激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)在汽車(chē)內(nèi)飾立體幾何紋開(kāi)發(fā)中的研究

摘要：汽車(chē)內(nèi)飾立體幾何紋開(kāi)發(fā)中，采用傳統(tǒng)化學(xué)腐蝕工藝時(shí)存在紋理錯(cuò)位、扭曲、拼接線外觀不良的問(wèn)題，采用激光鐳雕模具鋼加工皮紋時(shí)存在加工成本高、周期長(zhǎng)的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，研究了一種激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)，創(chuàng)新性地將傳統(tǒng)化學(xué)蝕刻工藝與激光鐳雕紋理科技相結(jié)合，并提出了改進(jìn)措施。生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，新方法能徹底解決上述問(wèn)題，并能為汽車(chē)內(nèi)飾后續(xù)的品質(zhì)提升可靠的工藝技術(shù)。

關(guān)鍵詞：激光；蝕紋；汽車(chē)內(nèi)飾；立體幾何紋

中圖分類(lèi)號(hào)：U461" 收稿日期：2024-12-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502023

1 前言

隨著汽車(chē)行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車(chē)內(nèi)部裝飾件已經(jīng)逐漸成為開(kāi)發(fā)的新目標(biāo)、新賣(mài)點(diǎn)。汽車(chē)內(nèi)外飾件的皮紋作為影響汽車(chē)內(nèi)外飾風(fēng)格的重要因素之一，涉及到美學(xué)、觸感以及安全性，不僅可以提高舒適度和美觀性，還可提升內(nèi)外飾件的品質(zhì)和價(jià)值，顯示其參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要作用，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及質(zhì)量管控方面都有重要影響。隨著汽車(chē)市場(chǎng)消費(fèi)升級(jí)，用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)、外觀的需求有了較大的提升，對(duì)車(chē)輛內(nèi)飾表面精致感提出了更高要求。傳統(tǒng)的化學(xué)腐蝕工藝特別是產(chǎn)品圓弧過(guò)渡較深的R角區(qū)域存在紋理錯(cuò)位、扭曲、拼接線，影響感官品質(zhì)；如果采用激光鐳雕模具鋼加工皮紋，則存在加工成本高、周期長(zhǎng)的局限性。

基于以上問(wèn)題，本文論述了一種激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)，所開(kāi)發(fā)的立體幾何紋理無(wú)拼接線、無(wú)扭曲、無(wú)紋理錯(cuò)位，感官品質(zhì)達(dá)到激光鐳雕模具鋼紋理品質(zhì)。

2 汽車(chē)內(nèi)外飾表面紋理分類(lèi)

按紋理深度劃分，汽車(chē)內(nèi)外飾皮紋可分為粗皮紋、細(xì)皮紋及立體幾何紋。

粗皮紋是真實(shí)世界已有皮紋仿真演化而來(lái)的，紋路接近真實(shí)紋理，有層次感，可以提高整車(chē)內(nèi)飾檔次，一般紋理深度為80～150 μm，用作汽車(chē)內(nèi)飾的主皮紋，有很強(qiáng)的整體協(xié)調(diào)感。

細(xì)皮紋是一種精致細(xì)膩的紋路，加工工藝也很多，主要有火花紋、蠕蟲(chóng)紋等。細(xì)皮紋一般是單層次皮紋，紋理深度為0～80 μm，可單獨(dú)局部裝飾，也可和多種其他紋路進(jìn)行搭配。

立體幾何皮紋是呈現(xiàn)幾何規(guī)則的紋理，在汽車(chē)上主要體現(xiàn)科技、力量、潮流等概念，一般紋理深度為80～150 μm，有極強(qiáng)的方向性及規(guī)則性，如大面積使用，則會(huì)顯著提高其加工難度，價(jià)格也較高。

