成形口罩結(jié)構(gòu)模型

2.1 口罩主體工藝

建立整體結(jié)構(gòu)模型后，需要針對三維全成形口罩每個部件進行細(xì)節(jié)設(shè)計與微調(diào)。具有良好立體效果的三維成形口罩，整體呈現(xiàn)凸出的立體形狀，能夠流暢地貼合面部線條，保證包覆效果。對口罩的立體設(shè)計主要集中在面中部位，因此，全成形口罩的主體部分是口罩立體成形的關(guān)鍵。

口罩主體從掛耳帶結(jié)束的橫列開始編織，由面頰向面中延伸，通過向針床兩側(cè)逐漸加針使口罩的上下緣具有一定的弧度，如圖4(a)所示。qr、q′r段與臉頰到鼻梁貼合，ns、n′s段與下頜線到下巴位置貼合，保證過濾效果。區(qū)域②凸出于平面，既要保證貼合鼻部線條，還要使唇部與口罩間有一定的盈余空間，保持佩戴時的干凈舒適。

圖4 口罩主體形狀設(shè)計Fig.4 Shape design of mask body. (a) Major structure; (b) Expanding graphic in design system; (c) Model of protruding part structure; (d) Local diagram of protruding part structure

將口罩主體二維紙樣在設(shè)計系統(tǒng)中展開設(shè)計得到圖4(b)，其中區(qū)域①、③通過內(nèi)部收針與放針，實現(xiàn)口罩對面部包裹曲線的設(shè)計。當(dāng)編織完成區(qū)域①時，織針進入?yún)^(qū)域②編織，每一行參與編織的織針按照一定規(guī)律進行縮減，縮減后不參與編織的織針握持舊線圈暫停，其余織針繼續(xù)按照規(guī)律進行編織，由此利用局部織針多織形成具有良好立體效果的凸出部位[7]。局部編織時內(nèi)部與外部的左右片連接針數(shù)(i1與i2)分別對應(yīng)相等，以保證口罩面部的對稱效果。

口罩主體凸出部分的結(jié)構(gòu)模型如圖4(c)所示。其編織順序如下：由后針床織針首先編織形成口罩內(nèi)部弧形區(qū)域④，編織到口罩中縫部位時，后針床所有參與編織的織針均懸掛舊線圈暫停編織；接由前針床織針開始局部編織形成口罩外部弧形區(qū)域⑤，在編織時前針床相較于后針床多編織數(shù)個橫列，使得口罩外層相較于內(nèi)層更加凸出，以此為中間夾層部分留出空間；當(dāng)編織完內(nèi)外2層的半邊弧形后，前針床握持舊線圈暫停編織，在此階段由后針床的織針按照規(guī)律逐漸參與編織，在原來懸掛的舊線圈上繼續(xù)編織新線圈，形成與內(nèi)層對稱的半邊弧形區(qū)域⑥，編織過程中對應(yīng)點(如t與t′)重合，各邊(如tu與t′u′)相接，使得區(qū)域④和⑥的2個弧形邊緣完全重合；區(qū)域⑥結(jié)束編織后，后針床停止編織，前針床繼續(xù)局部編織口罩外層半邊弧形區(qū)域⑦，與內(nèi)層編織同理，形成外層區(qū)域⑥和⑦邊緣完全重合的效果。

以圖4(c)中區(qū)域④為例，對凸出部分(見圖4(d)) 進行局部編織工藝計算。其中單針床參與編織總針數(shù)為T，ty鼻長為L1，yv鼻尖到下巴的長度為L2，∠t鼻梁與面部的夾角為α( °)，PX為橫密(線圈/(10 cm))，PY縱密(線圈/(10 cm))，Ci為每個收放針循環(huán)中收針或放針時，第i枚針連續(xù)編織的針數(shù)，Ci取整數(shù)。由于yxwv區(qū)域在嘴部形成空間余量，近似于圓弧時效果最好，設(shè)計時將圓弧所對圓心角看為α，可得到關(guān)于Ci的分段函數(shù)[8-9]。

