激光雕刻在汽车皮纹上的应用

杨燕燕，裘洲通，张 华

泛亚汽车技术中心有限公司（上海 201201）

1 引言

随着近年来国内汽车企业的发展，汽车市场竞争越来越激烈，汽车零件皮纹的设计越来越受到重视，但凡内饰可见塑件均要皮纹装饰，皮纹从安全、人机、美观、功能各方面对产品进行了很大的提升。皮纹一般具有以下优点：纹路美观、触感舒适、防滑、有特殊的识别效果、耐刮擦等，其中从安全上来讲，低光泽度能产生散射的效果，减少反光炫目[1～2]。

2 皮纹加工介绍

在皮纹的加工工艺中使用最多的就是传统腐蚀加工法，其加工方式流程如图1所示，整个过程需要手工制造完成，皮纹质量很大程度上取决于操作人员的熟练程度，在自动化趋势日渐明晰的制造行业略微显得格格不入[3～4]。且随着人们对汽车部件美观与感知的不断提高，为了获得更加有设计感及品质感的皮纹，使用传统的化学腐蚀加工方式已经很难满足设计师的要求。

图1 皮纹腐蚀加工法

近年来随着激光加工的快速发展，激光加工皮纹已逐渐在汽车部件上得到应用。使用激光加工方法可以得到更具有设计感，更能满足设计师需求的皮纹纹路质感，如图2所示，可以得到如钢丝网感知、缝线效果的皮纹效果、以及两种不同皮纹在一个零件上的均匀过渡。

激光雕刻是利用经聚焦的高功率密度激光束，依照电脑设计数码图案信息照射物件，激光能量在短时间内高度集中，使被照射材料迅速熔融、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而完成对被照射材料的非接触式高速自动雕刻、镂空的工艺过程。

图2 激光雕刻零件

激光加工的原理相对比较容易理解，是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，依靠光热效应来加工各种材料，其工艺过程如图3所示。使用激光能量使得材料在10s或更短的时间内急剧熔融、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而完成对被照射材料的非接触式高速自动雕刻、镂空的工艺过程[5～8]。

图3 激光加工原理示意图

3 皮纹的特性

3.1 纹路的光泽性

汽车内饰部件外观常有低光泽的要求，这是因为部件的低光泽表面能够有效降低光线的反射作用，减少光线对驾驶人员的视觉干扰。提高驾驶的安全性，特别是仪表板、内后视镜等区域，基本都有低光泽要求。由于审美/触感都是比较主观的评价，且本文结合汽车内外饰目前对零件以及皮纹的要求，主要侧重研究激光皮纹的光泽度和耐刮擦特性。

光泽度是指来自试样表面的正面反射光量与在相同条件下来自标准板表面的正面反射光量之百分比，主要用于对材料表面反射光的能力进行评价。光泽度除了与材料有很大的关联性外，与腐蚀或激光加工之后模具表面是否光顺是否、容易反射有很大的关系。

3.2 纹理相关试验性能

皮纹的试验性质，包括耐刮擦性、出模难易程度、耐脏性。这些特性和纹路表面的特征有很大的关系，其中耐刮擦性是纹理试验的一个重要性能指标。

耐刮擦性是指基材受到外力作用时，对外力的抵抗能力和形变吸收能力。而当这种抵抗能力小及这种形变吸收（产生塑性形变）不能恢复到原来状态时，基材表面就被破坏，产生划痕。

当然与材料也有密切的关系，但是也由于模具表面被刮擦处与未被刮擦处的光泽度差异，即刮擦前后的光泽度差值L值，L值越小说明其耐刮擦性能越好。被刮擦处的周围的光泽度越低，那么反差越大，越容易被看出被刮擦处的伤痕。