3 汽車(chē)內(nèi)飾傳統(tǒng)立體幾何紋加工工藝及局限性

汽車(chē)內(nèi)飾傳統(tǒng)立體幾何紋加工工藝，主要分為化學(xué)腐蝕和激光鐳雕加工兩種技術(shù)，但均存在各自的局限性。

31 化學(xué)腐蝕加工工藝及其局限性

傳統(tǒng)的化學(xué)腐蝕皮紋加工工藝是利用化學(xué)藥水對(duì)模具零件表面進(jìn)行部分溶解蝕刻形成紋理的，加工過(guò)程主要依賴(lài)技術(shù)工人的經(jīng)驗(yàn)，并以手工操作完成，是過(guò)去模具零件表面花紋制作不可缺少的加工工藝[1]。隨著科技的不斷進(jìn)步，化學(xué)腐蝕工藝的局限性已越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)內(nèi)飾件精細(xì)化的發(fā)展趨勢(shì)，主要表現(xiàn)如下：

a.環(huán)境污染。由于使用化學(xué)藥水對(duì)模具表面進(jìn)行腐蝕，藥水散發(fā)的氣味及最終排放對(duì)環(huán)境造成較大污染。

b.皮紋缺少3D立體感?；瘜W(xué)蝕刻工藝只能加工平面形的皮紋，無(wú)法加工3D立體效果的皮紋，且造型復(fù)雜區(qū)域紋理扭曲，降低產(chǎn)品的觀賞性。

c.加工精度差、效率低、紋理有拼接線?；瘜W(xué)蝕刻工藝加工過(guò)程是由工人手工操作完成的，腐蝕時(shí)間依靠工人經(jīng)驗(yàn)確定，皮紋加工區(qū)域深度尺寸難以把控，紋理有拼接線，步驟多、手工操作效率低，一副模具皮紋蝕刻加工需要15～25天。

d.皮紋復(fù)制一致性差。內(nèi)外飾模具通常需制作復(fù)制模，化學(xué)蝕刻工藝加工的每副模具皮紋都有差異，造成同一個(gè)產(chǎn)品不同生產(chǎn)批次的差異性大，皮紋相似度只有60%～70%，影響紋理的整體效果。

32 激光鐳雕加工技術(shù)原理及其局限性

激光鐳雕是利用紋理灰度圖產(chǎn)生模具零件表面雕刻深度的差異，并通過(guò)漸變灰度實(shí)現(xiàn)立體化效果的[2]。如圖1所示，利用高功率密度的聚焦激光光束作用在材料表面，使材料氣化或發(fā)生物理變化達(dá)到加工的目的，有效規(guī)避了上述傳統(tǒng)化學(xué)腐蝕的不足。但紋理全激光鐳雕工藝存在加工成本高、周期長(zhǎng)的弊端，導(dǎo)致其在應(yīng)用中存在較大局限性。

4 激光化學(xué)腐蝕復(fù)合工藝

本文通過(guò)總結(jié)上述傳統(tǒng)化學(xué)腐蝕工藝與激光鐳雕的優(yōu)勢(shì)與不足，將二者取長(zhǎng)補(bǔ)短，創(chuàng)新性地形成了激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)，優(yōu)化了現(xiàn)有蝕紋工藝，具體工藝如下。

41 模具清洗

采用清洗液藥水（硝酸與水以一定比例混合）對(duì)模具進(jìn)行清洗，確保模具表面無(wú)雜質(zhì)、油污等；同時(shí)對(duì)模具需蝕紋的表面（多為型腔面）進(jìn)行檢查，觀察是否有凹坑、砂眼、拋光不夠等缺陷，如有問(wèn)題則需立刻進(jìn)行處理。

42 封貼保護(hù)

模具清洗后需對(duì)模具噴漆處理。噴漆是為了將模具保護(hù)起來(lái)，防止非蝕紋部位被藥水腐蝕。將噴紅漆后的模具需要做皮紋的部位用小刀切開(kāi)，對(duì)皮紋邊界進(jìn)行確認(rèn)并封貼，防止腐蝕過(guò)程中藥水從邊界處的隙縫中滲入腐蝕模具。對(duì)有孔位、碰穿印及局部需要消光處理的部位進(jìn)行封貼保護(hù)。

43 材質(zhì)檢驗(yàn)

