对纤维覆盖材料尤其是天然皮革去除材料以引入弱化线的方法

摘要

本发明涉及一种用于通过在纤维覆盖材料(1)、尤其是天然皮革上去除材料以引入弱化线(2)的方法，其中，脉冲式激光射束(31)在背侧(12)上多次线形地进行引导，其中，针对每个入射位置(24)仅输出一个导致能量输入的激光脉冲，该能量输入在入射位置(24)上导致覆盖材料(1)被加热至烧蚀阈值之上的温度，而该能量输入将在覆盖材料(1)的与入射位置(24)邻接的区域中的温度保持在边界温度之下。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于通过在纤维覆盖材料上去除材料以引入弱化 线的方法，该方法例如按类属由公开文献WO2005/049261A1公知。

背景技术

在车辆或交通工具中，使用安全气囊系统通常是当前的标准。为 了不影响乘客的美学上的感知，安全气囊尽可能不可见地布置在车辆 的内饰板的后面。内饰板通常由稳固的并且面式的成形部件构成，成 形部件由塑料或复合材料构成。因为安全气囊会在触发的情况下穿过 内饰板顶出，所以必须设置有安全气囊盖。安全气囊盖往往由内饰板 的特殊结构化的区域形成，其具有沿安全气囊盖的边缘引入的预定破 裂部位，通过这些预定破裂部位确保了内饰板的安全且限定的撕裂。

在高品质的内饰板实施方案中，内饰板的稳固的部分经常套有附 加的、装饰性的覆盖材料，通过这些覆盖材料使表面获得视觉效果和 触觉效果的进一步提升。这些覆盖材料通常是柔韧且薄壁的材料，例 如塑料薄膜、人造皮革、纺织的经编织物、微纤维无纺布或天然皮革。 对于安全展开安全气囊来说，覆盖材料在安全气囊盖的区域中也必须 配有预定破裂部位。为此，正如在内饰板的部分那样引入弱化线。出 于视觉效果的原因，引入通常在覆盖材料的不可见的背侧中进行。与 弱化线的可准确调节的保留的抗断裂强度相比，对表面的最高的质量 要求只有当弱化线在覆盖材料的面向乘客的外观侧上在视觉上和触觉 上不能察觉到时才得到满足。

为了引入弱化线而提供有一系列方法。在公开文献US5082310A 描述的方法中，弱化线利用刀状的刀片引入。利用刀片，覆盖材料在 背侧上要么被划破，要么被部分切开到大约材料厚度的一半。在此， 乙烯层作为要切割的覆盖材料。切割深度借助位于覆盖材料的背侧上 的机械支撑元件来调节，刀片相对于该机械支持元件具有匹配于材料 厚度的间距。

在之前提到的US5082310A中，还公开了一种可控的刀片，利 用该刀片可以在切割过程中改变切割深度。

对于切割在此描述的具有恒定的材料厚度的乙烯层来说，该方法 显然非常适合的。在天然的覆盖材料，例如具有在材料厚度和材料特 性上的不均质性的皮革中，切割深度调节的原理是不适用的，这是因 为没有设置能对不均质性做出反应的器件。为了在具有很小的材料厚 度的部位上不对皮革的外观侧造成损坏，整体上仅可以以相对较小的 切割深度工作。但是在相对较小的切割深度情况下，皮革的形成抗断 裂强度的主要部分的且非常薄的表皮仍保持完好。

借助激光器将弱化引入层式的装饰复合件中的方法在专利文献 DE102006054592B3中公开。装饰复合件通常由外观侧的装饰材料 和装饰载体材料构成，在它们之间布置有一个或多个填料层。弱化在 多个连续的工作流程中引入。在第一工作流程中进行对装饰载体的非 穿透性的预弱化，从而在预弱化的区域中，在至少一个第二工作流程 中以穿透装饰载体的穿通孔的形式进行再弱化。在预弱化的区域之间 或穿通孔之间保留有未被弱化的连接部，其在第二工作步骤中以至少 一个盲孔再弱化。用于实施穿通孔或用于使穿通孔深度匹配于不均质 的装饰材料、例如皮革的说明无法从之前提到的文献中获知。此外， 该方法由于不同的相继跟随的工作流程的数量而表现得相对复杂。

另一激光方法在公开文献DE112006000443T5中描述。在此， 利用脉冲式激光射束，在例如仪表板的安全气囊遮盖件中引入穿通孔。 仪表板至少由基层和更薄的塑料构成的皮层(外观侧)来构建。穿通 孔从基层这一侧引入，并且可以延伸到皮层中。穿通孔的深度通过激 光射束面对仪表板的皮层的燃烧点的监控位置来调节。穿通孔的间距 (在此是分度)通过改变脉冲重复频率(在此是周期)来调节。在该 文献中也没有提到使穿通深度匹配于不均质的皮层、例如皮革。

