基于SLS的鋁合金表面激光雕刻工藝研究

胡小萍，彭華領(lǐng)，李新義，藍(lán)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(shù)[1-2]（Rapid Prototyping）是一種產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代后期的全新制造技術(shù)，它匯集了計(jì)算機(jī)科學(xué)、CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)和材料科學(xué)等諸多工程領(lǐng)域的先進(jìn)成果[3]，一經(jīng)出現(xiàn)便得到了迅速發(fā)展并具有廣泛的應(yīng)用前景[4-5]。選擇性激光燒結(jié)[6-7]（Selective Laser Sintering，簡(jiǎn)稱(chēng)SLS）是快速成型技術(shù)中比較成熟的一種工藝方法，它采用激光有選擇地?zé)Y(jié)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(fù)雜零件快速制造難的問(wèn)題，并自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為一定功能的產(chǎn)品，在現(xiàn)代制造業(yè)中受到越來(lái)越廣泛的重視[8]。

目前，全鋁家居正在引起家居制造領(lǐng)域劃時(shí)代的變革。相比于木質(zhì)家居顏色單一、不易拆卸、怕火怕潮、易腐蝕以及木質(zhì)資源的日益緊張等不足，全鋁家居有著時(shí)尚美觀、加工精簡(jiǎn)、防火防水且能無(wú)限次循環(huán)使用的優(yōu)點(diǎn)[9]。然而國(guó)內(nèi)鋁型材表面木紋等處理技術(shù)仍存在著圖案相對(duì)抽象、立體凹凸感不佳、自動(dòng)化生產(chǎn)程度低等局限[10]。因此，依靠SLS激光雕刻技術(shù)來(lái)制備圖案逼真、立體凹凸感強(qiáng)烈的鋁型材產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化快速生產(chǎn)無(wú)疑具有巨大的優(yōu)勢(shì)和廣闊的市場(chǎng)前景。

1 激光雕刻技術(shù)的總體設(shè)計(jì)

該技術(shù)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(jìn)行傳輸，光纖輸出的激光束經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后入射到掃描振鏡的反射鏡上，反射的激光束經(jīng)F-Theta鏡在焦平面上形成聚焦的光斑，從而實(shí)現(xiàn)光束的掃描[12]。控制器控制掃描振鏡周期性轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度，F(xiàn)-Theta鏡將振鏡轉(zhuǎn)角變成線(xiàn)位移。

1.1 激光雕刻原理

將樣品放置在電動(dòng)平移臺(tái)上，通過(guò)調(diào)整樣品表面與F-Theta鏡間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)聚焦。掃描過(guò)程中系統(tǒng)自動(dòng)變換線(xiàn)光束的大小，并依據(jù)設(shè)計(jì)好的CAD圖形進(jìn)行重現(xiàn)性雕刻，激光雕刻原理見(jiàn)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(hù)膜（氧化電泳）→激光雕刻→刻蝕→脫膜→水洗→堿蝕→水洗→中和→水洗→陽(yáng)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(zhuǎn)印

該工藝流程主要包括以下步驟：鋁合金坯料→保護(hù)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(zhuǎn)印。

2.3 保護(hù)膜

鋁合金坯料經(jīng)除油、水洗等前處理后再進(jìn)行陽(yáng)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(fù)合膜作為激光雕刻前的保護(hù)膜。氧化膜主要起到兩個(gè)作用：一方面為鋁合金基體提供鈍化界面，避免脫膜處理時(shí)產(chǎn)生過(guò)腐蝕發(fā)黑，影響表面色澤；另一方面，因?yàn)檠趸ぞ哂懈玫挠捕龋_保搬運(yùn)過(guò)程中輕微的刮傷、擦花不影響刻蝕脫膜后的型材表面質(zhì)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(jìn)行刻蝕處理，刻蝕工藝參數(shù)見(jiàn)表2。在刻蝕過(guò)程中，可依據(jù)鋁合金型材壁厚、刻蝕所需深度對(duì)刻蝕液濃度、刻蝕時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，既避免因型材壁厚較薄導(dǎo)致的局部刻蝕穿孔，同時(shí)又滿(mǎn)足適當(dāng)刻蝕深度產(chǎn)生的凹凸感。刻蝕液溫度需要嚴(yán)格控制，過(guò)高容易引起氧化電泳保護(hù)膜的腐蝕脫落，導(dǎo)致非雕刻部位腐蝕進(jìn)而嚴(yán)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(cè)刻蝕后鋁合金型材的失重（鋁損），需進(jìn)行刻蝕失重試驗(yàn)并計(jì)算失重率η（η=（Δm/M）×100%），試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。其中1～6號(hào)試樣的刻蝕時(shí)間為5 min，平均失重率為0.9577%（鋁損約9.6 kg/t）；7～12號(hào)試樣的刻蝕時(shí)間為10 min，平均失重率為1.3597%（鋁損約13.6 kg/t）；13～18號(hào)試樣的刻蝕時(shí)間為15 min，平均失重率為1.8537%（鋁損約18.5 kg/t）。因此可見(jiàn)，該刻蝕工藝有著很低的失重率，鋁損可控制在10～20 kg/t，遠(yuǎn)低于行業(yè)平均水準(zhǔn)。這不僅使得鋁合金成品重量得到保證，同時(shí)降低了刻蝕廢液處理及鋁回收的成本，具有極佳的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 刻蝕失重試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4.3 刻蝕深度

