激光雕刻在汽車皮紋上的應(yīng)用

楊燕燕，裘洲通，張 華

泛亞汽車技術(shù)中心有限公司（上海 201201）

1 引言

隨著近年來國內(nèi)汽車企業(yè)的發(fā)展，汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，汽車零件皮紋的設(shè)計(jì)越來越受到重視，但凡內(nèi)飾可見塑件均要皮紋裝飾，皮紋從安全、人機(jī)、美觀、功能各方面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了很大的提升。皮紋一般具有以下優(yōu)點(diǎn)：紋路美觀、觸感舒適、防滑、有特殊的識(shí)別效果、耐刮擦等，其中從安全上來講，低光澤度能產(chǎn)生散射的效果，減少反光炫目[1～2]。

2 皮紋加工介紹

在皮紋的加工工藝中使用最多的就是傳統(tǒng)腐蝕加工法，其加工方式流程如圖1所示，整個(gè)過程需要手工制造完成，皮紋質(zhì)量很大程度上取決于操作人員的熟練程度，在自動(dòng)化趨勢(shì)日漸明晰的制造行業(yè)略微顯得格格不入[3～4]。且隨著人們對(duì)汽車部件美觀與感知的不斷提高，為了獲得更加有設(shè)計(jì)感及品質(zhì)感的皮紋，使用傳統(tǒng)的化學(xué)腐蝕加工方式已經(jīng)很難滿足設(shè)計(jì)師的要求。

圖1 皮紋腐蝕加工法

近年來隨著激光加工的快速發(fā)展，激光加工皮紋已逐漸在汽車部件上得到應(yīng)用。使用激光加工方法可以得到更具有設(shè)計(jì)感，更能滿足設(shè)計(jì)師需求的皮紋紋路質(zhì)感，如圖2所示，可以得到如鋼絲網(wǎng)感知、縫線效果的皮紋效果、以及兩種不同皮紋在一個(gè)零件上的均勻過渡。

激光雕刻是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束，依照電腦設(shè)計(jì)數(shù)碼圖案信息照射物件，激光能量在短時(shí)間內(nèi)高度集中，使被照射材料迅速熔融、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而完成對(duì)被照射材料的非接觸式高速自動(dòng)雕刻、鏤空的工藝過程。

圖2 激光雕刻零件

激光加工的原理相對(duì)比較容易理解，是利用光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點(diǎn)上達(dá)到很高的能量密度，依靠光熱效應(yīng)來加工各種材料，其工藝過程如圖3所示。使用激光能量使得材料在10s或更短的時(shí)間內(nèi)急劇熔融、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而完成對(duì)被照射材料的非接觸式高速自動(dòng)雕刻、鏤空的工藝過程[5～8]。

圖3 激光加工原理示意圖

3 皮紋的特性

3.1 紋路的光澤性

汽車內(nèi)飾部件外觀常有低光澤的要求，這是因?yàn)椴考牡凸鉂杀砻婺軌蛴行Ы档凸饩€的反射作用，減少光線對(duì)駕駛?cè)藛T的視覺干擾。提高駕駛的安全性，特別是儀表板、內(nèi)后視鏡等區(qū)域，基本都有低光澤要求。由于審美/觸感都是比較主觀的評(píng)價(jià)，且本文結(jié)合汽車內(nèi)外飾目前對(duì)零件以及皮紋的要求，主要側(cè)重研究激光皮紋的光澤度和耐刮擦特性。

光澤度是指來自試樣表面的正面反射光量與在相同條件下來自標(biāo)準(zhǔn)板表面的正面反射光量之百分比，主要用于對(duì)材料表面反射光的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。光澤度除了與材料有很大的關(guān)聯(lián)性外，與腐蝕或激光加工之后模具表面是否光順是否、容易反射有很大的關(guān)系。

3.2 紋理相關(guān)試驗(yàn)性能

皮紋的試驗(yàn)性質(zhì)，包括耐刮擦性、出模難易程度、耐臟性。這些特性和紋路表面的特征有很大的關(guān)系，其中耐刮擦性是紋理試驗(yàn)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。

耐刮擦性是指基材受到外力作用時(shí)，對(duì)外力的抵抗能力和形變吸收能力。而當(dāng)這種抵抗能力小及這種形變吸收（產(chǎn)生塑性形變）不能恢復(fù)到原來狀態(tài)時(shí)，基材表面就被破壞，產(chǎn)生劃痕。

當(dāng)然與材料也有密切的關(guān)系，但是也由于模具表面被刮擦處與未被刮擦處的光澤度差異，即刮擦前后的光澤度差值L值，L值越小說明其耐刮擦性能越好。被刮擦處的周圍的光澤度越低，那么反差越大，越容易被看出被刮擦處的傷痕。

