激光內雕技術在工藝品加工的實踐應用*

胡彥萍

(蘭州石化職業技術學院 機械工程學院，甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

激光內雕機是集精密機械、激光技術、電子技術、計算機等學科于一體的高科技設備[1]。激光雕刻是激光加工的一種先進模式，它是利用激光對水晶等玻璃制品表面及內部進行文字和圖形雕刻的加工方法。激光要在水晶上雕刻，激光器所發激光的焦點能量密度必須大于使水晶破壞的閥值，才能使水晶瞬間破裂，在內部產生極小的白點。因此，通過控制激光束在水晶中的焦點位置，就可以實現在不損傷水晶表面的情況下，在水晶內部特定位置進行打點，從而雕刻出預定的形狀，實現水晶的白色內雕[2]。

1 激光內雕加工原理

三維激光雕刻機是一個由計算機控制的可在水晶玻璃內部雕刻出二維或三維圖形的系統，通過專用點云轉換軟件將二維或三維圖形轉換成點云數據，振鏡掃描器在計算機控制下高速擺動，同時工作臺進行聯動運行，輸出激光在玻璃中掃描點的位置，從而完成點云圖像的激光內雕加工[3]。圖1所示為五軸聯動激光內雕機工作原理圖。

激光三維內雕屬于選擇性激光雕刻技術，采用分層制作和層層疊加的技術途徑，如果按平面圖形在水晶內部逐點雕刻出微小點，就可以形成二維圖像；如果計算機從圖像的三維幾何信息出發，通過對信息的離散化處理(切片分層)，將三維雕刻轉為二維雕刻，再在高度方向上堆集，就可以形成三維圖像，即激光內雕機在工作過程中，沿著Z軸方向采用分層加工的方式完成三維點云的內雕。

圖1 激光內雕機工作原理圖

2 設備簡介

所述的教學設備是北京正天激光的ZT-532激光內雕機。該設備采用半導體端泵激光器，最大雕刻范圍為320 mm×270 mm×100 mm，激光頻率為2 500 Hz，波長為 532 nm。該設備需要用到算點和打點兩種軟件：先將要雕刻的圖形文件(obj格式)導入到算點軟件(Calculate point)中進行點云轉換，計算好點數后將文件保存成dxf格式，再將此點云文件導入打點軟件(Crystal Laser)中實現打點操作，激光內雕機可以實現對玻璃、人造水晶等進行內部雕刻，雕刻速度快，圖像精美清晰。

3 激光內雕加工過程

激光內雕加工過程主要包括模型設計、生成點云圖和雕刻加工3個步驟。

(1) 模形設計

可以使用多種三維設計軟件進行設計，如3dsMax、SolidWorks、UG等，采用3dsMax2020軟件進行模型設計，設計完成后(見圖2)導出為激光內雕機的算點軟件所能讀取的文件格式進行保存，文件名為：狗.obj。

圖2 圖形設計完成

(2) 生成點云圖

首先打開算點軟件Calculate point，在基本設置中設置好水晶的尺寸，本例采用50mm×80mm×50mm的水晶進行雕刻，即尺寸設置成X50，Y80，Z50，然后打開設計好的狗.obj文件，將其居中顯示，并切換各個視角觀察模型大小和水晶邊界，最后通過旋轉、縮放設置好模型的大小，要求模型在各個視角下都不能超出水晶邊界，如圖3所示。也可以在算點軟件中加入需要的文字，只要將文字調整到合適的大小和位置即可。

圖3 文件調整至合適大小和位置

接下來在窗口右側進行如圖4所示的參數設置，然后點擊工具欄“鼠標清零”進行點云計算后，在下方狀態欄中會顯示此模型文件的圖形點數(見圖5)。最后將計算好的點云文件保存為:狗.dxf。

圖4 點云參數設置 圖5 算點完成

(3) 雕刻加工

首先將干凈的水晶放置在工作臺右上角(圖6，注意放置方向)，然后打開打點軟件Crystal Laser，復位后，導入狗.dxf文件，接著在右側設置好尺寸參數(X50，Y80，Z50)，將電壓調到10V左右，點擊“雕刻”，此時內雕機將通過軟件控制和平臺移動進行作品加工，加工好的工藝品如圖7所示。觀察加工后的水晶模型，視覺效果較好，達到了預期目標。

圖6 放置水晶圖7 雕刻完成后 的工藝品

4 總 結

采用正向設計完成模型的設計，在實踐教學中也可以采用逆向設計的方法來獲得產品模型。通過采用不同的方法進行激光內雕作品的設計制作，可以使得學生深入了解激光的基本原理，掌握激光加工的完整工藝過程，激發學生的學習興趣，拓寬學生的知識面和動手能力，培養學生的自主設計能力和工程實踐能力，對于學生創新創業能力的培養和職業素質的提高都具有重要作用[4]。