激光雕刻層級對絨布的外觀特征效果影響

呂雪珊，李紫玉，王雪琴,2

(1.浙江理工大學，a.紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)；b.藝術(shù)與設(shè)計學院，杭州 310018； 2.浙江省絲綢與時尚文化研究中心，杭州 310018)

近年來，激光雕刻除了在電子、廣告、包裝等行業(yè)運用外，在紡織面料上的運用也越來越多，尤其是在服裝面料的應(yīng)用與再造上研究較多。激光可以通過刺繡、壓花，甚至切割、撕裂和修補等技術(shù)使面料產(chǎn)生效果，其精度和設(shè)計靈活性非常廣泛，這是傳統(tǒng)方法所無法實現(xiàn)的。

在國內(nèi)研究中，姚小舜等[1]介紹了激光服飾輕定制模式，從服裝個性化定制的角度分析了產(chǎn)品開發(fā)流程并進行了實踐探索；蕭倩等[2]將激光雕刻技術(shù)應(yīng)用在雙面呢再造中，這對激光雕刻在不同面料中的應(yīng)用做出了突破性的嘗試，也為本文在絨布上的嘗試做出了比較好的案例；吳秀桓等[3]綜述了打印與激光雕刻技術(shù)在構(gòu)筑仿生設(shè)計的紡織結(jié)構(gòu)防刺材料的應(yīng)用，為后續(xù)了解激光雕刻技術(shù)的應(yīng)用提供了更多方向和可能；許天宇等[4]把激光雕刻與傳統(tǒng)絲綢手繪結(jié)合，利用了新的技術(shù)手段應(yīng)用在傳統(tǒng)絲綢面料當中，提供了絲綢面料創(chuàng)新的新可能；杜群[5]對激光雕刻在面料再造與圖紋設(shè)計上的應(yīng)用做了綜合評述，分析了未來激光雕刻的在面料上的二次改造并結(jié)合圖案設(shè)計會成為一個大的創(chuàng)新趨勢；苑國祥等[6]對激光表面蝕刻處理在服裝上的應(yīng)用進行了處理手法和設(shè)計方法的實驗，實驗表明激光雕刻技術(shù)具備多種優(yōu)點，在服裝面料上的應(yīng)用十分多元。在國外研究中，Angelova等[7]分析了激光在皮革和紡織品加工中的應(yīng)用；Angelova[8]對影響紡織材料激光處理的因素做了綜述；Jiang等[9]探索了一種結(jié)合激光雕刻和箔層壓的紡織品設(shè)計方法；Kan等[10]將CO2激光雕刻技術(shù)應(yīng)用于牛仔布，并通過實驗評價其對某些顏色相關(guān)性能的影響。

在現(xiàn)有研究中，主要是針對服裝面料的牛仔布、皮革等進行圖案效果創(chuàng)新，并沒有與絨布結(jié)合的相關(guān)研究。究其原因，激光雕刻在紡織面料中的研究還處于嘗試和創(chuàng)新階段，其應(yīng)用發(fā)展及產(chǎn)品開發(fā)也比較局限。本文選用絨布作為實驗對象，一方面是因為當前激光雕刻技術(shù)在紡織品當中應(yīng)用所選材料比較單一，而絨布其本身具有硬挺、不易變形、手感好等特點，再加上它本身具有一定厚度，比較適用于激光雕刻在面料中展現(xiàn)更豐富的表面處理效果；另一方面是因為絨布材料在現(xiàn)代生活中的可用性比較廣，尤其在現(xiàn)代家居空間當中，現(xiàn)代輕奢風逐漸成為室內(nèi)軟裝的潮流趨勢，而輕奢風常用的五大材料包括：皮革、金屬、皮草、大理石和絲絨。絲絨面料本身的光澤度和柔軟度，是打造現(xiàn)代輕奢風的首選紡織材料。因此，本文運用激光雕刻技術(shù)，創(chuàng)新地在絨布上進行外觀特征雕刻實驗。本實驗不僅在面料上進行了新的嘗試和創(chuàng)新，在未來的應(yīng)用發(fā)展中也提出了新的探索和嘗試。

