3D打印的激光雕刻機設計

廣西大學行健文理學院 曾光煜 蘇秋仁

廣西大學 李深旺

國網北京市電力公司調控中心 張 效

激光雕刻機作為現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所采用的的各部件多為非標零件，針對該雕刻機的非標零件的制造問題，本文利用3D打印機進行設計和打印。

激光的光譜特性很窄，所以其波長單一，能量集中，能迅速地融化甚至汽化工件上很小的一片區域。因此，激光雕刻機作為現代普遍的板件加工工具，被廣泛應用在機械制造和工業造型等多個領域和行業，制造簡單快捷，且雕刻面光滑、圓潤。但是一般商用的大功率激光雕刻機具有體型大、占地大、重量大等特點，極大限制了雕刻機的靈活性和實用性；同時，對于一些小物件打印，采用大功率激光雕刻機未免有些大材小用，因此，小功率雕刻機應運而生。而小功率激光雕刻機往往沒有流水線生產，部分零件屬于非標零件，這就給小功率激光雕刻機的設計和制造造成了困難。

3D打印也稱為增材制造工藝，將真實的原材料（如金屬、陶瓷、塑料、砂等）輸出為一薄層，然后不斷重復一層層疊加，最終變成空間實物，突破了傳統成型方法，通過快速自動成型系統與計算機軟件數學模型結合，無需任何附加的傳統模具制造和機械加工就能夠制造出各種形狀復雜的原型。加速了產品的研發過程，可進行個性化、特殊化的設計和定制，這使得非標零件的設計生產周期大大縮短，生產成本大幅下降，即使是非專業人員也能進行相關的幾何、結構、材料等方面的研究。

本文針對上述需求，設計一種占地面積小并且便攜的小功率激光雕刻機，并基于3D打印技術實現激光雕刻機非標準構件的制作，提高生產效率、降低制造成本，解決小功率激光雕刻存在的技術經濟性問題。

1 結構設計

1.1 主結構選型

本文所制作的激光雕刻機主要面向的加工對象是一種由聚苯乙烯（Polystyrene，PS）顆粒經過發泡生成板芯，并經過表面覆膜壓合而成的一種新型材料。該PS材料的硬度不高，但具有一定長寬尺寸。在經過走輪壓覆實驗以及載荷實驗的檢驗，選定基床基準結構作為激光雕刻機的主結構，可以滿足加工對象PS新型材料的雕刻需求。

1.2 載荷設計

載荷對激光雕刻機的工作效率和性能具有重要影響，需要結合載荷量來對激光雕刻機做針對性設計。所設計的激光雕刻機需要搭載一定數量的傳感器用于采集數據，需要具備一定的帶載荷能力，但是更多的載荷對應著更多的冗余結構和更高的成本，需要平衡帶載荷能力與結構簡化之間的矛盾。經對各個載荷構件的計算，并保留一定冗余，本次設計的激光雕刻機的結構載荷設定為1200g。

1.3 驅動機構設計

為盡可能減小成本，縮小雕刻機尺寸距離，本文采用雙布置步進電機結構，讓步進電機與其他結構緊湊的結構組成一個模塊，在檢修時可以單獨拆除。最重要的是，該設計的好處是通過對非標準構件的合理設計，使其可以適應3D打印機的打印邏輯，變得易于制造和降低成本。

1.4 電機選型

綜合考慮激光雕刻機對工作扭矩的要求，并留有一定裕度，本次設計的激光雕刻機的電機選型為42步進電機。

1.5 半導體激光器設計

半導體激光器是用半導體材料作為工作物質的激光器。由于物質結構上的差異，不同種類產生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導體激光器件，可分為同質結、單異質結、雙異質結等幾種。同質結激光器和單異質結激光器在室溫時多為脈沖器件，而雙異質結激光器室溫時可實現連續工作。

半導體激光器的優勢是價格低廉，但對工作條件有較高要求，其需要穩定的泵浦、要做到功率控制、還需要非常快速高效的恒流驅動。相對而言，二氧化碳激光器具有更好的性能指標，但價格昂貴。考慮到本次設計的激光雕刻機的應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，本次設計選定的激光器為半導體激光器。

2 結論

根據上節的設計結構，對該小功率激光雕刻機進行了設計和制造。圖1所示為基于3D打印技術制作的各非標準構件實物圖。

圖1 非標零件3D打印實物圖

對所制作的激光雕刻機樣機進行了實驗研究。實驗結果表明，所設計的激光雕刻機具有較好的雕刻精度，可以滿足小功率激光雕刻機的技術經濟性需求，達到了設計目的。

本文研究了激光雕刻機小型化存在的問題，基于3D打印技術設計和制作了一種小功率激光雕刻機，實現了激光雕刻機的小型化、輕量化、便攜式設計。對所設計的激光雕刻機樣機進行了實驗研究，實驗結果表明，所設計的激光雕刻機具有較好的雕刻精度，可以滿足小功率激光雕刻機的技術經濟性需求，達到了設計目的。實驗結果證明了設計方案的正確性和制作樣機的可靠性。