木質材料工藝雕刻技術探討
——以南京機電職業技術學院雕刻工坊為例

候俊

（南京機電職業技術學院，江蘇 南京 210000）

木材作為一種天然材料，以木材為原料制作工藝品，具有樸素、自然、無毒的特性，受到廣大消費者的喜歡。由于傳統手工雕刻技術效率低，難以滿足木質材料工藝品市場發展的需求，在激光雕刻技術逐漸成熟的背景下，在木質材料雕刻中應用激光雕刻技術，可有效提升雕刻的效率和質量。激光是通過受激輻射而產生、放大的光，然后在一系列反射鏡和透鏡的控制下聚焦成直徑很小的光斑，具有極高的功率密度輸出。激光雕刻技術應用于木質材料中，是激光和木材相互作用及能量轉換的過程，將經聚焦的高功率密度激光束照射到木材的表面，當超過閾值功率密度時，木材表面在瞬間高溫作用下，會吸收光束能量以及部分燃燒所產生的熱能，在溫度急劇上升的情況下，部分材料會在氣化的作用下逸出，受到激光束速度和密度的影響，還有部分材料可能被碳化。在激光雕刻機中有數控快速成型系統和圖像處理系統，激光器可以根據預先設定好的軌跡運行，從而實現激光雕刻。

1 激光雕刻木質材料的機理及優點

1.1 激光雕刻木質材料的機理

將激光技術應用于木質材料雕刻中，主要是利用高功率密度的激光束照射在木材的表面，然后以燃燒或者瞬時蒸發的方式實現雕刻。當激光的功率密度大小以及照度的強弱達到一定數值范圍時，就能夠使木材發生氣化，從而在木材表面形成切縫。如果切割的速度較快，在激光束與木材表面形成的熱量就不會傳導到未切割部位，所以木材表面的顏色不會因為碳化而有較大的變化。如果切割速度較慢，在木材切割處就會因為碳化而導致木材表面較為暗淡。在激光功率密度無法達到能使木材氣化的程度時，在木材表面的殘渣等物質就必須借助于輔助氣體將其吹離切縫，但是這種切割的效果往往不夠理想，與預期的雕刻效果會存在一定的差別[1]。

激光束照射在木材表面時，在高溫的作用下，木材在氣化的過程中勢必會伴隨燃燒現象，在燃燒時產生的熱量會促進激光切割的順利進行。以上都是基于理論的層面進行的論述，都是在理想的狀態下可供參考的理論分析，但是在實際加工的過程中，激光的功率密度還會受到各種因素的影響，比如激光設備的輸出功率、光束模式等等，且有些因素是不穩定的。所以在激光束照射到木材表面時，常會在局部出現激光的功率密度低于木材蒸發所需的能量，此時就會出現碳化現象，這就需要對激光雕刻技術進行優化調整，盡量減少局部碳化現象，或者采取其他措施進行彌補，以保證木質材料雕刻的藝術效果。

1.2 激光雕刻木質材料的優點

利用激光進行木質材料的雕刻，與傳統雕刻工藝相比具有以下優點。第一，因為激光雕刻是利用高功率密度的激光束，所以不需要與木質材料接觸即可開展作業，既不需要更換刀具，也不會對刀具造成磨損；第二，因為激光束的直徑較小，所以可雕刻出線條較細的圖案，且可節約木材的用量，拓寬了雕刻的圖案范圍；第三，因為激光雕刻是利用高功率密度的激光束使木材發生氣化、碳化和燃燒，所以不會有木屑的產生，加工過程較為節能環保；第四，自動化程度較高。在激光雕刻機中應用了數控技術和圖像成型系統，可實現多工位的操作，能夠應用于復雜形狀以及盲切割中，在高速切割狀態下可在任何位置開始和停止，自動化程度較高，在木質材料雕刻中可提高生產效率和質量；第五，噪音小。整個雕刻過程的噪音較低，不會產生噪聲污染，有利于改善雕刻環境的質量；第六，雕刻效果好。受到激光束能量的影響，在木質材料的表面顏色可能偏暗，但是紋理較為清晰，表面光潔度較好，不僅能夠應用于平整的表面，也可應用于曲面雕刻，提高雕刻的效率[2]。

2 木質材料表面激光雕刻技術

激光雕刻技術主要是在數控技術的基礎上，結合激光器、圖像處理系統及直接CAD 控制系統，利用激光照射于被雕刻材料的表面，在受熱的瞬間使其發生熔化和氣化，從而達到雕刻的目的。應用于木質材料的激光雕刻主要為CO2激光，在雕刻的過程中，對于速度、對焦距離、電流等技術參數都有嚴格的標準，這些技術參數會直接影響到切槽的形式、深度和表面質量等。激光雕刻過程較為簡單，可利用多種圖形處理軟件來設計需要雕刻的圖案，然后控制系統會按照設計的圖案控制激光頭的移動，激光頭按照控制系統發出的指令運行。比如點陣雕刻，首先是由激光頭的左右擺動雕刻出一條由一系列的點組成的線，然后再由激光頭的上下移動雕刻出多條線，最終構成需要雕刻的圖案。在雕刻的過程中，需要控制好激光頭移動的速度，激光的強度以及光斑的大小，以確保得到較好的雕刻效果。較高的雕刻速度會提升生產效率，但是在特定的激光強度下，雕刻速度越慢，雕刻的深度就越大，所以在實際雕刻時，還需要根據實際情況對雕刻速度進行調整，既能夠保證生產效率，又能夠保證雕刻質量[3]。同樣，在特定的雕刻速度下，激光強度越大，雕刻的深度也越大，可在雕刻機面板中來調節強度。根據雕刻需要分辨率的高低，可利用不同焦距的透鏡來調整激光束光斑的大小，以達到最佳的雕刻效果。

