张楠楠，杜换福,郑振荣

(1.天津工业大学纺织学院，天津 300387；2. 山东滨州亚光毛巾有限公司，山东 256651)

影响PU合成革激光雕刻工艺参数研究

张楠楠1，杜换福2,郑振荣1

(1.天津工业大学纺织学院，天津 300387；2. 山东滨州亚光毛巾有限公司，山东 256651)

对激光雕刻的原理特点及其雕刻图案的步骤做了简单的阐述，并指出影响PU合成革激光雕刻的因素分别为雕刻难度和雕刻效果。重点从雕刻速度与雕刻的激光强度两个方面探讨了对PU合成革激光雕刻效果的影响，并通过多次实验得出了不同的雕刻效果下参数的最优设置区间。

激光雕刻 雕刻速度 激光强度 PU合成革

0 前言

随着各种高新技术的发展，激光雕刻也越来越得到广泛的发展，因其无污染、能量集中的优点受到各行业的青睐[1-3],同时,随着计算机技术的快速发展，激光雕刻在纺织面料以及皮革面料上的应用范围也进一步扩大，它能够在各种各样的皮革面料上面进行快速镂空和雕刻出各种各样的图案，并且操作的方法十分灵活，与此同时，激光雕刻技术一般不会使得皮革的表面产生变形的情况，这样能够将皮革自身的质感和颜色体现出来，但由于各种因素的影响，我国激光雕刻在皮革上的应用还不够广泛。

虽然激光技术的快速发展使得激光加工在服装面料等各种材料上都得到了一定的应用[4]，但在技术发展的同时必须兼顾能量的消耗，所以在进行激光雕刻时要达到理想的雕刻效果，雕刻难度的分析固然重要，但参数的合理设定同样也不可忽略,另外陆建等[5]指出激光与材料的相互作用过程既取决于激光光源的因素，又与被作用材料及外部环境有关。鉴于此本文对影响激光雕刻效果的因素进行了详细的分析，通过设计简单花型并在PU合成革上雕刻，探索PU合成革上激光雕刻的适宜工艺参数，为皮革上激光雕刻提高数据参考。

1 激光雕刻

1.1 激光雕刻原理

高度集中的激光束按照电脑设计出的图案照射服装面料，被照射的面料在极短时间内性能发生变化，并迅速熔融、汽化或达到燃点，并通过高速气流吹除熔融物质后完成雕刻或者镂空的工艺过程。随着雕刻强度的不同可以在面料上雕刻出深浅不一的图案，实现不同的雕刻效果。[6,7]

1.2 激光雕刻特点

①非接触加工，无工具磨损，可依据不同的雕刻效果设定不同的雕刻参数；②能量高度集中；③应用范围广，可对金属等进行加工；④加工技术灵活；⑤激光加工效率高，可提高产品附加值。

1.3 雕刻步骤

本研究在PU合成革上进行激光雕刻的步骤如下：

①选定所需要的皮革面料；

②利用CORELDAW软件设计图案；

③在电脑上转化图案格式；

④将图形传输到激光雕刻机；

⑤将面料铺放平整并完成图案的雕刻。

1.4 激光雕刻加工类型

激光雕刻加工类型:依据激光束照射材料并与材料瞬时发生相互作用的原理，可将激光雕刻加工分为由于激光束与材料表面相互作用时产生热效应的激光热加工和光学反应加工两大类。其中光学反应加工是指当激光束照射到材料表面时，借助密度较高且能量较高的光子以激发或者控制光化学反应的加工过程。本研究中所使用的激光雕刻机的加工类型属于激光热加工。激光热加工流程见图1。

图1 激光热加工过程如流程图

热加工原理在PU合成革激光雕刻中应用：激光束具有高功率，高密度且方向精准等特点，可以将激光束通过光学聚焦装置汇聚成直径小，能量密度都很高的光斑,当光斑作用于PU合成革上的切割点时，光斑的能量被PU合成革材料所吸收，引起皮革材料吸收点的温度快速升高，并随即出现光斑大小的孔洞，使激光光线按图案的设计进行移动，即可在皮革上雕刻出需要图案。

