二氧化碳激光辐照对聚氨酯皮革变色区宽度的影响与建模_贺楚君.pdf

Furniture家具2023年第44卷第2期Furniture2023Vol.44No.2应用技术二氧化碳激光辐照对聚氨酯皮革变色区宽度的影响与建模贺楚君1，李荣荣1*，詹先旭2（1.南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037；2.德华兔宝宝装饰新材股份有限公司，湖州 313200）摘要：激光具有高能量密度、高方向性、高单色性等特性，广泛应用于材料切割、改性等领域，其具有无接触加工、加工效率高、无污染等优点，为实现创新材料高效加工应用提供理论指导与新思路。利用二氧化碳激光辐照聚氨酯皮革表面，选取激光功率、进给速度和离焦量作为输入变量，采用激光加工试验和数学模型分析了激光加工参数对单次激光辐照的聚氨酯皮革表面颜色变化区宽度的影响规律。结果表明，所选激光加工参数对试件表面变色区宽度均有显著影响，在一定范围内，随离焦量、激光功率的增加和进给速度的减小，辐照到试件表面的激光总能量和光斑面积增加，变色区宽度增加。建立了激光加工参数与试件表面变色区宽度关系的二次数学模型，模型能在修正的参数组合下对聚氨酯皮革表面变色区宽度进行精准预测。关键词：二氧化碳激光；聚氨酯皮革；响应曲面法；颜色变化中图分类号：TS664文献标志码：A文章编号：1000-4629（2023）02-0022-06DOI：10.16610/ki.jiaju.2023.02.005Effect and Modeling of CO2Laser Modification on the Color ChangeArea Width of Polyurethane LeatherHE Chujun1，LI Rongrong1*，ZHANG Xianxu2(1.College of Furnishings and Industrial Design，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China；2.Dehua TBao New Decoration Material Co.，Ltd.，Huzhou 313200，China)Abstract：Laser is widely used in material cutting and modification due to its high energy density，high directivity and high monochromatic properties.It has the advantages of noncontact processing，high processing efficiency and no pollution.It provides theoretical guidance and new ideas for the realization of efficient processing application of innovative materials.CO2laser were used to irradiate the polyurethaneleather surface.The laser power，feed speed and focus plane position were selected as input variables，theinfluence of laser parameters on the polyurethane leather discoloration area width under single laser irradiation was analyzed based on laser processing experiment and mathematical model.The results show thatthe selected laser parameters have significant effects on the discoloration area width.In a certain range，asthe increase of focus plane position and laser power and the decrease of the feed rate，the total energy andspot area irradiated to the polyurethane leather surface increase as well as the discoloration area width.The quadratic model between the laser parameters and the polyurethane leather discoloration area widthhas been established，which can accurately predict the polyurethane leather discoloration area width under the modified parameter combination.Key words：CO2laser；polyurethane leather；response surface method；color difference基金项目：教育部产学合作协同育人项目（202101148006，202002316001）；江苏省高等学校自然科学研究项目（18KJB220008）。作者简介：贺楚君（1998），女，硕士研究生，研究方向为先进木材加工技术。Email：。通信作者：李荣荣（1989），男，副教授，研究方向为家具智能制造技术。Email：。引文格式：贺楚君，李荣荣，詹先旭.二氧化碳激光辐照对聚氨酯皮革变色区宽度的影响与建模J.