基于SLS的鋁合金表面激光雕刻工藝研究

胡小萍，彭華領，李新義，藍培鴻，夏榮坤

（佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，佛山 528000）

0 前言

快速成型技術[1-2]（Rapid Prototyping）是一種產生于20世紀80年代后期的全新制造技術，它匯集了計算機科學、CAD/CAM、數(shù)控技術、激光加工技術、精密伺服驅動和材料科學等諸多工程領域的先進成果[3]，一經出現(xiàn)便得到了迅速發(fā)展并具有廣泛的應用前景[4-5]。選擇性激光燒結[6-7]（Selective Laser Sintering，簡稱SLS）是快速成型技術中比較成熟的一種工藝方法，它采用激光有選擇地燒結固體粉末并使其成型為所需形狀的零件，能夠成功解決傳統(tǒng)加工方法中復雜零件快速制造難的問題，并自動、快速、準確地將設計轉化為一定功能的產品，在現(xiàn)代制造業(yè)中受到越來越廣泛的重視[8]。

目前，全鋁家居正在引起家居制造領域劃時代的變革。相比于木質家居顏色單一、不易拆卸、怕火怕潮、易腐蝕以及木質資源的日益緊張等不足，全鋁家居有著時尚美觀、加工精簡、防火防水且能無限次循環(huán)使用的優(yōu)點[9]。然而國內鋁型材表面木紋等處理技術仍存在著圖案相對抽象、立體凹凸感不佳、自動化生產程度低等局限[10]。因此，依靠SLS激光雕刻技術來制備圖案逼真、立體凹凸感強烈的鋁型材產品并實現(xiàn)自動化快速生產無疑具有巨大的優(yōu)勢和廣闊的市場前景。

1 激光雕刻技術的總體設計

該技術主要采用工藝較為成熟的CO2激光器[11]。將激光器輸出的激光束耦合到光纖中進行傳輸，光纖輸出的激光束經準直系統(tǒng)準直后入射到掃描振鏡的反射鏡上，反射的激光束經F-Theta鏡在焦平面上形成聚焦的光斑，從而實現(xiàn)光束的掃描[12]。控制器控制掃描振鏡周期性轉動固定的角度，F(xiàn)-Theta鏡將振鏡轉角變成線位移。

1.1 激光雕刻原理

將樣品放置在電動平移臺上，通過調整樣品表面與F-Theta鏡間的距離來實現(xiàn)聚焦。掃描過程中系統(tǒng)自動變換線光束的大小，并依據(jù)設計好的CAD圖形進行重現(xiàn)性雕刻，激光雕刻原理見圖1所示。

圖1 激光雕刻原理圖

1.2 激光雕刻參數(shù)

激光雕刻參數(shù)如表1所示。

表1 激光雕刻參數(shù)

2 工藝流程

2.1 浮雕氧化

浮雕氧化工藝流程為：鋁合金坯料→保護膜（氧化電泳）→激光雕刻→刻蝕→脫膜→水洗→堿蝕→水洗→中和→水洗→陽極氧化→水洗→電解著色→水洗→燙洗→電泳→液切→固化。

2.2 浮雕噴涂/熱轉印

該工藝流程主要包括以下步驟：鋁合金坯料→保護膜（氧化電泳）→激光雕刻→刻蝕→脫膜→水洗→除油→水洗→鈍化→水洗→烘干→粉末噴涂→木紋熱轉印。

2.3 保護膜

鋁合金坯料經除油、水洗等前處理后再進行陽極氧化和丙烯酸電泳處理，并將所形成的厚度為5～10 μm的氧化電泳復合膜作為激光雕刻前的保護膜。氧化膜主要起到兩個作用：一方面為鋁合金基體提供鈍化界面，避免脫膜處理時產生過腐蝕發(fā)黑，影響表面色澤；另一方面，因為氧化膜具有更好的硬度，確保搬運過程中輕微的刮傷、擦花不影響刻蝕脫膜后的型材表面質量。

2.4 刻蝕

2.4.1 刻蝕工藝

將激光雕刻后的鋁型材置于氫氧化鈉刻蝕溶液中進行刻蝕處理，刻蝕工藝參數(shù)見表2。在刻蝕過程中，可依據(jù)鋁合金型材壁厚、刻蝕所需深度對刻蝕液濃度、刻蝕時間進行適當?shù)恼{整，既避免因型材壁厚較薄導致的局部刻蝕穿孔，同時又滿足適當刻蝕深度產生的凹凸感?？涛g液溫度需要嚴格控制，過高容易引起氧化電泳保護膜的腐蝕脫落，導致非雕刻部位腐蝕進而嚴重影響型材表面雕刻的圖案紋路。

表2 刻蝕工藝參數(shù)

2.4.2 刻蝕失重

為檢測刻蝕后鋁合金型材的失重（鋁損），需進行刻蝕失重試驗并計算失重率η（η=（Δm/M）×100%），試驗數(shù)據(jù)見表3。其中1～6號試樣的刻蝕時間為5 min，平均失重率為0.9577%（鋁損約9.6 kg/t）；7～12號試樣的刻蝕時間為10 min，平均失重率為1.3597%（鋁損約13.6 kg/t）；13～18號試樣的刻蝕時間為15 min，平均失重率為1.8537%（鋁損約18.5 kg/t）。因此可見，該刻蝕工藝有著很低的失重率，鋁損可控制在10～20 kg/t，遠低于行業(yè)平均水準。這不僅使得鋁合金成品重量得到保證，同時降低了刻蝕廢液處理及鋁回收的成本，具有極佳的經濟效益。

