基于增材制造（3D打印）月球灯模型制作

广东省城市技师学院 徐春辉

古往今来，文人墨客对月亮情有独钟，月亮被赋予了各种各样的含义，大量的传奇故事、诗词歌赋，是人们对月亮的无尽向往。随着3D打印技术的发展，出现了越多越多新的技术，我们可以定制属于自己的月球灯，添加一些专属的定制元素，如照片、文字，体现自己的个性与爱好，或是用来送给亲朋好友表达心意祝福。本文通过对3D打印技术的概况、工作原理、工艺特点的分析，3D打印月球灯模型相关资源、软件准备，按操作流程和大家一起探讨如何通过3D打印技术制作出独一无二的月球灯（如图1所示），为3D打印模型制作提供参考。

图1 月球灯模型Fig.1 Lunar lamp model

1 增材制造技术的概况

相对于传统材料去除成形（切削加工）工艺，增材制造技术是一项基于分层制造、逐层叠加的离散分层制造原理发展而来的先进制造技术，通常也称为3D打印技术。增材制造是一种直接从三维CAD数字化模型制造出产品实体的技术，减少或者省略了毛坯准备、零件切削加工的工序。它无须昂贵的刀具、夹具和模具等辅助工具，利用三维设计数据在一台设备上即可快速而精确的制造出任意复杂形状的零件，解决了许多传统制造工艺难以实现的复杂结构零件成形问题，减少了加工工序，缩短了加工周期。

3D打印按照工作原理可以划分为熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，FDM)、光固化成型（Stereo Lithigraphy Apparatus，SLA)、选择性激光烧结（Selecting Laser Sintering，SLS)、三维粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing，3DP）等技术原理。FDM工艺是一种材料逐层堆积技术，主要是利用热熔性材料，如ABS、PLA热熔后堆积而成。材料主要以整捆的丝状结构存在，工作时放置于支撑架上，材料穿插于打印喷头上，然后通过打印喷头热熔，采用类似挤牙膏方式挤出材料，喷头在控制系统的指导下沿着设计零件的横截面轮廓运动并挤出材料进行填充，当填充完一层后，工作平台往下移一层材料厚度的距离，准备打印第二层，通过这种逐层累加的方式最终完成整个作品的打印。

FDM技术日趋成熟，具有以下特点：（1）打印物体时，前后壁以实体形式打印，两个壁之间的空隙可选择实体打印，也可选择网格填充形式进行打印，这种方法的好处是减轻了物体的重量，并且节省材料，降低成本。（2）设备以数控方式运行，技术成熟，过程平稳。（3）打印喷头跟着伺服器沿着X、Y轴方向运动，承物平台沿着Z轴逐渐下降。（4）通用支持STL的打印文件格式。本文中提到的月球灯制作也是采用FDM工艺，使用PLA材料进行加工的。PLA中文名聚丙交酯，它的热稳定性好，加工温度170℃～230℃，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、双轴拉伸、注射吹塑。将聚丙交酯与3D打印结合，打印出来的产品除能生物降解，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性都很好，同时行业内有的公司开发的聚乳酸还具有一定的抗菌性、阻燃性和抗紫外线性。

随着3D打印技术的发展和人们生活水平的提高，3D打印技术已经渗透到人们日常生活中各个方面，例如（1）在航空航天领域，出于减重与强度要求，航空航天设备中复杂结构件或大型异构件的比例越来越高，而这正是3D打印的优势。（2）在模具行业的创新应用，可以改善模具效能，在模具关键区域通过3D打印技术建构精确水路，相对比传统水路设计，达到最佳冷却效果，提高产品质量，降低模具热应力，延长模具使用寿命。（3）在医疗行业的创新应用，通过3D打印技术可以实现定制化的医疗器具，牙齿、骨科植入体、康复矫形器等方面都有良好的应用前景。3D打印种植牙的应用，可以很好地实现仿生牙齿的种植，并可以准确贴合每个人的牙槽，减少种植步骤、减轻病人痛苦，并有效降低费用。3D打印技术已在汽车、机械加工、航空航天、建筑、家电、医学、文化艺术、首饰等领域都得到广泛应用。而且随着技术的不断发展，其应用领域将不断发展。

2 本文研究对象便是基于3D打印技术个性化月球灯的制作

3D打印工艺流程，首先要有三维数据模型，可以通过三维建模软件创建模型或通过扫描仪扫描实物获得其模型数据。其次使用切片软件，将三维模型分解到层，控制打印机进行打印。切片是将模型以片层的方式来描述，片层的厚度通常在0.050～0.5mm之间，无论零件形状多么复杂，相对每一层来说都是简单的平面矢量扫描组，轮廓线代表了片层的边界。月球灯的制作前期准备如下：

