張楠楠，杜換福,鄭振榮

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387；2. 山東濱州亞光毛巾有限公司，山東 256651)

影響PU合成革激光雕刻工藝參數(shù)研究

張楠楠1，杜換福2,鄭振榮1

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387；2. 山東濱州亞光毛巾有限公司，山東 256651)

對(duì)激光雕刻的原理特點(diǎn)及其雕刻圖案的步驟做了簡單的闡述，并指出影響PU合成革激光雕刻的因素分別為雕刻難度和雕刻效果。重點(diǎn)從雕刻速度與雕刻的激光強(qiáng)度兩個(gè)方面探討了對(duì)PU合成革激光雕刻效果的影響，并通過多次實(shí)驗(yàn)得出了不同的雕刻效果下參數(shù)的最優(yōu)設(shè)置區(qū)間。

激光雕刻 雕刻速度 激光強(qiáng)度 PU合成革

0 前言

隨著各種高新技術(shù)的發(fā)展，激光雕刻也越來越得到廣泛的發(fā)展，因其無污染、能量集中的優(yōu)點(diǎn)受到各行業(yè)的青睞[1-3],同時(shí),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，激光雕刻在紡織面料以及皮革面料上的應(yīng)用范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大，它能夠在各種各樣的皮革面料上面進(jìn)行快速鏤空和雕刻出各種各樣的圖案，并且操作的方法十分靈活，與此同時(shí)，激光雕刻技術(shù)一般不會(huì)使得皮革的表面產(chǎn)生變形的情況，這樣能夠?qū)⑵じ镒陨淼馁|(zhì)感和顏色體現(xiàn)出來，但由于各種因素的影響，我國激光雕刻在皮革上的應(yīng)用還不夠廣泛。

雖然激光技術(shù)的快速發(fā)展使得激光加工在服裝面料等各種材料上都得到了一定的應(yīng)用[4]，但在技術(shù)發(fā)展的同時(shí)必須兼顧能量的消耗，所以在進(jìn)行激光雕刻時(shí)要達(dá)到理想的雕刻效果，雕刻難度的分析固然重要，但參數(shù)的合理設(shè)定同樣也不可忽略,另外陸建等[5]指出激光與材料的相互作用過程既取決于激光光源的因素，又與被作用材料及外部環(huán)境有關(guān)。鑒于此本文對(duì)影響激光雕刻效果的因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過設(shè)計(jì)簡單花型并在PU合成革上雕刻，探索PU合成革上激光雕刻的適宜工藝參數(shù)，為皮革上激光雕刻提高數(shù)據(jù)參考。

1 激光雕刻

1.1 激光雕刻原理

高度集中的激光束按照電腦設(shè)計(jì)出的圖案照射服裝面料，被照射的面料在極短時(shí)間內(nèi)性能發(fā)生變化，并迅速熔融、汽化或達(dá)到燃點(diǎn)，并通過高速氣流吹除熔融物質(zhì)后完成雕刻或者鏤空的工藝過程。隨著雕刻強(qiáng)度的不同可以在面料上雕刻出深淺不一的圖案，實(shí)現(xiàn)不同的雕刻效果。[6,7]

1.2 激光雕刻特點(diǎn)

①非接觸加工，無工具磨損，可依據(jù)不同的雕刻效果設(shè)定不同的雕刻參數(shù)；②能量高度集中；③應(yīng)用范圍廣，可對(duì)金屬等進(jìn)行加工；④加工技術(shù)靈活；⑤激光加工效率高，可提高產(chǎn)品附加值。

