胡彥萍

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

激光內(nèi)雕是利用激光對(duì)水晶等玻璃制品內(nèi)部及表面進(jìn)行圖形、圖像和文字的雕刻，它屬于激光加工的一種,是先進(jìn)的加工模式。激光內(nèi)雕機(jī)是集電子技術(shù)、精密機(jī)械、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科于一體的高技術(shù)設(shè)備[1]。三維激光雕刻機(jī)是一個(gè)由計(jì)算機(jī)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(qiáng)度的激光束聚焦在水晶內(nèi)部時(shí)，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(gè)微小點(diǎn)。本文介紹用一種內(nèi)雕機(jī)雕刻馬踏飛燕工藝品的過(guò)程，為該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)實(shí)施提供一個(gè)參考。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

本校所用的教學(xué)設(shè)備是北京正天激光的ZT-532激光內(nèi)雕機(jī)，設(shè)備外觀如圖1所示。該設(shè)備采用半導(dǎo)體端泵激光器，最大雕刻范圍為320 mm×270 mm×100 mm，激光波長(zhǎng)為532 nm，頻率為2 500 Hz，設(shè)備功率為800 W。設(shè)備操作需要用到算點(diǎn)軟件和雕刻軟件兩種軟件，用于將2D/3D圖形進(jìn)行點(diǎn)云化處理和控制機(jī)器實(shí)現(xiàn)雕刻，可以對(duì)玻璃、人造水晶等進(jìn)行內(nèi)部雕刻。

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

(2) 雕刻軟件(Crystal Laser):用來(lái)控制機(jī)器的雕刻動(dòng)作。

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

2 激光內(nèi)雕基本原理

激光內(nèi)雕的過(guò)程是激光與材料相互作用的過(guò)程，當(dāng)激光束的能量密度大于玻璃破壞的某一臨界值(閾值)時(shí)，其脈沖能量能夠使玻璃瞬間受熱破裂，產(chǎn)生極小的白點(diǎn)，而玻璃其余部分則保持原樣完好無(wú)損，從而在玻璃內(nèi)部雕出預(yù)定的形狀[2]。如果按平面圖形在水晶內(nèi)部逐點(diǎn)雕刻出微小點(diǎn)，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(shù)，根據(jù)分層制作和層層疊加的技術(shù)途徑，計(jì)算機(jī)從圖像的三維幾何信息出發(fā)，通過(guò)對(duì)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(dòng)激光內(nèi)雕機(jī)結(jié)構(gòu)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(guò)透鏡聚焦在水晶上完成雕刻。振鏡由掃描驅(qū)動(dòng)器控制，兩個(gè)轉(zhuǎn)軸互相垂直的振鏡即可實(shí)現(xiàn)對(duì)X-Y平面的兩維掃描，然后通過(guò)工作平臺(tái)的移動(dòng)和配套軟件控制，可實(shí)現(xiàn)圖片分塊雕刻，同時(shí)達(dá)到更大雕刻幅面的目的。

圖1 設(shè)備外觀 圖2 激光內(nèi)雕機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

3 激光內(nèi)雕加工過(guò)程

激光內(nèi)雕加工過(guò)程主要包括圖形設(shè)計(jì)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成和激光雕刻操作3個(gè)步驟。

3.1 圖形設(shè)計(jì)

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

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成

打開(kāi)激光內(nèi)雕機(jī)后，在算點(diǎn)軟件(Calculate Point)中打開(kāi)馬踏飛燕.obj文件。打開(kāi)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(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

首先需要在基本設(shè)置中設(shè)置好水晶的尺寸，本例采用50 mm×80 mm×50 mm的水晶進(jìn)行雕刻，設(shè)置完成后(如圖4所示)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、縮放和圖形居中設(shè)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(jiàn)圖5)，切換不同視角進(jìn)行觀察，要求模型在各個(gè)視角下都不能超出水晶邊界，且目測(cè)其與邊界有5 mm以上距離。

圖3 設(shè)計(jì)完成后圖形

圖4 設(shè)置水晶尺寸

如果需要在水晶中加入文字，可以點(diǎn)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(shè)計(jì)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(lái)在窗口右側(cè)進(jìn)行如圖7所示的參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置完成后，先點(diǎn)“確認(rèn)修改”，然后點(diǎn)擊工具欄“鼠標(biāo)清零”進(jìn)行點(diǎn)云計(jì)算，計(jì)算完成后，在下方狀態(tài)欄中會(huì)顯示此文件的圖形點(diǎn)數(shù)。最后在文件菜單欄中點(diǎn)擊“保存點(diǎn)云”，將計(jì)算好的點(diǎn)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(kāi)馬踏飛燕.dxf文件。首先在右側(cè)設(shè)置好雕刻參數(shù)(如圖8所示)，點(diǎn)擊“應(yīng)用”，然后將水晶上表面擦拭干凈后放入工作臺(tái)右上角(注意放置方向，參見(jiàn)圖6)，最后將電壓調(diào)到9 V左右，點(diǎn)擊“雕刻”，此時(shí)內(nèi)雕機(jī)將執(zhí)行雕刻命令進(jìn)行作品加工，加工好的作品如圖9所示。

4 結(jié)語(yǔ)

激光內(nèi)雕屬于內(nèi)部破壞技術(shù)，它通過(guò)計(jì)算機(jī)控制激光束的掃描路徑，使激光束在玻璃體內(nèi)部聚焦，當(dāng)激光束能量密度超過(guò)玻璃的破壞閾值時(shí)，能夠在瞬間使玻璃受熱破裂，產(chǎn)生大量微米量級(jí)大小的爆裂白點(diǎn)，從而在玻璃內(nèi)部雕出預(yù)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(wú)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(gòu)成模型的點(diǎn)、線(xiàn)、面信息，然后借助軟件對(duì)其表面和邊線(xiàn)進(jìn)行填充點(diǎn)從而得到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后才能在雕刻機(jī)中實(shí)現(xiàn)雕刻[4]。本文簡(jiǎn)述了水晶工藝品的制作過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生初步掌握激光內(nèi)雕的工作原理和工藝過(guò)程，讓學(xué)生學(xué)會(huì)激光內(nèi)雕機(jī)的基本操作方法，培養(yǎng)學(xué)生初步分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高具有良好的促進(jìn)作用。

圖7 點(diǎn)云參數(shù)設(shè)置 圖8 雕刻參數(shù)設(shè)置 圖9 雕刻完成后的工藝品