激光內(nèi)雕技術在工藝品上的應用

胡彥萍

(蘭州石化職業(yè)技術學院 機械工程學院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

激光內(nèi)雕是利用激光對水晶等玻璃制品內(nèi)部及表面進行圖形、圖像和文字的雕刻，它屬于激光加工的一種,是先進的加工模式。激光內(nèi)雕機是集電子技術、精密機械、激光技術、計算機技術等學科于一體的高技術設備[1]。三維激光雕刻機是一個由計算機控制的可在水晶玻璃內(nèi)部雕刻出二維或三維圖形的系統(tǒng)，高強度的激光束聚焦在水晶內(nèi)部時，將破壞水晶的晶格組織，形成不透明的微小缺陷，猶如激光束在水晶內(nèi)部雕刻出一個微小點。本文介紹用一種內(nèi)雕機雕刻馬踏飛燕工藝品的過程，為該項技術的實踐教學實施提供一個參考。

1 設備簡介

本校所用的教學設備是北京正天激光的ZT-532激光內(nèi)雕機，設備外觀如圖1所示。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，激光波長為532 nm，頻率為2 500 Hz，設備功率為800 W。設備操作需要用到算點軟件和雕刻軟件兩種軟件，用于將2D/3D圖形進行點云化處理和控制機器實現(xiàn)雕刻，可以對玻璃、人造水晶等進行內(nèi)部雕刻。

(1) 算點軟件(Calculate Point)：用于將3D模型和平面圖形轉(zhuǎn)換成點云圖。點云圖即為點陣位置圖，圖形是由點陣排列形成的。

(2) 雕刻軟件(Crystal Laser):用來控制機器的雕刻動作。

兩個軟件的操作步驟如下：先將要雕刻的圖形文件導入算點軟件中進行點云轉(zhuǎn)換，再將點云圖導入雕刻軟件中進行雕刻。

2 激光內(nèi)雕基本原理

激光內(nèi)雕的過程是激光與材料相互作用的過程，當激光束的能量密度大于玻璃破壞的某一臨界值(閾值)時，其脈沖能量能夠使玻璃瞬間受熱破裂，產(chǎn)生極小的白點，而玻璃其余部分則保持原樣完好無損，從而在玻璃內(nèi)部雕出預定的形狀[2]。如果按平面圖形在水晶內(nèi)部逐點雕刻出微小點，就可以形成二維圖像。激光三維內(nèi)雕屬于選擇性激光雕刻技術，根據(jù)分層制作和層層疊加的技術途徑，計算機從圖像的三維幾何信息出發(fā)，通過對信息的離散化處理(切片分層)，將三維雕刻轉(zhuǎn)為二維雕刻，再在高度方向上堆集，形成三維圖像。

圖2所示為5軸聯(lián)動激光內(nèi)雕機結(jié)構原理圖。激光器產(chǎn)生激光后用X軸和Y軸振鏡使激光束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，再通過透鏡聚焦在水晶上完成雕刻。振鏡由掃描驅(qū)動器控制，兩個轉(zhuǎn)軸互相垂直的振鏡即可實現(xiàn)對X-Y平面的兩維掃描，然后通過工作平臺的移動和配套軟件控制，可實現(xiàn)圖片分塊雕刻，同時達到更大雕刻幅面的目的。

圖1 設備外觀 圖2 激光內(nèi)雕機結(jié)構原理圖

3 激光內(nèi)雕加工過程

激光內(nèi)雕加工過程主要包括圖形設計、點云數(shù)據(jù)生成和激光雕刻操作3個步驟。

3.1 圖形設計

可以使用多種三維設計軟件進行圖形繪制，如UG、SolidWorks、3dsMax等，本文采用3dsMax2020軟件進行模型設計，設計完成后的圖形如圖3所示，將其導出為激光內(nèi)雕軟件所能讀取的文件格式進行保存，文件名為：馬踏飛燕.obj。

3.2 點云數(shù)據(jù)生成

打開激光內(nèi)雕機后，在算點軟件(Calculate Point)中打開馬踏飛燕.obj文件。打開后發(fā)現(xiàn)模型文件的大小和位置不符合加工的要求，需要進行相應的調(diào)整。

首先需要在基本設置中設置好水晶的尺寸，本例采用50 mm×80 mm×50 mm的水晶進行雕刻，設置完成后(如圖4所示)，通過旋轉(zhuǎn)、縮放和圖形居中設置好模型的位置和大小，使得三維數(shù)據(jù)文件位于水晶塊的合適位置(見圖5)，切換不同視角進行觀察，要求模型在各個視角下都不能超出水晶邊界，且目測其與邊界有5 mm以上距離。

圖3 設計完成后圖形

圖4 設置水晶尺寸

如果需要在水晶中加入文字，可以點擊工具欄中“A”按鈕加入所需文字，然后將文字調(diào)整到合適的大小和位置，方法同上。本文設計完成后的最終模型如圖6所示(注意模型在X軸和Y軸中的位置)。

接下來在窗口右側(cè)進行如圖7所示的參數(shù)設置，參數(shù)設置完成后，先點“確認修改”，然后點擊工具欄“鼠標清零”進行點云計算，計算完成后，在下方狀態(tài)欄中會顯示此文件的圖形點數(shù)。最后在文件菜單欄中點擊“保存點云”，將計算好的點云文件保存為:馬踏飛燕.dxf。

圖5文件調(diào)整至合適大小和位置 圖6模型最終完成

3.3 激光雕刻

在雕刻軟件(Crystal Laser)環(huán)境下，打開馬踏飛燕.dxf文件。首先在右側(cè)設置好雕刻參數(shù)(如圖8所示)，點擊“應用”，然后將水晶上表面擦拭干凈后放入工作臺右上角(注意放置方向，參見圖6)，最后將電壓調(diào)到9 V左右，點擊“雕刻”，此時內(nèi)雕機將執(zhí)行雕刻命令進行作品加工，加工好的作品如圖9所示。

4 結(jié)語

激光內(nèi)雕屬于內(nèi)部破壞技術，它通過計算機控制激光束的掃描路徑，使激光束在玻璃體內(nèi)部聚焦，當激光束能量密度超過玻璃的破壞閾值時，能夠在瞬間使玻璃受熱破裂，產(chǎn)生大量微米量級大小的爆裂白點，從而在玻璃內(nèi)部雕出預定的2D/3D形狀，而玻璃其余未爆裂的部分則保持原樣完好無損[3]。若要在水晶內(nèi)部雕刻三維立體模型，須先得到模型的三維幾何數(shù)據(jù)，即構成模型的點、線、面信息，然后借助軟件對其表面和邊線進行填充點從而得到對應的點云數(shù)據(jù)，最后才能在雕刻機中實現(xiàn)雕刻[4]。本文簡述了水晶工藝品的制作過程，引導學生初步掌握激光內(nèi)雕的工作原理和工藝過程，讓學生學會激光內(nèi)雕機的基本操作方法，培養(yǎng)學生初步分析問題和解決問題的能力，對學生綜合素質(zhì)的提高具有良好的促進作用。

圖7 點云參數(shù)設置 圖8 雕刻參數(shù)設置 圖9 雕刻完成后的工藝品