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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： （1）先设计底座时，我们先考虑底座的大小，方便于放置，它的尺寸不宜过大，应该保持在100mm至200mm左右，适合放置在桌子上，在照明灯的同时，不占据桌子的空间，实现空间的最优化，不浪费一点空间，也做到保护眼睛的要求。它的设计步骤如下所示，运用草绘功能，绘画出一条样条曲线，形状似半边葫芦，上半圆高为77.28mm，最大宽为98.17mm，下面的半圆高为147.13mm，再运用旋转功能，将其旋转成实体，模型如下图1所示。
紧接着利用在上半个圆的左上角上绘制两个形状相同，长度分别为60mm、40mm，边与边之间相差6mm的三角形，对这两个三角形进行拉伸操作，使其成为实体，再运用倒圆角导出一个R为5mm的圆角，这便成了“小猫咪”的一个耳朵，最后在运用镜面对称绘制出右边的另一个耳朵，“小猫咪”的两个耳朵也就绘制完成。紧接着继续绘制“小猫咪”的眼睛和嘴巴，利用样条曲线在上半个圆上面绘制出眼睛的形状，高度为5～6mm，再利用拉伸将其浮于表面，完成“小猫咪”的一个眼睛，在运用镜面对称，绘制出另一个眼睛。同理，草绘出嘴巴的形状，三个半径为2mm的小圆，呈等边三角形分布，圆心相距14mm，用两条直线将圆连接起来，再进行拉伸，绘制出“小猫咪”的嘴巴，最后在嘴巴的左右距离相等的地方，绘制出两个长方形，再进行拉伸，作为其胡须。如此底座模型就此完成，模型如图2所示。它既结合了不倒翁的稳定性，也包括了卡通的可爱性，能够吸引消费者的兴趣。
（2）第二部分，伞叶模型的绘制，先草绘出一个直角三角形，直角边分别为128.99mm，405.77mm，再运用拉伸功能，拉伸高度为1mm，然后在伞叶的直角边上草绘出雪花的半边，然后运用拉伸中去除材料，镂空草绘出来的那一部分，同理用此方法再镂出一个小圆和一条弧线。如此设计目的有如下的两点：一是为了向现实中的伞靠近，在上面镂出一些简单大方的图案，可以达到更加美观的效果，而是为了可以更好透光，能够更好地将光线散射出去，不至于光线太强，可以达到保护使用者视力的作用。而伞页的连接是通过类似合页的传动装置连接的，可以根据骨架的传动带动伞叶之间的运动，使其传动得更加流畅，保证整个伞灯仿真的流畅性。伞叶部分的设计大致如此。
（3）第三部分是傘柄及其传动机构的设计，伞柄为一圆柱体，在满足承受载荷的情况下，尽量把半径绘制的较小，一来为了美观，二来可以节约打印的材料，降低成本。设计方法也比较的简单，即草绘出一个圆形，再运用拉伸功能，使其成为一个圆柱体。为了方便伞页能够正常运动，我们运用了现实中伞的传动机构，除此之外，我们另加上三个轴体。保护结构起到了伞页张开与关闭的保护功能。此机构设计如下，运用拉伸绘制出两个圆柱重合，上面的圆柱中间镂空一个小的圆柱，以用来装卸，然后拉伸中的去除材料，使上面的圆柱呈齿形分布，在用一个圆环圈住轮齿的中间部分。而他的传动则是利用伞架和支撑架相互作用进行闭合和张开。我们可以对比现实的伞进行理解。智能夜灯伞的下巢机构模型如图4所示。
（4）最后是组装，先将伞的中轴固定起来，再把三个传动轴分别固定在上、下顶面，将一个传动轴固定在上顶面，保证伞架的固定和连接，然后将其他两个传动轴都固定到下底面，中间的传动轴下半部分的轴与下面传动轴的孔相配合。之后将支撑架分别与传动轴通过销钉连接到一起，最后将伞叶和最上面的伞架通过合页连接到一起，重复操作，直到组装完成。
4 结语
（1）应用参数化建模方法设计的智能夜灯模型，建模效果良好，无无效的面、无效的边线、模型曲面的光滑程度较好，模型所有尖角薄壁宽度或厚度均在0.1mm以上，是可以打印出完整的智能夜灯模型。
（2）智能夜灯模型需要添加支撑区域分布相对广泛，但区域不是很大，不需要添加支撑区域主要分布在模型表面，符合首饰模型加工要求。模型的支撑添加主要集中在支撑易去除的非关键部位，支撑添加量也较小，粉末浪费少，符合SLA成型零件支撑添加原则。
（3）3D打印完成智能夜灯模型表面光洁亮新、金属质感较好、未发现明显翘曲变形和成型缺陷，支柱之间结构清晰，搭接良好，具有较少的粉末黏附，经过简单喷砂抛光后可直接使用。
参考文献：
[1]孟伟.3D打印技术及应用趋势分析[J].科技创新与应用，2021（11）：146148.