當(dāng)i∈[0，L1cosα]時，有：

當(dāng)i∈(L1cosα,L1cosα+L2]時，有：

Ci=

當(dāng)i∈(L1cosα+L2,2L1cosα+L2]時，有：

口罩中縫位置zz′段，利用收針工藝形成分割線，能夠有效改善接縫后縫骨處的凹凸不平，還可形成不同的分割形狀[10]。根據(jù)口罩的佩戴需求，還可通過改變口罩主體局部的組織結(jié)構(gòu)，以增加佩戴的功能性。如圖5(a)中所示的口罩，在主體部分面頰兩側(cè)部分的后針床織針，通過每隔數(shù)針向前針床集圈形成孔洞效果(見圖5(b))，能夠增加面頰兩側(cè)的透氣舒適性；集圈孔洞呈弧形分布設(shè)計，可根據(jù)過濾墊片大小來確定分布寬度，使其固定圓形過濾墊片在口罩夾層的位置。

圖5 口罩網(wǎng)孔設(shè)計及集圈組織編織圖Fig.5 Design(a) and knitting diagram of tuck stitch(b) of mask mesh

2.2 過濾墊片開口工藝

全成形口罩的主體部分為雙層結(jié)構(gòu)形成口袋，可在口袋夾層襯入過濾墊片從而達到高效阻隔病毒等有害物質(zhì)的防護效果。口袋設(shè)計能更加方便地更換與清潔過濾墊片，幫助實現(xiàn)口罩的可重復(fù)利用?？诖拈_口部位可位于口罩多個位置。為保證佩戴的舒適性和開口隱形美觀效果，根據(jù)開口位置不同可將口罩分為側(cè)邊開口式和下緣開口式。

2.2.1 側(cè)邊開口式

側(cè)邊開口式口袋開口部位通常位于口罩內(nèi)側(cè)，與掛耳部位平行的面頰位置。此時四針床配置中的后上針床參與編織，通過翻針后實現(xiàn)在筒狀織物上進行雙面組織的編織，其設(shè)計效果如圖6(a)所示。當(dāng)編織到口袋開口處時，編織口罩外層的前下針床織針繼續(xù)進行原組織的編織，而后下針床織針在局部段與前上針床織針以羅紋配置編織形成2+2羅紋組織。編織完1個羅紋橫列后，前上針床線圈翻針到后下針床，形成口袋的內(nèi)層開口，再由前下針床織針繼續(xù)編織口罩外層，其1個編織循環(huán)內(nèi)的原理如圖6(b)所示。羅紋鎖邊的寬度約1 cm，正反線圈交錯可有效防止開口邊緣卷邊。

圖6 側(cè)邊口袋設(shè)計和編織圖Fig.6 Design and knit-forming of side-opening pocket. (a) Design diagram of pocket opening; (b) 2×2 rib knitting

側(cè)邊口袋開口編織結(jié)束后，只有口罩的外層線圈掛在后下針床織針上，因此，要繼續(xù)編織，需要前下針床織針一隔一空針起頭編織，起頭橫列將內(nèi)外層線圈相連接[11]。

2.2.2 下緣開口式

當(dāng)面頰兩側(cè)設(shè)計集圈網(wǎng)孔用來透氣時，側(cè)邊開口式口袋不再適用，此時可在口袋的下緣開口用來放置或取出過濾墊片。下緣開口式口袋的開口部位通常位于下巴處的口罩邊緣部位，在正面與反面都不會顯現(xiàn)，具有一定隱形美觀的效果。由于開口位置在口罩中線部位向左右兩側(cè)各延伸 3 cm，因此，在局部編織的口罩主體部位，中間數(shù)橫列范圍內(nèi)采用C型編織。圖7示出編織原理圖，下巴處邊緣前后不連接形成單側(cè)開口。

圖7 C型編織原理Fig.7 Principle of C-knitting

2.3 掛耳部位成形工藝

掛耳部位形狀設(shè)計如圖8所示。

圖8 掛耳帶形狀設(shè)計圖Fig.8 Shape designing of ear belt. (a) Structure of ear belt; (b) Expanding graphic in design system

