3D打印的激光雕刻機(jī)設(shè)計(jì)

廣西大學(xué)行健文理學(xué)院 曾光煜 蘇秋仁

廣西大學(xué) 李深旺

國(guó)網(wǎng)北京市電力公司調(diào)控中心 張 效

激光雕刻機(jī)作為現(xiàn)代普遍的板件加工工具，被廣泛用于各種材料的切削和雕刻。由于本文中的小功率雕刻切割兩用的激光雕刻機(jī)所采用的的各部件多為非標(biāo)零件，針對(duì)該雕刻機(jī)的非標(biāo)零件的制造問(wèn)題，本文利用3D打印機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和打印。

激光的光譜特性很窄，所以其波長(zhǎng)單一，能量集中，能迅速地融化甚至汽化工件上很小的一片區(qū)域。因此，激光雕刻機(jī)作為現(xiàn)代普遍的板件加工工具，被廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造和工業(yè)造型等多個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)，制造簡(jiǎn)單快捷，且雕刻面光滑、圓潤(rùn)。但是一般商用的大功率激光雕刻機(jī)具有體型大、占地大、重量大等特點(diǎn)，極大限制了雕刻機(jī)的靈活性和實(shí)用性；同時(shí)，對(duì)于一些小物件打印，采用大功率激光雕刻機(jī)未免有些大材小用，因此，小功率雕刻機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。而小功率激光雕刻機(jī)往往沒(méi)有流水線生產(chǎn)，部分零件屬于非標(biāo)零件，這就給小功率激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)和制造造成了困難。

3D打印也稱為增材制造工藝，將真實(shí)的原材料（如金屬、陶瓷、塑料、砂等）輸出為一薄層，然后不斷重復(fù)一層層疊加，最終變成空間實(shí)物，突破了傳統(tǒng)成型方法，通過(guò)快速自動(dòng)成型系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)軟件數(shù)學(xué)模型結(jié)合，無(wú)需任何附加的傳統(tǒng)模具制造和機(jī)械加工就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的原型。加速了產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程，可進(jìn)行個(gè)性化、特殊化的設(shè)計(jì)和定制，這使得非標(biāo)零件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降，即使是非專業(yè)人員也能進(jìn)行相關(guān)的幾何、結(jié)構(gòu)、材料等方面的研究。

本文針對(duì)上述需求，設(shè)計(jì)一種占地面積小并且便攜的小功率激光雕刻機(jī)，并基于3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光雕刻機(jī)非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的制作，提高生產(chǎn)效率、降低制造成本，解決小功率激光雕刻存在的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主結(jié)構(gòu)選型

本文所制作的激光雕刻機(jī)主要面向的加工對(duì)象是一種由聚苯乙烯（Polystyrene，PS）顆粒經(jīng)過(guò)發(fā)泡生成板芯，并經(jīng)過(guò)表面覆膜壓合而成的一種新型材料。該P(yáng)S材料的硬度不高，但具有一定長(zhǎng)寬尺寸。在經(jīng)過(guò)走輪壓覆實(shí)驗(yàn)以及載荷實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，選定基床基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)作為激光雕刻機(jī)的主結(jié)構(gòu)，可以滿足加工對(duì)象PS新型材料的雕刻需求。

1.2 載荷設(shè)計(jì)

載荷對(duì)激光雕刻機(jī)的工作效率和性能具有重要影響，需要結(jié)合載荷量來(lái)對(duì)激光雕刻機(jī)做針對(duì)性設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的激光雕刻機(jī)需要搭載一定數(shù)量的傳感器用于采集數(shù)據(jù)，需要具備一定的帶載荷能力，但是更多的載荷對(duì)應(yīng)著更多的冗余結(jié)構(gòu)和更高的成本，需要平衡帶載荷能力與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化之間的矛盾。經(jīng)對(duì)各個(gè)載荷構(gòu)件的計(jì)算，并保留一定冗余，本次設(shè)計(jì)的激光雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)載荷設(shè)定為1200g。

1.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為盡可能減小成本，縮小雕刻機(jī)尺寸距離，本文采用雙布置步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)，讓步進(jìn)電機(jī)與其他結(jié)構(gòu)緊湊的結(jié)構(gòu)組成一個(gè)模塊，在檢修時(shí)可以單獨(dú)拆除。最重要的是，該設(shè)計(jì)的好處是通過(guò)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)，使其可以適應(yīng)3D打印機(jī)的打印邏輯，變得易于制造和降低成本。

1.4 電機(jī)選型

綜合考慮激光雕刻機(jī)對(duì)工作扭矩的要求，并留有一定裕度，本次設(shè)計(jì)的激光雕刻機(jī)的電機(jī)選型為42步進(jìn)電機(jī)。

1.5 半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，不同種類(lèi)產(chǎn)生激光的具體過(guò)程比較特殊。常用工作物質(zhì)有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式。半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。

半導(dǎo)體激光器的優(yōu)勢(shì)是價(jià)格低廉，但對(duì)工作條件有較高要求，其需要穩(wěn)定的泵浦、要做到功率控制、還需要非常快速高效的恒流驅(qū)動(dòng)。相對(duì)而言，二氧化碳激光器具有更好的性能指標(biāo)，但價(jià)格昂貴。考慮到本次設(shè)計(jì)的激光雕刻機(jī)的應(yīng)用背景為通用性面板雕刻，并綜合考慮雕刻加工的精度要求和制作成本控制，本次設(shè)計(jì)選定的激光器為半導(dǎo)體激光器。

2 結(jié)論

根據(jù)上節(jié)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)該小功率激光雕刻機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制造。圖1所示為基于3D打印技術(shù)制作的各非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件實(shí)物圖。

圖1 非標(biāo)零件3D打印實(shí)物圖

對(duì)所制作的激光雕刻機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的激光雕刻機(jī)具有較好的雕刻精度，可以滿足小功率激光雕刻機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

本文研究了激光雕刻機(jī)小型化存在的問(wèn)題，基于3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)和制作了一種小功率激光雕刻機(jī)，實(shí)現(xiàn)了激光雕刻機(jī)的小型化、輕量化、便攜式設(shè)計(jì)。對(duì)所設(shè)計(jì)的激光雕刻機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的激光雕刻機(jī)具有較好的雕刻精度，可以滿足小功率激光雕刻機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)方案的正確性和制作樣機(jī)的可靠性。