木質(zhì)材料工藝雕刻技術(shù)探討
——以南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院雕刻工坊為例

候俊

（南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000）

木材作為一種天然材料，以木材為原料制作工藝品，具有樸素、自然、無毒的特性，受到廣大消費者的喜歡。由于傳統(tǒng)手工雕刻技術(shù)效率低，難以滿足木質(zhì)材料工藝品市場發(fā)展的需求，在激光雕刻技術(shù)逐漸成熟的背景下，在木質(zhì)材料雕刻中應(yīng)用激光雕刻技術(shù)，可有效提升雕刻的效率和質(zhì)量。激光是通過受激輻射而產(chǎn)生、放大的光，然后在一系列反射鏡和透鏡的控制下聚焦成直徑很小的光斑，具有極高的功率密度輸出。激光雕刻技術(shù)應(yīng)用于木質(zhì)材料中，是激光和木材相互作用及能量轉(zhuǎn)換的過程，將經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射到木材的表面，當(dāng)超過閾值功率密度時，木材表面在瞬間高溫作用下，會吸收光束能量以及部分燃燒所產(chǎn)生的熱能，在溫度急劇上升的情況下，部分材料會在氣化的作用下逸出，受到激光束速度和密度的影響，還有部分材料可能被碳化。在激光雕刻機(jī)中有數(shù)控快速成型系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，激光器可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的軌跡運行，從而實現(xiàn)激光雕刻。

1 激光雕刻木質(zhì)材料的機(jī)理及優(yōu)點

1.1 激光雕刻木質(zhì)材料的機(jī)理

將激光技術(shù)應(yīng)用于木質(zhì)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，然后以燃燒或者瞬時蒸發(fā)的方式實現(xiàn)雕刻。當(dāng)激光的功率密度大小以及照度的強(qiáng)弱達(dá)到一定數(shù)值范圍時，就能夠使木材發(fā)生氣化，從而在木材表面形成切縫。如果切割的速度較快，在激光束與木材表面形成的熱量就不會傳導(dǎo)到未切割部位，所以木材表面的顏色不會因為碳化而有較大的變化。如果切割速度較慢，在木材切割處就會因為碳化而導(dǎo)致木材表面較為暗淡。在激光功率密度無法達(dá)到能使木材氣化的程度時，在木材表面的殘渣等物質(zhì)就必須借助于輔助氣體將其吹離切縫，但是這種切割的效果往往不夠理想，與預(yù)期的雕刻效果會存在一定的差別[1]。

激光束照射在木材表面時，在高溫的作用下，木材在氣化的過程中勢必會伴隨燃燒現(xiàn)象，在燃燒時產(chǎn)生的熱量會促進(jìn)激光切割的順利進(jìn)行。以上都是基于理論的層面進(jìn)行的論述，都是在理想的狀態(tài)下可供參考的理論分析，但是在實際加工的過程中，激光的功率密度還會受到各種因素的影響，比如激光設(shè)備的輸出功率、光束模式等等，且有些因素是不穩(wěn)定的。所以在激光束照射到木材表面時，常會在局部出現(xiàn)激光的功率密度低于木材蒸發(fā)所需的能量，此時就會出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，這就需要對激光雕刻技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，盡量減少局部碳化現(xiàn)象，或者采取其他措施進(jìn)行彌補(bǔ)，以保證木質(zhì)材料雕刻的藝術(shù)效果。

1.2 激光雕刻木質(zhì)材料的優(yōu)點

利用激光進(jìn)行木質(zhì)材料的雕刻，與傳統(tǒng)雕刻工藝相比具有以下優(yōu)點。第一，因為激光雕刻是利用高功率密度的激光束，所以不需要與木質(zhì)材料接觸即可開展作業(yè)，既不需要更換刀具，也不會對刀具造成磨損；第二，因為激光束的直徑較小，所以可雕刻出線條較細(xì)的圖案，且可節(jié)約木材的用量，拓寬了雕刻的圖案范圍；第三，因為激光雕刻是利用高功率密度的激光束使木材發(fā)生氣化、碳化和燃燒，所以不會有木屑的產(chǎn)生，加工過程較為節(jié)能環(huán)保；第四，自動化程度較高。在激光雕刻機(jī)中應(yīng)用了數(shù)控技術(shù)和圖像成型系統(tǒng)，可實現(xiàn)多工位的操作，能夠應(yīng)用于復(fù)雜形狀以及盲切割中，在高速切割狀態(tài)下可在任何位置開始和停止，自動化程度較高，在木質(zhì)材料雕刻中可提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量；第五，噪音小。整個雕刻過程的噪音較低，不會產(chǎn)生噪聲污染，有利于改善雕刻環(huán)境的質(zhì)量；第六，雕刻效果好。受到激光束能量的影響，在木質(zhì)材料的表面顏色可能偏暗，但是紋理較為清晰，表面光潔度較好，不僅能夠應(yīng)用于平整的表面，也可應(yīng)用于曲面雕刻，提高雕刻的效率[2]。