1.5 激光产品类型

激光产品类型：目前在我国服装行业对激光加工的应用还较少，因此还没有对服装面料激光加工产品进行一个规范的分类。本文中根据激光在加工时是否将面料穿透可将激光雕刻类型分为两类：镂空型产品、凹凸型产品。激光镂空型雕刻就是在激光按照设计的图案作用于面料，并使雕刻的图案以孔洞形式呈现。凹凸型雕刻则是雕刻后的图案深度小于面料总厚度的雕刻，即雕刻图案以凹凸的形式呈现。

2 PU合成革

PU合成革归属为聚氨酯弹性体类别，它由基布和具有微孔结构的聚氨酯面层两部分构成。因光泽柔和、具有似真皮的外观，耐磨，不易卷曲、抗老化等优点被广泛应用于各行业。虽然PU合成革价格高于人造革，但合成革可根据原料和加工方法的不同生产出柔软度不同的各面，适用于不同类型产品的需要。同时合成革从化学结构来看更接近于皮质材料。另外，人造革会变硬变脆，但PU合成革由于不含增塑剂因此不会变硬，且PU合成革色彩丰富、花纹繁多。

3 影响PU合成革上激光雕刻的因素

2013年，李明[7]等认为面料的相关性能对激光雕刻参数的设定有很大的影响。PU合成革虽然具有抗磨损、耐卷曲、抗老化等多种优良性能，但材质不同的皮革仍然在性能上有所差别。张文君、李思益[8]提出皮革由于其具有沸点低、传导率低的优点可以将激光技术应用于皮革裁剪行业。在研究学者们的启发下并结合热加工流程图可以得出不同性能PU合成革对激光的吸收率、分解点以及热传导率都影响着雕刻难度(在面料上达到一定雕刻深度时所设定的工艺参数的高低称为雕刻难度)与雕刻效果，而影响雕刻难度与雕刻效果的因素主要为雕刻速度与激光强度等。因此本文重点探讨了雕刻速度与激光强度对PU合成革激光雕刻效果的影响。

4 实验

4.1 实验材料与仪器

实验材料：以机织布为基布的PU合成革(产品重量0.7 kg/m，誉梦旗舰店)，如图2为聚氨酯面层，下页图3为机织布基布。用CorelDraw软件设计的雕刻图案(如下页图4所示)。

实验仪器：富怡激光雕刻切割机(天津宝盈电脑机械有限公司)

图2 聚氨酯面层

图4 雕刻图案

4.2 实验前分析

雕刻难度与雕刻效果是相互关联的因素，雕刻难度的大小直接影响到雕刻参数的设定，从而对雕刻效果产生影响。当然雕刻难度也不是越低越好，激光雕刻的效果主要取决于雕刻工艺参数——雕刻速度、雕刻强度、雕刻精度，以及一些其他因素。本文将激光雕刻产品分为凹凸型雕刻产品与镂空性雕刻产品，尤其是在进行镂空型雕刻时，要考虑到能源的消耗，尽量在小的雕刻参数下达到理想的花型效果。

对于凹凸型雕刻精度的设定取决于图案的设计，精度的设定可依据图案的大小以及精细度来调整，精度越高，相同区域内的雕刻次数就越多，雕刻出的图案就越精细。但不管是哪种类型的雕刻想在材料上达到一定的雕刻效果，就必须使所使用的材料能够吸收到一定的激光能量，这一能量的吸收同时取决于雕刻速度与激光强度。若想在皮革面料上雕刻出理想的花纹图案，需要花费大量的时间和面料来调节激光强度或雕刻速度，很难实现雕刻一次就达到较好的效果[8，9]。

