3D-гравировка по дереву на CO2-лазере: карта высот, режимы и как получить рельеф

Что считать рельефом

Лазерная гравировка по умолчанию двумерная: точка либо есть, либо нет, а глубина одинакова. Рельеф требует, чтобы лазер убирал разную толщину материала в разных местах. На CO2-станке это достигается двумя способами, и между ними есть принципиальная разница.

В первом глубина зависит от мощности. Станок идёт строками, и на каждой точке мощность соответствует серому пикселя. Во втором картинку режут на слои по яркости и гравируют их по очереди: сначала всю область, где глубина больше нуля, потом ту, где больше первого уровня, и так до самого глубокого. Выходит стопка контуров, как у горизонталей на топографической карте.

Обычное фото устроено иначе. Яркость в нём описывает свет: волосы тёмные, лоб светлый, тень под носом тёмная. Лазер, получив такую картинку, вырежет волосы глубокой ямой, а тень под носом ямой ещё глубже, и объём пропадёт. Фото на дереве гравируют в режиме дизеринга как плоский рисунок, о нём мы писали в материале про настройку растровой гравировки.

Grayscale: рельеф по яркости

Документация LightBurn описывает Grayscale так: мощность меняется в процентах между Min Power и Max Power, на самые светлые тона идёт минимум, на самые тёмные максимум. Для диодного лазера это даёт оттенки, для CO2 переменную глубину. Там же сказано, что изображения для этого режима обычно приходится готовить специально.

Из этого следуют три практических вывода.

Min Power надо ставить не нулём, а порогом. Трубка CO2 ниже примерно 10 % номинала не излучает вовсе, как указывает LightBurn. У трубки 80 Вт это около 8 %. Если Min Power ниже порога, на светлые тона уйдёт ноль, и верхняя четверть карты будет плоской. Поставьте Min на порог, а светлые области карты оставьте без диапазона.

Связь между серым и глубиной нелинейная. Дерево испаряется и обугливается неравномерно, и первые проценты мощности выше порога снимают заметно больше, чем кажется. Поэтому делайте градиентную плитку: 16 полос от белого до чёрного, и замерьте глубину каждой штангенциркулем с глубиномером. По замерам в редакторе строят кривую, которая выравнивает градации.

Один проход глубокого рельефа не даёт. Даже на мягкой липе один проход на полной мощности снимает порядка десятых долей миллиметра. Для 3 мм надо повторять работу, а при повторах по пути меняется фокус. Об этом в разделе о шаге по Z.

В окне предпросмотра LightBurn для Grayscale включите Shade according to power. Без него картинка будет сплошь чёрной, потому что в этом режиме лазер проходит каждую точку, просто с разной мощностью.

3D Sliced и послойный метод

В LightBurn 2.1 есть режим 3D Sliced: картинка превращается в слои, число проходов задаёт Number of Passes, самые тёмные тона гравируются на всех проходах, светлые на меньшем числе, чисто белое не гравируется. Если проходов больше 256, карта нужна в 16 бит: LightBurn 2.1 их поддерживает, а в 8 бит всего 256 градаций серого. Но в том же руководстве написано, что режим доступен только с гальвосканером. На станке с кареткой и Ruida его нет.

Это не тупик. Послойный метод на кареточном станке строится вручную:

1. Откройте карту высот в редакторе и сделайте пороги: например, 6 уровней яркости.
2. Для каждого уровня сохраните чёрно-белое изображение, где чёрным залита вся область глубже этого уровня.
3. Каждое изображение положите в свой слой LightBurn в режиме Threshold. Порядок: от самого мелкого к самому глубокому.
4. В настройках слоя задайте число проходов и, если станок управляет осью Z, смещение Z Offset. Документация поясняет, что положительное смещение приближает головку к материалу.

Метод даёт чёткие ступени, подходит для «резных» панно и гербов. Для плавных переходов, портретов и складок лучше Grayscale. Как рельеф делает фрезер, разобрано в статье про резные панно и 3D-рельефы на фрезере.

Как сделать карту высот

Из 3D-модели. Лучший исходник: рельеф глубины получается точным. В Blender или в другом пакете ставят ортогональную камеру сверху, включают проход глубины Z и сохраняют в 16 бит. Из STL тот же результат даёт отдельная утилита; в документации LightBurn для этого назван STL2PNG.

Из фото вручную. В GIMP, Krita или Photoshop: переведите в серое, поднимите контраст кривой, размойте на 1–2 пикселя, чтобы убрать шум, и инвертируйте, если глубоким должно быть светлое.

Готовую карту глубины по одному снимку строят и нейросети: такие сервисы строят карту глубины по одному снимку, и этого хватает для эскиза, но края и мелкие детали придётся дорисовывать.

На любом пути разрешение карты не должно быть ниже числа строк, иначе пиксели станут ступенями. Чисто белых и чисто чёрных областей там, где нужны склоны, быть не должно: пересвет превращает склон в плато.

Расчёт на примере

Возьмём панно 100×100 мм глубиной 3 мм на липе. Станок с трубкой 80 Вт, интервал строк 0,1 мм (254 dpi). Допустим, плитка показала, что при 100 % мощности и 200 мм/с проход снимает в самом тёмном месте 0,2 мм. Это допущение для расчёта, свою цифру вы получите на плитке.

