CN109311122B - 用于借助脉冲激光束通过在覆盖材料上进行材料去除来引入限定的弱化线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过在覆盖材料(20)上进行材料去除来引入限定的弱化线的方法，所述覆盖材料具有可见侧(22)和与所述可见面(22)相对置的背侧(21)，在所述方法中，脉冲激光束(31)从激光器(30)指向所述覆盖材料(20)的背侧(21)并且沿着轨迹(50)被导向，并且，设置有至少一个观察单元(11)用于监控弱化过程，其特征在于，在所述覆盖材料(20)的可见侧(22)下方设置有空腔(32)，所述空腔具有散射的和/或反射的内侧面(33)并且所述至少一个观察单元(11)设置在所述空腔(32)上，其中，在激光照射到所述覆盖材料(20)的可见侧(22)上时射出的光(40)照射到所述空腔(32)的内侧面(33)上并且至少部分地散射和/或反射到所述至少一个观察单元(11)上，并且，落到所述至少一个观察单元(11)上的光被用于控制所述激光器(30)。同样可以使用发光的内侧面(33)作为空腔(32)。

Description

用于借助脉冲激光束通过在覆盖材料上进行材料去除来引入 限定的弱化线的方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助脉冲激光束通过在覆盖材料上进行材料去除来引入限定的弱化线的方法。具有引入的弱化部的覆盖材料被用于汽车领域中，例如用于气囊的覆盖层。

背景技术

现今气囊被集成到机动车中的不同部位处，例如在方向盘、仪表板、门、座椅、车顶内饰等中。对于气囊的可靠工作方式需要塑料载体在其所有层内具有一个或者多个限定气囊弹射道的材料弱化部，所谓的理论撕裂部。

由于视觉的原因或者因为外观设计，机动车制造商要求例如集成在仪表板中的副驾驶员气囊在面向乘客的一侧不可见。为此仪表板设有集成在其中的具有覆盖材料的气囊盖，该覆盖材料在气囊盖的边缘区域中具有弱化线，使得确保在碰撞时气囊盖安全打开和气囊展开。

此外，所述覆盖材料沿着弱化线的打开必须在预给定的时间窗内进行。同样，在任何情况下必须避免由于覆盖层的四处飞扬的撕裂碎块导致的不可控的颗粒飞舞。

已知这样的由不同材料制成的用于气囊的覆盖材料，例如由塑料膜、包覆材料、纺织物、浆料、人造革或者纤维材料如天然皮革制成。正好在高档的汽车装备情况下，覆盖层通常由天然皮革制成。在汽车领域中使用的皮革由表皮和真皮构成。由于皮革的厚度波动和较小的表皮厚度，在通过借助刀或者刃切入到皮革背侧中来产生皮革中的弱化部时通常选择这样的切割深度：在该切割深度时表皮保持未损伤。然而，未损伤的表皮的自然波动幅度导致强的抗裂强度波动幅度。

正好在用于气囊覆盖物的理论撕裂线处对可重复的且小的抗裂强度的要求特别高，该抗裂强度在机械切入的情况下不再能够被满足。

已经提出，将长度小于0.8mm的、彼此间隔开的线形打孔部引入到皮革中，如在EP1 750 978 B1中所说明的那样。以这种方式弱化的皮革由于引入的打孔部的最小尺寸(该尺寸位于皮革微孔的尺寸内)在撕开特性良好的情况下具有基本上不可见的弱化部，其中，所述弱化部尤其借助刃被引入。

此外已知，尤其也在气囊覆盖材料中或者在用于气囊覆盖物的装饰层中借助激光器对弱化线打孔。为了借助紫外线激光束有针对性地弱化皮革，微型孔洞被引入到材料中。所述微型孔洞通常沿着一轨迹布置并且由此形成限定的弱化线。向皮革的背侧、所谓的肉侧上进行照射，使得通过激光束仅最小化地损坏皮革的前侧或者说上侧。

微型孔洞通常通过以单次激光脉冲的多次照射生成。因为皮革是非常不均匀的材料，用于完全穿透皮革所需要的激光脉冲的次数波动得非常大，偏差为中间值的大约±50％。

然而，为了限定地且可靠地打孔，皮革的完全的或者近似完全的穿透是绝对必要的。

然而，如果皮革在微型孔洞的部位处被继续照射，尽管已经实现了完全的穿透，那么很快形成皮革的不希望的局部变色和变硬。

为了避免在皮革的纤维结构中导致翻起和从而导致弱化线可见的改变，例如已经提出，或者使皮革在激光加工之前冷却或预收缩，或者借助专门的固着剂在背侧上处理皮革，如在WO 2005/049261中所说明的那样。

