基于數(shù)字化激光雕刻技術(shù)的古建筑模型的制作

王 茵

(蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,江蘇 蘇州 215000)

0 引言

古建筑模型作為一種文化傳播的載體,可提升人們的文化自信,也可作為一種文化產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益[1]。在教育教學(xué)與學(xué)術(shù)研究中,古建筑模型作為古建筑專(zhuān)業(yè)的教具,是學(xué)生深入理解古建筑結(jié)構(gòu)最有效的工具,是古建筑修繕與保護(hù)的基礎(chǔ)性研究手段[2-3]。我國(guó)古建筑模型制作分為傳統(tǒng)手工技藝制作和工業(yè)化生產(chǎn)制作兩種方式。工業(yè)化生產(chǎn)制作以3D打印技術(shù)和激光雕刻技術(shù)為主。應(yīng)用3D打印技術(shù)需構(gòu)建建筑整體模型,使用熱熔材料從下到上構(gòu)建建筑物及構(gòu)件,再進(jìn)行拼接安裝,但制作速度慢,精度較差。應(yīng)用激光雕刻技術(shù)需將建筑立體模型拆解成平面零件,應(yīng)用激光雕刻機(jī)在材料板上雕刻出零件,將這些零件拼接成完整的建筑模型,制作速度快,精度高,便于理解古建筑的復(fù)雜構(gòu)造。本研究介紹了數(shù)字化激光雕刻技術(shù),設(shè)計(jì)了六角亭,根據(jù)其所需材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn),確定激光雕刻機(jī)的參數(shù)設(shè)置,完成模型制作。

1 數(shù)字化激光雕刻技術(shù)

1.1 基本原理

激光雕刻機(jī)的工作原理是將電能轉(zhuǎn)化成光能,通過(guò)激光器發(fā)出激光束,將其聚焦到材料加工位置,令材料吸收激光能量,最終汽化、斷裂,達(dá)到切割或雕刻的目的[4]。激光是一種清潔能源,環(huán)保性能優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械加工方式。隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展,激光雕刻機(jī)的體積越來(lái)越小,智能化水平越來(lái)越高。

1.2 系統(tǒng)組成

激光雕刻機(jī)的系統(tǒng)組成主要有機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)包括所有齒輪、導(dǎo)軌等裝置,負(fù)責(zé)雕刻機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng);光學(xué)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將激光器產(chǎn)生的光束通過(guò)聚焦或反射到達(dá)加工材料的表面;控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收?qǐng)D形文件及控制電機(jī),通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制雕刻頭移動(dòng)。激光雕刻機(jī)雕刻頭與被加工構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng),以達(dá)到三維雕刻的目的。一般的平面材料加工只需要用到X、Y兩方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖1為平面材料激光雕刻機(jī)。

圖1 激光雕刻機(jī)Fig.1 Laser engraver

2 模型制作

2.1 模型概況

我國(guó)古建筑形式復(fù)雜多樣,但有共通之處,主要由基礎(chǔ)、梁柱、斗拱、欄桿等組成。選取六角亭作為研究對(duì)象。設(shè)計(jì)六角亭高度3.44 m,底座邊長(zhǎng)2 m,頂部外檐邊長(zhǎng)2.5 m,命名為歸離亭。模型圖紙繪制由Auto CAD2020完成。選用6 mm厚度薄木板作為主要材料,確定尺寸樣式1:20。設(shè)計(jì)平面圖如圖2所示。

圖2 歸離亭設(shè)計(jì)圖紙F(tuán)ig.2 Pavilion design drawing

2.2 激光雕刻機(jī)參數(shù)設(shè)置

采用某激光雕刻機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)。激光器移動(dòng)速度與激光功率對(duì)木板切割數(shù)據(jù)影響如表1所示。

表1 激光雕刻機(jī)移動(dòng)速度與功率對(duì)切割數(shù)據(jù)的影響Tab.1 Influence of moving speed and power of laser engraving machine on cutting data (mm)

根據(jù)模型制作中使用的木板厚度,切割木板時(shí)設(shè)置激光雕刻機(jī)功率為60 W,移動(dòng)速度為15 mm/s;雕刻藝術(shù)字時(shí)設(shè)置激光雕刻機(jī)功率為15 W,移動(dòng)速度為30 mm/s。采用以上參數(shù)設(shè)置,木板的切縫寬度控制在1 mm左右,不影響后續(xù)模型拼接精度。將平面圖紙導(dǎo)入激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng),即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動(dòng)激光切割與雕刻。

2.3 制作流程

確定好切割與雕刻參數(shù)之后開(kāi)始制作六角亭所需構(gòu)件。操作流程如圖3所示。將圖紙導(dǎo)入主機(jī),將材料固定在工作臺(tái)上并調(diào)整工作臺(tái)位置,設(shè)置激光雕刻機(jī)參數(shù),點(diǎn)擊開(kāi)始,切割并雕刻構(gòu)件。對(duì)于既有雕刻步驟又有切割步驟的構(gòu)件,如歸離亭牌匾,需要進(jìn)行兩個(gè)加工步驟:①歸離亭字體的雕刻。將加工模式設(shè)置為雕刻模式,雕刻機(jī)功率為15 W,移動(dòng)速度為30 mm/s。②牌匾切割。將加工模式設(shè)置為切割模式,設(shè)置激光雕刻機(jī)功率為60 W,移動(dòng)速度為15 mm/s。兩個(gè)步驟順序不能顛倒。激光雕刻機(jī)切割材料得到構(gòu)件后,使用150目砂紙對(duì)構(gòu)件進(jìn)行打磨處理。砂紙目數(shù)不宜過(guò)高或過(guò)低,打磨過(guò)于光滑會(huì)導(dǎo)致后期涂抹膠水不易黏合,打磨過(guò)于粗糙則影響精度及美觀(guān)性。

圖3 操作流程Fig.3 Operation process

操作過(guò)程中一定要注意實(shí)驗(yàn)安全。木材易燃,進(jìn)行激光雕刻時(shí),如發(fā)現(xiàn)溫度過(guò)高等危險(xiǎn)情況,需停止一段時(shí)間后再繼續(xù)。實(shí)驗(yàn)員應(yīng)遠(yuǎn)離設(shè)備,避免激光傷害人體。操作結(jié)束后進(jìn)行設(shè)備通風(fēng)處理,消除有害氣體[5]。

2.4 成品

使用502膠水將構(gòu)件拼接完畢后進(jìn)行晾曬。待膠水凝固后,完成上色及布景工作。成品展示如圖4所示。

圖4 成品圖片F(xiàn)ig.4 Picture of the finished product

3 結(jié)論

數(shù)字化激光雕刻機(jī)可縮短古建筑模型的制作時(shí)間,提高其精度、美觀(guān)度。基于數(shù)字化激光雕刻技術(shù)制作古建筑模型是未來(lái)模型制作的發(fā)展方向。介紹了激光雕刻技術(shù),針對(duì)古建筑中典型的六角亭進(jìn)行平面圖設(shè)計(jì),分析激光器移動(dòng)速度及功率與模板切割厚度之間的關(guān)系,確定功率60 W與移動(dòng)速度15 mm/s為6 mm木板最佳切割參數(shù)。應(yīng)用數(shù)字化激光雕刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)件的切割與雕刻,完成模型拼接制作與布景,為今后制作古建筑模型提供參考。