• Энергия по формуле из статьи про настройку: E = P / (v × i) = 80 / (200 × 0,1) = 4 Дж/мм².
• Строк: 100 / 0,1 = 1000, длина пути 1000 × 100 мм = 100 000 мм.
• Время одного прохода: 100 000 / 200 = 500 с, около 8 минут 20 секунд.
• Проходов: 3 / 0,2 = 15. Итого 125 минут. Разгон на концах строк, подъём стола и пробные проверки добавляют 15–25 %, поэтому планируйте 2,5 часа.

Если взять интервал 0,15 мм и 300 мм/с, строк будет 667, путь 66 700 мм, время прохода 222 с. Но энергия упадёт до 80 / (300 × 0,15) = 1,78 Дж/мм², и проход снимет примерно вдвое меньше. Чтобы вернуть 4 Дж/мм² при 0,15 мм, скорость придётся снизить до 133 мм/с, и время снова составит 500 с. При полной мощности время прохода равно площади, умноженной на энергию и делённой на мощность: 10 000 мм² × 4 Дж/мм² / 80 Вт = 500 с. Пока мощность на пределе, увеличением интервала время не сэкономить. Сократить его можно более мощной трубкой или меньшей глубиной рельефа.

Таблица нужна как стартовая точка для тестовой матрицы, а не как рекомендованный режим. Скорость подобрана так, чтобы энергия во всех строках была одинаковой по формуле; реальная глубина на вашей породе и вашей трубке будет другой. Сделайте матрицу: три скорости вокруг табличной и три значения мощности, и выберите ту клетку, которая снимает нужную глубину без пригара по краям.

Шаг по Z и глубина резкости

Пока лазер заглубляется, дно рельефа уходит от фокуса. У линзы 2 дюйма (50,8 мм) глубина фокуса по нашей оценке по формулам гауссова пучка составляет около ±0,7 мм, о чём подробно написано в статье про настройку фокуса CO2-лазера. Оценка идеальная, у реальной трубки запас меньше. Австрийский производитель лазерных станков Trotec определяет глубину фокуса как расстояние, на котором площадь пятна удваивается, и отмечает, что чем короче линза, тем меньше запас.

На практике это значит: за 3 мм рельефа пятно расширяется, плотность энергии падает, а дно получается светлее и грубее, чем верх. Лечится ручным шагом по Z: после каждых 0,5–1 мм глубины стол опускают на ту же величину. При 0,2 мм за проход это 3–5 проходов на шаг, то есть для рельефа в примере три остановки. Стол при этом должен возвращаться в тот же XY, поэтому нуль заготовки лучше задавать меткой, а не по текущему положению головки.

Порода дерева

Рельеф снимает объём, поэтому важна не только контрастность, но и однородность. Плотность по Wood Database: липа (basswood) около 415 кг/м³, ольха красная около 450 кг/м³, вишня около 560 кг/м³. У берёзовой фанеры по справочнику сайта 0,64–0,70 г/см³, у МДФ 0,60–0,83 г/см³ (ГОСТ 32274-2021). Данные по фанере и плитам есть на страницах фанера и МДФ.

Чем мягче и однороднее материал, тем меньше проходов и чище склоны. В фанере на глубине лазер выходит на слой клея, и цвет полосами выдаёт слои шпона.

Дым, нагар и постобработка

Рельеф греет дерево сильнее, чем плоская гравировка: проходов много, а в глубоких карманах дым и нагар скапливаются. Две вещи спасают результат. Сильная вытяжка забирает дым из зоны резки и защищает линзу. Воздух из сопла обдувает пятно, сдувает пламя и мусор, но слишком сильный поток уносит продукты горения на соседние участки и оставляет пятна копоти вокруг рельефа.

После станка рельеф чистят мягкой кистью по ходу строк, затем зубной щёткой в углублениях. Нагар с поверхности можно снять наждачкой с зерном 240–320 по высоким местам, не трогая глубины. Потом лак или масло: оно подчёркивает слои и возвращает цвет, а при масле глубокие места темнеют сильнее.

Типичные ошибки

• Полосы вдоль строк. Интервал больше пятна, строки не перекрываются. Уменьшите интервал, проверьте фокус. Механические причины разобраны в статье о дефектах гравировки.
• Ступени на склонах. При послойном методе слишком мало слоёв, при Grayscale 8-битная карта с резким контрастом. Добавьте слоёв, размойте карту на 1–2 пикселя.
• Пригар по краям. Оверскан не включён или мал: на разворотах каретка замедляется и жжёт. Включите оверскан, и края перестанут быть темнее центра.
• Дно светлее и грубее верха. Фокус ушёл. Опускайте стол по шагам.
• Плоские площадки вместо склонов. Пересвет карты, чисто белые и чёрные области. Подтяните кривую, чтобы они не «обрезались».

Станки

Из того, что встречается в мастерских, CO2-станки Wattsan с контроллером Ruida RDC8445S: например, модель 6040 с полем 600×400 мм и трубкой 80–95 Вт, 1290 ST с полем 1200×900 мм и трубкой 100–130 Вт. Ruida входит в список поддерживаемых контроллеров LightBurn для DSP-станков, поэтому рельеф в Grayscale на таких моделях настраивается так, как описано выше. Режим 3D Sliced на них не заработает по причине, указанной в документации. Подъёмный стол и ось Z уточняйте по комплектации конкретного станка.