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对镀铬合金结构进行精确的激光拉丝处理

来源:荣格 发布时间:2018-06-09 451
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测 技术前沿
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将引人瞩目的光学与金属触感效果相结合,可以赋予塑料表面更高档次的外观。但是,精细的拉丝结构通常会因为部件随后的电镀处理工艺而消失,或者表面受到损害。而这可以通过模具的结构设计和激光对部件坯件及其镀铬表面进行结构处理予以避免。

用BIA的新装饰工艺加工的镀铬表面,带有或不带有拉丝效果,结构触感细腻(© BIA)

摘要

将引人瞩目的光学与金属触感效果相结合,可以赋予塑料表面更高档次的外观。但是,精细的拉丝结构通常会因为部件随后的电镀处理工艺而消失,或者表面受到损害。而这可以通过模具的结构设计和激光对部件坯件及其镀铬表面进行结构处理予以避免。

近年来,汽车工业对于高档汽车表面和营造独特的汽车内饰环境的投资不断增长。除了木质产品和上漆部件,这些设计元素还包括具有特殊外观、触感优良的电镀塑料件。将真实的金属表面、注塑成型的自由几何形状以及轻质的塑料材料相糅合,创造出巨大的应用空间。除了人们熟悉的哑光和高亮表面外,市场对于表面呈拉丝效果的需求也在上升。由位于德国索林根的BIA  Kunststoff - und  Galvano- technik 公司新近开发的专利创新工艺,将拉丝的光学效果与电镀塑料的优势结合在一起。通过将部件的结构表面与后续电镀表面的光学处理结合在一起,这种新型的光学效果和触感的相互作用创造出了有趣的设计元素。

电镀塑料部件作为装饰元素

在生产装饰件时,需要综合考虑电镀塑料、光学效果、触感和成本因素。由于注塑部件所具有的设计自由度可以实现复杂几何形状的生产,因此有望获得具有很多细节特征的表面。为了提高汽车装备的吸引力和价值,通常会对汽车金属多层结构的表面进行电镀。这不仅达到了金属表面的光学效果,其层厚同样赋予部件金属质感。除了用于汽车高亮镀铬内饰外,近年来,汽车各种内饰件的哑光表面也成为关注的焦点(图1)。这些饰件范围涵盖镀铬展示架到开关、握手以及其它操作部件。

图1 不同镀铬表面的比较:经典的高光泽镀铬(左)、现代哑光镀铬表面(右上方)及由BIA专门开发的带纹理的镀铬表面(右下方)(© BIA)

当使用哑光表面时,汽车制造商会通过不同程度的光泽和亮度来显得与众不同。电镀工艺可以通过特殊的助剂在层结构件上形成“瑕疵”,使表面光泽因光反射而暗淡。根据“瑕疵”的排列及数量,表面外观可以形成极大的差异。过去,BIA Kunststoff - und Galvanotechnik 已经对此进行了定义,并根据OEM的要求,开发了特定的表面效果,其中包括3Q7 (大众汽车集团)、SilverShadow (戴姆勒)以及珠光镀铬(宝马集团)等。

精细加工部件的表面结构

负结构空腔是最先进的加工技术,可在模具中直接形成装饰性表面。根据结构所需的细节和复杂性要求,可以通过模具构造的配置和回火来获得有趣的设计元素。如果这些零件通过随后的上漆或其它分层方法进一步精加工,会对模塑成坯件的结构产生影响。上漆和沉积层处理会使表面结构平整,并改变光学效果。当然,会保留触觉效果,但模具结构的细节不再具有装饰功能。

这同样适用于电镀的成型结构部件。尽管如此,为了保持拉丝结构,有的时候会用机械拉丝方式加工这些表面。这种方法非常精细,必须重视部件粘合的质量和抗腐蚀能力,因为机械拉丝会去除镀铬层。特别是在暴露部分,可能会导致镀铬层的磨损、加快腐蚀以及镍的释出。

另一种形成拉丝结构的方法是对镀镍层进行再加工。这种方法也比较复杂,因为它会影响镍层的形成过程。而且,必须在最终镀铬前,确保镀镍层之间进行复杂的相互作用。此外,拉丝过程产生的镍粉尘会对生产环境造成影响,这也是这种工艺尚未成功商业化的原因所在。

作为替代方法,现在一般采用镀膜部件。膜层通过后成型薄膜,形成类似铝拉丝表面。但是,这种效果纯粹只是光学方面的,其缺乏任何有质感的结构,不存在真正的金属表面。而在另一方面,膜又能展现出非常灵活的装饰效果。