在公开文献US5611564A中公开的方法中，通过多个方法步骤 将弱化线引入天然皮革中。首先，皮革的背侧被预处理，其方法是： 该背侧在预定破裂部位的区域中利用低粘度且要硬化的介质浸泡。为 此使用的漆在其硬化之前应侵入皮革的背侧中直至材料厚度的75％。 由于硬化的、永久保留在皮革中的漆，使皮革在弱化线的区域中变脆。 在变脆之后，形式为槽或其他的线形凹部的弱化线引入该区域中。这 通过材料去除进行，材料去除借助激光方法或超声波法执行，并且移 除材料厚度的最大50％。在该方法中并不追求实现皮革的尽可能小的 剩余壁厚度，由此至少在引入弱化线的情况下不存在损坏皮革的外观 侧的风险。在这里，在凹部区域内的预定破裂作用通过皮革的变脆来 实现。但变脆区域的缺点是，该区域肯定会对皮革的外观侧上的触觉 特性产生负面的影响。

借助脉冲式激光器通过给天然皮革或其他纤维材料穿孔而建立弱 化线的方法在公开文献WO2005/049261A1中公开。穿孔由多个单独 的穿通孔组合成，这些穿通孔沿弱化线通过保留的连接部彼此隔开地 布置。

例如在之前提到的WO2005/049261A1的现有技术文献中，也在 单次实施激光器相对于覆盖材料的相对运动期间引入弱化线，其中， 穿通孔一个接一个地依次制成。通过结合相对运动的速度相应调整脉 冲持续时间和激光功率来影响穿孔深度，或者调节覆盖材料的保留的 剩余壁厚度。

此外提出如下措施，通过这些措施，覆盖材料的热负载在激光加 工期间保持得很小。为此，以短激光脉冲或超短激光脉冲并且以各个 激光脉冲之间的相应的间歇制造出依次布置在弱化线上的穿通孔。与 所陈述的方法相应地，必须以如下为出发点，即，这些间歇通过降低 脉冲频率实现，从而否则以更高的频率入射的激光脉冲的能量输入不 能够随着时间相加。

为了避免导致翘起和进而导致弱化线的可视性的纤维结构改变， 覆盖材料在激光加工之前被降温或预收缩，或者将特殊的固定介质施 加在背侧上。

相对于之前描述的方法，利用该方法可以制造出具有限定的抗断 裂强度和明显更小的抗断裂强度波动幅度的弱化线。然而，对于在引 入弱化线之前固定纤维来说，除了激光加工以外，至少一个附加的用 于施布固定介质的方法步骤是必需的。此外，尤其是当固定介质仅分 区段地并且没有大面积地施布时，使用固定介质在局部导致覆盖材料 在外观侧上的不期望的触觉上的改变。此外，由于激光脉冲之间的要 保持的间歇和激光器的为此减少的脉冲频率，加工过程变得缓慢。

发明内容

本发明的任务是提供一种方法，利用该方法可以较少耗费地借助 激光器将弱化线引入纤维覆盖材料中，而不会在此在视觉和触觉上改 变纤维覆盖材料的外观侧。

根据本发明，针对如下方法，该方法用于通过在具有外观侧和与 外观侧背对的背侧的纤维覆盖材料、尤其是天然皮革上去除材料以引 入限定的弱化线，其中，脉冲式激光射束对准背侧并且线形地进行引 导，其中，在此形成的弱化线的深度沿着线在激光射束入射位置上分 别通过多个激光脉冲一起来确定，该任务通过如下方式解决，即，线 形引导是扫描运动的多次重复，在该扫描运动中，沿着线分别在每个 入射位置上输出仅一个激光脉冲。激光脉冲的参数在此选择成使该激 光脉冲导致如下能量输入，其在各自的入射位置上导致覆盖材料被加 热至烧蚀阈值之上的温度，而在覆盖材料的与各自的入射位置邻接的 区域中的温度保持在边界温度之下。

有利的是，多次重复扫描运动，直到在外观侧上达到最小的剩余 壁厚度。

通过沿着线以相同的方向多次重复扫描运动，对于每个沿着出现 的弱化线的位置来说确保相同的用于冷却的持续时间。

为了针对每个入射位置仅入射一个激光脉冲，有利的是，扫描运 动的速度和脉冲式激光射束的脉冲重复频率相互协调。

替选地，激光射束在重复扫描运动期间可以有利地与固定的时间 间隔(Regime)相应地被接通和关断，其中，沿着线引入的弱化线具 有缝隙-连接部线的形式，其具有缝隙和连接部的交替的接连排列。

