Zastosowanie trójwymiarowego skanera laserowego do pomiarów efektu zgofrowania gofr tkackich

Transkrypt

1 Zastosowanie trójwymiarowego skanera laserowego do pomiarów efektu zgofrowania gofr tkackich Application of 3d laser scanning in measurement of topography of seersucker fabrics Łukasz Frącczak 1*, Małgorzata Matusiak 2 1) Wydział Mechaniczny Politechniki Łódzkiej, Instytut Obrabiarek i Technologii Budowy Maszyn, Zakład Robotyki i Automatyzacji, Łódź, ul. Stefanowskiego 1/15, lukasz.fracczak@p.lodz.pl 2) Wydział Technologii Materiałowych i Wzornictwa Tekstyliów, Instytut Architektury Tekstyliów, Politechnika Łódzka, Łódź, ul. Żeromskiego 116. Streszczenie W chwili obecnej coraz powszechniej stosuje się tkaniny zgofrowane. Przykładem mogą tutaj być tekstylia domowe, dekoracyjne jak również i ubrania. Ich główną zaletą, oprócz estetyki, jest zapewnienie komfortu fizjologicznego, gdyż topografia ich struktury sprawia, że ułatwiony jest ruch powietrza pomiędzy skórą człowieka a odzieżą wykonaną z tych tkanin. W chwili obecnej parametryzacja gofr tkackich jest bardzo trudna, ponieważ próba pomiaru gofry metodami kontaktowymi zniekształca gofrę i zafałszowuje wyniki pomiaru. Dlatego też w artykule przedstawiono nową metodę pomiaru gofr tkackich, która polega na laserowym skanowaniu topografii tkaniny, dzięki czemu pomiar odbywa się bezkontaktowo, co pozwala na przeprowadzenie prawidłowych pomiarów topografii tkaniny. Summary Nowadays the seersucker fabrics are more and more widely applied in different textile goods such as home textiles, decorative textiles and clothing. Apart from aesthetics their main advantage is an ability to ensure a physiological comfort. It is due to their topography enabling the air movement between the human skin and clothing made of the fabrics. Currently, the parametrization of the seersucker fabrics is very difficult because the standard test methods distort the seersucker effect and in the same time they skew the results. Due to this fact in the presented work a new method of measurement of the seersucker fabrics is presented. This method applies the 3D laser scanning to scan the surface of the seersucker fabric. Because the scanning is performed in a contactless way it allows to measure correctly the topography of the seersucker fabric. Słowa kluczowe: gofry tkackie, skanowanie laserowe, falistość. Key words: seersucker fabrics, laser scanning, waviness. 1. Wprowadzenie Gofry tkackie to tkaniny o unikatowej strukturze. Zaliczane są do grupy tekstyliów trójwymiarowych (z angielskiego 3D three-dimensional). W języku angielskim gofry tkackie nazywane są seersuckerfabrics. Nazwa ta wywodzi się z języka perskiego i pochodzi od słów sheer i shakar, czyli mleko i cukier. Zestawienie tych słów nawiązuje do występującej naprzemiennie gładkiej i chropowatej struktury pasków gofry, gdzie gładkie paski odpowiadają gładkiej teksturze mleka, natomiast paski zgofrowane nawiązują do chropowatej tekstury cukru. W niektórych publikacjach tkaniny tego typu nazywane są tkaninami 2D+. Tkaniny zgofrowane mogą być wytwarzane różnymi technikami: z zastosowaniem zróżnicowanych grubości przędz osnowowych, - z zastosowaniem różnych ilości nitek w osnowach, - z zastosowaniem przędz elastycznych, - z zastosowaniem przędz wysoko-kurczliwych, - z zastosowaniem procesów chemicznych. W gofrach tkackich efekt zgofrowania, polegający na występowaniu naprzemiennie pasków gładkich i wklęsło-wypukłych w kierunku osnowy (rys. 1), powstaje już w procesie tkania. Gofry tkackie mogą być wytwarzane na krosnach z dwoma wałami osnowowymi, gdyż efekt zgofrowania uzyskuje się poprzez zastosowanie dwóch osnów podawanych w strefę tkania z różną prędkością, co powoduje różne napięcia osnów: podstawowej i gofrującej [1,2]. 24