1.3 雕刻步驟

本研究在PU合成革上進(jìn)行激光雕刻的步驟如下：

①選定所需要的皮革面料；

②利用CORELDAW軟件設(shè)計(jì)圖案；

③在電腦上轉(zhuǎn)化圖案格式；

④將圖形傳輸?shù)郊す獾窨虣C(jī)；

⑤將面料鋪放平整并完成圖案的雕刻。

1.4 激光雕刻加工類型

激光雕刻加工類型:依據(jù)激光束照射材料并與材料瞬時(shí)發(fā)生相互作用的原理，可將激光雕刻加工分為由于激光束與材料表面相互作用時(shí)產(chǎn)生熱效應(yīng)的激光熱加工和光學(xué)反應(yīng)加工兩大類。其中光學(xué)反應(yīng)加工是指當(dāng)激光束照射到材料表面時(shí)，借助密度較高且能量較高的光子以激發(fā)或者控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過程。本研究中所使用的激光雕刻機(jī)的加工類型屬于激光熱加工。激光熱加工流程見圖1。

圖1 激光熱加工過程如流程圖

熱加工原理在PU合成革激光雕刻中應(yīng)用：激光束具有高功率，高密度且方向精準(zhǔn)等特點(diǎn)，可以將激光束通過光學(xué)聚焦裝置匯聚成直徑小，能量密度都很高的光斑,當(dāng)光斑作用于PU合成革上的切割點(diǎn)時(shí)，光斑的能量被PU合成革材料所吸收，引起皮革材料吸收點(diǎn)的溫度快速升高，并隨即出現(xiàn)光斑大小的孔洞，使激光光線按圖案的設(shè)計(jì)進(jìn)行移動(dòng)，即可在皮革上雕刻出需要圖案。

1.5 激光產(chǎn)品類型

激光產(chǎn)品類型：目前在我國服裝行業(yè)對(duì)激光加工的應(yīng)用還較少，因此還沒有對(duì)服裝面料激光加工產(chǎn)品進(jìn)行一個(gè)規(guī)范的分類。本文中根據(jù)激光在加工時(shí)是否將面料穿透可將激光雕刻類型分為兩類：鏤空型產(chǎn)品、凹凸型產(chǎn)品。激光鏤空型雕刻就是在激光按照設(shè)計(jì)的圖案作用于面料，并使雕刻的圖案以孔洞形式呈現(xiàn)。凹凸型雕刻則是雕刻后的圖案深度小于面料總厚度的雕刻，即雕刻圖案以凹凸的形式呈現(xiàn)。

2 PU合成革

PU合成革歸屬為聚氨酯彈性體類別，它由基布和具有微孔結(jié)構(gòu)的聚氨酯面層兩部分構(gòu)成。因光澤柔和、具有似真皮的外觀，耐磨，不易卷曲、抗老化等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。雖然PU合成革價(jià)格高于人造革，但合成革可根據(jù)原料和加工方法的不同生產(chǎn)出柔軟度不同的各面，適用于不同類型產(chǎn)品的需要。同時(shí)合成革從化學(xué)結(jié)構(gòu)來看更接近于皮質(zhì)材料。另外，人造革會(huì)變硬變脆，但PU合成革由于不含增塑劑因此不會(huì)變硬，且PU合成革色彩豐富、花紋繁多。

3 影響PU合成革上激光雕刻的因素

2013年，李明[7]等認(rèn)為面料的相關(guān)性能對(duì)激光雕刻參數(shù)的設(shè)定有很大的影響。PU合成革雖然具有抗磨損、耐卷曲、抗老化等多種優(yōu)良性能，但材質(zhì)不同的皮革仍然在性能上有所差別。張文君、李思益[8]提出皮革由于其具有沸點(diǎn)低、傳導(dǎo)率低的優(yōu)點(diǎn)可以將激光技術(shù)應(yīng)用于皮革裁剪行業(yè)。在研究學(xué)者們的啟發(fā)下并結(jié)合熱加工流程圖可以得出不同性能PU合成革對(duì)激光的吸收率、分解點(diǎn)以及熱傳導(dǎo)率都影響著雕刻難度(在面料上達(dá)到一定雕刻深度時(shí)所設(shè)定的工藝參數(shù)的高低稱為雕刻難度)與雕刻效果，而影響雕刻難度與雕刻效果的因素主要為雕刻速度與激光強(qiáng)度等。因此本文重點(diǎn)探討了雕刻速度與激光強(qiáng)度對(duì)PU合成革激光雕刻效果的影響。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：以機(jī)織布為基布的PU合成革(產(chǎn)品重量0.7 kg/m，譽(yù)夢(mèng)旗艦店)，如圖2為聚氨酯面層，下頁圖3為機(jī)織布基布。用CorelDraw軟件設(shè)計(jì)的雕刻圖案(如下頁圖4所示)。

