基于增材制造（3D打印）月球燈模型制作

廣東省城市技師學院 徐春輝

古往今來，文人墨客對月亮情有獨鐘，月亮被賦予了各種各樣的含義，大量的傳奇故事、詩詞歌賦，是人們對月亮的無盡向往。隨著3D打印技術的發展，出現了越多越多新的技術，我們可以定制屬于自己的月球燈，添加一些專屬的定制元素，如照片、文字，體現自己的個性與愛好，或是用來送給親朋好友表達心意祝福。本文通過對3D打印技術的概況、工作原理、工藝特點的分析，3D打印月球燈模型相關資源、軟件準備，按操作流程和大家一起探討如何通過3D打印技術制作出獨一無二的月球燈（如圖1所示），為3D打印模型制作提供參考。

圖1 月球燈模型Fig.1 Lunar lamp model

1 增材制造技術的概況

相對于傳統材料去除成形（切削加工）工藝，增材制造技術是一項基于分層制造、逐層疊加的離散分層制造原理發展而來的先進制造技術，通常也稱為3D打印技術。增材制造是一種直接從三維CAD數字化模型制造出產品實體的技術，減少或者省略了毛坯準備、零件切削加工的工序。它無須昂貴的刀具、夾具和模具等輔助工具，利用三維設計數據在一臺設備上即可快速而精確的制造出任意復雜形狀的零件，解決了許多傳統制造工藝難以實現的復雜結構零件成形問題，減少了加工工序，縮短了加工周期。

3D打印按照工作原理可以劃分為熔融沉積快速成型（Fused Deposition Modeling，FDM)、光固化成型（Stereo Lithigraphy Apparatus，SLA)、選擇性激光燒結（Selecting Laser Sintering，SLS)、三維粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing，3DP）等技術原理。FDM工藝是一種材料逐層堆積技術，主要是利用熱熔性材料，如ABS、PLA熱熔后堆積而成。材料主要以整捆的絲狀結構存在，工作時放置于支撐架上，材料穿插于打印噴頭上，然后通過打印噴頭熱熔，采用類似擠牙膏方式擠出材料，噴頭在控制系統的指導下沿著設計零件的橫截面輪廓運動并擠出材料進行填充，當填充完一層后，工作平臺往下移一層材料厚度的距離，準備打印第二層，通過這種逐層累加的方式最終完成整個作品的打印。

FDM技術日趨成熟，具有以下特點：（1）打印物體時，前后壁以實體形式打印，兩個壁之間的空隙可選擇實體打印，也可選擇網格填充形式進行打印，這種方法的好處是減輕了物體的重量，并且節省材料，降低成本。（2）設備以數控方式運行，技術成熟，過程平穩。（3）打印噴頭跟著伺服器沿著X、Y軸方向運動，承物平臺沿著Z軸逐漸下降。（4）通用支持STL的打印文件格式。本文中提到的月球燈制作也是采用FDM工藝，使用PLA材料進行加工的。PLA中文名聚丙交酯，它的熱穩定性好，加工溫度170℃～230℃，有好的抗溶劑性，可用多種方式進行加工，如擠壓、雙軸拉伸、注射吹塑。將聚丙交酯與3D打印結合，打印出來的產品除能生物降解，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性都很好，同時行業內有的公司開發的聚乳酸還具有一定的抗菌性、阻燃性和抗紫外線性。

隨著3D打印技術的發展和人們生活水平的提高，3D打印技術已經滲透到人們日常生活中各個方面，例如（1）在航空航天領域，出于減重與強度要求，航空航天設備中復雜結構件或大型異構件的比例越來越高，而這正是3D打印的優勢。（2）在模具行業的創新應用，可以改善模具效能，在模具關鍵區域通過3D打印技術建構精確水路，相對比傳統水路設計，達到最佳冷卻效果，提高產品質量，降低模具熱應力，延長模具使用壽命。（3）在醫療行業的創新應用，通過3D打印技術可以實現定制化的醫療器具，牙齒、骨科植入體、康復矯形器等方面都有良好的應用前景。3D打印種植牙的應用，可以很好地實現仿生牙齒的種植，并可以準確貼合每個人的牙槽，減少種植步驟、減輕病人痛苦，并有效降低費用。3D打印技術已在汽車、機械加工、航空航天、建筑、家電、醫學、文化藝術、首飾等領域都得到廣泛應用。而且隨著技術的不斷發展，其應用領域將不斷發展。