2 parametrów charakteryzujących topografię powierzchni gofr tkackich. 2. Część eksperymentalna Rysunek 1. Przykłady gofr tkackich. Z uwagi na swoją strukturę oraz wynikające z tej struktury właściwości estetyczne i użytkowe, gofry tkackie są coraz częściej stosowane w nowoczesnych wyrobach włókienniczych, zwłaszcza odzieży, ale także w tekstyliach domowych czy dekoracyjnych. Niektórzy naukowcy [3, 4] uważają, że gofry tkacie zapewniają komfort fizjologiczny, gdyż topografia ich struktury sprawia, że ułatwiony jest ruch powietrza pomiędzy skórą człowieka a odzieżą wykonaną z tych tkanin. Pomimo, iż gofry tkacie są znane i stosowane od lat, dotychczas nie opracowano metod oceny efektu zgofrowania tych tkanin. Jedynym parametrem strukturalnym, który mógł być wykorzystany do oceny efektu zgofrowania tkanin, jest wrobienie osnowy, które w przypadku osnowy gofrującej jest wielokrotnie większe od wrobienia osnowy podstawowej. Ghahramani współpracownicy [5] zaproponowali dwa algorytmy, a mianowicie funkcję gęstości widmowej oraz funkcję kątowej widmowej gęstości mocy do oceny ilościowej efektu zgofrowania. W niniejszej pracy przedstawiono próbę zastosowania trójwymiarowego skanera laserowego do pomiaru Materiał badawczy Badaniom poddano 4 warianty gofry tkackiej wykonane na bazie tego samego zestawu osnów: podstawowej i gofrującej, różniące się miedzy sobą rodzajem przędzy wątkowej. Gofry zostały wytworzone na jednym krośnie, następnie poddane zostały procesowi wykończenia obejmującemu: odklejanie, pranie, płukanie i suszenie. Podstawowe parametry strukturalne tkanin podano w tabeli 1. Jak widać na podstawie danych przedstawionych w tabeli 1, w przypadku każdego wariantu tkanin wrobienie osnowy II gofrującej jest więcej niż dziesięciokrotnie większe od wrobienia osnowy I podstawowej. Największe wrobienie tkaniny gofrującej odnotowano dla tkaniny 1, natomiast największe zróżnicowanie wrobienia osnowy podstawowej i gofrującej wystąpiło w tkaninie 3. Metoda badawcza Do pomiarów topografii powierzchni gofr tkackich zastosowano przenośne ramię pomiarowe CimCore Romer Infinity 2 wraz z głowicą skanującą ContourProbe (rys. 2) firmy Perceptronoraz specjalistyczne oprogramowanie ScanWorks, które jest kompletnym pakietem przeznaczonym do przeprowadzania procesu skanowania 3D. Zestaw ten umożliwia skanowanie powierzchni z dokładnością do 0,02mm. Ramię pomiarowe było umieszczone na stole granitowym, na którym również umieszczano kolejne próbki tkanin. Tabela 1. Podstawowe parametry strukturalne badanych tkanin. Wartość Parametr Jednostka Wariant 1 Wariant 2 Wariant 3 Wariant 4 Osnowa I - 20 x 2 tex CO 20 x 2 tex CO 20 x 2 tex CO 20 x 2 tex CO Osnowa II - 20 x 2 tex CO 20 x 2 tex CO 20 x 2 tex CO 20 x 2 tex CO 15 x 2 tex 12 x 2 tex 15,6 x 2 PES Wątek - 20 x 2 tex CO CO50/ PES88/ 156/94/2 PES50 SeeCell 12 Splot osnowa I - płótno płótno płótno płótno Splot osnowa II - ryps 2/2 (2) ryps 2/2 (2) ryps 2/2 (2) ryps 2/2 (2) Gęstość osnowy dm Gęstość wątku dm Wrobienie osnowy I % 5,12 3,32 1,85 5,05 Wrobienie osnowy II % 70,6 54,5 60,0 62,9 Wrobienie wątku % 13,7 13,0 15,9 10,3 25