4 纹路优化设计

4.1 低光泽度

为了满足低光泽度的需求，必须要抑制零件的正反射，增加漫反射（见图4），皮纹面越复杂越好。

图4 两种反射现象

4.2 耐刮擦性

其次，作为提高耐伤性能的方法，在皮纹上密切地附加凸形状。由此，表面阻力增加，发生粘滑现象，成为局部性的受伤方式（见图5），通常的受伤方式，是由于大范围地削减产生正反射区域。不过，如果是局部的受伤的方式，就能得到正反射区域变小而看不到伤痕的效果（见图6），从以上内容来看，作为使低光泽度和耐伤性并存的方法，可考虑在皮革上赋予凸形状。

图5 两种平面的粘滑现象造成的损伤

图6 凸形状疏密对表面损伤的影响

凸形状皮纹既可以降低光泽度，同时还能提高耐刮擦性能，一般来说，要同时获得这两种特性是比较困难的，所以说在皮纹上赋予其比较精细的凸形状是比较合理的方式方法。

为了既提高耐刮擦性又提高低光泽度，需要在皮纹表面上添加凸形状，如图7所示。从上述的例子看，传统的蚀刻因为以下理由很能做到：①需要很高的工艺技术；②在每个部位施加不同的凸形状是不可能的；③褶皱凹陷处的细微形状不可能加工。

但是如果是激光皮纹的话，以下需求都能实现：①花纹的样式制备；②比起机械加工，通过激光加工的细微结构能够既保证低的光泽度，又能获得更好的耐刮擦性能。基于以上所述，低光泽度和高耐擦性的真实感皮纹能够被开发出来。光泽度和耐刮擦性指数如图8所示。

图7 传统皮革皮纹和真实感皮纹

图8 光泽度和耐刮擦性指数

5 皮纹与激光雕刻

激光是20世纪人类的一项重大发明。与普通光源相比，激光具有亮度高、方向性好、单色性好、相干性好的特点，广泛的应用在各行各业[9]。目前激光应用主要有材料加工、通信、数据储存等9个主要类别，一些发达国家已经将激光加工取代传统加工，进入“光加工”时代[10]。

激光加工是激光作用于被加工物体使被加工物体产生物理或者化学过程的方法。较为常用的激光加工有激光热处理、激光焊接、激光切割、激光打标、激光打孔、激光快速成型等[11]。激光加工相比于传统的加工方法，具有以下优点[12]：

（1）高能量密度可实现高生产率，经济效益好。

（2）非接触式加工，无“刀具”磨损，减小加工应力。

（3）激光束易于导向，可以实现数字控制，自动化生产。

（4）光斑小，加工速度快，热影响区域小。

（5）加工对象广，适用金属及非金属材料，高硬度，高脆性，高熔点材料。

（6）聚集光斑可至微米级，作用时间可以纳秒和皮秒，实现精细加工。

因此，可以将激光雕刻应用于塑料模具型腔皮纹雕刻，激光雕刻可以进行表面材料的雕刻和内部材料的雕刻。内部材料的雕刻指的是激光内雕技术，玻璃的内雕就是用激光聚焦在玻璃内部使内部的玻璃产生破坏而形成特定的形状的技术，通过特定的工艺甚至可以进行玻璃着色内雕[13]。更多的情况是利用激光的对非透明材料表面材料的去除，金属材料的雕刻是激光雕刻应用最多的领域，金属的激光雕刻应用的是激光的热效应将金属表面的材料去除的加工方法。目前，激光雕刻技术主要用于在产品表面标刻标识或记号，可以取代原本的印刷或钢印等的使用。王苏安，何卫平等利用了激光在刀具上标刻了二维条码，实现了刀具信息追踪[14]。孙攀峰在2004年研究了在香烟[15]、啤酒等产品标刻生产日期、防伪码的流水线飞行标刻系统，利用飞行标刻技术可以实现流水线标刻作业，标刻效率大大提高。

