激光化學腐蝕復合技術在汽車內飾立體幾何紋開發中的研究

摘要：汽車內飾立體幾何紋開發中，采用傳統化學腐蝕工藝時存在紋理錯位、扭曲、拼接線外觀不良的問題，采用激光鐳雕模具鋼加工皮紋時存在加工成本高、周期長的問題。針對這些問題，研究了一種激光化學腐蝕復合技術，創新性地將傳統化學蝕刻工藝與激光鐳雕紋理科技相結合，并提出了改進措施。生產實驗驗證表明，新方法能徹底解決上述問題，并能為汽車內飾后續的品質提升可靠的工藝技術。

關鍵詞：激光；蝕紋；汽車內飾；立體幾何紋

中圖分類號：U461" 收稿日期：2024-12-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502023

1 前言

隨著汽車行業的迅速發展，汽車內部裝飾件已經逐漸成為開發的新目標、新賣點。汽車內外飾件的皮紋作為影響汽車內外飾風格的重要因素之一，涉及到美學、觸感以及安全性，不僅可以提高舒適度和美觀性，還可提升內外飾件的品質和價值，顯示其參與市場競爭的重要作用，同時對產品的造型設計、結構設計及質量管控方面都有重要影響。隨著汽車市場消費升級，用戶對產品品質、外觀的需求有了較大的提升，對車輛內飾表面精致感提出了更高要求。傳統的化學腐蝕工藝特別是產品圓弧過渡較深的R角區域存在紋理錯位、扭曲、拼接線，影響感官品質；如果采用激光鐳雕模具鋼加工皮紋，則存在加工成本高、周期長的局限性。

基于以上問題，本文論述了一種激光化學腐蝕復合技術，所開發的立體幾何紋理無拼接線、無扭曲、無紋理錯位，感官品質達到激光鐳雕模具鋼紋理品質。

2 汽車內外飾表面紋理分類

按紋理深度劃分，汽車內外飾皮紋可分為粗皮紋、細皮紋及立體幾何紋。

粗皮紋是真實世界已有皮紋仿真演化而來的，紋路接近真實紋理，有層次感，可以提高整車內飾檔次，一般紋理深度為80～150 μm，用作汽車內飾的主皮紋，有很強的整體協調感。

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

立體幾何皮紋是呈現幾何規則的紋理，在汽車上主要體現科技、力量、潮流等概念，一般紋理深度為80～150 μm，有極強的方向性及規則性，如大面積使用，則會顯著提高其加工難度，價格也較高。

3 汽車內飾傳統立體幾何紋加工工藝及局限性

汽車內飾傳統立體幾何紋加工工藝，主要分為化學腐蝕和激光鐳雕加工兩種技術，但均存在各自的局限性。

31 化學腐蝕加工工藝及其局限性

傳統的化學腐蝕皮紋加工工藝是利用化學藥水對模具零件表面進行部分溶解蝕刻形成紋理的，加工過程主要依賴技術工人的經驗，并以手工操作完成，是過去模具零件表面花紋制作不可缺少的加工工藝[1]。隨著科技的不斷進步，化學腐蝕工藝的局限性已越來越無法滿足汽車內飾件精細化的發展趨勢，主要表現如下：

a.環境污染。由于使用化學藥水對模具表面進行腐蝕，藥水散發的氣味及最終排放對環境造成較大污染。

b.皮紋缺少3D立體感。化學蝕刻工藝只能加工平面形的皮紋，無法加工3D立體效果的皮紋，且造型復雜區域紋理扭曲，降低產品的觀賞性。

c.加工精度差、效率低、紋理有拼接線。化學蝕刻工藝加工過程是由工人手工操作完成的，腐蝕時間依靠工人經驗確定，皮紋加工區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.皮紋復制一致性差。內外飾模具通常需制作復制模，化學蝕刻工藝加工的每副模具皮紋都有差異，造成同一個產品不同生產批次的差異性大，皮紋相似度只有60%～70%，影響紋理的整體效果。