拉丝结构新工艺

BIA  Kunststoff - und  Galvano- technik 公司开发并取得了专利的一种新型简化生产工艺,它能够在镀铬塑料部件上形成确定性的拉丝效果。一方面,该工艺可以在拉丝表面形成光学效果,另一方面,其质感结构可以带来整体的高价值外观(图2)。

图2 新工艺赋予镀铬层拉丝外观和触感,形成了整体的高品质感觉,与未处理区域形成了有选择的区别(图上方)(© BIA)

在模具内形成拉丝结构,加上后续的镀铬表面,就可以制造出这种效果。在模具中,对拉丝结构作为装饰部分的部件所在区域的结构进行了相应的设计。同时,通过适当的温度和过程控制,将这种结构转移到注射成型坯料中。所有常见的ABS聚合物或可电镀的ABS混料均可使用这一工艺。

继注塑成型后,部件经电镀工艺,形成符合汽车行业标准的由铜、镍和铬组成的层结构。对于内饰件而言,获得整体系统的层厚约为40 µm。其中,尤其是铜沉积层的平整效果会影响结构的形状。由于特定部件位置金属层沉积差异降至最低,并且由于部件在产品载体上的布局的原因,所产生的结构的外观不适合直接销售。结构件变得不规则,失去了拉丝结构清晰的锐度。在一个2000 mm² 的表面上,应考虑30-60%的结构矫平。图3系统地展示了在模具内成型的结构组成以及电镀层系统的结构形状。

图3 模内结构化塑料部件的组成层示意图。高达60%的最初用于模具内的细颗粒被不同的层矫平。主要部分含有约25μm厚的铜镀层和镍镀层 (© BIA)

为了增强光学效果,可以考虑提高模具结构的粗糙度。但这种方法存在其局限性,因为它减少了不同层的黏合力,增加了涂层过程中的毛细管作用,容易导致缺陷。同时,形成的不平整表面也无法得到补偿。当然,这一方法也有望保留金属表面拉丝触感。

激光调整结构实现光学效应

决定BIA激光拉丝工艺是否成功的是电镀后的步骤。激光处理可以产生均匀的拉丝外观,消除电镀带来的不平整。表面结构保持了触感,而光学效应则来自于激光的结构化处理。因为大脑不能精确地匹配这些印象,任何看到表面的人都会感觉到它好像被刷过一样。激光处理以不会去除层结构效果的方式进行,从而排除了对结合和耐腐蚀性产生任何负面的影响。

激光处理可改变镀铬层的微观结构,进而影响到层的颜色,导致颜色变化。由于相应的能量输入和短期的温度升高,金属中的微观结构发生了变化。通过激光的特别聚焦,因激光聚焦带来的短期能量输入,在定向结构上形成了光学效应和颜色变化。这种现象只发生在层结构的边界层,既不影响复合层,也不影响塑料基体。

收获和需求

迄今为止,BIA激光拉丝工艺已经经过原型部件的验证,并成功经受了汽车行业对于粘合、耐介质腐蚀和防腐等常规要求的考验。该体系证明能经受如CASS耐腐蚀考验,同时也能经受PV1200– 8循环的耐候性测试。

有两种因素会限制部件的几何形状。开始时,模腔应能够进行结构设计,对于机械或化学精加工,或者光学要求来说都适用。也就是说,结构是否能满足壁厚或类似参数的变化要求。第二个限制因素是激光的聚焦。迄今为止,只在尺寸为120mm*120mm、高度变化很小的平整表面部件进行了测试。这种局限当然是因为所用的激光系统技术所致,测试可以在激光工作区较大的设备上进行。

加工潜力

由于该激光技术的发展还处在初始阶段,激光器的工作范围目前局限于小的焦点范围。当聚焦部位引起颜色的改变时,可能会因为热量的输入造成条件变化,产生偏差。这就是为什么这个技术首先用在仪表板区域或内部门板中的横杆上的原因,也可以加工关键的三维几何形状。在这些表面范围内,这一工艺可以将高光泽部分与结构化区域清晰地分开,从而提供了新的设计方案,以突出需要高亮的部位,并通过触觉印象提高组件的价值。

为了能够生产高度相差较大的自由形式的表面,同时又不会损害结构的细节部位,未来有望加大激光的工作范围。


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