DE 196 36 429 C1说明了一种借助可控制的脉冲激光束通过以盲孔形式在一侧上局部地去除覆盖材料在覆盖材料中产生弱化线的方法，其中，激光束和覆盖材料之间沿要产生的弱化线的方向进行相对运动并且借助传感器探测在每次激光脉冲之后穿过各盲孔的底部透射的激光束，求出积分值并且与额定值比较，并且，激光束在达到额定值时被切断并且，在进行相对运动之后在下一个还要弱化的盲孔处又被接通。

然而，这样的借助透射测量来确定剩余壁厚的方式需要传感器或者光电二极管跟随激光束的位置。为了能够在每个照射位置上测量激光脉冲并且必要时关掉激光器，光电二极管按照激光束在覆盖材料的可见侧上的运动一起运动。然而，该方法不能够在使用高重复频率激光器的情况下实现，因为光电二极管不能够在要求的速度中以要求的精度运动。

由EP 2 962 800 A2已知一种用于引入限定的弱化线的方法，在该方法中，脉冲激光束由激光器指向覆盖材料的背侧并且沿着一轨迹被导向。在覆盖材料的可见侧下方布置有观察单元。

EP 2 093 011 A1教导一种用于将孔引入到工件的壁中的方法，在该方法中，穿透所述壁的激光束照射到吸收该激光束的光纤上。

由US 2012/0104237 A1已知一种具有传感器单元的光束探测系统，其中，传感器单元具有一空腔，该空腔具有散射的内侧面并且在该空腔上设置有观察单元，照射到该空腔的内侧面上的激光束至少部分地散射到所述观察单元。

DE 10 2013 104 138 B3教导一种方法，在该方法中，应当通过以下方式防止借助激光束弱化的皮革的视觉的和触觉的改变：激光束在皮革的背侧上线形地被导向并且该线形的导向是采样运动的多次重复，在所述采样运动中沿着所述线对每个照射位置分别仅发出一次激光脉冲。在此，激光脉冲的参数这样地选择，使得该激光脉冲引起能量输入，该能量输入在各照射位置处导致覆盖材料被加热到高于烧蚀阈值的温度，然而，所述温度在覆盖材料的邻接各照射位置的区域内低于极限温度。

剩余壁厚的控制同样借助光电二极管实现，该光电二极管沿激光束的方向与短脉冲激光器相对置地布置在纤维覆盖材料的可见侧上。光电二极管连续测量激光脉冲的穿过纤维覆盖材料透射部分的强度，使得能够在达到所希望的最小剩余壁厚时还在完全穿透纤维覆盖材料之前切断激光束。如果在照射位置处已经达到最小的剩余壁厚，则在下一个采样运动时在该照射位置处进行激光束的局部切断。

为了能够取消所述采样运动，沿着采样轨迹设置有多个彼此并排的光电二极管。在该方法中，传感器必须是空间上高分辨率的(至少在打孔线的孔间距范围内)并且所述范围必须具有要加工的打孔区段的尺寸。如果打孔线的几何形状改变，那么新的传感器阵列必须被集成到加工设备中。这使得该方法不灵活。

然而，因为在光电二极管彼此并排的情况下总是还留有盲区，在所述盲区处不能够进行激光脉冲测量，所以该方法也不能够实现所希望的可靠控制。

发明内容

本发明的任务在于，如下所述地改进借助脉冲激光束通过在覆盖材料、尤其皮革上进行材料去除来引入弱化线的方法，使得在使用高重复频率激光源和高动态性的激光扫描设备的情况下也能够执行所述方法并且得到具有基本上不可见的弱化线的足够弱化的覆盖材料。

该任务通过权利要求1和2的特征来解决。

根据本发明，在覆盖材料如皮革的可见侧下方设置具有至少部分地反射的或者散射的内侧面的空腔，在该空腔上布置有观察单元，使得在激光从微型孔洞照射到覆盖材料的可见侧上时出现的并且照射到空腔的内侧面上的激光束至少部分地被反射和/或散射到观察单元上并且激光器的落到该观察单元上的光束根据权利要求1被用于控制所述激光器。

如果根据权利要求2不但使用散射的或者反射的内侧面，而且使用发光的内侧面，则在激光束照射到内侧面上时产生发出光并且然后在观察单元中测量该发出光。

一旦微型孔洞在覆盖材料中穿透，激光束就到达位于覆盖材料的可见侧下方的空腔中，该空腔根据权利要求1具有散射的和/或反射的表面。照射到空腔内侧面上的激光束在那里被散射和反射，其中，一部分光束然后到达观察单元，该观察单元测量照射的激光的强度。

