激光水晶內(nèi)雕和3D打印教學(xué)模式改革研究*

凌明成 張朝剛 王明

摘 要：激光器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軍工、醫(yī)療、科研、工業(yè)加工等諸多領(lǐng)域。在工業(yè)加工領(lǐng)域的內(nèi)雕行業(yè)中，半導(dǎo)體激光器即將成為內(nèi)雕機的主流在加上和3d打印技術(shù)的融合已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)是否發(fā)達的標志。3D打印（3Dprinting）是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。作為一種綜合性應(yīng)用技術(shù)，3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識，具有很高的科技含量激光內(nèi)雕和3D打印教學(xué)模式的想結(jié)合能有效的提高效率。

關(guān)鍵詞：水晶內(nèi)雕；3D打??；教學(xué)；改革

一、激光水晶內(nèi)雕機發(fā)張過程及現(xiàn)狀

隨著社會的發(fā)展，人們的鑒賞水平有了很大的提高，水晶內(nèi)雕工藝品不再是超出人們經(jīng)濟能力范圍的奢侈品，在發(fā)達國家已走進尋常百姓家。這為激光技術(shù)與應(yīng)用激光器在內(nèi)雕行業(yè)中的應(yīng)用帶來了強大的動力。目前，水晶內(nèi)雕機已經(jīng)完成了由白光機向綠光機、燈泵機向半導(dǎo)體泵浦機；工位機向振鏡機的轉(zhuǎn)變，內(nèi)雕的效果越來越好，內(nèi)雕機的工作效率也越來越高。

對于水晶工藝品加工行業(yè)來說，激光相對于其他加工方式有著先天的優(yōu)勢，它能夠在不損傷工件表面的情況下，對內(nèi)部的特定位置進行打點加工。把激光的焦點定在水晶內(nèi)部，使焦點處的能量密度剛好達到水晶爆炸點（破壞閾值），而在水晶表面及內(nèi)部其他部位由于光能沒有達到水晶的破壞閾值將不會造成任何損傷，再結(jié)合計算機精確方位控制，就不難在水晶內(nèi)部雕出特定的三維圖案。這里所說的水晶并不是真正的水晶，而是人造水晶，其實也就是含有氧化鉛的玻璃，這種玻璃透光性好、亮度高、從不同方向看都是均勻透明的。但這并不是說有色玻璃就不能內(nèi)雕，有色玻璃由于里面含有一些有色元素而呈現(xiàn)出特定的顏色，由于這些元素的存在，其對光能的吸收可能會高一些，所以光相對要弱一些，但一般來說在光強足夠大的情況下能夠雕刻。

早期的工位機是將水晶粘在工作平臺上，由X和Y2個方向的電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動來使工作平臺移動，Z軸的移動則由Z軸方向的電機控制。由于這種機械移動需要帶上負載，因此速度不可能太快，致使工位機的雕刻速度一般都達不到理論最大值，遠不能滿足高速內(nèi)雕的需要。然而，振鏡則是通過控制光的方向，用類似于光掃描的方式來控制打點，因此速度非常快，幾乎能在接近理論最大速度的情況下工作，其工作速度能夠滿足3000Hz以上的頻率要求。各內(nèi)雕機生產(chǎn)商已經(jīng)開始在燈泵機上使用振鏡，但振鏡機并沒有立刻取代工位機，因為聚焦鏡補償能力有限，造成其工作范圍太小，使用F=100mm的聚焦鏡，其工作范圍約為Φ60mm。使用長焦距的聚焦鏡能使雕刻范圍有所增加，比如使用F=160mm的聚焦鏡，工作范圍是Φ110mm。但這又會帶來其他問題：焦距太長，焦深也就長，雕出的點子就比較細長，圖案在正面看沒有大問題，但從側(cè)面看，圖案就顯得很朦朧，不夠清晰。目前內(nèi)雕機生產(chǎn)商為了獲得更好的雕刻效果，一般多采用焦距在100-110mm的聚焦鏡。同時，為了克服振鏡機工作范圍小的缺點，又派生出五維內(nèi)雕技術(shù)。其實，所謂的五維就是用振鏡結(jié)合工位機的特點，將圖案分成若干塊，每一塊都用振鏡來雕刻，完成一塊后再通過電機移動到另一塊。這樣既能實現(xiàn)高速內(nèi)雕，又能兼顧大幅面工作。但這樣做存在拼接問題，目前的工作重點是如何才能使塊與塊之間拼接的非常好且看不出任何的縫隙或者重疊

二、3D打印技術(shù)概況

3D打印技術(shù)是指通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，因此又稱為添加制造（AM，Additive Manufacturing）。運用該技術(shù)進行生產(chǎn)的主要流程是：應(yīng)用計算機軟件設(shè)計出立體的加工樣式，然后通過特定的成型設(shè)備（俗稱“3D？打印機”），用液化、粉末化、絲化的固體材料逐層“打印”出產(chǎn)品.

3D打印是“增材制造”（AdditiveManufacturing）的主要實現(xiàn)形式?！霸霾闹圃臁钡睦砟顓^(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造。傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之截然不同，無需原胚和模具，就能直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。

3D打印機是3D打印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術(shù)等為一體的復(fù)雜機電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設(shè)計與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分。

三、激光水晶內(nèi)雕和3D打印想結(jié)合

3D打印可用于工業(yè)制造：產(chǎn)品概念設(shè)計、原型制作、產(chǎn)品評審、功能驗證；制作模具原型或直接打印模具，直接打印產(chǎn)品。3D打印的小型無人飛機、小型汽車等概念產(chǎn)品已問世。3D打印的家用器具模型，也被用于企業(yè)的宣傳、營銷活動中。與激光內(nèi)雕可以更好的想結(jié)合。

參考文獻：

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