采用藥水對(duì)模具蝕紋區(qū)域表面進(jìn)行檢驗(yàn)：對(duì)于中小型模具，則將藥水涂抹到型腔表面；而對(duì)于大型模具，則需要浸入藥水池大約10 s左右（因?yàn)樾颓幻孑^大，涂抹不均勻），如果模具顏色黑暗即說(shuō)明可腐蝕，顏色無(wú)變化則不能腐蝕。模具上藥水無(wú)法腐蝕的區(qū)域，多為模具有偏析或模具燒焊所致，當(dāng)燒焊溫度過(guò)高，燒焊材料與本體模具材料不一致時(shí)都會(huì)導(dǎo)致藥水無(wú)法腐蝕。

44 噴保護(hù)漆

在模具需要加工皮紋的區(qū)域噴上一層黑色保護(hù)漆，待漆膜完全干燥后便可進(jìn)行激光鐳雕。該保護(hù)漆具有耐腐蝕、吸附力強(qiáng)、黏性低等優(yōu)點(diǎn)。

45 激光鐳雕

利用五軸激光鐳雕機(jī)對(duì)油漆層雕刻形成圖案。由于五軸激光鐳雕機(jī)可通過(guò)編程按任意自由度及軌跡進(jìn)行雕刻加工，可以讓傳統(tǒng)紋理的層分?jǐn)?shù)更多，任何曲面都可以加工，讓花紋體現(xiàn)得更細(xì)節(jié)化、更精細(xì)化、更細(xì)膩化、更有層次感[3]。根據(jù)模具紋理所需的雕刻紋理，該工藝步驟可以重復(fù)多次，從而實(shí)現(xiàn)多層雕刻[4]。

激光鐳雕過(guò)程共9個(gè)工序，依次為紋理設(shè)計(jì)、模具圖檔處理、網(wǎng)格處理、展開(kāi)UV、紋理創(chuàng)建區(qū)域、紋理處理、貼圖優(yōu)化、激光編程、激光加工。

其中，展開(kāi)UV是激光鐳雕的核心環(huán)節(jié)，UV展開(kāi)主要目的是將3D網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為2D平面，從而允許在網(wǎng)格上進(jìn)行紋理和繪制。UV貼圖充當(dāng)3D模型和實(shí)際紋理之間的橋梁，以實(shí)現(xiàn)正確的紋理投影，整體獲得更好的效果，如圖2所示。

46 腐蝕工藝

將模具全部浸沒(méi)在氧化池內(nèi)，氧化約3 min，雕刻去掉油漆的區(qū)域則被腐蝕，產(chǎn)生紋理圖案，隨后用行車(chē)取出，并清洗、吹干。

47 噴砂調(diào)整光澤度

對(duì)模具蝕紋表面進(jìn)行噴砂處理，砂粒以高速撞擊蝕紋面，可以降低光澤度，提升目視感官檔次，同時(shí)在增強(qiáng)產(chǎn)品表面紋理的耐刮擦性時(shí)，使手摸觸感也有提升。

噴砂按砂的種類(lèi)可分為玻璃砂和金剛砂。采用玻璃砂處理后，模面花紋圓滑，成品光澤較亮；而采用金剛砂處理后的模面，花紋尖銳，成品光澤較暗。

5 激光化學(xué)腐蝕復(fù)合工藝特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)、問(wèn)題及創(chuàng)新點(diǎn)

51 工藝特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)化學(xué)腐蝕相比，激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

a.紋理無(wú)拼接線問(wèn)題，目視感官效果更精致。

b.無(wú)紋理錯(cuò)位或變形，可輕松實(shí)現(xiàn)大圓角光順過(guò)渡，能對(duì)更復(fù)雜的造型面進(jìn)行皮紋雕刻。

c.紋理?yè)p傷可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)無(wú)痕二次修復(fù)。

d.紋理排布調(diào)整方便，可根據(jù)產(chǎn)品要求選擇不同的紋理方向。

e.紋理可復(fù)制性與一致性較好，兩個(gè)產(chǎn)品連接處紋理方向保持一致。

f.周期、成本低于模具激光鐳雕，同等費(fèi)用降低50%，周期縮短20%。

52 問(wèn)題及措施

521 存在的問(wèn)題

激光鐳雕紋理設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型與實(shí)物紋理目視存在一定差異，主要是由于不同產(chǎn)品原材料種類(lèi)、顏色不同，造成目視效果不同。