2 木質(zhì)材料表面激光雕刻技術(shù)

激光雕刻技術(shù)主要是在數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合激光器、圖像處理系統(tǒng)及直接CAD 控制系統(tǒng)，利用激光照射于被雕刻材料的表面，在受熱的瞬間使其發(fā)生熔化和氣化，從而達(dá)到雕刻的目的。應(yīng)用于木質(zhì)材料的激光雕刻主要為CO2激光，在雕刻的過程中，對于速度、對焦距離、電流等技術(shù)參數(shù)都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，這些技術(shù)參數(shù)會直接影響到切槽的形式、深度和表面質(zhì)量等。激光雕刻過程較為簡單，可利用多種圖形處理軟件來設(shè)計需要雕刻的圖案，然后控制系統(tǒng)會按照設(shè)計的圖案控制激光頭的移動，激光頭按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令運行。比如點陣雕刻，首先是由激光頭的左右擺動雕刻出一條由一系列的點組成的線，然后再由激光頭的上下移動雕刻出多條線，最終構(gòu)成需要雕刻的圖案。在雕刻的過程中，需要控制好激光頭移動的速度，激光的強(qiáng)度以及光斑的大小，以確保得到較好的雕刻效果。較高的雕刻速度會提升生產(chǎn)效率，但是在特定的激光強(qiáng)度下，雕刻速度越慢，雕刻的深度就越大，所以在實際雕刻時，還需要根據(jù)實際情況對雕刻速度進(jìn)行調(diào)整，既能夠保證生產(chǎn)效率，又能夠保證雕刻質(zhì)量[3]。同樣，在特定的雕刻速度下，激光強(qiáng)度越大，雕刻的深度也越大，可在雕刻機(jī)面板中來調(diào)節(jié)強(qiáng)度。根據(jù)雕刻需要分辨率的高低，可利用不同焦距的透鏡來調(diào)整激光束光斑的大小，以達(dá)到最佳的雕刻效果。

3 木質(zhì)材料的性能參數(shù)對激光雕刻的影響

在利用激光雕刻木質(zhì)材料時，木材的性能參數(shù)不同，對激光雕刻的效率和質(zhì)量會產(chǎn)生不同的影響，所以在雕刻加工時，要對材料的性能參數(shù)進(jìn)行分析，然后合理調(diào)整激光雕刻機(jī)的技術(shù)參數(shù)，保證雕刻達(dá)到理想的效果。木材的光學(xué)性質(zhì)不同，對不同波長激光的吸收程度也不相同，木材對激光的吸收能力越強(qiáng)，在雕刻時對激光的能量利用率就越高。木材中纖維素分子吸收激光的波長范圍與CO2激光的波長較為接近，所以CO2激光適合應(yīng)用于木質(zhì)材料的雕刻。木材的含水率會對激光加工能力產(chǎn)生一定的影響，因為含水率高的木材其導(dǎo)熱性能也較好，在激光作用于木材表面的區(qū)域會聚集大量的能量，而木材中的水分在導(dǎo)熱的作用下會削弱激光能量的聚集強(qiáng)度，所以在木材含水率較高的情況下，會降低激光雕刻的加工速度，可根據(jù)實際需求對木材的含水率進(jìn)行相應(yīng)的處理，確保激光雕刻速度滿足參數(shù)要求[4]。此外，木材的密度、纖維的方向、早晚材等，都會對激光雕刻的質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響，還需要結(jié)合木材的性能以及預(yù)期的雕刻目標(biāo)，對木材以及雕刻技術(shù)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和調(diào)整，以確保木質(zhì)材料激光雕刻的效果。