（1）月球全景贴图，可在各大资源网站查找相关资源，也可以是任何长方形图像。灰度对比度略高的，高低差合适。此贴图可以根据自己喜好修改，比如添加文字，添加个性图案等，图像做成长方形，方便后期贴图时可以映射到球面。

（2）相关软件：1）Photoshop软件，是由Adobe公司开发和发行的功能十分强大的图像处理软件，主要处理以像素所构成的数字图像。2）ZBrush软件，是一个数字雕刻和绘画软件，简洁的界面，本文中使用ZBrush软件创建月球模型并通过贴图的方式添加艺术效果。3）Magics软件是一款强大的3D打印软件，可以进行STL文件格式转换、数据修复、编辑处理、打印导出等，本文中重点使用编辑处理功能对月球体进行处理。4）JGcreat（或其他切片软件），JGcreat软件是极光尔沃自主开发的切片软件，里面内置了极光尔沃系列打印机选项，内置了默认打印参数。这款JGcreat软件功能全面、操作简洁明了，响应迅速，使用方便。

（3）3D打印设备，极光尔沃A8S 3D打印机，成型空间为350mm×250mm×300mm，升级后打印精度、打印效果都有了质的飞跃，支持断电继打，解决因突然断电而造成的模型打印失败。运用断电继打功能，还可以将未完成打印的模型，更换不一样颜色的耗材，实现颜色互换的打印效果。

（4）灯光套件，本文中采用的是三色触控+遥控控制，内部是集成LED灯珠、电池、充电口、控制电路。产品操作简单，使用方便，可以通过遥控器或者触摸实现开灯，变换灯光操作。

3 制作原理与制作过程

首先通过ZBrush软件将制作好的月球全景贴图与个性定制的图案、文字映射到球面上，球面会根据图像的灰度来显示画面，通过调整灰度值使模型的壁厚不一样，实现出凹凸不平的月球表面，再对模型进行内部掏空，使其变成空心的球形灯罩。制作过程分为以下4个步骤。

第1步，在Photoshop软件对月球全景贴图进行处理，可添加定制图片、文字。处理图片文字时要注意细节调整，使用自由变换命令把定制图片、文字左右翻转，调整大小形状，接着使用图像→调整→去色命令，将颜色去掉，让它变成黑白图像，如果亮度及其对比度不够明显，还可以执行图像→调整→亮度/对比度 命令，调整亮度、对比度与月球全景贴图匹配。做完这些后，就可以将文件另存为JPG格式，保存图档。

第2步，在ZBrush里对上一步做的JPG图片进行处理，做出球形浮雕的效果。具体操作步骤如下：

（1）打开ZBrush，选择工具里面的Sphere3D命令，在操作区域建立一个任意大小球体，并选择编辑命令，将参数化球体转化为网格球体以便进行编辑，方便后续操作。

（2）点击工具＞几何＞提高分辨率，并划分网格球体的密度、形状等。细分三次，到第3级，这个时候的面数足够生成较好的凹凸效果了。

（3）在UV贴图＞调整＞翻转V。

（4）点击Alpha＞导入＞第一部分准备好的月球灯JPG图片。

（5）选择工具＞遮罩＞按Alpha遮罩，对模型进行贴图。将JPG图片放置在球体外形上。

（6）选择工具＞变形＞吹气命令来调整图像。产生浮雕效果，实现凹凸不平的月球表面。它是根据图像的灰度，把光滑球面变形，可选正负，即越暗的地方越凸，根据感觉适当选择变形程度，这里的数值设置为-25。

（7）在Zplugin＞3D Print Hup＞更新大小比率，调球体的大小，注意单位，选择单位为mm。

（8）在Zplugin＞Decimation Master＞当前预处理。

（9）在Zplugin＞Decimation Master＞抽取当前。主要就是在不影响整体形貌的情况下，让网格文件大小适当变小一些，如果电脑配制足够好，也可以省略这步，但是电脑计算时间会比较长。

