激光水晶内雕和3D打印教学模式改革研究*

凌明成 张朝刚 王明

摘 要：激光器现已广泛应用于军工、医疗、科研、工业加工等诸多领域。在工业加工领域的内雕行业中，半导体激光器即将成为内雕机的主流在加上和3d打印技术的融合已经成为衡量一个国家制造业是否发达的标志。3D打印（3Dprinting）是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量激光内雕和3D打印教学模式的想结合能有效的提高效率。

关键词：水晶内雕；3D打印；教学；改革

一、激光水晶内雕机发张过程及现状

随着社会的发展，人们的鉴赏水平有了很大的提高，水晶内雕工艺品不再是超出人们经济能力范围的奢侈品，在发达国家已走进寻常百姓家。这为激光技术与应用激光器在内雕行业中的应用带来了强大的动力。目前，水晶内雕机已经完成了由白光机向绿光机、灯泵机向半导体泵浦机；工位机向振镜机的转变，内雕的效果越来越好，内雕机的工作效率也越来越高。

对于水晶工艺品加工行业来说，激光相对于其他加工方式有着先天的优势，它能够在不损伤工件表面的情况下，对内部的特定位置进行打点加工。把激光的焦点定在水晶内部，使焦点处的能量密度刚好达到水晶爆炸点（破坏阈值），而在水晶表面及内部其他部位由于光能没有达到水晶的破坏阈值将不会造成任何损伤，再结合计算机精确方位控制，就不难在水晶内部雕出特定的三维图案。这里所说的水晶并不是真正的水晶，而是人造水晶，其实也就是含有氧化铅的玻璃，这种玻璃透光性好、亮度高、从不同方向看都是均匀透明的。但这并不是说有色玻璃就不能内雕，有色玻璃由于里面含有一些有色元素而呈现出特定的颜色，由于这些元素的存在，其对光能的吸收可能会高一些，所以光相对要弱一些，但一般来说在光强足够大的情况下能够雕刻。

早期的工位机是将水晶粘在工作平台上，由X和Y2个方向的电机带动丝杠转动来使工作平台移动，Z轴的移动则由Z轴方向的电机控制。由于这种机械移动需要带上负载，因此速度不可能太快，致使工位机的雕刻速度一般都达不到理论最大值，远不能满足高速内雕的需要。然而，振镜则是通过控制光的方向，用类似于光扫描的方式来控制打点，因此速度非常快，几乎能在接近理论最大速度的情况下工作，其工作速度能够满足3000Hz以上的频率要求。各内雕机生产商已经开始在灯泵机上使用振镜，但振镜机并没有立刻取代工位机，因为聚焦镜补偿能力有限，造成其工作范围太小，使用F=100mm的聚焦镜，其工作范围约为Φ60mm。使用长焦距的聚焦镜能使雕刻范围有所增加，比如使用F=160mm的聚焦镜，工作范围是Φ110mm。但这又会带来其他问题：焦距太长，焦深也就长，雕出的点子就比较细长，图案在正面看没有大问题，但从侧面看，图案就显得很朦朧，不够清晰。目前内雕机生产商为了获得更好的雕刻效果，一般多采用焦距在100-110mm的聚焦镜。同时，为了克服振镜机工作范围小的缺点，又派生出五维内雕技术。其实，所谓的五维就是用振镜结合工位机的特点，将图案分成若干块，每一块都用振镜来雕刻，完成一块后再通过电机移动到另一块。这样既能实现高速内雕，又能兼顾大幅面工作。但这样做存在拼接问题，目前的工作重点是如何才能使块与块之间拼接的非常好且看不出任何的缝隙或者重叠

二、3D打印技术概况

3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造（AM，Additive Manufacturing）。运用该技术进行生产的主要流程是：应用计算机软件设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备（俗称“3D？打印机”），用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“打印”出产品.

3D打印是“增材制造”（AdditiveManufacturing）的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。

3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。

三、激光水晶内雕和3D打印想结合

3D打印可用于工业制造：产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品。3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中。与激光内雕可以更好的想结合。

参考文献：

[1]杨林丰，曹雪璐，罗婕，宋珂.激光内雕加工工程训练项目的建设[J].机械制造与自动化，2016，45（5）：69-71.

[2]冯巧波，尹铁路，沈坤全，俞雳.激光加工在工程实训中的应用[J].实验室研究与探索，2015，34（4）：206-208+220.