3 Na podstawie tych trójkątów została wyznaczona powierzchnia ciągła danej próbki tkaniny (rys. 3). Rysunek 3. Przykładowy skan gofry tkackiej. Rysunek 2. Stanowisko pomiarowe zastosowane w badaniach. Przed przystąpieniem do badań głowica pomiarowa została skalibrowana i ustawiono następujące parametry pomiarów: częstotliwość skanowania 30Hz, liczba punktów pomiarowych przy jednym skanie 640pkt (19200 pkt/s), szerokość pola skanowania 70mm (odległość między punktami 0,1mm), prędkość skanowania około 10mm/s (odległość wzdłużna około 0,3mm). W celu uniknięcia błędów skanowania głowicę pomiarową trzymano w taki sposób, aby wiązka pomiarowa lasera była prostopadła do skanowanej tkaniny. Powierzchnię każdej z próbek zeskanowano cztery razy: dwa razy wzdłuż osnowy skanując z kierunku lewego oraz prawego, dwa razy wzdłuż wątku w kierunku z góry oraz z dołu. W sumie po zeskanowaniu dla każdej z próbek otrzymano chmurę liczącą około 250 do 300 tysięcy punktów. Następnie każdą chmurę punktów przekształcono w programie Geomagic w następujący sposób: Usunięto punkty najbardziej odstające od wartości średniej w danej populacji punktów (w otoczeniu o promieniu około 1mm).Wartość graniczną, dla której dany punkt był usunięty wyznaczono na 0,05mm. Z chmury punktów utworzono powierzchnię składającą się z trójkątów w taki sposób, aby każdy z punktów w danej chmurze miał nie mniej niż jeden wierzchołek (punkty skrajne) trójkąta i nie więcej niż 3 wierzchołki (punkty znajdujące się wewnątrz chmury). Następnie usunięto wystające wierzchołki trójkątów przesuwając je w głąb lub na zewnątrz tkaniny. Wartość przesunięcia nie przekraczała 0,05mm. Dla każdej tkaniny wykonano skan jej powierzchni, a następnie uzyskane skany poddano obróbce w programie SolidEdge ST7 w celu wyekstrahowania linii w kierunku osnowy i wątku, charakteryzujących topografię badanych tkanin. Dla każdej z pomierzonych próbek tkanin wycięto kwadrat o szerokości boku 50mm. Następnie utworzono linię równoległą do płaszczyzny, na której leżała próbka oraz do osnowy i leżącą po jednej stronie powierzchni próbki. Utworzoną linię zrzutowano na powierzchnię tkaniny (rys. 4). Dla tak utworzonego rzutu można zmierzyć poszczególne fragmenty zrzutowanej linii. Pomiary te odzwierciedlają parametry geometryczne tkaniny w miejscu cięcia (rys. 5). Rysunek 4. Przykładowy rzut linii na powierzchnię tkaniny. Rysunek 5. Linia odwzorowująca kształt krawędzi tkaniny w miejscu wirtualnego cięcia skanu gofry tkackiej. 26

4 W celu uniknięcia przypadkowości doboru położenia rzutowanej linii wygenerowano serię równoległych linii oddalonych od siebie o 1mm, w taki sposób, aby obejmowały one przynajmniej pełen raport gofrowania (rys. 6). Następnie utworzono kolejną serię linii równoległych oddalonych od siebie o 1mm i równoległych do wątku. W dalszej kolejności linie te zrzutowano na powierzchnię tkaniny. Rysunek 6. Seria linii utworzonych wzdłuż osnowy gofry tkackiej. Na podstawie otrzymanych linii wyznaczono następujące parametry: - maksymalna wysokość profilu (falistość) W z, - różnica pomiędzy maksymalną i minimalną wartością parametru W z dla poszczególnych linii w kierunku osnowy, - liczba linii równoległych do osnowy w obrębie raportu zgofrowania odpowiadających paskowi gładkiemu i paskowi wypukłemu (zgofrowanemu), - procentowy udział powierzchni zgofrowanej w całej powierzchni tkaniny. Maksymalna wysokość profilu (falistość) Wz stanowi różnicę pomiędzy najwyższym oraz najniższym wierzchołkiem w pięciu przedziałach, na które jest podzielony zakres pomiarowy. W omówionych badaniach każdą linię podzielono na 5 równych odcinków. Dla każdego odcinka wyznaczono parametr W z, a następnie obliczono średnią arytmetyczna z pięciu pomiarów (rys. 7). 3. Uzyskane wyniki Jako przykład na rysunku 8 przedstawiono wartości falistości W z dla wariantu 1. Jak widać, średnie wartości parametru W z są rożne dla różnych linii utworzonych w ramach raportu zgofrowania tkaniny. Wartość parametru W z mieści się w przedziale od 0,14 mm do 1,20 mm. Linie o wyższej wartości falistości W z odpowiadają paskowi zgofrowanemu. Są to linie od 8 do 13, przy czym linie 8 i 13 stanowią linie brzegowe paska zgofrowanego. Z kolei linie od 1 do 7 odpowiadają paskowi płaskiemu. Wartości parametru W z dla poszczególnych linii wyekstrahowanych wzdłuż osnowy w obrębie raportu zgofrowania wyraźnie odzwierciedlają efekt zgofrowania tkaniny. Uzyskane wyniki pomiarów wszystkich wariantów gofr tkackich za pomocą skanera 3D przedstawionow tabeli 2. Rysunek 7. Metoda pomiaru falistości wyekstrahowanych linii. 27

