基于数字化激光雕刻技术的古建筑模型的制作

王 茵

(苏州高等职业技术学校,江苏 苏州 215000)

0 引言

古建筑模型作为一种文化传播的载体,可提升人们的文化自信,也可作为一种文化产品转化为经济效益[1]。在教育教学与学术研究中,古建筑模型作为古建筑专业的教具,是学生深入理解古建筑结构最有效的工具,是古建筑修缮与保护的基础性研究手段[2-3]。我国古建筑模型制作分为传统手工技艺制作和工业化生产制作两种方式。工业化生产制作以3D打印技术和激光雕刻技术为主。应用3D打印技术需构建建筑整体模型,使用热熔材料从下到上构建建筑物及构件,再进行拼接安装,但制作速度慢,精度较差。应用激光雕刻技术需将建筑立体模型拆解成平面零件,应用激光雕刻机在材料板上雕刻出零件,将这些零件拼接成完整的建筑模型,制作速度快,精度高,便于理解古建筑的复杂构造。本研究介绍了数字化激光雕刻技术,设计了六角亭,根据其所需材料进行实验,确定激光雕刻机的参数设置,完成模型制作。

1 数字化激光雕刻技术

1.1 基本原理

激光雕刻机的工作原理是将电能转化成光能,通过激光器发出激光束,将其聚焦到材料加工位置,令材料吸收激光能量,最终汽化、断裂,达到切割或雕刻的目的[4]。激光是一种清洁能源,环保性能优于传统机械加工方式。随着我国制造业的发展,激光雕刻机的体积越来越小,智能化水平越来越高。

1.2 系统组成

激光雕刻机的系统组成主要有机械系统、光学系统及控制系统。机械系统包括所有齿轮、导轨等装置,负责雕刻机内部结构的运动;光学系统负责将激光器产生的光束通过聚焦或反射到达加工材料的表面;控制系统负责接收图形文件及控制电机,通过电机驱动控制雕刻头移动。激光雕刻机雕刻头与被加工构件可以实现X、Y、Z三方向的相对运动,以达到三维雕刻的目的。一般的平面材料加工只需要用到X、Y两方向的相对运动。图1为平面材料激光雕刻机。

图1 激光雕刻机Fig.1 Laser engraver

2 模型制作

2.1 模型概况

我国古建筑形式复杂多样,但有共通之处,主要由基础、梁柱、斗拱、栏杆等组成。选取六角亭作为研究对象。设计六角亭高度3.44 m,底座边长2 m,顶部外檐边长2.5 m,命名为归离亭。模型图纸绘制由Auto CAD2020完成。选用6 mm厚度薄木板作为主要材料,确定尺寸样式1:20。设计平面图如图2所示。

图2 归离亭设计图纸Fig.2 Pavilion design drawing

2.2 激光雕刻机参数设置

采用某激光雕刻机进行参数设置实验。激光器移动速度与激光功率对木板切割数据影响如表1所示。

表1 激光雕刻机移动速度与功率对切割数据的影响Tab.1 Influence of moving speed and power of laser engraving machine on cutting data (mm)

根据模型制作中使用的木板厚度,切割木板时设置激光雕刻机功率为60 W,移动速度为15 mm/s;雕刻艺术字时设置激光雕刻机功率为15 W,移动速度为30 mm/s。采用以上参数设置,木板的切缝宽度控制在1 mm左右,不影响后续模型拼接精度。将平面图纸导入激光雕刻机控制系统,即可实现数字化自动激光切割与雕刻。

2.3 制作流程

确定好切割与雕刻参数之后开始制作六角亭所需构件。操作流程如图3所示。将图纸导入主机,将材料固定在工作台上并调整工作台位置,设置激光雕刻机参数,点击开始,切割并雕刻构件。对于既有雕刻步骤又有切割步骤的构件,如归离亭牌匾,需要进行两个加工步骤:①归离亭字体的雕刻。将加工模式设置为雕刻模式,雕刻机功率为15 W,移动速度为30 mm/s。②牌匾切割。将加工模式设置为切割模式,设置激光雕刻机功率为60 W,移动速度为15 mm/s。两个步骤顺序不能颠倒。激光雕刻机切割材料得到构件后,使用150目砂纸对构件进行打磨处理。砂纸目数不宜过高或过低,打磨过于光滑会导致后期涂抹胶水不易黏合,打磨过于粗糙则影响精度及美观性。

图3 操作流程Fig.3 Operation process

操作过程中一定要注意实验安全。木材易燃,进行激光雕刻时,如发现温度过高等危险情况,需停止一段时间后再继续。实验员应远离设备,避免激光伤害人体。操作结束后进行设备通风处理,消除有害气体[5]。

2.4 成品

使用502胶水将构件拼接完毕后进行晾晒。待胶水凝固后,完成上色及布景工作。成品展示如图4所示。

图4 成品图片Fig.4 Picture of the finished product

3 结论

数字化激光雕刻机可缩短古建筑模型的制作时间,提高其精度、美观度。基于数字化激光雕刻技术制作古建筑模型是未来模型制作的发展方向。介绍了激光雕刻技术,针对古建筑中典型的六角亭进行平面图设计,分析激光器移动速度及功率与模板切割厚度之间的关系,确定功率60 W与移动速度15 mm/s为6 mm木板最佳切割参数。应用数字化激光雕刻技术实现模型构件的切割与雕刻,完成模型拼接制作与布景,为今后制作古建筑模型提供参考。