1 激光雕刻技術(shù)簡介

激光雕刻技術(shù)以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，通過瞬間的高溫熔化材料表面，達到某種特定的效果。本文主要研究的是激光雕刻技術(shù)在織物材料上的應(yīng)用。它通過激光光束對織物表面的纖維進行高溫物理的灼燒以形成不同程度的凹凸表面，從而產(chǎn)生圖案的立體效果。用于加工應(yīng)用的激光雕刻大致可以分為5種，分別是CO2激光雕刻、Nd:YAG激光雕刻、光纖激光雕刻、二極管激光雕刻和準分子激光雕刻[11]，激光雕刻工藝的特點有：非接觸加工,不用水、燃料和溶劑,自動化程度高、雕刻快速精確。隨著光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雕刻技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣，在各種材料當中的運用也越來越普遍，在一些特定的材料上具有獨特的優(yōu)勢，比如珠寶材料、防刺材料、工業(yè)材料以及紡織材料,等等。

2 實 驗

2.1 試樣制備

采用的是由世一激光設(shè)備(紹興)有限公司(意大利SEI S.p.A.集團的分公司)制造的Matrix Textile二氧化碳激光切割機，激光機功率為100 W，激光軟件是與系統(tǒng)配套的Icaro Textile Software。采用經(jīng)編單面灰色絨布(100%滌綸)進行實驗，同時進行灰度分層。采用HSB色彩模式，以10間隔分為11個明度層次，按亮度(B)進行編號，每個明度值分別對應(yīng)激光雕刻值，B0為雕刻程度最深，B100無雕刻。實驗共織造織物4組共44塊，每塊試樣4.5 cm×5.5 cm，如圖1所示。

圖1 11個激光雕刻織造樣品

2.2 織物顏色測試與分析

所有織物均采用美國愛色麗X-Rite SP62積分球分光光度儀進行測色與數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集條件：顏色系統(tǒng)為CIEL*a*b*，d/8°測試結(jié)構(gòu)，接收器為硅光電二極管(藍光增強)，光源為脈沖鎢絲燈，測量孔徑為8 mm。為了避免雕刻機與環(huán)境的影響，分別對相同雕刻層級的4組織物做4次測量，并取其平均值。表1為不同雕刻值取平均值后的L、a、b值。

表1 4組織物雕刻層級與顏色測試數(shù)據(jù)

2.2.1L、a、b值分析

圖2為L、a、b值4組均值及標準差，由圖2可以看出，在顏色的多次測量中，織物的明度值L變動幅度相對較大，而a、b值的變化較小。所以，對織物的明度值進行進一步分析。

在SPSS軟件中對明度值L進行齊性檢驗，若總體服從正太分布則進行單因素方差分析。并提出零假設(shè)，假設(shè)如下：

零假設(shè)(H0)：雕刻層級對明度值L沒有顯著性影響。

對明度值L進行方差齊性檢驗，其結(jié)果如表2所示：

表2 方差齊性檢驗

不同雕刻層級下，織物明度值的方差齊性檢驗值均比0.05大，P>0.05，說明方差滿足齊性，即可進行單因素方差分析，單因素方差分析結(jié)果如表3，從表3中可以看出，F(xiàn)值為38.38，對應(yīng)的顯著性p值為0.00。在顯著性水平0.05下，P值小于0.05，則零假設(shè)不成立，說明雕刻程度對絨布明度有顯著影響，所以，拒絕零假設(shè)中雕刻層級對明度值L沒有顯著性影響。

表3 方差分析

在此基礎(chǔ)上，對織物明度值L進行進一步的影響研究。據(jù)圖3結(jié)果示，明度值L由高到低依次排列：B100>B90>B80>B70>B60>B50>B40>B30>B10>B0>B20，說明11層級的雕刻值中B100的明度值最大，B20的明度值最小。B80與其他雕刻層級、B90和B100與其他雕刻層級、B60和B70與其他雕刻層級、B0-B50與其他雕刻層級間的差異性顯著(p<0.05),而B90與B100、B60與B70、B0-B50 雕刻層級間無顯著性差異(p>0.05)。隨著雕刻層級的減小，明度值總體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。說明雕刻層級越大，明度越低，雕刻層級越小，明度越高。在無雕刻(B100)的情況下，明度達到最大。