3 木質材料的性能參數對激光雕刻的影響

在利用激光雕刻木質材料時，木材的性能參數不同，對激光雕刻的效率和質量會產生不同的影響，所以在雕刻加工時，要對材料的性能參數進行分析，然后合理調整激光雕刻機的技術參數，保證雕刻達到理想的效果。木材的光學性質不同，對不同波長激光的吸收程度也不相同，木材對激光的吸收能力越強，在雕刻時對激光的能量利用率就越高。木材中纖維素分子吸收激光的波長范圍與CO2激光的波長較為接近，所以CO2激光適合應用于木質材料的雕刻。木材的含水率會對激光加工能力產生一定的影響，因為含水率高的木材其導熱性能也較好，在激光作用于木材表面的區域會聚集大量的能量，而木材中的水分在導熱的作用下會削弱激光能量的聚集強度，所以在木材含水率較高的情況下，會降低激光雕刻的加工速度，可根據實際需求對木材的含水率進行相應的處理，確保激光雕刻速度滿足參數要求[4]。此外，木材的密度、纖維的方向、早晚材等，都會對激光雕刻的質量產生不同程度的影響，還需要結合木材的性能以及預期的雕刻目標，對木材以及雕刻技術參數進行相應的處理和調整，以確保木質材料激光雕刻的效果。

4 激光雕刻技術在木質材料工藝品制作中的應用

根據加工方式的不同，激光雕刻在木質材料加工中的種類主要包括切割雕刻、凹模雕刻和凸模雕刻三類。切割雕刻主要是將想要制作的圖案分解成若干個線條形式，然后利用激光切割出這些線條，最終切割完的線條就會組成想要的圖案效果；凹模雕刻主要是切除掉想要的圖案部分，圖案的外圍維持原樣；而凸模雕刻與凹模雕刻相反，是要保留需要的圖案部分，將圖案外圍部分去除掉。具體想要哪種形式的雕刻，還需要根據想要呈現的效果而定。下面以激光雕刻在木質材料工藝品中的制作步驟為例進行分析。

4.1 制作方案

此次需要制作的工藝品為花卉書簽，是利用較薄木材制作工藝畫，需要使用計算機、激光雕刻機、圖形設計軟件、雕刻軟件和木質材料。

4.2 確定設計軟件

需要使用常用的圖形繪制軟件繪制花卉圖樣，比如使用AutoCAD、CorelDRAW、Illustrator 等軟件，在確定繪圖軟件后即可進行圖案設計和排版，在排版時注意圖形的排列方式，盡量節省材料的用量。圖片格式盡量選擇矢量圖，因為激光雕刻機對位圖的雕刻效果不太理想，能夠被激光雕刻機軟件識別的其他格式的圖片，且雕刻效果較好的，也可以使用。

4.3 材料的選擇

木質材料的質量、紋理會直接影響到雕刻效果，而木材的種類較多，有松木、樺木、椴木、紫檀木等等，在工藝品制作中，大多會選擇椴木。因為紫檀木相對較硬，具有獨特的油脂，耐磨耐腐蝕，不易開裂，很適合用來制作書簽。

4.4 確定雕刻參數

在雕刻軟件中，要正確輸入雕刻功率、雕刻速度、聚焦距離、雕刻氣壓等激光工藝參數，工藝參數的確定會直接關系到雕刻效果的好壞。比如在此次雕刻制作中，如果進給速度設定在600ram/rain以上，雕刻寬度會略有減少。如果進給速度設定為100ram/rain，在輸出功率較高時，由于進給速度較慢，照射時間延長，會降低表面雕刻質量，所以要正確設定各項工藝參數[5]。

4.5 雕刻

在激光雕刻軟件中設置好參數后，確定好木板的正反面，將木板平整放置于雕刻機平臺上，設置加工坐標的原點，激光雕刻機即會根據計算機發出的指令按照軟件產生的飛行路線自動雕刻，最后再拋光打蠟處理[6]。利用激光雕刻技術，我校創新工坊每年為新生制作書簽3000 只左右，深得師生們的喜愛。

5 結語

隨著人們物質生活水平的提升，對工藝品的需求量逐漸增加，對于木質材料的工藝品而言，由于傳統的手工雕刻耗時耗力，且雕刻精度難以保證等缺陷，激光雕刻技術在木質材料工藝品制作中的應用受到人們的喜愛。與傳統的雕刻工藝相比，激光雕刻區域窄、耗材少，無需夾緊、劃線、去油等工序，工件變形小，節能環保，速度快，精度和清晰度高，易于控制，所以激光雕刻在木質材料工藝品制作中應用越來越廣泛。但是木材的種類不同，處理方式不同，激光雕刻參數設置不同，都會呈現出不同的雕刻效果。為了達到理想的雕刻效果，還需要對各種木材的特性進行分析，然后合理設置激光雕刻機的技術參數，確保雕刻作業能夠優質高效完工，促進我國雕刻技藝的進一步發展。