2 本文研究對象便是基于3D打印技術個性化月球燈的制作

3D打印工藝流程，首先要有三維數據模型，可以通過三維建模軟件創建模型或通過掃描儀掃描實物獲得其模型數據。其次使用切片軟件，將三維模型分解到層，控制打印機進行打印。切片是將模型以片層的方式來描述，片層的厚度通常在0.050～0.5mm之間，無論零件形狀多么復雜，相對每一層來說都是簡單的平面矢量掃描組，輪廓線代表了片層的邊界。月球燈的制作前期準備如下：

（1）月球全景貼圖，可在各大資源網站查找相關資源，也可以是任何長方形圖像。灰度對比度略高的，高低差合適。此貼圖可以根據自己喜好修改，比如添加文字，添加個性圖案等，圖像做成長方形，方便后期貼圖時可以映射到球面。

（2）相關軟件：1）Photoshop軟件，是由Adobe公司開發和發行的功能十分強大的圖像處理軟件，主要處理以像素所構成的數字圖像。2）ZBrush軟件，是一個數字雕刻和繪畫軟件，簡潔的界面，本文中使用ZBrush軟件創建月球模型并通過貼圖的方式添加藝術效果。3）Magics軟件是一款強大的3D打印軟件，可以進行STL文件格式轉換、數據修復、編輯處理、打印導出等，本文中重點使用編輯處理功能對月球體進行處理。4）JGcreat（或其他切片軟件），JGcreat軟件是極光爾沃自主開發的切片軟件，里面內置了極光爾沃系列打印機選項，內置了默認打印參數。這款JGcreat軟件功能全面、操作簡潔明了，響應迅速，使用方便。

（3）3D打印設備，極光爾沃A8S 3D打印機，成型空間為350mm×250mm×300mm，升級后打印精度、打印效果都有了質的飛躍，支持斷電繼打，解決因突然斷電而造成的模型打印失敗。運用斷電繼打功能，還可以將未完成打印的模型，更換不一樣顏色的耗材，實現顏色互換的打印效果。

（4）燈光套件，本文中采用的是三色觸控+遙控控制，內部是集成LED燈珠、電池、充電口、控制電路。產品操作簡單，使用方便，可以通過遙控器或者觸摸實現開燈，變換燈光操作。

3 制作原理與制作過程

首先通過ZBrush軟件將制作好的月球全景貼圖與個性定制的圖案、文字映射到球面上，球面會根據圖像的灰度來顯示畫面，通過調整灰度值使模型的壁厚不一樣，實現出凹凸不平的月球表面，再對模型進行內部掏空，使其變成空心的球形燈罩。制作過程分為以下4個步驟。

第1步，在Photoshop軟件對月球全景貼圖進行處理，可添加定制圖片、文字。處理圖片文字時要注意細節調整，使用自由變換命令把定制圖片、文字左右翻轉，調整大小形狀，接著使用圖像→調整→去色命令，將顏色去掉，讓它變成黑白圖像，如果亮度及其對比度不夠明顯，還可以執行圖像→調整→亮度/對比度 命令，調整亮度、對比度與月球全景貼圖匹配。做完這些后，就可以將文件另存為JPG格式，保存圖檔。

第2步，在ZBrush里對上一步做的JPG圖片進行處理，做出球形浮雕的效果。具體操作步驟如下：

（1）打開ZBrush，選擇工具里面的Sphere3D命令，在操作區域建立一個任意大小球體，并選擇編輯命令，將參數化球體轉化為網格球體以便進行編輯，方便后續操作。

（2）點擊工具＞幾何＞提高分辨率，并劃分網格球體的密度、形狀等。細分三次，到第3級，這個時候的面數足夠生成較好的凹凸效果了。

（3）在UV貼圖＞調整＞翻轉V。

（4）點擊Alpha＞導入＞第一部分準備好的月球燈JPG圖片。

（5）選擇工具＞遮罩＞按Alpha遮罩，對模型進行貼圖。將JPG圖片放置在球體外形上。

（6）選擇工具＞變形＞吹氣命令來調整圖像。產生浮雕效果，實現凹凸不平的月球表面。它是根據圖像的灰度，把光滑球面變形，可選正負，即越暗的地方越凸，根據感覺適當選擇變形程度，這里的數值設置為-25。

（7）在Zplugin＞3D Print Hup＞更新大小比率，調球體的大小，注意單位，選擇單位為mm。

（8）在Zplugin＞Decimation Master＞當前預處理。

（9）在Zplugin＞Decimation Master＞抽取當前。主要就是在不影響整體形貌的情況下，讓網格文件大小適當變小一些，如果電腦配制足夠好，也可以省略這步，但是電腦計算時間會比較長。

