一種脈沖激光三維雕刻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光雕刻的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種光纖激光三維雕刻方法，其將分層雕刻與通過控制參數(shù)在同一層內(nèi)雕刻出不同深度的層內(nèi)細(xì)化雕刻相結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)快速、高精度、立體感強(qiáng)、應(yīng)用廣泛的激光三維雕刻。
【背景技術(shù)】
[0002]激光雕刻是利用加工材料在激光照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，達(dá)到加工的目的。目前，激光雕刻技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，在廣告裝飾、印刷包裝、皮革服裝、模型制作等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]與傳統(tǒng)雕刻技術(shù)相比激光雕刻具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0004]范圍廣泛:二氧化碳激光幾乎可對任何非金屬材料進(jìn)行雕刻切割。并且價格低廉；安全可靠:采用非接觸式加工，不會對材料造成機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力。沒有“刀痕”不傷害加工件的表面且不會使材料變形；精確細(xì)致:加工精度很高；節(jié)約環(huán)保:光束和光斑直徑小，一般小于0.5mm，切割加工節(jié)省材料，安全衛(wèi)生；效果一致:保證同一批次的加工效果完全一致；高速快捷:可立即根據(jù)電腦輸出的圖樣進(jìn)行高速雕刻和切割；成本低廉:不受加工數(shù)量的限制，對于小批量加工服務(wù)，激光加工更加便宜。
[0005]相比連續(xù)激光而言，脈沖激光由于提高了能量峰值并極大地降低了平均能量輻射可以使得材料不經(jīng)過明顯的熔化直接氣化從而使精度大幅度提高，并且可以通過控制脈沖的參數(shù)(脈沖能量，峰值功率，脈沖寬度，脈沖頻率等)對激光與材料的作用過程實(shí)現(xiàn)精確地控制。
[0006]相對比較成熟的激光二維雕刻技術(shù)而言，激光三維雕刻技術(shù)才剛剛起步，激光三維雕刻技術(shù)，是激光技術(shù)進(jìn)步的又一重要標(biāo)志，是模具制造業(yè)的利器，將為現(xiàn)代制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生巨大推動作用。
[0007]激光三維雕刻實(shí)質(zhì)是將三維模型經(jīng)過計(jì)算機(jī)切片處理，簡化為二維平面進(jìn)行雕亥IJ。在計(jì)算機(jī)的控制下，利用激光的高能量脈沖對材料進(jìn)行刻蝕，達(dá)到去除成形的目的。一般的二維雕刻只要求在材料表面留下清晰可見的標(biāo)記，對雕刻深度沒有嚴(yán)格要求。但根據(jù)分層雕刻的原理，三維雕刻除了在分層平面上保持刻蝕深度一致外，刻蝕深度的可控性也是非常重要的。只有保證單層切片厚度與激光每層雕刻的實(shí)際深度相等，才能加工出理論上正確的三維實(shí)體。
[0008]中國專利CN1299723公開了一種激光雕刻版輥雕刻系統(tǒng)及方法，包括激光版輥的雕刻裝置(兩臺YAG激光器及其光路傳導(dǎo)與聚焦系統(tǒng))、用于觀察和記錄的CCD攝像頭、計(jì)算機(jī)控制部分和用于激光器的循環(huán)水冷和輔助氣體裝置。采用改變加工參數(shù)的方法在版輥表面進(jìn)行不同深度的三維雕刻加工。該系統(tǒng)提高了加工圖形的精確度和效率，但是存在下述缺點(diǎn):
[0009]其激光雕刻系統(tǒng)采用YAG固體激光器，YAG固體激光光束的聚焦點(diǎn)直徑較大，大約
0.1mm左右，雕刻出的圖像或紋路仿真度不高，光的損耗率較大。并且僅僅依靠改變參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同深度的三維雕刻，雕刻深度有限，圖案紋路不清晰，立體感差，應(yīng)用范圍受限。