32 激光鐳雕加工技術原理及其局限性

激光鐳雕是利用紋理灰度圖產生模具零件表面雕刻深度的差異，并通過漸變灰度實現立體化效果的[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，使材料氣化或發生物理變化達到加工的目的，有效規避了上述傳統化學腐蝕的不足。但紋理全激光鐳雕工藝存在加工成本高、周期長的弊端，導致其在應用中存在較大局限性。

4 激光化學腐蝕復合工藝

本文通過總結上述傳統化學腐蝕工藝與激光鐳雕的優勢與不足，將二者取長補短，創新性地形成了激光化學腐蝕復合技術，優化了現有蝕紋工藝，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）對模具進行清洗，確保模具表面無雜質、油污等；同時對模具需蝕紋的表面（多為型腔面）進行檢查，觀察是否有凹坑、砂眼、拋光不夠等缺陷，如有問題則需立刻進行處理。

42 封貼保護

模具清洗后需對模具噴漆處理。噴漆是為了將模具保護起來，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，對皮紋邊界進行確認并封貼，防止腐蝕過程中藥水從邊界處的隙縫中滲入腐蝕模具。對有孔位、碰穿印及局部需要消光處理的部位進行封貼保護。

43 材質檢驗

采用藥水對模具蝕紋區域表面進行檢驗：對于中小型模具，則將藥水涂抹到型腔表面；而對于大型模具，則需要浸入藥水池大約10 s左右（因為型腔面較大，涂抹不均勻），如果模具顏色黑暗即說明可腐蝕，顏色無變化則不能腐蝕。模具上藥水無法腐蝕的區域，多為模具有偏析或模具燒焊所致，當燒焊溫度過高，燒焊材料與本體模具材料不一致時都會導致藥水無法腐蝕。

44 噴保護漆

在模具需要加工皮紋的區域噴上一層黑色保護漆，待漆膜完全干燥后便可進行激光鐳雕。該保護漆具有耐腐蝕、吸附力強、黏性低等優點。

45 激光鐳雕

利用五軸激光鐳雕機對油漆層雕刻形成圖案。由于五軸激光鐳雕機可通過編程按任意自由度及軌跡進行雕刻加工，可以讓傳統紋理的層分數更多，任何曲面都可以加工，讓花紋體現得更細節化、更精細化、更細膩化、更有層次感[3]。根據模具紋理所需的雕刻紋理，該工藝步驟可以重復多次，從而實現多層雕刻[4]。

激光鐳雕過程共9個工序，依次為紋理設計、模具圖檔處理、網格處理、展開UV、紋理創建區域、紋理處理、貼圖優化、激光編程、激光加工。

其中，展開UV是激光鐳雕的核心環節，UV展開主要目的是將3D網格轉換為2D平面，從而允許在網格上進行紋理和繪制。UV貼圖充當3D模型和實際紋理之間的橋梁，以實現正確的紋理投影，整體獲得更好的效果，如圖2所示。

46 腐蝕工藝

將模具全部浸沒在氧化池內，氧化約3 min，雕刻去掉油漆的區域則被腐蝕，產生紋理圖案，隨后用行車取出，并清洗、吹干。

47 噴砂調整光澤度

對模具蝕紋表面進行噴砂處理，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，同時在增強產品表面紋理的耐刮擦性時，使手摸觸感也有提升。

噴砂按砂的種類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 激光化學腐蝕復合工藝特點優勢、問題及創新點

51 工藝特點及優勢

與傳統化學腐蝕相比，激光化學腐蝕復合技術具有以下優勢：

a.紋理無拼接線問題，目視感官效果更精致。

b.無紋理錯位或變形，可輕松實現大圓角光順過渡，能對更復雜的造型面進行皮紋雕刻。

c.紋理損傷可實現精準無痕二次修復。

d.紋理排布調整方便，可根據產品要求選擇不同的紋理方向。

e.紋理可復制性與一致性較好，兩個產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，同等費用降低50%，周期縮短20%。