以左側(cè)掛耳部位為例，全成形口罩的掛耳部位首先通過機頭空轉(zhuǎn)編織空氣層組織，形成耳背部分hilm(區(qū)域⑧)。為保證口罩佩戴時的舒適性，掛耳帶耳背處寬度在0.4～1 cm之間。寬度較窄時由于線圈拉伸，掛耳帶呈圓柱狀，便于佩戴；當(dāng)寬度較寬時掛耳帶呈扁平狀，立體效果相對較差，但舒適性會有所增加。編織完成掛耳帶耳后部位后，在中間部位il段通過局部收針形成收邊，兩側(cè)各余出數(shù)針線圈繼續(xù)編織，從而形成2個掛耳帶hipq(區(qū)域⑨)、lmno(區(qū)域)。

為使掛耳帶與口罩主體銜接順暢，避免佩戴時口罩側(cè)邊起皺，掛耳帶的寬度從耳后到面頰逐漸加寬，在工藝上可通過逐行內(nèi)部加針實現(xiàn)[12]，如圖9所示，出某一橫列最左側(cè)放一針編織，在設(shè)計時常通過加針數(shù)目控制加針寬度，從而控制曲線增長弧度。為防止?fàn)坷佋谑┘永r掛耳帶部位被牽拉變形，同時保證在織完掛耳帶po段重新起頭編織時，新線圈具有一定的牽拉張力，需要在jk段織入廢紗，使其與口罩掛耳帶耳后部相接，由分離線分隔2部分。編織完成口罩的掛耳帶后，op段廢紗收針形成區(qū)域⑩，由普通紗線放針編織nopq段后開始編織口罩主體部分。右側(cè)掛耳部位工藝與左側(cè)掛耳工藝對稱，通過局部收針形成掛耳帶，當(dāng)編織到耳背后側(cè)掛耳帶時，收針編織同時形成空氣層組織。

圖9 內(nèi)部加針編織圖Fig.9 Knitting diagram for adding-needle inside

3 三維全成形口罩開發(fā)實踐

當(dāng)設(shè)計完成的工藝進行上機實踐時，由于牽拉、度目等工藝參數(shù)的不同，也會影響到口罩生產(chǎn)的成品效果。除設(shè)計三維全成形口罩的結(jié)構(gòu)模型外，根據(jù)樣品試織效果調(diào)整工藝參數(shù)，從而優(yōu)化其生產(chǎn)技術(shù)，也是保證全成形口罩高效生產(chǎn)的必要步驟。

3.1 原料配置

特殊原料配置可賦予全成形口罩特殊性能，以增加其附加價值?？谡值倪^濾性能和抗菌性能是防護性口罩的2個檢驗標(biāo)準(zhǔn)。在開發(fā)實踐時使用彈性較大的包覆紗或?qū)椥约喚€與其他紗線添紗配置編織，增加口罩的密度，以此來提高口罩過濾性能。除此之外，使用處理后的抗菌紗線為原料進行編織，能保證口罩抗菌性能，優(yōu)化其防護效果。在實踐過程中，使用42.5%的44.4 dtex(36 f)抗菌滌綸紗線、42.5%的44.4 dtex(28 f)半消光滌綸紗線、15%的44.4 dtex氨綸形成包覆毛圈紗，在島精公司MACH2XS153型四針床電腦橫機上進行三維全成形口罩開發(fā)。

3.2 送紗工藝

為保證三維全成形口罩對污染微粒的過濾效果，口罩的布面結(jié)構(gòu)要相對緊密，織造時常采用彈性紗線直接編織或添紗編織。由于編織過程中機頭回轉(zhuǎn)形成的紗線余量和編織過程中造成的彈性紗線張力波動幅度較大，因此，可利用紗線張力控制系統(tǒng)對彈性紗線進行張力控制。島精公司四針床電腦橫機上具有i-DSCS + DTC(智能型數(shù)控紗環(huán)系統(tǒng)+能動張力控制裝置)，通過電子自動控制送紗，或在橫編機器送紗系統(tǒng)中加裝定張力送紗裝置，實時測量牽拉速度與張力，從而控制彈性紗線的送紗量。張力控制裝置一定程度上能夠平衡張力波動，避免口罩的布面效果不均勻，保證全成形口罩的美觀性，為后續(xù)整燙等步驟解決一定的技術(shù)問題。

3.3 牽拉工藝

利用四針床電腦橫機生產(chǎn)的三維全成形口罩采用了橫向編織，從一個掛耳部位開始編織，在對稱掛耳部位結(jié)束編織。由于島精公司四針床橫編機器中具有局部可控牽拉裝置，能保證同一橫列的線圈在分段牽拉裝置下受到不同的拉力，對不同的拉力段進行代碼設(shè)定。圖10示出四針床橫編機牽拉裝置。

