3D打印制作电影道具莫甘娜及航空发动机

王晨昱

3D打印简介

3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。在模具制造、艺术品、建筑模型、卡通动漫、电子产品外壳等工业设计等领域常被用于快速制造模型，后逐渐被应用于一些航空、航天产品的直接制造。该技术在珠宝、鞋类、建筑、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

常用3D打印切片软件有Makewat、Cura、Slic3r。Cura软件适用于windows系统，由于显示界面简洁，切片速度快，占用内存低，容易使用，所以被大众广泛应用。本文以Cura-15.02.1版本为例介绍，使用MakeBot打印机和PLA材料打印。3D图形设计软件使用3Dsmax，生成STL文件，利用Cura软件设置好参数，软件模拟切片正常后，保存为G代码，通过U盘将G代码插入3D打印机，实现各个部件的打印。

《英雄联盟》莫甘娜雕塑打印

在大片横行的今天，电影道具从未像现在这样重要。如今，好莱坞正在通过3D设计和3D打印技术帮助电影制作人员比以往任何时候都更快捷、更便宜地制作道具。下面为大家介绍《英雄联盟》道具的制作方法。

《英雄联盟》（简称LoL）是由美国Riot Games公司2009年开发的在线网络3D游戏， 注册用户过亿，成为当今世界最具人气和影响力的网络游戏之一。《英雄联盟》除了即时战略、团队作战外，还拥有一百多位特色各异的英雄、丰富的地图及玩法、自动匹配的战网平台，包括天赋树、召唤师系统、符文等元素。

莫甘娜（Morgana）是游戏中的英雄之一。她拥有被动技能灵魂吸取以及主动技能暗之禁锢、痛苦腐蚀、黑暗之盾、灵魂镣铐，能够对敌方英雄进行线上最大程度的消耗以及控制。她还有非常棒的主动开团技能以及团控和团战能力，在后期团战中可以起到决定性的作用。

图2 莫甘娜3D雕塑设计图

（1）Cura软件中关键参数设置

①在Basic下设置层高（Layer height）：每一层的层高一般是0.2，较小的层高可提高打印精度，但会花费更长的时间打印。

②外壳层厚（Shell thickness）：确保打印的物体的健壮性，尤其是中空的物体。层厚一般设置为喷头直径的倍数，但不大于2.0mm。有时候需要不断地调整这个值来实现更好的打印效果。

③顶端/低端层厚（Bottom/Top thickness）：为了一致性，一般顶端和底端会和普通层高一样厚。调整这个值会影响打印时间，1.2mm比较合适。

④填充密度（Fill Density）：空腔造型内部填充，一般简易造型是80%-95%填充，在试用打印机阶段，20%-30%为最合适。

⑤打印速度（Print Speed）：打印速度越高，送料速度越快，越容易产生毛刺。因此要合理设置打印速度。

⑥在Qualify下设置支撑类型（Support Type）：可以选择只在需要的地方打印支撑（Touching buildplate）；也可以选择在所有位置下打印支撑（Everywhere）。

⑦增加底座（Platform adhesion type）：如果没有热床，可以选择raft。它会在模型下面打印一层，用来确保你的模型牢牢地固定在板子上面，这是一个很实用的方法。

⑧在Support下设置悬空支撑角度（Overhang angle）：一般支撑角度设置为60，模型上有飞翼、手臂、飘逸长发悬空，手臂太细，特别是手指等位置，十分容易打印失败。支撑设置很关键，过密支撑导致打印时间长，浪费耗材，支撑清理难度大；稀疏的支撑可以节省耗材及打印时间。

逐步降低支撑角度试着打印，直到悬空部件下面都有支撑即可，通过试验，支撑角度设置为20，打印效果较好。

（2）雕塑后续处理

刚打印好的模型手板，要小心地去掉里外支撑、毛刺，狭窄缝隙出用镊子去除。最后用透明环氧树脂胶涂刷雕塑内外表面，干燥凝固后，再涂刷第2遍，可以让雕塑更加坚固。最后为雕塑表面上色。小的区域可用汽车补漆笔涂色，大的区域用自喷漆喷涂。此时应该注意，在下一次喷涂之前，应用纸或保鲜膜遮住上一次已喷涂过的部位。喷错区域可用200目以上砂纸修补，颜色渐淡区域可用砂纸打磨。

航空涡扇发动机打印

涡轮风扇发动机（Turbofan，简称涡扇）是飞机发动机的一种，由涡轮喷气发动机（Turbojet，简称涡喷）发展而成。两者的共同点都是压气机压缩空气在燃烧室燃烧膨胀做功，带动压气机后直接喷出。与涡喷发动机比较，主要特点是加装涡轮驱动的风扇和一个外罩，构成一个外涵道。首级压缩机的面积大很多，同时被用作为空气螺旋扇，将部分吸入的空气通过喷射引擎的外围向后推。发动机核心部分空气经过的中心部分为内涵道，仅有风扇空气经过的核心机外侧部分称为外涵道。现在多数的飞机引擎都采用涡扇作为动力来源。涡喷发动机只有内涵道。

外涵道和内涵道的空气质量流量之比称为涵道比。小于1定义为小涵道比，大于4定义为大涵道比，大于1小于4为中涵道比。涵道比是涡扇发动机的重要设计参数，它对发动机耗油率和推重比有很大影响。

涡扇发动机的优点是在燃气发生器相同的情况下，空气流量大，排气速度低，所以推进效率高，耗油率低，噪声低。不加力的涡扇发动机是高亚音速客机和运输机的理想动力；带加力的涡扇发动机则适用于超音速军用飞机。

航空爱好青少年也经常利用3D打印来制造零件（如图8），设计制造自己的航空发动机模型，提高自己航空工程技能。 图9展示了一个教学用涡轮风扇发动机模型，它可以对真实的涡扇发动机工作状态进行演示，包括了真实的涡扇发动机所具有的涡轮风扇、压气机及可以产生附加推力的涡轮。

利用GE公司提供的风扇、压气机、涡轮及转子轴STL图形文件，打印耗材选用PLA，单独5个小涡轮用黄色耗材，其他用白色耗材。把一种颜色耗材零件放置在一起打印，注意在Tools菜单下选择Print all at once（多个模型同时打印）方式。这样速度比较快，只需要2次就可以打印完所有零件。

在进行3D打印时，根据不同零件，经常需要调整参数，如打印速度、温度、挤出量、移动速度。对于动画中人物、精密零件等小模型，参数可设置为：打印速度20～25，温度190～195，挤出量80～85，移动速度60；对于中大型模型手板等，参数可设置为打印速度30～40，温度200～205，挤出量90～100，移动速度80。

（作者系中航集团西航一中高二（八）班学生 指导教师：王超）