CN107053928A - 一种木材表面激光雕刻浮雕的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木材表面激光雕刻浮雕的方法，包括如下步骤：利用三维模型制作软件，制作目标浮雕的三维模型图，将制作好的三维模型图导入CO₂ 3D激光打标机打标软件中，设置好三维模型图的大小和深度；在浮雕加工页面中设置工艺参数，工艺参数包括激光扫描速度、激光平均功率、填充线间距、雕刻层厚和激光重复频率；上下调节CO₂ 3D激光打标机镜头到木材表面的距离，使其激光光斑到达木材表面正好是焦距位置，然后点击打标软件上红光按钮，指示打标轮廓，对应木材上打标的精确位置，最后点击雕刻，等待浮雕完成。本发明加工时间短、效率高、微小结构不受限制、成本低、灵活性强，并且精致、富有美感、凸凹有致、无污染，且与STL模型文件的还原度达93.1％。

Description

一种木材表面激光雕刻浮雕的方法

技术领域

本发明涉及激光打标技术领域，具体涉及一种木材表面激光雕刻浮雕的方法。

背景技术

木质浮雕具有形态美观、结实、易于长期保存等优点，备受人们的欢迎。其制作方法主要有人工刀具雕刻、自动化机械雕刻和模具打印等。属于传统的接触式加工其都有各自的优缺点。人工刀具雕刻浮雕虽然形态精美、细腻，但雕刻品质主要取决于工人的技能水平，加工时间较长、效率低，适合小批量的生产。自动化机械雕刻具有速度快、幅面大等优势，适合大批量生产。但雕刻质量因受刀具尺寸的限制，微小结构的雕刻很难实现。模具打印效率是三种方法中最高的，但模具需要提前制作，当浮雕形貌要做微小的修改时，需重新定制模具，时间长、成本高、灵活性弱。

激光3D浮雕是一种新型激光3D雕刻工艺。激光打标机将用三维模型制作软件做好的三维模3D浮雕属于激光3D打标工艺的一种，它是由传统平面激光打标工艺衍生出来的。STL模型图导入到3D打标软件，然后根据加工软件设定的加工参数对三维模型图进行Z向逐层分割，再对分割所得到的平面图形作几何路径处理，然后沿Z向从顶至底对轮廓进行激光填充扫描，得到完整的3D浮雕图样。激光3D浮雕技术一般用于不锈钢、铝、铜、亚克力板的浮雕加工，其雕刻质量较好，自动化程度高，同时由于是非接触式加工，对机器无损伤。

目前，对于将激光3D浮雕技术应用在木材表面的研究甚少，因此，对木材利用激光3D浮雕技术进行雕刻加工的研究具有重要意义，同时对激光3D浮雕技术的应用起到了推广作用。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中木材浮雕雕刻技术上存在的加工时间较长、效率低、微小结构受限制、成本高、灵活性弱的技术问题，本发明提出一种木材表面激光雕刻浮雕的方法。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种木材表面激光雕刻浮雕的方法，包括如下步骤：

S1、利用三维模型制作软件，制作目标浮雕的三维模型图，将制作好的三维模型图导入CO₂ 3D激光打标机打标软件中，设置好三维模型图的大小和深度；

S2、在浮雕加工页面中设置工艺参数，工艺参数包括激光扫描速度、激光平均功率、填充线间距、雕刻层厚和激光重复频率；

S3、上下调节CO₂ 3D激光打标机镜头到木材表面的距离，使其激光光斑到达木材表面正好是焦距位置，然后点击打标软件上红光按钮，指示打标轮廓，对应木材上打标的精确位置，最后点击雕刻，等待浮雕完成。

进一步地，步骤S1中，所述三维模型图为STL文件。

进一步地，步骤S1中，三维模型图的大小和深度设置为与目标浮雕的尺寸相似。

进一步地，步骤S2中，激光扫描速度设置为2000-3000mm/s，激光平均功率设置为总功率的25％-35％即45-63w，填充线间距设置为0.08-0.12mm，雕刻层厚设置为0.06-0.1mm，激光重复频率设置为12-20KHz。

进一步地，步骤S3中，所述木材为檀木、梨花木或乌木。

进一步地，步骤S3中，为减小激光雕刻下木材高温的碳化现象，在加工过程中进行辅助喷N₂处理。

与现有技术相比，本发明木材表面激光雕刻浮雕的方法加工时间短、效率高、微小结构不受限制、成本低、灵活性强，并且精致、富有美感、凸凹有致、无污染，且与STL模型文件的还原度达到93.1％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明木材表面激光雕刻浮雕的方法的流程图；

图2是本发明光斑重叠率示意图；

图3是本发明实施例STL文件的三维模型图；

图4是本发明实施例激光雕刻檀木的效果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种木材表面激光雕刻浮雕的方法，包括如下步骤：