實(shí)驗(yàn)儀器：富怡激光雕刻切割機(jī)(天津?qū)氂娔X機(jī)械有限公司)

圖2 聚氨酯面層

圖4 雕刻圖案

4.2 實(shí)驗(yàn)前分析

雕刻難度與雕刻效果是相互關(guān)聯(lián)的因素，雕刻難度的大小直接影響到雕刻參數(shù)的設(shè)定，從而對(duì)雕刻效果產(chǎn)生影響。當(dāng)然雕刻難度也不是越低越好，激光雕刻的效果主要取決于雕刻工藝參數(shù)——雕刻速度、雕刻強(qiáng)度、雕刻精度，以及一些其他因素。本文將激光雕刻產(chǎn)品分為凹凸型雕刻產(chǎn)品與鏤空性雕刻產(chǎn)品，尤其是在進(jìn)行鏤空型雕刻時(shí)，要考慮到能源的消耗，盡量在小的雕刻參數(shù)下達(dá)到理想的花型效果。

對(duì)于凹凸型雕刻精度的設(shè)定取決于圖案的設(shè)計(jì)，精度的設(shè)定可依據(jù)圖案的大小以及精細(xì)度來調(diào)整，精度越高，相同區(qū)域內(nèi)的雕刻次數(shù)就越多，雕刻出的圖案就越精細(xì)。但不管是哪種類型的雕刻想在材料上達(dá)到一定的雕刻效果，就必須使所使用的材料能夠吸收到一定的激光能量，這一能量的吸收同時(shí)取決于雕刻速度與激光強(qiáng)度。若想在皮革面料上雕刻出理想的花紋圖案，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和面料來調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度或雕刻速度，很難實(shí)現(xiàn)雕刻一次就達(dá)到較好的效果[8，9]。

4.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)共分為兩部分，著重對(duì)雕刻速度和雕刻的激光強(qiáng)度進(jìn)行討論，實(shí)驗(yàn)1使雕刻速度保持不變，改變雕刻的激光強(qiáng)度；實(shí)驗(yàn)2使雕刻激光強(qiáng)度保持不變，改變雕刻速度，而激光功率始終保持在較高的水平。實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)激光雕刻機(jī)右側(cè)的控制面板調(diào)節(jié)，在每次雕刻結(jié)束后及時(shí)記錄數(shù)據(jù)。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)1：雕刻速度為50m/min，觀察不同激光強(qiáng)度下的雕刻效果。

(1)首先進(jìn)行PU合成革的正面雕刻，雕刻方式分別為清掃和勾邊。

①清掃的雕刻方式：不同大小的激光強(qiáng)度和速度對(duì)雕刻效果有明顯的影響，本次實(shí)驗(yàn)保持其他參數(shù)不變，并使雕刻速度維持在50 m/min，對(duì)雕刻強(qiáng)度進(jìn)行了多次設(shè)定。圖5-圖9為不同激光強(qiáng)度的雕刻效果圖。

圖5 激光強(qiáng)度為3.8%的雕刻效果

圖6 激光強(qiáng)度為4%的雕刻效果

圖7 激光強(qiáng)度為20%的雕刻效果

圖9 (激光強(qiáng)度為28%-28.7%的輪廓線效果圖)

