基于3D打印技术的智能夜灯设计

张国庆 史定国 温东杰 杨玉洁 冯荣蕊

摘 要：随着我国经济水平的不断地提高，人们的生活水平也越来越高，传统的照明产品已经不能满足人们的需求，个性化定制化的照明产品已成为发展趋势，但常常由于受制造条件的约束无法实现。3D打印技术的出现为这种个性化定制化的照明产品的制造可能，促进了照明产品的设计。为此，我們首先在造型上进行创意创新，紧接着运用3D建模软件Proe进行对其进行外形的建模，最后采用3D打印技术直接成型。结果表明：Proe软件能够很好地将智能夜灯的造型进行建模，也能够清楚的了解它的结构和它的运动情况;3D打印的智能灯零部件表面光亮、未发现明显的翘曲变形、悬垂部件之间的搭接良好、表面有较少的丝线黏附，经简单抛光等处理后可直接装配使用，这为3D打印智能灯饰产品的直接应用奠定了基础。

关键词：3D打印;智能灯;个性化;定制化;参数化建模

1 绪论

我国台灯的普及率较高，市场上的台灯种类样式繁多，按灯泡的类别分为：白炽灯、节能灯、LED灯。LED台灯是以发光二极管为光源的台灯，具有体积小、耗电低、使用寿命长、无毒环保、安全可靠等诸多优点，使得LED灯具从室外装饰，景观照明，逐渐发展到家用照明。但目前市面上的很多LED照明产品由于受到使用的材料、制造工业及成本等因素的制约，无法满足当前人们的对灯饰产品的个性化、定制化、复杂化的需求[12]。3D打印技术由于采用逐层累加的方式制造零件，在个性化、定制化、复杂化具有无可比拟的优势，为这种灯饰产品的制造提供了一种解决办法。因此，基于3D打印技术开展灯饰产品的设计和制造方面的研究具有重要意义。

陈佳梅等[3]围绕灯饰产品的主要内容，结合大量的灯饰案例分析，不断创新独特的思维方式，赋予灯饰产品更强大的生命力以及丰富灯饰外在形态的内涵，加强对灯饰产品的认识和提供更多的灯饰设计灵感，介绍了3D打印技术在灯饰产品设计中的应用。张军等[4]先利用三维建模对小夜灯的外观进行设计，然后再用FDM型3D打印机来打印灯箱，采用具有高透亮度、绝缘性能优良的、可回收的绿色环保的亚克力板制作色彩丰富的灯盖，采用声光硬件模块化设计和微波雷达控制两种方案设计电路，12V的LED灯条作为光源。安芬菊等[5]针对室内灭蚊灯功能单一、使用率低的问题，结合灭蚊灯与照明灯的功能，设计了一种多功能灭蚊灯。该多功能灭蚊灯集灭蚊灯与照明灯于一体，具有环保实用、节约资源、美观大方、方便高效等优点。王雄杰等[6]在现有超高分子量聚乙烯灯浮标的基础上，利用3D打印技术，制造出整体成型、造价低廉、质量轻便的ABS塑料灯浮标，达到降本增效、节能环保、维护简单的目标。

基于3D打印技术进行灯饰产品的设计已取得一定进展，但具有更高性能的个性化定制化灯饰产品的设计仍需持续研究。

2 设计、材料与方法

2.1 设计理念

3D打印智能夜灯这个创意是根据不倒翁的结构上建立的，在不倒翁的基础上增加一些更加实用的小功能，可以将它作为一个摆饰，也可以作为一个照明灯、时钟、小音箱，这样的装饰品更加贴近生活，更加实用，还能达到让使用者心情愉悦，节能环保。在晚上需要照明的时候，当你发出指令，这时它便可以化身一个小夜灯，避免开灯造成的麻烦，这是它的声控功能，如果想让它长时间照明可以打开照明按钮。短暂照明可以使用声控按钮。根据客户对家具灯饰的特殊需求和定制要求，有针对性地对家具灯饰产品进行一系列的创意设计，在使用时能够享受到灯具个性化创意设计带来的舒适性与优越感。相对传统灯饰设计而言，其具有产品结构精确、完整性好、成本低的特点。

2.2 成型设备

由于只是对设计完毕的智能夜灯进行试验制备，因此可选择打印制造精度与光固化成型技术（SLA）相近的熔丝堆积成形技术（FDM）。FDM技术是利用热塑性材料的热熔性、黏结性，在计算机控制下层层堆积成形。利用FDM技术进行智能夜灯的试验制备，可以发现所设计智能夜灯存在的问题，并及时处理，使得设计更加完美。

2.3 成型材料

PLA材料是聚乳酸（Polylactic Acid）的简称，其是一种热塑性材料，是FDM技术良好的成形材料。PLA材料是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，主要以玉米、木薯等为原料，原料来源充分而且可以再生，因此造价相对低廉。聚PLA材料的生产过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，是理想的绿色高分子材料，且PLA材料热稳定性高，黏结性好，是智能夜灯试验制备优良的3D打印材料。

3 结果与讨论

3.1 智能夜灯的设计思路

目前市面上的灯具种类繁多且层出不穷，虽然形状多有不同，但万变不离其宗，且制作材料较为单一，塑料、金属居多，而我们这款灯具是以不倒翁为基础模型延伸创作、100μm透明光敏树脂为原材料进行3D打印所得，在材料和外观上具有一定的优势。我们在设计作品时，为避免结构单一，另外添加了上半部分类似于雨伞原理的传动结构，并以此实现了作品的自由张合功能，也巧合地达到了节约空间的目的。目前市面上的灯具也主要以护眼为主，外表为辅，而本款灯具上部雨伞的张合使灯光分散不刺眼且照明范围较广。作品顶端是一个皇冠形状，搭配上部花纹状结构，高端有内涵，下部则是不倒翁形状，建立平衡感和协调感，怎么按都不会倒，为作品的稳定性提供了保障，同时，还可在其中储放物品，节约空间。

3.2 智能夜灯的设计

在绘制设计好的首饰的三维图之前，需要考虑好先从哪一步开始着笔，然后详细地对首饰的各项参数进行计算，例如：最基础的底座大小尺寸、伞柄的尺寸的等数据。设计的此智能夜灯共分为三个部分，其中一部分是下面的卡通不倒翁的底座造型，另外两部分是由伞页和伞架组成的模型。具体步骤如下：