5 1,4 1,2 1,0 Wz mm 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Numer linii Rysunek 8. Wyniki pomiaru falistości W z dla linii równoległych do osnowy tkaniny 1. Tabela 2. Wyniki pomiarów gofr tkackich za pomocą laserowego skanera 3D. Parametr Jedn. Wartość Wariant 1 Wariant 2 Wariant 3 Wariant 4 Średnia falistość W z mm 0,472 0,435 0,396 0,559 Odchylenie standardowe średniej falistościw z mm 0,407 0,368 0,352 0,379 Różnica pomiędzy maksymalną i minimalną wartością parametru W z dla mm 1,08 0,97 0,87 0,91 poszczególnych linii w kierunku osnowy Liczba linii w kierunku osnowy w raporcie zgofrowania Liczba linii w kierunku osnowy odpowiadających paskowi zgofrowanemu Liczba linii w kierunku osnowy odpowiadających paskowi gładkiemu Procentowy udział powierzchni zgofrowanej w całej powierzchni tkaniny. % Rysunek 9. Wyznaczanie szerokości pasków w gofrze tkackiej. 28

6 Z uwagi na fakt, że linie tworzone były co 1 mm, liczba linii w raporcie odpowiada w przybliżeniu szerokości raportu w milimetrach. Tym samym na podstawie liczby linii odpowiadających paskowi gładkiemu i zgofrowanemu można wyznaczyć szerokość tych pasków (rys. 9), a tym samym ich udział w całkowitej powierzchni tkaniny. Z kolei różnica pomiędzy maksymalną i minimalną wartością parametru W z dla poszczególnych linii w kierunku osnowy odzwierciedla uwypuklenie pasków zgofrowanych w stosunku do płaskiej, podstawowej części tkaniny. Nie jest to jednak miara rzeczywistego uwypuklenia. Wartość tego wskaźnika może być użyta jedynie dla celów porównania różnych gofr tkackich. 4. Podsumowanie Uzyskane wyniki potwierdziły, że zaproponowana metoda z zastosowaniem przestrzennego skanowania laserowego umożliwia scharakteryzowanie topografii gofr tkackich i może być wykorzystana do oceny efektu zgofrowania tych tkanin. Jako miary efektu zgofrowania mogą być zastosowane następujące wskaźniki: maksymalna wysokość profilu (falistość) W z, różnica pomiędzy maksymalną i minimalną wartością parametru W z dla poszczególnych linii, liczba linii w obrębie raportu zgofrowania oraz procentowy udział powierzchni zgofrowanej w całej powierzchni tkaniny. 5. Bibliografia 1. Gandhi K., Woven Textiles Principles, Technologies and Applications, 1st ed., Woodhead Publishing, New Delhi, 2012, Maqsooda M., Nawaba Y., Javaida M.U., Shakera K.,Umaira M.,Development of seersucker fabrics using single warp beam and modelling of their stretch-recovery behavior, The Journal of The Textile Institute, DOI / Ashraf W., Nawab Y., Maqsood M., Khan H., Awais H., Ahmad S., Ashraf M., Ahmad S., Development of Seersucker Knitted Fabric for Better Comfort Properties and Aesthetic Appearance, Fibers and Polymers 2015 (16) 3, Willard D., The Fabric Selector, 1st ed., Search Press Ltd, 2011, Ghahraman F.G., TavanaiH., Hosseini S.A.,A qualitative assessment of seersucker effect through spectral density and angular powerspectrum function algorithms, The Journal of The Textile Institute 2010 (101) 3,