手中的黑科技 3D列印星空燈房間變秘境

2020-12-05 中關村在線

   【中關村在線3D列印頻道原創】小的時候總會對著樹蔭下的光斑發呆，發散一些奇思妙想。這個光斑，就是我們今天文章的主角。世嘉玩具，沒錯兒就是那個黑卡世嘉，曾出品過一系列的黑科技玩具——家用星空燈，能把酷似星光的光斑投影在房間天花板上，營造如銀河般的效果。這回，我們來嘗試3D列印一些玩具，把房間變成二次元的世界。


3D列印星空燈房間變秘境

●玩具黑科技 世嘉星空燈

   世嘉遊戲的子公司世嘉玩具，曾推出了一系列的家用星空燈，能夠在天花板上投射下星空、流星、極光，模擬世界不同地區可見的真實星空；有些還帶有蟲鳴、波浪、流水的聲音，這個系列的玩具叫做HomeStar。（島國人民真會玩兒。）


HomeStar SPA 洗澡洗出逼格

   了解到HomeStar的來歷，你就不會對這個科技球過度驚訝了。HomeStar系列家用天象儀，最早是在2005年世嘉公司和天象儀的專家大平貴之（Takayuki Ohira）聯合推出的。當時的那款家用天象儀可以裝在一個小盒子裡，但是卻能投影出一萬顆左右閃爍的星星。


大平貴之和MEGASTAR專業天象儀

   到現在，功能最豐富的HomeStar Pro 2nd Edition可以投影下6到8平米的星空，映射出6萬顆左右的星星，並能看到月球和地球的全貌。而在做HomeStar之前，大平貴之還擁有一家公司MEGASTAR，看到名字大家就明白了——沒錯，他是做專業天象儀的，投影出的星星數量在百萬級別。


HomeStar Pro 2nd Edition投影效果圖

   早在2003年，MEGASTAR推出的專業天象儀MEGASTAR-II-Cosmos就被載入吉尼斯紀錄，成為最先進的投影式天象儀。到了2008年，MEGASTAR推出了一款超級天象儀，可以映射多達2200萬顆星星。MEGASTAR天象儀在包括川崎市科學博物館、阿聯沙迦太空和天文中心、土耳其科尼亞天文館、紐約市哈德遜河天文博物館等多個天文館和科技館內都有裝機。


在波蘭華沙哥白尼科學館裝機的MEGASTAR恆星、太陽和月球天象系統 能模擬真實的日食和月食過程

   島國人民多奇志，也會剪紙也會玩。除了天象儀之外，一本《天文觀測》的書刊，為當時的日本青少年提供了用手工剪紙來模擬南、北半球星空的方法。

●城會玩 手工剪紙星空燈

   早在1979年，高木武雄先生就出品了一本青少年科普書刊《天文觀測》（日語《切りぬく本・たのしい天體観測用具》請達人對照翻譯）。書中提供了一種用手工剪紙和光斑來模擬星空的方法。   


摺紙步驟節選之一


摺紙步驟節選之二


摺紙步驟節選之三

   這套摺紙教程，請日語達人自行翻譯分享。摺紙的大意，是說外面的捲筒上用錐子戳小窟窿，內置燈泡，在黑暗的房屋裡面打開燈泡即可看到星空的模樣。


這是手工星空燈的效果圖

   別急，這個東東沒有我們說起來這麼簡單，它的星空並不是隨機捅幾個洞就完事兒了，而是有固定的模板可以用印表機列印出來，再粘貼到硬紙殼上按照黑點的位置捅出小孔，對應星空中主要恆星的位置。


打孔和粘貼都是有講究的

   另外，這個手工將地軸與黃道平面的傾角考慮在內，外筒與內筒標註了月份來模擬地球公轉不同位置時的觀測效果；並且還提供了南半球星空和北半球星空兩個模板！


考慮到了地軸的傾斜


分別提供了北半球（左）和南半球（右）兩個星空模板

   給跪了。目前來看，我們手頭還沒有這樣的3D模型，可以列印出符合基本科學原理的星空燈外殼。不過，我們可以藉助類似的原理，發揮3D印表機對形狀的塑造能力來玩光投影，讓房間變得不一樣。

●3D列印星空燈 這個房間被你承包了

   用3D印表機來做星空燈的外殼，有幾個大大的好處。一方面是營造光投影的效果，外殼不需要大，點光源經過小的遮擋就可以形成大片的光影效果；並且外殼是鏤空結構，列印的用料其實非常少，這樣一來列印外殼的時間就大大縮短。


用小的3D列印外殼 形成大的投影


列印一個100x100x63毫米的鏤空外殼 只用43克材料

   使用弘瑞Z300 3D印表機列印一個方格投影的外殼，用時大約2小時24分鐘，包含列印底座的時間，已經有了不錯的效率。用料的量，切片軟體給出的估計值是12克；按照弘瑞PLA耗材一卷一千克120元的價格，列印這個的成本僅為1.44元，非常便宜。


