激光内雕技术在工艺品上的应用

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

激光内雕是利用激光对水晶等玻璃制品内部及表面进行图形、图像和文字的雕刻，它属于激光加工的一种,是先进的加工模式。激光内雕机是集电子技术、精密机械、激光技术、计算机技术等学科于一体的高技术设备[1]。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，高强度的激光束聚焦在水晶内部时，将破坏水晶的晶格组织，形成不透明的微小缺陷，犹如激光束在水晶内部雕刻出一个微小点。本文介绍用一种内雕机雕刻马踏飞燕工艺品的过程，为该项技术的实践教学实施提供一个参考。

1 设备简介

本校所用的教学设备是北京正天激光的ZT-532激光内雕机，设备外观如图1所示。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，激光波长为532 nm，频率为2 500 Hz，设备功率为800 W。设备操作需要用到算点软件和雕刻软件两种软件，用于将2D/3D图形进行点云化处理和控制机器实现雕刻，可以对玻璃、人造水晶等进行内部雕刻。

(1) 算点软件(Calculate Point)：用于将3D模型和平面图形转换成点云图。点云图即为点阵位置图，图形是由点阵排列形成的。

(2) 雕刻软件(Crystal Laser):用来控制机器的雕刻动作。

两个软件的操作步骤如下：先将要雕刻的图形文件导入算点软件中进行点云转换，再将点云图导入雕刻软件中进行雕刻。

2 激光内雕基本原理

激光内雕的过程是激光与材料相互作用的过程，当激光束的能量密度大于玻璃破坏的某一临界值(阈值)时，其脉冲能量能够使玻璃瞬间受热破裂，产生极小的白点，而玻璃其余部分则保持原样完好无损，从而在玻璃内部雕出预定的形状[2]。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。激光三维内雕属于选择性激光雕刻技术，根据分层制作和层层叠加的技术途径，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，形成三维图像。

图2所示为5轴联动激光内雕机结构原理图。激光器产生激光后用X轴和Y轴振镜使激光束产生偏转，再通过透镜聚焦在水晶上完成雕刻。振镜由扫描驱动器控制，两个转轴互相垂直的振镜即可实现对X-Y平面的两维扫描，然后通过工作平台的移动和配套软件控制，可实现图片分块雕刻，同时达到更大雕刻幅面的目的。

图1 设备外观 图2 激光内雕机结构原理图

3 激光内雕加工过程

激光内雕加工过程主要包括图形设计、点云数据生成和激光雕刻操作3个步骤。

3.1 图形设计

可以使用多种三维设计软件进行图形绘制，如UG、SolidWorks、3dsMax等，本文采用3dsMax2020软件进行模型设计，设计完成后的图形如图3所示，将其导出为激光内雕软件所能读取的文件格式进行保存，文件名为：马踏飞燕.obj。

3.2 点云数据生成

打开激光内雕机后，在算点软件(Calculate Point)中打开马踏飞燕.obj文件。打开后发现模型文件的大小和位置不符合加工的要求，需要进行相应的调整。

首先需要在基本设置中设置好水晶的尺寸，本例采用50 mm×80 mm×50 mm的水晶进行雕刻，设置完成后(如图4所示)，通过旋转、缩放和图形居中设置好模型的位置和大小，使得三维数据文件位于水晶块的合适位置(见图5)，切换不同视角进行观察，要求模型在各个视角下都不能超出水晶边界，且目测其与边界有5 mm以上距离。

图3 设计完成后图形

图4 设置水晶尺寸

如果需要在水晶中加入文字，可以点击工具栏中“A”按钮加入所需文字，然后将文字调整到合适的大小和位置，方法同上。本文设计完成后的最终模型如图6所示(注意模型在X轴和Y轴中的位置)。

接下来在窗口右侧进行如图7所示的参数设置，参数设置完成后，先点“确认修改”，然后点击工具栏“鼠标清零”进行点云计算，计算完成后，在下方状态栏中会显示此文件的图形点数。最后在文件菜单栏中点击“保存点云”，将计算好的点云文件保存为:马踏飞燕.dxf。

图5文件调整至合适大小和位置 图6模型最终完成

3.3 激光雕刻

在雕刻软件(Crystal Laser)环境下，打开马踏飞燕.dxf文件。首先在右侧设置好雕刻参数(如图8所示)，点击“应用”，然后将水晶上表面擦拭干净后放入工作台右上角(注意放置方向，参见图6)，最后将电压调到9 V左右，点击“雕刻”，此时内雕机将执行雕刻命令进行作品加工，加工好的作品如图9所示。

4 结语

激光内雕属于内部破坏技术，它通过计算机控制激光束的扫描路径，使激光束在玻璃体内部聚焦，当激光束能量密度超过玻璃的破坏阈值时，能够在瞬间使玻璃受热破裂，产生大量微米量级大小的爆裂白点，从而在玻璃内部雕出预定的2D/3D形状，而玻璃其余未爆裂的部分则保持原样完好无损[3]。若要在水晶内部雕刻三维立体模型，须先得到模型的三维几何数据，即构成模型的点、线、面信息，然后借助软件对其表面和边线进行填充点从而得到对应的点云数据，最后才能在雕刻机中实现雕刻[4]。本文简述了水晶工艺品的制作过程，引导学生初步掌握激光内雕的工作原理和工艺过程，让学生学会激光内雕机的基本操作方法，培养学生初步分析问题和解决问题的能力，对学生综合素质的提高具有良好的促进作用。

图7 点云参数设置 图8 雕刻参数设置 图9 雕刻完成后的工艺品