52 問題及措施

521 存在的問題

激光鐳雕紋理設計的數據模型與實物紋理目視存在一定差異，主要是由于不同產品原材料種類、顏色不同，造成目視效果不同。

522 改善措施

根據造型特點，在數據設計前期確保紋理數據精細化，以便實施雕刻方案，達到合格的效果，并依次制作標準紋理樣板，避免后續實物無法修改。

53 創新點

激光化學腐蝕復合技術，在行業中達到領先水平，完成了技術創新和突破，主要創新點如下。

531 圓角無縫拼接

采用傳統蝕刻工藝，在加工位置對皮紋紙進行裁剪拼接，必然會產生拼接線、紋理錯位；激光化學腐蝕復合技術采用激光UV展開貼圖方式，可完美實現無縫拼接（圖3），解決上述難題。

532 紋理無扭曲變形

激光化學腐蝕復合技術可適用于更復雜造型面的設計需求，紋理不會出現扭曲變形，可以輕松實現大圓角光順過渡，能對更復雜的造型面進行皮紋雕刻，紋理更精致，如圖4所示。

533 紋理排布調整方便

在激光鐳雕之前，依據產品紋理數據并按照造型定義的紋理方向進行貼圖，如圖5所示，區域2和區域4的紋理方向為一致，區域1和區域3紋理方向有所不同，造型階段可以根據產品要求選擇不同的紋理方向。

534 復制紋理一致性好

圖6所示為內飾件產品連接處紋理方向，激光鐳雕采用全數字化的工藝鏈，任何模具的花紋深度可以控制，精度可達01 μm左右，可精準實現紋向保持一致，多套模具紋理的可復制性與一致性強，紋理效果更加完美。

6 生產實施驗證

將激光化學腐蝕復合技術應用在某新車型內飾C柱上護板幾何紋開發中，重復5層激光鐳雕，如圖7所示，生產的產品表面清晰度高、立體感強。如表1所示，紋理立體凹凸感及清晰度、加工精度、效率顯著優于采用傳統化學腐蝕工藝開發的蝕紋，成本降低50%以上，并且合格率達99%以上，達到量產穩定狀態。

7 結語

本文系統地論述了激光化學腐蝕復合技術在新技術及新工藝領域的研究成果，通過將傳統化學蝕刻工藝與激光鐳雕紋理科技相結合，取長補短，創新性地形成了激光化學腐蝕復合技術，優化了現有蝕紋工藝，徹底解決了傳統化學腐蝕紋理錯位、拼接線、扭曲等外觀難題，為后續新開發內飾立體幾何紋品質的提升提供了可靠的工藝技術。

隨著汽車內外飾件感官品質向精細化、多元化發展，激光化學腐蝕復合技術作為行業內一項前沿技術，還可用于碳纖維紋、科技紋等多種其他紋理開發，應用于更多內外飾裝飾件，以滿足其差異化、多樣化需求。

同時，該技術衍生出的激光鐳雕技術推廣新車型產品圖案開發，通過漸變、透光等處理，可實現不同紋理、多種表面效果。

參考文獻：

[1]黃富家，鐵盛武，梁峻彬，等探究汽車注塑件常見缺陷及處理方法[J]時代汽車，2020（10）：138-139

[2]高國利，張森深孔數控加工自動編程技術的研究[J]模具工業，2012，38（8）：66-68

[3]鄭盼楊，應平，郜洪云，等基于伽利略結構的級激光擴東系統的設計[J]應用光學2008（3）：348-349.

[4]孫曉輝激光加工技術的產業化應用[J]機械工人（熱加工），2004（4）：36-37.

作者簡介：

佟林寶，男，1987年生，工程師，研究方向為汽車內外飾設計及工藝開發。