（10）在Zplugin＞3D Print Hup ＞导出保存到STL文件。这样凹凸不平的月球实体我们就做好了。

第3步，将上一步导出的STL文件导入到Magics进行面片修复，编辑体大小，内部掏空，创建底座。具体操作步骤如下：

（1）打开Magics软件，导入上一步STL文件，通过缩放命令将球体调整到合适的大小，这里将大小设为150mm。

（2）通过平移命令，将球体中心平移至坐标系中心，方便后面的操作。

（3）创建直径为Φ80mm，高度为10 mm圆柱体1，做为月球灯底座，并通过旋转、平移将圆柱体1移到球体底下的位置，圆柱体1要与球体相互重叠一部分，大概3-5mm，后期会用球体来修剪出圆弧的球面。

（4）创建圆柱体2，大小要与灯光套件相互配合，后期用此圆柱的修剪成孔，用来放置电子灯光套件。并通过旋转、平移将圆柱体2移到球体底下的位置，圆柱体2要与球体相互重叠，突出小部分，1-2mm。

（5）创建球体2，直径要比前面做的月球体小一些，这里设置成146mm，单边壁厚控制在2-5mm，因为月球体表面是有凹凸不平的，这里2-5mm，是壳体最厚的部分，如果壁厚太厚，会影响透光效果，最好不要超过5mm。移动位置至月球实体同心。后期用来掏空球体内部。

（6）视图工具，显示月球体与圆柱体2，通过布尔运算命令将月球体与圆柱体2并集，结合成一体整体，不要删除原始文件，得到一个新的球体3。

（7）视图工具，显示球体3与圆柱体1，通过布尔运算命令将圆柱体1减去球体3，删除原始文件。球体3作为工具体被删掉，圆柱体1得到与球体相配的圆弧面。

（8）视图工具，显示月球体与圆柱体2，通过布尔运算命令将月球体减去圆柱体2，删除原始文件。月球体上得到一个孔，后面用来安装灯光套件。

（9）视图工具，显示月球体与球体2，通过布尔运算命令将月球体减去球体2，删除原始文件。这样月球体就被做成空心的壳体。

（10）选择圆柱体1（底座），向下移动0.3mm，使其与月球体产生一个缝隙，打印完成后，方便将底座与月球体分离。

（11）标记选择圆柱体1（底座）底平面，使用蜂巢结构命令，设置壁厚等规格尺寸，对圆柱体1（底座）进行结构掏空，做成像蜂巢一样的结构，可以节省部分材料。

（12）选择月球体和圆柱体1（底座）底平面，通过合并零件命令将2个零件合并成一个零件。保存STL文件。

第4步，使用JGcreat切片软件（可自行选择切片软件）对STL文件进行切片，放至3D打印设备打印成型。

（1）打开JGcreat切片软件导入上前面保存的STL文件，通过旋转命令，摆正月球体，将底座向下摆放，并将模型居中摆放。

（2）切片层高设置为0.1mm，填充为100%，不然会产生填充纹路，不要支撑，其他参数按常规设置，切片层高可根据打印机性能做适当调整，设置得越小打印效果就越好，但是耗时越长。切片好后，可以通过软件预览命令，查看切片情况，各位置壁厚情况，是否合理。保存文件，发送至打印设备进行打印。

（3）因为本次设计的月球灯是一体成型的，所以当月球灯打印到一定高度时，就暂停打印设备，将灯光套件放入之前预留的孔，用热熔胶固定。然后接着打印，直至完成。要打印到一定高度再暂停，如果高度不够，打印机喷嘴会和工件发生干涉。暂停时间尽量不要太长，如暂停时间太长会在暂停层产生缺陷。

（4）3D打印产品后处理是利用一些表面处理的方法，如机械打磨，化学处理，喷涂表面和组装，从而满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求的方法。打印完成后，先进行产品打磨抛光，打磨抛光的主要目的是降低产品表面粗糙度，提高表面形状精度和增加表面光泽。打磨是借助粗糙度较高的物体通过摩擦改变材料表面粗糙度的一种办法。常用各类型的锉刀、打磨棒、砂纸进行打磨。产品打磨抛光流程如下：去支撑＞锉刀打磨＞砂纸打磨。

4 结语

本次尝试用3D打印技术制作的月球灯，从外观看是个一体成型的、无缝的月球灯，内部是集成电路的灯光套件。可以通过遥控器或者触摸实现开灯，变换灯光操作。可以实现照明作用，又起到装饰作用，还可以个性化定制，放上自己喜欢的照片，或者文字，制作出风格独特的工艺品。随着科学技术的创新，3D打印技术的不断发展，越来越多的材料可以用来3D打印，3D打印所能做的东西就会越来越多，渐渐普及到我们日常生活中， 为我们的生活、教育、工作带来更加的便利。