有利的是，缝隙具有在2mm至5mm范围内的缝隙长度，连接部 具有在1/2至1/4缝隙长度的范围内的连接部长度。

有利的是，激光射束的激光脉冲利用短脉冲激光器产生，其激光 脉冲具有1ps至10ps的长度，该激光脉冲以10kHz至100kHz的脉冲 重复频率输出。

替选地，激光射束的激光脉冲有利地可以利用超短的脉冲激光器 产生，其激光脉冲具有10fs至1000fs的长度，该激光脉冲以10kHz至 100kHz的脉冲重复频率输出。

有利的是，利用传感来器监控最小的剩余壁厚度，该传感器具有 相应于入射位置的大小的位置分辨率。

有利的是，在单个入射位置上达到最小允许的剩余壁厚度(R)的 情况下，在扫描运动期间以位置分辨的方式关断激光射 束。

附图说明

随后，借助实施例详细阐述本发明。在附图中：

图1示出该方法的原则上的流程和适用于该方法的布置；以及

图2示出具有完全引入的弱化线的区段的覆盖材料的截断。

具体实施方式

利用该方法，在纤维覆盖材料1中引入限定的弱化线2，具有限 定的抗断裂强度的纤维覆盖材料1可以在弱化线上撕裂开。纤维覆盖 材料1在此主要可以理解为天然皮革。引入通过借助脉冲式激光射束 31去除材料来实现。弱化线2在纤维覆盖材料1的在稍后的安装状态 下背离观察者的背侧12上引入，其中，该弱化线在面向观察者的外观 侧11上完全是不可见的，并且是无法触摸到的。

根据在图1中示出的第一实施例，短脉冲激光器3用于产生脉冲 式激光射束31，该短脉冲激光器可以输出具有脉冲长度小于10ns且脉 冲重复频率在10kHz至100kHz的范围内的激光脉冲。脉冲长度也可以 更短且脉冲重复频率也可以更高。原则上，该方法基于脉冲式激光射 束31的使用。当随后仅讨论激光射束时，总是以脉冲式激光射束31 为出发点。

由短脉冲激光器3输出的并且聚焦到纤维覆盖材料1的背侧12上 的激光射束31通过相对运动线形地沿着线21进行引导。因此，沿着 该线21引入弱化线2。

对于沿着线21的相对运动来说，不仅可以使激光射束31运动也 可以使纤维覆盖材料1运动。为此，原则上可以使用所有由现有技术 公知的器件，例如扫描器(仅针对激光射束31)、机器人、直线式驱 动件等。在该实施例中，相对运动通过利用扫描器运动的激光射束31 实现。

如对于本领域技术人员所公知的那样，利用短脉冲激光器3可以 实现高的脉冲能量。在激光射束31聚焦在背侧12上的入射位置24上， 在很小的面积上并且在非常短的时间内输入很高的能量，该能量在覆 盖材料1中导致超过烧蚀阈值。在高于烧蚀阈值时，在每个激光脉冲 中构造出等离子体，由此被加载激光脉冲的覆盖材料1在各个入射位 置24上爆炸式地蒸发。材料去除通过所谓的激光烧蚀进行。激光烧蚀 快速地进行，从而在入射位置24上可以仅出现非常小的局部加热，这 是因为没有时间将该局部加热通过热传导导出到纤维覆盖材料1的与 入射位置24直接邻接的区域中。通过对过程参数(短脉冲激光器3在 这些过程参数的情况下运行)，尤其是所使用的激光器功率的相应调 整，在邻接的纤维覆盖材料1中的局部加热始终保持在边界温度之下。 在超过边界温度的情况下，在与入射位置24邻接的区域中，在纤维覆 盖材料1的结构中已经发生改变，这导致能察觉到外观侧11上的弱化 线2。

因此，对于该方法来说重要的是选择能量输入，从而使入射位置 24上的温度超过烧蚀阈值，而在纤维覆盖材料1的邻接区域中，温度 保持在边界温度之下，以便因此在无需纤维覆盖材料1的其他预处理 的情况下，将弱化线2或者其他措施引入纤维覆盖材料1中。