[0010]發(fā)明專利“一種3D紋路光纖激光雕刻機(jī)及雕刻方法(CN102501695) ”公布了一種在待刻物表面雕刻出立體紋路的3D紋路光纖激光雕刻機(jī)，該系統(tǒng)包括一用于支撐待刻壓輥并使待刻壓輥?zhàn)鏊捷S向轉(zhuǎn)動的支撐轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、激光雕刻裝置、3D紋路雕刻控制系統(tǒng)、進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)、伺服直線電機(jī)，所述激光雕刻裝置包括光纖激光發(fā)生器、光路傳導(dǎo)系統(tǒng)及激光聚焦鏡頭。該系統(tǒng)采用分層雕刻積累成形的原理能實(shí)現(xiàn)比較高精度的三維紋路雕刻，但仍存在以下缺點(diǎn):
[0011]精度受分層厚度的影響，厚度如果取值過大，進(jìn)行斜面雕刻時就會產(chǎn)生臺階效應(yīng)，影響表面質(zhì)量；若取值太小，又會增加雕刻層數(shù)，降低加工效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種脈沖激光三維雕刻方法，其雕刻深度范圍大、圖案紋路清晰、立體感強(qiáng)、可以大幅度地縮短雕刻時間或者大幅度提高雕刻精度。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:這種脈沖激光三維雕刻方法，其包括以下步驟:
[0014](I)根據(jù)被雕對象的特點(diǎn)及精度要求，結(jié)合所用激光器特性，對被雕對象的三維模型進(jìn)行離散切片分層；
[0015](2)選擇對應(yīng)的控制激光輸出參數(shù)的方法，以便實(shí)現(xiàn)同一層內(nèi)不同深度的雕刻；
[0016](3)通過計(jì)算機(jī)將步驟(1)、(2)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成激光器識別的電信號，進(jìn)而控制激光器的輸出，逐層完成雕刻；
[0017]所述步驟(I)中，分層后同一層內(nèi)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，用二維點(diǎn)陣坐標(biāo)表示同一層內(nèi)對應(yīng)的雕刻點(diǎn)的坐標(biāo)，坐標(biāo)處的值為灰度值，該灰度值與該點(diǎn)雕刻深度相對應(yīng)。
[0018]本發(fā)明將分層雕刻和層內(nèi)細(xì)化雕刻結(jié)合，將灰度值與雕刻深度相對應(yīng)，因此實(shí)現(xiàn)了雕刻深度范圍大、圖案紋路清晰、立體感強(qiáng)、可以大幅度地縮短雕刻時間或者大幅度提高雕刻精度。
【附圖說明】
[0019]圖1 (a)是被雕刻對象分層的示意圖；圖1(13)是同一層內(nèi)不同雕刻深度的示意圖；圖1(c)是雕刻深度與激光功率或激光脈寬對應(yīng)的圖；圖1(d)是灰度值與雕刻深度對應(yīng)的圖。
[0020]圖2是由激光脈沖或脈沖組的寬度控制雕刻深度的示意圖。
[0021 ]圖3是由激光功率控制雕刻深度的示意圖。
[0022]圖4是雕刻平臺的示意圖。
[0023]圖5是聲光偏轉(zhuǎn)器的工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]這種脈沖激光三維雕刻方法，其步驟包括:
[0025](I)根據(jù)被雕對象的特點(diǎn)及精度要求，對被雕對象的三維模型進(jìn)行離散切片分層；
[0026](2)結(jié)合所用激光器特性，選擇對應(yīng)的控制激光輸出參數(shù)的方法，以便實(shí)現(xiàn)同一層內(nèi)不同深度的雕刻；
[0027](3)通過計(jì)算機(jī)將步驟(1)、(2)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成激光器識別的電信號，進(jìn)而控制激光器的輸出，逐層完成雕刻；
[0028]所述步驟(I)中，分層后同一層內(nèi)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，用二維點(diǎn)陣坐標(biāo)表示同一層內(nèi)對應(yīng)的雕刻點(diǎn)的坐標(biāo)，坐標(biāo)處的值為灰度值，該灰度值與該點(diǎn)雕刻深度相對應(yīng)。
[0029]本發(fā)明將分層雕刻和層內(nèi)細(xì)化雕刻結(jié)合，將灰度值與雕刻深度相對應(yīng)，因此實(shí)現(xiàn)了雕刻深度范圍大、圖案紋路清晰、立體感強(qiáng)、并大幅度地縮短雕刻時間或者大幅度提高雕刻精度。
[0030]另外，所述步驟(2)中，控制激光輸出參數(shù)的方法包括:改變激光脈沖寬度或脈沖組寬度；改變激光輸出功率；改變激光脈沖寬度或脈沖組寬度與改變激光輸出功率相組入口 ο
[0031]另外，將脈沖寬度或