木质材料工艺雕刻技术探讨——以南京机电职业技术学院雕刻工坊为例

候俊

（南京机电职业技术学院，江苏 南京 210000）

木材作为一种天然材料，以木材为原料制作工艺品，具有朴素、自然、无毒的特性，受到广大消费者的喜欢。由于传统手工雕刻技术效率低，难以满足木质材料工艺品市场发展的需求，在激光雕刻技术逐渐成熟的背景下，在木质材料雕刻中应用激光雕刻技术，可有效提升雕刻的效率和质量。激光是通过受激辐射而产生、放大的光，然后在一系列反射镜和透镜的控制下聚焦成直径很小的光斑，具有极高的功率密度输出。激光雕刻技术应用于木质材料中，是激光和木材相互作用及能量转换的过程，将经聚焦的高功率密度激光束照射到木材的表面，当超过阈值功率密度时，木材表面在瞬间高温作用下，会吸收光束能量以及部分燃烧所产生的热能，在温度急剧上升的情况下，部分材料会在气化的作用下逸出，受到激光束速度和密度的影响，还有部分材料可能被碳化。在激光雕刻机中有数控快速成型系统和图像处理系统，激光器可以根据预先设定好的轨迹运行，从而实现激光雕刻。

1 激光雕刻木质材料的机理及优点

1.1 激光雕刻木质材料的机理

将激光技术应用于木质材料雕刻中，主要是利用高功率密度的激光束照射在木材的表面，然后以燃烧或者瞬时蒸发的方式实现雕刻。当激光的功率密度大小以及照度的强弱达到一定数值范围时，就能够使木材发生气化，从而在木材表面形成切缝。如果切割的速度较快，在激光束与木材表面形成的热量就不会传导到未切割部位，所以木材表面的颜色不会因为碳化而有较大的变化。如果切割速度较慢，在木材切割处就会因为碳化而导致木材表面较为暗淡。在激光功率密度无法达到能使木材气化的程度时，在木材表面的残渣等物质就必须借助于辅助气体将其吹离切缝，但是这种切割的效果往往不够理想，与预期的雕刻效果会存在一定的差别[1]。

激光束照射在木材表面时，在高温的作用下，木材在气化的过程中势必会伴随燃烧现象，在燃烧时产生的热量会促进激光切割的顺利进行。以上都是基于理论的层面进行的论述，都是在理想的状态下可供参考的理论分析，但是在实际加工的过程中，激光的功率密度还会受到各种因素的影响，比如激光设备的输出功率、光束模式等等，且有些因素是不稳定的。所以在激光束照射到木材表面时，常会在局部出现激光的功率密度低于木材蒸发所需的能量，此时就会出现碳化现象，这就需要对激光雕刻技术进行优化调整，尽量减少局部碳化现象，或者采取其他措施进行弥补，以保证木质材料雕刻的艺术效果。

1.2 激光雕刻木质材料的优点

利用激光进行木质材料的雕刻，与传统雕刻工艺相比具有以下优点。第一，因为激光雕刻是利用高功率密度的激光束，所以不需要与木质材料接触即可开展作业，既不需要更换刀具，也不会对刀具造成磨损；第二，因为激光束的直径较小，所以可雕刻出线条较细的图案，且可节约木材的用量，拓宽了雕刻的图案范围；第三，因为激光雕刻是利用高功率密度的激光束使木材发生气化、碳化和燃烧，所以不会有木屑的产生，加工过程较为节能环保；第四，自动化程度较高。在激光雕刻机中应用了数控技术和图像成型系统，可实现多工位的操作，能够应用于复杂形状以及盲切割中，在高速切割状态下可在任何位置开始和停止，自动化程度较高，在木质材料雕刻中可提高生产效率和质量；第五，噪音小。整个雕刻过程的噪音较低，不会产生噪声污染，有利于改善雕刻环境的质量；第六，雕刻效果好。受到激光束能量的影响，在木质材料的表面颜色可能偏暗，但是纹理较为清晰，表面光洁度较好，不仅能够应用于平整的表面，也可应用于曲面雕刻，提高雕刻的效率[2]。

2 木质材料表面激光雕刻技术

激光雕刻技术主要是在数控技术的基础上，结合激光器、图像处理系统及直接CAD 控制系统，利用激光照射于被雕刻材料的表面，在受热的瞬间使其发生熔化和气化，从而达到雕刻的目的。应用于木质材料的激光雕刻主要为CO2激光，在雕刻的过程中，对于速度、对焦距离、电流等技术参数都有严格的标准，这些技术参数会直接影响到切槽的形式、深度和表面质量等。激光雕刻过程较为简单，可利用多种图形处理软件来设计需要雕刻的图案，然后控制系统会按照设计的图案控制激光头的移动，激光头按照控制系统发出的指令运行。比如点阵雕刻，首先是由激光头的左右摆动雕刻出一条由一系列的点组成的线，然后再由激光头的上下移动雕刻出多条线，最终构成需要雕刻的图案。在雕刻的过程中，需要控制好激光头移动的速度，激光的强度以及光斑的大小，以确保得到较好的雕刻效果。较高的雕刻速度会提升生产效率，但是在特定的激光强度下，雕刻速度越慢，雕刻的深度就越大，所以在实际雕刻时，还需要根据实际情况对雕刻速度进行调整，既能够保证生产效率，又能够保证雕刻质量[3]。同样，在特定的雕刻速度下，激光强度越大，雕刻的深度也越大，可在雕刻机面板中来调节强度。根据雕刻需要分辨率的高低，可利用不同焦距的透镜来调整激光束光斑的大小，以达到最佳的雕刻效果。