4 紋路優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 低光澤度

為了滿足低光澤度的需求，必須要抑制零件的正反射，增加漫反射（見圖4），皮紋面越復(fù)雜越好。

圖4 兩種反射現(xiàn)象

4.2 耐刮擦性

其次，作為提高耐傷性能的方法，在皮紋上密切地附加凸形狀。由此，表面阻力增加，發(fā)生粘滑現(xiàn)象，成為局部性的受傷方式（見圖5），通常的受傷方式，是由于大范圍地削減產(chǎn)生正反射區(qū)域。不過，如果是局部的受傷的方式，就能得到正反射區(qū)域變小而看不到傷痕的效果（見圖6），從以上內(nèi)容來看，作為使低光澤度和耐傷性并存的方法，可考慮在皮革上賦予凸形狀。

圖5 兩種平面的粘滑現(xiàn)象造成的損傷

圖6 凸形狀疏密對(duì)表面損傷的影響

凸形狀皮紋既可以降低光澤度，同時(shí)還能提高耐刮擦性能，一般來說，要同時(shí)獲得這兩種特性是比較困難的，所以說在皮紋上賦予其比較精細(xì)的凸形狀是比較合理的方式方法。

為了既提高耐刮擦性又提高低光澤度，需要在皮紋表面上添加凸形狀，如圖7所示。從上述的例子看，傳統(tǒng)的蝕刻因?yàn)橐韵吕碛珊苣茏龅剑孩傩枰芨叩墓に嚰夹g(shù)；②在每個(gè)部位施加不同的凸形狀是不可能的；③褶皺凹陷處的細(xì)微形狀不可能加工。

但是如果是激光皮紋的話，以下需求都能實(shí)現(xiàn)：①花紋的樣式制備；②比起機(jī)械加工，通過激光加工的細(xì)微結(jié)構(gòu)能夠既保證低的光澤度，又能獲得更好的耐刮擦性能?；谝陨纤?，低光澤度和高耐擦性的真實(shí)感皮紋能夠被開發(fā)出來。光澤度和耐刮擦性指數(shù)如圖8所示。

圖7 傳統(tǒng)皮革皮紋和真實(shí)感皮紋

圖8 光澤度和耐刮擦性指數(shù)

5 皮紋與激光雕刻

激光是20世紀(jì)人類的一項(xiàng)重大發(fā)明。與普通光源相比，激光具有亮度高、方向性好、單色性好、相干性好的特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用在各行各業(yè)[9]。目前激光應(yīng)用主要有材料加工、通信、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等9個(gè)主要類別，一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將激光加工取代傳統(tǒng)加工，進(jìn)入“光加工”時(shí)代[10]。

激光加工是激光作用于被加工物體使被加工物體產(chǎn)生物理或者化學(xué)過程的方法。較為常用的激光加工有激光熱處理、激光焊接、激光切割、激光打標(biāo)、激光打孔、激光快速成型等[11]。激光加工相比于傳統(tǒng)的加工方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)[12]：

（1）高能量密度可實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率，經(jīng)濟(jì)效益好。

（2）非接觸式加工，無“刀具”磨損，減小加工應(yīng)力。

（3）激光束易于導(dǎo)向，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，自動(dòng)化生產(chǎn)。

（4）光斑小，加工速度快，熱影響區(qū)域小。

（5）加工對(duì)象廣，適用金屬及非金屬材料，高硬度，高脆性，高熔點(diǎn)材料。

（6）聚集光斑可至微米級(jí)，作用時(shí)間可以納秒和皮秒，實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工。

因此，可以將激光雕刻應(yīng)用于塑料模具型腔皮紋雕刻，激光雕刻可以進(jìn)行表面材料的雕刻和內(nèi)部材料的雕刻。內(nèi)部材料的雕刻指的是激光內(nèi)雕技術(shù)，玻璃的內(nèi)雕就是用激光聚焦在玻璃內(nèi)部使內(nèi)部的玻璃產(chǎn)生破壞而形成特定的形狀的技術(shù)，通過特定的工藝甚至可以進(jìn)行玻璃著色內(nèi)雕[13]。更多的情況是利用激光的對(duì)非透明材料表面材料的去除，金屬材料的雕刻是激光雕刻應(yīng)用最多的領(lǐng)域，金屬的激光雕刻應(yīng)用的是激光的熱效應(yīng)將金屬表面的材料去除的加工方法。目前，激光雕刻技術(shù)主要用于在產(chǎn)品表面標(biāo)刻標(biāo)識(shí)或記號(hào)，可以取代原本的印刷或鋼印等的使用。王蘇安，何衛(wèi)平等利用了激光在刀具上標(biāo)刻了二維條碼，實(shí)現(xiàn)了刀具信息追蹤[14]。孫攀峰在2004年研究了在香煙[15]、啤酒等產(chǎn)品標(biāo)刻生產(chǎn)日期、防偽碼的流水線飛行標(biāo)刻系統(tǒng)，利用飛行標(biāo)刻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)流水線標(biāo)刻作業(yè)，標(biāo)刻效率大大提高。

