基于數(shù)字化激光雕刻技術的古建筑模型的制作

王 茵

(蘇州高等職業(yè)技術學校,江蘇 蘇州 215000)

0 引言

古建筑模型作為一種文化傳播的載體,可提升人們的文化自信,也可作為一種文化產品轉化為經濟效益[1]。在教育教學與學術研究中,古建筑模型作為古建筑專業(yè)的教具,是學生深入理解古建筑結構最有效的工具,是古建筑修繕與保護的基礎性研究手段[2-3]。我國古建筑模型制作分為傳統(tǒng)手工技藝制作和工業(yè)化生產制作兩種方式。工業(yè)化生產制作以3D打印技術和激光雕刻技術為主。應用3D打印技術需構建建筑整體模型,使用熱熔材料從下到上構建建筑物及構件,再進行拼接安裝,但制作速度慢,精度較差。應用激光雕刻技術需將建筑立體模型拆解成平面零件,應用激光雕刻機在材料板上雕刻出零件,將這些零件拼接成完整的建筑模型,制作速度快,精度高,便于理解古建筑的復雜構造。本研究介紹了數(shù)字化激光雕刻技術,設計了六角亭,根據(jù)其所需材料進行實驗,確定激光雕刻機的參數(shù)設置,完成模型制作。

1 數(shù)字化激光雕刻技術

1.1 基本原理

激光雕刻機的工作原理是將電能轉化成光能,通過激光器發(fā)出激光束,將其聚焦到材料加工位置,令材料吸收激光能量,最終汽化、斷裂,達到切割或雕刻的目的[4]。激光是一種清潔能源,環(huán)保性能優(yōu)于傳統(tǒng)機械加工方式。隨著我國制造業(yè)的發(fā)展,激光雕刻機的體積越來越小,智能化水平越來越高。

1.2 系統(tǒng)組成

激光雕刻機的系統(tǒng)組成主要有機械系統(tǒng)、光學系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。機械系統(tǒng)包括所有齒輪、導軌等裝置,負責雕刻機內部結構的運動;光學系統(tǒng)負責將激光器產生的光束通過聚焦或反射到達加工材料的表面;控制系統(tǒng)負責接收圖形文件及控制電機,通過電機驅動控制雕刻頭移動。激光雕刻機雕刻頭與被加工構件可以實現(xiàn)X、Y、Z三方向的相對運動,以達到三維雕刻的目的。一般的平面材料加工只需要用到X、Y兩方向的相對運動。圖1為平面材料激光雕刻機。

圖1 激光雕刻機Fig.1 Laser engraver

2 模型制作

2.1 模型概況

我國古建筑形式復雜多樣,但有共通之處,主要由基礎、梁柱、斗拱、欄桿等組成。選取六角亭作為研究對象。設計六角亭高度3.44 m,底座邊長2 m,頂部外檐邊長2.5 m,命名為歸離亭。模型圖紙繪制由Auto CAD2020完成。選用6 mm厚度薄木板作為主要材料,確定尺寸樣式1:20。設計平面圖如圖2所示。

圖2 歸離亭設計圖紙Fig.2 Pavilion design drawing

2.2 激光雕刻機參數(shù)設置

采用某激光雕刻機進行參數(shù)設置實驗。激光器移動速度與激光功率對木板切割數(shù)據(jù)影響如表1所示。

表1 激光雕刻機移動速度與功率對切割數(shù)據(jù)的影響Tab.1 Influence of moving speed and power of laser engraving machine on cutting data (mm)

根據(jù)模型制作中使用的木板厚度,切割木板時設置激光雕刻機功率為60 W,移動速度為15 mm/s;雕刻藝術字時設置激光雕刻機功率為15 W,移動速度為30 mm/s。采用以上參數(shù)設置,木板的切縫寬度控制在1 mm左右,不影響后續(xù)模型拼接精度。將平面圖紙導入激光雕刻機控制系統(tǒng),即可實現(xiàn)數(shù)字化自動激光切割與雕刻。

2.3 制作流程

確定好切割與雕刻參數(shù)之后開始制作六角亭所需構件。操作流程如圖3所示。將圖紙導入主機,將材料固定在工作臺上并調整工作臺位置,設置激光雕刻機參數(shù),點擊開始,切割并雕刻構件。對于既有雕刻步驟又有切割步驟的構件,如歸離亭牌匾,需要進行兩個加工步驟:①歸離亭字體的雕刻。將加工模式設置為雕刻模式,雕刻機功率為15 W,移動速度為30 mm/s。②牌匾切割。將加工模式設置為切割模式,設置激光雕刻機功率為60 W,移動速度為15 mm/s。兩個步驟順序不能顛倒。激光雕刻機切割材料得到構件后,使用150目砂紙對構件進行打磨處理。砂紙目數(shù)不宜過高或過低,打磨過于光滑會導致后期涂抹膠水不易黏合,打磨過于粗糙則影響精度及美觀性。

圖3 操作流程Fig.3 Operation process

操作過程中一定要注意實驗安全。木材易燃,進行激光雕刻時,如發(fā)現(xiàn)溫度過高等危險情況,需停止一段時間后再繼續(xù)。實驗員應遠離設備,避免激光傷害人體。操作結束后進行設備通風處理,消除有害氣體[5]。

2.4 成品

使用502膠水將構件拼接完畢后進行晾曬。待膠水凝固后,完成上色及布景工作。成品展示如圖4所示。

圖4 成品圖片F(xiàn)ig.4 Picture of the finished product

3 結論

數(shù)字化激光雕刻機可縮短古建筑模型的制作時間,提高其精度、美觀度。基于數(shù)字化激光雕刻技術制作古建筑模型是未來模型制作的發(fā)展方向。介紹了激光雕刻技術,針對古建筑中典型的六角亭進行平面圖設計,分析激光器移動速度及功率與模板切割厚度之間的關系,確定功率60 W與移動速度15 mm/s為6 mm木板最佳切割參數(shù)。應用數(shù)字化激光雕刻技術實現(xiàn)模型構件的切割與雕刻,完成模型拼接制作與布景,為今后制作古建筑模型提供參考。