S1、利用三维模型制作软件，制作目标浮雕的三维模型图，将制作好的三维模型图导入CO₂ 3D激光打标机打标软件中，设置好三维模型图的大小和深度；

S2、在浮雕加工页面中设置工艺参数，工艺参数包括激光扫描速度、激光平均功率、填充线间距、雕刻层厚和激光重复频率；

S3、上下调节CO₂ 3D激光打标机镜头到木材表面的距离，使其激光光斑到达木材表面正好是焦距位置，然后点击打标软件上红光按钮，指示打标轮廓，对应木材上打标的精确位置，最后点击雕刻，等待浮雕完成。

下面详细说明本发明的实施步骤：

S1、STL三维模型图制作及模型导入

利用三维模型制作软件，制作目标浮雕的STL三维模型图，将制作好的三维模型图导入CO₂ 3D激光打标机打标软件中，设置好三维模型图的大小和深度。

在打标软件中，三维模型图的大小及深度可以自由设置，但为达到较好还原度，三维模型图的大小及深度一般设置为与目标浮雕的尺寸相似。

S2、工艺参数的设定

在浮雕加工页面中，主要有激光扫描速度、激光平均功率、填充线间距、雕刻层厚和激光重复频率影响着浮雕质量，激光扫描速度一般设置为2000-3000mm/s，激光平均功率一般在总功率的25％-35％即45-63w间调节，填充线间距一般设置在0.08-0.12mm之间，雕刻层厚一般在0.06-0.1mm范围内调节，激光重复频率一般设置在12-20KHz之间。

激光扫描速度指的是激光打标时，一秒钟所走的路径长度。扫描速度越慢，雕刻时间越久，浮雕深度越深。

激光平均功率越大，浮雕雕刻深度越深。

填充线间距指的是图形填充时，线与线之间的距离。填充线间距越小，雕刻时间越长，雕刻深度越深。

雕刻层厚是指STL文件模型被Z向分割后，每一层的厚度。雕刻层层厚越小，浮雕雕刻次数越多，时间越长，浮雕深度越深。

激光重复频率指的是激光器单位时间内出光的次数，在12-20KHz范围内，激光重复频率的改变对雕刻深度无明显影响。

S3、焦距调节、红光定位和浮雕雕刻

上下调节CO₂ 3D激光打标机镜头到木材表面的距离，使其激光光斑到达木材表面正好是焦距位置，然后点击打标软件上红光按钮，指示打标轮廓，对应木材上打标的精确位置，最后点击雕刻，等待浮雕完成。

木材可以选择檀木，梨花木，乌木等。

为减小激光雕刻下木材高温的碳化现象，会在加工过程中进行辅助喷N2处理。

本发明木材表面激光雕刻浮雕的方法，其包括采用CO2 3D激光打标机，其激光平均功率180w，输出波长10640nm。通过所述CO2 3D激光打标机的热积累产生的高温破坏打标处木材质表面的分子链结构，使其快速汽化，激光路径随着STL文件模型逐层雕刻，最终形成完整3D木材浮雕。

本发明所选STL模型总体深度为4mm，凹槽深度为0.6mm。

公式(1)为激光光斑重叠率的计算公式；公式(2)为单脉冲能量的计算公式。光斑重叠率示意图如图2所示。

其中Φ表示光斑重叠率，V表示振镜扫描速度，d表示激光光斑直径，f表示激光重复频率,P表示激光平均功率,Ep表示激光单脉冲能量。光斑重叠率表示光斑之间的重叠部分大小，如图2所示。由公式(1)可知，振镜扫描速度与光斑重叠率成反比，振镜扫描速度越小，激光光斑重叠率越高，导致激光在木材上进行二次或者多次雕刻的部位变大，因此雕刻深度变深。激光重复频率对木材浮雕雕刻深度无影响，因为一方面，激光重复频率f与激光光斑重叠率成正比，重复频率增大，光斑重叠率也随之增加，使雕刻深度变深。另一方面，重复频率与单脉冲能量成反比，重复频率增加，单脉冲能量减少，每个激光光斑所携带的能量减少，使得雕刻深度变浅。这两种原因共同作用，相互补偿，使得在此重复频率变化范围内，激光重复频率的改变对木材浮雕雕刻深度的影响不大。填充线间距越小，可表征为激光纵向光斑越密集或重叠部分越多，使得激光在木材上的热作用越集中，浮雕雕刻深度变深。激光扫描角度指的是激光在对木材沿Z向逐层雕刻时，激光雕刻的方向与水平方向的夹角，因为激光雕刻深度仅与激光作用在木材表面的瞬间功率密度有关，扫描角度的改变既不会改变激光光斑重叠率，也不会影响激光单脉冲能量，所以，激光扫描角度的改变对木材浮雕的雕刻深度无明显影响。雕刻层厚是模型分层后每一层的厚度，指的是模型整体深度与雕刻次数的比值，雕刻层厚越小，加工次数相应越多，每一层在木材上的实际雕刻厚度也不会因热量传输损耗，使得雕刻深度变深。

