CN105057892A - 一种脉冲激光三维雕刻方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲激光三维雕刻方法,其雕刻深度范围大、图案纹路清晰、立体感强、可以大幅度地缩短雕刻时间或者提高雕刻精度，其步骤：(1)根据被雕对象的特点及精度要求，结合所用激光器特性，对被雕对象的三维模型进行离散切片分层；(2)选择对应的控制激光输出参数的方法，以便实现同一层内不同深度的雕刻；(3)通过计算机将步骤(1)、(2)的数据转换成激光器识别的电信号，进而控制激光器的输出，逐层完成雕刻；所述步骤(1)中，分层后同一层内的雕刻深度用灰度值表示，不同的灰度值表示不同的雕刻深度，用二维点阵坐标表示同一层内对应的雕刻点的坐标，坐标处的值为灰度值，该灰度值与该点雕刻深度相对应。
Description
技术领域
本发明属于激光雕刻的技术领域，具体地涉及一种光纤激光三维雕刻方法，其将分层雕刻与通过控制参数在同一层内雕刻出不同深度的层内细化雕刻相结合起来，实现快速、高精度、立体感强、应用广泛的激光三维雕刻。
背景技术
激光雕刻是利用加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，达到加工的目的。目前，激光雕刻技术应用已经比较成熟，在广告装饰、印刷包装、皮革服装、模型制作等众多领域得到了广泛应用，取得了巨大的经济效益。
与传统雕刻技术相比激光雕刻具有以下优点：
范围广泛:二氧化碳激光几乎可对任何非金属材料进行雕刻切割。并且价格低廉；安全可靠：采用非接触式加工，不会对材料造成机械挤压或机械应力。没有“刀痕”不伤害加工件的表面且不会使材料变形；精确细致：加工精度很高；节约环保：光束和光斑直径小，一般小于0.5mm，切割加工节省材料，安全卫生；效果一致：保证同一批次的加工效果完全一致；高速快捷：可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割；成本低廉：不受加工数量的限制，对于小批量加工服务，激光加工更加便宜。
相比连续激光而言，脉冲激光由于提高了能量峰值并极大地降低了平均能量辐射可以使得材料不经过明显的熔化直接气化从而使精度大幅度提高，并且可以通过控制脉冲的参数(脉冲能量，峰值功率，脉冲宽度，脉冲频率等)对激光与材料的作用过程实现精确地控制。
相对比较成熟的激光二维雕刻技术而言，激光三维雕刻技术才刚刚起步，激光三维雕刻技术，是激光技术进步的又一重要标志，是模具制造业的利器，将为现代制造业的进一步发展产生巨大推动作用。
激光三维雕刻实质是将三维模型经过计算机切片处理，简化为二维平面进行雕刻。在计算机的控制下，利用激光的高能量脉冲对材料进行刻蚀，达到去除成形的目的。一般的二维雕刻只要求在材料表面留下清晰可见的标记，对雕刻深度没有严格要求。但根据分层雕刻的原理，三维雕刻除了在分层平面上保持刻蚀深度一致外，刻蚀深度的可控性也是非常重要的。只有保证单层切片厚度与激光每层雕刻的实际深度相等，才能加工出理论上正确的三维实体。
中国专利CN1299723公开了一种激光雕刻版辊雕刻系统及方法,包括激光版辊的雕刻装置(两台YAG激光器及其光路传导与聚焦系统)、用于观察和记录的CCD摄像头、计算机控制部分和用于激光器的循环水冷和辅助气体装置。采用改变加工参数的方法在版辊表面进行不同深度的三维雕刻加工。该系统提高了加工图形的精确度和效率，但是存在下述缺点：
其激光雕刻系统采用YAG固体激光器，YAG固体激光光束的聚焦点直径较大，大约0.1mm左右，雕刻出的图像或纹路仿真度不高，光的损耗率较大。并且仅仅依靠改变参数实现不同深度的三维雕刻，雕刻深度有限，图案纹路不清晰，立体感差，应用范围受限。
发明专利“一种3D纹路光纤激光雕刻机及雕刻方法(CN102501695)”公布了一种在待刻物表面雕刻出立体纹路的3D纹路光纤激光雕刻机，该系统包括一用于支撑待刻压辊并使待刻压辊做水平轴向转动的支撑转动机构、激光雕刻装置、3D纹路雕刻控制系统、进给步进电机、伺服直线电机，所述激光雕刻装置包括光纤激光发生器、光路传导系统及激光聚焦镜头。该系统采用分层雕刻积累成形的原理能实现比较高精度的三维纹路雕刻，但仍存在以下缺点：