空腔可以与打孔线的各几何形状无关地被使用，只要空腔的尺寸在最大尺寸的打孔线的基础上来选择。

探测到的光束强度超过确定的阈值表明：孔洞被穿透或剩余壁被充分弱化，使得在下一个采样运动时在照射位置上局部地关掉激光器。

根据本发明的方法也能够在高动态性的激光过程中使用，因为空腔静止并且没有如在由现有技术已知的传感器中已知的那样必须相应于激光束的运动而运动。为了能够监控所有在沿着轨迹布置的孔洞上的孔洞穿透，空腔应当在皮革的可见侧上至少沿着整个借助激光器要加工的轨迹延伸。

优选地，空腔基本上是矩形的，其中，覆盖材料，尤其皮革，以其可见侧放置在空腔的向上指向的外侧面上。在空腔的向上指向一侧中存在一缝隙。激光器的运动沿着该缝隙进行，使得激光在穿透微型孔洞之后能够穿过皮革进入到空腔的内部空间中。

因为激光束最大化地聚焦在皮革上的照射位置上，所以激光束在穿透皮革之后在皮革的可见侧上再次扩开，使得在空腔内侧上借助激光束照射一个大于微型孔洞直径的面，这有助于使测量的光强度平均化并且减少伤害。

借助激光照射的内侧面的尺寸可以通过微型孔洞和激光束照射在空腔内侧面上的第一照射位置之间的距离来控制。被照射的面越大，出现到观察元件上的光束越分散。

通常，在覆盖材料中的微型孔洞和照射在空腔内侧面上的第一照射位置之间的距离c为1cm至20cm之间、优选5cm至10cm之间。从20cm长并且20cm宽的气囊覆盖件出发推荐，设置大约40cm长(长度l)、30cm宽(宽度b)和5cm至10cm深(深度c)的箱形空腔，在该空腔的向上指向的一侧中设置有大约10mm宽的缝隙，该缝隙在其走势上相应于弱化线的走势。

空腔的内侧面应当具有高的反射能力并且尽可能少地吸收，以便在每个、包括与光电二极管相距最远的微型孔洞处还有足够的光散射/反射到光电二极管上。

该优选变型的特点在于高的信号强度。

在根据权利要求2的另一特别优选的变型中，空腔的内侧面不仅散射和反射，而且还发光，使得激光束转化为能量更少的波长并且在观察单元中探测到发出光束的强度。传统的硅光电二极管的灵敏度在可见光谱VIS范围(发光)内明显高于在紫外线范围内。此外，发出光束的放射无明确指向(分散)地进行。

由于发出光束或者说荧光束的均匀的放射特性，一部分光束总是直接或者通过在腔壁上的多次反射而到达一个或者多个光电二极管，所述光电二极管侧向地安装在空腔上。通过观察单元、尤其光电二极管进行的荧光束探测被用作触发器用于过程中断。测量信号与打孔位置的配属通过激光束源、扫描设备、观察单元和激光脉冲控制装置或者激光脉冲切断装置的同步来实现，使得激光束照射到空腔的内侧面上的位置无关紧要。

只要空腔的内侧面发光，则用于发出光束的内侧面本身应当具有尽可能高的反射或者散射能力。

可以使用纸作为空腔的成本低的内侧面涂层，纸具有高的反射能力并且发出荧光。

为了实现特别高的反射和低的吸收，优选使用内侧面的硫酸钡覆层或者使用光学的聚四氟乙烯(PTFE)。这些覆层不发出荧光并且由此仅可用于探测散射激光的变型中。

由在腔中(在底部上)的吸收紫外线并且转化为发出光束的发光内侧面和在腔壁上的反射或者散射的内侧面构成的组合同样是可行的。

根据本发明方法的优点在于，所述方法也可以可靠地应用在光亮的或者发光的覆盖材料，尤其皮革中，因为可能对抗的、通过照射到光亮皮革上的激光束而产生的发出光几乎全部朝皮革背侧的方向放射并且因此没有或者仅以极小部分穿过微型孔洞到达空腔的内侧面上。

在一个优选的变型中，脉冲激光束从激光器首先经由镜和扫描设备落到覆盖材料的背侧上，其中，激光脉冲通过扫描设备沿着轨迹被导向。该扫描设备用于使激光束在皮革背侧上沿着所希望的轨迹运动。