3 木质材料的性能参数对激光雕刻的影响

在利用激光雕刻木质材料时，木材的性能参数不同，对激光雕刻的效率和质量会产生不同的影响，所以在雕刻加工时，要对材料的性能参数进行分析，然后合理调整激光雕刻机的技术参数，保证雕刻达到理想的效果。木材的光学性质不同，对不同波长激光的吸收程度也不相同，木材对激光的吸收能力越强，在雕刻时对激光的能量利用率就越高。木材中纤维素分子吸收激光的波长范围与CO2激光的波长较为接近，所以CO2激光适合应用于木质材料的雕刻。木材的含水率会对激光加工能力产生一定的影响，因为含水率高的木材其导热性能也较好，在激光作用于木材表面的区域会聚集大量的能量，而木材中的水分在导热的作用下会削弱激光能量的聚集强度，所以在木材含水率较高的情况下，会降低激光雕刻的加工速度，可根据实际需求对木材的含水率进行相应的处理，确保激光雕刻速度满足参数要求[4]。此外，木材的密度、纤维的方向、早晚材等，都会对激光雕刻的质量产生不同程度的影响，还需要结合木材的性能以及预期的雕刻目标，对木材以及雕刻技术参数进行相应的处理和调整，以确保木质材料激光雕刻的效果。

4 激光雕刻技术在木质材料工艺品制作中的应用

根据加工方式的不同，激光雕刻在木质材料加工中的种类主要包括切割雕刻、凹模雕刻和凸模雕刻三类。切割雕刻主要是将想要制作的图案分解成若干个线条形式，然后利用激光切割出这些线条，最终切割完的线条就会组成想要的图案效果；凹模雕刻主要是切除掉想要的图案部分，图案的外围维持原样；而凸模雕刻与凹模雕刻相反，是要保留需要的图案部分，将图案外围部分去除掉。具体想要哪种形式的雕刻，还需要根据想要呈现的效果而定。下面以激光雕刻在木质材料工艺品中的制作步骤为例进行分析。

4.1 制作方案

此次需要制作的工艺品为花卉书签，是利用较薄木材制作工艺画，需要使用计算机、激光雕刻机、图形设计软件、雕刻软件和木质材料。

4.2 确定设计软件

需要使用常用的图形绘制软件绘制花卉图样，比如使用AutoCAD、CorelDRAW、Illustrator 等软件，在确定绘图软件后即可进行图案设计和排版，在排版时注意图形的排列方式，尽量节省材料的用量。图片格式尽量选择矢量图，因为激光雕刻机对位图的雕刻效果不太理想，能够被激光雕刻机软件识别的其他格式的图片，且雕刻效果较好的，也可以使用。

4.3 材料的选择

木质材料的质量、纹理会直接影响到雕刻效果，而木材的种类较多，有松木、桦木、椴木、紫檀木等等，在工艺品制作中，大多会选择椴木。因为紫檀木相对较硬，具有独特的油脂，耐磨耐腐蚀，不易开裂，很适合用来制作书签。

4.4 确定雕刻参数

在雕刻软件中，要正确输入雕刻功率、雕刻速度、聚焦距离、雕刻气压等激光工艺参数，工艺参数的确定会直接关系到雕刻效果的好坏。比如在此次雕刻制作中，如果进给速度设定在600ram/rain以上，雕刻宽度会略有减少。如果进给速度设定为100ram/rain，在输出功率较高时，由于进给速度较慢，照射时间延长，会降低表面雕刻质量，所以要正确设定各项工艺参数[5]。

4.5 雕刻

在激光雕刻软件中设置好参数后，确定好木板的正反面，将木板平整放置于雕刻机平台上，设置加工坐标的原点，激光雕刻机即会根据计算机发出的指令按照软件产生的飞行路线自动雕刻，最后再抛光打蜡处理[6]。利用激光雕刻技术，我校创新工坊每年为新生制作书签3000 只左右，深得师生们的喜爱。

5 结语

随着人们物质生活水平的提升，对工艺品的需求量逐渐增加，对于木质材料的工艺品而言，由于传统的手工雕刻耗时耗力，且雕刻精度难以保证等缺陷，激光雕刻技术在木质材料工艺品制作中的应用受到人们的喜爱。与传统的雕刻工艺相比，激光雕刻区域窄、耗材少，无需夹紧、划线、去油等工序，工件变形小，节能环保，速度快，精度和清晰度高，易于控制，所以激光雕刻在木质材料工艺品制作中应用越来越广泛。但是木材的种类不同，处理方式不同，激光雕刻参数设置不同，都会呈现出不同的雕刻效果。为了达到理想的雕刻效果，还需要对各种木材的特性进行分析，然后合理设置激光雕刻机的技术参数，确保雕刻作业能够优质高效完工，促进我国雕刻技艺的进一步发展。