522 改善措施

根據(jù)造型特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)前期確保紋理數(shù)據(jù)精細(xì)化，以便實(shí)施雕刻方案，達(dá)到合格的效果，并依次制作標(biāo)準(zhǔn)紋理樣板，避免后續(xù)實(shí)物無(wú)法修改。

53 創(chuàng)新點(diǎn)

激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)，在行業(yè)中達(dá)到領(lǐng)先水平，完成了技術(shù)創(chuàng)新和突破，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。

531 圓角無(wú)縫拼接

采用傳統(tǒng)蝕刻工藝，在加工位置對(duì)皮紋紙進(jìn)行裁剪拼接，必然會(huì)產(chǎn)生拼接線、紋理錯(cuò)位；激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)采用激光UV展開(kāi)貼圖方式，可完美實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接（圖3），解決上述難題。

532 紋理無(wú)扭曲變形

激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)可適用于更復(fù)雜造型面的設(shè)計(jì)需求，紋理不會(huì)出現(xiàn)扭曲變形，可以輕松實(shí)現(xiàn)大圓角光順過(guò)渡，能對(duì)更復(fù)雜的造型面進(jìn)行皮紋雕刻，紋理更精致，如圖4所示。

533 紋理排布調(diào)整方便

在激光鐳雕之前，依據(jù)產(chǎn)品紋理數(shù)據(jù)并按照造型定義的紋理方向進(jìn)行貼圖，如圖5所示，區(qū)域2和區(qū)域4的紋理方向?yàn)橐恢?，區(qū)域1和區(qū)域3紋理方向有所不同，造型階段可以根據(jù)產(chǎn)品要求選擇不同的紋理方向。

534 復(fù)制紋理一致性好

圖6所示為內(nèi)飾件產(chǎn)品連接處紋理方向，激光鐳雕采用全數(shù)字化的工藝鏈，任何模具的花紋深度可以控制，精度可達(dá)01 μm左右，可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)紋向保持一致，多套模具紋理的可復(fù)制性與一致性強(qiáng)，紋理效果更加完美。

6 生產(chǎn)實(shí)施驗(yàn)證

將激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)應(yīng)用在某新車(chē)型內(nèi)飾C柱上護(hù)板幾何紋開(kāi)發(fā)中，重復(fù)5層激光鐳雕，如圖7所示，生產(chǎn)的產(chǎn)品表面清晰度高、立體感強(qiáng)。如表1所示，紋理立體凹凸感及清晰度、加工精度、效率顯著優(yōu)于采用傳統(tǒng)化學(xué)腐蝕工藝開(kāi)發(fā)的蝕紋，成本降低50%以上，并且合格率達(dá)99%以上，達(dá)到量產(chǎn)穩(wěn)定狀態(tài)。

7 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)地論述了激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)在新技術(shù)及新工藝領(lǐng)域的研究成果，通過(guò)將傳統(tǒng)化學(xué)蝕刻工藝與激光鐳雕紋理科技相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，創(chuàng)新性地形成了激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)，優(yōu)化了現(xiàn)有蝕紋工藝，徹底解決了傳統(tǒng)化學(xué)腐蝕紋理錯(cuò)位、拼接線、扭曲等外觀難題，為后續(xù)新開(kāi)發(fā)內(nèi)飾立體幾何紋品質(zhì)的提升提供了可靠的工藝技術(shù)。

隨著汽車(chē)內(nèi)外飾件感官品質(zhì)向精細(xì)化、多元化發(fā)展，激光化學(xué)腐蝕復(fù)合技術(shù)作為行業(yè)內(nèi)一項(xiàng)前沿技術(shù)，還可用于碳纖維紋、科技紋等多種其他紋理開(kāi)發(fā)，應(yīng)用于更多內(nèi)外飾裝飾件，以滿(mǎn)足其差異化、多樣化需求。

同時(shí)，該技術(shù)衍生出的激光鐳雕技術(shù)推廣新車(chē)型產(chǎn)品圖案開(kāi)發(fā)，通過(guò)漸變、透光等處理，可實(shí)現(xiàn)不同紋理、多種表面效果。

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作者簡(jiǎn)介：

佟林寶，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)內(nèi)外飾設(shè)計(jì)及工藝開(kāi)發(fā)。