3D打印聚乳酸燈飾產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)用

王琛，丁可青，周徵藝

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院,南京 210037)

在現(xiàn)代家居中,燈飾伴隨著家居裝飾的興起顯得越發(fā)重要[1]。燈飾是燈具的升華,不僅能夠滿足日常照明的功能,還對(duì)室內(nèi)空間的構(gòu)造、裝飾情感的表達(dá)、家居風(fēng)格的塑成起著舉足輕重的作用[2]。隨著人們生活水平的提高,追求個(gè)性、強(qiáng)調(diào)自我的觀念正在逐漸成為主流。3D打印燈飾產(chǎn)品,將個(gè)性化定制的特點(diǎn)充分融入到燈飾的設(shè)計(jì)中,滿足了人們對(duì)于個(gè)性化和多樣化燈飾的需求,打造了迎合個(gè)人喜好、適配家居環(huán)境的專屬產(chǎn)品[3]。

聚乳酸(PLA)是以乳酸為主要原料聚合而成的,為熔融沉積3D打印工藝的常用耗材之一[4]。3D打印PLA材料具有較高的強(qiáng)度和韌性,其收縮率較低,不易翹邊、開裂,可以打印較大尺寸的模型,打印時(shí)不會(huì)有刺激性氣味,安全環(huán)保[5-8]。筆者對(duì)3D打印PLA材料的光學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究,從顏色、層高、壁厚三個(gè)方面對(duì)3D打印PLA材料的透光率和霧度進(jìn)行測(cè)試對(duì)比,總結(jié)出用于3D打印PLA燈飾產(chǎn)品制造的優(yōu)選成型參數(shù)。通過功能分析、形態(tài)設(shè)計(jì)、材質(zhì)與顏色設(shè)計(jì),進(jìn)行3D打印PLA燈飾產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)踐,設(shè)計(jì)出三款藝術(shù)性裝飾臺(tái)燈并完成3D打印模型制造,研究流程如圖1所示。

圖1 研究流程圖

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PLA打印絲：乳白色、無(wú)色3D打印絲(1.75 mm),昆山市奇跡三維科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

3D打印機(jī)：GRAM-3DS型,天津微深科技有限公司；

紫外分光光度計(jì)：U-3900型,日本日立株式會(huì)社。

1.3 試樣制作

通過Solid Works軟件設(shè)計(jì)長(zhǎng)方形薄壁試件,長(zhǎng)為30 mm、高為50 mm,由于不同試件對(duì)應(yīng)不同的壁厚尺寸(包括0.5,1,1.5 mm)。在以下研究中,對(duì)不同試件的壁厚尺寸均作具體說明。使用熔融沉積3D打印機(jī)制作試件,打印材料選用直徑為1.75 mm的PLA 3D打印絲,擠出頭溫度設(shè)置為210℃。

1.4 性能測(cè)試

使用紫外分光光度計(jì)對(duì)不同試件的中心點(diǎn)位置進(jìn)行透光率和霧度測(cè)試[9]。其中,霧度用積分球的方式來測(cè)試,參考標(biāo)準(zhǔn)為ISO-14782-2021。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顏色對(duì)透光率和霧度的影響

燈飾產(chǎn)品的顏色多種多樣,其中乳白色和無(wú)色為燈飾產(chǎn)品常用的材料顏色[10]。選取乳白色和無(wú)色兩種3D打印PLA材料分別制作兩組打印試件,對(duì)其透光率和霧度進(jìn)行測(cè)試。兩種3D打印材料制作試件的層高均設(shè)置為0.1 mm、壁厚設(shè)置為1 mm。圖2～圖3分別為乳白色和無(wú)色PLA試件的透光率、霧度測(cè)量結(jié)果。從圖2可見,無(wú)色PLA材料在紫外(λ＜400 nm)、可見(λ為400～720 nm)、紅外(λ＞720 nm)光譜區(qū)的透光率值均在85%以上,與市場(chǎng)上常見的浮法玻璃透光率83%接近,透光性能較優(yōu)。其在長(zhǎng)波紫外區(qū)域(λ為350～400 nm)有較高的透光率,因?yàn)殚L(zhǎng)波紫外線有較高的頻率,其穿透性更強(qiáng)。乳白色PLA材料在紫外(λ＜400 nm)光譜區(qū)的透光率值在20%以下,在可見(λ為400～720 nm)、紅外(λ＞720 nm)光譜區(qū)的透光率值在50%～65%之間,均小于無(wú)色PLA材料的透光率,透光性能一般。由于乳白色PLA材料中的著色劑為鈦白粉(主要成分為二氧化鈦),對(duì)紫外線有較強(qiáng)的截止作用,因此在長(zhǎng)波紫外區(qū)域(λ為350～400 nm)出現(xiàn)了失透現(xiàn)象[11]。