精度受分层厚度的影响，厚度如果取值过大，进行斜面雕刻时就会产生台阶效应，影响表面质量；若取值太小，又会增加雕刻层数，降低加工效率。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种脉冲激光三维雕刻方法,其雕刻深度范围大、图案纹路清晰、立体感强、可以大幅度地缩短雕刻时间或者大幅度提高雕刻精度。
本发明的技术解决方案是：这种脉冲激光三维雕刻方法，其包括以下步骤：
(1)根据被雕对象的特点及精度要求，结合所用激光器特性，对被雕对象的三维模型进行离散切片分层；
(2)选择对应的控制激光输出参数的方法，以便实现同一层内不同深度的雕刻；
(3)通过计算机将步骤(1)、(2)的数据转换成激光器识别的电信号，进而控制激光器的输出，逐层完成雕刻；
所述步骤(1)中，分层后同一层内的雕刻深度用灰度值表示，不同的灰度值表示不同的雕刻深度，用二维点阵坐标表示同一层内对应的雕刻点的坐标，坐标处的值为灰度值，该灰度值与该点雕刻深度相对应。
本发明将分层雕刻和层内细化雕刻结合，将灰度值与雕刻深度相对应，因此实现了雕刻深度范围大、图案纹路清晰、立体感强、可以大幅度地缩短雕刻时间或者大幅度提高雕刻精度。
附图说明
图1(a)是被雕刻对象分层的示意图；图1(b)是同一层内不同雕刻深度的示意图；图1(c)是雕刻深度与激光功率或激光脉宽对应的图；图1(d)是灰度值与雕刻深度对应的图。
图2是由激光脉冲或脉冲组的宽度控制雕刻深度的示意图。
图3是由激光功率控制雕刻深度的示意图。
图4是雕刻平台的示意图。
图5是声光偏转器的工作原理示意图。
具体实施方式
这种脉冲激光三维雕刻方法，其步骤包括：
(1)根据被雕对象的特点及精度要求，对被雕对象的三维模型进行离散切片分层；
(2)结合所用激光器特性，选择对应的控制激光输出参数的方法，以便实现同一层内不同深度的雕刻；
(3)通过计算机将步骤(1)、(2)的数据转换成激光器识别的电信号，进而控制激光器的输出，逐层完成雕刻；
所述步骤(1)中，分层后同一层内的雕刻深度用灰度值表示，不同的灰度值表示不同的雕刻深度，用二维点阵坐标表示同一层内对应的雕刻点的坐标，坐标处的值为灰度值，该灰度值与该点雕刻深度相对应。
本发明将分层雕刻和层内细化雕刻结合，将灰度值与雕刻深度相对应，因此实现了雕刻深度范围大、图案纹路清晰、立体感强、并大幅度地缩短雕刻时间或者大幅度提高雕刻精度。
另外，所述步骤(2)中，控制激光输出参数的方法包括：改变激光脉冲宽度或脉冲组宽度；改变激光输出功率；改变激光脉冲宽度或脉冲组宽度与改变激光输出功率相组合。
另外，将脉冲宽度或脉冲组宽度与灰度值对应起来，从而实现雕刻深度与灰度值的对应。
另外，将激光输出功率与灰度值和对应起来，从而实现雕刻深度与灰度值的对应。
另外，建立脉冲宽度、激光输出功率与雕刻深度对应的曲线，再与灰度值对应起来。
另外，所述步骤(1)中，在保证精度的情况下加大分层的厚度，从而提高雕刻速度。
另外，通过激光电源控制激光脉冲宽度和激光输出功率。
另外，通过声光偏转器控制激光脉冲宽度和激光输出功率。
以下给出两个具体实施例。
第一个实施例是选用CO2激光器，其步骤包括：
1、CO2激光器的输出脉冲为单脉冲，通过激光电源直接控制激光输出的脉冲宽度和功率。
2、根据所选雕刻材料和激光器，通过实验得出雕刻深度与激光功率以及雕刻深度与激光脉宽的关系曲线、还有各种功率脉宽组合与雕刻深度的关系曲线。所有曲线都只对同种材料同一激光器有效，不同材料不同激光器需要重新通过实验确立曲线。
3、根据被雕刻对象的特征及精度要求选择一种对应曲线关系。
4、根据被雕刻对象的特征及精度和效率要求综合考虑确定分层厚度及分层数，以及灰度图的级数。
5、将每层划分点阵，以(X，Y)值表示各点坐标，并将各点雕刻深度与灰度值对应起来。
6、由雕刻深度曲线和雕刻深度与灰度值的对应关系确定灰度值与激光参数的对应关系。