弱化线2的构造方式可以用不同的方式实现。在第一实施例中， 该弱化线由沿弱化线2的方向定向的缝隙22的接连排列来构建，这些 缝隙分别通过保留的连接部23彼此隔开。

像图2所示的那样，在缝隙22的区域中发生材料去除，直至在外 观侧11上保留的剩余壁厚度R。由于剩余壁厚度R，缝隙22在外观侧 11上保持不可见。缝隙22和连接部23沿着弱化线2具有缝隙长度SLL 和连接部长度STL，它们在数毫米的范围内。缝隙22的与之垂直定向 的宽度由脉冲式激光射束31的聚焦来确定。在射束焦点中的大约20μm 的常见的射束直径的情况下，缝隙22的宽度为大约30μm。

弱化线2的抗断裂强度经由覆盖材料1在缝隙22的区域中的匹配 于纤维覆盖材料1的特性的剩余壁厚度R并且经由连接部长度STL来 调节，其中，连接部长度STL为缝隙长度SLL的大约1/2至1/4，并且 缝隙长度SLL位于2mm至5mm的范围内。根据要求也可以使用其他 的连接部长度和缝隙长度STL和SLL。

在借助在kHz范围内并且在烧蚀阈值上工作的短脉冲激光器3引 入弱化线2的情况下，利用每一个激光脉冲，在表面上仅去除最小量 的纤维覆盖材料1。在天然皮革中，在激光射束31单次入射在入射位 置24上的情况下，去除的材料厚度在30μm与100μm之间的范围内。 因此，根据纤维覆盖材料1的材料厚度d，在相同的入射位置24上需 要多个激光脉冲，以便实现弱化线2的相应的深度T或去除材料直至 剩余壁厚度R。

为此，脉冲式激光射束31实施重复的、线形的并且与现有技术的 相对运动相比更快的相对于纤维覆盖材料1的扫描运动32。根据弱化 线2的构造方式，脉冲式激光射束31在扫描运动32期间以特定的时 间间隔被接通和关断，从而在扫描运动32时，在纤维覆盖材料1中出 现缝隙22的以连接部23隔开的接连排列。

通过在相同的入射位置24上，仅在完整的扫描运动32结束之后 才进行另一去除，产生了用于冷却材料的间歇。在一个入射位置24上 的间歇期间，在其他入射位置24上进行材料去除，由此与现有技术相 比，避免了在制造弱化线2中的延迟。

在缝隙22的区域中，以100kHz的脉冲重复频率输出的激光脉冲 导致材料去除。根据脉冲重复频率，扫描运动32的速度必须至少大到 使两个连续的激光脉冲的入射位置24在空间上彼此隔开，从而针对每 个扫描运动32，在每个入射位置24上仅输出一个激光脉冲。如果聚焦 的激光射束31的理论上的射束直径是20μm，那么就以至少200mm/s 进行扫描运动32。

因为在每个激光脉冲中，在入射位置24上的材料去除仅是非常小 的，所以线形的扫描运动32连续地重复。重复一直进行到在缝隙22 的区域中达到期望的剩余壁厚度R。

因此，对于本发明来说重要的是，脉冲式激光射束31相对于纤维 覆盖材料1以足够高的速度实施连续且经常重复的扫描运动32。

如果线21(弱化线2应该沿着该线引入)是一个线段，那么第一 次扫描运动32从该线段的一个端部延伸至该线段的另一端部。以相同 的方向，又在线段的第一次扫描运动32开始的端部上开始扫描运动32 的第一重复。在重复的扫描运动32之间，关断的激光射束31实施线 段的两个端部之间的返回。

在多次重复的扫描运动32中，在每个入射位置24上实现在脉冲 式激光射束31的重复入射之间的相同的间歇。因此，在相同的入射位 置24上的两个激光脉冲之间的间歇至少为扫描运动32和返回的持续 时间。在此要指出的是，既没有设置也不是必需的是，激光脉冲在每 个重复的扫描运动32中精确射到之前的扫描运动32的相同的入射位 置24上。然而，为了获得均匀的材料去除，扫描运动32的速度匹配 于短脉冲激光器3的脉冲重复频率，从而在入射位置24上既不会出现 在相邻的入射位置24之间的过大的重叠，也不会出现它们之间的过大 的间隙。

扫描运动32也可以以持续交替的方向进行，其方式是：接通的激 光射束31在线段的端部之间持续地往复引导。然而在此，在弱化线2 的端部附近并且尤其是直接在该弱化线的扫描运动32的折返点所处的 端部上可能出现重复的扫描运动32的激光脉冲之间的不同长度的间 歇。不同长度的间歇导致在纤维覆盖材料1的与入射位置24邻接的区 域中的朝向弱化线2的端部升高的温度水平，这是因为能量输入可以 在那里累积。更高的能量输入快速地导致超过边界温度，并且进而导 致纤维覆盖材料1的结构中的改变。

