镂空旋转无线灯罩的设计与3D打印

2018-11-11许庭瑞王霆

机械工程师 2018年11期

许庭瑞，王霆

（常州机电职业技术学院模具技术学院，江苏常州213164）

0 引言

对于不同人群来说，灯具所具备的性能有很大差别。例如在灯罩外壳的外观设计上，它增加了灯具的观赏性。同时还可以有一些附加功能，比如可增加旋转的功能，这也增加了灯具的实用性；另外为了提高灯具的轻便性还可以增加无线可充电式的理念。由此，便设计出了本款产品：镂空旋转无线灯罩。

国内现在有很多参考年轻人个性化的设计理念，将形状奇特的灯罩使用在人们日常生活的各种场合，但是很多只是单一的功能，其并不具备灯罩的多种更换功能，而且还不能满足许多特别的功能。针对这一情况，采用多种镂空灯罩的方法，根据不同人的趣味，通过连接装置来实现。例如有人对葫芦情有独钟，那么就可以换成葫芦形状的镂空灯罩（如图1），又如有人对红玫瑰情有独钟，那么就可以换成玫瑰形状的镂空灯罩（如图2）等等，不同爱好的人可以换成自己喜欢的镂空外壳外形，具有一定的观赏性。

不仅如此，如今人们日常生活中使用的灯具基本都是固定式的，针对这一情况，该灯罩使用了可旋转装置固定在了电线管道上，通过随意地手动旋转就能达到灯具旋转的功能。在灯具照亮空间的时候，镂空的灯罩结构与可旋转的功能相互配合，一种帮助人们减轻日常劳作压力的情景油然而生，这大大提高了灯具的实用性[2]。

图1 葫芦灯罩

图2 玫瑰灯罩

如今的灯具大多都是使用电线来获取电能的，这就对灯具的放置点有了限制，针对这一情况，该灯罩采用了可充电装置来解决灯具的电能以及放置点局限的问题，可充电装置的外部显露部件主要有插头、抽拉件、电源开关、电源指示灯等，通过抽拉件来使插头外露从而实现充电，在充电过程中，电源指示灯会亮起，电源开关打开就可以打开电灯。电充满后，没有了电线的限制也就摆脱了放置点受到限制的问题，大大提高了灯具的轻便性。

1 设计思路

1）灯罩。此灯具具有很好的艺术外观，所以该灯罩采用了镂空灯罩的设计，灯罩的整体外形采用仿生[3]想法，仿造葫芦的外形、仿造玫瑰的外形……，灯罩的外轮廓采用弧线形，同时灯罩配合可旋转功能，外形采用上空下实的设计，在灯罩下部设计“中”字形通孔方便灯罩的可更换功能。

2）连接件。连接件主要由上盖器、轴承、下连接器组成，配合轴承以及灯罩底部“中”字形的外形，通过下连接器来使轴承与灯罩连接在一起，上盖器从灯罩顶部安装达到固定轴承位置的作用。

3）电线管道。为实现轻便简洁的效果，管道采用圆柱中空形。

4）底部支座。底部支座主要由底部支架、可充电装置、下盖板组成。底部支架的外形采用通用的矩形，方便外形为矩形的可充电装置的安放。由于可充电装置的抽拉件需要额外显露出来，所以在设计下盖板的时候要留出抽拉插头的足够空间。5）电线。电线从充电装置的电源开始，穿过电线管道、连接件显露在灯罩的底部。电线分为正负两根接在电灯泡上。

2 设计过程

在造型方面，该灯罩首选CAD2007、NX8.0进行造型设计。灯罩采用仿生原理，对实际事物进行灯罩化造型。在连接件的设计上采用连接件上盖和连接件下盖对轴承进行“包裹”，并按紧达到使其外形和中孔将灯罩和电线管道连接的效果。由于电线需要从底座一直延伸到连接件上盖处并与底座形成卡住效果，所以采用“T”形的中空形式。底座支架是充电装置的摆放处，也是充电插头、电源开关和电源指示灯等构件的放置处，为达到良好的布局效果，采用“H”形的基本形式，在侧壁对充电插头、电源开关以及电源指示灯进行定位安放。

3 制作过程

由于镂空灯罩在模具上不易成型，所以该灯罩采取增材制造——3D打印技术来实现。打印机型号为kossel detal三角洲，机器采用并联臂结构，三角函数运算方式。材料初步使用PLA材料，打印初始层厚0.3 mm，初始层线宽100%，两次挤出重叠0.15 mm，移动速度100 mm/s,底层速度20 mm/s，填充速度20 mm/s，顶底速度20 mm/s，外壳速度20 mm/s，内壁速度20 mm/s，每层最小打印时间5 s，打印层厚0.2 mm，打印壁厚1.2 mm，底层/顶层填充厚度1.2 mm，填充密度20%，打印速度50 mm/s，打印温度210℃，打印材料直径1.75 mm，打印材料流量97%，支撑类型为接触点放支撑[4]。

针对第一次成型的样品（如图3、图4），发现灯罩存在以下问题：形状位置有误差、组件底部有翘边、灯罩表面不光滑、灯罩表面没有上色、充电装置没有连接完全、底座支架高度不够等。对此采取了相应的改进措施：形状位置有误差是由于灯罩尺寸设计上没有进行精确定位，通过使用游标卡尺对每一个特征进行精确测量，进而确定特征的具体位置；组件底部有翘边主要是由于空气中的温度与材料具体成型所需要的温度有误差，针对这一情况，在制造过程中采用减少底座与温床的接触面积进行调整；针对灯罩表面不光滑这一情况，采用工业级的3D打印机进行成型，材料为光敏树脂；在灯罩表面光滑的情况下喷彩漆。此外，对充电装置没有连接完全、底座支架高度不够的情况，也进行了相应的改进。

图3 灯具成品

图4 灯具特征错位缺陷

图5 成品完善图

4 成品完善

通过样品分析的总结和采用改进措施，重新进行了灯罩成型，这一次成型解决了以前的遗留问题，达到了理想的效果。完善后的灯具成品如图5所示。

5 总结与讨论

通过这次制作，该灯罩最终很好地设计并制造出来。起初，只是单纯地制造出来灯罩的零件，但是这并不代表整个产品就达到了理想的效果，在组件制造的过程中，发现组件成品并不符合三维造型的形状标准，组件的底部接触面出现了翘边的情况，于是采用了减少底座与温床的接触面积来解决（如图6）。另外在轴承的安装方面，灯罩存在没有精确定位和很好地固定的问题（如图7），于是采用额外的连接件（如图8）来更好地达到可旋转的效果（如图9）。轴承与连接件的配合公差为0.2。不仅如此，该灯罩在电线的安放上也遇到了问题，无法在底部支架上整理好电线，于是使用了“H”形的下盖板，在中间掏空来更好地整理电线。在上盖器的安装方面，采用了避空的方法来方便组件安装，并提高了锁紧的稳固性。灯具的可更换功能依托连接件来达到效果。在稳固性稍弱的区域，使用热熔胶枪对部位进行加强稳固。经过多次的修正，最终的灯罩产品符合了理想效果。