將圖5-圖9按雕刻后圖案的凹凸程度可分為淺、較淺、較深、深、鏤空。

在進(jìn)行雕刻過程中，在激光強(qiáng)度為3.5%時(shí)，皮革表面基本無任何變化，只有局部的面料部分在很淺的的表面呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，但并沒有達(dá)到PU革面層的分解點(diǎn)，所以強(qiáng)度為3.5%的激光基本對(duì)聚氨酯面層不起作用。激光強(qiáng)度達(dá)到3.6%時(shí)，面料表面發(fā)生了細(xì)微的變化，局部面料在激光的作用下顏色變淺，PU合成革面層已經(jīng)達(dá)到分解點(diǎn)。從圖5-圖8可以看出隨著激光強(qiáng)度的不斷增強(qiáng)，圖案的凹凸感越強(qiáng)。當(dāng)激光強(qiáng)度為20%～28%時(shí)，雕刻圖案的凹凸感雖然更強(qiáng)，但雕刻后的面料厚度會(huì)變薄，從而影響到面料的耐穿性，強(qiáng)度達(dá)到28%～28.7%時(shí)，面料雖被雕透，但輪廓線不是很清晰，周圍有明顯的殘留燒焦面料(如圖9)，同樣也增加了后整理的復(fù)雜度。當(dāng)?shù)窨痰募す鈴?qiáng)度上升到29%～32%時(shí)，圖案雕刻后達(dá)到了比較理想的效果，但輪廓邊緣仍有少量的基布?xì)埩簟?/p>

綜上分析，對(duì)皮革上雕刻效果的要求不同，參數(shù)的設(shè)置范圍也不同。在不進(jìn)行染色的情況下要達(dá)到皮革上圖案的設(shè)計(jì)同時(shí)不要求凹凸感，可以將激光強(qiáng)度設(shè)定在3.8%左右；雕刻圖案要求有強(qiáng)烈的凹凸感，在不影響面料耐穿性的情況下，可以將激光強(qiáng)度設(shè)定在12%～22%之間。而在進(jìn)行鏤空型雕刻時(shí)，由于在激光強(qiáng)度為29%～32%時(shí)，鏤空雕刻后的圖案邊緣存在燒熔后的基布?xì)埩?，所以鏤空雕刻的最佳區(qū)間可以設(shè)定在33%～37%之間。

② 勾邊的雕刻方式：勾邊的雕刻方式一般用于凹凸型雕刻且其雕刻程度至少為較深、鏤空型雕刻。圖10為不同激光強(qiáng)度的勾邊雕刻方式雕刻效果圖。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖10 勾邊雕刻方式雕刻效果圖((a)(b)(c)(d)的激光強(qiáng)度分別為35%/40%/50%/55%)

通過實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)激光強(qiáng)度為25%時(shí)，可以達(dá)到一個(gè)比較深的雕刻程度，當(dāng)激光強(qiáng)度上升到40%時(shí)，面料部分被雕透。對(duì)于鏤空型產(chǎn)品，在激光強(qiáng)度達(dá)到50%時(shí)PU合成革才被雕透，但需要人工操作才會(huì)與面料分離，只有激光強(qiáng)度達(dá)到53%時(shí)面料才會(huì)自然分離。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，勾邊雕刻圖案雕刻所用時(shí)長明顯短于清掃雕刻方式，在相同的參數(shù)條件下雕刻效果也明顯不同，在速度為50m/min時(shí)，勾邊雕刻對(duì)激光強(qiáng)度的要求更高。從圖10-b中可以看出激光強(qiáng)度上升到40%時(shí)，還不能夠完全穿透面料，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到53%時(shí)，已經(jīng)能夠完成圖案的雕刻，但在55%時(shí)效果達(dá)到最佳(如圖10-d)。因此若選擇勾邊的雕刻方式時(shí)應(yīng)選擇激光強(qiáng)度的范圍可設(shè)定在53%～57%之間。