圖2 顏色對(duì)透光率的影響

圖3 顏色對(duì)霧度的影響

從圖3可見,乳白色PLA材料在400,500,600,700 nm波長(zhǎng)下的霧度值平均值為61.28%,大于無(wú)色PLA材料在400,500,600,700 nm波長(zhǎng)下的霧度值平均值43.91%。乳白色PLA材料中的二氧化鈦顆粒作為分散相,在PLA組成連續(xù)相中破壞了媒質(zhì)均勻性,當(dāng)入射光線照射在折射率不同的物質(zhì)分界面時(shí),光散射現(xiàn)象發(fā)生,從而實(shí)現(xiàn)了柔和均勻的出光效果[12]。因此,乳白色PLA材料比無(wú)色PLA材料的光散射性增強(qiáng),出光均勻性增加,照明舒適度改善,但與高性能的LED照明用光散射材料90%以上的霧度相比仍有一定差距[13]。

2.2 層高對(duì)透光率和霧度的影響

選用乳白色3D打印PLA材料,試件打印壁厚設(shè)置為1 mm,選取0.1,0.2,0.3 mm三個(gè)層高數(shù)值分別制作三組打印試件,對(duì)其透光率和霧度進(jìn)行測(cè)試。圖4～圖5分別為0.1,0.2,0.3 mm層高的PLA試件透光率、霧度測(cè)量結(jié)果。從圖4可見,三組打印試件在紫外(λ＜400 nm)光譜區(qū)的透光率值均在20%以下,在可見(λ為400～720 nm)、紅外(λ＞720 nm)光譜區(qū)的透光率值均在50%～65%之間。對(duì)比三組打印試件在各段光譜區(qū)域的透光率曲線均比較靠近、透光率差值較小。選取500～600 nm波長(zhǎng)下的透光率曲線進(jìn)行放大,從放大曲線可見,0.1 mm層高的打印試件透光率最好,0.3 mm層高的打印試件透光率最差,隨著層高的增加,透光效果變差,但差距很小。從圖5可見,0.1,0.2,0.3 mm層高的PLA試件霧度平均值分別為61.28%,61.53%,61.61%,霧度平均值非常接近,差值很小。綜上分析,層高對(duì)透光率和霧度的影響均較小。

圖4 不同層高時(shí)PLA材料透光率

圖5 不同層高時(shí)PLA材料霧度

2.3 壁厚對(duì)透光率和霧度的影響

選用乳白色3D打印PLA材料,試件層高設(shè)置為0.1 mm,填充率設(shè)置為100%,選取0.5,1.0,1.5 mm三個(gè)壁厚值分別制作三組打印試件,對(duì)其透光率和霧度進(jìn)行測(cè)試。圖6～圖7分別為0.5,1.0,1.5 mm壁厚的PLA試件透光率、霧度測(cè)量結(jié)果。從圖6～圖7可見,0.5 mm壁厚的PLA試件在可見(λ為400～720 nm)光譜區(qū)的透光率值在65%～73%之間,霧度平均值為57.55%。1.0 mm壁厚的PLA試件在可見(λ為400～720 nm)光譜區(qū)的透光率值在50%～65%之間,霧度平均值為61.28%。1.5 mm壁厚的PLA試件在可見(λ為400～720 nm)光譜區(qū)的透光率值在30%～45%之間,霧度平均值為62.93%。綜上分析,隨著模型壁厚的增加,模型的透光率減小,霧度增大。