[2]陈佳梅，李鹏，朱晓东.灯饰产品设计方法研究[J].家具与室内饰，2020（10）：8587.
[3]张军.基于3D打印技术的DIY创意节能小夜灯设计[J].科技传播，2017，9（11）：4041+87.
[4]安芬菊，郭亮，俞国燕，李铭士，董建波，韦仁兴.多功能灭蚊灯的设计与制造[J].机电工程技术，2017，46（07）：2122+99.
[5]王雄杰，周炳泉.浅析3D打印技术在灯浮标制造方面的前景应用[J].珠江水运，2017（02）：8889.
[6]金宇.3D打印技术在机械设计制造领域中的应用[J].内燃机与配件，2021（02）：181182.
基金项目：周口师范学院大学生创新创业训练计划资助（202010478020）;周口师范学院大学生科研创新基金（ZKNUD 2021007）
作者简介：张国庆，博士，主要从事3D打印相关方面研究。
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： （1）先设计底座时，我们先考虑底座的大小，方便于放置，它的尺寸不宜过大，应该保持在100mm至200mm左右，适合放置在桌子上，在照明灯的同时，不占据桌子的空间，实现空间的最优化，不浪费一点空间，也做到保护眼睛的要求。它的设计步骤如下所示，运用草绘功能，绘画出一条样条曲线，形状似半边葫芦，上半圆高为77.28mm，最大宽为98.17mm，下面的半圆高为147.13mm，再运用旋转功能，将其旋转成实体，模型如下图1所示。
紧接着利用在上半个圆的左上角上绘制两个形状相同，长度分别为60mm、40mm，边与边之间相差6mm的三角形，对这两个三角形进行拉伸操作，使其成为实体，再运用倒圆角导出一个R为5mm的圆角，这便成了“小猫咪”的一个耳朵，最后在运用镜面对称绘制出右边的另一个耳朵，“小猫咪”的两个耳朵也就绘制完成。紧接着继续绘制“小猫咪”的眼睛和嘴巴，利用样条曲线在上半个圆上面绘制出眼睛的形状，高度为5～6mm，再利用拉伸将其浮于表面，完成“小猫咪”的一个眼睛，在运用镜面对称，绘制出另一个眼睛。同理，草绘出嘴巴的形状，三个半径为2mm的小圆，呈等边三角形分布，圆心相距14mm，用两条直线将圆连接起来，再进行拉伸，绘制出“小猫咪”的嘴巴，最后在嘴巴的左右距离相等的地方，绘制出两个长方形，再进行拉伸，作为其胡须。如此底座模型就此完成，模型如图2所示。它既结合了不倒翁的稳定性，也包括了卡通的可爱性，能够吸引消费者的兴趣。
（2）第二部分，伞叶模型的绘制，先草绘出一个直角三角形，直角边分别为128.99mm，405.77mm，再运用拉伸功能，拉伸高度为1mm，然后在伞叶的直角边上草绘出雪花的半边，然后运用拉伸中去除材料，镂空草绘出来的那一部分，同理用此方法再镂出一个小圆和一条弧线。如此设计目的有如下的两点：一是为了向现实中的伞靠近，在上面镂出一些简单大方的图案，可以达到更加美观的效果，而是为了可以更好透光，能够更好地将光线散射出去，不至于光线太强，可以达到保护使用者视力的作用。而伞页的连接是通过类似合页的传动装置连接的，可以根据骨架的传动带动伞叶之间的运动，使其传动得更加流畅，保证整个伞灯仿真的流畅性。伞叶部分的设计大致如此。
