激光3D打标机加工浮雕工艺技术的研究

杨勇

摘 要：为了能够不断的改善激光3D木材浮雕的雕刻质量，我们仔细的研究了相关的工艺参数，以及激光3D木材浮雕的雕刻质量的规律，我们通过单因素的试验然后进行确定最佳的工艺参数，每一种加工参数都会影响到雕刻质量，所以我们进行了详细的研究；然后通过进行正交试验进行优化相关的工艺参数，这样的话也可以获得有关于激光浮雕的最优工艺参数；然后我们再进行碳化层的有关处理实验，研究了H2O2的浓度对于碳化层厚度的影响，经过研究结果我们知道激光3D木材浮雕是属于最佳的工艺。具体参数指标为：扫描的速度是2500mm/重复的频率是16kHz，激光的功率是63W，填充线间距0.08mm，雕刻层厚是0.08mm，浮雕和模型的还原度是最高的。并且如果H2O2浓度是20%的时候，我们进行碳化层的处理效果是最佳的。

关键词：激光3D木材浮雕；雕刻质量；工艺参数

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.034

1 传统浮雕与激光3D浮雕的比较

浮雕具有比较美观以及结实的形态，并且也非常容易长期进行保存，这些都是浮雕的优势所在，现在浮雕已经被广泛应用于金銀首饰等各大领域。并且浮雕制作方法主要包括三个方面，人工刀纸雕刻，自动化机械雕刻以及模具打印等。我们知道人工刀具一般情况下都会雕刻比较精美的浮雕，并且浮雕的形态也比较精致以及细腻，但是它仍然存在着缺点，雕刻出来的品质，和技工的雕刻水平有着比较直接的关系，我们对其加工的时候也是比较长的，但是雕刻的效率也是比较低的。所以我们一般情况下都会把它放在小批量的生产类型中。而我们如果使用自动化的机械雕刻方式，它的速度是非常快的，并且幅面也非常大，这都是它的优势所在，自动化机械雕刻适合于大批量的生产。但是它的缺点在于刀具尺寸的限制会影响到雕刻质量，并且也很难实现微小结构的雕刻。模具打印在三种方法中效率是最高的，但是我们需要提前制作模具，如果我们要对浮雕的形貌进行比较微小的一些修改工作，那么我们就需要重新制定模具，所以模具打印的缺点也就出现了，模具打印需要的时间比较长，并且成本也比较高，不够灵活等。但是通过使用激光3D打标技术进行雕刻，那么我们雕刻出来的质量也是比较高的，并且我们进行雕刻的自动化程度比较高，所以被广泛应用于浮雕行业，但是其中也容易出现木材的炭化问题，而浮雕的表面质量会被碳化层严重影响。

2 传统碳化层处理方法

第一种是使用喷水处理，把脱水量降低，这种情况下会在一定程度上减小了木材的碳化程度，但是如果材料是属于较软木质，我们进行喷水处理的话一定会导致材料出现腐烂的情况。第二种我们是通过使用喷氮气进行处理，其中主要的原理也是对木材进行脱水工作，通过脱水以后木材的性质也是属于低化学的反应区，这种情况下也可以减少了碳水层，但是使用这种方法的话就需要消耗大量的氮气，所以在无形之中在很大程度上会增加加工的成本。第三种方法我们是在完成加工的工作之后，可以使用一些砂纸进行打磨，也可以使用刷子然后进行打磨碳化层，但是会影响到木材表面的光滑度，我们打磨的范围也会受到限制。

3 木材3D浮雕实验

3.1 设备材料，实验方法

我们要想对激光3D打标机的浮雕工艺进行研究，需要使用到一些必要的材料，我们要把双氧水以及氨水混合起来，使用其混合液，然后化学漂白需要研究的木材，漂白之后把它放在空气中，使其可以被自然的晾干。我们使用的激光设备是属于一种二氧化碳3D激光打标机的类型，并且它其余激光的输出波长是10640nm，平均功率是180W，这些实验的材料选择的是檀木，它的具体尺寸是48mm×69mm×10mm。进行分析雕刻质量的是3D电子扫描显微镜。

3.1.1 单一变量试验

我们知道要进行研究激光3D浮雕技术，就需要一些相关的数据信息，我们主要是进行研究扫描的速度，模型的具体雕刻层厚的数据，重复的频率以及激光的有关功率等因素，这些都会影响到雕刻的质量。而模型雕刻层厚主要是指我们z向分割STL文件之后的每层的实际厚度。我们使用单一变量法和进行研究。通过大量的实验可以表明：当进行加工参数的振镜扫描的速度是2500mm/s的时候，那么激光的重复频率就是16kHz，并且激光的功率就是54W，冰品其中的填充线间距是0.1mm，我们这些扫描的角度是90°，并且我们进行雕刻的层厚是0.08mm的时候，进行单因素的试验工作，会有最好的效果。

3.1.2 正交试验

我们在进行正交试验的时候，STL文件模型的深度最大是4mm，并且凹槽的深度也是0.6mm，在进行浮雕实验的时候，我们要筛选出深度能够达到4mm的实验组，然后再分别测试其凹槽的深度，如果越接近0.6mm，那么还原度就越高，浮雕的质量就好。还原率达到90%就是合格。

3.2 木材3D浮雕试验结果及分析

3.2.1 单一变量试验结果

通过实验结果我们发现雕刻的深度，扫描的速度，填充线间距以及雕刻的层厚之间成反比关系，他们之间和激光功率是正比关系。

3.2.2 正交试验结果及分析

影响浮雕雕刻深度，以及模型深度产生偏差的原因在于激光在木材表面的雕刻机理。我们知道木材的激光雕刻汽车以及燃烧两种机制，和激光功率的密度以及作用时间有直接的关系。

3.2.3 碳化层的具体处理结果及分析

木材表面因为存在碳化现象所以会存在一定厚度的碳化层，当H2O2的浓度是20%的时候，处理的效果是最好的。

4 结语

激光3D打标机加工浮雕工艺技术具有非常大的优势，并且激光3d浮雕也具有最好的雕刻质量，具有比较高的自动化程度，被广泛应用于我国各大浮雕行业，和传统浮雕相比，具有无可比拟的优势，但是它自身也存在着一些问题，它极易出现木材的碳化问题，会严重影响到雕刻表面的质量，如果使用传统的处理碳化层的方法，都会对雕刻造成影响，所以通过实验表明使用激光3D木材浮雕才是最佳的工艺的。

参考文献：

[1]徐小燕，刘胜兰，李博等，基于曲率特征的三维模型浮雕压缩算法[J].计算机与现代化，2010（05）：1-4+18.

[2]何会珍，杨勋年.曲面浮雕生成[J].计算机辅助设计与图形学学报，2010，22（09）：1132-1137.