列印完畢 顯示總用時2小時24分鐘


列印這樣一個外殼 用料成本是1.44元


弘瑞PLA耗材目前120元1KG包郵 列印星空燈成本低廉

   另一方面是，3D印表機對複雜的幾何形狀有良好的塑造能力，列印出來可以營造各種各樣的投影效果。當然了如果你懂一點點3D建模，可以自己修改獲得滿意的投影。我們稱之為Remix。


國外網友Remix的3D列印星空燈投影效果

   當然需要注意的是，星空燈的外殼主要是球形或半球形，要求3D印表機在Z軸上平滑移動，將外壁列印出儘量光滑、均勻一致的效果。弘瑞切片軟體Cura For Hori3D專有一個外部輪廓平滑選項，用在這種球體、只列印外殼的形狀上面。


在專家選項中啟用Spiralize平滑選項來列印弧形的外殼

   另外，某些特殊形狀的懸空部分角度大，超出3D印表機的懸空列印能力，需要增加支撐結構。我們認為這時一臺能夠列印水溶性支撐的雙噴頭3D印表機會製造出更好的效果。


雙噴頭一個列印本身結構、一個列印水溶性支撐更利於塑造複雜形狀

   最後在營造投影氛圍的時候，亮度高的點光源能夠營造出更好的效果，比如強光手電和LED燈；最簡單的就是手機上的補光燈，也能有三分味道在裡頭。

●二次元房間成就達成

   好了。二次元房間橫空出世了。


二次元之方與圓


二次元之漩渦


二次元之漩渦


二次元之牢籠


二次元之鳥巢


二次元之群魔亂舞



二次元之血紅的虛無


二次元之地獄使者


二次元之血夢


終極二次元房間

其實呢，打造這樣的投影效果，只需要3D列印下面這幾種外殼，就可以實現啦！


二次元漩渦之本體


二次元牢籠之本體


二次元鳥巢之本體


二次元方與圓之本體

   在列印這些外殼的十來個小時時間裡，我們可以多找幾個強光手電或者手機，或者LED燈之類的東東，組合起來形成更炫的投影效果。

●星空燈塑形 有沒有更完美的辦法？

   用3D印表機製作的這種星空燈，有沒有可能成為商品，讓普通消費者參與定製，獲得理想的燈具呢？目前看來，桌面級的FDM 3D印表機還做不到。


這個海星燈罩支撐結構充滿了內部 不易去除

   尤其是對於複雜形狀中大量的懸空結構，並不是FDM技術3D印表機的強項；並且ABS/PLA材料熱變形的溫度都比較低，在50攝氏度左右時會發生熱變形，也就是「變軟」。因此更適合的材料和技術用在製作燈罩上面——雷射燒結尼龍粉末3D列印燈罩。


SLS 3D列印技術燒結尼龍粉末 是一種更好的辦法

   一方面是粉末材料，天然為懸空部位提供支撐；列印完畢之後掃除粉末即可得到比較完美的列印形狀。另一方面是尼龍材料（聚醯胺PA）有良好的耐熱性能和柔韌性，適合用來做燈罩材料。其實日常中我們常用的場地羽毛球網，就是尼龍材質的，既柔軟又耐磨。


常見的羽毛球網就是尼龍材質

   美國shapeways.com和比利時i.materialise.com兩家做3D列印服務的廠商，都提供了3D列印的燈罩出售，或者可以個人定製燈罩，大部分採用的是尼龍材質，並且據我們的了解正是採用了尼龍粉末燒結的辦法。


網上在售的尼龍材質3D列印燈具


網上在售的尼龍材質3D列印燈具


網上在售的尼龍材質3D列印燈具


網上在售的尼龍材質3D列印燈具


網上在售的尼龍材質3D列印燈具

   而目前國內使用FDM 3D列印服務定製檯燈的服務，並不靠譜；而是將FDM技術，應用在燈具的原型和模具設計、試製、驗證上，這是目前國內燈具行業應用3D列印技術的主要趨勢。


目前網上「3D列印定製燈罩」的服務還不靠譜

   不論是家用還是商業應用，3D列印技術已經走在應用的路上。這篇文章，更關注個人和家庭用戶用3D印表機能夠做什麼——如果湊巧你又是一個酷愛動手的朋友，那麼3D印表機絕對是一個值得嘗試和探索的東西。

   最後我們想說的是，一個技術或者產品的發展和應用，必定有它內在的價值作為驅動力，比如網際網路，比如智慧型手機，比如微信。桌面3D印表機呢，也是我們試圖嘗試和探索它的價值、以及這種價值邊界的一款產品。對了，我們來玩一個小互動，細心閱讀的朋友應該發現「二次元之群魔亂舞」的3D列印外殼，並沒有出現在文章第三頁；但是它出現在文章的其它頁面中。那麼問題來了，它對應的3D列印外殼是哪一個附圖？

   看完本文，你能對桌面FDM技術的3D印表機能做什麼有一個基本的認知，同時又獲得了一些有趣的知識，那麼我們的目的就達到了。記得評論留言@我回答問題，抽取兩位讀者贈送3D列印的小獎品；或者添加微信公眾號，歡迎切磋探討。


3D知天下 知3D列印天下

   

6弘瑞Z300詳細參數

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