木材激光雕刻有两种不同的机制，汽化和燃烧，取决于激光功率密度和作用时间。在激光达到木材表面时，若激光功率密度达到木材汽化条件，木材将在激光的热反应区迅速汽化并被抽风装置吸走，从而形成清晰的雕刻纹路。雕刻出来的浮雕也不会有碳化层，这是比较理想的激光雕刻机制，即汽化。若激光作用在木材表面瞬间，达不到木材的汽化条件，只能达到木材的可燃点，木材在燃烧时会形成部分熔渣，这部分熔渣会继续存在于雕刻区域，造成激光对熔渣的二次或多次雕刻，这样不仅会使得雕刻深度达不到模型凹槽深度，还会加重木材的碳化现象，使得碳化层积累变厚，这是一种不理想的激光雕刻机制，即燃烧。

当满足木材汽化条件的激光光束照射到木材表面时，一部分激光产生的热量被木材表面吸收，另一部分激光被木材反射。随着激光的热作用，木材表面温度不断升高并发生氧化，木材表层电子结构产生改变，热应力对木材材料造成的形变使材料表面形状发生改变。木材对激光的反射率急剧下降，吸收率上升，继而木材表面汽化形成孔洞，木材材料表面蒸汽解离生成等离子体。其中，木材对激光的吸收系数为：

ɑ＝Ae^B/t (3)

公式(3)中ɑ为激光对木材吸收系数，A、B为常数，t为激光作用时间。在汽化雕刻过程中，激光作用时间极短，木材表面温度迅速提升至沸点，避免了材料的熔化。蒸汽快速从孔洞中逸出，同时在材料内部产生应力波，增加蒸发压力，提高汽化温度，导致木材雕刻表面产生升华汽化。

下面以檀木为例，雕刻图形的模型如图3所示，步骤如下：

第一步：STL三维模型图制作及模型导入

以如图3所示的STL文件模型为雕刻对象，要求雕刻出来的浮雕尺寸为48×69×4mm。将已经绘出来的STL三维模型图导入激光打标软件中，设置模型大小为48×69，预设深度为4mm。

第二步：设置打标参数

采用的是创可激光设备有限公司180w CO₂ 3D激光打标机。在浮雕加工页面，将加工工艺参数设置为，激光扫描速度：2500mm/s,重复频率：16KHz，激光功率：63w，填充线间距：0.08mm，雕刻层厚：0.08mm。

第三步：焦距调节、红光定位和浮雕雕刻

利用焦距调节旋钮，将木材上表面与镜头焦距刻度线的距离调到450mm，即为CO₂3D激光打标机450范围内的正焦焦距。打开软件上的红光定位按钮，使得红光轮廓与木材上目标雕刻位置对应。对应完成后，即可点击软件上雕刻按钮开始雕刻。

效果如图4所示，精致、富有美感、凸凹有致、无污染，且与STL模型文件的还原度达到93.1％。

与现有技术相比，本发明木材表面激光雕刻浮雕的方法加工时间短、效率高、微小结构不受限制、成本低、灵活性强，并且精致、富有美感、凸凹有致、无污染，且与STL模型文件的还原度达到93.1％。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种木材表面激光雕刻浮雕的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用三维模型制作软件，制作目标浮雕的三维模型图，将制作好的三维模型图导入CO₂ 3D激光打标机打标软件中，设置好三维模型图的大小和深度；

S2、在浮雕加工页面中设置工艺参数，工艺参数包括激光扫描速度、激光平均功率、填充线间距、雕刻层厚和激光重复频率；

S3、上下调节CO₂ 3D激光打标机镜头到木材表面的距离，使其激光光斑到达木材表面正好是焦距位置，然后点击打标软件上红光按钮，指示打标轮廓，对应木材上打标的精确位置，最后点击雕刻，等待浮雕完成。

2.根据权利要求1所述的木材表面激光雕刻浮雕的方法，其特征在于，步骤S1中，所述三维模型图为STL文件。

3.根据权利要求1所述的木材表面激光雕刻浮雕的方法，其特征在于，步骤S1中，三维模型图的大小和深度设置为与目标浮雕的尺寸相似。

4.根据权利要求1所述的木材表面激光雕刻浮雕的方法，其特征在于，步骤S2中，激光扫描速度设置为2000-3000mm/s，激光平均功率设置为总功率的25％-35％即45-63w，填充线间距设置为0.08-0.12mm，雕刻层厚设置为0.06-0.1mm，激光重复频率设置为12-20KHz。

5.根据权利要求1所述的木材表面激光雕刻浮雕的方法，其特征在于，步骤S3中，所述木材为檀木、梨花木或乌木。

6.根据权利要求1所述的木材表面激光雕刻浮雕的方法，其特征在于，步骤S3中，为减小激光雕刻下木材高温的碳化现象，在加工过程中进行辅助喷N₂处理。