4.3 实验内容

实验共分为两部分，着重对雕刻速度和雕刻的激光强度进行讨论，实验1使雕刻速度保持不变，改变雕刻的激光强度；实验2使雕刻激光强度保持不变，改变雕刻速度，而激光功率始终保持在较高的水平。实验过程中通过调节激光雕刻机右侧的控制面板调节，在每次雕刻结束后及时记录数据。

4.4 实验结果与讨论

实验1：雕刻速度为50m/min，观察不同激光强度下的雕刻效果。

(1)首先进行PU合成革的正面雕刻，雕刻方式分别为清扫和勾边。

①清扫的雕刻方式：不同大小的激光强度和速度对雕刻效果有明显的影响，本次实验保持其他参数不变，并使雕刻速度维持在50 m/min，对雕刻强度进行了多次设定。图5-图9为不同激光强度的雕刻效果图。

图5 激光强度为3.8%的雕刻效果

图6 激光强度为4%的雕刻效果

图7 激光强度为20%的雕刻效果

图9 (激光强度为28%-28.7%的轮廓线效果图)

将图5-图9按雕刻后图案的凹凸程度可分为浅、较浅、较深、深、镂空。

在进行雕刻过程中，在激光强度为3.5%时，皮革表面基本无任何变化，只有局部的面料部分在很浅的的表面呈现熔融状态，但并没有达到PU革面层的分解点，所以强度为3.5%的激光基本对聚氨酯面层不起作用。激光强度达到3.6%时，面料表面发生了细微的变化，局部面料在激光的作用下颜色变浅，PU合成革面层已经达到分解点。从图5-图8可以看出随着激光强度的不断增强，图案的凹凸感越强。当激光强度为20%～28%时，雕刻图案的凹凸感虽然更强，但雕刻后的面料厚度会变薄，从而影响到面料的耐穿性，强度达到28%～28.7%时，面料虽被雕透，但轮廓线不是很清晰，周围有明显的残留烧焦面料(如图9)，同样也增加了后整理的复杂度。当雕刻的激光强度上升到29%～32%时，图案雕刻后达到了比较理想的效果，但轮廓边缘仍有少量的基布残留。

综上分析，对皮革上雕刻效果的要求不同，参数的设置范围也不同。在不进行染色的情况下要达到皮革上图案的设计同时不要求凹凸感，可以将激光强度设定在3.8%左右；雕刻图案要求有强烈的凹凸感，在不影响面料耐穿性的情况下，可以将激光强度设定在12%～22%之间。而在进行镂空型雕刻时，由于在激光强度为29%～32%时，镂空雕刻后的图案边缘存在烧熔后的基布残留，所以镂空雕刻的最佳区间可以设定在33%～37%之间。

② 勾边的雕刻方式：勾边的雕刻方式一般用于凹凸型雕刻且其雕刻程度至少为较深、镂空型雕刻。图10为不同激光强度的勾边雕刻方式雕刻效果图。

(a)

(b)

(c)

(d)

图10 勾边雕刻方式雕刻效果图((a)(b)(c)(d)的激光强度分别为35%/40%/50%/55%)

通过实验得出当激光强度为25%时，可以达到一个比较深的雕刻程度，当激光强度上升到40%时，面料部分被雕透。对于镂空型产品，在激光强度达到50%时PU合成革才被雕透，但需要人工操作才会与面料分离，只有激光强度达到53%时面料才会自然分离。同时在实验过程中发现，勾边雕刻图案雕刻所用时长明显短于清扫雕刻方式，在相同的参数条件下雕刻效果也明显不同，在速度为50m/min时，勾边雕刻对激光强度的要求更高。从图10-b中可以看出激光强度上升到40%时，还不能够完全穿透面料，实验过程中发现当激光强度达到53%时，已经能够完成图案的雕刻，但在55%时效果达到最佳(如图10-d)。因此若选择勾边的雕刻方式时应选择激光强度的范围可设定在53%～57%之间。

