3D打印的激光雕刻机设计

广西大学行健文理学院 曾光煜 苏秋仁

广西大学 李深旺

国网北京市电力公司调控中心 张 效

激光雕刻机作为现代普遍的板件加工工具，被广泛用于各种材料的切削和雕刻。由于本文中的小功率雕刻切割两用的激光雕刻机所采用的的各部件多为非标零件，针对该雕刻机的非标零件的制造问题，本文利用3D打印机进行设计和打印。

激光的光谱特性很窄，所以其波长单一，能量集中，能迅速地融化甚至汽化工件上很小的一片区域。因此，激光雕刻机作为现代普遍的板件加工工具，被广泛应用在机械制造和工业造型等多个领域和行业，制造简单快捷，且雕刻面光滑、圆润。但是一般商用的大功率激光雕刻机具有体型大、占地大、重量大等特点，极大限制了雕刻机的灵活性和实用性；同时，对于一些小物件打印，采用大功率激光雕刻机未免有些大材小用，因此，小功率雕刻机应运而生。而小功率激光雕刻机往往没有流水线生产，部分零件属于非标零件，这就给小功率激光雕刻机的设计和制造造成了困难。

3D打印也称为增材制造工艺，将真实的原材料（如金属、陶瓷、塑料、砂等）输出为一薄层，然后不断重复一层层叠加，最终变成空间实物，突破了传统成型方法，通过快速自动成型系统与计算机软件数学模型结合，无需任何附加的传统模具制造和机械加工就能够制造出各种形状复杂的原型。加速了产品的研发过程，可进行个性化、特殊化的设计和定制，这使得非标零件的设计生产周期大大缩短，生产成本大幅下降，即使是非专业人员也能进行相关的几何、结构、材料等方面的研究。

本文针对上述需求，设计一种占地面积小并且便携的小功率激光雕刻机，并基于3D打印技术实现激光雕刻机非标准构件的制作，提高生产效率、降低制造成本，解决小功率激光雕刻存在的技术经济性问题。

1 结构设计

1.1 主结构选型

本文所制作的激光雕刻机主要面向的加工对象是一种由聚苯乙烯（Polystyrene，PS）颗粒经过发泡生成板芯，并经过表面覆膜压合而成的一种新型材料。该PS材料的硬度不高，但具有一定长宽尺寸。在经过走轮压覆实验以及载荷实验的检验，选定基床基准结构作为激光雕刻机的主结构，可以满足加工对象PS新型材料的雕刻需求。

1.2 载荷设计

载荷对激光雕刻机的工作效率和性能具有重要影响，需要结合载荷量来对激光雕刻机做针对性设计。所设计的激光雕刻机需要搭载一定数量的传感器用于采集数据，需要具备一定的带载荷能力，但是更多的载荷对应着更多的冗余结构和更高的成本，需要平衡带载荷能力与结构简化之间的矛盾。经对各个载荷构件的计算，并保留一定冗余，本次设计的激光雕刻机的结构载荷设定为1200g。

1.3 驱动机构设计

为尽可能减小成本，缩小雕刻机尺寸距离，本文采用双布置步进电机结构，让步进电机与其他结构紧凑的结构组成一个模块，在检修时可以单独拆除。最重要的是，该设计的好处是通过对非标准构件的合理设计，使其可以适应3D打印机的打印逻辑，变得易于制造和降低成本。

1.4 电机选型

综合考虑激光雕刻机对工作扭矩的要求，并留有一定裕度，本次设计的激光雕刻机的电机选型为42步进电机。

1.5 半导体激光器设计

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体激光器的优势是价格低廉，但对工作条件有较高要求，其需要稳定的泵浦、要做到功率控制、还需要非常快速高效的恒流驱动。相对而言，二氧化碳激光器具有更好的性能指标，但价格昂贵。考虑到本次设计的激光雕刻机的应用背景为通用性面板雕刻，并综合考虑雕刻加工的精度要求和制作成本控制，本次设计选定的激光器为半导体激光器。

2 结论

根据上节的设计结构，对该小功率激光雕刻机进行了设计和制造。图1所示为基于3D打印技术制作的各非标准构件实物图。

图1 非标零件3D打印实物图

对所制作的激光雕刻机样机进行了实验研究。实验结果表明，所设计的激光雕刻机具有较好的雕刻精度，可以满足小功率激光雕刻机的技术经济性需求，达到了设计目的。

本文研究了激光雕刻机小型化存在的问题，基于3D打印技术设计和制作了一种小功率激光雕刻机，实现了激光雕刻机的小型化、轻量化、便携式设计。对所设计的激光雕刻机样机进行了实验研究，实验结果表明，所设计的激光雕刻机具有较好的雕刻精度，可以满足小功率激光雕刻机的技术经济性需求，达到了设计目的。实验结果证明了设计方案的正确性和制作样机的可靠性。