表3 刻蝕失重試驗數(shù)據(jù)

2.4.3 刻蝕深度

選取刻蝕后的型材試樣進行鋸切，之后依次使用600#、1 000#砂紙對其進行打磨，經洗凈吹干后，在顯微鏡下觀察并測量其橫截面處的刻蝕深度，結果見圖2。由圖2可知，激光雕刻部位經化學腐蝕后，其蝕刻深度約100～400 μm，呈現(xiàn)深淺不一的特點，這與激光雕刻過程中線光束的分布密度以及化學刻蝕時間等因素有關，可根據(jù)鋁合金型材壁厚對蝕刻深度加以調整控制；對壁厚在1.4 mm以內的型材，其刻蝕深度在100～250 μm為宜，以免局部刻蝕不均勻產生刻蝕穿孔；對壁厚超過1.4 mm的型材，可根據(jù)需要將刻蝕深度控制在250～400 μm之間，以確保噴涂后表面仍保留強烈的凹凸感。

圖2 激光雕刻后的不同腐蝕深度

2.5 脫膜（電泳膜）

將化學刻蝕后具有一定刻蝕深度和凹凸感的鋁合金型材置于高濃度的硫酸溶液中進行脫膜處理，脫去其表面的氧化電泳保護膜層，為后續(xù)的陽極氧化、電解著色、粉末噴涂等表面處理工序提供裸露清潔的鋁合金表面。

2.6 陽極氧化

對經脫膜后的鋁合金試樣進行硫酸陽極氧化處理，待洗凈吹干后使用SEM觀察氧化膜的表面微觀形貌（見圖3）。圖3中凸起部位為非雕刻處的氧化膜形貌，其邊緣呈現(xiàn)腐蝕后不規(guī)則的形貌，這是因刻蝕過程中局部反應速率的差異而產生的。此外，刻蝕部位與非刻蝕部位有著基本一致的氧化膜形貌，表明刻蝕部位與非刻蝕部位經陽極氧化后有著基本一致的耐腐蝕性能。

圖3 陽極氧化后表面微觀形貌

3 激光雕刻效果

經激光雕刻、刻蝕、脫膜等處理后的鋁合金型材可進行陽極氧化、電解著色、噴粉/漆等不同類型的表面處理，此外，不同的圖案紋路可根據(jù)激光雕刻圖紙進行設計調整。經陽極氧化、電解著色以及噴粉/漆等表面處理后，型材表面可擁有白色、香檳色、黃金色、鈦金色、紫金色、棕黃色、古銅色、黑色以及轉印木紋等豐富的顏色選擇，如圖4所示。產品具有圖案豐富多樣、紋理清晰、效果逼真的裝飾特點。

圖4 激光雕刻試樣正面圖

4 技術特點

與傳統(tǒng)的制造方法相比，基于SLS的激光雕刻工藝具有以下技術特點：

（1）激光雕刻過程與鋁合金產品尺寸、形狀等復雜程度無關，且全程自動化，能夠實現(xiàn)產品表面的自由雕刻。

（2）生產周期短，可以靈活地改變設計方案，實現(xiàn)柔性生產。

（3）激光雕刻機設備較昂貴，但能夠長期穩(wěn)定使用，運行成本低。

（4）鋁合金產品刻蝕失重小，鋁損低，極大降低了鋁合金型材尺寸減薄后產生的裝配不良的風險。

（5）制備的鋁合金產品具有雕刻圖案豐富多樣、立體感強烈、效果逼真等極為優(yōu)異的裝飾特點，市場前景十分廣闊。

5 結束語

基于SLS的激光雕刻工藝通過引入激光燒結，將激光雕刻與常規(guī)表面處理相結合，突破了現(xiàn)有技術的瓶頸，制備出的鋁合金產品圖案逼真、立體感強，極大豐富了全鋁家居產品表面圖樣的類型。

（1）坯料經陽極氧化電泳處理后可提供厚度達5～10 μm的復合保護膜，不僅完美解決了鋁型材易刮傷問題，而且還保證刻蝕有明顯凹凸感。

（2）引入刻蝕工藝，在30～40℃下于60～100%NaoH中刻蝕10～15 min后，在保護基材的同時也能達到最佳的刻蝕深度。當刻蝕深度達100～400 μm時，鋁合金表面的圖案呈現(xiàn)出立體感。

（3）與現(xiàn)有表面處理技術相融合，提供了不同色彩及性能的組合，滿足當前人們對裝飾性鋁材日益高端的需求。

由此可見，基于SLS的鋁合金表面激光雕刻工藝具有巨大的技術優(yōu)勢和廣闊的市場前景。目前有待解決的是激光制造成本高的問題。該問題的有效解決有助于促進激光雕刻工藝，使其能更好地向著效率高、消耗低、性能好、智能化、成本低的方向發(fā)展，徹底改變設備依靠進口的現(xiàn)狀。