圖3 不同雕刻層級對明度值L大小的影響

2.2.2 色差分析

對顏色值進行色差分析，用以判斷激光雕刻在不同層級下對人眼視覺上的影響大小。

a)色差公式

計算機視覺的色差檢測是目前理論上最接近人眼視覺的色差檢測。目前計算機配色系統(tǒng)使用最多的是由國際照明委員會制定的CIELab顏色空間，其色差公式如下：

其中：ΔL=L1-L2; Δa=a1-a2; Δb=b1-b2

式中ΔE為色差值，當ΔL>0時,說明前一塊激光雕刻的織物比后一塊織物的顏色深，明度更低，反之則高；當Δa>0時，說明前一塊激光雕刻的織物比后一塊織物更偏向紅色，反之則偏綠；當Δb>0時，說明前一塊激光雕刻的織物比后一塊織物更偏向黃色，反之則偏藍。

b)色差評判標準

色差的單位是NBS，即ΔE=1時稱為1個NBS色差單位，用ΔE的絕對值表示顏色與視覺感受之間存在的色差程度[12]。表4為色差與人眼感覺的關(guān)系，可以用來評判人眼與色差的感覺程度。

表4 CIELab色差值與人眼感覺的關(guān)系

c)色差結(jié)果與分析

從表5色差計算結(jié)果與評判中可以清晰地看出，B0-B10、B30-B40、B40-B50和B90-B100之間人眼幾乎無感覺，B20-B30和B60-B70之間人眼稍有感覺，B10-B20、B50-B60和B70-B80之間人眼感覺明顯，B80-B90之間人眼感覺顯著。色差ΔE對人眼的感覺與雕刻層級對明度值的顯著性是高度重合的。這也為后續(xù)雕刻層級的聚類分析提供了參考。

表5 色差計算結(jié)果與評判

2.2.3 聚類分析

最初的時間，終日不能提及此事，每每以淚洗面，逢人便訴說著自己不幸的遭遇；終有一天，我發(fā)現(xiàn)，自己快成了魯迅先生《祝?！防锼枋龅南榱稚Ｓ谑牵也粮裳蹨I，我想，我必須面對沒有愛人的日子，承擔照顧女兒應(yīng)該承擔的一切，同女兒一起好好過日子。

基于對織物顏色值及色差的分析，可以看出在11個雕刻層級中有多個層級的顏色值差異較小，所以將這些雕刻層級進行聚類，以達到織物上能實現(xiàn)層次分明的圖案效果。以4組11個雕刻層級的L、a、b值為變量，在SPSS軟件中采用系統(tǒng)(層次)聚類分析。最終得到的譜系圖如圖4所示，在譜系圖中，上方的數(shù)字為各雕刻層級間的距離，數(shù)字越小，表明兩層級間的距離越小，相似度越高，關(guān)系也越密切。

圖4 顏色值譜系

根據(jù)譜系圖的結(jié)果，以5作為x軸參考線，剔除個別頻次低的數(shù)據(jù)，最終得到了4個類別。雕刻層級分類如表6所示。

表6 雕刻層級分類

為了驗證這一分類的準確性，根據(jù)前文中各雕刻層級對L、a、b值的影響，可以看出明度值L在 B0-B50、B60與B70、B90與B100雕刻層級間無顯著性差異，這與譜系圖的分類是一致的。在a、b值中，顏色值a、b本身差異變化較小，變化幅度平均在1.5以內(nèi)，從色差值與人眼感覺的關(guān)系中可以看出人眼的感覺微小，幾乎無感覺，所以對于聚類的參考意義不大。綜上，說明譜系圖劃分是合理的。

2.3 織物厚度測試與分析

除了激光雕刻層級對于織物顏色的變化影響，進一步對織物厚度進行測試與分析，以了解激光雕刻對織物厚度帶來的變化和影響。從中總結(jié)出變化規(guī)律，在定制設(shè)計中更好把握激光雕刻帶來的立體層次效果。

2.3.1 實驗方法

實驗標準：根據(jù)國家標準GBT3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》對織物厚度(mm)進行測試。

實驗儀器：YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀

對11個雕刻層級的4組絨布進行厚度測試，每塊織物測5次并取其平均值，其測量結(jié)果如表7所示。

表7 厚度測量結(jié)果

2.3.2 結(jié)果分析

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)激光雕刻對織物厚度影響的變化規(guī)律，當?shù)窨虒蛹壴酱?，織物越薄，在B0時達到最?。划?shù)窨虒蛹壭r，織物最厚，在B90時達到最厚?？椢镉珊褡儽〉捻樞驗椋築90>B80>B100>B70>B60>B50>B40>B30>B20>B10>B0

通過對4組絨布分別進行圖像繪畫可以看出，圖5中，整體規(guī)律是一樣的，隨著激光雕刻層級越大，織物越薄，激光雕刻層級越小，織物越厚；隨著織物明度越大，厚度越大，織物明度越小，厚度也越小，但4組圖中，圖5(d)和圖5(a)-(c)有一些細微差異，相比前3組，第4組的厚度值相對都要更厚一些，原因是第4組織物因后處理問題導致測量數(shù)據(jù)發(fā)生波動，但不影響整體規(guī)律。