家具，2023，44（2）：22-27.022家具2023年第44卷第2期Furniture2023Vol.44No.2Furniture应用技术聚氨酯皮革是一种由硬段和软段相间的链段结构组成的聚氨酯合成材料，有优良的弹性、耐磨性等特点。聚氨酯皮革是当代品种最多、用途最广的一类嵌段高分子聚合物1，广泛用于服装、家具及汽车等领域2-4。传统切割加工皮革，加工精度低并产生不必要纹路和渣滓，加工粗糙且无法雕刻精致图案，降低材料利用率5-6。激光加工是一种具有近净加工和高加工效率等优点的新型加工技术7-8。二氧化碳激光器是一种发射高能量密度电磁波的工业激光器，广泛用于皮革切割、雕刻加工9-11。聚氨酯皮革作为一种高分子有机材料，对二氧化碳激光几乎完全吸收，表现出良好的加工质量。曾婷婷12采用了准分子激光器对聚氯乙烯等高分子聚合物进行表面改性，并通过多种组合参数对材料表面性能进行调控。Stepanov等13利用了二氧化碳激光对皮革进行激光切割，得出了激光适用于切割复杂的皮革几何形状。综上所述，二氧化碳激光适用于聚氨酯皮革的切割、雕刻等应用，激光参数对皮革加工具有显著影响。然而，激光加工使聚氨酯皮革表面产生颜色变化，加工导致的材料表面颜色变化区的影响规律尚未见研究14-15。采用进行往复进给运动的激光发射器对聚氨酯皮革表面进行试验加工，基于Design Expert建立激光参数与变色区宽度间的数学模型。研究结果对于激光改性聚氨酯皮革表面的激光参数选择具有指导意义，为创新皮革材料表面加工技术，实现其提质增效提供理论指导，也为拓宽激光技术在皮革材料加工领域的应用提供新思路。1材料与方法1.1试验材料试验材料为聚氨酯皮革（Poly Urethane），由东莞市名和皮革有限公司提供，试件尺寸为150 mm（L）40 mm（W）8 mm（D）。1.2试验方法激光辐照过程中，通过参数可控的CO2激光数控雕刻机（百绘BHK6090）在聚氨酯皮革表面发射连续移动的聚焦光斑使试件表面产生颜色变化，为便于观察激光参数对试件变色区宽度的影响，两相邻运动路径间的距离为辐照宽度16-17。试验操作流程如图1a所示，激光发射器沿试件纹理方向完成5条间隔50 mm的运动路径以避免干扰，利用体视显微镜（麦克奥迪体视显微镜）测量每一试样5条运动路径的变色区宽度并计算平均值。激光光斑聚焦点到试件表面的距离为离焦量，离焦量应保持在焦深范围内，当激光束焦点在试件表面时离焦量为零；焦点在试件表面上方时离焦量为正；焦点在试件表面下方时离焦量为负18。试验离焦量取值为8，4，0 mm，如图1b所示。a.试验装置图1 试验方法详细示意图Fig.1 The detailed schematic diagram of experimental methodb.不同离焦量1.3试验设计Design Expert是一种可优化随机试验过程的统计试验法，通过输入变量与响应变量获得多元线性回归方程并探明其定量规律19-20。采用响应曲面023Furniture家具2023年第44卷第2期Furniture2023Vol.44No.2应用技术法分析激光参数（激光功率、进给速度和离焦量）对聚氨酯皮革表面变色区宽度值的影响规律。试验参数及数值如表1所示。表1 激光加工参数及数值Table 1 The laser parameters and their values参数激光功率/W进给速度/（mms-1）离焦量/mm数值40700488545610082结果与讨论对聚氨酯皮革进行激光加工的应用研究较少，可参考的研究成果有限，但多数成熟的加工参数已被存储在加工系统的控制装置中，也可借鉴非金属、高分子聚合物等材料激光加工的研究方法21-22。皮革对CO2激光的吸收率较高，热量传递较快，因此精确组合参数是利用激光表面处理的必要条件之一23。试验的结果如表2所示。表2 变色区宽度变化值的实验结果Table 2 The results of the width of color change area variation顺序1234567891011121314151617试验顺序1310925612315741416178111参数激光功率/W48.048.048.056.040.056.048.040.048.040.056.048.048.048.056.040.048.0进给速度/（mms-1）85.0100.070.070.085.085.0100.0100.085.085.0100.085.085.085.085.070.070.0离焦量/mm4.00.00.04.00.00.08.04.04.08.04.04.04.04.08.04.08.0单次激光辐照的变色区域宽度/m1 070.480573.922710.0001 158.010617.676602.0291 122.700988.3651 070.4801 147.5701 030.0501 053.3301 053.3301 045.5501 255.0401 097.3101 275.4602.1 激光参数对变色区宽度的影响单次激光辐照在不同激光参数组合下的变色区宽度数值如表2所示，激光参数对变色区宽度影响趋势如图2所示。由图2可知，所选激光参数均对变色区宽度有显著影响，变色区宽度与激光功率和离焦量呈正相关关系，与进给速度呈负相关关系。多数激光器产生近高斯能量分布，使激光束中间形成一个较小焦点，从而发出高能量密度的光束。当焦点位于试件表面，激光束峰值能量作用于表面，光斑面积小，平均能量密度较大，使变色区宽度较小；当焦点位于试件上方并逐渐增大，激光束峰值能量未作用于试件表面，光斑面积增大，激光发散将能量分散到增大的表面区域使传递到试件表面的平均功率密度降低，变色区宽度随之增加24。图2 激光参数对变色区宽度的影响规律图Fig.2 The influence of input index on the width of colorchange area当进给速度较低，激光束与试件表面作用时间较长造成热聚集，使变