激光雕刻最初為掩膜式雕刻，激光透過掩膜板雕刻特定形狀，但此種雕刻方式靈活性差，當(dāng)更換雕刻形狀時(shí)需要重新制作掩膜板[16]。而目前更為常用的激光雕刻為振鏡掃描式雕刻，如圖9所示，激光器發(fā)射的激光通過振鏡實(shí)現(xiàn)X、Y兩個(gè)方向的掃描，最后經(jīng)過F-thea場(chǎng)鏡聚焦于標(biāo)刻平面[17]。振鏡掃描激光雕刻可以進(jìn)行文字、矢量圖、位圖的雕刻，掃描速度快，因而雕刻效率高。由計(jì)算機(jī)控制振鏡的掃描可以掃描不同形狀，使用非常靈活。目前針對(duì)振鏡描激光雕刻的算法及控制硬件有許多的研究JP Wang等以Nd:YAG激光器標(biāo)刻為例分析了基于計(jì)算機(jī)的振鏡控制系統(tǒng)原理[18]，并描述了基于格子掃描法和矢量掃描法的圖形處理方法。PengL Y、WangX y等分析了振鏡掃描電機(jī)的掃描誤差原因并提出了基于最小二乘法的曲線擬合法來校正掃描誤差[19]。張和平、鄧彬偉使用16位單片機(jī)進(jìn)行了振鏡式激光標(biāo)刻控制器的研發(fā)，唐玉俊設(shè)計(jì)了基于DSP處理器的振鏡式激光標(biāo)刻控制器[20～21]，但目前的振鏡式激光雕刻只能用于平面的雕刻，不能勝任曲面的雕刻，并且由于受到場(chǎng)鏡尺寸的限制，雕刻的范圍有限。激光E維雅刻能夠?qū)崿F(xiàn)曲面的標(biāo)刻，應(yīng)用范圍更加廣泛。針對(duì)三維唯刻的軟件或控制硬件設(shè)計(jì)有不少研究，如ZhaoYL，Yang YH等開發(fā)了基于USB總線的三維激光雕刻系統(tǒng)[22]，Zhao YL，YuanZJ進(jìn)行了基于ATmega128的激光三維雕刻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與軟件編程[23]。圖10、圖11、圖12為激光雕刻模具時(shí)的基本原理和示意。圖13為完成皮紋激光雕刻后的模具注塑所得的樣件。

圖9 振鏡掃描系統(tǒng)示意圖

圖11 平面填充雕刻

圖12 分層雕刻

圖13 成型塑料板和零件

具體的激光雕刻步驟如下：

（1）在3D建模軟件中里建好模型后，導(dǎo)入至Rhino3D NURBS三維標(biāo)刻標(biāo)軟件。

（2）利用標(biāo)刻軟件的3D曲面分層功能將紋理劃分成隨機(jī)的小塊。

（3）通過+GF+開發(fā)的軟件laser design將設(shè)計(jì)好后的二維層面紋理粘貼到零件上，在曲面上不斷調(diào)整紋理分布，以達(dá)到最佳效果。

（4）設(shè)置雕刻時(shí)激光功率、脈沖頻率、打描速度等參數(shù)。

（5）移動(dòng)z軸調(diào)整激光焦點(diǎn)位置至雕刻平面。

（6）進(jìn)行連續(xù)雕刻，對(duì)雕刻好的腔測(cè)量雕刻深度。

（7）模具雕刻完成后，送往注塑廠注射成型。

6 應(yīng)用

皮紋光澤度及耐刮擦皮紋裝飾有以下幾個(gè)功能：①可以遮蓋塑件表面的拋光不均勻、輕微劃傷、縮印等缺陷；②通過皮紋裝飾，使塑件表面有包覆皮革的效果，提升內(nèi)飾的檔次。皮紋表面的凸凹紋理可以降低塑件表面的光澤度，提升感知度；③增強(qiáng)塑件表面耐刮擦性。圖14為兩個(gè)整車開發(fā)項(xiàng)目中的激光皮紋零件，其淡雅的光澤度賦予了一定程度的高檔豪華感，同時(shí)也掩蓋了注射成型缺陷提升了產(chǎn)品外觀感知。

圖14 項(xiàng)目實(shí)車零件

7 結(jié)語

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，消費(fèi)者對(duì)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的感知要求越來越高，皮紋件的美觀，功能等方面越發(fā)地受到重視。為了保證行車安全，以及增強(qiáng)豪華感，皮紋通常需要獲得漫反射界面從而散射光線減少炫目感；另一方面，皮紋表面的耐刮擦性能也尤為重要，為了滿足以上兩種要求，零件皮紋必須為微妙的凸形狀。本文介紹的激光加工模具，是獲得此類皮紋較為有效的方法，同時(shí)本文介紹了激光雕刻的基本原理以及在項(xiàng)目實(shí)際操作中的注意事項(xiàng)，并且以實(shí)際整車項(xiàng)目開發(fā)零件為典型案例，對(duì)激光雕刻皮紋有了進(jìn)一步的闡述。