7、如图4所示：将被雕对象置于雕刻平台，平台为一个三维运动机构，X和Y运动可将激光传导至所需雕刻坐标点，Z向运动用来调节焦点位置。
8、通过程序由灰度值控制激光输出参数，完成一层的雕刻。
9、逐层进行，积累成形，最终完成雕刻。
第二个实施例是利用脉冲光纤激光器，通过声光偏转器调节激光输出的脉冲宽度和功率。声光偏转器工作原理是：在透明玻璃和晶体等超声媒质中产生超声波，则会引起周期性的折射率变化而成为相位型衍射栅，如果让激光束入射到超声媒质中，激光束就产生衍射，衍射光的强度和方向随超声波的强度和频率的状态而变化。这就是超声波与光的相互作用，即声光效应。该效应就是声光调制器和声光偏转器的工作原理。
声光效应的衍射分为拉曼-奈斯衍射与布拉格衍射，由于拉曼-奈斯衍射效率较低，所以多采用布拉格衍射，基于布拉格衍射的声光调制器是使零级光或一级光的强度随调制信号而变化的调制器。
将具有一个射频信号的压电传感器粘固在合适的晶体上，那么就会产生一个声波。声波波长取决于射频信号频率。任意入射光束通过该光栅时都会发生衍射，调节参数，使入射光发生布拉格衍射。利用射频信号驱动声光偏转器从而实现对衍射光束的控制。如图5所示，其他按第一个实施例进行。
本发明的特点是：通过改变激光单脉冲宽度(或脉冲组宽度)来控制激光能量大小从而控制同一层内不同的雕刻深度；也可通过改变激光器输出功率控制同一层内的不同雕刻深度；还可同时通过单脉冲宽度(或脉冲组宽度)和功率控制同一层内不同的雕刻深度。
本发明的优点是：a、同样分层的情况下，每一层又利用灰度图细化为深度可控雕刻，精度大幅度提高。b、在所需精度一定的情况下，可视所用激光器加大分层厚度，减少层数，可以大幅度提高加工速度。c、单脉冲宽度(或脉冲组宽度)和功率均由程序控制，操作简单，如同二维雕刻。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种脉冲激光三维雕刻方法，其特征在于：其步骤包括：
(1)根据被雕对象的特点及精度要求，对被雕对象的三维模型进行离散切片分层；
(2)结合所用激光器特性，选择对应的控制激光输出参数的方法，以便实现同一层内不同深度的雕刻；
(3)通过计算机将步骤(1)、(2)的数据转换成激光器识别的电信号，进而控制激光器的输出，逐层完成雕刻；
所述步骤(1)中，分层后同一层内的雕刻深度用灰度值表示，不同的灰度值表示不同的雕刻深度，用二维点阵坐标表示同一层内对应的雕刻点的坐标，坐标处的值为灰度值，该灰度值与该点雕刻深度相对应。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光三维雕刻方法，其特征在于：所述步骤(2)中，控制激光输出参数的方法包括：改变激光脉冲宽度或脉冲组宽度；改变激光输出功率；改变激光脉冲宽度或脉冲组宽度与改变激光输出功率相组合。
3.根据权利要求2所述的脉冲激光三维雕刻方法，其特征在于：将脉冲宽度与灰度值对应起来，从而实现雕刻深度与灰度值的对应。
4.根据权利要求2所述的脉冲激光三维雕刻方法，其特征在于：将激光输出功率与灰度值和对应起来，从而实现雕刻深度与灰度值的对应。
5.根据权利要求2所述的脉冲激光三维雕刻方法，其特征在于：建立脉冲宽度、激光输出功率与雕刻深度对应的曲线，再与灰度值对应起来。
6.根据权利要求1-5任一项所述的脉冲激光三维雕刻方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在保证精度的情况下加大分层的厚度，从而提高雕刻速度。
7.根据权利要求2所述的脉冲激光三维雕刻方法，其特征在于：通过激光电源控制激光脉冲宽度和激光输出功率。
8.根据权利要求2所述的脉冲激光三维雕刻方法，其特征在于：通过声光偏转器控制激光脉冲宽度和激光输出功率。
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| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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