4 激光雕刻技術(shù)在木質(zhì)材料工藝品制作中的應(yīng)用

根據(jù)加工方式的不同，激光雕刻在木質(zhì)材料加工中的種類主要包括切割雕刻、凹模雕刻和凸模雕刻三類。切割雕刻主要是將想要制作的圖案分解成若干個線條形式，然后利用激光切割出這些線條，最終切割完的線條就會組成想要的圖案效果；凹模雕刻主要是切除掉想要的圖案部分，圖案的外圍維持原樣；而凸模雕刻與凹模雕刻相反，是要保留需要的圖案部分，將圖案外圍部分去除掉。具體想要哪種形式的雕刻，還需要根據(jù)想要呈現(xiàn)的效果而定。下面以激光雕刻在木質(zhì)材料工藝品中的制作步驟為例進(jìn)行分析。

4.1 制作方案

此次需要制作的工藝品為花卉書簽，是利用較薄木材制作工藝畫，需要使用計算機(jī)、激光雕刻機(jī)、圖形設(shè)計軟件、雕刻軟件和木質(zhì)材料。

4.2 確定設(shè)計軟件

需要使用常用的圖形繪制軟件繪制花卉圖樣，比如使用AutoCAD、CorelDRAW、Illustrator 等軟件，在確定繪圖軟件后即可進(jìn)行圖案設(shè)計和排版，在排版時注意圖形的排列方式，盡量節(jié)省材料的用量。圖片格式盡量選擇矢量圖，因為激光雕刻機(jī)對位圖的雕刻效果不太理想，能夠被激光雕刻機(jī)軟件識別的其他格式的圖片，且雕刻效果較好的，也可以使用。

4.3 材料的選擇

木質(zhì)材料的質(zhì)量、紋理會直接影響到雕刻效果，而木材的種類較多，有松木、樺木、椴木、紫檀木等等，在工藝品制作中，大多會選擇椴木。因為紫檀木相對較硬，具有獨特的油脂，耐磨耐腐蝕，不易開裂，很適合用來制作書簽。

4.4 確定雕刻參數(shù)

在雕刻軟件中，要正確輸入雕刻功率、雕刻速度、聚焦距離、雕刻氣壓等激光工藝參數(shù)，工藝參數(shù)的確定會直接關(guān)系到雕刻效果的好壞。比如在此次雕刻制作中，如果進(jìn)給速度設(shè)定在600ram/rain以上，雕刻寬度會略有減少。如果進(jìn)給速度設(shè)定為100ram/rain，在輸出功率較高時，由于進(jìn)給速度較慢，照射時間延長，會降低表面雕刻質(zhì)量，所以要正確設(shè)定各項工藝參數(shù)[5]。

4.5 雕刻

在激光雕刻軟件中設(shè)置好參數(shù)后，確定好木板的正反面，將木板平整放置于雕刻機(jī)平臺上，設(shè)置加工坐標(biāo)的原點，激光雕刻機(jī)即會根據(jù)計算機(jī)發(fā)出的指令按照軟件產(chǎn)生的飛行路線自動雕刻，最后再拋光打蠟處理[6]。利用激光雕刻技術(shù)，我校創(chuàng)新工坊每年為新生制作書簽3000 只左右，深得師生們的喜愛。

5 結(jié)語

隨著人們物質(zhì)生活水平的提升，對工藝品的需求量逐漸增加，對于木質(zhì)材料的工藝品而言，由于傳統(tǒng)的手工雕刻耗時耗力，且雕刻精度難以保證等缺陷，激光雕刻技術(shù)在木質(zhì)材料工藝品制作中的應(yīng)用受到人們的喜愛。與傳統(tǒng)的雕刻工藝相比，激光雕刻區(qū)域窄、耗材少，無需夾緊、劃線、去油等工序，工件變形小，節(jié)能環(huán)保，速度快，精度和清晰度高，易于控制，所以激光雕刻在木質(zhì)材料工藝品制作中應(yīng)用越來越廣泛。但是木材的種類不同，處理方式不同，激光雕刻參數(shù)設(shè)置不同，都會呈現(xiàn)出不同的雕刻效果。為了達(dá)到理想的雕刻效果，還需要對各種木材的特性進(jìn)行分析，然后合理設(shè)置激光雕刻機(jī)的技術(shù)參數(shù)，確保雕刻作業(yè)能夠優(yōu)質(zhì)高效完工，促進(jìn)我國雕刻技藝的進(jìn)一步發(fā)展。