（3）第三部分是傘柄及其传动机构的设计，伞柄为一圆柱体，在满足承受载荷的情况下，尽量把半径绘制的较小，一来为了美观，二来可以节约打印的材料，降低成本。设计方法也比较的简单，即草绘出一个圆形，再运用拉伸功能，使其成为一个圆柱体。为了方便伞页能够正常运动，我们运用了现实中伞的传动机构，除此之外，我们另加上三个轴体。保护结构起到了伞页张开与关闭的保护功能。此机构设计如下，运用拉伸绘制出两个圆柱重合，上面的圆柱中间镂空一个小的圆柱，以用来装卸，然后拉伸中的去除材料，使上面的圆柱呈齿形分布，在用一个圆环圈住轮齿的中间部分。而他的传动则是利用伞架和支撑架相互作用进行闭合和张开。我们可以对比现实的伞进行理解。智能夜灯伞的下巢机构模型如图4所示。
（4）最后是组装，先将伞的中轴固定起来，再把三个传动轴分别固定在上、下顶面，将一个传动轴固定在上顶面，保证伞架的固定和连接，然后将其他两个传动轴都固定到下底面，中间的传动轴下半部分的轴与下面传动轴的孔相配合。之后将支撑架分别与传动轴通过销钉连接到一起，最后将伞叶和最上面的伞架通过合页连接到一起，重复操作，直到组装完成。
4 结语
（1）应用参数化建模方法设计的智能夜灯模型，建模效果良好，无无效的面、无效的边线、模型曲面的光滑程度较好，模型所有尖角薄壁宽度或厚度均在0.1mm以上，是可以打印出完整的智能夜灯模型。
（2）智能夜灯模型需要添加支撑区域分布相对广泛，但区域不是很大，不需要添加支撑区域主要分布在模型表面，符合首饰模型加工要求。模型的支撑添加主要集中在支撑易去除的非关键部位，支撑添加量也较小，粉末浪费少，符合SLA成型零件支撑添加原则。
（3）3D打印完成智能夜灯模型表面光洁亮新、金属质感较好、未发现明显翘曲变形和成型缺陷，支柱之间结构清晰，搭接良好，具有较少的粉末黏附，经过简单喷砂抛光后可直接使用。
参考文献：
[1]孟伟.3D打印技术及应用趋势分析[J].科技创新与应用，2021（11）：146148.
[2]陈佳梅，李鹏，朱晓东.灯饰产品设计方法研究[J].家具与室内饰，2020（10）：8587.
[3]张军.基于3D打印技术的DIY创意节能小夜灯设计[J].科技传播，2017，9（11）：4041+87.
[4]安芬菊，郭亮，俞国燕，李铭士，董建波，韦仁兴.多功能灭蚊灯的设计与制造[J].机电工程技术，2017，46（07）：2122+99.
[5]王雄杰，周炳泉.浅析3D打印技术在灯浮标制造方面的前景应用[J].珠江水运，2017（02）：8889.
[6]金宇.3D打印技术在机械设计制造领域中的应用[J].内燃机与配件，2021（02）：181182.
基金项目：周口师范学院大学生创新创业训练计划资助（202010478020）;周口师范学院大学生科研创新基金（ZKNUD 2021007）
作者简介：张国庆，博士，主要从事3D打印相关方面研究。