如果线21(弱化线2应沿着该线引入)有闭合的轮廓，那么重复 的扫描运动32就无中断地依次进行。在同一入射位置24上的两个激 光脉冲之间的间歇至少与完整实施的扫描运动32的持续时间一样长。

对剩余壁厚度R的控制利用传感器4进行，该传感器沿激光射束 31的方向与短脉冲激光器3对置地布置在纤维覆盖材料1的外观侧11 上。传感器4连续测量激光脉冲的透射过纤维覆盖材料1的分量的强 度，从而激光射束31可以在达到期望的最小的剩余壁厚度R的情况下， 在完全穿过纤维覆盖材料1之前就被关断了。

利用传感器4以位置上的高分辨率检测整个弱化线2。位置分辨 率至少高到可以确定激光脉冲的单个入射位置24的位置。由此，即使 在缝隙22内部也可以在位置上区分开地关断激光射束31。如果在入射 位置24上已经实现最小的剩余壁厚度R，那么在下一扫描运动32中， 就在该入射位置24上关断激光射束31。在剩余的缝隙22中，材料去 除不变地继续进行。因此，扫描运动32多次重复，直到在弱化线2的 所有缝隙22中，在每个入射位置24上都实现期望的剩余壁厚度R。因 此，在每一个缝隙22中，在注意到纤维覆盖材料1的所有可能的不均 质性的情况下并且以入射位置24的数量级上的位置分辨率可以制造出 最佳的剩余壁厚度R。在由大约1mm厚的常见的皮革构成的纤维覆盖 材料1中，为了引入弱化线2大约需要50次扫描运动32。

为了可以将用于该方法的短脉冲激光器3以位置分辨的方式接通 和关断，该短脉冲激光器和传感器4通过闭环的调节回路连接。

该方法可以特别有利地在弱化天然皮革时使用，但并不局限于此。 其可以有利地用于其他柔韧的并且不均质的纤维覆盖材料1，例如毡或 人造的微纤维无纺布。

在该方法的一个有利实施方案中，为了产生脉冲式激光射束31使 用具有激光脉冲长度为1ps至10ps和脉冲重复频率为10kHz至100kHz 的皮秒激光器或具有激光脉冲长度为10fs至1000fs和脉冲重复频率为 10kHz至100kHz的飞秒激光器。利用这些激光器，纤维覆盖材料1的 热损伤可以减少到最小。

在该方法的其他实施方案中，为了获知剩余壁厚度R也可以使用 与用于透射测量的传感器4不同的传感器。除了检测光以外，声学传 感器或热传感器4也是适用的，只要信号检测足够快速和敏感以防止 激光射束31穿透纤维覆盖材料1。

作为传感器4，不仅可以使用在弱化线2的整个走向上面式地延 展的传感器阵列，而且可以使用多个在弱化线2的走向上分布的传感 器4。也可以使用与激光射束31的扫描运动32同步地一起引导的扫描 器，其将面式地检测到的测量信号输送给各个传感器4。

在另一实施方案中，激光射束31不是点状地聚焦，而是线形地聚 焦。由此，激光射束31的线形焦点在入射位置24上同样构造出线形 形状，其中，线形形状沿弱化线2的方向取向，并且在此有利地准确 地相应于缝隙长度SLL。在有激光脉冲期间，由激光射束31产生的材 料去除在整个缝隙长度SLL上进行。如果扫描运动32与弱化线2的路 线同步，当前的扫描运动32的每个激光脉冲就入射在之前的扫描运动 32的相同的入射位置24上。与点状地聚焦的激光射束31相对地，缝 隙22的区域中的剩余壁厚度可以不用以那么高的分辨率来制造，但是 减少了加工时间，这是因为可以加速扫描运动32。

在另一实施方案中，剩余壁厚度R在引入弱化线2的情况下以如 下程度最小化，即，使得只有在激光脉冲穿透外观侧11的情况下，才 在其中一个入射位置24上关断激光射束31。所产生的穿透部很小，从 而它们具有在皮革中天然存在的孔的数量级，并且它们因此在外观侧 11同样是不可见的。

附图标记列表

1纤维覆盖材料

11外观侧

12背侧

d材料厚度

R剩余壁厚度

2弱化线

21线

22缝隙

23连接部

24入射位置

T(弱化线的)深度

SLL缝隙长度

STL连接部长度

3短脉冲激光器

31脉冲式激光射束

32扫描运动

4传感器