選取刻蝕后的型材試樣進(jìn)行鋸切，之后依次使用600#、1 000#砂紙對(duì)其進(jìn)行打磨，經(jīng)洗凈吹干后，在顯微鏡下觀察并測(cè)量其橫截面處的刻蝕深度，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，激光雕刻部位經(jīng)化學(xué)腐蝕后，其蝕刻深度約100～400 μm，呈現(xiàn)深淺不一的特點(diǎn)，這與激光雕刻過(guò)程中線(xiàn)光束的分布密度以及化學(xué)刻蝕時(shí)間等因素有關(guān)，可根據(jù)鋁合金型材壁厚對(duì)蝕刻深度加以調(diào)整控制；對(duì)壁厚在1.4 mm以?xún)?nèi)的型材，其刻蝕深度在100～250 μm為宜，以免局部刻蝕不均勻產(chǎn)生刻蝕穿孔；對(duì)壁厚超過(guò)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(qiáng)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(xué)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(jìn)行脫膜處理，脫去其表面的氧化電泳保護(hù)膜層，為后續(xù)的陽(yáng)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(yáng)極氧化

對(duì)經(jīng)脫膜后的鋁合金試樣進(jìn)行硫酸陽(yáng)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(jiàn)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(guò)程中局部反應(yīng)速率的差異而產(chǎn)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(jīng)陽(yáng)極氧化后有著基本一致的耐腐蝕性能。

圖3 陽(yáng)極氧化后表面微觀形貌

3 激光雕刻效果

經(jīng)激光雕刻、刻蝕、脫膜等處理后的鋁合金型材可進(jìn)行陽(yáng)極氧化、電解著色、噴粉/漆等不同類(lèi)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(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。經(jīng)陽(yáng)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(zhuǎn)印木紋等豐富的顏色選擇，如圖4所示。產(chǎn)品具有圖案豐富多樣、紋理清晰、效果逼真的裝飾特點(diǎn)。

圖4 激光雕刻試樣正面圖

4 技術(shù)特點(diǎn)

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(shù)特點(diǎn)：

（1）激光雕刻過(guò)程與鋁合金產(chǎn)品尺寸、形狀等復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，且全程自動(dòng)化，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品表面的自由雕刻。

（2）生產(chǎn)周期短，可以靈活地改變?cè)O(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

（3）激光雕刻機(jī)設(shè)備較昂貴，但能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，運(yùn)行成本低。

（4）鋁合金產(chǎn)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(chǎn)生的裝配不良的風(fēng)險(xiǎn)。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

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

（1）坯料經(jīng)陽(yáng)極氧化電泳處理后可提供厚度達(dá)5～10 μm的復(fù)合保護(hù)膜，不僅完美解決了鋁型材易刮傷問(wèn)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(hù)基材的同時(shí)也能達(dá)到最佳的刻蝕深度。當(dāng)刻蝕深度達(dá)100～400 μm時(shí)，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(shù)相融合，提供了不同色彩及性能的組合，滿(mǎn)足當(dāng)前人們對(duì)裝飾性鋁材日益高端的需求。

由此可見(jiàn)，基于SLS的鋁合金表面激光雕刻工藝具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的市場(chǎng)前景。目前有待解決的是激光制造成本高的問(wèn)題。該問(wèn)題的有效解決有助于促進(jìn)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?cè)O(shè)備依靠進(jìn)口的現(xiàn)狀。