基于3D打印技術(shù)的智能夜燈設(shè)計(jì)

張國慶 史定國 溫東杰 楊玉潔 馮榮蕊

摘?要：隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷地提高，人們的生活水平也越來越高，傳統(tǒng)的照明產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足人們的需求，個(gè)性化定制化的照明產(chǎn)品已成為發(fā)展趨勢，但常常由于受制造條件的約束無法實(shí)現(xiàn)。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為這種個(gè)性化定制化的照明產(chǎn)品的制造可能，促進(jìn)了照明產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。為此，我們首先在造型上進(jìn)行創(chuàng)意創(chuàng)新，緊接著運(yùn)用3D建模軟件Proe進(jìn)行對其進(jìn)行外形的建模，最后采用3D打印技術(shù)直接成型。結(jié)果表明：Proe軟件能夠很好地將智能夜燈的造型進(jìn)行建模，也能夠清楚的了解它的結(jié)構(gòu)和它的運(yùn)動情況;3D打印的智能燈零部件表面光亮、未發(fā)現(xiàn)明顯的翹曲變形、懸垂部件之間的搭接良好、表面有較少的絲線黏附，經(jīng)簡單拋光等處理后可直接裝配使用，這為3D打印智能燈飾產(chǎn)品的直接應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：3D打印;智能燈;個(gè)性化;定制化;參數(shù)化建模

1?緒論

我國臺燈的普及率較高，市場上的臺燈種類樣式繁多，按燈泡的類別分為：白熾燈、節(jié)能燈、LED燈。LED臺燈是以發(fā)光二極管為光源的臺燈，具有體積小、耗電低、使用壽命長、無毒環(huán)保、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得LED燈具從室外裝飾，景觀照明，逐漸發(fā)展到家用照明。但目前市面上的很多LED照明產(chǎn)品由于受到使用的材料、制造工業(yè)及成本等因素的制約，無法滿足當(dāng)前人們的對燈飾產(chǎn)品的個(gè)性化、定制化、復(fù)雜化的需求[12]。3D打印技術(shù)由于采用逐層累加的方式制造零件，在個(gè)性化、定制化、復(fù)雜化具有無可比擬的優(yōu)勢，為這種燈飾產(chǎn)品的制造提供了一種解決辦法。因此，基于3D打印技術(shù)開展燈飾產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造方面的研究具有重要意義。

陳佳梅等[3]圍繞燈飾產(chǎn)品的主要內(nèi)容，結(jié)合大量的燈飾案例分析，不斷創(chuàng)新獨(dú)特的思維方式，賦予燈飾產(chǎn)品更強(qiáng)大的生命力以及豐富燈飾外在形態(tài)的內(nèi)涵，加強(qiáng)對燈飾產(chǎn)品的認(rèn)識和提供更多的燈飾設(shè)計(jì)靈感，介紹了3D打印技術(shù)在燈飾產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。張軍等[4]先利用三維建模對小夜燈的外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再用FDM型3D打印機(jī)來打印燈箱，采用具有高透亮度、絕緣性能優(yōu)良的、可回收的綠色環(huán)保的亞克力板制作色彩豐富的燈蓋，采用聲光硬件模塊化設(shè)計(jì)和微波雷達(dá)控制兩種方案設(shè)計(jì)電路，12V的LED燈條作為光源。安芬菊等[5]針對室內(nèi)滅蚊燈功能單一、使用率低的問題，結(jié)合滅蚊燈與照明燈的功能，設(shè)計(jì)了一種多功能滅蚊燈。該多功能滅蚊燈集滅蚊燈與照明燈于一體，具有環(huán)保實(shí)用、節(jié)約資源、美觀大方、方便高效等優(yōu)點(diǎn)。王雄杰等[6]在現(xiàn)有超高分子量聚乙烯燈浮標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用3D打印技術(shù)，制造出整體成型、造價(jià)低廉、質(zhì)量輕便的ABS塑料燈浮標(biāo)，達(dá)到降本增效、節(jié)能環(huán)保、維護(hù)簡單的目標(biāo)。

基于3D打印技術(shù)進(jìn)行燈飾產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已取得一定進(jìn)展，但具有更高性能的個(gè)性化定制化燈飾產(chǎn)品的設(shè)計(jì)仍需持續(xù)研究。