通常，扫描设备包括具有驱动和操控电子装置的扫描头。在该扫描头中激光束被偏转、所述激光束的偏转角度被测量并且(通常)被电子地调节。通常，偏转速度、到覆盖材料的工作距离、加工几何形状和走过次数(加工循环的重复)应当在要使用的扫描设备中能够改变。用于产生扫描运动的最简单的方法是改变镜的取向。

观察单元用于监控激光过程、即微型孔洞的钻孔。观察单元例如可以是摄像机系统或者光电二极管系统。同样能够在空腔上设置多个光电二极管或者其它观察单元。所述观察单元优选侧向地布置，其中，在哪一侧不重要。观察单元的尺寸例如可以为50mm×35mm×15mm，观察单元优选是具有200nm至1100nm之间的灵敏度的硅光电二极管。光敏面例如可以包括13mm²和0.3A/W的灵敏度。

光电二极管是静止的并且优选侧向地位于空腔上并且与激光束在腔中的照射位置无关地探测散射的激光束或者荧光束。

一旦在观察单元中探测到在该观察单元中测量的光超过阈值，就引起在该位置处关掉激光器。这借助脉冲切断设备实现。该脉冲切断设备应当非常快，即能够每秒监控至少50000个孔洞，能够处理具有大约35纳秒的半值宽度的非常短的脉冲并且也适用于处理具有10mV至20mV的非常低的电平的信号。

切换阈值能够借助可调整的参照电平来确定。

此外，脉冲切断设备应能够存储至少10000个值(在孔洞间距为60微米的情况下相当于0.6m)。

此外，通过存储传感器数据的选项提供用于保证皮革打孔的质量和关于顺利完成加工的证明的突出的可能性。

超过确定的阈值可以被用作过程中断的触发器，即在皮革的该部位处不再继续执行激光加工。

在根据本发明方法的范畴内，优选使用脉冲紫外线激光，其中，特别优选具有355nm波长的固体激光器或者具有351nm、308nm或248nm波长的准分子激光器。脉冲时间应当优选低于200ns。光束直径为5至50微米并且优选大约20微米。

优选使用皮革、人造革或成型蒙皮(Planware)作为覆盖材料。通常，借助激光器引入到覆盖材料中的孔洞直径在孔洞间距为25至100微米、优选35至60微米的情况下，优选为5至50微米并且特别优选10至20微米。所述孔洞位于一条线上，这条线可以直地，但也可以波浪地、锯齿形地或者其它形状地延伸。

借助根据本发明的方法制造的气囊包覆层的特点在于，打孔的部位不可见并且不可感觉到，并且，优选由皮革构成的气囊覆盖层仍然在限定的力时撕裂。此外，提供过程安全的可重复性。

附图说明

在下面根据在附图中所示的示例详细地说明和阐述本发明以及其它的有利实施方式和扩展方式。从说明书和附图中得到的特征可以根据本发明被单独地或者以多个任意组合的形式应用。附图示出了：

图1根据本发明的方法和结构的示意性示图，

图2空腔中的示意性的光束走势，

图3空腔的示意性的立体示图，

图4在观察单元中与重复次数相关的信号电平的示意性示图，和

图5观察单元的与微型孔洞相关的信号电平的示意性示图。

具体实施方式

图1示意性地示出激光器30、观察单元11、扫描设备12和皮革块20。皮革块20的背侧21在图1中向上指向。在皮革块20的可见侧22下方是空腔32，该空腔的内侧面33覆有反射材料。在空腔32的侧壁36中设置有作为观察单元11的光电二极管。

从激光器30发出的聚焦的脉冲激光束31(该激光束的射流路径同样用31标记)在第一镜40上和在第二镜41上被反射并且到达扫描设备12中，该扫描设备用于，使激光束31沿着确定的轨迹50在皮革块20上方运动，如在图1中通过箭头P象征性表示的那样。因为激光照射是脉冲的并且激光束31沿着轨迹50在皮革块20上方运动，所以激光束31首先相应于光束31a运动到位置M＝1，然后相应于光束31b运动位置M＝2并且如此继续。在加工时在每个位置M处形成点状的去除。如果运动过程现在以大量的重复W被执行，那么在点状去除的每个位置M处逐渐形成皮革20的完全贯穿孔，即孔洞25。

在图1的皮革20区域中在皮革上标记不同的位置M＝1,2,…。

一旦孔洞25完全穿透，参见位置M＝3，光就穿过孔洞25透过。激光脉冲现在到达空腔32中并且落在该空腔的内侧面33上，在那里被反射并且由于在空腔32内的反射到达观察单元上、即光电二极管11上，如在图2中示意性示出的那样。