綜上所述，勾邊雕刻與清掃的雕刻方式相比有明顯的優(yōu)勢(shì)，雕刻速度快，可以提高生產(chǎn)速率，被雕刻后的圖案輪廓也要比清掃雕刻整潔，對(duì)機(jī)器的損傷度小，但其所需的激光強(qiáng)度較大，同時(shí)在進(jìn)行凹凸雕刻后的圖案效果不如清掃雕刻方式下的圖案清晰豐滿。

(2)其次是反面雕刻，雕刻方式為清掃：從反面雕刻的方式只針對(duì)于鏤空型產(chǎn)品。圖11為反面雕刻時(shí)不同激光強(qiáng)度下的部分效果圖。

(a)

(b)

圖11 反面雕刻效果圖(其中(a)(b)的激光強(qiáng)度分別為29%，34%)

由圖11(a)可看出當(dāng)激光強(qiáng)度設(shè)定為29%時(shí)，激光無法將面料穿透，且皮革面層已經(jīng)被燒焦。激光強(qiáng)度在30%～33%時(shí)，面料開始鏤空，但效果不佳，雕刻強(qiáng)度為34%時(shí)(如圖11(b))，鏤空雕刻達(dá)到一個(gè)比較理想的效果，因此從反面進(jìn)行雕刻時(shí)，可以將激激光強(qiáng)度度設(shè)定在34%～38%內(nèi)，在此范圍內(nèi)激光能量消耗較少，同時(shí)可以達(dá)到理想的雕刻效果。

實(shí)驗(yàn)2：設(shè)定雕刻激光強(qiáng)度為25%、探討從PU合成革正面以不同雕刻速度雕刻圖案的效果，且雕刻速度的不同對(duì)雕刻效果的影響如圖12所示。

(a)

(b)

從圖12可以看出在激光強(qiáng)度一定時(shí)，隨著雕刻速度的降低，雕刻深度逐漸加深，在雕刻速度為35m/min時(shí)，面料被雕透，但效果不佳。雕刻速度在25m/min～30m/min時(shí)，圖案雕刻后的效果比較理想。

5 結(jié)論

(1)從正面以清掃的雕刻方式雕刻圖案時(shí)，在不進(jìn)行染色的情況下要達(dá)到皮革上圖案的設(shè)計(jì)同時(shí)不要求凹凸感，可以將激光強(qiáng)度設(shè)定在3.8%左右。若雕刻圖案要求有強(qiáng)烈的凹凸感，在不影響面料耐穿性的情況下，可將參數(shù)設(shè)定在12%～22%之間。進(jìn)行鏤空型雕刻時(shí)，鏤空雕刻的最佳雕刻激光強(qiáng)度區(qū)間可以設(shè)定在33%～37%之間。

(2)從正面以的勾邊雕刻方式雕刻圖案時(shí)，可將最佳雕刻效果的雕刻強(qiáng)度區(qū)間設(shè)定在53%～57%之間。

(3)從反面以清掃方式雕刻圖案時(shí)，最佳雕刻激光強(qiáng)度參數(shù)區(qū)間設(shè)定在35%～38%為宜。

(4)在激光強(qiáng)度一定時(shí)(25%),從正面以清掃方式雕刻圖案時(shí)可將雕刻速度區(qū)間設(shè)定在25m/min～30m/min以達(dá)到最佳雕刻效果。

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LaserEngravingParametersStudyofPUSyntheticLeather

ZHANGNan-nan1,DUHuan-fu2,ZHENGZhen-rong1

(1. College of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387;2.Shangdong Binzhou Yaguang Towel Co., Ltd, Binzhou 256600)

The principle features and engraving steps of laser engraving were briefly described, and the factors for influencing laser engraving on PU synthetic leather were engraving difficulty and engraving effect. Starting from engraving speed and laser intensity, the influence of laser engraving effect on PU synthetic leather was explored and the optimum parameter range for different engraving effects were obtained through many times experiments.

laser engraving engraving speed laser intensity PU synthetic leather

2017-05-18

張楠楠(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織防護(hù)紡織品。

鄭振榮(1981-)，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。

TS190

A

1008-5580(2017)04-0062-06