圖5 激光雕刻對絨布厚度的影響

當織物位于B90雕刻層級時，織物厚度達到最大，而在B100雕刻層級反而有下降趨勢。這主要是由于激光在雕刻絨布時，表面材料被迅速熔融燒蝕，產(chǎn)生了一定的硬度，在厚度測試時不會產(chǎn)生太大變化。而B100是沒有被激光雕刻處理過的表面，在厚度測試時，絨毛表面被下壓，造成厚度測量結(jié)果偏低。這也可以通過電鏡分析做進一步的驗證。圖6 為B100在30倍放大效果下的織物側(cè)面厚度SEM照片，圖6中每單位的標尺為200 μm。通過 圖6 中比例可以看出，織物厚度在8個標尺附近，約為1.6 mm，這與厚度測量儀測試結(jié)果有一定差異，但是也可以進一步說明：在未經(jīng)雕刻的B100層級織物厚度中，由于織物測量儀的壓腳壓力導致織物絨毛被壓下，造成織物厚度出現(xiàn)下降的趨勢。

圖6 B100織物側(cè)面厚度SEM照片

2.4 織物表面形態(tài)分析

圖7顯示了在不同層級激光雕刻下的絨布在50倍放大效果的SEM圖像。由圖7可以看出，在不同層級激光雕刻下的纖維表面形態(tài)具有明顯的變化，并且伴隨著一定的規(guī)律。圖7(a)與圖7(f)分別為絨布未雕刻的表面形態(tài)和雕刻程度最深時的表面形態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著激光雕刻層級由小到大從B100到B0，纖維由均勻的條狀逐漸熔為平整的熔融面并伴隨著均勻大小的孔眼。

圖7 不同層級激光雕刻下的表面形態(tài)圖

3 結(jié) 論

本文將激光雕刻技術(shù)應(yīng)用在絨布上，對絨布面料的表現(xiàn)手法進行創(chuàng)新性實驗，探索激光雕刻技術(shù)在絨布上實現(xiàn)的效果形態(tài)，為該技術(shù)在絨布織物上的應(yīng)用提供良好的借鑒意義。通過在絨布上進行11個層級的雕刻實驗，得出以下結(jié)論：

a)通過對織物的顏色測試得出：不同的雕刻雕刻層級對織物明度值L影響較大，其中，B100的明度值最大。進行色差分析，得到在11個雕刻層級中，B0-B10、B30-B40、B40-B50和B90-B100之間人眼幾乎無感覺，其余各層級間均有不同程度的感覺。對11個雕刻層級運用聚類分析進行分類，最終分成4個層級，分別為：類一，B0、B10、B20、B30、B40、B50；類二，B60、B70；類三，B80；類四，B90、B100。

b)通過對厚度進行測量得出：雕刻層級越大，織物越?。坏窨虒蛹壴叫?，織物越厚。同時，織物厚度的變化也伴隨著織物明度的變化。特別注意的是，織物厚度在B90與B100時，織物厚度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，這主要是由于厚度測試儀壓腳的壓力所致，在未經(jīng)雕刻的層級B100，絨毛未經(jīng)激光燒灼而較細軟，從而導致厚度的變化，這也通過織物側(cè)面的電鏡圖像進行了進一步驗證。

c)通過對激光雕刻下的絨布進行表面形態(tài)的分析，可以得到：隨著雕刻層級的比例加深，纖維表面的熔融面積也在擴大，纖維的形狀由條狀變成斷續(xù)的條塊顆粒狀；雕刻層級達到最大時，纖維被熔融面所覆蓋并出現(xiàn)孔眼結(jié)構(gòu)。

以上，通過本文將激光雕刻技術(shù)應(yīng)用在絨布織物上進行外觀特征研究后，為絨布本身提供了新的表現(xiàn)手法，也為后續(xù)絨布的應(yīng)用提供了更多的可能性，比如通過激光雕刻層級的分析和厚度分析，可以做出具有層次感的裝飾畫或者壁布等家居實用性產(chǎn)品，這也為軟裝行業(yè)提供了新的發(fā)展思路等等。對后續(xù)激光雕刻在不同織物上的應(yīng)用實踐也提供了實踐參考價值，還可以嘗試除了牛仔面料以外更多的織物，并應(yīng)用到更多元的場景當中。