圖10 牽拉裝置Fig.10 Pulldown device

牽拉裝置中第3段所有的牽拉爪以相同的拉力持續(xù)向下牽拉，第0段為暫停狀態(tài)，不進行向下牽拉，只按照一定頻率松開牽拉爪，第7段沒有織物經(jīng)過，處于不工作狀態(tài)。在織造過程中，為防止2個掛耳部位因所受牽拉力度不同而造成的長度差異，可在兩邊掛耳帶處設(shè)置相同的牽拉密度，而中間的廢紗部分略松于掛耳帶線圈，可設(shè)定較大的拉力。同時不同的組織、不同編織部位在工藝模型中需要分段設(shè)置牽拉度目，在實際生產(chǎn)中逐段微調(diào)，從而達到優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)的目的。

3.4 輔助編織工藝

在進行實踐生產(chǎn)過程中，起底編織時為保證口罩整體面料牽拉的一致性，形成均勻良好的布面效果，首先需要使用廢紗進行一定長度的編織，通過分離線分隔廢紗部分和口罩。

在編織過程中需要織入3段廢紗部分：起底編織及2個掛耳帶形成的孔洞部分。起底編織時首先織1段廢紗起到均勻起底板拉力的作用，同時使得編織到口罩主體部分時已轉(zhuǎn)變?yōu)闋坷佁峁坷?，便于后續(xù)局部編織的進行。掛耳帶處的廢紗能夠牽拉住掛耳帶平收部位，同時保證空起時對線圈產(chǎn)生拉力，使得編織順利進行。其中廢紗的粗細(xì)與組織結(jié)構(gòu)的不同均會對拉力大小造成一定影響。

最終編織得到的全成形口罩布面緊實，彈性優(yōu)良，立體效果明顯，有隱隱的光澤效果，如圖11所示。由于在口罩佩戴過程中，呼吸產(chǎn)生的水蒸氣使口罩常處于潮濕狀態(tài)，因此，參照FZ/T 73023—2006《抗菌針織品(振蕩法)》對口罩的抗菌性進行檢驗，實驗溫度為36 ℃，振蕩接觸時間為48 h。經(jīng)檢測，未經(jīng)洗滌的口罩對于標(biāo)準(zhǔn)中所給出3種菌種的抗菌率均能達到99%，洗滌50次后，口罩對金黃色葡萄球菌(ATCC6538)的抗菌率仍在99%以上，對白色念珠菌(ATCC10231)的抗菌率在93%以上，對大腸桿菌(ATCC29522)的抗菌率在81%以上，仍具有明顯的抗菌效果，說明口罩具有較好的耐洗抑菌性，可重復(fù)使用。

圖11 成品口罩示意圖Fig.11 Real image of finished mask

4 結(jié) 論

本文探索了在四針床電腦橫編機上進行三維全成形針織口罩的工藝設(shè)計與開發(fā)過程，分析了通過局部編織形成立體結(jié)構(gòu)的成形方法。研究發(fā)現(xiàn)：三維全成形口罩的工藝設(shè)計以人體面部模型為基礎(chǔ)確定口罩的規(guī)格尺寸，以此建立二維紙樣模型，結(jié)合工藝計算得出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型；全成形口罩的掛耳帶與主體在結(jié)構(gòu)上流暢結(jié)合，掛耳帶編織時使用平收并織入分離紗，在平收橫列和放針橫列之間形成一段廢紗，便于重新起頭編織時對線圈起牽拉作用；以加減針編織形成掛耳部分，能兼顧掛耳帶的舒適度與面部貼合度；口罩主體在面頰處通過集圈等結(jié)構(gòu)形成孔洞，凸出部分以局部編織的方式將口罩分為4部分編織，內(nèi)外層針化轉(zhuǎn)數(shù)差值調(diào)整內(nèi)外層凸出程度。除工藝上的探索外，全成形口罩還可對原料進行合理配置，賦予口罩抗菌、涼爽等特殊效果，以及智能監(jiān)測人體呼吸特征等功能，以達到高附加值的效果。