激光內雕技術在工藝品上的應用

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

激光內雕是利用激光對水晶等玻璃制品內部及表面進行圖形、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部雕刻出二維或三維圖形的系統，高強度的激光束聚焦在水晶內部時，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部雕刻出一個微小點。本文介紹用一種內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雕刻，可以對玻璃、人造水晶等進行內部雕刻。

(1) 算點軟件(Calculate Point)：用于將3D模型和平面圖形轉換成點云圖。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換，再將點云圖導入雕刻軟件中進行雕刻。

2 激光內雕基本原理

激光內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，從而在玻璃內部雕出預定的形狀[2]。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。激光三維內雕屬于選擇性激光雕刻技術，根據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，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，形成三維圖像。

圖2所示為5軸聯動激光內雕機結構原理圖。激光器產生激光后用X軸和Y軸振鏡使激光束產生偏轉，再通過透鏡聚焦在水晶上完成雕刻。振鏡由掃描驅動器控制，兩個轉軸互相垂直的振鏡即可實現對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 激光內雕機結構原理圖

3 激光內雕加工過程

激光內雕加工過程主要包括圖形設計、點云數據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 點云數據生成

打開激光內雕機后，在算點軟件(Calculate Point)中打開馬踏飛燕.obj文件。打開后發現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、縮放和圖形居中設置好模型的位置和大小，使得三維數據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)。

接下來在窗口右側進行如圖7所示的參數設置，參數設置完成后，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，在下方狀態欄中會顯示此文件的圖形點數。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)環境下，打開馬踏飛燕.dxf文件。首先在右側設置好雕刻參數(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)，最后將電壓調到9 V左右，點擊“雕刻”，此時內雕機將執行雕刻命令進行作品加工，加工好的作品如圖9所示。

4 結語

激光內雕屬于內部破壞技術，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，產生大量微米量級大小的爆裂白點，從而在玻璃內部雕出預定的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]。若要在水晶內部雕刻三維立體模型，須先得到模型的三維幾何數據，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據，最后才能在雕刻機中實現雕刻[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雕的工作原理和工藝過程，讓學生學會激光內雕機的基本操作方法，培養學生初步分析問題和解決問題的能力，對學生綜合素質的提高具有良好的促進作用。

圖7 點云參數設置 圖8 雕刻參數設置 圖9 雕刻完成后的工藝品