综上所述，勾边雕刻与清扫的雕刻方式相比有明显的优势，雕刻速度快，可以提高生产速率，被雕刻后的图案轮廓也要比清扫雕刻整洁，对机器的损伤度小，但其所需的激光强度较大，同时在进行凹凸雕刻后的图案效果不如清扫雕刻方式下的图案清晰丰满。

(2)其次是反面雕刻，雕刻方式为清扫：从反面雕刻的方式只针对于镂空型产品。图11为反面雕刻时不同激光强度下的部分效果图。

(a)

(b)

图11 反面雕刻效果图(其中(a)(b)的激光强度分别为29%，34%)

由图11(a)可看出当激光强度设定为29%时，激光无法将面料穿透，且皮革面层已经被烧焦。激光强度在30%～33%时，面料开始镂空，但效果不佳，雕刻强度为34%时(如图11(b))，镂空雕刻达到一个比较理想的效果，因此从反面进行雕刻时，可以将激激光强度度设定在34%～38%内，在此范围内激光能量消耗较少，同时可以达到理想的雕刻效果。

实验2：设定雕刻激光强度为25%、探讨从PU合成革正面以不同雕刻速度雕刻图案的效果，且雕刻速度的不同对雕刻效果的影响如图12所示。

(a)

(b)

从图12可以看出在激光强度一定时，随着雕刻速度的降低，雕刻深度逐渐加深，在雕刻速度为35m/min时，面料被雕透，但效果不佳。雕刻速度在25m/min～30m/min时，图案雕刻后的效果比较理想。

5 结论

(1)从正面以清扫的雕刻方式雕刻图案时，在不进行染色的情况下要达到皮革上图案的设计同时不要求凹凸感，可以将激光强度设定在3.8%左右。若雕刻图案要求有强烈的凹凸感，在不影响面料耐穿性的情况下，可将参数设定在12%～22%之间。进行镂空型雕刻时，镂空雕刻的最佳雕刻激光强度区间可以设定在33%～37%之间。

(2)从正面以的勾边雕刻方式雕刻图案时，可将最佳雕刻效果的雕刻强度区间设定在53%～57%之间。

(3)从反面以清扫方式雕刻图案时，最佳雕刻激光强度参数区间设定在35%～38%为宜。

(4)在激光强度一定时(25%),从正面以清扫方式雕刻图案时可将雕刻速度区间设定在25m/min～30m/min以达到最佳雕刻效果。

[1] 许鑫康, 盛浩宏, 初仲凯,等. 三维激光雕刻机的设计[J]. 机械工程与自动化, 2017(1).

[2] 杜群. 激光雕刻在面料再造与图纹设计中的应用[J]. 现代纺织技术, 2014, 22(2):49-52.

[3] 陈东宁, 倪红军, 裴一,等. 聚四氟乙烯激光雕刻工艺参数研究[J]. 机床与液压, 2016, 44(7):43-45.

[4] 陆必泰.纺织品激光雕(镂)花工艺研究[M].2006.2-19.

[5] 陆建, 倪晓武. 高功率激光与材料相互作用机理研究进展[J]. 激光技术, 1996, 20(3):181-184.

[6] 王艳虎, 陈希章. 光纤激光雕刻有机玻璃工艺研究[J]. 激光杂志, 2015, 36(8):90-93.

[7] 李明, 赵连英, 寿弘毅,等. 牛仔面料性能与最佳激光雕刻能级之间的关系研究[J]. 浙江理工大学学报, 2013, 30(1):51-54.

[8] 张文君, 李思益. 激光技术及其在皮革工业中的应用[J]. 皮革科学与工程, 2005, 15(6):35-37.

[9] 何文元. 纺织品的激光雕花工艺参数研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2008, 22(1):79-83.

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

张楠楠(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织防护纺织品。

郑振荣(1981-)，女，博士，副教授，硕士生导师。

TS190

A

1008-5580(2017)04-0062-06