3D-гравировка барельефов на металле волоконным лазером: карта высот, слои, время и брак

Что такое 3D-гравировка на маркере

Слово «3D» здесь означает рельеф на поверхности, а не изображение внутри стекла. Станок остаётся тем же гальваносканерным маркером: луч двигают зеркала, заготовка лежит неподвижно. Меняется только задание. Вместо одной заливки программа запускает десятки или сотни заливок, и в каждой следующей участок обрабатывается, только если на карте он глубже уровня этого слоя.

В документации LightBurn такой режим назван 2,5D: живая ось Z не нужна, детализация высокая, но точно управлять глубиной нельзя. В EzCad2 есть специальная функция чтения 3D-модели («Read face3d from file»): она режет STL на слои по координате Z, но, по руководству, работает с версией программы для оси Z. В EzCad3 есть отдельный режим 3D, где загружают STL или карту высот и задают высоту слоя. Какой бы вариант вы ни выбрали, на выходе получается стопка слоёв.

Рельеф глубиной в миллиметры на маркере делать долго, и для такой работы обычно выбирают фрезер. О том, как это устроено на ЧПУ по дереву, мы писали в статье о резных панно и 3D-рельефах на фрезере.

Карта высот

Карта высот, она же карта глубины, это серое изображение, где яркость пикселя означает глубину. В LightBurn светлые пиксели получают меньше проходов, тёмные больше, а чисто белые не гравируются совсем. Если нужно наоборот, включают Negative Image.

Что учесть при подготовке:

• Источник. Карту рисуют вручную в графическом редакторе или получают из STL-модели. LightBurn называет для этого утилиту STL2PNG. Фотография сама по себе глубины не содержит, поэтому карту по снимку приходится дорисовывать вручную. Если берёте чужую модель, проверьте лицензию: подробно об этом в статье о бесплатных 3D-моделях.
• Разрядность. Восьмибитная карта содержит 256 градаций серого. LightBurn 2.1 поддерживает и 16 бит, и для заданий больше 256 проходов документация советует именно их.
• Разрешение. Пиксель карты не должен быть крупнее шага линий. При шаге 0,03 мм на миллиметр приходится около 33 линий, то есть для медальона 30 мм нужна карта порядка 1000 пикселей по стороне. Грубая карта даёт квадратики на склонах.
• Форма. Тонкие острые пики плохо держат форму: каждый слой немного съедает и боковые стенки, поэтому вершины лучше слегка скруглить.

Слои: глубина слоя и число слоёв

Глубина рельефа складывается из съёма за проход. Формула простая: D = N × δ, где D глубина рельефа, N число слоёв (проходов), δ съём за один проход. Величину δ берут не из таблиц, а из теста: гравируют плитку, замеряют дно и делят глубину на число проходов, как описано в статье о глубокой гравировке.

Порядок величин показывает пример производителя. Производитель на странице о глубокой гравировке металла приводит два режима для MOPA-источника 20 Вт с линзой F-160, шаг линий 0,03 мм, квадрат 5×5 мм, цель 200 мкм:

Источник: Trotec Laser, справочный центр, страница Deep laser engraving metals. Строка «Съём за проход» посчитана здесь делением 200 мкм на число проходов.

Из таблицы видно главное: один и тот же станок снимает за проход от долей микрона до шести микрон, и от режима зависят и число слоёв, и качество дна. По описанию Trotec, быстрый режим дал коробление материала до 100 мкм, а щадящий прошёл без коробления, зато занял втрое больше времени.

Дальше число слоёв выбирают из двух соображений. Первое: глубина рельефа делится на съём за проход, получается минимум слоёв. Второе: ступени между слоями не должны быть видны. Ступенька шириной меньше пятна размывается самим пятном. У этого станка пятно с линзой F-160 около 45 мкм. При слое 6 мкм ступени становятся уже пятна на склонах круче примерно 8° (тангенс угла равен 6/45), а на пологих склонах слои проступают террасами. Поэтому плавные поверхности, например щёки или фон, требуют меньшей высоты слоя, чем резкие кромки букв. В LightBurn увеличение Number of Passes прямо повышает разрешение рельефа, но при большом числе проходов мощность приходится снижать, иначе материал выгорает глубже задуманного.

