3D打印制作電影道具莫甘娜及航空發動機

王晨昱

3D打印簡介

3D打印即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。在模具制造、藝術品、建筑模型、卡通動漫、電子產品外殼等工業設計等領域常被用于快速制造模型，后逐漸被應用于一些航空、航天產品的直接制造。該技術在珠寶、鞋類、建筑、汽車、航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。

常用3D打印切片軟件有Makewat、Cura、Slic3r。Cura軟件適用于windows系統，由于顯示界面簡潔，切片速度快，占用內存低，容易使用，所以被大眾廣泛應用。本文以Cura-15.02.1版本為例介紹，使用MakeBot打印機和PLA材料打印。3D圖形設計軟件使用3Dsmax，生成STL文件，利用Cura軟件設置好參數，軟件模擬切片正常后，保存為G代碼，通過U盤將G代碼插入3D打印機，實現各個部件的打印。

《英雄聯盟》莫甘娜雕塑打印

在大片橫行的今天，電影道具從未像現在這樣重要。如今，好萊塢正在通過3D設計和3D打印技術幫助電影制作人員比以往任何時候都更快捷、更便宜地制作道具。下面為大家介紹《英雄聯盟》道具的制作方法。

《英雄聯盟》（簡稱LoL）是由美國Riot Games公司2009年開發的在線網絡3D游戲， 注冊用戶過億，成為當今世界最具人氣和影響力的網絡游戲之一。《英雄聯盟》除了即時戰略、團隊作戰外，還擁有一百多位特色各異的英雄、豐富的地圖及玩法、自動匹配的戰網平臺，包括天賦樹、召喚師系統、符文等元素。

莫甘娜（Morgana）是游戲中的英雄之一。她擁有被動技能靈魂吸取以及主動技能暗之禁錮、痛苦腐蝕、黑暗之盾、靈魂鐐銬，能夠對敵方英雄進行線上最大程度的消耗以及控制。她還有非常棒的主動開團技能以及團控和團戰能力，在后期團戰中可以起到決定性的作用。

圖2 莫甘娜3D雕塑設計圖

（1）Cura軟件中關鍵參數設置

①在Basic下設置層高（Layer height）：每一層的層高一般是0.2，較小的層高可提高打印精度，但會花費更長的時間打印。

②外殼層厚（Shell thickness）：確保打印的物體的健壯性，尤其是中空的物體。層厚一般設置為噴頭直徑的倍數，但不大于2.0mm。有時候需要不斷地調整這個值來實現更好的打印效果。

③頂端/低端層厚（Bottom/Top thickness）：為了一致性，一般頂端和底端會和普通層高一樣厚。調整這個值會影響打印時間，1.2mm比較合適。

④填充密度（Fill Density）：空腔造型內部填充，一般簡易造型是80%-95%填充，在試用打印機階段，20%-30%為最合適。

⑤打印速度（Print Speed）：打印速度越高，送料速度越快，越容易產生毛刺。因此要合理設置打印速度。

⑥在Qualify下設置支撐類型（Support Type）：可以選擇只在需要的地方打印支撐（Touching buildplate）；也可以選擇在所有位置下打印支撐（Everywhere）。

⑦增加底座（Platform adhesion type）：如果沒有熱床，可以選擇raft。它會在模型下面打印一層，用來確保你的模型牢牢地固定在板子上面，這是一個很實用的方法。

⑧在Support下設置懸空支撐角度（Overhang angle）：一般支撐角度設置為60，模型上有飛翼、手臂、飄逸長發懸空，手臂太細，特別是手指等位置，十分容易打印失敗。支撐設置很關鍵，過密支撐導致打印時間長，浪費耗材，支撐清理難度大；稀疏的支撐可以節省耗材及打印時間。

逐步降低支撐角度試著打印，直到懸空部件下面都有支撐即可，通過試驗，支撐角度設置為20，打印效果較好。

（2）雕塑后續處理

剛打印好的模型手板，要小心地去掉里外支撐、毛刺，狹窄縫隙出用鑷子去除。最后用透明環氧樹脂膠涂刷雕塑內外表面，干燥凝固后，再涂刷第2遍，可以讓雕塑更加堅固。最后為雕塑表面上色。小的區域可用汽車補漆筆涂色，大的區域用自噴漆噴涂。此時應該注意，在下一次噴涂之前，應用紙或保鮮膜遮住上一次已噴涂過的部位。噴錯區域可用200目以上砂紙修補，顏色漸淡區域可用砂紙打磨。

航空渦扇發動機打印

渦輪風扇發動機（Turbofan，簡稱渦扇）是飛機發動機的一種，由渦輪噴氣發動機（Turbojet，簡稱渦噴）發展而成。兩者的共同點都是壓氣機壓縮空氣在燃燒室燃燒膨脹做功，帶動壓氣機后直接噴出。與渦噴發動機比較，主要特點是加裝渦輪驅動的風扇和一個外罩，構成一個外涵道。首級壓縮機的面積大很多，同時被用作為空氣螺旋扇，將部分吸入的空氣通過噴射引擎的外圍向后推。發動機核心部分空氣經過的中心部分為內涵道，僅有風扇空氣經過的核心機外側部分稱為外涵道。現在多數的飛機引擎都采用渦扇作為動力來源。渦噴發動機只有內涵道。

外涵道和內涵道的空氣質量流量之比稱為涵道比。小于1定義為小涵道比，大于4定義為大涵道比，大于1小于4為中涵道比。涵道比是渦扇發動機的重要設計參數，它對發動機耗油率和推重比有很大影響。

渦扇發動機的優點是在燃氣發生器相同的情況下，空氣流量大，排氣速度低，所以推進效率高，耗油率低，噪聲低。不加力的渦扇發動機是高亞音速客機和運輸機的理想動力；帶加力的渦扇發動機則適用于超音速軍用飛機。

航空愛好青少年也經常利用3D打印來制造零件（如圖8），設計制造自己的航空發動機模型，提高自己航空工程技能。 圖9展示了一個教學用渦輪風扇發動機模型，它可以對真實的渦扇發動機工作狀態進行演示，包括了真實的渦扇發動機所具有的渦輪風扇、壓氣機及可以產生附加推力的渦輪。

利用GE公司提供的風扇、壓氣機、渦輪及轉子軸STL圖形文件，打印耗材選用PLA，單獨5個小渦輪用黃色耗材，其他用白色耗材。把一種顏色耗材零件放置在一起打印，注意在Tools菜單下選擇Print all at once（多個模型同時打印）方式。這樣速度比較快，只需要2次就可以打印完所有零件。

在進行3D打印時，根據不同零件，經常需要調整參數，如打印速度、溫度、擠出量、移動速度。對于動畫中人物、精密零件等小模型，參數可設置為：打印速度20～25，溫度190～195，擠出量80～85，移動速度60；對于中大型模型手板等，參數可設置為打印速度30～40，溫度200～205，擠出量90～100，移動速度80。

（作者系中航集團西航一中高二（八）班學生 指導教師：王超）