激光内雕技术在工艺品加工的实践应用*

胡彦萍

(兰州石化职业技术学院 机械工程学院，甘肃 兰州 730060)

0 引 言

激光内雕机是集精密机械、激光技术、电子技术、计算机等学科于一体的高科技设备[1]。激光雕刻是激光加工的一种先进模式，它是利用激光对水晶等玻璃制品表面及内部进行文字和图形雕刻的加工方法。激光要在水晶上雕刻，激光器所发激光的焦点能量密度必须大于使水晶破坏的阀值，才能使水晶瞬间破裂，在内部产生极小的白点。因此，通过控制激光束在水晶中的焦点位置，就可以实现在不损伤水晶表面的情况下，在水晶内部特定位置进行打点，从而雕刻出预定的形状，实现水晶的白色内雕[2]。

1 激光内雕加工原理

三维激光雕刻机是一个由计算机控制的可在水晶玻璃内部雕刻出二维或三维图形的系统，通过专用点云转换软件将二维或三维图形转换成点云数据，振镜扫描器在计算机控制下高速摆动，同时工作台进行联动运行，输出激光在玻璃中扫描点的位置，从而完成点云图像的激光内雕加工[3]。图1所示为五轴联动激光内雕机工作原理图。

激光三维内雕属于选择性激光雕刻技术，采用分层制作和层层叠加的技术途径，如果按平面图形在水晶内部逐点雕刻出微小点，就可以形成二维图像；如果计算机从图像的三维几何信息出发，通过对信息的离散化处理(切片分层)，将三维雕刻转为二维雕刻，再在高度方向上堆集，就可以形成三维图像，即激光内雕机在工作过程中，沿着Z轴方向采用分层加工的方式完成三维点云的内雕。

图1 激光内雕机工作原理图

2 设备简介

所述的教学设备是北京正天激光的ZT-532激光内雕机。该设备采用半导体端泵激光器，最大雕刻范围为320 mm×270 mm×100 mm，激光频率为2 500 Hz，波长为 532 nm。该设备需要用到算点和打点两种软件：先将要雕刻的图形文件(obj格式)导入到算点软件(Calculate point)中进行点云转换，计算好点数后将文件保存成dxf格式，再将此点云文件导入打点软件(Crystal Laser)中实现打点操作，激光内雕机可以实现对玻璃、人造水晶等进行内部雕刻，雕刻速度快，图像精美清晰。

3 激光内雕加工过程

激光内雕加工过程主要包括模型设计、生成点云图和雕刻加工3个步骤。

(1) 模形设计

可以使用多种三维设计软件进行设计，如3dsMax、SolidWorks、UG等，采用3dsMax2020软件进行模型设计，设计完成后(见图2)导出为激光内雕机的算点软件所能读取的文件格式进行保存，文件名为：狗.obj。

图2 图形设计完成

(2) 生成点云图

首先打开算点软件Calculate point，在基本设置中设置好水晶的尺寸，本例采用50mm×80mm×50mm的水晶进行雕刻，即尺寸设置成X50，Y80，Z50，然后打开设计好的狗.obj文件，将其居中显示，并切换各个视角观察模型大小和水晶边界，最后通过旋转、缩放设置好模型的大小，要求模型在各个视角下都不能超出水晶边界，如图3所示。也可以在算点软件中加入需要的文字，只要将文字调整到合适的大小和位置即可。

图3 文件调整至合适大小和位置

接下来在窗口右侧进行如图4所示的参数设置，然后点击工具栏“鼠标清零”进行点云计算后，在下方状态栏中会显示此模型文件的图形点数(见图5)。最后将计算好的点云文件保存为:狗.dxf。

图4 点云参数设置 图5 算点完成

(3) 雕刻加工

首先将干净的水晶放置在工作台右上角(图6，注意放置方向)，然后打开打点软件Crystal Laser，复位后，导入狗.dxf文件，接着在右侧设置好尺寸参数(X50，Y80，Z50)，将电压调到10V左右，点击“雕刻”，此时内雕机将通过软件控制和平台移动进行作品加工，加工好的工艺品如图7所示。观察加工后的水晶模型，视觉效果较好，达到了预期目标。

图6 放置水晶图7 雕刻完成后 的工艺品

4 总 结

采用正向设计完成模型的设计，在实践教学中也可以采用逆向设计的方法来获得产品模型。通过采用不同的方法进行激光内雕作品的设计制作，可以使得学生深入了解激光的基本原理，掌握激光加工的完整工艺过程，激发学生的学习兴趣，拓宽学生的知识面和动手能力，培养学生的自主设计能力和工程实践能力，对于学生创新创业能力的培养和职业素质的提高都具有重要作用[4]。