2?設(shè)計(jì)、材料與方法

2.1?設(shè)計(jì)理念

3D打印智能夜燈這個(gè)創(chuàng)意是根據(jù)不倒翁的結(jié)構(gòu)上建立的，在不倒翁的基礎(chǔ)上增加一些更加實(shí)用的小功能，可以將它作為一個(gè)擺飾，也可以作為一個(gè)照明燈、時(shí)鐘、小音箱，這樣的裝飾品更加貼近生活，更加實(shí)用，還能達(dá)到讓使用者心情愉悅，節(jié)能環(huán)保。在晚上需要照明的時(shí)候，當(dāng)你發(fā)出指令，這時(shí)它便可以化身一個(gè)小夜燈，避免開燈造成的麻煩，這是它的聲控功能，如果想讓它長時(shí)間照明可以打開照明按鈕。短暫照明可以使用聲控按鈕。根據(jù)客戶對家具燈飾的特殊需求和定制要求，有針對性地對家具燈飾產(chǎn)品進(jìn)行一系列的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，在使用時(shí)能夠享受到燈具個(gè)性化創(chuàng)意設(shè)計(jì)帶來的舒適性與優(yōu)越感。相對傳統(tǒng)燈飾設(shè)計(jì)而言，其具有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精確、完整性好、成本低的特點(diǎn)。

2.2?成型設(shè)備

由于只是對設(shè)計(jì)完畢的智能夜燈進(jìn)行試驗(yàn)制備，因此可選擇打印制造精度與光固化成型技術(shù)（SLA）相近的熔絲堆積成形技術(shù)（FDM）。FDM技術(shù)是利用熱塑性材料的熱熔性、黏結(jié)性，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成形。利用FDM技術(shù)進(jìn)行智能夜燈的試驗(yàn)制備，可以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)智能夜燈存在的問題，并及時(shí)處理，使得設(shè)計(jì)更加完美。

2.3?成型材料

PLA材料是聚乳酸（Polylactic?Acid）的簡稱，其是一種熱塑性材料，是FDM技術(shù)良好的成形材料。PLA材料是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，主要以玉米、木薯等為原料，原料來源充分而且可以再生，因此造價(jià)相對低廉。聚PLA材料的生產(chǎn)過程無污染，而且產(chǎn)品可以生物降解，實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，是理想的綠色高分子材料，且PLA材料熱穩(wěn)定性高，黏結(jié)性好，是智能夜燈試驗(yàn)制備優(yōu)良的3D打印材料。

3?結(jié)果與討論

3.1?智能夜燈的設(shè)計(jì)思路

目前市面上的燈具種類繁多且層出不窮，雖然形狀多有不同，但萬變不離其宗，且制作材料較為單一，塑料、金屬居多，而我們這款燈具是以不倒翁為基礎(chǔ)模型延伸創(chuàng)作、100μm透明光敏樹脂為原材料進(jìn)行3D打印所得，在材料和外觀上具有一定的優(yōu)勢。我們在設(shè)計(jì)作品時(shí)，為避免結(jié)構(gòu)單一，另外添加了上半部分類似于雨傘原理的傳動結(jié)構(gòu)，并以此實(shí)現(xiàn)了作品的自由張合功能，也巧合地達(dá)到了節(jié)約空間的目的。目前市面上的燈具也主要以護(hù)眼為主，外表為輔，而本款燈具上部雨傘的張合使燈光分散不刺眼且照明范圍較廣。作品頂端是一個(gè)皇冠形狀，搭配上部花紋狀結(jié)構(gòu)，高端有內(nèi)涵，下部則是不倒翁形狀，建立平衡感和協(xié)調(diào)感，怎么按都不會倒，為作品的穩(wěn)定性提供了保障，同時(shí)，還可在其中儲放物品，節(jié)約空間。

3.2?智能夜燈的設(shè)計(jì)

在繪制設(shè)計(jì)好的首飾的三維圖之前，需要考慮好先從哪一步開始著筆，然后詳細(xì)地對首飾的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，例如：最基礎(chǔ)的底座大小尺寸、傘柄的尺寸的等數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)的此智能夜燈共分為三個(gè)部分，其中一部分是下面的卡通不倒翁的底座造型，另外兩部分是由傘頁和傘架組成的模型。具體步驟如下：