激光3D打標機加工浮雕工藝技術的研究

楊勇

摘 要：為了能夠不斷的改善激光3D木材浮雕的雕刻質量，我們仔細的研究了相關的工藝參數，以及激光3D木材浮雕的雕刻質量的規律，我們通過單因素的試驗然后進行確定最佳的工藝參數，每一種加工參數都會影響到雕刻質量，所以我們進行了詳細的研究；然后通過進行正交試驗進行優化相關的工藝參數，這樣的話也可以獲得有關于激光浮雕的最優工藝參數；然后我們再進行碳化層的有關處理實驗，研究了H2O2的濃度對于碳化層厚度的影響，經過研究結果我們知道激光3D木材浮雕是屬于最佳的工藝。具體參數指標為：掃描的速度是2500mm/重復的頻率是16kHz，激光的功率是63W，填充線間距0.08mm，雕刻層厚是0.08mm，浮雕和模型的還原度是最高的。并且如果H2O2濃度是20%的時候，我們進行碳化層的處理效果是最佳的。

關鍵詞：激光3D木材浮雕；雕刻質量；工藝參數

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.034

1 傳統浮雕與激光3D浮雕的比較

浮雕具有比較美觀以及結實的形態，并且也非常容易長期進行保存，這些都是浮雕的優勢所在，現在浮雕已經被廣泛應用于金銀首飾等各大領域。并且浮雕制作方法主要包括三個方面，人工刀紙雕刻，自動化機械雕刻以及模具打印等。我們知道人工刀具一般情況下都會雕刻比較精美的浮雕，并且浮雕的形態也比較精致以及細膩，但是它仍然存在著缺點，雕刻出來的品質，和技工的雕刻水平有著比較直接的關系，我們對其加工的時候也是比較長的，但是雕刻的效率也是比較低的。所以我們一般情況下都會把它放在小批量的生產類型中。而我們如果使用自動化的機械雕刻方式，它的速度是非常快的，并且幅面也非常大，這都是它的優勢所在，自動化機械雕刻適合于大批量的生產。但是它的缺點在于刀具尺寸的限制會影響到雕刻質量，并且也很難實現微小結構的雕刻。模具打印在三種方法中效率是最高的，但是我們需要提前制作模具，如果我們要對浮雕的形貌進行比較微小的一些修改工作，那么我們就需要重新制定模具，所以模具打印的缺點也就出現了，模具打印需要的時間比較長，并且成本也比較高，不夠靈活等。但是通過使用激光3D打標技術進行雕刻，那么我們雕刻出來的質量也是比較高的，并且我們進行雕刻的自動化程度比較高，所以被廣泛應用于浮雕行業，但是其中也容易出現木材的炭化問題，而浮雕的表面質量會被碳化層嚴重影響。

2 傳統碳化層處理方法

第一種是使用噴水處理，把脫水量降低，這種情況下會在一定程度上減小了木材的碳化程度，但是如果材料是屬于較軟木質，我們進行噴水處理的話一定會導致材料出現腐爛的情況。第二種我們是通過使用噴氮氣進行處理，其中主要的原理也是對木材進行脫水工作，通過脫水以后木材的性質也是屬于低化學的反應區，這種情況下也可以減少了碳水層，但是使用這種方法的話就需要消耗大量的氮氣，所以在無形之中在很大程度上會增加加工的成本。第三種方法我們是在完成加工的工作之后，可以使用一些砂紙進行打磨，也可以使用刷子然后進行打磨碳化層，但是會影響到木材表面的光滑度，我們打磨的范圍也會受到限制。

3 木材3D浮雕實驗

3.1 設備材料，實驗方法

我們要想對激光3D打標機的浮雕工藝進行研究，需要使用到一些必要的材料，我們要把雙氧水以及氨水混合起來，使用其混合液，然后化學漂白需要研究的木材，漂白之后把它放在空氣中，使其可以被自然的晾干。我們使用的激光設備是屬于一種二氧化碳3D激光打標機的類型，并且它其余激光的輸出波長是10640nm，平均功率是180W，這些實驗的材料選擇的是檀木，它的具體尺寸是48mm×69mm×10mm。進行分析雕刻質量的是3D電子掃描顯微鏡。

3.1.1 單一變量試驗

我們知道要進行研究激光3D浮雕技術，就需要一些相關的數據信息，我們主要是進行研究掃描的速度，模型的具體雕刻層厚的數據，重復的頻率以及激光的有關功率等因素，這些都會影響到雕刻的質量。而模型雕刻層厚主要是指我們z向分割STL文件之后的每層的實際厚度。我們使用單一變量法和進行研究。通過大量的實驗可以表明：當進行加工參數的振鏡掃描的速度是2500mm/s的時候，那么激光的重復頻率就是16kHz，并且激光的功率就是54W，冰品其中的填充線間距是0.1mm，我們這些掃描的角度是90°，并且我們進行雕刻的層厚是0.08mm的時候，進行單因素的試驗工作，會有最好的效果。

3.1.2 正交試驗

我們在進行正交試驗的時候，STL文件模型的深度最大是4mm，并且凹槽的深度也是0.6mm，在進行浮雕實驗的時候，我們要篩選出深度能夠達到4mm的實驗組，然后再分別測試其凹槽的深度，如果越接近0.6mm，那么還原度就越高，浮雕的質量就好。還原率達到90%就是合格。

3.2 木材3D浮雕試驗結果及分析

3.2.1 單一變量試驗結果

通過實驗結果我們發現雕刻的深度，掃描的速度，填充線間距以及雕刻的層厚之間成反比關系，他們之間和激光功率是正比關系。

3.2.2 正交試驗結果及分析

影響浮雕雕刻深度，以及模型深度產生偏差的原因在于激光在木材表面的雕刻機理。我們知道木材的激光雕刻汽車以及燃燒兩種機制，和激光功率的密度以及作用時間有直接的關系。

3.2.3 碳化層的具體處理結果及分析

木材表面因為存在碳化現象所以會存在一定厚度的碳化層，當H2O2的濃度是20%的時候，處理的效果是最好的。

4 結語

激光3D打標機加工浮雕工藝技術具有非常大的優勢，并且激光3d浮雕也具有最好的雕刻質量，具有比較高的自動化程度，被廣泛應用于我國各大浮雕行業，和傳統浮雕相比，具有無可比擬的優勢，但是它自身也存在著一些問題，它極易出現木材的碳化問題，會嚴重影響到雕刻表面的質量，如果使用傳統的處理碳化層的方法，都會對雕刻造成影響，所以通過實驗表明使用激光3D木材浮雕才是最佳的工藝的。

參考文獻：

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