（10）在Zplugin＞3D Print Hup ＞導出保存到STL文件。這樣凹凸不平的月球實體我們就做好了。

第3步，將上一步導出的STL文件導入到Magics進行面片修復，編輯體大小，內部掏空，創建底座。具體操作步驟如下：

（1）打開Magics軟件，導入上一步STL文件，通過縮放命令將球體調整到合適的大小，這里將大小設為150mm。

（2）通過平移命令，將球體中心平移至坐標系中心，方便后面的操作。

（3）創建直徑為Φ80mm，高度為10 mm圓柱體1，做為月球燈底座，并通過旋轉、平移將圓柱體1移到球體底下的位置，圓柱體1要與球體相互重疊一部分，大概3-5mm，后期會用球體來修剪出圓弧的球面。

（4）創建圓柱體2，大小要與燈光套件相互配合，后期用此圓柱的修剪成孔，用來放置電子燈光套件。并通過旋轉、平移將圓柱體2移到球體底下的位置，圓柱體2要與球體相互重疊，突出小部分，1-2mm。

（5）創建球體2，直徑要比前面做的月球體小一些，這里設置成146mm，單邊壁厚控制在2-5mm，因為月球體表面是有凹凸不平的，這里2-5mm，是殼體最厚的部分，如果壁厚太厚，會影響透光效果，最好不要超過5mm。移動位置至月球實體同心。后期用來掏空球體內部。

（6）視圖工具，顯示月球體與圓柱體2，通過布爾運算命令將月球體與圓柱體2并集，結合成一體整體，不要刪除原始文件，得到一個新的球體3。

（7）視圖工具，顯示球體3與圓柱體1，通過布爾運算命令將圓柱體1減去球體3，刪除原始文件。球體3作為工具體被刪掉，圓柱體1得到與球體相配的圓弧面。

（8）視圖工具，顯示月球體與圓柱體2，通過布爾運算命令將月球體減去圓柱體2，刪除原始文件。月球體上得到一個孔，后面用來安裝燈光套件。

（9）視圖工具，顯示月球體與球體2，通過布爾運算命令將月球體減去球體2，刪除原始文件。這樣月球體就被做成空心的殼體。

（10）選擇圓柱體1（底座），向下移動0.3mm，使其與月球體產生一個縫隙，打印完成后，方便將底座與月球體分離。

（11）標記選擇圓柱體1（底座）底平面，使用蜂巢結構命令，設置壁厚等規格尺寸，對圓柱體1（底座）進行結構掏空，做成像蜂巢一樣的結構，可以節省部分材料。

（12）選擇月球體和圓柱體1（底座）底平面，通過合并零件命令將2個零件合并成一個零件。保存STL文件。

第4步，使用JGcreat切片軟件（可自行選擇切片軟件）對STL文件進行切片，放至3D打印設備打印成型。

（1）打開JGcreat切片軟件導入上前面保存的STL文件，通過旋轉命令，擺正月球體，將底座向下擺放，并將模型居中擺放。

（2）切片層高設置為0.1mm，填充為100%，不然會產生填充紋路，不要支撐，其他參數按常規設置，切片層高可根據打印機性能做適當調整，設置得越小打印效果就越好，但是耗時越長。切片好后，可以通過軟件預覽命令，查看切片情況，各位置壁厚情況，是否合理。保存文件，發送至打印設備進行打印。

（3）因為本次設計的月球燈是一體成型的，所以當月球燈打印到一定高度時，就暫停打印設備，將燈光套件放入之前預留的孔，用熱熔膠固定。然后接著打印，直至完成。要打印到一定高度再暫停，如果高度不夠，打印機噴嘴會和工件發生干涉。暫停時間盡量不要太長，如暫停時間太長會在暫停層產生缺陷。

（4）3D打印產品后處理是利用一些表面處理的方法，如機械打磨，化學處理，噴涂表面和組裝，從而滿足產品的耐蝕性、耐磨性、裝飾或其他特種功能要求的方法。打印完成后，先進行產品打磨拋光，打磨拋光的主要目的是降低產品表面粗糙度，提高表面形狀精度和增加表面光澤。打磨是借助粗糙度較高的物體通過摩擦改變材料表面粗糙度的一種辦法。常用各類型的銼刀、打磨棒、砂紙進行打磨。產品打磨拋光流程如下：去支撐＞銼刀打磨＞砂紙打磨。

4 結語

本次嘗試用3D打印技術制作的月球燈，從外觀看是個一體成型的、無縫的月球燈，內部是集成電路的燈光套件。可以通過遙控器或者觸摸實現開燈，變換燈光操作。可以實現照明作用，又起到裝飾作用，還可以個性化定制，放上自己喜歡的照片，或者文字，制作出風格獨特的工藝品。隨著科學技術的創新，3D打印技術的不斷發展，越來越多的材料可以用來3D打印，3D打印所能做的東西就會越來越多，漸漸普及到我們日常生活中， 為我們的生活、教育、工作帶來更加的便利。