激光雕刻最初为掩膜式雕刻，激光透过掩膜板雕刻特定形状，但此种雕刻方式灵活性差，当更换雕刻形状时需要重新制作掩膜板[16]。而目前更为常用的激光雕刻为振镜扫描式雕刻，如图9所示，激光器发射的激光通过振镜实现X、Y两个方向的扫描，最后经过F-thea场镜聚焦于标刻平面[17]。振镜扫描激光雕刻可以进行文字、矢量图、位图的雕刻，扫描速度快，因而雕刻效率高。由计算机控制振镜的扫描可以扫描不同形状，使用非常灵活。目前针对振镜描激光雕刻的算法及控制硬件有许多的研究JP Wang等以Nd:YAG激光器标刻为例分析了基于计算机的振镜控制系统原理[18]，并描述了基于格子扫描法和矢量扫描法的图形处理方法。PengL Y、WangX y等分析了振镜扫描电机的扫描误差原因并提出了基于最小二乘法的曲线拟合法来校正扫描误差[19]。张和平、邓彬伟使用16位单片机进行了振镜式激光标刻控制器的研发，唐玉俊设计了基于DSP处理器的振镜式激光标刻控制器[20～21]，但目前的振镜式激光雕刻只能用于平面的雕刻，不能胜任曲面的雕刻，并且由于受到场镜尺寸的限制，雕刻的范围有限。激光E维雅刻能够实现曲面的标刻，应用范围更加广泛。针对三维唯刻的软件或控制硬件设计有不少研究，如ZhaoYL，Yang YH等开发了基于USB总线的三维激光雕刻系统[22]，Zhao YL，YuanZJ进行了基于ATmega128的激光三维雕刻控制系统硬件设计与软件编程[23]。图10、图11、图12为激光雕刻模具时的基本原理和示意。图13为完成皮纹激光雕刻后的模具注塑所得的样件。

图9 振镜扫描系统示意图

图11 平面填充雕刻

图12 分层雕刻

图13 成型塑料板和零件

具体的激光雕刻步骤如下：

（1）在3D建模软件中里建好模型后，导入至Rhino3D NURBS三维标刻标软件。

（2）利用标刻软件的3D曲面分层功能将纹理划分成随机的小块。

（3）通过+GF+开发的软件laser design将设计好后的二维层面纹理粘贴到零件上，在曲面上不断调整纹理分布，以达到最佳效果。

（4）设置雕刻时激光功率、脉冲频率、打描速度等参数。

（5）移动z轴调整激光焦点位置至雕刻平面。

（6）进行连续雕刻，对雕刻好的腔测量雕刻深度。

（7）模具雕刻完成后，送往注塑厂注射成型。

6 应用

皮纹光泽度及耐刮擦皮纹装饰有以下几个功能：①可以遮盖塑件表面的抛光不均匀、轻微划伤、缩印等缺陷；②通过皮纹装饰，使塑件表面有包覆皮革的效果，提升内饰的档次。皮纹表面的凸凹纹理可以降低塑件表面的光泽度，提升感知度；③增强塑件表面耐刮擦性。图14为两个整车开发项目中的激光皮纹零件，其淡雅的光泽度赋予了一定程度的高档豪华感，同时也掩盖了注射成型缺陷提升了产品外观感知。

图14 项目实车零件

7 结语

随着汽车产业的竞争日益激烈，消费者对内饰设计的感知要求越来越高，皮纹件的美观，功能等方面越发地受到重视。为了保证行车安全，以及增强豪华感，皮纹通常需要获得漫反射界面从而散射光线减少炫目感；另一方面，皮纹表面的耐刮擦性能也尤为重要，为了满足以上两种要求，零件皮纹必须为微妙的凸形状。本文介绍的激光加工模具，是获得此类皮纹较为有效的方法，同时本文介绍了激光雕刻的基本原理以及在项目实际操作中的注意事项，并且以实际整车项目开发零件为典型案例，对激光雕刻皮纹有了进一步的阐述。