圖6 不同壁厚時(shí)PLA材料透光率

圖7 不同壁厚時(shí)PLA材料霧度

3 3D打印PLA燈飾產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 功能分析

在對(duì)3D打印燈飾產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)前,首先需要對(duì)它的功能用途進(jìn)行定位。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,3D打印PLA材料的透光性和霧度與高性能的照明用光散射材料的透光率和霧度相比仍有一定差距,3D打印燈飾產(chǎn)品無(wú)法作為室內(nèi)空間的主光源來使用,在功能用途上可定位為藝術(shù)裝飾性臺(tái)燈、吊燈或壁燈等。因此,設(shè)計(jì)的3D打印燈飾產(chǎn)品為臥室環(huán)境使用的藝術(shù)性裝飾臺(tái)燈。

3.2 形態(tài)設(shè)計(jì)

形態(tài)是傳遞產(chǎn)品信息的第一要素[14]。3D打印燈飾產(chǎn)品的形態(tài)設(shè)計(jì)在堅(jiān)持實(shí)用性、功能性的前提下,首先需要考慮熔融沉積快速成型技術(shù)的工藝特點(diǎn)。根據(jù)3D打印經(jīng)驗(yàn)總結(jié),熔融沉積快速成型技術(shù)在進(jìn)行復(fù)雜曲面(如扭曲面、異形面、懸空曲面、薄壁曲面)的打印過程中,容易出現(xiàn)孔洞、塌陷、凹坑、拉絲等工藝問題[15]。因此,在進(jìn)行燈飾產(chǎn)品的形態(tài)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于其“形”,應(yīng)盡量避免使用復(fù)雜曲面,可多使用規(guī)則的幾何圖形。對(duì)于其“態(tài)”,將規(guī)則的幾何圖形通過多種形態(tài)演變方式進(jìn)行組合呈現(xiàn),以展示其內(nèi)在的氣質(zhì),也就是形態(tài)特征。讓產(chǎn)品自己說話,將所需傳遞的信息在產(chǎn)品上變現(xiàn)。筆者設(shè)計(jì)了三款藝術(shù)性裝飾臺(tái)燈,設(shè)計(jì)風(fēng)格為現(xiàn)代前衛(wèi)型,以簡(jiǎn)潔的幾何圖形為基本形,通過旋轉(zhuǎn)、放樣、扭曲、對(duì)稱、陣列等形態(tài)演變方式構(gòu)成規(guī)整而又靈動(dòng)的燈飾產(chǎn)品,體現(xiàn)了超前性與科技感,更適合與現(xiàn)代的臥室裝飾風(fēng)格搭配,設(shè)計(jì)方案見圖8、表1。

圖8 3D打印燈飾產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案展示

表1 3D打印燈飾產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

3.3 材質(zhì)與顏色設(shè)計(jì)

藝術(shù)性裝飾臺(tái)燈,主體結(jié)構(gòu)由燈罩、燈座和LED燈組成。其中燈罩的材質(zhì)為塑料,也就是3D打印PLA材料,具有絕緣、堅(jiān)硬、韌性好、質(zhì)量輕、成本低等特點(diǎn)。燈座的材質(zhì)為金屬,具有堅(jiān)硬、延展性、有光澤、耐用等特點(diǎn)。燈飾的顏色是由光源色和固有色組合而成[16]。光源色為燈泡光線的顏色；固有色為外界白光照射下,燈飾所呈現(xiàn)的顏色,主要為燈罩的顏色。為了與安靜且溫馨的臥室環(huán)境氛圍相適,燈飾的光源色應(yīng)偏向于中性色調(diào)或暖色調(diào),因此,LED燈的顏色選擇為淡黃色。燈罩在保證燈泡光線具有適中亮度的同時(shí),需要兼顧柔和均勻的出光效果。由以上的研究對(duì)比可知,乳白色燈罩比無(wú)色燈罩具有更高的霧度,照明舒適度更好,其透光率也能保證燈泡光線具有適中的亮度。因此,選用乳白色作為3D打印燈罩的顏色。