在图2中也可见，照射到反射的内侧面33上的脉冲激光束31略微扩开并且激光通过多次反射和散射一部分到达光电二极管11上。

在图2中的示图也相应地适用于当内侧面33发光时。在这种情况下，脉冲激光束31落到内侧面33上，并且部分地转化为发出光，该发出光然后被部分地散射/反射到光电二极管上。

然而，激光部分地被散射并且到达内侧面33的具有发光体的另一位置处并且然后在那里被转化为发出光等，使得结果一部分原始的或者散射的激光31通过散射和吸收转化为中长波的发出光，该发出光然后在光电二极管中被探测到。

图3示意性地示出空腔32的结构，该空腔是箱形的并且除在向上指向的侧面34中的缝隙35外闭合。皮革20可以这样地被加工在缝隙35上，使得要以激光脉冲移过的轨迹50在缝隙35上方延伸，使得在穿透微型孔洞25之后，激光能够落到空腔32中。

在图4中示意性地示出与重复W数量相关的借助观察单元11探测到的光束的信号电平。因为皮革20首先还不具有孔洞25并且激光器30的光束31也不能够穿透皮革20，所以开始仅探测到噪声。在多次重复W之后，信号电平突然升高并且超过切换阈值。超过切换阈值被观察单元11记录并且随后结束对所述微型孔洞25的制孔过程。

在图5中示出用于不同的微型孔洞25的信号电平。因为通常引入到天然材料皮革20中的微型孔洞25彼此不同，所以在每个微型孔洞25处测量出的信号电平一般也不同。

在激光加工期间对每个要生成的微型孔洞25进行信号电平的感测，使得在进一步处理运动算法时，仅还在没有完全穿透的微型孔洞25的部位处接通激光器30。也可以在达到确定数量的、穿透的微型孔洞25时完全中断激光过程。

Claims (12)

1.一种用于通过在覆盖材料(20)上进行材料去除来引入限定的弱化线的方法，所述覆盖材料具有可见侧(22)和与所述可见侧(22)相对置的背侧(21)，在所述方法中，脉冲激光束(31)从激光器(30)指向所述覆盖材料(20)的背侧(21)并且沿着轨迹(50)被导向，并且，设置有至少一个观察单元(11)用于监控弱化过程，其特征在于，在所述覆盖材料(20)的可见侧(22)下方设置有空腔(32)，

a.其中，所述空腔(32)具有散射的内侧面(33)或反射的内侧面(33)或散射和反射的内侧面并且所述至少一个观察单元(11)设置在所述空腔(32)上，其中，在激光照射到所述覆盖材料(20)的可见侧(22)上时射出的光(40)照射到所述空腔(32)的内侧面(33)上并且至少部分地被散射或反射或散射和反射到所述至少一个观察单元(11)上，并且，落到所述至少一个观察单元(11)上的光被用于控制所述激光器(30)，和/或

b.其中，所述空腔(32)具有散射的或反射的或散射和反射的内侧面(33)以及发光的内侧面(33)并且所述至少一个观察单元(11)设置在所述空腔(32)上，其中，在激光照射到所述覆盖材料(20)的可见侧(22)上时射出的光(40)照射到所述空腔(32)的内侧面(33)上、至少部分地被转化为发出光并且所述发出光至少部分地被散射或反射或散射和反射到所述至少一个观察单元(11)上，并且，落到所述至少一个观察单元(11)上的光被用于控制所述激光器(30)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束(31)从所述激光器(30)经由镜(41)和扫描设备(12)落到所述覆盖材料(20)的背侧上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空腔(32)至少在整个所述轨迹(50)下方延伸。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空腔(32)是矩形的。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述覆盖材料(20)、所述空腔(32)和所述激光器(30)在所述激光束(31)沿着所述轨迹(50)运动期间是位置固定的。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述空腔(32)的一个壁(34)中有缝隙(35)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述缝隙(35)在其走势上相应于所述弱化线的走势。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述覆盖材料(20)的微型孔洞(25)和所述空腔(32)的所述内侧面(33)之间的间距c在1cm至20cm之间。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述覆盖材料(20)的所述微型孔洞(25)和所述空腔(32)的所述内侧面(33)之间的间距c在5cm至10cm之间。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空腔(32)的所述内侧面(33)由纸构成。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一旦所述至少一个观察单元(11)探测到在所述至少一个观察单元(11)中测量的光高于或者低于阈值，就关掉所述激光器(30)。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空腔(32)的所述内侧面(33)在所述至少一个观察单元(11)的观察波长的情况下扩散地散射。

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