В EzCad3, по инструкции MakeIt Labs, порядок такой: открыть режим 3D, загрузить STL или карту высот (проверить высоту в диалоге импорта), нарезать модель, указав глубину одного слоя, а затем назначить перо и заливку получившемуся объекту. Первым гравируется слой 1, дальше номера уходят вглубь заготовки. Если рельеф вышел вывернутым, меняют порядок слоёв или инвертируют карту.

Линза, поле и режим

Размер поля определяет фокусное расстояние линзы, а с ним и размер пятна. Ориентиры по каталогам линз: F100 даёт поле 70×70 мм, F160 110×110 мм, F330 220×220 мм. Чем длиннее фокус, тем крупнее пятно и тем ниже плотность энергии, поэтому мелкую деталь берут на самую короткую линзу, которая накрывает изделие. Шаг линий должен быть меньше пятна: 0,03 мм при пятне 45 мкм даёт перекрытие около трети.

Если станок покупают именно под рельеф, смотрят на контроллер и оси. На странице модели Wattsan FL TT среди вариантов контроллера указан DLC2-M4-3D, а среди опций автофокус по оси Z и динамический фокус. Серия DLC работает с EzCad3, где есть режим 3D. Поле у этой модели задаёт сменная линза, от 50×50 до 300×300 мм. Какой именно вариант идёт в комплектации, уточняйте у поставщика, а не по общей странице.

По режиму для рельефа берут те же принципы, что и для глубокой гравировки: низкая и средняя частота дают энергичный съём, высокая даёт ровное дно. Подробно об энергии импульса рассказано в статье о MOPA и Q-switch. У Q-switch источника диапазон частот узкий (по паспортам маркеров 30–120 кГц в зависимости от мощности), поэтому режим вроде 180 кГц из таблицы выше ему недоступен.

Оснастка и подготовка заготовки

Рельеф даёт сотни проходов, поэтому любая мелкая ошибка установки растёт вместе с ними.

• Плоскость. Если плита приподнята или выгнута на 0,05–0,1 мм, фокус в разных точках стоит на разной высоте, съём за проход меняется, и глубина получается неодинаковой. Такая неровность сопоставима с высотой рельефа 0,2 мм. Для ответственных работ берут шлифованную плиту.
• Упоры. Заготовку кладут в карман или к упорам, чтобы повторная установка попадала в то же место. Прижим не должен заходить в рабочее поле и отбрасывать тень на край рельефа.
• Толщина и отвод тепла. Тонкая пластинка в сотни проходов греется и коробится, поэтому её кладут на массивную подложку или выбирают щадящий режим.
• Фокус. Поверхность ставят в фокус перед запуском. По мере углубления фокус остаётся наверху, и дно уходит от него. Для рельефа в несколько десятых миллиметра это не критично, а для большей глубины нужна ось Z: функция чтения 3D-модели в руководстве EzCad2 рассчитана именно на такую версию программы.
• Чистка. Поверхность обезжиривают: плёнка или масло дают неравномерное поглощение. После работы потемнение окислами снимают вторым циклом с полирующими параметрами, как рекомендует производитель.
• Дым и глаза. Сотни проходов дают много аэрозоля. Вытяжка у зоны и очки под 1064 нм обязательны: подробности в статье о вытяжке и безопасности.

Пример расчёта времени

Возьмём медальон 30×30 мм с рельефом 0,2 мм, шаг линий 0,03 мм. Путь луча за один полный проход равен площади, делённой на шаг: 900 / 0,03 = 30 000 мм. Допущение: глубина распределена по рельефу равномерно, поэтому с ростом номера слоя площадь убывает, и в среднем слой занимает половину поля. Накладные расходы на перескоки возьмём 5 %: в примере Trotec 112 секунд против расчётных 107.

Расчёт для быстрого режима: 32 × 120 × 0,5 × 1,05 = 2016 секунд, то есть 34 минуты. Для щадящего: 450 × 33,3 × 0,5 × 1,05 = 7875 секунд, около 2 часов 11 минут. Если нужен рельеф 1 мм вместо 0,2, число проходов в быстром режиме вырастает до 160, а время до примерно 2 часов 50 минут. Это пример на цифрах производителя, а не гарантия для вашего станка: свой съём за проход вы определяете тестом.

Время умножают на стоимость станко-часа и получают цену работы. Станко-час считает калькулятор нормо-часа, а полную цену изделия калькулятор себестоимости. Время, которое показывает программа, сверяйте с тестовой плиткой: на сложных картах оно расходится с фактом.

Типичный брак