3.4 切片處理與3D打印

設(shè)計(jì)方案中,燈座是現(xiàn)成品,無(wú)需進(jìn)行3D打印,對(duì)三款燈罩進(jìn)行三維設(shè)計(jì)、切片處理和3D打印。將SolidWorks軟件建模完成的燈罩模型導(dǎo)出為.STL格式文件,使用Cura軟件對(duì)三款燈罩進(jìn)行切片處理。切片處理過程需要對(duì)主要成型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,包括層高、壁厚和填充率等。根據(jù)層高對(duì)透光率和霧度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,層高對(duì)透光率和霧度的影響較小,綜合考慮打印時(shí)間、打印成本等因素,宜選用較大的層高來制造燈罩模型,因此在Cura軟件中設(shè)置層高參數(shù)為0.3 mm(可選層高有0.1,0.2,0.3 mm)；根據(jù)壁厚對(duì)透光率和霧度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,隨著模型壁厚的增加,模型的透光率減小,霧度增大。但在實(shí)際的打印過程中,過薄的壁厚影響了模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、透光率和霧度等因素,宜選用適中的壁厚來制造燈罩模型,因此在Cura軟件中設(shè)置壁厚參數(shù)為1.0 mm(可選壁厚有0.5,1.0,1.5 mm)。同時(shí),由于燈罩的壁厚較薄,為了增加薄壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,模型的填充率設(shè)置為100%。其余成型參數(shù)均按PLA材料的基本特性進(jìn)行設(shè)置,見表2。

表2 成型參數(shù)設(shè)置

切片處理完成后,將處理好的加工數(shù)據(jù)保存為G-code格式文件,導(dǎo)入至GRAM-3DS型3D打印機(jī)中。安裝上乳白色的PLA3D打印絲,等待3D打印絲熔融后,擠出頭在打印平臺(tái)上層層堆積熔融狀的PLA材料,直至模型打印成型。打印成型后,從打印平臺(tái)上取下模型,使用機(jī)械剝離的方法去除模型的底座和支撐結(jié)構(gòu),對(duì)于模型內(nèi)部的拉絲結(jié)構(gòu)和模型表面的毛刺部分,使用小銼刀或海綿砂紙等工具進(jìn)行打磨處理,必要的時(shí)候可在模型表面噴涂白色的水補(bǔ)土,使模型表面進(jìn)一步拋光,最終的打印成品如圖9所示。從圖9中可見,3D打印PLA燈飾產(chǎn)品的形態(tài)規(guī)整且靈動(dòng),光線柔和又舒適,體現(xiàn)了超前性與科技感,實(shí)現(xiàn)了人們對(duì)于個(gè)性化和多樣化燈飾產(chǎn)品的定制需求,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

圖9 3D打印PLA燈飾產(chǎn)品展示

4 結(jié)論

（1）乳白色和無(wú)色為燈飾產(chǎn)品常用的材料顏色。乳白色PLA材料的透光率小于無(wú)色PLA材料,霧度大于無(wú)色PLA材料。相比之下,乳白色PLA材料的透光性一般,但光散射性更強(qiáng),出光均勻性更佳,照明舒適度改善,更適合用于3D打印燈飾產(chǎn)品的制造。

(2)層高對(duì)透光率和霧度的影響均較小,綜合考慮打印時(shí)間、打印成本等因素,宜選用較大的層高來制造燈飾產(chǎn)品,在可選層高0.1,0.2,0.3 mm三個(gè)參數(shù)中,優(yōu)選層高為0.3 mm。

(3)隨著模型壁厚的增加,模型的透光率減小,霧度增大。但在實(shí)際的打印過程中,過薄的壁厚影響了模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、透光率和霧度等因素,宜選用適中的壁厚來制造燈飾產(chǎn)品,在可選壁厚0.5,1.0,1.5 mm三個(gè)參數(shù)中,優(yōu)選壁厚為1.0 mm。

(4)熔融沉積快速成型技術(shù)在進(jìn)行復(fù)雜曲面(如扭曲面、異形面、懸空曲面、薄壁曲面)的打印過程中,容易出現(xiàn)孔洞、塌陷、凹坑、拉絲等工藝問題。因此,在進(jìn)行燈飾產(chǎn)品的形態(tài)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于其“形”,應(yīng)盡量避免使用復(fù)雜曲面,可多使用規(guī)則的幾何圖形。對(duì)于其“態(tài)”,將規(guī)則的幾何圖形通過多種形態(tài)演變方式進(jìn)行組合呈現(xiàn),以展示其內(nèi)在的氣質(zhì)。